成烃演化与模式

有机质的成熟度怎么划分？~

近几十年来国内外采用先进的分析测试手段，对有机质的成烃演化规律进行了深入细致的研究。对有机质的成烃机理和演化

表1—8 有机质类型划分指标汇总表

图1—3 有机质成烃演化模式（黄第藩，1991）
模式（图1—3）有了较为清楚的认识。有机质只有达到一定的热演化阶段才能热降解生烃，同时在不同的热演化阶段有机质的产烃能力和产物是不同的。勘探实践表明，在有机质成熟区找油成功率可达25%～50%，不成熟区仅2.5%～5%，过成熟区则主要形成天然气。很明显一个盆地或凹陷所处的演化阶段，直接关系到其油气勘探的前景。根据研究有机质可以划分为未成熟、低成熟、成熟、高成熟、过成熟等五个热演化阶段。
未成熟阶段：相当于早成岩作用阶段和煤阶中褐煤演化阶段的底界。这个阶段干酪根未发生热力学降解，有机质中烃转化程度极低。总烃含量很低，而胶质、沥青质含量高。其早期的生物甲烷气来自细菌对有机质的降解，是产烃量很低的一个阶段。在特定的母质和环境条件下，生油岩中的可溶有机质低温转化成烃，而形成未成熟石油和未成熟凝析油。
低成熟阶段：相当于晚成岩A1期，与长焰煤阶相当。干酪根开始进入热力学降解生烃阶段，也即常说的进入生油门限。这个阶段的生烃特征是：干酪根虽开始生烃但还未达到大量生烃阶段，生烃量还是极其有限。产生的油也多为重质油，胶质沥青质含量较高。
成熟阶段：相当于晚成岩A2阶段，与长焰煤阶相当。进入这个热演化阶段，干酪根开始大量热降解成烃，是有机质主要生烃期，主要生成正常的石油。
高成熟阶段：相当于晚成岩B阶段，与肥煤、焦煤阶相当。有机质进入这一阶段，干酪根经过大量生油阶段后，产烃能力已显著下降。主要生成凝析油和湿气，同时成熟阶段生成的石油也开始裂解为气态。标志生油液态窗的结果。
过成熟阶段：相当于晚成岩C阶段，与贫煤、无烟煤煤阶相当。任何类型的干酪根演化到这一阶段，都剩下很低的生成气态烃的能力了。由于这一阶段的温度（>200℃）和压力都很高，不仅已生成烃类全部裂解为甲烷，而且从干酪根中生成的烃类也以甲烷形态出现，因此这个阶段主要是形成干气。
综上所述我们可以看出：有机质在不同热演化阶段的产烃能力和产物特征是显著不同的。因此正确确定有机质的成熟度对指导一个地区的勘探具有重要意义。目前用于判别有机质成熟度的指标很多，但最主要的有：干酪根镜质组反射率、生油岩热解（Rock—Eval）最高峰温度Tmax、饱和烃气相色谱正构烷烃奇、偶优势、甾、萜烷生物标记化合物异构化参数、孢粉颜色指数SCI（Spore Colour Index）等。现分述如下。

一、地壳地质特征
根据初始地壳模型(崔作舟等，1995)，利用纵波速度vP与密度的经验转换公式等，将初始地壳-上地幔速度转换成密度值，剖面向两端各延长数十千米。去掉区域背景场，反演了地壳上地幔结构，推测基底起伏形态，拟合莫霍面。北祁连造山带内结晶基底为隆起区，两侧盆地如酒泉盆地和哈拉湖地区为基底凹陷区。镜铁山至金塔之间基底的平均地震波速度较高，这是由于沉积层较薄，主要反映了结晶基底的速度值。镜铁山至金塔之间基底埋深浅，并在深部相连，这一特点在深源磁性分布反演中也得到了证实。北祁连西段古元古界北大河群具有重力高、磁力高和速度高的三高的地球物理特征。
北祁连西段处于软流圈上隆、地幔岩石圈减薄部位。中地壳存在较厚的低速层，上地壳相对速度较高，这可能是由于上地壳内基性成分较高所致。北祁连西段几条广泛发育的铁镁—超铁镁质岩带可能与此有关。北祁连构造带地壳厚度较大，为60km左右。该区地壳可划分为上、中、下3层。
北祁连西段的莫霍面是由北向南逐渐加深的，南北大约相差3～5km。
上地幔顶部纵波速度在北祁连西段下面为8.10km/s。面波三维速度结构资料表明(安昌强等，1993)，上地幔低速层的速度为4.10～4.30km/s，上地幔低速层的顶界埋深为74km。这就是说上地幔盖层厚度较小，仅为10～20km。直到深达200km的上地幔，低速层的速度值仍未回返，可见其厚度较大，至少不小于120km。由此可见，该区具有活动的上地幔和活动的地壳。这可能正是祁连山地区急剧隆升的重要因素之一。软弱的上地幔也吸收了印度板块向北推移产生的压应力，构成了青藏高原的北界。上隆的软流圈，减薄的岩石圈地幔，伸入岩石圈的断裂构成了幔源物质向上运移的条件和通道。地表广泛出露的祁连山区加里东期铁镁—超铁镁质岩带证实了这种推测。
地球动力学模型(图1-3)反映了主要构造单元的运动学过程，以及地壳的缩短增厚变形状态。印度板块向北为主，欧亚板块向南为辅的双向挤压，软流圈上隆等是祁连山大陆岩石圈变形的主要力源。挤压作用主要发生在地壳中，地表表层以逆冲走滑运动和滞后的伸展构造为主。构成了岩石圈最新变形的力学系统，祁连山正是在这种动力学环境中于新生代晚期隆起的(毛景文等，2003)。

图1-3 北祁连西段多金属成矿带深部地球物理背景示意图(据毛景文等，2003)

二、构造演化阶段
阶段1大陆裂谷构造演化阶段(冯益民，1997)
近年来，国内外学者对超级联合大陆(super continent)的研究揭示，曾存在一个新元古代超级大陆，时限1050～700Ma。古中国大陆出现的时限与此相当(黄汲清等，1979)。而沿北祁连-北秦岭的大陆裂谷作用正是在此之后(夏林圻等，1991;冯益民等，1996;陈炳蔚等，1996)。这次大陆裂谷作用生成震旦纪—早中寒武世的双峰式火山岩(夏林圻等，1991)。并伴有白银、郭米寺等铜多金属块状硫化物矿产的形成(彭礼贵等，1995;邬介人等，1994)。
晚寒武世是大洋裂谷的萌生期。与大陆裂谷发展同时或稍后，在拉脊山一带形成陆内裂谷。
阶段2洋底扩张及沟弧盆体系大洋盆地演化
祁连造山带的板块构造体制是在大陆裂谷的基础上发展演化而成的。大约在晚寒武世—早奥陶世时，沿北祁连的黑河河谷一带形成初始大洋裂谷系，川刺沟蛇绿岩底部变质橄榄岩中交代型金云母的发现(夏林圻等，1996)为此提供了佐证，到早中奥陶世，已形成完整的沟弧盆体系，出现了以玉石沟-川刺沟蛇绿岩为代表的洋中脊型蛇绿岩，以大岔大坂蛇绿岩为代表的岛弧扩张脊型蛇绿岩，及以塔墩沟蛇绿岩、老虎山蛇绿岩为代表的弧后扩张脊型蛇绿岩(冯益民等，1996);在洋中脊型蛇绿岩带与岛弧扩张脊型蛇绿岩带之间出现了该期的俯冲杂岩带(冯益民等，1996;WuHetal.，1993)。在永登石灰沟一带出现了成熟岛弧(夏林圻等，1991)。上述岩石记录为祁连山曾存在完整的沟弧盆体系和成熟大洋提供了有力的证据。
阶段3造山作用
祁连山从早中奥陶世开始经历了俯冲造山、碰撞造山和陆内造山作用。俯冲造山开始于460Ma或更早，可以追溯到495Ma(FengYiminetal.，1996)。俯冲造山的结果是在北祁连形成岛弧及岛弧山链，并造就了晚奥陶世残留洋盆和中祁连北缘的陆缘裂谷———红沟陆缘裂谷，其中有以铜为主的块状硫化物矿床生成(冯益民等，1996;邬介人等，1994)。
碰撞造山发生于志留纪—泥盆纪，可以分成碰撞造山带形成期和抬升期。第一阶段主要发生在中晚志留世，残留海盆封闭，两侧刚性大陆碰撞，新生的碰撞造山带形成;第二阶段主要发生在泥盆纪，造山带抬升，磨拉石形成。
这次碰撞造山作用，在中南祁连地区引起陆表海沉积的褶皱。除此而外，在整个祁连地区，还引起壳内酸性深成岩浆活动，形成造山期花岗岩类侵位。

沉积有机质同矿物质一样，随沉积物埋藏必然要经历地质条件下的生物、化学和物理的作用，使其发生与介质环境相适应的变化以及有机、无机相互作用。与此同时，有机质的成烃演化进程和所得到的烃类产物又表现出明显的阶段性。因此，可根据有机质性质的变化和油气生成划分出阶段，即沉积有机质的成烃演化阶段。目前按石油生成将有机质成烃演化划分为未成熟阶段、成熟阶段和过成熟阶段(图5－21)。其与沉积物成岩演化的成岩作用阶段、深成作用阶段和准变质作用阶段一一对应。镜质体反射率(R_o)与有机质的成烃作用和成熟度有良好的对应关系。对每一成烃演化过程阶段的划分，主要把握界限标志、物质基础、生物及物理化学作用、烃类产物、主要特征特点和终结物几方面。

(一)未成熟阶段

此阶段从沉积有机质被埋藏开始至门限深度为止，R_o＜0.5%;脂肪、碳水化合物、蛋白质和木质素等生物聚合物，在成岩作用早期，由于细菌作用下的分解和水解，转化为分子量较低的脂肪酸、氨基酸、糖、酚等生物化学单体，同时还产生CO₂、CH₄、NH₃、H₂S和H₂O等简单分子。随着埋深的增加，继以无机转化过程为主，生物化学单体将发生缩聚作用形成复杂的高分子腐殖酸类，进而演化为地质聚合物即干酪根，并由于其与同围矿物质相络合，成为较稳定的不溶有机质。在成岩作用后期，干酪根可产生CO₂、H₂O和一些重杂原子组分。该阶段尤其是早期生成的烃类产物，是生物甲烷和少量高分子烃。生物甲烷生成的主要营力是厌氧细菌的生物化学作用。所以，从天然气的成因角度，成岩作用阶段早期可称为生物成因气阶段。高分子烃则不同于成熟的石油烃，它们多是从生物体中继承下来的，一般为C₁₅以上的生物标志化合物，缺乏低分子烃。早期生成的正烷烃多具明显的奇碳优势(图5－22)。

图5－21 有机质的成岩演化与成烃作用(据Tissot＆Welte，1984，有修改)

图5－22 近代沉积物、古代沉积物、石油中正构烷烃的奇碳数优势变化(据Coper＆Bray，1963)

(二)成熟阶段

此为干酪根生成油气的主要阶段。该阶段从有机质演化的门限值开始至生成石油和湿气结束为止，R_o为0.5%～2.0%。干酪根随着埋深和地温的增加，当达到门限深度和温度时，在热力作用下，通常还伴有粘土催化作用，干酪根将开始大量降解生成石油，后期热裂解生成轻质油和湿气，因此，该阶段也可称油和湿气阶段。

此阶段可按照干酪根的成熟度和成烃产物划分为2个带。油带R_o为0.5%～1.3%，又叫低—中成熟阶段(低成熟R_o为0.5%～0.7%，中成熟R_o为0.7%～1.3%)，干酪根通过热降解作用主要产生成熟的液态石油，并以中—低分子量的烃类为主，使成岩作用阶段的生物烃被稀释，在正烷烃中，生物烃带来的奇碳优势逐渐被成熟油冲淡直至消失，环烷经和芳香烃的碳数和环数减少，曲线由双峰变为单峰(图5－23)。

图5－23 沉积有机质成烃演化一般模式图(据Tissot，1974)

轻质油和湿气带又叫高成熟阶段，在较高温度作用下，干酪根和已形成的石油将发生热裂解，特点是液态烃急剧减少，C₁—C₈的轻烃将迅速增加。另外，由于烷烃及低分子量烃逐渐增多，胶质和沥青质逐渐减少乃至消失，因而引起石油密度降低，颜色变浅，在地下条件适当时，还可形成凝析气。

(三)过成熟阶段

该阶段埋深大、温度高，R_o＞2.0%。又由于在成熟阶段干酪根上的较长烷基链已消耗殆尽，所以生油潜力枯竭，只能在热裂解作用下生成高温甲烷。而且先前生成的轻质油和湿气也将裂解为热力学上最稳定的甲烷。干酪根释出甲烷后其本身将进一步缩聚为富碳的残余物。该阶段也称为热裂解干气阶段。

必须明确，有机质成烃演化是一个连续过程，对于现今某一烃源岩来说，其演化可能处于该过程的某一阶段而已(图5－24);各阶段在有机质成烃演化过程中是连续过渡的，相应地化学反应和烃类产物是可以叠置交错的，况且，有机质类型不同，其划分界线和烃类产物也会有所不同。实际上不可能用统一的指标去做出截然的划分，这只是有机质抑或干酪根成烃演化的一般模式。

另外，据亨特等估算，大约7%的气烃、9%液态烃和40%的非烃化合物生成于成岩作用阶段;气烃的82%、液烃的91%和非烃的60%生成于深成作用阶段;气烃的11%和痕量的液烃与非烃生成于准变质阶段(图5－25)。总之，油气烃的大部分是在有机质成熟阶段主要由热力作用所产生的，尤其以60～150℃的地温最为有利。所谓晚期成油说和干酪根热降解成油说正是出于这一基本事实。

图5－24 沉积有机质演化流程简图

图5－25 沉积物各成岩阶段烃类的相对含量(据Hunt，1979)

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