显微镜下的神秘世界-走进石油天然气母质

当人们享受化石能源带来的便捷时，可曾注意到油气资源的勘探和开采背后石油地质人不懈的努力？石油、天然气与固体矿产不同，它在地下是流动的，寻找石油与天然气不但要研究它的生成，更要了解它的运移和聚集，要从各个角度了解它的一生。为获得透彻的了解，勘探和开发过程中各种物理、化学的研究方法层出不穷，其中最直观的要数显微镜下对岩石中石油、天然气的生成、运移、聚集的观察。很难想象，乌黑岩石和粘稠的原油在显微镜下竟是那么的瑰丽多彩。

图1向远处延伸的黑色泥页岩地层

显微镜岩石观察的由来

显微镜的发展见证了人类认识生物学微观世界的历史。2500年前的《墨经》中就记载了能放大物体的凹面镜。16世纪末期，荷兰眼镜商詹森(Zaccharias Janssen)和他的儿子把两个凸透镜放到一个镜筒中，结果发现这个镜筒能放大物体，这就是显微镜的前身。19世纪30年代起，欧洲科学家首先用显微镜确认了煤是由植物遗体形成的，并对古植物各组成部分特征作了精确描述。二十世纪初，煤岩学逐渐发展成为一门独立的学科-有机岩石学，显微镜岩石观察开始走向应用。1950年，科学家首次将显微镜反射光观察的方法应用与沉积岩中分散有机质的研究，并于1958年成功用于岩石中有机质热演化程度的确定，至此，揭开了有机岩石学在油气勘探领域应用的新篇章。

石油天然气的母亲-古老岩石中的有机质

为什么岩石生成油气呢？所有的岩石都可以生成石油和天然气吗？当然不是了。岩石的种类有很多，但是只有富含生油母质的岩石，在经历特定的埋藏演化之后，才会生成石油和天然气。石油是由很久以前的古植物或动物（古有机质）经过沉积、埋藏、成岩等过程，在数百万年甚至上亿年的历史中，随着埋深增加，地温增加，有机质演化为生油物质，在合适的温度下产生石油烃，经过汇聚形成可以开采的石油资源。生烃母质和石油烃类作为有机质，在特定演化阶段具有荧光特性，因此，通过荧光显微镜，可以在岩石中清楚看到生油烃和其母质的形态，进而判断生油物质和生油状态。

这些有机质有多古老呢？笔者在显微镜下观察到形成于14亿年前的岩石中的藻类，保存完好的藻类，其形态特征仍然完整、清晰、栩栩如生，同时也发现了不同程度破碎变化至不具形态特征的藻类碎片的过程（图2）。在藻类出现之后的数亿年岁月中，各种低等水生动植物相继出现，但其得以保存的数量、保存环境及成岩后的地质变迁都影响着这些有机质最终能否生成石油，因此，石油资源的珍贵是显而易见的。

a 保存完好的藻类（油浸反射荧光）b 略微降解的藻类（油浸反射荧光）

c 降解成形态结构不明显的条带   d 降解成藻类的碎片（油浸反射荧光）

                                                                                            （油浸反射荧光）             

图2 岩石中14亿年前的藻类及不成程度降解的产物

古老有机质的种类与保存

“将今论古”是地球科学发展过程中的最基本也是主要的方法手段之一，是地质学中的独特方法。在讨论古老有机质的保存时，现今我们所能见到的几种主要的有机质沉积模式仍适用于古老有机质的保存和富集。例如，海洋、湖泊中有机质的沉积模式及滨海、滨湖地区有机质的沉积模式。

在广阔的海洋和大型湖泊中，大部分的水生生物由于依赖氧气和温暖的阳光，喜欢生活在富氧的水体且阳光充足的地带，因此，多在200米以上的浅水区或边缘斜坡带生活。但是当生物遗体降落于水底沉积时，缺氧的环境更有利于有机质的保存，所以在底部缺氧的水体沉积、成岩后形成的岩石富含更多的生油母质。同理，在滨海或滨湖地区，有大量动植物生存，又存在厌氧水体环境的部位（如沼泽）会成为有机质集中保存的地带，成岩后可能更具有生油的潜力。

a 平面观察时，藻类具有特定的内部结构，形态比较规则（油浸反射荧光）

b 不同种类的藻类常代表不同的水体环境，图中藻名为Botryococcus，常生活在清澈流动的水体中

c 截面观察时，重叠的藻类堆积在一起，呈席状分布，称之为席状藻。只有大量藻类堆积时才能形成，常代表好的生油潜力

d 笔石碎屑，一种古生物碎屑，钙质，内部可看到生长纹理（油浸反射荧光）

图3 海洋、湖泊沉积岩石中的藻类和笔石动物碎屑

如何判断这些有机质是形成于那种沉积环境中呢？显微镜观察仍然是最直观的方法。海洋和湖泊中的有机质得以保存的多以水生植物为主，例如不同种类的藻类（图3a，b，c）。在保存条件较好的岩石中，平面观察时，可以看到清晰的藻类结构，从而分辨其种类，推断沉积时期的沉积环境。此外，在水生动物密集的地区，还可以观察到动物碎屑（图3d），在特定环境中生存的动物，其碎屑也可以代表当时的水体环境。

a 发亮黄色荧光的孢子皮（油浸反射荧光）

b 多层的树叶结构（油浸反射荧光）

C发黄色荧光的树皮角质体（油浸反射荧光）

d 发亮黄色荧光的树脂体

图4 滨海、滨湖沉积岩石中的有机质

在大约4亿年前，陆生植物中的裸蕨植物首次出现，植物终于从水中开始向陆地发展，水生生物主导的生命世界宣告结束。滨海和滨湖地区气候湿润，水源充足，为陆生有机质的保存和富集奠定了物质基础。同时，与海洋和湖泊有机质富集不同，这些地区保存下来的有机质以富含陆生植物碎屑为特征。例如，高等植物的孢子是最常见的陆源有机质，孢子中的有机组分易降解，保存下来的是双层结构的孢子皮（图4a）；多层树叶沉积保存完好时，可呈现图4b中黄色的树叶角质层和中间的叶肉细胞形成的夹心结构；与树叶相比，树皮具有更厚的角质层，图4c中厚厚的黄色荧光为树皮角质体；树脂是高等植物的分泌物，类似现在的松脂，保存在岩石中，呈现亮黄色荧光，形状规则（图4d）。

陆生植物的出现使地球更加的绚丽多彩，多种多样的植物遗体保存下来，构成了显微镜下无限的瑰丽世界，激发了我们更多的好奇和探索的热情。

a 烃类在动物碎屑支撑的孔隙中聚集（亮黄色荧光）

b 烃类从微裂隙中向较大裂缝汇聚（黄色-黄褐色荧光）

C岩石裂隙中运移的油珠（黄色荧光圆形油珠）

d 纵横分布的烃类包裹体（亮黄色荧光），油气运移的直接证据

图5 生油母质生成的石油烃的汇聚与运移

有机质与油气藏的形成

我们了解了不同种类的有机质，它们在历史的长河中是如何生成石油，进而形成油藏的呢？显微镜照片记录了这一生动的过程。岩石中的生油母质在热演化至一定温度时，产生烃类物质，烃类物质以液体形态首先就近在矿物或生物骨架的孔隙中聚集（图5a），当聚集的烃类越来越多，液体的压力使岩石张开微裂缝，石油烃类就沿岩石的微裂缝向较大缝隙汇聚（图5b），以大型缝隙为优势运移通道，向优势储层运移，例如砂岩储层（图5c）。在烃类运移时，少量烃类被生长的矿物捕获，成为油气包裹体，成为油气运移路径的直接证据（图5d）。

有机质镜下观察在油气勘探中的重要作用

从最古老的有机质到陆生植物的出现，到人类成为世界的主宰，把石油和天然气从地下开采出来用于工业生产，数以亿年的地质演化催生出了一口口汩汩涌流的油气井。但化石能源的不均衡与短缺始终制约着我国工业的发展， “寻找石油天然气”成为石油地质人毕生奉献的事业。石油地质人的足迹遍布着高山、平原、沙漠、戈壁，石油地质人的身影忙碌在实验台前、显微镜旁、电脑桌上和钻井现场。

显微镜观察作为万千石油地质研究手段的一种，有机岩石学家作为万千石油人的一员，始终在默默的为油气勘探奉献着。作为最直观的对生油母质、石油生成和运移的观察手段，显微镜观察在油气勘探的多个阶段都发挥着重要的作用。在初期调查阶段，显微组分的观察分析助力确认母质的类型和丰度，预测油气资源的潜力和数量；勘探阶段，运移路径的分析助力储油圈闭范围的圈定，预测勘探钻井的目标区域。随着现代科技的进步，微米-纳米级显微镜更是在非常规天然气储存机理的研究领域大放异彩，在微观领域继续开拓瑰丽多彩、神秘无限的石油与天然气世界。