孢粉化石在石油勘探中的应用.pdf

石油天然气 学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年 8 月第 3 1 卷第 4 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A u g 2 0 0 9 V o ] ． 3 1 N o ， 4 孢粉化石在石油勘探 中的应用 吴 勘，宋倩倩，陈建华 中国 地质大学 武汉 地球科学 学院， “k O L 武汉4 3 0 0 7 4 [ 摘要]孢粉化石的研究与石油勘探具有十分密切的关系，是石油勘探不可缺少的手段之一。石油钻探所 取 的岩心 比较 小，大化石往往不易发 现， 而孢 粉 化石 个体微 小，数量众 多，其 种类和组 合特征 常用来 判 断地层 的沉积环境和地质时代；同时原油 中也可能含 有 孢粉化 石，可 以据其 推 断石油运 移 的路径 ，寻 找 新的油气藏。 [ 关键词]孢粉化石；地层划分与对比；石油成熟度；生烃能力 [ 中图分类号]TE 1 3 2 ． 4 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 0 9 0 4 0 2 1 0 0 3 1 孢粉及孢粉学的定义 孢粉 s p o r o p o l l e n 是孢子 s p o r e 和花粉 p o l l e n 的总称，它们都是植物繁殖器官的一个组成 部分 。整个植物界 ，根据繁殖器官的性质可分为两大类 ，即孢子植物和种子植物。孢子是孢子植物的繁 殖细胞 ，而花粉是种子植物 包括裸子植物和被子植物的繁殖细胞 。 当孢子和花粉在孢子囊和花药 中成熟之后 ，依靠风 、水或动物等动力脱离植物母体 ，大部分落在土 壤之中，经历漫长的地质年代 ，土壤变成岩石 ，而这些保 留在岩石之 中的孢子和花粉 ，被称为化石孢子 和化石花粉。 孢粉分布广泛 。由于孢粉产量大 ，又易被搬运，再加之保存较完善，因此地球表面保存 了丰富的孢 粉 ，在现今的环境条件下 ，从热带的森林到寒冷的苔原和几乎没有生物存在的两极地区、高山顶 ，从湖 沼到海洋都可以或多或少地找到一些孢粉 。 孢粉学是研究植物 的孢子和花粉的科学 ，是一门边缘学科。孢粉学 P a l y n o l o g y 名称是英 国人 Hy d e和 Wi l l i a ms 在 1 9 4 4年提出的 ，采 自希腊文动词 p a l y n i n ，意为扩散或撒在周 围。这是因为孢子常 常是需要借助风 、水或动物来散布的。 孢粉学所涉及的内容广泛而丰富，孢粉学也产生多个分支学科 ，概括起来可以划分为基础研究和应 用研究两大方面[ I ] 。基础研究包括 孢粉形态学、孢粉生理学、孢粉化学等内容 ；而应用研究包括地 层孢粉学 、石油孢粉学 、海洋孢粉学 、考古孢粉学、农业孢粉学及医学孢粉学等内容 。 2 孢粉特点及研究进展 随着植物的繁衍，孢粉也在地球上 留下 了印记 ，从石炭纪到第 四纪的地层 中都含有大量的孢粉化 石。对地层中孢粉 化石 的认识，不仅 可 以了解 整个植 物界 的演化历 程L 2 ] ，同时还 可 以解决 很多地质 问题 。 孢粉化石能在地层中得以保存 ， 还因为其外壁特殊 的化学组成。孢粉的结构 由内而外分为原生质、 内壁和外壁 3部分原生质 由碳水化合物 、氨基酸、酯类 、维生素和多种矿物元素组成；内壁由纤维素 组成；外壁 由孢粉素组成。在地质演化过程中，内壁和原生质很快就被分解 了，而孢粉素是一种相当稳 定的物质 ，为 B 一 胡萝 卜素和类胡萝 卜 素酯的复杂集合体 ，能抗各种酸 、碱的腐蚀 ，在地质作用下能够长 [ 收稿 日期]2 0 0 90 3 1 2 [ 基金项目]国家自然科学基金重点项 目 4 0 7 3 0 2 0 9 ；国家联 合重点 基金项 目 4 0 8 3 9 9 0 3 。 [ 作者简介]吴勘 1 9 8 4 一 ，男 ，2 0 0 8 年大学 毕业 ，硕士生 ，现 主要从 事地层古生物与沉积学方面的学 习与研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l 卷第 4 期 吴勘 等 孢粉化石在 石油勘探 中的应用 久地保存下来形成化石 。我们通常看到的孢粉化石，都是孢粉的外壁 。 孢粉化石要经过一系列的化学和物理处理才能重新展现在人们面前 ，供研究者在显微镜下观察、描 述 、鉴定 。孢粉的主要鉴定依据是萌发器和外壁纹饰 。萌发器 a p e r t u r e 是外壁 的任一变薄部分或缺 失部分 ，通常由外壁的外层或内层 ，或 内层 和外层的厚度变化而产生 ，它不依赖于外 壁的图案而存在 。 萌发器有两类 ，分别称为孑 L p o r i 和沟 c o l p i 。有孔 的花粉 叫具孔粉 p o r a t e ，有沟的花粉叫具沟 粉 c o l p a t e ，既有孔又有沟并且结合成 同一萌发器的花粉称为具孔沟粉 e o l p o r a t e 。蕨类和苔藓类 的 孢子壁结构没有 内层 、外层的区分 ，它们 的萌发器不能严格地归入孔和沟，而是称之为裂缝 。不 同种类 的孢子 、花粉，其孑 L 、沟、裂缝的数量、位置、形状 、大小、加厚构造等是不同的。 国内外关于石油勘探中孢粉化石 的研究 已有数十年的历史 ，取得 了很多 的成果[ 3 叫引。按石油有机 成因学说，碳水化合物是向石油天然气转化的有机物质之一。有机质 向石油转化 的中间物质叫干酪根 。 原油保存在储油岩石的孔隙缝洞中，这些缝洞有的很大 ，多数很小，只能保存个体细小的微体化石。早 在 1 9 3 7年便有人在含油盆地沉积岩 中发现 了海绵骨针、放射虫 、孢 粉、硅藻、沟鞭藻和其他藻类化 石 ，其中含量最高的还是孢粉化石L 4 ] 。 原油中所含的孢粉化石称为原油孢粉化石 ，其中很多孢粉化石所代表的时代都比含油地层老，其立 体感强，纹饰比较模糊 ，表明它们曾爱 到某种程度溶蚀。原油孢粉化石在石油地质研究 中还可以研究原 油运移途径 ，推断油气运移通道孔径的大小 。油气运移以连通的缝隙孔洞为通道 ，通过统计原油孢粉化 石的直径便可求出通道孔径的大小范围。 现在孢粉学家们已越来越认识到有必要将孢粉和其他分析的数据相结合起来，以重建盆地或特定沉 积区的尽可能完整的图景，它不只是年代地层方面的 ，还应包括沉积模式 、各地层的烃源能力等。 3 孢粉与油气评价 可以运用孢粉相古环境分析来评价盆地是否具备适合生烃的环境条件。孢粉相是反映沉积物及其成 岩作用环境的沉积有机质组合 。早期是指用 HC 1 盐酸和 HF 氢氟酸孢粉分析技术从沉积物或沉 积岩中获得的在显微镜下可观察的所有抗酸有机质 C o mb a z ，1 9 6 4 。从 2 O世纪 8 O年代起 ，孢粉相研 究得到 了迅速而广泛的开展和应用 ] 。 除此之外 ，孢粉相在烃源岩评价的应用中还有另外两个主要方面有机质成熟度及生烃方 向。 3 ． 1 孢粉与油气有机成因说 孢粉 包括藻类 、细菌是石油形成的原始物质 ， 油 田原油中孢子花粉及微体古植物化石的研究 ， 始于 2 0世纪 3 O年代后期 ，而到 5 O年代 以后 ，普遍引起人们的极大关注。最初 ，桑德斯首先从墨西哥 及罗马尼亚等油田的原油中分离出了藻菌类植物的孢子。不久 ，美 、俄、印、澳等国的孢粉学家们 ，各 自从本 国油 田原油中，先后分离出了硅藻 、各种藻类孢子和高等植物的花粉 ，许多学者以大量确凿的证 据 ，从不 同的角度研究植物是油母的主要来源[ 6 ] ，支持 了石油有机起源说。 经分析得知 ，石油中有高浓度的异戊二烯存在 ，而组成植物孢子花粉的孢粉素的类胡萝 卜素和类胡 萝 卜素酯的氧化聚合物的基本化学结构 ，也是 由异戊二烯组成的。这更有力地说明，石油的原料是来 自 于植物和浮游生物的遗体。布鲁克思等[ 1 。 ] 曾指出，石油 中除含有高浓度的烯烃外 ，还含有高浓度的五 环三萜烯和 固醇类 ，这说明地层 中的类脂是从植物类酯类 、五环三萜类 和固醇类经氢离子 的互换而来 。 许多有机物 ，如类脂 、碳水化合物、孢粉素 、木质素、甚至蛋白质等 ，都可以成为油母的原料。 通过对松 、白皮松 、向日葵 、玉米、枫树、水麻柳 、贯众等现代孢粉的热模拟试验证 明[ 3 ] ，孢粉能 生成石油 。其生油阶段分为早期生成石油和晚期生成石油。早期生成石油主要通过纤维素和原生质的热 降解 ， 温度约 3 0 0 ℃左右可以生成石油 。但是纤维素和原生质在地层深层堆积埋藏过程中容易被细菌分 解 、 腐蚀或被氧化破坏 ， 虽不能直接热解生成烃类 ，但纤维素经细菌分解后可以形成腐殖酸 ，腐殖 酸进 一 步聚合形成干 酪根 ，最后仍 可以生成石油 。晚期生成石油是通过孢粉外壁 的孢粉素裂解 ，温度约在 4 0 0 4 2 0 ℃，主要由孢粉素生成，因此，孢粉的外壁越厚 ，它的生油量越大 现代孢粉模拟热解的温度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9年 8月 参数和化石孢粉热干酪根有差异 ， 但其热演化方 向是一致 的 。从现代孢粉热解产物中的原生标 志化合 物 ， 也进一步证明化石孢粉可以参与石油形成 。 3 ． 2 孢粉有 机质 成熟度 根据孢粉有机质的热变质情况来判断沉积有机质是否达到了生烃 的成熟要求。用以判断成熟度的主 要依据是孢粉的颜色。以此为基础 ，从上世纪 6 O年代末起，科 学家们提出了许多指数和量化的尺度方 案 ，如 S t a p l i n [ 1 ] 的热变指数 TAI ，T h e r ma l Al t e r n a t i o n I n d e x 、B a t t e n [ u ] 的 7级方案及热变级别表 TAS ，Th e r ma l Al t e r n a t i o n S c a l e 、Va n Gi j z e l [ 的透射光颜色指数 T C I ，T r a n s mi t t a n c e C o l o r I n d e x 、C o l l i n s[ 1 ] 的孢子颜色指数 S C I ， S p o r e C o l o r I n d e x 等。S mi t h和 B a t t e n [ 1 。 ] 将一些 参数和方 案进行 了对 比。由于孢粉样品中的孢粉颜色存在较宽的变化范 围，因此难 以用视觉观测来判断成熟度 。 有的孢型的化学成分对温度的反应非常明显 ，而有的类群颜 色的变化贝 0 很窄。对一个沉积序列 ，如果以 一 些延限比较长的类群作观测对象并结合透射光、吸收光、荧光 、反射光等方法会更有效。 3 ． 3生 烃方 向 根据孢粉有机质组成判断成烃的方向，即气倾 倾 向于生成气态烃或油倾 倾 向于生成液态烃 。 有机质在温压作用下可以分解生成各种液态或气态的烃。但是 ，不同类型的有机质所能生成的化学物质 及产量并不相同，即具有不同的生烃方 向和能力 。一般认为无定形有机质具生油的倾 向，这主要是基于 它主要是藻类来源的，具有极佳的生油潜力 。但它也可以由各种原始有机物质降解产生，因而油倾的特 性也不尽然。如果是藻类来源的 ，则具很强的生油倾向，如果是陆生维管植物来源的，则显示更高的气 倾。因此 ，无定形类的生烃潜力并不很确定 ，根据其来源可以是油倾也可以是气倾 。 4 孢粉与层序地层 经典层序地层学认为构造沉降、全球海平面升降 、沉积物补给及气候是控制层序形成的 4大要素。 例如，在陆相盆地中，基底沉降、沉积物供给和气候对基准面变化和层序发育的控制作用更加明显。气 候变化造成植被的变化 ，即造成了植被所产生 的孢粉组合的变化 ，孢粉组合与层序地层有着密切的联 系。在资料丰富的情况下 ，可以利用孢粉开展高精度层 序地层学研究。对一个地 区进行层序地层学研 究 ，需要生物、岩石 、测井及地震等资料的综合分析，才能得出相对合理的划分方案。而人们在研究时 容易忽略孢粉学的资料，只是简单用来建立大的等时地层格架 ，对于孢粉组合特征的详细变化并未特别 关注。实际上 ，层序划分精度越高，区域对 比越是困难 ，这种情况下 ，需要充分利用孢粉资料 ，从而大 大 提高 对 比精度 J 。 5 结 语 目前孢粉学在石油勘探 中应用主要集 中在地层划分 与对比、判断石油的成熟度和生烃能力等方面。 针对石油勘探开发中存在的问题 ，许多新的领域还有待进一步去开拓，如利用孢粉估算古海洋生产力、 判断古湖水面升降等等。总之，将孢粉化石应用于石油地质有着十分广阔的发展前景 ， 相信随着先进设 备的引进和测试手段的更新 ，在孢粉学者的共同努力下 ，石油行业的孢粉学应用必将在造福于人类上作 出越来越大的贡献。 [ 参考文献] [ 1 ]潘建国 ．试论应用孢粉学及其薪进展 [ J ]．微体古生物学报 ，2 0 0 2 ，1 9 2 2 0 6 2 1 4 ． [ 幻 宋之琛 ，李曼英 ， 王伟铭 ，等 ．中国孢粉化石 跪自垩世和第 三纪孢粉化石 [ M]．北京 科学 出版社 ，1 9 9 9 ． [ 3 ]王开发 ，王宪 曾 ．孢粉学概论 [ M]．北京 北 京大学 出版社 ，1 9 8 3 ． 7 0 7 1 ． [ 4 ]B a t t e n D J ． Us e o f p a l y n o l o g i c a s s e mb l a g e - t y p e s i n We a l d e n c o r r e l a t i o n[ 刀 ． P a l a e o n t o l o g y ，1 9 7 3 ，1 6 1 ～4 O ． 下转 第 2 2 6页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 6 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9年 8月 2 长岭断陷营城组火山岩类型较多 ，其 中酸性流纹岩和凝灰岩类最为发育，火山岩相 以溢流相和 爆发相为主。 3 长岭断陷营城组火山岩分布明显受深大断裂控制，火山口及火 山机构主体主要沿大断裂走 向展 布 ，火山机构在纵向相互叠置，横 向上叠合连片。 4 长岭断陷营城组火山岩喷发模式为裂隙一 中心式复合喷发模式 ，断裂为岩浆活动提供通道，经多 期次喷发活动，形成 了多个火机构复合体。 [ 参考文献] [ 1 ]陆建林 ，王果寿 ， 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n i c ma t t e r f o r e v a l u a t i o n o f h y d r o c a r b o n s o u r c e p o t e n t i a l [ R ]． Pr o c e e d i n g s o f t h e 4 t h I n t e r na t i o n a l Pa l y n o l o g i c a l Co n f e r e n c e，Lu c k n o w 1 9 7 6～1 9 7 7 ，1 9 8 0，25 8 9～5 9 4 ． [ 1 2 ]姜立征 ． 孢 粉分析与环境考古 [ J ]．生物学通报 ，1 9 9 8 ，3 3 7 2 ～4 ． [ 1 3 ]B i r k s H J B，G o r d o n A D ． Nu me r i c a l me t h o d s i n Qu a t e r n a r y p o l l e n a n a l y s i s[ M]． L o n d o n ；Ac a d e mi c P r e s s ，1 9 8 5 ． 4 7 9 0 ． [ 1 4 ]S t a p l i n F L ． I n t e r p r e t a t i o n o f t h e r ma l h i s t o r y f r o m c o l o r o f p a r t i c u l a t e o r g a n ic ma t t e r[ J ]． P a l y n o l o g y ，1 9 7 7 ，1 ；9 ～1 8 ． [ 1 5 ]Va n G i j z e l P ． T r a n s mi t t a n c e c o l o r i n d e x T C I o f a mo r p h o u s o r g a n i c ma t t e r ； a n e w t h e r ma l ma t u r i t y i n d i c a t o r f o r h y d r o c a r b o n s o u r c e r o c k s ，a n d i t s c o r r e l a t i o n w i t h me a n v i t r i n i t e r e fl e c t a n c e a n d t h e r ma l a l t e r n a t io n i n d e x T AD [ J ]． Me d e d ． R i j k s Ge o 1 ． Die n s t ，1 9 9 0 ， 4 54 9 ～ 6 4 ． [ 1 6 ]C o l l i n s Th e卜1 0 s p o r e c o l o r i n d e x S C I s c a l e a u n i v e r s a l l y a p p l i c a b l e c o l o u r ma t u r a t i o n s c a l e ，b a s e d o n g r a d e d ，p i c k e d p a l y n o mo r p h s[ J ]． Me d e d． Rij k s Ge o 1 ． D i e n s t ，1 9 9 0 ，4 5 3 9 4 7 ． [ 1 7 ]S mi t h P M R． S p e c t r a l c o r r e l a t i o n o f s p o r e c o l o r a t i o n s t a n d a r d s[ A]． B r o o k s J ． P e t r o l e u m g e o c h e mi s t r y a n d e x p l o r a t i o n o f E u r o p e ／ M]． Ge o l o g i c a l S o c i e t y ， L o n d o n S p e c i a l P u b l i c a t i o n ，1 9 8 3 ． 2 8 9 2 9 4 ． [ 1 8 ]B a t t e n D J ． P a l y n o f a c i e s a n d p e t r o l e u m p o t e n t i a 1 ． J a n s o n i u s [ A]． Mc Gr e g o r[ J ]． P a l y n o l o g y p r i n c i p l e s a n d a p p l i c a t i o n s[ C]． AAS P Fo u nd a t i o n．1 9 9 6 b ． 1 06 5 1 0 8 4 ． [ 编辑] 宋换新 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m