Question

有机质早期演化的光性特征

Answer 1

有机岩石学方法研究有机质热演化之所以得到广泛应用，一方面在于其具有快速、经济、准确、可靠和直观等优点；另一方面在于它可以测量烃源岩中单个有机颗粒(显微组分)的光学特性，提供单个有机组分热演化信息，避免沉积环境和有机质组成等复杂性的影响。有机质演化的光学标志是在显微组分鉴定基础上测量一些能反映有机物化学结构和化学成分变化的光学参数，主要包括镜质组反射率R_o、富氢组分荧光参数和可溶组分荧光参数等。

一、镜质组反射率R_o的演化

镜质组反射率R_o是目前国际公认的唯一可对比的有机质热演化指标，也是人们最为关注的有机质成熟度标尺。它表征了镜质组在热演化过程中晶体的形成和性质的演变，其可靠性与普适性已从理论上证明和实际应用中得到充分肯定。它作为有机质热演化指标备受青睐，主要基于以下一些原因：①镜质组反射率R_o值具有不可逆性，在有机质热演化的全过程中保持连续变化；②镜质组反射率R_o值的变化与有机质中的C、H、O元素含量、挥发分含量、水分含量、可溶组分含量等指标呈连续函数关系；③镜质组通常是沉积有机质中最常见的显微组分，易于鉴别，而且其光学参数的测定受烃源岩中其他显微组分光学性质的影响较小。

表6-1 江汉盆地烃源岩有机岩石学和有机地球化学参数

续表

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镜质组反射率R_o仍然是江汉盆地低成熟烃源岩首选的有机质早期演化标志。如图6-1所示，尽管江汉盆地古近系烃源岩R_o值分布范围较窄，都在0.35%～0.60%之间，属典型的未成熟—低成熟烃源岩范畴，且样品包括了潜江组和新沟嘴组的不同层段，但是总体而言，随着烃源岩埋深的增加，R_o值表现出有规律地增加，例如潜江凹陷的明钾1井镜质组反射率 R_o与埋深之间是一种对数关系，相关系数 R 很好(R=0.9775)，在1550m埋深时R_o值为0.35%，至2780m埋深时R_o值增至0.60%，可见镜质组反射率R_o比较客观地提供了随埋深增加有机质热演化的评价尺度，无疑是江汉盆地低成熟烃源岩有机质早期演化的最可靠标志。

值得注意的是，江汉盆地低成熟烃源岩R_o值并不完全取决于现今埋深。盆地内不同凹陷、同一凹陷不同构造部位(或不同钻孔)因受构造、沉积环境、古地温史等多因素的影响，会使镜质组反射率R_o与埋深的关系曲线有所差别(图6-1)，从而反映出凹陷内不同钻孔有机质早期热演化的不均衡性。就潜江凹陷的明钾1井和王4-2²井比较而言，R_o值同为0.50%时明钾1井现今埋深达2500m，而王4-2²井的现今埋深仅为1000m左右，两者相差竟达1500m之多。

图6-1 江汉盆地烃源岩镜质组反射率R_o随埋深的变化图

应该指出的是，通常认为在 R_o＜0.50%时，镜质组仍属腐殖凝胶物质，尚未显示“晶体”性质。因此，在低成熟的烃源岩中，镜质组反射率R_o的测量值在一定程度上存在不确定性。针对这一情况，还需要有其他能反映有机质早期演化特征的指标作为佐证，在这方面，某些显微组分和可溶组分的荧光参数有其独特的作用。

二、富氢显微组分荧光性质的变化

在众多具有荧光性的显微组分中，孢子体和藻类体的荧光性变化被认为最具有代表性，这不仅是因为孢子体和藻类体荧光性变化的规律性较强，而且还因为这二者都是陆相烃源岩中最重要和最常见的富氢显微组分之一，荧光变化能够直接反映烃源岩中重要生烃母质在热演化过程中化学成分和化学结构的变化(Ottenjann等，1975；Teichmuller等，1977；Thompson等，1987；钟宁宁等，1991；王铁冠等，1995；李贤庆等，1997)。通常描述显微组分的荧光性主要使用最大荧光强度波长(λ_max)、红/绿值(Q)和相对荧光强度(I₅₄₆)三种参数。λ_max是指荧光光谱中最大荧光强度值所对应的波长，即荧光光谱峰的主波长；Q是指荧光光谱中红光(波长650 nm)相对强度与绿光(波长500 nm)相对强度的比值，惯称红绿商(或光谱商)；I₅₄₆则指546nm波长的荧光相对于Jacob铀酰玻璃标样的强度。

从已分析样品(图6-2)来看，江汉盆地古近系烃源岩显示出低成熟的荧光特性：孢子体荧光色由绿色到黄色变化，其λ_max变化范围为510～570nm，Q值介于0.25～1.56，I₅₄₆介于3.71～1.80之间；藻类体也呈黄绿色到黄色荧光，λ_max值分布在520～555nm之间，Q值约为0.15～1.37。这些荧光参数λ_max、Q和I₅₄₆值变化所反映的有机质热演化程度与这些样品的R_o数据是吻合的。

图6-2 明钾1井不同埋深烃源岩中孢子体的荧光光谱面貌

图6-3 王4-2²井烃源岩中孢子体的荧光光谱图

图6-2和图6-3展示了江汉盆地明钾1井、王4-2²井不同埋深孢子体荧光光谱变化图。可见，随埋深增加(R_o增大)，孢子体荧光光谱面貌基本类同，荧光主峰虽有向红光方向(波长增大方向)迁移的趋势，但它们的荧光光谱基本上都呈左偏态的单峰，最大荧光强度波长λ_max增加缓慢，都在520～550nm之间变化，反映出江汉盆地古近系烃源岩低热演化程度的共性。相比较而言，明钾1井孢子体荧光光谱随埋深的演变趋势要比王4-2²井稍明显，特别在J96032样品(R_o约0.55%)之后，在明钾1井的孢子体荧光光谱中，红光部分比例显著增加，光谱明显呈现出宽缓的后峰，这可能标志着孢子体等有机物热降解成烃作用的开始。

无独有偶，江汉盆地明钾1井、王4-2²井藻类体的荧光光谱面貌(图6-4和图6-5)与上述孢子体荧光光谱面貌相同，不但它们的“红移”态势同步，而且也都显示出低热演化程度的荧光光谱特征。同样值得注意的是，明钾1井藻类体荧光光谱面貌也在R_o约0.55%之后发生较明显的变化，荧光光谱由左偏态单峰型向宽缓的双峰型发展，红光部分比例相应增加。

图6-4 明钾1井不同埋深烃源岩中藻类体的荧光光谱面貌

图6-5 王4-2²井烃源岩中藻类体的荧光光谱图

对于未熟—低熟烃源岩，富氢显微组分荧光参数指示有机质早期演化较为灵敏和有效。其荧光光性变化的总特点是，随着热演化程度增加，富氢组分的荧光色调逐渐“红移”，最大荧光强度波长λ_max和红/绿值Q相应增加，相对荧光强度I₅₄₆由强变弱。这种荧光光性演化趋势是大多数富氢组分都遵循的大趋势，但比较来说孢子体和藻类体荧光性质的演化较为规律和连续，对未成熟-成熟烃源岩(R_o＜1.3%)具有特殊重要的热演化指示意义。图6-6和图6-7分别是江汉盆地烃源岩中孢子体和藻类体荧光参数与R_o关系图，可以看出，它们之间存在密切的相关关系。在有机质低热演化阶段(R_o0.35%～0.60%)孢子体、藻类体荧光参数呈现出一致的变化规律：随R_o增加，它们的光谱参数λ_max、Q值均相应增加，相对荧光参数I₅₄₆不断降低，进一步印证了孢子体和藻类体荧光参数作为有机质早期热演化指标的合理性和可靠性。

值得指出的是，孢子体荧光参数随埋深的变化(图6-8)也反映出江汉盆地不同构造部位(或钻孔)有机质“差异”演化现象，虽同属于潜江凹陷，但明钾1井λ_max、Q、I₅₄₆随埋深的变化曲线显著不同于王4-2²井。同样，藻类体λ_max、Q随埋深的变化曲线(图6-9)在明钾1井、王4-2²井中也有明显差别，也揭示出不同钻孔烃源岩有机质早期演化的不均衡性。这些都一致说明，富氢组分荧光参数对于同一凹陷不同钻孔烃源岩有机质早期演化不均衡性具有特殊指示意义，与R_o有异曲同工之妙。

图6-6 孢子体荧光参数与R_o关系图

(a)λ_max-R_o：相关式λ_max=-120.249(R_o)²+237.685(R_o)+455.47，相关系数R=0.795；(b)Q-R_o：相关式Q=-10.2309(R_o)²+13.2792(R_o)-2.96373，相关系数R=0.7772；(c)I₅₄₆-R_o：相关式I₅₄₆=7.7674(R_o)²-14.8901(R_o)+7.8918，相关系数R=0.9690

图6-7 藻类体荧光参数与R_o关系图

(a)λ_max-R_o：相关式λ_max=-234.683(R_o)²+299.431R_o+451.966，相关系数R=0.8086；(b)Q-R_o：相关式Q=-10.3863(R_o)²+12.9267R_o-2.7270，相关系数R=0.7838

三、可溶组分荧光性质的变化

可溶有机质是由烃源岩氯仿抽提获取的。可溶有机质经柱色层可进一步分离出饱和烃、芳烃、非烃和沥青质4种族组分。一般认为饱和烃无明显荧光，用仪器测量，也无任何显示；芳烃荧光最强，一般以鲜艳的绿色、绿黄色为主；非烃的荧光性比芳烃要弱，主要呈黄色；沥青质荧光微弱，呈红色、棕红色等荧光颜色。可溶组分的荧光分析是20世纪80年代才相继开展的(Hagmann等，1981、1983、1986；Lo，1987；Khorasani，1987；钟宁宁等，1990；韩志文等，1993；王光盈，1994；王铁冠等，1995)。

图6-8 孢子体荧光参数随埋深变化

图6-9 藻类体荧光参数随埋深变化(图例同图6-8)

我们对江汉盆地古近系烃源岩中可溶组分(氯仿沥青、非烃、芳烃)进行了系统荧光分析。它们的荧光参数与R_o关系见图6-10、图6-11和图6-12。总的来说，随热演化程度增加，它们荧光参数λ_max、Q均呈现增加的趋势。但比较而言，非烃效果较佳，规律性最明显，适于表征有机质早期演化；芳烃和氯仿沥青荧光参数数据比较离散，规律性较差，但它们的荧光性变化对单井自然演化剖面来说仍有一定的演化指示意义。

图6-10 非烃荧光参数随热演化程度变化

(a)λ_max-R_o：相关式λ_max=2967.0(R_o)²-2256.04(R_o)+961.966，相关系数R=0.7251；(b)Q-R_o：相关式Q=-6.43921(R_o)²+12.3312(R_o)-3.14042，相关系数R=0.7253

由图6-10可知，非烃馏分荧光性表现出随热演化程度增加而发生规律性“红移”现象，在R_o值约0.60%之前，非烃λ_max就已达到680nm，此时非烃荧光色已变为褐红色，这为低成熟烃源岩中非烃化合物早期转化提供了证据。

图6-11 芳烃荧光参数随热演化程度变化

近年来，人们研究可溶有机物的荧光特征(Hagmann等，1983、1986；Khorasani，1987；钟宁宁等，1990)都认为，非烃馏分荧光微弱且变化无规律而未作进一步深入探讨。通常情况下，烃源岩中非烃化合物的来源不确定，化学组成和结构复杂而导致了其荧光性的不规律性，然而可能更主要的原因是，非烃馏分的荧光性变化发生在有机质早期演化阶段(R_o＜0.60%)，以往这些学者研究常规成熟油气时烃源岩成熟度均较高，所见的非烃荧光都在其将灭未灭之时，因而忽略了有机质的最初演化。图6-10中非烃荧光特征正好揭示了江汉盆地古近系低成熟烃源岩有机质的最初演化。另外，也意味着有二种可能：其一，其非烃组分来源相对较为简单；其二，在有机质早期演化阶段(R_o＜0.60%)，非烃化合物反应类型比较一致。

值得指出的是，三种可溶组分(非烃、芳烃、氯仿沥青)在明钾1井、王4-2²井自然演化剖面中的荧光特征有所不同。在λ_max、Q与埋深关系图(图6-13、图6-14和图6-15)中清楚看出两口井有机质早期演化上的“差异性”，进一步印证了凹陷内不同钻孔剖面上烃源岩有机质演化的不均衡性。

图6-12 氯仿沥青荧光参数随热演化程度变化

图6-13 非烃荧光参数随埋深变化

以明钾1井自然演化剖面研究为例，可以进一步说明富氢显微组分和可溶组分的荧光参数的早期演化意义(主要荧光参数见表6-1和图6-16、图6-17)。首先，随埋深增加(R_o增加)，富氢显微组分和可溶组分的荧光光谱均有一致的演化趋势，λ_max、Q值有规律性增加，荧光强度I₅₄₆降低。其次，孢子体、藻类体和非烃荧光变化规律性较佳，可以作为划分有机质演化阶段的良好指标。

值得注意的是，大约以埋深2600～2700m(R_o约0.50%～0.55%)为界，孢子体和非烃的荧光变化比较明显，似有“突变”之势，如孢子体I₅₄₆下降以此为界发生先急后缓型变化，孢子体和非烃荧光参数λ_max、Q值均在此时之后有“红移”加快之势。

图6-14 芳烃荧光参数随埋深变化

图6-15 氯仿沥青荧光参数随埋深变化

(a)λ_max-D：明钾1井：D=0.119189(λ_max)²-147.125(λ_max)+42784.8，相关系数R=0.6377王4-2²井：D=0.84222(λ_max)²-928.998(λ_max)+255043，相关系数R=0.6684；(b)Q-D：明钾1井：D=378.572(Q)²-1738.87(Q)-419.4，相关系数R=0.6004王4-2²井：D=909.139(Q)²-2576.97(Q)-734.783，相关系数R=0.3056

图6-16 明钾1井显微组分光性演化剖面

图6-17 明钾1井可溶组分荧光参数演化剖面