泥页岩中有机质-粘土复合体微观特征及其与热演化关系研究

As the two important components of shale, clay minerals and organic matter could form organic-clay composites during sedimentary evolution. The organic-clay composites play an important role in hydrocarbon generation, enrichment and preservation of organic matter. Presently, the studies about organic-clay composites in shale mainly focus on the relationship between organic matter and clay minerals, as well as the catalyses of clay minerals on hydrocarbon generation from organic matter. However, the microscopic features (structure and elemental distribution, pore characteristics, surface and interlayer properties, et al.) of organic-clay composites and its relationship with thermal evolution were still not well-constrained. In this proposed project, we will investigate the microscopic features of organic-clay composites in the representative shale with different thermal maturity from Guizhou, China, by using organic geochemical analysis, spectroscopy, and micro-zone analysis. We aim to find out the combination and evolution process of clay minerals and organic matter, verify the evolution regularity of organic-clay composites’ microstructures and composition with respect to thermal maturity, and summary the evolution mechanism and patterns of organic-clay composites. This research will provide scientific foundation for the occurrence and preservation mechanism of organic matter, and improve the understanding of the diagenetic evolution and hydrocarbon generation of shale. In addition, the scientific results derived from this project are of both experimental and theoretical significance in the studies of carbon’s geochemical cycling.

粘土矿物和有机质是泥页岩的两大重要组成部分，二者在沉积演化过程中形成的有机质-粘土复合体是油气生成的天然母质,对泥页岩中有机质的富集和保存有重要作用。目前关于泥页岩中有机质-粘土复合体的研究主要集中于有机质与粘土矿物的结合关系及粘土矿物对有机质生烃的催化作用，而有机质-粘土复合体的微观特征（结构分布、元素分布、孔隙特征、表面及层间性质等）及其与热演化的关系尚未得到很好的约束。本项目拟以贵州地区典型泥页岩为研究对象，通过有机地球化学、光谱及微区分析等手段对不同热演化程度泥页岩中的有机质-粘土复合体进行微观特征研究，以期查明有机质与粘土矿物的结合演化过程，探索有机质-粘土复合体微观特征随热演化的变化规律，归纳有机质-粘土复合体的演化机制和演化模式。相关结果将为泥页岩中有机质的赋存和保护机制提供科学依据，有助于深刻理解泥页岩的成岩演化及生烃过程，同时也可为碳的地球化学循环研究提供实验和理论支撑。

本项目以鄂尔多斯盆地延长组泥页岩、贵州地区龙马溪组和牛蹄塘组典型泥页岩为研究对象，利用有机地球化学、光谱及微区分析等手段详细查明了泥页岩中有机质-黏土复合体的微观特征，深入剖析了泥页岩中有机质-黏土复合体的源储意义，揭示了泥页岩中有机质-黏土复合体的演化机制和演化模式。泥页岩中有机质-黏土复合体形态多样，成分复杂，且易发生变形。随着热成熟度的增加，有机质孔隙在低成熟阶段缺失，在高成熟阶段达到峰值，在过成熟阶段被破坏或压实，同时粘土矿物经历了矿物转化和定向演化。这两个过程的相互作用对泥页岩中有机质和粘土矿物的微结构演化产生了显著影响。泥页岩中的有机质-黏土复合体既是重要的生烃母质，也是烃类原地储集的重要载体。拉张应力环境有利于复合体发育大量的纳米孔隙，这些孔隙因黏土层的保护不易发生烃类散失，可有效提升泥页岩的储集能力。泥页岩中的有机质-黏土复合体在热演化过程中同时发生了有机质的生烃和黏土矿物的转化，其演化过程可分为以下四个阶段：1）有机质在沉积过程中吸附在黏土颗粒表面或边缘部位形成聚集体，为复合体的形成提供了基础；2）热演化促使有机质进入黏土矿物层间（包括多层层间和单层层间），促进有机质生烃和黏土矿物转化（蒙脱石的伊利石化）；3）随着热成熟度的增加，有机分子可通过生成气态烃从单层空间逃逸，并形成大量的伊蒙混层；4）有机质生烃结束，黏土矿物完成转化，形成由稳定的黏土层和残留的有机碳组成的有机质-黏土复合体。项目取得的成果有助于深刻理解泥页岩的成岩演化过程，为页岩油气的生成、储集、运移及赋存形式的研究提供新的思路和方向，进而指导页岩油气的勘探开发。同时，也有利于拓展泥页岩中有机质的富集和保存机制，为碳的地球化学循环过程提供实验和理论支撑。