大巴山前緣五峰組-龍馬溪組干酪根碳同位素特征與有機質類型

門玉澎，余 謙，戚明輝，孫媛媛，閆劍飛，康建威，林家善，趙安坤

(1.中國地質調查局成都地質調查中心，四川 成都 610081；2.四川省科源工程技術測試中心，四川 成都 610091)

引言

在頁巖氣資源評價過程中，富有機質泥頁巖生烴潛力是重要的評價指標[1-4]。分析生烴潛力的主要參數包括有機碳含量、成熟度和有機質類型，其中明確生烴母質類型對頁巖氣資源潛力評價具有重要意義[5-6]。

張志平、余川等人[7-9]研究認為，大巴山前緣五峰組-龍馬溪組富有機質泥頁巖厚度大、分布面積廣、有機碳含量高、處于高-過成熟熱演化階段，但在有機質類型組成方面存在較大爭議[8-10]。張志平等人[8]通過有機質顯微組分分析，認為渝東北地區(qū)五峰組-龍馬溪組有機質類型為腐殖型(Ⅲ型)。武瑾等人[9]通過對巫溪地區(qū)W1井五峰組-龍馬溪組有機質顯微組分分析，認為有機質類型為混合型(Ⅱ1-Ⅱ2)。張琴等人[10]通過恢復后的熱解指標圖版，識別南方地區(qū)志留系頁巖有機質類型以腐泥型(Ⅰ型)為主，兼有混合型(Ⅱ型)，缺乏腐殖型(Ⅲ型)。

干酪根碳同位素與有機質母質碳同位素基本一致，是判斷有機質類型的可靠指標[11-17]。對大巴山前緣五峰組-龍馬溪組富有機質頁巖采集代表性樣品，進行干酪根碳同位素測定，分析其影響因素，明確有機質類型，對區(qū)域頁巖氣資源評價具有重要意義。

1 地質背景

大巴山前緣是指四川盆地以北、城巴斷裂以南、米倉山以東、神農架以西地區(qū)。構造上主體位于南大巴山沖斷帶內，斷裂發(fā)育，地層揉皺作用強烈，構造復雜。五峰組-龍馬溪組巖性主要由炭質硅質頁巖、炭質頁巖、炭質粉砂質頁巖、含炭質粉砂質頁巖組成，間夾粉砂巖、斑脫巖。

研究區(qū)五峰組-龍馬溪組富有機質泥頁巖厚度20.0～89.8m(巫溪2井)，具有面狀分布的特點，巫溪文峰-田壩地區(qū)最厚，向東西兩側厚度減薄。有機碳含量普遍較高，最高可達8%，平均有機碳含量為2.86%。有機質成熟度處于高成熟-過成熟演化階段。石英等脆性礦物含量普遍較高。適宜的比表面積為頁巖氣提供較多的可吸附空間?？傮w而言，大巴山前緣五峰組-龍馬溪組具有較好的頁巖氣富集物質基礎[7-9，18]。

2 樣品采集及實驗

2.1 采樣

根據研究區(qū)五峰組-龍馬溪組富有機質泥頁巖呈東西向平面展布特征，在萬源曹家、城口周溪、巫溪田壩、巫溪白鹿、巴東兩河口進行系統(tǒng)采樣(圖1)。采集樣品為炭質硅質頁巖、炭質頁巖、炭質粉砂質頁巖，普遍含筆石化石。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布圖

Fig.1 Location and sampling sites in the frontal area of theDaba Mountains

2.2 實驗方法

根據熊永強(2004)、盧進才(2010)、張大江(1991)等人研究結果[15-16]，影響干酪根碳同位素組成變化的因素有干酪根類型、有機碳含量和有機質成熟度。因此對采集樣品進行有機碳含量、成熟度和干酪根碳同位素分析，探討大巴山前緣五峰組-龍馬溪組干酪根類型、有機碳含量和成熟度對干酪根碳同位素組成的影響。

樣品測試均在國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室完成。有機碳含量分析采用美國LECO公司生產的CS-400碳硫分析儀進行測定。有機質成熟度采用德國蔡司公司生產的AxioScope.A1偏光顯微鏡進行有機顯微組分法測定。干酪根碳同位素采用美國Thermo Scientific公司MAT253穩(wěn)定同位素質譜儀測定。

3 干酪根碳同位素特征及影響因素

3.1 干酪根碳同位素特征

測試結果如表1所示， 五峰組δ13C值分布在-30.9‰～-28.3‰，平均值-29.9‰。其中δ13C值小于-30.0‰的樣品數占測試樣品總數57.1%(圖2)，主要分布在田壩地區(qū)、周溪地區(qū)和白鹿地區(qū)。兩河口地區(qū)δ13C略增重。

龍馬溪組δ13C值分布在-31.1‰～-28.2‰，平均值-29.9‰。δ13C值小于-30.0‰的樣品數占測試樣品總數53.6%(圖2)，主要分布在田壩、周溪、白鹿地區(qū)。兩河口和曹家地區(qū)δ13C略增重，與五峰組特征相似。

不同采樣點五峰組-龍馬溪組δ13C具有明顯不同的特征。田壩地區(qū)δ13C值分布區(qū)間介于-31.1‰～-29.9‰，平均值為-30.5‰，其中小于-30.0‰的樣品數占90.0%。周溪地區(qū)δ13C值分布區(qū)間介于-30.9‰～-29.8‰，平均值為-30.30‰，其中小于-30.0‰的樣品數占75.0%。白鹿地區(qū)δ13C值分布區(qū)間介于-30.9‰～-29.8‰，平均值為-30.3‰，其中小于-30.0‰的樣品數占70.0%。曹家地區(qū)δ13C值分布區(qū)間介于-30.2‰～-29.6‰，平均值為-29.9‰，其中小于-30.0‰的樣品數占25.0%。兩河口地區(qū)δ13C值分布區(qū)間介于-28.9‰～-28.2‰，平均值為-28.5‰。

根據上述特征分析，大巴山前緣地區(qū)五峰組和龍馬溪組具有近似的δ13C組成。田壩地區(qū)δ13C最輕，兩河口地區(qū)δ13C最重，兩個地區(qū)δ13C平均值相差1.99‰。在區(qū)域上，巫溪田壩地區(qū)向曹家地區(qū)和兩河口地區(qū)均呈現(xiàn)出δ13C組成略增重的特點。

圖2 五峰組-龍馬溪組δ13C分布特征

Fig.2 Histograms showing the distribution of δ13C values in the Wufeng Formation-Longmaix Formation

圖3 五峰組-龍馬溪組有機碳含量分布特征

Fig.3 Histograms showing the distribution of total organic carbon contents in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation

3.2 有機碳特征

五峰組有機碳含量介于1.62%～5.75%，平均值為3.49%，主要分布區(qū)間在2.0%～6.0%(圖3)。龍馬溪組有機碳含量介于0.72%～8.22%，平均值為3.50%，主要分布區(qū)間在1.0%～5.0%(圖3)。

在平面上，五峰組-龍馬溪組有機碳含量平均3.49%。田壩地區(qū)平均有機碳含量為3.86%，曹家地區(qū)平均有機碳含量為4.49%，周溪地區(qū)平均有機碳含量為3.76%，白鹿地區(qū)平均有機碳含量為3.27%，兩河口地區(qū)平均有機碳含量為2.73%。綜合分析有機碳含量數據，大巴山地區(qū)五峰組-龍馬溪組有機碳含量在田壩、曹家、周溪、白鹿地區(qū)較高，兩河口地區(qū)略低,均顯示具有較好的頁巖氣資源豐度。

3.3 有機質熱演化程度特征

鏡質體反射率(Ro)是有機質熱演化程度的重要指征。五峰組Ro介于1.76%～2.82%，平均值為2.08%，主要分布區(qū)間在1.5%～2.5%(圖4)。田壩和兩河口地區(qū)Ro普遍大于2.0%，周溪和白鹿地區(qū)小于2.0%。龍馬溪組Ro介于1.64%～2.94%，平均值為2.05%，主要分布區(qū)間在1.50%～2.50%(圖4)，變化特征與五峰組一致。同一個地區(qū)五峰組和龍馬溪組Ro值近似，不同地區(qū)演化差異是造成研究區(qū)Ro值變化的主控因素。

五峰組-龍馬溪組有機質成熟度平均值為2.06%。田壩地區(qū)Ro平均值為2.21%，曹家地區(qū)Ro平均值為1.80%，周溪地區(qū)Ro平均值為1.78%，白鹿地區(qū)Ro平均值為1.92%，兩河口地區(qū)Ro平均值為2.61%。按照有機質熱演化程度劃分標準，田壩地區(qū)和兩河口地區(qū)平均Ro值大于2.0%，有機質處于過成熟演化階段，周溪、白鹿和曹家地區(qū)平均Ro值大于1.3%且小于2.0%，有機質處于成熟演化階段。在區(qū)域上，北部靠近城巴斷裂熱演化程度低，向四川盆地方向熱演化程度增高。

表1五峰組-龍馬溪組δ13C、TOC及Ro特征

Table1Determinationsofδ13CPDB(‰),totalorganiccarboncontents(TOC,%)andvitrinitereflectance(Ro,%)fortheWufengFormation-LongmaxiFormation

序號樣品編號樣品巖性名稱δ13CPDB(‰)有機碳含量(%)Ro(%)采樣點采樣層位1MD?Y1炭質頁巖?30 205 272 06田壩五峰組2MD?Y2炭質硅質頁巖?30 300 99/田壩五峰組3MD?Y3炭質粉砂質頁巖?29 907 562 14田壩龍馬溪組4MD?Y4炭質粉砂質頁巖?30 105 23/田壩龍馬溪組5MD?Y5炭質粉砂質頁巖?30 503 882 29田壩龍馬溪組6MD?Y6炭質粉砂質頁巖?30 404 10/田壩龍馬溪組7MD?Y7炭質粉砂質頁巖?30 604 082 28田壩龍馬溪組8MD?Y8炭質粉砂質頁巖?30 903 482 16田壩龍馬溪組9MD?Y9炭質粉砂質頁巖?31 102 472 30田壩龍馬溪組10MD?Y10炭質粉砂質頁巖?30 901 55/田壩龍馬溪組11MD?Y11炭質硅質頁巖?29 901 151 83曹家龍馬溪組12MD?Y12炭質硅質頁巖?30 208 221 90曹家龍馬溪組13MD?Y13炭質硅質頁巖?29 803 201 72曹家龍馬溪組14MD?Y14炭質頁巖?29 605 411 75曹家龍馬溪組15MD?Y15炭質頁巖?28 505 442 82兩河口五峰組16MD?Y16炭質頁巖?28 603 742 36兩河口五峰組17MD?Y17炭質頁巖?28 302 512 46兩河口五峰組18MD?Y18炭質頁巖?28 502 712 64兩河口龍馬溪組19MD?Y19炭質頁巖?28 202 852 94兩河口龍馬溪組20MD?Y20炭質頁巖?28 302 18/兩河口龍馬溪組21MD?Y21炭質頁巖?28 602 68/兩河口龍馬溪組22MD?Y22炭質頁巖?28 702 822 75兩河口龍馬溪組23MD?Y23炭質頁巖?28 900 72/兩河口龍馬溪組24MD?Y24炭質頁巖?28 801 692 33兩河口龍馬溪組25MD?Y25炭質硅質頁巖?30 301 621 76周溪五峰組26MD?Y26炭質硅質頁巖?30 201 871 64周溪龍馬溪組27MD?Y27炭質硅質頁巖?30 703 821 96周溪龍馬溪組28MD?Y28炭質硅質頁巖?30 904 921 72周溪龍馬溪組29MD?Y29炭質硅質頁巖?30 907 951 85周溪龍馬溪組30MD?Y30炭質硅質頁巖?29 803 611 81周溪龍馬溪組31MD?Y31炭質粉砂質頁巖?30 003 621 83周溪龍馬溪組32MD?Y32炭質粉砂質頁巖?29 802 671 66周溪龍馬溪組33MD?Y33炭質硅質頁巖?30 904 451 96白鹿五峰組34MD?Y34炭質硅質頁巖?30 805 751 93白鹿五峰組35MD?Y35炭質硅質頁巖?30 905 121 96白鹿五峰組36MD?Y36炭質硅質頁巖?29 803 001 85白鹿五峰組37MD?Y37炭質硅質頁巖?29 802 271 96白鹿五峰組38MD?Y38炭質硅質頁巖?30 002 351 92白鹿五峰組39MD?Y39炭質硅質頁巖?30 003 532 03白鹿五峰組40MD?Y40炭質硅質頁巖?29 902 841 96白鹿五峰組41MD?Y41炭質硅質頁巖?30 102 211 98白鹿龍馬溪組42MD?Y42炭質粉砂質頁巖?30 701 211 65白鹿龍馬溪組

圖4 五峰組-龍馬溪組Ro分布直方圖

Fig.4 Histograms showing the distribution of Ro values in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation

3.4 影響因素分析

國內學者黃籍中等[11]認為，影響干酪根碳同位素的主要因素是干酪根類型，熱演化程度對干酪根碳同位素影響小于2.0‰。熊永強等[15]通過實驗模擬提出，在Ro小于1.5%的階段，干酪根碳同位素組成變化較大，可達3.8‰；當Ro大于1.5%、小于2.0%時，干酪根碳同位素變化幅度約為2.0‰；當Ro大于2.0%時，變化幅度小于0.8‰。王杰等[13]提出，有機碳含量越高且有機質類型越好的樣品，其有機質碳同位素組成越輕。

綜合分析研究區(qū)測試結果，討論大巴山地區(qū)五峰組-龍馬溪組有機碳含量、熱演化程度對干酪根碳同位素組成的影響。

3.4.1 有機碳含量與δ13C組成

五峰組和龍馬溪組在大巴山前緣地區(qū)為局限淺海深水相沉積環(huán)境產物，兩個組段巖性相近，古生物面貌相同，屬于連續(xù)沉積。由此可以認為，在單個采樣地區(qū)的烴源巖干酪根碳同位素組成是相同的。根據測試結果(表1)，5個采樣地區(qū)熱演化程度差異較大，但單個采樣地區(qū)內樣品的熱演化程度無較大差別。

對單個采樣地區(qū)的有機碳與干酪根碳同位素進行相關性分析(圖5)，田壩地區(qū)隨著有機碳含量增加δ13C組成偏重，呈現(xiàn)明顯線性正相關，相關系數達0.456，δ13C組成變化幅度為1.2‰。兩河口地區(qū)有機碳含量與δ13C組成呈較弱的正相關。周溪地區(qū)隨著有機碳含量增加δ13C組成偏輕，呈現(xiàn)明顯負相關，相關系數達0.399，δ13C組成變化幅度為1.1‰。白鹿地區(qū)有機碳含量與δ13C組成同樣呈現(xiàn)負相關，相關系數達0.353，與周溪地區(qū)的變化規(guī)律一致，其δ13C組成變化幅度為1.1‰。曹家地區(qū)僅有4個采樣數據，有機碳含量與δ13C組成亦呈現(xiàn)弱的負相關，與白鹿地區(qū)、周溪地區(qū)變化規(guī)律相似。

對比5個采樣點差異，田壩地區(qū)和兩河口地區(qū)Ro平均值大于2.0%，處于過成熟演化階段；周溪地區(qū)、白鹿地區(qū)和曹家地區(qū)Ro平均值小于2.0%，處于高成熟演化階段。由此認為不同的演化階段，有機碳含量對δ13C組成具有不同的影響。當有機質處于高成熟演化階段(Ro<2.0%)，隨有機碳含量增高，δ13C組成偏輕；當有機質處于過成熟演化階段(Ro>2.0%)，隨著有機碳含量增高，δ13C組成偏重。有機碳含量對δ13C組成影響幅度在1.1‰～1.2‰。

3.4.2 熱演化程度與δ13C組成

田壩地區(qū)和兩河口地區(qū)處于過成熟演化階段，δ13C組成具有明顯的不同。田壩地區(qū)δ13C組成普遍小于-30.0‰，兩河口地區(qū)δ13C組成均大于-30.0‰，兩個地區(qū)δ13C組成平均值差1.99‰。周溪地區(qū)、白鹿地區(qū)和曹家地區(qū)處于高成熟演化階段，δ13C組成也不同：白鹿和周溪地區(qū)δ13C組成普遍小于-30.0‰，曹家地區(qū)δ13C組成大部分大于-30.0‰。由此認為，在大巴山前緣地區(qū)造成相同或近似熱演化程度地區(qū)的干酪根碳同位素組成差異性的主要因素是干酪根類型，有機質成熟度影響甚微。

4 有機質類型分析

國內學者黃籍中等人在干酪根碳同位素判別有機質類型方面做了詳細研究[11]，認為干酪根碳同位素反映了原始物質的組成特征，并且根據干酪根碳同位素特征，對有機質類型識別劃分出三類四區(qū)間，δ13C區(qū)間值為：Ⅰ型-35‰～-30‰，Ⅱ1型-30‰～27.5‰，Ⅱ2型-27.5‰～-25‰，Ⅲ型≥-25‰。參照該劃分原則，對大巴山前緣五峰組-龍馬溪組有機質類型進行判定。

圖5 有機碳含量與δ13C組成交匯圖

Fig.5 Diagrams of δ13C values vs. total organic carbon contents in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation

由測試結果表1可見，δ13C值分布在-31.1‰～-28.2‰。其中δ13C值小于-30‰的樣品數為23個，占總樣品數54.76%；δ13C值介于-28‰～-30‰樣品數為19個，占總樣品數45.24%，沒有大于-28‰樣品。根據前述有機質類型劃分原則，認為大巴山前緣五峰組-龍馬溪組有機質類型為Ⅰ型(腐泥型)和Ⅱ1型(腐殖腐泥型)。

對樣品采集點進行統(tǒng)計，在田壩地區(qū)，δ13C值普遍小于-30.0‰，有機質類型為Ⅰ型(腐泥型)。在周溪地區(qū)，δ13C值小于-30.0‰的樣品數占68%，介于-29‰～-30‰的樣品數占32%，有機質類型以Ⅰ型(腐泥型)為主，混雜有Ⅱ1型(腐殖腐泥型)，白鹿地區(qū)具有相似的特征。在曹家地區(qū)和兩河口地區(qū)，δ13C值普遍大于-30.0‰, 有機質類型為Ⅱ1型(腐殖腐泥型)。在平面上，從巫溪田壩地區(qū)向東西兩側有機質類型由Ⅰ型(腐泥型)變?yōu)棰?型(腐殖腐泥型)。

5 結論

通過對大巴山前緣五峰組-龍馬溪組采集的代表性樣品進行有機碳含量、成熟度和干酪根碳同位素測定，分析干酪根碳同位素特征及影響因素，并結合前人研究成果，對大巴山前緣地區(qū)有機質類型進行分析。

(1)大巴山地區(qū)五峰組-龍馬溪組干酪根碳同位素δ13C值分布區(qū)間為-31.1‰～-28.2‰，巫溪田壩地區(qū)δ13C值最輕，向東西兩側δ13C值略有增重。

(2)有機碳含量和有機質成熟度對干酪根碳同位素組成影響較小。當有機質成熟度小于2.0%，有機碳含量與δ13C具有較好的線性負相關，有機碳含量增高，δ13C組成偏輕；當有機質成熟度大于2%，有機碳含量與δ13C具有較好的線性正相關性，即隨著有機碳含量增高，δ13C組成偏重。δ13C組成變化區(qū)間小于1.2‰。

(3)大巴山地區(qū)五峰組-龍馬溪組有機質類型為Ⅰ型(腐泥型)和Ⅱ1(腐殖腐泥型)。田壩地區(qū)為標準Ⅰ型(腐泥型)，向東西兩側逐漸過渡為Ⅱ1型(腐殖腐泥型)。