微量元素作为油源对比的替代指标——以中国西北塔里木盆地为例

《Minerals》：Trace Elements as Proxies for Oil–Source Correlation in the Tarim Basin, NW China

　　

油源关系在塔里木盆地中仍然存在争议，因为古生界原油可能记录了多套海相烃源岩体系的贡献。研究人员汇总了207件烃源岩微量元素、184件烃源岩稀土元素（REE）、44件原油微量元素和33件原油REE记录，以评估一个过成熟海相碳酸盐岩含油气系统中的元素替代指标。下寒武统烃源岩总体上记录了比萨尔干组更强的还原条件，尽管两组样品的组成均存在变化。置换多元方差分析（PERMANOVA）显示，在V/Ni–Ni/Co和Ni/Mo–Mo/Co空间中存在显著分离（R² = 0.4675和0.6381；p < 0.001），但置换多元离散分析（PERMDISP）表明仅V/Ni–Ni/Co空间存在不等的离散度。因此，Ni/Mo–Mo/Co提供了更稳健的烃源岩分离。部分奥陶系储层原油在组成上与下寒武统场域相容，而其他原油则处于中间或离群位置。然而，全岩分析与灰化原油分析代表了不同的元素储库，无法确定唯一的成因归属。REE参数的判别能力有限，因为烃源岩场域重叠，且原油数据不完整并强烈依赖于具体研究。因此，V–Ni–Mo–Co关系应作为补充证据，与生物标志化合物、稳定同位素和区域石油地质资料结合使用。

论文解读：塔里木盆地油源对比中微量元素替代指标的盆地尺度定量评估

油源对比是含油气系统分析的核心内容，其通过建立油气与烃源岩之间的成因联系，从而约束生烃灶、运移路径、充注历史及勘探目标。传统上，生物标志化合物分布以及单体化合物稳定同位素组成是油源对比的主要工具。然而，在埋深大、组成复杂的含油气系统中，高热演化程度、原油混合、生物降解、热化学硫酸盐还原以及多期充注等因素，可能导致有机地球化学诊断性特征重叠或部分改变，从而复杂化成因归属。塔里木盆地是一个发育在克拉通基底上的大型叠合盆地，海相油气主要赋存于奥陶系碳酸盐岩储层，尤其是鹰山组和一间房组。这些储层经历了多期构造活化及多期油气充注。已有研究提出两套主要的海相烃源岩体系：寒武系—下奥陶统（?–O₁）和中—上奥陶统（O_2-3）。然而，这两套烃源岩体系的相对贡献仍存争议，部分原油可能记录了混合输入。高热演化程度、多期充注、源岩混合及次生改造进一步复杂化了单井储层的成因归属。

此前已有学者在塔中地区应用稀土元素（REE）配分模式和过渡金属比值进行油源对比，并提出了Cu/V、Mo/Co、Ni/Mo等相对有效的油源指示参数。然而，这些关系在更广阔的空间、地层、岩性和跨研究分析异质性条件下是否仍可重复，尚未得到充分检验。元素组成可能受样品预处理及运聚后过程的影响，包括油水相互作用、运移分馏、混合和流体—岩石反应。因此，关键问题不在于特定元素比值能否区分特定样品，而在于这些元素关系在盆地尺度上的稳健性、可转移性和诊断有用性如何。基于此，该研究不提出新的元素比值，而是利用扩大的塔里木盆地烃源岩和原油数据汇编，对前人提出的微量元素和REE替代指标进行盆地尺度的定量再评估。

研究人员汇编了已发表的微量元素和REE数据集，其中烃源岩微量元素记录207条（下寒武统玉尔吐斯组140条、西山布拉克组8条、西大山组15条、萨尔干组44条）；烃源岩REE记录184条（相应为140、8、15、21条）；原油微量元素记录44条（寒武系储层原油10条、奥陶系储层原油34条）；原油REE记录33条（寒武系储层原油10条、奥陶系储层原油23条）。该研究涉及数据汇编、统一、重算和统计评估，未采集新样品，也未开展新实验测量。所有保留的烃源岩数据均来自全岩分析，一般经酸消解；所有保留的原油数据均在原油灰化后经酸消解获得。因此，绝对浓度未被视为元素转移的直接等价度量，跨材料比较仅限于相对组成关系，解释为元素亲和性证据而非唯一成因归属。统计方法包括对数变换和欧氏距离计算，以及置换多元方差分析（PERMANOVA）和置换多元离散分析（PERMDISP）来评估组间分离的显著性及离散度差异。烃源岩分布以对数变换空间中的95%数据椭圆可视化，原油样品仅叠加用于定性比较。

研究结果分为以下几个部分。在“微量元素和REE特征”部分，下寒武统各组总体上具有较高的V、Mo、U含量，但范围与萨尔干组重叠。例如，Yuertus组V中位数826.5 ppm，Mo中位数11.58 ppm，U中位数26.55 ppm；萨尔干组则分别为115.8、2.04和9.00 ppm。V/Ni–Ni/Co和Ni/Mo–Mo/Co空间中的分离显著，但稳健性不同。REE数据显示所有烃源岩均呈负至近于1的Ce异常，Xidashan组呈正Eu异常，而原油REE数据不完整且存在明显的来源研究依赖性。

在“微量元素对沉积环境的制约”部分，Mo–U协变指示下寒武统样品从弱富集到强富集，延伸到缺氧、硫化及颗粒穿梭场域，而萨尔干组主要落在次氧化至缺氧范围。V/Cr–Ni/Co图解中大多数下寒武统样品落在贫氧至次氧化—缺氧区，萨尔干组则从氧化/贫氧延伸至次氧化—缺氧条件。营养相关元素富集因子显示Xishanbulake和Xidashan组的Ni、Zn、Ba富集因子中位数整体高于萨尔干组，Yuertus组变化较大。这些结果共同指示下寒武统总体上记录了更强的还原条件。

在“元素替代指标用于油源对比的性能与局限”部分，V–Ni–Mo–Co关系中，101件下寒武统烃源岩和44件萨尔干组样品的PERMANOVA显示，V/Ni–Ni/Co空间中R² = 0.4675（p = 0.0001），但PERMDISP显著（F = 5.679，p = 0.019），说明该分离受组内离散度不均影响。Ni/Mo–Mo/Co空间中R² = 0.6381（p = 0.0001），PERMDISP不显著（p = 0.811），证明该空间分离更为稳健。原油样品中许多奥陶系储层原油落在下寒武统场域内或附近，但部分处于中间或离群位置。由于全岩和灰化油代表了不同的操作化定义元素储库，椭圆邻近性不能作为统计或成因归属的判定。REE部分，烃源岩场域广泛重叠，原油REE数据跨研究范围跨越约七个数量级，与Qin和Wu数据集之间的边界吻合，且完整La–Lu测得的奥陶系储层原油仅有两件。因此REE参数判别能力有限，只能作为辅助证据。

讨论部分指出，该研究存在若干局限性。数据集不均衡，下寒武统样品数远多于萨尔干组，且萨尔干组不能完全代表O_2-3体系。黑土凹组及其他中—上奥陶统烃源岩数据缺失限制了外推。全岩消化和油灰化分析代表不同的元素储库，元素从烃源岩转移到石油的过程既未定量约束也未必质量守恒。研究间前处理、消化完全程度、仪器平台等差异会影响汇编数值，尤其体现在REE数据中。未来研究应优先设计配对的、前瞻性的数据集，而非简单地扩大异质性文献汇编。取样应涵盖代表性不足的黑土凹组和更多O_2-3烃源岩层段，以及成因和空间上相关的原油、地层水、输导层和储层矿物。应在同一实验室内采用统一的制备和消解流程分析全岩、干酪根、原油灰分、地层水和储层矿物，并结合生物标志化合物和稳定同位素。同时建议进行沿运移路径的取样和实验室生成实验，量化烃类生成、排出和运移过程中V、Ni、Mo、Co和REE的转移与分馏。

结论部分认为，所汇编的下寒武统烃源岩总体上记录了比萨尔干组更强的还原条件，尽管两组都是非均质的。V–Ni–Mo–Co关系提供了最清晰的分离，其中Ni/Mo–Mo/Co更为稳健，而V/Ni–Ni/Co受不等离散度部分影响。部分奥陶系储层原油在组成上与下寒武统场域相容，但全岩和灰化油数据代表不同的元素储库，无法确定唯一的成因关系。REE参数的判别能力有限，因为烃源岩场域重叠且原油数据不完整且研究依赖性强。因此，元素替代指标应补充而非替代生物标志化合物、稳定同位素和区域石油地质资料。这些结果界定了元素替代指标在一个过成熟海相碳酸盐岩含油气系统中的性能及主要局限，为后续研究提供了统计检验的方法框架。