中国中—新元古界地质学与油气资源勘探前景

2019-01-07王铁冠龚剑明

中国石油勘探 2018年6期

王铁冠龚剑明

（ 1中国石油大学（北京）； 2 中国科学院学部工作局）

1 中—新元古界地层划分历史

1.1 国际中—新元古界地层研究进展

地质学家和古生物学家对地球上发现的陨石和月球表面岩石进行放射性同位素地质年代检测，发现地球最古老地层的同位素年龄值约为46亿年，一般认为地球的形成年龄约为46亿年，这段地球历史漫长且有岩层记录的时期称为地质时期，46亿年以前则称为天文时期。

在地球形成与演化的各个地质时期，发生了一些重要的天文与地质事件，在地球自身、地壳运动、地层、岩石、构造、古生物、古地磁、古冰川、古气候等多方面都留下了不同地质时期的记录，这些记录反映了不同的地质年代（Geological Time）。地质学家将地质年代从大到小分别从地层和时间上表述为宇（宙）、界（代）、系（纪）、统（世）、阶（期）和带（时）等单位。1960年国际地质科学联合会（International Union of Geological Sciences,缩写为IUGS）成立，随即成立了国际地层委员会(International Commission on Stratigraphy, 缩写为ICS），其目标就是建立国际标准的地质年代表，统一全球的年代地层术语，并采用统一的年代地层符号和颜色，标记不同时代的地层，进行地质填图。

以寒武纪开始出现动物为标志，地球历史划分两个明显的时间段，寒武纪至今称之为显生宙(Phanerozoic），寒武纪之前称之为隐生宙（Cryptozoic）[1]。显生宙的地质年代上限为寒武纪（Cambrian，541—485Ma），期间发生了著名的“寒武纪生命大爆发”事件，以三叶虫为代表的门类众多的海生无脊椎多细胞动物纷纷出现。相对应的，地质学家把寒武纪之前漫长而又缺乏生命特征的冥古宙、太古宙和元古宙几个地质年代统称为前寒武纪（Precambrian）[2]。

Menchikoff和Pruvost最初将含三叶虫地层以下的下寒武统底部，至不整合于岩浆岩或变质岩结晶基底之上的地层，笼统地称之为“始寒武系”（Eocambrian）或“底寒武系”（Infracambrian），其中包含中元古界—下寒武统下部的地层层序[2-4]。现今“底寒武纪”也经常作为早寒武世至新元古代，乃至中元古代期间的泛称[5]。由于当初“底寒武系”归属于不含生物化石的“哑层”，因此在20世纪50年代普遍认为，前寒武系不可能含有烃类沉积[6-7]。由于缺乏显生宙那样明显可分的生物演化阶段，同位素年代学建立起来之前，很难对前寒武纪的地层进行划分与对比。因而，在20世纪上半叶的早期研究中，前寒武纪作为年代和地层单位在地质研究和填图中广泛使用。前寒武纪的地球历史漫长，其岩石和地层经历了各种复杂地质作用改造，研究难度是显生宙地层所不能比拟的。由于没有国际学术组织的约束，在早期的前寒武纪地质研究实践中，不同国家和学者应用大量不同的名称和术语来划分和表征前寒武纪的岩石序列和年代[2]。

地球科学家对541Ma以来的地质时期特征研究成果比较丰富，对寒武纪大爆发之前的前寒武纪的研究则相对较少，针对晚前寒武纪时期的，尤其是中—新元古代时期的地质历史特点研究对认识古老地球演化具有重要意义。为了统一指导前寒武纪的地层研究，1966年，国际地层委员会又成立了前寒武纪地层分会（Subcommission of Precambrian Stratigraphy,缩写为SPS）。因为前寒武纪岩石和地层序列遭受更长时间的各种地质作用改造，原始地层序列不完整且层序难辨，更加困难的是在前寒武纪岩石地层中，没有像显生宙那样可用于地层划分和对比的生物化石系列，前寒武纪年代地层的划分非常困难。所以，国际上存在两种不同的地质年代表，第一种是以显生宙为主的“年代地层表”，划分较为精细，年代地层界线是以连续的层型剖面上的界线点为厘定标准，并辅以同位素年龄；第二种就是以时间为依据划分的“地质年代表”，主要是针对前寒武纪的年代划分[8]。

1973年在澳大利亚阿德莱德（Adelaide）会议上，国际前寒武纪地层分会正式认可了前寒武纪划分为太古代（Archean）和元古代（Proterozoic）的方案，并得到国际地质科学联合会批准，同时统一前寒武纪的英文书为“Precambrian”。1977年，国际前寒武纪地层分会在南非开普敦会议上决定将2500Ma作为太古代和元古代界限的年代划分标准。1988年，国际前寒武纪地层分会提出了元古代3个阶段的新名词，即目前使用的古元古代、中元古代和新元古代，并进一步划分为10个纪。自此，新元古代正式建立，底界年龄值从900Ma下移至1000Ma。

2004年2月16日，国际地层委员会通过了南澳大利亚弗林德斯山脉依诺拉马河剖面的伊拉逖那冰碛岩(Elatina Diamictite)之上盖帽碳酸盐岩努卡利那组(Nuccaleena Formation)的下界作为全球末元古系的底界层型（630Ma），正式命名“埃迪卡拉系”。国际地层委员会明确指出，今后的前寒武纪地层划分需采用自然地质界线为年代地层界线的划分标准，即以全球标准剖面和点位（Global Standard Section and Point, 缩写为GSSP，即“金钉子”）确定界线；以前采用的全球标准地层年龄（Global Standard Stratigraphic Age, 缩写为GSSA）确定的年代地层界线，将逐步被自然地质界线所替代[9]。在这个国际指导原则下，自2004年，国际地层委员会成立埃迪卡拉纪地层分会，开展埃迪卡拉纪进一步划分和对比的研究工作。2008年国际地层委员会考虑到埃迪卡拉纪和成冰纪的密切联系，将成冰纪的底界层型厘定提上了工作日程，成立国际新元古代地层分会，统筹指导新元古代地层的全球划分与对比工作。

2012年，国际地层委员会对全球年代地层进行了系统总结，并出版了《地质年代表2012》[10]。在这部专著中，国际前寒武纪地层分会和国际新元古代地层分会分别对新元古代地层不同部分作了专门总结，并明确了存在的问题和下一步工作目标[11-13]。在2012年澳大利亚布鲁斯班召开的第34届国际地质大会期间，为加快成冰纪底界的层型厘定工作，国际地层委员会同意国际新元古代地层分会的“二分”建议，分别组建了成冰纪地层分会和埃迪卡拉纪地层分会。目前这两个国际地层分会十分活跃，开展了一系列的野外研讨会和学术交流会，整个新元古代的研究迅速发展，取得了可喜的进展。2016年，国际地层委员会发布了最新的国际年代地层表，整个地质年代从地层和时间上分为冥古宇（宙）（4600—4000Ma）、太古宇（宙）（4000—2500Ma）、元古宇（宙）（2500—541Ma）和显生宇（宙）（541Ma以来）4个阶段。其中，元古宇（宙）又细分为古元古界（代）（2500—1600Ma）、中元古界（代）（1600—1000Ma）和新元古界（代）（1000—541Ma）3个地质年代。

1.2 中国的中—新元古界地层研究进展

中国是全球中—新元古界沉积地层发育最为完整的国家，也是开展中—新元古界地层研究最早的国家。1924年李四光先生在长江三峡以及1934年高振西先生在燕山前县分别最早建立了中国南方和北方的“震旦系”地层剖面，在国际上产生了很大影响，在相当一段时期内，其成为国际地质界进行前寒武纪地层对比的标志性剖面。新中国建立后，全面开展了区域地质调查和地层研究工作。1959年，第一次全国地层会议召开，会议总结了几十年的研究成果，并以会议《学术报告汇编》的形式公诸于世。20世纪60年代中后期，尹赞勋先生率先主持编写了《中国地层典（石炭系）》，作出了开创性的工作，后因“文化大革命”而终止。一直以来，中国地质前辈们期望“震旦系”能够成为国际地层年代表中的一个地层年代单位。令人遗憾的是由于“文化大革命”的原因，使得中国在生物地层学、年代地层学、沉积学、古地磁学、古海洋学等诸多学科领域的研究停滞不前，影响到对中国中—新元古界地质学的深入研究和国际交流，致使老一辈地质学家的心愿未能实现[2,14-15]。

1991年，编写《中国地层典》和《中国地层指南及中国地层指南说明书》被确定为国家科学技术委员会“八五”期间的重点资助专项，并被列入地质矿产部“八五”期间“重要基础性研究计划”，由全国地层委员会负责组织实施。全国地层委员会组织了武衡、王鸿祯、卢衍豪、程裕淇、杨遵仪、王泽九、王勇、叶天竺、赵逊为等70多位老一辈地层科学家为编写组，为编篡《中国地层典》付出了艰辛的劳动。1996年，15册约300百万字的《中国地层典》正式出版，随后出版了《中国地层指南及中国地层指南说明书》。这些工作不仅大大提高了中国地层研究的程度与水平，而且也是为促进中国地质科学乃至整个地质工作持续发展过程中不可缺少的一项重要基础成果。因此，在一定意义上说，它标志着中国地层工作的发展达到了一个新的里程碑[16-17]。

改革开放以来，中国地质界在中—新元古界的生物地层学、层序地层学、年代地层学、寒武系生物大爆发事件、活动论构造古地理重建以及油气地质学—地球化学等不同地质学科范畴与跨学科的交叉研究领域均取得重大进展。在沉积地层层序上，已建立起中国南北方统一的中—新元古界地层框架，从古到新确立了长城系、商县系、待建系、青白口系（华北北部）、南华系和震旦系（南华北与华南）6个系级地层单元，并初步建立了国内外同期地层的对比关系，从而有利于在新的地层框架中研究中国油气的分布，进行资源潜力的预测。

2006年4月，第三届全国地层委员会第八次常委扩大会提出了编制《中国地层表及说明书》的建议，即由全国地层委员会牵头，组织全国相关单位的专家编制一份全国的、综合的、多重地层表，以满足即将全面展开的全国基础地质工作的需要。为规范中国地层表及说明书的编写，在中国地质调查局支持下，2008年正式设立了“全国多重地层表及说明书编制”项目。编写组在参考1994年出版的《国际地层指南》和2001年出版的《中国地层指南及中国地层指南说明书》(修订版)的基础上，制定了《编制中国地层表及说明书实施细则》，并于2014年正式出版了《中国地层表》和《中国地层指南及中国地层指南说明书》。在编写过程中，编写组不断地对《编制中国地层表及说明书实施细则》进行修改、补充和完善[18]，针对元古宇最后的系采用震旦系还是埃迪卡拉系的问题，曾组织专家多次讨论，最后形成了两种意见：一种认为两系完全相当，系级单位既经国际地层委员会正式建立，应当全球通用，以利国际接轨；另一种意见认为国内工作者大多数沿用震旦系名称，澳大利亚埃迪卡拉系的生物化石带只相当于中国震旦系上部的生物化石带，且该系底界所使用的635Ma底界数据采自中国三峡地区震旦系数据。在意见不一致情况下，目前在《中国地层表》中仍延续使用“震旦系”。针对有学者在原青白口系下部下马岭组的火山沉积夹层中测得大于1320Ma的同位素U—Pb年龄这一新情况，中国地层委员会经多次讨论，对中元古界内的划分作出调整：即整个中元古界的年限仍然是1800—1000Ma；长城系的年限由原来的1800—1400Ma调整为1800—1600Ma；蓟县系由原来的年限1400—1000Ma，调整为1600—1400Ma；将南华系的底界年龄调整为780Ma[18]。

中国于1977年才加入到全球年代地层单位界线层型剖面和点位研究，尽管比国际上晚了十余年，但自1997年中国科学院南京地质古生物研究所陈旭研究员率领的团队在浙江常山黄泥塘确立了中国的第一颗“金钉子”，到2018年6月，国际地质科学联合会以全票通过由贵州大学赵元龙教授牵头的联合研究团队在中国贵州剑河确立的寒武系苗岭统乌溜阶的“金钉子”，中国共获得11颗“金钉子”，成为世界上拥有“金钉子”最多的国家，标志着中国在这些领域的地质学研究成果达到世界领先水平，具有重要的科学意义[19]。

2 中—新元古界地质特点

中—新元古代是地球历史上一段非常独特的地质时期，地球—生命系统（Earth-Life System）在这个时间段发生了革命性转折。在中—新元古代，地球上各古老大陆拼合形成一个超级大陆——罗迪尼亚超大陆（Rodinia），随后又发生超大陆的裂解离散，并且在这个时期形成了今天地球各大陆的核心[20]。岩石圈的剧烈运动引起地球表面各层圈相互作用的改变，导致多次全球性冰期与超级暖房气候相互转换的极端异常气候变化，大气中氧含量快速增加，使得大洋深部海水氧化，从而促进多细胞生物加快演化，地球上开始出现动物。正因为如此，中—新元古代的研究成为当今地球科学领域多学科交叉综合研究的前沿。

2.1 超大陆的聚合、漂移和裂解带来剧烈的地球演化

中—新元古代地球岩石圈活动加速，经历了罗迪尼亚超大陆的聚合、漂移与裂解，随后又发生冈瓦纳超大陆（Gondwana）的聚合[21]。罗迪尼亚超大陆的聚合、漂移、裂解带来大规模火山活动，在全球各大陆之间形成了大量的裂谷盆地，并致使大陆边缘海的面积急剧增加，再加上海洋生物营养物质供应的增加，导致生物原始生产率快速增长，各盆地快速堆积的沉积物导致有机碳埋藏的增加。新元古代晚期，在罗迪尼亚超大陆裂解高峰期之后，著名的泛非运动（Pan-African Orogeny）将东西冈瓦纳大陆众多的古老克拉通块体拼合，形成冈瓦纳超大陆，并在冈瓦纳超大陆上形成超级规模的造山带[20,22]。这些剧烈的岩石圈运动，改变了地表物质运移和生物地球化学循环过程，成为中—新元古代地球历史上的一大特点。

2.2 海洋和大气中的化学成分剧烈变化

大量的元素地球化学和同位素地球化学研究表明，中—新元古代海洋和大气成分发生过剧烈的波动和改变，如大气氧、δ13C和87Sr/86Sr等。在560 Ma前后的新元古代发生了“陡山沱／舒拉姆”δ13C负异常事件，δ13C值的变化幅度达到16%以上，是地球历史上最大的一次δ13C负异常事件[23]。新元古代的现代大气氧含量（Present Atmosphere Level,缩写为PAL），从早期的大约1%到大冰期结束之后快速增加到10%～50%，在新元古代末可能达到70%以上，氧含量升高对原核生物向真核生物以及单细胞生物向多细胞生物的演化都产生了重要的促进作用，为寒武纪的动物大爆发和生态扩展奠定了基础[24-25]。87Sr/86Sr值在新元古代持续增加，表明大陆风化作用不断加强，并有可能与陆地生物的起源和演化密切相关。

2.3 地球复杂生命快速演化

剧烈的火山喷发导致大量来自幔源的放射性物质散布于大气之中，经沉落进入海洋水体，或混入沉积物参与堆积，高放射性物质增加加快了生物繁殖和生油气母质增加。同时，放射性作用还可以促进有机质向烃类的转化[25]。在古元古代晚期地球开始出现真核生物，但直到新元古代早期才发生快速辐射，并出现多种类型的宏现藻类以及具有生物矿化能力的真核生物，包括与原生生物有壳变形虫类相似的瓶状化石（vase-shaped microfossils）和可能的海绵动物等[26-27]。在新元古代冰期之后，多细跑生物发生快速大辐射，像中国华南陡山沱组蓝田生物群和庙河生物群发现的大型复杂化多细胞藻类化石[28]。新元古代晚期出现大型复杂的埃迪卡拉生物群（Ediacara Biota）和弱矿化的管壳动物化石，包括动物的遗迹化石和生物扰动[29-31]。由此可见，中—新元古代是地球复杂生命快速演化的关键时期，是寒武纪动物大爆发的前奏，充分反映了这一时期地球岩石圈、水圈、大气圈和生物圈之间复杂的协同演化过程。

2.4 生物快速繁殖和沉积提供了生烃条件

在新元古代时期，地球经历了同次极端的冰期与超级温室气候之间的快速转换，这在地球历史上是绝无仅有的。位于低纬度和赤道附近的大陆以及全球海洋均被冰覆盖，形成雪球地球（Snowball Earth），随后在超级温室效应作用下，冰期快速消失。具体表现为全球低纬度分布着同时期的冰碛杂砾岩，并由特征性的碳酸盐岩直接覆盖，形成“盖帽碳酸盐岩”，冰碛杂砾岩地层中还出现了消失10亿年之久的条带状含铁建造（Banded Iron Formation,缩写为BIF）[32-33]。冰期形成的深海有机质（DOC）储库在间冰期得以释放，水体营养增加，引起低等生物繁盛。新元古代冰期结束之后，磷加速沉积，地层中磷矿大量出现；同时，发生大量富含有机质的页岩沉积等[25]。元古宙地球生命虽然低等，但已非常繁盛，真核生物、原核生物已占据生命舞台。冰期与间冰期之间的快速转换，繁盛的微生物为有机质富集和优质烃源岩的发育奠定了良好的物质基础。

3 中—新元古界油气资源勘探潜力

3.1 中—新元古界沉积地层油气资源

距今1800—541Ma之久的中—新元古界是地球上最早的沉积地层，在20世纪50年代及其以前，由于一直未确认具备可靠的古生物化石与储层，所以普遍认为中—新元古界中不可能含有原生烃类的沉积，也未考虑将中—新元古界作为油气勘探的目标层。随着科学界对元古宙地球早期生命以及生物多样性的研究取得的重大进展，同期的石油地质学与地球化学研究不仅揭示了中—新元古界古老的暗色页岩与碳酸盐岩中，可含有丰富的有机质，甚至可形成极佳的烃源层，而且证明其沉积有机质的成熟度，仍可跨越未成熟—过成熟等不同的热演化阶段，有些地区至今仍处于生烃“液态窗”的范畴之内，其中还发现众多原生的油气苗，完全具备形成规模性油气富集的条件，从而为中—新元古界含油气性与油气资源的研究，提供了有关其物质基础的科学依据。

20世纪60年代以来，在前寒武系地层中，全球至少已发现数十处原生油气藏，探明的油气储量可达到亿吨级至10×108t级油当量的规模且具有日产百万立方米级天然气的产能[2,34-35]。1973年，前苏联就已经着手西伯利亚克拉通中—新元古界油气田的商业性开采[36]。1978年，中国学者王铁冠与合作者们完成了燕山地区冀北坳陷石油地质勘查，在元古界中共发现了32处液体油苗与固体沥青，他们通过有机地球化学分析与石油地质学研究，首次论证了燕山地区中—新元古界油苗的原生属性，为中国前寒武纪油气地质研究作出了理论贡献[37-38]。1986年，Dickes在《Geoscience Wisconsin》杂志发表了系列文章[6-7]，掀开了中—新元古界油气勘探的新篇章，中—新元古界的油气资源潜力再次引起国际地质界的密切关注。在中国，王铁冠教授于1989年借助显微镜下的观察，通过K—Ar法同位素地质年龄测定与有机地球化学分析技术的综合研究，论证了燕山地区辽宁龙潭沟新元古界下马岭组底砂岩中所发现的沥青砂岩就是一个新元古代前期的古油藏，并且揭示了距今7.3亿年前的晚元古代后期，因为受到高温的辉长岩—辉绿岩侵入岩床的影响，使得古油藏遭受到明显的热蚀变，而演化成为现今的沥青砂岩。龙潭沟含沥青砂岩等生物标志物组合特征，明确地指示新元古界的微生物与原始藻类是这些生物标志物的主要来源，也是当时古油藏的主要成油母质。1990年，王铁冠首次报道了在辽宁龙潭沟的沥青砂岩中检测、发现新的生物标志物13α（正烷基）—三环萜烷系列，并推测为古老微生物生源的产物。上述研究成果，不仅证实了中国古老的元古界原生石油的存在，发现并论证了元古代时期形成的古油藏，而且对于元古界生物演化、有机质的烃类组成以及石油资源研究，均具有重要意义[37-38]。

中国中—新元古代古海洋学、沉积—古地理学与区域构造地质学等方面的研究，也将有助于深入探讨与认识中—新元古界油气资源的形成、演化与保存、生油层—储层—盖层发育与地质演化背景。尤其是在扬子克拉通四川盆地乐山—龙女寺古隆起上，继1965年发现震旦系威远大气田之后，后来又相继发现震旦系—下寒武统安岳大气田，获得百万立方米级的高产气流和万亿立方米级的天然气三级储量。1976年在华北蓟县系雾迷山组与长城系高于庄组碳酸盐岩中，陆续发现任丘、雁翎、鄚州等11个“新生古储”型油气藏，油气源自古近系沙河街组泥质烃源层。自1977年以来，在华北燕山地区，发现中—新元古界大量原生的液体油苗与固体沥青，从而证明中—新元古界是中国一个值得关注的重要能源资源领域。此外，通过几十年的野外勘查，在川西北龙门山和华北燕辽裂陷带，分别发现下寒武统大型沥青脉和中元古界众多“活”油苗。但是较之国外同类研究，中国的中—新元古界研究不仅面临地层更为古老、地质年龄跨度长达13亿年之久问题，而且又有相当大的面积分布于复杂地质构造与有机质高演化地区，不利于液态石油的保存。据Craig等的不完全统计，全球已有十多个国家和地区发现规模性的中—新元古界原生油气储量与产量[35]，中国川西北、燕辽裂陷带等地均具有大量潜在的中—新元古界油气资源[36]。

3.2 中国中—新元古界油气资源勘探潜力

中—新元古界作为油气勘探潜在目的层系，处于沉积盆地最底层，埋深大，且经历多期成岩改造作用，是否具备储层发育条件，对评估最古老地层的油气资源潜力具有重要意义。中国是全球中—新元古界沉积地层发育最为完整的国家之一，也是研究中—新元古界沉积地层最早的国家，有相当大的中—新元古界地层处于复杂地质构造与沉积有机质高演化的地域，对其原生油气的保存与勘探增加了难度。因此，对中国中—新元古界油气资源的研究，既具有地层发育齐全、前人科研积淀深厚等有利条件，又面临地层更古老、地质条件更复杂、科研创新空间更宽阔的挑战性现实。

中国扬子克拉通威远—高石梯—磨溪气田(藏)已探明具有相当规模的中—新元古界油气地质储量，并已投入开发。中国东部中—新元古界证实具有优质的烃源层，如华北克拉通的中元古界高于庄组、洪水庄组和下马岭组以及扬子克拉通的新元古界陡山沱组和“始寒武系”筇竹寺组，均具备较有利的生—储—盖组合，具有原生油藏的成藏富集条件。中国古老的中—新元古界的热演化程度一般偏高，适于天然气勘探，如在四川盆地乐山—龙女寺古隆起上，已发现威远、高石梯始寒武系大气田。但是中—新元古界中仍可具有热演化程度不算过高的区带，其勘探目的层在地史上埋藏不太深，上覆沉积盖层不太厚的古隆起单元(如川西北龙门山前山带)，或者岩石圈增厚的“冷圈、冷盆”单元(如燕山地区北部坳陷带)，对古老油气资源的保存十分有利，均属中—新元古界油气勘探的有利地区。从目前看，间冰期是元古宙烃源岩发育的主要时期，受安岳大气田发现启示，克拉通内裂陷区控制烃源灶的发育与规模，与烃源灶近邻的台缘隆起带是规模有效储层发育区。因此，克拉通内裂陷周缘存在成藏有利区，值得勘探家重视[2,25]。中国华北、扬子和塔里木三大克拉通区中—新元古界均发育大型克拉通内裂陷，其所控制的烃源灶具有一定规模，高—过成熟阶段热裂解成气潜力大[25]。中元古界长城系、蓟县系均有深大断裂和裂陷槽响应特征，表现为双断或单断堑垒相间样式[25]。鄂尔多斯盆地内部长城系可能存在规模烃源岩，分布于裂陷槽范围内，其有利勘探靶区应优先考虑裂陷槽的主体部位[2,25]。震旦系（埃迪卡拉系）至寒武系各层系地层中的微生物碳酸盐岩、颗粒白云岩经多期建设性改造可以形成规模有效储层，勘探具现实性，找气潜力值得挖掘，需进一步精细刻画克拉通内裂陷的展布，加强层序对比研究，评价优选有利勘探区，可望实现中—新元古界油气勘探新突破。