关于有机质成熟度指标的评述

型的干酪根，它们的生油窗略有不同(Tissot and Welte, 1984)。
镜质体反射率的测定方法是将岩石样品制成光薄片，抛光，然后用显微光度计测定光面
的镜质体反射率。如果岩石样品中有机碳含量很低，需将有机质浓缩，制成干酪根，用树
脂粘结，再抛光(周中毅和潘长春, 1992)。
在镜质体的热演化中，温度是主要的控制因素。温度控制着热变质过程的一系列化学反
Ro = 0.3195 + 0.6790 Rb
(1)
相关系数 r = 0.98。他们对四川盆地 18 条剖面 26 对不同演化程度的样品的镜质体反射率和
沥青反射率的对比研究表明，在自然演化过程中沥青反射率同镜质体反射率之间同样存在
很好的相关关系：
Ro = 0.3364 + 0.6569 Rb
(2)
相关系数 r = 0.92。
2.2 固体沥青反射率(Rb)
固体沥青是在地质体中广泛分布的一种有机组份，与油气的形成演化有密切的关系。研
究表明，有相当一部分的沥青是由生油岩中的原始有机质在成岩作用过程中形成的原生沥
青，可以用来研究生油岩的热变质程度和恢复热历史。沥青反射率做为成熟度指标，对于
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
镜质体含量稀少的碳酸盐岩和前泥盆系地层热历史的恢复具有十分重要的意义，并已得到
着测试方法的标准化，镜质体反射率已得到广泛的应用。该指标可以用来标定从早期成岩
作用直至深变质阶段的有机质热演化程度，已成为评价生油层成熟度和恢复沉积盆地古地
温和热历史的最重要指标。大致而言，Ro < 0.5 时，干酪根处于未成熟阶段，0.5 < Ro < 1.3
时为生油窗，1.3 < Ro <2.0 时为凝析油和湿气带，Ro > 2.0 则属于干气带；对于三种不同类
由于油气勘探的现实需要，这些有机质成熟度和热演化指标都有必要进一步加以研究。 在前泥盆纪地层和海相碳酸盐岩中缺少镜质体，甚至根本不存在镜质体；我国目前的许多 重大油气区，如塔里木盆地、鄂尔多斯盆地和四川盆地等广泛发育海相碳酸盐岩地层，这 些地层本身即是重要的烃源岩，而准确地评价这些地层的热演化程度是进行勘探的重要先 期工作。
射率的各向异性程度加大，镜质体反射率也逐渐变高。
镜质体的这种成熟过程具有不可逆性，是温度随时间的累积过程。在此过程中镜质体的
光学性质，即其反射率随演化程度增加而增加。
镜质体反射率(Vitrinite Reflectance) R 即是镜质体表面反射光与入射光的比率。据
Fresnel-Beer's 公式：
结构复杂，各种类型的“化学键”均有，活化能分布范围宽。所以固体沥青热演化速度比镜 质体快，特别是在热演化程度较高时，有一个飞跃(刘德汉等, 1982)。
固体沥青反射率的测定要选用经历过地层全部受热历史的原生沥青，并且同镜质体反射
率的测定一样，应当选择一组最高的反射率数据代表地层的热演化程度。然后再将沥青反
2.5 生物碎屑反射率
Bevtrand 和 Heroux(1987)通过对加拿大魁北克 Anticosti 岛奥陶系和志留系中的几丁虫、 笔石和芽虫反射率的研究，认为这些生物碎屑的反射率可以作为生油岩的热成熟度指标。 生物碎屑反射率对评价镜质体稀少的碳酸盐岩和前泥盆纪地层的成熟度有重要意义，但仍 需深入研究(Goodarzi and Norford, 1989; 汪啸风等, 1992; 陈善庆, 1995; 曹长群等, 2000)。
演化过程中，时间是重要的影响因素，但是对反应基本完成所需的时间相对于地质时间是
不是可以忽略，这一点尚有争论。Price(1983)认为反应在初始时很快，而后变慢，在最高埋
藏温度，埋藏时间达 1 百万年足以使有机质的反应基本完成，所以，他认为镜质体反射率
是绝对温标，是温度的函数。而 Waples(1980)的模型表明成熟程度随反应时间的延长而增高。
2 有机质成熟度的光学性质指标
2.1 镜质体反射率(Ro)
镜质体是高等植物木质素经过生物化学降解、凝胶化作用而形成的凝胶体；是泥盆系以 上沉积地层中常见的有机物质，其反射率随着成熟程度的加深而不断地增大。由于镜质体 的成熟演化过程与干酪根的热解过程是一致的，因此镜质体反射率作为一种有效的有机质
* 本课题得到国家自然科学基金项目(批准号: 40572128, 40376013, 40104003)的资助。
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2.4 牙形石色变指数(CAI)
牙形石是一种形体还不清楚的海相动物的硬质微体化石，广泛分布在寒武纪到三叠纪海 相地层中，在海相碳酸盐岩中尤为丰富。Epstein 等(1977)认为牙形石的颜色变化直接同其 埋深和持续的有效埋藏时间有关，可以与其他有机质成熟度指标对应。他们认为牙形石颜 色热变同温度和受热时间成函数关系，可用阿伦尼乌斯方程及其坐标加以表示。只要知道 含牙形石地层的持续有效埋藏时间和 CAI 值，即可在阿伦尼乌斯坐标图上读出牙形石经历 的最高古地温。由于牙形石分布广，CAI 的分析成本低，所以深受石油地质人员的重视(蒋 武等, 1999; 祁玉平和祝幼华, 2000; Gawlick et al., 2000; Harris et al., 2000; Garcia et al., 2001; Rasmussen and Smith, 2001; Orchard, 2002; Repetski et al., 2002; Brime et al., 2003; 武桂春等, 2004)。但是 CAI 与镜质体反射率 Ro 值之间的对应关系各家看法不一，所以 CAI 只能作为 半定量化的指标来使用(周希云, 1992)。
应的速度。Price(1983)甚至认为镜质体的成熟是最高古地温的函数。但是越来越多的研究表
明，影响镜质体成熟演化的因素除温度之外还有很多，主要有：1) 时间，2) 压力，3) 镜
质体的母质成分，4) 干酪根类型，5) 氧化、还原环境，6) 液态烃的混染等等。
对于研究镜质体的热演化而言，除温度之外的主要影响因素是时间和压力。在镜质体热
Sweeney 等(1990)的模型是建立在多个平行的一级化学反应，其速率常数满足 Arrhenius 方
程，并且活化能分布的范围较宽，这种模型计算的结果也反映了反应在初始时很快，而后
逐渐达到稳定。压力在镜质体成熟演化中的作用不是很清楚，一般认为压力与后期出现的
各向异性有关(Durrand 等, 1986)，但周中毅等(1992)发现生油岩承受的流体压力会抑制镜质
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关于有机质成熟度指标的评述*
汪洋
中国地质大学(北京)岩石矿物教研室, 北京（100083）
E-mail: allen_thalassa@sina.com
摘 要： 当前常用的有机质成熟度指标包括 3 大类：(1)光学指标，包括镜质体反射率(Ro)、 沥青反射率(Rb)、孢粉颜色和热变指数(TAI)、牙形石色变指数(CAI)和生物碎屑反射率；(2) 化学指标，包括有机质最大热解峰温度(Tmax)、甲基菲指数(MPI)、H/C 原子比值、碳同位 素指标和生物标志物指标；(3)谱学指标，包括干酪根的自由基浓度、干酪根芳核平均结构 尺寸和有机碳激光拉曼光谱。在比较分析各种指标优缺点的基础上，本文指出：由于谱学 指标是有机质在热演化过程中结构变化的直接反映，所以干酪根芳核平均结构尺寸和有机 碳激光拉曼光谱是指示有机质高成熟度的最有潜力的指标。 关键词：有机质成熟度指标; 热演化程度; 镜质体反射率; 有机碳激光拉曼光谱
了广泛的应用(刘德汉等, 1982; 丰国秀和陈盛吉, 1988; 刘德汉和史继扬, 1994; 王飞宇等, 2003)。在实际应用中，人们主要是通过建立沥青反射率同镜质体反射率之间的关系，来标 定相应的有机质成熟度。
丰国秀和陈盛吉(1988)通过对抚顺油页岩样品镜质体和沥青的加热模拟实验得到如下经 验公式：
体的演化，这是一个有待深入研究的重要问题。
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总之，镜质体反射率不仅与其经历的最高温度有关，与其经历的整个受热史也有关。 尽管镜质体反射率是最为重要的热成熟度指标，但在泥盆纪以前形成的沉积地层中，由 于当时尚未出现高等植物，地层中不含镜质体，而且在海相碳酸盐岩中镜质体的含量也很 低。因此必须采用其他类型的有机质成熟度指标。
1994)。刘德汉等(1982)对反射率较低的镜质体和沥青进行的热模拟实验表明，在沥青反射
率低于 2%时，沥青反射率比镜质体反射率略低，而当沥青反射率高于 2%时，沥青反射率
高于经历同等热历史的镜质体反射率。这是由于固体沥青的海相组成和性质相当于类脂组
份，具有比较低的阐释反射率，但其活化能较低并且分布范围窄；镜质体属于腐殖组份，
射率用公式(1)、(2)或(3)换算为镜质体反射率，以便于对比。
2.3 孢粉颜色和热变指数(TAI)
植物孢粉随地层热演化而其颜色由浅变深，根据这种颜色的变化可以建立成熟度的热变 指数(TAI)，随成熟度增加，TAI 值也增大。但是该指标的测定受氧化还原环境影响较大， 孢粉受氧化后颜色容易改变；并且孢粉颜色因其种属和原始化学组成的差异而有所不同。 这些都导致测得的 TAI 比较分散，不能建立 TAI 与 Ro 值之间的回归公式，所以 TAI 在定 量研究地层热演化史方面使用得不多。
R
=
(n − (n +
N N
)2 )2
+ +
n 2k 2 n 2k 2
其中，n 和 k 分别为镜质体的折射率和吸收率；N 是介质的折射率。在油浸物镜下测试的称
Ro，而在空气中测的称 Ra，一般人们多用 Ro 值来做热演化指标。
由于镜质体有特定的母质来源(高等植物木质素)，比其他有机质显微组份容易确认。随
1 引言
石油与天然气的形成是沉积地层中的干酪根在温度作用下降解形成烃类化合物的过程。 要追索沉积盆地生油层产烃的全过程以及油气形成的历史，就必须重建生油层的古地温和 热历史。一般而论，古地温是无法直接测量的，因此人们必须通过研究古地温变化在地质 体上留下的“遗迹”来恢复古地温，重建盆地热历史(汪集旸和邱楠生, 1992)。可以用做古地 温计的有机质、矿物等很多，其中有机质成熟度指标是使用得最为广泛的古地温计。有机 质成熟度指标是以有机质各组份在热降解过程中化学组成、结构和物理性质所发生的变化 为基础而建立的，是有机质热成熟作用程度的衡量标准(周中毅和潘长春, 1992)。各种有机 质成熟度指标均以特定的化学反应和温度相联系，不仅与地层经历的最高温度有关，也与 地层的整个受热历史有关。常见的有机质成熟度指标可以分为两大类：一类以有机组份的 光学性质为基础，以镜质体反射率(Ro)为代表，还有孢粉颜色和热变指数(TAI)，牙形石色 变指数(CAI)，生物碎屑反射率等；另一类以化学组成为基础，主要包括热解分析(Rock-Eval) 的最高热解峰温(Tmax)和生物标志化合物指标等。随着仪器分析技术的发展，越来越多的 波谱分析技术用于研究有机质的成熟度，逐渐形成了多种以有机质物质结构的变化为基础 的新的成熟度指标和古地温计。
生碳氢化合物。由于可流动的碳氢化合物(烃类)的分离，芳构化程度和芳环缩聚程度逐渐增
大，此时芳环仍随机分布，但由于上覆地层的机械压力，芳环有可能被定量排列，因此，
有可能出现微弱的各向异性。在这个阶段，镜质体反射率强烈地增加。③沉积后生作用阶
段后期，镜质体仍缓慢地析出氢和氧，上覆的岩层压力使得芳环更加定向，使得镜质体反
Jacob(1985)对沥青反射率与镜质体反射率的对比研究也得到类似关系式：
Ro = 0.4 + 0.618 Rb
(3).
Tichmuller 认为，煤中的沥青在镜质体反射率在 0.6% ~ 1.0%范围内经历了一种煤化跃
迁，即沥青反射率最初地域镜质体反射率，最终又高于镜质体反射率(刘德汉和史继扬,
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成熟度和热演化指标被广泛地应用于煤岩学及油气勘探中(Armagnac et al., 1985; Lerche et
al., 1984)。
镜质体本身属于 III 型干酪根，其热成熟演化过程可以分为三个阶段(Durrand 等, 1986)：
①沉积物的成岩作用阶段，有机质优先析出氧形成 H2O 和 CO2 等，同时产生随机分布的芳 环，此时单个镜质体不存在各向异性。②沉积后生作用阶段早期，有机质优先析出氢以产