成烃演化与模式

沉积有机质同矿物质一样，随沉积物埋藏必然要经历地质条件下的生物、化学和物理的作用，使其发生与介质环境相适应的变化以及有机、无机相互作用。与此同时，有机质的成烃演化进程和所得到的烃类产物又表现出明显的阶段性。因此，可根据有机质性质的变化和油气生成划分出阶段，即沉积有机质的成烃演化阶段。目前按石油生成将有机质成烃演化划分为未成熟阶段、成熟阶段和过成熟阶段(图5－21)。其与沉积物成岩演化的成岩作用阶段、深成作用阶段和准变质作用阶段一一对应。镜质体反射率(Ro)与有机质的成烃作用和成熟度有良好的对应关系。对每一成烃演化过程阶段的划分，主要把握界限标志、物质基础、生物及物理化学作用、烃类产物、主要特征特点和终结物几方面。

(一)未成熟阶段

此阶段从沉积有机质被埋藏开始至门限深度为止，Ro＜0.5%脂肪、碳水化合物、蛋白质和木质素等生物聚合物，在成岩作用早期，由于细菌作用下的分解和水解，转化为分子量较低的脂肪酸、氨基酸、糖、酚等生物化学单体，同时还产生CO2、CH4、NH3、H2S和H2O等简单分子。随着埋深的增加，继以无机转化过程为主，生物化学单体将发生缩聚作用形成复杂的高分子腐殖酸类，进而演化为地质聚合物即干酪根，并由于其与同围矿物质相络合，成为较稳定的不溶有机质。在成岩作用后期，干酪根可产生CO2、H2O和一些重杂原子组分。该阶段尤其是早期生成的烃类产物，是生物甲烷和少量高分子烃。生物甲烷生成的主要营力是厌氧细菌的生物化学作用。所以，从天然气的成因角度，成岩作用阶段早期可称为生物成因气阶段。高分子烃则不同于成熟的石油烃，它们多是从生物体中继承下来的，一般为C15以上的生物标志化合物，缺乏低分子烃。早期生成的正烷烃多具明显的奇碳优势(图5－22)。

图5－21 有机质的成岩演化与成烃作用(据Tissot＆Welte，1984，有修改)

图5－22 近代沉积物、古代沉积物、石油中正构烷烃的奇碳数优势变化(据Coper＆Bray，1963)

(二)成熟阶段

此为干酪根生成油气的主要阶段。该阶段从有机质演化的门限值开始至生成石油和湿气结束为止，Ro为0.5%～2.0%。干酪根随着埋深和地温的增加，当达到门限深度和温度时，在热力作用下，通常还伴有粘土催化作用，干酪根将开始大量降解生成石油，后期热裂解生成轻质油和湿气，因此，该阶段也可称油和湿气阶段。

此阶段可按照干酪根的成熟度和成烃产物划分为2个带。油带Ro为0.5%～1.3%，又叫低—中成熟阶段(低成熟Ro为0.5%～0.7%，中成熟Ro为0.7%～1.3%)，干酪根通过热降解作用主要产生成熟的液态石油，并以中—低分子量的烃类为主，使成岩作用阶段的生物烃被稀释，在正烷烃中，生物烃带来的奇碳优势逐渐被成熟油冲淡直至消失，环烷经和芳香烃的碳数和环数减少，曲线由双峰变为单峰(图5－23)。

图5－23 沉积有机质成烃演化一般模式图(据Tissot，1974)

轻质油和湿气带又叫高成熟阶段，在较高温度作用下，干酪根和已形成的石油将发生热裂解，特点是液态烃急剧减少，C1—C8的轻烃将迅速增加。另外，由于烷烃及低分子量烃逐渐增多，胶质和沥青质逐渐减少乃至消失，因而引起石油密度降低，颜色变浅，在地下条件适当时，还可形成凝析气。

(三)过成熟阶段

该阶段埋深大、温度高，Ro＞2.0%。又由于在成熟阶段干酪根上的较长烷基链已消耗殆尽，所以生油潜力枯竭，只能在热裂解作用下生成高温甲烷。而且先前生成的轻质油和湿气也将裂解为热力学上最稳定的甲烷。干酪根释出甲烷后其本身将进一步缩聚为富碳的残余物。该阶段也称为热裂解干气阶段。

必须明确，有机质成烃演化是一个连续过程，对于现今某一烃源岩来说，其演化可能处于该过程的某一阶段而已(图5－24)各阶段在有机质成烃演化过程中是连续过渡的，相应地化学反应和烃类产物是可以叠置交错的，况且，有机质类型不同，其划分界线和烃类产物也会有所不同。实际上不可能用统一的指标去做出截然的划分，这只是有机质抑或干酪根成烃演化的一般模式。

另外，据亨特等估算，大约7%的气烃、9%液态烃和40%的非烃化合物生成于成岩作用阶段气烃的82%、液烃的91%和非烃的60%生成于深成作用阶段气烃的11%和痕量的液烃与非烃生成于准变质阶段(图5－25)。总之，油气烃的大部分是在有机质成熟阶段主要由热力作用所产生的，尤其以60～150℃的地温最为有利。所谓晚期成油说和干酪根热降解成油说正是出于这一基本事实。

图5－24 沉积有机质演化流程简图

图5－25 沉积物各成岩阶段烃类的相对含量(据Hunt，1979)

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