晚古生代大冰期全球发育多套富有机质沉积，是重要的碳汇，记录了生物-环境协同演化、碳循环与油气资源形成，是当前地球系统科学研究和石油地质学交叉前沿研究的一个重要方向。
准噶尔盆地二叠系发育全球迄今发现最古老的碱湖烃源岩，是重要的科学研究对象。最近，中国科学院南京地质古生物研究所助理研究员张景坤，南京大学教授曹剑，以及中国石油新疆油田公司等同行合作，以晚古生代大冰期准噶尔盆地发育的碱湖烃源岩是否具有多阶段生油模式为科学问题，通过高分辨率傅里叶变换回旋共振质谱（FT-ICR MS）技术从杂环化合物角度开展研究。相关研究成果发表于《有机地球化学》（Organic Geochemistry）期刊上。
研究通过重建含氮杂环化合物结构演变过程，揭示了有机质热演化的分子指纹记录。受检测技术的限制，分子量偏大的杂环类化合物是油气地球化学研究的薄弱环节，科学意义未充分揭示。本项工作借助新兴的FT-ICR MS技术，在准噶尔盆地下二叠统风城组碱湖相的有机质中最多检出2541种杂环化合物，并主要以Ny和NyOx化合物为主。通过精细对比烃源岩与原油中的含氮化合物组成，基于无荧光叶绿素代谢物（NCCs）演化模型，重建了烃源岩有机质经热裂解、脱氧与再聚合等作用最终转化为Ny和NyOx化合物的分子演化过程（图1），进而揭示了有机质热演化的重要分子指纹记录。
本次研究通过解析含氮杂环化合物结构，建立了响应有机质演化的地球化学新参数。基于含氮杂环化合物的核部与烷基化支链结构组成特征，研究建立了表征核部聚合程度的聚合指数[聚合度P1 = (18 DBE+15 DBE )/12 DBE_N1；DBE (不饱和度) = Double Bond Equivalent]和表征支链烷基化程度的参数[烷基化指数R1= RC6-35/RC0-5；R代表支链，短链=RC0-5、中链=RC6-14和长链=RC15-35]。通过与传统的成熟度指标Ro、TMNr和T/H对比，发现R1与P1是能响应有机质热演化的有效地球化学参数。
研究还提出了碱性咸化湖相烃源岩“两段式”接力生油机制。基于生物-环境协同演化的地球系统科学思维，将本次工作建立的有机质热演化表征参数与环境参数（古盐度指标β/nCmax等）对比分析，发现高盐(pH)环境抑制含氮杂原子聚合特征明显，尤其是在成熟—高熟阶段，有机质烷基化指数高，指示异常生油潜力。进一步结合咸化湖盆形成过程中成烃生物的差异，发现具有“两段式”接力生油特征：早期蓝细菌生成“成熟油峰”，晚期杜氏藻生成“高熟油”峰（图2）。
本项工作的核心发现在于提出高盐度(pH)环境通过抑制碱湖相有机质大分子聚合从而延长生油窗，结合成烃生物的演化，形成“双峰接力生油”，丰富了陆相生油新的端元类型，发展了咸化湖盆生烃模式，启示深层高演化勘探需要重视原油，依传统模式评估的天然气潜力可能需要重新审视。准噶尔盆地二叠系碱湖烃源岩是晚古生代大冰期生物-环境协同演化与油气资源效应的典型范例。
此次研究得到国家自然科学基金重点项目和青年科学基金项目的联合资助。
论文相关信息：Zhang, J.K., Cao, J., Xiang, B.L., Zhou, N., Ma, W.Y., He, D., 2023. Constraining multi-stage and protracted oil generation of alkaline lacustrine source rocks by heteroatomic compounds. Organic Geochemistry 184, 104668. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2023.104668.
图1 碱湖有机质含氮化合物分子结构演化路径重建图
图2 碱性咸化湖盆烃源岩有机质多阶段生油模式图（碳链断裂为示意性）
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