黃 勇，張小龍,，熊 濤，張同偉

(1.北京大地高科煤層氣工程技術(shù)研究院，北京 100040；2.蘭州大學(xué) 地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院石油天然氣資源中心，蘭州 730000)

0 引言

我國海相頁巖氣勘探和研究工作多集中在四川盆地及周邊地區(qū)，五峰組—龍馬溪組頁巖更是研究的重點[1]。國內(nèi)學(xué)者通過與北美產(chǎn)氣區(qū)頁巖的相似性對比，從地球化學(xué)、儲層特征和成藏構(gòu)造條件等方面對這套地層進行了大量研究，認為四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖具有很好物質(zhì)基礎(chǔ)和儲層條件，頁巖氣勘探前景良好[1-3]。但是有關(guān)這套頁巖有機質(zhì)的富集機理和含氣性評價的研究相對薄弱。本研究選擇渝東南黔江區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組鉆井巖心剖面，分析了頁巖硫含量、有機質(zhì)碳同位素組成、含氣量與有機質(zhì)含量的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合沉積環(huán)境的演變特征，對比研究了該剖面與位于同一深水陸棚區(qū)(川東深水陸棚區(qū))的石柱剖面，認為五峰期—龍馬溪早期研究區(qū)相對較強的還原環(huán)境是五峰組—龍馬溪組底部頁巖有機質(zhì)富集的主要原因，龍馬溪中晚期構(gòu)造抬升引起相對海平面下降使得水體氧化程度增強和陸源碎屑物質(zhì)的輸入增多導(dǎo)致了龍馬溪組上部頁巖有機碳含量變低；富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育主要受控于沉積相帶的分布，不同地區(qū)五峰組—龍馬溪組底部富有機質(zhì)頁巖的厚度主要沉積地理位置，陸棚沉積中心厚度大，邊部厚度??；研究區(qū)頁巖有機質(zhì)含量是控制含氣含量的一個重要因素。

1 地質(zhì)概況

1.1 四川盆地及周邊地區(qū)地質(zhì)概況

四川盆地在印支期已顯盆地雛形。印支運動使上揚子地臺整體上升為陸，形成以四川盆地為主體的古陸，厚度為2 000～5 000m的陸相沉積巖。古特提斯洋的閉合和太平洋俯沖使得四川盆地邊緣地區(qū)逐漸擠壓抬升成山系[4]。童崇光等根據(jù)斷褶構(gòu)造發(fā)育程度的不同，把上揚子地臺區(qū)分為五個區(qū)域[5]。黔淺1井位于黔北—川東—鄂西斷褶區(qū)的川東褶皺區(qū)中部。川東褶皺區(qū)發(fā)育大致呈北東方向近于平行的高陡窄背斜和寬向斜。

晚奧陶世五峰期和早志留世龍馬溪早期，四川盆地總體為局限淺海陸棚沉積環(huán)境，圍繞川中古隆起發(fā)育有威遠—宜賓—瀘州的川南深水陸棚區(qū)、利川—石柱—武隆的川東深水陸棚區(qū)和鎮(zhèn)巴—巴中的川北深水陸棚區(qū)。黔淺1井位于川東深水陸棚區(qū)的東南緣，而石柱剖面則位于川東深水陸棚區(qū)的中心(圖1)。

1.2 研究井地質(zhì)特征

五峰期，四川盆地總體上為古隆起圍限的淺海深水沉積的古地理格局。此時沉積了一套在區(qū)域上厚度薄而穩(wěn)定的烴源巖。黔淺1井五峰組厚度7m，是一套含硅質(zhì)和碳質(zhì)的筆石相頁巖。與上覆龍馬溪組呈整合接觸關(guān)系。在川南地區(qū)的五峰頂部組觀音橋段可見赫南特貝，該化石的出現(xiàn)也是五峰組和龍馬溪組的界線，但在研究井沒有觀察到。

龍馬溪早期時，四川盆地主體上繼承了五峰期時的地理格局，在海侵和古隆起圍限的背景下沉積速率緩慢，在沉積時間超過龍馬溪期一半的前提下只沉積了龍馬溪組沉積厚度的10%～30%的優(yōu)質(zhì)頁巖[6-7]。龍馬溪中晚期，四川地區(qū)受強烈的擠壓作用而抬升，海水向東南方向的華南洋退去，海域面積縮小且海水深度變淺。海水的變淺使得沉積速率逐漸變大，沉積了以粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖為主淺水陸棚沉積巖相[7-8]。沉積厚度呈自沉積中心向古隆起方向逐漸變薄以致尖滅的規(guī)律。黔淺1井龍馬溪組厚度約93m，是一套從底部到頂部巖性逐漸變化的海相頁巖，自底部向上分別發(fā)育黑色炭質(zhì)頁巖、黑灰色含粉砂質(zhì)頁巖和深灰色粉砂質(zhì)泥巖。龍馬溪組底部水平層理發(fā)育，向上30m處開始交錯層理逐步發(fā)育，也反映了龍馬溪早期到晚期海平面逐漸降低的演化過程。

2 實驗結(jié)果

2.1 有機質(zhì)含量變化特征

頁巖中的有機質(zhì)是頁巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時高演化程度的有機質(zhì)也為吸附氣提供了吸附界面。前人研究成果表明，頁巖的總含氣量和吸附氣量與殘余有機質(zhì)豐度有線性關(guān)系[9-11]。李延鈞等認為對于四川盆地南部下古生界龍馬溪組頁巖，要形成商業(yè)規(guī)模的頁巖氣，TOC下限為1.0%[12-13]，但目前更多觀點認為TOC下限不能低于2.0%，也就是“好生油巖”以上標(biāo)準的頁巖才能形成商業(yè)規(guī)模的頁巖氣[14]。

對黔淺1井五峰組—龍馬溪組57個巖心樣品進行TOC分析，結(jié)果顯示五峰組—龍馬溪組頁巖TOC平均值為1.5%； 底部10m段殘余有機質(zhì)含量較高，達1.33%～6.09%，平均值達3.29%，向上TOC減小并趨于穩(wěn)定(如圖2)，為典型的大陸架沉積環(huán)境下有機質(zhì)豐度的變化特征[15]。

圖1 四川盆地及周邊晚奧陶世—早志留世沉積相圖Figure 1 Late Ordovician-early Silurian sedimentary facies in Sichuan Basin and periphery

圖2 黔淺1井頁巖地球化學(xué)及含氣性特征隨地層變化曲線Figure 2 Variation curves of geochemical and gas-bearing features along with stratigraphic variation in well QQ No.1

2.2 頁巖硫含量有機質(zhì)碳同位素特征

黔淺1井剖面底部10m段有機質(zhì)豐度高(1.33%～6.09%)，有機質(zhì)碳同位素較輕且穩(wěn)定(-31.39‰～-30.16‰)。向上隨著有機質(zhì)豐度的減小，有機碳同位素也逐漸變重。整個剖面有機質(zhì)碳同位素分布范圍為-31.39‰～-26.60‰，除去剖面頂部幾個異常低的數(shù)據(jù)外，δ13Corg平均值為-30.06‰，表明有機質(zhì)以Ⅰ型和Ⅱ1型為主[16]。

五峰組—龍馬溪組頁巖硫含量在0.22%～2.81%，平均為1.19%。從龍馬溪組底部到頂部，硫含量表現(xiàn)為底部10m增高，中部穩(wěn)定，上部25m逐漸降低并趨于穩(wěn)定的特征(圖2)。2013年張小龍等對位于川南沉積中心長寧縣雙河鎮(zhèn)龍馬溪露頭剖面的地質(zhì)地球化學(xué)研究結(jié)果顯示了有機質(zhì)碳同位素具有同樣的特征和變化趨勢[17-18]。

2.3 頁巖含氣性特征

富有機質(zhì)泥頁巖含氣性的評價，是頁巖氣成藏條件分析的關(guān)鍵，也是頁巖氣“甜點區(qū)”預(yù)測的基礎(chǔ)[19]。

上揚子黔江地區(qū)龍馬溪組頁巖總含氣量在0.15～2.48 m3/t，平均為0.52m3/t。五峰組和龍馬溪組底部高有機質(zhì)頁巖含氣量高，向上逐漸變小，頁巖總含氣量和TOC正相關(guān)。聶海寬等對四川盆地及周緣地區(qū)龍馬溪組頁巖含氣性的研究結(jié)果表明，在黔江—彭水一線以北至石柱地區(qū)頁巖含氣量最高，超過1.2m3/t[20]。董大忠等對長心一井含氣性的現(xiàn)場測試結(jié)果顯示在20～120m的8個頁巖樣品含氣量為0.08～0.25 m3/t，平均為0.15 m3/t。但是長心一井的鉆井深度較淺，樣品取自風(fēng)化氧化帶，且隨著鉆井深度增加含氣性變好，這可能表明構(gòu)造抬升和剝失不利于頁巖氣的保存[21]。

3 討論

3.1 五峰期—龍馬溪晚期沉積環(huán)境的演變

黔淺1井與石柱剖面頁巖有機質(zhì)碳同位素的縱向變化特征極其相似：都是在五峰組頂部發(fā)生一次小幅度的正偏移，在進入龍馬溪組之后迅速地發(fā)生一次負偏移，緊接著又是一次一直持續(xù)到龍馬溪組中部的正偏移，龍馬溪組中上部呈動蕩狀態(tài)(圖3)。

海相泥巖中有機質(zhì)碳同位素組成變化與古氣候變遷(溫度、CO2分壓)、有機質(zhì)保存的氧化還原條件、以及熱演化程度等因素有關(guān)[22]。對于研究剖面有機質(zhì)熱演化程度變化不大，不是影響碳同位素變化的主要原因。五峰組頁巖的沉積對應(yīng)于奧陶紀末期間冰期，大氣CO2濃度高使得水中溶解的CO2濃度也高，有機質(zhì)碳同位素(δ13Corg值)偏負；此時雖然處于水體相對較淺的海退時期，但是強烈的滯留還原環(huán)境使四川盆地局部地區(qū)形成了有利于有機質(zhì)保存的缺氧環(huán)境[23]。δ13Corg值在五峰組頂部顯示一次小幅度的正偏移，說明當(dāng)時已經(jīng)由間冰期轉(zhuǎn)為冰期，大氣和海水中CO2的減少導(dǎo)致了這次有機質(zhì)同位素的正偏移，冰期海平面下降也是淺水生存的Hirnantia動物群發(fā)育的原因[24]，這與陳旭等人的研究結(jié)果是一致的[25-26]。龍馬溪初期大氣中CO2的濃度再一次升高對應(yīng)著一次迅速的海侵。海平面的快速上升一方面會導(dǎo)致海水漫過障壁，與大洋的連通性較好，造成滯留程度減弱，成為半滯留海盆；另一方面又會造成水體缺氧，有機質(zhì)得到了較好的保存，有機質(zhì)碳同位素發(fā)生一次迅速地負偏移。關(guān)于這次冰期和間冰期的記錄在國內(nèi)外其他剖面也有反映，如湖北宜昌王家灣剖面、 宜昌黃花場剖面、 蘇格蘭Dob's Linn地區(qū)和加拿大Arctic地區(qū)[27-29]。這充分說明奧陶紀末發(fā)生了一次全球性的冰期活動，到志留紀該次冰期結(jié)束進入間冰期。有機質(zhì)碳同位素的波動記錄了這次冰期和間冰期變化，也為奧陶系和志留系界線的劃分提供了依據(jù)。

圖3 垂向上有機質(zhì)碳同位素的變化Figure 3 Vertical variation of organic carbon isotope

此后的有機質(zhì)碳同位素變化主要跟構(gòu)造運動有關(guān)。受加里東構(gòu)造運動的影響，在中奧陶世至志留紀華夏地塊不斷的向揚子地塊靠攏。李志明等人認為在此期間有三次明顯的急劇期，其中第二次發(fā)生在早志留世初期[30]。志留紀間冰期之后，構(gòu)造抬升引起相對海平面下降、沉積水體變淺、海水溶解氧增加，此前有利于有機質(zhì)保存的缺氧還原環(huán)境遭到了一定程度的破壞，有機質(zhì)受到水體中溶解氧的氧化，碳同位素值趨于變重(圖3)，頁巖有機質(zhì)含量逐漸減小。因此，龍馬溪組中上部頁巖有機質(zhì)豐度和碳同位素變化主要由構(gòu)造運動引起的相對海平面升降和海洋水體動力條件改變控制。

3.2 頁巖有機質(zhì)富集的機理

沉積環(huán)境是沉積物中有機質(zhì)聚集的重要控制因素。沉積環(huán)境對有機質(zhì)富集的影響體現(xiàn)在三個方面：有機質(zhì)的生產(chǎn)力、細菌及無機氧化物對有機質(zhì)的破壞和碎屑礦物對有機質(zhì)的稀釋。只有在有機質(zhì)來源豐富、氧化作用最小和碎屑物沉積速度適中的沉積環(huán)境下，才能形成較高豐度的有機質(zhì)沉積物[13]。

海相頁巖中的還原態(tài)硫主要以黃鐵礦形式存在[31]，其含量也是反映沉積環(huán)境還原性的有效指標(biāo)。在正常的海相缺氧沉積環(huán)境中，巖石中的硫含量與有機碳含量之間表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，如現(xiàn)代阿拉伯海沉積物[32-33]。在靜海沉積環(huán)境中，硫含量和有機碳含量之間就沒有相關(guān)關(guān)系，如黑海沉積物[34]。黔淺1井頁巖硫含量與TOC之間存在一定的關(guān)系。當(dāng)TOC<2%時，有機碳含量與硫含量之間有明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖4A)，表明龍馬溪中晚期該區(qū)為非靜水海相缺氧沉積環(huán)境[32]；硫含量明顯隨著TOC含量的增加而增加，說明還原環(huán)境在增強。當(dāng)TOC>2%時，有機碳含量與硫含量之間相關(guān)關(guān)系減弱(圖4A)，指示富有機質(zhì)沉積物是缺氧和靜水沉積環(huán)境下的產(chǎn)物[35]。

圖4 硫含量和有機碳同位素與TOC的相關(guān)關(guān)系Figure 4 Relationship among sulfur content, organic carbon isotope and TOC

對于上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)暗色泥巖而言，陸地植物對有機質(zhì)的貢獻可以忽略不計，有機質(zhì)主要源于海洋水生生物。海洋水生生物的碳同位素的變化主要取決于光合作用的碳源和水體溶解氧對有機質(zhì)的改造作用。圖4B是研究剖面有機質(zhì)碳同位素與有機質(zhì)豐度的關(guān)系圖。當(dāng)TOC含量>2%時，在比較寬的有機質(zhì)豐度變化范圍內(nèi)(2.12%～6.09%)有機質(zhì)碳同位素較輕且保持不變，表明五峰期—龍馬溪早期研究區(qū)沉積環(huán)境還原性較強，有機質(zhì)受到的改造作用較弱，沉積物中的有機質(zhì)含量的變化主要受控于礦物對有機質(zhì)的稀釋程度。當(dāng)TOC含量<2%時，δ13C值隨著TOC含量的減小而偏重，反映了有機質(zhì)受到水體溶解氧的改造作用變強，表明龍馬溪中晚期研究區(qū)有利于有機質(zhì)保存的強還原環(huán)境遭到了一定程度的破壞，沉積物中有機質(zhì)含量的變化主要取決于水體溶解氧對有機質(zhì)的改造程度。

以上研究表明五峰期—龍馬溪早期研究區(qū)相對較強的還原環(huán)境是五峰組—龍馬溪組底部頁巖有機質(zhì)富集的主要原因，龍馬溪組早期海平面上升造成的缺氧環(huán)境對四川盆地半滯留海盆有機質(zhì)的富集起到了重要的控制作用；五峰組—龍馬溪組底部富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)豐度的變化主要受控于礦物的稀釋作用。龍馬溪中晚期，構(gòu)造運動引起的相對海平面下降使得研究區(qū)有利于有機質(zhì)保存的強還原環(huán)境遭到了一定程度的破壞，這也是龍馬溪組中上部頁巖有機質(zhì)含量相對較低的主要原因；龍馬溪組中上部頁巖有機質(zhì)豐度主要取決于有機質(zhì)受到海水溶解氧改造的程度。

3.3 富有機質(zhì)頁巖發(fā)育的主控因素

有機質(zhì)碳同位素和頁巖硫含量特征都與TOC=2%這個界線有關(guān)，在高有機質(zhì)層段(TOC≥2%)和低有機質(zhì)層段(TOC<2%)，有機質(zhì)碳同位素和硫含量與TOC指標(biāo)的關(guān)系截然不同。通過以上的研究認為TOC=2%可以近似代表深水陸棚環(huán)境和淺水陸棚環(huán)境的分界。在深水陸棚環(huán)境下，強還原條件有利于有機質(zhì)保存，有機質(zhì)基本不被改造，碳同位素較輕；硫含量也與有機質(zhì)含量形成了正相關(guān)關(guān)系。而在淺水陸棚環(huán)境下，有機質(zhì)受到水體溶解氧的改造，改造作用越強有機質(zhì)含量越低，同時有機質(zhì)碳同位素越重；硫含量與有機質(zhì)含量也不再有相關(guān)關(guān)系。

位于川東深水陸棚體系沉積中心的石柱地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖TOC在0.11%～6.22%，平均值為2.41%；富有機質(zhì)層段(TOC≥2%)的厚度達到40m，富有機質(zhì)層段TOC平均值達到了3.80%。黔淺1井五峰組—龍馬溪組頁巖TOC在0.15～6.09%，平均值為1.50%；富有機質(zhì)層段的厚度僅為10m，富有機質(zhì)層段TOC平均值為3.29%。相比于石柱剖面，黔淺1井位于川東深水陸棚區(qū)的東南緣。該地區(qū)沉積水體較淺且離物源區(qū)較近，五峰期—龍馬溪組早期該區(qū)沉積物中有機質(zhì)受到礦物稀釋作用更強；龍馬溪中晚期沉積水體中相對較高的溶解氧含量對有機質(zhì)的改造作用也更強。正是上述原因造成了黔淺1井頁巖有機質(zhì)含量普遍小于石柱剖面且底部高有機質(zhì)層段更薄的現(xiàn)象(圖5)。以上對比研究充分說明了沉積地理位置和沉積相帶對海相富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育起到控制作用。

圖5 研究剖面與石柱剖面TOC對比圖Figure 5 TOC correlations between studied section and Shizhu section

3.4 頁巖含氣性的主控因素

頁巖含氣性的決定因素是有機質(zhì)特征、礦物組成、含水性和孔隙特征等，同時也受構(gòu)造抬升和斷層、裂縫發(fā)育對頁巖氣保存和散失的影響。

有機質(zhì)豐度與頁巖原地氣體保存量以及吸附氣量具有正相關(guān)關(guān)系，高有機質(zhì)豐度對應(yīng)于高的頁巖含氣量。美國Illinois盆地泥盆系—密西西比系New Albany頁巖的總含氣量與TOC表現(xiàn)為強烈的正相關(guān)關(guān)系[36]，這表明有機質(zhì)含量是New Albany頁巖原地氣量的主要控制因素。研究井現(xiàn)場頁巖含氣性測試結(jié)果顯示，五峰組—龍馬溪組頁巖總含氣量在0.15～2.48 m3/t，平均為0.52 m3/t，龍馬溪組底部頁巖含氣量較高，向上逐漸變小?？偤瑲饬颗c殘余有機質(zhì)含量之間具有良好的正相關(guān)關(guān)系(圖6)，相關(guān)系數(shù)R2達到0.7456，表明有機質(zhì)含量是控制頁巖含氣量的一個重要因素。四川盆地及周邊地區(qū)五峰組—龍馬溪組底部頁巖有機碳含量高，是頁巖氣富集的最有利層段。

圖6 總含氣量和TOC的關(guān)系Figure 6 Relationship between total gas content and TOC

有機質(zhì)的熱演化程度對富有機質(zhì)頁巖的氣體吸附量影響很大，較高成熟度的頁巖具有較高的氣體吸附量。一方面,高有機質(zhì)豐度源巖會保存較大量的殘留油，高溫下的殘留油的裂解，是頁巖氣的重要來源之一；另一方面，高成熟的頁巖具有較大的微孔體積[9,37]。西加拿大沉積盆地(WCSB)泥盆系—密西西比系頁巖的甲烷吸附量與微孔體積隨和TOC含量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系[38]，這表明有機納米微孔控制了甲烷吸附量。

位于四川盆地長寧、威遠地區(qū)和渝東南焦石壩區(qū)三個頁巖氣開采工業(yè)示范區(qū)，含氣量分別為：4.9～5.5m3/t、4.3～4.8m3/t和4.7～5.7m3/t[39-40]，明顯大于研究井最大含氣量值。這表明頁巖含氣量的不均一不僅僅受到有機質(zhì)含量的控制，同時也受到構(gòu)造抬升作用對氣體散失的影響，如露頭剖面樣品在相同的TOC含量之下含氣量很低。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)五峰組—龍馬溪組底部高有機質(zhì)海相泥巖是頁巖氣富集的最有利層段，有機碳含量高，平均值達到3.29%。五峰期—龍馬溪早期研究區(qū)相對較強的還原環(huán)境是五峰組—龍馬溪組底部頁巖有機質(zhì)富集的主要原因。

(2)龍馬溪中晚期構(gòu)造抬升引起相對海平面下降導(dǎo)致水體氧化程度增強和陸源碎屑物質(zhì)的輸入增多是導(dǎo)致龍馬溪組上部頁巖有機碳含量變低的原因。

(3)富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育主要受控于沉積相帶的分布，不同地區(qū)五峰組—龍馬溪組底部富有機質(zhì)頁巖的厚度主要沉積地理位置，沉積中心厚度大，邊部厚度小。

(4)頁巖含氣量與殘余有機質(zhì)含量之間具有良好的正相關(guān)關(guān)系，表明有機質(zhì)含量是控制頁巖氣含量的一個重要因素。

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