油气成藏时间的确定方法

油气成藏时间的确定方法
陈玲;张微;佘振兵
【摘要】综述了国内外油气藏定年技术的主要原理和方法，并对各种方法的优缺点进行评述。

认为油气成藏年代学的研究已由过去的定性、半定量发展到今天的定量同位素测年的新阶段，其中，在负热电离质谱仪以及多接收器电感耦合等离子质谱仪上，开展原油以及与油气成藏相关的沥青、干酪根等的Re—Os同位素测试工作，可以对油气藏直接定年，并给出精确的油气成藏时间。

此项技术具有广泛的应用前景。

%The basic principles and methods for dating of hydrocarbon accumulation at home and abroad as well as their advantages and disadvantages are reviewed in this paper. It is suggested that the qualitative, semi-quantitative dating of hydrocarbon accumulation in the past has been developed into quantitative radiometric dating of it nowadays. By using negative thermal ionization mass spectrometry (N- TIMS) and the multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometer (MC-ICP-MS), the Re-Os isotopic dating on materials such as crude oil, bitumen and kerogen that are related to hydrocarbon accumulation can be conducted, directly making dating and giving accurate time of hydrocarbon accumulation. It is of widely prospect for application.
【期刊名称】《新疆石油地质》
【年(卷),期】2012(033)005
【总页数】4页(P550-553)
【关键词】油气成藏年代学;油气成藏时间;自生伊利石K—Ar法;沥青;Re-Os同位素
【作者】陈玲;张微;佘振兵
【作者单位】中国国土资源航空物探遥感中心,北京100083;中国国土资源航空物探遥感中心,北京100083;中国地质大学地球科学学院,武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】P533;TE11
自从1989年在油气成藏系统理论中提出了含油气系统关键时刻(指含油气系统中大部分烃类生成—运移—聚集的时间)的概念以来，石油地质学家便开始通过油气藏所处的地质环境来分析油气藏生成、运移的时代。

随着油气勘探预测难度不断增加，准确地鉴定油气成藏时代的重要性越来越突出。

因此，探索、研究并找出一个测定石油生成和运移年龄的方法是十分必要的。

近30年来，油气成藏年代学的研究方法得到了快速发展，从圈闭形成时间法、生排烃史法、油藏地球化学法以及油气水界面追溯法[1-6]等定性的方法到半定量的流体包裹体均一温度法以及饱和压力法[7-12]是油气成藏年代学在研究方法上的进步，其研究的对象已经从圈闭到油气藏本身，所确定的成藏年代越来越精确，但这些方法只能给出大致的成藏时间或成藏期次，或者间接给出成藏年龄(相对地质年代)，而不能直接给出成藏的绝对年龄，并且亦要考虑到其应用条件和注意事项[13-14]。

笔者在总结前人文献的基础上，将阐述定量的油气成藏年代学方法(可以给出油气成藏的绝对年龄)，特别是最近10年来兴起的Re-Os同位素方法，这种方法主要是利用放射性同位素方法测定与油气成藏相关的矿物、沥青、干酪根以及原油中放射性同位素的含量，从而得到油气成藏年代学信息，但这种方法在油气成藏年代学中的应用还处于发展阶段，
有待进一步完善，其重点和难点在于放射性同位素的有效分离以及低含量的放射性同位素的测定。

储集层中伊利石是在富钾水介质环境中形成的，当油气进入砂岩储集层后，由于介质条件的改变，储集层中自生伊利石的形成便会停止，因此可用储集层中自生伊利石的最新年龄来确定油气藏形成的年龄（表1）。

早期形成的伊利石多为片状，而晚期的伊利石多为丝发状。

最细粒伊利石分离物应为最后生成的，其K-Ar年龄就是伊利石停止形成的时间，代表油气最早进入储集层的时间。

一般来说，油气藏形成时间略滞后于伊利石同位素年龄或基本同步。

此种方法最早应用于油气成藏年代学研究是在20世纪80年代，文献［15］成功地应用此方法进行了北海油气田的成藏年代学研究。

国内在20世纪90年代开始了相关的研究，以文献［16］运用此方法确定塔里木盆地塔中4石炭系油藏、塔北东河塘石炭系油藏和吉拉克三叠系凝析气藏的形成时代为代表。

此后亦有很多学者运用此方法获得了比较有意义的油气成藏年代[17-21]。

但是，这种方法在应用中存在一定的难度，主要原因是影响因素较多，首先是除陆源碎屑钾长石、碎屑伊利石外，绿泥石、高岭石等均可能会对自生伊利石的K-Ar 体系产生较为明显的影响，并导致明显不合理的或不具有明确地质意义的年龄；其次是油气注入只是引起砂岩储集层自生伊利石生长作用终止的原因之一；另外，油气充注后自生伊利石不一定停止生长，尽管伊利石生长于碱性的环境，但油气充注后储集层不一定饱和油气，只要还存在着孔隙水介质，各种水岩相互作用就不会停止，还可能出现局部碱性环境。

此外这种方法的应用和样品本身的关系也比较大，例如砂岩岩性、伊利石蒙皂石间层矿物的间层比等，中、细砂岩的应用效果相对较好，粉砂岩、泥质粉砂岩则难度较大；伊蒙有序间层的应用效果相对较好，伊蒙无序间层则难度较大。

由此可见这种方法应用的2个前提：①自生伊利石生成之后K-Ar同位素体系保持
封闭；②油气充注后自生伊利石停止生长。

研究表明，对于单一成藏期次的盆地，这种方法可以取得较好的成果，而对于多期次成藏的盆地，自生伊利石K-Ar年龄很难反映出来。

自生伊利石Ar-Ar（氩-氩）定年法的基本原理和上述的自生伊利石K-Ar（钾-氩）法一样（表1），主要区别在于采用的同位素定年方法不同。

其优越性主要体现在：①所用样品量小，有利于精细的选矿工作；②由于选矿精度的提高，可以得到较纯的自生伊利石，从而得到较精确的年龄，不像自生伊利石K-Ar法很可能得到的是自生伊利石和碎屑伊利石的混合年龄；③采用先进的测年方法，测量精度较高；
④40Ar/ 39Ar法还能提供矿物结晶学和热力学信息。

但是这种方法由于需要核照射，存在核反冲、测试周期长、成本高以及核辐射和核废料问题[22]。

此方法将流体包裹体自生钾长石39Ar-40Ar定年与烃源岩和圈闭储集层精细埋藏
史结合起来，能够对油气的多期次充注时间进行确定。

该方法最显著的特点是实现了微区分析，能够对于存在多期次油气充注的叠合盆地进行详细研究[23]（表1）。

然而该方法尽管实现了分步升温释氩，克服了常规K-Ar法的许多缺点，能够对前寒武纪至新近纪这种长时间、多期流体事件定年，但要得到一条平坦的39Ar-
40Ar曲线并不容易。

另外该方法因需要中子活化，测试周期需要一年左右，且成
本很高。

早在20世纪90年代初，国外学者已经开始了相关研究[24]，国内学者曾运用Pb （铅），Sr（锶），Nd（钕）同位素获得了克拉玛依油田、辽河油田现代油藏以
及塔里木、贵州的古油藏中沥青、原油、干酪根的形成年龄以及同位素初始值[25]。

通过同位素的等时线年龄界定油气的生成和运移年龄，通过同位素的初始值示踪源区。

然而这种方法能否应用于有机样品(沥青、原油、干酪根)尚存在争议，因为该方法是基于“无机生油”论而提出的，其理论基础尚不完善。

另外还存在一些诸如同位素体系均一化与油气运移和充注关系不明的问题，因而其数据也具有多解性，
认可度不高。

应用Re-Os（铼-锇）同位素方法测定油气藏生成—运移—成藏年龄是国际上油气成藏定年方法研究的前沿，该法不但可以精确厘定油气藏油气运移和充注的时限，而且可以有效示踪烃源岩。

然而国内相关的研究尚少，仅文献［13］指出沥青中Re-Os同位素体系在多数情况下的化学性质是不活泼的，使得其可以保持良好的封闭状态，从而可以获得古老的年龄。

Re-Os同位素方法之所以在油气成藏年代学研究中如此重要，主要是由该同位素体系的化学性质所决定的。

Re和Os在元素周期表中分属Ⅶ锰副族和铂族,都属亲铁元素,同时存在一定程度的亲硫性。

Re和Os地球化学特性决定了Re-Os同位素体系不同于其他常用亲石性同位素体系（如Rb-Sr，Sm-Nd以及U-Th-Pb，Lu-Hf），是一种强有力的研究工具和手段。

自然界中Re有2种同位素：185Re（37.07%，相对含量，下同）和187Re（62.93%）；Os有7种同位素：184Os (0.02%)、186Os(1.59%)、187Os(1.96%)、188Os(13.24%)、189Os (16.15%)、190Os(26.26%)和
192Os(40.87%)。

187Re通过β衰变形成187Os,导致Os同位素组成(如
187Os/186Os,187Os/188Os)随时间而改变[26]。

这一特征赋予了Re-Os同位素体系在地质定年和同位素示踪中的应用基础。

以188Os为标准化的Re-Os等时线方程为(187Os/188Os)t=(187Os/188Os)i+ (187Re/188Os)(eλt-1)，式中λ为187Re衰变常数，t为样品的形成年龄。

对一组样品的测定，如果这些样品同时形成并具有同样的初始比值，且至今对Re、Os保持封闭，则可从这些样品所构成的等时线的斜率计算出样品的年龄，从等时线的截距获得初始比值。

富含有机质的沉积物及其变质产物(如沥青)中一般富集Re和Os元素，在油气运移过程中Os同位素比值发生均一化，而Re/Os比值发生一定程度分异，因而可构成同位素等时线，其年龄反映油气运移和充注(成藏)的时代，且研究证明这一年龄不受油气成熟度高低的影响，而初始Os同位素比值则可有效地示踪烃的来源。

随着测试技术的进步，采用新型的质谱仪可以精确测定Re、Os含量及其同位素比值，从而提供精确的年龄数据，限定油气运移和成藏的时间。

在这方面获得突破性进展的是Selby等，他们应用Re-Os同位素年代学方法，选择油砂、重油中的烃类有机物为研究对象，研究了世界第二大油砂沉积盆地(加拿大西部Alberta盆地)的油气生成、运移时间，认为烃类有机物的形成年龄代表油气生成和运移的年龄，其同位素初始值指示烃源岩，其得到的结果认为，Alberta盆地的油气生成和运移发生在早白垩世（图1），而不同于前人认为的晚白垩世。

文献［27］直接研究了原油的Re、Os同位素，认为原油的Re、Os同位素含量与其中的沥青含量成正比，在原油中有大于83%的Re、Os是赋存在沥青中的，Re、Os主要赋存于沥青中存在的杂原子配合物中，并指出沥青中的187Re/188Os、187Os/188Os值可代表原油的同位素比值。

进一步的研究证实，原油的187Os/188Os值与原油生成年龄成正比，即原油生成时间越早，其Os同位素比值越大[28]。

然而，目前运用Re、Os同位素确定油气成藏年龄还存在一些问题，其原因之一在于Re、Os在自然界中的丰度很低，样品中与油气成藏有关的同位素的有效分离和提纯比较困难，而且在进行质谱分析时，Re、Os电离电位较高，给测试工作带来了很大的困难。

另一方面在于目前对有机质Re-Os等时线数据的解释还存在一定的问题，众所周知，样品要形成等时线必须要满足3个条件，即同源、同时以及体系封闭，但是对于沥青等有机物样品是否满足这3个条件还有待进一步研究。

对于具有多期油气充注的沉积盆地，Re-Os同位素测试定年给出的等时线年龄究竟代表什么尚缺乏认识。

近30年来，油气成藏年代学的研究取得了较大进展，已经从定性，半定量向定量定年方向发展，形成了多种方法相结合的趋势，其中Re-Os同位素定年在油气成藏年代学研究中虽然具有明显的优势，但仍然存在一些问题。

采用现代高科技的分析测试技术，加强对与油藏形成相关的有机样品（沥青、原油、干酪根）的Re-
Os同位素分析测试工作，明确Re、Os同位素在其中的赋存形式，阐述Re-Os等时线年龄的实际地质意义，结合盆地地质演化，才能精确地界定油藏形成时代。

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