镜质体反射率的研究现状

      随着石油、煤炭等能源工业的不断发展,盆地的热演化过程逐渐被越来越多的研究人员重视。而且还发现,盆地热演化过程不仅与盆内油气等能源矿产的形成有密切的关系,还和沉积盆地的埋藏、流体以及盆地原型演化有密切的关系。因此,重建沉积盆地的温度历史对于认识盆地的演化历史、分析盆地演化过程中的地质作用及其演化过程,具有重要的意义。

       盆地热史的研究方法主要分为两类,一类是地球动力学模型法,另一类是古温标法。目前较为常用的是古温标法,古温标法的种类很多,如粘土矿物转变法、镜质体反射率法、流体包裹体法和裂变径迹等。镜质体反射率法自上世纪 30 年代首次用于测定煤化级别之后,已延用至沉积岩分散有机质成熟度的测定,是应用最广泛并可作为数字标尺的有机质成熟度指标。因其可量化有机质成熟度的优点,得到了地热史研究方面最广泛的应用。

       镜质体反射率是指镜质体(在绿光中)的反射光强度对垂直入射光强度的百分比。煤中的镜质体是一组富氧的显微组分,由同泥炭成因有关的腐殖质组成。干酪根的热解过程与煤中镜质体的演化过程相同,其基本成分为镜质体碎片和非晶质有机物,主要来源于陆生高等植物碎片。镜质体的核为芳香苯环,当有机质变质程度低时, 芳香苯环核是无定向排列的, 堆积比较松散,测得的反射率就低; 随着演化程度增高, 芳香苯环缩合程度加大,增长为更大的结构单元, 非芳香组分减少。因此芳香苯环排列越定向,堆积越紧密,就越光滑, 测得的反射率增高,而且芳香苯环定向排列的过程不可逆性。

       盆地的热演化过程与大地热流、沉积物埋藏和岩石热导率有关。单位时间内流经地表单位面积的热流量称为大地热流,是地球内热通过地表可以直接测量得到的物理量。岩石热导率指沿热传导方向在单位厚度岩石两侧的温度差为 1 ℃时单位时间内所通过的比热流量。大地热流一般用经典的高斯一维模型描述,该模型不考虑横向流体对热状态的影响。大地热流值是地温梯度与热导率的积。地温梯度指地层每增加一定深度段(或单位深度)时温度升高的幅度,它是表示地球内部温度不均匀分布程度的参数,一般埋深越深处的温度值越高。地温梯度的变化反映盆地热状态的变化,引起地温梯度改变的原因往往是大地热流的变化。 

       利用一定地质时期的地温梯度与埋藏深度就可以得到某个埋深的地温。从某种程度上说,沉积物中镜质体的反射率值,是该镜质体加热过程的积分,是温度与时间的函数。也就是说大家知道大地热流值和埋藏史,大家就可以推导出镜质体反射率的值。埋藏史是指随着盆地沉降充填使得沉积物不断被充填压实,之后盆地抬升地层沉积间断或遭受剥蚀,这样反复进行的埋藏过程。因此,在埋藏史确定之后,才可以使用镜质体反射率反向揭示盆地热演化过程。 

       镜质体反射率值是指在显微镜下,镜质体抛光面的反射光强度与垂直入射光强度的百分比。其原理是光电倍增管所接受的反射光强与其光电信号成正比,在显微镜下用一定强度的入射光照射时,对比镜质体和已知反射率的标准片的光电信号值而加以确定。

                                                                           镜质体反射率测定原理示意图 

镜质体反射率的公式为: 

式中: I0 —反射光强度; I —入射光强度。

       镜质体反射率的测定使用的是最大反射率法和随机反射率法。常规最大反射率法: 在偏光及常温(23 ℃)下,Ne = 1.518 的浸油中,在波长为(546±5)nm 的绿色光下进行测定。样品可以是煤粒任意定向的煤砖光片或垂直层面或斜交层面磨制的块煤光片。测点选定之后,缓慢地旋转载物台 360°,记录最大反射率读数即为最大反射率。由于煤中镜质组反射率有差异,因此必须在谋片上测得均匀分布的足够的点数,取其平均值,叫做平均最大反射率 。这是国际标准草案中推荐的方法。

       在测最大反射率时,在样品转动中也一可记录到一个最小值。最小值是在垂直于最大值方位上测得的。如果徉品是垂直煤层层面的块煤光片,这个最小值就是真正的最小反射率,其平均值叫平均最小反射率 。如果样品是斜交层面的块煤光片或煤砖光片,这个值叫平均近似最小反射率 。

       根据块煤光片中测得的平均最大和最小反射率可计算出平均反射率和随机反射率 或体积反射率 ,即 

      根据在煤砖光片中测得平均近似最小反射率 和平均最大反射率 可计算出平均最小反射率 。 

       随机反射率法

       测定随机反射率有两种方法;一种是国际标准草案中推荐的方法,即不用偏光镜,不转动物台,在煤砖光片中测定镜质组随机反射率。大量读数的平均值叫随机反射率。被称为非偏光下测定的平均反射率(average reflectance)。后来,Hevia & virgos (1977)引入“随机反射率”(random&reflectance)一词,被国际标准化组织采用,改称为随机反射率法。另一种是在偏光下,不转动物台测定的反射率也称之为随机反射率。美国、苏联及国内的一些煤岩工编辑也采用这种方法。已经证明,煤砖光片中测定的平均随机反射率与入射光的偏振程度无关,但是为了减少由光学各向异性引起的镜质组反射率的分散,提高测量精度,最好在非偏光下进行测定。

       平均随机反射率可以用经验式转换成

      制样推荐全岩光片法,将样品粉碎、胶泥、凝固、抛光。

      由于镜质体反射率测值受外界或自身的影响,可能出现抑制或增大,发现异常时需要校正。目前最常用,准确率较高的镜质体反射率值校正法是烃源岩有机质多组分显微荧光探针(FAMM)分析技术方法。1989-1991 年间,Wilkins 博士及其科研小组研 究 并 建 立 了 FAMM( Fluorescence Alteration of Multiple Macerals)技术。它是现行解决烃源岩镜质体反射率抑制较为有效方法,主要针对烃源岩中镜质体反射率受抑制或增强,烃源岩中镜质体含量低或不好辨识的情况。为盆地模拟和烃源岩评价等方面提供了大量有机质成熟度参数。 FAMM 技术抛开了烃源岩中对镜质体的依赖,测定样品中各种显微组分的荧光强度 I400(使用激光照射 400 s 后的荧光强度),并得出 R(I400/I0), I0为颗粒初始荧光强度。将测出的值落在标准图版上并拟合成曲线。标准图版是 Wilkins 博士经过大量实验建立起来的。如果拟合曲线的顶点与标准图版中的 J 曲线(实线)相交,则镜质体反射率没有受到抑制。如果拟合曲线的顶点在 J 曲线(实线)右侧,表明镜质体反射率富氢受到了抑制。反之,如果拟合曲线顶点与 J 曲线(实线)左侧,说明镜质体反射率异常增大。受抑制或增大的值为标准图版中与拟合曲线顶点相交的曲线(虚线)上标准的数值。  

用 FAMM 法校正镜质体反射率抑制 

      干酪跟的热解过程与镜质体的演化过程相符合,所以镜质体反射率和成岩作用关系密切,热变质作用越深,镜质体反射率越大。在生物化学生气阶段,镜质体反射率的值较低,随着埋藏深度逐渐变大。热催化生油气阶段和热裂解生湿气阶段,反射率增加较快,至深部高温生气阶段,镜质体反射率继续增加。所以利用镜质体反射率,可以预测油气的分布。

Ro 与油气分布的关系 

       由于镜质体反射率的不可逆性以及稳定记录盆地最高古地温的优势,被做为重要的定量地温计在研究沉积盆地热史反演等方面具有不可替代的作用。但也存在一些不足,比如在重建盆地热史时不能反映样品所承受的最新的、最大热事件的温度,也无法反映达到最高温度后的具体泠却过程。镜质体反射率需要与磷灰石裂变径迹、流体包裹体等结合起来研究盆地热演化史,目前已有学者在这个领域取得了成绩。镜质体反射率结合古温标将发展的越来越系统化,争取更大的应用空间。

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