王 勤，謝小敏，騰格爾，芮曉慶，許 錦

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214126； 2.中國石油化工集團公司油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126；3.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

成烴生物是油氣的原始物質(zhì)來源，并能為沉積環(huán)境分析提供重要信息[1]。不同類型成烴生物生烴潛力差異較大，對烴源巖中成烴生物的分析，可為烴源巖生烴潛力、生油氣性質(zhì)等[2-4]提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，成烴生物的研究已廣泛應(yīng)用于烴源巖和干酪根類型評價及沉積環(huán)境的重建[1,5-7]。

吉林省樺甸盆地發(fā)育一套始新統(tǒng)油頁巖，賦存淺(0～500 m)，含油率高(一般為8%～13%)，灰分產(chǎn)率較低( 52.97%～62.10%)，為優(yōu)質(zhì)礦床，在工業(yè)上屬低灰分、高含油率油頁巖類型[8]。前人對該套油頁巖的有機質(zhì)組成進行過研究，其富含藻類體，并見有殼質(zhì)體、鏡質(zhì)體及少量惰性組等[9-12]，但是深入的成烴生物分析還未見報道。本文通過顯微鏡及掃描電鏡下樣品的精細分析，結(jié)合熱解Rock-Eval地球化學(xué)及生烴熱模擬實驗研究，揭示該套油頁巖的成烴生物組成及其生烴潛力特征。

1 樣品與地質(zhì)背景

樺甸盆地位于吉林省樺甸縣境內(nèi)，出露面積約800 km2，是敦密斷裂帶上的新生代斷陷盆地，也是我國東北地區(qū)含油頁巖盆地之一[13]。盆地形成于始新世，基底為白堊系小孤山組，盆地演化初期沉積了一套沖積扇和淺湖相沉積層，繼而發(fā)育了樺甸組(E2h)的黃鐵礦段；盆地發(fā)育中期，斷裂活動加強，沉積了數(shù)層油頁巖層；晚期盆地抬升、收縮，充填了含煤(碳質(zhì)頁巖)段沉積。

樺甸油頁巖含礦區(qū)古近系樺甸組自下而上分為三段[8]：下部黃鐵礦段(E2h1)、中部油頁巖段(E2h2)和上部含煤段(E2h3)(圖1)。E2h1的上部以磚紅色、紫色和綠色泥巖為主，夾薄層石膏；下部為灰色泥巖夾薄層砂巖，含黃鐵礦層(局部可采)，沉積厚度為240～350 m。E2h2自下而上分為13～1層(可采層) 油頁巖，為擴張超覆沉積；第13～9層油頁巖僅發(fā)育在大城子—公郎頭區(qū)，第8～1層油頁巖全區(qū)發(fā)育。本次研究樣品采自E2h2中部，第4～6層油頁巖及其夾層(圖1)。E2h3為晚期盆地抬升收縮期沉積的含煤(碳質(zhì)頁巖)段，上部為灰—淺灰色泥巖、灰白色中細粒砂巖互層；中部為厚層狀泥巖；下部為灰色泥巖、砂巖互層。

2 分析方法

巖石熱解分析利用從法國引進的巖石熱解色譜質(zhì)譜分析儀Rock-Eval 6進行分析。取樣品30～40 mg磨成粉末，加熱至300 ℃，保持3 min；然后以25 ℃/min的加溫速率加熱至650 ℃。

成烴生物組成分析在Leica DM4500P型顯微鏡下和掃描電鏡Quarter200下進行鑒定。取樣品新鮮部分，垂直層面制成光薄片，在Leica DM4500P型顯微鏡下放大500倍，對有機質(zhì)生物組成進行統(tǒng)計分析；干酪根樣品是經(jīng)酸處理后制備干酪根水樣，再制成干酪根涂片，在顯微鏡下鑒定。在此基礎(chǔ)上，再利用掃描電鏡對巖石樣品中的生物形貌進行精細分析。

鏡質(zhì)體反射率分析，是將樣品粉碎至20～40目，用樹脂膠粘制成光片，在配置J&M 200顯微光度計的Leica DM4500P型顯微鏡下，選用50×0.85的油浸物鏡，反射白光下對隨機鏡質(zhì)體反射率進行測定。反射率標(biāo)樣選擇藍寶石(反射率為0.59%)和釔鋁榴石(反射率為0.90%)。

生烴模擬實驗分析在高壓反應(yīng)釜內(nèi)進行。巖石裝入500 mL反應(yīng)釜中， 在低流體壓力(一般低于20 MPa)、無靜巖壓力的反應(yīng)體系及封閉條件下進行加水熱解生烴實驗，流體壓力主要靠生烴增壓產(chǎn)生。實驗起始溫度為250 ℃，最高溫度都設(shè)為550 ℃，溫度點間隔25 ℃或50 ℃，所有溫度點按1 ℃/min的升溫速率升至設(shè)定溫度，恒溫48 h或96 h后再降溫150 ℃后收集烴類氣體(含C5+)與無機氣體產(chǎn)物；冷阱收集隨氣體排出的凝析油，反應(yīng)系統(tǒng)冷卻至室溫后用二氯甲烷洗滌反應(yīng)釜及管道內(nèi)壁收集輕質(zhì)油，二者合并稱為排出油(相對于模擬樣品)。取出巖樣經(jīng)氯仿抽提所得到的可溶有機質(zhì)為殘留油，排出油和殘留油之和為模擬實驗的總油，總油與烴氣為總烴產(chǎn)物。

圖1 樺甸盆地樺甸組油頁巖分布及采樣位置

3 結(jié)果與討論

3.1 樺甸組油頁巖基礎(chǔ)地球化學(xué)特征

Rock-Eval和TOC數(shù)據(jù)(表1)顯示，該烴源巖具有較高的TOC(1.6%～39.6%)，且TOC含量與巖性具有較好的相關(guān)性。油頁巖TOC含量很高，而夾層中樣品的TOC含量較低。第4層油頁巖樣品具有最高的TOC(24.9%～39.6%)，這層也被認為是樺甸地區(qū)頁巖油品質(zhì)最好的層段[13]。

除去一個粉砂巖樣品(HD-11)具有很低的S1、S2和氫指數(shù)(IH)、較高的氧指數(shù)(IO=400 mg/g)外，其他樣品普遍具有高的S1、S2、IH和較低的IO。這些樣品中S2含量明顯高于S1，主要是由于該套烴源巖成熟度較低，鏡質(zhì)體反射率僅為0.4%左右。氫指數(shù)含量較高，分布于230～887 mg/g之間。由氫指數(shù)和氧指數(shù)關(guān)系圖(圖2)可以看出，該盆地大部分烴源巖有機質(zhì)屬于Ⅰ型干酪根，少量屬于Ⅱ型干酪根[14-16]。有機碳含量與氫指數(shù)不存在線性正相關(guān)性，有的樣品(如HD-20)具有很高的TOC含量，但氫指數(shù)含量并不高(表1)，可能緣于生物組成不同，從而導(dǎo)致其生烴潛力差異性。

圖2 樺甸盆地樺甸組烴源巖氫指數(shù)與氧指數(shù)的關(guān)系Fig.2 HI vs. OI of Huadian source rocks, Huadian Basin

樣號巖性層號w(TOC)/%S1/(mg·g-1)S2/(mg·g-1)Tmax /℃IH/(mg·g-1)IO/(mg·g-1)Ro/%HD-1黑色泥巖5.200.0828.143954020HD-2碳質(zhì)泥巖9.200.2367.5441734160.39HD-3油頁巖429.40.65185.044062917HD-19油頁巖427.30.96209.044376611HD-20油頁巖439.60.95194.043649021HD-21油頁巖429.81.28259.04468697HD-22油頁巖433.80.81222.044365720HD-4油頁巖 424.91.04216.04488677HD-5油頁巖429.20.73146.0438500250.43HD-6粉砂質(zhì)泥巖2.400.018.244034214HD-7含粉砂泥巖4.400.0425.443957713HD-8油頁巖 516.60.35118.044271118HD-9油頁巖 510.60.2985.344380513HD-10油頁巖516.80.49149.044388710HD-11泥質(zhì)粉砂巖4.90-0.01--400 HD-12含粉砂泥巖3.300.0922.244267317 HD-13粉砂質(zhì)泥巖6.600.1115.243723031HD-14粉砂質(zhì)泥巖1.600.013.944024519HD-15泥巖7.300.1145.3441621120.43HD-16油頁巖619.80.43122.044361624HD-17油頁巖621.70.45176.04448118HD-18油頁巖616.00.35125.0444781150.39

3.2 樺甸組油頁巖成烴生物組合特征

顯微鏡下統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，樺甸組烴源巖成烴生物以層狀藻類體、結(jié)構(gòu)藻類體和陸源高等植物組分為主(表2)。層狀藻類體被認為主要來源于藍藻，且一般常作為湖相或相對閉塞的海相沉積環(huán)境的指示[17]。樺甸組烴源巖樣品富含層狀藻類體，該組分具有較強的黃色熒光，在泥巖樣品中其分布較分散(3a)，而在油頁巖樣品中呈密集產(chǎn)出(圖3b)。干酪根富集后為不具特定形態(tài)的海綿狀無定形體，具有強黃色熒光(圖3c)。

結(jié)構(gòu)藻類體來源于葡萄球藻(圖4a)和硅藻(圖4d)，少量光面球藻Leiosphaeridiasp.(圖4b)和具刺疑源類Micrhystridiumsp.(圖4c)，這些結(jié)構(gòu)藻類體具有黃色熒光，呈分散狀分布于樣品中。硅藻大量分布于油頁巖中，由于硅藻個體較小，只能通過掃描電鏡來進行仔細分析(圖4d) ，這些硅藻與層狀藻類體交織在一起，掃描電鏡能譜特征顯示這些硅藻已泥化，硅質(zhì)成分較少(圖4e)。

此外，該組樣品中也見底棲宏觀藻類殘片，包括多細胞葉狀體(圖5a,b)、紅藻囊果(圖5c,d)等。多細胞葉狀體組織部分可見清晰的雙層細胞壁結(jié)構(gòu)(圖5b)，細胞壁直接還能見到胞間連絲(pit connection)，這是紅藻所特有的結(jié)構(gòu)[18]。紅藻囊果是紅藻的典型特征[19]，圖5c和d顯示的紅藻囊果組成特征，與邊立曾等[20]發(fā)現(xiàn)的“紅藻石”具有類似結(jié)構(gòu)。

表2 樺甸盆地古近系樺甸組成烴生物組分相對含量Table 2 Relative amounts of different bio-precursor macerals in Huadian source rocks, Huadian Basin

圖3 樺甸盆地古近系樺甸組層狀藻類體顯微組分特征Fig.3 Microphotographs of lamalginite maceral in the Huadian samples, Huadian Basin

圖4 樺甸盆地古近系樺甸組結(jié)構(gòu)藻類體顯微-掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 Microscopic and SEM photos of macerals in the Huadian samples, Huadian Basin

圖5 樺甸盆地古近系樺甸組底棲宏觀藻類顯微照片光片，油浸。a-b.底棲紅藻多細胞葉狀體結(jié)構(gòu)；c-d.紅藻囊果Fig.5 Microphotographs of rhodophyte in the Huadian shale, Huadian Basin

陸源高等植物殘片，主要包括碎屑鏡質(zhì)體、碎屑殼質(zhì)體、孢子體等組分(圖6)。這些高等植物殘片呈分散狀分布于烴源巖中，其中在油頁巖中含量較少，在碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖中含量相對較高。

3.3 2種含不同藻類油頁巖生烴潛力對比

在樺甸組油頁巖中，發(fā)現(xiàn)2個生物組合具有明顯差異的樣品。一個是以層狀藻類體(67.6%)與結(jié)構(gòu)藻類體(30.0%)為主的油頁巖(樣品HD-21)，其富含硅藻和葡萄球藻；另外一個是富含底棲藻類(43.0%)與層狀藻類體(50.9%)為主的油頁巖(樣品HD-20)。這2個樣品手標(biāo)本上，富含浮游藻類的HD-21號呈黃色，而富含底棲藻類的HD-20號呈深灰色(圖7)。TOC特征顯示，HD-20號樣品TOC高達39.6 %，而HD-21號樣品TOC相對較低(29.8 %)。然而，2個樣品具有相反的氫指數(shù)特征，HD-21號樣品氫指數(shù)(869 mg /g)明顯高于HD-20號樣品(490 mg /g)(表1)。

圖6 樺甸盆地古近系樺甸組高等植物殘片顯微照片

a-b.碎屑鏡質(zhì)體在透射光(a)和反射光(b)的結(jié)構(gòu)特征；c.菌類體，透射光；d.殼質(zhì)組(包括孢子體、碎屑殼質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體，反射光

Fig.6 Microphotographs of plant-derived macerals in the Huadian shale, Huadian Basin

將這2個樣品進行生烴熱模擬實驗分析，結(jié)果(圖8)顯示，2個樣品生烴模式相似，一開始隨著溫度增加，生成的總油量都增加，達到最大生烴量后，隨著溫度增加，由于油裂解生氣，因此總油量不斷減少。HD-20號樣品在400 ℃(Ro=1.02%)時生烴量達到最大值(427 mg/g)；而HD-21號樣品在425 ℃時(Ro=1.18%)達到最大生烴量(909 mg/g)。因此，富含浮游藻類的HD-21號樣品生烴潛力明顯高于富含底棲藻類的HD-20號樣品，暗示底棲藻類可為烴源巖提供較高的有機碳，但其生烴潛力較浮游藻類差，該結(jié)果與孟慶強等[21]對現(xiàn)代紅藻進行生烴模擬的結(jié)果一致。這主要是由于底棲宏觀藻類細胞結(jié)構(gòu)中脂類含量很少，重量一般不超過3%[22]。NELSON等[23]對幾類宏觀藻類中脂類含量檢測發(fā)現(xiàn)，紅藻(Chondracanthus)具有最低的脂類物質(zhì)含量，僅為0.2%～0.3%，明顯低于浮游藻類中脂類物質(zhì)含量。

圖7 樺甸盆地樺甸組樣品HD-20(a)和HD-21(b)手標(biāo)本Fig.7 Photos of samples HD-20 (a) and HD-21 (b) from the Huadian Formation, Huadian Basin

圖8 樺甸盆地樺甸組油頁巖樣品HD-20(a)和HD-21(b)生排烴熱模擬實驗對比Fig.8 Yields from thermal simulation experiments to test the hydrocarbon generation potential of oil shale samples HD-20 (a) and HD-21 (b) from the Huadian Formation, Huadian Basin

4 結(jié)論

樺甸盆地樺甸組油頁巖是一套優(yōu)質(zhì)的烴源巖，有機碳含量較高(10.6%～39.6%)，氫指數(shù)在500～887 mg/g之間，處于未成熟階段(鏡質(zhì)體反射率為0.41%)。成烴生物主要來源于藍細菌類組成的層狀藻類體和浮游的結(jié)構(gòu)藻類體，主要是葡萄球藻和硅藻；一些陸地植物碎屑(鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組)，表明其為典型的湖泊環(huán)境。在顯微鏡下，局部樣品中底棲紅藻碎屑較多，典型的特征是葉狀體及紅藻囊果。對2個不同藻類組成的樣品進行了模擬實驗分析，富含浮游藻類的樣品生烴量很高，而富含底棲藻類的樣品有機碳含量較高，說明浮游藻類具有較高的生烴潛力。

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