下揚子地區(qū)高家邊組底部黑色頁巖與北美Marcellus頁巖地質特征對比

張濤，尹宏偉，賈東，丁海.中國地質調查局沈陽地質調查中心，沈陽004；.南京大學地球科學與工程學院，南京00；.安徽省煤田地質勘查研究院，合肥0088

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下揚子地區(qū)高家邊組底部黑色頁巖與北美Marcellus頁巖地質特征對比

張濤1，尹宏偉2*，賈東2，丁海3
1.中國地質調查局沈陽地質調查中心，沈陽110034；2.南京大學地球科學與工程學院，南京210023；3.安徽省煤田地質勘查研究院，合肥230088

摘要：從地層形成的構造古地理環(huán)境、地層的厚度及空間展布以及烴源巖的巖性特征等方面，對美國東部阿巴拉契亞盆地中泥盆統(tǒng)Marcellus頁巖和下揚子地區(qū)的下志留統(tǒng)高家邊組黑色頁巖作對比研究。結果發(fā)現，兩套地層形成于相似的古地理環(huán)境，都沉積于前陸盆地早期缺氧的閉塞水體中，都是有利于細粒的有機質保存形成黑色頁巖的環(huán)境。兩套地層的分布和埋深都受到同沉積構造及其后期改造作用的相互影響，同時也對其中頁巖的空間分布和勘探前景起重要的控制作用。兩套頁巖都是較好的烴源巖，含有較高的總有機碳（TOC）和脆性礦物，且都達到了高成熟階段，生氣和產氣潛力大。相對于Marcellus頁巖，高家邊組黑色頁巖TOC含量較低，埋深更大，而且受到多次構造作用的改造，使得其勘探風險相對較大。

關鍵詞：下揚子地區(qū)；下志留統(tǒng)；阿巴拉契亞盆地；Marcellus頁巖；頁巖氣

阿巴拉契亞盆地是位于美國東部的一個晚古生代前陸盆地，盆地內連續(xù)發(fā)育了從寒武系到二疊系的沉積巖，是美國最早開發(fā)的含油氣盆地。Marcellus頁巖是在該盆地中發(fā)育最好的一套頁巖，位于該盆地中泥盆統(tǒng)的最底部（圖1）。估計該套頁巖中可采天然氣儲量高達142億立方米，是北美最有潛力的一套產氣頁巖（Lash and Engelder,2011; Soeder,2010）。據EIA報告顯示，Marcellus頁巖氣田的產量從2013年1月的每天1.5億立方英尺增加到2015年6月每天26億立方英尺，已經是北美最大的頁巖氣田（EIA，2015）。下揚子地區(qū)經濟發(fā)達，人口密集，對于油氣資源需求量巨大，在該區(qū)找到清潔新能源的意義重大。最近幾年已經有學者從烴源巖特征、含氣性及熱演化等方面探討了下揚子地區(qū)幾套烴源巖的頁巖氣潛力，認為該區(qū)具有一定的頁巖氣勘探潛力（蔡周榮等，2013；黃保家等，2013；潘繼平等，2011；潘磊等，2013；張濤等，2013）。該區(qū)下志留統(tǒng)高家邊組是未來進行頁巖氣勘探的一個重要的目的層。高家邊組為一套巨厚的砂、頁巖沉積，巖性自下而上逐漸變粗，下段為碳質、硅質頁巖，中段為黃綠色頁巖夾少量細砂巖及粉砂巖，上段為細砂巖、粉砂巖夾頁巖，其優(yōu)質烴源巖只包括在該套地層的底部的黑色頁巖部分。文中從沉積環(huán)境、地層厚度和空間展布以及基本地球化學指標和礦物組成等方面對Marcellus頁巖和高家邊組頁巖進行了對比性研究，為下揚子地區(qū)頁巖氣的勘探提供有益的參考。

1　構造古地理

富有機質烴源巖是生成天然氣藏的物質基礎，而富有機質的海相烴源巖的發(fā)育明顯受到沉積環(huán)境的控制（Demaison and Moore，1980；張水昌等，2005）。沉積環(huán)境控制了有機質的豐度和質量，是影響海相烴源巖發(fā)育和分布的最重要因素，而沉積物的地球化學特征記錄了古環(huán)境性質及其演化信息（陳衍景等，1996）。

圖1　阿巴拉契亞盆泥盆系地東西向地質剖面簡圖（據Soeder and Kappel，2009修改）Fig.1 A simplified cross section from east to west to show the distribution of the Marcellus Shale in the Appalachian Basin of the eastern United States

1.1 Marcellus頁巖形成的構造古地理

阿巴拉契亞盆地在古生代經歷了三次主要的造山運動，這些造山運動主要是由于北美陸塊和東部的大洋板塊之間的碰撞形成。Marcellus頁巖沉積于中泥盆世勞亞大陸和岡瓦納大陸發(fā)生碰撞的時期，由于這次碰撞，古大西洋的北段閉合，阿卡迪亞山脈前陸形成凹陷，即阿巴拉契亞前陸盆地（圖2），在山脈的另外一側處于隆起狀態(tài)（Ettensohn,1994）。在中到晚泥盆世，阿巴拉契亞前陸盆地被阿卡迪亞造山帶在東側和南側所包圍，在西南部與瑞亞克洋以一個狹窄的長的海道相連（圖3），形成了一個接近封閉的陸表海環(huán)境（Blakey，2013）。阿巴拉契亞盆地在中泥盆世的緯度為赤道南部25°～35°之間，處于熱帶到亞熱帶的氣候環(huán)境，而水體的溫鹽密度分層可能限制了盆地底部水體的流動，使得底部水體保持了較長時間的缺氧環(huán)境（Straeten et al.,1994）。

Marcellus頁巖即在阿巴拉契亞盆地早期平靜的缺氧的閉塞水體中沉積形成，主要分布于前陸盆地的前淵凹陷及盆地的斜坡帶，其地層的厚度呈現向東加厚的趨勢（Roen,1984;圖2）。

圖2　Marcellus頁巖形成的構造條件示意圖（圖中展示的是盆地逆沖發(fā)育的過程中前淵凹陷、前淵隆起的發(fā)育過程；據Ettensonn，1994修改）Fig.2 Diagram illustrating the inferred relationship among thrust loading,foreland basin subsidence,black shale sedimentation,and forebulge development

圖3　中泥盆世北美地區(qū)勞亞大陸古地理恢復（據Blakey，2013修改）Fig.3 Inferred Middle Devonian paleogeography of Laurentia

1.2高家邊組底部黑色頁巖形成的構造古地理

受加里東期構造運動的影響，志留紀早期下揚子區(qū)古地理面貌發(fā)生了根本的改變。華夏板塊與揚子板塊的碰撞在該地區(qū)形成了前陸盆地，前淵拗陷位于浙北皖南地區(qū)，前淵隆起位于沿江一帶，蘇北地區(qū)為隆后拗陷（Li et al.,2013；圖4）。在這次造山運動的影響下，下揚子區(qū)沉積了巨厚的砂泥巖，并具有典型前陸盆地沉積特征。這一期構造運動形成的古構造格局對志留系烴源巖的形成起到重要的作用：華夏古陸和江南隆起（湘贛山地）使得下揚子前陸盆地處于一個較為閉塞的環(huán)境，大部分地區(qū)為泥巖相和頁巖相，海水比較平靜、缺氧，這是非常有利于暗色有機質保存的環(huán)境（圖5）。高家邊組底部的黑色頁巖正是在該期前陸盆前期缺氧的環(huán)境下沉積形成，隨著前陸盆地的繼續(xù)發(fā)展，高家邊組巖性向上粒度逐漸變粗，中段轉變?yōu)辄S綠色頁巖夾少量細砂巖及粉砂巖，上段為細砂巖、粉砂巖夾頁巖，其富含有機質的黑色頁巖只保存在該套地層的最底部的部分。這種巖性上的變化說明有利于有機質保存的環(huán)境只持續(xù)了較短的時間，除了造山帶的影響外，還可能是由于上升洋流破壞了早期烴源巖的沉積條件，使得志留紀的優(yōu)質烴源巖只發(fā)育在早期很短的時間內（李雙建等，2008）。

2　地層展布

泥頁巖的厚度和埋深也是控制頁巖氣成藏的關鍵因素，泥頁巖必須達到一定的厚度，才能成為有效的烴源巖層和儲集層，形成工業(yè)性的頁巖氣藏。而埋深可以影響頁巖氣的保存與生產。埋藏太淺會導致壓力不足而且對于氣體的保存造成不利的影響；埋藏太深則會使得開發(fā)的成本大大提高，失去經濟價值。

2.1 Marcellus頁巖地層展布

在阿巴拉契亞盆地的整個沉積蓋層中，頁巖占整個沉積地層厚度的一半左右，其中以泥盆系中上部黑色頁巖最為發(fā)育（圖1）。在盆地中，Marcellus頁巖分布范圍超過1.21×105km2，其厚度一般在100～540 m之間，厚度呈現向東部加厚的趨勢，呈楔形分布，是泥盆系中上古生界常規(guī)油氣和非常規(guī)油氣的主力烴源巖（Soeder and Kappel，2009）。盆地絕大部分地區(qū)地層的頂部埋深分布在900～2700 m，平均深度超過1500 m，從西北向東南逐漸加深。埋深最大的位置位于盆地的最東部，即盆地的沉降中心/前淵凹陷位置，其深度超過了3600 m（Milici and Swezey,2006;圖6）。

2.2高家邊組頁巖地層展布

受到加里東期前陸盆地影響，在下揚子地區(qū)高家邊組黑色頁巖分布整體呈北東向的展布，厚度呈現向南和向東部加厚的趨勢。在寧鎮(zhèn)山脈一帶，黑色頁巖厚50 m左右，在蘇北黃橋N4井為75 m（李海濱，2013），均可以達到工業(yè)性氣藏的厚度要求，但其他地區(qū)由于缺少相關資料，目前尚不能確定其厚度分布情況。同樣，其頂部埋深分布總體也是呈現向南東方向加深的趨勢。由于該區(qū)大部分地區(qū)黑色頁巖出露較少，采用區(qū)域地質調查報告資料和煤炭鉆井資料得到的地層厚度對該區(qū)域埋深厚度作圖，得到了該套黑色頁巖的空間分布。結果表明，下揚子地區(qū)志留系的埋深從最淺的1000 m左右到埋深超過5000 m都有分布，埋深最大的的位置位于浙西皖南一帶，即早古生代前陸盆地的沉降中心位置（圖7）。其埋深分布由于受到了后期構造運動的影響，與早古生代晚期前陸盆地的充填又有一定的差異性，這說明后期的構造運動部分的改變了該期前陸盆地的結構，使得其地層空間分布相應的有所改變。

圖4　下揚子地區(qū)早古生代前陸盆地示意圖Fig.4 Diagram illustrating the architecture of lower Yangtze foreland basin during early Paleozoic

圖5　下揚子地區(qū)早志留世古地理與沉積相（據劉寶珺等，1994修改）Fig.5 Inferred Paleogeography and sedimentary facies of Lower Yangtze area during early Silurian

3　烴源巖特征

高的TOC含量是生成大規(guī)模頁巖氣的非常有利的條件，在頁巖氣評價標準中下限一般為0.5%，一般要大于1%（Jarvie et al.,2007）。TOC的含量還會大大影響吸附氣的含量，兩者之間存在一個比較好的正相關關系（Ji et al.,2012; Mastalerz et al.,2013; Zhang et al.,2012）。對于像Marcellus頁巖這種以熱成因的頁巖氣藏，足夠高的成熟度是頁巖氣成藏的必要條件。此外，開發(fā)頁巖氣藏時，應當尋找能夠通過壓裂產生大量裂縫的巖層，這就要求目的層中含有足夠量的脆性礦物，比如石英、長石和方解石等。

3.1基本有機地球化學指標

（1）Marcellus頁巖

圖6　阿巴拉契亞盆地Marcellus頁巖頂部埋深等厚圖（據Milici and Swezey，2006修改）Fig.6 Isopach map of the top of Marcellus shale

圖7　下揚子地區(qū)志留系埋深等值線圖（黑點表示煤炭鉆井所在的位置）Fig.7　Inferred burial depth isogram map of the top of Gaojiabian Formation black shale (Black dots denote the coal wells)

Marcellus頁巖形成于中泥盆世前陸盆地有機物沉積的重要時期，TOC重量百分比一般為3%～10%，最高可達20%以上，鉆井巖心樣品TOC含量平均大于5%（Wang and Carr，2013）。其鏡質體反射率（Ro）一般為1.5%～3%，自西向東逐漸增大，成熟度最高地區(qū)為賓夕法尼亞州東北部和紐約州東南部。總體來說，在盆地的絕大部分地區(qū)有機質都處于高成熟和過成熟階段，其天然氣基本都是熱成因氣。

（2）高家邊組黑色頁巖

一般認為該套頁巖的有機質含量不是很高，但是馬力等（2004）認為，TOC平均含量很低的原因在于使用了過高的烴源巖的厚度，應當只計算高家邊組下部大約35～80 m黑色頁巖的TOC，采用上述方法得到的平均TOC含量在1.1%～1.51%之間。皖南D井的結果顯示，其TOC含量介于1.05%～2.6%，平均值為2.01%；蘇北地區(qū)N4井結果表明TOC含量為1.59%～2.67%（黃保家等，2013）。總的來說，部分地區(qū)TOC含量還是達到了優(yōu)質烴源巖的標準，但是目前可以獲得的資料和樣品較少、分布不均，還需要進一步的工作予以驗證。高家邊組下部這套烴源巖熱演化程度較高，絕大部分地區(qū)都達到了過成熟階段，一般分布在1.5%～2.5%之間，宣城—無錫地區(qū)普遍大于2.0%，導致該區(qū)成熟度高的原因除了埋藏作用外，還可能與巖石圈埋藏淺、地溫梯度高有關（李海濱，2013）。

3.2礦物組成

（1）Marcellus頁巖

Marcellus頁巖層中主要組成礦物有石英，長石，云母，粘土礦物，硫化物，有機質和少部分的碳酸鹽巖，磷酸鹽等。位于18口井中的195個樣品XRD分析結果發(fā)現，Marcellus頁巖中最富集的礦物是石英和伊利石，分別占總體積的35%和25%。粘土礦物在頁巖中的含量平均可以達到60%，但是Marcellus頁巖中的裂縫仍然非常的發(fā)育（Wang and Carr,2013; Wilkins et al.,2014）。

（2）高家邊組黑色頁巖

下揚子地區(qū)高家邊組底部這套黑色富有機質頁巖礦物成分主要為石英和粘土。通過XRD方法研究揚子區(qū)烴源巖的礦物組成的結果發(fā)現，下志留統(tǒng)樣品粘土礦物含量較高，一般在50%以上，其中綠泥石豐富，平均值達24.9%；石英含量較低，分布于12.97%～68.06%，平均值29.04%（陳吉等，2013）。黃保家等（2013）的研究還發(fā)現方解石含量變化大，變化范圍可達0～20%，平均值為3.9%，其中石英的含量一般在34.2%～55.1%之間，平均含量為37.3%。

4　分析與討論

對比研究發(fā)現，兩套地層存在著很大的相似性，但也有一定的差異性。兩套地層都發(fā)育在相似的構造古地理環(huán)境，兩者都發(fā)育在前陸盆地形成的前期快速沉降的缺氧環(huán)境，這是非常有利于有機質保存形成黑色頁巖的環(huán)境。不同的是下揚子地區(qū)的上升洋流破壞了這種穩(wěn)定的環(huán)境，使得高家邊組這套黑色頁巖沉積時間短，厚度分布不均。兩套地層的礦物組成和有機地球化學特征也比較類似，都具有較高的脆性礦物含量。盡管Marcellus頁巖很多地區(qū)粘土礦物含量達到了60%，但是其仍具有高產的特征，這說明脆性礦物的含量對生產起到了重要的作用。Marcellus頁巖的有機質含量明顯更高，且分布穩(wěn)定，而高家邊組底部黑色頁巖有機質含量偏低，但在部分地區(qū)也還是達到了優(yōu)質烴源巖的標準。兩套地層都達到了高成熟的演化階段，在很多地區(qū)達到了過成熟階段。程鵬和肖賢明于2013年研究發(fā)現，很高成熟度的頁巖并不會影響其產氣性，富有機質頁巖即使演化到很高成熟度階段仍會保持一定的孔隙度，其比表面積與納米孔隙度還會一直增加（一直到Ro=3.5%～4.0%），這也可能是Marcellus頁巖高產的一個原因。由此看來，下揚子地區(qū)烴源巖高的成熟度并不是影響該區(qū)頁巖氣潛力的阻礙。兩套地層的空間分布情況類似，整體都是楔形分布。相對與下揚子地區(qū)來說，Marcellus頁巖的埋深適中，勘探的成本較低，高家邊組這套地層埋深很大，只有在局部地區(qū)埋深適中，勘探的風險較大。從兩者空間分布也可以看出，高家邊組黑色頁巖受到后期改造的影響更為強烈。據Engelder等（2009）研究，Marcellus頁巖受到的后期改造作用主要來自于二疊紀的順層縮短作用，而高家邊組黑色頁巖受到的改造更加強烈而且復雜，在不同地區(qū)表現為不同的特征（張濤等，2013）。綜上所述，該套烴源巖的保存條件相對與Marcellus頁巖來說較差，在受到后期改造相對較弱的江陰無錫滑脫褶皺帶地區(qū)可能保存條件較好。

5　結論

（1）Marcellus頁巖和高家邊組黑色頁巖都是在前陸盆地早期閉塞缺氧的靜海環(huán)境下發(fā)育形成，它們的分布都受到前陸盆地形成時和后期改造作用的共同影響。兩套地層具有相似的地球化學特征和礦物組成，都達到高成熟的階段，脆性礦物含量適中，這些特征有利于形成頁巖氣藏。

（2）Marcellus頁巖的TOC含量要高于高家邊組頁巖，其含量一般在4%左右，而高家邊組黑色頁巖一般為1%～2%，生烴潛力較小。Marcellus頁巖的埋深相對更淺，更利于頁巖氣的開發(fā)。而高家邊組黑色頁巖這套地層埋深變化較大，只有在部分地區(qū)埋深適中，勘探風險相對較大。

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Geological Comparisonof Silurian Gaojiabian Formationof Lower Yangtze Areaand Middle Devonian Marcellus Formationin the Appalachian Basinin North America

ZHANG Tao1,YIN Hongwei2*,JIA Dong2,DING Hai3
1.Shenyang Center of Geological Survey,CGS,Shenyang 110034,China；2.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing,210023,China；3.Exploration Research Institure,Anhui Provincial Bureau of Coal Geology,Hefei 230088,China

Abstract:Based on paleogeography and tectonic settings,strata spatial distribution characteristics,basic geochemistry indexes and mineral composition,we compared lower part of Lower Silurian Gaojiabian Formation of Lower Yangtze area and middle Devonian Marcellus Formation in the Appalachian basin.The results show that the two sets of shales shared similar paleogeography and tectonic settings,both accumulated in tranquil anoxic basinal waters and their euxinic depositional site allowed the preservation of the finely organic detritus.The stratigraphy and thickness trends of both formations reflect the interplay of tectonism during the formation time and the later stage.These events shaped the stratigraphic architecture of both formations and can impact the exploration and production strategies of shale gas.Both formations are considered to be good source rocks for the exploration of shale gas and they both have highbook=153,ebook=156thermal maturity and contain relatively high total organic carbon (TOC) content,as well as large amount of brittle minerals.Compared with Marcellus shale,Gaojiabian Formation contains less TOC content,has a deeper burial depth burial depth and has been reworked by multicycle tectonism,which bring higher risks for the exploration of shale gas.

Key words:Lower Yangtze area; Lower Silurian; Appalachian basin; Marcellus shale; shale gas

Corresponding author:YIN Hongwei,Professor; E-mail: hwyin@nju.edu.cn

*通訊作者：尹宏偉，男，1971年生，教授，從事含油氣盆地構造與沉積特征的研究與教學工作; E-mail: hwyin@nju.edu.cn

作者簡介：張濤，男，1989年生，工程師，主要從事含油氣盆地構造研究; E-mail: taozhng@qq.com

基金項目：江蘇省科技支撐計劃項目（BE2013115）;中國地質調查局項目（12120115001301）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2012CB214703）聯合資助

收稿日期：2015-10-25；修回日期：2016-01-07

DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015219

中圖分類號：P618.13

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7493（2016）01-0152-07