牛蹄塘组页岩气储层有机质微生物来源的证据

张廷山*，伍坤宇，杨　洋，罗玉琼，龚齐森

牛蹄塘组页岩气储层有机质微生物来源的证据

张廷山1，2*，伍坤宇1，2，杨洋1，2，罗玉琼1，龚齐森3

1.“油气藏地质与开发工程”国家重点实验室·西南石油大学，四川 成都 610500；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；3.重庆市能源投资集团页岩气投资有限公司，重庆 南岸 400060

针对牛蹄塘组页岩气储层中有机质来源的问题，从微体古生物化石和有机地球化学两方面开展了研究。采用环境扫描电镜-能谱系统（ESEM-XEDS）对岩芯中的微生物化石形态和化学组成进行了研究；此外，还采用气相色谱-质谱法（GC-MS）对岩芯抽提物进行了检测。结果表明，牛蹄塘组页岩中发现的微生物化石C和N元素含量较高（大于30%），从外部形态大致可将其分为3类：同心环状结构，表面光滑的球体以及细胞壁开口的球体。岩芯抽提物检测结果表明，牛蹄塘组页岩nC12∼nC32的正构烷烃均有检出，且具有低碳数（主峰碳nC16）偶碳优势；此外，抽提物中还检出了含量较高的类异戊二烯烃，包括，姥鲛烷、植烷和角鲨烯。这些微生物化石的发现和有机地球化学组成特征为晚震旦—早寒武世扬子浅海微生物的繁盛和牛蹄塘组烃源物质的微生物起源提供了有力的证据。

页岩气储层；有机质；微生物化石；有机地球化学；牛蹄塘组

网络出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20150323.1549.002.html

张廷山，伍坤宇，杨 洋，等.牛蹄塘组页岩气储层有机质微生物来源的证据［J］.西南石油大学学报：自然科学版，2015，37（2）：1-10.

ZhangTingshan，WuKunyu，YangYang，etal.EvidenceofMicrobialOriginofOrganicMattersofNiutitangShaleGasReservoir［J］.JournalofSouthwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2015，37（2）：1-10.

引言

微生物主要包括细菌、古菌、病毒以及部分真菌、小型原生生物、显微藻类等［1］。微生物的出现可以追溯到地球演化的早期，现今发现最早的微生物及具有微生物结构的化石记录保存于澳大利亚西部距今∼35亿年燧石岩中［2-4］，而来自同位素的证据表明，地球早期生命活动在距今∼38亿年前就已经存在［5-6］。自诞生至今，微生物不断繁盛，凭借极强的环境适应性，从极地冰层到深海热液喷口，从大陆岩石圈到深海沉积物，它们广泛分布并占据了地球生物圈的所有生境［1，7-8］。此外，由于微生物新陈代谢活动会从环境中摄取所需的物质，并合成各种酶，这会对环境的地球化学反应过程产生强烈的影响，进而左右环境的物质和能量循环［8］。近年来，海洋生态学研究的研究成果表明，以往被忽视的微生物是全球海洋生命有机碳的主体组分，是海洋生态系统碳流和能流的主要承担者［9］。正是由于微生物在固碳过程中的重要作用，地质历史时期许多烃源岩的形成都与微生物关系密切。

牛蹄塘组富有机质页岩是广泛分布于上扬子地区的一套形成于早寒武世筇竹寺期的海相页岩，也是南方海相页岩气勘探的重点层位，但由于其时代较老，深埋作用使得其热演化程度很高，这就为沉积有机质组分鉴定和来源示踪带来了困难。该层位的干酪根组分通常呈黑色和深棕色无定型态和絮状，在以往工作中通常将其鉴定为I型或II1型干酪根。由于I型和II1型干酪根通常被认为是来源于菌、藻类微生物作用［10-11］，因此，牛蹄塘组页岩中的有机质来源于菌、藻类微生物的观点已经被大家接受。谢小敏等在该地层底部的硅质岩段发现了碳质细菌状化石［12］，也为有机质的菌、藻类起源提供了化石证据，但硅质岩层位以上的富有机质页岩段尚缺少直接的微生物化石证据。本研究在对牛蹄塘组富有机质页岩储层段进行精细研究的过程中发现了微生物化石，同时，来自该层段的有机地球化学数据也具有微生物起源的特征，这就为牛蹄塘组页岩储层中有机质的微生物起源提供了有力证据。

1　研究区概况

岩芯样品采自宜宾珙县的一口天然气勘探井牛蹄塘组的取芯段（图1）。牛蹄塘组及其同期地层（主要包括：筇竹寺组、石岩头组、郭家坝组、水井沱组和小烟溪组）岩性和厚度的空间变化表明，扬子地台在早寒武世时期发生了一次广泛的海侵过程［13-14］。从岩相古地理图可以看出，华南地块在早寒武世可分为4个带（图1b）［13-16］，研究所选样品的采样点位于台地内带（图1b）。牛蹄塘组的上覆地层为明心寺组，二者之间为整合接触关系；其下伏地层为震旦系灯影组，二者之间为平行不整合接触关系。从牛蹄塘组的岩相划分可以看出，该地层的主要岩相包括：页岩、泥岩、和粉砂岩（图1c），发现微生物化石的层段就位于这3种岩相的优势分布层位，这些层段也是该地层有机质较为富集的层段（3 250∼3 430 m），丰富的有机质通常形成于较为还原的环境，这样的沉积环境也有利于微生物体的保存。

2　测试方法

微生物化石形态观测及化学组分测试采用美国科视达公司产QuantaTM450环境扫描电子显微镜（FSEM）-X射线能量散射谱（XEDS）系统。样品前处理过程为：敲取岩芯中心部位的新鲜面，置于无水乙醇中超声波清洗5 min，低温（60◦C）烘干后镀金，测试在仪器高真空模式下进行。

岩芯正构烷烃和类异戊二烯类化合物测试步骤为：（1）先用超纯水对岩芯样品进行超声波清洗3遍，以除去钻井液中的水溶性聚合物；再用二氯甲烷对样品进行超声波清洗3遍，以除去岩芯表面来自油基钻井液的有机物污染；样品冻干后，磨碎过100目筛。（2）准确称取10 g已研磨样品，加10 g焙烧过的无水硫酸钠，混匀后用滤纸包样，活化铜片脱硫，用二氯甲烷连续提取24 h。提取液在旋转蒸发仪上浓缩至约2 mL，加5 mL的正己烷置换溶剂，净化后的液体用柔和的高纯氮气吹至0.2 mL，氮吹后的样品中加入硅烷化试剂（BSTFA）60 μL，密封并充氮保护，在70◦C条件下加热3 h，放置过夜。样品冷却后，加入4 μL内标物放入冰箱中待测。（3）生物标志化合物检测采用GC-MS分析（Agilent，7890A/5975C），色谱柱为HP-5MS毛细管柱（30.0 m×0.32 mm×0.25 μm）。载气为高纯氦气，流速为1 mL/min，进样口温度280◦C，升温程序为初始温度50◦C，保持1 min后以20◦C/min升温至200◦C，然后再以10◦C/min的速度升温至290◦C，保持15 min。无分流进样，进样量1μL。EI电离源70eV，离子源温度230◦C。全扫描模式采集数据，使用内标法对可溶有机质进行定量。分析所用的正己烷、二氯甲烷试剂均为农残级，购自美国Fisher公司。无水硫酸钠（分析纯）于550◦C马弗炉中灼烧8 h，置于干燥器中冷却备用；滤纸和脱脂棉经二氯甲烷抽提72 h后风干，密封干燥备用。

图1　采样点及研究区位置、古地理及岩性柱状图Fig.1　Sampling and study area location，palaeogeography and lithological column

3　结　果

3.1储层岩石学特征

研究区牛蹄塘组地层主要岩相有3种：粉砂岩、页岩和泥岩。粉砂岩相段以钙质胶结石英粉砂岩为主，夹有部分薄层泥岩，从粒度变化上可呈现出韵律特征。粉砂岩相段岩石颜色以灰色为主，镜下矿物组分显示其有机质含量不高，黑色有机质不均匀地分散于岩石基质中，粉砂成分主要是石英，偏光下成灰白色，加石膏补色器后变为二级蓝色，碳酸盐胶结物呈它形充填与粉砂石英的粒间孔隙中，干涉色为高级白（图2a∼图2c）。页岩岩相段岩石黏土矿物含量较高，以伊利石、蒙脱石及其混层矿物为主，有机质含量较之于粉砂岩要高，有机质和黏土矿物沿长轴方向呈现出一定的定向性；碎屑组分以石英和长石为主，干涉色均为一级灰白，碳酸盐矿物组分较少（图2d∼图2f）。泥岩相段岩石有机质含量最高，有机质呈细粒状较为均匀地分散于岩石基质中，无机矿物组分粒度较细且大小均匀（图2g∼图2i）。

图2　牛蹄塘组页岩岩芯显微照片Fig.2　Microscopic images of core shale of Niutitang Formation

3.2化石形态

牛蹄塘组发现微生物化石的层段为3 250∼3 430 m的泥、页岩层段，在扫描电镜照片中可以发现一些具同心环状结构和球形细胞状颗粒，无论从形态还是大小上这些颗粒都与藻类或细菌非常相似（图3a∼图3k）。许多以往的研究成果都报道过这类化石的存在，如前寒武纪燧石岩中的蓝藻化石［2-4］，保存于古生代燧石岩和碳酸盐岩中的细菌化石［12，17］。但由于微生物化石个体及其微小，且经常被矿物和岩石基质所包裹，因此，微生物化石样品前处理步骤中通常都包括酸蚀过程（HCl或HF），但在酸蚀过程中又会在样品上形成一些外部形态与微生物化石难以区分的次生矿物沉淀［18］，这就为化石的鉴定工作带来了困难。为了避免次生矿物的形成，本研究所选取的样品均未经过酸蚀处理，不会产生此类污染。除次生矿物污染外，现代微生物的污染是导致微生物化石误判的另一个主要原因。排除现代微生物污染最常用的方法就是观察并分析来自微生物化石的埋藏学特征，通常一个化石埋藏或半埋藏于岩石基质或矿物中，或是化石在某种程度上呈现出经历过压实的特征，就可以将其认定为原生微生物化石而非污染物［17-18］。此外，采用无水乙醇超声波清洗，不但能洗去样品表面的污染物（包括粘附于表面的矿物碎屑和现代微生物），还会使一些黏土矿物层和岩石基质脱落，使包裹于其中的微生物化石暴露出来。图3d∼图3h中所有化石都呈现出半埋藏的特征，图3a，图3b，图3c，图3i，图3j，图3k中白色箭头所标示的化石处于埋藏状态，加之所有化石都有不同程度的压扁现象，据此可推断这些化石是原生的，而非污染物。

图3　牛蹄塘组组泥、页岩中的微生物化石扫描电镜照片Fig.3　SEM photos of microorganism fossils in shale and mudstone of Niutitang Formation

虽然从形态上可以看出这些微生物化石都呈现出球形，但从其表面纹饰和局部形态特征仍可以将这些化石大致分为3类：同心环状结构，表面光滑的球体以及细胞壁开口的球体。图3d，图3f，图3h所展示的微生物化石均具有不同的同心环状结构，这与现生的某些蓝藻非常相似（图3l）；但三个个体的压扁程度不同，其中，半埋于碳酸盐矿物中的化石（图3f）压扁程度要明显低于其余两个埋藏于黏土矿物中的微生物化石。这主要是由于泥、页岩成岩作用过程中黏土矿物会大量脱去其层间水，从而使得层间孔隙度大大降低，埋藏于其中的微生物化石会被强烈压实而趋于扁平。而被碳酸盐包裹的化石在经历压实作用的过程中会受到碳酸盐矿物的保护，其压扁程度便不会那么高。图3i，图3j，图3e所展示的化石是具有光滑表面的球体，这类化石主要存在于碳酸盐矿物中，其压扁程度也不高，现生许多球状藻类和细菌都具有这种表面光滑的球体结构（图3m，图3n，图3o）。图3g，图3k中的化石压扁程度最低，基本保持了三维状态，从图中可以看出其恰好镶嵌于黏土矿物和碳酸盐矿物形成的颗粒间孔隙中，矿物为其承受了绝大部分的上覆压力，因此该微生物化石的形态得到了较好地保存。在该化石的细胞壁上还有一道明显的裂口，这表明该细胞也许正处于分裂阶段，其特征与现代海洋中单细胞球状绿藻极为相似（图3n，图3o）。

图4　微生物化石X射线散射能谱图Fig.4　X-ray energy dispersive spectrogram of microorganism fossils

3.3化石化学组成

对化石化学组分采用X射线散射能谱（EDS）进行测试，结果如图4所示。可以看出，这些微生物化石的化学成分存在较大的差异。同心环状微生物化石（图4a，图4b）中能检测出8种元素，包括C（18.85%）、N（13.23%）、O（13.27%）、Mg（1.30%）、N（51.18%）、O（12.16%）和Ca（21.26%）4种元素组成（图4c，图4d）；细胞壁开口的球状微生物化石成Al（11.79%）、Si（26.24%）、K（7.50%）及Fe（7.81%）；表面光滑的球状微生物化石主要由C（15.41%）、分最简单，仅由C（25.54%）和N（74.46%）两种元素组成（图4e，图4f）。

化石之间化学成分出现这种差异主要是由其在成岩过程中所处流体介质的成分差异造成的，被矿物包裹的化石通常表现出与矿物相似的化学成分，因此，图4a中的化石除C和N外其余成分都与黏土矿物类似，图4c中的化石成分则与碳酸盐相似；而图4e中化石处于孔隙中，其变化主要受到热降解作用的影响，因此成分较之于前两者更简单。尽管化学组成和含量上存在差异，但从这些化石中都能检测出含量较高的C、N和O，这3种元素是构成现代藻类、细菌和真菌等微生物细胞壁的主要元素［1，22］。除现代微生物外，C、N和 O也是有机化石的主要化学成分，Cody等用近边X射线吸收光谱（XANES）证明，保存于古生代白云岩中的几丁质-蛋白质混合物的主要元素化学成分就是C、N和O［23］。因此，这些化石同时含有较多的C、N和O为其源于微生物提供了有力的证据。

3.4有机地球化学特征

3.4.1正构烷烃

来自牛蹄塘组页岩不同层位的岩芯检测出了nC12∼nC32完整的正构烷烃序列，所有样品都呈双峰态分布，其主峰碳为nC16，除样品O5的次峰为nC27外，其余样品的次峰均为nC23（图5）。nC17/nC31值为0.99∼9.49，nC21−/nC22+值为1.01∼2.50，显示出轻烃组分占有绝对优势；而除样品O2的CPI（碳优势指数，计算公式据文献［24］）为1.07为奇碳优势外，其余样品的CPI均小于1，为明显的偶碳优势（表1）。

图5　正构烷烃、类异戊二烯质量色谱图和正构烷烃分布特征Fig.5　GC-MS spectrogram of normal paraffin and isopenoid and normal paraffin distribution

表1　牛蹄塘组页岩气储层正构烷烃和类异戊二烯化合物参数表Tab.1　Normal paraffin and isopenoid indexes of Niutitang shale gas reservoir

通常情况下，低碳数（nC15、nC17、nC19）正构烷烃通常代表藻类来源的有机质输入［10］，而牛蹄塘组页岩储层的正构烷烃组成并未体现出常见的奇碳优势。盛国英等研究发现，不仅低碳数正构烷烃奇碳优势可以反映有机质的微生物输入，同样，正构烷烃低碳数偶碳优势也可能反映原始有机碳母质中来自某些微生物所特有的偶碳正烷烃优势［25］；此外，偶碳优势还可能与某些特定的地质环境有密切关系，如高盐度、强还原条件。除低碳数偶碳优势外，样品正构烷烃的双峰分布还指示了底栖和浮游藻类的双重输入［26］。

3.4.2类异戊二烯烃

正构烷烃外，样品中还检测出了较高含量的类异戊二烯烃，如姥鲛烷、植烷和角鲨烯（图5）。姥鲛烷（Pr）和植烷（Ph）最主要的来源是光合生物的叶绿素a、细菌叶绿素a和b的植基侧链以及古细菌细胞膜；角鲨烯作为多环萜类、甾类和胡萝卜素的前驱物而广泛地存在于生命体中，沉积有机质中的角鲨烯主要来源于古细菌的输入［27］。因此，在样品中检出这些类异戊二烯烃物质，可以作为烃源物质起源于藻类、光合细菌和古菌类微生物的有力证据，这与微体古生物化石和正构烷烃分布特征所指示的有机质来源是一致的。

姥鲛烷和植烷的前驱物为叶绿素的植基侧链（植醇），其在转化过程中受氧化还原条件影响很大。在氧化条件下植醇会脱羧而优先转化为姥鲛烷，而在还原条件下植醇会由于氢化作用而形成植烷。因此Pr/Ph值可以用来判断沉积环境的氧化还原条件，当Pr/Ph＜1时，表明烃源岩处于缺氧的还原沉积环境，当Pr/Ph＞1时，表明烃源岩处于氧化的沉积环境［28-29］。样品的Pr/Ph值为0.83∼1.23，深度为3 371∼3 402 m的O2∼O3号样品的Pr/Ph＜1，表明其沉积环境为还原条件；而样品O1和O5的Pr/Ph值分别为1.22和1.23，表明其形成于氧化环境。从样品Pr/Ph在纵向上的变化特征可以发现，研究层段沉积环境并不是一直处于缺氧状态，在其形成过程中极有可能经历过间歇性的充氧过程。样品的Pr/nC17值为0.79∼1.28，其变化趋势与Pr/Ph值类似；而Ph/nC18值为0.34∼1.01，其变化没有明显的规律（表1）。

4　结　论

（1）下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩段微生物化石的发现为有沉积有机质的微生物起源提供了直接的化石证据；此外，牛蹄塘组页岩的正构烷烃体具有低碳数偶碳优势，加之类异戊二烯烃的检出，进一步证明了该层段沉积有机质起源于微生物作用。

（2）样品的Pr/Ph值在纵向上的变化特征自下而上为：Pr/Ph＞1−→Pr/Ph＜1−→Pr/Ph＞1，表明其沉积环境为氧化−→还原−→氧化，该特征指示牛蹄塘组页岩形成过程中极有可能经历过间歇性的充氧过程，这一特征对页岩气勘探有利层段的确定具有重要意义。

致 谢：南京大学边立增教授阅读了初稿，并提出了许多建议；同时，西南大学有机地球化学实验室孙玉川博士在测试过程中给予了许多帮助，作者在此一并致谢。

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张廷山，1961年生，男，汉族，贵州贵阳人，教授，博士生导师，主要从事沉积地质学、古生态学研究。E-mail：zts_3@126.com

伍坤宇，1986年生，男，汉族，四川自贡人，博士研究生，主要从事非常规油气储层地质、地球化学研究。E-mail：wukunyu1986@126.com

杨 洋，1981年生，男，汉族，四川安县人，讲师，博士，主要从事非常规油气储层地质、油田数字化研究。E-mail：yacoco1981@126.com

罗玉琼，1965 年生，女，汉族，四川南充人，高级实验师，主要从事油气储层微观分析。E-mail：lyqswpi@ 126.com

龚齐森，1986年生，男，汉族，四川宜宾人，助理工程师，主要从事非常规油气勘探。E-mail：408671481@qq.com

编辑：张云云

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Evidence of Microbial Origin of Organic Matters of Niutitang Shale Gas Reservoir

Zhang Tingshan1，2*，Wu Kunyu1，2，Yang Yang1，2，Luo Yuqiong1，Gong Qisen3
1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China 2.School of Geosciences and Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China 3.Shale Gas Investment Limited Company，Chongqing Energy Investment Group，Nan′an，Chongqing 400060，China

Evidences of microbial origin of organic matters of Niutitang shale gas reservoir were discussed from both micropaleontological and organic geochemical perspectives.The environmental scanning electronic microscope-energy dispersive spectrometry system（ESEM-XEDS）was applied to analyze the morphology and chemical compositions of microfossils；in addition，the extracts of shale core were tested by using gas chromatography-mass spectrometry（GC-MS）method.Results indicate that all the microbial fossils discovered in Niutitang shale are of high N and C content（more than 30%）and all the fossils can be subdivided into three types，including concentric circularity shape，smooth coccoid shape and coccoid shape with a surface crack.The extracts test results indicate that normal paraffin ranging from nC12∼nC32were detected，and is characterized by light n-paraffin and even-carbon-number predominance（main peak is nC16）.In addition，some isoprenoid were also detected from extracts e.g.pristine，phytane，and squalene.The discovery of microorganism fossils and organic geochemical characteristics of shale cores provides strong evidences for flourishing of microorganism in Yangtze Shelf Sea during Sinian to Early Cambrian period and the microbial origin of hydrocarbon source materials of Niutitang Formation.

shale gas reservoir；organic matters；microbial fossil；organic geochemistry；Niutitang Formation

10.11885/j.issn.1674-5086.2014.07.05.03

1674-5086（2015）02-0001-10

TE122

A

2014-07-05网络出版时间：2015-03-23

张廷山，E-mail：zts_3@126.com

国家自然科学基金（41302023）；教育部博士点基金（20125121130001）；四川省教育厅科研基金（13ZB0190）。