层序地层有机地球化学研究进展及其意义
http://www.nfgt.com 加入日期：2005-7-21 9:37:38
1 层序地层有机地球化学的产生、研究方法及意义
20世纪80年代后期以来，随着石油工业的不断深入发展和需求，层序地层学已逐渐发展形成完整的理论体系，并成为油气勘探实践中一种有效应用技术。层序地层学在油气勘探中的主要作用是通过有效地建立沉积盆地等时地层格架，进行沉积体系域的沉积环境和岩相特征分析，鉴别和预测生油层、储集层和盖层的分布，目前主要应用于预测不同类型储集体的展布、性质，在生油层方面的应用相对较少，尤其在国内更为薄弱，且存在不少重要的认识问题。例如，根据经典的层序地层学理论模式，暗色页岩层是最大海（湖）泛面的沉积产物。但有研究认为，湖泊相暗色页岩层更有可能是湖泊中低水位期间的沉积记录。因为全世界湖相暗色页岩有一个共同特点，即是它们均与含盐较高和低水位沉积环境相联系，其沉积中发育有泥裂，伴有蒸发岩、白云岩、燧石、叠层石，具有碳酸盐氧同位素偏正以及有表征高盐度的生物地球化学标志。另一方面，气候变化决定了沉积底水的氧化性强度和水/沉积物的比例，因而是控制湖盆小级别沉积旋回的主要因素。气候变干旱时也减少陆源碎屑的供给和增加沉积水体底部的缺氧性，从而有利于沉积有机质的聚集和保存。可见，层序地层学在预测烃源岩分布方面还有待深入探讨。另外，预测的烃源层只有通过地球化学分析才能确认真正的烃源层，因而只有与地球化学相结合，层序地层学才能对烃源层进行有效的预测。
此外，常规的生油岩地球化学也存在不少问题。一些地球化学研究偏重于地化指标的探讨，就数据论数据，缺乏与地质背景建立有机联系，不能很好地直接用于石油勘探。在采集样品方面往往以点代面，不够系统，难以反映地质体中有机质的真正组成特征和演变趋势及其地质、地化意义。烃源层地球化学研究另一个局限性是，主要依赖于样品的实际分析资料，只能对所分析生油岩的分布和生烃潜力作出评价，没有预测性，难以指导油气勘探，这对勘探来说有一定的滞后性。烃源岩地球化学要在油气勘探实践中焕发出生命力，必须加强与其它学科的相互渗透和融合，拓展其发展的新路径。从学科特点和目前国际上的发展趋势看，烃源岩地球化学与层序地层学的结合可以提供这样一个新的平台。
从20世纪90年代初开始，国外一些学者已经关注并着手开展这些问题的研究。他们认识到，现实的勘探方法是基于与油藏形成有关的各种因素的分析，如烃源岩的丰度、质量、成熟度、储集岩的孔渗、盖层、油气运移等；而且这些因素分析必须在时空配置上进行考虑。然而，在以往实际工作中，有关这些因素的资料往往脱离地质框架。对烃源岩来说，以往对分析资料的处理常以平均值或分布范围给出，不能反映其地质空间上的分布，这样导致资料应用价值的降低。最近十余年，人们开始重视在地层格架内评价这些分析数据。这种方法可让人们了解在取样的范围内有利烃源岩的变化状况，同时还可以此预测没有取样地区有利烃源层的分布。因此，对烃源岩变化的预测很重要，它直接影响到含油气盆地的资源评价、油/岩对比、油/气比率预测等。当地球化学被置于层序地层学框架中，那么有机质类型与烃源岩质量的预测关系就显而易见。这样，由层序地层学与有机地球化学相结合的层序地层有机地球化学这门边缘学科就应运而生了，它是伴随着层序地层学的发展而发展起来的，其研究内容是在层序地层格架内，借助于地球化学的方法与技术，揭示不同体系域中烃源层分布规律及生烃潜力性质；利用地层沉积旋回与沉积过程的地球化学参数相关性，鉴别最佳烃源岩和烃源区；通过生油岩地球化学特征和有机相的分析，建立油/岩关系，准确解释地层不同部分对油源的贡献；并结合地质、测井、地震等资料，查明源岩与油气运移通道的时空关系，进而研究油气生成、运移、成藏机制，最终预测烃源层及油气富集区域，从而为油气的勘探目标评价优选提供科学的依据。因此，层序地层有机地球化学研究在我国的展开和深化，不仅将有益于促进我国陆相生油理论的进一步拓展；同时，其研究成果也将对陆相盆地的油气深入勘探具有重要的指导意义。
2 国内外研究现状
2.1 国外研究现状
国外层序地层有机地球化学关于烃源岩的研究，1991年在美国达拉斯由美国石油地质家协会举办的研讨会就此专门进行了研讨，并于1993年出版了由Katz和Pratt编著的题为“层序地层格架中的烃源岩”专刊，集中反映了这一时期的研究成果[1]。其主要内容可分为以下几方面：
2.1.1 烃源层地球化学性质变化与沉积环境的关系及其意义
Katz等选择了北美、南美和东南亚3套烃源岩系统，研究其有机质丰度、类型和成烃性质在宏观和分子级上的内部变化；指出沉积条件（水深、气候等）的不同控制了烃源层在地层剖面上的发育与分布，同时也控制了有机质组成特征及其在成熟阶段生烃的性质。他们认为在许多烃源岩系统中地球化学特征的变化之大足以影响油/岩对比结果，因而取样时应结合地层剖面变化，建议采用混合样（类同于原油生成、运移、聚集过程中发生的混合情况）。在烃源岩评价中，仅据有机质平均丰度和产烃潜力及烃源层厚度来评价生油岩的有效性显然是不够的，还需要有机质生烃指数在地层剖面上的实际分布，因这与排烃效率有关，而厚的生油层段的排烃效率往往低于薄的生油层段。同时，有机质在地层剖面上的实际分布对有效烃源层的估算也是至关重要的。
Mello等以巴西几个盆地4套不同沉积背景包括膏盐海相和膏盐湖相中发育的生油岩为例，研究了沉积环境对有机地球化学特征的影响；并结合岩石学和微体古生物资料来支持其沉积环境解释。他们认为不同膏盐沉积的有机相中各有明显的地球化学标志。高水体盐度沉积环境的特征分子标志是，低Pr/Ph、Ts/Tm，低三环萜烷、孕甾烷和重排甾烷，高伽玛蜡烷、胡罗卜烷、规则的iC25类异戊二烯烃，C35藿烷高于C34藿烷等。对于湖相与海相膏盐环境之分，主要的分子标志是甲藻甾烷和C30甾烷的存在和含量。膏盐环境的微体古生物特征是，有丰富的杂食性有限种属的生物群落出现，并常见有毫米级的含生物种群的地层，反映环境在短时间发生突变造成生物大量死亡事件。
2.1.2 海平面变化与有机质沉积、保存及有机相的关系
Wignall和Maynard提出了海进型和浅水型的两类黑色页岩的沉积模式。海进型模式与最大水泛面有关，通常是密集段，位于海进体系域沉积中，并向巨厚的浅海相带过渡，典型例子是英国北部的晚石炭世海相沉积，它展示了明显的沉积相横向变化，其最厌氧的相带位于盆地的中心部位。浅水型沉积模式与水平面上升较快的海进初期阶段有关，属基底海进黑色页岩，如英国北部的下侏罗统Jet Rock，其位于层序边界及相关整合面上，在有机相上几乎没有横向变化，逐渐过渡到久补偿的浅海或陆上沉积。在地球化学上，这两类黑色页岩存在异同点，它们的地化指标（黄铁矿化率DOP）均呈厌氧性，有机质生源中都有陆源和海相生物。不同之处是，浅水型页岩中的自生铀含量较高，可能是其邻近陆源区而含有较多的腐殖型有机质，这种有机质对铀有强的亲合性，且常有更高的有机碳丰度值；孢粉相也可以区分海进型和浅水型页岩，前者含有较高的荧光无定形有机质（代表低能、缺氧沉积环境）。
Steffen和Gorin 用有机岩石学和孢粉学的方法研究了法国东南部广海碳酸岩地层中有机相（孢粉相）的变化情况，并探讨有机相与层序中不同体系域沉积单元的关系，揭示了海平面变化与颗粒有机质分布的相关性，建立了用有机相解释层序地层的方法。他们注意到，与低位体系域有关的干酪根中富含棱角状的降解的陆源有机质，海相有机质少；而海进体系域的干酪根则以本源海生浮游生物有机质（dinocysts, foraminiferal linings）占优势，且呈向上变高的趋势；在外源有机组分中，易浮碎屑成分（惰质体）增加，陆源棱角状有机碎屑减少（变小、磨圆）。而在高位体系域样品中这些变化趋势正与海进体系域相反，其下部不含降解的陆源有机碎屑，只是在其顶部才又开始出现；而海相有机质向上减少。这种方法可应用于不同沉积环境的区分，尤其适用于有机质丰富的沉积物。
Chandra等利用微体古生物和海水深度及构造活动研究了印度Cauvery盆地富含有机质页岩的形成条件，发现海进早期或高峰期沉积物中有机质含量高，且富氢程度（氢指数）高，而海进后期形成的烃源岩中有机质含量较低，类型较差。他们用有孔虫指示缺氧环境，结合水深和有机质来源及其成岩作用，探讨了海进层序地层剖面中有机质富集与类型变化的原因。认为在海进早期，水体较浅（40～80m），没有或偶见有孔虫，基本上处于不缺氧的条件，该沉积时期之所以能形成有机质丰富的烃源层，是因为有大量的陆源有机物质输入，且没有遭受到埋藏前的氧化作用，以及在成岩早期损失很少所致。而在水体较深（>100m）缺氧条件下，由于早期成岩作用期间发生的微生物和化学过程（如硫酸还原菌作用和硫化氢、黄铁矿的形成）消耗了一部分沉积有机质，同时，由于沉积区水体深，离海岸线远而陆源有机质输入较少，导致海进层序上部地层中有机质含量及富氢程度较低。可看出，该研究结果与其他学者有所不同。
2.1.3 不同体系域中烃源岩有机质组成与生烃特征
Pasley等在研究San Juan盆地晚白垩世页岩有机相的变化时注意到，陆缘海陆架上，海进体系域中的页岩有机质含量高且热解生烃潜量大；最大海泛面沉积所含的陆源有机质最少，倾油性组分比例最高；而低位和高位体系域中有机质含量均较低，热解生烃潜量少。有机显微组分分析结果表明，海退沉积层序中所含的陆源物质要比海进体系域多，在低位体系域中可见有丰富的保存完好的植物碎屑，而海进体系域中的植物碎屑是高度降解的（无定形），这表明陆架上有机质的类型和保存与陆源沉积物的供给率和底水的含氧条件有关。因而，在层序地层学格架内，陆架沉积中有机质的类型（有机相）和含量是可预测的。每个体系域有不同的沉积特征，影响着陆源沉积物的进入，并影响沉积有机质的类型和保存。他们认为，具最高生烃潜力的烃源层发育在密集段之下的海进体域中（包括密集段，也可能直接在海进面，即海进体系域下界面），并非一定在密集段。
在海退层序剖面中从下向上陆源有机质含量逐渐增高，而有机碳丰度降低，因为沉积物的稀释作用增强。相反，海进体系域中陆源有机物向上减少，海相有机物增加，同时有机碳含量升高。
Robison和Engel研究了非洲东北部晚白垩统一套海侵烃源岩。在地层下部是高位体系域沉积，主要是细粒浅灰和褐色泥岩与薄层砂岩透镜体互层，而上部地层主要是海进体系域沉积。地层剖面上烃源岩的质量变化很大，有机碳含量和产烃潜力（根据岩石热解数据）向上增加。在有机质类型上也有明显变化趋势，上部地层相对富氢，C27/C29甾烷和甾/藿比值较高。他们从层序地层学格架中解释这种有机质丰度与生烃潜力的变化，认为三级海平面旋回是烃源层形成的重要控制因素。他们发现，高质量倾油性源岩沉积在海进体系域的密集段中，可能是其（陆源）碎屑较少和低沉积率、高有机质产率所致。而在高位体系域中一般都是贫有机质的，且以倾气的陆源有机质为主，原因是在高位体系域，随海岸线推进形成粗粒碎屑薄层砂岩，在这种高能环境中不利于富含有机质的细粒沉积物沉积，并且在沉积物中含有较多的陆源有机质。总之，这种变化可能受控于两个因素：一是有机质生源输入，二是有机质保存条件。
Meyer和Snowdon通过大洋钻探计划样品，研究了澳大利亚西北部陆缘早白垩世有机质沉积与沉降史之间的关系。他们发现，进入沉积环境的有机质丰度随盆地的沉降而逐渐减少，认为是该古沉积环境以陆源为主，陆源输入量随三角洲体系的后移而减少，而海相输入又很少所致。
Mancini等研究了北美Alabama西南部几套中生界密集段烃源层的生烃潜力，发现只有其中两套有生烃潜力，说明虽然密集段是沉积层序中最有利于烃源层发育的部分，但局部的沉积环境、保存条件也是重要因素。这说明石油地质学家可借助层序地层学作为工具来鉴别和预测含烃源岩的层系，但只有通过地球化学分析才能确定真正的烃源层。
Lambert研究了Oklahoma和Kansas一套富含有机质的泥盆系Chattanooga页岩层序格架，揭示了不同层序地层中有机质含量及其类型的变化情况。他注意到，这套页岩沉积于三级沉积层序中，在总的海进层序中发育有3个页岩段。在海进达到最大程度所沉积的中部页岩层（高水位体系域初期）中有机碳含量最高，且以海相有机质为主，有机质类型为Ⅰ和Ⅱ型，分布最广且厚度大，是该地区的主要烃源岩；其沉积时水体深、厌氧。海进体系域初始阶段形成的下部页岩层中以遭受过氧化作用的有机质为主（可能是再沉积有机质），干酪根类型为Ⅳ型。而高位体系域后期形成的上部页岩段中含有大量的陆源有机物质（有机质类型为Ⅱ和Ⅲ型），表明海平面开始下降，三角洲向沉积体系中推进。他认为，理想的推进型旋回沉积是，低位体系域含Ⅲ到Ⅳ干酪根；海进体系域有机质丰度最高，干酪根类型为Ⅱ型；高位体系域为Ⅲ到Ⅳ干酪根。而Bohacs和Isaksen发现，低位体系域为氧化环境，而在海进和高位体系域早期为缺氧至厌氧环境。
Bohacs研究了加里福尼亚中新世Monterey地层烃源岩。结果表明，烃源岩质量的变化在很大程度上受沉积和保存条件的影响，如陆源供应的变化率和沉降速率迁移。在每个层序中控制烃源岩生烃潜力的沉积环境参数都会发生系统变化，这些控制因素包括有机质生源的数量、类型、底部能量水平、含氧量和陆源物质的数量与分布等。在层序中，低位体系域中TOC含量中等，向上有所增加；在高位体系域中TOC一般较低；在海进体系域中TOC最高。不同体系域中的TOC是有机质类型及其沉积、保存条件的综合结果。在低位体系域中虽然有很强的上涌流出现高产率有机质，但同时有大量生物成因的二氧化硅稀释了沉积有机质，导致该层序中TOC只有中等；而海进体系域中沉积速率很小，因而趋向富集有机质。
上述诸研究实例表明，一方面，层序中不同体系域烃源岩有机质丰度与类型有明显差异；另一方面，相同体系域的烃源层的性质也不尽相同。这说明层序地层格架中烃源岩的优劣受多种因素影响，而这些因素在不同盆地、地区中各不相同，必须依据实际资料进行分析。
2.1.4 无机地球化学和同位素组成与海洋沉积条件的关系
Zaback和Pratt用无机和同位素地球化学手段研究了Santa Maria盆地Monterey地层与海洋沉积条件的关系。硫和锰对氧化还原过程很敏感，在盆地中还原硫和锰的含量及还原硫同位素的组成能反映古海洋和古气候的变化。他们发现，高海平面沉积物中Mn/Fe比值较高，而在水平面相对较低时沉积的地层中黄铁矿硫同位素变重。认为高Mn/Fe比值是由于在低氧带Mn被活化所致，而硫同位素的变重与沿岸上涌流大量出现期间高产率海相有机质促使硫酸盐还原作用加强有关。同时他们注意到，钛含量与有机碳丰度存在负相关关系，密集段沉积中有高Mn/Fe比值和黄铁矿富重硫同位素特征。根据这些关系可以在化学上鉴别盆地中的烃源层。
2.2 国内研究现状
层序地层学自20世纪80年代引进我国以来，就开始作为一种勘探工具用于油气勘探，主要是鉴别和预测储集层的分布。进入90年代后，我国各油区都将隐蔽油气藏的勘探作为增加储量的勘探新领域。曾有学者对松辽盆地南部主要试油层段的体系域统计表明，约72%的油气层段分布在低位体系域中，而与低位体系域有关的油气藏多数都是地层、岩性油气藏。精细的层序地层对比是发现隐蔽圈闭的有效手段，国内有不少这方面的研究成果[2-3]。通过大量实际资料分析，徐怀大等[4]发现了形成大油气田的层序地层条件。他们认为只有当几个层序的密集段在三维空间中横向拼合、纵向叠置、彼此紧邻的情况下，才有条件形成大油气田。这些研究推动了我国陆相层序地层学的深入发展，同时也促进了层序地层有机地球化学的研究进程。近年来在国内，有关层序地层中烃源岩有机相和地球化学方面的研究也颇受关注。如郝黎明等[5]结合国内外关于层序地层学与有机相之间关系方面的研究成果，综述了层序地层格架中有机相的分布特征，并对存在问题和发展趋势进行了探讨。中国矿业大学的学者在层序地层格架中烃源岩有机相分布特征方面做了不少实际工作。杨建业等[6]以吐哈盆地台北凹陷及准噶尔盆地南缘中侏罗世煤系为例，研究了沉积有机相在陆相层序地层格架中的分布特征。最近，赵厚银等[7]又以孔古4、大参1井地层剖面为例，揭示了渤海湾盆地C-P不同体系域地层的有机显微组分组成与生烃性质。
与国外相比，从现有发表的资料看，目前国内在这方面的研究尚处于起步阶段，在许多方面还非常薄弱，特别在层序地层有机地球化学领域中的系统研究上基本还无人涉足，亟需在以后的工作中加强研究。
3 发展趋势
目前，层序地层有机地球化学关于烃源岩的研究在内容和方法上都有较大发展。在研究对象方面，20世纪90年代初主要集中在泥质生油层分布和成烃潜力方面，而现在已扩展到煤层和碳酸盐岩；在研究领域上，从原来的海相盆地，扩大到海陆交互相、陆相盆地；在研究深度上，从原来的常规生油层评价发展到油源的精细对比；在技术方法上，随着现代地球化学的进一步渗入，从原来的宏观指标发展到分子级水平研究，达到高精度剖析烃源层的时空变化。层序地层学促使烃源岩地球化学向空间化、定量化方向发展；同时，有机地球化学及有机岩石学也拓展了沉积学和层序地层学解释的新途径。总之，层序地层有机地球化学研究的不断发展，不仅为烃源岩的有机地化研究提供了一个与地质历史时空相配置的良好平台，而且其成果也将更好地服务于当今的油气勘探实践。
［参 考 文 献］
[1] Katz, B. J. Rreaux, T. M. Colling, E. L. et al., Implication of stratigraphic variability of sourc rocks. In: Katz, B. J. and Pratt, L. M. （Eds.）, Source rocks in a sequence stratigraphic framework. The American Association of Petroleum Geologists, Tulsa, Oklahoma, USA. 1993，pp. 5-16.
[2] 沈守文, 彭大钧,等.层序地层学预测隐蔽油气藏的原理和方法[J]. 地球学报, 2000， 21（3）: 300-305.
[3] 张明安, 鲜本忠.层序地层学在泌阳凹陷隐蔽油藏预测中的应用[J]. 石油实验地质, 2003， 25（4）: 395-402.
[4] 徐怀大. 寻找非构造油气藏的新思路[J]. 勘探家, 1996,1（1）:43-47.
[5] 郝黎明，邵龙义.基于层序地层格架的有机相研究进展[J]. 地质科技情报, 2000， 19（4）: 60-64.
[6] 杨建业, 任德贻, 邵龙义. 沉积有机相在陆相层序地层格架中的分布特征[J]. 沉积学报, 2000， 18（4）:585-589.
[7] 赵厚银, 王延斌，邵龙义. 渤海湾盆地C-P不同体系域有机显微组分与生烃性[J]. 中国矿业大学学报, 2004， 33（1）: 66-69.
