四川盆地焦石壩地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖元素地球化學(xué)特征及對(duì)頁巖氣開發(fā)的意義

甘玉青，王 超，方棟梁，楊蘭芳，周新科，張 萍

(中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

頁巖氣是一種典型的非常規(guī)天然氣藏，作為一種新型的綠色能源已引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。近年來，隨著我國(guó)頁巖氣勘探開發(fā)的異軍突起，特別是四川盆地涪陵頁巖氣田的商業(yè)開發(fā)，越來越多的學(xué)者將元素地球化學(xué)應(yīng)用到頁巖的沉積環(huán)境判別、物源分析及頁巖氣富集機(jī)制探討上。元素地球化學(xué)不僅可以有效用來解釋黑色頁巖沉積時(shí)期的氧化還原環(huán)境，表征古生產(chǎn)力狀況，分析有機(jī)質(zhì)的富集機(jī)制，而且可以為頁巖氣勘探開發(fā)提供重要的參考和有效的指導(dǎo)[1-2]。本文通過系統(tǒng)的主、微量元素地球化學(xué)分析，結(jié)合 TOC 含量的變化特征，對(duì)焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組下部頁巖形成時(shí)的氧化還原條件和古生產(chǎn)力進(jìn)行了闡述，并在此基礎(chǔ)上，探討了焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)富集的主控因素。另外，鑒于國(guó)外生物成因硅質(zhì)頁巖重要的油氣地質(zhì)意義，此次還開展了含氣頁巖的硅質(zhì)成因分析及地球化學(xué)元素在可壓性、含氣性方面的指示性研究，以期為類似區(qū)域內(nèi)頁巖有機(jī)質(zhì)的富集和頁巖氣開發(fā)甜點(diǎn)區(qū)的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)提供有利依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

焦石壩地區(qū)構(gòu)造上隸屬于川東高陡褶皺帶，西側(cè)以華鎣山深大斷裂為界，東側(cè)以齊西深大斷裂為界，北側(cè)與秦嶺褶皺帶相接[3]。焦石壩構(gòu)造主體表現(xiàn)為受大耳山斷裂控制的寬緩斷背斜構(gòu)造，呈北東向展布。在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積期，研究區(qū)沉積了大套的深灰色、灰黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖夾薄層的泥質(zhì)粉砂巖，屬于深海陸棚相。該套含氣頁巖在區(qū)域上分布較穩(wěn)定，厚度一般在60～100 m，為涪陵頁巖氣田開發(fā)的主要目的層段，自下而上可劃分為9個(gè)小層，巖性上具有明顯的三分性。依據(jù)頁巖巖相、總有機(jī)碳含量和含氣性等縱向變化，將五峰組—龍馬溪組下部含氣頁巖自下而上劃分為兩段：優(yōu)質(zhì)氣層段(①～⑤小層)和含氣頁巖段(⑥～⑨小層)。其中，下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段厚度一般為40 m左右，巖性以高/中碳黏土質(zhì)粉砂/硅質(zhì)頁巖為主，筆石、放射蟲和藻類發(fā)育，TOC含量一般大于2.5%；上部含氣頁巖段為厚45～60 m的中/低碳黏土質(zhì)粉砂頁巖/粉砂質(zhì)黏土頁巖相，TOC含量一般小于2%。

2 樣品采集與分析方法

本次主要對(duì)焦石壩地區(qū)JYA、JYD兩口取心井85塊頁巖樣品的主、微量元素進(jìn)行測(cè)定分析，研究其元素含量和比值變化特征。主、微量元素的測(cè)試主要在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院實(shí)驗(yàn)室完成。其中，主量元素采用AL104、PW2404X射線熒光光譜儀測(cè)試，實(shí)驗(yàn)溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為29%。測(cè)試流程參見GB/T 14506.14-2010和GB/T14506.28-2010。微量元素采用PerkinElmer和Elan DCR Ge型等離子體質(zhì)譜分析儀測(cè)定，測(cè)試方法和依據(jù)參見GB/T14506.30-2010，實(shí)驗(yàn)溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為30%。有機(jī)碳含量(TOC) 分析由江漢油田勘探開發(fā)研究院采用CS844碳硫測(cè)定儀完成，測(cè)試依據(jù)參見GB/T 19145-2003。

3 元素地球化學(xué)特征

3.1 主量元素

對(duì)頁巖樣品進(jìn)行主量元素分析，部分元素的測(cè)試結(jié)果見表1。焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖的主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3，3種成分總含量介于73.41%～86.05%之間，平均為80.89%。其中，SiO2的 含 量 最 高(54.67%～77.25%),其次為 Al2O3(6.02%～18.89%)，F(xiàn)e2O3的含量介于2.60%～8.18%之間；K2O、FeO、MgO、CaO和 Na2O的含量分別為1.58%～5.19%，1.04%～4.91%，0.97%～3.77%，0.22%～7.72%，0.58%～1.86%；TiO2、P2O5和MnO的含量都在1%以下。和世界頁巖平均值(WEDEPOHL[4]，下同)相比，優(yōu)質(zhì)氣層段表現(xiàn)為明顯的SiO2和CaO富集，Al2O3、MgO、MnO、Na2O、K2O、FeO和TiO2相對(duì)虧損，P2O5含量相當(dāng)。

從主量元素縱向分布特征來看(圖1)，五峰組主量元素變化較大，龍馬溪組Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O 和TiO2含量自下而上整體上呈緩慢增加趨勢(shì)，P2O5分布較穩(wěn)定。主量元素含量在下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段、上部含氣頁巖段存在較大差異。優(yōu)質(zhì)氣層段的SiO2和CaO的含量高于含氣頁巖段，而Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、K2O 和TiO2的含量卻低于含氣頁巖段，P2O5在優(yōu)質(zhì)氣層段和含氣頁巖段差異不大，基本保持穩(wěn)定。

3.2 微量元素

沉積物中的微量元素僅有自生來源部分才能準(zhǔn)確判定古沉積環(huán)境特征，為了扣除陸源成分對(duì)自生微量元素的影響，常用的方法是利用來源于陸源且在成巖過程中穩(wěn)定的Al元素標(biāo)準(zhǔn)化樣品中微量元素的含量[5]。焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖樣品部分微量元素分析及計(jì)算結(jié)果見表2。圖2為利用世界頁巖平均值對(duì)微量元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的曲線。和世界頁巖平均值相比，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖Mo、Ba、Cr、V、Ni、Th和U在整個(gè)剖面總體上表現(xiàn)出明顯的富集，含量分別為3.62～130/24.08，1 101～3 062/2 010.64，56～193/120.66，65.3～645/200.62，52.1～197/97.09，8.73～30.4/19.07，3.91～54.2/10.36 μg/g(最小值～最大值/平均值)。Sr整體上表現(xiàn)為虧損，含量為56.2～254/126.98 μg/g。在優(yōu)質(zhì)氣層段，Mo、V、Ni和U的富集程度較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界頁巖平均值，尤其是在底部。而在含氣頁巖段，Rb、Ba和Th的富集程度較高，和下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段相比，含量明顯增加。

表1 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖主量元素分析及計(jì)算結(jié)果

圖1 四川盆地焦石壩地區(qū)JYA井五峰組—龍馬溪組頁巖主量元素縱向變化特征

井名樣品號(hào)層位w(TOC)/%測(cè)試結(jié)果/(μg·g-1)MoVCrCoNiScThUBa計(jì)算結(jié)果V/CrNi/CoV/ScU/ThV/(V+Ni)Ba(xs)/(μg·g-1)JYAJYDJYA-4-11⑨0．668．41193118．022．377．124．3025．106．5626371．643．467．940．260．712118．90JYA-4-49⑧1．7020．50392140．014．493．316．3021．506．7225902．806．4824．050．310．812130．16JYA-4-102⑦1．6710．70158102．020．768．214．2017．906．9722311．553．2911．130．390．701669．34JYA-4-126⑥1．579．03111109．019．859．816．4022．106．7321451．023．026．770．300．651586．65JYA-4-158⑤2．8017．3020395．220．485．113．9017．508．8623012．134．1714．600．510．701764．74JYA-4-196④2．5629．60271145．014．8112．010．6016．009．5917841．877．5725．570．600．711103．48JYA-4-219③3．8556．60180135．016．5128．08．9613．5017．9016901．337．7620．091．330．58972．96JYA-4-238②5．65123．0041079．512．6173．08．6812．9054．2016435．1613．7347．244．200．701064．91JYA-4-247①3．8565．30250137．012．9151．06．738．7319．4011011．8211．7137．152．220．62416．06JYD-5-68⑨0．636．32175119．019．368．118．3021．406．1319221．473．539．560．290．721249．68JYD-5-181⑧2．3220．70124117．019．6102．014．9020．909．9016941．065．208．320．470．551029．22JYD-5-247⑦1．3611．00103102．019．577．711．8016．005．9115011．013．988．730．370．57792．00JYD-5-277⑥1．4116．10104169．017．596．212．9017．806．0815550．625．508．060．340．52479．44JYD-5-323⑤2．2720．80176153．021．3100．014．6018．807．8616931．154．6912．050．420．64611．31JYD-5-379④2．8128．50285134．022．2125．015．2020．8011．5017742．135．6318．750．550．70688．60JYD-5-463③3．9055．00261131．016．7144．010．4013．8016．4014441．998．6225．101．190．64684．48JYD-5-494②4．35130．0064579．612．7184．010．6014．7037．9014498．1014．4960．852．580．78884．33JYD-5-529①3．0614．90131128．018．174．212．1020．204．7015911．024．1010．830．230．64974．20

圖2 四川盆地焦石壩地區(qū)JYA井五峰組—龍馬溪組頁巖微量元素Al標(biāo)準(zhǔn)化值

從微量元素Al標(biāo)準(zhǔn)化曲線和TOC曲線縱向分布特征來看(圖2)，Mo/Al、U/Al、V/Al和Ni/Al的比值與TOC的變化趨勢(shì)相一致，都表現(xiàn)為自上而下增大的特點(diǎn)，說明以上微量元素的富集和有機(jī)質(zhì)的富集存在一致性。但是，Ba/Al、Th/Al和Rb/Al的比值與TOC存在相反的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 元素地球化學(xué)對(duì)頁巖氣開發(fā)的意義

4.1 有機(jī)質(zhì)富集

4.1.1 氧化還原條件

氧化還原敏感元素如U、V、Mo、Ni、U、Th及其比值可作為判斷古海洋水體氧化還原環(huán)境的良好指標(biāo)[6]。WINGNALL[7]利用V/(V+Ni)比值反映沉積環(huán)境的氧化—還原性，比值小于0.46為氧化環(huán)境，0.46～0.57為弱氧化環(huán)境，0.57～0.83為缺氧環(huán)境，0.83～1為靜海環(huán)境。焦石壩地區(qū)五峰組頁巖樣品V/(V+Ni)值為0.62～0.75，平均為0.69，指示缺氧環(huán)境；龍馬溪組頁巖樣品V/(V+Ni)值為0.52～0.81，平均為0.66，整體指示弱氧化—缺氧環(huán)境。JONES等[8]提出Ni/Co值大于7.00時(shí)指示還原環(huán)境，5.00～7.00時(shí)指示缺氧環(huán)境，小于5.00時(shí)指示氧化環(huán)境。研究區(qū)五峰組頁巖Ni/Co值為4.10～12.47，平均為8.34，指示還原環(huán)境；龍馬溪組頁巖Ni/Co平均值為5.27，指示以缺氧環(huán)境為主；下部②～⑤小層的氧化程度(Ni/Co平均值為6.92)明顯強(qiáng)于上部含氣頁巖段((Ni/Co平均值為4.29)。一般V/Cr<2指示含氧環(huán)境，2～4.25指示貧氧環(huán)境，大于4.25指示次氧至缺氧環(huán)境[8]。焦石壩地區(qū)五峰組頁巖樣品V/Cr變化范圍較大，介于1.02～4.30之間，平均值為2.48，表明氧化還原環(huán)境變化較大；龍馬溪組下部②～⑤小層V/Cr平均值為2.07，表現(xiàn)為貧氧環(huán)境；含氣頁巖段V/Cr值在0.49～3.18，指示往上過渡為含氧環(huán)境。KIMURA等[9]發(fā)現(xiàn)海洋的缺氧可造成V/Sc值增大，可以反映氧化還原條件。V/Sc<9.1為含氧環(huán)境，V/Sc>9.1為缺氧—貧氧環(huán)境。研究區(qū)五峰組頁巖V/Sc值在10.83～63.99之間，平均值為33.57，表現(xiàn)為明顯的缺氧—貧氧環(huán)境；龍馬溪組下部②～⑤小層V/Sc值介于10.83～60.85之間，平均值為21.02，指示缺氧—貧氧環(huán)境，上部含氣頁巖段V/Sc值在5.06～24.05之間，指示含氧量增加。U/Th值也可作為氧化還原指標(biāo)，當(dāng)U/Th>1.25時(shí)表示缺氧環(huán)境，U/Th<0.75時(shí)表示含氧環(huán)境，在0.75～1.25之間時(shí)表示貧氧環(huán)境[8]。焦石壩地區(qū)五峰組頁巖的U/Th值也變化較大，范圍在0.23～2.22，最大值位于五峰組頂部，指示五峰組底部往上還原性逐漸增強(qiáng)，至五峰組頂部還原性最強(qiáng)。龍馬溪組頁巖的U/Th值整體表現(xiàn)為自下而上逐漸減小的趨勢(shì)，底部②、③小層U/Th值均大于0.75，范圍在0.85～4.20，顯示貧氧、缺氧的沉積環(huán)境，④小層往上U/Th值均小于0.75，指示含氧環(huán)境。Mo可作為確定缺氧環(huán)境的重要指標(biāo)[10]，Mo含量高指示持續(xù)缺氧環(huán)境。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組Mo元素富集，五峰組頁巖樣品Mo/Al值變化范圍大，介于1.17～20.77之間，平均值8.17。龍馬溪組頁巖樣品Mo/Al平均值在3.45，自下而上呈明顯的遞增趨勢(shì)，指示底部為缺氧環(huán)境，往上含氧量增加。

綜上所述，焦石壩地區(qū)五峰組沉積時(shí)期，以缺氧—貧氧環(huán)境為主，但各氧化還原指標(biāo)變化較大，說明該時(shí)期氧化還原條件發(fā)生較大變化。龍馬溪組沉積時(shí)期底部還原性最強(qiáng)，下部TOC大于2.5%的優(yōu)質(zhì)氣層段的②～⑤小層形成于缺氧環(huán)境，上部TOC小于2%的含氣頁巖段主要形成于含氧環(huán)境。微量元素中的V/Cr、V/Sc、U/Th和Ni/Co等指標(biāo)相互吻合，對(duì)五峰組—龍馬溪組的氧化/還原環(huán)境有較好的指示作用(圖3)。但V/(V+Ni)變化趨勢(shì)不明顯，龍馬溪組所有樣品都指示弱氧化—缺氧環(huán)境。說明在判定氧化還原環(huán)境的時(shí)候，由于各個(gè)氧化還原敏感元素指標(biāo)的可靠性不同，建議結(jié)合地質(zhì)背景采用一套微量元素指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，探討氧化還原指標(biāo)與沉積環(huán)境的關(guān)系。

4.1.2 古生產(chǎn)力

古生產(chǎn)力是指地質(zhì)歷史時(shí)期古海洋生物單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的有機(jī)物的量[11]，是沉積有機(jī)質(zhì)形成的物質(zhì)來源。表層水初始生產(chǎn)力的變化被認(rèn)為是影響有機(jī)質(zhì)富集的關(guān)鍵因素[12]。

圖3 四川盆地焦石壩地區(qū)JYA井五峰組—龍馬溪組頁巖地球化學(xué)指標(biāo)縱向變化特征分布

Ba(鋇)元素主要是以穩(wěn)定的 BaSO4(重晶石)形式存在，而BaSO4的沉積速率與表層水的初始生產(chǎn)力密切相關(guān)，因此被廣泛用來反映古生產(chǎn)力狀況[12]。利用Ba元素來表征古生產(chǎn)力必須扣除陸源成分，本文采用測(cè)定的Ba總量與估算的陸源碎屑Ba的差值來計(jì)算生物成因Ba總量[14]。公式如下：

w(Ba(xs))=w(Ba樣品)-w(Ti樣品)×
[w(Ba(PAAS))/w(Ti(PAAS))]

式中：w(Ba(xs))代表生物成因鋇的含量；w(Ba(PAAS))/w(Ti(PAAS))=0.11，w(Ti樣品)×[w(Ba(PAAS))/w(Ti(PAAS))] 代表陸源碎屑Ba的含量。

通常認(rèn)為，Ba(xs)含量介于1 000～5 000 μg/g時(shí)，沉積環(huán)境具有高等生產(chǎn)力；介于200～1 000 μg/g時(shí)，沉積環(huán)境具有中等古生產(chǎn)力[15]。焦石壩地區(qū)五峰組和龍馬溪組頁巖的Ba(xs)含量變化較大。五峰組的 Ba(xs)含量在416.06～1 969.23 μg/g，平均值為1 119.83 μg/g。龍馬溪組的 Ba(xs)含量在459.03～2 552.53 μg/g，平均值為1 361.86 μg/g。五峰組—龍馬溪組下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段和上部含氣頁巖段Ba(xs)含量平均值分別為981.76 μg/g和1 571.21 μg/g。從Ba(xs)含量的縱向分布特征來看(圖3)，上部含氣頁巖段的生產(chǎn)力水平明顯高于下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段，推測(cè)在貧氧—厭氧環(huán)境下，下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段曾發(fā)生BaSO4的溶解，導(dǎo)致生物鋇的部分損失。因此，只有形成于正常含氧環(huán)境的上部含氣頁巖段的Ba(xs)才能準(zhǔn)確地反映古生產(chǎn)力狀況。根據(jù)含氣頁巖段1 571.21 μg/g的Ba(xs)均值判定，五峰—龍馬溪組下部沉積期整體處于高生產(chǎn)力。

除Ba元素以外，P元素也是重要的浮游生物營(yíng)養(yǎng)元素之一，可作為指示古海洋生產(chǎn)力的良好指標(biāo)[16]。用P元素評(píng)價(jià)古生產(chǎn)力狀況時(shí)，會(huì)受到海水氧化還原條件以及Fe化合物對(duì)其吸附性能的影響[17]。氧化條件有利于P元素在沉積物中保留下來，還原環(huán)境和水體中較低的Fe濃度則不利于P元素的沉淀和在沉積物中的保存，造成在高生產(chǎn)力背景下水體還原性較強(qiáng)的地區(qū)，沉積物中的P元素不一定表現(xiàn)為高值[15,18]。焦石壩地區(qū)五峰組頁巖的P元素含量在353.47～427.65 μg/g，平均值為 392.74μg/g；龍馬溪組頁巖樣品的P元素含量普遍高于五峰組，介于397.11～720.03 μg/g之間，平均為529.91 μg/g。下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段P元素平均值為518.27 μg/g，略低于上部含氣頁巖段(平均值為526.91 μg/g)，反映出五峰組和龍馬溪組底部沉積時(shí)期，水體的強(qiáng)還原性在一定程度上促進(jìn)了P元素在下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段的釋放。

由圖4可以看出，五峰組—龍馬溪組下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段TOC含量(平均值3.07%)普遍高于上部含氣頁巖段(平均值1.29%)，古生產(chǎn)力指標(biāo)Ba(xs)表現(xiàn)為與 TOC 含量隨深度的變化相反的趨勢(shì)，上部含氣頁巖段的Ba(xs)含量反而高于下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段。而另一個(gè)古生產(chǎn)力指標(biāo)P元素與有機(jī)碳含量之間的關(guān)系不密切，在上部含氣頁巖段和下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段變化不大。

4.1.3 有機(jī)碳、氧化還原條件與古生產(chǎn)力

TOC、古生產(chǎn)力和氧化還原條件的關(guān)系圖(圖4)表明，焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組含氣頁巖段TOC和Mo/Al、U/Th值之間相關(guān)性好，優(yōu)質(zhì)氣層段TOC和Mo/Al、U/Th、Ni/Co、V/Sc呈正相關(guān)，研究區(qū)頁巖有機(jī)質(zhì)富集的主控因素是古氧化還原條件。分析認(rèn)為，含氣頁巖段和優(yōu)質(zhì)氣層段雖然都形成于高等古生產(chǎn)力背景下，但與有機(jī)質(zhì)富集沒有明顯的正相關(guān)關(guān)系，在水體還原性較強(qiáng)的下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段，沉積物中的Ba(xs)和P元素并沒有表現(xiàn)為明顯的高值，推測(cè)可能是由于優(yōu)質(zhì)氣層段發(fā)生過營(yíng)養(yǎng)元素的溶解作用造成的。

總體來看，五峰組沉積時(shí)期，發(fā)育廣泛的海侵，海平面不斷上升，水體較深，沉積物主體為灰黑色碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖，研究區(qū)及周緣表現(xiàn)為深水陸棚沉積環(huán)境。V/Cr、V/Sc、U/Th和Ni/Co比值迅速增加，至五峰組頂部達(dá)到最大，表現(xiàn)為滯流強(qiáng)還原環(huán)境，有機(jī)碳含量高。龍馬溪組沉積時(shí)期，V/Cr、V/Sc、U/Th和Ni/Co值均表現(xiàn)為自下而上逐漸減小的趨勢(shì)，指示研究區(qū)龍馬溪組頁巖底部還原性最強(qiáng)，且整體表現(xiàn)為自下而上還原性逐漸減弱的特點(diǎn)：②～⑤小層是整個(gè)龍馬溪組沉積水體最深的時(shí)期，②～③小層沉積時(shí)期海平面不斷上升，海洋環(huán)境持續(xù)缺氧，陸源輸入影響極少，發(fā)育大量筆石，放射蟲繁盛等生物沉積作用，共同導(dǎo)致了該時(shí)期形成大套富含有機(jī)質(zhì)的碳質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖，同時(shí)該時(shí)期區(qū)域火山活動(dòng)依然頻繁，導(dǎo)致火山灰加入該時(shí)期的沉積，從而使得該時(shí)期沉積物種夾雜有凝灰?guī)r層；④～⑧小層沉積時(shí)期，海平面開始下降，較弱還原環(huán)境及底流作用共同導(dǎo)致該時(shí)期頁巖中陸源碎屑物質(zhì)增多，巖性上表現(xiàn)為頁巖、粉砂巖韻律互層沉積為主，頁巖中有機(jī)碳、硅質(zhì)含量開始降低；⑥～⑦小層相對(duì)②～⑤小層沉積早期，沉積水體略淺，沉積物中含氧量增加，有機(jī)碳含量降低；⑧小層的有機(jī)碳相對(duì)⑥～⑦小層呈增加的趨勢(shì)，指示沉積環(huán)境由之前較強(qiáng)的缺氧環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿跹趸€原環(huán)境；⑨小層沉積時(shí)期，海平面進(jìn)一步下降，陸源碎屑物質(zhì)輸入充足，造成對(duì)有機(jī)質(zhì)的破壞，沉積了一套低有機(jī)碳、低硅質(zhì)的粉砂質(zhì)黏土頁巖，V/Cr、V/Sc、U/Th和Ni/Co值表現(xiàn)為明顯的往上減小趨勢(shì)，指示底層沉積環(huán)境演變?yōu)檠趸踹€原，頁巖中有機(jī)碳含量最低，水體還原性差，有機(jī)質(zhì)難以保存。

4.2 可壓性指示

圖4 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組TOC、古生產(chǎn)力和氧化還原條件的關(guān)系

一般認(rèn)為，石英或硅質(zhì)含量越高, 頁巖脆性越大，越有利于天然裂縫形成和后期壓裂改造，是國(guó)外一些頁巖氣田高產(chǎn)的關(guān)鍵原因[19-20]。美國(guó)密歇根盆地Antrim頁巖兩套主力產(chǎn)層(Norwood段和Lachine段)為海相生物成因硅質(zhì)頁巖，發(fā)育大量高角度裂縫，儲(chǔ)層脆性好。BOWKER[21]分析認(rèn)為，美國(guó)Barnett頁巖巖性主要為黑色硅質(zhì)頁巖、灰?guī)r及少量白云巖，巖石中的硅質(zhì)來源于以隱晶質(zhì)SiO2形式存在的放射蟲介殼的溶解和沉淀。O’BRIEN和SLATT研究認(rèn)為，美國(guó)俄克拉荷馬州Woodford頁巖石英含量高達(dá)63%，硅質(zhì)成因的富含放射蟲的燧石層廣泛發(fā)育，有利于形成天然裂縫，易于壓裂改造。以上研究表明，生物成因的硅質(zhì)頁巖一般富含有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)孔隙和天然裂縫發(fā)育，對(duì)后期人工壓裂具有重要意義。劉江濤等[22]分析認(rèn)為焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖硅質(zhì)成分屬于生物成因。

4.2.1 頁巖生物成因證據(jù)

TAYLOR等[23]對(duì)陸殼中Si和Al元素的研究發(fā)現(xiàn)，以陸源為主的SiO2/Al2O3值約為3.6，當(dāng)SiO2/Al2O3值超過3.6且值較高時(shí)，表明主要受到熱水或生物活動(dòng)影響。焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組含氣頁巖的該項(xiàng)比值在2.71～12.83，平均為4.72，指示頁巖為熱水或生物成因。

海相沉積物中Al/(Al+Fe+Mn)值是判斷硅質(zhì)成因的重要指標(biāo)，純生物成因的比值約為0.6，而純熱水成因的比值接近0.01，受熱水作用影響后其值則小于0.35[24-25]。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖樣品Al/(Al+Fe+Mn)值在0.37～0.65之間，平均為0.55，與純生物成因硅的比值較接近。在Al-Fe-Mn三角圖上，絕大部分樣品位于非熱水成因區(qū)(圖5),指示研究區(qū)含氣頁巖中的硅質(zhì)成分主要為生物成因。

圖5 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖Al-Fe-Mn三端元圖

YAMAMOTO[25]分析認(rèn)為熱水活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致Fe、Mn元素富集；ADACHI[26]指出Fe2O3富集是熱水成因硅質(zhì)巖的重要特征。而焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖中的Fe2O3含量不高，介于2.6%～8.18%之間，平均值為5.19%，MnO含量低，平均值僅為 0.03%，不具備典型的熱水成因特點(diǎn)。

Mo和V元素是生物活動(dòng)性元素，其高度富集說明頁巖中硅質(zhì)的形成與生物活動(dòng)有關(guān)[27]。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖樣品顯示Mo含量平均值為24.08 μg/g，普遍高于世界頁巖平均值2.6 μg/g，是世界頁巖豐度的9.26倍。V含量也表現(xiàn)出普遍高于世界頁巖平均值130 μg/g，是世界頁巖豐度的1.54倍，平均值為200.62 μg/g。表明五峰組—龍馬溪組含氣頁巖的形成經(jīng)歷過很強(qiáng)的生物作用，并且在五峰組—龍馬溪組底部表現(xiàn)為Mo、V異常高值，龍馬溪組自下而上Mo、V豐度逐漸變小，指示生物活動(dòng)性逐漸減弱。

海相頁巖中生物來源的硅質(zhì)通常與TOC含量呈較好的正相關(guān)。圖6顯示焦石壩地區(qū)優(yōu)質(zhì)氣層段有機(jī)碳含量與SiO2呈正相關(guān)，這表明焦石壩地區(qū)頁巖樣品中的硅質(zhì)至少部分為生物來源。結(jié)合巖心上優(yōu)質(zhì)氣層段有機(jī)碳含量高，以筆石、放射蟲為代表的生物化石數(shù)量較多，認(rèn)為優(yōu)質(zhì)氣層段的高硅質(zhì)含量與生物活動(dòng)有關(guān)，筆石、放射蟲等生物活動(dòng)比較強(qiáng)烈導(dǎo)致生物硅含量增加。

4.2.2 有利于裂縫形成和后期壓裂改造

WRIGHT等[28]指出，在頁巖氣藏中，主量元素含量與頁巖中的礦物組分密切相關(guān)，可以作為礦物學(xué)研究的重要參考，其中，SiO2、Al2O3和CaO+MgO等氧化物的含量基本可以與硅質(zhì)(或石英)、黏土礦物和碳酸鹽三種礦物組分相對(duì)應(yīng)。主量元素分析結(jié)果表明，焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖化學(xué)成分以SiO2為主，含量在54.67%～77.25%之間；優(yōu)質(zhì)氣層段的SiO2含量介于57.56%～77.25%之間，平均為64.74%，高于世界頁巖平均值(58.9%)，和北美頁巖相當(dāng)(64.8%)。含氣頁巖段的SiO2含量介于54.67%～65.82%之間，平均為59.54%，也高于世界頁巖平均值。

圖6 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組TOC與SiO2的關(guān)系

可壓性評(píng)價(jià)是頁巖氣開發(fā)中關(guān)鍵的評(píng)價(jià)參數(shù)，國(guó)外學(xué)者通常利用頁巖的脆性礦物含量或巖石力學(xué)參數(shù)(楊氏模量、泊松比參數(shù))來表征可壓性[29]。全巖和黏土X衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖中脆性礦物主要以石英為主，脆性礦物含量高，平均值為62.34%，且自下而上呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。優(yōu)質(zhì)氣層段實(shí)測(cè)脆性礦物含量48.70%～84.40%，平均值為63.91%，頁巖具備良好的可壓性。脆性指數(shù)也常被用來是考量地層的可壓性，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)自下而上逐漸減小，具有明顯的三分性特征，優(yōu)質(zhì)氣層段脆性指數(shù)平均值均在60%以上，為有利的可壓層段。

從圖7來看，焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段有機(jī)質(zhì)和硅質(zhì)含量高，脆性指數(shù)較高，楊氏模量較高，泊松比較低，儲(chǔ)層可壓性較好。五峰組—龍馬溪組沉積早期，研究區(qū)主體為深水陸棚沉積環(huán)境，火山活動(dòng)導(dǎo)致的海底上升洋流使得海水富含硅質(zhì)和各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)硅質(zhì)、有機(jī)質(zhì)的富集十分有利，造成了優(yōu)質(zhì)氣層段高有機(jī)質(zhì)豐度、高硅質(zhì)含量的典型特征。高有機(jī)質(zhì)豐度為優(yōu)質(zhì)氣層段頁巖氣的富集高產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)；高硅質(zhì)含量則指示脆性大，容易形成天然裂縫，并有利于后期頁巖儲(chǔ)層壓裂改造，兩者正相關(guān)的耦合關(guān)系有效保障了頁巖氣井的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

圖7 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖可壓性特征(以JYA井為例)

4.3 含氣性分析

頁巖的含氣性受到多種因素的影響，其中有機(jī)碳含量、儲(chǔ)集條件及保存條件是焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集的主控因素。本次研究通過對(duì)比分析焦石壩地區(qū)不同頁巖層段在含氣量和含氣飽和度方面的變化特征，結(jié)合地化元素比值，初步探討了地球化學(xué)元素比值與頁巖氣含氣性之間的關(guān)系。

從目前焦石壩地區(qū)已鉆的幾口導(dǎo)眼井氣測(cè)異常顯示情況來看，目的層均鉆遇較好的氣測(cè)異常顯示，優(yōu)質(zhì)氣層段氣測(cè)異常顯示活躍，具備整體含氣的特征，自上而下氣測(cè)值逐漸增加。巖心現(xiàn)場(chǎng)解析法含氣量測(cè)試、含氣量測(cè)井解釋和含氣飽和度測(cè)試結(jié)果顯示(表3)，JYA、JYD井五峰組—龍馬溪組頁巖自上而下含氣性逐漸變好，縱向上可劃分為三段：①～⑤小層實(shí)測(cè)總含氣量平均值為3.60 m3/t和3.34 m3/t(測(cè)井解釋含氣量5.58 m3/t和5.03 m3/t)，實(shí)測(cè)含氣飽和度平均值為65.39%和68.18%，為高含氣層段；⑥～⑧小層實(shí)測(cè)總含氣量平均值為2.00 m3/t和1.81 m3/t(測(cè)井解釋含氣量3.96 m3/t和3.42 m3/t)，實(shí)測(cè)含氣飽和度平均值為45.61%和56.91%，為中等含氣層段；⑨小層實(shí)測(cè)含氣量平均值為1.07 m3/t和0.66 m3/t(測(cè)井解釋含氣量2.95 m3/t和2.33 m3/t)，實(shí)測(cè)含氣飽和度平均值為33.37%和50.49%，為低含氣層段。含氣頁巖段的實(shí)測(cè)、測(cè)井解釋總含氣量和實(shí)測(cè)含氣飽和度低于優(yōu)質(zhì)氣層段，且自上而下氣測(cè)值、含氣量和含氣飽和度值逐漸增加。

通過縱向上對(duì)比各小層含氣量以及地球化學(xué)元素比值數(shù)據(jù)可以看出(表3)，五峰組—龍馬溪組頁巖樣品的元素地球化學(xué)比值在優(yōu)質(zhì)氣層段與含氣頁巖段差異明顯，優(yōu)質(zhì)氣層段的元素比值明顯高于含氣頁巖段。另外，分析認(rèn)為V/Cr、Ni/Co、V/Sc和U/Th等元素比值與含氣量具備不典型的三分性特征：①～⑤小層高含氣段元素比值普遍較高，但五峰組上、下段存在較大差異；⑥～⑧小層中含氣段元素比值較低；⑨小層低含氣段元素比值相對(duì)最低，局部存在高值。綜上分析認(rèn)為，五峰組—龍馬溪組頁巖地球化學(xué)元素比值與含氣性之間存在一定的相關(guān)性。

5 結(jié)論

(1)焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)氣層段的SiO2和CaO含量較高，而Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、K2O 和TiO2含量相對(duì)較低；微量元素Mo、Ba、Cr、V、Ni、Th和U在優(yōu)質(zhì)氣層段表現(xiàn)出明顯的富集，TOC與Mo/Al、U/Al、V/Al和Ni/Al的比值在剖面上都表現(xiàn)為自上而下增大的趨勢(shì)，說明以上氧化還原敏感微量元素的富集和有機(jī)質(zhì)的富集存在一致性；另外，由于優(yōu)質(zhì)氣層段存在營(yíng)養(yǎng)元素的溶解，Ba/Al在剖面上表現(xiàn)為與TOC相反的趨勢(shì)，P與TOC在剖面上不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)根據(jù)V/Cr、V/Sc、U/Th和Ni/Co等微量元素氧化還原指標(biāo)判別，焦石壩地區(qū)五峰組(①小層)主要形成于缺氧—貧氧環(huán)境，氧化還原條件變化較大。龍馬溪組沉積時(shí)期底部還原性最強(qiáng)，下部?jī)?yōu)質(zhì)氣層段的②～⑤小層以缺氧環(huán)境為主，上部含氣頁巖段則以含氧環(huán)境為主。

表3 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組各小層頁巖含氣量、含氣飽和度與元素地球化學(xué)統(tǒng)計(jì)

(3)生物成因鋇[Ba(xs)]含量指示研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖沉積時(shí)期具有高等生產(chǎn)力背景。TOC在優(yōu)質(zhì)氣層段與Mo/Al、U/Th、Ni/Co、V/Sc值呈正相關(guān)，在含氣頁巖段與Mo/Al、U/Th值相關(guān)性好；但TOC與古生產(chǎn)力指標(biāo)Ba(xs)、P相關(guān)性不好，顯示研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖中有機(jī)質(zhì)的富集主要受控于水體的氧化還原條件。

(4)焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖的沉積環(huán)境為深水陸棚相，優(yōu)質(zhì)氣層段頁巖中的有機(jī)碳與硅質(zhì)含量呈正相關(guān)，高含量的硅質(zhì)成分有利于頁巖中天然裂縫的形成和后期人工壓裂改造，是目前涪陵頁巖氣田開發(fā)的主力層系，可為國(guó)內(nèi)類似區(qū)塊高成熟海相頁巖氣的開發(fā)提供借鑒和指導(dǎo)，其分布層段可成為頁巖氣開發(fā)的優(yōu)選目標(biāo)層位。

(5)五峰組—龍馬溪組頁巖含氣性具有典型的三段性特征，且自上至下含氣性呈增加趨勢(shì)。五峰組—龍馬溪組頁巖含氣性與地化元素比值之間具有一定的相關(guān)性，優(yōu)質(zhì)氣層段的地化元素比值明顯高于含氣頁巖段，可以為頁巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)提供地球化學(xué)方面的依據(jù)。

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