打开古老烃源岩的“神秘之窗”——访我国著名油气地球化学专家张水昌教授

■ 本刊特约记者 王大锐

专访

打开古老烃源岩的“神秘之窗”——访我国著名油气地球化学专家张水昌教授

■ 本刊特约记者 王大锐

深层和古老地层已经成为当前全球范围的油气勘探的新战场。世界范围内的中新元古代地层已发现大量原生油气藏，并得到工业性开发。四川盆地震旦系气藏和华北元古代地层大量油苗的发现，证实了我国元古代地层的油气勘探潜力。为使更多读者认识距今大约8亿到14亿年前发育的中元古代可能含有的潜在油气资源，我采访了我国著名的油气地球化学专家张水昌教授。张教授毕业于成都理工大学，获得中国科学院兰州地质研究所博士学位，现为中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师。

问：请您简单介绍一下烃源岩的形成过程。

答：烃源岩的形成经历了有机质生产、沉积、埋藏、成岩、变质等多个过程。有机质的生产直接体现了表层海水中生烃母质生物的丰度和分异度，有机质的沉积是生物体残骸在沉积物上层水体中的氧化降解过程，有机质的埋藏则与水—岩界面的氧化还原条件密不可分。海洋环境的转化和有机质的成岩变质作用又受控于地质运动。因此，烃源岩发育的规模及质量受到生烃母质、海洋化学和地质环境等多重因素的影响。但长期以来，就海相高有机质丰度沉积地层形成的主要控制因素，存在“保存条件”与“生产力”两方面的争论，烃源岩的形成取决于生烃母质生物的生存环境和有机质良好的保存条件，但通过我们最近的研究发现，保存条件及氧化还原条件这两大因素从根本上来说又取决于生物繁殖和埋藏时的古气候、古洋流、古构造及古环境等各要素的良好匹配，它们归根到底都受控于天文旋回，关于旋回我们在2015年的美国科学院院刊上详细阐述过，感兴趣的可以下载阅读。

问：请给我们的读者介绍一下元古代的地质背景。

答：距今大约8亿到10多亿年前的元古代处于地球环境从低氧到富氧、从原核生物到真核生物的转化期，并存在多次的冰期—间冰期、大陆拼合—开裂的旋回变化。

中元古代是地球演化史上最安静、也是最乏味的一个时代，2014年美国著名学者Lyons在《nature》等刊物上仍然发文认为，中元古代氧气含量不到现在氧气的0.1%，不适合生物生存。而近些年研究发现，中元古代的海洋结构远不是那么简单，是在动态变化的，已经出现了表层有氧、底层也有氧、中部厌氧的最低氧化带海洋。顺着这一思路，我们通过弱氧化海底环境条件，根据与现在海洋沉降速率等参数对比，建立氧消耗模型，计算出当时大气氧气含量已高达现在的4%。这么高的氧气含量足以使得动物生存，真核生物更可能大量存在，这项成果我们已经发表在2016年的美国科学院院刊上，在国际上引起很大的轰动。总体而言，中元古代不但不是死气沉沉的生物世界，而是地球历史上菌藻类蓬勃发展的时期，以硫细菌、蓝细菌数量急剧增多和疑源类、真核宏观藻类的大量出现最为特征，是早期地球生物群落的重大转折期。

问：世界各国目前对元古代甚至显生宙之前的油气勘探现状如何？

答：过去的几十年，前寒武系油气系统作为一个具有巨大潜力且尚未开发的资源受到广泛关注。俄罗斯及阿曼等国已发现这一事实并对这一时期的大型油气田进行了开采，证实了前寒武纪具有油气勘探的潜力。俄罗斯发现了硬沥青沉积，特征为高密度、黑色、无定形、不透明、未石墨化、多相结构、半金属、玻璃类矿物（包括＞98%含量碳，氮、氧、硫、氢等元素）。硬沥青的出现说明了一系列的地质事件，如油页岩变质、破坏的古油藏、有机硅酸的石化底辟及古石油的渗流等。原地硬沥青层状沉积意味着油页岩的变形，油页岩包括原地形成的残余干酪根及外来的有机质及最初为液态烃的沥青运移。这是现在发现的最古老的油气显示。

在中元古代甚至有世界上最古老的现存石油，它位于澳大利亚北部地区的McArthur盆地Velkerri组，对Roper群钻井发现有广泛分布的石油及烃类显示，包括渗气、石油染色、岩心荧光显示及固体沥青（主要由液体烃类的生物降解形成）。石英次生加大包裹了早期埋藏于约1～3千米未转化的石油。钻于1980年的Urapunga-4井由于在Velkerri组薄层中发现了石油的渗漏被广泛关注，这些都说明在McArthur及Beetaloo盆地不管是在中元古代或之后都有大面积的油气运移发生。

问：元古代烃源岩的发育机制及控制因素主要有哪些？

答：其实，对元古代烃源岩的发育机制及控制因素的研究迄今仍十分薄弱。生烃母质生物类型及其生烃潜力尚不清楚，烃源岩发育时的海洋化学结构及其转换机制也存在很大争议，超大陆运动、冰期—间冰期旋回、天文旋回和古气候环境等对烃源岩发育控制作用的研究也基本上处于初始阶段，这在一定程度上制约了古老地层/深层领域油气勘探的大发现，如何认识元古代烃源岩的形成机制，已成为地球化学和油气地质学研究的热点和难点。因此，我们十分有必要对元古代的生烃母质生物、古海洋化学环境、古气候特征和古构造运动等进行系统梳理和深入剖析，来审视不同地球演化阶段烃源岩的发育背景，探索元古代烃源岩的控制因素和形成机制。这也是我们开展这项研究的原因。

从1999年我做973课题开始，这个问题就一直萦绕在我脑海，一直想从机理机制上，把烃源岩发育的原因说清楚，断断续续的16年研究下来，最终发现烃源岩的形成与生物、海洋、大气与地质环境的演化息息相关，是地球演化进程中特定时间和空间下有机质生产和聚集的产物。大气氧含量的升高代表着光合作用生物的繁盛，原核生物和早期真核生物为元古代烃源岩提供了物质基础，元古代海洋提供了生物生存和烃源岩发育的水体环境，天文旋回和大气环流控制了烃源岩丰度和非均质性，哥伦比亚古大陆开裂为烃源岩沉积提供了理想场所。

烃源岩发育的规模及质量也可能会受到有机质来源、海洋化学和地质环境等多重因素的影响，因此元古代烃源岩研究都必须将其放在地球演化的特殊进程中，综合考虑当时的生物、海洋、大气、气候、地质背景及其对烃源岩形成的影响和控制作用。烃源层就像地球演化时间轴上的一个个“串珠”，其位置代表了发育的时间节点，大小则代表了发育的规模。

从全球的角度来看，整个新元古代都有烃源岩的发育。一般来说新元古代在生命历史上是一个重大的“转折点”，也是现代地球系统的开始。新元古代从老到新分为Tonnian（拉伸纪）、Cryogenian（成冰纪）及Ediacaran（埃迪卡拉纪）三个时期。新元古代时期的烃源岩在北美、南美、非洲、西伯利亚、澳大利亚、中东（阿曼）、印度和中国等都有商业油气聚集油气及富有机质沉积物及沥青的发现。

问：您对未来古老地层的油气勘探前景怎么看待？

答：尽管对前寒武纪油气藏的勘探还刚刚起步，但是前寒武纪烃源岩确实具有生烃潜力，越来越多的证据也表明前寒武纪的确存在广泛分布的烃源岩。事实上，它们作为潜在勘探目标已经引起了越来越多的人的关注。英国地质学会连续发表三部关于前寒武纪油气系统的著作，意味着古老地层的油气资源潜力已经引起广泛的关注。当然，前寒武纪烃源岩及其烃源岩生烃母质类型和生物生存、有机质保存的海洋环境等领域仍需探索，这也是目前我们这个课题组正在进行的工作。但可以肯定的是，根据烃源岩的广泛分布，该时期确实存在具有商业产能的含油气系统。随着研究的深入，前寒武纪古老地层必将成为未来勘探的主要目标。