中国陆相沉积盆地古环境研究

中国陆相沉积盆地古环境研究

人们非常重视研究原油和沉积岩中的有机物质来源。最近,生物标志化合物分布的特征又成功的应用于区分和确认古沉积环境,特别是区分海相和陆相成因的石油与生油岩,或进一步细分沉积环境,如淡水湖相和高盐度的湖相、海相碳酸盐和三角洲沉积。本文用分子有机地球化学的方法,研究了采自我国东部陆相沉积盆地的一系列代表性沉积物样品,试图了解不同古沉积环境的特征及沉积环境的确认。一、湖泊沉积物岩芯样品的种类我国所发现的主要原油都属于陆相成因,时代是石炭纪至老第三纪。FuJiamoandShengGuoying(1986)曾经根据沉积盆地的类型和性质对比研究了我国不同生油岩的类型及其生烃潜力。根据含盐度,我国陆相生油岩类型可以划分为淡水、半咸水或淡水和咸水或高盐度水湖泊环境的沉积物。本文研究了以上三种湖泊沉积物样品,其有机热成熟度大体相当,且是未经表生生物降解影响的新鲜岩芯样品。样品号1—9属于淡水环境的沉积物。如辽河盆地的大民屯凹陷深水相生油岩与浅水沼泽相在空间上和纵向上过渡。深水相生油岩中分布的藻类化石主要是习淡水的绿藻类,代表了一种典型的淡水沉积环境。样品10—17号采自松辽盆地生油岩,按沉积时期湖泊水体的盐度应属淡水到半咸水。古盐度为0.5—5.0‰,略高于淡水。深水生油区的盐度略高,可达5.0—10.0‰。在松辽盆地白垩纪地层中还有海绿石,经研究证实这种海绿石不是海相成因的,而是一种半咸水湖泊环境的自生沉积矿物(杨万里等,1985)。18—22号样品的生油岩形成于咸水或高盐度水湖泊环境,如潜江盆地生油岩中就广泛发育高盐环境生成的矿物,如石膏和石盐等。泥岩中氯离子含量较高,为3—7‰。而含盐泥岩中氯离子含量更高,一般为20—60‰。含盐泥岩因盐度很高,化石极为稀少(江继纲,1982)。二、分子有机地球化学参数计算方法所有样品均经去污染处理后,粉碎呈粉末,用甲苯:甲醇进行索氏抽提,用硅胶G薄板层析法将抽提物分成烷烃、芳烃和极性组分。烷烃馏分进行GC和C-GC-MS分析。化合物的鉴定是经与标样谱图或文献谱图对比确认的。分子有机地球化学参数计算是基于在相同的GC-MS分析条件下,采用各系列化合物特征碎片离子质量色谱图的相对定量资料计算的。正烷烃参数根据m/z85质量色谱图计算,类异戊二烯烷烃及β胡萝卜烷与正烷烃之间的参数计算均在RIC图上进行,规则甾烷和4-甲基甾烷的计算分别根据m/z217和m/z231质量色谱图,藿烷系列化合物和γ-蜡烷均基于m/z191质量色谱图计算。仪器分析条件详见傅家谟文1)。三、烃和环烷烃参数辨析与来源有关和与沉积环境有关的分子参数,包括无环烷烃和环烷烃参数数据分别列入表1、2。所有分子参数都是根据GC-MS分析结果,在相应的质量色谱图上按峰面积和相对强度计算的,具体计算方法详见表3。1.类异戊二烯烷烃分布特征这类沉积物采自廊固凹陷、辽河盆地、苏北盆地和茂名地区。除茂名油页岩为地表新鲜岩样外,其余均为井下岩芯样,时代为老第三纪。这些样品的正烷烃分布显示出明显的奇碳优势,CPI值为1.1—2.9,并具高碳数优势。除个别样品外nC31/nC17值均大于1,最高达6.8,主峰碳为nC27或n1C29。类异戊二烯烷烃分布特征,除个别样品外,姥/植值一般接近于1或大于1。Pr/nC17和Ph/nC18值一般均大于1。仅在个别样品中检出了极少量iC25和iC30化合物。样品中均未检出β—胡萝卜烷(表1)。这类沉积物的生物标志化合物特征主要表现在甾类和萜类化合物的分布上。在大部分样品中均检出4-甲基甾烷,且其含量较高,个别样品的4-甲基甾烷指数可高达3.4。藿/甾值较高,一般为3—6,个别样品高达12.8。m/z191质量色谱图表明,这类样品中升藿烷的分布特点为C34和C35升藿烷丰度较低或检测不出(表2)。2./nc17、ph/nc18的表征这类沉积物样品采自松辽盆地,为泥岩生油岩,时代为白垩纪。正烷烃分布具低碳数优势,奇偶优势不明显,rC31/nC37比均小于1。Pr/Ph比大于1,而Pr/nC17、Ph/nC18明显小于1,未发现iC25和iC30类异戊二烯烷烃化合物和β胡萝卜烷(表1)。甾、萜类化合物的分布特征如下:普遍含有重排甾烷,而大多数样品中未检出4-甲基甾烷。规则甾烷由C27、C28和C29化合物组成,部分样品具C27优势,少部分则具C29优势。藿/甾值高,一般都大于5,个别样品高达29.4。升藿烷由C31至C35化合物组成,少数样品中检出了C36升藿烷,但不具有C35>C34>C33的分布特征,样品中普遍检出少量伽蜡烷(表2)。3.类异戊二烯烷烃这类沉积物样品产自潜江盆地和冀中凹陷,均为老第三纪岩芯样。这类样品的正烷烃分布具有奇碳优势或偶碳优势。最明显的特征表现在类异戊二烯烷烃化合物的组成上,具有明显的植烷优势,在烷烃RIC图上的主峰往往是植烷,Pr/Ph值为0.2-0.5。在类异戊二烯烷烃中植烷的相对含量往往大于60%。样品中均检出了iC25和iC30类异戊二烯烷烃。部分样品中检出了β-胡萝卜烷(表1)。这类沉积物的甾、萜类生物标志化合物组成具明显特征,未检出重排甾烷。规则甾烷组成中具明显的C29优势。藿/甾值极低(小于1)。在m/z191质量色谱图上最明显的特点是升藿烷(C31—C35)具有明显的C35>C34>C33的分布特征,藿烷指数一般都大于1。另一个特点是伽蜡烷含量较高,有时伽蜡烷可成为m/z191质量色谱图中的主峰,明显大于C30αβ藿烷(表2)。四、讨论(一)生油岩的成熟度研究样品的成熟度大多为接近生油门限至大量生油期(液态窗),只有极个别样品的分子参数结果表明其成熟度略低。(二)有机质成熟度应用生物标志物确定沉积环境时,必需十分小心,重要的是要排除成熟作用和生物降解作用的干扰。本文所研究样品均为新鲜岩样,烃类有机质没有显示出生物降解的任何迹象。成熟度参数结果表明,样品有机质成熟度差异不大。另外,除个别样品外,这组样品的岩性基本上相似,即均为泥岩或页岩,盐湖环境下形成的泥岩有时含有盐类矿物,甚至个别样品为芒硝。(三)在不同盐度环境下升烷和分散剂气体监测正烷烃淡水环境常以高碳数正烷烃为主,主峰主要是nC27和nC29,奇偶优势明显,代表陆源输入特点。半咸水或淡水环境以低碳数为主,个别样品以nC17为主,代表丰富的藻类输入。而咸水或高盐度水环境正烷烃分布主要在rC18—nC28,常呈现高碳数范围的偶碳优势分布,主峰碳为nC22、nC24或nC28。这种碳数分布可能与某种细菌输入有关,或代表了膏盐环境,如nC22优势、nC16—nC24的分布等(TenHaven,etal.1988)。而高碳数的偶碳优势则可能代表了某种细菌和藻类,如丛粒藻的输入(Tissot,etal.,1977;Mckirdy,e,al.,1986)。也可能是由于正烷烃前身物在膏盐环境的强还原条件下演化的结果(ShengGuoying,1980)。无环类异戊二烯烷烃淡水环境姥/植值在1左右,个别较低,而半咸水或淡水环境中则往往大于1。最为特征的是膏盐环境沉积物的姥/植值异常低,烷烃RIC图上主峰常为植烷。这种异常高的植烷优势和极低的姥/植值可能分别代表了甲烷成因菌和喜盐细菌的输入,或高盐度和强还原的沉积环境。在膏盐环境沉积物中往往还含有少量2,6,10,15,19-五甲基二十烷(iC25)和角鲨烷(iC30),前者属于含盐环境甲烷菌的输入(Brasselletal.,1981),后者属于甲烷成因菌和喜酸喜热菌的输入(Brasselletal.,1981)。萜类和四萜类烃淡水环境升藿烷分布范围较宽,一般在C31—C35,偶尔有C36化合物,升藿烷指数低。淡水或半咸水环境升藿烷分布范围较窄,一般在C31—C33,升藿烷指数略高。咸水或高盐度水环境升藿烷分布最为特征,主要表现为异常高的升藿烷指数,这是膏盐环境所特有的,可能与特定的成岩环境,或与某种特殊细菌或蓝绿藻有关(TenHaven等,1985;FuJiamo等,1986;1988)。藿/甾值高的情况主要出现在半咸水和淡水环境,可能由于这种环境有利于细菌藿烷形成,而不利于甾烷的保存,并与高等植物输入为主的陆相淡水环境有关(Mackenzie等,1982)。在各种环境中都产出伽蜡烷,但随着湖泊水体盐度增加,伽蜡烷的产出更为普遍,含量大大增加,特别是在膏盐环境下出现了伽蜡烷的最高值,m/z191质量色谱图上主峰不是C30αβ藿烷而是伽蜡烷。伽蜡烷被认为来源于原生动物,也是一种喜盐生物。因此,伽蜡烷的大量产出已成为膏盐环境的特征标志(TenHavenetal.,1985;1988;FuJiamoetal.,1986,1988)。在所研究样品中,β-胡萝卜烷仅少量产出于膏盐环境样品中。在我国新疆准噶尔盆地石炭-二叠纪(C-P)生油岩中检出了大量β-胡萝卜烷及其衍生物,这可能与极强的还原环境有关,这种环境主要是由火山沉积作用造成的。甾类烃不同盐度湖泊沉积物中规则甾烷的分布和组成差别不甚明显,都以C29和C27化合物为主,分别代表了高等植物和藻类混合输入。值得指出的是,在三种不同盐度环境中都往往检出4-甲基甾烷,而4-甲基甾烷的最高含量主要集中在淡水环境沉积物中。4-甲基甾烷被认为来源于甲藻(Boon,etal.1979)。本文研究结果说明这些湖泊中甲藻的大量繁殖仅仅局限于淡水环境。4-甲基甾烷的碳数组成三角图(图1)表明,盐湖环境的4-甲基甾烷特别富含C29和C30化合物,而明显不同于其他两类环境的沉积物。这种组成的不同有可能说明不同盐度环境下繁殖的甲藻种属可能不相同。应用生物标志化合物确认三种湖泊环境应用于确认古沉积环境的主要生物标志化合物参数及其意义详列于表3。这些分子参数的资料揭示,当沉积物有机质未经生物降解,且成熟度相近似时,咸水或高盐度水环境极容易区别于其他两类环境。其特点主要表现在极高的植烷优势(低Pr/Ph),高伽蜡烷含量,异常的升藿烷分布(C35>C34>C33)以及偶尔出现的正烷烃偶碳优势和特征的4-甲基甾烷组成(图1)。图2表示了三种不同环境沉积物中Pr/Ph值与伽蜡烷指数的关系,可见盐湖环境主要集中在该图左上侧。图3是升藿烷指数与伽蜡烷指数的关系,盐湖沉积分布在该图右上边,即伽蜡烷与升藿烷指数的高值区。淡水和半咸水或淡水环境的区别不太明显,这可能与两者的含盐度差别不大有关。淡水环境中4-甲基甾烷含量较丰富,升藿烷分布范围宽,表明陆源输入特征,如正烷烃主峰碳在C27、C29,高碳数具奇碳优势,CPI值高,规则甾烷中弱显C29优势等特征。表1、2中所列的数据经标准化后,进行主因子分析获得几个独立变量,它们是参加分析参数的线性组合(Davis,1973)。分析结果表明,前三个主要因子的累积特征值约为74%,其中第一主因子为43.6%,第二主因子为19.6%。因子得分图(PC1对PC2,图4)中可以看出,不同沉积环境的样品可以明显地区分开。因子载荷图(图5)表明,直链异戊二烯烷烃的相对丰度,伽蜡烷指数和升藿烷指数对第一主因子(PC1)有较大的贡献,而正构烷烃的比值(如nC27/nC17等)在PC2上有较大的载荷。五、生物标志化合物本研究结果表明,在区分陆相生油岩的不同沉积环境类型和古沉积环境确认方面,采用生物标志化合物参数是十分有价值的方法。说明了各种直链烷烃和环烷烃参数及其作为来源和环境参数的意义(表3)。表1—2和图3—4表明中国东部不同盐度湖泊环境生油岩具有明显的差异。采用主因子分析(PCA)获得的PC1和PC2得分图,可以很好地区分三种不同盐度环境形成的生油岩类型。咸水或高盐度水湖泊泥岩很容易用生物标志化合物方法确认,并区别于淡水和半咸水或淡水湖相泥岩。咸水或高盐度水沉积抽提物的最主要生物标志化合物组成特征,是极高的植烷优势和高含量的伽蜡烷及升藿烷的异常分布(升藿烷指数》1)。淡水湖相泥岩与半咸水或淡水相泥岩区别较小,主要表现在淡水沉积物抽提物显示较明显的陆源高等植物输入标志,如正烷烃主峰为高碳数(C27,C29)化合物,高碳数正烷烃分布的奇碳优势和C29甾