引言

进入21世纪，中国页岩气产业得到了迅速发展，目前，已在南方的五峰组—龙马溪组海相、北方的延长组陆相以及南北方的海陆过渡相页岩地层中获得了大范围的勘探发现，建成了以涪陵为代表的高产页岩气田，证实了中国页岩气的普遍存在^[1-3]。页岩最大的特点就是其低孔、特低渗性，其纳米级孔隙结构对气体在其间的赋存和渗流有着重要影响。有机孔作为页岩纳米级孔隙系统的重要组成部分，不仅对页岩总孔隙度具有一定贡献，而且，其一定程度上反映了有机质生烃过程及生烃机理，因此，近年来一度成为世界学术界研究的热点和难点，这也是目前中国页岩气勘探开发过程中的一个重要研究课题^[4-6]。

近年来揭示的不同地区、不同沉积相类型、不同层位的页岩层系，其有机孔发育差异较大，普遍认为海相高熟页岩有机孔发育^{[4, 7-9]}，陆相低熟页岩有机孔基本不发育^[10-12]。对比中国南方下志留统龙马溪组高成熟页岩和下寒武统牛蹄塘组高—过成熟页岩有机孔发现，牛蹄塘组页岩有机孔发育程度和规模明显不及龙马溪组^[13-15]。另外，近年来海陆过渡相页岩气的逐步勘探也揭示了有机孔普遍不发育的特性^{[9, 16-18]}。因此，系统梳理不同干酪根类型、不同热演化成熟度页岩层系中有机孔的成因、影响因素、演化序列是亟需的也是必要的。

在系统调研文献的基础上，并结合作者近年来的研究成果，对以下问题做了探讨：(1)有机孔的成因；(2)有机碳含量(TOC)、成熟度($R_{\rm{o}}$)、有机质类型、有机质显微组分等有机质地化属性对有机孔发育的影响；(3)有机质塑性、有机质赋存形式、次生沥青、压实作用及地层压力系数等对有机孔发育与保存的影响；(4)有机孔的演化过程等。

1 有机孔成因

目前，在学术界关于有机孔成因的认识主要有以下3种。

(1) 有机孔形成于干酪根生烃过程中。Jarvie等认为有机质在埋藏和热成熟过程中，生成的气态烃类物质不断聚集，气体体积膨胀形成有机孔^{[9, 19-20]}；Löhr等认为有机孔为生烃残留孔，形状多呈蜂窝状、凹坑状，其大小和数量受页岩非均质性影响较大^[7]；Han等在研究页岩孔隙的演化过程中指出，从未成熟到生油窗阶段，受压实作用影响，页岩孔隙度逐渐减小，而从生油窗到过成熟阶段，由于干酪根生烃形成了大量的有机孔，页岩孔隙度逐渐增加^[21]。

(2) 有机孔形成于沥青裂解过程中。Bernard等在研究Fort Worth盆地Barnett页岩时发现，随着成熟度的增加，沥青在裂解生气过程中会形成有机孔^[22]；朱如凯等对鄂尔多斯盆地延长组7段页岩进行热模拟实验过程中发现，温度较低时(325 ℃左右)，主要发育有机质边缘收缩缝，温度超过380 ℃时，有机孔开始慢慢出现，温度达到550 ℃时，开始发生沥青裂解，有机孔明显增加^[23]。

(3) 有机孔形成于干酪根转化成前油沥青的过程中(所谓的有机质生烃消耗成因)。Ko等在对低熟的Boquillas(与Eagle Ford同期沉积)、页岩进行热模拟实验过程中发现，有机孔可以形成于干酪根转化成前油沥青的过程中，也可形成于有机质热解生气的过程中，二者形成的有机孔形貌和规模差别较大，但以后者为主^[24-25]。

本文认为有机孔为生气膨胀力成因，即无论是干酪根还是沥青，亦或是何种有机组分，都只有在足够大的生气膨胀力下才会形成有机孔，具体解释将会在2.1中进行阐述。

2 有机孔发育的影响因素 2.1 有机质地化属性 2.1.1 有机碳含量(TOC)

目前认为TOC是影响有机孔发育的主要因素，TOC越高，页岩的储集能力越强^[19]。但有机孔发育程度并非随着TOC的增加无限增加，当TOC达到一定值后，有机孔的发育程度不再增加、甚至出现降低的现象^[26-28]。Milliken等在研究Marcellus页岩时发现，当TOC小于等于5.5%时，孔隙度与TOC呈正相关关系，而当TOC大于5.5%时，孔隙度与TOC表现出一定的负相关^[26]；Tian等在研究黔南拗陷下寒武统黑色页岩孔隙结构时发现，成熟页岩有机孔发育程度随着TOC的增加表现出先增加后略微降低的现象^[27]；曹涛涛等在研究贵州铜仁地区牛蹄塘组页岩有机孔发育特征时发现，当TOC小于5.0%时，有机孔发育程度随着TOC增加而升高，而当TOC大于6.0%时，有机孔发育程度随着TOC增加而降低^[28]。高TOC对有机孔发育的抑制作用可能与机械压实作用或者有机显微组分密切相关。高TOC页岩在地层条件下更容易受岩石作用的影响，从而导致有机孔被压缩变形。此外，高TOC页岩可能包含更多的腐殖显微组分，同样不利于有机孔的形成。

2.1.2 成熟度($R_{\rm{o}}$)

(1) 对类脂组分有机孔发育的影响

总体来看，成熟度高的北美Barnett、Woodford和Horn River页岩及中国上扬子下古生界龙马溪组页岩中均大量发育大孔径、网络状、连通性好的有机孔^{[5, 15, 29-30]}；而成熟度低的北美New Albany和Antrim页岩及中国北方中新生界陆相页岩有机孔发育普遍较差，呈小孔径、凹坑状，孤立分布^{[15, 20]}。这说明生油型显微组分有机孔的发育主要受控于成熟度，随成熟度的提高，有机孔的发育规模和大小均呈现出增大的趋势。但是，处于过成熟晚期—变质阶段的下古生界海相牛蹄塘组页岩($R_{\rm{o}}$高达3.5%以上)，其有机孔多呈针孔状，这说明已高度成熟的有机质在经历更高成熟热变质的情况下，有机孔会发生一定程度的破坏。邹才能等在研究威远地区筇竹寺组页岩(3.2% < $R_{\rm{o}}$ < 3.6%)孔隙结构时发现，受变质阶段有机质碳化作用的影响，有机孔孔径和孔体积大幅降低^[31]。

(2) 对腐殖组分有机孔发育的影响

对于富含腐殖组分的过渡相页岩，因其有机质组成与煤的显微组成类似，均富含大量腐殖组分(主要指镜质组)，故对腐殖组分中有机孔的热演化探讨主要参照煤中的气孔^[32]。总体上，有机孔的发育同样受控于热成熟度，且在一定范围内随成熟度的提高，有机孔孔径和发育规模逐渐增大。具体来讲，泥炭和褐煤阶段($R_{\rm{o}}$ < 0.5%)气孔发育最少也最小；长焰煤—瘦煤阶段(0.5%$\leqslant$$R_{\rm{o}}$ < 1.9%)气孔发育最多，尤其是长焰煤—气煤阶段(0.5%$\leqslant$$R_{\rm{o}}$ < 0.9%)最发育，到瘦煤阶段(1.7%$\leqslant$$R_{\rm{o}}$ < 1.9%)气孔明显减少；贫煤(1.9%$\leqslant$$R_{\rm{o}}$ < 2.5%)和无烟煤阶段($R_{\rm{o}}$$\geqslant$2.5%)因有机质深度变质，气孔几乎不可见。据此，中国高成熟的过渡相页岩有机孔发育程度低除归因于腐殖组分本身结构的难改变性外，也与有机质处于深度变质阶段导致先存有机孔遭到破坏有关。

2.1.3 有机质类型

Chalmers等在研究加拿大不列颠哥伦比亚下白垩统^[33]和Cao等在研究四川盆地龙马溪组和大隆组高—过成熟的页岩孔隙结构时发现^[9]，Ⅰ、Ⅱ型干酪根比Ⅲ型干酪根更容易生气和形成有机孔，这与Ⅰ、Ⅱ型干酪根生成石油的能力远大于Ⅲ型干酪根相关；袁野等在研究鄂尔多斯盆地山西组以Ⅲ型干酪根为主的页岩孔隙结构时指出，Ⅲ型干酪根有机孔整体上不发育^[34]。有机质类型对有机孔发育程度的影响可通过干酪根抽提后利用等温吸附实验甲烷吸附量间接反映，由于篇幅有限，本文不做相关的讨论。

2.1.4 有机质显微组分

Tian、Chalmers等研究同一块具有相同热演化史有机质的不同部位时发现，有机孔发育特征差异很大，说明有机孔的发育受有机显微组成的影响^{[27, 35]}。不少学者进一步研究发现，有机孔多见于类脂组分，腐殖组分发育程度低^[36-38]。本文认为这与不同有机显微组分在化学结构性质上的差异有关，即相对于类脂组分，腐殖组分在热演化过程中自身结构难以改变，故很难大规模发育有机孔。镜质组和惰质组在生烃演化过程中本身形貌基本不发生变化，而壳质组和腐泥组随着热演化的进行形貌会发生根本改变，特别是达“生气窗”后变化最大，至过成熟阶段最终转化为微粒体存在^[39]。另外，对于次生(固体)沥青而言，其含有丰富的脂肪族结构，化学结构上更似于类脂组分，因而在热演化过程中易于改变自身形貌发育有机孔。

另一方面，若有机孔为生烃消耗成因，类脂组分则应更易于在较低的成熟度下生排烃形成有机孔，而事实却并非如此，只有处于“生气窗”的海相页岩才广泛发育，而处于“生油窗”的陆相页岩基本无有机孔。而腐殖组分镜质组，在较低的成熟度下即发现了有机孔(煤层气中又称气孔)^[40]。本文认为这种现象最合理的解释是：有机孔为生气膨胀力成因，即无论何种有机组分，都只有在足够大的生气膨胀力下才会形成有机孔^[41]；而生排油阶段为连续黏性流体的运动，不具此膨胀力，即有机质排油和排气方式是不同的。考虑到在未—低熟页岩中发现了较多的有机质边缘收缩缝以及有机质内部裂缝，不妨大胆猜测，生油组分的排油方式是依靠产生微裂缝的形式进行，即有机质在生油过程中，过多的油会在“生油压迫力”作用下以线性流的形式冲破有机质表面(类似于水力压裂过程中裂缝的产生机制)，并且大量的有机质消耗势必会造成有机质体积收缩，从而在有机质边缘或内部产生缝隙(图 1)。从有机质边缘缝和内部缝发育的载体来看，有机质边缘缝主要存在于大个头呈枝状或碎屑状的腐殖组分周缘，即镜质体或惰质体周缘(图 1a，图 1b)；而内部缝则主要存在于个头较小的腐泥组分内部，在其周缘很少能看到边缘缝(图 1c，图 1d)。有机孔发育于“生气窗”的特性在以往的研究中也得到了大量证实^{[5, 22, 26]}，有机质收缩缝常见于生油阶段富有机质页岩的现象同样在以往的研究中得到广泛证实^[42-43]。

2.2 有机质塑性

众所周知，有机质与骨架矿物相比，硬度要小很多，塑性正好相反，而且不同干酪根类型的有机质，其硬度和塑性均存在较大差异。一般来讲，来源于硬质有机质母质(高等植物木质纤维)的腐殖组分，由于其一定程度上继承了原始母质的化学结构，因而通常表现为高硬度、低塑性，形貌上也常表现出平直的边缘并具有一定的锐度。而来源于水生浮游藻类和低等水生生物的腐泥型显微有机组分，继承了浮游藻类的软体组构，因而常表现出一定的软度，常具有圆滑的形貌边缘和疏松的表面结构，特别是腐泥无定形体，作为经历过生物降解的藻类组分，没有固定的形状，常表现出海绵体或絮状体的特征，整体具有很强的柔韧性和流动性，因而在页岩沉积埋藏过程中，能够不断调整自身形貌以适应基质孔隙。壳质组分来源于草本植物的生殖器官等，硬度比藻类体要高，但比腐殖碎屑组分低，塑性程度则相反。

对于有机质微观力学性质的测试是很难实现的，因而需要借助于一些高新技术手段。Eliyahu等利用原子力显微镜压力模式对页岩中有机质的杨氏模量进行了测量，结果表明，不同干酪根类型的有机质杨氏模量差别较大，总体上表现为Ⅲ型干酪根最高，Ⅱ型次之，Ⅰ型最低^[44]。Ⅰ、Ⅱ型干酪根的杨氏模量一般在3.8~31.4 GPa。另外，次生沥青组分与干酪根之间的杨氏模量也差别较大，次生沥青组分的杨氏模量一般在5.0~10.0 GPa。需要特别说明的是，虽然干酪根的杨氏模量总体上要高于沥青，但二者也有一定的重叠(图 2)^[45]，这也间接表明干酪根中某些软的显微组分可能就是残留沥青或者干酪根中可能包含沥青组分。

另外，有机质在热变质过程中，其杨氏模量总体呈现增大的趋势，但不是无限制地增加^[46]。从未熟到低成熟再到成熟阶段，干酪根的杨氏模量总体上呈现增大的趋势，从未成熟阶段的3.8~10.1 GPa到低成熟—成熟阶段的8.9~31.4 GPa。这些变化主要是因为干酪根的化学成分发生了变化，随着热成熟作用的进行，干酪根中脂肪族的C—H键比例逐渐降低。同样，固体沥青的杨氏模量随热演化程度的提高也呈现不断增大的趋势，但相比干酪根，其增加的幅度较小，反映固体沥青的均质性较好，而干酪根则具有比较大的非均质性。这里需要说明的是，虽然这里测得的是有机质的杨氏模量，但很大程度上可以反映有机质的塑性特征。

从有机质塑性角度来看，一方面，由于腐泥无定形体具有一定的延展性，使其在页岩的沉积成岩过程中能够改变自身形貌充填于基质孔隙或黏附于矿物表面，因此，即使生排烃也只能在有机质内部形成孔隙，而在有机质边缘形成收缩缝的概率很低；而对于延展性很差的腐殖碎屑组分而言，其在达到一定成熟度条件后，理论上即可生排烃发育周缘收缩缝以及内部有机孔。另一方面，由于有机质收缩缝存在于有机质与矿物接触处，而不像发育于有机质内部的有机孔在一定程度上可以受到载体支撑而得以保存，故有机质收缩缝在发育时代久远以及深埋藏的页岩中得以保存的机率很小。由于陆相页岩中的有机质多为具强塑性的腐泥无定形体，而腐泥无定形体可以改变形态充填于粒间孔隙或黏附于矿物表面，因此，虽然生油期有机质易产生微裂缝，但因其高的无定形体含量，导致有机质微裂缝的发育也不成规模，仅少量存在于腐殖碎屑组分周缘或内部。

2.3 有机质赋存形式

有机质微观赋存形式指的是有机质与矿物的接触关系，与页岩的沉积、成岩作用密切相关，对有机质的保存及生烃演化具有较大的影响。根据有机质与矿物的接触关系可将有机质划分为游离有机质、黏附有机质和络合有机质3类，其中，游离有机质和黏附有机质最为常见^[47]。游离有机质不受矿物束缚，而独立散布于页岩基质中；黏附有机质以物理吸附方式黏附于黏土矿物表面结构孔或束缚于黏土矿物团聚体微孔隙中；络合有机质以化学吸附形式吸附在黏土层间，对有机质生烃具有强的催化作用^[48]。有机质以何种形态存在主要与各类有机显微组分具有不同的赋存习性有关。一般来说，不稳定组分腐泥无定形体更易黏附于黏土矿物而使自身得以保存，这在中新生代海相未成熟—低成熟Ⅰ型和Ⅱ型富有机质泥页岩中得以证实，而稳定形态组分壳质组、镜质组和惰质组则易呈单体形式独立存在^{[47, 49]}(图 3)。

通过上述分析可以得出，富含稳定形态组分的过渡相页岩中有机质更多地是以游离单体的形式存在，而富含腐泥无定形组分的陆相页岩中有机质则主要黏附于矿物表面(特别是黏土矿物)。但是，也有富含腐泥无定形的高成熟—过成熟海相页岩富含单体有机质。那么，有机质赋存形式的巨大差异在一定程度上表明有机质赋存形式同时受成熟度影响，即在生烃演化过程中，黏附有机质在生烃过程中会脱离载体而呈单体产出。据此，本文推测，现今高成熟—过成熟海相页岩中观察到的游离有机质很可能是原始矿物表面吸附的无定形有机质在热演化过程中聚集而成，当然，也不排除原始富有机质页岩中游离有机质的残余，而正确认识这点对于海相富有机质页岩的生排烃机理具有重要意义。

图 4a显示同一扫描电镜照片中的两个有机质单体，其在有机孔发育的形貌和大小上存在很大差别，右上角有机质中发育的有机孔呈大孔径椭圆形—圆形(图 4b)，左下角有机质中发育的有机孔呈针孔状且孔径小(图 4c)。从右上角有机质的放大图来看(图 4b)，有机质并不是呈单体填充于基质空间，而是黏附于黏土矿物骨架表面；从左下角有机质的放大图来看(图 4c)，有机质是呈单体存在的，也就是纯有机质。因此，不难看出，左下角发育的针孔状有机孔实际上是压实作用的结果，而右上角发育的大孔径圆形有机孔则依赖于黏土骨架对其的保护。图 4d进一步证实了这一认识，中部黏附于黏土骨架的有机质发育大孔径有机孔，而下部个体大的纯有机质则明显发育针孔状有机孔，这直接证明了有机质赋存形式对有机孔的发育和保存影响很大，在以后的研究中应引起注意。

2.4 次生沥青

沥青组分为干酪根热演化过程中排出的产物，初期具有很强的流动性，后期经次生改造作用以固体的形式存在。由于沥青的强流动性，使其在页岩基质中常表现为无形态有机质，通常充填在生物体腔内的有机孔或者充填在部分被矿物胶结后残留的孔隙空间(图 5)，这在以往的研究中也多次得到了证实^{[22, 50-52]}。

前人通过有机岩石学的手段对页岩中的固体沥青含量进行了统计，认为无论是中新生代陆相页岩，还是下古生界海相页岩以及上古生界过渡相页岩，固体沥青的含量都不会很高，一般不超过35%^[53-54]。由于沥青对富有机质页岩孔隙具有充填作用，导致在电镜下无法有效观察到有机孔，即由于沥青对富有机质页岩孔隙的充填作用会堵塞有机孔的正常表达，因此，在分析页岩孔隙结构及储集物性时，沥青含量是一个需要考虑在内的重要指标^[55]。

2.5 压实作用

在对比黔西北地区牛蹄塘组页岩露头样品和钻井岩芯样品中有机孔发育特征时发现，露头页岩样品中存在大孔径的有机孔(图 6a)，钻井岩芯样品中没有发现大孔径有机孔(图 6b)，考虑到埋藏压实作用，可以得出后期压实作用对有机孔的保存至关重要。实际上，南方海相龙马溪组和牛蹄塘组页岩中有大量呈薄片状、卷曲状充填于矿物颗粒间的有机质，这实际上是有机质在埋深大的条件下受强烈压实作用被挤入矿物颗粒间的结果。此现象在北美海相页岩中也广为发现，诸如Barnett、Horn River和Marcellus等页岩^{[5, 42]}。进一步，由图 6b可以看出，牛蹄塘组页岩在镜下几乎找不到有机孔，而在实际研究中发现，龙马溪组页岩中的有机孔虽然数量多，但孔径非常小，这些均显示了有机孔在发育过程中遭受了强烈的挤压，导致孔径变小甚至可能消失。

2.6 地层压力系数

页岩气勘探开发已经证实，南方高成熟—过成熟下志留统龙马溪组页岩普遍具有高的地层压力系数，如涪陵页岩气田地层压力系数为1.35~1.55^[1]，其有机孔普遍发育；而牛蹄塘组页岩地层大部分处于低压，贵州岑巩区块和重庆城口区块下寒武统牛蹄塘组页岩层段压力系数低于1.00，有机孔发育程度远不及龙马溪组。陆相页岩因其相对较低的成熟度而仍处于生油窗阶段，气体含量有限，地层压力系数较低，例如，鄂尔多斯盆地东南部长7、长9压裂层段的地层压力系数在0.80~0.90，基本不发育有机孔。由以上分析可以看出，高的地层压力系数有助于有机孔的保存，而低的地层压力系数不利于有机孔的保存。

3 有机孔演化过程

在有机孔发育控制因素分析的基础上，本文以成熟度$R_{\rm{o}}$作为主要划分指标，将有机孔的演化过程划分为4个阶段(图 7)。

在未成熟—低熟阶段($R_{\rm{o}}$ < 0.7%)，页岩有机质尚未发生生排烃或很弱，有机质不具备形成有机孔的生气膨胀力条件，因而基本无有机孔发育，仅存在少量原始生物组织结构孔和一些在生烃有机酸作用下形成的溶蚀孔。

成熟阶段(0.7%$\leqslant$$R_{\rm{o}}$ < 1.3%)，页岩中类脂组分的壳质体及腐殖组分的镜质体，首先发生腐化作用致使有机质密度减小，由原来的固体蜕变为海绵体，表面残留了因甲烷溢出而留下的孔隙。另外，有机质腐化是从有机质边缘向中心进行的。形态有机质组分(壳质体)在发育有机孔的同时，周缘无定形有机质(腐泥无定形体)却很少出现有机孔，这直接验证了壳质组分早于腐泥组分生气，从而率先在生气膨胀力作用下形成一定数量的有机孔，而此时的腐泥无定形组分则因处于生油期而仅形成了很少数量的有机孔，同时在其内部还形成了少量的微裂缝。

高成熟—过成熟阶段(1.3%$\leqslant$$R_{\rm{o}}$ < 3.5%)，干酪根裂解程度加大，腐泥无定形有机质开始大量形成有机孔，并且随着成熟度的升高，有机孔形态发生有规律的变化：从最初在有机质内部形成微裂缝，到形成蜂窝状孔隙，再到蜂窝状孔隙相互沟通形成集合体。另外，在有机质生油过程中释放出来的沥青组分(后期改造成为固体沥青)在化学结构和性质上与腐泥组分具有相似性，在生气高峰阶段也会发生大量裂解形成有机孔，其在有机质含量高的页岩中可能占比很大^[56-58]。

变质阶段($R_{\rm{o}}$$\geqslant$3.5%)，随着热演化变质程度的加深，有机质最后也会缩聚变质以致有机孔形貌发生巨大变化，由圆形/椭圆形不断转变为针孔状，直至消失。另外，有机质内部先前形成的气孔也会在后期外力的作用下，发生缩小、变形甚至闭合。

4 结论

(1) 有机孔为气成因，即有机质只有在生气膨胀力足够强时才能突破有机质表面大规模发育有机孔。在生油阶段，受有机质排油机制的控制常在有机质内部及边缘形成微裂缝。

(2) 不同有机显微组分由于其结构特性及生烃热演化规律的差异，有机孔发育特征差异较大。由于其类脂组分有机孔发育滞后，即在生油窗发育很差，只有在生气窗生烃膨胀力足够强时才会大量发育有机孔；而腐殖组分则可以在较低的热演化成熟度下直接生气形成有机孔，但因其化学结构不易改变，有机孔的发育规模大为受限。另外，无论哪种有机显微组分，其有机孔的发育并不是随热演化程度的提高而无限制扩大，在进入变质阶段后，原本存在的大孔径有机孔会因有机质急剧缩合而不断变小以致出现线性、针孔状有机孔，至深度变质阶段有机孔会在残炭中消失殆尽。

(3) 有机孔的发育除受有机质地球化学属性的影响外，还受到有机质自身塑性特征、与周缘矿物的接触关系、次生沥青、成岩过程中的压实作用以及地层压力系数等因素的影响。腐殖有机组分可塑性差，易于在外力作用下发生内部错断，在与矿物接触处因形变差异产生微裂缝；而腐泥组分无定形体可塑性强，能够改变自身形貌无缝充填基质空间，即使经历生烃收缩也很难在与矿物接触处形成微裂缝。此外，沥青会堵塞有机孔的表达，过成熟阶段有机质的强烈压实变形会造成有机孔孔径变小，黏附态有机质较无支撑的游离态有机质具有较好的抗压实能力，而地层压力系数与有机孔的发育程度具有较好的对应性。

(4) 在有机孔成因和发育控制因素探讨的基础上，以$R_{\rm{o}}$作为主要划分指标，将有机孔的演化过程划分为未成熟—低成熟、成熟、高成熟—过成熟及变质4个阶段，有机孔大量发育于高成熟—过成熟阶段。