在油氣勘探開發早期階段，鉆井取芯數量有限，許多勘探調查工作都是基于露頭樣品開展的。然而，當深埋地下的烴源巖由于構造抬升作用而暴露于地表或近地表后，會受到自然風化作用的嚴重影響。地表水的溶解、侵蝕、氧化和生物同化，不僅使得烴源巖的礦物和無機元素組成受到影響，而且其有機質的豐度、化學組成和分子結構也可能會遭受不同程度的改造，進而使得其有機地球化學特征和生烴潛力等指標發生改變，導致以此為基礎的烴源巖評價及烴-源對比工作變得異常復雜和困難。因此，揭示風化過程中烴源巖地球化學特征的變化，對于厘清基于露頭樣品的評價指標的有效性、利用露頭數據預測含油氣盆地的油氣潛力至關重要。
針對上述問題，中國科學院廣州地球研究所有機地球化學國家重點實驗室博士生潘樹彪在導師廖玉宏研究員指導下，對鄂爾多斯盆地銅川地區衣食村自然風化的三疊系延長組7段烴源巖剖面（圖1）進行了詳細的有機和無機地球化學分析與研究。為了避免不同巖層段中頁巖礦物和元素組成的非均質性，該研究的樣品采集沿著剖面的同一水平地層進行。綜合巖石熱解(Rock-Eval)、TOC 分析、XRD礦物分析、主微量及稀土元素分析、色譜-質譜(GC–MS)分析等測試結果，發現風化作用對烴源巖的有機（干酪根和可溶有機物）和無機（礦物和元素）地球化學指標都有系統性的改變。
圖 1. (A) 鄂爾多斯盆地銅川地區地質構造圖；(B) 上三疊統延長組地層柱狀圖；(C) 銅川地區上三疊統延長組7段衣食村剖面圖
研究結果表明，自然風化會對距地表近2米深的烴源巖產生較為明顯的影響（圖2）。隨著風化作用的增強，烴源巖的有機質豐度明顯減小，其中總有機碳損失了41%，生烴潛力(S1+S2) 損失了63%，可溶抽提物(EOM)損失了75%；氫指數（HI）逐漸降低，而氧指數（OI）明顯升高。在上覆地層最薄的風化階段Ⅲ的樣品中，上述烴源巖評價指標的變化最為明顯。隨著上覆地層厚度的增加，風化程度逐漸減弱。此外，風化作用也會導致EOM中的飽和烴和芳香烴部分損失以及膠質和瀝青質的增加。由于水溶性的不同，芳香烴的損耗相對于飽和烴更為嚴重。
圖2 鄂爾多斯盆地銅川地區衣食村剖面風化樣品的有機質豐度指標及其相關統計參數
風化作用會影響烴源巖的礦物組成，如黃鐵礦、碳酸鹽巖礦物等易風化的礦物含量明顯降低。主量元素CIA指數（圖3）表明，本次研究的樣品遭受了中等強度的風化作用。重稀土元素（HREEs）略有富集，中稀土元素（MREEs）優先被去除。微量元素、稀土元素豐度及其衍生出的古環境應用指標，如U/Th、AU、Mo、Sr/Ba、Sr/Cu和P/Ti的值，隨著風化作用增強顯示出不同程度的變化（CV>10%）。其他指標如V/(V+Ni)、Ni/Co、V/Cr、δU和Ceanom，只表現出輕微的變化，對古環境的判識仍然可靠。
圖3 鄂爾多斯盆地銅川地區衣食村剖面風化樣品的無機元素古環境指標及其相關統計參數
風化作用還會嚴重影響烴源巖中正構烷烴的豐度及分布，低碳數正構烷烴（SCh）被嚴重損耗，而高碳數的正構烷烴（LCh）相對含量明顯增加（圖4），這可能導致以正構烷烴分布為基礎的有機質來源判別失真。在飽和烴和芳香烴生標中，碳數較低的生標如S21-22孕甾烷、三環萜烷（TT20-23）和三芳甾烷(TAS20-21)比碳數較高的同類化合物（常規甾烷、藿烷和TAS26-28）更容易受到自然風化的消耗（圖5），即碳數更低的生標更容易被消耗。風化作用導致這些生物標志物發生系統性變化的原因可能主要是由于這些低碳數的化合物的分子量相對較低，溶解度相對較高，導致地表水的淋濾作用對其表現出選擇性消耗。水洗強度指標（DBT/P）也證實了這一點。此外，研究區較為豐富的年度降雨量數據也為此提供了支持。因此，除了生物降解作用及非生物氧化作用（光氧化）以外，地表水的淋濾作用在烴源巖的自然風化過程中起著重要作用，尤其是降雨量較高的地區。總之，風化作用可以改變烴源巖的有機地球化學特征，并可能影響基于有機質豐度、類型和成熟度開展的油氣資源評估結果的準確性。因此，基于露頭樣品的油氣資源評價和烴源巖沉積環境分析應充分考慮自然風化作用的影響。
圖4 鄂爾多斯盆地銅川地區衣食村剖面風化樣品的正構烷烴及甾烷指標及其相關統計參數
圖5 鄂爾多斯盆地銅川地區衣食村剖面風化樣品的萜烷及芳香烴指標及其相關統計參數
該研究受到國家自然基金（41872156和42173056）的資助，成果近期發表在能源地質地球化學領域國際期刊《International Journal of Coal Geology》。第一作者為博士生潘樹彪，通訊作者為廖玉宏研究員，其他作者還包括蔣彬、萬志雄和王甫。
論文信息：Pan, S. B.（潘樹彪）, Liao, Y. H.*（廖玉宏）, Jiang, B.（蔣彬）, Wan, Z. X.（萬志雄）, Wang F（王甫）, 2022. Impact of natural weathering on source rocks: Organic and inorganic geochemical evidence from the Triassic Chang 7 outcrop profile in Tongchuan of the Southern Ordos Basin (China). International Journal of Coal Geology 263, 104119.
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