雨水的汇聚形成河流,空气的流动形成风,那么在我们身边随处可见、与我们的生活密切相关的石油、天然气是怎样形成的呢?与固体矿产不同,石油、天然气是在地下流动的。寻找石油与天然气不但要了解它们的生成、运移和聚集,更要研究它们的母质,从各个角度了解其形成过程。为获得更透彻的了解,我们在勘探和开发过程中,使用物理、化学等研究方法,其中最直观的要数在显微镜下对岩石中石油、天然气的生成、运移和聚集的观察。很难想象,乌黑的岩石和黏稠的原油在显微镜下竟是那般瑰丽多彩。

显微镜的发展见证了人类认识生物学微观世界的历史。2 500年前的《墨经》中就记载了能放大物体的凹面镜。16世纪末期,荷兰眼镜商詹森(Zaccharias Janssen)和他的儿子把2个凸透镜放到一个镜筒中,结果发现这个镜筒能放大物体,这就是显微镜的前身。19世纪30年代,欧洲科学家用显微镜确认了煤是由植物遗体形成的,并对古植物各组成部分特征作了精确描述。20世纪初,煤岩学逐渐发展成为一门独立的学科——有机岩石学,岩石的显微镜观察开始走向应用。1950年,科学家首次将显微镜反射光观察的方法应用于沉积岩中分散有机质的研究,并于1958年成功用于岩石中有机质热演化程度的确定。至此,揭开了有机岩石学在油气勘探领域应用的新篇章。

为什么岩石会生成油气呢?所有的岩石都可以生成石油和天然气吗?当然不是了。岩石的种类有很多,只有富含生油母质的岩石,在经历特定的埋藏演化之后,才能生成石油和天然气。石油是由很久以前的古植物或动物（古有机质）经过沉积、埋藏、成岩等过程,在数百万年甚至上亿年的历史中,随着埋深和地温增加,有机质演化为生油物质,在适宜的温度下产生石油烃,经过汇聚形成可以开采的石油资源。生烃母质和石油烃类作为有机质,在特定演化阶段具有荧光特性,因此,通过荧光显微镜,可以在岩石中清楚地看到生油烃及其母质的形态,进而判断生油物质和生油状态。

这些有机质有多古老呢?笔者在显微镜下观察到形成于14亿年前的岩石中的藻类,保存完好,其形态特征仍然完整、清晰、栩栩如生,同时也发现了不同程度破碎变化至不具形态特征的藻类碎片的现象。在藻类出现之后的数亿年岁月中,各种低等水生动植物相继出现,但其得以保存的数量、保存环境及成岩后的地质变迁都影响着这些有机质最终能否生成石油。因此也凸显了石油资源的珍贵。

“将今论古”是地球科学发展过程中最基本也是主要的方法之一,是地质学中的独特方法。在讨论古老有机质的保存时,现今我们所能见到的几种主要的有机质沉积模式仍适用于古老有机质的保存与富集。例如,海洋、湖泊中有机质的沉积模式及滨海、滨湖地区有机质的沉积模式。

在广阔的海洋和大型湖泊中,大部分水生生物由于依赖氧气和温暖的阳光,喜欢生活在富氧的水体且阳光充足的地带,因此,其多在水深200米以上的浅水区或边缘斜坡带生活。但是当生物遗体降落于水底沉积时,缺氧的环境更有利于有机质的保存,所以在底部缺氧的水体沉积、成岩后形成的岩石富含更多的生油母质。同理,在滨海或滨湖地区,有大量动植物生存,又存在厌氧水体环境的部位（如沼泽）会成为有机质集中保存的地带,成岩后可能更具有生油的潜力。

如何判断这些有机质是形成于哪种沉积环境中呢?显微镜观察仍然是最直观的方法。海洋和湖泊中的有机质得以保存的多以水生植物为主,例如不同种类的藻类。在保存条件较好的岩石中,平面观察时,可以看到清晰的藻类结构,从而分辨其种类,推断沉积时期的沉积环境。此外,在水生动物密集的地区,还可以观察到动物碎屑。在特定环境中生存的动物,其碎屑也可以反映当时的水体环境。

大约4亿年前,陆生植物中的裸蕨植物首次出现,植物终于从水中开始向陆地发展,水生生物主导的生命世界宣告结束。滨海和滨湖地区气候湿润,水源充足,为陆生有机质的保存和富集奠定了物质基础。同时,与海洋和湖泊有机质富集不同,这些地区保存下来的有机质以富含陆生植物碎屑为特征。例如,高等植物的孢子是最常见的陆生有机质。孢子中的有机组分易降解,保存下来的是双层结构的孢子外壁。多层树叶沉积保存完好时,可呈现黄色的树叶角质层和中间的叶肉细胞形成的夹心结构。与树叶相比,树皮具有更厚的角质层,上图中厚厚的黄色荧光为树皮角质体。树脂是高等植物的分泌物,类似现在的松脂,保存在岩石中,呈现亮黄色荧光,形状规则。

陆生植物的出现使地球更加绚丽多彩,多种多样的植物遗体保存下来, 古老的湖泊和沼泽经过环境演变,形成为了沙漠和戈壁,但地表之下的生油母质却依然保留着旺盛的生油能力,构成了显微镜下无限的瑰丽世界,激发了我们好奇和探索的热情。

我们了解了不同种类的有机质,它们在历史的长河中是如何生成石油,进而形成油藏的呢?显微镜照片记录了这一生动的过程。岩石中的生油母质在热演化至一定温度时,产生烃类物质,其以液体形态首先就近在矿物或生物骨架的孔隙中聚集。当聚集的烃类物质越来越多,液体的压力使岩石张开微裂缝,石油烃类物质就沿岩石的微裂缝向较大缝隙汇聚,以大型缝隙为优势运移通道,向优势储层运移,例如砂岩储层。在烃类物质运移时,少量烃类物质被生长的矿物捕获,成为油气包裹体,这是油气运移路径的直接证据。

显微镜下,有机质亮黄色的荧光昭示着古老有机质演化成了生油母质,做好了孕育石油烃的准备。生油母质旁微裂隙中的石油烃似产房中那一个个充满生命的新生儿,呱呱坠地,形成能源的新生力量,不断汇聚起来。岩石裂隙中运移的亮黄色油珠好似朝气蓬勃的能量少年,向着最终的家园进发。那纵横分布的烃类包裹体好像在告诉我们,只要努力着、奋斗着,世界就不会忘记,总会在世界的某个角落,记录着我们战斗的踪迹,当无数年后人们翻开历史的这一页,会惊叹于这历史的遗迹。

从最古老的有机质到陆生植物的出现,到人类成为世界的主宰,把石油和天然气从地下开采出来用于工业生产,数以亿年的地质演化催生出了一口口汩汩涌流的油气井。显微镜观察作为万千石油地质研究手段的一种,是最直观的对生油母质、石油生成和运移的观察手段,其在油气勘探的多个阶段都发挥着重要的作用。在初期调查阶段,显微组分的观察分析助力确认生油母质的类型和丰度,预测油气资源的潜力和数量。在勘探阶段,运移路径的分析助力储油圈闭范围的圈定,预测勘探钻井的目标区域。随着现代科技的进步,微米-纳米级显微镜更是在非常规天然气成藏机理的研究领域大放异彩,在微观领域继续开拓瑰丽多彩、神秘无限的石油与天然气世界。