鄂尔多斯盆地三叠系原油葡萄藻母质输入的生物标志物特征3

微体古生物学报　2008年9月;25(3):281-290

ActaMicropalaeontologicaSinica25(3):281-290;September,2008

鄂尔多斯盆地三叠系原油葡萄藻母质输入的生物标志物特征3

吉利明1,2)　宋之光1)　李剑峰3)1)中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室,广州5106402)中国科学院地质与地球物理研究所气体地球化学重点实验室,兰州7300003)长庆油田公司勘探开发研究院化验室,西安710054

提要　鄂尔多斯盆地西南部西峰油田三叠系延长组烃源岩和原油的有机地球化学研究显示,原油和烃源岩正构烷烃多表现出双峰型特征,且多以低碳数前峰群为主,主峰碳在nC15—nC20之间;规则甾烷相对丰度C28+C27>C29,

且R构型C27、C28和C29规则甾烷分布表现出各种不对称的“V”字型特征;指示了以藻类为主的混合型母质输入特征。所有原油中均检出丰富的两环萜烷(C12—C

16)和短链至长链(C15—C34)的单甲基支链烷烃生物标志化合物

,

本地区主要烃源岩延长组长73-长72段也普遍检出与原油具有相同碳数分布和结构特征的两环烷烃和单甲基支链烷烃,在一定程度上指示了油源对应关系。前人研究表明,葡萄藻(Botryococcusbraunii)可能是地质体中两环倍半萜和单甲基支链烷烃的重要母质来源。而西峰地区延长组的微体古生物学研究,恰好在长73—长72段发现丰富的葡萄藻化石。因此,延长组原油和烃源岩中两环倍半萜和单甲基支链烷烃的出现,不仅指示葡萄藻可能是该地区烃类形成的重要母质来源之一,而且指示葡萄藻有机质可能提供了这些标志物的先驱。主要烃源岩中富含葡萄藻化石及其降解形成的无定形有机质,进一步证明葡萄藻可能是鄂尔多斯盆地三叠系陆相石油藻类母质的重要组成。关键词　生物标志物　葡萄藻　延长组　三叠系　鄂尔多斯盆地

3中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室基金(编号:OGL2200709)与中国科学院知识创新工程重要方向项目(编号:KZCX22YW211423)资助。

收稿日期　2008205223,修改稿收到日期　2008206225

葡萄藻是一种现生的单细胞、群体和自营型微体浮游藻类,属于绿藻门(Chlorophyta)、绿球藻目(Chlorococcales)、葡萄藻科(Botryococcaeae)。由于其形态非常接近,一般都归于同一属种———布氏葡萄藻(BotryococcusbrauniiKutzing,1849)。葡萄藻因其细胞含油,又称为油藻。葡萄藻不仅细胞内含有丰富的烃、烯及脂肪酸等化合物,可以直接成为烃源(Kalachevaetal.,2002;Metzger&Largeau,2005),而且其由孢粉素和生物多聚物组成的细胞壁也是良好的成烃母质,在成岩作用过程中能够生成烃类(Dubreuiletal.,1989)。葡萄藻地质历史相当久远,最早的可疑葡萄藻化石发现于晚元古代沉积中。晚古生界库克油页岩中的粘球藻Gloeocapsomorphaprisca被认为是Botryococcusbraunii的晚出异名。大量而广泛发现葡萄藻的地层是中新生界,例如渤海湾盆地第三系(李经荣,1992),柴达木盆地第三系(周凤英等,

2002),松辽盆地白垩系(万传彪等,1999),准噶尔盆地、塔里木盆地和鄂尔多斯盆地的侏罗系,以及塔里木盆地下三叠统(贺振建等,2004),上述不同时代的葡萄藻化石都分布于各地含油气区,并且与烃源岩的发育有直接联系,是我国中新生界陆相油气的重要生源。葡萄藻氯仿抽提物和加热分解产物的分析,均检测出双峰形分布的正构烷烃和系列类异戊二烯烃、甾烷、三环二萜烷、五环三萜烷等生物标志物。热解产物的生物标志物分布特征与胜利油田孤东地区含葡萄藻化石烃源岩有机质非常相似(宋一涛,

1991)。此外,精细的油源对比发现济阳坳陷亿吨级大油田的形成与大范围分布的沙三段下亚段的油页岩有关,而油页岩中的葡萄藻等藻类是主要的生油母质(罗佳强和沈忠民,2005)。这些地球化学的研究进一步证明,葡萄藻与我国各地区油气的分布关系密切,是陆相沉积中烃类形成的重要母质。鄂尔多斯盆地是我国重要的油气富集区,其中广泛发育三叠系延长组生油岩,而正是基于该层系的早期研究确立了我国陆相生油理论的基础(Pan,1941),迄今对于延长组沉积在地质与地球化学研究的各个领域已经开展了较全面工作,一般认为延长组烃源岩是以混合型有机质为特征的深湖与半深湖相沉积(长庆油田石油地质志编写组,1992),但对于其中的藻类母质输入的特征知之甚少。为了研究三叠纪鄂尔多斯盆地区大型湖泊中藻类生物的分布特征,特别是探讨作为陆相成烃重要母质的葡萄藻当时在该盆地是否也普遍发育,笔者选择盆地西南部新近开发的西峰油气区,对延长组主要烃源岩层进行了详细的微体古生物与有机地球化学研究。本文将从分子有机地球化学角度提供延长组烃源岩及原油中,葡萄藻母质输入的证据。1　葡萄藻生物标志物研究进展1.1　葡萄藻生物化学特征葡萄藻细胞内有1个裸露的蛋白核,其同化产物为淀粉和脂类。世界各地自然生长葡萄藻体的大量分析表明,虽然葡萄藻在细胞形态上难以区别,但可以产生明显不同的烃类,据此葡萄藻被区分为A、B和L三个化学种。化学种A能产生正构烷烃、类异戊二烯烷烃、环烷烃和丰富的直链C23—C31为主正构二烯烃和三烯烃,如产自美国得克萨斯的葡萄藻。化学种B主要产生C30—C37三萜烯类葡萄藻烯,如澳大利亚达尔文水库的葡萄藻(Metzgeretal.,1985)。我国云南抚仙湖葡萄藻也属于化学种B,能产生以葡萄藻烯和异葡萄藻烯为主的多分枝烃(王修垣等,1996)。印度尼西亚苏门答腊盆地第三系陆相原油也含有丰富的葡萄藻烯类生物标志化合物(Hwangetal.,2002)。此外,化学种B还能合成特殊结构的三萜烯———角鲨烯(Raceetal.,2000),而发现于玻利维亚的该种葡萄藻能够合成高含量的甲基化角鲨烯(Achitouvetal.,2004)。化学种L则产称为Lycopadiene的四萜烯。葡萄藻烷是化学种B独有的代谢产物———葡萄藻烯完全还原的衍生物,已在茂名油页岩等沉积物中被发现(Brasselletal.,1986)。我国原油中经常出现的与葡萄藻烷伴生的Lycopane可能是某些淡水湖相沉积中产Lycopadiene的L种葡萄藻的痕迹,暗示化学种B和L可能共生于同一湖泊中。二叠系藻烛煤大量保存着葡萄藻有机质(Bore2hametal.,1994),例如澳大利亚悉尼盆地二叠系藻烛煤沉积中葡萄藻残余物含量高达90%以上,但其中并没有发现葡萄藻烷等葡萄藻起源的特征生物标志物,Derenne等(1988)认为这是由于不饱和的葡萄藻先驱物被微生物活动所降解,或经历强烈的转化反应,也可能是样品有机质来自不产生葡萄藻烯的A种葡萄藻。热解实验显示葡萄藻烯的稳定性很差,在低温阶段即可大量分解并迅速消失。虽然世界各地普遍存在含葡萄藻的沉积,但只有苏门答腊原油、澳大利亚沿海沥青和茂名油页岩中检测到葡萄藻烷。因此,不含葡萄藻烯和葡萄藻烷并不能说明原油或源岩中就没有葡萄藻的贡献。早期研究认为A类烃可能是葡萄藻正常绿色细胞的典型产物,B类烃可能出现于休眠的褐色细胞中。后来的研究发现,自然界的某些绿色样品只含B类烃(Wake&Hillen,1980),室内培养葡萄藻发育过程中既未发现这两类烃的互相转化(Casade2valletal.,1985),也未在生长的静止期发现B类烃的痕迹。表明不同藻株产生不同烃类的特征与其生理状态无关,而可能由葡萄藻自身的特性所决定,或者存在着葡萄藻的不同变种(王修垣等,1996)。1.2　葡萄藻来源生物标志物特征1.2.1　正构烷烃和类异戊二烯烃葡萄藻含有C13—C35正构烷烃,碳数分布呈双峰形,C22以前以C15、C17为主峰,C22以后以C27、C

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为主峰。因品种不同可以前峰群或后峰群为主(陈

致林等,1992)。葡萄藻还含有C15、C16、C18—C21类异戊二烯烃,具有与高等植物类似的长链正构烷烃,

奇碳数优势明显,碳同位素较重(Lichtfouseetal.,

1994)。葡萄藻外壁含有大量稳定的生物聚合物

(PRBA和PRBB),伴随正构烷烃大量出现的烷基

环已烷系列化合物可能是其降解产物。与葡萄藻有关的粘球形藻干酪根的热模拟研究显示,其正构烷烃也具有双峰形分布特征,以C11—C25低碳数群为主,主峰为C15—C19,低温阶段明显存在C16—C39高碳数群,多以C31为主峰(蒲秀刚等,

1998)。

1.2.2　烯烃葡萄藻游离烃以直链烯烃为主,包括单烯、双烯

282微　体　古　生　物　学　报25卷　和三烯系列化合物,分子式分别为CnH2n(n=27—33)、CnH2n-2(n=27—33)和CnH2n-4(n=29,31),其中又以CnH2n-2双烯为主,主峰为C31(宋一涛,1991)。生活时期葡萄藻细胞产生C27:2、C29:2、C29:3和C31:2等直链烯烃,静止期的细胞含有支链烯烃(CnH2n-10,n=30—37),它们显然是类萜类的来源之一。葡萄藻二烯烃的通式为:CH3—(CH2)3—CH=CH—(CH2)n—CH=CH2,对于C27、C29、C31二烯,n=15、17、19。随培养时间加长葡萄藻正构烷烃和单烯烃含量明显增加,三烯烃逐渐消失,二烯烃含量减少,说明在生长过程中葡萄藻体内化合物发生了加氢作用,表现出由三烯—二烯—单烯烃—烷烃转化的趋势,使其烃类组成更接近石油烃类(宋一涛和李树,1994)。1.2.3　环烷烃近年来,一种结构特殊的高碳数环烷烃生物标志物及其甲基化同系物从不同时代的原油和沉积物中检出,碳数分布为C14—C34,而这些沉积有机质均与葡萄藻的分布有关,这种环状化合物被认为由类似于葡萄藻烯的不饱和先质转化而来(Audinoetal.,2002,2004)。笔者在我国红土剖面研究中也发现大环烷烃化合物,同时发现大量菌孢体化石,推测该类标志物的形成可能还与细菌活动有密切联系。1.2.4　甾烷现代葡萄藻甾烷类标志物含量很低,曾检测出正常甾烷12种,以生物构型5α,14α,17α,20R2胆甾烷(C27)和242乙基25α,14α,17α,20R2胆甾烷(C29)为主,其它甾烷含量较低(宋一涛,199l)。粘球形藻热模拟饱和烃中,甾烷主要是C27—C29规则甾烷,其中C29优势明显,其次为C27甾烷,C27、C28和C29ααα20R分布表现为不对称的“V”字型(蒲秀刚等,1998)。说明葡萄藻及粘球形藻也能提供通常被认为是陆源高等植物有机质输入的高碳数正构烷烃和C29为优势甾烷。1.2.5　萜烷葡萄藻萜烷类生物标志物有两环萜、三环二萜烷及五环三萜烷。五环三萜烷包括藿烷系列和伽马蜡烷,碳数分布在C27—C35。此外,在热模拟样品中发现长链烷基三环萜烷,碳数分布在C19—C30(陈致林等,1992)。粘球形藻干酪根模拟产物中,藿烷丰度明显高于甾烷,三环萜烷和四环萜烷含量较低,五环的藿烷系列含量较高,都以C30αβ为主峰,并且C31—C34升藿烷较发育,其次为C27—C29降藿烷系列,C27三降藿烷Tm/Ts比值一般<1.0(蒲秀刚等,1998)。培养的葡萄藻体中曾检测出C14—C16、C20双环萜烷和C15、C16、C2028β(H)2补身烷等19种双环萜烷。C14、C15双环萜烷和Cl5补身烷、C16高补身烷是原油及源岩中常见的标志物,葡萄藻是他们的可能来源(宋一涛和李树,1994)。藻煤中曾发现8β(H)2C20高补身烷,有人认为长侧链8β(H)2补身烷系列可能具有多种前身物,包括菌藻类母质输入和长侧链三环萜烷、8,142断藿烷和藿烷系列的降解、开环衍生物等(王铁冠,1990)。葡萄藻中未检测出8,142断藿烷和长侧链三环萜烷,藿烷含量也极低,但含丰富的5种C20双环萜烷,