哈山上石炭統(tǒng)太勒古拉組黑色頁巖地球化學(xué)及有機質(zhì)特征

馬風(fēng)華

（寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021）

哈拉阿拉特山（哈山）地處準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，出露地層包括上石炭統(tǒng)太勒古拉組、晚二疊統(tǒng)烏爾禾群、侏羅系和早白堊系。該地區(qū)上石炭統(tǒng)太勒古拉組第三段（太三段）見一套厚約960余米的黑色頁巖，野外露頭觀察顯示，該套黑色頁巖夾少量灰?guī)r層，局部見砂質(zhì)條帶，黑色頁巖頁理非常發(fā)育，風(fēng)化呈薄片狀（圖1），是值得關(guān)注的頁巖氣勘探層位。目前針對哈山太勒古拉組的研究主要集中在沉積學(xué)、古生物、地層及構(gòu)造方面，如王玉凈將其厘定為石炭紀(jì)地層[1]；孫少華認為該頁巖為一套淺海-較深海沉積產(chǎn)物[2]；晉慧娟認為其具深水沉積特征[3]；胡楊認為哈山位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣前陸褶皺沖斷帶上[4]。油氣方面的研究主要是常規(guī)油氣烴源巖地化的研究，石冰清認為該頁巖為一套有機質(zhì)豐度較高、類型較好、演化程度極高的烴源巖?石冰清.準(zhǔn)噶爾北緣下石炭統(tǒng)烴源巖研究—以五彩灣、烏倫古及和什托洛蓋盆地為例.新疆大學(xué)（學(xué)位論文），2013，但未從頁巖及頁巖氣勘探的角度進行相關(guān)研究。作為一套巨厚的海相頁巖氣潛力勘探層位，對其有機地球化學(xué)特征、有機質(zhì)光學(xué)顯微特征及有機質(zhì)賦存特征進行研究，有助于為該套層位的后續(xù)頁巖氣勘探與評價提供參考。本文利用有機地球化學(xué)、光學(xué)顯微鏡分析、掃描電鏡及能譜分析等方法，對哈山上石炭統(tǒng)黑色頁巖有機地球化學(xué)特征、有機質(zhì)光學(xué)顯微特征及有機質(zhì)的賦存狀態(tài)進行研究，指出該套頁巖的頁巖氣勘探潛力。

1 地球化學(xué)參數(shù)特征

哈山地區(qū)太勒古拉組頁巖露頭樣品TOC整體較低，均值僅為0.591%，最高1.01%，近95%的露頭樣品TOC集中于0.5%～1.0%（表1）。哈山頁巖烴指數(shù)HCI總體較低，均值為2.28 mg/g，波動范圍1.16～12.16 mg/g，幾乎全小于10 mg/g（表1），哈山頁巖生烴潛量（S1+S2）以低為特征，均值僅為0.052 mg/g，近99%的樣品生烴潛量小于0.1 mg/g（表1）。氫指數(shù)整體較低，均值6.94 mg/g，波動范圍3.94～13.66 mg/g，98%樣品氫指數(shù)小于10 mg/g（表1）。原因可能是哈山頁巖處于高-過成熟階段，液態(tài)烴裂解為氣態(tài)烴類產(chǎn)物并大量排出以至損失殆盡，導(dǎo)致實驗測試過程中生成的烴量急劇減少，造成烴指數(shù)和生烴潛量總體較低。最高熱解峰溫Tmax數(shù)據(jù)表明，哈山頁巖Tmax整體處于510℃～537℃，均值534.8℃（表1），屬高-過成熟階段?李鮮蓉.三塘湖盆地及周邊石炭系烴源巖評價.西北大學(xué)（學(xué)位論文），2009。據(jù)Tmax和Ro之間關(guān)系可知，哈山地區(qū)頁巖有機質(zhì)成熟度基本對應(yīng)于Ro＞2.0階段[5]，烴類發(fā)生裂解，屬有機質(zhì)生成干氣階段，有利于頁巖氣的生成。

圖1 哈拉阿拉特山地質(zhì)簡圖及頁巖露頭Fig.1 Geological sketch map of Halaalate Mountain and shale outcrop

表1 哈山太勒古拉組頁巖地化參數(shù)表Table 1 The geochemical date of Tailegula formation of Hashan

實測氫指數(shù)及氧指數(shù)表明其干酪根類型為Ⅲ型，實測氧指數(shù)極高，均介于900～1 000 mg/g，氫指數(shù)多小于1 mg/g，極個別樣品達到1～10 mg/g；同時哈山頁巖的降解潛率（D%）全部小于5%，S2/S3均小于2.5，總體表現(xiàn)出Ⅲ型干酪根特征；最高熱解峰溫Tmax與氫指數(shù)HI亦表明哈山頁巖干酪根類型更接近Ⅲ型（圖2）[6]。結(jié)合該地區(qū)為晚古生代海相沉積背景[1-3]，初始干酪根類型應(yīng)以Ⅰ、Ⅱ型為主。原因在于，對于高-過成熟泥頁巖，生烴過程已基本完成，其殘留生烴能力有限，從而導(dǎo)致熱解參數(shù)對有機質(zhì)類型劃分的準(zhǔn)確降低，僅可作為參考[7]。后續(xù)工作中，對該地區(qū)高-過成熟泥頁巖有機質(zhì)類型，應(yīng)采用Pr/n-C17，Ph/n-C18，C27-C28-C29規(guī)則甾烷的相對含量、飽和烴色譜峰型等相關(guān)指標(biāo)進行判斷[8]。

總體來看，哈山上石炭統(tǒng)太勒古拉組黑色頁巖現(xiàn)今表現(xiàn)出熱演化程度高、有機質(zhì)含量相對低、生烴潛力極低的特征，據(jù)戴鴻鳴高成熟海相烴源巖評價標(biāo)準(zhǔn)[9]，哈山高過成熟烴源巖達較好-最好烴源巖級別（表2）；以成熟階段來看，哈山80%的頁巖達到好的源巖級別，部分達極好烴源巖級別；因此,哈山頁巖屬好的烴源巖，具頁巖氣勘探前景。

2 有機質(zhì)光學(xué)顯微特征

為直觀地觀察研究區(qū)有機質(zhì)形態(tài)特征和分布情況，采用煤巖學(xué)與巖石學(xué)相結(jié)合的方法，在光學(xué)顯微鏡下分別觀察頁巖的巖石粉末光片（制作同粉煤光片）和薄片，對研究區(qū)頁巖中分散有機質(zhì)識別鑒定。

參照《煤巖學(xué)》中有機質(zhì)顯微鏡下光學(xué)特征[10]，以頁巖巖石粉末光片和薄片為載體，對頁巖中有機質(zhì)進行鑒定。據(jù)煤巖學(xué)理論，有機質(zhì)在透射光下呈黑色，且正交偏光下無消光現(xiàn)象，在反射光下不同顯微組分的顏色略有差別，基本呈白-灰白色，其中鏡質(zhì)組無凸起或微突起，殼質(zhì)組低突起，惰性組突起最高。實際觀察中，研究區(qū)頁巖中有機質(zhì)基本處于均一化狀態(tài)，顯微組分較難區(qū)別，反映出較高的熱演化程度，但仍可根據(jù)光學(xué)性質(zhì)將其與無機礦物區(qū)分開。

圖2 哈山太勒古拉組頁巖HI-Tmax關(guān)系圖解Fig.2 Across plot of HI and Tmax of Hashan shale

表2 哈山地區(qū)烴源巖有機質(zhì)豐度評價Table 2 Evaluation of organic abundance in Hashan

研究表明，哈山剖面太三段（TC01）頁巖巖石粉末光片在鏡下可見有機質(zhì)呈分散狀態(tài)散布于基質(zhì)中，鏡下為灰白-亮白及淺灰色，凸起極低；有機質(zhì)顆粒大小不一，絕大數(shù)僅幾個微米，個別樣品鏡下可見數(shù)10×10 μm大小的有機質(zhì)顆粒；有機質(zhì)顆粒較破碎且分散不均，光片視域中呈較亮星點狀分布（圖3-A，B，C）；雖有機質(zhì)顆粒小，分散不均勻，但總的有機質(zhì)碎屑含量仍然客觀，與實測TOC相匹配。

通過觀察打磨拋光后的1號探槽頁巖塊樣，可以看出塊樣中的有機質(zhì)雖然也是零星散開分布，但保存形態(tài)明顯好于粉末光片。反射光下，有機質(zhì)同樣呈灰白-白色，無明顯凸起；但有機質(zhì)顆粒直徑較大，多在10 μm以上，有的條帶狀有機質(zhì)可長達上百微米。有的有機質(zhì)顆粒還顯示出類似生物體結(jié)構(gòu)，彎曲的條帶狀可能是低等生物遺體（圖3-D，E，F(xiàn)）。

為進一步確認鏡下所認定的有機質(zhì)是否存在差錯，圖4-A中淺灰白色區(qū)域進行電子探針測試。電子探針測試表明，上述淺灰白色區(qū)域在電子顯微鏡下為1號區(qū)域(圖4-B-①)，其能譜圖顯示具有明顯的碳峰值，說明1號暗色區(qū)域為分散有機質(zhì)碎屑；而2、3號區(qū)域能譜不具碳峰值(圖4)，因此上述顯微鏡下所觀察的物質(zhì)確為有機質(zhì)無疑。

3 有機質(zhì)賦存特征

為研究哈山頁巖中有機質(zhì)賦存形態(tài)及與礦物的伴生關(guān)系，采用掃描電鏡+能譜分析的方法對哈山頁巖進行觀察。發(fā)現(xiàn)圖5中的17、23、24、37及44能譜點元素主體為碳（表3），說明其為有機質(zhì)。同時顯示頁巖中有機質(zhì)常被粘土礦物包圍，也有石英粘土顆粒嵌入有機質(zhì)中，有機質(zhì)為暗黑色或灰色，呈紡錘形、長條形，整體沿礦物孔隙分布，邊緣一般較圓滑。哈山頁巖中有機質(zhì)的賦存狀態(tài)主要是以納米-微米級顆粒形態(tài)存在于礦物顆粒之間；圖5-B有機質(zhì)與綠泥石鑲嵌分布但界線分明，圖5-C石英十分干凈，說明礦物表面沒有吸附的無定形有機質(zhì)存在。

分析認為，造成上述有機質(zhì)分布狀態(tài)的原因包括以下2個方面：①頁巖中的有機質(zhì)在原始沉積時主體以有機質(zhì)顆粒形態(tài)充填于頁巖礦物顆粒、孔隙之間，雖經(jīng)高熱演化階段，但現(xiàn)今殘余有機質(zhì)（惰質(zhì)組）仍分布于礦物顆粒、孔隙中；②高熱演化過程中，頁巖中有機質(zhì)以凝膠化狀態(tài)重新“近源”聚集，具優(yōu)先沿礦物顆粒、孔隙重新充填分布的特征。觀察中未見無定型有機質(zhì)分布于礦物表面，原因包括：①對低熟頁巖，不排除有少量的分散有機質(zhì)吸附于礦物表面，但在高熱演化過程中，粘土礦物之間相互轉(zhuǎn)換（蒙皂石+蒙伊間層段向伊利石、綠泥石轉(zhuǎn)換[11]）的分子重組對吸附于礦物表面的有機質(zhì)具“潔凈”作用；②可能與呈分子狀吸附在礦物表面（包括內(nèi)、外表面）的無定形有機質(zhì)與顆粒狀有機質(zhì)在轉(zhuǎn)化為烴類過程中的差異性有關(guān)。礦物表面吸附的無定形有機質(zhì)本身量少且以凝膠化的鏡質(zhì)組為主，更易于轉(zhuǎn)化為烴類排放；而呈顆粒狀存在的有機質(zhì)相對量大且含有客觀的殼質(zhì)組和惰質(zhì)組，在熱演化過程中相對穩(wěn)定而不易轉(zhuǎn)化為烴類，從而得以保存至今。

圖3 哈山頁巖光片反射光下分散有機質(zhì)Fig.3 The dispersion organic under reflected light in polished section of Hashan shale

圖4 哈山頁巖反射光下有機質(zhì)電子探針能譜圖Fig.4 Electron probe energy spectrum diagram of organic under reflected light of Hashan shale

表3 哈山頁巖樣品能譜元素分析結(jié)果Table 3 Data of energy spectral element of Hashan shale

4 哈山黑色頁巖勘探前景

哈山太勒古拉組黑色頁巖厚度達960余米，遠遠大于頁巖氣勘探目標(biāo)層位大于30 m 的下線標(biāo)準(zhǔn)[12]。熱演化程度高，達到高成熟-過成熟階段，已到干氣階段，滿足頁巖氣勘探目標(biāo)要求的1.1%[12]。露頭樣品有機質(zhì)含量(TOC)主體位于0.5～1.0%，據(jù)海相高成熟-過成熟烴源巖評價標(biāo)準(zhǔn)[9]，達到好-最好烴源巖級別，滿足頁巖氣勘探的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖5 哈山頁巖樣品微觀顯微結(jié)構(gòu)及能譜元素數(shù)據(jù)點位置Fig.5 SEM photo and energy spectral element data point of Hashan shale

據(jù) Harry Dembicki Jr.和 Jonathan D.Madren 提出的烴源巖TOC-S2交會圖（圖6）[13]，根據(jù)哈山地區(qū)頁巖高成熟-過成熟的特征，在烴源巖評價標(biāo)準(zhǔn)選擇的基礎(chǔ)上，將哈山頁巖TOC、S2進行投點。哈山頁巖樣品點均落入頁巖氣窗范圍內(nèi)，說明哈山頁巖具較好的氣源條件。

5 結(jié)論

哈山太勒古拉組黑色頁巖熱解峰溫介于510～537℃，均值達534.8℃，達到高成熟-過成熟階段；露頭樣品TOC含量主體位于0.5～1.0%，均值0.59%，屬好的級別烴源巖。頁巖中有機質(zhì)在顯微鏡反射光下呈灰白-亮白及淺灰色，凸起極低，有機質(zhì)顆粒大小不一，有機質(zhì)在塊樣光片中比粉末光片中顆粒要大。頁巖中納米-微米級有機質(zhì)主體以紡錘形、長條形賦存于礦物顆粒及孔隙當(dāng)中，未見礦物表面吸附的無定型有機質(zhì)存在。高成熟度頁巖中的有機質(zhì)賦存狀態(tài)受原始沉積狀態(tài)、高熱演化中有機質(zhì)凝膠化重新分布優(yōu)先充填于礦物顆粒及孔隙控制、粘土礦物間轉(zhuǎn)換的“潔凈”作用及不同有機質(zhì)顯微組分排烴差異共同控制。TOC-S2交會圖顯示哈山上石炭統(tǒng)太勒古拉組黑色頁巖具良好的氣源條件，具備頁巖氣勘探物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖6 哈山地區(qū)頁巖TOC-S2交會圖Fig.6 Across plot of TOC and Rock Eval S2 Hashan shale