潘樹彪等-IJCG:風(fēng)化作用對(duì)烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征的影響
在油氣勘探開發(fā)早期階段,鉆井取芯數(shù)量有限,許多勘探調(diào)查工作都是基于露頭樣品開展的。然而,當(dāng)深埋地下的烴源巖由于構(gòu)造抬升作用而暴露于地表或近地表后,會(huì)受到自然風(fēng)化作用的嚴(yán)重影響。地表水的溶解、侵蝕、氧化和生物同化,不僅使得烴源巖的礦物和無機(jī)元素組成受到影響,而且其有機(jī)質(zhì)的豐度、化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)也可能會(huì)遭受不同程度的改造,進(jìn)而使得其有機(jī)地球化學(xué)特征和生烴潛力等指標(biāo)發(fā)生改變,導(dǎo)致以此為基礎(chǔ)的烴源巖評(píng)價(jià)及烴-源對(duì)比工作變得異常復(fù)雜和困難。因此,揭示風(fēng)化過程中烴源巖地球化學(xué)特征的變化,對(duì)于厘清基于露頭樣品的評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性、利用露頭數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)含油氣盆地的油氣潛力至關(guān)重要。
針對(duì)上述問題,中國科學(xué)院廣州地球研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生潘樹彪在導(dǎo)師廖玉宏研究員指導(dǎo)下,對(duì)鄂爾多斯盆地銅川地區(qū)衣食村自然風(fēng)化的三疊系延長(zhǎng)組7段烴源巖剖面(圖1)進(jìn)行了詳細(xì)的有機(jī)和無機(jī)地球化學(xué)分析與研究。為了避免不同巖層段中頁巖礦物和元素組成的非均質(zhì)性,該研究的樣品采集沿著剖面的同一水平地層進(jìn)行。綜合巖石熱解(Rock-Eval)、TOC 分析、XRD礦物分析、主微量及稀土元素分析、色譜-質(zhì)譜(GC–MS)分析等測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)風(fēng)化作用對(duì)烴源巖的有機(jī)(干酪根和可溶有機(jī)物)和無機(jī)(礦物和元素)地球化學(xué)指標(biāo)都有系統(tǒng)性的改變。

圖 1. (A) 鄂爾多斯盆地銅川地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖;(B) 上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組地層柱狀圖;(C) 銅川地區(qū)上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組7段衣食村剖面圖
研究結(jié)果表明,自然風(fēng)化會(huì)對(duì)距地表近2米深的烴源巖產(chǎn)生較為明顯的影響(圖2)。隨著風(fēng)化作用的增強(qiáng),烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度明顯減小,其中總有機(jī)碳損失了41%,生烴潛力(S1+S2) 損失了63%,可溶抽提物(EOM)損失了75%;氫指數(shù)(HI)逐漸降低,而氧指數(shù)(OI)明顯升高。在上覆地層最薄的風(fēng)化階段Ⅲ的樣品中,上述烴源巖評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化最為明顯。隨著上覆地層厚度的增加,風(fēng)化程度逐漸減弱。此外,風(fēng)化作用也會(huì)導(dǎo)致EOM中的飽和烴和芳香烴部分損失以及膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的增加。由于水溶性的不同,芳香烴的損耗相對(duì)于飽和烴更為嚴(yán)重。

圖2 鄂爾多斯盆地銅川地區(qū)衣食村剖面風(fēng)化樣品的有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)及其相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)
風(fēng)化作用會(huì)影響烴源巖的礦物組成,如黃鐵礦、碳酸鹽巖礦物等易風(fēng)化的礦物含量明顯降低。主量元素CIA指數(shù)(圖3)表明,本次研究的樣品遭受了中等強(qiáng)度的風(fēng)化作用。重稀土元素(HREEs)略有富集,中稀土元素(MREEs)優(yōu)先被去除。微量元素、稀土元素豐度及其衍生出的古環(huán)境應(yīng)用指標(biāo),如U/Th、AU、Mo、Sr/Ba、Sr/Cu和P/Ti的值,隨著風(fēng)化作用增強(qiáng)顯示出不同程度的變化(CV>10%)。其他指標(biāo)如V/(V+Ni)、Ni/Co、V/Cr、δU和Ceanom,只表現(xiàn)出輕微的變化,對(duì)古環(huán)境的判識(shí)仍然可靠。

圖3 鄂爾多斯盆地銅川地區(qū)衣食村剖面風(fēng)化樣品的無機(jī)元素古環(huán)境指標(biāo)及其相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)
風(fēng)化作用還會(huì)嚴(yán)重影響烴源巖中正構(gòu)烷烴的豐度及分布,低碳數(shù)正構(gòu)烷烴(SCh)被嚴(yán)重?fù)p耗,而高碳數(shù)的正構(gòu)烷烴(LCh)相對(duì)含量明顯增加(圖4),這可能導(dǎo)致以正構(gòu)烷烴分布為基礎(chǔ)的有機(jī)質(zhì)來源判別失真。在飽和烴和芳香烴生標(biāo)中,碳數(shù)較低的生標(biāo)如S21-22孕甾烷、三環(huán)萜烷(TT20-23)和三芳甾烷(TAS20-21)比碳數(shù)較高的同類化合物(常規(guī)甾烷、藿烷和TAS26-28)更容易受到自然風(fēng)化的消耗(圖5),即碳數(shù)更低的生標(biāo)更容易被消耗。風(fēng)化作用導(dǎo)致這些生物標(biāo)志物發(fā)生系統(tǒng)性變化的原因可能主要是由于這些低碳數(shù)的化合物的分子量相對(duì)較低,溶解度相對(duì)較高,導(dǎo)致地表水的淋濾作用對(duì)其表現(xiàn)出選擇性消耗。水洗強(qiáng)度指標(biāo)(DBT/P)也證實(shí)了這一點(diǎn)。此外,研究區(qū)較為豐富的年度降雨量數(shù)據(jù)也為此提供了支持。因此,除了生物降解作用及非生物氧化作用(光氧化)以外,地表水的淋濾作用在烴源巖的自然風(fēng)化過程中起著重要作用,尤其是降雨量較高的地區(qū)。總之,風(fēng)化作用可以改變烴源巖的有機(jī)地球化學(xué)特征,并可能影響基于有機(jī)質(zhì)豐度、類型和成熟度開展的油氣資源評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,基于露頭樣品的油氣資源評(píng)價(jià)和烴源巖沉積環(huán)境分析應(yīng)充分考慮自然風(fēng)化作用的影響。

圖4 鄂爾多斯盆地銅川地區(qū)衣食村剖面風(fēng)化樣品的正構(gòu)烷烴及甾烷指標(biāo)及其相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)

圖5 鄂爾多斯盆地銅川地區(qū)衣食村剖面風(fēng)化樣品的萜烷及芳香烴指標(biāo)及其相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)
該研究受到國家自然基金(41872156和42173056)的資助,成果近期發(fā)表在能源地質(zhì)地球化學(xué)領(lǐng)域國際期刊《International Journal of Coal Geology》。第一作者為博士生潘樹彪,通訊作者為廖玉宏研究員,其他作者還包括蔣彬、萬志雄和王甫。
論文信息:Pan, S. B.(潘樹彪), Liao, Y. H.*(廖玉宏), Jiang, B.(蔣彬), Wan, Z. X.(萬志雄), Wang F(王甫), 2022. Impact of natural weathering on source rocks: Organic and inorganic geochemical evidence from the Triassic Chang 7 outcrop profile in Tongchuan of the Southern Ordos Basin (China). International Journal of Coal Geology 263, 104119.

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