蒸发岩与石油硫同位素对比判断石油烃源岩时代的方法与流程

本发明属于硫同位素地层学研究技术领域，具体涉及一种蒸发岩与石油硫同位素对比判断石油烃源岩时代的方法。

背景技术：

新元古代晚期到寒武纪早期是地球历史演化的关键时期，整个生物圈、大气圈和水圈都发生了巨大的变化。海水的碳、硫同位素成分也发生了明显的变化，其中碳同位素被记录在碳酸盐沉积中，硫同位素被记录在硫酸盐沉积中。

在生物作用下，海洋中硫循环可以产生相当明显的硫同位素分馏。硫酸盐还原细菌可以造成硫酸盐中δ³⁴s的富集，和硫化物中δ³⁴s的亏损，这种生物分馏，控制着海洋沉积物中的硫同位素的波动。寒武纪早期和中期，硫同位素达到了整个显生宙的最高值，可以达到+35‰甚至更高。这种极高的δ³⁴s被认为与新元古代冰期造成的海水分层，底部卤水在缺氧环境下硫酸盐细菌活动将优先使用“轻”的³²s，造成残余卤水中³⁴s的上升，从而导致δ³⁴s数值升高，此后冰期结束，海水发生倒转，造成δ³⁴s高数值底部卤水上涌，与浅水海水混合从而造成了整个海洋高的δ³⁴s数据，并持续到寒武纪。在寒武纪晚期到奥陶纪硫同位素迅速下降到25‰，并持续下降，在泥盆纪晚期和二叠纪-三叠纪转换时期分别出现两个高值，并在二叠纪有一个最低值10‰(如图1所示)。

海相蒸发岩研究发现，海相石膏可以直接记录古代海水硫同位素而并不产生分馏，并可建立一个整个地质历史时期海水硫同位素变化曲线(如图1所示)。最广泛的硫酸盐是石膏和硬石膏，其次是硫酸钡，石膏和硬石膏可以被溶解再沉淀，然而其硫同位素值并不发现明显的改变。此外，对石油的硫同位素分析发现，它们与各个地质时代海相石膏记录的硫同位素相比存在平行对应的关系。通过分析蒸发岩盆地石油中的硫同位素，以及蒸发岩地层中的石膏、硬石膏、硫酸钡等样品的硫同位素，两者进行对比可以判断石油烃源岩的地质时代。

然而，蒸发岩地层通常缺乏化石，蒸发岩沉积很难通过生物地层来确定时代，并且，蒸发岩地层也很难进行放射性同位素定年，因此，硫同位素曲线的确切时间不好确定，此前的国际硫同位素曲线也只能反映一个大致的时代范围。另外，由于蒸发岩矿物石膏的地质记录有限、且非常容易在地表环境被溶解，因此，硫同位素分析的样品主要来自钻井岩心，因此数据十分稀少。

技术实现要素：

为了解决寒武纪蒸发岩地层的时代问题，本发明开展了与蒸发岩地层互层的碳酸盐岩地层的碳同位素地层学研究，以便较准确的确定蒸发岩地层的地质时代；通过测定含蒸发岩盆地的石膏、硬石膏和硫酸钡等样品的硫同位素，完善国际硫同位素曲线。然后通过分析蒸发岩盆地石油中的硫同位素，与蒸发岩地层中的石膏、硬石膏、硫酸钡等样品的硫同位素，两者进行比较，并结合国际硫同位素曲线判断石油烃源岩的地质时代。

本发明提供了一种蒸发岩与石油硫同位素对比判断石油烃源岩时代的方法，包括以下步骤：

s101、采集蒸发岩地层中的硫酸盐样品并进行硫同位素分析，得到蒸发岩地层的硫同位素数据；

s102、采集与蒸发岩地层互层的碳酸盐岩地层的碳同位素样品并进行碳、氧同位素分析，然后通过开展碳同位素地层学研究来确定蒸发岩地层的地质时代；

s103、基于蒸发岩地层的硫同位素数据和蒸发岩地层的地质时代完善国际硫同位素曲线；

s104、分析石油中的硫同位素，获得石油的硫同位素数据；

s105、将石油的硫同位素数据与蒸发岩地层的硫同位素数据进行对比，并结合国际硫同位素曲线判断石油烃源岩的地质时代。

根据本发明的优选实施方式，在步骤s101之前利用蒸发盐岩盆地的地质图、地层柱状图、测井资料和/或古生物信息初步确定蒸发岩地层的地质时代，并确定各个地质时代含硫酸盐样品的钻井的位置和深度，建立取样计划。

根据本发明的优选实施方式，所述硫酸盐样品包括石膏、硬石膏和重晶石中的一种或多种。所述碳酸盐岩样品包括白云岩和/或灰岩。

本发明中，步骤s102中通过碳同位素地层学来确定蒸发岩的地质时代是指通过对碳酸盐岩样品的碳同位素数据分析，结合碳同位素的国际标准曲线(tomokoetal.theδ¹³cexcursionsspanningthecambrianexplosiontothecanglangpuianmassextinctioninthethreegorgesarea,southchina.gondwanaresearch，2014年，25卷:1045–1056)确定碳酸盐岩的地质时代，进而确定蒸发岩的地质时代。本发明中，对碳酸盐样品的碳、氧同位素数据进行分析，其中，碳同位素数据用来进行地层对比，而氧同位素数据用来判断碳同位素数据的可靠性，如果碳、氧同位素数据没有正相关性，表明这些数据没有经过后生变质的叠加，保存了原始的信息。

经研究发现，塔里木盆地寒武纪是一套碳酸盐岩与蒸发岩交替出现的台地相沉积，因而使用碳同位素曲线确定的硫同位素所处的地质时代为确定来源于寒武纪烃源岩的石油的地质时代打下了基础。

根据本发明的优选实施方式，步骤s103中在完善国际硫同位素曲线时，对于没有蒸发岩的海相地层，其硫同位素数据参照国际硫同位素曲线(claypooletal.theagecurvesofsulfurandoxygenisotopesinmarinesulfateandtheirmutualinterpretation.chemicalgeology，1980年，28卷：190-260)上与其地质时代对应的硫同位素数据。

根据本发明的优选实施方式，所述硫酸盐样品和碳酸盐样品在进行同位素分析之前经过清洗挑选处理。根据本发明的优选实施方式，所述样品清洗挑选为通过样品清洗筛选、晾晒以及选样，挑选硫酸盐样品用于硫同位素分析，挑选碳酸盐岩样品用于碳、氧同位素分析。

根据本发明的优选实施方式，所述样品清洗筛选方法为：采用水浸泡样品，然后将样品倒入网筛中，清洗筛选除去岩屑及杂质；所述样品浸泡时间为5-15min，在浸泡时搅拌以加速清洗过程。

根据本发明的优选实施方式，在对石油进行分析的过程中，所述方法还包括对石油进行生物标志化合物分析，初步确定石油的来源。所述生物标志化合物包括甾烷、藿烷和长链烃类等。

对石油的硫同位素分析发现，它们与各个地质时代海相石膏记录的同期海水硫酸盐(蒸发岩地层)的硫同位素相比，存在平行对应的关系，只是石油的硫同位素值与蒸发岩地层的硫同位素值之间存在差值，石油的硫同位素比蒸发岩地层的硫同位素低10‰-15‰。

根据本发明提供的方法，在进行蒸发岩地层中的硫酸盐岩同位素与石油硫同位素对比时，如果测得的石油中的δ³⁴s数据为a，测得的硫酸盐岩(石膏等)的δ³⁴s数据为a+(10‰-15‰)，则推定该石油与该硫酸盐岩(石膏等)所处的时代相同。例如，来自塔里木寒武纪石油的δ³⁴s值在+21‰到+26‰，同时期的海相石膏在+30‰到+35‰(见表1，图1)甚至更高；而来自石炭纪的石油，δ³⁴s值在+5.3‰左右，同时期的海相石膏在+15‰左右。也就是说，通过各个地质时代的石膏中记录的海水硫同位素，与来自对应时代的石油中的硫同位素来对比，可以判断出石油烃源岩的地质时代。

塔里木盆地奥陶纪早期的石膏硫同位素为+26.1‰；其他海相蒸发岩盆地奥陶纪中晚期石膏硫同位素分别为+27.7‰和+25.5‰。如表1中所示，在沙-18、沙-22、沙-29井中部分石油以往被认为来源于寒武纪；而沙-4、沙-5井中的部分石油以往被认为来源于奥陶纪。本次通过硫同位素分析，发现以往被认为来源于“奥陶纪”的沙-4、沙-5井中的石油的硫同位素为+22‰左右，由于石油中硫同位素比同期海相石膏记录的硫酸盐硫同位素偏低10-15‰左右，则与这些石油烃源岩同期的海相石膏的硫同位素应该为+32‰左右，该数值大于奥陶纪石膏的硫同位素数值，因而，沙-4、沙-5井石油应该也来源于寒武纪，因为只有寒武纪时期海水中的硫同位素(石膏记录的硫同位素)才能达到+32‰左右或以上的高值。这样，就解决石油系统长期争论的问题。

表1.塔里木盆地中被推测为寒武纪和奥陶纪来源的海相石油的硫同位素

对中深-5井寒武系共计11块岩芯样品进行了处理，通过我们岩芯井段获得的石膏样品的硫同位素测试数据与国际同期地层硫同位素数据进行比对，两者测试数值非常一致，充分说明了在地质历史时期，同期海相地层硫同位素数值的一致性。这些数据为查明塔里木盆地寒武系硫同位素变化特征，进一步开展寒武系石油烃源岩时代分析打下了基础。

根据本发明的另一方面，还提供了上述方法在确定天然气烃源岩的地质时代中的应用。天然气中的h2s的硫同位素与石油中的硫同位素是一致的，因此，该方法也适用于天然气烃源岩的地质时代的确定。

本发明提供了一种新的蒸发岩与石油硫同位素对比判断石油烃源岩地质时代的方法，通过开展与蒸发岩地层互层的碳酸盐岩地层的碳同位素地层学研究，通过连续的碳同位素曲线来划分硫同位素所在的蒸发岩地层的地质时代，并通过测定蒸发岩盆地中的石膏、硬石膏和硫酸钡等样品的硫同位素，完善国际硫同位素曲线。然后通过测定蒸发岩盆地中石油的硫同位素，两者进行对比判断石油烃源岩的地质时代。

附图说明

图1是国际上建立的地质历史时期硫酸盐的硫同位素曲线；

其中1所示的区域为塔里木盆地寒武纪的石膏硫同位素分布。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不受下述实施例限定。

实施例1

应用本发明的方法，对塔里木盆地中深-5井的寒武纪早期和中期的石膏进行了分析，得到了初步的数据。该方法具体包括：

塔里木盆地寒武纪的地质时代的确定：在地表露头通过化石(例如三叶虫、小壳化石、疑源类等)地层的对比来确定；而在井下通过与地表露头标准剖面的岩性对比，同时结合碳酸盐岩地层的碳同位素地层学，来进行地层划分与对比。通过分析塔里木盆地的地质图、地层柱状图和测井资料确定各个地质时代含硫酸盐样品的井的位置和深度，建立取样计划。按照编制好的取样深度表对取样井的石膏和碳酸盐岩样品采集，并对所采样品按照钻井深度大小依次编号并记录井深。随后将采集的样品分别倒入容器内用蒸馏水浸泡大约5-15分钟，并用玻璃棒搅拌容器内的岩屑物质。之后用40目的不锈钢网筛用蒸馏水分别清洗过筛样品。清洗完成后，挑选石膏样品进行硫同位素分析。挑选碳酸盐岩岩屑(白云岩岩屑、灰岩岩屑)用于碳氧同位素分析。对碳酸盐样品使用稳定同位素分析方法进行碳、氧同位素分析，通过碳酸盐样品的碳氧同位素分析确定蒸发岩地层准确的地质时代。对采集的石膏通过稳定同位素方法得到了硫同位素数据，其中寒武纪早期的吾松格尔组的硫同位素为+30.2‰至+31.4‰，寒武纪中期的阿瓦塔格组的硫同位素为+30.7‰至+34.8‰，塔里木盆地奥陶纪早期的石膏硫同位素为+26.1‰。通过生物标志化合物分析得到的塔里木盆地寒武纪石油(沙-18、沙-22、沙-29井)的硫同位素为+24‰至+26‰。依据石油的硫同位素比蒸发岩地层的硫同位素低10‰-15‰的原理，可以推测沙-18、沙-22、沙-29井的石油是来自寒武纪而不是奥陶纪，而且应该来自寒武纪早中期。

另外沙-4、沙-5井的石油中的硫同位素分别为22.80‰、21.19‰，依据石油的硫同位素比蒸发岩地层的硫同位素低10‰-15‰的原理，判断沙-4、沙-5井的石油也应该来源于寒武纪，因为只有寒武纪时期海水中的硫同位素(石膏记录的硫同位素)才能达到+32‰以上的高值。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。