原子力显微镜揭示波罗的海盆地笔石表皮的纳米孔隙特征：从油窗到气窗过渡阶段的热成熟度影响研究

为解决笔石表皮在油窗向气窗过渡阶段的孔隙系统研究不足问题，研究人员采用原子力显微镜（AFM）对波兰波罗的海盆地志留系页岩中的笔石表皮（GR=1.30–1.83%；VRE=1.11–1.50%）进行纳米孔隙分析。研究发现笔石表皮孔隙度极低（0.16–0.28%），但随热成熟度增加而升高，且在气窗初期（GR≥1.58%）出现次生孔隙，揭示了其有限的气态烃生成能力。该研究为页岩气储层评价提供了关键微观依据。

　　

在页岩气勘探领域，有机质（OM）孔隙网络对储层性能具有决定性作用，而笔石作为早古生代页岩的重要有机组分，其孔隙系统的研究长期存在争议。尽管前人针对过成熟页岩（如中国五峰组-龙马溪组）中笔石孔隙开展了大量扫描电镜（SEM）分析，但对油窗向气窗过渡阶段（VRE=1.11–1.50%）的笔石表皮孔隙演化机制仍缺乏系统认知。尤其关于次生孔隙是否发育、孔隙形态与热成熟度的关联等核心问题，不同学者甚至得出截然相反的结论。这种认知空白严重制约了对页岩气储层中笔石贡献的准确评估。

来自波兰的研究团队在《International Journal of Coal Geology》发表的研究，首次运用原子力显微镜（AFM）对波罗的海盆地志留系页岩中的笔石表皮进行了纳米级孔隙表征。该研究选取10个深度3690–3947米的样品，通过200×200 nm高分辨率扫描区域，观测直径≥1.4 nm的孔隙，结合表面粗糙度参数分析，揭示了热成熟度梯度下笔石表皮的孔隙演化规律。

关键技术方法包括：1）AFM轻敲模式成像（扫描频率0.5–1 Hz，Z轴精度<0.1 nm）；2）Gwyddion软件图像处理与孔隙参数提取；3）微傅里叶变换红外光谱（micro-FTIR）和拉曼光谱辅助化学结构分析；4）基于ISO 7404-2标准的抛光处理（避免氩离子铣削可能的人工孔隙）。

研究结果
1. 孔隙系统特征
非颗粒状笔石表皮主要呈现狭长型原生孔隙（直径>5 nm），分布于皮层纤维束间；颗粒状组织在GR≥1.58%时出现2–5 nm椭圆形次生孔隙。随着GR从1.30%增至1.83%，孔隙度上升66%，而平均等效孔径从8.32 nm降至4.84 nm，<5 nm孔隙占比从15%飙升至63.8%。

2. 表面粗糙度演化
平均粗糙度（R_a
）从1.75 nm降至0.89 nm，与拉曼谱图I_D1
/I_G
比值（反映结构有序度）呈负相关。表面偏度（R_sk
）接近0，显示接近正态分布的高度对称性。

3. 烃生成潜力
次生孔隙主要发育于颗粒状组织，证实其更强的气态烃生成能力。但整体而言，笔石表皮在气窗初期的烃生成贡献有限，这与高芳香性（CH_ar
/CH_al
比值）抑制烃类裂解有关。

结论与意义
该研究首次明确了油窗-气窗过渡阶段笔石表皮的纳米孔隙发育机制：1）次生孔隙起始于GR=1.58%（VRE=1.31%）的气窗门槛；2）孔隙形态差异反映生物结构（非颗粒状皮层）与热降解（颗粒状组织）的双重控制；3）表面粗糙度降低与碳含量增加（82–89 wt%）同步发生，印证了有机质芳构化对孔隙结构的改造作用。

这项研究为页岩气"甜点区"预测提供了新思路：在过成熟页岩中，颗粒状/非颗粒状笔石的比例可能成为评价储层潜力的关键指标。此外，AFM在纳米孔隙表征中的优势（尤其是对<5 nm孔隙的检测能力）为非常规油气储层研究树立了技术标杆。未来研究需结合人工熟化实验，进一步揭示不同笔石物种的孔隙演化分异机制。