印度Son-Mahanadi盆地Tatapani–Ramkola煤田二叠纪冈瓦纳煤的地球化学、岩石学特征及其稳定同位素研究：对古沉积环境和古气候条件的启示

《International Journal of Coal Geology》：Geochemical and petrological characteristics coupled with stable isotope of the Permian Gondwana coals from Tatapani–Ramkola Coalfield, Son–Mahanadi Basin, India: Insights for paleodepositional and paleoclimate conditions

本文系统研究了中国四川盆地及外围地区奥陶-志留系Graptolites页岩的热成熟度评估方法，通过对比平行和垂直层理切片的有机岩石学特征，揭示非颗粒Graptolites的光学各向异性与热演化关系，建立基于真最大反射率（Rmax）的等效方程，为缺乏镜质体的高成熟度页岩评估提供新方法。

　　在地质学研究中，笔石（Graptolites）作为一种重要的有机质，广泛存在于奥陶纪至志留纪的中国四川盆地及其周边地区的Wufeng–Longmaxi地层中，以及全球其他下古生代海相页岩中。这些地层的总有机碳（TOC）含量较高，通常超过2%，并被认为是优质有机质储层，同时也是页岩气勘探与开发的重点区域。由于缺乏来自高等植物的镜质体（vitrinite），在寒武纪至泥盆纪的岩石中，评估其热成熟度仍存在困难。然而，笔石因其独特的光学特性，常被用作替代镜质体的热成熟度指标，尤其是在缺乏镜质体的情况下。

笔石具有显著的光学双折射特征，其光学特性和反射率在不同方向上表现出明显差异。这种差异主要源于笔石碎片相对于层理面（bedding plane）的取向。然而，目前针对笔石光学特性差异的研究仍较为有限，导致在热成熟度评估过程中出现混淆或较大误差。因此，本研究通过有机岩石学方法，对比了笔石在平行和垂直于层理面的薄片中的光学特征和反射率，旨在建立更准确的热成熟度评估模型。

在研究中，发现笔石和原生固沥青（SB）是Wufeng–Longmaxi地层中主要的有机成分，而镜质体仅在低成熟度样品中被检测到。笔石的种类主要包括非粒状和粒状两种，其中非粒状笔石在研究样品中占主导地位。非粒状笔石表现出比粒状笔石更强的各向异性，且其表面更为平滑，反射率也更高。此外，非粒状笔石的平均随机反射率（GR_o）和最大反射率（R_max）之间存在强烈的正相关关系，而双折射（bireflectance）则表明其各向异性随热成熟度的增加而增强。

研究还发现，在平行于层理面的薄片中，R_max值略低于或等于垂直于层理面的薄片中的R_max值，而平均最大反射率（^?R_max）、中间反射率（R_int）和双折射值则在垂直方向上更高。这表明，笔石的光学特性在不同取向上存在显著差异，尤其是在垂直于层理面的方向上，其各向异性更为明显。因此，建立适用于不同取向的热成熟度评估方法显得尤为重要。

在实际应用中，由于取向差异，不同研究者在相同深度或相同区域的笔石反射率测量中，可能会得到不同的结果。例如，Yang（2016）和Wang等人（2019）在相同井的相同深度测量了笔石的随机反射率，但使用不同的转换公式得到了相差高达1.29%的等效VR_o值。Luo等人（2019）和Wang等人（2019）在相同区域的笔石反射率测量中，也发现不同的转换公式导致的热成熟度评估结果存在显著差异，最大相差达到2.04%。这些差异提示，当前的热成熟度评估方法仍需进一步优化，以减少因取向不同而带来的不确定性。

为了更准确地评估热成熟度，研究引入了反射率指示面（RIS）模型，该模型基于笔石在薄片中的几何取向，用于确定其反射率测量的准确方向。根据该模型，笔石的三个主轴（a、b、c）分别由真实最大反射率（R_max）、真实中间反射率（R_int）和真实最小反射率（R_min）定义。在实际测量中，由于埋藏或机械抛光的原因，笔石可能以倾斜的方式存在于测量表面，导致无法获得真实反射率。因此，反射率交叉图（crossplot）被广泛用于确定R_max、R_int和R_min的值。

在反射率交叉图中，笔石的显微最大反射率（R'_max）和显微最小反射率（R'_min）被绘制在对应的双折射（R'_max – R'_min）值上。交叉图中，由这两组数据形成的两个平行四边形面积随热成熟度的增加而扩大，表明笔石的各向异性增强。非粒状笔石的反射率交叉图呈现出两个类似“V”字形的数据包络，进一步证明其具有显著的双折射特性。通过这些数据，可以更清晰地识别笔石在不同取向下的光学行为，并建立更精确的热成熟度评估方法。

本研究主要针对中国和瑞典的Wufeng–Longmaxi和Alum地层中的笔石进行分析。中国样本来自重庆、四川和湖北等地，而瑞典样本则位于Storberg、Gr?nh?gen和Flagabro等地。通过有机岩石学方法，对这些样本进行了详细的观察和测量。研究还发现，非粒状笔石在平行和垂直于层理面的薄片中均表现出较强的各向异性，其GR_o和R_max值随着热成熟度的增加而逐渐上升，表明其在热成熟过程中发生了一系列的物理和化学变化。

在热成熟度评估过程中，笔石的反射率数据与镜质体的反射率数据之间存在一定的对应关系。然而，由于取向不同，这些数据在不同方向上的表现存在差异。因此，建立适用于不同取向的等效关系方程对于提高热成熟度评估的准确性至关重要。本研究通过对比不同取向下的笔石反射率数据，提出了适用于平行和垂直于层理面的等效方程，从而为热成熟度评估提供了更可靠的方法。

此外，研究还涉及TOC和岩石热解（rock pyrolysis）数据的分析。中国Wufeng–Longmaxi地层的TOC含量范围为1.10–8.03%，平均为3.88%。瑞典Alum地层的TOC含量则为5.65–9.78%。氢指数（HI）值反映了有机质的成熟度，其在不同地层中表现出不同的变化趋势。Alum地层的HI值范围较广，为8–405 mg HC/g TOC，而Wufeng–Longmaxi地层的HI值则相对集中。这些数据进一步支持了笔石在不同取向下的反射率差异，并揭示了其在热成熟过程中的变化规律。

通过这些研究，可以更全面地理解笔石在不同地质条件下的光学行为和热成熟度特征。这不仅有助于提高热成熟度评估的准确性，也为页岩气勘探和开发提供了更科学的依据。同时，这些发现也表明，取向对反射率测量的影响不容忽视，因此在实际应用中应更加注意薄片的取向选择，以减少误差和不确定性。

研究还强调了不同转换方程对热成熟度评估结果的影响。由于取向不同，同一笔石样本在不同方向上的反射率数据可能会导致不同的等效VR_o值。因此，建立统一的转换方程对于减少不同研究之间的差异至关重要。本研究通过对比不同取向下的反射率数据，提出了适用于不同方向的等效方程，从而为热成熟度评估提供了更可靠的方法。

总之，笔石作为一种重要的有机质，在热成熟度评估中具有独特的应用价值。然而，其光学特性和反射率在不同取向上存在显著差异，这给评估工作带来了挑战。通过有机岩石学方法，结合反射率交叉图和等效方程的建立，可以更准确地评估笔石的热成熟度，为页岩气勘探和开发提供科学支持。同时，这些研究也揭示了取向对反射率测量的重要影响，提示在实际应用中应更加注意薄片的取向选择，以减少误差和不确定性。