多圈层驱动的油气形成与富集理论研究进展

To readers from special editor in chief: Advances in Theory of Multi-Spheric Interaction-Driven Hydrocarbon Formation and Enrichment

摘要

地球多圈层相互作用对油气形成与富集的驱动机制,是当前石油地质学的前沿科学问题。本期专辑以“多圈层驱动的油气形成与富集理论研究进展”为主题,汇编科学逻辑连贯、研究路径协同的22篇研究论文,系统展示该领域从深部动力到浅表响应、从机理认知到勘探实践的最新成果。专辑论文依研究属性分为基础研究和应用基础研究两类,强调基础和应用“双向奔赴”的研究理念。其中,基础研究侧重与油气形成密切关联的地球系统演化、深时碳循环、微生物作用,以及非生物烃和有机质生源氢的生成转化机理,初步揭示了典型地质时期多圈层耦合对油气形成、富集和转化的控制机制。应用基础研究以塔里木、四川、准噶尔、鄂尔多斯、松辽、渤海湾等中国主要含油气盆地为载体,结合全球基岩油气藏统计、油气富集知识图谱和底座建设,系统检验了多圈层油气地质理论在不同盆地类型的适用性和差异性,有望为新区新领域的油气勘探实践提供新的理论依据。本专辑的出版表明,多圈层驱动的油气形成与富集理论已从概念框架向可操作、可检验、可预测的理论体系迈出了重要一步,可为油气勘探的成熟区深化和新疆域拓展提供系统性的科学依据。

Abstract

The control of Earth’s multi-spheric interactions on hydrocarbon formation and accumulation represents a frontier research direction in current petroleum geology. This special issue, themed “Advances in theory of multi-spheric interaction-driven hydrocarbon formation and enrichment”, assembles 22 research papers that systematically present the latest progress in this field—spanning from deep geodynamic processes to shallow-surface responses, and from mechanistic understanding to exploration practice. The papers are categorized into fundamental research and applied fundamental research, adhering to a “two-way engagement” philosophy between basic and applied science. The fundamental studies focus on Earth system evolution, deep-time carbon cycling, microbial processes, and the generation and transformation of abiotic hydrocarbons and organic-source hydrogen, all of which are closely linked to hydrocarbon formation. These studies preliminarily elucidate the differential controlling mechanisms of multi-spheric coupling on hydrocarbon formation, enrichment, and transformation across typical geological periods. The applied fundamental research, taking China’s major petroliferous basins—including the Tarim, Sichuan, Junggar, Ordos, Songliao, and Bohai Bay—as case studies, and complemented by global statistics on bedrock hydrocarbon accumulations and the construction of knowledge graphs and infrastructure for hydrocarbon enrichment, systematically tests the applicability and variability of the multi-spheric petroleum geology theory across diverse basin types. This work is expected to provide a novel theoretical foundation for exploration in new areas and frontiers. The publication of this issue marks a significant step forward for the multi-spheric hydrocarbon enrichment theory—from a conceptual framework toward an operable, testable, and predictable theoretical system—and can offer systematic scientific support for both deepening exploration in mature regions and expanding into new frontiers of hydrocarbon exploration.

关键词

地球多圈层相互作用 / 油气形成与富集 / 基础研究 / 应用基础研究 / 时空耦合

Key words

Earth’s multi-spheric interactions / Hydrocarbon formation and enrichment / Fundamental research / Applied fundamental research / Spatio-temporal coupling

0 引言

油气成因与富集规律是油气勘探的科学依据,也是石油地质学的核心科学问题。从背斜成藏理论到陆相生油理论,从含油气系统到全油气系统,每一次油气地质理论的突破都显著拓展了勘探领域,并推动了油气储量的实质性增长。当前,地球科学研究已进入多圈层动力整合时代,油气地质研究同样面临从静态描述向动态关联的范式转换。越来越多的研究表明,油气富集并非单一盆地内各地质要素的孤立化产物,而是深部地幔对流、板块构造运动、古气候-古海洋环境演变与微生物活动等多圈层相互作用的系统性结果。“多圈层驱动的油气形成与富集理论”立足地球系统科学,将油气系统置于岩石圈、大气圈、水圈和生物圈相互作用的整体框架中重新审视,旨在探究深部物质与能量循环过程对油气形成与富集的控制机制。

围绕上述理论框架,本专辑汇编22篇研究论文,涵盖从深部动力过程、地表系统响应到勘探实践验证的完整逻辑主线。专辑论文可划分为基础研究和应用基础研究两类,前者聚焦多圈层耦合的驱动机制和关键地质时期的油气资源响应,后者以中国主要含油气盆地为实例开展理论检验和知识体系建设,贯通了“数据-技术-模型-应用”的研究路径,体现了理论探索与勘探需求之间的双向驱动。本专辑旨在系统呈现多圈层驱动油气形成与富集理论和应用的最新研究进展,推动地球系统科学思维与油气勘探认知体系的深度融合。

1 基础研究:多圈层耦合的驱动机制

基础研究的核心任务在于阐明油气形成与富集过程中的圈层相互作用机制,为勘探实践提供理论依据。本专辑收录基础研究论文6篇,以白垩纪和侏罗纪两个典型油气富集期为研究窗口,同时涵盖贯穿地质历史时期的微生物驱动机制、非生物烃和有机质生烃生氢等共性机理研究。

白垩纪是地球系统演化的关键阶段,也形成了全球最丰富的油气。朱日祥等^[1]从多圈层相互作用视角,系统分析了地球深部动力过程、板块构造运动、气候-海洋环境演变、微生物作用等对白垩系巨量油气形成与富集的协同控制作用。研究认为,白垩纪活跃的板块俯冲和地幔柱上涌促使地球深部物质和能量向表层输送,是白垩系油气巨量富集的一级驱动因素。潘基亚大陆的持续裂解、陆块漂移、盆地构造演化、大洋环流和海平面升降等多重地质过程叠加,系统性地调控了全球白垩系油气的时空分布格局;与此同时,微型浮游藻类的爆发则为白垩系优质烃源岩的发育和碳酸盐岩储层的建造奠定了物质基础。该研究系统解析了白垩纪地球系统演化和油气资源富集之间的内在因果联系,为关键地质时期多圈层驱动的油气形成与富集研究提供了范例。

侏罗系的全球油气富集程度仅次于白垩系,也记录了潘基亚大陆早期裂解及其引发的古气候环境剧变。邱若原等^[2]基于北欧海道Mochras钻孔下侏罗统高分辨率有机碳同位素序列,采用贝叶斯马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)反演方法和表层地球化学演化(CHEES)模型,定量重建了早侏罗世约18 Myr时间尺度的碳释放速率演化历史。研究发现,构造作用主导的脱气速率变化可能控制了碳循环的长期演化趋势,而多个中等幅度的碳同位素负偏事件则指示了额外碳释放源的阶段性贡献。反演结果中还识别出约6 Myr的长周期信号,提示早侏罗世碳释放过程可能受天文轨道周期和深部动力过程节律的联合调制,进而表明地球碳循环过程和有机质富集受控于天文-构造-气候等多因素耦合作用的制约。崔琪等^[3]利用地球系统模型(CESM),重建了侏罗纪、白垩纪、古近纪的海洋净初级生产力、底层水氧化还原状态和有机碳埋藏通量的全球格局,并与全球大型油气田分布进行了对比验证。模拟结果表明,侏罗系烃源岩发育主要依赖于较高的海洋初级生产力,白垩系烃源岩则表现为高初级生产力和良好保存条件的双重耦合模式,而古近纪烃源岩发育模式具有很强的区域性特征,在边缘海和三角洲相背景呈现出类似于白垩纪的双重耦合机制。

微生物是地球数十亿年持续演化的主要驱动者,微生物过程对油气形成和富集有着至关重要的作用。李金华等^[4]以“碳流-电子流-能量流-矿物流”四重耦合为主线,构建了微生物跨时空驱动油气“生-储-运”的统一框架,提出研究与应用两端协同的策略。一是从地球系统视角构建“光合碳输入-深部化能转化-还原性物质上输”的跨圈层能量-物质闭环,定量评估深层-超深层持续生烃、深部矿化固碳效率与非常规生物气藏成因;二是以合成生物学与人工智能为核心,实现微生物“驱油-降黏-产生物气-矿化封存”等代谢功能的可编程调控和过程优化。许靖钦等^[5]系统梳理了从地壳至地核温压条件下非生物成烃的高温高压实验与模拟研究成果,重点总结了碳酸盐、石墨和简单有机酸盐等多种碳源在还原环境中合成甲烷和更高碳数烃类的主要反应路径及其关键控制因素。在此基础上,构建了跨越地壳、地幔至地核的多圈层非生物成烃模型,揭示了烃类赋存形式随深度的系统性演变:上地壳至上地幔以甲烷为主并具链增长潜力,过渡带至下地幔以重烃为主并向固态碳转化,核幔边界和地核环境则进入金刚石与氢气为主的固碳主导区。孟庆强等^[6]通过密闭系统加水和加水加氢气两组平行热解生烃模拟实验,对比研究了有机质生烃过程中氢气的生成特征及外部氢气介入条件下的生烃响应。实验结果显示,有机质热解的气态产物以二氧化碳为主,但氢气同时生成且产率随成熟度升高持续增加;当生烃系统存在外部氢气时,氢气可优先参与有机质生烃,从而降低生烃过程中对水的需求。研究进一步指出,氢气在早期生烃阶段主要是促进有机质的含氧基团脱除,在成熟-高成熟阶段则主要促进液态烃形成,为含油气盆地油气和天然氢资源的成因认识与潜力评价提供了实验约束。

上述基础研究进展既揭示了不同地质时期地球系统与油气系统之间的差异化耦合机制,也提炼了贯穿地质历史时期的普遍性原理。这些成果认识得益于数据挖掘、实验模拟和模型构建等多方法协同的研究范式,为深化油气勘探与资源评价提供了理论基础和方法支撑。

2 应用基础研究:多圈层理论的实证检验

基础研究旨在揭示多圈层耦合的驱动机制,而应用基础研究则需在典型含油气盆地中检验理论的适用性与差异性。本专辑收录应用基础研究论文16篇,以塔里木、四川、准噶尔、鄂尔多斯、松辽、渤海湾等中国主要含油气盆地为实证对象,同时纳入全球基岩油气藏统计和油气富集知识图谱及底座建设,系统检验多圈层油气地质理论在不同类型盆地的适用边界。

塔里木和四川盆地是中国深层-超深层油气勘探的主战场。王云鹏等^[7]以寒武系烃源岩为研究对象,揭示超大陆聚散作为一级驱动力,通过控制塔里木陆块所处的古纬度位置和气候带,主导了烃源岩的“南北分异”和“东西差异”,构建了“超大陆聚散-气候变化-构造沉积环境演化-烃源岩发育”的层级耦合模型,为理解显生宙早期圈层相互作用和烃源岩发育机制提供了范例。邓尚等^[8]基于盆地腹部三维地震精细解析与方解石U-Pb定年数据,提出多体系走滑断裂是塔里木块体与西昆仑、阿尔金块体拼贴过程中,盆内逆冲断裂向北推挤形成的调节构造体系。研究进一步表明,走滑断裂连通了大气淡水、盆内热液与壳源热液,在古隆起斜坡区、低隆区分别形成断溶体型和热液改造型两类储集体,叠加不同构造单元岩石圈结构差异导致的地温场分异,最终塑造了“西油东气”的分布格局。朱东亚等^[9]进一步聚焦断裂-流体耦合作用,提出了矿物-元素-同位素融合的成岩流体判识指标,实现了对大气水、海水、壳源热液和TSR相关流体等不同圈层来源成岩流体的准确区分,揭示了塔北、顺北、塔中、古城等地区的差异化成储机制,指出断裂-热液耦合改造形成的优质储层具有向万米深层拓展的潜力。邓瑞等^[10]通过黄金管热模拟实验获取了轻质油热裂解的动力学参数,建立了轻质油在不同成熟度阶段的相态演化序列,据此限定了塔里木盆地台盆区不同构造单元内的轻质油、凝析油气和湿气的保存深度下限,构建了从实验数据到盆地热演化史的定量桥梁,为万米深层油气勘探提供了直接支撑。杨跃明等^[11]从多圈层视角系统论述了南华系海相、震旦系-中三叠统海相、上三叠统-侏罗系陆相三大含油气系统的形成与演化,阐明了低纬度哈德里环流与中纬度费雷尔环流通过控制气候分带、降水格局与沉积环境,深刻塑造了四川盆地烃源岩、储层与盖层的时空配置关系。谷志东等^[12]则进一步聚焦盆地的新元古代基底,通过钻井对比与区域地震剖面解释,揭示了拉伸系-成冰系与埃迪卡拉系陡山沱组呈现出的川中古隆起向两侧坳陷过渡的隆-坳结构,提出川中大陆弧持续185 Myr的隆升剥蚀为两侧坳陷提供了丰富的碎屑物质和营养物质,为新元古界烃源岩形成奠定了物质基础。

准噶尔、鄂尔多斯和松辽盆地是陆相生油理论的重要实践地,也是中国陆相页岩油革命的核心主战场。曹剑等^[13]聚焦准噶尔盆地风城组与芦草沟组碱湖烃源岩,揭示了古亚洲洋西段关闭过程中的岩石圈构造-水圈化学-生物圈成烃耦合作用是控制碱湖演化与多能源富集的核心机制。研究提出,构造运动塑造封闭湖盆格局、干旱-半干旱气候强化蒸发浓缩、蛇纹石化与热液流体供给氢和碱性物质、残留海离子维持高盐度、多类型成烃微生物协同贡献,最终形成了“油-气-氢”多能源协同富集的超级盆地全油气系统。吕亦然等^[14]系统探讨了盆地东部石炭系、二叠系、侏罗系三套含油气系统的形成与演化过程,揭示了二叠系芦草沟组烃源岩发育受深部构造活动、古气候演变、天文轨道力、火山和热液输入、湖盆水体性质与生物群落演替等多圈层协同作用的控制机制,建立了“构造-气候-沉积”耦合的含油气系统演化模型。郑孟林等^[15]系统厘定了准噶尔盆地石炭纪以来六大不整合面的发育演化特征,构建了上乌尔禾组-三叠系大型超覆沉积控储与下二叠统大型超覆-剥蚀带地层岩性控圈的两种成藏模式,有效指导了断裂带上盘克拉玛依组、断裂带下盘百口泉组和大型坳陷斜坡区上乌尔禾组三个亿吨级大油区的勘探发现。姜福杰等^[16]从地球系统演化视角出发,系统梳理了鄂尔多斯盆地自太古宙-古元古代基底形成到中-新生代的多期壳幔相互作用,建立了构造-热演化史与多类型油气有序分布之间的关联模型,识别出上古生界和中生界两套全油气系统在侧向和垂向上的有序分布规律,揭示了浮力成藏下限与油气成藏底限对致密油气、页岩油气与常规油气分布边界的控制作用。王华建等^[17]阐明了松辽盆地下部富气、上部富油的油气分布格局的多圈层驱动机制,指出深部动力过程是盆地构造沉积演化和油气差异富集的主控因素,驱动了同裂谷期断陷与后裂谷期坳陷两套含油气系统形成。研究进一步揭示了区域环境与母源生物演变对下白垩统煤系烃源岩与上白垩统湖相烃源岩的生烃潜力差异的控制作用,以及西太平洋板块俯冲造就的高地温背景对油气快速生成与运移成藏的促进作用。

西太平洋板块俯冲不仅是松辽盆地构造-热演化的主控因素,也是中国东部中-新生代盆地群形成的统一地球动力学背景。刘全有等^[18]以此俯冲体系的动力演变为核心驱动力,综合分析了松辽、渤海湾、苏北、莺歌海等盆地深部的差异化地质背景,即松辽盆地的拆沉作用、渤海湾盆地的碳酸盐化岩浆作用、苏北盆地的减压熔融作用、莺歌海盆地的底辟作用,及其对无机甲烷、氢气、氦气与地热资源富集的控制作用,评价并优选了各类资源的有利富集区带,提出了孤东潜山多资源协同勘探的科学探井部署建议。徐长贵^[19]聚焦渤海湾盆地渤中凹陷,进一步揭示了西太平洋板块俯冲引发的深部地幔热隆升与走滑拆沉两期构造作用对凹陷结构演化的控制,建立了“深部动力-热液活动-有机质富集”的耦合模式,指出东营组烃源岩是凹陷中部下一步勘探最重要的烃源层系。全球勘探实践为新理论的应用研究提供了更宽广的参照体系。窦立荣等^[20]基于全球462个基岩油气藏的统计分析,揭示了基岩油气形成与分布受含油气域、盆地类型、烃源岩层系、储集层时代与岩性、断层类型等多因素控制,指出特提斯域集中了全球近67%的基岩油气储量,中-新生界烃源岩贡献了98%以上的基岩油气,而走滑断层主导的网状裂缝系统是基岩储层中最有利于油气运移和聚集的断层类型。

在多类型含油气盆地实证研究的基础上,两项智能化探索为多圈层油气地质理论的知识体系建设提供了方法论支撑。宋颖睿等^[21]利用人工智能技术,构建了鄂尔多斯盆地延长组油气富集的知识图谱,包含约11.37万个实体节点和15.04万条三元组,覆盖深部过程、气候环境、盆地演化、生物活动与油气系统等要素,并通过大模型与知识图谱的协同推理,揭示了火山活动通过营养供给、缺氧保存、沉积改造、气候耦合四个机制促进有机质富集的内在逻辑。宋东桓等^[22]提出了面向AI4S的多圈层油气富集知识底座建设方法,构建了包含11.1万条TOC专题数据、1.2万幅图件与2 400余条核心观点的原型平台,为多源异构地学数据的融合与智能化应用提供了基础设施。

上述应用基础研究以中国主要含油气盆地为实证载体,以“数据-技术-模型-应用”为内在线索,系统检验了多圈层油气地质理论在不同构造背景、不同时代、不同类型盆地的适用性和差异性。各盆地的实证研究在验证理论适用性的同时,也进一步牵引出面向勘探实践的科学问题,形成了理论检验与实践需求之间的双向驱动。

3 结语

油气地质理论的每一次突破,都源于基础研究与勘探实践的相互支撑和协同推进,二者的深度融合也是理论持续完善和发展的内在动力。本专辑汇编的22篇论文,系统呈现了多圈层驱动油气形成与富集理论的最新研究进展,标志着该理论已从概念性认识走向系统性知识,并初步实现了从探索研究路径向支撑勘探实践的重要转折。期待本专辑能够激发更多跨学科的思考与学术争鸣,吸引更多研究者投身于该理论的基础研究和勘探应用,共同推动该理论体系的持续深化,不断拓展油气勘探的时空边界,为油气资源评价和勘探部署提供系统性的科学依据。

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