桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖特征及意義

張子亞，魏家琦，石砥石，覃英倫，趙應(yīng)權(quán)，龐春雨，劉 洋

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 非常規(guī)油氣地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，成都 610059)

美國頁巖氣革命的爆發(fā)，在全世界掀起了頁巖氣勘探與開發(fā)的熱潮。隨著我國對頁巖氣資源調(diào)查與勘探工作的不斷深入，在四川盆地涪陵地區(qū)取得了頁巖氣勘探的巨大突破，并進(jìn)入商業(yè)開采階段[1-5]。后續(xù)研究與勘探工作[6-18]揭示我國保存有巨量的頁巖氣資源[13-16]，并且在多個地區(qū)都取得了頁巖氣勘探的可喜發(fā)現(xiàn)[19-21]，顯示出大有可為的態(tài)勢。桂中坳陷一直以來是油氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域[22-35]，主要發(fā)育生物礁儲層，烴源巖條件較為優(yōu)越，保存條件相對較差[35]。但是，對桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的系統(tǒng)研究仍然較為缺乏[28,30]，筆者開展了泥頁巖厚度、礦物組成、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度及類型研究，在此基礎(chǔ)上結(jié)合選取標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測了羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的頁巖氣勘探有利區(qū)。

1 地質(zhì)背景

桂中坳陷位于廣西壯族自治區(qū)東北部，泥盆紀(jì)受拉張運(yùn)動影響，在坳陷內(nèi)部形成了北西和北東向的2組邊界斷裂；同時，由于海侵規(guī)模擴(kuò)張，坳陷內(nèi)部形成了臺盆相間的沉積格局[34]。現(xiàn)今坳陷面積約4.6×104km2，北部與江南古陸毗鄰，東部以龍勝—永福斷裂及大瑤山隆起為界，西部以南丹—都安斷裂為界[35-36]。中泥盆世早期，碎屑物源因?yàn)檠┓骞抨懡跻钠蕉鬄闇p少，碳酸鹽沉積逐漸增加；沉積環(huán)境以臺盆相為主，濱岸相幾乎不存在，其余地帶與早泥盆世晚期大致相同，局部可見海退現(xiàn)象而呈現(xiàn)半局限臺地，表現(xiàn)為三臺圍一坳，在坳陷北部隆起區(qū)不發(fā)育；在南丹—環(huán)江—羅城—百畝—茶洞一線以北，表現(xiàn)為碳酸鹽開闊臺地環(huán)境沉積，以灰?guī)r沉積為主；靈川—臨桂—永?！鹦恪獤|鄉(xiāng)—六陳以東地區(qū)，表現(xiàn)為孤立臺地沉積，以灰?guī)r沉積為主；在黎塘—貴港以南地區(qū)也發(fā)育一個小區(qū)域的孤立臺地沉積；而在坳陷的其他區(qū)域則表現(xiàn)為臺盆相沉積(圖1)，發(fā)育有大套的暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，為頁巖氣潛在有利勘探目標(biāo)。

2 富有機(jī)質(zhì)泥頁巖沉積特征

2.1 巖性特征

桂中坳陷中泥盆統(tǒng)沉積期發(fā)育臺盆相間的沉積格局(圖1)，受此影響，主要發(fā)育泥頁巖和碳酸鹽巖，其中泥頁巖主要發(fā)育于臺盆相區(qū)。根據(jù)本次野外實(shí)測剖面，發(fā)育于臺盆相區(qū)的泥頁巖主要有3種類型：灰黑色泥頁巖、黑色碳質(zhì)泥頁巖和竹節(jié)石泥頁巖，其中竹節(jié)石泥頁巖風(fēng)化后呈紅褐色(圖2)。

2.2 厚度分布

頁巖氣的分布與富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的分布關(guān)系密切，查明富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的空間展布特征，尤其是其厚度展布特征，是揭示頁巖氣潛力的重要工作之一。在富有機(jī)質(zhì)泥頁巖有機(jī)地化特征相同的情況下，其厚度越大，相應(yīng)的油氣勘探潛力也就越大。中泥盆統(tǒng)沉積期，羅富組是桂中坳陷富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的主要賦存層位，以南丹—羅甸、合山及柳城—鹿寨為沉積中心。根據(jù)野外和鉆井資料揭示，該地區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度平均超過250 m，沉積中心的厚度達(dá)550 m以上(圖3)。

圖1 桂中坳陷羅富組沉積期巖相古地理

圖2 桂中坳陷上林地區(qū)羅富組巖石類型

3 富有機(jī)質(zhì)泥頁巖特征

3.1 礦物組成特征

X射線衍射全巖分析和黏土礦物分析顯示，中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖與其他富有機(jī)質(zhì)頁巖具有相似性，都由脆性礦物和黏土礦物組成。

圖3 桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度平面分布

脆性礦物主要由石英、長石、碳酸鹽巖礦物組成。其中石英為優(yōu)勢脆性礦物，20件樣品中其含量在24%～84%，平均53%(圖4)。長石含量次之，主要為斜長石，鉀長石含量較少。20件樣品中19件檢出斜長石，其含量介于2%～17%，平均7%；鉀長石大部分樣品未檢測出，僅少數(shù)幾件測出。碳酸鹽巖礦物主要為菱鐵礦，少量樣品含有白云石。菱鐵礦含量總體也較低，介于1%～8%，平均3%。其他脆性礦物，如黃鐵礦、石膏、重晶石等未檢測出。

黏土礦物以伊利石為主，綠泥石和高嶺石次之，含有少量的伊/蒙混層。黏土礦物總含量介于3%～71%，平均35%(圖5)。伊利石含量介于68%～95%，平均84%。20件樣品中高嶺石礦物僅在第1層至第7層以及第9層發(fā)育，含量介于5%～29%，平均16%；其他層位未檢測出。綠泥石礦物在大部分樣品中皆有發(fā)現(xiàn)，含量介于2%～26%，平均9%；在第1層、第2層、第4層、第6層以及第22層共計5層中未檢出。

3.2 有機(jī)質(zhì)豐度、類型及成熟度

3.2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

通常采用總有機(jī)碳含量、氯仿瀝青“A”、生烴潛量(S1+S2)和總烴含量來表征富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度。但在高熱演化條件下，除了總有機(jī)碳含量尚具有一定的參考價值之外，氯仿瀝青“A”等3項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)不再具有指示功能。

圖4 桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖脆性礦物含量

圖5 桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖黏土礦物含量

受加里東構(gòu)造運(yùn)動影響，中泥盆世桂中坳陷裂陷活動發(fā)育，導(dǎo)致臺盆范圍擴(kuò)大，并伴隨有臺盆水體加深。在此條件下，有機(jī)質(zhì)得以大量富集和保存，為后續(xù)頁巖氣勘探提供了良好的條件。野外資料點(diǎn)和鉆井資料綜合揭示，羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度整體較好，達(dá)1.0%以上；其中又以南丹、柳州和合山—上林3個區(qū)域最為富集，合山—上林一線西北部最高可達(dá)3.0 %以上(圖6)。

3.2.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型是烴源巖研究的重要指標(biāo)之一，表征著烴源巖是生油亦或是生氣。其主要表征參數(shù)是烴源巖中干酪根有機(jī)顯微組分，通常包括鏡質(zhì)組、惰性組、殼質(zhì)組等單元，性質(zhì)與特征各不相同[37]。因此，查明烴源巖干酪根顯微組分的差異性，也就能了解有機(jī)質(zhì)類型的差異。

圖6 桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖TOC平面分布圖

結(jié)合南丹大廠剖面實(shí)測資料，羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中干酪根顯微組分以腐泥組和殼質(zhì)組為主，兩者含量占絕對優(yōu)勢，為59.3%～87.7%，而鏡質(zhì)組含量僅為12.0%～40.7%，惰性組含量幾乎為0，總體表現(xiàn)為Ⅰ—Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)(圖7)。羅富組干酪根碳同位素值為-27.44‰～-24.84‰[38]，同樣偏輕，表現(xiàn)為Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)，與干酪根鏡鑒結(jié)果一致。

3.2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

富有機(jī)質(zhì)泥頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度評價是開展頁巖氣調(diào)查的重要組成之一，研究揭示富有機(jī)質(zhì)泥頁巖有機(jī)質(zhì)只有達(dá)到一定的成熟度之后，才會具有較高的油氣勘探價值和潛力。有機(jī)質(zhì)成熟度是指有機(jī)質(zhì)的熱演化程度，在油氣地質(zhì)上常采用鏡質(zhì)體反射率(Ro)與熱解法(Tmax)來揭示。本次研究通過對樣品開展鏡質(zhì)體反射率和熱解法測試，將有機(jī)質(zhì)熱演化劃分為4個階段，即：未成熟、低成熟、成熟和過成熟。

桂中坳陷富有機(jī)質(zhì)泥頁巖鏡質(zhì)體反射率整體較高， 介于2.0%～3.0%，處于過成熟演化階段；桂中坳陷“羅城—柳州—來賓—上林”一線以東地區(qū)鏡質(zhì)體反射率低于2.0%(圖8)，表明該地區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖可能大量生氣，具有較好的勘探前景。

研究區(qū)中泥盆統(tǒng)內(nèi)樣品的Tmax值均分布在315～524 ℃之間(圖9)。意味著研究區(qū)內(nèi)部分樣品尚未進(jìn)入成熟階段(Tmax小于430℃)，部分樣品已經(jīng)進(jìn)入了高成熟階段(Tmax大于450 ℃)，且有部分樣品進(jìn)入了過成熟階段(Tmax大于500 ℃)。這說明中泥盆統(tǒng)的泥頁巖在熱演化過程中呈現(xiàn)出了2個極端，即部分未成熟，部分已經(jīng)高成熟或過成熟。Tmax值揭示的特征與鏡質(zhì)體反射率(Ro)揭示的具有一致性，充分表明該地區(qū)可能具有較好的勘探潛力。

圖7 桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖顯微組分三角圖

圖8 桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖鏡質(zhì)體反射率平面分布

圖9 桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖Tmax直方圖

同時，結(jié)合表1，桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖樣品的熱解烴(S2)含量普遍超過0.1 mg/g，且遠(yuǎn)超過可溶解烴(S1)，表明殘留物以穩(wěn)定性高的干酪根為主，也表明該地區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的熱演化程度較高。

4 頁巖氣富集有利區(qū)

4.1 選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

筆者主要選取富有機(jī)質(zhì)泥頁巖有效厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度及有機(jī)質(zhì)類型為指標(biāo)(表2)，釆用綜合信息疊合法，對研究區(qū)頁巖氣有利勘探區(qū)進(jìn)行預(yù)測。具體做法為，將有機(jī)碳含量大于2%，鏡質(zhì)體反射率介于2%～3%，厚度大于100 m的疊合區(qū)域圈定為有利富集帶。

表1 桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖熱解參數(shù)

表2 有利區(qū)優(yōu)選參考指標(biāo)

4.2 有利區(qū)分布

根據(jù)上述頁巖氣有利勘探區(qū)圈定原則，綜合構(gòu)造、有機(jī)碳含量、富有機(jī)質(zhì)泥頁巖成熟度及有機(jī)質(zhì)類型等信息，上林地區(qū)馬山—上林一帶中泥盆統(tǒng)羅富組泥頁巖有機(jī)碳含量較高(大于2%)，有機(jī)質(zhì)成熟度達(dá)到高—過成熟階段(大于2%)，泥頁巖厚度較厚(50～350 m)，分布廣泛，埋深適中，因此中泥盆統(tǒng)頁巖氣有利勘探區(qū)分布于馬山—上林一帶與南丹—天峨一線(圖10)。

圖10 桂中地區(qū)中泥盆統(tǒng)羅富組下段富有機(jī)質(zhì)泥頁巖生烴有利區(qū)預(yù)測

5 結(jié)論

(1)中泥盆統(tǒng)羅富組沉積期，桂中坳陷富有機(jī)質(zhì)頁巖主要發(fā)育于臺盆環(huán)境，以南丹—羅甸、合山及柳城—鹿寨為沉積中心，沉積中心的平均厚度超過550 m。

(2)中泥盆統(tǒng)羅富組有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ—Ⅱ1型；有機(jī)碳含量在坳陷內(nèi)整體較好，高于1%；鏡質(zhì)體反射率介于2.0%～3.0%；有機(jī)地化特征揭示有利于頁巖氣成藏。

(3)綜合沉積環(huán)境和富有機(jī)質(zhì)泥頁巖特征，認(rèn)為中泥盆統(tǒng)頁巖氣有利勘探區(qū)分布于馬山—上林與南丹—天峨一帶。

致謝：感謝成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院侯明才教授團(tuán)隊(duì)在廣西野外和后期樣品處理過程中的幫助！