羌塘盆地羌资3井索瓦组泥岩生物标志化合物特征及其地质意义

羌塘盆地羌资3井索瓦组泥岩生物标志化合物特征及其

地质意义1

杜佰伟彭清华何江林

中国地质调查局成都地质调查中心成都 610081

摘要：本文对羌塘盆地羌资3井索瓦组样品开展了详细的有机地球化学特征研究，探讨了其有机母质来源及形成的沉积环境。样品中检测出丰富的正构烷烃、类异戊二烯烷烃、萜类化合物和甾类化合物。在GC图谱上，主碳数分别为nC17、nC18、nC23或nC25, OEP值为0.4-1.24, Pr/nC17值为0.68～0.99、Ph/ nC18值为0.55～0.98 ,Pr/Ph为0.50~0.90。萜类化合物以C30藿烷占优势的五环三萜烷为主，含有三环萜烷和伽马蜡烷。甾类化合物以规则甾烷为主，C27、C28和C29甾烷构成了不对称的“V”字型，C29ααα20S/（20S+20R)和C29αββ/ (ααα+αββ) 的值分别为0.30～0.49、0.40～0.54。饱和烃色谱/质谱特征表明泥岩有机母质来源来源于具有水生生物的混合来源，揭示了其母质形成于一定盐度缺氧还原环境。镜质体反射率与成熟度参数均显示泥岩与沥青处于生油高峰阶段。生物标志物研究显示羌资3井沥青与泥岩在母质性质、沉积环境、成熟度等方面有相近的特征，它们具有较好的亲缘关系。

关键词：羌塘盆地，索瓦组，生物标志化合物，地质意义

CHARACTERISTICS OF BIOMARKER COMPOUNDS ANDTHEIR GEOLOGICAL SIGNIFICANCE IN THE UPPER JURASSIC MUDSTONEOF THE SUOWA FORMATION FROM QZ3 WELL IN THE QIANGTANG BASIN,THE NORTHERN TIBET

Du baiweiPengqinghua Hejianglin

Chengdu Center of China Geological Survey,Chengdu,Sichuan 610081, China

Abstract:This paper aims to develop detailed research on geochemical charactericsof the Suowa Formation mudstones from Well QZ3.The origin of organic matters and sedimentary environment have been discussed,according to the study of the characteristics of biomarkers. Abundant biomarkers,including n-alkanes,isoprenoid, terpanes and steranes from mudstones have been detected by GC and GC-MS. The n-alkanes have nC17、nC18、nC23or nC25 as the mean peaks. OEP values vary from 0.4 to 1.24，Pr/nC17 from 0.68 to 0.99, Ph/ nC18 from 0.55 to0.98, and Pr /Ph from 0.50 to 0.90. In the m/z191 GC-MS,C30 hopane is most abundant in the terpanes，tricyclic terpanes and gammacerane are present. In the m/z217 GC-MS, regular steranes are characterized by highest abundances. The regular steranes C27-C28-C29ααα20R distributes with asymmetric“V”shape. C29ααα20S/（20S+20R) values vary from 0.30 to 0.49 and C29αββ/ (ααα+αββ) from 0.40 to 0.54. GC/MS characteristics of saturated hydrocarbon show that organic matter is characterized by mixed sources which is constituted by phytoplankton,reveal that Organic matter forms in low-salinity anoxic environment.Different kinds of parameters indicate that the organic matter of the asphalts and mudstones is the peak of oil generation.At the same 项目资助：中国地质调查局油气专项项目“青藏地区多种能源综合地质调查（项目编号：1212011221106）”与“国家科技重大专项（2011ZX05004001-006）”联合资助

作者简介：杜佰伟（1976—），男，四川成都人，高级工程师，长期从事青藏高原石油地质和非常规油气调查研究工作，（E-mail）dbw88@163.com，（Tel）13688012881

1?

time, biomarker parameters of the asphalts and mudstones from Well QZ3 showed similar characteristics in the aspects of the organic matter source,sedimentary environment and maturity .They have very close relative relationship.

Key words: Qiangtang basin ；The Suowa Formation；Biomarker；geological significance

羌塘盆地目前我国勘探程度最低的大型海相沉积盆地，近几年来开展了一些二维反射地震、MT等工作，但资料说服力较差，而在野外地表路线调查、剖面测量等基本石油地质方面则取得了一些进展[1-4]，油气勘探处于盆地远景评价的普查阶段。针对盆地地层随着高原隆升遭受的一系列作用产生的油气评价工作的局限性，在托纳木地区开展了羌资3井的钻探工作，以获得该地区地下石油地质资料。笔者对该井泥岩有机地球化学特征进行了研究，探讨了泥岩及钻遇沥青的生物标志化合物特征及来源指示，希望在了解托纳木地区可能的烃源岩、油气成藏过程或后期遭受破坏等提供地球化学方面的依据。

1．区域地质特征

羌塘盆地位于青海省南部、西藏自治区的北部地区，盆地北以拉竹龙－金沙江缝合带为界，南部边界为班公湖－怒江缝合带，东西则以缺失侏罗纪地层作为盆地界线，其面积约22×104 km2 [5-7]。盆地总体呈近东西向格局，具有南北分带，东西分区的构造格局[7-8]，由南向北依次为南羌塘拗陷带、中央隆起带和北羌塘拗陷带（图1），总体表现为“两坳夹一隆”构造格架。托纳木地区则位于北羌塘拗陷中部，处于布若错-多格错仁地层分区，区内主要出露索瓦组、雪山组、康托组及第四系地层[9]。

图1羌塘盆地区域构造及钻井位置

Fig.1 Tectonic settings of the Qiangtang Basin and the well position in the northern Tibet

羌资3井位于西藏双湖县雅曲乡托纳木复式背斜带，井口坐标为E：89°15′43.9″，

N：33°36′23.7″，海拔高度5249.91米。钻井开口为第四系全新统，终孔地层为上侏罗统索瓦组泥岩，终孔深度为887.4m。

羌资3井0~90.37m钻遇第四系地层，其中，0~8.58m钻遇黄色、浅灰色、紫红色粘土和残留坡积物，8.58~90.37m主要为灰至深灰色薄层-中层状粘土。

索瓦组地层位于90.37m以下（未钻穿），其中90.37~312.6m，为一套粉砂岩、砂岩、泥质粉砂岩为主的陆源碎屑岩组合（图2）；312.6~887.4m为深灰色、灰黑色薄层状泥岩、粉砂质泥岩、砂岩与灰、深灰色及灰白色泥晶灰岩、泥晶生屑灰岩、介壳灰岩、砂屑灰岩、泥晶鲕粒灰岩等不等厚韵律互层（图2）。羌资3井上部粉砂岩、砂岩中见丰富的干沥青显示，下部也偶见沥青与泥岩共存。

笔者从索瓦组样品中选取了9件泥岩和3件沥青使用Agilent6890-5975c气相色谱质谱联用仪进行测试，饱和烃色谱-质谱分析按照GB/T 18606-2001《气相色谱质谱法测定沉积物和原油中生物标志物》执行，以便探讨样品中泥岩中生物标志物的来源、分布特征，了解泥岩有机质来源及地质意义。样品的测试条件：色谱分析时，载入99.999%氦气，进样口温度300℃，传输线温度280 ℃。色谱柱为HP~5MS弹性石英毛细柱（60m×0.25mm×0.25?m），在50℃保持1min，再以15?C/min升至120?C，以3?C/min升至300?C，保持25min。测试方式为全扫描。

图2羌塘盆地羌资3井索瓦组地层特征及有机地化样品采集位置

Fig.2 Stratigraphic characteristics of the Suowa Formation and organic geochemical sample position from

Well QZ3 in the Qiangtang Basin

2．生物标志物分布特征

索瓦组泥岩有机碳含量介于0.46%～1.26%之间，平均值0.67%；氯仿“A”含量较低，其含量为0.0009%~0.0151%，平均为0.0044 %；岩石热解分析表明生烃潜量S1+S2非常低，0.01~0.29 mg/g，均值0.13 mg/g，综合这些参数表明，索瓦组泥岩具备一定的生烃能力。干酪根镜检以腐泥组占绝对优势，其次为惰质组，镜质组含量相对较少。有机质类型主要为Ⅱ

2

型，其次Ⅱ1型，这说明索瓦组泥岩有机质类型较好。镜质体反射率（Ro）普遍较高，Ro

值为1.21%~1.78%之间，平均值1.50%，表明QZ-3井泥岩有机质处在成熟-高成熟阶段。同时，纵向上，随着深度的增加，镜质体反射率Ro值有逐渐增大的趋势。在GC-MS分析中，检测出它们有完整碳数（nC10~nC35）的正构烷烃、类异戊二烯烷烃、萜类及甾类化合物，结果显示它们没有受到明显的生物降解作用，测试的数据能够反映它们的形成特征：

2.1 饱和烃

一般情况下，饱和烃特征能直接反映母源物质的信息，如主峰碳在nC15-nC19的前峰型，反映母质来源于藻类等低等水生浮游生物；主峰碳在nC25-nC33的后峰型，反映有机母质来源于陆源高等植物的输入[10-12]。泥岩样品GC图谱中均检出相似分布特征的正构烷烃系列，具有以下特点（表1，图3）：①碳数分布比较完整，从nC10-nC35均有分布；②泥岩主碳峰

为nC18、nC23和nC25，以nC23和nC25占多数；③饱和烃气相色谱分布形态表现为以单峰形态为主；④泥岩具有较低的∑C-21/∑C+22比，比值变化范围为0.29～1.19，均值为0.66，除一件样品大于1.0外，其它样品均小于1.0，说明重烃组分占有绝对优势。⑤奇偶优势比OEP值介于0.4-1.24之间，平均值为1.04，偶碳数优势并不明显（表1），CPI平均值0.98~1.18，平均1.04左右，OEP和CPI值基本趋于平衡值，表明烃源岩均已进入成熟阶段。

表1 羌塘盆地羌资3井索瓦组泥岩与沥青生物标志物参数

Table1 Biomarker parameters of the Suowa Formation asphalts and mudstones from Well QZ3 in the

Qiangtang Basin

野外 编号 SY-10 SY-21 SY-25 SY-30 SY-31 SY-32 SY-34 SY-41 QZ-S1 QZ-S2 QZ-S3

样品 性质

主峰碳

1.24 1.10 1.08 1.13 1.13 1.12 0.89 1.10 0.93 0.91 1.00 0.81

0.99 1.07 1.06 1.04 1.15 1.05 1.10 1.18 1.04 1.24 1.25 1.15

OEP

CPI

Pr/ Ph 0.52 0.58 0.6 0.78 0.90 0.50 0.58 0.77 0.72 0.82 0.84 0.64

Pr/ nC17 0.96 0.71 0.75 0.77 0.83 0.86 0.84 0.68 0.77 0.73 1.36 0.91

Ph /nC18 0.91 0.96 0.92 0.94 0.96 0.98 0.98 0.96 0.99 0.80 1.66 0.93

I 0.48 0.29 0.50 0.52 0.60 0.32 0.95 0.85 0.84 1.12 1.07 1.00

Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 0.51 0.55 0.42 0.46 0.49 0.45 0.49 0.40 0.50 0.45 0.46 0.44

Ⅶ 24.54 50.22 38.25 44.37 48.77 41.71 34.95 43.81 40.64 39.47 43.56 41.34

Ⅷ 23.31 23.48 19.88 22.83 21.29 22.65 23.86 19.24 23.90 21.35 19.19 20.76

IX 52.15 26.30 41.87 32.80 29.94 35.64 41.18 36.96 35.45 39.18 37.24 37.90

泥岩 25 泥岩 泥岩 泥岩 泥岩 泥岩 泥岩 泥岩 沥青 沥青

25 25 23 25 25 18 23 18 17 18

0.56 0.58 0.18 0.30 0.45 0.63 0.17 0.46 0.57 0.54 0.14 0.42 0.40 0.47 0.12 0.49 0.55 0.59 0.12 0.45 0.50 0.59 0.11 0.41 0.52 0.62 0.11 0.35 0.52 0.58 0.13 0.38 0.42 0.61 0.12 0.40 0.56 0.59 0.22 0.41 0.55 0.55 0.18 0.41 0.57 0.62 0.12 0.33

SY-241 泥岩

沥青 18

Ⅰ=ΣnC21-/ΣnC22+,Ⅱ= Tm/(Ts+Tm),Ⅲ=22S/(22R+22S)-C31Hop,Ⅳ=γ蜡烷/C30 Hop, Ⅴ= C29ααα20S/(20S+20R),Ⅵ=C29αββ/(αββ+ααα),

Ⅶ= 5α-C27/（5α-C27+5α-C28+5α-C28）(%),Ⅷ= 5α-C28/（5α-C27+5α-C28+5α-C28）(%),IX= 5α-C29/（5α-C27+5α-C28+5α-C28）(%)

图 3羌塘盆地托纳木地区羌资3井泥岩饱和烃色谱和萜甾烷质量色谱图

Fig.3 Saturated Hydrocarbon chromatogram,terpane and sterane mass chromatogram of the Suowa

Formationasphalts and mudstones from Well QZ3 in the Qiangtang Basin

2.2类异戊二烯烷烃

姥鲛烷（Pr）和植烷（Ph）是常用的古环境标志物，经过大量研究认为姥植比（Pr/Ph）可以作为沉积环境的重要标志[12-13]。当沉积环境为氧化条件下显示姥鲛烷占优势，Pr/Ph值较高；而当沉积环境为还原环境时，则显示植烷占优势，Pr/Ph值较低 [14-16]。QZ-3井样品中均检测出了含量丰富的类异戊二烯烷烃，主要是姥鲛烷（Pr）和植烷（Ph）。各样品的姥植比（Pr/Ph）值均较低，介于0.50~0.90之间（表1），平均值为0.68，具有明显的植烷优势，可能揭示了有机质形成于较强的还原环境。另外，Pr/nC17和Ph/nC18分别为0.68～0.99和0.55～0.98，均值分别为0.81和0.92（表1），仅1件样品的值大于1，大部分样品显示正构烷烃占优势的特征。根据Pr/nC17与Ph/nC18的关系图谱可以得出，样品在主要分布在Ⅱ型区域，总体反映母质的形成环境为还原环境（图4）。

图4羌塘盆地羌资3井泥岩与沥青Pr/nC17- Ph/nC18判别沉积环境（底图据文献[16]） Fig. 4 Determination of organic matter type byPr/nC17- Ph/nC18 of the Suowa Formation asphalts and mudstones from Well QZ3 in the Qiangtang Basin (Basemaps according to the references[16])

2.3 萜类化合物

QZ-3井索瓦组样品中检出丰富的萜烷类化合物，主要有五环三萜、三环二萜、长链三环萜、四环萜及少量伽马蜡烷等（图3）。样品中五环三萜烷碳数分布范围小于C35，C35以后的藿烷一般难以检出。一般认为藿烷类来源于微生物细菌，同时高丰度的升藿烷还与沉积时期的强烈的细菌活动有关，QZ-3井样品中藿烷类化合物含量较高，同时以C30藿烷占据优势，升藿烷从C31~C35均有检出，表明了它们有机质存在微生物细菌的贡献。

三环萜烷主要来源于原生动物的细胞膜或藻类等低等水生生物，与咸水环境关系较为密切

[17-18]

。QZ-3井索瓦组样品中三环萜烷丰度较低，且数分布为C19~C29，通常以C21或C23

为主峰（图3），反映出有机质母质中低等生物来源含量丰富且可能形成于一定盐度环境。

伽马蜡烷作为C30五环三环萜一种，它的形成与水体分层与环境盐度关系密切[12]，有分层水体标志的纤毛虫是它的重要来源[19]，因此，伽马蜡烷常被当作指示沉积环境和盐度的可靠的指标。QZ-3井索瓦组烃源岩中都检测出了少量的伽玛蜡烷，且伽玛蜡烷/ C30藿烷比值分布范围为0.11~0.18，平均0.13（表1），说明其烃源岩有机母质形成于具有一定盐度的还原环境。

2.4甾类化合物

一般情况下，甾烷分子结构相对稳定，不同碳数的甾烷不可能发生明显相互转化。因此，甾类化合物作为研究有机质母质类型及热演化程度的重要参数。

QZ-3井索瓦组样品中鉴定出的甾烷主要有C27、C28和C29规则甾烷、孕甾烷，还含有一定量的重排甾烷(图3) 。其中C27、C28和C29规则甾烷的相对含量分别为24.54%~50.22%、19.19%~23.9%和26.30%~52.15%（表1），而且其相对含量C27>C29>C28，在图谱上分布特征呈不对称“V”字型分布， C27规则甾烷含量略高(图3)。一般认为C27甾烷主要来源于藻类等低等水生生物，而C29甾烷则主要与陆生高等生物输入有关。样品中Σ（C27+C28）/ΣC29

的比值为0.92~2.80，平均为1.76，反映出有机母质中低等水生生物贡献大的特点[20]。同时，结合C27、C28和C29规则甾烷三者之间的关系认为，样品投点均落以代表藻类（Ⅶ）与浮游植物为主（Ⅵ）的区域内，说明了它们的母质来源于藻类、浮游植物等水生生物的混合型来源（图5）。因此，在索瓦组沉积期，盆地内生长的各种水生浮游植物、藻类等死亡后在缺氧条件下堆积、腐烂，为泥岩沉积提供了大量的有机质来源，也为沥青的最终形成提供了物质基础。

图5 羌资3井索瓦组沥青与泥岩氯仿沥青“A”饱和烃规则甾烷三角图

Fig.5 The relation of C27、C28、and C29αααsterance in solvent extracts of the Suowa Formation asphalts

and mudstones from Well QZ3 in the Qiangtang Basin

综合上述分析认为，羌资3井样品形成于还原条件下且具备一定盐度的环境中，而其有机母质的构成以藻类、浮游植物等水生生物的混合型为特征，尚不能确定是否存在有高等植物输入。

3.生物标志物与有机质成熟度的关系

羌资3井索瓦组泥岩镜质体反射率（Ro）质介于1.21%~1.78%之间，平均值1.5%（图2），处于有机质演化程度较高的阶段。纵向上泥岩镜质体反射率随深度的增加而增加，说明泥岩有机质正常的演化过程。羌资3井奇偶优势比OEP值基本上接近1.0，介于0.40-1.24之间，平均值为1.04；CPI平均值0.98~1.18，平均1.04左右，表明烃源岩均已进入成熟阶段。

有机质演化过程一般伴随着甾烷、萜烷分子发生“异构化反应”，如藿烷的ββ型向βα型和αβ型转换、甾烷的ααα型向αββ型，侧链上R型向R+S型的差向异构化等[10]。因此，常用C31αβ22S/（22S+22R）、甾烷C29ααα20S/（20S+20R）和C29αββ/（αββ+ααα）等不同构型化合物的相对丰度来判断有机质成熟度。有研究认为，当C29ααα20S/（20S+20R）和C29αββ/（αββ+ααα）的数值约为0.25时，进入生油门限，当它们各自达到平衡状态（C29ααα20S/（20S+20R)=0.52~0.55，C29αββ/ (ααα+αββ)=0.7）时，此时有机质处于生油高峰时期[10-12]。羌资3井索瓦组样品中甾烷C29ααα20S/（20S+20R）和C29αββ/（αββ+ααα）分别介于0.30～0.49和0.40～0.54之间，平均值分别为0.40和0.47，均大于生油门限值且未达到它们的热

演化平衡，说明有机质处于成熟阶段；纵向上，两者的分布特征也较为近似（表1），数值变化范围较小，说明它们具有一致或相似的热演化程度。同时，Ts/ (Tm+Ts)比值也是最常用研究的母质热演化程度的指标[10-12]，Tm与热演化相关性密切，而Ts则是相对稳定的化合物，一般情况下，随热演化程度的增加Ts/ (Tm+Ts)值逐渐升高，约在生油阶段晚期该值达到平衡值。羌资3井样品中Ts/ (Tm+Ts) 值为0.4～0.57（表1），平均值0.51；C31-22S/ (22S+22R)也常作为研究母质热演化程度的指标，样品C31-22S/ (22S+22R)含量为0.47-0.64，平均值为0.58。Ts/ (Tm+Ts) 与C31-22S/ (22S+22R)均显示有机质已接近生油高峰阶段。上述研究结果显示，索瓦组样品演化程度处于接近生油高峰阶段。

4.讨论

索瓦组泥岩在埋藏过程中，达到生油门限以后有机质开始转化为油气，其生物标志化合物依然保持着烃源岩沉积时的特征，因此，研究羌资3井索瓦组泥岩与沥青的生物标志物参数的异同，以便确定它们是否具备亲缘关系。研究结果显示，羌资3井索瓦组泥岩与沥青的饱和烃质量色谱图谱（m/z191、m/z217）分布具有一定的相关性（图3），生物标志化合物参数特征也较为相似（表1，图6）。泥岩与沥青类异戊二烯烷烃、伽马蜡烷/C30藿烷、规则甾烷C27、C28、C29等参数表明它们母质形成沉积环境与母源输入具有较好的一致性（图4，图5），反映了沥青与泥岩之间具有亲缘关系的特点。同时，泥岩与沥青中反映成熟度的生物标志化合物参数Ts/(Ts+Tm)、C31-22S/ (22S+22R)、 C29ααα20S/（20S+20R）和C29αββ/（αββ+ααα）在数值上差异也较小（表1，图6），表明羌资3井沥青与泥岩处于相同的成熟演化阶段。

1为Pr/ph，2为Tm/(Ts+Tm)，3为22S/(22R+22S)-C31Hop，4为γ蜡烷/C30 Hop，5为C29ααα20S/(20S+20R)，6为C29αββ/(αββ+ααα)， 7为5α-C27 /（5α-C27+5α-C28+5α-C28），8为5α-C28 /（5α-C27+5α-C28+5α-C28），9为5α-C29 /（5α-C27+5α-C28+5α-C28）

图6 羌塘盆地羌资3井索瓦组沥青与泥岩生物标志化合物参数指纹图

Fig.6 Comparision of biomarkers index fingerprints of the Suowa Formation mudstones and asphalts from Well

QZ3 in the Qiangtang Basin

综上研究认为，羌资3井泥岩与沥青无论是母质类型、沉积环境及成熟度参数均表现出较好的亲缘关系（图6），沥青很有可能是索瓦组泥岩的达到生油门限以后生成的油气遭到破坏或运移通道中油气的残留部分，当其轻质组分逸失以后，形成了如今的沥青。

5结论

（1）羌塘盆地羌资3井泥岩和沥青中富含正构烷烃、类异戊二烯烷烃、萜类化合物及甾类化合物。碳数分布比较完整，从nC10-nC35均有分布，表现为以单峰形态为主；植烷优势非常明显，C30藿烷占据优势，普遍存在伽马蜡烷，规则甾烷为主，其含量且较为明显的显示甾烷C27>甾烷C29>甾烷C28。

（2）羌塘盆地羌资3井泥岩和沥青生物标志物特征说明其母质来源于藻类、浮游植物等水生生物的混合，尚不能确定是否有高等植物混合输入。其母质来源形成于具有一定盐度的还原环境，有利于有机质的埋藏和保存。

（3）镜质体反射率和生物标志化合物均显示羌资3井泥岩有机质处于或接近生油高峰阶段。

（4）羌塘盆地羌资3井泥岩和沥青生物标志化合物特征说明它们具备一定的亲缘关系，沥青可能是泥岩生成的油气轻组分逸失的产物。

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[17]Volkman J K,Banks M R,DenwerK,etal.Biomarker composition and depositional setting Tasmanite oil shale

from

northern

Tasmania,Austrilia

[C]//14th

International

Meeting

on

Organic

Geochemistry.Paris,1989:168.

[18]PhilpRp. Biological markers in fossil fuel production[J].Mass Sepectromtry Reviews,1985,4(1):1-54. [19]张立平, 黄第藩, 廖志勤. 伽马蜡烷——水体分层的地球化学标志. 沉积学报, 1999, 17(1): 136–140.

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[20] 刘招君, 柳蓉, 董清水等，抚顺盆地始新统计军屯组油页岩地球化学特征及其地质意义，岩石学报，2009,25（10）：2340-2350

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