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03 油气成因与烃源岩

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03 油气 成因 烃源岩
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主要内容石油地质理论生•生油理论•生油物质•生油环境•生油过程•生油岩储•储集层特征•储集层类型•碎屑岩•碳酸盐岩盖•盖层特征•盖层类型•盖层岩性运•初次运移•二次运移聚•圈闭•油气藏•油气聚藏条件保•油气的保存和破坏油气基本特征第二章 油气成因与烃源岩 油气成因:有机?无机? 有机成因:早期?晚期? 物质基础:高等生物?低等生物? 无机生油说:有无市场? 干酪根 油气成因类型 烃源岩 油气地球化学对比一、油气成因概述 油气来自于什么物质?它是如何形成的? 有机说和无机说之争有无结局? 大自然为人类准备了多少油气? 我们为什么和怎么确定烃源岩及其生烃能力? 只有追根寻源,才能在油气勘探中有的放矢!I、油气成因油气成因是石油及天然气地质学中一个带根本性的问题:物质是基础,没有物质,其它一切都无从谈起;油气成因是找油找气的基础;油气勘探必须有的放矢,如选择勘探区,选定勘探目的层,确定目标区(又称靶区),这些具体工作都是在一定的油气成因理论(假说)指导下进行的。因此, 阐明油气成因不仅具有理论意义,而且对于指导油气勘探具有重要的现实意义 。关于油气的成因,已经争论了一个多世纪,至今认识尚未完全统一。气成因问题难点所在 为什么解决油气成因问题如此艰难?油气成因问题之所以这样难于解决,其原因在于: ① 油气是流体 ,可以流动是其天然属性,因此一般现今产出油气的地方往往并非油气的出生地; ② 油气特别是 石油的成分是非常复杂的有机混合物 ,油气中的不同组分可能有不同的来历,加之其有机成分对外界物、化条件的变化较为敏感,在其所经历的漫长的地质历史过程中变数繁多,难于把握; ③ 解决油气成因问题要 涉及地质、物理、化学、生物等极其广泛的知识领域 ,人们对油气先体(原始母质)与油气之间的过渡形式至今缺乏明确的认识,因而难于追寻其形成的踪迹。 为此,最近 200年来,不同专家学者曾提出过各种不同的油气成因假说。在众说纷纭的油气成因争论中,就其观点都可归属于有机起源与无机起源 两大学派。油的有机与无机起源学说 早在 18世纪中页,俄罗斯化学家罗蒙诺索夫( 1763)根据石油化学的研究,认为石油和煤炭一样是由泥炭在高温作用下生成。这是最早的石油有机成因论,被称为 蒸馏说 。 罗蒙诺索夫要算是世界上最早研究石油并力图解释石油成因的学者。19世纪中期,各种无机起源说也随之应运而生。俄国化学家 Д ·И ·门捷列夫( 1876)反对石油和煤在成因上有联系的说法,并提出 碳化物说 ,认为通过无机合成途径可得到烃类,他指出:石油是地下深处的重金属碳化物与下渗的水相互作用所生成:33上述反应所生成的石油蒸汽在冲向地壳的过程中冷凝于地层孔隙中,当上覆有非渗透层时就可集中形成油气藏。 从化学角度看,该假说是成立的。关键在于地下有无足够数量的重金属碳化物存在以及上层的水能否穿越软流圈下渗到地下深处。 19世纪晚期,索柯洛夫 (B·Д·出的 宇宙说 。其理论依据是在一些天体中发现有碳氢化物,如在水星、土星、天王星、海王星等星球的气圈中以及慧星的头部都有发现。 在此值得一提的是,这些碳氢化物远不是平均分子量大得多、成分复杂得多的石油。 宇宙说理论 认为,碳氢化物是宇宙固有的,在地球处于熔融阶段时即已存在于气圈之中,其后随着地球冷却被吸收并凝结在地壳的上部,这些碳氢化物沿裂隙溢向地表过程中便可形成油气藏。 此外当时还出现过 岩浆说、火山说 等。总之,19世纪后半叶是石油无机起源说相当盛行的时期。 1863年, 年后, 认为脂肪酸可能是烃类的母质。 1866年,美国人 是美国主张石油有机成因的第一人。 自 1888年起, 物脂肪酸类进行了成烃模拟实验和野外考查,一同完善了 生物(有机)成因学说( 1909)。 有意义的是, 在分解的腐泥,经过蒸馏得到的成分如下: 腊质和沥青质液态烃: 气态烃: 这一实验开创了利用现代沉积物模拟石油形成的先河。 总之, 19世纪石油有机学派主要通过观察和实验为石油有机成因提供了佐证。 就形成石油的原始物质来说,有以低等动物为主的动物说;以藻类为主的植物说;也还有人主张石油与煤同源于高等植物,只是沉积环境不同而已。但其中最有生命力的还是 动植物混成说 。油的有机成因理论 20世纪上半叶是各种成烃理论论战最为活跃的时期,特别是有机成因理论,得到大量实验的支持而获得了空前发展,有机成油说得到了大多数人的认可,其优势日趋明显。经过波东尼( 906)的发展, 有机学派混成说 已构成近代生油概念的雏型。波东尼认为动植物都是成油的原始材料,它们和矿物质点一起形成腐泥岩,腐泥岩经天然蒸馏即可产生石油。在混成说基本确立之后,人们转而注意有利生油的生物化学组分。于是又先后出现过 脂肪说、碳水化合物说、蛋白质说 等。古勃金 (И·M·Γ, 1932)认为,各种生化组分均可参与生油,它们可来自海洋动植物残体,也可来自陆地携入的生物分解产物;含有这些分散有机质的淤泥就是将来生成石油的母岩;母岩在早期主要由于细菌的作用而产生分散态石油,晚期由于负荷加大将油水一起挤入多孔岩层,继后油水按比重分开并运移聚集到层内一定的部位后形成油气藏。此间俄国学者维尔纳茨基还研究了有机质的地质作用,在其 《 地球化学概论 》 ( 1933)中详细讨论了石油的有机组成和有机成因,提出了碳循环模式。从此成油理论步入了地球化学研究阶段。古勃金和维尔纳茨基将石油有机成因说推向新的高度,形成了较为完整的生油岩理论。 934)首次发现并证实卟啉化合物广泛存在于不同年代、不同成因的含油和沥青建造中,认为 卟啉化合物 来自叶绿素的生物地球化学转化, 是石油有机成因的重要证据 。再加上 石油具旋光性 等的确认,石油有机成因的证据进一步充实。 20世纪四十、五十年代还有人提出过原生说,认为石油起源于生物体中固有的烃类;据估计,海洋植物每年可产生 12× 106果说有 保存下来,那么 1亿年就可满足世界石油储量。 但生物体中原生烃含量甚微,难于富集,以其作为成油的主要原料是不适宜的 。这一时期研究脂肪酸是烃类母质的实验进一步深入( 964;1974),并对成烃机理进行了探讨,还对有机化合物醇、酯、酮和醛的成烃转化以及叶绿素、氨基酸和聚萜烯的转化作了研究。就形成石油的生化组分而言,无论是脂肪、蛋白质还是碳水化合物乃至木质素(木栓质体),都有证据证明可以形成烃类,但通常认为 包括脂肪和原生烃在内的脂类物质是最主要的成油原始生化组分 。石油的有机成因观点逐步得到了地质学家和地球化学家的认同,但对有机质的成烃演化过程历来存在着各种各样的假说和认识,这些不同认识间的争论归结起来可概括为石油是成岩早期形成还是成岩晚期生成的,这就是石油有机成因的 早期成油说和晚期成油说 。V、早期成油说和晚期成油说 20世纪上半叶是早期成油说空前活跃的时期,实际上这一时期的有机学派大多持早期成油观点。 19世纪末 888)在对当时关于石油生成、运移和聚集的观点作评述时就表明其更倾向于石油早期形成,这可能是最早出现的油气早期形成观点。 934)、 941)、 954)、961)和 964)等通过对世界各种地质资料的研究确信,油气能够在早期低温条件下形成并聚集在早期形成的圈闭中。古勃金( 1937)也认为生油是从有机软泥或生物软泥中开始的,以后就一直不停地在有机岩夹层和围岩层的成岩变化过程中完成。在整个过程中温度并不特别高,在厌氧细菌的参与下,液态石油或半液态石油是在软泥或没有完全变硬的岩层里开始形成的;当岩层在上覆重荷下逐渐压实时,随着压力的增加,石油和水被挤入疏松岩层 灰岩层内。史密斯( 954)引进先进分析技术,首次在现代沉积物中发现了烃类。这是一次飞跃性的突破,为此获得了诺贝尔奖。这一时期研究者从地质学、地球化学以及生物学等方面对成烃母质、成烃过程、地球化学条件及物理 20世纪五十年代中期开始,由于色谱,特别是气相色谱技术的应用,地质体中微量可溶有机质的研究得到了快速发展。 961)和 963)提出,现代沉积物和生物体中的正烷烃碳数分布具有奇偶优势,脂肪酸的碳数分布具有偶奇优势,而在古老沉积物和石油中不具备这些优势。同时现代沉积物中烃类丰度极低,难以构成大规模油气聚集。这一发现动摇了沉积有机质直接成油(早期成油说)观点,为有机质高温降解成油理论的发展开辟了广阔的前景。这一时期,石油工业和石油地质学发展迅速,有机地球化学成功地应用于石油成因和形成条件诸方面的研究上,石油有机成因理论得到进一步充实和发展。大量研究表明,石油的生成不仅是烃类的富集过程,更主要的是烃类的一个新生过程。在有机质改造过程中,只有达到一定温度或埋藏深度时,有机质才能大量转化成石油 ( 1953;965; et 972)。 ( 1973)根据古地温研究指出,原油在地下一定温度和深度范围内分布,提出了“ 地温窗 ”和“ 液体窗 ”的概念。由于这些研究显示大量生油阶段是有机质处于成岩作用的晚期阶段,同时认为生油原始物质主要是岩石中的不溶有机质 — 干酪根,因此这一时期逐步形成了 干酪根晚期成油理论 。 978)和 979)先后发表了两部专著,对这一成烃理论作了系统的、科学的论述,形成了一个相当完整的成油理论体系。这一理论揭示了常规油气的生成演化规律,而据此衍生出油气潜力评价的地球化学参数和研究方法,已成为近代油气勘探的主要指导思想和准则,且取得了显著成效。还应提及,唯海相生油论在相当一段时间内很盛行。只有 К1923)认为陆相植物是石油的原始物质;南廷格尔曾于 1939年探讨过陆相生油的可能。 20世纪四十年代,我国学者潘钟祥、黄汲清等力排众议,以中国油田实例雄辨地论证了陆相生油是客观存在的现实,动摇了唯海相生油论,而今已很少有人再反对陆相生油了。以上对石油成因的研究和发展历程仅是一个轮廓性的回顾。实际上在各个时期中除主流派外,在某些问题某个环节上持有不同观点者不乏其人。但随着技术的进步和知识的积累,油气有机起源说不仅有了充分的论据,而且形成了相当完整的体系,从而被大多数业内人士所接受。然而,正如朱起煌( 1991)所言,石油的成因问题,终究不是一个简单的问题,它也许象一个复杂的方程,有两个或多个解。近些年来,有国内学者(张恺, 1996)明确提出油气成因 "二元论 ",也不失为一种有益的思路。二、油气成因的现代概念 20世纪七十年代前后,油气有机起源晚期成油说的兴起并用以指导油气勘探获得成功,晚期成油说逐步被相当多的人所接受,现今已成为油气成因的主流。因此,所谓油气成因的现代概念即指 有机成因晚期成油说 。下面将从形成油气的原始物质、作用因素、演化机理到烃源岩的鉴别等方面,对油气有机成因晚期成油说体系作一较为系统的介绍。现代油气成因模式I、有机起源的证据有机说的核心就是认为油气起源于生物物质,油气有机起源说之所以能够确立,有其充分的地质及地球化学论据。1、世界上 99%以上的油气都产自沉积岩世界上 99%以上的油气都产自沉积岩。据罗诺夫( 1958)的调查,含油气盆地的沉积岩有机碳含量 3倍于非含油气盆地,有机碳是衡量岩石中有机质丰度的基本参数,可见含油气情况与有机质之间有着密切的关系。2、石油的生成与生物的兴衰密切相关油气主要产出于古生代以后,这正是地球上生物大发展阶段以后的事,如油气产出在地层中的分布情况是:石油以中 ~新生界为主,占全部储量的 92% ~古生界仅占 8% ~在中、新生界中,中生界占有明显优势。天然气则以中、古生界为主,占总储量的 90%,古生界所占比例明显高于新生界。前寒武纪地层中也有油气发现,但非常有限。按储量,不同时代油气分布:新生界占世界总储量 中生界占世界总储量 古生界占世界总储量 、油田剖面中,含油层位总与富有机质的层位依存目前勘探和开采过程中发现,油气产出层位总与富有机质的层位依存,这也与其产出主要地层的时代相对应。极少有油气产出于贫有机质或没有有机质的岩浆岩或变质岩中。4、在石油中普遍存在生物标记化合物在石油中普遍存在卟啉及许多与异戊间二稀类、萜类(即环状异戊间二稀类)和甾醇类有关的化合物,这些化合物在油气地球化学上称之为生物标记化合物 或者叫做 指纹化合物 ,因为它们的化学结构为生物物质所特有。5、石油的元素和同位素组成与生物物质类似石油的元素组成包括微量元素组成都与有机物质近似,而与任何无机物质相差甚远。此外,石油的碳同位素组成也与生物物质(尤其是脂类)的碳同位素组成相近,而与无机的碳酸盐岩碳同位素组成相差甚远。6、天然石油普遍具有旋光性天然石油普遍具有旋光性。而非晶质的旋光性系由物质分子中碳原子的不对称结构所致,这种具不对称碳原子结构的物质通常只有从生物界才能获得。7、生物物质通过热降解均可得到烃类产物大量实验表明,各种生物物质通过热降解均可得到或多或少的烃类产物。此外,现代分析技术还可从现代和古代沉积有机质中检测出其中含有与石油类似或相同的烃类。8、古代、现代沉积物中检测出类似油气中的烃类目前在多种类型古代和现代沉积物中都检测出类似油气组分的烃类,如总之,无论对石油性状及分布的考查或是对生油过程的模拟实验,都为油气的有机起源说提供了足以令人信服的论据。这是有机起源说得以确立的坚实基础。成油气的原始物质沉积有机质是形成油气的原始物质 。1、生物物质具有生烃能力从地球现有的生命形式看,生物物质的生物化学组成主要是脂类、碳水化合物、蛋白质和木质素等。虽然在地史中生物是不断演进的,但有人认为地史中生物的生化组成与现代有机体分子的各个基本组成在成分和结构上差别很小。(1) 脂类化合物狭义的理解主要是指动植物的油脂;广义的理解则泛指所有不溶于水但溶于脂溶剂(如乙醚、氯仿、苯等)的脂状物质,既包括油脂也包括固醇类、萜类、烃类和色素等。有人把脂类一词的含义仅限于指动植物的油脂,而用类脂一词作为广义脂类的同义语。 油脂是动植物的重要组成物质,也是最常见的脂类化合物。动物油脂常呈固态和半固态,通常称为脂肪;植物油脂常呈液态,一般称之为油。油脂易水解成脂肪酸和醇,所以地质体中并不存在它们的原型。在 18世纪就有人用脂类加工出烃来,类似的实验一直持续至今。从化学反应式上看:脂肪酸去羧基: H+脂肪酸加氢: +2可得到烃类顺便提及,生物体和现代沉积物中的脂肪酸具有偶碳优势,( × 古代沉积物中该比值为 1奇碳酸的增长可能与细菌选择性地除掉偶碳酸有关,但更可能是由于去羧基而生成环烷烃所致。饱和脂肪酸可能主要是正烷烃的母体,而不饱和脂肪酸除可生成正烷烃外还可生成环烷烃乃至苯。脂类中的萜和异戊间二稀化合物、固醇、色素等则可能是环烷烃、芳香烃和异构烷烃的母体。原生烃以高分子烷烃为主,它们在生物体中一般只占十万分之几至几十(重量)。原生烃可以不发生重大改造而被石油所继承。蜡质在脂类中所占比例变化很大:植物脂类中占 1在动物脂类中占 1在昆虫脂类中可达75%)石油中的蜡质主要(几乎全部)来自陆生植物。(2) 碳水化合物亦称醣类。碳水化合物是植物的主要组成物质,包括葡萄糖、淀粉、纤维素等。动物中也有(如无脊椎动物的几丁质),但数量较少。碳水化合物的通式可写成 2O)m,呈单醣或单醣的聚合体形式存在。作为成油母质,碳水化合物以其数量之丰而引人关注,有实验证明,碳水化合物被氢还原后可以得到烃类。但碳水化合物大多易被喜氧细菌所消耗或者被分解成水溶物质,难于保存下来,这在相当程度上降低了它的成烃价值。在地质体中也不存在它们的原型。纤维素较为稳定,是煤的重要母质之一。(3) 蛋白质蛋白质是组成细胞的基础物质,是生物体内最重要的成分,可占动物干重的 50%以上。蛋白质是不同氨基酸的聚合物。氨基酸是一种羧酸,但其中一个氢原子已被 由此可见, 蛋白质只要经过去羧基和去氨基后就可以形成烃类 。实验中曾从丙氨酸等 11种氨基酸中获得 无新戊烷,这恰与石油中罕见新戊烷相呼应。此外 ,从丙氨酸中还可获得乙苯。蛋白质是生物体中氮的主要载体,氮约占蛋白质重量的 16%。所以石油中的含氮化合物可能与之有关。蛋白质易受喜氧细菌的破坏,不利保存。因而地质体中也不存在其原型。(4) 木质素仅存在于高等植物中,具有比纤维素更强的抗腐能力,还有丰富的芳环结构。 它们主要是成煤的重要母质,也可生成天然气 。也有研究者认为石油中的芳烃和沥青稀或许与之有成因联系。综观各生化组分的元素组成、分子结构及化学稳定性, 脂类一则抗腐能力强,二则化学成分和结构都最接近于石油,因而历来被多数人作为最重要的成油母质 。就元素组成而言, 脂类只要去掉少量的氧即可转化为石油,而碳水化合物和木质素要去掉大量的氧,蛋白质除要去掉大量的氧外还要去掉大量的氮 。有机物质的元素组成 C H S N 4 6 - - 50木质素 63 5 3 7 1 17 22脂 类 76 12 - - 12石 油 85 13 1 )因而在这四类生物聚合物的数量相等的情况下,脂类将可生成更多的烃。总而言之, 应该说各生化组分对形成油气均有不同程度的贡献,但普遍认为脂类是最有利成烃的生化组分。换言之,脂类对油气的贡献当居首位 。不同生物门类所含生物化学组分不同,因而其成烃意义也千差万别,这是显而易见的。植物主含碳水化合物而动物主含蛋白质;脂类在生物体中的含量变化很大,一般在动物、低等植物以及高等植物的某些组织中有较丰富的含量;高等植物富于木质素和纤维素,对成煤意义更为重大 。不同生物的生物化学组分蛋白质 碳水化合物 脂 类 木质素云杉木 1 66 4 29橡树叶 6 52 5 37针松叶 6 47 28 17石松孢子 8 42 50 0硅 藻 28 63 8 0浮游植物 23 66 11 0挠足类 65 25 10 0高等无脊椎动物 70 20 10 0浮游动物 60 22 18 0牡 蛎 55 33 12 0生物的生物化学组分生物体中各生化组分的相对含量不仅因门类不同而有差异,甚至还会因生活环境和生理状态不同而有变化。为了更全面正确地评价不同生物作为成油母质的地位,还应明确下述事实:① 动物是附属于植物的寄生体系,植物是动物食物链的基础,因此植物年产有机碳量远大于动物,植物在地史中的发育也领先于动物;② 水生生物生活空间较陆生生物广泛得多,因而前者所产出的有机碳总量也相应较后者要大。以植物为例,现今陆地上的年产量不及海陆总产量的 1/7,地史中陆地植物开始出现于志留纪,比水生植物晚得多;③ 低等生物繁殖迅速,产量巨大。水生生物中浮游植物(如藻类)的生产量占有绝对优势。如果再加上浮游动物(如有孔虫、放射虫、挠足类等),则所占比例可达 95%以上。水体中生物的产量里 海 南加州陆缘海浮游植物 460 560浮游动物 34 44底栖生物 41 19鱼 类 2 总量的0. 6% ) 体年产量(干重)103t/上所述,可以得出这样的认识:地史时期中相应出现的各种水生低等生物,尤其是 浮游生物作为最主要的原始生烃物质的地位应该得以确立 。地史中越是低等的生物出现得越早,细菌是最原始的生物。细菌的生化组分除水之外主要由蛋白质组成,其次为 10%的脂类化合物,包括烃类(大部为 有资料认为细菌也是原始生烃物质,而它的产量可与浮游植物相媲美,亦应受到足够的重视 。2、沉积有机质油气有机起源说认为生物物质是产生油气的原始材料。生物物质与油气在化学组成上显而易见的差别表明,其间必然要经历一个极其深刻的转化过程。而这个转化就是从生物有机质进入到沉积有机质时开始的。所谓沉积有机质是指随无机质点一起沉积并保存下来的那部分生物残留物质 。沉积有机质是沉积物、也是它所寄存的地质体的一部分,所以 沉积有机质也叫做地质有机质 。其中既包括生物的遗体,也包括排泄物和分泌物。生物死亡后其遗体将受到化学分解和细菌分解:大部分以气态或成为水溶成分而逸散掉 ;部分则被生物所吞食;很少一部分真正进入沉积物 。据多布良斯基的估算,有机质原始产量中平均只有 以保存在沉积物中。尽管得以保存下来的比例很低,但由于其基数巨大,据保守估计,仅浮游生物每年产量即可达上千亿吨,可见水体中每年繁殖的生物总量是很大的;加之漫长持久地质时间的累积,其绝对数量就十分可观了。从生物物质的发源地来说,沉积有机质有来源于水盆地本身的所谓原地有机质,这是普遍存在的部分,也是最主要的部分;还有来自由河流和径流从周围陆地携带来的异地有机质。河流每年泄入盆地的有机质可达 1些大河,如亚马逊河、密西西比河、多瑙河等,所携带的有机碳浓度约为 2l。河流搬运的有机质主要是高分子量的腐植物质,常占其搬运有机质的 70 河流为沉积有机质扩展了来源范围,同时也为盆地提供了营养成分 。因此, 凡是有河流注入的湖海三角洲地带,水生生物特别繁盛,越发有助于形成富含有机质的沉积 。河流搬运的异地有机质中还包含来自被侵蚀的古老沉积层中的化石有机质,这是一种为量不多但很特殊的成分,实质上它是古老沉积层中的沉积有机质,故称之为再沉积有机质。三角洲沉积此外,冰川和风也是异地有机质的搬运营力,如许多孢子花粉要借风传播,人们曾在远离海岸的大西洋上空大气中见有植物成分的有形质点。但对风和冰川为沉积有机质所做的贡献,目前尚缺乏可信的定量评价。当然,风、冰川和河流等搬运营力所搬运的主要还是无机固体物质,这些无机固体物质作为沉积物,无疑将增加水体的沉积速率,从有机质保存的角度看,也是具有积极意义的因素。总之,这些异地有机质的搬运营力,无论从增加有机质的丰度还是有机质的保存条件上,都有利于沉积有机质的形成。随着沉积物被埋藏进入沉积环境,无机质点将随成岩作用的深化而逐渐固结成岩,进入沉积物中的有机质所处的物、化条件亦随之发生变化,沉积有机质存在的环境亦发生变化,由沉积物中的有机质变为沉积岩中的有机质。沉积岩中的有机质:一部分是生物物质中的稳定部分,如孢子、几丁质、树脂、蜡质以及生物标记化合物,清晰、甚至完全保存原有的生物化学结构,成为地球化学化石被沉积有机质继承;另一部分,也是最主要的部分是新生成的复杂分子,它们在生物体中找不到对应物。3、干酪根 (1) 概念:沉积岩中的有机质,依据其可溶性可分为两部分:通常将 沉积物中不溶于非氧化的无机酸、碱和有机溶剂的一切有机物称为干酪根(而 可溶于上述溶剂的有机组分称为沥青,或“天然沥青” 。这儿的沥青包括烃类以及含 S、 N、 质和沥青质等)。抽提时的温度常在 80℃ 以下,由于所用溶剂和抽提条件不同,所得到的沥青数量会有一定的变化,但通常对烃类的数量并无多大影响。由于沥青是可以运移的,所以实际上岩石中有机质的沥青含量很少超过 20%。干酪根( 词首先是由 1912)提出的, 原意是指苏格兰页岩中经蒸馏分解出的油状物质 ,后来转义为能产生油状物质的有机质,因此把干酪根称作 油母质 /生油母质 。干酪根在沉积有机质中的含量可占 70甚至更高,干酪根是沉积有机质的主体 。不同沉积物中的干酪根( 亨特和吉姆逊 )烃 类 沥 青 干酪根现代沉积物 65 781 17500泥 质 500 600 20100碳酸盐岩 340 400 2100(2) 干酪根的组成与结构根据化学分析,干酪根是由 C、 H、 S、 N、 般含 5含 主要元素平均含量比例: C∶ H∶ O∶ N=87∶ 7∶ 10∶ 2干酪根是大分子缩合芳核络合物,其结构异常复杂,系 由多个结构单元(称为核)通过桥键和不同基团联接而成 。核 —— 单环或缩合环、芳香环、脂族环以及含硫或氮的杂环;桥键 —— 氧、硫或肽键;官能团 —— 主要是羟基化合物,可能含脂类化合物 。干酪根的结构一般是无序的,但在深成热解过程中也发生一些有序结构。详细观察发现, 干酪根是由可辨认的植物颗粒、前期降解的分散有机质以及次生的沥青质 (孢粉切片中观察到的片状非晶质物) 组成 。另外,干酪根中还见有微量由植物或动物合成的特殊有机物,如链烷、脂肪酸、萜烷、甾烷、卟啉和直链烃,这些是经历了有机质的分解作用和成岩作用后未被破坏的地球化学标志物,即前面提到的生物标记化合物。干酪根的组成和结构与原始有机物质的类型有关,不同来源的干酪根,其组成和结构差别很大,但基本结构单元却大同小异,即 由核、桥键和官能团组成 。 1975)所画的干酪根结构示意图:干酪根模式图干酪根模式图从对巴黎盆地的典型研究看 (图) ,随着埋深的加大和温度的增高,有机质中的干酪根含量不断下降,而烃类和胶质、沥青烯(沥青质的基本组成)的含量(氯仿抽提物)则相应上升。巴黎盆地托尔页岩有机质各组分含量随深度的变化另外, 甲醇 苯混合溶剂抽提物)的含量也是逐渐减少的。 、 N、 元素组成最接近于干酪根,可以代表干酪根降解生烃过程的中间产物。由此看来, 所谓有机质生油很大程度上就是干酪根向沥青和烃类转化的过程,岩石中的干酪根是生成油气的基本源泉 。干酪根是地球上有机质分布最广泛的形式,是煤和液态石油的 1,000倍和非储集岩岩石中分散天然沥青的 50倍( 1972; 1978)。应该承认, 干酪根是最主要的原始成烃物质,但并非原始成烃物质的全部 ;应该说形成油气的原始物质是沉积有机质,而不仅仅是干酪根 。干酪根与化石燃料4、有机质的分布和类型岩石或沉积物中有机质的含量变化很大,可以从几乎全为有机质堆积的有机矿产到几乎不含有机质的红层。然而 90%以上的沉积有机质是呈分散状态存在于沉积岩或沉积物中的 ,其含量一般都在10%以内,在暗色泥质岩中多在 间。( 1) 有机质的丰度 有机质的丰度(主指沉积有机质)大多用有机碳含量来表示 。因为碳元素在有机质乃至有机矿产中最多也最稳定。鉴于有机质在埋藏中逐渐有一部分将转化为气态物质、可溶物质或流动物质而脱离母岩,从 岩石中测得的有机碳含量其实只是现存的残留有机碳含量 ,因而:有机碳 × 代沉积中的有机质有机碳 × 代沉积中的有机质由于有机质的类型不同和演化阶段差异,这个系数实际上是很难确定的。不过被移出母岩的通常只是极少的一部分,实际应用中很少有做这种计算的必要。沉积岩或沉积物中有机质含量的多少与许多因素有关:其一是生物物质的产量地表的光合有机质产量是很不均衡的,大陆以热带最丰盛;在海洋则以温湿带和较高纬度带为重要,尤以浅海区最为重要,这是因为后者具有良好的透光和营养条件,海洋生物绝大部分集中在该区域。现代的海洋和大陆每年各自可提供几百亿吨有机碳,若折算成活的生物有机质其量更大。其二是原始有机质的保存条件主要指沉落和埋藏过程中的氧化条件。生物死亡后决不是毫无损失地就地沉落,除了部分被活体生物吞食外,在通氧条件下,有机质还将受到较充分的化学和微生物(细菌)降解而遭到破坏,最后只有 能进入到沉积物中去。在大陆,地表生物遗体主要转变为 2剩下骨骼、孢粉、树脂和蜡质等抗腐成分。水下情况则比较复杂,一般在浅水及深水的上层,由于光合作用和大气的入侵,常为氧化环境。光线的透入深度与水体混浊度有关,在开阔海约为 200m,沿岸海约为 50m,泻湖仅为数米。大气入侵深度则与波浪作用有关,浪高波长则扰动所及的有效深度就深。理论上波高为波长的 1/7(由于风阻,实际为 1/200),有效浪底深度为波长的 1/2。因此,氧化还原界面的具体位置视情况不同可在水体的某个深度上,也可以在沉积物顶面以下的某个深度上。据多布良斯基的估算,有机质原始产量能保存在沉积物中的比例,在陆棚区约为 陆坡区约为 而深海区仅为 值得一提的是,有机质在分解过程中要消耗氧,所以只要有机质的补给速度超过分解速度,就可以促使沉积物中出现还原环境。其三是沉积物的堆积速度这里一方面要考虑无机质点的绝对沉积速度,其堆积埋藏得越快,则有机质摆脱菌解越早,就越有利于有机质的保存;另一方面,还得考虑有机质点与无机质点二者的相对沉积速度,在一定的沉积环境中,有机质的产量是一定的,其沉积速度一般不会有太大的变化,如果无机质点沉积速度太快,势必会 "稀释 "有机质的浓度,从而影响沉积物中有机质的含量。其四是沉积物的粒度特拉斯克( 1932)对有机质含量与沉积物粒度的关系进行了系统研究,其结果显示:< 5μ倍,是 50倍。高尔斯卡娅( 1950)对近代沉积物的研究表明,砂的有机质含量为 粉砂为 粘土为 类似的调查很多,尽管调查的地点不同,数据也有差异,但都说明 沉积物的粒度越细所含有机质越多 。其原因在于:一是从沉积分异的角度看,呈胶体或悬浮态的有机质点同粘土质点有着一致性,其沉积过程可以同步沉落 ;二是粘土的比表面积大,对有机质有较强的吸附能力 ;三是泥质沉积物的沉积环境水动力能量低,有较好的保存条件 。此外,迪金斯( 1984)提出,粘土矿物的沉降不服从斯托克定律,但它们可以通过掺入浮游动物的粪便,或者与浮游植物分泌的粘液结合成集合体而沉落,致使泥质沉积常有较高的有机质含量。值得一提的是,碳酸盐岩的有机碳含量随其不溶残渣含量的增加而增加,而不溶残渣常为泥质物所组成,同样反映有机质常与细粒成分相伴生。(2) 沉积岩中有机质的分布沉积岩中有机质的分布是很不均衡的。亨特( 1963)根据世界 1,000多块岩样的分析得出:泥质岩有机质平均含量为 碳酸盐岩为 砂岩为 据威克斯( 1958)估算,沉积岩总体积约为 12,288× 104中:页岩占 50%碳酸盐岩占 16%砂岩占 34%1015t,其中 1015为有机质集中出现的煤和石油各为 6× 1012t,分别仅占沉积岩中有机质总量的1/630和 1/19,000。由这些数字可以看出, 沉积有机质的总量是很大的,其中将近 95%是集中在页岩之中,它们绝大部分是呈分散状态存在的 。机质的类型关于有机质的类型,早在二十世纪初波东尼就已分出 腐泥型和腐植型 两大类别。这虽然只是个粗略的定性划分,却能很好地揭示了有机质的本质差别。腐泥型有机质 :原始生物物质是富含脂类的水生浮游生物,成矿方向是藻煤和油页岩;和腐植型有机质 :原始生物物质是富含木质素、纤维素的陆生高等植物,成矿方向是腐植煤。干酪根是有机质的主体,所以干酪根的类型基本上代表了有机质的类型。关于干酪根的类型,目前流行的一是按化学方法 ,二是用 光学方法 划分。1、化学分类蒂索( 1974)按 H/(图 ):干酪根元素含量分布干酪根类型及其演化图干酪根类型及其演化图干酪根生烃潜力Ⅰ 型干酪根 H/O/链状结构较多为特征。富含脂类化合物,只含少量多环芳香烃和含氧官能团,主要来源于水生低等浮游生物,生烃潜力大。Ⅲ 型干酪根 H/O/芳香结构多为特征。主要来源于富含木质素和碳水化合物的陆生高等植物,多为异地有机质。生油潜力小,但可生成天然气。Ⅱ 型干酪根 H/,属混合型或过渡型干酪根。其生烃潜力视其接近 Ⅰ 型或是接近 Ⅲ 型而异。由图可见,不论何种类型干酪跟,随着演化程度的加深,其元素组成都向富碳方向敛合, H、 以当演化程度很高时其类型难以明确区分。后来蒂索又分出所谓 Ⅳ 型干酪根,其特点是O/ H/系来源于深度氧化的或再沉积的有机质,不具生油潜力。蒂索分类的特点是, 一方面可以反映出干酪根的富 一方面还包含有演化的概念 。不足之处是 Ⅱ 型实际上占有很宽的范围,难以反映出内在的差异。鉴于有机质来源的广泛性,任何地方的沉积有机质或干酪根都不可能纯之又纯,岩石中的干酪根通常是各类有机颗粒以不同比例掺混在一起的。为了弥补 Ⅱ 型干酪根范围过宽、同类型干酪根差异较大之不足,在实际应用中针对不同的研究对象有过一些
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本文标题:03 油气成因与烃源岩
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