松辽盆地不同类型有机质的差异生烃与成藏机制

《Petroleum Science》：Differential hydrocarbon generation and accumulation mechanisms of various types of organic matter in the Songliao Basin

　　

不同类型有机质在生烃组成和表观动力学特征（即指前因子（pre-exponential factors）和活化能（activation energies））上的差异主要受干酪根（kerogen）结构控制，而干酪根结构又由显微组分（maceral）组成和沉积环境共同决定。然而，以往研究大多集中于单一干酪根类型，对差异生烃组成及其控制机制的系统比较仍十分有限。特别是，对于松辽盆地频繁波动的湖相沉积环境下形成的干酪根，此类比较研究尤为缺乏。本研究采用热模拟实验、有机岩石学（organic petrography）、元素地球化学（elemental geochemistry）和有机地球化学（organic geochemistry）相结合的综合方法，对松辽盆地不同类型代表性干酪根和煤样进行了研究。首次系统比较了高度变化的湖相沉积体制下形成的不同干酪根类型的生烃潜力和动力学特征，并阐明了其差异富集机制。结果表明，青山口组一段的Ⅰ型干酪根具有最高的生油和生气潜力，气态烃主要来源于已生成油的二次热裂解。相比之下，嫩江组二段的Ⅱ₁型干酪根虽然也源于藻类，但由于存在丰富的层状藻类体（telalginite）残体和少量陆源输入，其生油能力略低，反映了水体波动对有机前驱体组成的早期影响。Ⅱ₂型干酪根和煤样主要生成富甲烷气体，表明其沉积于近岸或受陆源影响、水动力活跃的环境，有机质以高等植物木质素和纤维素为主，有利于热演化过程中甲烷的生成。活化能分布进一步捕捉了这些成因差异在热演化行为中的表现。Ⅰ型干酪根具有最窄的活化能范围，反映了高结构均匀性和相对较低的热稳定性。Ⅱ₁型干酪根显示出稍宽的分布，与前驱体混合程度增加一致。煤样既表现出最高的活化能，也表现出最宽的分布范围，对应于其复杂的惰质组-镜质组（inertinite–vitrinite）组合和高度的芳香缩合，而Ⅱ₂型干酪根介于Ⅱ₁型干酪根和煤之间，表现出明显的过渡特征。本研究为理解湖相有机质差异生烃和成藏机制提供了坚实基础，并为松辽盆地完整含油气系统内的烃源岩综合评价提供了重要见解。

松辽盆地是中国代表性陆相湖盆，发育多套烃源岩，但不同层位有机质类型差异显著，以往研究多集中于单一干酪根（kerogen）类型，缺乏系统对比。特别是湖相沉积环境频繁波动下，不同干酪根的生烃组成和动力学特征差异及其控制机制尚不清楚。为此，研究人员选取松辽盆地青山口组一段（K₂qn¹）Ⅰ型干酪根、嫩江组二段（K₂n²）Ⅱ₁型干酪根、沙河子组（K₁sh）Ⅱ₂型干酪根和营城组（K₁yc）煤样，开展封闭体系金管热模拟实验，结合有机岩石学、元素地球化学和有机地球化学分析，建立动力学模型，并利用1D盆地模拟重建地质演化史。该研究首次系统比较了高度变化湖相沉积体制下不同干酪根的生烃特征，阐明了差异富集机制，为松辽盆地完整含油气系统内的烃源岩综合评价提供了重要依据。论文发表在《Petroleum Science》。

研究人员采用的关键技术方法包括：封闭体系金管热模拟实验（gold-tube pyrolysis），用于模拟不同升温速率（2℃/h和20℃/h）下的生烃过程；有机岩石学（organic petrography）分析显微组分组成；元素地球化学（elemental geochemistry）利用XRF评估古气候（Sr/Cu）、古盐度（Sr/Ba）、古生产力（P含量）和古氧化还原条件（Cu/Zn）；有机地球化学分析包括Rock-Eval热解（测定TOC、HI、T_max）和色谱分析（n-烷烃分布）；1D盆地模拟（Petromod 2015）结合埋藏史和热史重建生烃演化。样品来源：嫩江组样品来自后金沟剖面，青山口组来自CY6801井，营城组煤来自吉林营城煤矿，沙河子组来自D13井。

**4.1 有机质类型（Organic matter type）**
通过HI–T_max图确定各层位干酪根类型：青山口组为Ⅰ型，嫩江组为Ⅱ₁型，营城组为Ⅱ₁~Ⅱ₂型，沙河子组为Ⅱ₂~Ⅲ型。所选未成熟样品与分类一致。

**4.2 干酪根类型对烃产率的影响（Influence of kerogen type on hydrocarbon yield）**
封闭系统实验表明，生烃潜力顺序为：青山口组Ⅰ型 > 嫩江组Ⅱ₁型 > 沙河子组Ⅱ₂型 > 营城组煤。Ⅰ型干酪根最大油产995 mg/g TOC、气产473.5 mg/g TOC，气态烃主要来自油二次裂解；Ⅱ₁型干酪根油产392.5 mg/g TOC、气产438.38 mg/g TOC，其气产略高于油产，表明后期干酪根本身持续供气；Ⅱ₂型和煤以甲烷为主，干燥系数更高。通过对比不同地区样品，发现氢指数（HI）与（TG_max?KGG）/（KGO_max?RGO）呈良好负相关，可用于定量油-气转化比例。

**4.3 不同类型干酪根组分生成的动力学特征（Kinetic characteristics of component generation in different types of kerogen）**
标定油、气生成动力学参数。Ⅰ型干酪根油生成活化能范围210~220 kJ/mol，最概然值210 kJ/mol，分布最窄；Ⅱ₁型油生成范围190~220 kJ/mol，最概然值220 kJ/mol；营城组煤生气范围190~280 kJ/mol，最概然值240 kJ/mol，分布最宽；沙河子组Ⅱ₂型生气范围220~270 kJ/mol，最概然值250 kJ/mol。活化能分布差异反映了干酪根分子结构均匀性：Ⅰ型以脂肪链为主，结构均一；Ⅱ₁型混合前驱体；煤富含芳香缩合结构，热稳定性高。

**4.4 干酪根结构差异的成因（Origins of structural differences among kerogen types）**
（1）有机前驱体差异：显微组分和n-烷烃分布表明，青山口组Ⅰ型干酪根以层状藻类体（lamalginite）为主，镜质组和惰质组极少，短链正构烷烃（20）占优，表明藻类与细菌来源；嫩江组Ⅱ₁型干酪根中结构藻类体（telalginite）比例高（达54.3%），且陆源输入增加（达20%），导致活化能分布更宽、平均活化能更高；沙河子组和营城组以镜质组为主，来源于高等植物木质素和纤维素，裂解生成富甲烷气体。
（2）古沉积环境：通过Sr/Cu、Sr/Ba、P含量和Cu/Zn比值重建古环境。青山口组一段沉积于半湿润-半干旱、缺氧、咸水、高生产力环境，有利于优质有机质形成；嫩江组二段为温暖湿润、还原条件，但古盐度和生产力较低，生烃潜力低于青山口组；沙河子组和营城组煤系在弱还原、半湿润-半干旱、咸水环境及持续裂陷作用下形成，利于高等植物输入，生成煤和生气型干酪根。

**4.5 松辽盆地不同类型干酪根的转化（Transformation of different types of kerogen in the Songliao Basin）**
采用3℃/Ma地质升温速率模拟生烃演化。青山口组Ⅰ型干酪根油窗温度113~135℃，嫩江组Ⅱ₁型为95~150℃，后者进入生烃门限更早。盆地模拟显示，古龙凹陷青山口组在73~67 Ma达到生油高峰，现今气转化率63%；嫩江组在67~66 Ma为主生烃期，油转化率63%；徐家围子断陷沙河子组在84~67 Ma持续生气，现气转化率70%；营城组当前成熟度1.6%，气转化率30%。

**讨论与结论**
结论部分总结如下：
（1）不同干酪根类型的生烃产率、组成和动力学特征的系统差异根本上受干酪根分子结构和反应路径控制。Ⅰ型干酪根具有高氢指数（HI）和富脂肪族大分子骨架，生油和生气能力强，气体主要来自生成油的二次裂解。相反，低HI、高芳香度的干酪根（Ⅱ₁~Ⅱ₂型和煤）生油潜力降低，但后期通过干酪根本身持续裂解维持生气，导致更高的干燥系数和更宽、更高的活化能分布。
（2）表观动力学参数差异反映干酪根结构变化，主要受继承性有机前驱体类型和有机质富集模式控制。松辽盆地青山口组一段Ⅰ型干酪根的油生成组分以层状藻类体为主，镜质组和惰质组比例极低，其半咸水-咸水沉积环境和高古生产力是形成极高生烃潜力和快速生烃的关键因素。嫩江组二段有机质也以藻类为主，但结构藻类体比例更高，且受陆源输入、古盐度和古生产力影响，导致生烃潜力低于青山口组，活化能分布更宽、平均活化能更高。沙河子组Ⅱ₂型干酪根和营城组煤样以镜质组和惰质组为主，热裂解主要生成甲烷为主的气态烃。