流体地质学

沉积盆地流体包裹体研究的理论与实践
流体包裹体作为地质流体研究的重要手段，在沉积盆地油气成藏条件分析和有机/无机矿产共存、共生关系研究中起着不可替代的作用。

本文以鄂尔多斯北部、塔里木东北部、辽西-冀北坳陷中-新元古界等地的油气藏、砂岩型铀矿为例，通过流体包裹体岩相学、偏光-荧光特征、显微测温、显微傅里叶红外和包裹体同位素定年技术，结合盆地构造、地层埋藏史、热演化史等资料，探讨了流体包裹体在定性、定量分析有机/无机矿产的成矿流体性质、来源、期次、流体运/聚时空及油气成藏演化等方面的应用。

一、理论意义
流体包裹体是成岩成矿流体在矿物结晶生长过程中被包裹在矿物晶格缺陷或穴窝中、至今尚在主矿物中封存并与主矿物有着相界限的那一部分物质。

油气藏和层控矿床中的流体包裹体由显微级的液态和(或)气(液)态的有机/无机流体组成，可提供如下信息: 1、时间。

即成藏成矿流体(水、石油、气)存在或运移与矿物生长或溶解的相对或绝对时间。

从流体包裹体与成岩矿物世代及其共生系列的关系分析，可以确定流体活动与成藏(矿)的相对时间，或分析流体包裹体中的40 Ar-39 Ar或Rb-Sr同位素，确定流体活动或成藏(矿)的绝对年龄。

2、古地温。

即矿物生长或溶解时的温度和特定流体在岩石孔隙中的温度。

沉积盆地中某套沉积物的古地温与时间是相关的，通过模拟埋藏史和热史，可以将二者联系起来。

如砂岩型铀矿床或油气藏中流体包裹体的均一温度代表了成藏成矿温度，也有一定的时间意义。

3、成分和化学组成。

包括石油、天然气和矿物与水的总体组成和元素、同位素组成，包含着成矿流体成分、流—岩作用和流体演变史等信息。

研究流体包裹体的成分和化学组成，可以确定成藏成矿流体的性质、来源，以及何时和在什么温度条件下成藏、成矿的有关信息。

4、运移路径和成藏/ 成矿位置。

某一世代矿物流体包裹体组合( FIA) 及其丰度(如GOI) ，是相应地质时期内流体类型、流体活动强度的指示剂，绘制适当类型流体包裹体分布图可以在一定范围内确定流体的运移路径和油气藏或层控矿床的成藏(矿)位置。

石油包裹体犹如微型“油藏”，其丰度(GOI) 则可以指示地质历史中石油的运/聚程度和赋存状况。

综上所述，通过流体包裹体研究，可以深入探讨矿物成因及其成矿流体性质、来源、运移路径和有机/无机矿产的成藏(矿)环境，甚至可以进行定性或定量研究，最终确定矿产的储藏位置。

二、包裹体的岩相学与成藏（矿）期次
包裹体显微岩相学是划分流体包裹体期次并将其应用于成矿流体性质、来源、活动期次和油气成藏运/ 聚期次的基础。

包括成岩矿物世代划分或矿物先后关系研究，以及同一世代矿物中流体包裹体赋存状态(原生、次生成因)和包裹体组合。

传统的层间氧化带砂岩型铀矿成矿模式认为，含氧、含铀水进入顶底板均有泥岩等隔水层的透水砂体，当沿砂体迁移时，遇到富含沉积有机质、黄铁矿等还原障，在氧化还原界面附近U + 6还原沉淀形成似卷状矿体。

这种水成铀矿模式是常温表生氧化还原作用的产物。

然而，笔者通过流体包裹体研究，在鄂尔多斯盆地北部地区中侏罗统直罗组砂岩型铀矿床中发现了有机流体与低温热液成矿的证据。

砂岩储层中矿物的胶结、次生加大、交代和缝、洞形成及其被填充愈合，意味着孔隙流体活动和流—岩作用过程。

储层中成岩矿物形成于一定的介质环境(pH值、温度等)和富含同类矿液的环境，这种介质和矿液通常是水溶液。

石油在储层中的聚集改变了孔隙水的化学组成，导致孔隙水中无机离子浓度降低，或烃类流体部分替换孔隙水而阻碍矿物—离子间的质量传递，抑制了自生矿物的形成及矿物的交代和转化，即抑制了胶结、交代、重结晶等成岩作用过程。

由成岩矿物的叠置关系和晶体结构分析，可推断结晶作用的相对顺序。

以下常见的成岩现象受流—岩作用和有机/无机流体交替作用的控制:1、储层内有持续的多期水流体活动，则矿物次生加大、胶结、交代现象发育，在缝/洞内发生矿物(方解石、石英或石膏等)
充填，强烈的胶结作用使岩石变得十分致密、坚硬；2、成岩期间有石油或天然气注入，甚至在储层孔隙内饱含油气，成岩作用将趋于缓慢直至终止；3、古油藏发生泄漏、散失及水流体活动再趋活跃，则在粒间孔/洞内除了普遍可见的沥青充填外，还可再次发育矿物胶结与充填。

因此，储集岩中的油气包裹体与含烃流体包裹体，记录了油-水交替的成岩信息和流体地球化学环境。

上述两类成岩成油现象可以塔里木盆地塔河油田某区泥盆系东河砂岩为例。

东河砂岩中可见到两期成岩矿物—石英次生加大和石英胶结物，而且这种现象十分普遍，但在这些矿物内极少见到油气包裹体，或者不发育。

在加大边或胶结物外侧和碎屑粒间，可见大量黑褐色沥青或黄褐色油浸沥青充填。

从石英加大边/胶结物与沥青的分布可说明储层中石油充注/成藏应处于成岩晚期，相应的成藏时间应为喜马拉雅中-晚期。

古油藏现象以塔里木盆地东部英南2井气藏成藏史为例。

从侏罗系到志留系(3292～4737 m) 共发现油气显示57 层，厚度327.74 m。

英南2气藏主产层段位于下侏罗统下部至志留系顶部，为层状背斜凝析气藏。

其中的天然气和凝析油均源于深部的寒武系-下奥陶统过成熟海相烃源岩。

塔东地区烃类成因和聚集历史中最突出的问题是烃类成熟度与源岩成熟度和成藏期的不一致性，即气藏主要是湿气及凝析油，现实的寒武系—下奥陶统烃源岩是过成熟源岩和英南2气藏为晚期成藏，三者之间有一定的矛盾。

英南2气藏是塔里木盆地东部地区第一个具商业价值的天然气藏，对其成藏历史的研究是认识整个塔东地区油气成藏规律的关键。

据张水昌等研究，在升温速率较慢的条件下，原油保持单相存在的最高温度约170℃，英南2井天然气的形成温度已大于190℃。

英南2气藏的伴生凝析油中还检测到高含量的金刚烷，指示气藏为原油高温二次裂解的产物。

从生烃量看，寒武系与下奥陶统烃源岩的生烃量无疑是很大的，烃源岩的大量生油或生气期是在加里东晚期(晚奥陶世-志留纪)约50 Ma 内快速完成的，而由于早古生代沉降幅度巨大(寒武系-奥陶系厚达8000多米，仅中、上奥陶统复理石浊流沉积即达7000多米)，使寒武系-下奥陶统烃源岩曾经达到200～240℃以上的高温而处于过成熟状态，近100 Ma以来该烃源岩有机成熟度增加有限，几乎再没有形成天然气。

流体包裹体岩相学分析对英南2 气藏的成藏史的研究仍然是关键。

笔者对英南2 井下侏罗统下部- 志留系顶部(3670.6～3740.15 m)有关砂岩储层样品的成岩作用序次与流体包裹体研究，发现与前人的认识明显有别:1、无论是下侏罗统还是志留系顶部储层孔隙，均显示较强的浅蓝色荧光(UV激发)，表明储层中普遍有凝析油气；2、这两个储层均普遍发生过相对较早的成岩期石英/长石次生加大和晚成岩期方解石亮晶甚至连晶胶结过程。

下侏罗统内还发现了相对较早的成岩期微-细晶方解石胶结物(也许志留系中的早期方解石胶结物已经发生了完全的重溶或被交代)，次生加大石英或早期方解石胶结物多为晚期方解石亮晶胶结物所环绕(胶结)或交代。

这意味着如果气藏形成之后，以天然气为介质是难以构成先方解石胶结、后石英/长石次生加大和晚成岩方解石亮晶普遍胶结这样的矿物分布“格局”，唯有在天然气大量充注之前才会发生一系列的矿物生成“事件”。

3、在石英次生加大边内没有发现原生的气烃包裹体，而是以液烃包裹体最为发育，气液烃包裹体其次。

总之，下侏罗统和志留系顶部储层内均发育有三期油气包裹体:第1期为成岩石英/ 长石次生加大的早-中期，包裹体均匀密集分布于早期方解石胶结物中，或包裹体沿未切过石英加大边的微裂隙面成带分布，或沿石英加大边的中-内侧分布，志留系顶部的油包裹体丰度(GOI)为6%～8% ，下侏罗统下部丰度为75%～80%。

包裹体呈黑褐色、褐红色及黄褐色，显示弱黄色、褐红色荧光，或无荧光显示，部分包裹体呈黄褐色、淡黄色，显示黄色、浅黄绿色荧光。

其中，液烃包裹体约占80 %，气液烃包裹体20 %左右。

第2期为成岩石英次生加大期后至方解石亮晶胶结之前，包裹体沿切穿石英颗粒或切穿加大边的微裂隙分布，丰度较高(GOI为3 %～5%±)。

包裹体中液烃呈浅黄色、淡黄色及透明无色，显示浅黄绿色荧光；气烃呈灰色。

其中，液烃包裹体占25%～40%，气液烃包裹体占60%～70 % ，气烃包裹体占0～5%。

第3期为成岩方解石亮晶胶结期后，个别灰色气烃包裹体成群或孤立状分布于方解石亮晶中，或沿切穿石英颗粒的微裂隙成带分布，丰度
中等偏低(GOI约为1%)，主要为气烃包裹体。

英南2井在J1a晚期亮晶方解石中和切穿石英碎屑颗粒的愈合微裂隙中，与气烃包裹体明显共生的盐水包裹体，其均一温度除反映晚成岩正常地温(85～90℃)外，还有高达169～220℃的地温异常，表明在成岩晚期气烃充注期间，储层地温明显受热作用的影此外，与第1 期包裹体同期的运移沥青普遍见于粒屑边缘，或呈条带状浸染于早期方解石胶结物内，在志留系顶部砂岩储层的长石矿物由于油气溶蚀而保留了大量深(黄)褐色沥青于微孔/缝内，反映下部古油藏经过两次调整，为侏罗系成岩早期成藏的中- 轻质油古油藏。

下侏罗统和志留系顶部储层自生伊利石K-Ar测年结果表明，古油藏的成藏年龄为148～151 Ma ，验证了流体包裹体研究的结论。

由此可见，英南2气藏的成藏史可以简单地概括为:加里东晚期古油藏作为二次油源(保存于中上奥陶统多套层系中，且中上奥陶统当时作为上覆地层，埋深没有使古地温普遍增温至180℃而使多套古油藏的原油发生大量裂解)→古油藏经过两次调整成藏(中质油，侏罗系到志留系内，形成于148～151 Ma ，)→古油藏原油进一步热成熟(以第2期油气包裹体中的轻质油为代表，形成于燕山末期-喜马拉雅早期)→晚期原油高温二次裂解气(喜马拉雅晚-近期)。

晚期包裹体测温发现的塔东地区晚期热活动，也得到磷灰石热历史分析的验证。

由此，因古油藏的保存条件比古天然气藏的要求相对要低，而塔东地区大量古油藏在加里东晚期以后还能够保存下来，并得到流体包裹体研究的验证，使该地区的晚期古生界上构造层油气勘探更有实际意义。

三、包裹体显微成分与油气成熟度
油气包裹体的显微成分分析方法很多，本节仅介绍趋于成熟、对油包裹体分析效果较好的显微偏光-荧光和显微傅里叶红外光谱油气包裹体的鉴别主要基于荧光行为、颜色和室温下包裹体的相数与相比例关系。

轻质油包裹体易被误认为盐水包裹体。

最有效的鉴别方法是使用偏光2-荧光显微镜。

油气包裹体的颜色和荧光特征主要是由它所含碳氢化合物的种类、包裹体的厚薄与大小所决定。

油气包裹体在生油有机质处于低成熟到近高成熟阶段大多有一定的颜色，而高成熟阶段的油气包裹体与水溶液包裹体一样都为透明无色，需借助荧光显微镜才能区别。

在透视单偏光下，若不考虑油气运移/储集过程中的色层效应与生物降解的影响，有机质由低成熟到高成熟(即从重/稠油到轻质油及凝析油气)，包裹体中的石油(液烃) 的颜色呈现(深)褐色、黄褐色、褐黄色(浅)黄色、淡黄色及至透明无色的变化。

油气包裹体的颜色主要取决于所含碳氢化合物的种类，以及沥青、非烃的含量、包裹体的厚度与粒径。

有些包裹体由于相对视线方向的厚度太小，虽然含有能发光的高分子碳氢化合物，却看不到颜色，这是由于石油对透射光的吸收性差的缘故。

荧光的颜色和强度取决于包裹体的大小及其中油气流体的种类与含量，同时还应注意某些主矿物的影响，有些矿物因含丰富、细小(小于十分之一微米)的晶包有机质而在激发光照射下能发出荧光，如萤石、方解石、白云石等。

另外，油页岩、藻类和孢粉也可发光，易与油气包裹体相混。

并非所有的油气包裹体都有荧光，通常肉眼看不到多数气烃包裹体和褐色、黄褐色(气) 液烃包裹体的荧光。

呈褐黄色、黄色、浅黄色、淡黄色、透明无色的油气包裹体荧光强，可看到褐黄色、黄色、浅黄色、黄白色、蓝白色、浅蓝色荧光。

此外还须考虑色层效应和生物降解的影响。

油气发生长距离运移时常发生色层效应。

原先黄褐色或褐黄色的石油在运移过程中常常发生强烈的色层效应，在被捕获成包裹体时可能呈现浅黄色、淡黄色，荧光颜色很浅，但不会呈无色透明和蓝色荧光。

生物降解的影响多见于埋藏千米以内的油气藏，它会使原本流动性较好的石油稠化，并使荧光发生“红移”。

如果包裹体内的石油过稠，或样品中含有一期或多期次的油气包裹体，则很难只用荧光将其区分开。

因为多数情况下，除了最晚的一两个期次外，其他期次的油气包裹体都发生了或多或少的后期演化，“暗室效应”使荧光效果变差。

经过相应的成分分异、沉淀和炭化过程，包裹体内的相态由初期的一相(液态烃) 或两相(气、液态烃) 最终演变成两相(液态烃+ 固体沥青)或三相(气、液态烃+ 固体沥青)，在包裹体壁上形成斑块(点)状、丝网状沥青，使油
气包裹体变得色泽不均、颜色深浅不一，总体呈黑褐色、深黄褐色、灰黄色或浅灰黄色，在UV 激发下，不发荧光，或包裹体荧光显示不均。

并且，一些形状不规则、封闭性差、有后期演化特征的油气包裹体，容易发生泄漏，包裹体中的沥青进一步富集而形成“沥青包裹体”，形状规则的稠油包裹体并非“沥青包裹体”。

而有机质处于过成熟阶段的油气包裹体，仅仅为干气包裹体。

因此，“沥青包裹体”并非高温热演化的结果，也非有机或油气演化处于过成熟阶段的标志，仅仅是油气演化尚未进入高成熟阶段(多为中- 低成熟) 的标志。

迄今，没有见到清晰的干气包裹体与“沥青包裹体”共生的图片与报道，只有陶士振等的工作提到过这个问题。

上述油气包裹体所具的显微偏光2荧光特征已被广泛应用于讨油气成熟度或油质类型分析、成藏分期、油气混源、油-气-水排替现象及判别古油藏。

如果同一个包裹体内同时包含轻重悬殊的两种石油，或者同一世代矿物中同时发育。

轻质油包裹体和重质油包裹体，就表明油藏具混油混源的成藏特征。

在同一油源条件下，由早到晚形成的石油包裹体荧光是不断“蓝移”的，通常不同的荧光色是不同期石油运移的重要证据之一。

如鄂尔多斯盆地北部二叠系石盒子组砂岩储层石英次生加大边内发育的黄色或褐黄色荧光的早期重质油包裹体，而在石英次生加大期后沿切穿加大边的晚期微裂隙面发育了蓝色或蓝白色荧光轻质油包裹体。

因此，油气包裹体的荧光也为划分油气成藏期次提供了重要依据。

如上所述，英南2气藏中大量不发荧光的中质油包裹体形成于石英次生加大早-中期，并通过自生伊利石K2Ar 定年证实，侏罗纪末148～151 Ma 有古油藏。

国内外应用石油包裹体丰度( GOI) 判别油气运移与油藏已有许多先例，并建立了古油藏GOI≥5%的判别标准。

然而，由于上述经后期演化的稠油包裹体大多不发荧光，因此只用有荧光显示的油包裹体丰度判别古油藏是不客观的。

与激光显微喇曼光谱一样，傅立叶变换红外光谱中的峰都是由分子在振动能级之间的跃迁造成的，但在喇曼实验中谱带的强度和位置是分子极化率的变化，而红外则是分子偶极距的变化。

利用这两种技术都可以测定单个包裹体中的成分，但拉曼信号易被有机质的荧光掩蔽，而石油包裹体中的有机化合物多含荧光物质，因此红外光谱技术常用于(非破坏性) 单个包裹体的有机成分分析。

四、流体活动与成藏成矿时间
油气藏的形成时间就是油气进入圈闭储层中的时间。

在储层成岩过程中，胶结物和次生矿物的形成总会捕获流体(石油、气、水)，形成包裹体。

通过测量与油气包裹体伴生的含烃盐水包裹体均一温度，依据古地温模式与储层埋藏史，可以确定与油气流体形成或与成藏对应的地层埋深及其相应的地质时代(即油气成藏时间)。

如高玉巧等指出，歧口凹陷西坡白水头构造沙-下段砂岩至少经历了三期油气注入，以第二、三期为主要成藏期。

根据含烃盐水包裹体均一温度测定和现代盆地模拟分层埋藏史曲线，得出第一期油气注入为明化镇下段早中期，距今约12～9 Ma ，第二期为明化镇上段早期，距今约为5 Ma ，第三期为明化镇上段中晚期到第四纪初期，距今约3～2 Ma 。

但是，正如上述塔里木盆地英南2 气藏、鄂尔多斯盆地北部砂岩铀矿一样，沉积盆地中的油气主成藏期或砂岩铀矿主要矿化期，往往与构造2低温热液活动，甚至与一定时期的岩浆活动相伴产生。

此时流体包裹体的均一温度反映了异常古地温，与盆地的沉降关系不大，不能通过模拟埋藏史和热史进行成藏时间分析。

因此，要系统分析沉积盆地中的构造-流体活动对石油、天然气和砂岩铀矿成藏/ 成矿的影响，还必须进行流体包裹体同位素测年。

周雯雯等利用流体包裹体Rb-Sr等时线法研究了珠三坳陷珠江组砂岩储层中晚期油气成藏充注的时间，得到Rb-Sr 等时线年龄为6 Ma。

流体包裹体的Rb2-Sr 等时线法测年原理，是基于储层中的流体包裹体是同时被捕获的，而且各个封闭体系(包裹体) 内的Rb-Sr 同位素衰变(即计时)一致，即Rb-Sr 同位素比值在不同流体包裹体之间具良好的线性关系。

但是，由于测定时每组样品必须有3个以上，有时Rb/Sr值变化范围小或呈非线性，或一组样品内难以排除其他期次流体包裹体的干扰，或由于包裹体流体中原始铷的含量甚低而锶含量异常高(即母体低而子体过剩) 等原因，使Rb-Sr 等时线法定年的
应用受到约束。

因此，要事先确定包裹体样品中的铷含量。

流体包裹体40 Ar-39 Ar法测年比Rb-Sr法有明显的优势，因为地质流体和包裹体流体中普遍富钾，40Ar-39Ar法只需一件样品进行定年，易于采集和分选，样品用量不大，同时，它采用真空击碎法或加热法，无需进行化学分离。

邱华宁等已将流体包裹体40 Ar-39 Ar法成功应用于一些热液金属矿床的定年研究。

今后随着采样、选样技术的提高，含矿目的层和含油气构造中的裂缝、溶洞充填矿物及成岩胶结矿物，都可以成为流体包裹体40 Ar-39 Ar法定年的测定对象。

这一方法必将成为沉积盆地中研究构造- 流体活动与油气、砂岩铀矿的成藏成矿时空关系的有效方法。

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