0.   前言

有机包裹体是指捕获于成岩矿物和裂纹中, 主要由液态烃(如油)、气态烃(如甲烷) 或固体(如沥青)等有机质组成的包裹体.有机包裹体在透射光下的颜色可以是无色、黄色、褐色或灰色和黑色, 紫外光下发荧光或不发荧光, 大小从几个微米到几百微米不等, 多为几个微米到十几微米.

有机包裹体的荧光特征反映了有机质的成分特征及其热演化程度(柳少波和顾家裕, 1997; 李荣西等, 1998; 张义杰, 2003; 卢焕章等, 2004).液态烃主要由饱和烃和芳香烃组成, 荧光的产生主要取决于液态烃中的芳烃共轭π键体系和C=O官能团, 所以液态烃荧光特性与芳烃组成和结构相关, 而与饱和烃无关.传统的实验观察结果认为, 液态烃的荧光颜色可反映有机质演化程度, 即随着有机质从低成熟向高成熟演化, 其荧光颜色由火红色→黄色→橙色→蓝色→蓝白色(蓝移) (余孝颍和施继锡, 1996; Stasiuk and Snowdon, 1997; Munz, 2001; 邹海峰等, 2002; 刘文斌等, 2003; 李纯泉等, 2004; Przyjalgowski et al., 2005; 郝雪峰等, 2006); Goldstein et al. (1994)也认为随着油质由重变轻, 油包裹体的荧光颜色由褐色→桔黄色→浅黄色→蓝色→蓝白色.

近年来不少学者对油包裹体的荧光颜色与其所代表的烃类成熟度关系提出了质疑. George et al. (2001)根据澳大利亚油田采集的36个砂岩样品包裹体生标参数分析结果, 认为应用油包裹体颜色判断烃流体成熟度是不可靠的, 理由是: > 65%蓝白色和 > 50%白色荧光油包裹体样品对应的生标参数指示其成熟度分布区间从低到高都有(图 1).这与“发蓝白色荧光有机包裹体应对应于高成熟度烃类”的传统的认识是相矛盾的.

图  1  澳大利亚某地区含不同荧光油包裹体样品数与热成熟度(镜质体反射率) 关系图(据George et al., 2001有修改)

Fig.  1.  Histogram showing the thermal maturity derived from molecular thermal maturity parameters for samples containing fluid inclusion oils with different fluorescence colour populations in Australian

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然而, Oxtoby (2002)从显微荧光观察仪器、观察方法和统计方法等多方面对George et al. (2001)的认识给予了反驳.他指出George et al. (2001)未能对“ > 65%蓝白色和 > 50%白色荧光油包裹体样品成熟度分布区间”做出很好的解释, 并坚持认为“蓝色荧光的油包裹体反映高成熟烃, 黄色荧光反映低成熟度烃”的传统认识是正确的.而George et al. (2002)对Oxtoby (2002)质疑的回复中只是强调了他们的实验是客观的(George et al., 2002).

孙玉梅(2004) 也对George et al. (2001)的结论也提出了质疑^①, 认为成熟度低的油比成熟度高的油含有更高浓度的高分子生标化合物, 即使样品中蓝色荧光的油包裹体所占比例很高, 但在提取物中生标化合物的浓度往往不高; 再者, 一些重油或沥青因轻组分散失不发荧光, 但它们含有高分子生标化合物, 这类包裹体根据荧光颜色在仪器自动统计比例时并未计入.因此, 用群体包裹体生标化合物方法来说明单个包裹体的成熟度差别是不恰当的.

① 孙玉梅, 2004.对石油包裹体荧光颜色与烃流体热演化程度关系的认识.第十四届全国流体包裹体及地质流体学术研讨会论文集. 河北廊坊.

尽管生标化合物指标可用于研究烃源岩和石油的成熟度, 但对于中-高成熟度的石油(R_o≥0.9%~1.0%或1.3%), 生物标志化合物成熟度指标, 因趋于热平衡而已失效(Peters and Moldowan, 1993).

本文将根据采集的准噶尔盆地50块和济阳坳陷东营凹陷沙河街组186块砂岩流体包裹体样品制成的双面抛光薄片, 在紫外激发光波长330~380 nm和配备Lucia微束(≤2 μm) 荧光光谱分析仪、Linkam THMS G600冷/热台+100倍8 mm长焦工作物镜的E400Nikon双通道荧光显微镜下, 观察油包裹荧光颜色, 测量其微束荧光光谱, 并测定油包裹体均一温度(Th_oil)和与油包裹体同期的盐水包裹体均一温度(Th_aq).旨在以Th_aq作为衡量油包裹体成熟度高低的参考标准, 以△Th= (Th_aq-Th_oil) 与Th_aq的关系来探讨油包裹体荧光颜色变化的控制因素, 从而论证在什么样的条件下能够运用油包裹体荧光颜色来指示其成熟度.

1.   油包裹体荧光特征与同期盐水包裹体的对应关系

准噶尔盆地准东地区不同荧光颜色的油包裹体均一温度统计分布表明, 发浅黄色荧光油包裹体的均一温度低于100 ℃, 而发蓝白色荧光油包裹体均一温度介于30~165 ℃ (图 2a).显然, 这些油包裹体的蓝白色荧光与均一温度之间没有很好的相关性.同时, 与油包裹体同期的盐水包裹体均一温度统计分布显示同样的结果: 蓝白色荧光油包裹体的同期盐水包裹体均一温度分布于80~170 ℃之间, 而黄色荧光油包裹体同期盐水包裹体均一温度分布于75~125 ℃之间(图 2b); 这与图 1中所观察到的结果(> 40%黄色或桔黄色荧光油包裹体样品在高成熟度区没有分布) 是相似的.

图  2  准噶尔盆地准东地区不同荧光颜色油包裹体(a)和与其同期的盐水包裹体(b) 均一温度对比图

台49井J₁bb、T₂k层位; B82井J₁s、J₂t; B101井J₁s层位; 台58井P₃wt层位; 北88井P₃wt层位

Fig.  2.  Histogram showing the homogenization temperature of oil fluid inclusions with different fluorescence colors (a) and the coeval aqueous fluid inclusions with oil fluid inclusions (b) in the east of Junggar basin

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从理论上讲, 与油包裹体同期的盐水包裹体均一温度更能代表油包裹体捕获温度.上述样品观测结果表明, 尽管发黄色荧光油包裹体的同期盐水包裹体均一温度一般低于125 ℃, 发蓝白色荧光油包裹体的同期盐水包裹体均一温度多数出现在125~170 ℃之间, 但在同期盐水包裹体均一温度80~125 ℃区间内同时出现发黄色和蓝白色两种荧光的油包裹体.这说明“蓝白色荧光油包裹体指示高成熟度”的认识的确存在问题: 简单运用油包裹体均一温度和荧光颜色来确定成熟度是不可靠的.

再以东营凹陷为例.186块砂岩样品的油包裹体荧光颜色与均一温度统计分布表明, 发黄色荧光油包裹体的均一温度介于60~135 ℃, 而发蓝白色荧光油包裹体均一温度介于70~145 ℃ (图 3a).蓝白色荧光与油包裹体均一温度之间同样没有很好的相关性.同时, 与油包裹体同期的盐水包裹体均一温度统计分布显示出, 蓝白色荧光油包裹体的同期盐水包裹体均一温度分布于90~175 ℃之间, 而黄色荧光油包裹体同期盐水包裹体均一温度分布于90~155 ℃之间(图 3b); 在盐水包裹体均一温度90~155 ℃区间内即有发黄色荧光油包裹体、又有发蓝白色荧光油包裹体.这与准噶尔盆地样品所观察到的结果是相似的.

图  3  东营凹陷不同荧光颜色油包裹体(a)和与其同期的盐水包裹体(b) 均一温度对比图

牛103井; 牛105井; 牛106井; 史11井; 史130井; 坨741井; 营67井; 营11-48井

Fig.  3.  Histogram showing the homogenization temperature of oil fluid inclusions with different fluorescence colors (a) and the coeval aqueous fluid inclusions with the oil fluid inclusions (b) in Dongying depression

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当然, 不可否认的是, 准噶尔盆地准东地区发黄色荧光油包裹体平均均一温度(57.6 ℃) 小于发蓝白色荧光油包裹体平均均一温度(89.2 ℃); 而发黄色荧光油包裹体同期盐水包裹体平均均一温度(98.1 ℃) 也小于发蓝白色荧光油包裹体同期盐水包裹体平均均一温度(128.7 ℃).东营凹陷发黄色荧光油包裹体平均均一温度(100.5 ℃) 也小于发蓝白色荧光油包裹体平均均一温度(106.8 ℃); 发黄色荧光油包裹体同期盐水包裹体平均均一温度(117.1 ℃) 小于发蓝白色荧光油包裹体同期盐水包裹体平均均一温度(120.9 ℃).

上述两个地区的油包裹体荧光颜色观察与显微测温结果表明, 总体上发蓝白色荧光油包裹体均一温度和同期盐水均一温度都要高于发黄色荧光油包裹体及其同期盐水包裹体的均一温度, 但为什么会在同期盐水包裹体均一温度相对较低的区间(准噶尔盆地: 80~125 ℃; 东营凹陷: 90~155 ℃) 会出现蓝白色荧光油包裹体呢?其实, 这是一个涉及到能否运用发蓝白色荧光油包裹体指示其高成熟度的关键问题.为此, 笔者引入一个新的参数△Th (同期盐水包裹体的均一温度与油包裹体均一温度的差值).

均一捕获条件下由于油包裹体与同期盐水包裹体等容线的不同, 气液两相油包裹体和含溶解轻烃气液两相盐水包裹体的均一温度一般均低于同期的盐水包裹体均一温度.Goldstein (2001)认为烃类包裹体在捕获后会发生化学变化, 从而导致其均一温度的改变; 盐水包裹体在捕获后的变化相对小一些. Munz et al. (1999)和Munz (2001)认为, △Th是油包裹体中天然气欠饱和程度的重要指标.油包裹体含气饱和度越高, 均一温度将越接近共存盐水包裹体的均一温度, 即△Th越接近于零. Okubo (2005)研究认为, △Th的出现并不仅仅是因为烃类包裹体与同期盐水包裹体等容线的不同, 早期捕获的油包裹体随着温度的增高(或埋深的增加), 在其封闭体系内部也会发生热裂解作用, 从而导致烃类包裹体的均一温度降低, 而△Th也就随之增大, 并认为油包裹体发生这种热裂解的临界温度可能为120 ℃左右.

准噶尔盆地准东地区△Th~Th_aq (同期盐水包裹体均一温度) 关系呈一“V”字型(图 4a).Th_aq在80 ℃左右时, △Th可达40~45 ℃; 在80~132 ℃, △Th随着Th_aq增大而减小; 而在132~175 ℃, △Th随着Th_aq增大而增大; Th_aq在132 ℃左右时△Th达到最小.

图  4  与油包裹体同期盐水包裹体的均一温度(Th_aq) 与△Th关系对比图

△Th表示同期盐水包裹体均一温度与油包裹体均一温度之差值

Fig.  4.  The plot of homogenization temperature of the coeval aqueous inclusion vs. △Th

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东营凹陷△Th~Th_aq关系与之相似(图 4b), 所不同的是△Th在123 ℃左右最小而不是132 ℃.

按照同样的方法获得准东地区和东营凹陷样品的油包裹体均一温度(Th_oil) ~△Th的“V”字型关系, 显示△Th在Th_oil为120 ℃左右处出现拐点(图 5).

图  5  油包裹体均一温度(Th_oil) 与△Th关系对比图

△Th表示同期盐水包裹体均一温度与油包裹体均一温度差值

Fig.  5.  The plot of homogenization temperature of oil coeval aqueous inclusion vs. △Th

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由此, 笔者发现了△Th在Th_oil=120 ℃或Th_aq=123~132 ℃存在拐点.但导致这种变化的原因可能是多方面的.如果仅考虑含气饱和度因素, 那么, 在“拐点”之上的油包裹体可能解释为: 因油向上运移过程中轻组分不断丢失而造成含气饱和度下降, 但解释不了“拐点”之下△Th增大的现象.若考虑油包裹体捕获因继续深埋而受热裂解情况, 会导致油包裹体内部轻烃组分增加、内压增大和荧光“蓝移”等3种结果, 轻烃组分相包络线“负偏”和等容线的变化, 会造成△Th增大; “拐点”之上发蓝白色荧光油包裹体和“拐点”之下一直到发黄色荧光油包裹体最高均一温度范围内的、发蓝白色荧光油包裹体肯定是捕获后遭受裂解作用的结果.

由此可见, 部分早期捕获较低成熟度的、发黄色(或红色) 荧光油包裹体, 在后期深埋过程中会因经历更高温度而可能发生热裂解作用, 从而使得其荧光颜色变为蓝白色; 发生这种变化的条件可由“拐点”来标定.如此, 会造成简单地运用油包裹体荧光颜色来分期, 尤其是利用发蓝白色荧光油包裹体指示高成熟度的方法, 存在严重问题.这种问题的本质并不是在于荧光颜色与成熟度的对应关系, 而在于捕获后发生热裂解的油包裹体成熟度并不能代表其捕获时期的油成熟度.保持发黄色荧光油包裹体似乎还不存在这个问题.

一个可以排除这种变化的方法是: (1) 不能用群油包裹体荧光颜色的统计方法(George et al., 2001) 指示其成熟度; (2) 运用上述方法确定出发生热裂解作用的△Th “拐点”; (3) 确定发黄色荧光油包裹体和同期盐水包裹体最高均一温度(Th_max); (4) 剔除小于Th_max所有发蓝白色荧光油包裹体, 剩下发蓝白色荧光才是真正代表高成熟度的油包裹体.需要说明的是, 对于发生捕获后热裂解的油包裹体, 需要利用红外光谱、激光拉曼等方法对其成分进行进一步研究; 同时要研究为什么有些油包裹体捕获后并没有发生热裂解作用.

2.   结论

(1) 通过对准噶尔盆地和东营凹陷油包裹体均一温度、与油包裹体同期盐水包裹体的均一温度以及同期盐水包裹体均一温度与油包裹体均一温度差值的分析, 证实了部分油包裹体捕获后的确发生了热裂解作用, 且发生在Th_oil为120 ℃的拐点处.

(2) 传统的荧光颜色与成熟度的对应关系仍然成立, 但在运用油包裹体荧光颜色分期和确定油成熟度时, 需要通过剔除的方法, 消除捕获后发生热裂解的油包裹体.有机包裹体微束荧光光谱主峰值(λ_max) 与荧光颜色具有较好的对应关系, 这表明有机包裹体荧光颜色能够反映烃类成熟度性质.

(3) 利用油包裹体荧光颜色定性判断烃成熟度是一种较为快速和可靠的手段.但油包裹体捕获后的变化对其荧光特性和油包裹体均一温度的影响是不容忽视的, 需要利用红外光谱、激光拉曼等手段对其成分变化做进一步的研究, 使得该手段为油气充注机理研究提供更为可靠的证据.