張家界地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣成藏潛力研究

鄧 翼，楊榮豐，肖正輝，王朝暉

DENG Yi1，YANG Rong-Feng2，XIAO Zheng-Hui2，WANG Zhao-Hui3

（1.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一八隊，湖南婁底417000；2.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南湘潭411100；3.重慶市萬盛經(jīng)開國土房管局，重慶404100）

（1.418GeologicalTeam，BureauofGeologyandMineralResourcesExplorationandDevelopmentofHunanProvince，Loudi417000，Hunan，China；2.College of Resources，Environment and Safety Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411100，Hunan，China；3.Chongqing Wansheng Economic Development Land and Housing Bureau，Chongqing 404100，China）

張家界地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組發(fā)育一套黑色巖系，該黑色巖系素以“多金屬富集層”而聞名于世，國內(nèi)地學(xué)研究者從巖石學(xué)、礦物學(xué)、沉積學(xué)、地球化學(xué)、成礦規(guī)律和控礦因素等方面對其進行了研究[1-8]。但在油氣方面的研究卻比較少，近年來隨著國家對頁巖氣研究的深入，有少數(shù)學(xué)者對中上揚子地區(qū)和湖南湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖氣的成藏條件、勘探潛力等進行了研究[9-12]。但目前專門對張家界地區(qū)頁巖氣的研究還比較少。本文以湖南張家界下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖為研究對象，以沉積學(xué)為基礎(chǔ)結(jié)合室內(nèi)測試分析，對張家界地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣成藏潛力進行研究，并對研究區(qū)頁巖氣資源勘探的有利區(qū)塊進行預(yù)測。

1 區(qū)域地質(zhì)概況與巖相古地理

1.1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景

張家界地區(qū)（以下簡稱“研究區(qū)”）位于湖南省西北部。歸屬于湖南湘西北地區(qū)，屬于揚子地塊大地構(gòu)造單元。區(qū)內(nèi)出露的地層由老至新主要有板溪群、南華系－震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、白堊系等[13]（圖1）。

1.2 研究區(qū)牛蹄塘組巖性與沉積環(huán)境

通過對研究區(qū)三岔、后坪、大坪、柑子坪等地剖面進行研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組（C1n）的巖性分為上下兩段，上段以黑色炭質(zhì)頁巖為主夾砂質(zhì)頁巖，其間可見星點狀黃鐵礦和石煤分布。下段為硅質(zhì)巖、薄層狀磷塊巖及黑色炭質(zhì)頁巖，其間發(fā)育一套多金屬礦層[14]。與上伏的杷榔組（C1p）呈整合接觸，與下伏的震旦系燈影組（Z2d）呈平行不整合接觸（圖2）。

研究區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖中的石煤，反映當(dāng)時沉積環(huán)境為水體較深，水能量低的靜水淺海環(huán)境[15]。根據(jù)汪建國等研究發(fā)現(xiàn)[16]，在研究區(qū)柑子坪一帶，黑色泥頁巖有機碳含量可達到10%左右，主要是由于該區(qū)位于熱水噴口附近（圖2）。該環(huán)境有利于有機質(zhì)的保存形成較好的烴源巖，同時區(qū)內(nèi)多金屬礦層富集受熱液活動的影響，屬熱水沉積模式。

1.3 研究區(qū)牛蹄塘組巖相古地理

圖1張家界地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖（據(jù)黃燕等[14]修改）Fig．1 The regional geological map of Zhangjiajie area

研究區(qū)南華紀(jì)時為大陸邊緣早期裂谷階段。裂谷早期快速充填碎屑巖超層序-解體期斷塊或碳酸鹽臺地-黑色頁巖海侵型超層序[17]。進入震旦紀(jì)，繼承了南華紀(jì)的巖相古地理格局，燈影期揚子板塊從陸源碎屑廣布、古陸和陸緣海分布明顯的古地理格局逐漸演變到碳酸鹽臺地廣布的陸表海環(huán)境[18]。

研究區(qū)早寒武世牛蹄塘組沉積從梅樹村期開始一直持續(xù)到筇竹寺期。研究區(qū)牛蹄塘組的下段地層形成于梅樹村期，該時期是在晚震旦世燈影期海退后古生界第一次海侵背景下形成的，繼承了晚震旦世北西高南東低的古地理格局。此時正值華南泛大陸的解體，揚子陸塊和華夏陸塊拉張裂解，構(gòu)造沉降加劇，相對海平面迅速上升，加之早寒武世的生物大爆發(fā)使得生物生產(chǎn)率提高，于是形成了研究區(qū)梅樹村期的大面積海侵及早期的缺氧性地層“黑色巖系饑餓層”。區(qū)域上，自北西向南東水體逐漸加深，研究區(qū)普遍發(fā)育含磷礦、磷結(jié)核、石煤、黃鐵礦結(jié)核及多種元素富集為特征的黑色巖系；該時期沉積環(huán)境主要為邊緣海性質(zhì)，沉積相較單一。而研究區(qū)牛蹄塘組的上段地層形成于早寒武世筇竹寺期中晚期，此時全球海平面繼續(xù)上升也延續(xù)著大洋缺氧的古海水環(huán)境，全球海平面繼續(xù)上升，在這一時期達到最大海泛面，而在區(qū)域構(gòu)造上筇竹寺期上揚子地殼有所抬升，研究區(qū)的變化對本區(qū)水深影響不大。由于寒武紀(jì)生物大爆發(fā)的繼續(xù)，加劇了本區(qū)滯留和缺氧的海水環(huán)境。總體來看研究區(qū)沉積相上屬于深水陸棚相[19]。又由于研究區(qū)受熱液活動的影響，可將研究區(qū)劃分為熱水深水陸棚相[20]（圖3）。

2 材料與方法

為了獲得研究區(qū)頁巖氣藏的成藏特征、賦存形式等關(guān)鍵參數(shù)，本次通過對研究區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖進行分析測試，獲取研究區(qū)頁巖氣儲層的有機碳含量、脆性礦物含量、有機質(zhì)成熟度、孔隙度和滲透率等參數(shù)，進而對研究區(qū)頁巖氣資源開發(fā)利用前景進行評價。

由于受條件的限制，本次研究未能采集到鉆孔或礦洞中的樣品，只能對研究區(qū)三岔、柑子坪、后坪、大坪等野外露頭地質(zhì)剖面進行樣品采集，樣品采集盡可能取新鮮樣品。采集的樣品分為地球化學(xué)分析樣、巖石儲集性能分析樣、巖石礦物分析樣，共采集樣品約25塊。對不同類型的樣品采樣方法、測試儀器和依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分述如下：

圖3研究區(qū)寒武紀(jì)牛蹄塘組巖相古地理圖（據(jù)王朝暉[20]修改）Fig．3 Lithofacies paleogeographic map of Cambrian Niutitang Formation in the study area

（1）地球化學(xué)分析樣主要用于做有機碳測試和有機質(zhì)成熟度測試。采樣方法除遵循一般采樣原則外，盡量對應(yīng)氣體解吸巖心樣等間距采取，頁巖樣品質(zhì)量大于100 g[21]。其中有機碳測試?yán)肨OC－II殘余碳分析儀，依據(jù)國標(biāo)GB/T18602－2001測定。有機質(zhì)成熟度利用顯微鏡光度計（MVP－3），依據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)SY/T5124－1995測定，分析結(jié)果見表1。

（2）巖石儲集性能分析樣主要用于做孔隙度和滲透率測試。采樣位置盡量對應(yīng)氣體解吸巖心樣位置，采樣規(guī)格6×6×6 cm[21]。其中孔隙度測試?yán)肬ltrapore－200A氦孔隙儀，參照標(biāo)準(zhǔn)SY/T5336－2006測 定。 滲 透 率 測 試 利 用ULTRAPERMTM2001，參照標(biāo)準(zhǔn)SY/T5336－2006測定，分析結(jié)果見表1。

（3）巖石礦物分析樣主要用于做脆性礦物含量測試。采樣方法沿巖石性質(zhì)變化最大的方向進行，所采集標(biāo)本代表不同層位的變化標(biāo)本。規(guī)格一般3×6×9 cm，質(zhì)量一般大于100 g[21]。脆性礦物含量使用X射線衍射（XRD）分析儀參照標(biāo)準(zhǔn)SY/T5163－2010測定，分析結(jié)果見表2。

3 研究區(qū)頁巖氣地質(zhì)特征分析

影響頁巖氣成藏的關(guān)鍵性因素包括富有機質(zhì)泥頁巖有效厚度、有機碳含量、脆性礦物含量、熱演化程度、埋深、孔隙度和滲透率等。以下對影響研究區(qū)頁巖氣地質(zhì)特征的要素逐一進行分析。

3.1 有機碳含量

有機碳的含量直接影響到頁巖氣的生烴量和吸附量，通過對研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組露頭地質(zhì)剖面采集的樣品進行分析，結(jié)果顯示泥頁巖有機碳含量為0.62%～14.91%，平均約8.94%（表1）。高于湘西北的其它地區(qū)，造成有機碳含量高的原因可能是受熱水沉積的影響，熱水?dāng)y帶的營養(yǎng)性物質(zhì)使得藻類、線葉植物等底棲生物大量的繁殖有關(guān)[20]。

3.2 有機質(zhì)泥頁巖的有效厚度

有機質(zhì)泥頁巖的有效厚度是指頁巖生烴排烴的厚度。李延鈞等[22]總結(jié)認(rèn)為頁巖氣有利區(qū)應(yīng)滿足有機碳含量（TOC）2.0%以上，單層厚度大于30 m的要求。本次研究將有機碳含量大于2%的泥頁巖厚度認(rèn)定為有效厚度，通過對研究區(qū)剖面的牛蹄塘組黑色頁巖測試發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)牛蹄塘組有機碳含量2%以上的泥頁巖的有效厚度大于60 m，主要分布在牛蹄塘組中下部。

表1研究區(qū)牛蹄塘組頁巖有機碳含量、有機質(zhì)成熟度、孔隙度和滲透率測試結(jié)果表Table 1 The total organic carbon content，thermal evolution degree，porosity and permeability of the shale of Lower Cambrian Niutitang Formation in the study area

表2研究區(qū)牛蹄塘組頁巖的礦物組成分析結(jié)果表Table 2 Mineral composition of the shale of Lower Cambrian Niutitang Formation in the study area

3.3 脆性礦物含量

通過對研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖中的脆性礦物分析發(fā)現(xiàn)，頁巖中石英、長石、方解石和白云石等脆性礦物含量為89.8%～98.1%，平均94.1%（表2），遠(yuǎn)高于湘西北周邊地區(qū)的脆性礦物約70%含量。脆性礦物含量高的原因可能與該時期地下熱液與海底噴流沉積有關(guān)[1]，熱水?dāng)y帶噴流硅質(zhì)巖有利于脆性礦物的形成。

3.4 熱演化程度

鏡質(zhì)組反射率（Ro）雖是一項國際公認(rèn)的標(biāo)定有機質(zhì)成熟階段的獨立指標(biāo)，但下古生界缺乏來源于高等植物的標(biāo)準(zhǔn)鏡質(zhì)組，因此無法直接獲得鏡質(zhì)組反射率，該情況下瀝青反射率成為表征有機質(zhì)成熟度的一個重要指標(biāo)。應(yīng)用瀝青反射率作為成熟指標(biāo)時，國內(nèi)學(xué)者通常按豐國秀等[23]、Jacob[24]等換算公式求出等效鏡質(zhì)組反射率。本研究采用Jacob[24]的換算公式計算出的等效鏡質(zhì)組反射率來評價泥頁巖熱演化程度。

通過對研究區(qū)的樣品進行測試，測試結(jié)果顯示研究區(qū)等效鏡質(zhì)體反射率平均3%以上（表1），屬于過成熟階段，處于干起帶。成熟度較高可能與保靖—慈利深大斷裂的運動有關(guān)，同時也可能反映了該地區(qū)自加里東期以來經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動和擠壓作用，以及抬升剝蝕前最大埋藏時的熱演化程度。

3.5 孔隙度和滲透率

孔隙度用于確定頁巖氣儲層的性質(zhì)和特征，分析游離態(tài)頁巖氣含量，是頁巖氣地質(zhì)評價中的重要參數(shù)[25－27]。測試結(jié)果顯示，研究區(qū)泥頁巖孔隙度2.3%～5.1%，平均約3.18%（表1）。低于美國已開采5套頁巖氣系統(tǒng)的孔隙度的平均值。

滲透率是指在一定壓差下，巖石允許流體通過的能力，其大小與孔隙度、液體滲透方向上空隙的幾何形狀、顆粒大小以及排列方向等因素有關(guān)。測試結(jié)果顯示，研究區(qū)的滲透率值0.002×10－3μm2（0.002 mD）～0.06×10－3μm2（0.06 mD），同樣低于美國已開采5套頁巖氣系統(tǒng)滲透率的平均值。

此外，以往許多學(xué)者研究表明泥頁巖孔隙度大小具有隨TOC含量的增加而增大的正相關(guān)關(guān)系[28－29]。但本次研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頁巖樣品有機碳含量較高，熱演化程度超過某一臨界值時，孔隙度可能與熱演化程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但這仍需要更多的實驗數(shù)據(jù)去進一步證實[20]。

3.6 埋深與構(gòu)造

埋深對頁巖氣的生成及儲藏是極其重要的因素，泥頁巖的埋深不宜過深或過淺，李延鈞等[22]認(rèn)為頁巖埋深在300～3000 m最為合適。深于3000 m可作為資源潛力區(qū)。本次研究根據(jù)研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組（C1n）的埋深情況分為北、中、南三部分。（1）研究區(qū)北部為桑植與永定之間，該區(qū)域斷裂構(gòu)造不發(fā)育，出露地層包括泥盆系（D）和志留系（S）。該區(qū)域下寒武統(tǒng)牛蹄塘組埋藏深度3000～4000 m。（2）研究區(qū)中部為永定至沅古坪之間，出露地層包括白堊系（K）、奧陶系（O）、寒武系（C）、南華系－震旦系（Nh－Z）、板溪群（Pt）。該區(qū)域大部出露地層年代較老，寒武系（C）大部分已遭受剝蝕，整體埋藏深度較淺，同時區(qū)內(nèi)受保靖－慈利等基底深大斷裂切割影響嚴(yán)重，斷裂可能成為頁巖氣逸散的通道，不利于頁巖氣的保存。（3）研究區(qū)南部為沅古坪及以南區(qū)域。斷裂構(gòu)造不發(fā)育，出露地層包括白堊系（K）、寒武系（C）和奧陶系（O）。其中白堊系（K）露頭區(qū)，牛蹄塘組埋藏深度大于5000 m，寒武系（C）地層露頭區(qū)牛蹄塘組埋深小于300 m，均不利于頁巖氣的勘探或保存。該區(qū)內(nèi)奧陶系（O）露頭區(qū)內(nèi)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組的埋藏深度根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心實施的湘張地1井資料顯示在1900 m左右[30]，深度適中。

4 頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)塊預(yù)測分析

4.1 勘探開發(fā)有利區(qū)塊參數(shù)選擇及標(biāo)準(zhǔn)

頁巖氣勘探開發(fā)的選區(qū)須考慮頁巖氣的資源潛力和開發(fā)潛能。眾多的研究結(jié)果表明，頁巖氣成藏要求各參數(shù)都有一個底限條件，但不同地質(zhì)條件下，不同學(xué)者研究得出的參數(shù)底限條件可能有所不同。李延鈞等[22]認(rèn)為頁巖氣選區(qū)的有利區(qū)應(yīng)滿足（1）頁巖埋深小于3000 m，深于3000 m作為資源潛力區(qū)；（2）頁巖單層厚度大于30 m；（3）有機質(zhì)含量≥2.0%；（4）有機質(zhì)成熟度1.4%～3.0%；（5）硅質(zhì)含量大于35%；（6）儲層物性K≥1 mD、孔隙度φ≥4%。根據(jù)以上六項頁巖氣評價指標(biāo)提出了頁巖氣各項評級參數(shù)分級表（表3）。根據(jù)研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖氣賦存的地質(zhì)條件，本文采用李延鈞等[22]總結(jié)的各項參數(shù)分級表對研究區(qū)牛蹄塘組頁巖有機碳含量、泥頁巖有效厚度、有機質(zhì)成熟度、埋深和孔隙度、脆性礦物含量進行綜合信息疊合法，最終對研究區(qū)頁巖氣有利區(qū)塊進行評分優(yōu)選。

4.2 研究區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)塊預(yù)測

基于湘西北頁巖氣勘探開發(fā)的有利區(qū)塊參數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)，本研究通過對研究區(qū)頁巖有效厚度、有機碳含量、有機質(zhì)成熟度、脆性礦物含量、埋深和孔隙度6個因素進行初步約束勘探目標(biāo)，并結(jié)合頁巖氣保存條件、地形地貌和交通條件等，初步確定桑植－永定和沅古坪奧陶系露頭區(qū)為頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)塊。然后依據(jù)表3，對上述兩個有利區(qū)塊進行綜合評分。

4.2.1 桑植－永定資源潛力區(qū)塊

根據(jù)肖正輝、王朝暉等[12，20]對湘西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣研究以及本次對張家界地區(qū)的研究，桑植－永定有機碳含量平均在4%以上，有機碳大于2%的頁巖有效厚度大于100 m，等效鏡質(zhì)組反射率平均在3%以上，達到過成熟階段。脆性礦物含量50%以上，孔隙度1%～3%，泥頁巖埋深在3000～5000 m，根據(jù)表3進行評分，桑植－永定綜合評分為76.8分（表4）。

從頁巖氣的保存條件來看，泥頁巖的主體埋深3000～5000 m，有利于頁巖氣的富集成藏，只是泥頁巖埋藏較深，會增加勘探成本。從地表條件來看，永定區(qū)、桑植及周邊地區(qū)地形高差相對較小，交通方便，有利于頁巖氣的開發(fā)?？傮w來說桑植－永定可以作為研究區(qū)頁巖氣資源勘探的潛力區(qū)，區(qū)塊范圍見圖1。

4.2.2 沅古坪奧陶系露頭區(qū)有利區(qū)塊

根據(jù)本次對研究區(qū)剖面的測試成果以及結(jié)合中國地質(zhì)調(diào)查局在張家界地區(qū)湘張地1井資料[28]，該區(qū)域平均有機碳含量>6%，有機碳大于2%的頁巖有效厚度大于60 m，等效鏡質(zhì)組反射率平均在3%以上，達到過成熟階段。脆性礦物含量90%以上，孔隙度1%～3%，泥頁巖埋深約1900 m，湘張1井在牛蹄塘組顯示良好的含氣性。根據(jù)表4－1進行評分，沅古坪奧陶系露頭區(qū)綜合評分見為83.4分（表5）。

從頁巖氣的保存條件來看，泥頁巖的主體埋深約1900 m，有利于頁巖氣的富集成藏，埋藏深度適中，有利于勘探開發(fā)。從地表條件來看，沅古坪及周邊地區(qū)地形高差相對較小，交通方便，有利于頁巖氣的開發(fā)。總體來說沅古坪奧陶系露頭區(qū)可以作為研究區(qū)頁巖氣資源勘探的有利區(qū)塊，區(qū)塊范圍見圖1。

通過對研究區(qū)泥頁巖有效厚度、有機碳含量、有機質(zhì)成熟度、埋深和孔隙度、脆性礦物含量進行綜合信息疊合法，結(jié)合有利區(qū)的地形地貌與交通條件，最終確定桑植-永定為頁巖氣資源勘探的潛力區(qū)塊，沅古坪奧陶系露頭區(qū)為研究區(qū)頁巖氣資源勘探的有利區(qū)塊。

表3頁巖氣各項評級參數(shù)分級表[22]Table 3 Classification of the evaluationindexes from shale gas

表4桑植-永定資源勘探潛力區(qū)綜合評分表Table 4 Comprehensive evaluation table of resourcesex ploration potential area of Sangzhi-yongding

表5沅古坪奧陶系露頭區(qū)有利區(qū)綜合評分表Table 5 Comprehensive evaluation table of favorable area of Ordovician outcrop area around Yuanguping

5 結(jié)論與建議

（1）研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組巖性主要以黑色炭質(zhì)頁巖、黑色硅質(zhì)巖為主，形成于缺氧的還原環(huán)境，屬熱水沉積模式，沉積相上屬于熱水深水陸棚相。

（2）研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖具有有機碳及脆性礦物含量高，有機質(zhì)泥頁巖有效厚度大，熱演化程度高，孔隙度和滲透率低的特點。

（3）結(jié)合前人與本次的研究成果，對研究區(qū)泥頁巖有效厚度、有機碳含量、有機質(zhì)成熟度、埋深和孔隙度、脆性礦物含量進行綜合信息疊合法最終確定桑植-永定為頁巖氣資源勘探的潛力區(qū)和沅古坪奧陶系露頭區(qū)為研究區(qū)頁巖氣資源勘探的有利區(qū)塊。

論文能夠順利完成承蒙湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院楊榮豐教授、肖正輝教授多年來的悉心指導(dǎo)和幫助，審稿人給本文提出了十分寶貴的修改意見，在此深表謝意。