中國海相烴源巖研究進展及面臨的挑戰

摘 要

摘要：中國海相烴源巖研究成果豐富，在形成環境、生排烴機制、評價技術和勘探指導等方面都取得了顯著進展，上述成果不僅發展了中國海相油氣勘探理論和技術方法，也提出了更多的挑戰
摘要：中國海相烴源巖研究成果豐富，在形成環境、生排烴機制、評價技術和勘探指導等方面都取得了顯著進展，上述成果不僅發展了中國海相油氣勘探理論和技術方法，也提出了更多的挑戰。為利于今后深入研究和有效評價海相烴源巖，從中國海相烴源巖的形成環境、生排烴機制、綜合識別和動態評價技術、勘探理論等方面著重討論了近10a來的主要研究進展，包括多元生烴和分散可溶有機質等相關概念的提出、地球化學綜合判識和地球生物學評價體系等新方法及其地質應用、海相有機質富集的動力學模式和不同類型烴源的多元生烴動態演化模式的建立等，并探討了傳統生烴理論面臨的挑戰、疊合盆地油氣勘探對成烴成藏理論的更高要求及能夠解決相關問題的基本思路或技術方法。
關鍵詞：中國；海相；優質烴源巖；形成機制；多元生烴；生物演化；地球化學；動態分析；勘探理論
    21世紀以來，中國海相烴源巖研究在形成環境、生排烴機制、評價技術和勘探指導等方面取得了顯著進展，提出了多元生烴、分散可溶有機質等新概念，建立了主要含油氣盆地海相烴源巖的形成模式及主控因素、地球化學綜合判識、地球生物學評價體系及測井識別、不同類型烴源的動態生排烴演化模式等，認識到優質烴源巖(TOC≥2.0%)對油氣成藏的重要貢獻、對疊合盆地油氣分布的控制作用及對勘探指導意義更具內涵。這些成果不僅發展了海相油氣勘探理論和技術方法，也提出了更多的挑戰。為此，筆者對近10a來國內海相烴源巖的研究進展及面臨的問題進行著重討論，旨在對海相烴源巖更深入研究和有效評價起到借鑒作用。海相烴源巖研究進展
1.1 優質烴源巖的形成機制研究
    近10a來，烴源巖形成機制研究成果顯著，發育環境、控制因素、成烴生物和判識指標等均有新進展：①海相碳酸鹽巖發育環境和構造演化對優質烴源巖的控制作用、形成條件及發育模式[1～4]；②宏觀底棲藻類對生烴母質的重要作用[5]；③新的分子地化指標在烴源巖沉積環境研究中的應用[6]；④恢復烴源巖發育環境的若干無機地化指標[2、7]等，使對烴源巖評價從靜態描述、單一有機地化判識逐漸向主控因素與形成模式、有機與無機、正演與反演、地質與生態學等多項指標、不同學科的多層次綜合判識和動態分析發展，初步揭示了塔里木、南方中古生界優質烴源巖的形成機理和時空分布。可見，優質烴源巖的形成和分布并不是單一的以缺氧環境為主的保存模式或者以高生物產率為主的生產力模式嘲，而是不同層次、不同時期的地質環境和生物演化協同控制的結果。
1.1.1有機質富集動力學的探索性研究
    優質烴源巖是量豐質優的特殊沉積物(巖)，有機質富集程度取決于有機質輸入量和保存因子，前者又受控于初級生產力。初級生產力是控制太平洋沉積物有機質含量的所有因素中的首要因素[9]。而原始產率與沉積物中有機質富集程度之間并不總是存在穩定的對應關系，因為沉積物中有機碳含量是初級生產力和沉積速率的函數，20～80m/Ma的沉積速率最有利于有機質大量富集[2、4]。全新世不同沉積環境的有機碳堆積率與初級生產力和保存因子之間存在一個定量關系，但海洋沉積物中有機碳的保存因子變化大(0.001%～10%)，與沉積環境密切相關，如缺氧條件下保存因子超過2%[10]。可見，“什么樣的地質環境和生態特征才是形成優質烴源巖的控制因素呢？”，這是個關鍵問題。為此，筆者將以“生物與環境之間的相互關系”為核心的生態學理念引入到烴源巖研究中，提出海相有機質富集的動力學模式(圖1)，認為優質烴源巖形成的實質是在自然界有機碳循環過程中有機碳儲存于沉積物的速率(埋藏速率)，即單位時間單位面積內有機物質的埋藏量，是一個動力學問題，嘗試運用下面動力學總方程式和示意圖概念性表示出有機碳埋藏速率與生物、環境之間復雜關系：
 

    顯然，要揭示優質烴源巖的形成機理，需要解決2個基本問題：有機碳埋藏速率和各種因素對其影響(即保存因子)。有機質積聚和保存過程中，可能存在一臨界速率。使得系統發生物質和能量轉換并形成富有機質沉積物，這個過程發生在較低的溫度和壓力條件下，主要受控于生物演化(如時空上初級生產力的異常增減)，以及環境轉化作用(如區域上盆地性質轉化、古地理變遷和氣候變化等，點上為沉積速率、氧化還原狀態的轉變等)。
1.1.2地質環境對優質烴源巖形成的綜合控制作用
    長期以來，烴源巖形成機理研究一直存在“保存條件”與“生產力”間的爭論[8～9]，前者強調缺氧環境對有機質保存的重要性，后者則認為有機質富集的關鍵是高生產力。實質上，生產力和缺氧條件共同控制烴源巖形成[1～4]。目前，國內外海相烴源巖形成機制研究已由單一盆地內古環境恢復向宏觀和微觀2種尺度發展。宏觀上，以志留紀烴源巖為例，該套烴源巖主要發育在華南和北非、阿拉伯早志留世盆地，華南志留紀烴源巖發育受板塊運動、板內活動、3大古隆起、4個轉換期、沉積-生物相等5個因素的控制[3]，北非、阿拉伯盆地志留紀烴源巖形成則主要與全球氣候變化引起的海平面升降有關[11]。而微觀上主要表現為薄層級沉積組分分析及有機質富集機理探討，查明沉積物中有機質賦存形式明顯具有多樣性，有機質與黏土礦物結合并不完全是簡單的表面吸附或者靠氫鍵、靜電作用等鍵合方式相互結合，而是部分有機質進入黏土礦物層間，形成了更為穩定的有機質黏土復合體[12]。
    形成機制的眾說紛紜顯示出海相優質烴源巖發育的多樣性和非均質性，也反映了這些宏觀因子間的相對獨立與相互關聯。烴源巖形成決不是某一孤立環境的產物，而取決于綜合環境因子，應從全球性構造運動、古氣候變化到區域性構造單元、古地理、古洋流，最后落實到盆地內具體的環境參數來考慮，是不同時空尺度的各種環境因子間相互依賴和相互制約的耦合關系的具體體現。因此，如何解析這種耦合關系是烴源巖形成機理研究的關鍵。
1.1.3生物演化對優質烴源巖形成的控制作用
    生物作為有機質來源。其組成、數量直接控制了烴源巖發育程度。沉積巖中有機質含量的多少與許多因素有關，但生物產率還是首要因素。在傳統烴源巖研究中，主要關注正常條件下生物產量變化，而很少涉及重大生物演化事件所造成的生產力和埋藏量的突變。近年來，經古生物學研究，在華南識別出古生代3大生物滅絕和3次大型輻射事件[13]。從生態學角度可以預測寒武紀早期生物爆發和晚奧陶世生物絕滅事件中初級生產者——浮游植物的發生和滅絕必將導致各級消費者和分解者的滅絕和復蘇，進而影響有機質產率及其組成。據此思路，生物演化事件與優質烴源巖發育之間必然存在一種內在聯系，體現在相應層位的地球化學和生物地層學特征上。
    生物的多樣性及生物體內有機組成不同決定了沉積有機質組成的差異性，這是影響烴源巖質量的一個重要因素。其核心問題是成烴生物，包括藻類、細菌和高等植物等。古生代浮游藻類是廣泛存在的[14]，甚至發生了一系列輻射事件[13]，是公認的主要成烴生物，如奧陶系烴源巖的重要生烴母質-粘球形藻[15]。微體浮游生物的演化史表明[13～14]：全球性烴源巖發育時代往往與浮游藻類繁盛時期相對應，從寒武紀到志留紀疑源類十分繁盛。如早寒武世是以海洋微體浮游生物為主的初級產率，相應的在中亞和我國廣泛發育下寒武統烴源巖；至早志留世時初級生產力組成具多樣化，除浮游生物外，還有隱孢子及其他菌藻類，這一時期國內外同樣發育優質烴源巖，如北非、中東和中國南方下志留統烴源巖；從侏羅紀-新近紀是溝鞭藻、硅藻和顆石藻繁盛時代，也是全球性優質烴源巖發育時期，如中東和西西伯利亞盆地侏羅系烴源巖。這些說明海洋浮游生物演化對烴源巖發育程度及其時空分布具重要控制作用。其中，溝鞭藻是現代海洋浮游生物的重要成員之一，它的數量僅次于硅藻。確鑿的溝鞭藻化石記錄始于晚三疊世，但前寒武紀至泥盆紀富有機質的沉積巖中具豐富的甲藻甾類烴，與溝鞭藻有親緣關系[16]。筆者在普光氣田普光5井的上二疊統吳家坪組烴源巖(PC5-280-2)抽提物中也檢測出甲藻甾烷和4a-甲基-24乙基膽甾烷，記錄了溝鞭藻類的起源、演化及其對成烴貢獻。正因為在晚二疊世，川東北發育了富含這些菌藻類的一套海相優質烴源巖，為普光氣田提供了主要來源，與川南龍潭煤系烴源巖形成了鮮明對照[17]。底棲藻類如紅藻、褐藻等近年來也備受關注，這些宏觀藻類被認為一類重要成烴母質，其輸入是前泥盆紀干酪根類型偏腐殖型的主要原因[5]。細菌對生烴的貢獻也是公認的，但細菌作為生態系統中重要的分解者對沉積有機質也起改造作用，在成巖早期隨著埋藏深度和環境變化，微生物生態系統亦發生演替并形成喜氧細菌帶、硫酸鹽還原菌帶和甲烷菌帶等生物化學環境，每一環境都以一種占優勢的代謝作用為特征，不僅控制生物氣生成[18]，而且分解沉積有機質而影響烴源巖質量[19]。
    生物既受制于地質環境，又能改變地質環境。在生物演化過程中，雖然每次大滅絕和輻射事件的原因和過程不盡相同[13]，但生物與環境之間的相互制約和相互依存的因果關系的存在卻是公認的。生物演化事件通常與地質事件相伴發生，如奧陶紀末生物滅絕與海平面上升、氧化還原環境變化和上升流密切相關[11、13]，將生物圈與地球其他圈層相互影響、相互反饋的這種關系，從理論上高度概括為“生物地質學”[20]。海相優質烴源巖與重大生物演化和地質事件在時空分布及成因上存在辯證關系，對這一關系的解析，可能為優質烴源巖形成機理研究和時空分布預測提供一個重要途徑。
1.2 分散可溶有機質烴源的提出和多元生烴轉化理論
    中國海相層系在多期構造背景下普遍存在多種形式烴源共存且相互轉化、連續或疊置生烴過程及成藏貢獻的接替，呈現出“多源復合、多階連續”[18]的油氣形成演化特點，構成了中國特色的海相多元生烴機制，將其可歸納為來源的多樣性、轉化的接替性、過程的多期性和成因的復合性(圖2)。塔里木、四川盆地都發育多套海相烴源巖形成了現今大中型油氣田的主要來源。這些烴源(巖)層中，除不同類型的干酪根外，還有古油藏和源巖內外的分散可溶有機質等再生烴源，甚至可能存在有機酸鹽的貢獻，體現出烴源類型的多樣性。接替性和多期性則表現為2個方面：①烴源巖演化初期干酪根是生烴主體，由不溶有機質向油氣轉化，隨熱演化加強，不同形式賦存的液態烴成為主要輕烴來源，由重烴向輕烴，液態烴向氣態烴轉化，至過成熟均趨于甲烷化和石墨化；②多期構造作用下同一套烴源層還可發生多期次的生排烴過程，尤其二次生排烴是廣泛存在的一種生烴機制。針對這些復雜的生排烴演化特點，提出了有機質“接力成氣”機理，指成氣過程中生氣母質的轉換和生氣時機與貢獻的接替[21]；明確了分散可溶有機質是疊合盆地重要的一類氣源灶，通過生烴模擬實驗確定了分散可溶有機質作為氣源的生烴潛力和評價標準[22]。顯然，多元生烴轉化過程和可溶有機質晚期成氣特點將烴源巖的生氣過程延續到更高的演化階段，有利于高熱演化烴源巖區油氣勘探，對拓展勘探領域有重要意義。成因的復合性，一方面體現在生烴機制的多樣性，如深層氣藏有干酪根熱降解、不同賦存狀態的可溶有機質熱裂解等多種成因，還可能存在有機-無機相互作用下的復合成因，特別是外源氫的加入和硫酸鹽熱還原反應(TSR)等都具有重要影響。研究表明，普光氣田的天然氣主要來自原油裂解，也有干酪根裂解和TSR生成天然氣的貢獻，與其鄰近的清溪氣藏則主要來自干酪根高溫裂解氣。另一方面體現在多元生烴影響因素的復雜性，認為多元生烴機制的主控因素并不限于經典油氣生成理論中強調的溫度 時間因素，而受溫度、壓力、流體和空間等多項因素的綜合控制，為揭示高熱演化條件下油氣生成和聚集的動力學機制提供了重要依據。

1.3 海相烴源巖的綜合識別和動態評價技術
    針對我國海相層系高演化多套烴源的客觀地質條件，多項指標的綜合應用和動態分析是解決多元生烴轉化和多期成藏過程示蹤分析的重要途徑。
1.3.1綜合識別
    近年國內學者從不同學科，采用多種技術手段開展了海相烴源巖的綜合研究，例如，基于“地質環境與生物演化協同控制烴源巖形成”的觀點，建立了采用有機與無機的綜合參數結合地質實際來重塑烴源巖形成環境，進而預測烴源巖品質及分布的地球化學綜合評價方法[2]；充分發揮地球生物學的特色，建立了優質烴源巖的地球生物學評價體系[23]，其核心是地球生物相的半定量評估方案，推薦出地球生物相的二維命名法。包括生境型、生物組成和生產力、古氧相以及埋藏效率等確定一個地球生物相的主要參數；烴源巖的測井識別一直是備受關注的技術，隨著測井技術的迅速發展，識別烴源巖層段和有機質豐度的研究已有突破性的進展。也認識到對有機質類型及成熟度預測中可能發揮其獨特的作用。這些方法的提出，從形成機理和正演角度評價深埋烴源巖提供了一個新的理論思維，拓展了烴源巖的評價技術方法，是傳統的有機地球化學評價的重要補充。
1.3.2動態分析
   對于烴源巖的動態評價而言，有機質豐度下限值、熱演化史及生烴產率都是關鍵參數。碳酸鹽烴源巖有機碳含量下限值，經過前幾年的熱烈討論認識上趨于統一，認識到工業性烴源巖不必很厚，但總有機碳含量(TOC)應大于等于0.4%～0.5%[24]。近年來，基于大量的生排烴實驗研究，建立了海相烴源巖及再生烴源的多元生烴動態演化模式[25]，發現不同類型古油藏及分散可溶有機質的再生烴氣能力有差異，其與巖性、賦存形式、物性及演化程度等密切相關，并證實了可溶有機質再生烴過程是干酪根生烴的延續，當其達到高過成熟時，是輕烴的主要來源。
   有機質熱史能否有效恢復關系到烴源(巖)的成烴成藏過程及潛力分析的有效性，是動態分析的關鍵環節，但各種古溫標的地質應用一直存在缺陷。如何將記錄不同溫度的古溫標有效組合，綜合反演復雜的溫度史，是日前復原盆地熱史一個可行途徑，如選出鏡質體/瀝青反射率、伊利石結晶度、包裹體均一溫度和(U-Th)/He年齡等古溫標，以及H/C原子比、生烴活化能等輔助指標，建立了烴源巖熱史恢復指標體系，開展了川東北地區熱史恢復、剝蝕量計算和普光氣田成藏過程分析，取得了良好效果[26]。
1.4 海相烴源巖的勘探理論
   一個國家油氣工業的儲量主要取決于探明的大中型油氣田的多少，而優質烴源巖的存在與否則是一個盆地能否形成大中型油氣田的物質基礎。早在20世紀50—60年代，我國學者就提出了“陸相生油”理論、“源控論”和“選凹定帶”的勘探方法，發現了大慶、勝利等一批大中型油田，證實了陸相地層能夠形成大油田。步入21世紀以來，海相油氣勘探也取得重大突破，塔河油田、靖邊氣田和普光氣田等相繼發現都證實了該領域的巨大潛力。毋庸置疑，這些油氣田的形成密切受優質烴源巖的發育及分布控制。在塔里木，寒武系 奧陶系的優質烴源巖是塔河、塔中等大中型油氣田的主要來源[24，27～28]。下寒武統、下志留統和二疊系的優質烴源巖為四川盆地眾多天然氣田的形成提供了雄厚的物質基礎[3，29]。
    國外富油氣的區域分布同樣受制于優質烴源巖的時空展布。在伏爾加-烏拉爾油區，羅馬什金、阿爾蘭等大油田都產在TOC≥2.0%的上泥盆統烴源巖范圍內，西西伯利亞盆地巨大石油儲量的80%來自侏羅系的Bazhenov組烴源巖(TOC為7%～11%，厚度介于20～25m)[30]；下志留統底部富有機質“熱”頁巖(TOC達17%，厚度小于等于25m)是北非古生界烴類的80%～90%的來源[11]。顯然，富油氣區的大油氣田主要來自幾米至數十米厚的異常富有機質優質烴源巖貢獻。全球中、古生界海相烴源巖構成了全球80%以上油氣儲量，其中油氣富集區主力烴源巖多以這種富有機質層段出現，厚度一般小于30m[31]。基于烴源巖的控制作用，國外學者提出了以“源”為核心的含油氣系統[32]，其在預測含油氣區帶和油氣藏分布等方面顯示出良好效果，現已成為國外一項重要的勘探方法。從強調“烴源巖的關鍵作用——決定一個地區有沒有油氣的根本前提”而言，此勘探理論較其早10a提出的“源控論”并無本質上的區別。這一切皆表明優質烴源巖研究對富含油氣盆地的重要性，優質烴源巖層及其“生烴灶”控制著大中型油氣田的形成與分布，又是各國非常規油氣的主要勘探目標。這也同樣表明，源控論或含油氣系統并不存在“海相與陸相”之分和“適與不適”之爭，關鍵是否與地質實際相符。與國內外中新生代盆地不同，我國中占生界海相層系在多期構造和高過成熟等地質背景下普遍存在烴源巖形成環境的多樣性、沉積(沉降)與生烴中心的差異性、成烴轉化的多元性和成藏改造的多期性之特點，這就要求在源控論或含油氣系統的區域勘探思路上賦予更多的內涵和特色，得以更加完善和升華，達到各成藏條件的綜合、動態分析效果，如油氣成藏體系一劃等跳出傳統含油氣系統的局限，更適合于中國海相油氣地質的特殊性，對油氣地質理論的完善和勘探指導更具現實意義。
2 海相烴源巖研究面臨的挑戰和展望
    烴源問題是海相烴源巖研究的核心問題。于酪根晚期成烴理論是常規油氣生成演化規律的核心，以此衍生的油氣潛力評價方法成為近代油氣勘探的主要指導思想和準則，也取得了重要成效。長期以來，我國海相油氣勘探中，烴源巖評價、油氣源對比及資源評價等主要集中在“巖”上，均以干酪根為主的生烴理論基礎上，致使：①發育多套烴源巖仍不能確定其有效性；②找到了大油氣田還不清楚其主要來源；③資源潛力有較大不確定性和認識上的分歧等，這給干酪根晚期生烴理論提出了挑戰。
    近年來的研究揭示南方、塔里木盆地的多元生烴轉化過程，認識到干酪根晚期成烴理論模式忽略了可溶有機質對油氣田形成的貢獻，已證實再生烴源是中國高演化海相層系油氣富集成藏的重要來源之一，無論分散型還是聚集型都可成為油氣成藏的主要來源，如普光氣田有原油裂解氣的重要貢獻是基本共識。
    對傳統理論更多的質疑主要來自國內外深層油氣田(藏)的發現，尤其是塔里木盆地塔深1井深入地底8000m左右處仍存在液態烴，傳統理論對類似深層油氣的埋藏深度和烴類相態分布無法合理解釋，包括生烴演化過程及其影響因素、生烴死亡線等關鍵問題。顯然，深層油氣的形成與分布較中淺層更加復雜，所涉及參數并不“主要是有機質的性質和溫度對時間的關系”，還受深層流體壓力、相態和空間因素的影響。目前，對深層多元生烴機制及其示蹤技術仍處于探索階段，對再生烴烴源的生排烴過程、運聚機理和天然氣富集規律等尚不清楚，跳出傳統的源巖及其干酪根研究向多元生烴轉化和動態示蹤轉變是海相烴源(巖)研究的一項重要任務，也是勘探所需的必然發展趨勢。
    有關烴源巖評價方面，同樣需要突破常規研究思路和評價方法，加強優質烴源巖形成機理和動態、綜合分析研究。海相優質烴源巖形成機理研究雖已取得一些進展，但仍處在探索階段，還存在發育層位時代不清，沉積環境不清，母質不清和控制因素層次不清等眾多科學問題。烴源巖動態分析技術中，熱史恢復技術還存在不確定性，有些古溫標如(U-Th)/He、自由基濃度和聲發射的技術開發和應用研究等剛剛起步，再生烴源的多元生烴動態演化模式尚需勘探實踐的檢驗，高過成熟和碳酸鹽巖烴源巖的測井識別技術的理論假設有待完善。
    因此，從不同的時空尺度上，從動力學背景、地質環境與生物演化的耦合關系以及有機質富集動力學分析，深入研究海相優質烴源巖的形成機理，提出發育模式，并借助于當前先進的質譜、激光和電子顯微等分子級或微區原位分析技術，深化優質烴源(巖)層中有機質類型及其賦存狀態、礦物組成和沉積微觀結構等研究，探索具有特殊生源、環境意義的生物標記物，既有助于追溯生烴母質的來源和演化，又對進一步揭示海相烴源巖質量的控制因素和形成機理可能是一個重要突破口，也對非常規油氣藏的勘探研究提供更豐富的地球化學信息。通過某一套烴源(巖)的不同地區同一時期或同一地區不同時期熱史、生烴成藏史的有效恢復及多元生烴動態演化模式的合理應用，進而按照活動論的觀點從形成機理、多元生烴轉化到多期聚集成藏進行動態、綜合評價，這對我國海相層系中預測烴源巖的有效性、資源潛力及豐富成烴成藏理論等方面將產生重要影響。
3 結束語
    綜上所述，通過“十五”、“十一五”的攻關研究和勘探實踐，中國海相烴源巖的理論研究、評價技術均取得了長足的發展，認識到地質環境和生物演化對海相優質烴源巖形成的協同控制作用，揭示了中國古生界海相碳酸鹽巖層系在多期構造背景下的多元生烴轉化及其多期成藏作用機理，發展并完善了高過成熟海相烴源巖的有效識別和動態評價技術。這些成果的取得是中國特色海相碳酸鹽巖生烴成藏理論的重要補充和勘探技術的進步。
    然而，中國烴源巖研究仍面臨著眾多挑戰：找到了大油氣田但其主力烴源巖尚不清楚、深層油氣生成及其保存機制尚無揭示、資源潛力預測仍存在不確定性等，未來的發展必需借助于國家能源需求和由油價高位波動等帶來的長期持續的油氣勘探高投入和穩定發展，把握生烴成藏的核心問題和勘探開發實際需求，切實需要將成烴與成盆、成藏作為一個含油氣系統來動態研究烴源巖問題。
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(本文作者：騰格爾 中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所)