柴北缘下侏罗统煤系不同岩性烃源岩显微组分组成及其生烃意义差异性探讨

于长江，赵兴华，黄光辉*，李嘉琦

（1.长江大学资源与环境学院，湖北武汉 430100； 2.塔里木油田公司东河采油气管理区地面工程部，新疆库尔勒 841000）

通常而言，在潮湿温和的气候条件下，在沼泽环境的沉积体系中，由于被生长植物缓慢充填，从水底深部往上往往可形成不同的沉积岩石类型（图1），即煤系泥岩、炭质泥岩和煤［1］。煤主要形成于近岸区，以高等植物为主的有机质以原地生成方式为主。在某些特定条件（如在洪泛期，或是相对远离近岸区）下可形成“微异地生成”煤，其碎屑成分和矿物含量均明显较高，对经济开采来讲常成为“劣质煤”或是炭质泥岩，煤系泥岩则主要形成于水体相对较深的远岸区。煤系的发育特点，也决定了煤系不同岩性烃源岩中有机显微组分的含量和组成既存在一定的可比较性，也存在明显的差异性。显然，这些差异性对煤系不同岩性烃源岩的生烃潜力及资源评价具有重要的积极意义。

图1 植物充填湖泊形成不同类型有机软泥和泥炭的层序Figure 1 Sequences of different types of organic mud and peat formed by plants filling lakes

本文以柴达木盆地北缘（柴北缘）下侏罗统煤系为例，通过对不同岩性烃源岩显微组分、亚组分含量与组成差异性的分析，结合对应岩性烃源岩热解数据参数特征及其与显微组分对应关系的分析，探讨柴北缘煤系不同岩性烃源岩中显微组分生烃贡献差异性及其地球化学意义，为柴北缘煤系的油气勘探和资源评价提供有利线索。

1 研究概况

侏罗系含油气系统是柴达木盆地三大含油气系统之一［2-3］，油气产量和资源贡献量突出，具有油、气并重的特点，而煤系烃源岩是其煤成油气的主要源岩。随着柴北缘阿尔金山前千亿方规模气田的发现，学者们对柴北缘侏罗系煤系烃源岩生烃条件展开相关研究，对该区域油气勘探具有重要意义［4］。

柴北缘侏罗系煤系烃源岩主要分布在阿尔金山前的坪西、坪东及冷湖凹陷，祁连山前的台东、鱼卡、尕丘、红山凹陷也有分布。柴北缘东部的结绿素、路乐河、大煤沟等野外露头剖面，煤层厚度大，煤系普遍发育［5］。有关柴北缘侏罗纪煤系的显微组分组成特点，前人己进行过部分相关研究［6-8］。研究方法也以干酪根的研究方法为主，对煤系不同岩性烃源岩中显微组分组成的对比较少，也少有与生烃潜力的对比讨论。

2 显微组分含量与组成差异

依据显微组分分类的行业标准［9］，对柴北缘下侏罗统煤系样品进行全岩光片镜检，整理得到显微组分含量、显微组分组成及亚组分相对组成数据。研究表明，煤系烃源岩中显微组分含量具有明显的差异性和渐变性（表1）。其中，煤系泥岩、炭质泥岩、煤的形态显微组分（TMC）含量分别为6.29%、29.80%、76.75%，呈现出煤系泥岩＜炭质泥岩＜煤的趋势。对柴北缘煤系而言，显微组分含量特征的差异性和渐变性，体现出不同岩性烃源岩TOC 含量的差异，实质上也反映了不同岩性烃源岩成岩环境有机质富集规律的差异性与渐变性。在煤系发育的沼泽环境中，从近岸区到远岸区水体深度逐渐加深，烃源岩有机质来源和堆积方式产生变化。通常而言，煤系泥岩主要形成于水体较深的远岸区，高等植物和藻类少量输入，有机质来源相对缺乏且被搬运后异地堆积，故形态显微组分含量低，无机矿物成分含量相对较高。煤则主要在近岸区原地生成［1］（几乎所有的可采煤都是原地生成），有机质来源丰富且以高等植物为主，故形态显微组分含量高，无机矿物成分含量较低。炭质泥岩介于二者之间。

表1 柴北缘下侏罗统煤系烃源岩显微组分含量与组成Table 1 Maceral content and composition of J1 source rocks of coal measures in Northern Qaidam Basin

柴北缘煤系不同岩性烃源岩的显微组分相对组成特征具有相似性，也存在明显的差异性（表1和图2a）。总体上显微组分组成中，镜质组相对含量很高，有一定含量的壳质组和惰性组，腐泥组（藻类体）含量极低，矿物沥青基质不发育，表现出典型的煤系特征。但在不同岩性的煤系烃源岩中，从煤系泥岩、炭质泥岩到煤，镜质组相对含量逐渐升高，平均相对组成含量分别为67.09%、77.58%、81.97%，而壳质组平均含量（分别为19.55%、10.74%和7.01%）与腐泥组平均含量（分别为1.11%、0.13%和0.07%）逐渐降低。依据显微组分计算的有机质类型指数（TI）呈现出煤系泥岩＞炭质泥岩＞煤的特点。单从这一特征分析，煤系泥岩的有机质类型应优于同层位的炭质泥岩和煤。

图2 不同岩性烃源岩显微组分及亚组分组成三角图Figure 2 Triangular diagram of macerals and sub-component composition in different types of source rocks

3 亚组分组成差异

烃源岩中显微组分及亚组分的划分主要依据其来源以及形成后的形态特征和光学性质的差异。相同显微组分组中的组分，其来源、化学性质往往具有一定的相似性，但其亚组分在几何形态和光学性质上存在较大差别。最为典型的就是镜质组的组分组成和亚组分组成。

镜质组是柴北缘煤系烃源岩显微组分中的优势成分，其有机质来源为高等植物木质纤维素。行业标准中将镜质组中的亚组分分为结构镜质体、均质镜质体、团块镜质体、基质镜质体和碎屑镜质体（镜屑体）等亚组分。其中，从结构镜质体、均质镜质体到基质镜质体，形成过程中木质纤维素的凝胶化作用程度逐渐增强；而镜屑体的形成与有机质搬运堆积过程中的机械破碎作用有关。

柴北缘下侏罗统煤系中，镜质组亚组分组成差异明显（表2、图2b）：在镜质组的相对组成中，不仅结构镜质体的含量较高，而且基质镜质体的含量同样较高，但其镜屑体的含量明显较低，在图2b 中点群相对集中。而在煤系泥岩中，结构镜质体少见，具有一定量的基质镜质体，镜屑体含量高，且样品点群较分散。炭质泥岩特征总体介于两者之间。

表2 下侏罗统不同类型烃源岩镜质组亚组分组成特征Table 2 Triangular diagram of subcompositionin of vitrinites in different types of J1 source rocks

据赵红静等的研究，同层位不同岩性的煤系烃源岩，Pr/Ph 值的分布具有规律性［10］。从煤、炭质泥岩到煤系泥岩，水体还原性随水体深度加深而增加，Pr/Ph 值呈降低趋势。也就是说，煤系泥岩具有更低的Pr/Ph 值，应利于凝胶化作用的进行。但在柴北缘下侏罗统煤系样品中，炭质泥岩和煤的基质镜质体含量更高。可见，煤系镜质组亚组分组成的差异，不仅与水体环境的氧化还原电位有关，还可能与环境水体的能量和有机质的堆积方式等有关。低能滞流环境的原地堆积，有利于基质镜质体的形成。

不同岩性烃源岩碎屑微组分的相对含量特征是值得注意的。镜屑体在镜质组中的相对含量平均高达40.67%，显然高于炭质泥岩的平均11.48%和煤的平均3.51%。表明其镜质组经受了较强的机械搬运破碎作用，堆积方式以异地堆积为主。此外，如图2b所示，煤系泥岩样品点分布较离散，主要是由于沉积条件差异大，造成亚组分组成差别较大。壳质组亚组分组成的差异性主要体现在壳屑体的含量上。如图2c所示，总体上壳质组亚组分组成以孢子体和角质体为主，壳屑体含量差异明显，树脂体含量低。煤系泥岩中壳屑体的相对含量明显高于炭质泥岩和煤。惰性组中对应的屑碎成分的组成基本也呈现了这一特点（图2d）。因此，在不同显微组分组中对应碎屑成分的相对含量呈现了较好的正相关性（图3）。

图3 不同显微组分组中对应碎屑体含量关系Figure 3 Relationship of corresponding debris content in different maceral groups

值得注意的是，镜质组与惰性组属于脆性成分，搬运过程中易于破碎。但对壳屑体而言，尽管与镜屑体相对含量变化趋势一致，但成因特征上可能有所不同。众所周知，壳质组又称为稳定组，是物理性质和化学性质稳定的富氢组分，搬运过程中不易破碎。王铁冠等对大港油田板桥凹陷古近系烃源岩的研究认为，其中存在的大量壳屑体，是细菌微生物强烈降解高等植物有机质的残余物，是生物化学作用阶段的产物［11-12］。

4 显微组分组成差异性与生烃潜量、氢指数关系

显微组分是油气生成的物质基础，不同显微组分的生烃性质差异也较为明显［13-17］。一般认为，烃源岩中的壳质组和腐泥组是主要富氢组分，镜质组的生烃意义较弱。因此，在有关煤系不同岩性烃源岩生烃潜力和生烃作用差异的研究中，大部分学者将有机显微组分的含量和性质作为研究重点［18-20］。而有关煤系不同岩性烃源岩中相同显微组分的化学组成及其生烃意义差异的信息极少。通常认为，同一层煤系不同岩性烃源岩中的相同显微组分，其生烃意义是大体相同的。

从柴北缘煤系不同岩性烃源岩显微组分与生烃潜量的关系（图4）可以看出，由于煤系中藻类体含量极低，因此，壳质组无疑是重要的生烃组分。但同时也可以看出，镜质组中的基质镜质体，可能也存在重要贡献。事实上，有关基质镜质体的作用和生烃贡献问题，国内外己见有大量的文献报道。可见，对柴北缘煤系而言，主要的生烃组分就是烃源岩中的壳质组和基质镜质体。

图4 不同岩性烃源岩显微组分含量与生烃潜量（Pg）关系Figure 4 Relationship between maceral content and Pg of different lithologic source rocks

值得注意的是，单从图4，仅能反映煤系中的主要生烃组成，而不能体现煤系不同岩性烃源岩中显微组分组分组成的差异与烃源岩生烃性质的关联。

生烃潜力是烃源岩有机质丰度、类型和成熟度的综合反映。柴北缘下侏罗统不同岩性烃源岩，表征有机质丰度的热解参数（TOC 和Pg值）差异明显（表3）。显然，这是煤系烃源岩依据TOC 含量进行岩性划分的必然结果。

表3 侏罗系不同类型烃源岩热解参数分布特征Table 3 Distribution characteristics of pyrolysis parameters of different types of Jurassic source rocks

研究表明，煤系不同烃源岩中，与有机质类型有关的氢指数（IH）和降解率（D）的同样具有明显的差异性。下侏罗统煤系烃源岩中：10 个煤系泥岩样品，IH平均值仅110.23 mg/g·TOC，D平均值也仅9.15%；18 个炭质泥岩样品IH平均为192.29 mg/g·TOC；D平均为15.96%，明显高于煤系泥岩。19 个煤样，IH平均值为197.01 mg/g·TOC，D平均值为16.35%。氢指数和降解率总体上呈现出煤＞炭质泥岩＞煤系泥岩的分布特点，表明煤和炭质泥岩的有机质类型好于煤系泥岩。对比不难看出，这与有机质类型指数TI的分布存在明显矛盾，也与煤系不同岩性烃源岩中“壳质组+腐泥组”（E+S）的相对含量特征不一致。即煤系泥岩中，（E+S）相对含量明显较高，但其IH和D反而较低。图5 中的分布特征更加直观地反映了上述特点：煤系泥岩中，（E+S）占显微组分含量明显较高，平均值约20.66%，显著高于炭质泥岩（平均10.87%）和煤（平均7.08%），但其氢指数反而仅为110.23mg/g·TOC；在炭质泥岩和煤中，尽管（E+S）平均值较低，但其氢指数反而较高。

图5 不同岩性烃源岩显微组分组成中（E+S）、Vb含量与氢指数（IH）关系Figure 5 Relationship between IH and the content of（E+S）、Vb in different types of source rocks

5 结果与讨论

从上述分析可以看出，柴北缘下侏罗统不同岩性的煤系烃源岩，不仅显微组分的含量差异较大、显微组分的组成特征存在较大的差异性，而且有机质的氢指数和降解率也存在较大的差异性。总体特征：煤系泥岩的（E+S）相对含量明显较高，但以壳屑体为主，镜质组组成也以镜屑体为主，氢指数低；而煤和炭质泥岩中，（E+S）含量较低，但以完整形态的孢子体和角质体为主，镜质组中镜屑体含量低，基质镜质体含量高，氢指数（IH）和降解率（D）相对较高。

以往的研究表明，对煤系烃源岩而言，壳质组与腐泥组是主要的生烃组分，但镜质组中的基质镜质体也存在重要的生烃贡献。单组分的实验分析表明，壳质组和腐泥组的氢指数总体上明显高于镜质组的氢指数。图5 中不同岩性烃源岩的分布特征、有机质类型指数与IH的矛盾现象（表3）及显微组分中亚组分组成的差异性（图2b、2c、2d，图3，表2）可能表明，即便相同的显微组分，由于成因过程差异性导致的亚显微组分组成差异，其化学性质和生烃性质也可能存在不同。换句话说，如果煤系不同岩性烃源岩中相同显微组分的生烃意义相同，且E和S的氢指数总体上明显高于镜质组的氢指数，则不可能出现煤系泥岩中（E+S）明显较高、但其IH和D反而明显较低的情况。也就是说，经过微生物作用后残存的壳屑体，与以原地堆积为主、形态特征完整的壳质体（柴北缘主要为孢子体和角质体）的氢指数与生烃潜力是存在差异的。

事实上，不同岩性烃源岩中相同显微组分，由于成岩作用过程的差异，可使其化学组成和生烃性质发生改变。不同学者有着不同的认识：①在我国南方古近系同一地层的褐煤中存在三种类型的树脂体，其来源基本相同，但生烃潜力差别较大［12，21］；②不同地区煤系样品中分离出的成熟度接近的显微组分，其生油气性质有较大差异；③在研究吐哈盆地侏罗纪煤系中基质镜质体的生烃作用时，基质镜质体的生烃作用主要取决于其中存在的超微类脂体的含量［22-24］。煤系泥岩中镜质组的生烃作用较弱，基质镜质体的生烃作用主要表现在煤和炭质泥岩中，其超微类脂体的含量较高。由于镜质组本身来源于木质素和纤维素，不具有富氢特点，基质镜质体的生烃作用主要与细菌微生物的作用有关［22-24］。

通过上述分析不难看出，壳屑体的成因和基质镜质体的生烃作用均与生物化学作用阶段细菌微生物的作用有关。事实上，不管在大港油田板桥凹陷富含壳屑体的古近系烃源岩中，还是在基质镜质体生烃作用明显的煤中，均检测出了十分发育的细菌生源化合物［25］。也就是说，在烃源岩有机质的沉积、成岩作用过程中，生物化学阶段细菌的作用对烃源岩的生烃作用具有重要影响。

众所周知，自然界中的细菌主要以化能异养细菌为主，光合细菌的分布极为局限。化能细菌的碳源或能源均以活能生物死亡后的有机质为主。对沉积盆地而言，则主要以光合生物有机质为主。因此，在细菌的代谢作用过程中，一方面会消耗、分解有机质，同时也通过合成代谢作用形成具有自身特点的有机质，即再生有机质［26］。因此，沉积有机质的构成主要存在两大部分，一部分为原始输入有机质经细菌微生物作用的残余物，另一部分则为经过细菌微生物代谢作用形成的再生有机质，即细菌有机质。对煤系烃源岩而言，煤系泥岩中广泛发育的壳屑体就是细菌代谢作用的残余物。而基质镜质体中的超微类脂体，则主要为细菌通过代谢作用形成的再生有机质。

通常认为，对沉积盆地而言，微生物对有机质沉积作用的影响主要体现在下述三个方面［27］：第一，消耗、分解有机质。这也是自然界中有机碳循环的核心内容；第二，贡献了具有细菌来源特征的再生富氢有机质；第三，利于有机质的保存。有机物界面（或有机物墙）是指Eh=0 的条件。也就是说，只有在Eh＜0 的还原条件下，生物体的生物化学成分才能得以保存并成为沉积有机质。充氧条件下有机物的微生物氧化降解过程是分解代谢中的主要过程。在这一过程中，微生物主要通过四种途径，即EMP途径、HMP途径、ED途径和TCA循环，消耗、分解有机质，生物大分子的前体（底物）及降解产物在酶（特别是需氧脱氢酶）作用下脱下氢及电子，经完整的呼吸链（电子传递链）递氢，并通过一系列酶促反应与游离氧结合成水，并释放出能量、CO2和H。也就是说，化能异养微生物的有氧呼吸，可大大降低环境中的游离氧。值得注意的是，化能细菌还有非常重要的作用是被忽视的，就是降低底物有机质（原始有机质）的富氢程度。不仅微生物的有氧呼吸会降低营养底物中的氢，在无氧呼吸过程中，不需氧脱氢酶可激活代谢物分子中的氢，使脱出的氢转移给递氢体或非分子氧，可利用亚甲蓝为受氢体。厌氧甲烷菌产生生物甲烷气的过程就是典型的无氧代谢过程。当缺乏营养时，则只能通过内源呼吸氧化自身的细胞物质而获得微生物生命活动所需的能量，因此，无氧呼吸有耗尽呼吸底物有机物的危险。对有机质含量较低的煤系泥岩而言，随TOC 下降，IH也可能降低。对柴北缘6 个TOC 含量低于2%的煤系泥岩的统计表明，其IH仅51.18mg/g·TOC（图6）。可见，充足的有机营养底物，对烃源岩有机质的富氢程度具有保护作用。由此可见，壳质组中的壳屑体是原始有机质经过细菌代谢作用的残余物。因此，其富氢程度和生烃潜力已经发生了明显降低。

图6 下侏罗统煤系烃源岩TOC含量与氢指数（IH）关系Figure 6 Relaionship between TOC and IH of Lower Jurassic source rocks of coal measures

为进一步探究柴北缘煤系不同岩性烃源岩生烃差异性的根本原因，对冷科1 井下侏罗统煤系泥岩和煤的生物标志物组成、显微组分组成和氢指数进行对比分析。如图7 所示，从传统的地球化学观点分析，与冷科1 井4 481.0 m 煤样比较，冷科1 井3 485.8 m 煤系泥岩的甾烷组成中C27甾烷相对丰度明显较高、甾/藿比更高、显微组分组成中“壳质组+腐泥组”含量更高，且其埋深也显著较浅，即成熟度也相对较低。因此，3 845.8m 煤系泥岩的氢指数（IH），应明显高于埋深为4 481.0m 煤样。但实际结果显示，煤样的氢指数为234.7 m/g·TOC，反而高于3 485.8m 的煤系泥岩。根本原因，甾烷类化合物主要来源于光合生物，包括高等植物和水生藻类，代表了原始有机质的生源贡献。而对细菌生源有机质而言，细菌有机质中基本不含有甾醇类化合物，细胞膜中主要以藿烷类化合物为主，因此甾烷的组成面貌没有体现细菌有机质（也就是再生有机质）的贡献。因此，尽管煤系泥岩中“壳质组+腐泥组”相对含量较高，但以壳屑体为主，镜质组组成中同样以镜屑体为主，氢指数反而较低。而在煤样中，尽管（E+S）明显较低，但镜质组中基质镜质体含量高，氢指数反而明显较高，突出体现了基质镜质体的生烃贡献。

图7 冷科1井下侏罗统煤系泥岩和煤生标组成与烃源岩显微组分组成和IH对比Figure 7 Comparison of composition of biomarkers and macerals with IH between coals and coal-measure mudstones in Lower Jurassic from well Lengke 1

可见，生物化学作用阶段的细菌作用是把“双刃剑”。一方面，对相对贫氢的高等植物有机质而言，细菌代谢有机质的加入一方面可改善有机质的富氢程度，同时，细菌微生物对原始有机质的分解、消耗及通过递氢过程也会大大降低原始有机质的丰度和富氢程度。因此，煤系环境中有机质的保存条件（Eh＜0）就显得尤为重要。对煤系而言，由于Pr/Ph 值通常较高，还原性相对较弱，因此，基质镜质体的生烃作用还与其前身物——腐殖凝胶体的微环境有关。微生物的代谢作用在消耗其中游离氧的同时，也为细菌有机质的保存提供有利的条件。

6 结论

1）柴北缘下侏罗统不同岩性的煤系烃源岩，显微组分组成既存在相似特征，也存在一定的差异性和渐变性。总体特征是煤系泥岩中“壳质组+腐泥组”相对含量较高，壳质组组成以壳屑体为主，镜质组中镜屑体十分发育；而煤和炭质泥岩中，壳质组相对含量低，但以完整形态的壳质组组分为主。镜质组中基质镜质体含量明显较高，镜屑体不发育。这些特征是有机质来源、堆积方式和生物化学作用阶段的细菌微生物作用强度的综合反映。

2）煤系烃源岩中的主要生烃组分为壳质组和基质镜质体。但不同岩性烃源岩中相同生烃显微组分的生烃意义存在一定差别。差异的大小不仅与不同岩性烃源岩中原始有机质的来源有关，还与生物化学作用阶段微生物作用程度和有机质的保存条件有关。

3）柴北缘煤系不同岩性烃源岩中显微组分组成、亚组分组成的差异及生烃意义的差异可能具有普遍意义。细菌微生物的分解代谢和合成代谢作用不仅可以消耗、分解原始输入有机质、形成具有自身特点的再生有机质、消耗环境中的游离氧，同时也可降低原始有机质的丰度和富氢程度。煤系中壳屑体是壳质组前身物通过细菌代谢作用的残余物。煤系中基质镜质体的生烃作用主要与细菌有机质形成的再生有机质有关，形成基质镜质的腐殖凝体，为再生有机质保存提供了有利条件。