川西北天井山古隆起固體瀝青地球化學特征及其地質意義

白曉亮， 楊 光， 周 剛， 郭鴻喜， 孫豪飛， 羅 鑫， 王 晶， 鄧思思， 聶 晶

(1. 中國石油西南油氣田分公司 勘探開發研究院，四川 成都 610051； 2. 中國石油西南油氣田分公司 勘探事業部，四川 成都 610041； 3. 中國石油西南油氣田分公司 重慶氣礦，重慶 400707 )

0 引言

固體瀝青是烴源巖生成的原油，遭受熱變質或冷變質形成的殘余產物，保留原始的地球化學信息，在油/氣源對比、油氣成藏及熱演化史恢復等研究中具有重要作用[1-5]。固體瀝青廣泛分布于中國各大含油氣盆地，如準噶爾盆地瑪湖凹陷三疊系、塔里木盆地奧陶系、四川盆地震旦系—侏羅系[6-11]。川西北地區構造抬升嚴重，油藏遭受嚴重破壞，在野外露頭中發現固體瀝青，如田壩寒武系瀝青、何家梁觀霧山組瀝青、半桶巖平驛鋪組瀝青、礦山梁寒武系瀝青等[12-15]。

川西北地區天井山古隆起形成時間較早，寒武系、泥盆系及二疊系等多套地層野外露頭發現固體瀝青。根據瀝青飽和烴和芳烴化合物分析，饒丹等認為廣元等地海相層系油苗和瀝青存在早期寒武系烴源巖充注、晚期二疊系烴源巖供給的成藏特征[16]；根據石油地質條件，鄧虎成等分析川西北地區泥盆系平驛鋪組油砂成藏條件，認為烴源巖為早寒武世和早志留世黑色泥頁巖[17]；根據飽和烴和碳同位素分析，戴鴻鳴等認為川西北地區野外露頭瀝青是寒武系泥質烴源巖在生油高峰期生成的原油，經歷不同程度的生物降解和長距離的運移，在多期構造幕作用下形成的[18]；根據瀝青和烴源巖地球化學特征分析，王廣利等認為川西北固體瀝青主要來源于震旦系陡山沱組烴源巖，并遭受嚴重生物降解[19]；通過瀝青、油砂與烴源巖的飽和烴、芳烴生物標識物特征對比，謝增業等認為川西北泥盆系油氣來源于下寒武統筇竹寺組和下二疊統烴源巖，以筇竹寺組為主[20]。

人們對川西北野外露頭瀝青開展瀝青成因、瀝青地球化學特征研究，主要針對單一層系固體瀝青，未開展多層系固體瀝青綜合研究，并且對瀝青與油氣生成、構造演化之間的動態關系研究較少，固體瀝青地質意義不清。以天井山古隆起野外露頭固體瀝青為研究對象，通過瀝青族組成、瀝青色譜色質、瀝青碳同位素等分析，開展固體瀝青地球化學特征研究，明確固體瀝青成因和來源，結合天井山構造演化，建立固體瀝青與油氣生成、構造演化之間的動態成藏關系，為構造演化復雜地區油氣勘探提供指導。

1 區域地質概況

四川盆地是中國西南地區一個大型的低洼含油氣盆地，經歷多期構造活動，油氣資源極其豐富[21-24]。天井山古隆起構造位于川西北地區龍門山斷裂帶北段(見圖1)，地理位置處于四川省青川縣和江油市交界處，西南端延伸至江油市二郎廟一帶，北東段傾沒于青川縣馬鹿鄉以東[25]。天井山位于龍門山北段推覆帶，構造活動強烈，區域斷裂發育[20-21]。天井山古隆起形成時間早，經歷多期構造活動，包括早寒武世古地貌微隆起、中寒武世—中三疊世震蕩升降、三疊紀末基本定型、侏羅紀之后的調整改造過程[26-27]。天井山地區發育大量疊瓦狀構造，地層抬升剝蝕嚴重，古隆起核部寒武系—奧陶系地層被剝蝕，被命名為天井山古隆起[28-31]。

圖1 研究區構造位置Fig.1 Structural location in the study area

研究區發育震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系和二疊系地層，古隆起部分地層剝蝕嚴重[32](見圖2)。川西北地區古生界主要發育下寒武統筇竹寺組、下志留統龍馬溪組和二疊系三套海相烴源巖，但龍馬溪組在川西北地區幾乎剝蝕殆盡，供烴能力有限。海相地層油氣來源主要依靠筇竹寺組和二疊系兩套烴源巖供給[33-35](見圖3)。川西北地區下寒武統筇竹寺組烴源巖厚度大于220 m，有機質類型為腐泥型，成熟度高，生油氣潛力大。二疊系烴源巖厚度大于100 m，平面分布穩定，成熟度高，也具有較大的生氣潛力。

2 固體瀝青地球化學特征

2.1 族組成特征

瀝青族組成直接與瀝青的化學性質有關，母質類型的差異及各類次生變化對瀝青的族組成具有較大影響[33]。采集天井山寒武系、泥盆系和二疊系20塊野外露頭固體瀝青樣品，進行固體瀝青族組成、生物標志化合物、碳同位素等分析測試(見圖4和表1)。天井山地區瀝青族組成主要以非烴和瀝青質為主，飽和烴和芳烴質量分數相對較小，表明在形成過程中遭受嚴重生物降解。

圖2 研究區地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column in the study area

圖3 研究區烴源巖厚度分布Fig.3 Thickness distribution of source rocks in the study area

圖4 研究區野外露頭瀝青族組成三角圖Fig.4 Group composition triangle diagram of bitumen in the outcrops in the study area

寒武系野外露頭瀝青，飽和烴質量分數分布在13.30%～18.31%之間，平均為15.22%；芳烴質量分數分布在15.43%～26.06%之間，平均為20.18%；非烴質量分數分布在28.9%～34.44%之間，平均為31.86%；瀝青質質量分數分布在16.2%～32.57%之間，平均為24.72%。

泥盆系野外露頭瀝青，飽和烴質量分數分布在2.44%～7.36%之間，平均為4.17%；芳烴質量分數分布在4.93%～29.45%之間，平均為12.31%；非烴質量分數分布在4.91%～22.22%之間，平均為10.89%；瀝青質質量分數分布在38.65%～83.41%之間，平均為66.41%。

二疊系野外露頭瀝青，飽和烴質量分數分布在7.91%～14.29%之間，平均為10.59%；芳烴質量分數分布在20.57%～27.08%之間，平均為22.84%；非烴質量分數分布在15.11%～27.08%之間，平均為18.87%；瀝青質質量分數分布在35.42%～46.81%之間，平均為42.77%。

2.2 生物標志化合物特征

對采集的野外露頭樣品進行抽提、飽和烴色譜、飽和烴色質分析，數據見表2。由飽和烴總離子流程圖(見圖5)可以看出，研究區固體瀝青飽和烴總離子流程圖基線漂移，呈現“鼓包”分布特征，正構烷烴降解嚴重，表明遭受嚴重生物降解。野外露頭固體瀝青Pr/nC17分布在0.61～1.12之間，Ph/nC18分布在0.67～0.99之間，Pr/Ph分布在0.44～0.79之間。萜烷化合物中，三環萜烷化合物分布相對較為完整，主要以C23三環萜烷化合物為主；五環萜烷化合物含量偏低。甾烷化合物中，孕甾烷和升孕甾烷含量較高，C27、C28和C29規則甾烷含量較低，規則甾烷呈“V”型(C29≈C27>C28)和“反L”型(C29>C27>C28)分布。

表1 天井山地區野外露頭固體瀝青族組成數據

表2 天井山地區野外露頭固體瀝青色譜色質數據

圖5 天井山地區野外露頭固體瀝青色譜色質Fig.5 Chromatographic of outcrop solid bitumen in Tianjingshan Area

3 固體瀝青成因及來源

3.1 固體瀝青成因

固體瀝青成因總體劃分為兩大類型：熱變質瀝青和冷變質瀝青[1,36-37]。冷變質瀝青主要包括生物降解、氧化、水洗和氣侵等作用形成的固體瀝青；熱變質瀝青主要包括熱化學蝕變作用(TCA)和熱硫酸鹽還原作用(TSR)形成的固體瀝青。

根據固體瀝青地球化學特征，結合地質構造背景，對固體瀝青成因進行判識。通常，相比較熱蝕變瀝青，生物降解形成的瀝青飽和烴保存不完整、基線漂移、飽芳比(飽和烴質量/芳烴質量)低。天井山地區野外露頭瀝青飽和烴總離子流程圖基線嚴重漂移，正構烷烴降解嚴重，表明遭受嚴重的生物降解(見圖5)。此外，HWANG R J等分析川西北地區ST3井泥盆系井下儲層瀝青成因[2]，表明泥盆系井下儲層瀝青屬于熱蝕變成因，即原油在深埋藏過程中，原油裂解氣輕組分形成干氣，重組分縮聚形成焦瀝青。熱蝕變形成的泥盆系井下瀝青飽和烴質量分數相對偏高，飽芳比分布在6.41～32.25之間，平均為17.93。天井山野外露頭瀝青飽芳比分布在0.18～0.83之間，平均為0.53，飽芳比明顯偏低，表明正構烷烴降解嚴重，說明屬于生物降解成因(見圖6(a))。天井山處于龍門山斷裂帶，構造活動復雜，斷裂發育，侏羅紀之后，天井山地區持續抬升，油藏破壞嚴重，普遍遭受生物降解，形成野外露頭固體瀝青。

3.2 固體瀝青來源

川西北地區古生界主要發育下寒武統筇竹寺組和二疊系兩套烴源巖。為明確天井山野外露頭固體瀝青來源，烴源巖地球化學特征部分數據主要采用文獻[3,33,38]研究成果。天井山固體瀝青屬于生物降解成因，正構烷烴降解嚴重，在研究瀝青來源時，謹慎使用。野外露頭瀝青與烴源巖Pr/nC17-Ph/nC18交會圖見圖6(b)。由圖6(b)可以看出，二疊系烴源巖Pr/nC17和Ph/nC18明顯大于下寒武統筇竹寺組烴源巖的，以此可以有效區分兩套烴源巖。天井山野外露頭瀝青來源的母質類型為典型的還原環境，與二疊系烴源巖母質類型相似，由于生物降解使Pr/nC17和Ph/nC18偏大，導致瀝青來源判識存在誤差。為明確瀝青來源，進一步開展甾烷、萜烷生物標志化合物及瀝青碳同位素研究。

圖6 研究區瀝青族組成分布特征與烴源巖Pr/nC17-Ph/nC18交會圖Fig.6 Distribution characteristics of bitumen group composition and crossplot of the Pr/nC17-Ph/nC18 in the study area

寒武系烴源巖，Pr/Ph分布在0.39～0.48之間，平均為0.44；γ/C31分布在0.89～1.10之間，平均為0.97；C3122S/(22S+22R)分布在0.57～0.64之間，平均為0.59；三環萜烷C21/C23分布在0.29～0.43之間，平均為0.34。二疊系烴源巖，Pr/Ph分布在0.86～0.95之間，平均為0.91；γ/C31分布在0.59～0.71之間，平均為0.67；C3122S/(22S+22R)分布在0.51～0.59之間，平均為0.55；三環萜烷C21/C23分布在0.98～1.27之間，平均為1.11。

寒武系野外露頭瀝青，Pr/Ph分布在0.44～0.59之間，平均為0.48；γ/C31分布在0.81～0.94之間，平均為0.88；C3122S/(22S+22R)分布在0.55～0.60之間，平均為0.57；三環萜烷C21/C23分布在0.29～0.40之間，平均為0.34。

泥盆系野外露頭瀝青，Pr/Ph分布在0.48～0.63之間，平均為0.57；γ/C31分布在0.79～1.01之間，平均為0.88；C3122S/(22S+22R)分布在0.54～0.61之間，平均為0.57；三環萜烷C21/C23分布在0.29～0.41之間，平均為0.35。

二疊系野外露頭瀝青，Pr/Ph分布在0.50～0.79之間，平均為0.70；γ/C31分布在0.68 ～0.80之間，平均為0.74；C3122S/(22S+22R)分布在0.52～0.56之間，平均為0.54；三環萜烷C21/C23分布在0.57～0.87之間，平均為0.69。

由Pr/Ph和γ/C31、C3122S/(22S+22R)和C21/C23交會圖(見圖7)可以看出，寒武系、泥盆系野外露頭瀝青與筇竹寺組烴源巖分布特征相似，表明寒武系、泥盆系野外露頭瀝青主要來源于下寒武統筇竹寺組烴源巖。二疊系野外露頭瀝青分布在筇竹寺組和二疊系烴源巖之間，表明屬于混源，來源于筇竹寺組和二疊系烴源巖的混合。

圖7 研究區野外露頭瀝青和烴源巖生物標志化合物交會圖Fig.7 Biomarker crossplot of outcrop bitumen and source rock in the study area

C27、C28、C29規則甾烷質量分數與烴源巖母質類型相關，常用于瀝青來源研究。由于寒武系藍藻勃發，導致下寒武統筇竹寺組烴源巖C29規則甾烷質量分數偏高，呈現“反L”型[4]。二疊系烴源巖C29與C27規則甾烷質量分數相當，呈“V”型。根據天井山野外露頭瀝青甾烷化合物分析(見圖8)，寒武系和泥盆系野外露頭瀝青規則甾烷C29>C27>C28，與筇竹寺組烴源巖的相似，表明主要來源于筇竹寺組烴源巖；二疊系野外露頭瀝青規則甾烷C29≈C27>C28，與二疊系烴源巖的特征相似，表明具有二疊系烴源巖的貢獻。

圖8 研究區野外露頭瀝青和烴源巖規則甾烷C27-C28-C29三角圖Fig.8 Regular sterane C27-C28-C29 triangle map of outcrop bitumen and source rocks in the study area

瀝青碳同位素是用于母質類型判識的最常用指標。下寒武統筇竹寺組烴源巖干酪根碳同位素分布在-36.12‰～-31.69‰之間，平均為-33.64‰；二疊系烴源巖干酪根碳同位素分布在-28.6‰～-26.44‰之間，平均為-27.79‰。寒武系野外露頭瀝青碳同位素分布在-32.54‰～-30.61‰之間，平均為-31.7‰；泥盆系野外露頭瀝青碳同位素分布在-32.61‰～-30.74‰之間，平均為-31.67‰；二疊系野外露頭瀝青碳同位素分布在-30.04‰～-28.92‰之間，平均為-29.62‰。寒武系、泥盆系野外露頭瀝青碳同位素和下寒武統筇竹寺組烴源巖干酪根碳同素相近，表明寒武系和泥盆系野外露頭瀝青來源于筇竹寺組烴源巖。二疊系野外露頭瀝青碳同位素分布在筇竹寺組和二疊系烴源巖干酪根碳同位素之間，表明二疊系野外露頭瀝青來源于筇竹寺組和二疊系烴源巖的混合(見圖9)。

圖9 研究區野外露頭瀝青與烴源巖干酪根碳同位素分布特征Fig.9 Distribution characteristics of carbon isotopes of outcrops bitumen and kerogen of source rocks in the study area

4 固體瀝青與油氣生成、構造演化之間的動態關系

天井山野外露頭瀝青是由烴源巖生成的原油遭受生物降解形成的。作為原油次生變化的產物，固體瀝青包含油氣形成和演化的重要地質信息。由ST3井熱埋藏演化史(見圖10)可以看出，下寒武統筇竹寺組烴源巖在志留紀末期進入生烴門限(Ro=0.7%)；二疊紀初期，烴源巖達到生烴高峰期(Ro=1.0%)；三疊紀末期，烴源巖進入高成熟階段早期(Ro=1.3%)；侏羅紀末期，烴源巖進入過成熟階段(Ro=2.0%)。三疊紀中期，烴源巖達到生烴門限；侏羅紀早期，烴源巖進入生烴高峰期；侏羅紀末期，烴源巖進入高成熟階段早期；白堊紀中期，烴源巖進入過成熟階段。

構造演化研究[13]表明，天井山古隆起在印支早期(晚三疊—早侏羅世)開始逐漸抬升隆起，下寒武統筇竹寺組烴源巖處于大量生油階段，二疊系烴源巖處于低成熟階段，下寒武統筇竹寺組烴源巖生成的原油運移至天井山古隆起成藏，形成寒武系和泥盆系古油藏；晚侏羅—早白堊世，天井山古隆起進一步隆起抬升，二疊系烴源巖生成的原油運移至天井山古隆起，與早期筇竹寺組生成的原油混合，形成二疊系混合型古油藏；新生代末期，受喜馬拉雅構造運動的影響，天井山古隆起進一步劇烈抬升剝蝕，早期形成的古油藏遭受嚴重生物降解，形成現今多層系固體瀝青(見圖11)。

5 地質意義

川西北地區天井山古隆起是在加里東運動形成的，在印支期形成的構造圈閉是古油藏聚集成藏的重要場所。隨后，在喜馬拉雅構造運動的影響下，天井山古隆起急劇抬升，古油藏遭受破壞，形成多層系固體瀝青。多層系固體瀝青的形成與動態演化，對于川西北地區天井山下一步勘探開發具有重要的地質意義：

(1)天井山古隆起固體瀝青是古油藏遭受生物降解形成的，多層系野外露頭瀝青的發現，表明天井山古隆起曾經有大面積的古油藏聚集，進一步證明天井山古隆起是油氣運移的有利區塊，但后期構造抬升，保存條件變差，油藏遭受大面積破壞。

(2)固體瀝青的存在類似于充填黏土或膠結物，充填于儲集層孔隙，導致儲層物性變差，非均質性增強，進而影響后期油氣聚集。天井山古隆起部位瀝青堵塞儲集空間，形成瀝青致密封堵帶。在古隆起的翼部，由于瀝青帶封堵，保存較好的地區具有隱蔽性古油藏勘探的可能性，為川西北古油藏的勘探提供指導。

(3)多層系瀝青出露，為川西北天井山地區非常規瀝青砂的勘探提供新方向。

圖11 天井山古隆起多層系固體瀝青形成演化模式Fig.11 Formation and evolution model of multilayer solid bitumen in Tianjingshan palaeo-uplift

6 結論

(1)川西北地區天井山古隆起固體瀝青族組成主要以非烴和瀝青質為主，飽和烴和芳烴含量較少。固體瀝青正構烷烴降解嚴重，飽和烴總離子流程圖基線嚴重漂移。萜烷化合物中，三環萜烷化合物分布較為完整，主要以C23三環萜烷化合物為主，五環萜烷化合物含量偏低。甾烷化合物中，孕甾烷和升孕甾烷含量較高，C27、C28和C29規則甾烷含量較低，規則甾烷呈“V”型(C29≈C27>C28)和“反L”型(C29>C27>C28)分布。

(2)天井山古隆起固體瀝青是由古油藏遭受嚴重生物降解形成的。寒武系和泥盆系野外露頭瀝青來源于下寒武統筇竹寺組烴源巖，二疊系野外露頭瀝青來源于筇竹寺組和二疊系烴源巖的混合。

(3)天井山古隆起多層系固體瀝青的發現對后續油氣藏勘探與開發具有地質意義。天井山古隆起經歷大面積的古油藏聚集。古油藏破壞形成固體瀝青，瀝青堵塞孔隙空間，進而有效封堵翼部古油藏，古隆起翼部保存較好的地區是川西北下一步古油藏勘探開發的有利區塊，為川西北地區非常規油礦砂資源開采提供方向。