中非Muglad盆地晚白垩世海侵及其对油气勘探的意义

Late Cretaceous transgression in the Muglad Basin of Central Africa and its implication for oil and gas exploration

摘要

晚白垩世全球大规模海侵被认为仅淹没了非洲大陆北部地区,而位于非洲中部的Muglad盆地则未遭受海侵的影响,且盆地内仅发育一套富有机质的烃源岩,即下白垩统Abu Gabra组湖相泥岩。本次研究采集了下白垩统Abu Gabra组湖相泥岩和上白垩统Darfur群泥岩样品,在上白垩统Darfur群泥岩中检测到完全不同于下白垩统Abu Gabra组湖相泥岩的甲藻甾烷和三环萜烷组成,主要表现为高丰度的甲藻甾烷异构体和C₂₃三环萜烷丰度优势,认为其是海侵作用的产物。依据分析结果,本文首次提出上白垩统Darfur群沉积期可能受到新特提斯洋海水的影响,进一步揭示了晚白垩世全球海侵在非洲大陆的海水淹没范围已抵达中非大陆Muglad盆地。此外,上白垩统Darfur群海相富有机质泥岩的存在,揭示研究区不仅发育下白垩统Abu Gabra组湖相烃源岩,还发育一套潜在的海相烃源岩。而K-1井海相原油的发现进一步证实了上白垩统Darfur群海相烃源岩的生烃潜力,海相原油可能是研究区未来油气勘探的新领域。

关键词

海侵 / 晚白垩世 / 分子标志化合物 / 甲藻甾烷 / 三环萜烷 / 海相原油

Key words

transgression / Late Cretaceous / molecular fossils / dinosteranes / tricyclic terpanes / marine oil

0 引言

非洲Muglad盆地位于中西非走滑剪切断裂带的南侧,是一个发育在前寒武系变质基底之上的中—新生代断陷湖盆^[1-2]。长期以来,人们一直认为晚白垩世全球海侵事件仅淹没了非洲大陆北部,最南至Muglad盆地北部的Al Kufra和Khartoum盆地^[3],而Muglad盆地未受到北部特提斯洋海水的影响,仅发育陆相沉积地层^[4-5]。勘探结果表明Muglad盆地已发现的原油属于同一族群,源于研究区唯一的有效烃源岩,即下白垩统Abu Gabra组湖相泥质烃源岩^[6⇓-8]。因此,现在的勘探方向聚焦于Abu Gabra组(生)-Bentiu组(储)-Darfur群(盖)成藏组合^[6]。然而,最新的研究发现,在个别原油和沉积物样品中检测到完全不同于Abu Gabra组湖相烃源岩的生物标志化合物组合^[9-10],推测可能源自上白垩统Darfur群富有机质沉积物^[10]。目前,关于上白垩统Darfur群富有机质沉积物中特征性分子标志化合物组成及其成因的研究迄今鲜有报道。鉴于此,本次研究对比了上白垩统Darfur群与下白垩统Abu Gabra组代表性样品的甲藻甾烷和三环萜烷的分布差异,分析了其潜在的地质-地球化学意义,提出了Muglad盆地晚白垩世沉积期可能遭受海水影响,揭示了全球晚白垩世海侵在非洲大陆的淹没范围扩展至中非大陆Muglad盆地。此外,上白垩统Darfur群海相烃源岩及其原油(K-1井原油)的发现,揭示了研究区不仅发育Abu Gabra组湖相烃源岩,且海相原油可能是研究区未来潜在的勘探领域。

1 地质背景

Muglad盆地位于中非裂谷系的中部,盆地面积为11.2×10⁴ km²,最大沉积厚度可达15 km,以白垩系为主,新生界较薄。盆地整体呈北西-南东走向,东南窄而西北宽,呈一个楔形,并终止于中非剪切带^[1,11]。据区域构造应力场转变特征和盆地充填史,Muglad盆地分别在早白垩世、晚白垩世和古近纪经历了三次裂谷旋回^[6,12⇓-14]。在早白垩世裂谷期沉积了Abu Gabra组和Bentiu组,其中Abu Gabra组主要发育河流、三角洲和湖泊沉积相,其下部岩性以砂岩和含砾砂岩为主,上部岩性主要为湖相富有机质暗色泥岩和砂泥互层^[15-16],且已被证实为盆地主力生油岩^[5⇓-7];而Bentiu组为一大套的河流相块状砂岩夹薄层泥岩^[16],已被证实为盆地主力产层^[17-18]。晚白垩世裂谷期发育了Darfur群,可划分为Baraka组、Ghazal组、Zarqa组和Aradeiba组,发育三角洲-湖泊沉积体系^[15⇓-17],其中Aradeiba组泥岩是盆地水面最大范围时期的沉积,形成了全盆地的一套区域泥岩盖层^[18⇓-20]。古近纪裂谷期发育了Amal、Nayil和Tendi组。

2 样品与实验条件

研究共采集了Muglad盆地2件上白垩统Darfur群Baraka组和Aradeiba组(图1^[7,10,12])样品,分别源自A-G-1井和H-C-1井;9件下白垩统Abu Gabra组样品,源自H-1井和S-S-1井。实验分析测定在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成。

将岩石样品粉碎至80目,称取50~100 g粉末样品,使用二氯甲烷进行索氏抽提48 h,获得沥青“A”。利用20~30 mL石油醚溶解20~50 mg沥青“A”,静置12 h沉淀沥青质,收集沥青质和滤液。滤液经旋转蒸发后,采用硅铝层析柱对浓缩后的滤液进行组分分离,依次用石油醚、二氯甲烷+石油醚(2:1,体积比)、二氯甲烷+甲醇(93:7,体积比),先后收集到饱和烃、芳烃及非烃馏分。

采用气相色谱-质谱连用仪器型号为Agilent 6980 GC-5975i MS。色谱柱为HP-5MS弹性石英毛细柱(30 m×0.125 mm×0.125 μm),进样温度为300 ℃,载气为99.999%He,流速为1 mL/min。升温程序如下:初始温度50 ℃,恒温1 min后,以20 ℃/min的速率升温至120 ℃,再以3 ℃/min的速率升温至310 ℃,并维持恒温25 min。采用EI电离方式,电离能量为70 eV。

3 代表性化合物的分布

3.1 甲藻甾烷的检测与鉴定

C₃₀ 4-甲基甾烷包括C₃₀ 4-甲基-24-乙基胆甾烷和C₃₀4,23,24-三甲基基胆甾烷,其中C₃₀4,23,24-三甲基基胆甾又称之为甲藻甾烷。基于饱和烃m/z 231质量色谱图检测分析,并对比前人的分析结果^[21-22],在Muglad盆地上白垩统Darfur群沉积物中检测到四个4α构型的甲藻甾烷(D1-D4)(图2b);但在下白垩统Abu Gabra组富有机质湖相沉积物中并未见检测到该类化合物(图2a)。

为了进一步明确甲藻甾烷的结构特征,对比分析了其分子离子峰、基峰离子以及其他特征离子碎片等。如图3所示可知,四个甲藻甾烷化合物的特征性离子碎片具有非常相似的特征,表现为分子离子峰均为M⁺ 414,基峰离子均为m/z 231,还具有较强的特征离子碎片m/z 399、m/z 98、m/z 123、m/z 163、m/z 290等。对比前人研究的出峰位置(图2b)和质谱图特征(图3)^{[22⇓⇓-25]},明确了化合物D1-D4分别为20R-4α,23S,24S-三甲基胆甾烷、20R-4α,23S,24R-三甲基胆甾烷、20R-4α,23R,24R-三甲基胆甾烷和20R-4α,23R,24S-三甲基胆甾烷。

3.2 三环萜烷的分布特征

三环萜烷系列化合物普遍存在于烃源岩抽提物和原油中,常见的同系物分布范围为C₁₉-C₂₉,最高碳数可检测到C₅^[26-27]。在Muglad盆地抽提物饱和烃m/z 191质量色谱图中可检测到C₁₉-C₂₉三环萜烷,缺失C₂₂和C₂₇三环萜烷,且上、下白垩统沉积物中三环萜烷的分布模式完全不同。其中,下白垩统Abu Gabra组富有机质湖相沉积物中表现为C₂₁三环萜烷的丰度优势,而长链C₂₈和C₂₉三环萜烷的相对丰度较低(图4a)。上白垩统Darfur群沉积物中则表现为C₂₃三环萜烷的丰度优势,且具有相对较高丰度的长链C₂₈和C₂₉三环萜烷(图4b)。

4 讨论

4.1 甲藻甾烷的地质意义

通常,甲藻甾烷在晚三叠世以来的海洋沉积物中大量存在,与沟鞭藻化石孢囊的出现相吻合,因此甲藻甾烷既可以约束沉积物的时代(即晚三叠世以来),又可以指示海相沉积环境^[23,28]。虽然甲藻甾烷及其异构体4-甲基-24-乙基胆甾烷可以在海洋沉积物中共存^[23-24,29],但高丰度的4-甲基-24-乙基胆甾烷仅存在于中—新生代淡水湖盆沉积物中,而甲藻甾烷在该沉积环境下往往缺失或丰度极低^[28]。因而,甲藻甾烷往往作为典型海相沉积环境的生物标志化合物^[2]。侯读杰等^[21]在我国苏北盆地第三系和松辽盆地上白垩统陆相沉积岩及其原油中检测到丰富的甲藻甾烷,指出其为海侵作用的产物^[22,25]。本次研究的Muglad盆地上白垩统沉积物中检测到甲藻甾烷系列化合物,从分子化石的角度揭示了盆地在晚白垩世受了海水的影响。同时,前人在Kng W-1井上白垩统沉积物中发现了大量的沟鞭藻化石^[30],进一步证实了Muglad盆地在晚白垩世为浅海沉积环境,具有丰富的甲藻输入。

4.2 三环萜烷的地质意义

虽然三环萜烷系列化合物的生物前驱物,目前尚还没有统一认识^{[26,31⇓⇓-34]},但是短链的C₁₉-C₂₃三环萜烷的分布模式被认为与有机质沉积环境和生源组成密切相关^[35]。通常,海相和咸水湖相环境的沉积有机质中以C₂₃三环萜烷占优势^{[32,35⇓-37]},淡水-微咸水湖相环境的沉积有机质则往往以C₂₁三环萜烷为主^[35,38]。

而低碳数C₁₉和C₂₀三环萜烷被认为可能源自二萜类先质,指示浅水沉积环境中高等植物的生源贡献^[35,39-40],尤其在煤系样品或煤成油中富含低碳数三环萜烷^[35,38,41]。最近,肖洪等^[35]采集了200余件国内外不同沉积盆地、不同年代、不同沉积环境的烃源岩和原油样品,分析其C₁₉-C₂₃三环萜烷的分布特征,构建了一个可判识海相/咸湖相、典型湖相、河流/三角洲/淡水湖相以及沼泽相的三角图图版(图5^[35])。本次所分析的Muglad盆地下白垩统Abu Gabra组样品具有相对高丰度的C₂₁三环萜烷,属于Zone 2淡水湖相沉积环境(图5^[35])。而上白垩统Darfur群样品具有明显的C₂₃三环萜烷的丰度优势,表明形成于Zone 1海相或咸水湖相(图5)。结合上白垩统Darfur群样品中丰富的甲藻甾烷,可判断其沉积于海相环境。

4.3 三环萜烷相关参数

此外,Tao等^[36]构建了三环萜烷和四环萜烷相关参数,有效地划分了塔里木、吐哈、鄂尔多斯和柴达木盆地的海相、咸水湖相和淡水湖相等不同沉积环境烃源岩生成的原油。由图6^[36]可知,本次所分析的Muglad盆地下白垩统Abu Gabra组样品与上白垩统Darfur群样品差异明显。其中,下白垩统Abu Gabra组样品具有较高的C₂₄TeT/(C₂₄TeT+C₂₆TT)比值,较低的C₂₃TT/(C₂₃TT +C₃₀H)、C₂₉TT/C₃₀H和C₂₈TT/C₃₀H比值,与Tao等^[36]所分析的富陆源有机质输入的淡水湖相样品分布一致。而上白垩统Darfur群样品表现出较高的C₂₃TT/(C₂₃TT+C₃₀H)C₂₉TT/C₃₀H和C₂₈TT/C₃₀H比值,较低的C₂₄TeT/(C₂₄TeT+C₂₆TT)比值,与Tao等^[36]所分析的咸湖/海相沉积环境的样品分布特征一致。

近年,Xiao等^[42]也采用多个与三环萜烷相关的参数,划分了非洲尼日尔Termit盆地下白垩统三角洲过渡相与海相沉积环境的烃源岩及其原油。由图7可知,下白垩统Abu Gabra组样品具有较高的C₁₉₊₂₀TT/C₂₃TT和C₂₄TeT/C₂₆TT比值,较低的C₂₃TT/C₂₁TT比值,与Xiao等^[42]所分析的富陆源有机质输入的过渡相烃源岩的分布一致。而上白垩统Darfur群样品表现出较高的C₂₃TT/C₂₁TT比值、较低的C₁₉₊₂₀TT/C₂₃TT和C₂₄TeT/C₂₆TT比值,与Xiao等^[42]所分析的海相烃源岩/原油的分布特征一致。据此表明,Muglad盆地上白垩统沉积期可能受到海水的影响。

4.4 对油气勘探的意义

大量调研发现,早期所有研究均认为研究区仅发育一套下白垩统Abu Gabra组湖相富有机质烃源岩,且所有开采的原油均源自该套烃源岩,属于同一族群原油^[6⇓-8]。因此,在实际勘探中更加关注Abu Gabra组(生)-Bentiu组(储)-Darfur群(盖)成藏组合^[6,20]。然而,本次所分析的上白垩统Darfur群海相富有机质泥岩的存在,首次揭示了研究区不仅发育下白垩统Abu Gabra组湖相烃源岩,还发育一套潜在的海相烃源岩。此外,本次研究还发现了Muglad盆地中有一件生物标志化合物组成完全不同于其他原油和Abu Gabra组湖相烃源岩的原油,即K-1井原油。如图8所示,通过对比上白垩统Darfur群海相泥岩与K-1井原油中三环萜烷与甲藻甾烷可知,二者分布特征完全一致,可判定K-1井原油源自上白垩统Darfur群海相烃源岩供烃,属于另一原油族群,即海相原油族群。

本次所分析的Muglad盆地上白垩统Darfur群Baraka组(A-G-1井)和Aradeiba组(H-C-1井)泥岩样品总有机碳(TOC)含量分别为1.04%和1.10%,均大于1.0%。从TOC含量来看,Darfur群富有机质泥岩属于好烃源岩范畴(据石油天然气行业标准SY/T 5735—2019)。而Darfur群泥岩的最高热解峰温(T_max)较低,处于429~435 ℃,属于未熟-低熟阶段。这种差异的原因主要是A-G-1井和H-C-1井均位于斜坡带^[10],地层埋藏深度相对较浅,在盆地中心埋深更大的区带,Darfur群烃源岩必然已进入成熟阶段。由此可推断,Muglad盆地海相原油可能是研究区未来油气勘探的新领域。

5 结论

(1)上白垩统Darfur群沉积物中检测到丰富的甲藻甾烷和C₂₃三环萜烷的丰度优势,指出了该沉积地层可能受到新特提斯洋海水的影响。

(2)根据Muglad盆地的地理位置可知,晚白垩世全球海侵在非洲大陆的影响范围达到了中非大陆Muglad盆地。

(3)上白垩统Darfur群海相烃源岩和K-1井海相原油的发现,揭示了Muglad盆地存在一类新的油气资源,可能是研究区未来油气勘探的新领域。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42202134)

中国石油大学(北京)科研基金项目(2462023YJRC010)