镜质体反射率的应用

镜质体（Vitrinite）是高等植物木质素经过生物化学降解和凝胶化作用后形成的胶状体，在煤和炭质泥页岩中含量最高，在海相碳酸盐岩石中含量最低。镜质体在受热时，化学组成和结构会发生相应的变化，其中最具特征的是反射率的变化。镜质体反射率即镜质体表面反射光与入射光之间的比率，通常用油浸物镜下测得的反射率Ro(%)来表示。

1932年Hoffmann和Jenkner首次发现镜质体反射光强会随煤的变质程度增加而增大，说明镜质体反射率能反应煤的变质程度。

1955年McCartne和Hofer改进了测试的方法，由此镜质体反射率的精度和重复性有了很大的提高。

1950年Teichmuller首次将镜质体反射率由煤中推广到确定沉积岩中分散有机质的成熟度, 为油气评定奠定了基础，目前已经成为目前国际上唯一可对比的成熟度指标。

自此，镜质体反射率一直被用于煤岩学、石油地质、盆地热史等领域。在近一个世纪的发展历程中，镜质体反射率在各领域是如何应用的呢？

镜质体反射率与煤变质的温度及其埋深深度有密切的关系, 可用来反推其形成的温度和埋深深度。

1992 年，李小彦等对长焰煤—无烟煤七个煤级的煤层煤样测试资料分析,总结了不同煤级煤的镜质体反射率分布图特征，以此区分工业用煤属单煤、混煤、混合的简单复杂程度

我国经过长期摸索，于上世纪 60 年代出台了鉴定煤级的国家标准。到上世纪 70 年代，Stach 等把Ro分布图方法用于炼焦配煤中，提高了煤品划分对比的客观性和效率。

煤的镜质体反射率分布图是鉴别单煤与混煤的唯一方法。通过煤的镜质体反射率分布直方图，判定来煤的混洗情况，防止严重混洗煤进厂，使来煤的质量得到有效控制。

1993 年，肖文钊等提出混配煤镜质体反射率分布的测定方法,并应用此方法判断洗精煤混合程度,半定量确定混煤中各单种煤的比例，预测焦炭强度。对于混煤，可根据镜质体反射率分布图上各峰的面积确定出其大致混煤比例。从而，可以利用镜质体反射率分布图指导配煤，以提高焦炭强度，经济合理地利用煤炭。

在焦化企业的来煤中，煤的变质程度相同，但其结焦性可能相差很大。这种差异可以从煤的反射率分布图中得到解释。有的反射率分布直方图集中在某一较窄的范围，有的分布在较宽的范围。研究表明：煤的镜质体反射率分布图在R₀max=1.1左右围成的面积越大，其结焦性越好。

由于镜质体反射率的变化表现在有机质从成岩、深成作用到变质作用的整个演化过程, 且具有随成熟度增加而增大的不可逆性, 因此被视为表征有机质成熟度的最有效的指标。

镜质体本身属于III 型干酪根，1986 年Durrand 等把热成熟演化过程分为三个阶段：①沉积物的成岩作用阶段，有机质优先析出氧形成H₂O和CO₂等，同时产生随机分布的芳环，此时单个镜质体不存在各向异性。②沉积后生作用阶段早期，有机质优先析出氢以产生碳氢化合物。在这个阶段，镜质体反射率强烈地增加。③沉积后生作用阶段后期，镜质体仍缓慢地析出氢和氧，上覆的岩层压力使得芳环更加定向，使得镜质体反射率的各向异性程度加大，镜质体反射率也逐渐变高。

含油气盆地热史恢复是盆地分析和油气资源评价的关键环节，要利用镜质体反射率反演沉积盆地的热历史，首先要重建盆地的沉积埋藏史，详细的沉积埋藏史是研究盆地古地温的基础；其次假设一个古地温梯度或热流模型，结合埋藏史算得样品所在地层经历的古地温；再次由古地温计算样品所在地层的成熟度；然后将实测的成熟度和计算所得的成熟度进行对比，通过反复修改假设的古地温梯度模型及反复计算对比成熟度，使计算的成熟度和实测的成熟度拟合；最后选定的古地温梯度模型及据此计算所得的热历史即可代表盆地的古地温梯度及样品所在地层经历的热历史。目前国内使用最多的模型是Sweeny和burnham在1990年提出的Easy%Ro模型，该模型是预测Ro最为精确的方法。

1977年Dow首先提出一种利用镜质体反镜率来估算剥蚀量的方法, 即根据剥蚀面上下相邻地层Ro值的差别大小来推算剥蚀量的大小。在正常情况下, Ro值随深度的变化是连续和渐变的, 但当地层中存在断层、岩浆体侵入, 沉积速率、地温梯度或热导率明显变化、岩体中有局部热源等时Ro值会发生突变, 地层剥蚀也是引起Ro值不连续的原因之一。在确定了Ro值的突变是由于地层受剥蚀造成的以后，可以先分别绘出剥蚀面上下地层各自的Ro-深度曲线。在一套连续沉积的地层内部(即在同一构造层内部) ,镜质体反射率( Ro ) 的对数与深度H 之间为一直线方程关系，通过图解法求得剥蚀厚度或者分别求出Ro-深度的关系式, 联立可解出剥蚀厚度。

研究发现，虽然Dow方法的前提假设是合理的,即无剥蚀情况下Ro 值在深度剖面上应该是连续的。但其将上下构造层的Ro值相关联,求取未遭剥蚀的完整地层(即寻找古地表) 的方法却是不合理的。

鉴于此，1999年胡圣标等人提出了一种利用Ro值恢复剥蚀厚度的新方法,因为该方法是利用由Ro数据转化得到的地层在地史上所经历的最大温度Tpeak来还原地层剥蚀厚度的, 所以这里暂且称其为“最高古地温法”。

有机质成熟度指标可以用来进行古地温推算，它是有机质热成熟作用程度的衡量标准，是以有机质各组分在热降解作用过程中化学性质和物理性质发生的变化为基础建立的。

在五六十年代通过镜质体反射率与温度关系的变化曲线推算古地温，如Karweil图解(Teiehmuller，1972 校正)；在七十年代，Canaan(1974)和Hood(1975)等提出的推算古地温的公式应用较多；八十年代主要采用拟合计算方法（TTI）模拟和重建生油层的受热历史；九十年代，我国也有不少专家提出了一些自己的计算方法(庞雄奇等1993，胡圣标1995，卢双舫等1996，冉启贵等1998，肖贤明等1998)。另外，在镜质体缺少的地区，如果有固体沥青，也可以用固体沥青反射率代替镜质体反射率。

镜质体反射率方法是煤田和石油部门用的非常熟练的方法，但岩石学和矿床学研究领域却长期未引起重视。2015年张旗等研究发现，镜质体反射率是测定岩浆热场一个非常有用的指标，它可以直接指示热的分布。斯塔赫等研究表明，最大油浸反射率在较低温阶段（100～300℃）主要与碳化程度（碳含量80%～94%）成正相关，但是在400℃以后反射率与温度成线性关系。一般认为，单纯的地热增温率（地热场）主要依靠地层叠加厚度和岩石放射性生成的热，在几千米的深度上，镜质体反射率（Ro）一般很少能够超过1.0%；如果一个埋深几千米的地层，在一个局部的范围内（几十～几百甚至几千km²）的镜质体反射率>3%（无烟煤阶），进入浅变质绿泥石带，出现葡萄石-绿纤石等变质矿物，这个异常的热源以岩浆居多。

对于寻找隐伏岩体来说, 首先, 很低的Ro可能是地热增温率引起的, 我们只关注Ro高的部分，如果Ro>3%,应当主要与岩浆热场有关, 无烟煤分布区的下部大概就会有隐伏岩体出现。

煤镜质组反射率与煤的分子结构密切相关,反射率随着芳香稠环缩合程度的增加和稠环中碳原子数的增多而增大,即芳香环叠片的排列由无序向有序转变,镜质组反射率的各向异性(VRA) 明显地反映了这一转变. 镜质组反射率各向异性(VRA) 是指芳香环叠片逐渐采取定向排列,是多种因素(静压力、构造应力、温度、时间) 综合作用的结果,但起主要作用的是构造应力中的压力因素,构造应力是控制反射率演化的主要因素。

定向压力是VRA 具有定向性的根本原因，Levineet al 指出,正如应力作用下晶体可以重新定向一样,定向压力促使芳香环叠片重新排列,新的芳环层平行于最小挤压应力方向发育,导致煤最大反射率Rmax趋于最小挤压应力方向,煤最小反射率Rmin 趋于垂直最小挤压应力方向,最终呈现的煤反射率椭球体(VRI) 模型，代表了煤化进程中增量应变的总和。

煤的一轴负光性、二轴负光性、二轴正光性依次反映了煤的构造变形从很弱(或无) 到逐渐增大的变化趋势。其轴率及主轴方位与构造作用密切相关,反映了构造应力的相对大小和受力的大致方位。上述发现表明煤的镜质组反射率椭球体模型也是一种可以用来进行有限应变分析的应变标志物。