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  地质通报  2017, Vol. 36 Issue (4): 493-502  
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张景坤, 周基贤, 王海静, 米巨磊, 寇晨辉, 王岩, 周妮, 曹剑. 准噶尔盆地西北缘超剥带轻质油的发现及意义[J]. 地质通报, 2017, 36(4): 493-502.
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ZHANG Jingkun, ZHOU Jixian, WANG Haijing, MI Julei, KOU Chenhui, WANG Yan, ZHOU Ni, CAO Jian. The discovery of light oil in the overlap-erosion zones of the northwestern Junggar Basin and its significance[J]. Geological Bulletin of China, 2017, 36(4): 493-502.
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基金项目

科技部国家油气重大专项《准噶尔前陆冲断带油气成藏关键勘探技术与新领域目标优选》(编号:2016ZX05003-005)

作者简介

张景坤 (1993-), 男, 在读硕士生, 石油地球化学专业。E-mail:zhangjk0315@163.com

通讯作者

曹剑 (1978-), 男, 教授, 博士生导师, 从事石油地质学与有机地球化学研究。E-mail:jcao@nju.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2016-10-14
修订日期: 2017-02-13
准噶尔盆地西北缘超剥带轻质油的发现及意义
张景坤1, 周基贤2, 王海静2, 米巨磊2, 寇晨辉1, 王岩1, 周妮2, 曹剑1    
1. 南京大学地球科学与工程学院, 江苏 南京 210023;
2. 中国石油新疆油田分公司实验检测研究院, 新疆 克拉玛依 834000
摘要: 含油气盆地超剥带的勘探以重质油-油砂为主。在准噶尔盆地西北缘超剥带的中生代油砂中发现了轻质油,报道了其基本特征与成藏模式,并探讨了勘探意义。结果表明,轻质油呈黄绿色荧光,与呈黄褐色荧光的重质油共生。油砂连续抽提发现,重质油充注在前(颗粒吸附烃/包裹体烃),轻质油充注在后(孔隙游离烃),油源均来自研究区玛湖凹陷下二叠统风城组,典型生标特征为Pr/Ph值小于1,伽马腊烷/C30藿烷为0.43~0.82,C20、C21、C23三环萜烷呈上升型分布。油砂无机地球化学研究发现,2期原油充注明显,形成了2期方解石胶结物,早期MnO和FeO含量在1%~1.5%之间,晚期大于1.5%。白垩纪前,风城组生源成熟油在充注过程中遭受降解,形成重质油-油砂;白垩纪至今,风城组生源高熟轻质油沿横断裂直接运移至超剥带,在断裂“纵横交叉”之处最富集。据此认为,研究区横断裂沿线是这类轻质原油勘探值得考虑的领域。超剥带的勘探可能不仅局限于传统认为的重质油-油砂,若存在有利的成藏条件,亦有可能形成轻质油气的聚集。
关键词: 超剥带    油砂    轻质油    横断裂    玛湖凹陷    
The discovery of light oil in the overlap-erosion zones of the northwestern Junggar Basin and its significance
ZHANG Jingkun1, ZHOU Jixian2, WANG Haijing2, MI Julei2, KOU Chenhui1, WANG Yan1, ZHOU Ni2, CAO Jian1     
1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, Jiangsu, China;
2. Research Institute of Experiment and Testing, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay 834000, Xinjiang, China
Abstract: The heavy oil and oil sand constitute the primary target of exploration in the overlap-erosion zones of petroliferous basins. Here the authors present the first discovery of light oil in Mesozoic oil sands in the overlap-erosion zones of the northwestern Jung-gar Basin, report the basic characteristics and accumulation model of the light oil and investigate their implications for exploration. The results show that the light oil fluoresces yellowish green light and coexists with heavy oil with dark fluorescence. Reservoir sequential extraction of oil sands shows that the heavy oil (grain adsorbed and/or inclusion oils) charged reservoir before the light oil (pore free oils) and the oil sources were both from the Lower Permian Fengcheng Formation in the Mahu sag. Representative bio-marker evidence includes Pr/Ph < 1, gammacerane/C30 hopance=0.43~0.82 and tricyclic terpanes C20 < C21 < C23. Inorganic geochemi-cal studies support this two-stage oil charging events. The MnO and FeO values of diagenetic calcites are 1%~1.5% and >1.5%, respectively. Before the Cretaceous, the Fengcheng-sourced mature oil charged to the overlap-erosion zones of the study area and was biodegraded, and formed oil sand. Since the Cretaceous, the Fengcheng-sourced highly-mature and light oil has migrated from the Mahu sag to the overlap-erosion zones of the study area along transverse faults. As a result, the light oil accumulated mostly in the cross points of reverse and transverse faults. Accordingly, the zones along transverse faults are potential for light-oil exploration. The exploration in overlap-erosion zones of petroliferous basins might not be merely confined to heavy oil and oil sand. Light oil and gas could accumulate if favorable reservoir forming conditions exist.
Key words: overlap-erosion zone    oil sand    light oil    transverse fault    Mahu sag    

含油气盆地山前冲断带地区油气资源丰富,油气聚集通常呈现复式聚集的特征,是油气勘探的重要领域,长期以来是勘探和研究的热点[1-4]。其中,超剥带指位于山前,以地层多次剥蚀和超覆为特点的区带,保存条件较差,主体以产重质油-油砂为主[5-6]。位于中国西北地区的大型典型含油气叠合盆地——准噶尔盆地也不例外,其西北缘超剥带近年来发现了中国最大的油砂矿——风城油砂矿[7]。根据准噶尔盆地地质背景,通常认为其油源来自超剥带下倾玛湖凹陷内的下二叠统风城组,印支运动时风城组生源油在三叠系以下地层中聚集成藏,后在燕山运动时白垩系后调整成藏,并遭受破坏,形成稠油-沥青砂[8-10]

然而,邻近克拉玛依黑油山地区常年有地下油苗喷出,表明喜马拉雅期仍有原油在运移/调整,结合玛湖凹陷内发现的大量高熟轻质油气[11-12],超剥带中可能存在轻质油气。明确这一特点,对完善区域油气成藏模式、指导勘探具有重要意义,而且对国内外相同领域的勘探也有启示意义,即若存在有利的成藏条件,超剥带有可能形成轻质油气的聚集。

鉴于此,本文以准噶尔盆地西北缘超剥带的油砂样品为研究对象,通过岩石学-有机地球化学与无机地球化学相结合的研究手段,分析轻质油是否存在,建立运聚模式,并讨论其勘探意义。

1 地质背景

准噶尔盆地位于古哈萨克斯坦(东欧)古板块、西伯利亚和塔里木板块交汇部位[13-17]图 1-a),是发育于准噶尔地体之上的一个晚古生代—中新生代大型多旋回叠合盆地[18-23]。盆地西北缘介于准噶尔地体与西准噶尔造山带之间,其北西边界为北东向的控盆断裂——达尔布特断裂,南东边界为准噶尔盆地西北斜坡区(图 1-b),本区为准噶尔盆地当前油气发现最富集的区带[24-26]

图 1 准噶尔盆地西北缘地质构造及油砂分布 Fig.1 Geological structures and distribution of oil sands in the northwestern Junggar Basin (据参考文献修改)

本次研究的西北缘超剥带指受达尔布特控盆断裂构造影响,在扎伊尔山-哈拉阿拉特山隆起区,地层遭受强烈抬升剥蚀的区带,其北侧石炭系基底出露地表,南侧的侏罗系和白垩系向北依次超覆尖灭于石炭系基岩之上,形成山前超覆剥蚀带,是盆地西北缘油砂的主要产出区带[26-27]图 1-b)。

2 样品与方法

在盆地西北缘超剥带采集了4块油砂样品,涵盖了不同油砂聚集带和层位,以尽可能反映整个研究区的情况。4块样品分别为:红山梁沥青砂岩(HSL),产出层位为下白垩统吐谷鲁群;克拉玛依沥青砂岩(KLMY),产出层位为中三叠统克拉玛依组;大侏罗沟含油砂岩(DZLG),产出层位为侏罗系;乌尔禾沥青砂岩(WEH),产出层位为下白垩统吐谷鲁群。

对样品进行系统的显微观测、有机地球化学和无机地球化学分析测试。显微观测是对油砂样品在偏光显微镜下进行单偏光、正交偏光及荧光特征研究,用于确定岩石学特征和油气充注特征,仪器为Nikon ECLIPSE LV100N POL,光源为100W水银光束,图片处理系统为Nikon DS-Ri1数字显微图片处理系统。

有机地球化学分析主要对油砂中的可溶有机质进行生物标志物分析,包括饱和烃气相色谱(GC)和气相色谱-质谱(GC-MS)分析。GC分析所用仪器为HP6890 GC,色谱条件为:起始温度为80℃,恒温5min,后以4℃/min程序升温至290℃,然后再恒温30min;GC-MS分析所用仪器为HP6890 GC联用Quattro ⅡMS,质谱条件为:起始温度为60℃,恒温5min,后以8℃/min程序升温至120℃,又以4℃/min程序升温至290℃,然后再恒温30min。

无机地球化学分析主要对油砂样品中的碳酸盐胶结物进行无机元素测试,用于确定流体的活动特征。分析仪器为JXA-8800M(JEOL)型电子探针,测试条件为:加速电压15kV, 束流10nA,束斑直径最低可至1μm。分析包括电子探针点分析和线分析,其中点分析是对碳酸盐矿物进行单点分析,而线分析是利用电子探针扫描测试技术,在环带状方解石样品上确定一条显微测线,再利用电子探针沿剖面进行连续的点测试分析,形成测线。

3 轻质油特征与来源 3.1 岩相学

从准噶尔盆地西北缘超剥带油砂的野外产状看,尽管发现了有轻质油特征的含油砂岩(图Ⅰ-a),但主体仍为油质较重的沥青砂岩(图版Ⅰ-b)。这种含油砂岩和沥青砂岩的分布有差异,其中,大侏罗沟(侏罗系,DZLG)的样品以含油砂岩为主,而克拉玛依(三叠系,KLMY)、红山梁(白垩系,HSL)和乌尔禾(白垩系,WEH)的样品以沥青砂岩为主。这一特征反映轻质油的分布受构造位置和/或层位控制。具体而言,构造上分布于纵横断裂交会处,层位上局限于侏罗系。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.含油砂岩(DZLG);b.沥青砂岩(WEH);c.黄绿色荧光的高熟轻质油(DZLG);d.黄绿色荧光的高熟轻质油与黄褐色荧光的降解油(WEH);e.半风化环带状方解石胶结物(DZLG)(黄线为图 4中的测试线);f.风化环带状方解石胶结物(WEH)

对油砂进行了荧光镜下的显微观察,以确定是否存在轻质油。结果发现,有2种不同荧光的有机质共存,与野外观察到的2类产状油砂对应。这2种油砂的荧光分别为黄绿色和黄褐色,具体而言,含油砂岩中的有机质显示黄绿色荧光大面积分布的特征,表现出高熟轻质油的特征,黄褐色的重质油较少,仅在颗粒边缘有少许分布(图版Ⅰ-c);在沥青砂岩中,虽然也发现了黄绿色荧光的高熟轻质油和黄褐色荧光的重质油,但后者分布面积明显较大,与含油砂岩不同(图版Ⅰ-d[28-29]

此外,在对油砂的显微矿物学观察中,还发现了具有环带结构的方解石胶结物,说明油砂的形成和油气的充注受断裂控制[30-31]。方解石无机矿物的生长环带与烃类浸染环带交替发育,反映了断裂对油气聚集的控制[30-32]图版Ⅰ-ef)。在含油砂岩样品中,可以见到油质沥青和固体沥青的条带(图版Ⅰ-e),而在沥青砂岩样品中,烃类几乎只剩下轮廓,均被降解成沥青,含油条带很少(图版Ⅰ-f),与显微镜下观测到的原油分布特征一致。

总之,研究区油砂的产状受自身演化与构造活动的双重影响,导致其在超剥带的分布与产出具有显著的差异。而油砂的岩相学分析表明,其中除存在众所周知的降解重质原油外,也存在未经降解的轻质原油。同时,油砂的岩相学分析揭示,断裂控制下的幕式充注是油砂中油气充注的重要方式。

3.2 有机(生物标志物)地球化学

油砂中的烃类多种多样(图版Ⅰ),因此为全面查明烃类的复杂赋存状态和充注特征,对不同赋存状态的烃类进行了储层连续抽提分析,包括孔隙游离烃、颗粒吸附烃/包裹体烃,前者代表现今的油气组分,后者代表古油气组分,两者的地球化学差异反映了油气充注过程中的油源/成熟度变化,是揭示油气运移过程的一个重要手段[33-35]。结果发现,在所有样品中均检出了丰富的生物标志物,孔隙游离烃和颗粒吸附烃/包裹体烃出现了差异(表 1表 2图 2)。

表 1 油砂连续抽提物饱和烃气相色谱数据 Table 1 Gas chromatography data of saturated hydrocarbons in sequential extraction of oil sands
表 2 油砂连续抽提物萜烷和甾烷类分析数据 Table 2 Terpane and sterane parameters of sequential extraction of oil sands
图 2 油砂连续抽提物的生物标志物色谱图(代号含义见正文) Fig.2 Biomarker chromatograms of sequential extraction of oil sands a—含油砂岩游离烃气相色谱图(DZLG);b—含油砂岩包裹体烃气相色谱图(DZLG);c—沥青砂岩游离烃气相色谱图(WEH);d—沥青砂岩包裹体烃气相色谱图(WEH);e—含油砂岩游离烃m/z191质量色谱图(DZLG);f—含油砂岩包裹体烃m/z191质量色谱图(DZLG);g—沥青砂岩游离烃m/z191质量色谱图(WEH);h—沥青砂岩包裹体烃m/z191质量色谱图(WEH)
3.2.1 正构烷烃

(1)含油砂岩

含油砂岩DZLG样品的孔隙游离烃正构烷烃碳数从C15到C36分布完整,主峰碳明显,为C18,有微弱的生物降解特征,见UCM(不能分辨的复杂化合物);有微弱的奇偶优势,OEP为1.33,CPI为1.20,∑C21-/∑C22+为0.53,主体表现为一期高成熟轻质油的特征,有少许早期被降解重质油的痕迹(UCM)(表 1图 2-a)。

颗粒吸附烃/包裹体烃的正构烷烃碳数分布从C15到C35也较完整,主峰碳明显,为C20;有微弱的奇偶优势,OEP 为0.97,CPI为1.43,∑C21-/∑C22 +为0.70;其主峰表现为前峰型,为成熟轻质油的特征(图 2-b)。对比图 2-a表 1,游离烃和包裹体烃的特征相似,说明样品中存在连续的轻质油充注,降解重质油的现象不明显,这与显微镜下观测的结果一致(图版Ⅰ-ce)。

(2)沥青砂岩

沥青砂岩的特点与含油砂岩明显不同。首先是孔隙游离烃。这类样品(HSL、KLMY、WEH)的正构烷烃出现了明显的“UCM”峰,表明发生过降解;但其碳数分布又非常完整,分别为C15~C37、C14~C41和C15~C36,主峰碳数分别为C29、C18和C18;仍然具有微弱的奇偶优势,OEP为0.81~1.34,CPI为1.14~1.20,∑C21-/∑C22 +为0.27~0.35。这种特点表现出2种油气混合的特征,即早期原油遭受降解,正构烷烃消失,形成重质油,后期未经降解的高熟轻质油注入油砂层,导致正构烷烃出峰完整,且呈双峰分布(图 2-c)。这与前述油砂样品中观测到的2种荧光色有机质相对应(图版Ⅰ-df)。

其次是颗粒吸附烃/包裹体烃,其正构烷烃碳数分布完整,分别为C15~C35、C14~C35和C16~C35,主峰碳明显,分别为C29、C25和C29;有微弱的奇偶优势,OEP为1.09~1.20,CPI为1.09~1.21,∑C21-/∑C22+为0.24~0.61;其主峰表现为后峰型,具有成熟重质油的特征(图 2-d)。对比图 2-c表 1,游离烃和包裹体烃的特征出现差异,说明样品早期是成熟油的充注(后峰),充注过程中伴随着降解,造成游离烃的UCM比包裹体烃的UCM更明显,后期是轻质油的充注(前峰)。

3.2.2 类异戊二烯烷烃

从油砂的饱和烃色谱数据(表 1)看,无论是含油砂岩还是沥青砂岩,无论是游离烃还是包裹体烃,其Pr/Ph、Pr/nC17和Ph/nC18均小于1。由此表明,油砂中原油均已达到成熟阶段且有机质的沉积环境为还原环境[36-40],对应研究区的下二叠统风城组烃源。

3.2.3 萜类化合物

无论是含油砂岩还是沥青砂岩,无论是游离烃还是包裹体烃,其三环萜烷含量均低于五环三萜烷,C20、C21、C23三环萜烷呈上升型分布(表 2图 2-e~h);Ts含量很低(Ts/Tm=0.02~0.07),伽马腊烷含量丰富(伽马腊烷/C30藿烷=0.43~0.82)。这些特点均说明,油砂中无论是游离烃,还是包裹体烃,其油源均来自下二叠统风城组,烃源岩的沉积环境为高盐度的还原环境[41-43]。唯一的区别在于沥青砂岩的游离烃,其三环萜烷相对丰度低于包裹体烃,而降藿烷系列明显,伽马腊烷丰度高,反映原油充注过程中伴随着降解,孔隙游离烃的降解程度要超过包裹体烃(图 2-gh)。

3.2.4 甾类化合物

甾类化合物的分析发现(表 2),含油砂岩和沥青砂岩的游离烃和包裹体烃甾烷构成特征相似,均以含有丰富的规则甾烷,C29甾烷、C28甾烷含量高,C27甾烷含量较低为特征,是二叠系风城组源岩的特征[42-43]。成熟度指标C29甾烷20S/(20S+20R) 与C29甾烷/ αββ(ααα + αββ)显示原油的成熟度均已达到成熟阶段,且游离烃的成熟度高于包裹体烃,反映了原油的持续充注特征。

综上可见,含油砂岩与沥青砂岩中的油源均为下二叠统风城组,但两者在降解程度上存在差异,前者降解程度弱于后者,与野外及显微镜下的观测结果一致。孔隙游离烃与颗粒吸附烃/包裹体烃的差异揭示,至少有2期原油充注,早期原油被降解成重质油,晚期轻质油对降解原油进行叠加。游离烃的成熟度总体高于包裹体烃,反映了原油的持续充注。

3.3 无机地球化学

取典型含油砂岩DZLG样品,对发现的含油和不含油的方解石胶结物分别进行了化学成分电子探针点分析,结果如图 3所示,发现了2种不同性质的成岩流体,一种FeO、MnO含量大于1%(含油胶结物),另一种FeO、MnO含量小于1%(不含油胶结物)。前人研究发现,含油的环带状方解石胶结物为油气幕式充注所致,高含量的FeO、MnO(大于1%)常与深部富含MnO的火山物质有关[44]。二叠系风城组含有丰富的火山物质成分,是最可能的油源[30-31]。由此可见,含油条带为风城组的来源,这与前述的有机地球化学的认识一致。进一步分析发现,在FeO和MnO含量超过1%的含油区,大致以1.5%为界,可以分出2种不同性质的原油,分别对应岩相学和有机地球化学研究中识别出的2期原油,早期成熟原油Mn、Fe含量较低(1%~1.5%),晚期高熟原油Mn、Fe含量较高(大于1.5%)。

图 3 油砂样品DZLG的方解石胶结物FeO、MnO含量分布 Fig.3 Content distribution of FeO and MnO in calcite cement in oil sand sample DZLG

对具有环带状结构的方解石成岩矿物(图版Ⅰ-e)进行电子探针化学成分线分析,进一步查明这种含油气流体的充注特征(图 4)。印证存在了2种不同性质流体,即含油环带的FeO、MnO含量高,多大于1%,而未被烃类浸染的方解石环带FeO、MnO含量低,多小于1%,反映了含油流体与FeO、MnO含量的关系密切。同时,在图 4中发现,2个端元含油条带处均有高含量和低含量的FeO、MnO并存,反映至少存在2期含油气流体的充注,与上述研究结果一致。

图 4 油砂样品DZLG的方解石胶结物电子探针线分析 Fig.4 Electron microprobe analyses of calcite cement in oil sand sample DZLG
4 轻质油成藏模式与意义 4.1 轻质油成藏模式

根据以上分析,研究区油砂中的轻质油来源为下二叠统风城组,存在2期充注。前人研究表明,风城组烃源岩的主要生排烃有2期,分别是印支晚期—燕山早期(T3—J1)和燕山晚期(K2[42-43]。由此可见,超剥带三叠系油砂中的降解油可能是印支晚期—燕山早期风城组所生原油的原生充注,在充注过程中伴随着降解,而侏罗系—白垩系油砂中的降解油可能是下伏油藏的调整,调整过程也伴随着降解。本次工作发现的未降解轻质油,有可能为白垩纪以后风城组形成的高熟轻质原油受新构造运动影响运移而来。

根据目前含油砂岩的分布,这些轻质原油的运移通道与构造位置的关系较大,主体分布在纵横断裂交叉处,如本次分析的大侏罗沟横断裂的油砂样品DZLG。据此推断,轻质油在纵横断裂交会位置充注尤为强烈,说明横向走滑断裂在油气侧向运移中可能起主导作用;逆断裂在油气的运移中作用显著,主要是垂向上的运移调整;不整合对局部的侧向运移具有调整作用。由此可见,断裂起到了关键作用。实际上,显微镜下环带状成岩胶结物的发现是该解释的重要佐证[30-31]图版Ⅰ-e)。

综合上述,建立了研究区轻质油的成藏模式(图 5)。来自于玛湖凹陷二叠系风城组烃源岩的高熟轻质油气,在白垩纪后沿横向走滑断裂进行远源运移,至纵横断裂交会处后,逆断裂对油气进行垂向运移,而不整合在局部上实现侧向运移调整,断裂控制下的油气幕式充注特征明显(图版Ⅰ-e)。

图 5 准噶尔盆地西北缘超剥带轻质油成藏模式 Fig.5 Accumulation model of light oil in the overlap-erosion zones of the northwestern Junggar Basin C—石炭系;P—二叠系;T—三叠系;J—侏罗系;K—白垩系
4.2 轻质油发现的意义

通过以上分析,确认了准噶尔盆地西北缘超剥带存在轻质油,澄清了不确定性,丰富了对超剥带烃类资源相态的认识。这一发现至少存在以下四方面的意义。

(1)超剥带与断褶带轻质油的勘探潜力需要重新评估。超剥带发现了轻质油,距烃源灶更近的断褶带应该也存在轻质油,而不仅局限在斜坡区[11-12],故轻质油的分布可能是广泛的。

(2)横向走滑断裂的控藏作用值得重视。准噶尔盆地西北缘北西向走滑断裂发育[45-47],在横向上切穿超剥带、断褶带及斜坡区,连通生烃凹陷,在油气侧向远源运移中具有重要作用。控藏作用不可忽视,特别是按本次工作建立的成藏模式(图 5),整个横向断裂沿线都是轻质油的有利成藏领域。

(3)喜马拉雅期风城组烃源岩的生烃潜力需要重新认识。在整个山前超剥带上均有喜马拉雅期形成的轻质油充注,说明其具有较强的充注强度,可能不是传统认为的晚期高、成熟阶段生烃强度低。

(4)从整个勘探领域看,含油气盆地超剥带的烃类资源类型可能不仅局限于重质油-油砂,若存在有利的成藏条件,如本次展示的准噶尔盆地西北缘,有可能形成轻质油气的聚集。

5 结论

(1)准噶尔盆地西北缘山前超剥带油砂中发现了轻质油,油源为二叠系风城组烃源岩,为白垩纪后所生的晚期相对高成熟原油。

(2)油砂中轻质油与重质油共生,反映了原油的2期充注特征,早期风城组生源油在白垩纪前充注过程中遭受降解,形成重质油-油砂;白垩纪后,风城组烃源岩形成的高熟油充注,一直延续至今。

(3)轻质油的运移充注受断裂控制特征明显,沿横断裂直接运移至超剥带,因此在纵横断裂交叉处最富集,故横断裂沿线是这类轻质油勘探的有利领域。超剥带的勘探可能不仅局限于重质油-油砂,若存在有利的成藏条件,有可能形成轻质油的聚集。

致谢: 野外工作得到中石油新疆油田公司实验检测研究院师天明高级工程师与西南石油大学胡广老师的帮助与指导,审稿专家和成都地质调查中心付修根老师对文章提出宝贵的修改意见,在此一并致谢。

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