解密河套盆地古新统临河组未成熟原油的来源与形成机制

《ACS Omega》：Deciphering the Source and Formation Mechanism of Immature Crude Oils in the Paleocene Linhe Formation, Hetao Basin

　　

河套盆地临河组发现的原油是典型的未成熟油，已探明石油地质储量超过2亿吨，是中国近年来低熟油勘探最成功的案例之一。然而，由于数据有限，其有机质来源和生烃机制仍不完全清楚。研究人员对河套盆地巴彦淖尔凹陷临河组的52个岩心样品和6个未成熟油样品进行了系统的地球化学分析，采用有机岩石学（organic petrography）、微量元素分析（trace element analysis）和傅里叶变换离子回旋共振质谱（Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry, FT-ICR MS）来评估显微组分（maceral）组成、烃源岩沉积古环境条件以及未成熟油的生成机制。结果表明，烃源岩总体质量良好（总有机碳TOC > 1%），主要为I–II₁型有机质，处于早期成熟阶段。有机岩石学分析显示，壳质组（liptinite，55.4–90.2%）由藻类体（alginite）、孢粉体（sporinite）和沥青质体（bituminite）组成，是主要的有机组分，其中藻类体和孢粉体是关键的生烃显微组分。FT-ICR MS分析表明，原油富含含氧化合物（N₁O₁、O₁、O₂和O₃），尤其在成熟度较低的原油中，双键当量（double bond equivalent, DBE）为1的O₂类化合物（如易降解的脂肪酸）特别丰富。地球化学指标表明，这些优质烃源岩沉积于半咸水到咸水环境，处于还原到强还原条件，部分层段经历了硫化环境。该研究确定，在强还原条件下壳质组的早期生烃是临河组未成熟油的主要机制。

**论文解读：河套盆地临河组未成熟原油的来源与形成机制**

**研究背景与问题**

未成熟原油（immature oil）是一种重要的非常规油气资源，在全球广泛分布。随着常规能源的持续消耗，低熟油资源的开发利用对于缓解能源危机具有重要战略意义。在中国，古近系（Paleogene）是低熟油富集的关键层位，广泛分布于渤海湾盆地、苏北盆地、江汉盆地等多个含油气盆地。近年来，河套盆地临河组（Linhe Formation）的勘探取得重大突破，探明石油地质储量超过2亿吨，成为中国低熟油勘探最成功的案例之一。然而，尽管前期研究取得了一定进展，关于临河组烃源岩有机质来源仍存在争议（例如，以浮游生物为主还是以陆源植物为主），且低熟油的成因机制尚待深入探索。因此，阐明该区未成熟原油的有机质来源和形成机制，对于指导类似盆地低熟油勘探具有重要理论意义。

**研究内容与结论**

研究人员对河套盆地巴彦淖尔凹陷（Bayannur Sag）兴隆构造带（Xinglong structural belt）6口井（HT1、LH1X、XH11-1X、XH12-2、XH2、XH4）的52个岩心样品和6个原油样品（来自LH2X、LH4X、XH2、XH5井）进行了系统分析。通过总有机碳（TOC）和Rock-Eval热解、有机岩石学（organic petrography）、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）微量元素分析以及负离子和正离子电喷雾傅里叶变换离子回旋共振质谱（ESI FT-ICR MS）对杂原子化合物进行表征，综合揭示了烃源岩质量、有机质类型、沉积古环境以及未成熟油的生成机制。研究结果表明，临河组烃源岩质量良好，以I–II₁型有机质为主，处于早期成熟阶段；壳质组（liptinite）是主要的生烃显微组分，其中藻类体（alginite）和孢粉体（sporinite）是关键贡献者；原油中富含含氧化合物（O₁、O₂、O₃等），尤其以脂肪酸（DBE=1）为主的O₂类化合物丰度最高；沉积环境为半咸水至咸水、强还原甚至硫化环境，这种环境促进了有机质的保存和早期转化。该研究首次利用FT-ICR MS技术系统揭示了河套盆地临河组未成熟原油的杂原子化合物特征，并建立了基于壳质组早期生烃和硫化物早期裂解的双重机制模型，为理解陆相盆地低熟油成因提供了新视角。该论文发表在《ACS Omega》。

**主要技术方法**

研究人员采用了三种关键技术方法：有机岩石学（organic petrography），用于分析全岩抛光薄片中显微组分（maceral）的组成和荧光特征；激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS），对岩心样品进行微量元素（如Sr、Ba、V、Cr、U、Mo等）含量测定，以重建古盐度和氧化还原条件；傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）结合电喷雾电离（ESI），在正负离子模式下对原油中的杂原子化合物（含N、O、S类）进行分子级表征。样本均来自河套盆地巴彦淖尔凹陷的特定井位。

**研究结果**

**4.1 总有机碳与Rock-Eval热解**：通过TOC和Rock-Eval分析，临河组第一段（E₃l₁）和第二段（E₃l₂）烃源岩的TOC平均值分别为1.33%和2.97%，生烃潜量（S₁+S₂）平均值分别为7.52和13.00 mg HC/g rock，显示优质烃源岩特征。氢指数（HI）与T_max交会图表明有机质主要为I–II₁型，且处于早期成熟阶段（T_max 415–440°C）。

**4.2 微量元素特征**：Sr/Ba比值（0.26–2.55）和B/Ga比值（1.7–11.6）指示沉积水体盐度从半咸水向咸水波动。(Al+Fe)/(Ca+Mg)、Fe/Mn和Mn/Ti比值反映水体深度以深湖为主，伴有半深湖波动。V/(V+Ni)比值（0.67–0.77）和U/Th比值（0.16–0.94）表明水体处于还原-强还原条件。Mo–U协变图显示，多数TOC>1%的样品落在强还原至硫化环境区域，指示优质烃源岩形成于强还原/硫化底水条件。

**4.3 杂原子化合物总体组成**：负离子ESI FT-ICR MS检测到主要杂原子类别为N₁、O₂、N₁O₂、O₁、O₄、O₃、O₃S₁和O₄S₁，其中O₂类丰度最高（25–34%），尤其在低成熟度样品中。正离子模式下，CHOS和CHN类化合物最丰富，其中O₁S₁占主导。

**5. 讨论**

**5.1 生烃母质来源评价**：S₂-TOC交会图显示临河组烃源岩主要为II₁型干酪根，部分接近I型。有机岩石学分析表明，壳质组（liptinite）占61.3–89.3%，主要包括藻类体（alginite）和孢粉体（sporinite），且HI与壳质组含量呈正相关，与镜质组（vitrinite）呈负相关。C₂₇–C₂₉规则甾烷呈不规则“V”型分布，表明有机质为水生生物和陆源植物的混合输入，其中藻类体和孢粉体是最关键的生烃组分。

**5.2 临河组沉积水体条件**：V/(V+Ni)和U/Th比值指示整体缺氧至强还原环境。Mo–U协变图显示，TOC>1%的样品集中于强还原至硫化区域。Cu和Mo的富集反映高古生产力。建立的发育模式表明，在淡水期，河流输入大量营养导致高生产力，但水体混合氧化限制了有机质保存；在半咸水-咸水期，盐度分层导致底层水强还原，有利于有机质富集和保存。因此，强还原沉积环境是控制临河组优质烃源岩空间分布的关键因素。

**5.3 未成熟油生成机制**：FT-ICR MS分析显示，原油中O₂类化合物以DBE=1的脂肪酸为主，其中短链脂肪酸（21）占39–56%，长链脂肪酸（>C₂₅）占25–38%，指示藻类和高等植物的混合贡献。O₁S₁类化合物以DBE=1为主，表明低成熟度。正离子模式检测到丰富的S₁类化合物（硫化物、噻吩、苯并噻吩），其中C₄₀噻吩与类胡萝卜素相关，反映早期成岩过程中硫的介入。O₁类中DBE=4的C₂₈化合物可能来源于高丰度的生育酚（维生素E）。O₂类中C₂₀植烷酸丰富，O₁S₁类中C₂₀化合物与植烷的分布一致，表明植醇通过分子内硫化和氢化生成。这些特征共同表明，独特的生物前驱体组合（脂类、类胡萝卜素等）和强还原盐湖环境共同促进了低熟油的早期生成。

**总结与结论**

该研究利用ESI FT-ICR MS结合有机岩石学分析，揭示了临河组原油中杂原子化合物的分子特征。原油富含含氮和含氧化合物，特别是N₁和O₂类占主导。含氧化合物提供了重要的生物来源和成因指示，其中脂肪酸（DBE=1）在低熟油中绝对占优，含有大量长链（>C₂₀）化合物。沉积环境分析表明，临河组主要烃源岩沉积于咸水、强还原底水环境。富氢显微组分（如藻类体和孢粉体）的发育对于河套盆地古近纪未成熟油的形成至关重要。主要生成机制是壳质组在强还原条件下的早期生烃，次要贡献来自含硫大分子的早期裂解。这些发现共同表明，在强还原环境中富含脂质的有机质的早期生成是临河组低熟油形成的基本机制。