土耳其北部恰克里里 - 乔鲁姆盆地始新世三角洲后滨红树林相卡拉卡亚煤的有机地球化学和稳定同位素 (δ13C、δ15N 和 δ34S) 组成及烃类生成潜力

《Journal of African Earth Sciences》：Organic geochemical and stable isotope (δ13C, δ15N and δ34S) compositions and hydrocarbon generation potential of Eocene back mangrove-deltaic Karakaya coals (?ank?r?-?orum Basin, N. Türkiye)

　　

摘要

本研究利用程序化热解分析（Rock-Eval及动力学分析）、生物标志物分析和稳定同位素组成（δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S）对土耳其北部恰努里-乔鲁姆盆地卡拉卡亚煤田退潮红树林-三角洲序列中一个始新世煤层进行了研究，以重建泥炭形成环境并评估其烃类生成潜力。样品主要为产气型，以II/III型干酪根为特征，其S₂和HI值较高。生物标志物和同位素数据表明，在持续还原的积水条件下，古泥炭沼中发生了强烈的厌氧细菌活动，并发育了混合的木质植物和草本水生植物泥炭形成植被。尽管总碳δ¹³C值（-25.0至-25.1‰）暗示了裸子植物和被子植物的混合输入，但单萜类化合物和二萜烷的稀缺性以及藿烷类化合物的丰富性表明被子植物占主导地位。校正后的δ¹⁵C值反映了早始新世至中始新世期间大气CO₂浓度升高的影响，而湿润的气候条件维持了高地下水位。在后期泥炭积累过程中，缺氧程度增加可能增强了厌氧细菌活动，导致δ¹⁵N（-1.8至-3.3‰）和δ³⁴S（0.8–2.6‰）的同位素分馏有限。总体而言，有机地球化学和同位素数据表明，前驱泥炭在退潮红树林和下三角洲环境中的淡水沼泽中积累，几乎没有或完全没有海洋影响。

引言

含煤地层序列可被视为某些重要油气田中的烃源岩（Asiwaju等，2025；Davis等，2007；Karayigit等，2021；Mustapha等，2017；Petersen和Hertle，2018）。在这些盆地中，煤层通常与滨海平原（例如退潮红树林）和三角洲环境中的泥炭沼泽有关，这些煤层通常具有较高的类腐植体/镜质体和类脂体镜质组含量以及H%含量。在退潮红树林和下三角洲环境中形成的煤层通常具有薄且不连续的特征（Diessel，1992；Spackman等，1966）。这种沉积环境很少支持形成大量煤储层所需的长期稳定泥炭积累。相反，这些古泥炭沼受到海平面变化、潮汐淹没、沉积物供给和盐度的显著影响。因此，位于退潮红树林和下三角洲序列中的煤层通常为次经济型，与上三角洲和湖泊序列中的煤层相比，大规模采样更具挑战性。此类煤炭还显示出显著的类腐植碎屑/类镜质碎屑镜质组和类脂碎屑体及孢子镜质组含量，且孢子镜质组通常嵌入密度镜/胶粒体中的腐植凝胶中，和/或分散于泥质矿物基质中（Karayigit等，2020, 2021；Omodeo-Salé等，2017）。此外，上三角洲平原和泛滥平原条件通常被认为适合发展森林沼泽（Diessel，1992；Omodeo-Salé等，2017）。在这样的沼泽环境中，针叶植物和草本泥炭形成植物可能是沼泽中常见的植被。然而，这类与富H的类腐植体/镜质体镜质组颗粒相关的植被，可能也会在腐植煤的程序化热解过程中引起一些问题（例如S₂峰值测量的抑制）（?elik等，2017；Petersen，2006；Zdravkov等，2011）。此外，腐植煤中略高的类脂体镜质组含量可能导致HI值升高（Oskay等，2019；Petersen等，2013）。因此，三角洲条件下煤层的烃源岩评价应谨慎进行，并辅以煤岩学、矿物学和地球化学数据进行更准确的评估。

土耳其拥有多个含煤新生代盆地，由于晚新生代区域性构造运动，土耳其的大多数煤炭储量位于中新世、上新世和早更新世地层中（Oskay等，2013）。然而，土耳其北中部的始新世构造演化导致了多个沉积盆地的发育（Karadenizli，2011）；因此，恰努里-乔鲁姆盆地和苏卢奥瓦盆地中的始新世河流和湖泊沉积中分布着多个经济煤层（Karadenizli，2011；Karayigit等，1997）。尽管煤岩学和有机地球化学研究主要关注恰努里-乔鲁姆盆地西部和东北部地区湖泊和河流序列中的始新世煤层（Ho?-?ebi和Korkmaz，2013；Karayigit等，1997；Yal??n-Erik和Ay，2010），但尚未对恰努里-乔鲁姆盆地中退潮红树林-下三角洲序列内的始新世煤层开展有机地球化学和煤岩学研究。此前针对恰努里-乔鲁姆盆地始新世含煤序列的研究也主要关注孢粉组成以进行气候和古植物重建，以及始新世含煤序列的沉积学特征（Akgün，2002；Akyol，1978；Kayseri-?zer，2013；?entürk等，2022）。这些研究表明，始新世含煤序列主要沉积于下三角洲和退潮红树林条件之下，在此期间海洋影响进入了泥炭沼泽，且湿润气候较为常见。尽管此前研究已关注始新世含煤序列的气候重建，但仍缺乏综合方法，即利用有机地球化学、煤岩学以及来自煤层的δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S等稳定同位素分析来确定恰努里-乔鲁姆盆地始新世期间泥炭积累时的条件和古泥炭沼可能的海洋影响。这种综合方法对于确定古泥炭沼中有机质的来源以及对沉积条件施加约束至关重要，包括前驱泥炭积累期间的氧化还原条件、微生物活动和养分供应。此外，退潮红树林和下三角洲环境的特征可能将碎屑植物物质和富氢生物（如藻类）引入古泥炭沼（Omodeo-Salé等，2017；Spackman等，1966）。因此，将有机地球化学和煤岩学数据与程序化热解和动力学数据相结合，提供了一种将沉积变异转化为对恰努里-乔鲁姆盆地始新世煤层烃类类型、生成温度和烃源岩潜力预测的方法。尽管卡拉卡亚煤田（图1a）周围的煤层自20世纪70年代末以来就已被报道，并且利用孢粉数据已识别出滨海序列中的煤层存在（Akyol，1978；Kayseri-?zer，2013），但至今尚未对其有机地球化学和同位素组成进行研究。本研究聚焦于卡拉卡亚煤田（乔鲁姆伊斯基利普西北部）中出露的始新世煤层的程序化热解、有机地球化学和稳定同位素组成（图1）。本研究的目的是评估卡拉卡亚煤的烃类生成潜力，具体目标是利用生物标志物和稳定同位素数据，结合我们主要的煤岩学和矿物学数据（Oskay和Karayi?it，2024）来重建泥炭形成环境。因此，本研究将是首次评估恰努里-乔鲁姆盆地滨海和湖泊序列中始新世煤层的稳定δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S同位素组成。

章节摘要

地质背景

研究区前新生代基底岩为中生代海相碳酸盐岩和蛇绿岩，主要出露于北部边缘（图1a-b）。研究区的古近纪沉积充填物被称为伊斯基利普群（?entürk等，2022）。以海底和浊流沉积物为主的古新世哈贾哈利尔组不整合地覆盖于前新生代基底之上（图1b）。该组被早始新世至中始新世的永察利

材料与方法

在本研究中，从卡拉卡亚煤田中一个靠近目前未运营的地下煤矿的煤层（累计厚度0.92米）中选取了两个具有代表性的河道煤样品进行研究（图2）。在研究区，该采样地点是唯一适合采样且不含有蚀变煤层的地点，而已关闭的地下煤矿由于安全问题不适合采样。样品经研磨后，使用

程序化热解与整体动力学

样品的S₁、S₂和S₃峰值值的范围分别为3.02至3.26毫克烃/克岩石、217.02至225.83毫克烃/克岩石和2.86至4.34毫克CO₂/克岩石（表1）。由于灰分产率，样品KA-1显示出比KA-2较高的TOC，而样品的T_max值为418°C（表1）。样品的氧指数（OI）值较低（3-6毫克CO₂/克TOC）。样品的HI值略高，范围在307至310毫克烃/克TOC之间（表1和图3）。整体

有机质成熟度与烃类生成潜力

具有高类腐植体/镜质体镜质组含量且厚度超过0.5米的煤层可被评估为潜在烃源岩（Petersen，2006；Wilkins和George，2002）。考虑到样品的镜质体和类脂体镜质组含量、%Ro值以及卡拉卡亚煤田中研究煤层的厚度，该煤层的烃类生成潜力可能较为显著（表1）。如前所述，腐植煤的经典程序化热解数据

结论

样品的生物标志物指数和%Ro值表明，卡拉卡亚煤田中研究的煤层处于早期成熟度起始阶段。尽管混合III-II型干酪根（镜质体和类脂体）在样品中普遍存在，但样品较高的S₂和HI值与胶粒体中分散的孢子颗粒和泥质矿物团聚体有关。III型干酪根的主导地位和成熟度参数表明其具有产气潜力。此外，动力学

CRediT作者贡献声明

R?za G?rkem OSKAY：撰写——初稿，可视化，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。Khairul Azlan MUSTAPHA：撰写——审阅与编辑，方法论，调查，概念化。Ali ?hsan KARAY???T：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，调查，概念化

未引用参考文献

Hower等，2026；Kumar等，2025。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究是在第一作者马来亚大学博士后研究奖学金计划内启动的研究，关联于IF064-2019国际资助项目。作者感谢James C. Hower教授对修改本文手稿提出的建议，以及Naqib Ullah先生、Aliff Zharfi Abd Razak先生、Mohamad Shahrizad Zainal先生和Yaasheni Loganathan女士在实验室分析过程中提供的帮助。

R?za G?rkem OSKAY | Khairul Azlan MUSTAPHA | Ali ?hsan KARAY???T

Hacettepe大学首都OSB技术科学职业学院，安卡拉，土耳其