孔隙空间对未成熟泥岩中微生物活动及生物气形成过程的控制

Despite over several decades of systematic study of biogenic gas resources, our understanding of the control factors remains at best qualitative and wholly inadequate for quantitative purposes. Past studies have emphasized the temperature and organic richness (availability of nutrients). The reason why biogenic gas is not ubiquitous within temperature limit and organic-rich shales has not been fully understood. A key control on the ability of microbial activity and function in subsurface is the size of pore spaces that comprise the porosity available to them, and the size distribution of the pore throats connecting these pores. Consequently, the spatial distribution of biodegradation of organic material and biogenic gas generation processes in fine grained sediments may reflect a greater physical control by the respective grain-size distribution and degree of compaction and diagenesis of the individual units, rather than the availability of relevant substrates and electron acceptors for the respective reactions. The finer-grained low-permeability, organic-rich shales within Cretaceous rock formations from the Songliao Basin will be investigated using combined field, isotopic, molecular, and electron optical methods. The research target is to understand the spatial distribution of physical restriction effects, with respect to lithofacies, using pore water chemistry data coupled with 3D visualization of pore structure, as a means to deduce geological controls on biogenic gas generation potential in shale. We will test whether, and at what pore throat size threshold, physical limitations can prevent biogenic gas generation. Whether the old and recalcitrant organic matter can serve as the primary source of nutrients (electron donors) for microbial activity in the deep subsurface will also be investigated. The viability of life in sediments is related to the probability of finding biogenic gas resource. The results can be incorporated into biogenic gas resource assessment and shed light on mechanisms for maintenance of subsurface microbial communities.

经数十年研究之后对生物气形成控制因素仍停留在定性描述阶段，传统研究强调温度和有机质丰度所起的作用，但事实上许多适合微生物活动温度范围的富有机质沉积中生物气并没有富集。孔隙大小对微生物活动和功能起关键控制作用，它不仅提供微生物活动空间，同时是细胞迁移和养分传输的必由通道。泥质有机质生物降解和生物气形成的空间分布可能主要受颗粒大小和成岩程度的控制，而不是底物和电子受体。本项目将通过现场地质、同位素、分子地球化学和电子光学等手段来研究松辽盆地白垩系细粒、富有机质沉积，把孔隙水化学与泥岩孔隙结构相结合来认清物理位阻效应的空间分布，进而推测生物气形成潜力的地质控制，确定物理位阻效应程度及阻止生物气形成的最小孔喉直径。同时研究古代有机质目前是否仍在为地下微生物活动提供养分。沉积物中的生命活动与生物气发现密不可分，研究结果不仅能为生物气资源评价提供科学依据，同时为地下微生物活动机理研究提供启迪。

尽管生物气广泛分布于世界各地，但我们对生物气形成控制因素仍停留在定性描述阶段，传统研究强调温度和有机质丰度所起的作用，把有机碳含量>0.5%、温度<80°C的未成熟泥岩均看作生物气有效烃源岩。前人推测松辽盆地青山口和嫩江组未成熟泥岩中存在巨大规模的生物气资源，但勘探实际基本没有发现有开采价值的原生生物气，勘探实际与理论预期的差异严重困惑着进一步勘探部署，但又得不到合理解释。我们从松辽、辽河、塔里木及西加拿大盆地采集了大量岩心和原油样品，并对这些样品进行了系统岩石学、地球化学和同位素分析测试。松辽盆地泥岩样品粒度和渗透率测定结果表明，由于压实和成岩作用造成岩石极低渗透率和非常小的孔隙空间不仅阻碍微生物的迁徙和活动，也隔断了养分输送，微生物在泥岩埋深不久便失去了活动所需空间。尽管这套泥岩分布在微生物活动合适的温度窗内并有大量有机质可以为微生物提供底物，但除近地表沉积外，目前基本没有存活的微生物，因此，生物气形成潜力比预计大大降低，泥岩孔隙水中乙酸含量和溶解无机碳同位素分析可以得出同样结论。西加拿大沉积盆地中第二白色条带组泥岩的分子地球化学组成研究发现，泥岩中有机质几乎没有受到生物降解的影响，生物降解程度受泥岩孔隙大小控制，泥岩物性是决定生物降解程度的关键因素。生物降解程度的巨大变化与泥岩极强的非均质性有关，总体上很低的生物降解程度是因为有机质溶解度及养分输送受到限制。分子地球化学和岩石物性的有机结合有助于识别活跃生物降解场，并为生物气勘探提供指导。辽河盆地样品遭受了严重生物降解影响，油藏和泥岩生物降解对比研究不仅加深对生物降解机理的认识，还发现传统上认为的生物降解产物25-降藿烷本身也受到生物降解的影响。生物降解模拟实验为建立芳香烃生物降解序列提供了很好帮助。塔里木盆地原油生物降解与其他盆地完全不同，生物降解发生在三叠系沉积以前，早期降解残留和后期充注混合是塔里木盆地原油组成面貌非常复杂的主要原因。通过研究，我们厘清了生物降解与其他次生改造作用之间关系，不仅提出了判别后期充注的地球化学新指标，对其他常用地球化学参数的适用性进行了详细探讨。项目完成过程中取得了丰硕成果，共发表论文22篇，其中20篇发表在国外核心期刊上，论文发表后受到同行专家好评，在较短时间内已有较多引用。