Question

有机质早期演化的化学组成特征

Answer 1

烃源岩有机质演化的化学标志有很多，从干酪根元素组成、岩石热解参数到可溶有机物中化合物的组成与分布以及某些生物标志物异构化参数等都可作为其“化学指标”。和来源于单一显微组分的光学指标不同，化学指标是“平均化”的有机质化学组成和性质的体现。所以，它易受烃源岩显微组分组成、沉积环境等因素的影响。但是，可溶有机物是有机地化研究的主要对象，其演化特征最终要用其本身的指标来说明。因此，反映可溶有机物组成和结构的分子地化指标在表征可溶有机物演化方面的作用是不可替代的。

一、岩石热解参数

江汉盆地古近系烃源岩T_max与埋深关系见图6-18，随着样品埋深的增加，烃源岩热解峰温T_max呈逐渐增加趋势，但增加幅度有限，数据离散性却很大，在浅埋深时尤为显著；在该盆地低成熟烃源岩埋深范围内，T_max的变化范围约为410～450℃。

从T_max与R_o的关系(图6-19)来看，T_max的增加可大致反映有机质演化程度的加深。在T_max与R_o关系图中，数据相当离散，呈很宽条带分布，因此T_max值不宜作为江汉盐湖盆地低成熟烃源岩有机质早期演化的重要指标，但作为辅助性演化参数仍有不无可取之处。

图6-18 T_max与埋深的关系图

图6-19 T_max与R_o的关系图(图例同图6-8)

二、饱和烃生物标志物的演化

通常，烃源岩中正烷烃OEP、CPI、甾萜烷分子构型变化与异构体比值等都是比较常用的生物标志物演化的指标。对江汉盆地也不例外，这些指标演化意义可以从它们与显微组分光性参数(如R_o)的关系中得到验证和体现。

随热演化程度增加，正烷烃OEP、CPI呈规律性变化。如图6-20所示。就单井自然演化剖面而言，正烷烃OEP、CPI总体上随埋深加深而逐渐向平衡值1.0逼近，可以定性说明有机质热演化增加。值得注意的是，明钾1井和王4-2²井逼近平衡值1.0 时相应的埋深存在显著差异，前者达2100m，后者仅1000m，印证了两口井热演化的不均衡性。

图6-20 江汉盆地正烷烃OEP、CPI随埋深变化

在R_o＜0.4%的未成熟烃源岩中，生物构型标志物如5β(H)-粪甾烷、C₂₇～C₂₉ααα20R甾烷，C₃₁～C₃₅αβ22R藿烷系列以及17(21)C₃₀～C₃₅藿烯系列丰度较高，而地质构型标志物如C₂₇～C₂₉ααα20S甾烷和C₃₁～C₃₅αβ22S藿烷系列丰度较低；随着热演化程度升高，上述生物构型标志物的丰度逐渐下降，而地质构型生物标志物的丰度则随之升高，从而发生规律性变化。具体表现为C₂₉20S/(20S+20R)和C₃₂22S/(22S+22R)与R_o呈明显正相关性(图6-21)，表明C₂₉20S/(20S+20R)和C₃₂22S/(22S+22R)仍是有效生标演化参数。但比较而言，C₃₂22S/(22S+22R)在低演化阶段(R_o＜0.6%)较C₂₉20S/(20S+20R)对成熟度更为敏感，实用性更强。

图6-21 C₂₉20S/(20S+20R)、C₃₂22S/(22S+22R)与R_o关系图

其他甾萜烷参数与R_o关系见图6-22。可见，Tm/Ts、C₃₁22S/(22S+22R)、C₂₉ββ/(αα+ββ)、C₂₉莫烷/藿烷(C₂₉MH)与R_o均有较好的相关性，说明它们Tm/Ts、C₃₁22S/(22S+22R)、C₃₀MH是低演化阶段比较有效的成熟度参数。

图6-22 Tm/Ts、C₃₁22S/(22S+22R)、C₂₉ββ/(αα+ββ)、C₂₉莫烷/藿烷(C₂₉MH)与R_o关系图

三环萜烷系列是一类较常见的生标，存在有13β(H)，14β(H)-、13α(H)，14β(H)-、13β(H)，14α(H)-和13α(H)，14α(H)-四种构型。其中13β(H)，14α(H)-属地质构型，广泛存在于成熟地质样品中，而其余三种则属生物构型，仅存在于低演化的地质样品中。

在江汉盆地的低成熟烃源岩中主要检测13β(H)，14α(H)-和13α(H)，14α(H)-两种构型的三环萜烷系列，且这两个系列三环萜烷相对丰度的变化与成熟度有关。如在未成熟烃源岩中，13α(H)，14α(H)-系列丰度相对较高，且随成熟度升高，该系列丰度下降，13β(H)，14α(H)-/13α(H)，14α(H)-两系列比值也随之升高，在C₂₁和C₂₃13β(H)，14α(H)-/13α(H)，14α(H)值与R_o关系图(图6-23)中，可以发现它们间存在明显的相关性，从而说明13β(H)，14α(H)-/13α(H)，14α(H)比值是一个衡量低演化阶段有机质成熟度的有用参数。

三、芳烃生物标志物的演化

甲基二苯并噻吩有4-甲基、2-甲基、3-甲基和1-甲基四个异构体，其中2-甲基和3-甲基两异构体共逸出。在非高盐环境形成的地质样品中，四个甲基二苯并噻吩异构体丰度的变化顺序是：4-甲基＞2+3-甲基＞1-甲基，即其丰度是逐渐下降的，而在盐湖环境形成的地质样品中，其相对丰度的变化顺序是：4-甲基或1-甲基＞2+3-甲基，即由四个异构体组成的三个峰呈“V”形。江汉盆地低成熟烃源岩，4-甲基二苯并噻吩/1-甲基二苯并噻吩(MDR)、1-甲基二苯噻吩/二苯噻吩(MDR₁)均与R_o呈明显的正相关性(图6-24)，说明两者均可作为低演化阶段有机质演化指标。

图6-23 C₂₁和C₂₃13β(H)，14α(H)-/13α(H)，14α(H)-与R_o关系图

图6-24 MDR、MDR₁与R_o关系图(样品取自明钾1井)

(a)R_o=0.06MDR+0.35，相关系数R=0.73；(b)R_o=0.10MDR₁+0.35，相关系数R=0.78

图6-25 5，8-/7，8-二甲基MTTC值与R_o关系图

脱羟基维生素E(MTTC)系列是芳烃馏分中一类主要标志物，由6-甲基、8-甲基、5，8-二甲基、7，8-二甲基和5，7，8-三甲基MTTC构成一个同系列。5，8-二甲基和7，8-二甲基MTTC两异构相对丰度与有机质热演化程度有良好的相关性，如在R_o=0.35%的烃源岩中，5，8-二甲基异构体的相对丰度远远低于7，8-二甲基异构体，两异构体相对丰度比值仅为0.17；而在R_o=0.6%的烃源岩中，5，8-二甲基异构体的丰度大于7，8-二甲基异构体，两异构体比值高达7.8。在5，8-二甲基和7，8-二甲基MTTC异构比值与R_o关系图(图6-25)中，它们呈十分显著的正相关性(图6-26)，随成熟度增加，该比值以指数形式递增，由此说明 5，8-二甲基MTTC/7，8-二甲基MTTC比值是一个在低成熟演化阶段(R_o＜0.60%)对有机质成熟度十分敏感的演化参数，无疑是判断低演化阶段烃源岩中有机质演化程度的良好指标。

图6-26 MPI₁、MPI₂与R_o关系图

另外，在芳烃馏分中，菲系列化合物也是一类常见生标，通常是利用与甲基菲四个异构体相对丰度有关的参数来反映演化程度。江汉盆地古近系烃源岩中，甲基菲比值MPI₁、MPI₂(Radke，1982)与R_o呈密切的正相关性(图6-26)，说明它们可作为低演化阶段烃源岩的有效演化指标。

值得指出的是，凹陷内不同钻孔有机质早期演化不均衡性不仅仅限于显微组分光性参数中，在可溶有机物生标参数中同样存在。如图6-27、6-28、6-29所示，明钾1井和王4-2井生标参数随埋深的变化曲线斜率和型式各不相同，反映出两口井有机质早期演化的差异性。

图6-27 C₂₉20S/(20S+20R)、C₂₉ββ/(αα+ββ)随埋深变化

图6-28 C₃₁22S/(22S+22R)、C₃₂22S/(22S+22R)随埋深变化

图6-29 Ts/Tm、5，8-MTTC/7，8-MTTC随埋深变化

可溶有机物生物标志物的演化可从明钾1井自然演化剖面(图6-30)中得到进一步反映和验证。随埋深增加(热演化程度增加)，各种生标演化指标具有各自的演化行为。总的趋势是，随埋深增加，饱和烃中正烷烃碳数分布由奇碳优势逐渐变化为奇偶均势，甾萜烷化合物由生物构型向地质构型转变。分子地球化学参数诸如 OEP、CPI、C₂₉20S/(20S+20R)、C₂₉ββ/(αα+ββ)、C₃₁22S/(22S+22R)、C₃₂22S/(22S+22R)、C₂₁βα/αα、C₂₃βα/αα、MPI₁、MPI₂、4-MSF/1-MSF、2+3-MSF/1-MSF、5，8-/7，8-MTTC等，均随演化程度增加发生相应规律性变化，详见图6-30(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。OEP、CPI值大约在2200m 深度(相应 R_o＞0.45%)逼近均值1。在此深度之后，C₂₉20S/(20S+20R)、MPI₁、MPI₂、5，8-/7，8-MTTC递增速率明显加快，说明有机物早期演化程度增加。

图6-30 明钾1井烃源岩中分子地球化学参数随埋深变化