川東地區(qū)古生界主要泥頁(yè)巖最高古溫度特征

曹環(huán)宇，朱傳慶，邱楠生*

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京　102249　2　中國(guó)石化勘探分公司,成都　610041

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川東地區(qū)古生界主要泥頁(yè)巖最高古溫度特征

曹環(huán)宇1, 2，朱傳慶1，邱楠生1*

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京1022492中國(guó)石化勘探分公司,成都610041

摘要泥頁(yè)巖的熱演化過(guò)程與其經(jīng)歷的古溫度史相關(guān)，最高古溫度決定它的最終熱演化程度.本文利用古溫標(biāo)方法恢復(fù)了川東地區(qū)古生界主要泥頁(yè)巖層系經(jīng)歷的最高古溫度.研究結(jié)果表明，它們?cè)诰嘟?0—90 Ma時(shí)達(dá)到最高古溫度，龍?zhí)督M頂面最高古溫度150～220 ℃，龍?zhí)督M底面最高古溫度160～230 ℃，龍馬溪組頂面最高古溫度160～250 ℃，五峰組底面最高古溫度170～260 ℃，筇竹寺組頂面最高古溫度210～320 ℃，筇竹寺組底面最高古溫度210～320 ℃.各層最高古溫度平面展布特征相似，最高溫出現(xiàn)在涪陵—豐都一帶，向南與向北溫度均呈降低趨勢(shì)，在達(dá)州—開(kāi)江一帶局部出現(xiàn)較高溫.此外，結(jié)合川東地區(qū)古熱流史分析認(rèn)為，川東古生界泥頁(yè)巖熱演化過(guò)程具有階段性，現(xiàn)今處于高-過(guò)成熟狀態(tài)，達(dá)到最高古溫度后生烴作用停止.川東地區(qū)經(jīng)歷較高的最高古溫度隨后快速抬升剝蝕有利于頁(yè)巖氣的成烴與成藏.

關(guān)鍵詞古生界泥頁(yè)巖； 最高古溫度； 熱演化； 川東地區(qū)

1引言

四川盆地是中國(guó)最大的含氣盆地之一，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的攻關(guān)研究和勘探實(shí)踐，目前已成為我國(guó)發(fā)現(xiàn)氣田數(shù)目最多、產(chǎn)氣層數(shù)最多、年產(chǎn)氣量最大的盆地(戴金星等，2001).除常規(guī)油氣外，四川盆地頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣也展現(xiàn)出良好的前景，特別是古生界海相地層蘊(yùn)藏著豐富的勘探潛力(張水昌和朱光有，2006；董大忠等，2009；鄒才能等，2011)，四川盆地東部地區(qū)是其中深層天然氣、頁(yè)巖氣勘探前景較好的區(qū)域，位于川東地區(qū)的焦石壩頁(yè)巖氣田近年取得突破性進(jìn)展，多口井獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流(郭彤樓和張漢榮，2014)，成為我國(guó)頁(yè)巖氣勘探的示范性區(qū)塊.復(fù)雜的熱演化與生烴歷史是制約海相頁(yè)巖氣勘探的關(guān)鍵問(wèn)題，二者又都與溫度密切相關(guān).其中古地溫影響了烴源巖的生排烴和油氣裂解，現(xiàn)今地溫控制著天然氣在深層的賦存.此外，頁(yè)巖氣的保存與改造同樣受溫度的控制.溫度不僅是控制頁(yè)巖吸附能力的關(guān)鍵因素(張志英和楊盛波，2012；郭為等，2013)，也是影響頁(yè)巖氣重要儲(chǔ)集空間的重要因素(Jarvie et al.，2007；Loucks et al.，2009；Desbois et al.，2009).最高古溫度作為地溫史中代表性的點(diǎn)，對(duì)其研究具有以小見(jiàn)大的意義.前人對(duì)四川盆地的地溫已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究，但多集中在現(xiàn)今地溫場(chǎng)與熱流及盆地古地溫場(chǎng)的恢復(fù)(韓永輝和吳春生，1993；邱楠生等，2008；朱傳慶等，2010；徐明等，2011a,2011b；黃方等，2012)，缺乏對(duì)特定地層溫度演化的研究.本文利用古溫標(biāo)恢復(fù)古地溫梯度并結(jié)合地層埋藏特征分析了川東地區(qū)古生界主要泥頁(yè)巖最高古溫度分布，在此基礎(chǔ)之上，分析了各主要泥頁(yè)巖層熱演化特征并探討其對(duì)頁(yè)巖氣成烴成藏的影響.

2研究區(qū)地質(zhì)概況與古生界泥頁(yè)巖特征

2.1地質(zhì)概況

四川盆地位于我國(guó)西部，地處揚(yáng)子地臺(tái)西北側(cè)，呈北東向菱形沉積盆地面貌，盆地面積約2.3×105km2(徐勝林等，2011)，被龍門(mén)山、大巴山、米倉(cāng)山等山系環(huán)繞.其形成與演化經(jīng)歷了中-晚元古代揚(yáng)子地臺(tái)基底形成階段、震旦紀(jì)-中三疊世被動(dòng)大陸邊緣階段、晚三疊世盆山轉(zhuǎn)換與前陸盆地形成演化階段與侏羅紀(jì)-第四紀(jì)前陸盆地沉積構(gòu)造演化階段(毛瓊等，2006).從構(gòu)造特征上，可以將四川盆地分為川東高陡褶帶、川南低陡褶帶、川中平緩褶帶、川西南低陡褶帶、川北低平褶帶、川西低隆褶帶等次一級(jí)構(gòu)造單元(翟光明等，1989).本文所指的川東地區(qū)即為川東高陡褶帶，位于華鎣山、石龍峽以東，齊岳山以西，北至大巴山逆沖推覆構(gòu)造帶，南至綦江一帶.川東地區(qū)喜山期受到來(lái)自太平洋板塊向西北俯沖的強(qiáng)大擠壓而又被川中剛性基底抵擋，在褶皺變形過(guò)程中長(zhǎng)期持續(xù)對(duì)峙擠壓，造就了川東地區(qū)北北東與北東向?yàn)橹鞯母魮跏礁叨副承卑l(fā)育的構(gòu)造特征(胡光燦和謝姚祥，1997；胡召齊，2009).川東地表構(gòu)造樣式較為簡(jiǎn)單，表現(xiàn)為單一的高陡背斜形態(tài)，地腹褶皺、斷裂復(fù)雜，表現(xiàn)為一個(gè)高陡背斜帶下多個(gè)背斜、向斜構(gòu)造發(fā)育，呈現(xiàn)出構(gòu)造樣式的極不協(xié)調(diào)性(李忠權(quán)和冉隆輝，2002).

四川盆地是在古生代海相克拉通基礎(chǔ)上發(fā)展的疊合盆地，發(fā)育自震旦系至第四系逾萬(wàn)米地層.震旦系到中三疊統(tǒng)海相碳酸鹽巖、泥頁(yè)巖沉積厚4100～7000 m，上三疊統(tǒng)到第三系陸相碎屑巖厚3500～6000 m(毛瓊等，2006).受加里東運(yùn)動(dòng)影響，川東地區(qū)缺失上志留統(tǒng)、泥盆系、下石炭統(tǒng)，中石炭統(tǒng)為黃龍組殘余地層，與上、下地層均為不整合接觸；受印支運(yùn)動(dòng)影響，川東地區(qū)中侏羅統(tǒng)遭受抬升剝蝕，不同位置殘存厚度不一；四川盆地范圍內(nèi)，白堊系-古近系不整合于侏羅系之上，主要分布于川西及川西南和川中地區(qū)，在川東地區(qū)不發(fā)育；新近系、第四系零星分布于盆地邊緣，川東地區(qū)發(fā)育局限.川東高陡構(gòu)造帶背斜核部出露三疊系、二疊系(童崇光，1992)，翼部出露侏羅系碎屑巖.川東地區(qū)烴源巖較發(fā)育，巖性上包括煤系地層、泥頁(yè)巖、海相碳酸鹽巖等，層位上包括寒武系、奧陶系、志留系、二疊系等(向鼎璞，1992)；石炭系、二疊系與三疊系的砂屑灰?guī)r、砂屑白云巖、生物礁灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r和砂巖等構(gòu)成了主要儲(chǔ)集層；梁山組泥頁(yè)巖、飛仙關(guān)組泥質(zhì)灰?guī)r與膏鹽層、嘉陵江組膏鹽層等構(gòu)成了主要蓋層.對(duì)于頁(yè)巖氣勘 探，古生界主要有利泥頁(yè)層系包括下寒武統(tǒng)筇竹寺組、上奧陶統(tǒng)五峰組、下志留統(tǒng)龍馬溪組及上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M.

圖1　四川盆地構(gòu)造單元分區(qū)圖(翟光明等，1989)

圖2　川東地區(qū)地層綜合柱狀圖(朱光有等，2006；Hao et al.，2008)

2.2古生界泥頁(yè)巖特征

上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M海陸過(guò)渡相烴源巖在四川盆地內(nèi)廣泛分布.厚度除盆地北部綿陽(yáng)—儀隴以北和涪陵—石柱一帶小于30～40 m外，其余地區(qū)一般為50～120 m(楊家靜等，2002；陳宗清，2011).龍?zhí)督M泥質(zhì)巖有機(jī)碳豐度較高，平均2.0%～5.0%.四川盆地龍?zhí)督MRo(鏡質(zhì)體反射率)值介于1.3%～3.4%之間，基本達(dá)到高-過(guò)成熟階段(梁狄剛等，2008).

下志留統(tǒng)龍馬溪組主要分布在川東和川南地區(qū)，川西樂(lè)山—龍女寺隆起被剝蝕殆盡(張靜平等，2011).具有兩個(gè)沉積中心，分別位于萬(wàn)縣—石柱地區(qū)和瀘州—自貢—宜賓地區(qū)，其最大沉積厚度達(dá)700 m(徐勝林等，2011).有機(jī)碳豐度表現(xiàn)出下部較高上部較低的特征，下段黑色頁(yè)巖有機(jī)碳豐度一般大于2.0%，上段粉砂巖、灰色薄層鈣質(zhì)巖有機(jī)碳豐度一般小于1.0%，有機(jī)質(zhì)類型以I型為主(劉樹(shù)根等，2013).熱演化程度總體偏高，Ro值主要分布于2.0%～3.6%之間，最高可達(dá)4.0%，處于高成熟-過(guò)成熟階段(徐勝林等，2011).

上奧陶統(tǒng)五峰組黑色頁(yè)巖厚度中心位于宜賓—綏江一帶，平均厚度約10 m，川西及川中部分地區(qū)己被剝蝕.五峰組頁(yè)巖碳質(zhì)、硅質(zhì)含量豐富，有機(jī)碳豐度高，一般大于2.0%.有機(jī)質(zhì)類型絕大多數(shù)為I型，少數(shù)為II1型(劉樹(shù)根等，2013).成熟度較高，Ro值大致為1.5%～4.0%，處于成熟和過(guò)成熟階段(蒲泊伶，2008).

下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁(yè)巖廣泛分布于揚(yáng)子、南秦嶺和滇黔北部地區(qū)的次深海-深海沉積相區(qū)，幾乎廣布整個(gè)四川盆地，僅在西部邊緣的雅安—天泉—大邑一帶因剝蝕而缺失，平均厚度139 m.四川盆地筇竹寺組泥頁(yè)巖有機(jī)碳豐度一般分布在0.5%～3.0%之間，以川東北和川西—川西北地區(qū)豐度值最高，多為1.0%以上(蒲泊伶，2008)，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ，Ⅱ1型(李賢慶等，2013).有機(jī)質(zhì)成熟度整體很高，Ro值為2.0%～5.0%，處于過(guò)成熟階段，盆地南部成熟度低于盆地東北部(徐勝林等，2011).

3研究方法與主要數(shù)據(jù)

3.1研究方法

盆地?zé)崾放c古溫度的研究方法包括古溫標(biāo)法與熱動(dòng)力學(xué)模型法兩大類(胡圣標(biāo)和汪集旸，1995)，前者主要從盆地尺度進(jìn)行研究，后者則從巖石圈尺度來(lái)考察.本文中主要采用古溫標(biāo)的方法.Sweeney和Burnham(1990)的研究表明，鏡質(zhì)體反射率的對(duì)數(shù)與其經(jīng)歷的最高溫度線性相關(guān)，每一個(gè)Ro值代表一個(gè)最高古溫度值.對(duì)于一套連續(xù)沉積的地層，它們達(dá)到最高古溫度的時(shí)間是一致的，根據(jù)不同深度樣品的最高古溫度即可求得這套地層達(dá)到最高古溫度時(shí)的古地溫梯度(胡圣標(biāo)等，1998).通過(guò)最高古地溫剖面向上延伸至現(xiàn)今地表溫度可得到地層剝蝕厚度，結(jié)合其他古溫標(biāo)研究結(jié)果與地層數(shù)據(jù)等可恢復(fù)盆地地層埋藏史.雖然在巖石圈尺度地溫梯度隨深度增加呈逐漸減小的趨勢(shì)，但在沉積盆地尺度內(nèi)沒(méi) 有熱異常的前提下可認(rèn)為具有統(tǒng)一的地溫梯度.因此，對(duì)于沒(méi)有取得鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)的地層同樣可以通過(guò)古埋藏深度與古地溫剖面分析其頂?shù)酌娴淖罡吖艤囟?圖3中層6).通過(guò)恢復(fù)目的層在不同單井中的最高古溫度，可進(jìn)一步分析其平面展布特征.

3.2主要數(shù)據(jù)與參數(shù)

圖3　研究方法示意圖(據(jù)袁玉松等(2008)修改)

本文中使用的主要數(shù)據(jù)與參數(shù)包括古溫標(biāo)數(shù)據(jù)、川東地區(qū)現(xiàn)今大地?zé)崃髦?、川東地區(qū)現(xiàn)今地溫梯度、巖石熱物理參數(shù)與地層分層數(shù)據(jù)等.其中現(xiàn)今大地?zé)崃?、地溫梯度與巖石熱物理參數(shù)采用前人數(shù)據(jù)與研究成果(韓永輝和吳春生，1993；盧慶治等，2005；徐明等，2011a)，地層分層數(shù)據(jù)采用油田的鉆井分層數(shù)據(jù).本文選取了鏡質(zhì)體反射率與磷灰石裂變徑跡這兩種常用古溫標(biāo)，以下對(duì)其簡(jiǎn)要說(shuō)明.

鏡質(zhì)體反射率作為最可靠的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)，在沉積盆地?zé)崾费芯恐械玫搅藦V泛的應(yīng)用.川東地區(qū)上三疊統(tǒng)及以上陸相地層中的鏡質(zhì)體反射率可直接用作恢復(fù)熱史的指標(biāo)，中三疊統(tǒng)及以下海相地層可利用鏡狀體反射率或?yàn)r青反射率進(jìn)行換算(王飛宇等，1995；豐國(guó)秀和陳盛吉，1988).圖4a為川東地區(qū)主要研究井的Ro值深度分布，Ro值主要分布在0.5%～4.0%之間，與深度表現(xiàn)出良好的相關(guān)關(guān)系.本文選取的6個(gè)磷灰石裂變徑跡樣品采自PG2、MB1與G8三口鉆井的三疊系與侏羅系砂巖地層(圖4b)，現(xiàn)今埋藏深度小于3000 m，磷灰石裂變徑跡年齡均小于地層年齡，樣品徑跡經(jīng)歷退火.

4川東地區(qū)最高古溫度特征

4.1現(xiàn)今地溫特征

盆地的現(xiàn)今地溫場(chǎng)是進(jìn)行古地溫恢復(fù)的基礎(chǔ)和前提，是地溫演化的最后一幕，也是唯一可以直接觀察測(cè)試的參數(shù).四川盆地現(xiàn)今地溫具有分層特點(diǎn)，局部地溫較高地段可能與基底中放射性元素的局部富含有關(guān)(謝曉黎和于匯津，1988).四川盆地現(xiàn)今是一個(gè)中低溫盆地，大部分地區(qū)地溫梯度介于20～25 ℃·km-1之間，呈西南高東北低、中部高周緣低的分布特征；四川盆地的大地?zé)崃鞅憩F(xiàn)出與地溫梯度一致的分布特征，不同學(xué)者研究得到四川盆地平均熱流值介于47～53.2 mW·m-2之間，同樣表現(xiàn)出川中地區(qū)大地?zé)崃髦蹈?可達(dá)70 mW·m-2左右)，向四周降低的特點(diǎn)(最低僅40 mW·m-2左右)，地溫梯度與大地?zé)崃鞯钠矫娣植贾g存在的細(xì)微差異，主要是由于不同地區(qū)地層的熱導(dǎo)率存在差異(韓永輝和吳春生，1993；盧慶治等，2005；王瑋等，2011；徐明等，2011a).四川盆地地殼熱流較地幔熱流高，屬于“熱殼冷?！毙团璧兀邤?shù)值均較低，為構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)(郭正吾等，1996；徐明等，2011b).川東地區(qū)為四川盆地中相對(duì)較“冷”的區(qū)域，地溫梯度主要介于16～23 ℃·km-2之間，大地?zé)崃髦饕橛?5～65 mW·m-2之間，由東北向西南方向呈增大的趨勢(shì).

4.2埋藏史特征

川東地區(qū)經(jīng)歷多期沉積與抬升剝蝕，埋藏史復(fù)雜.在重建川東地區(qū)埋藏史時(shí)，所需的地層數(shù)據(jù)主要來(lái)自鉆井分層，缺乏鉆井?dāng)?shù)據(jù)的早古生界則利用地震數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)齊.對(duì)于所需的地層剝蝕量數(shù)據(jù)，中-新生界剝蝕量利用磷灰石裂變徑跡與鏡質(zhì)體反射率兩古溫標(biāo)從地?zé)釋W(xué)角度進(jìn)行恢復(fù)，古生界的幾期剝蝕量難以通過(guò)古溫標(biāo)恢復(fù)且對(duì)古地溫研究影響較小，主要參考前人研究成果.磷灰石裂變徑跡樣品的模擬結(jié)果表明，樣品距今約80—90 Ma時(shí)經(jīng)歷最高溫度，隨后樣品溫度持續(xù)降低，最高溫度與現(xiàn)今溫度之差為60～80 ℃，體現(xiàn)2000～3500 m的剝蝕量.通過(guò)鏡質(zhì)體反射率方法恢復(fù)的中-新生界剝蝕量為2000～3000 m，與磷灰石裂變徑跡恢復(fù)結(jié)果一致，中-新生界剝蝕量在平面上表現(xiàn)出東北部較大西南部較小的特征(圖6a).川東地區(qū)古生代以來(lái)的埋藏史特征表現(xiàn)為：震旦紀(jì)至中三疊世海相地層沉積階段沉積速率較慢，存在幾期規(guī)模較小的剝蝕(<500 m)，晚三疊世進(jìn)入陸相地層沉積階段以后，沉積速率陡然增大，地層迅速埋深，至晚白堊世經(jīng)受大規(guī)模抬升剝蝕，剝蝕量巨大(>2000 m)(圖6b).

圖4　鏡質(zhì)體反射率(a)與磷灰石裂變徑跡(b)古溫標(biāo)數(shù)據(jù)

圖5　四川盆地現(xiàn)今地溫梯度(a)與現(xiàn)今大地?zé)崃?b)(徐明等，2011a)

4.3主要泥頁(yè)巖層最高古溫度特征

川東地區(qū)古生界主要泥頁(yè)巖層之間雖然存在不整合，但其埋藏史特征決定了它們達(dá)到最高古溫度的時(shí)間是一致的，為晚白堊世(80—90 Ma).以CY84井與MA1井為例，CY84井現(xiàn)今地溫梯度21.9 ℃·km-1，恢復(fù)得到晚白堊世古地溫梯度25.7 ℃·km-1；MA1井現(xiàn)今地溫梯度19.2 ℃·km-1，恢復(fù)得到晚白堊世古地溫梯度22.6 ℃·km-1.兩口鉆井均表現(xiàn)出古地溫梯度較現(xiàn)今地溫梯度高的特征，體現(xiàn)從古至今經(jīng)歷冷卻過(guò)程(圖7a，7b).本文恢復(fù)了川東地區(qū)16口鉆井古地溫梯度，并結(jié)合前人對(duì)四川盆地古地溫的研究(王瑋等，2011；劉陽(yáng)，2011)，得到川東地區(qū)地層達(dá)到最大埋深時(shí)的古地溫梯度為22～28 ℃·km-1.最高古地溫梯度出現(xiàn)于中部接近川中地區(qū)，向北與向南均呈降低趨勢(shì)(圖7c).

通過(guò)古地溫梯度與埋藏史，分別計(jì)算了川東地區(qū)古生界主要泥頁(yè)巖層頂?shù)酌娴淖罡吖艤囟?由于上奧陶統(tǒng)五峰組與下二疊統(tǒng)龍馬溪組相鄰，在計(jì)算時(shí)將它們當(dāng)作同一層，僅計(jì)算了龍馬溪組頂面與五峰組底面最高古溫度.

圖6　川東地區(qū)中-新生界剝蝕厚度(m)平面圖(a)與典型井埋藏史(b)

圖7　川東地區(qū)CY84井(a)與MA1井(b)古地溫梯度及晚白堊世古地溫梯度(℃·km-1) 平面分布圖(c)

計(jì)算結(jié)果表明，龍?zhí)督M頂面最高古溫度150～220 ℃，龍?zhí)督M底面最高古溫度160～230 ℃，龍馬溪組頂面最高古溫度160～250 ℃，五峰組底面最高古溫度170～260 ℃，筇竹寺組頂面最高古溫度 210～320 ℃，筇竹寺組底面最高古溫度210～320 ℃.川東地區(qū)各古生界泥頁(yè)巖最高古溫度平面展布特征相似，各層最高溫度出現(xiàn)在涪陵—豐都一帶，向南與向北溫度均呈降低趨勢(shì)，在達(dá)州—開(kāi)江一帶局部出現(xiàn)較高溫度.這一展布特征主要受各層泥頁(yè)巖厚度、古地溫梯度與上覆地層厚度控制，川東地區(qū)古生界各泥頁(yè)巖層厚度較穩(wěn)定，不同部位變化較小，因此各層頂?shù)椎葴鼐€形態(tài)相似；涪陵—豐都一帶較高的古地溫梯度與較厚的上覆地層決定了古生界泥頁(yè)巖具有較高的古溫度.

4.4有機(jī)質(zhì)演化特征

有機(jī)質(zhì)的成熟演化主要受時(shí)間與溫度的控制，其中又以溫度為主.對(duì)于一套特定的烴源巖，其經(jīng)歷的地質(zhì)時(shí)間是確定的.而影響地層溫度史的關(guān)鍵因素是大地?zé)崃魇放c地層埋藏史.四川盆地加里東期之前熱狀態(tài)穩(wěn)定，熱流值較低，海西期開(kāi)始熱流逐漸上升，于中二疊世末(260 Ma左右)達(dá)到最高值(60～80 mW·m-2)，隨后熱流持續(xù)降低直至現(xiàn)今(朱傳慶等，2010).二疊紀(jì)熱流高峰的出現(xiàn)主要受峨嵋山玄武巖噴發(fā)與地殼拉張減薄的影響(朱傳慶等，2010； 何麗娟等，2011).川東地區(qū)不是受影響最強(qiáng)烈的區(qū)域，但最高古熱流仍達(dá)到70 mW·m-2以上(袁玉松等，2006；盧慶治等，2007；邱楠生等，2008).在此基礎(chǔ)上結(jié)合川東地區(qū)埋藏史，對(duì)古生界主要泥頁(yè)巖層熱演化進(jìn)行了模擬.

圖8　川東地區(qū)古生界泥頁(yè)巖層最高古溫度(℃)(a) 龍?zhí)督M頂面； (b) 龍?zhí)督M底面； (c) 龍馬溪組頂面； (d) 五峰組底面； (e) 筇竹寺組頂面； (f) 筇竹寺組底面.

在有機(jī)質(zhì)熱演化的過(guò)程中，不同的受熱史會(huì)導(dǎo)致成熟演化史的差異，但最高古溫度決定了有機(jī)質(zhì)演化的最終狀態(tài)，導(dǎo)致了成熟度的“定格”.降溫之后有機(jī)質(zhì)生烴過(guò)程隨之停滯，溫度變化不再造成有機(jī)質(zhì)成熟度的變化.

圖9　典型鉆井成熟度演化

圖9為川東地區(qū)四口典型鉆井泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟演化史，四口鉆井筇竹寺組、五峰組、龍馬溪組與龍?zhí)督M烴源巖現(xiàn)今均達(dá)到高-過(guò)成熟度階段.其演化過(guò)程呈明顯的階梯狀，距今250 Ma與距今160 Ma的兩次快速成熟分別對(duì)應(yīng)二疊紀(jì)熱流高峰(羅志立等，2012)與地層埋深快速增大.下寒武統(tǒng)筇竹寺組約距今270 Ma前進(jìn)入成熟階段開(kāi)始生油，約距今230 Ma開(kāi)始進(jìn)入干酪根裂解生濕氣階段，約距今160—120 Ma開(kāi)始進(jìn)入原油裂解生干氣階段；上奧陶統(tǒng)五峰組與下志留統(tǒng)龍馬溪組約距今250 Ma前進(jìn)入成熟階段開(kāi)始生油，約距今220—130 Ma開(kāi)始進(jìn)入干酪根裂解生濕氣階段，約距今160—80 Ma進(jìn)入原油裂解生干氣階段；上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M約距今240 Ma前進(jìn)入成熟階段開(kāi)始生油，約距今160—80 Ma開(kāi)始進(jìn)入干酪根裂解生濕氣階段，除X14井龍?zhí)督M外其他三口井約距今140—90 Ma前進(jìn)入原油裂解生干氣階段.

從平面上看，早三疊世時(shí)，龍馬溪組、五峰組、筇竹寺組受二疊紀(jì)熱流高峰影響，成熟度迅速升高，已經(jīng)進(jìn)入高成熟階段，呈東高西低展布特征，而龍?zhí)督M沉積于二疊紀(jì)熱流高峰之后，成熟度較低，成熟度平面分布與其他三層差異較大，呈北高南低特征(圖10)；中侏羅世時(shí)，受快速埋深影響，成熟度繼續(xù)升高，龍?zhí)督M開(kāi)始進(jìn)入高成熟階段，其他三層已經(jīng)進(jìn)入過(guò)成熟階段，前期成熟度展布被改造，龍?zhí)督M成熟度呈北高南低特征，其他三層呈中間高兩邊的特征(圖11)；晚二疊世時(shí)，古生界主要泥頁(yè)巖層埋深達(dá)到最大，成熟度達(dá)到最高，均處于高-過(guò)成熟階段(圖12).

5討論

溫度與頁(yè)巖氣之間有著密切的聯(lián)系，從頁(yè)巖氣生成到頁(yè)巖氣保存與頁(yè)巖氣改造的整個(gè)過(guò)程中處處存在溫度的影響.

5.1最高古溫度與頁(yè)巖氣生成

頁(yè)巖氣從成因上可以分為生物氣與熱成因氣兩大類，且以熱成因氣為主(Curtis,2002).四川盆地古生界泥頁(yè)巖原始有機(jī)質(zhì)主要為I、II型，生烴早期以生油為主.現(xiàn)今成熟度很高，早已進(jìn)入過(guò)成熟階 段，烴源巖生烴潛力微弱，又因大規(guī)模抬升剝蝕而有機(jī)質(zhì)生烴作用停止，頁(yè)巖氣主要為殘余油經(jīng)熱裂解作用形成的熱成因氣.泥頁(yè)巖經(jīng)歷最高古溫度的高低決定了生氣量，達(dá)到最高古溫度的時(shí)間決定了頁(yè)巖氣處于純散失狀態(tài)的時(shí)間.川東地區(qū)古生界泥頁(yè)巖晚白堊世經(jīng)歷最高古溫度，埋深最小的龍?zhí)督M最高古溫度150～230 ℃，埋深最大的筇竹寺組最高古溫度210～320 ℃.達(dá)到最高古溫度前的快速升溫與較高的最高古溫度保證了早期豐富的氣量，并且處于純散失狀態(tài)的時(shí)間較短，對(duì)頁(yè)巖氣保存有利.

5.2最高古溫度與頁(yè)巖氣保存和改造

對(duì)于頁(yè)巖氣的成藏與改造，溫度的影響具有兩面性.一方面，高溫可以促進(jìn)泥頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)孔的形成，增加頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間.頁(yè)巖中吸附氣含量一般介于20%～85%之間(李新景等，2007)，并主要由生烴作用形成有機(jī)質(zhì)孔隙對(duì)頁(yè)巖氣吸附氣量起控制作用.Jarvie(2007)等認(rèn)為若TOC含量為7.0%的頁(yè)巖在熱裂解過(guò)程中損失35%的有機(jī)質(zhì)碳，能凈增4.9%的有效孔隙度.有機(jī)質(zhì)孔隙度與成熟度正相關(guān)(Loucks et al.，2009)，而有機(jī)質(zhì)成熟度與經(jīng)歷的最 高古溫度正相關(guān)，換而言之，有機(jī)質(zhì)孔隙度與最高古溫度正相關(guān).眾多學(xué)者對(duì)四川盆地古生界泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其有機(jī)質(zhì)孔隙十分發(fā)育，部分樣品中為泥頁(yè)巖中主要孔隙類型，多為納米級(jí)孔隙，呈分散狀或蜂窩狀分布(劉樹(shù)根等，2013；羅超等，2014；郭彤樓和劉若冰，2013).另外，深部高溫高壓條件對(duì)頁(yè)巖氣的另一重要組成部分游離氣保存有利，對(duì)其應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算，假定埋深分別為6000 m與3000 m，泥頁(yè)巖層壓力系數(shù)恒定為1.5，地表溫度恒定為20 ℃，地溫梯度分別為25 ℃·km-1與20 ℃·km-1的條件下，每mol天然氣體積分別為0.04 L與0.06 L，單位體積儲(chǔ)集空間可以存儲(chǔ)更多游離氣.但另一方面，高溫卻降低了泥頁(yè)巖對(duì)吸附氣的儲(chǔ)集性能.頁(yè)巖的吸附能力隨溫度的升高而減小，溫度很高時(shí)吸附量接近常數(shù)，在深部高溫高壓條件下天然氣的吸附量低于淺部(薛海濤等，2003；張志英和楊盛波，2012；劉洪林和王紅巖，2012).對(duì)于川東地區(qū)而言，晚三疊世開(kāi)始地層快速埋藏達(dá)到較高的最高古溫度促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)孔隙的形成，增加了儲(chǔ)集空間.隨后地層快速抬升，游離氣體積膨脹，而泥頁(yè)巖吸附性能隨埋深變淺好轉(zhuǎn)，可促使部分游離氣向更為穩(wěn)定的吸附氣轉(zhuǎn)化，減少頁(yè)巖氣擴(kuò)散量，有利于頁(yè)巖氣保存.

圖10　早三疊世川東地區(qū)古生界泥頁(yè)巖成熟度(Ro,%)演化平面圖(a) 龍?zhí)督M； (b) 龍馬溪組； (c) 五峰組； (d) 筇竹寺組.

圖11　中侏羅世川東地區(qū)古生界泥頁(yè)巖成熟度(Ro,%)演化平面圖(a) 龍?zhí)督M； (b) 龍馬溪組； (c) 五峰組； (d) 筇竹寺組.

圖12　晚白堊世川東地區(qū)古生界泥頁(yè)巖成熟度(Ro,%)演化平面圖(a) 龍?zhí)督M； (b) 龍馬溪組； (c) 五峰組； (d) 筇竹寺組.

6結(jié)論

(1) 川東地區(qū)古生界主要泥頁(yè)巖在晚白堊世經(jīng)歷最高古溫度，龍?zhí)督M頂面最高古溫度150～220 ℃，龍?zhí)督M底面最高古溫度160～230 ℃，龍馬溪組頂面最高古溫度160～250 ℃，五峰組底面最高古溫度170～260 ℃，筇竹寺組頂面最高古溫度210～320 ℃，筇竹寺組底面最高古溫度210～320 ℃.各層最高溫度出現(xiàn)在涪陵—豐都附近，向南與向北溫度均呈降低趨勢(shì)，在達(dá)州—開(kāi)江一帶局部出現(xiàn)較高溫度.

(2) 川東地區(qū)古生界主要泥頁(yè)巖層有機(jī)質(zhì)熱演化呈階段性，存在兩次快速成熟，分別對(duì)應(yīng)二疊紀(jì)熱流高峰與晚三疊世以來(lái)的地層快速埋深.達(dá)到最大埋深經(jīng)歷最高古溫度后開(kāi)始抬升，生烴作用停止，現(xiàn)今除部分地區(qū)龍?zhí)督M外均處于過(guò)成熟狀態(tài).

(3) 最高古溫度與頁(yè)巖氣密切相關(guān)，川東地區(qū)經(jīng)歷較高最高古溫度保證了早期豐富的生氣量與有機(jī)質(zhì)孔隙的形成，后期快速抬升降溫改善了泥頁(yè)巖儲(chǔ)集性能，有利于頁(yè)巖氣的保存.

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(本文編輯何燕)

基金項(xiàng)目國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2012CB214703)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41125010)與中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2013D-5006-0102)聯(lián)合資助.

作者簡(jiǎn)介曹環(huán)宇，男，1991年生，在讀碩士，主要從事沉積盆地溫壓場(chǎng)及油氣成藏機(jī)理方面研究.E-mail：caohuanyu722@126.com E-mail：qiunsh@cup.edu.cn

*通訊作者邱楠生，男，1968年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事沉積盆地構(gòu)造-熱演化和油氣成藏機(jī)理方面的教學(xué)和科研工作.

doi:10.6038/cjg20160323 中圖分類號(hào)P314

收稿日期2015-01-23，2015-05-26收修定稿

Maximum paleotemperature of main Paleozoic argillutite in the Eastern Sichuan Basin

CAO Huan-Yu1,2,ZHU Chuan-Qing1,QIU Nan-Sheng1*

1StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China2ExplorationCompanyofSINOPEC,Chengdu610041,China

AbstractThe thermal evolution process of argillutite is related to its paleotemperature history,and the final evolution degree is controlled by the maximum paleotemperature.We recovered the maximum paleotemperatures of main Paleozoic argillutite in the Eastern Sichuan Basin based on paleo-thermal indicators.These formations reached maximum paleotemperatures 80—90 million years before present.The maximum paleotemperature of the top surface of the upper Permian Longtan Formation is 150～220 ℃ and bottom surface is 160～230 ℃.The maximum paleotemperature of the top surface of the lower Silurian Longmaxi Formation is 160～250 ℃ and the bottom surface of the upper Ordovician Wufeng Formation is 170～260 ℃.The maximum paleotemperature of the top surface of the lower Cambrian Qiongzhusi Formation is 210～320 ℃ and bottom surface is 210～320 ℃.The maximum paleotemperatures of these formations have similar distribution characteristics,exhibiting a high to low trend both to south and to north and the highest temperature appearing around Fuling-Fengdu with some high temperature areas near Dazhou-Kaijiang.The evolution processes of main Paleozoic argillutite in the Eastern Sichuan can be divided into different phases,and now is in the high to over mature stage.The Eastern Sichuan Basin experienced a high maximum paleotemperature,followed by rapid rise which is favorable for shale gas generation and accumulation.

KeywordsPaleozoic argillutite; Maximum paleotemperature; Thermal evolution; Eastern Sichuan Basin

曹環(huán)宇，朱傳慶，邱楠生.2016.川東地區(qū)古生界主要泥頁(yè)巖最高古溫度特征.地球物理學(xué)報(bào)，59(3):1017-1029,doi:10.6038/cjg20160323.

Cao H Y,Zhu C Q,Qiu N S.2016.Maximum paleotemperature of main Paleozoic argillutite in the Eastern Sichuan Basin.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):1017-1029,doi:10.6038/cjg20160323.