打開古老烴源巖的“神秘之窗”——訪我國著名油氣地球化學(xué)專家張水昌教授

■ 本刊特約記者 王大銳

專訪

打開古老烴源巖的“神秘之窗”——訪我國著名油氣地球化學(xué)專家張水昌教授

■ 本刊特約記者 王大銳

深層和古老地層已經(jīng)成為當前全球范圍的油氣勘探的新戰(zhàn)場。世界范圍內(nèi)的中新元古代地層已發(fā)現(xiàn)大量原生油氣藏，并得到工業(yè)性開發(fā)。四川盆地震旦系氣藏和華北元古代地層大量油苗的發(fā)現(xiàn)，證實了我國元古代地層的油氣勘探潛力。為使更多讀者認識距今大約8億到14億年前發(fā)育的中元古代可能含有的潛在油氣資源，我采訪了我國著名的油氣地球化學(xué)專家張水昌教授。張教授畢業(yè)于成都理工大學(xué)，獲得中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)研究所博士學(xué)位，現(xiàn)為中國石油勘探開發(fā)研究院教授級高級工程師。

問：請您簡單介紹一下烴源巖的形成過程。

答：烴源巖的形成經(jīng)歷了有機質(zhì)生產(chǎn)、沉積、埋藏、成巖、變質(zhì)等多個過程。有機質(zhì)的生產(chǎn)直接體現(xiàn)了表層海水中生烴母質(zhì)生物的豐度和分異度，有機質(zhì)的沉積是生物體殘骸在沉積物上層水體中的氧化降解過程，有機質(zhì)的埋藏則與水—巖界面的氧化還原條件密不可分。海洋環(huán)境的轉(zhuǎn)化和有機質(zhì)的成巖變質(zhì)作用又受控于地質(zhì)運動。因此，烴源巖發(fā)育的規(guī)模及質(zhì)量受到生烴母質(zhì)、海洋化學(xué)和地質(zhì)環(huán)境等多重因素的影響。但長期以來，就海相高有機質(zhì)豐度沉積地層形成的主要控制因素，存在“保存條件”與“生產(chǎn)力”兩方面的爭論，烴源巖的形成取決于生烴母質(zhì)生物的生存環(huán)境和有機質(zhì)良好的保存條件，但通過我們最近的研究發(fā)現(xiàn)，保存條件及氧化還原條件這兩大因素從根本上來說又取決于生物繁殖和埋藏時的古氣候、古洋流、古構(gòu)造及古環(huán)境等各要素的良好匹配，它們歸根到底都受控于天文旋回，關(guān)于旋回我們在2015年的美國科學(xué)院院刊上詳細闡述過，感興趣的可以下載閱讀。

問：請給我們的讀者介紹一下元古代的地質(zhì)背景。

答：距今大約8億到10多億年前的元古代處于地球環(huán)境從低氧到富氧、從原核生物到真核生物的轉(zhuǎn)化期，并存在多次的冰期—間冰期、大陸拼合—開裂的旋回變化。

中元古代是地球演化史上最安靜、也是最乏味的一個時代，2014年美國著名學(xué)者Lyons在《nature》等刊物上仍然發(fā)文認為，中元古代氧氣含量不到現(xiàn)在氧氣的0.1%，不適合生物生存。而近些年研究發(fā)現(xiàn)，中元古代的海洋結(jié)構(gòu)遠不是那么簡單，是在動態(tài)變化的，已經(jīng)出現(xiàn)了表層有氧、底層也有氧、中部厭氧的最低氧化帶海洋。順著這一思路，我們通過弱氧化海底環(huán)境條件，根據(jù)與現(xiàn)在海洋沉降速率等參數(shù)對比，建立氧消耗模型，計算出當時大氣氧氣含量已高達現(xiàn)在的4%。這么高的氧氣含量足以使得動物生存，真核生物更可能大量存在，這項成果我們已經(jīng)發(fā)表在2016年的美國科學(xué)院院刊上，在國際上引起很大的轟動。總體而言，中元古代不但不是死氣沉沉的生物世界，而是地球歷史上菌藻類蓬勃發(fā)展的時期，以硫細菌、藍細菌數(shù)量急劇增多和疑源類、真核宏觀藻類的大量出現(xiàn)最為特征，是早期地球生物群落的重大轉(zhuǎn)折期。

問：世界各國目前對元古代甚至顯生宙之前的油氣勘探現(xiàn)狀如何？

答：過去的幾十年，前寒武系油氣系統(tǒng)作為一個具有巨大潛力且尚未開發(fā)的資源受到廣泛關(guān)注。俄羅斯及阿曼等國已發(fā)現(xiàn)這一事實并對這一時期的大型油氣田進行了開采，證實了前寒武紀具有油氣勘探的潛力。俄羅斯發(fā)現(xiàn)了硬瀝青沉積，特征為高密度、黑色、無定形、不透明、未石墨化、多相結(jié)構(gòu)、半金屬、玻璃類礦物（包括＞98%含量碳，氮、氧、硫、氫等元素）。硬瀝青的出現(xiàn)說明了一系列的地質(zhì)事件，如油頁巖變質(zhì)、破壞的古油藏、有機硅酸的石化底辟及古石油的滲流等。原地硬瀝青層狀沉積意味著油頁巖的變形，油頁巖包括原地形成的殘余干酪根及外來的有機質(zhì)及最初為液態(tài)烴的瀝青運移。這是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的最古老的油氣顯示。

在中元古代甚至有世界上最古老的現(xiàn)存石油，它位于澳大利亞北部地區(qū)的McArthur盆地Velkerri組，對Roper群鉆井發(fā)現(xiàn)有廣泛分布的石油及烴類顯示，包括滲氣、石油染色、巖心熒光顯示及固體瀝青（主要由液體烴類的生物降解形成）。石英次生加大包裹了早期埋藏于約1～3千米未轉(zhuǎn)化的石油。鉆于1980年的Urapunga-4井由于在Velkerri組薄層中發(fā)現(xiàn)了石油的滲漏被廣泛關(guān)注，這些都說明在McArthur及Beetaloo盆地不管是在中元古代或之后都有大面積的油氣運移發(fā)生。

問：元古代烴源巖的發(fā)育機制及控制因素主要有哪些？

答：其實，對元古代烴源巖的發(fā)育機制及控制因素的研究迄今仍十分薄弱。生烴母質(zhì)生物類型及其生烴潛力尚不清楚，烴源巖發(fā)育時的海洋化學(xué)結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換機制也存在很大爭議，超大陸運動、冰期—間冰期旋回、天文旋回和古氣候環(huán)境等對烴源巖發(fā)育控制作用的研究也基本上處于初始階段，這在一定程度上制約了古老地層/深層領(lǐng)域油氣勘探的大發(fā)現(xiàn)，如何認識元古代烴源巖的形成機制，已成為地球化學(xué)和油氣地質(zhì)學(xué)研究的熱點和難點。因此，我們十分有必要對元古代的生烴母質(zhì)生物、古海洋化學(xué)環(huán)境、古氣候特征和古構(gòu)造運動等進行系統(tǒng)梳理和深入剖析，來審視不同地球演化階段烴源巖的發(fā)育背景，探索元古代烴源巖的控制因素和形成機制。這也是我們開展這項研究的原因。

從1999年我做973課題開始，這個問題就一直縈繞在我腦海，一直想從機理機制上，把烴源巖發(fā)育的原因說清楚，斷斷續(xù)續(xù)的16年研究下來，最終發(fā)現(xiàn)烴源巖的形成與生物、海洋、大氣與地質(zhì)環(huán)境的演化息息相關(guān)，是地球演化進程中特定時間和空間下有機質(zhì)生產(chǎn)和聚集的產(chǎn)物。大氣氧含量的升高代表著光合作用生物的繁盛，原核生物和早期真核生物為元古代烴源巖提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，元古代海洋提供了生物生存和烴源巖發(fā)育的水體環(huán)境，天文旋回和大氣環(huán)流控制了烴源巖豐度和非均質(zhì)性，哥倫比亞古大陸開裂為烴源巖沉積提供了理想場所。

烴源巖發(fā)育的規(guī)模及質(zhì)量也可能會受到有機質(zhì)來源、海洋化學(xué)和地質(zhì)環(huán)境等多重因素的影響，因此元古代烴源巖研究都必須將其放在地球演化的特殊進程中，綜合考慮當時的生物、海洋、大氣、氣候、地質(zhì)背景及其對烴源巖形成的影響和控制作用。烴源層就像地球演化時間軸上的一個個“串珠”，其位置代表了發(fā)育的時間節(jié)點，大小則代表了發(fā)育的規(guī)模。

從全球的角度來看，整個新元古代都有烴源巖的發(fā)育。一般來說新元古代在生命歷史上是一個重大的“轉(zhuǎn)折點”，也是現(xiàn)代地球系統(tǒng)的開始。新元古代從老到新分為Tonnian（拉伸紀）、Cryogenian（成冰紀）及Ediacaran（埃迪卡拉紀）三個時期。新元古代時期的烴源巖在北美、南美、非洲、西伯利亞、澳大利亞、中東（阿曼）、印度和中國等都有商業(yè)油氣聚集油氣及富有機質(zhì)沉積物及瀝青的發(fā)現(xiàn)。

問：您對未來古老地層的油氣勘探前景怎么看待？

答：盡管對前寒武紀油氣藏的勘探還剛剛起步，但是前寒武紀烴源巖確實具有生烴潛力，越來越多的證據(jù)也表明前寒武紀的確存在廣泛分布的烴源巖。事實上，它們作為潛在勘探目標已經(jīng)引起了越來越多的人的關(guān)注。英國地質(zhì)學(xué)會連續(xù)發(fā)表三部關(guān)于前寒武紀油氣系統(tǒng)的著作，意味著古老地層的油氣資源潛力已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注。當然，前寒武紀烴源巖及其烴源巖生烴母質(zhì)類型和生物生存、有機質(zhì)保存的海洋環(huán)境等領(lǐng)域仍需探索，這也是目前我們這個課題組正在進行的工作。但可以肯定的是，根據(jù)烴源巖的廣泛分布，該時期確實存在具有商業(yè)產(chǎn)能的含油氣系統(tǒng)。隨著研究的深入，前寒武紀古老地層必將成為未來勘探的主要目標。