江南隆起西缘具备众多的古油藏显示,其中脉状碳沥青就是重要的一种类型。脉状碳沥青与滞留在源岩的原生分散状碳沥青及储层分散状碳沥青是研究区碳沥青的两种类型,二者最大的区别是脉状碳沥青呈现的聚集态产出特征,正是由于此种特性,脉状碳沥青才具备了作为固体燃料开发的条件,为解决湘西地区急缺的煤炭资源提供了一条途径。另外,作为含油气系统演化的最后阶段,碳沥青经历了复杂的形成演化过程,其中保存了丰富的信息。因此,对湘西脉状碳沥青成因与空间分布规律的研究,不仅能够在一定程度上缓解当地固体燃料短缺的局面,同时可以客观上促进我国南方下古生界的油气演化研究,对我国南方油气研究也有一定的借鉴指导意义。本文主要以江南隆起西缘湘西地区古丈—吉首—凤凰地区寒武系地层中赋存的脉状碳沥青为研究对象,以地层学、构造地质学、有机地球化学等为理论指导,以地质调查和实验测试为基础,针对研究区脉状碳沥青形成模式和赋存规律两个问题做了综合研究分析,以便更好地指导研究区脉状碳沥青勘探开发。研究区位于江南隆起西缘的古丈复背斜以西排碧向斜以东区域。区域内主要构造线方向为北东向、北北东向,规模较大的区域性断层有古丈—吉首断层、麻栗场断层与花垣—张家界断层,与之伴生的次级断裂发育,且具有由东南向西北断裂密度逐减趋势。调查结果显示,研究区脉状碳沥青赋存地层全部为寒武系,且下寒武统清虚洞组碳沥青矿脉最多,且具有自下向上减少的趋势,表明了碳沥青与早寒武古油藏的密切关系。研究区古油藏的形成演化受到江南古隆起的控制,而在燕山运动中遭受全面的破坏,为脉状碳沥青的形成准备了直接的物质来源。使用了多种方法对脉状碳沥青物质来源做了分析论证。第一,碳沥青矿脉受到裂缝形态的严格控制,随着裂缝形态改变出现增粗与变窄现象,同时矿脉与围岩界限清晰,均表明碳沥青矿脉是异地运移成矿,从而否定了源于围岩的可能性;第二,通过对稳定有机碳同位素测试结果对比分析,发现脉状碳沥青请与早寒武石煤、页岩具有亲缘关系,此外,还出现了同位素倒转现象,推测是由生烃母质、族组分组成和热演化程度所共同决定;第三,通过微量元素的相似性对比与主成分分析,正向证明了碳沥青与石煤和页岩的亲缘关系,而结联碳沥青矿中T2、T3、T4与围岩配套样品的钨钼及放射性元素Pearson相关显著性分析反向证明了碳沥青与围岩不存在亲缘关系,与矿脉宏观特征观察结论一致;第四,饱和烃气相色谱表明碳沥青生烃母质为低等海洋浮游生物。而然,从外观、组成和红外光谱特征等均可看出碳沥青与石煤的差异。上述研究表明脉状碳沥青并非是石煤呈塑性运移至裂缝内直接形成,而是经历了整个常规油藏演化的过渡。傅里叶红外光谱分析表明碳沥青与煤沥青相比,含有较多脂肪族成分,但由于其演化程度已经很高,所以可见多个含苯环的吸收峰存在,还有缩合形成的大量c=c、c=o双键存在;但由于热演化程度及碳沥青本身特征等原因拉曼光谱仅出现明显的“g”峰和“d”峰,其它碳骨架相关信息消失或被掩盖;xrd分析表明碳沥青主要含有沥青(20.96°、23.129°和26.704°)、石英(26.704°、36.656°、39.522°、42.518°、50.203°、54.935°、60.056°及67.799°)、方解石(29.539°、36.064°、43.261°、47.639°、48.554°、57.559°、60.798°及64.818°)、黄铁矿(31.589°)和钨矿物(60.798°)等;通过微量元素分析探讨了碳沥青微量元素种类与含量,总体表现出v、ni元素富集,应该是继承了烃源岩特征并在油气运移及演化过程中不断加强的结果,此外,大断裂与小断裂内碳沥青的微量元素分布也不完全一样;使用煤的工业分析方法对碳沥青做了检测,除了受到地表风化和污染的样品外,多数碳沥青类似于无烟煤、焦煤。上述实验测试分析从不同角度研究了碳沥青的结构与组成,对于确定碳沥青的成矿模式十分重要。碳沥青与油气关系密切,因此,对碳沥青有机地球化学性质的分析十分必要。沥青热演化程度的确定不如煤炭那样简单,尤其是处于高、过成熟度的碳沥青,由于非均质性以及高热演化阶段有机质热演化指标的有效性影响着真实热演化程度的确定。因此,本文使用多种手段联合分析,力求确定碳沥青真实的成熟度。通过实验获得碳沥青的沥青质反射率(rb)、tmax及拉曼光谱特征等,进而通过相关对比或公式换算成等效镜质组反射率。其中,沥青反射率(rb)的等效镜质组反射率ro为1.9~2.31,tmax换算等效镜质组反射率显示ro>2.0,拉曼光谱的等效镜质组反射率ro为3.6。综合可知,脉状碳沥青已经处于过成熟阶段。族组分分析显示多数样品饱和烃相对含量超过了50%,而沥青质含量反而没有预想的那样高,绝大多数碳沥青族组分相对含量为饱和烃>非烃>芳烃>沥青质>氯仿沥青“a”,而围岩则是饱和烃>芳烃>非烃>沥青质>氯仿沥青“a”;岩石热解实验表明所有碳沥青样品游离烃s1含量均非常低,其范围在0.02~0.32mg/g,残留烃s2值也不高,范围为0.03~3.32mg/g,但是残余碳含量却非常高,范围为110.21~515.03mg/g(除去个别异常样品),而多数在330mg/g以上,表征碳沥青生烃能力的指标之一的hi也较低,基本在10以下,表明碳沥青生烃能力很差,已基本不具备作为烃源岩的条件,主要是因为碳沥青已经处于过成熟阶段,碳沥青样品tmax基本都超过490℃,最高达到588℃。关于碳沥青的成矿模式,争论主要在于两个问题,一是碳沥青的物质来源,另一个是碳沥青的成矿过程。关于碳沥青的物质来源问题,本文通过多种方法、正反两方面论证确定了碳沥青与早寒武石煤、页岩的亲缘关系,而碳沥青本身与石煤的外观、组成和红外光谱特征等表明二者间存在这明显的差异,说明并非是由石煤直接演变而成。关于碳沥青成矿模式问题,前人的研究忽视了一个重要问题,即油藏演化不同阶段遭受破坏时产物的差异性。具体来讲,当油藏在常规油藏演化阶段遭受破坏时,油藏中以液态原油为主,若古油藏遭受破坏时已经处于干气阶段,则油藏中组成必然气态烃和重质沥青。联系到研究区经历的构造演化过程,盖层在印支运动中已经被剥蚀,流动性强的气态烃逐渐散失,油藏储层中仅仅残留重质沥青。所以,在油藏遭受破坏时不可能是液态原油的充注形式。液态原油流动性强,在空隙空间也应有沥青存在,但实际情况并非如此,再有,若是多期次充注则成分将发生分异作用,实验测试显示不同分带的碳沥青成分基本相同,显然与该模式不符。实际上,研究区脉状碳沥青成矿作用主要经历了如下三个过程:第一阶段为江南古陆尚未形成的早古生代的早中期,研究区处于属水体较深的陆棚至陆坡相带,沉积了条件优良的烃源岩——石煤与黑色页岩,为古油藏的形成奠定了基础;第二阶段为加里东期至印支期,该阶段前期以震荡隆升为特征,为油气运聚创造了条件,印支期晚期抬升结束海相沉积,烃源岩生、排烃作用结束,盖层也在抬升中被剥蚀,油藏中轻质部分散失而残余重质沥青,为脉状碳沥青的形成准备了直接物源;第三阶段为燕山期的地壳急剧挤压抬升,油藏的圈闭条件被破坏,油藏中半固态的沥青受到挤压作用在较短时间内在裂缝系统中运移、充注,最终在裂缝中固化成碳沥青矿脉。结合江南隆起演化与油气系统演化,碳沥青成矿主要分为三个阶段:成岩(烃源岩)——成藏(古油藏)——成矿(碳沥青)。各期构造运动中,燕山运动是古油藏破坏及碳沥青形成的直接原因,对碳沥青矿脉形成与分布都具有重要影响。脉状碳沥青成矿模式与研究区碳沥青矿脉调查结果表明,脉状碳沥青赋存从根本上受控于烃源岩分布、热演化程度和构造发育特征,更为重要的是热演化与构造演化的时空匹配关系。预测碳沥青矿脉的有利赋存部位是背斜翼部、高角度断裂和牛蹄塘组出露等三个因素共同控制区域。在此理论指导下,划分出两个碳沥青赋存有利区。