重排藿烷类化合物在国内外已有不少报道，目前已知的重排藿烷类化合物包括以下四个系列：18α(H)-新藿烷、17α(H)-重排藿烷、早洗脱重排藿烷和21-甲基-28-降藿烷。18α(H)-新藿烷中的Ts和C₂₉Ts是发现最早的两个重排藿烷化合物，众多学者研究认为它们的形成主要受成熟度的控制，同时还受到沉积—有机相的影响^{[1, 2]}。17α(H)-重排藿烷是继Ts和C₂₉Ts之后在地质体中发现的又一种重排藿烷，目前被众多学者关注最多是C₂₉重排藿烷（C₂₉*）和C₃₀重排藿烷（C₃₀*），对它们的成因不同学者持有不同的观点：Peters和Moldowan认为重排藿烷可能与细菌藿类先质有关，一般在弱氧化环境里由黏土矿物的催化作用下形成^[1]；Philp和Gilbert认为C₃₀*与陆源高等植物的输入有关，可能是陆源生物标志物^[3]；张水昌提出红藻可能是重排藿烷的一种母质来源^[4]；肖中尧等认为适度碱性条件下的黏土矿物有助于C₃₀*的形成^[5]；还有一些学者指出，较高的成熟度条件有利于17α(H)-重排藿烷的富集^{[6, 7, 8]}；赵孟军经研究得出煤系泥岩沉积环境最易于形成17α( H)-重排藿烷这一结论，并认为该化合物含量高一般反映滨浅湖—沼泽相沉积环境^[9]；程熊等人研究认为，异常高丰度的17α(H)-重排藿烷与高等植物生源有关，发育于亚氧化—氧化的扇缘泥炭沼泽相的烃源岩易于形成高丰度的17α(H)-重排藿烷^[10]。

关于17α(H)-重排藿烷的确切成因目前仍存在争议，需要进行更深入的研究。笔者在研究中发现，目前对17α(H)-重排藿烷的研究主要集中在其与饱和烃生物标志化合物、有机岩石学参数之间的关系上，而芳烃与重排藿烷之间关系的应用很少有系统研究：李美俊^[11]等应用芳烃成熟度参数研究过成熟度与重排藿烷之间的成因关系；程熊^[10]曾应用三芴系列对重排藿烷形成环境有过探讨。有鉴于此，本文系统剖析了鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩芳烃参数与重排藿烷之间的关系，试图应用芳烃化合物对高丰度17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷的分布规律与形成机理进行初探。

文中选取了鄂尔多斯盆地10个井下岩芯样品和21个野外露头样品，野外剖面分布在平凉、乌达、保德、柳林、韩城和澄城等六个地区；井下样品分别为苏27井、双1井和榆20井（图 1）。涉及到上古生界的石盒子组、山西组、太原组、羊虎沟组（东部为本溪组）和靖远组五个地质时期的煤岩、炭质泥岩和泥岩样品，这些样品主要处在鄂尔多斯盆地海相和陆相的过渡时期。在晚石炭世，区内海水时侵时退，形成了上石炭统海陆交互相沉积。早二叠世，鄂尔多斯陆块为近海平原的沉积环境，发育有平原上的河流、湖泊和沼泽相的含煤沉积。上石炭统底部，东部本溪组是一套广泛分布的、以陆相为主的海陆交替含煤地层，西部羊虎沟组则是一套以海相为主的海陆交互相沉积^[12]。

图 1 鄂尔多斯盆地山西组沉积相及样品点分布图(据陈全红，2007，修改) Fig. 1 The distribution of sedimentary facies in Shanxi Group and sampling points in Ordos Basin (modified from Chen Quanhong,2007)

图选项

烃源岩采用索氏抽提的方法，在70℃水浴锅内用三氯甲烷连续抽提72小时，经旋转蒸发得到氯仿沥青“A”，经石油醚溶解后，采用氧化铝柱层析分离，分别得到饱和烃、芳烃、非烃和沥青质。

饱和烃GC-MS分析采用HP6890N/HP5973MSD分析仪，色谱柱为HP-5MS(30m×0.25mm×0.25μm)石英毛细管柱，以氦气作为载气；升温程序：50℃恒温1分钟，之后以20℃/min升至100℃，再以3℃/min升至315℃，扫描范围为50~500 amu。

芳烃GC-MS分析在6890N/5973色谱质谱仪上进行，色谱柱采用HP-5MS石英毛细管柱（60m×0.25mm×0.25μm）。升温程序：50℃恒温1分钟，然后以8℃/min升至150℃，再以4℃/min的升温速率升至310℃，扫描范围为50~500 amu。

在鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩中检出17α(H)-重排藿烷、18α(H)-新藿烷和早洗脱重排藿烷等三种类型重排藿烷。如图 2所示，18α(H)-新藿烷检出有Ts和C₂₉Ts，17α(H)-重排藿烷则以C₂₉-重排藿烷(C₂₉*)和C₃₀重排藿烷(C₃₀*)为主，早洗脱重排藿烷主要发现了C₃₀-早洗脱重排藿烷（C₃₀E），三个系列的重排藿烷在高丰度重排藿烷烃源岩中表现出以C₃₀*为主峰的分布特征，Ts、C₂₉Ts、C₂₉*、C₃₀*在31个样品中均有检出，而C₃₀E仅在部分样品中有较高的含量。

图 2 鄂尔多斯盆地典型烃源岩样品m/z191质量色谱图 Fig. 2 The m/z 191 mass chromatograms of the typical source rocks in Ordos Basin

图选项

张文正^[13]在研究鄂尔多斯盆地延长组不同烃源岩17α(H)-重排藿烷分布特征及其地质意义时，以C₃₀重排藿烷/C₃₀藿烷（C₃₀*/C₃₀H）比值为标准将重排藿烷的丰度划分为三个等级：C₃₀*/C₃₀H＞1时为异常高丰度重排藿烷，0.2＜C₃₀*/C₃₀H＜1.0时为高丰度重排藿烷，C₃₀*/C₃₀H＜0.2时为低丰度重排藿烷。根据饱和烃GC-MS分析结果，鄂尔多斯盆地上古生界的31个煤系烃源岩样品中有3个样品存在异常高丰度重排藿烷，5个高丰度重排藿烷样品，其余样品重排藿烷丰度相对较低（表 1）。8个高—异常高丰度重排藿烷烃源岩样品分别位于乌达剖面太原组中部、苏27井山西组和本溪组、柳林地区山西组和榆20井山西组地层，主要受冲积扇、河控三角洲、滨浅湖等陆相沉积环境控制，成熟度指标镜质体反射率（R_o）介于0.82%~1.13%之间，有机质丰度指标TOC介于0.75%~63.14%，绝大部分TOC＞2.0%。

表 1显示，C₃₀*/C₃₀H与C₃₀E/C₃₀H在鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩中从0.05~1.66、0.01~0.56均有分布，且呈现出很好的正相关性（图 3），揭示了17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷应当形成于相似的沉积环境和成熟度条件下，具有相近的母源关系。

图 3 烃源岩中C30*/C30H与C30E/C30H相关图 Fig. 3 The cross-plots of C30*/C30H vs. C30E/C30H in source rocks

图选项

鄂尔多斯盆地上古生界高重排藿烷煤系烃源岩饱和烃生物标志物显示：C₂₇、C₂₈、C₂₉规则甾烷呈反“L”型或不对称“V”字型分布，C₁₉三环萜烷和C₂₄四环萜烷含量高，C₂₄Te/C₂₆TT分布在0.49~7.07之间，C₁₉TT/C₂₃TT为0.14~5.56；Pr/Ph介于0.39~3.35之间，并与C₃₀*/C₃₀H呈正相关性；此外，高重排藿烷烃源岩的伽马蜡烷含量较低，G/C₃₀H比值在0.06~0.23之间，并与C₃₀*/C₃₀H呈负相关的特征。这些特征显示，鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩高丰度重排藿烷与陆生高等植物生源密切相关，主要在弱氧化的沉积环境下演化形成，这与程熊^[10]等人的研究结果相同。下文就鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩芳烃地球化学特征与高丰度重排藿烷之间的关系进行了初步探讨，以期能够为高丰度重排藿烷的成因找到更多的证据。

3 芳烃地球化学特征

芳烃是烃源岩抽提物和原油中重要的组成部分，尤其是在煤系烃源岩和煤成油中的相对含量较高。芳烃化合物中很多具有代表性的参数可以用来指示烃源岩和原油形成时的热演化程度、母质来源和沉积环境，并且可以用来进行油源对比、示踪油气的运移方向，是对饱和烃参数的重要佐证和辅助。

鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩中检出萘、卡达烯、联苯等二环芳烃，菲、蒽、惹烯、三芴系列等三环芳烃，屈、芘、苯并[a]蒽、荧蒽、苯并芴等四环芳烃和苝、苯并芘、苯并荧蒽等五环芳烃，还有部分样品检出芳香甾萜类化合物。

表 2显示，二环芳烃和三环芳烃（低环芳烃）在低丰度重排藿烷烃源岩中相对含量较低，平均值分别为5.4%和38.0%，在高丰度和异常高丰度重排藿烷烃源岩中含量相对较高，平均达到了9.1%~12.0%、47.5%~47.6%。四环和五环芳烃（多环芳烃）则在高—异常高丰度重排藿烷烃源岩中含量相对较低，在低丰度重排藿烷烃源岩中含量相对较高。芳香甾萜类在高—异常高丰度重排藿烷烃源岩中未检出，而在低丰度重排藿烷烃源岩中有一定的芳香甾萜类。

表 2 烃源岩中不同环数芳烃相对百分含量表Table 2 Percentage composition of different ring aromatic hydrocarbon in source rocks

重排藿烷丰度	二环芳烃 (%)	三环芳烃 (%)	四环芳烃 (%)	五环芳烃 (%)	芳香甾萜类 (%)
异常高丰度重排藿烷	8.4~16.3 12.0(3)	45.2~50.1 47.5(3)	13.5~20.2 16.8(3)	3.0~7.7 5.1(3)	0
高丰度重排藿烷	3.4~15.8 9.1(5)	40.5~55.7 47.6(5)	16.0~23.9 19.3(5)	1.3~8.7 5.2(5)	0
低丰度重排藿烷	0.06~20.7 5.4(23)	18.4~52.4 38.0(23)	16.9~72.2 29.6(23)	3.3~36.7 13.8(23)	0~3.2 0.4(23)

表选项

图 4揭示了不同丰度重排藿烷的烃源岩样品的二环+三环芳烃与四环及四环以上芳烃之间的关系。从图中可以看到，在二环+三环芳烃相对含量低于50%、四环及四环以上芳烃相对含量高于35%的烃源岩中只存在低丰度重排藿烷，C₃₀*/C₃₀H＜0.2、C₃₀E/C₃₀H＜0.1；高—异常高丰度重排藿烷仅出现在二环+三环芳烃相对含量大于50%、四环及四环以上芳烃相对含量小于35%的烃源岩中，C₃₀*/C₃₀H一般大于0.2，C₃₀E/C₃₀H普遍大于0.1，并且有着随低环芳烃相对含量增大而增高、随多环芳烃相对含量降低而增高的趋势。由此可见，17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷与二环芳烃和三环芳烃有相似的形成条件和母质来源。

图 4 烃源岩中二环+三环芳烃与四环及四环以上芳烃关系图 Fig. 4 The cross-plots of bicyclic and tricyclic aromatic hydrocarbon vs. tetracyclic and pentacyclic aromatic hydrocarbons

图选项

妥进才^[14]认为二环芳烃的萘系列和联苯系列化合物来源于陆生高等植物，四环芳烃的屈系列来源于低等水生生物，五环芳烃的苯并芘与低等水生生物有关。目前关于三环芳烃中菲的来源有两种观点，一种认为与低等水生生物有关^[14]，但也有研究表明陆相原油中菲的含量较高^{[15, 16]}。研究发现，二环芳烃的相对含量与高—异常高丰度重排藿烷的相关性更加明显，随着二环芳烃平均含量从9.1%增大到12.0%，C₃₀*/C₃₀H和C₃₀E/C₃₀H平均值分别从0.69和0.19增大到1.44和0.45，初步判断鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩高—异常高丰度17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷与陆生高等植物生源关系更为密切。

此外，图 4显示，部分煤系烃源岩样品的二环+三环芳烃含量大于50%，四环及四环以上芳烃含量低于35%，但其重排藿烷的含量却同样很低，这表明生源构成并非高丰度重排藿烷形成的唯一条件，还有其他因素也在影响重排藿烷的形成。

成熟度作为影响烃源岩有机质演化的重要因素之一，对重排藿烷的形成有着举足轻重的作用。Kolaczkowska等人曾应用分子热力学方法计算了藿烷的理论生成热，使得新藿烷及重排藿烷相对丰度的成熟度意义得到了理论支持^[17]，之后Obermajer在计算了藿烷类化合物的生成热后，发现重排藿烷的生成热要比正常藿烷少得多，具有较高的热稳定性，因而在较高成熟度的原油中，重排藿烷相对较为富集^[6]。

关于芳烃成熟度指标，国内外的学者进行了大量的研究，目前研究最为成熟、应用最广泛的主要是甲基菲指数和甲基菲比值。甲基菲指数（MPI-1、MPI-2）最早是由Radke等人提出用来计算成熟度的芳烃参数^{[18, 19]}，并得到了广泛的应用。在此后的研究中，Kvalheim等人^[20]又提出的两个另外两个甲基菲参数F1、F2，作为对甲基菲指数的补充，进一步完善了芳烃中甲基菲参数在成熟度研究中的应用。这些芳烃参数与成熟度指标Ro有很好的相关性，随着成熟度的升高而增大。本文应用甲基菲指数MPI-1和甲基菲比值F1、F2等芳烃成熟度参数对鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩中高丰度重排藿烷与成熟度之间的关系进行了研究。

表 1显示，鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩甲基菲指数MPI-1在0.03~1.63之间，MPI-2为0.04~1.85，F1在0.44~0.84之间，揭示了研究区烃源岩成熟度分布较广，从低熟到高熟均有出现。为了更好的研究成熟度对重排藿烷形成的影响，笔者将研究区烃源岩样品以Pr/Ph比值为参数，将烃源岩沉积环境划分为两种类型，一类为Pr/Ph＞1的弱氧化环境，另一类为Pr/Ph＜1的还原环境。由图 5可知，Pr/Ph＞1弱氧化环境形成的烃源岩在未熟—低熟阶段C₃₀*/C₃₀H＜0.2，重排藿烷丰度较低，进入成熟阶段后才开始大量形成重排藿烷类化合物，C₃₀*/C₃₀H比值急剧增大，并伴随着成熟度的升高而增大；Pr/Ph＜1还原环境中的烃源岩17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷丰度相对较低，C₃₀*/C₃₀H普遍小于0.2，但在进入成熟阶段后仍存在着随成熟度升高而增大的现象。然而，在还原环境条件下形成的烃源岩也有例外情况，如LL-2和苏27（3 155.03~3 155.97 m）两个样品在Pr/Ph分别为0.97和0.83的情况下，C₃₀*/C₃₀H分别达到了0.66和0.72，存在着较高丰度的重排藿烷，研究发现，这两个样品二环和三环芳烃相对含量大于50%，饱和烃中的C₂₄Te/C₂₆TT为0.77，C₁₉TT/C₂₃TT为0.34和0.98，指示了陆生高等植物生源的贡献。这种情况是否表明，在还原环境下陆生高等植物来源的有机质在较高的成熟度条件下同样能够大量形成重排藿烷呢，这为下一步的研究提供了一个新的思路，需要更多的样品和实验数据来佐证。

图 5 烃源岩成熟度参数与C30*/C30H关系图 Fig. 5 The cross-plots of maturity parameters vs. C30*/C30H in source rocks

图选项

鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩形成于海陆过渡时期的沉积环境，烃源岩沉积成岩过程中水体的氧化还原性质复杂多变，从而影响到有机质的保存及烃源岩最终的生烃产物，因而它可能是影响烃源岩中17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷富集的一个重要因素。一些学者在对重排藿烷研究过程中发现，17α(H)-重排藿烷是D环上带有官能团的藿烷经重排作用形成的，D环只有在经历了氧化作用并处于酸性介质环境和黏土矿物催化作用下，才易于发生重排而形成重排藿烷，可以说氧化性质的强弱对重排藿烷的丰度有着极为重要的影响^{[1, 3, 21]}。

芳烃化合物中三芴系列是研究烃源岩沉积环境的重要参数，林壬子等^[22]认为，三芴系列化合物可能来自相同的先质，受沉积环境的氧化还原性质影响，在强还原环境中形成硫芴，在正常还原环境中形成芴，在弱氧化或弱还原环境中形成氧芴。如表 1所示，研究区高丰度17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷烃源岩样品∑OF/∑(F+OF+SF)比值为17.06%~55.26%，∑F/∑(F+OF+SF)比值为33.78%~49.14%，沉积环境显示出弱氧化性。据此推测，沉积环境的弱氧化性质有利于17α(H)-重排藿烷样品和早洗脱重排藿烷的形成。图 6显示C₃₀*/C₃₀H、C₃₀E/C₃₀H随着氧芴和芴的含量增高到一定的程度而急剧增大，一般在氧芴含量达到30%~50%、芴含量达到35%~45%左右时C₃₀*和C₃₀E达到最高，反映17α(H)-重排藿烷样品和早洗脱重排藿烷的形成受到一定范围的沉积氧化性质影响。

图 6 烃源岩∑OF/∑(F+OF+SF)、∑F/∑(F+OF+SF)与C30*/C30H、C30E/C30H关系图 Fig. 6 The cross-plots of C30*/C30H and C30E/C30H vs. ∑OF/∑(F+OF+SF),C30*/C30H and C30E/C30H vs. ∑F/∑(F+OF+SF) in source rocks

图选项

鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩芳烃三芴系列组成三角图（图 7）显示，高—异常高重排藿烷烃源岩大部分形成于弱氧化性质的沼泽相沉积环境中，少量在海陆过渡相的沉积环境中形成，海相和淡水湖相烃源岩在本地区未见高丰度重排藿烷的形成，这些特征表明，弱氧化性质的沼泽相沉积环境是高丰度17α(H)-重排藿烷样品和早洗脱重排藿烷形成的有利因素。此外，三角图中也有部分沼泽相沉积环境的烃源岩不具备高丰度的重排藿烷，这一现象揭示了高丰度重排藿烷的形成不仅仅是沉积环境这一因素的作用。

图 7 鄂尔多斯盆地煤系烃源岩三芴系列组成三角图（据程克明[23]，1995，修改） Fig. 7 The triangular diagram of dibenzothiophene,dibenzofuran and fluorine in coal-bearing source rocks in Ordos Basin(modified from Cheng Keming,1995)

图选项

综上，沉积环境的弱氧化性质是17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷富集的一个重要条件，沼泽相沉积环境最有利于重排藿烷的形成。

（1）芳烃参数作为饱和烃生标的有益补充，在研究重排藿烷成因时具有极为重要的作用，为重排藿烷成因研究提供了更多有效证据。

（2）鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩芳烃的宏观组成显示，高—异常高丰度17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷烃源岩的二环和三环芳烃相对含量较高，一般大于50%；四环和五环芳烃的含量相对较低，普遍低于35%；未见芳香甾萜类化合物。研究表明17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿的形成与高等植物母源关系更为密切。

（3）由三芴系列化合物研究结果可知，沉积环境的弱氧化性是17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷形成的有利条件，具有弱氧化性质的沼泽相沉积环境最有利于重排藿烷的形成。

（4）甲基菲指数MPI-1、MPI-2和甲基菲比值F1等芳烃成熟度参数显示，Pr/Ph＞1弱氧化环境的烃源岩进入成熟阶段后能够大量形成17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷，其相对含量随着成熟度的升高而增大；Pr/Ph＜1还原环境中的烃源岩17α(H)-重排藿烷和早洗脱重排藿烷相对含量总体较低，但在进入成熟阶段后随成熟度升高仍有所增大。