富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中石英的成因及對(duì)儲(chǔ)層品質(zhì)的指示意義
——以四川盆地東南部及周緣龍馬溪組龍一1 亞段為例

郭 雯 董大忠 李 明 孫莎莎 管全中 張素榮

1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 2.國(guó)家能源頁(yè)巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心 3.成都理工大學(xué)

0 引言

下志留統(tǒng)龍馬溪組是四川盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)層系[1-2]。龍馬溪組頁(yè)巖中石英所占比例非常大，通常超過(guò)30%[3-4]。石英含量與總有機(jī)碳含量（TOC）存在著一定的相關(guān)關(guān)系，并且作為頁(yè)巖中最重要的脆性礦物，石英含量成為影響頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂性的關(guān)鍵性因素[5-8]。頁(yè)巖中石英的成因一直以來(lái)都是一個(gè)很重要的研究課題，硅質(zhì)的供給除了陸源搬運(yùn)的風(fēng)化產(chǎn)物外，成巖時(shí)自生的石英常常占據(jù)很大一部分，來(lái)源于生物硅質(zhì)的轉(zhuǎn)化、黏土礦物的轉(zhuǎn)化、硅質(zhì)礦物（石英和長(zhǎng)石）的壓溶、熱液硅質(zhì)的輸入以及火山灰的轉(zhuǎn)化等[9-11]。隨著研究的深入，學(xué)者們?cè)诿绹?guó)的Barnett 頁(yè)巖、Eagle Ford 頁(yè)巖、Woodford 頁(yè)巖、Marcellus 頁(yè)巖，挪威海和北海的晚白堊世頁(yè)巖以及中國(guó)的五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖、牛蹄塘組頁(yè)巖中都發(fā)現(xiàn)自生石英的主要來(lái)源為硅質(zhì)生物骨骼的溶解再沉淀和黏土礦物轉(zhuǎn)化時(shí)釋放出硅質(zhì)形成的膠結(jié)物[12-18]。 研究者們對(duì)儲(chǔ)層中大量發(fā)育的硅質(zhì)古生物碎屑（放射蟲(chóng)、海綿骨針、硅藻等），以及對(duì)蛋白石演化的研究，證實(shí)了生物成因石英的來(lái)源[19-20]；以成巖作用為背景，對(duì)蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化作用的研究也為黏土礦物轉(zhuǎn)化成因的石英提供了依據(jù)[21]。生物成因石英含量與總有機(jī)碳含量、孔隙度以及含氣性都有一定的正相關(guān)，這與其形成時(shí)期以及生物體對(duì)其結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響有關(guān)。黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的石英受黏土礦物含量以及轉(zhuǎn)化條件的控制，影響儲(chǔ)層的密度與硬度[16-18]。雖然關(guān)于頁(yè)巖中石英成因的研究已逐漸深入，但對(duì)于石英的顯微形貌描述、成因類(lèi)型劃分以及定量表征仍然缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，對(duì)于不同類(lèi)型石英在剖面與平面上的變化特征及其對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層品質(zhì)影響的分析也較少。

龍馬溪組的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層主要分布于該地層的底部，隨著研究的深入，逐漸鎖定于龍一1 亞段，而龍一1 亞段各小層的儲(chǔ)層品質(zhì)也不盡相同，橫向和縱向非均質(zhì)性非常強(qiáng)，需要進(jìn)行更精細(xì)的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布特征的研究[22-24]。因此，筆者選取四川盆地東南部及周緣頁(yè)巖氣富集帶上的5 個(gè)地區(qū)野外露頭剖面龍一1 亞段頁(yè)巖樣品，進(jìn)行X 射線衍射分析、掃描電鏡觀察、能譜分析、陰極發(fā)光分析以及主微量元素測(cè)試分析，進(jìn)行礦物組成分析與顯微形貌觀察，結(jié)合地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)，厘清石英的硅質(zhì)來(lái)源，定量表征不同成因石英的占比及變化，探討了其對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層品質(zhì)的指示意義，以期為龍馬溪組頁(yè)巖及具有相似沉積背景的其他頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的物性與含油氣性評(píng)價(jià)提供巖石學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地東南部及周緣位于川南中低緩構(gòu)造帶和川東高陡構(gòu)造區(qū)，受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，具有早期沉降、晚期隆升，沉降期長(zhǎng)、隆升期短的特點(diǎn)[25]。龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖形成于閉塞、半閉塞滯留海盆環(huán)境，為一套深水陸棚沉積。筆者本次研究的區(qū)域主要位于硅質(zhì)頁(yè)巖相中，選取武隆黃鶯、武隆江口、石柱漆遼、彭水鹿角和華鎣山三百梯地區(qū)的5 條典型野外剖面（圖1）。

2 樣品與分析方法

筆者本次研究的樣品取自5 條剖面龍馬溪組底部龍一1 亞段，武隆黃鶯、武隆江口、石柱漆遼、彭水鹿角和華鎣山三百梯剖面龍一1 亞段出露厚度分別為20.43 m、23.27 m、13.75 m、18.72 m、15.44 m，分別取樣10 件、11 件、4 件、7 件、5 件，共37 件。對(duì)每個(gè)樣品都進(jìn)行了光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、掃描電鏡陰極發(fā)光觀察和能譜分析，全巖與黏土礦物含量分析以及主量、微量與稀土元素含量的測(cè)定。

光學(xué)顯微鏡觀察采用Leica4500P 高精度顯微鏡。掃描電鏡觀察采用Nova NanoSEM 450 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，內(nèi)置Oxford X—Max 80 能譜儀與Gatan Mono CL4 陰極發(fā)光光譜儀，背散射探頭的工作條件為：電壓為15 kV，光斑尺寸為5.5 nm，工作距離為5.0 ～6.5 mm；陰極發(fā)光探頭的工作條件為：電壓為10 kV，光斑尺寸為6.0 nm，工作距離為13.9 mm。全巖與黏土礦物含量分析運(yùn)用X 射線衍射分析，樣品磨至小于200 目的粉末，主量元素分析采用X 射線熒光光譜儀，微量元素與稀土元素分析采用高分辨等離子體質(zhì)譜儀，樣品磨至200 目。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 石英成因

圖1 四川盆地及鄰區(qū)龍馬溪組早期沉積相與地層柱狀圖

5 條剖面龍一1 亞段的頁(yè)巖樣品長(zhǎng)英質(zhì)礦物均占主體部分，平均含量介于40%～60%，碳酸鹽礦物含量較少；武隆黃鶯、石柱漆遼和彭水鹿角剖面向上石英含量減少，黏土礦物含量增加，武隆江口和華鎣山三百梯剖面則呈現(xiàn)旋回性的波動(dòng)變化；黏土礦物中伊利石礦物占主導(dǎo)，部分樣品含有較多的綠泥石礦物，伊/蒙混層含量較少，變化不大。大部分樣品為硅質(zhì)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖，僅1 件樣品為黏土質(zhì)—硅質(zhì)混合頁(yè)巖、2 件樣品為鈣質(zhì)—硅質(zhì)混合頁(yè)巖、1 件樣品為黏土質(zhì)—鈣質(zhì)混合頁(yè)巖、1 件樣品為黏土巖（圖2）。武隆黃鶯剖面、石柱漆遼剖面、華鎣山三百梯剖面、武隆江口剖面下部的硅質(zhì)頁(yè)巖中的石英、長(zhǎng)石等碎屑顆粒粒徑較小，許多細(xì)小的石英顆粒（1 ～3 μm）組成石英集合體，黏土礦物以伊利石為主（圖3-a）；彭水鹿角剖面、武隆江口剖面上部的硅質(zhì)頁(yè)巖，碎屑顆粒的粒徑則明顯較大，多介于10 ～20 μm，黏土礦物中綠泥石含量較高（20%～50%），（圖3-b）。

3.1.1 石英成因類(lèi)型

圖2 龍一1 亞段頁(yè)巖巖相分類(lèi)圖

圖3 龍一1 亞段頁(yè)巖掃描電鏡下巖石學(xué)特征照片

頁(yè)巖中的石英可以分為陸源石英和成巖時(shí)形成的自生石英，通過(guò)石英的形態(tài)及陰極發(fā)光特征等可以進(jìn)行區(qū)分。陸源石英的陰極發(fā)光特征表現(xiàn)為強(qiáng)發(fā)光，自生石英的陰極發(fā)光特征表現(xiàn)為弱發(fā)光—不發(fā)光。自生石英又可以根據(jù)其顯微形貌的差異以及周?chē)牡V物等細(xì)分為不同類(lèi)型的自生石英（圖3），并結(jié)合能譜分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[26-28]。5 條剖面的龍一1 亞段頁(yè)巖中可識(shí)別出4 類(lèi)石英：第一類(lèi)石英為陸源碎屑石英，此類(lèi)石英粒徑較大，通?？蛇_(dá)到粉砂級(jí)別（5 ～20 μm），表面可見(jiàn)搬運(yùn)時(shí)留下的痕跡（圖3）；在陰極發(fā)光圖像中表現(xiàn)為強(qiáng)發(fā)光（圖4-a、b），能譜中顯示較純粹的SiO2成分（圖4-c）。第二類(lèi)石英以微晶（1～3 μm）及集合體（圖4-d），或可達(dá)粉晶級(jí)大?。?0 ～20 μm）的形式出現(xiàn)，陰極發(fā)光照射下發(fā)光微弱—不發(fā)光（圖4-d、e），顯示其自生成因，此類(lèi)石英在鏡下最為常見(jiàn)，并且在硅質(zhì)含量多的樣品中極為發(fā)育，能譜中的SiO2成分較純粹（圖4-f）。第三類(lèi)石英表現(xiàn)為陸源石英的次生加大部分，只能在陰極發(fā)光圖像中識(shí)別，此類(lèi)石英發(fā)育較少，在陰極發(fā)光圖像中顯示為里面的陸源石英部分發(fā)強(qiáng)光，外圍的次生加大部分不發(fā)光，顯示其自生成因（圖4-g、h），能譜中含有少量的Al 元素和K 元素，推測(cè)其成因與黏土礦物有關(guān)（圖4-i）。第四類(lèi)石英表現(xiàn)為嵌于黏土基質(zhì)中的微米級(jí)顆粒，大小介于1 ～3 μm，表現(xiàn)為孤立的顆?；蚨替湢畹龋▓D4-j、k），陰極發(fā)光照射下發(fā)光微弱—不發(fā)光，顯示其自生成因，這類(lèi)石英通常分布于伊利石礦物的周?chē)蚯队谄渲?，并且能譜中含有Al 元素和K 元素，推測(cè)其成因與黏土礦物有關(guān)（圖4-l）。

3.1.2 石英成因機(jī)制與硅質(zhì)來(lái)源

第一類(lèi)陸源碎屑石英是母巖風(fēng)化的產(chǎn)物，通過(guò)風(fēng)、河流或冰川等搬運(yùn)至盆地中，呈圓形—次圓形，或棱角狀，顆粒表面會(huì)留下搬運(yùn)的痕跡[9]。陸源石英粒徑較大，通常介于5 ～20 μm，在陰極發(fā)光下強(qiáng)發(fā)光。通過(guò)對(duì)樣品的陰極發(fā)光圖像觀察，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的石英顯示弱發(fā)光或不發(fā)光的特征，表明龍一1 亞段頁(yè)巖石英含量中自生石英占主體。同時(shí)結(jié)合主微量元素分析[29]：巖石中的Zr 和TiO2與重礦物有關(guān)，可以作為衡量粉砂級(jí)陸源碎屑輸入的指標(biāo)。5 條剖面中武隆黃鶯剖面的SiO2與Zr 和TiO2成正相關(guān)關(guān)系，但是相關(guān)系數(shù)非常小，表明陸源來(lái)源并非是剖面中石英的主要來(lái)源；其他4 個(gè)剖面的SiO2與Zr 和TiO2都成負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且具有較大的負(fù)相關(guān)系數(shù)，表明自生石英占據(jù)更大的比重（圖5）。

自生石英主要來(lái)自于生物硅質(zhì)轉(zhuǎn)化、黏土礦物轉(zhuǎn)化以及熱液硅質(zhì)輸入等。Al—Fe—Mn 圖解一般用于表征燧石的形成環(huán)境[30]，5 條剖面所有的樣品都落在了非熱液成因的范圍里，說(shuō)明研究區(qū)龍一1 亞段石英的熱液硅來(lái)源是可以被排除的（圖6）。

五峰組—龍馬溪組含有豐富的硅質(zhì)微體生物化石，包括放射蟲(chóng)、海綿骨針等，為生物硅質(zhì)的存在提供依據(jù)[6]，其內(nèi)部多被石英充填，呈同心環(huán)狀或放射狀生長(zhǎng)。在掃描電鏡圖像中，第二類(lèi)石英是最多的石英類(lèi)型，為生物成因石英，其微晶石英顆粒的大小與形狀和蛋白石球粒相似[16]，粗晶石英顆粒為硅質(zhì)浮游生物的重結(jié)晶[20]。在成巖作用早期，埋藏的硅質(zhì)生物發(fā)生溶解，形成蛋白石—A，然后轉(zhuǎn)化為蛋白石—CT，富集之后在埋深500 m 以淺就會(huì)全部轉(zhuǎn)化為石英[16]，此時(shí)機(jī)械壓實(shí)作用還未顯著，生物硅優(yōu)先沉淀于放射蟲(chóng)與硅藻囊泡中[31]，形成具有生物結(jié)構(gòu)的石英，同時(shí)充填于孔隙之中形成大量微晶石英顆粒。結(jié)合地球化學(xué)元素分析，Si/（Si+Fe+Al+Ca）是反映硅質(zhì)來(lái)源的重要參數(shù)，生物成因Si/（Si+Fe+Al+Ca）比值較高，一般大于0.85[6,32]。5 條剖面37 個(gè)樣品的Si/（Si+Fe+Al+Ca）介于0.68 ～0.94，平均值為0.82（表1），也說(shuō)明龍一1亞段生物成因硅質(zhì)為主要的硅質(zhì)來(lái)源。

圖4 龍一1 亞段頁(yè)巖中不同成因類(lèi)型石英的顯微形貌特征與能譜分析圖

黏土礦物轉(zhuǎn)化過(guò)程中形成的硅質(zhì)是自生石英的另一個(gè)硅質(zhì)來(lái)源。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖成熟度很高，伊利石占黏土礦物的主體。在成巖過(guò)程中，鉀長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化和腐蝕溶解提供了充足的鉀[14]，在一定的溫度與壓強(qiáng)條件下，蒙脫石會(huì)轉(zhuǎn)化為伊利石，主要發(fā)生在中成巖期溫度為80 ℃左右時(shí)[10]，反應(yīng)過(guò)程釋放硅質(zhì)，原地沉淀結(jié)晶形成微米級(jí)石英顆粒。第三類(lèi)與第四類(lèi)石英都是黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的，第三類(lèi)石英的周?chē)匆?jiàn)硅質(zhì)的壓溶現(xiàn)象，但發(fā)育伊利石礦物，第四類(lèi)石英則是嵌于黏土礦物中，并且這兩類(lèi)石英的能譜中都含有一定量的Al 元素和K 元素，說(shuō)明其成因與黏土礦物有關(guān)。掃描電鏡圖像中，第三、第四類(lèi)石英較少，尤其是次生加大的自生石英很少。另外，5 條剖面石英中的過(guò)量硅（Si過(guò)量）含量與Al2O3含量的交匯圖都顯示負(fù)相關(guān)的關(guān)系，且都具有較大的負(fù)相關(guān)系數(shù)（圖7），說(shuō)明自生石英中生物成因的硅占主要部分，而不是黏土礦物轉(zhuǎn)化（蒙脫石轉(zhuǎn)化為伊利石）時(shí)形成的硅質(zhì)。

圖5 龍一1 亞段頁(yè)巖中SiO2 與Zr 和TiO2 含量的相關(guān)性分析圖

圖6 龍一1 亞段頁(yè)巖Al—Fe—Mn 三元圖

研究區(qū)龍一1 亞段的3 種來(lái)源的石英（陸源石英、生物石英和黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的石英）占比可以通過(guò)本文參考文獻(xiàn)[28-29]中的公式計(jì)算（表1），（Si/Al）背景采用平均頁(yè)巖比值3.11[32-33]。5 條剖面37個(gè)樣品龍一1 亞段的陸源石英含量介于10%～50%，生物成因石英含量介于0 ～80%，黏土礦物轉(zhuǎn)化石英含量處于2%～10%。在龍一1 亞段底部，過(guò)量硅含量最多，介于40%～80%，生物石英的相對(duì)含量占總石英含量的50%～80%，向上二者逐漸減少，而陸源石英與黏土礦物轉(zhuǎn)化石英逐漸增多。從5 條剖面對(duì)比來(lái)看，彭水鹿角剖面的石英總量相比其他剖面低，但陸源碎屑石英所占比例卻較大，生物石英占比較少。

3.2 石英對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層品質(zhì)的影響

3.2.1 石英成因與有機(jī)質(zhì)富集

五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中硅質(zhì)生物的富集與埋藏沉積指示著相對(duì)安靜與深水的陸棚沉積環(huán)境，這種環(huán)境水體中富含硅，為硅質(zhì)生物的生長(zhǎng)提供大量硅，且對(duì)硅質(zhì)生物死亡后的埋藏與保存也起到積極的作用[6]，硅質(zhì)浮游生物是海洋初級(jí)生產(chǎn)力的主要提供者[15]，其富集指示著高的海洋初級(jí)生產(chǎn)力。浮游生物具有高的生產(chǎn)率，并且硅化的浮游生物骨骼中含有大量的有機(jī)質(zhì)，因此富含生物石英的頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量高，生物石英含量與TOC 成正比（圖8），儲(chǔ)層的含油氣性好[16]；而陸源石英與黏土礦物轉(zhuǎn)化石英的增多指示著陸源物質(zhì)輸入的增多，生物石英減少，伴隨著頁(yè)巖沉積中有機(jī)質(zhì)含量的減少[6,15-16]。

3.2.2 石英成因與頁(yè)巖孔隙

成巖作用早期形成的生物石英會(huì)形成大量的粒間孔[34]，同時(shí)可以構(gòu)成堅(jiān)硬的格架，避免了原生孔隙的進(jìn)一步壓實(shí)，為生油窗油氣的注入提供了空間，也對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層中的有機(jī)質(zhì)孔起到了保護(hù)作用[35]；成巖作用中晚期黏土礦物轉(zhuǎn)化（蒙脫石轉(zhuǎn)化為伊利石）形成的石英通常起到膠結(jié)的作用，填充一部分孔隙，同時(shí)在黏土礦物層間形成剛性格架，造成頁(yè)巖巖石硬度的變化。

3.2.3 石英成因與可壓裂性

石英是最重要的脆性礦物，石英含量越高，越容易形成裂縫，具有高楊氏模量和低泊松比，有利于壓裂改造。但不同成因石英對(duì)儲(chǔ)層可壓裂性的貢獻(xiàn)不同，生物石英形成的粒間孔與之中的有機(jī)質(zhì)孔形成網(wǎng)絡(luò)，在壓裂過(guò)程中容易形成復(fù)雜且連通性好的孔—縫體系[36]；陸源石英通常表現(xiàn)為漂浮于基質(zhì)中，其結(jié)構(gòu)特征使得對(duì)儲(chǔ)層可壓裂性增強(qiáng)的貢獻(xiàn)可能不大。

表1 龍一1 亞段頁(yè)巖中不同成因類(lèi)型石英含量統(tǒng)計(jì)表

圖7 龍一1 亞段頁(yè)巖Si過(guò)量與Al2O3 含量的相關(guān)性圖

圖8 五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中生物石英含量與TOC 的 相關(guān)性分析圖

3.2.4 儲(chǔ)層品質(zhì)

龍一1 亞段的底部頁(yè)巖中生物成因石英最多，指示著缺氧、平靜的深水陸棚沉積環(huán)境，古生產(chǎn)力水平最高，含有豐富的有機(jī)質(zhì)；向上隨著陸源碎屑的增多，陸源石英與黏土礦物轉(zhuǎn)化石英增多。生物石英的富集與TOC、儲(chǔ)集物性以及儲(chǔ)層的可壓裂性都具有正相關(guān)的關(guān)系[16]，有利于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成以及頁(yè)巖氣的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。5 條剖面對(duì)比表明，武隆黃鶯剖面、武隆江口剖面與石柱漆遼剖面在龍一1 亞段整體都發(fā)育有較多的石英，并且在下部都含有大量的生物石英；彭水鹿角剖面與華鎣山三百梯剖面的上部相對(duì)陸源注入較多，陸源石英與黏土礦物含量較多，不利于發(fā)育網(wǎng)狀石英格架以及有機(jī)質(zhì)的注入與保存。因此，研究區(qū)龍一1 亞段最底部2 ～4 m 為最優(yōu)質(zhì)的頁(yè)巖儲(chǔ)層。

4 結(jié)論

1）四川盆地東南部龍一1 亞段頁(yè)巖中長(zhǎng)英質(zhì)礦物占主體部分，平均含量介于40%～60%；石英可分為4 類(lèi)：陸源碎屑石英、生物遺骸轉(zhuǎn)化形成的自生石英、黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的陸源石英次生加大部分石英、黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的微米級(jí)石英顆粒。

2）陸源石英指示陸源碎屑輸入，陸源碎屑的增多伴隨著有機(jī)質(zhì)含量的減少。生物石英形成大量的粒間孔，同時(shí)構(gòu)成堅(jiān)硬的格架，避免原生孔隙的進(jìn)一步壓實(shí)，為生油窗油氣的注入提供空間，對(duì)有機(jī)質(zhì)孔起到保護(hù)作用；粒間孔與之中的有機(jī)質(zhì)孔形成網(wǎng)絡(luò)，起到增加儲(chǔ)層脆性與可壓裂性的作用；且生物石英含量與總有機(jī)碳含量成正比。黏土礦物轉(zhuǎn)化石英形成于成巖作用中期，通常成為膠結(jié)物減少儲(chǔ)層孔隙，同時(shí)增加儲(chǔ)層的硬度與密度。

3）龍一1 亞段頁(yè)巖的石英中生物石英占主體，該段底部的2 ～4 m 生物石英占到總石英含量的50%～80%，向上生物成因石英逐漸減少，陸源石英與黏土礦物轉(zhuǎn)化石英逐漸增多。龍一1 亞段最底部厚度為2 ～4 m 的頁(yè)巖段生物石英含量高，含有豐富的有機(jī)質(zhì)，儲(chǔ)集能力與可壓裂性最好，是最優(yōu)質(zhì)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層層段。