江西修武盆地下寒武統(tǒng)黑色頁巖礦物成分特征及意義

劉偉偉，田景春，林小兵，史建南，楊辰雨，彭順風

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.江西天然氣（贛投氣通）控股有限公司，南昌330000）

隨著頁巖氣研究的不斷深入，中國頁巖氣研究與勘探、開發(fā)生產(chǎn)已進入全面展開的階段。以四川盆地長寧地區(qū)及涪陵地區(qū)為重點區(qū)域，以下志留統(tǒng)龍馬溪組為重點層位的頁巖氣研究，逐漸成為國內(nèi)頁巖氣勘探的熱點，并且取得了開發(fā)成效［1］。前人對頁巖氣藏的研究已經(jīng)表明，黑色頁巖既是烴源巖，又是儲集層；但優(yōu)質(zhì)烴源巖不一定都能形成具經(jīng)濟效益的成規(guī)模的頁巖氣藏［2］。這是由于頁巖氣藏受到頁巖吸附能力和頁巖內(nèi)部孔隙及裂隙發(fā)育程度的控制。通常情況下，頁巖的孔隙度和滲透率均較低，頁巖的成藏能力及有利成藏目標的選擇，必須重點考慮頁巖成藏的資源量與頁巖儲層具有的壓裂能力之間的匹配關(guān)系［3］。

頁巖氣主要有兩種賦存方式：吸附于頁巖中礦物或有機質(zhì)顆粒表面，或呈游離狀態(tài)賦存于頁巖儲層的孔隙和裂縫中。可以看出，礦物成分不僅決定了頁巖儲層的吸附能力和基質(zhì)孔隙度的發(fā)育程度，礦物成分中如石英、方解石等脆性礦物的含量，還在很大程度上控制著頁巖儲層裂縫發(fā)育的規(guī)模［2，4］，進而影響頁巖儲層的儲集空間及滲流通道。在對頁巖氣進行評價的過程中，通常認為有機質(zhì)和硅質(zhì)含量高、黏土礦物含量較低（質(zhì)量分數(shù)通常低于50%）［2］、裂縫發(fā)育的脆性優(yōu)質(zhì)烴源巖為有利條件。因此，對頁巖氣儲層進行礦物成分研究，對于開展頁巖氣成藏機理分析、頁巖氣資源預測與評價甚至頁巖氣開發(fā)工藝的選擇均有重要意義。

到目前為止，針對包括江西修武盆地在內(nèi)的中國東部下?lián)P子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖的研究報道很少，并且由于鉆井較少，研究程度低。有鑒于此，本文主要基于修武盆地野外剖面的詳細觀測以及盆地外緣修頁1井、贛頁1井等鉆井巖心的觀察，并采集下寒武統(tǒng)頁巖樣品，采用薄片鑒定、掃描電鏡、X射線衍射等技術(shù)，對下寒武統(tǒng)黑色頁巖的礦物成分進行了系統(tǒng)分析，并與其他地區(qū)和層位泥（頁）巖礦物成分進行了對比，進而研究其油氣地質(zhì)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

修武盆地位于下?lián)P子地區(qū)九江拗陷修水－武寧復向斜構(gòu)造帶的西端（圖1），主體地層為震旦系－下三疊統(tǒng)，而中元古界雙橋山群構(gòu)成該復向斜的變質(zhì)褶皺基底。包括修武盆地在內(nèi)的贛北地區(qū)的基底褶皺主要形成于晉寧運動（主幕），由雙橋山群構(gòu)成，褶皺相當強烈，廣泛發(fā)育規(guī)模不等的背斜、向斜，軸面多向南傾斜，部分北傾，軸向一般呈北東東向，部分地段為近東西向。

圖1 修武盆地下寒武統(tǒng)沉積環(huán)境及剖面位置圖Fig.1 Sedimentary environment and profile location of Lower Cambrian in the Xiuwu Basin

作為復式向斜的一部分，修武盆地內(nèi)次一級褶皺發(fā)育，局部難以識別。受褶皺的影響，該區(qū)地層傾角在向斜兩翼相對較大，野外測量結(jié)果一般在40°～50°之間，局部傾角更大，甚至發(fā)生倒轉(zhuǎn)。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，對頁巖氣層段影響較大的主要為北東東向斷裂。

本區(qū)構(gòu)造形跡與地層走向基本一致，構(gòu)造主要以北東東向為主。但盆地邊緣北東東向或弧形滑脫斷層發(fā)育。

圖2 修武盆地南茶水庫下寒武統(tǒng)地層及沉積綜合柱狀圖Fig.2 Lower Cambrian stratigraphic and sedimentary histogram of the Xiuwu basin in Nancha profile

修武盆地早寒武世位于中下?lián)P子碎屑巖臺地與江南頁巖盆地的過渡地帶［5］，總體上為深水陸棚－盆地沉積環(huán)境。根據(jù)巖性變化及組合特征，修武盆地下寒武統(tǒng)共劃分出2個組，即王音鋪組與觀音堂組（圖2）。王音鋪組巖性主要為黑色碳質(zhì)頁巖夾硅質(zhì)頁巖，底部含透鏡狀石煤層，局部地區(qū)含黃鐵礦及磷結(jié)核，與下伏震旦系皮園組的粉晶灰?guī)r地層整合或斷層接觸，造成王音鋪組底部地層的部分缺失，與上覆觀音堂組為整合接觸。觀音堂組巖性主要為灰黑色頁巖夾硅質(zhì)頁巖，下部硅質(zhì)頁巖較發(fā)育，與上覆楊柳崗組灰黑色中－厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r整合接觸。

2 黑色頁巖的礦物成分

2.1 下寒武統(tǒng)頁巖礦物成分

基于野外觀察和鏡下薄片鑒定，修武盆地王音鋪組—觀音堂組的主要巖石類型包括：灰黑色碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、含粉砂水云母頁巖，局部夾有泥灰?guī)r、石煤層和磷鐵礦結(jié)核。從修武盆地馬家坳剖面黑色頁巖樣品的X射線衍射分析的結(jié)果來看（表1），下寒武統(tǒng)泥（頁）巖的礦物成分比較復雜，大多數(shù)樣品中均含有綠泥石、伊利石、伊/蒙混層等黏土礦物，以及石英、長石和黃鐵礦等其他礦物。除此之外，在部分樣品中還含有高嶺石、綠/蒙混層等黏土礦物，以及方解石、白云石、（硬）石膏等礦物。未檢出蒙皂石。

圖3 修武盆地王音鋪組與觀音堂組礦物組成三角圖Fig.3 The mineral composition triangular graph of Wangyinpu Formation and Guanyintang Formation in the Xiuwu basin

從統(tǒng)計結(jié)果來看（表1，圖3），修武盆地王音鋪組和觀音堂組黑色頁巖的所有礦物中，以石英和黏土礦物為主。石英的質(zhì)量分數(shù)在37.7%～72.1%之間，平均為58.63%，其中w石英＞50%的樣品占總樣品數(shù)的66.67%，屬于高石英含量。其次為黏土礦物，質(zhì)量分數(shù)在11.5%～41%之間，平均為25.4%。伊利石和伊/蒙混層是修武盆地發(fā)育最普遍且含量最高的兩種黏土礦物成分。伊利石含量變化較大，質(zhì)量分數(shù)從1.25%～16.65%不等，平均為9.74%。伊/蒙混層黏土礦物的 質(zhì) 量 分 數(shù) 在 0.50% ～19.80%，平 均 為11.02%。樣品中還普遍見綠泥石及綠/蒙混層，質(zhì)量分數(shù)通常低于5%，但部分樣品可高達26.3%。

另外還普遍含長石和黃鐵礦，平均質(zhì)量分數(shù)分別為2.5%和4.68%。其余礦物如方解石、白云石、（硬）石膏等含量較少，平均質(zhì)量分數(shù)低于5%。

根據(jù)馬家坳剖面X射線衍射分析數(shù)據(jù)，編制了修武盆地下寒武統(tǒng)礦物成分垂向分布的條形圖（圖4）。從圖4中可以看出，黏土礦物和黃鐵礦的含量由底至頂有逐漸增加的趨勢；石英含量波動變化，局部很富集；長石含量相對穩(wěn)定。其中，方解石和白云石主要發(fā)育于底部，這主要與下寒武統(tǒng)底部裂縫發(fā)育且主要被方解石和白云石充填有關(guān)。

總之，修武盆地下寒武統(tǒng)礦物特征表現(xiàn)為脆性礦物高含量，主要脆性礦物包括石英、長石、黃鐵礦等。石英的高含量主要與后期成巖作用的改造有關(guān)。

2.2 與其他地區(qū)和層位對比

2.2.1 美國Fort Worth盆地Barnett頁巖

美國Fort Worth盆地石炭系Barnett頁巖為一套發(fā)育于前陸盆地內(nèi)的碎屑巖與碳酸鹽巖混合沉積，沉積環(huán)境為深水斜坡－盆地［6，7］，其巖性主要包括黑色頁巖、黑色鈣質(zhì)（白云質(zhì)、含磷質(zhì)）頁巖和泥灰?guī)r［8，9］。根據(jù)X射線衍射和薄片鑒定結(jié)果［10，11］，Barnett頁巖中黏土礦物的質(zhì)量分數(shù)通常在7%～48%之間，平均為24.2%，其成分主要為含蒙皂石的伊利石。石英為Barnett頁巖的主要礦物，質(zhì)量分數(shù)在25%～67.8%之間，平均為34.5%。除石英之外，還發(fā)育碳酸鹽巖礦物，包括泥粉晶方解石、白云石，質(zhì)量分數(shù)平均為21.7%。另外還有少量黃鐵礦和磷酸鹽（磷灰石），其平均質(zhì)量分數(shù)分別為9.7%和3.3%。

表1 馬家坳剖面王音鋪組－觀音堂組礦物成分X射線衍射分析結(jié)果（w/%）Table 1 X-ray diffraction analysis results of the Wangyinpu-Guanyintang Formation mineral compositions from Majiaao profile

圖4 修武盆地馬家坳剖面下寒武統(tǒng)頁巖礦物組成Fig.4 The shale mineral composition from the Lower Cambrian Majiaao profile in the Xiuwu basin

2.2.2 四川盆地龍馬溪組頁巖

四川盆地志留系主要為一套海相碎屑巖沉積，其中早志留世龍馬溪期中上揚子陸塊邊緣處于擠壓、褶皺造山過程中，在此地質(zhì)背景下，四川盆地為淺海－深水盆地沉積［12，13］，主要發(fā)育黑色碳質(zhì)頁巖、黑－深灰綠色粉砂質(zhì)泥頁巖和泥灰?guī)r。根據(jù)長寧地區(qū)龍馬溪組頁巖的分析結(jié)果，可以看出頁巖中含量最高的是黏土礦物，平均質(zhì)量分數(shù)為48.5%，主要分布在26.5%～59.5%之間，主要成分為伊利石。頁巖中石英的質(zhì)量分數(shù)在20%～30%之間，平均為25.3%；但石英含量分布不均，局部富集呈紋層狀。其他礦物成分包括：方解石（白云石）平均質(zhì)量分數(shù)為18%，黃鐵礦平均質(zhì)量分數(shù)為2.2%［14－16］。

對比結(jié)果顯示，修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖與Barnett頁巖及龍馬溪組頁巖一樣，脆性礦物都相對富集，龍馬溪組泥頁巖中脆性礦物含量較Barnett頁巖低，修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖脆性礦物含量最高；相應地，龍馬溪組頁巖黏土礦物含量相對較高。就脆性礦物成因而言，Barnett頁巖中的脆性礦物以生物成因和成巖成因為主［11，17］，然而，龍馬溪組頁巖和修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖脆性礦物以陸源石英和長石為主。因此，三者的巖性特征雖然相似，但其礦物成分仍具有顯著差異。

3 油氣地質(zhì)意義

3.1 沉積環(huán)境意義

中國南方下寒武統(tǒng)的黑－灰黑色頁巖屬于典型的江南頁巖盆地沉積層［5］。盡管X射線衍射結(jié)果顯示修武盆地下寒武統(tǒng)有高的石英含量，但自生白云石、方解石的存在，以及黃鐵礦特別是草莓狀黃鐵礦等金屬硫化物的大量發(fā)育說明了相對深水的陸棚沉積環(huán)境（圖5）。這與Barnett頁巖及龍馬溪組頁巖一樣，都為深水陸棚至盆地相的深黑色富有機質(zhì)頁巖，并且該相對還原的沉積環(huán)境有利于有機質(zhì)的保存與富集，為頁巖氣藏的形成與演化提供了良好的沉積條件。

圖5 修武盆地下寒武統(tǒng)的草莓狀黃鐵礦Fig.5 The strawberry pyrite in Lower Cambrian of the Xiuwu basin

3.2 有機質(zhì)演化意義

黏土礦物的類型受古環(huán)境、物源母質(zhì)及成巖作用等多種因素控制［18］，因此，目前的黏土礦物組成是古環(huán)境及成巖作用復合影響的結(jié)果。而某些標志性的黏土礦物及其組合可以作為成巖作用階段劃分及有機質(zhì)演化成熟度的標志。

修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖X射線衍射數(shù)據(jù)表明，樣品中普遍含綠泥石、伊利石、伊/蒙混層，少量綠/蒙混層，幾乎不含高嶺石和蒙皂石。根據(jù)碎屑巖成巖作用劃分標志，綠泥石、伊利石和伊/蒙混層組合是中成巖作用B階段的特征組合。因此，修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖的這種黏土礦物組合，特別是穩(wěn)定的高伊利石含量，表明其已經(jīng)進入中成巖B—晚成巖作用階段。修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖鏡質(zhì)體反射率（Ro）為2.5%～3.3%，平均為2.97%，有機質(zhì)演化進入了高成熟－過成熟階段，接近于四川盆地龍馬溪組區(qū)域上的Ro值（＞2.5%［19］；或者為2.3%～3.4%［20］）。下寒武統(tǒng)礦物成分特征及其對應的有機質(zhì)演化成熟度，說明修武盆地下寒武統(tǒng)具有頁巖氣成藏的條件。

3.3 黑色頁巖的儲集意義

3.3.1 黏土礦物的影響

黏土礦物與孔隙演化之間具有密切的關(guān)系，主要體現(xiàn)在孔隙度與高嶺石相對含量正相關(guān)，而與伊利石、綠泥石相對含量負相關(guān)［21，22］。同時，也有研究者認為，由黏土礦物中綠泥石和綠/蒙混層組合形成的包膜，以及綠泥石在孔隙中充填形成的包膜對孔隙具有顯著的保護作用［23］。根據(jù)修武盆地黏土礦物組成特征，王音鋪組下部具有相對低的綠泥石和伊利石含量，并且發(fā)育綠/蒙混層，因此，可以推論出下寒武統(tǒng)底部應具有較高的孔隙度，為頁巖氣的儲存提供良好的儲集空間。

3.3.2 脆性礦物的影響

頁巖的脆性提供了其在外力作用下形成天然裂隙和誘導裂隙的可能。礦物成分是影響巖石脆性的一個關(guān)鍵因素，比如石英、長石和方解石等被認為是重要的脆性礦物。因此，石英和方解石含量增加，可以使得頁巖的脆性提高，從而易于形成天然的裂縫或誘導裂縫；裂縫除了能增加游離態(tài)頁巖氣的儲集空間外，亦能促進頁巖氣的解吸和滲流，從而有利于頁巖氣的富集成藏和開發(fā)。Barnett頁巖的脆性及其對壓裂增產(chǎn)措施的積極響應是其高產(chǎn)的重要因素之一［24，25］。從這個角度分析，結(jié)合前文對不同頁巖比較的結(jié)果，可以看出修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖與Barnett頁巖及龍馬溪組頁巖一樣，普遍發(fā)育石英、長石等脆性礦物（圖6），其中石英的質(zhì)量分數(shù)＞50%的泥（頁）巖在地層中占有較大的比例，厚度接近50m，是理想的頁巖氣勘探開發(fā)層位。

4 結(jié)論

圖6 修武盆地下寒武統(tǒng)中發(fā)育的脆性礦物Fig.6 The brittle minerals in Lower Cambrian Series of the Xiuwu basin

a.X射線衍射定量分析結(jié)果表明，修武盆地下寒武統(tǒng)泥（頁）巖的礦物以石英和黏土礦物為主。其中石英的含量最高，質(zhì)量分數(shù)在37.7%～72.1%之間，平均為58.63%；其次為黏土礦物，質(zhì)量分數(shù)在11.5%～41%，平均為25.4%。還含有較多的長石和黃鐵礦，平均質(zhì)量分數(shù)分別為2.5%和4.68%。其余礦物含量較少，平均質(zhì)量分數(shù)＜5%。

b.修武盆地下寒武統(tǒng)礦物成分在垂向表現(xiàn)為：黏土礦物和黃鐵礦的含量由底至頂逐漸增加，石英含量波動變化，長石含量相對穩(wěn)定。方解石和白云石主要發(fā)育于底部。

c.修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖的礦物成分顯示了深水陸棚的沉積環(huán)境，有利于有機質(zhì)的富集與保存。黏土礦物組合特征表明其已經(jīng)進入中成巖B—晚成巖作用階段，對應的有機質(zhì)演化進入了高成熟－過成熟階段，與四川盆地龍馬溪組頁巖接近，具有頁巖氣形成的適宜條件。

d.修武盆地下寒武統(tǒng)下部具有相對低的綠泥石和伊利石含量，并且發(fā)育綠/蒙混層，對孔隙保存具有積極意義。同時，修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖普遍發(fā)育石英、長石等脆性礦物，其中石英的質(zhì)量分數(shù)＞50%的泥（頁）巖厚度接近50m，是理想的頁巖氣勘探開發(fā)層位。

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