Research progress and challenges in thermal maturity evalution of Lower Paleozoic source rocks
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摘要: 中国下古生界海相烃源岩普遍处于高—过成熟阶段，且由于缺乏镜质体，下古生界地层的成熟度评价一直是深地油气勘探的技术难点。对基于有机岩石学、地球化学及光谱的有机质成熟度评价方法进行系统归纳，探讨各类成熟度参数在下古生界高—过成熟烃源岩中的适用性，以期为深地油气资源勘探提供指导。重点分析了笔石表皮体反射率、芳烃分子标志物参数、拉曼光谱参数，并指出存在的问题与发展趋势：(1)笔石表皮体反射率因其热敏感性而被广泛应用于表征下古生界地层成熟度，但不同类型的笔石表皮体具有不同的反射率升高速率，并在生气窗出现“反射率异常”现象；(2)芳烃化合物(如菲系列和二苯并噻吩系列)及相关参数(如甲基菲指数MPI-1和甲基二苯并噻吩中的4-MDBT/1-MDBT)的热稳定性表现敏感，可成为有效的成熟度评价参数，但也受初始有机质类型及环境的影响；(3)拉曼光谱可通过D1峰和G峰的相关参数来表征分子结构和成熟度变化，但由于不同实验室的仪器、采用波长和解谱方式的差异，不利于通用对比。通过进一步总结成熟度参数的理论基础和适用范围，指出矿物催化、辐射效应和热模拟实验对参数适用性的影响，提出多参数联合分析可提升成熟度评价的准确性，但校准方法仍需优化。Abstract: Marine source rocks in China's Lower Paleozoic are predominantly in the highly to over-mature stage. The lack of vitrinite in these strata has made thermal maturity evaluation a persistent technical challenge in deep hydrocarbon exploration. This study systematically summarizes organic matter maturity evaluation methods based on organic petrology, geochemistry, and spectroscopy, with the goal of assessing the applicability of various maturity parameters for highly to over-mature source rocks in the Lower Paleozoic, thereby providing insights for deep hydrocarbon resource exploration. Special emphasis is placed on analyzing graptolite reflectance, aromatic hydrocarbon molecular marker parameters, and Raman spectroscopy parameters, highlighting current challenges and future research directions. (1) Owing to its excellent thermal sensitivity, graptolite reflectance is extensively employed to characterize the maturity of Lower Paleozoic source rocks. Nevertheless, different graptolite types exhibit varying rates of reflectance increase, with "reflectance anomalies" observed within the gas window. (2) Aromatic hydrocarbon compounds (e.g., phenanthrene series and dibenzothiophenes) and their derived parameters (e.g., methylphenanthrene index MPI-1, and 4-MDBT/1-MDBT in methyldibenzothiophene) exhibit sensitive thermal stability responses, rendering them effective maturity evaluation parameters. However, their applicability might be constrained by the initial organic matter type and depositional environment. (3) Raman spectroscopy can effectively characterize molecular structure evolution and thermal maturity, through parameters derived from the D1 and G peaks. However, variations in laboratory instruments, wavelength selection, and spectral interpretation methods might limit comparability across studies. Finally, this study summarizes the theoretical foundations and practical applicability of these parameters, highlighting the impacts of mineral catalysis, radiation effects, and thermal simulation experiments on their suitability. The results demonstrate that a multi-parameter integrated approach significantly improves the accuracy of maturity evaluation. However, current calibration methodologies still require refinement to achieve optimal performance.
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Key words:
- laser Raman /
- molecular marker compounds /
- graptolite reflectance /
- thermal maturity /
- Lower Paleozoic
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沉积盆地中的有机质随着地层的埋深、温度和压力的增加，会经历复杂的热演化过程，并表现出化学组成、结构和物理性质的一系列变化以适应不同的热力学环境[1-2]。这些变化包括元素构成、分子结构和自由基浓度的变化，并可通过有机质的化学和光学性质及相关参数来进行有效地测定。有机质成熟度不仅仅影响着烃类的生、排、滞、运，是评价某一烃源岩资源前景的重要依据，同时也是盆地热史重建的重要锚点[3-4]。
中国下古生界海相烃源岩普遍处于高—过成熟阶段，其中以塔里木盆地和四川盆地的下古生界超深层海相黑色页岩为代表的古老地层最为典型。然而，由于下古生界地层缺少镜质体，且其他的替代性成熟度参数在实际应用中经常表现出矛盾[5-6]，学者们逐渐认识到成熟度参数的有效性和准确性对资源评价的重要意义[7-8]。随着我国在页岩资源勘探与开发方面的持续深入，对下古生界有机质成熟度的有效判识也成为了学界和业界的难点和热点。
有机质成熟度参数依据测试原理可分为光学类、化学类和谱学类。近些年的研究发现：(1)光学类以笔石表皮体反射率和固体沥青反射率方面的研究成果最为丰富。然而，固体沥青作为一种次生有机质，受形成环境、母质成分等因素影响，在生烃过程的不同阶段会形成不同类型的固体沥青[9]。其形态学特征和成因类型尚无定论，且发育复杂多样的光学特征和显微形态，如固体沥青反射率在高成熟阶段表现出各向异性；其次，基于不同成因的固体沥青参数油气源对比的适用性差异较大，难以在不同研究区间进行通用对比[10]。因此，笔石表皮体作为原生有机质，其反射率被越来越多地应用于表征下古生界地层的成熟度[6]；(2)常规的地球化学参数由于在表征高—过成熟阶段时普遍失效[11]，使得具有较高热稳定性的芳烃化合物的成熟度参数的指示意义开始受到关注[12-13]；(3)光谱类参数中，拉曼光谱由于其样品制备简便、原位分析和操作便捷的优势，成为了目前成熟度参数研究的热点[14-15]。
由于不同类型的成熟度参数在原理上的差异，导致它们在热应力的敏感性和表征成熟度的有效范围方面也不尽相同，从而对其实际应用产生了一定影响。因此，基于不同原理和类型的多参数联合使用，已成为确定古老有机质成熟度的最优解。然而，由于目前各个参数间缺乏统一的校准方法，且不少学者采用热模拟样品开展研究[16]。因此，本文系统地总结了下古生界烃源岩特征，分析不同成熟度参数(包括自然成熟样品和热模拟成熟样品)的有效表征范围和在应用方面存在的问题，对准确地确定有机质的成熟度和指导深地油气资源勘探具有重要意义。
1. 下古生界烃源岩特征
1.1 世界主要下古生界烃源岩分布
全球范围分布的下古生界(寒武系—志留系)富有机质页岩中的非传统页岩油/气资源已引起业界的广泛关注[17-18]，其包括：亚洲的中亚地区以及东南亚部分地区的富有机质页岩；广泛分布于波罗的海盆地、北海盆地的Alum页岩[19]；土耳其陶鲁斯地区的特列奇阶(下志留统)页岩[20]；北美阿巴拉契亚盆地和威尔斯盆地的奥陶系和志留系页岩、阿纳达科盆地的Sylvan页岩[21]；北非志留系Tanezzuft页岩以及阿尔及利亚和利比亚的奥陶系页岩[22]。这些页岩形成于古老克拉通和被动大陆边缘，通常与全球性的海平面上升、富氧—贫氧交替的沉积环境和高初级生产力密切相关，且均富含有机质，展现出良好的烃源岩特征。
1.2 中国主要下古生界烃源岩特征
中国下古生界烃源岩主要分布于四川盆地、塔里木盆地、鄂尔多斯盆地等地区[23-24]，主要形成于沉积速率慢、水体封闭、有机质丰富的滞留还原沉积环境中。这些地区的前寒武纪—早古生代沉积岩由于经历了复杂的热演化历史，成熟度(Ro)介于1.5%~4.5%之间，处于高—过成熟裂解生气阶段，显微组分的识别和烃源岩评价面临较大挑战。
1.2.1 四川盆地下古生界烃源岩
四川盆地的下古生界烃源岩以寒武系和志留系为主，其中寒武系牛蹄塘组富有机质黑色页岩沉积于低氧还原环境，具有高有机质含量和优质的生烃潜力，是区域内重要的生烃岩层[25]；其主要有机质来源为浮游藻类、底栖生物和微生物，干酪根类型以Ⅰ型为主，含有少量Ⅱ1型；志留系龙马溪组还发育低等孢粉和其他动物体，有机质类型以Ⅱ型为主, 含少量Ⅰ型。在成烃条件方面，四川盆地下古生界烃源岩经历了复杂的地质演化，具有高成熟特征[26]。这些烃源岩不仅能够生成轻质原油，还能在过成熟阶段生成大量的天然气。
1.2.2 塔里木盆地下古生界烃源岩
塔里木台盆区寒武系—奥陶系经历了从伸展到回返一个完整的开合过程, 形成了不同特征的原型盆地，因此不同部位的主力烃源岩发育不同，主要包括下寒武统玉尔吐斯组硅质岩—泥页岩, 中下奥陶统黑土凹组硅质岩—泥页岩, 中奥陶统泥页岩, 中上奥陶统萨尔干组泥页岩以及上奥陶统良里塔格组泥质灰岩五套烃源岩[27]。有机质来源主要包括藻类、细菌和少量的动植物碎屑，干酪根类型以Ⅰ型和少量Ⅱ型为主[28]。塔里木盆地的烃源岩形成于深水陆棚和浅海陆棚环境，受控于初级生产力和还原环境。盆地中多种地质事件，如晚古生代造山运动，对烃源岩的热演化产生了显著影响[29]。近年来研究发现，塔里木盆地下古生界烃源岩具有多重母质的特征，使其在成烃潜力和生成产物上表现出较大差异[30-31]。
1.3 下古生界烃源岩有机质构成
目前，国内外的研究已初步描述了不同地区古老沉积岩中显微组分的主要特征，如藻类体、固体沥青及动物碎屑等(图 1)[32-33]，但分类体系仍未形成统一标准。前期基于对全球典型下古生界样品低成熟至高—过成熟样品的系统研究，提出了包括类镜质组、腐泥组、固体沥青组、动物有机碎屑组及惰质组等五大类的分类框架[34]。该分类框架不仅系统反映了古老沉积岩显微组分的复杂面貌，也为深入理解烃源岩成因及演化提供了重要参考。
图 1 四川盆地、塔里木盆地及北欧下古生界海相页岩典型显微组分特征a.底栖藻类，四川盆地绵阳一长宁凹槽，TX-1井, 1 371.1 m，下寒武统；b.浮游藻类，四川盆地绵阳一长宁凹槽，TX-1井, 1 371.1 m，下寒武统；c.固体沥青，四川盆地绵阳一长宁凹槽，TX-1井, 2 019.4 m，下寒武统；d.腕足类，塔里木盆地阿瓦提凹陷，露头样品DEG-17，下寒武统；e.几丁虫，塔里木盆地阿瓦提凹陷，露头样品DWG-6，中—上奥陶统；f.结构藻类，塔里木盆地阿瓦提凹陷，露头样品DWG-6，中—上奥陶统；g.藻类，瑞典Alum页岩，Djupvik-2，下奥陶统；h-i.无定型体与沥青质体，瑞典Alum页岩，Ott1027. Öland，下奥陶统；j.层状藻，瑞典Alum页岩，Hällekis-1井，上寒武统；k.类镜质体，瑞典Alum页岩，DBH15/73井，上寒武统；l.笔石表皮体，爱沙尼亚Alum页岩，Core601，下奥陶统。
图中缩写：Al、Te: 藻类；Ld：脂质碎屑体；Ch：几丁虫体；AOM：荧光无定形有机质；Bit：沥青质；SB：固态沥青；La：层状藻类；Vp：类镜质体颗粒；G：笔石表皮体。Figure 1. Characteristics of typical macerals in Lower Paleozoic marine shales from Sichuan Basin, Tarim Basin and northern Europe2. 下古生界烃源岩成熟度评价方法
下古生界烃源岩成熟度的评价方法主要包括光学类(反射光、透射光和荧光)、地球化学类(热解参数、元素比值、同位素变化、生物标志化合物和分子标志化合物等)和光谱类(核磁共振、红外光谱和拉曼光谱等)参数(表 1)[35-36]。因各参数对热应力的敏感性和适用范围不同，通常需要通过多参数联合分析并结合热模拟实验以校准和优化成熟度评价，解决高—过成熟阶段的表征难题。
Table 1. Key maturity parameters for Lower Paleozoic source rocks参数 缩写 适用范围 缺点 引用文献 光学参数 镜状体反射率 VLRo 缺乏镜质体的下古生界地层 来源不明，鉴定时主观性强 37 固体沥青反射率 BRo 不同成熟阶段的固体沥青热演化规律不同 36 笔石表皮体反射率 GRo 不同类型的笔石表皮体热演化规律不同 38 牙形石变色指数 CAI 测试结果主观性大 39 荧光红绿比 R/B 低成熟度样品 缺乏量化标准 40 化学参数 最高热解峰温度 Tmax 低—中成熟度样品 对低有机碳含量和高成熟度样品失效 41 甲基菲指数 MPI 适用范围较广 高成熟阶段的演化规律存在争议 42 H/C原子比 H/C Ⅰ/Ⅱ型干酪根 受有机质类型影响，不利于通用对比 1-2 碳同位素参数 13C 适用范围较广 受地层年代、有机质类型和次生作用影响大 1-2 生物标志化合物 biomarker 低成熟度样品 不同参数适用范围不同，受次生作用影响大 14 光谱参数 核磁共振 NMR 适用范围较广 需要提取干酪根，操作复杂 35 红外光谱 IR 需要提取干酪根，操作复杂 43 拉曼光谱 Raman 受仪器、波长和解谱方式影响，不利于通用对比 44 2.1 有机岩石学方法
有机岩石学在沉积盆地成熟度评价中扮演着至关重要的角色，镜质体反射率(VRo)作为最常用的成熟度参数，在缺乏镜质体的早古生代地层中无法使用，因此替代性成熟度参数已成为研究的热点[6, 38]。笔石作为一种早古生代海洋中的浮游半索动物，其表皮反射率(GRo)因具有热敏感性而受到广泛关注，并逐渐成为下古生界成熟度参数的重要表征[45-46]。
研究显示，不同解剖部位的笔石表皮体在有机质构成及生烃潜力上存在显著差异[47]，这可能是导致不同研究者给出的GRo与等效反射率(EqvRo) 转换公式不一致的主要原因(图 2)。此外，人工热模拟实验揭示了笔石表皮体在生气窗阶段存在显著的反射率异常现象，表现为在生气窗期间GRo增长梯度出现显著抑制(甚至可能略有下降)，而在生气窗阶段结束后则恢复到正常的增长趋势(图 3)；这一现象可能与笔石表皮体成熟度在增加的过程中，有机组分中纳米孔隙的形成增加了有机质的表面粗糙程度，从而降低了所测表面的反光性有关[38]。上述发现表明现有的线性GRo-EqvRo转换公式可能导致成熟度判识的误差，并为下古生界地层的成熟度评价提供了重要的校正依据。
图 2 笔石表皮体反射率(GRo)与等效镜质体反射率(EqvRo)转换关系汇总据参考文献[5]修改。Figure 2. Conversion relationships between graptolite reflectance (GRo) and equivalent vitrinite reflectance (EqvRo)
图 3 不同组分的笔石表皮体反射率与镜质体反射率间的关系据参考文献[38]修改。Figure 3. Relationships between graptolite reflectance (GRo) of different components and vitrinite reflectance (VRo)2.2 分子标志物方法
近些年随着对深层—超深层烃源岩研究的深入，对具有抗强热降解能力化合物的研究也取得了一些进展。金刚烷类化合物(单金刚烷、双金刚烷、三金刚烷等)及其烷基取代化合物是一类具有类金刚石、笼状结构的烷烃类化合物。其独特的结构使其具有较高的稳定性、较强的抗高温裂解和抗生物降解能力，成为深层—超深层有机质成熟度评价的重要参数。硫代金刚烷类化合物是金刚烷笼形碳结构中的一个或者多个碳原子被硫原子取代而形成的一类化合物，可以指示TSR的反应程度[48]。金刚烷由于分子结构的特征，仅有叔碳和仲碳这两级碳。同分异构体之间由于分子结构的差异具有不同的物理化学性质，叔碳位取代金刚烷异构体比仲碳取代异构体具有更高的热稳定性[49]。前人根据金刚烷的分布差异提出了一系列参数，其中常用的成熟度参数有甲基单金刚烷指数[MAI=1-MA/(1-MA + 2-MA)]和甲基双金刚烷指数[MDI= 1-MA/(4-MA + 2-MA)]及乙基桥键单金刚烷指数[MEI=(6-MEA + 1-MEA +2-MEA)/∑MEA]。金刚烷类及衍生化合物在经历了独特地质背景和复杂次生作用的塔里木盆地和准噶尔盆地不同构造带的原油中，均具有较好的指示意义和应用价值[50]。此外，芳烃化合物在表征有机质成熟度方面也具有重要的应用价值[51]。多环芳烃(PAHs)及其衍生物来源广泛，既包括自然生成的热蚀变有机质，也包括人工加热的不完全燃烧产物。芳烃分子的绝对浓度及其异构体和烷基化同系物的分布主要受到有机质原生组成和次生改造作用的共同影响。在成岩阶段，有机质发生脱氢和去官能团等变化；在热成熟阶段，芳烃化合物的烷基化程度及异构体分布则受到生成、分解、甲基化、跨甲基化和去甲基化等复杂化学反应的控制。芳香烃系列成熟度参数揭示了塔里木盆地下古生界玉尔吐斯组、萨尔干组和印干组处于成熟—高成熟阶段，在我国南方早古生代沉积岩生油母质的成熟度评价中取得了较好的应用效果[52-53]。表 2统计了目前国内外基于菲系列和二苯并噻吩系列化合物构建的成熟度参数。
表 2 菲系列和二苯并噻吩系列化合物的成熟度评价参数汇总Table 2. Maturity evaluation parameters for phenanthrene series and dibenzothiophene series compounds参数 定义 引用文献 菲系列 MPI-1 1.5 × (2-MP+3-MP)/(P+1-MP+9-MP) 53 MPI-2 3 × (2-MP)/(P+1-MP+9-MP) 53 MPI-3 (2-MP+3-MP)/(1-MP+9-MP) 54 MPDF (2-MP+3-MP)/(1-MP+2-MP+3-MP+9-MP) 54 MPR 2-MP/1-MP 54 DMPR (3, 5-DMP+2, 6-DMP+2, 7-DMP)/(1, 3-DMP+3, 9-DMP+2, 10-DMP+3, 10-DMP+1, 6-DMP+2, 9-DMP+2, 5-DMP) 55 MP/P 甲基菲/菲 56 ∑MP/∑DMP 甲基菲/二甲基菲 56 ∑MP/∑TMP 甲基菲/三甲基菲 56 二苯并噻吩系列 MDR 4-MDBT/1-MDBT 57 DMDR 4, 6-DMDBT/(3, 6-DMDBT+2, 6-DMDBT) 57 TMDBT-2 2, 4, 6-TMDBT/(1, 4, 6-TMDBT+1, 4, 8-TMDBT+3, 4, 6-TMDBT) 58 TMDBT-12 (2, 4, 8-TMDBT+2, 4, 7-TMDBT)/(1, 4, 6-TMDBT+1, 4, 8-TMDBT+3, 4, 6-TMDBT) 58 ∑DBT/∑MDBT 二苯并噻吩/甲基二苯并噻吩 58 ∑MDBT/∑DMDBT 甲基二苯并噻吩/二甲基二苯并噻吩 58 目前，最广泛应用于成熟度评价的分子标志化合物参数是甲基菲指数(MPI-1)，其定义为1.5 × (2-MP + 3-MP)/ (P + 1-MP + 9-MP)，通过比较甲基菲(MP)中β位和α位异构体的比例以及去甲基化产生菲(P)的程度来反映其成熟度[53]。然而，由于甲基菲的分布可能受到多种来源的影响，因此为降低去甲基化的干扰，部分学者还提出了MPI-3和MPR等参数，分别定义为(2-MP + 3-MP) / (1-MP + 9-MP) 和2-MP / 1-MP[53-54]。基于烷基菲分子去甲基化程度的参数(如∑MP/∑DMP和∑MP/∑TMP)也被应用于成熟度表征。图 4总结了主要菲系列成熟度参数的演化规律和适用范围。
对于甲基二苯并噻吩(MDBT)等化合物，其热力学稳定性顺序为4- > 2- > 3- > 1-MDBT，因此4-MDBT/1-MDBT的比值(MDR)被广泛应用于反映成熟度[59]。基于二甲基二苯并噻吩化合物的成熟度参数DMDR[定义为4, 6-DMDBT / (3, 6-DMDBT + 2, 6-DMDBT)]也表现出较高的热敏感性(图 5)[60]。图 5总结了主要二苯并噻吩系列成熟度参数的演化规律和适用范围。尽管分子标志化合物成熟度参数已被越来越多地使用，但因为不同有机质的原始生物质的初始丰度、沉积环境中矿物催化作用、生物降解作用的影响，以及油气的运移和混合均可能导致参数表现出复杂性和非一致性，其使用范围仍存在一定的局限性[58]。
2.3 拉曼光谱方法
拉曼光谱作为一种非破坏性、快速、高效的微观结构分析技术，在有机质成熟度表征方面具有重要的应用价值[61]。该技术通过分子振动模式的相互作用，来揭示碳质材料的分子结构、化学组成及其物理特性。其中，G峰(~1 600 cm-1)反映类石墨结构的有序碳，D峰(~1 350 cm-1)则与sp2碳网络中的晶格缺陷密切相关，是评价成熟度的核心参数。随着有机质成熟度的提高，G峰峰位向高波数移动，而D峰峰位则向低波数偏移。当前研究广泛采用的拉曼光谱参数包括D1和G峰的峰位、全宽半高(FWHM)、强度比值(如D1/G比值)以及D1和G峰的带间距(Raman Band Separation, RBS)等。这些参数能够有效表征有机质热演化过程中分子结构的变化。与传统成熟度参数(如反射率和热解Tmax)间的相关性分析，已表明其在不同类型有机质(如镜质体、固体沥青和笔石)成熟度中的适用性，为定量评价成熟度提供了重要支撑[61]。
然而，拉曼光谱的应用仍存在一定的局限性。例如，部分成熟度参数在热演化过程中并非表现出简单的线性变化规律，且不同研究的结果可能因样品类型(天然或热模拟)、激光波长及光谱拟合方法的差异而产生偏差[47]。因此，尽管拉曼光谱为成熟度评价提供了可靠的技术手段，但在实际应用中需结合多参数分析并统一标准化方法，以进一步提升其准确性和适用性。
3. 成熟度参数的其他影响因素
虽然许多地球化学和光学参数被广泛地应用于有机质成熟度的判识，但严格来说，这些参数代表了不同的地质意义和演化过程，许多其他的地质因素都会影响这些参数的数值，从而影响对成熟度的判断[62]。
3.1 自然因素对成熟度的影响
3.1.1 单体硫和含硫矿物的影响
含硫物质深刻地影响着有机质的形成和演化过程，部分学者报道过单体硫和含硫矿物对沉积有机质中生物标志物[63]和沥青质反射率[64]的影响。单质硫(S)、硫酸铁[Fe2(SO4)3]、硫酸亚铁(FeSO4) 可在热演化过程中通过裂解、释放或抑制键合态生物标志物，显著影响生物标志物比值的变化趋势[63]。而在含有黄铁矿的沥青质颗粒中，靠近细菌硫酸盐还原(BSR)区域存在高反射率氧化边缘，表现为沥青质反射率在微米尺度上迅速下降的现象。这也显示出BSR对反射率的提升作用，并可能导致对有机质成熟度的高估。
3.1.2 辐射的影响
放射性铀(238U和235U)、钾(40K)和钍(232Th)同位素的自然衰变释放102 eV到几MeV的能量，并发射高能α、β粒子和γ射线，电离周围介质并引起有机质的辐射诱导变化。近些年，关于地下辐射对有机质结构及生烃规律影响的研究受到了较大的关注。部分研究指出电离辐射影响有机物会引起元素、同位素和分子组成上的化学变化[62]，也会在微米尺度上引起固体沥青反射率的显著变化，从而导致对成熟度的误判[33]。
3.2 热模拟样品与自然高成熟样品之差异
3.2.1 生成蒽的影响
蒽作为常见的热成因组分之一，其生成过程及其对热解实验中分子成熟度参数的潜在影响值得探讨。前人在人工热模拟实验中发现蒽从EASYRo约0.71%开始生成，达到峰值后在EASYRo约3.64%时消失，其生成和衰退与焦油及相关组分的演变规律相似[58]。研究表明，蒽及其甲基取代衍生物(如1- MAn、2-MAn)的比例变化与成熟度有一定关联。因此，建议将蒽及其衍生物纳入MPI-1成熟度参数的计算，以提高该参数的有效性[58]。
3.2.2 超临界水对有机质的影响
热模拟样品在成熟度参数演化中的表现由于受到实验条件的强烈影响，其热演化特征与自然成熟样品间存在一定的差异。热模拟样品因升温速率快、反应环境稳定性差等特点，其分子结构的变化比自然样品更为剧烈，从而导致某些参数在特定成熟区间内出现非线性变化。在热模拟实验中，当温度超过374 ℃且压力超过22.1 MPa时，水进入超临界状态。超临界水因其独特的溶剂特性，会对有机质的热化学反应产生影响。在热模拟对应生气窗的温压范围内会形成超临界水，而此时笔石反射率(GRo)与等效反射率(EqvRo)的变化斜率出现明显抑制的反射率异常，可能与分子无序度增加以及芳香碳比例波动有关[11]。因此，在利用热模拟数据解释地质样品成熟度时，应充分考虑实验条件与自然地质环境的差异，以提高成熟度参数的适用性和准确性。
4. 存在问题与发展趋势
4.1 存在问题
4.1.1 成熟度参数的多解性与局限性
当前下古生界烃源岩成熟度评价主要依赖光学、化学与谱学类参数，但各参数在原理、热应力敏感性及适用范围上存在显著差异。例如：光学参数易受有机质类型、微观结构和测量主观性影响，尤其在生气窗阶段可能出现反射率异常波动，导致成熟度误判。化学参数(如甲基菲指数、H/C原子比)受生物降解、有机质类型和矿物催化作用的干扰。谱学参数(如拉曼光谱)虽具原位分析优势，但参数标准化不足(如激光波长、解谱方法差异)，导致不同研究间通用性受限。
4.1.2 自然与实验条件的偏差
自然因素(如含硫矿物、放射性元素辐射)会诱导有机质结构异变，干扰反射率、生物标志物分布及光谱特征，造成对成熟度的高估或低估。热模拟实验因升温速率快、超临界水作用等，其分子演化路径与自然样品存在差异，因此需要进行综合考虑和校准。
4.2 发展趋势
4.2.1 多参数融合与标准化评价体系
下古生界高—过成熟有机质由于缺少镜质体，且不同成熟度参数在高热演化阶段表现出显著差异性和局限性，加之各参数间缺乏统一校准方法，系统梳理其适用性及有效表征范围亟为重要。未来研究需构建基于光学、化学与谱学参数的多维度联合评价模型，结合机器学习算法优化参数权重，减少单一参数的局限性，以期为深地油气资源的有效勘探提供可靠依据。
4.2.2 技术创新与大数据驱动
推动拉曼光谱、激光剥蚀质谱等原位分析技术的标准化，发展适用于古老有机质的无损检测流程。整合全球下古生界烃源岩数据库，利用人工智能挖掘多参数间的隐含关联，构建普适性成熟度预测模型。
致谢: 本文在审稿和修改过程中得到了专家和编辑的建议和帮助，在此致以衷心感谢！利益冲突声明/Conflict of Interests作者姜福杰是本刊青年编委会成员，未参与本文的同行评审或决策。Author JIANG Fujie is a Young Editorial Board Member of this journal, and he did not take part in peer review or decision making of this article.作者贡献/Authors’Contributions郑晓薇组织和参与实验设计；张宇、周静琪完成相关研究工作；郑晓薇、姜福杰参与论文写作和修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。The study was designed by ZHENG Xiaowei. The relevant background research was completed by ZHANG Yu and ZHOU Jingqi. The manuscript was drafted and revised by ZHENG Xiaowei and JIANG Fujie. All authors have read the final version of the paper and consented to its submission. -
图 1 四川盆地、塔里木盆地及北欧下古生界海相页岩典型显微组分特征
a.底栖藻类，四川盆地绵阳一长宁凹槽，TX-1井, 1 371.1 m，下寒武统；b.浮游藻类，四川盆地绵阳一长宁凹槽，TX-1井, 1 371.1 m，下寒武统；c.固体沥青，四川盆地绵阳一长宁凹槽，TX-1井, 2 019.4 m，下寒武统；d.腕足类，塔里木盆地阿瓦提凹陷，露头样品DEG-17，下寒武统；e.几丁虫，塔里木盆地阿瓦提凹陷，露头样品DWG-6，中—上奥陶统；f.结构藻类，塔里木盆地阿瓦提凹陷，露头样品DWG-6，中—上奥陶统；g.藻类，瑞典Alum页岩，Djupvik-2，下奥陶统；h-i.无定型体与沥青质体，瑞典Alum页岩，Ott1027. Öland，下奥陶统；j.层状藻，瑞典Alum页岩，Hällekis-1井，上寒武统；k.类镜质体，瑞典Alum页岩，DBH15/73井，上寒武统；l.笔石表皮体，爱沙尼亚Alum页岩，Core601，下奥陶统。
图中缩写：Al、Te: 藻类；Ld：脂质碎屑体；Ch：几丁虫体；AOM：荧光无定形有机质；Bit：沥青质；SB：固态沥青；La：层状藻类；Vp：类镜质体颗粒；G：笔石表皮体。Figure 1. Characteristics of typical macerals in Lower Paleozoic marine shales from Sichuan Basin, Tarim Basin and northern Europe
图 2 笔石表皮体反射率(GRo)与等效镜质体反射率(EqvRo)转换关系汇总
据参考文献[5]修改。
Figure 2. Conversion relationships between graptolite reflectance (GRo) and equivalent vitrinite reflectance (EqvRo)
图 3 不同组分的笔石表皮体反射率与镜质体反射率间的关系
据参考文献[38]修改。
Figure 3. Relationships between graptolite reflectance (GRo) of different components and vitrinite reflectance (VRo)
表 1 下古生界烃源岩主要成熟度参数汇总据参考文献[35-36]修改。
Table 1. Key maturity parameters for Lower Paleozoic source rocks
参数 缩写 适用范围 缺点 引用文献 光学参数 镜状体反射率 VLRo 缺乏镜质体的下古生界地层 来源不明，鉴定时主观性强 37 固体沥青反射率 BRo 不同成熟阶段的固体沥青热演化规律不同 36 笔石表皮体反射率 GRo 不同类型的笔石表皮体热演化规律不同 38 牙形石变色指数 CAI 测试结果主观性大 39 荧光红绿比 R/B 低成熟度样品 缺乏量化标准 40 化学参数 最高热解峰温度 Tmax 低—中成熟度样品 对低有机碳含量和高成熟度样品失效 41 甲基菲指数 MPI 适用范围较广 高成熟阶段的演化规律存在争议 42 H/C原子比 H/C Ⅰ/Ⅱ型干酪根 受有机质类型影响，不利于通用对比 1-2 碳同位素参数 13C 适用范围较广 受地层年代、有机质类型和次生作用影响大 1-2 生物标志化合物 biomarker 低成熟度样品 不同参数适用范围不同，受次生作用影响大 14 光谱参数 核磁共振 NMR 适用范围较广 需要提取干酪根，操作复杂 35 红外光谱 IR 需要提取干酪根，操作复杂 43 拉曼光谱 Raman 受仪器、波长和解谱方式影响，不利于通用对比 44 
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表 2 菲系列和二苯并噻吩系列化合物的成熟度评价参数汇总
Table 2. Maturity evaluation parameters for phenanthrene series and dibenzothiophene series compounds
参数 定义 引用文献 菲系列 MPI-1 1.5 × (2-MP+3-MP)/(P+1-MP+9-MP) 53 MPI-2 3 × (2-MP)/(P+1-MP+9-MP) 53 MPI-3 (2-MP+3-MP)/(1-MP+9-MP) 54 MPDF (2-MP+3-MP)/(1-MP+2-MP+3-MP+9-MP) 54 MPR 2-MP/1-MP 54 DMPR (3, 5-DMP+2, 6-DMP+2, 7-DMP)/(1, 3-DMP+3, 9-DMP+2, 10-DMP+3, 10-DMP+1, 6-DMP+2, 9-DMP+2, 5-DMP) 55 MP/P 甲基菲/菲 56 ∑MP/∑DMP 甲基菲/二甲基菲 56 ∑MP/∑TMP 甲基菲/三甲基菲 56 二苯并噻吩系列 MDR 4-MDBT/1-MDBT 57 DMDR 4, 6-DMDBT/(3, 6-DMDBT+2, 6-DMDBT) 57 TMDBT-2 2, 4, 6-TMDBT/(1, 4, 6-TMDBT+1, 4, 8-TMDBT+3, 4, 6-TMDBT) 58 TMDBT-12 (2, 4, 8-TMDBT+2, 4, 7-TMDBT)/(1, 4, 6-TMDBT+1, 4, 8-TMDBT+3, 4, 6-TMDBT) 58 ∑DBT/∑MDBT 二苯并噻吩/甲基二苯并噻吩 58 ∑MDBT/∑DMDBT 甲基二苯并噻吩/二甲基二苯并噻吩 58
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