海相烃源岩中放射虫生态与生产力的研究进展

海相烃源岩中放射虫生态与生产力的研究进展

从国内油气资源勘探来看，近年来，我国开始实施油气资源勘探，主要目标是古生代海相层油气勘探。对于特定研究区域内的泉岩存在，我们能否找到油气泉岩的存在，以确保石油勘探的名称。泉岩质量和数量的好坏关系到气田的质量评价。因此，泉岩勘探是油气勘探的第一步，它直接关系到资源评价的准确性、勘探发展的风险和利益。中国许多海相泉岩的特点之一是，岩屑岩和泉岩很接近。例如，四套海相区域内的主要泉岩（下寒武统牛渚塘群、相当层地层、上奥陶统五华群、中二叠统孤峰群和上二叠统龙群）包括硅质岩，塔里木盆地下的冷武统玉尔图斯群也是硅-粘土岩系的泉岩。然而，一旦出现源岩中含有许多沉积物的岩质岩，就不能确定它是最重要的公共生物之一。它们是地球科学的难题。此外，在泉岩评价方面，渣岩泉岩的研究相对成熟。近年来，中国也取得了许多研究成果，但国内外对硅质岩系泉岩的评价研究不足。因此，深化对岩屑岩屑岩评价的研究不仅可以探索地壳科学研究的难题，而且对中国油气勘探也具有重要意义。1环太平洋和二叠纪放射性植物群放射虫是一种海洋微型单细胞原生浮游动物,其个体直径多为50～300μm,繁殖快,生活周期一般为数天至一个月左右,具有硅质壳,早寒武世出现(Braunetal.,2007),志留纪以来一直是海洋中主要的微型浮游动物类群之一(Anderson,1983;deWeveretal.,2001).deWeveretal.(2001)将放射虫置于辐足虫纲(Actinopoda)放射虫亚纲(Radiolaria),并进一步划分为多囊虫超目及其下属的7个目,即古刺虫目、阿尔拜虫目、隐管虫目、泡沫虫目、胶虫目、内射球虫目和罩笼虫目.古生代放射虫以阿尔拜虫目、隐管虫目、内射球虫目和泡沫虫目为主,中-新生代以泡沫虫目和罩笼虫目为主.放射虫在海洋中的分布,受海洋环境物理、化学因素和生物因素的影响,其中温度和深度是主要因素.大多数放射虫分布在温暖海域,赤道地区的种类丰富多样,向两极逐渐减少.一般来说,受暖流影响的地带放射虫种类多而壳壁薄、孔小,构造纤细,放射刺长,侧棘发育;而受寒流影响的地带放射虫则壳壁厚,构造致密,放射刺短而粗.在近水层表面的个体较小,在深海水域中的个体较大.放射虫在海洋中的垂直分布可从表层至水深5000m的海域,大多数生活于水体上层几百米之内,向下丰度迅速降低(Caseyetal.,1983;Itaki,2003;陈木宏等,2008;Boltovskoyetal.,2010).泡沫虫类和一些罩笼虫类,生存于水体上层,而罩笼虫类则常发现于深水中.如果没有洋流的强烈改造,沉积物中的放射虫组合与上覆水体中的放射虫组合具有较好的对应关系.例如Itaki(2003)将日本海放射虫划分为浅水组合、深水组合和底层组合.在浅水沉积物中只有浅水组合,在深水沉积物中含有浅水组合和深水组合,在盆地底层沉积物中包含这3种组合的放射虫壳体(图1).古生代放射虫也可以用于古海洋环境的标志.Holdsworth(1977)对太平洋沿岸地区古生代放射虫进行了研究,发现保存较好的放射虫组合均采自陆棚沉积地层,与大洋放射虫动物群相比,具分异度低、地方性强等特征.他认为,在古生代沉积地层中,放射虫个体的丰度不能说明其围岩形成于深水环境,关键在于放射虫动物群的分异度.JonesandMurchey(1986)将北美科迪勒拉二叠纪放射虫化石划分为3类地理组合:第1类种属丰富,以多刺和盘形的放射虫为主,产于泥质燧石和含大量海绵骨针、硅质碎屑和(或)火山成因的粉砂质硅质泥岩中;第2类种属不多,以两侧对称放射虫为主,产于与蛇绿岩共生的贫海绵骨针的放射虫燧石中;第3类种属极少,以球形放射虫为主,岩石中含海绵骨针和粉砂.Catalanoetal.(1991)认为,以Albaillellacea属种为主而没有Copicyntrinae分子是环太平洋二叠纪放射虫动物群的特征,大量Copicyntrinae属种和很少Albaillellacea分子则是较浅水乌拉尔早二叠世放射虫动物群的特征.AfanasievaandZamilatskaya(1993)也认为放射虫动物群的分类组成和个体丰度与其生活环境有十分密切的关系,可作为生物相的敏感标志,并将乌拉尔型放射虫动物群划分为3种古地理组合.Kozur(1993)将二叠纪放射虫的种属组合及其生态环境划分如下:在水深小于50m的浅海区,多内壳虫类(Coptyntrinae)独占优势;水深为50～200m的开阔海区,内射虫科(Entactiniidae)占优势,伴生有浅海分子多内壳虫类;在水深为200～500m的海区,内射虫科占优势,开始出现少量的阿尔拜虫类(Albaillellacea);水深大于500m的开阔深海,阿尔拜虫类占优势,伴生有数量不等的内射虫科等分子.Wangetal.(1994)将我国南方放射虫动物群划分为两种相类型:第1类为低分异度组合,产于扬子板内盆地相燧石中;第2类为高分异度组合,产于滇西洋盆相燧石中.冯庆来(1992)、FangandFeng(1996)研究了二叠纪不同沉积环境中的放射虫动物群,将其划分为6个沉积组合,并分析了不同类型放射虫的古生态特征.在华南,对沉积环境和古生态研究比较好的二叠纪剖面开展了放射虫动物群研究,发现放射虫可以有效地指示水深及海平面变化(图2).在水深小于60m的浅海区,例如煤山剖面长兴组、新民剖面大隆组等,放射虫动物群分异度低,由10多个种组成,全为泡沫虫目(Spumellaria)和内射球虫目(Entactinaria)分子,或含有极少的隐管虫目分子,可以简称为Se组合,以多内壳虫类(Copicyntrinae)独占优势(Heetal.,2005;何卫红,2005;向宇等,待刊);在水深为60～200m的开阔海区,例如巢湖剖面大隆组、上寺剖面大隆组等,放射虫动物群分异度仍较低,一般由20多个种组成,为泡沫虫目(Spumellaria)、内射球虫目(Entactinaria)和隐管虫目(Latentifistularia)分子,可以简称为Sel组合(Guietal.,2009;聂小妹等,2012);在水深大于200m的盆地海区,例如东攀和断衫剖面大隆组、茅草街和罗家坝剖面孤峰组等,放射虫动物群分异度较高,泡沫虫目(Spumellaria)、内射球虫目(Entactinaria)、隐管虫目(Latentifistularia)和阿尔拜虫目(Albaillellaria)分子普遍发育,可以简称为Sela组合(Fengetal.,2007;马强分等,待刊).2和海洋表层初级生产力的替代指标初级生产力是整个食物链的基础,是海洋生态系统和海洋环境特征的重要指标.放射虫作为海洋数目巨大的重要生物群,与初级生产力有一定的对应关系(Andersonetal.,1983;Pisiasetal.,1986;Wellingetal.,1992;Caronetal.,1995;Takahashi,1997).现代放射虫生态学调查发现,许多浅水种属的放射虫(特别是泡沫虫类)可以集合在一起形成可以达到数厘米甚至数米的集合体,集合体的放射虫利用大量的伪足可以吸收很多的共生藻类在自己的体内(Angel,1991;Caronetal.,1995;Dennettetal.,2002;张兰兰等,2006).它们形成很好的共生关系,藻类光合作用可以为放射虫提供食物,放射虫体内的排泄物可以为藻类提供光合作用的营养物质(Andersonetal.,1983;Caronetal.,1995).这种共生藻类在贫营养的海区可以对初级生产力做很大的贡献(Caronetal.,1995;Takahashi,1997).放射虫既是初级生产力的直接消费者,也可以和初级生产者(藻类)共生,这种特征决定了放射虫的丰度和海洋初级生产力有着很直接的关系.通过对比1982-1986年东太平洋放射虫的丰度和藻类的演化关系发现,放射虫和代表海洋表层生产力的藻类丰度有很好的对应关系,建议可以用放射虫来作为海洋表层初级生产力的替代指标(Takahashi,1997).陈木宏等(1999)通过对比南海表层沉积物中的放射虫群和海洋表层初级生产力,采用主因子分析和多元统计的方法,发现放射虫和表层初级生产力也具有很好的对应关系,由放射虫估算初级生产力的值和实际测的值准确率达85%.不仅现代海洋科学中放射虫与生产力关系研究取得了很好成果,中-新生代放射虫作为古生产力替代指标研究也有很好的结论.Lazarusetal.(2006,2008)就发现沉积物中放射虫丰度可以用作古生产力研究的很好替代指标.Bartolinietal.(1999)从侏罗纪地层中识别出放射虫属可以作为古生产力的敏感替代指标.与中生代及新生代相比,古生代海洋中没有浮游有孔虫、硅藻、超微化石等浮游微体生物存在,放射虫是当时海洋高有机生产力的主要贡献者之一(Ormiston,1993;Vishnevskaya,1998;deWeveretal.,2001),而且近年来的研究证实了该认识.实例之一是华南新民剖面大隆组放射虫和生产力关系的研究.新民剖面位于贵州省安顺市普定地区,在晚二叠世该地区属于南盘江盆地的深水相区,大隆组岩性主要以硅质岩和硅质泥岩为主,沉积于还原环境.地球化学和沉积学指示新民剖面的硅质岩是典型的生物成因的硅质岩,古生物学研究发现新民剖面含有大量的硅质生物,主要以放射虫为主,含少量的海绵骨针.放射虫全部为球形的泡沫虫,多内壳虫类的Copicyntra和Paracopicyntra为优势属种,没有发现阿尔拜和十字多囊类分子.用TOC指示海洋表层初级生产力的变化.定量统计放射虫和海绵骨针个体丰度,其结果与TOC有很好的对应关系(图3),指标在新民剖面大隆组硅质生物放射虫可以作为一个生产力指标(向宇等,待刊).Jinetal.(2012)对美国Delaware盆地中二叠统Lamar灰岩中放射虫动物群与古生产力的关系进行了研究,发现具有海面状壳的球形放射虫(属于Se组合)丰度与TOC关系密切,可以作为古生产力的替代指标;而阿尔拜虫目(Albaillellaria)丰度与TOC基本没有关系.在华南,中二叠统孤峰组放射虫动物群与TOC的关系研究也得出类似结论,Se组合丰度与TOC的关系密切,而Sela组合丰度与TOC没有关系(ShiandFeng,2012).所以,对于二叠纪放射虫动物群来讲,只有浅水组合(Se组合)可以作为古生产力研究的替代指标.3浮游动物体的性质和种类高有机生产力是烃源岩形成的关键因素之一(PedersenandCalvert,1990;金强,2001;张水昌等,2005).但不是所有的有机质生产力都能够对烃源岩的形成作出贡献.一般认为,古生代海相烃源岩中的有机质可能主要来源于疑源类,中-新生代海相烃源岩中的有机质主要来源于沟鞭藻类(图4).但是,古生代疑源类发育是非常不均衡的,早古生代和泥盆纪疑源类分异度和丰度均比较高,而石炭纪和二叠纪变得比较稀少(尹磊明,2006),如何解释石炭纪和二叠纪烃源的有机质来源,成为难题.一般认为,微体浮游植物含有较高的脂类物质,是成烃的主要有机质来源.动物体主要由蛋白物质组成,容易分解,对油气贡献比较小.然而,对现代放射虫化学组成研究表明,放射虫的脂类含量比较高,达到0～48%(表1)(Andersonetal.,1983;deWeveretal.,2001).这一点可以与新生代烃源岩有机质主要贡献者之一的硅藻类(脂类含量为8%～40%)媲美.其原因可能有两点:(1)放射虫是一种非常原始的海洋微型浮游动物,与比较高级的动物化学组成不大相同;(2)放射虫体内可以共生大量微体藻类,微体藻类的生产力可以达到放射虫周围浮游藻类生产力的3倍,这些共生藻类是放射虫的重要食物来源之一(Andersonetal.,1983;deWeveretal.,2001).大量放射虫生态学的调查表明,放射虫地理分布十分广泛,从赤道至两极、从表层到几千米的深海都有其分布.但是,绝大多数放射虫分布在深度小于300m的海域,特别是低纬度海域.对于陆壳板块内部的深水盆地,其海水深度一般小于300m.所以,当温度、盐度等条件适合时,陆壳板块内部的深水盆地可以有大量放射虫繁盛.另外,在深度小于300m的海域,放射虫活体数量远大于死亡壳体数量,尤其深度在200m以内的水体中,放射虫活体数量最高(KlingandBoltovskoy,1995;deWeveretal.,2001;Itaki,2003).因此,相对于海水表层浮游植物,放射虫死亡后能够较快到达海底,从而减少了沉降过程中的有机质分解,更容易保存到沉积物中.总之,放射虫是古生代海洋高有机质生产力的主要贡献者之一,其有机质中脂类物质含量较高,容易保存,应当是古生代海相烃源岩有机质的主要贡献者.4沉积相与烃源岩的关系国内外大量研究表明,海相烃源岩岩系中,通常含有丰富的放射虫化石,多数夹有硅质岩层,有的烃源岩就是放射虫岩(图5).例如,俄罗斯(Pripyat,Timan-Pechora,Volga-Ural和Pricaspian地区等)上泥盆统、石炭系、下二叠统和上侏罗统黑色放射虫岩、含放射虫硅-泥质岩系就是俄罗斯板块上的主要烃源岩层,特别是弗拉斯阶中期的Domanik层,是目前正在开采的最有名的世界级大油田(Ormiston,1993;Vishnevskaya,1998;Afanasieva,2000);法国、比利时和西班牙等地的泥盆系至下石炭统的黑色含放射虫硅质页岩、黑色燧石岩系是欧洲地区的另外一套硅-泥质岩石为主的烃源岩层(deWeveretal.,2001).北极加拿大地区的CapePhillips组(志留系)和Eids组(下泥盆统)、美国下石炭统的Chattanooga和Woodman组、中新统下部-上新统下部Monterey组、秘鲁中新统Pisco组、西澳大利亚的卡宁盆地弗拉斯阶Gogo组等,都是硅-泥质岩石为主的烃源岩层(Sandberg,1984;deWeveretal.,2001),都是硅-泥质岩石为主的烃源岩层.此外,还有大量海相烃源岩层含有丰富的放射虫化石,例如阿拉伯盆地侏罗系-白垩系烃源岩层、西伯利亚板块Bazhenov岩套、摩洛哥白垩系土伦阶岩系、阿拉斯加Glenn页岩、北海盆地上侏罗统Kimmeridgian页岩.在华南,多数海相烃源岩含有硅质岩夹层,包括震旦系陡山沱组、下寒武统牛蹄塘组及相当层位地层、上奥陶统五峰组、中二叠统孤峰组和上二叠统大隆组等(马力等,2004;胡望水等,2004;吕炳全等,2004;刘光祥,2005;王一刚等,2006).绝大多数硅质岩不同程度地含有放射虫化石,有些就是放射虫岩(孔庆玉和龚与觐,1987;金若谷,1987