随着北美地区“页岩气革命”取得的巨大成功，近年来中国页岩气行业迅速发展，已具备形成页岩气资源的地质基础与成藏条件，初步预测可采资源量高达15~25万亿m³(贾承造等, 2012, 2014)，并普遍认识到南方下寒武统牛蹄塘组/筇竹寺组 (∈₁n/∈₁q) 和上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组 (O₃w-S₁l)2套富有机质页岩层是最为有利的勘探目标层，其地质特征与北美五大页岩气层系相似 (Bustin，2005；Warlick，2006；Martineau，2007；Pollastro et al., 2007)，但同时存在热演化程度高、构造活动复杂和埋深差异大等特点 (张金川等, 2004, 2009, 2011；刘树根等，2009；邹才能等，2010；肖贤明等，2013；贾承造等，2014)。目前，这2套黑色页岩在四川盆地及周缘地区取得了一系列重大突破 (邹才能等，2011；郭彤楼和刘若冰，2013)，对认识中国南方古生界页岩气形成富集机理起到了很大的推动和促进作用。特别是，志留系页岩气勘探获得北美以外世界首个页岩气重大商业发现，在四川盆地东部焦石坝地区O₃w-S₁l黑色页岩层中发现了探明地质储量近4000亿m³的中国首个大型页岩气田-涪陵页岩气田，引起了国内外业界的广泛关注。

四川盆地及其周缘地区下寒武统和下志留统富有机质 (TOC≥2%) 页岩层已成为中国页岩气勘探开发的主战场，但勘探效果差异较大。与焦石坝地区O₃w-S₁l页岩气勘探的突破相比，南川、丁山和仁怀一带 (南页1、丁页1和仁页1等) 的O₃w-S₁l页岩气探井则不甚理想，寒武系页岩气勘探一直未能获得商业发现，反映南方海相页岩气富集机理及分布规律的复杂性，对页岩气成藏基础理论研究提出了更高的要求。基于此，本文在回顾近十年国内外页岩气勘探进展的基础上，就“成烃生物组合及其对页岩含气性控制作用”这一问题近年来的研究进展进行了综述，指出从烃源品质、有机孔形成与演化机理和游离气储集空间等方面综合探索是页岩气成藏基础理论研究的发展趋势，以期促进中国页岩气藏的形成演化机制与富集分布规律的基础理论研究，对中国页岩气、尤其南方海相页岩气的勘探研究提供理论指导和借鉴作用。

页岩中由不同成烃生物/有机质组成的成烃生物组合作为页岩中天然气和有机孔生成的共同来源，其类型、数量、成熟度在成烃、成孔演化过程中，不仅控制着页岩的成烃潜力及油气类型，而且还控制着有机孔发育程度及分布的非均质性，进而对页岩含气性包括页岩气赋存、富集及产量等产生深刻影响。因此，将成烃生物-油气生成-孔隙形成演化过程联系成为一个有机整体，深入研究干酪根中成烃生物组成特征和不同生物来源有机质生烃能力的差异性及其孔隙发育特征，可以揭示不同有机质的成烃与成孔演化机制中的成因联系、空间匹配关系及其对页岩含气性的影响，是页岩气成藏基础理论研究的必然发展趋势。

烃源岩中成烃生物仅是地层中古生物群中具有生烃贡献的那部分生物 (秦建中等，2010；张文涛等，2010)，高等植物很难成为海相烃源岩的成烃生物，秦建中等 (2010)利用扫描电镜结合能谱元素的方法对中国南方古生界海相优质页岩进行组成成分、成烃生物类型、形成环境和生烃潜力等综合研究，认为成烃生物主要有浮游藻类、底栖生物和菌类3种类型 (表 1)。浮游藻类具极强生重质油能力，相当于Ⅰ型干酪根，底栖藻生成的原油、烃气和固体沥青相对于浮游藻，数量较少，油较“轻”，生油高峰靠后，生烃潜力相当于Ⅱ型干酪根。在准噶尔盆地上二叠统平地泉组优质烃源岩中，生标特征分析认为该套优质烃源岩中富含碳同位素严重偏负 (-60‰) 的CH₄还原菌，为细菌生烃以及在古生界烃源岩中作为主要成烃生物提供了可靠依据。但目前对菌类生烃行为及生烃潜力的研究甚少，需进一步开展相关研究。

表 1

表 1 海相烃源岩的成烃生物类型及生烃特征 Table 1 The types and hydrocarbon generation characteristics of hydrocarbon-forming organisms in marine source rocks 成烃生物类型 浮游生物 底栖生物 菌类 主要类型 鱼鳞藻、硅藻、光面球藻、小刺球藻、蓝藻、色球藻等 底栖藻席、藻孢子囊、藻丝体残片、海绵等 钙质真菌菌丝 (含有机质)、硅质细菌 (含有机质)、硫细菌 (可不含有机质)、铁细菌 (含有机质) 等 热演化生烃过程 浮游藻成烃物质热降解生重质油 底栖藻可生成原油、烃气和固体沥青，相对于浮游藻，数量较少，油较“轻”，生油高峰靠后 重质油部分热裂解生成大量烃气和无机气体 (CO2，H2，N2，H2S等) 部分稠环芳烃杂原子基团缩聚成“固体沥青” 生烃潜力 具极强生重质油能力浮游藻类相当于Ⅰ型干酪根 底栖藻相当于Ⅱ型干酪根

表 1 海相烃源岩的成烃生物类型及生烃特征 Table 1 The types and hydrocarbon generation characteristics of hydrocarbon-forming organisms in marine source rocks

烃源品质是页岩气成藏的物质基础，取决于有机质丰度、类型及成熟度，以TOC、热解参数、H/C、R_o等地球化学参数来定量表征。中国下古生界海相烃源岩的干酪根类型为腐泥型 (Ⅰ型)，成烃生物以低等水生生物为主，生烃潜力高 (腾格尔等，2006)；现今热演化程度普遍达到高过成熟阶段 (R_o≥2%)，TOC含量普遍高于2%。近年来，笔者不囿于传统的干酪根及其地球化学参数评价思路和方法，从生物学角度对TOC的有机质构成-成烃生物组合进行了初步研究。对南方下寒武统、下志留统和上二叠统3套海相烃源岩开展了较为系统的成烃生物识别研究，发现不同时期烃源岩成烃生物组合不同 (表 2)，且与当时的生物演化密切相关。

表 2

表 2 不同烃源岩层位成烃生物组合及其与TOC对应关系 Table 2 Hydrocarbon-forming organisms assemblage and its relationship with TOC in different layers of source rocks 烃源岩层位 成烃生物组合 与TOC对应关系 上二叠统大隆组 浮游藻类 (皮壳及核部) 和底栖藻类 (藻孢子囊) 下志留统龙马溪组-上奥陶统五峰组 顶部 笔石为主，少见底栖藻类和海相镜质体，极少见其他有机质 TOC＝2%±0.5，TOC与笔石多样性、丰度呈正相关 底部 笔石、浮游藻类 (金藻门硅质鱼鳞藻)、疑源类和细菌类等 TOC≥3% 下寒武统牛蹄塘组/筇竹寺组 顶部 向上逐渐出现底栖藻类和海相镜质体等 底部 浮游藻类 (金藻门硅质鱼鳞藻)、疑源类和细菌类 (硅质细菌) 为主，广泛共生海绵骨针和其他微米级动物碎片 疑源类随TOC变化呈不同组合带分布

表 2 不同烃源岩层位成烃生物组合及其与TOC对应关系 Table 2 Hydrocarbon-forming organisms assemblage and its relationship with TOC in different layers of source rocks

下寒武统牛蹄塘组/筇竹寺组烃源岩，底部富有机质层段中成烃生物以浮游藻类、疑源类和细菌类为主，特别是疑源类随TOC变化呈不同组合带分布，还广泛共生海绵骨针和其他微米级动物碎片，此段正好对应于寒武纪生物大爆发初期，初级生产力高，向上则逐渐出现底栖藻类和海相镜质体等 (腾格尔等，2008；张文涛等，2010；Tenger et al., 2011；谢小敏等, 2013, 2015)。

上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组黑色页岩层有机质丰度呈两段式分布，页岩气的商业性富集主要取决于TOC≥3%层段的规模。下部TOC≥3%层段成烃生物主要由笔石、浮游藻类、疑源类和细菌类等组成，上段 (TOC＝2%±0.5%) 则主要以笔石为主，少见底栖藻类和海相镜质体，极少见其他有机质，且该套黑色页岩层的发育与笔石生物群的复苏与辐射相关 (戎嘉余，2006)，笔石多样性、丰度与TOC具有良好的正相关关系 (腾格尔等，2006；秦建中等，2010；樊隽轩等，2012)。至晚二叠世，因沉积环境频繁变化和高等植物的混入，成烃生物组合和干酪根类型更为复杂 (腾格尔等, 2006, 2008, 2010；付小东等，2010；Borjigen et al., 2014)。

富有机质页岩成烃生物组合的不同，必然导致干酪根类型和生烃潜力的差异性。研究表明，具有相同TOC的页岩，因成烃生物的不同而导致其有机质成分和结构不同，由其形成的干酪根类型、热演化过程甚至生油气潜都存在显著的差异。浮游藻类与底栖藻类相比，其分子结构和化学成分中类脂物含量较高 (Harwood and Jones, 1989)，芳环结构数量也相对较低 (鲍芳等，2012)，浮游藻类具有较好的生油潜力，比底栖藻类高出2~3倍 (秦建中等，2010)。油气生成主要来自浮游藻类、疑源类和细菌等富含脂质有机质，包括笔石胞管中脂质大分子聚合物。底栖藻类、海相镜质体等贫氢有机质的混入，以及生烃能力尚不清楚但大量分布的有机质如笔石等，暗示下古生界烃源岩干酪根类型并非都是传统认识-腐泥型 (Ⅰ型)。以脂肪族化合物为主的富氢有机质与以芳香族化合物为主的贫氢有机质的混合程度决定了干酪根的类型、烃源岩的品质以及成烃潜力，浮游藻类、疑源类和细菌等由较多脂肪族结构和较少芳香族结构组成的富氢有机质通常具有更高的生烃潜力 (秦建中等，2014)。因此，成烃生物的类型和含量直接影响了烃源岩的品质。

O₃w-S₁l富有机质页岩中特有的、大量存在的生物种类-笔石吸引了众多学者的关注。然而，这类笔石生物对TOC和生烃有没有贡献及其生烃能力等基本问题一直困扰着石油地质学家们，也制约了对这套富有机质页岩生烃潜力的客观评价。Suchý等 (2002) 在对捷克Barrandian盆地下志留统黑色页岩进行研究时，认为笔石是下志留统页岩中典型生物有机质；瑞典中部、南部及丹麦下志留统页岩中的有机质组成研究也得出类似的结果 (Petersen et al., 2013)，暗示笔石是这套烃源岩有机碳来源之一。一些学者对笔石分子组成存在一定的分歧：一种观点认为岩石中保存下来的笔石体是笔石动物分泌的群体骨骼 (胞管)，其原始组成被认为胶原蛋白类 (Towe and Urbanek, 1972；Crowther and Sleytr, 1977)，属贫氢有机组分，成烃能力有限；而Bustin和England (1989)对成熟度较低的笔石进行热解色谱分析后，发现笔石胞管脂肪族结构含量较少，而芳香结构含量较高，有机质的氢和氧指数介于Ⅱ类和Ⅲ类干酪根之间 (Briggs et al., 1995)。在对华蓥山灵峰煤矿O₃w-S₁l剖面笔石特征 (图 1) 进行研究后发现，TOC与笔石多样性、丰度显示出良好的正相关性 (腾格尔，2017)。中国南方海相O₃w-S₁l黑色页岩有机质成熟度处于高过成熟阶段，笔石主要以压扁的碳质薄膜形式存在。

图 1

图 1 华蓥山灵峰煤矿O3w-S1l剖面笔石多样性与TOC相关性 Figure 1 The relationship between TOC and diversity of graptolites from O3w-S1l sections in the Lingfeng coal mine of the Huaying mountain

成烃生物不仅是油气来源，也是页岩气储集空间的主要实体。国内外页岩气勘探开发实践已证实 (Loucks et al., 2009；郭旭升，2014；魏志红和魏祥峰，2014) 有机质孔隙是页岩气储集的重要场所，主要表现在有机孔量与TOC、含气性之间良好的正相关性。有机质孔隙主要发育2种类型，一是原始有机孔，如高等植物芳构化结构造成的内部孔隙，藻类细胞间的孔隙，动物碎屑或骨骼中蜂巢状立体结构孔隙等；二是次生有机孔，如固体沥青裂解生气的孔隙。在高过成熟阶段，有机孔主要发育在残留的固体沥青；在低成熟-成熟阶段，有机孔主要发育在干酪根中，孔隙类型包括原生孔隙、次生孔隙。有机孔显示较强的非均质性，同一有机质所发育的有机孔大小不等，形态各异，分布位置和密度不同。

相关研究表明，有机质含量是有机质孔隙发育的控制因素之一，有机质含量越高，微观孔隙越发育 (Lu et al., 1995；Ross and Bustin, 2006，2007；Hickey and Henk, 2007；Chalmers and Bustin, 2008)。不同热演化阶段的有机质孔隙含量也存在差异。目前，成熟度对有机质孔隙的控制作用存在不同的认识。Loucks等 (2009)认为孔隙演化和R_o之间并没有线性关系。Curtis等 (2012)研究了R_o从0.51%到6.36%页岩样品中有机质纳米孔隙的分布，发现R_o=1.23%时开始出现纳米孔，但在R_o=2.0的页岩中有机质完全缺乏纳米孔隙，在R_o＞1.23%的一些页岩中，不同有机质颗粒内纳米孔隙的发育数量也存在巨大差异，这些差异可能与有机质本身的组成密切相关，受成烃生物组成的影响。

有机质丰度和成熟度控制有机孔隙发育程度的本质还是成烃生物及其成烃演化机制 (图 2)，不同成烃生物生烃演化过程不同，有机质孔隙的形成和演化存在着差异。因此，成烃生物对页岩气储集空间无疑具有重要贡献，但成烃生物类型及其热演化、生烃能力对孔隙度的影响过程和程度仍不清楚，纳米孔隙在有机质内部的赋存规律与成烃生物之间的关系还需要深化研究。

图 2

图 2 有机质孔隙演化机制及影响因素 Figure 2 Evolution and controlling factors of organic pore

Chalmers和Bustin (2007)及Bustin等 (2008)认为，有机碎屑内的孔隙在富含镜质体、惰质体的Ⅱ型和Ⅲ型干酪根中最为富集，微孔体积最大，并随成熟度增高而增加。中国很多学者发现南方下古生界2套富有机质页岩中有机孔发育特征不同，下寒武统有机孔发育程度明显比下志留统差，一些学者认为有机质赋存状态或者热演化程度明显不同 (邹才能等，2010；聂海宽等，2014；马勇等，2015)，这也可能与成烃生物组合的差异性有关。

页岩中笔石、固体沥青、干酪根等有机显微组分含量丰富，不同显微组分内部有机孔分布及发育情况各有不同，且同一有机显微组分有机孔发育也存在差异。固体沥青个体较大，故其有机质孔最为发育。笔石碎片与干酪根和固体沥青相比，其内部有机质孔不发育，有机质孔形成的本质是有机碳向烃类和碳质残渣不断的转化，而笔石富碳贫氢的特征导致其内部有机质孔隙不发育 (魏志红，2015)。

笔者对礁石坝地区五峰组-龙马溪组页岩孔隙结构的研究发现该套页岩微孔和介孔总孔容与TOC具有良好的正相关关系，在五峰组-龙马溪组下段，有机孔平均比例达80%以上，表明有机孔隙是五峰组-龙马溪组页岩气主要储集空间。微孔隙主要发育在固体沥青、富氢脂质有机质 (藻类、疑源类、细菌类等) 中。笔石、几丁虫等动物碎屑自身不发育孔隙，但其与基质或无机矿物之间广泛存在孔隙或裂缝，尤其是堆积式分布的笔石对有机收缩缝、页理缝的形成起到重要作用，通过FIB-南东M可观测到笔石局部发育纳米级孔隙 (图 3)，为页岩气提供了重要的运移通道。且O₃w-S₁l黑色页岩层下段富含笔石、浮游藻类、疑源类和细菌类等，固体沥青、富氢脂质有机质丰度高，有机孔隙发育。

图 3

图 3 焦石坝地区焦页11-4井O3w-S1l黑色页岩中笔石纳米孔隙特征 Figure 3 Nanoporous characteristic of graptolite scraps of O3w-S1l shale of Jiaoye 11-4 well in the Jiaoshiba area

成烃生物组合类型和生烃过程对有机质孔隙的形成和演化有一定影响，富氢脂质有机质 (藻类、疑源类、细菌类等) 中微孔隙以及自身不发育孔隙的成烃生物 (笔石、几丁虫等) 与基质或无机矿物之间的孔隙或裂缝对页岩气储集空间具有重要贡献。

中国页岩气勘探开发刚刚起步，许多基础理论研究尚处于探索阶段。因此，针对目前页岩气勘探开发实践和基础理论研究中出现的众多生产需要和基础科学问题，进一步加强页岩气成藏机理研究，尤其在本质上、机理上深化认识页岩含气性主控因素及分布规律势在必行。烃源品质、有机孔形成演化是当前中国页岩气勘探开发研究中迫切需要解决的重要科学问题，归根结底，是成烃生物组合及其与含气性关系，即成烃生物组合通过不同机制 (生烃演化、有机质孔隙发育和生烃增压等) 对页岩含气性的直接影响。对这些科学问题的探索研究，能够促进页岩气藏的形成演化机制与富集分布规律的研究，对中国页岩气，尤其南方海相页岩气的勘探研究提供理论指导和借鉴作用。页岩气基础理论及技术方法研究虽然取得了重要进展，但是随着勘探开发和认识水平的深入，也发现了亟待解决的一些基础科学问题：

(1) 页岩品质。在有机碳、热演化和矿物组成等基本条件类似，但含气性差异较大的情况，尚不清楚是否是地质问题造成的；在页岩储集层方面，有机孔作为页岩气富集的主要储集空间已成为共识，但有机孔发育程度和分布特征表现出强烈的非均质性，是有机质性质，还是后期演化尚未得到合理论证，有机孔形成与演化机理也未进一步说明。

(2) 有机质孔隙的形成与演化机理尚待深化研究，目前还不能准确判定成烃生物组成对有机质颗粒内纳米孔隙发育数量的影响，尚未明确有机质赋存形式及其孔隙分布对多尺度孔隙的储集有效性和连通性，掌握的技术和认识远不能满足页岩气勘探和成藏机理研究的实际需要。这需要从有机质孔隙的形成与演化机理方面深入探索研究。

(3) 除了本文重点研究礁石坝地区五峰组-龙马溪组页岩成烃生物对孔隙的影响，其他烃源岩层位的成烃生物及孔隙发育也是将来需要重点研究和论证的，这对于总结出成烃生物组合对储集空间形成和演化的一般规律具有重要意义。