陜西漢中南部地區(qū)下古生界頁(yè)巖氣地質(zhì)特征及有利區(qū)預(yù)測(cè)

喬建新，李金錢，王小朗，馬宏民，趙 強(qiáng)

1. 陜西礦業(yè)開發(fā)工貿(mào)有限公司，陜西西安710054；2. 陜西地礦集團(tuán)有限公司，陜西西安710054

頁(yè)巖氣是指賦存于以富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為主的儲(chǔ)集巖系中的非常規(guī)天然氣，因其特殊的成藏機(jī)理、豐富的資源潛力和良好的勘探前景而受到廣泛關(guān)注和高度重視。近年來(lái)，隨著天然氣在中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重不斷攀升，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程不斷推進(jìn)，獲得了一批重要的勘探成果和研究進(jìn)展[1-9]。目前，四川盆地及周緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組已基本實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣商業(yè)開發(fā)，而下寒武統(tǒng)牛蹄塘組僅在威遠(yuǎn)、鄂西等個(gè)別地區(qū)取得突破。圍繞漢南—米倉(cāng)山古隆起周緣廣泛分布的下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組作為揚(yáng)子板塊西北緣主要的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系，具有沉積厚度較大、有機(jī)質(zhì)豐度較高、有機(jī)質(zhì)成熟度適中等特征，具備頁(yè)巖氣成藏條件。筆者結(jié)合前人成果[10-12]，通過(guò)對(duì)陜西漢中南部地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣地質(zhì)特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，開展資源潛力評(píng)價(jià)與有利區(qū)預(yù)測(cè)，為該地區(qū)頁(yè)巖氣勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于揚(yáng)子板塊西北緣，地質(zhì)構(gòu)造受揚(yáng)子板塊、秦嶺造山帶與松潘—甘孜造山帶共同作用，經(jīng)歷了前南華紀(jì)基底形成演化階段，南華紀(jì)—中三疊世地臺(tái)陸表海演化階段和晚三疊世以來(lái)大陸板塊內(nèi)演化階段[13]。早古生代是揚(yáng)子板塊主要的蓋層形成期，研究區(qū)主體屬淺海陸棚至斜坡沉積環(huán)境，圍繞漢南—米倉(cāng)山古隆起周緣廣泛分布下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組等多套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系（圖1），主要巖性為黑色碳質(zhì)頁(yè)巖、灰黑—黑色碳質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖及深灰色泥質(zhì)粉砂巖等，因古隆起周緣具有埋藏深度適中、構(gòu)造變形較弱等特征，有利于頁(yè)巖氣的富集和保存，使得研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系成為頁(yè)巖氣勘查開發(fā)的主要目標(biāo)層位。

2 下古生界主要頁(yè)巖層系分布特征

通過(guò)野外調(diào)查、測(cè)試分析與綜合研究，基本查明了研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系的分布、巖性及厚度等特征。

2.1 下寒武統(tǒng)牛蹄塘組

下寒武統(tǒng)牛蹄塘組（∈1n）為研究區(qū)最主要的頁(yè)巖氣目標(biāo)層位，在區(qū)內(nèi)廣泛分布，底部為深灰—黑灰色薄層狀含碳粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾深灰色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖，下部為黑色薄層狀碳質(zhì)頁(yè)巖夾灰黑—黑色薄層狀碳硅質(zhì)巖，中部為黑色薄層狀碳質(zhì)頁(yè)巖夾灰黑—黑色薄層狀碳質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，上部為深灰—灰黑色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖偶夾灰黑色薄層狀含碳粉砂質(zhì)泥巖?？傮w而言，該組自下而上碳質(zhì)成分逐漸減少，泥質(zhì)和粉砂質(zhì)成分逐漸增加，顏色逐漸變淺，頁(yè)巖層段含黃鐵礦結(jié)核或呈細(xì)條帶狀分布的黃鐵礦密集層，屬淺海陸棚相半封閉滯流沉積環(huán)境。該組的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段厚度變化相對(duì)較大，寧強(qiáng)縣石鐘溝一帶厚度為107 m，寧強(qiáng)縣唐家壩一帶厚度為128 m，南鄭縣掛寶巖一帶厚度為153 m，南鄭縣園坪子一帶厚度為182 m，西鄉(xiāng)縣大河壩一帶厚度為134 m，鎮(zhèn)巴縣平安場(chǎng)一帶厚度為126 m。

2.2 下志留統(tǒng)龍馬溪組

下志留統(tǒng)龍馬溪組（S1l）為研究區(qū)重要的頁(yè)巖氣目標(biāo)層位，分布于區(qū)內(nèi)漢南—米倉(cāng)山古隆起周緣外側(cè)及南鄭縣黎坪、漆樹壩，鎮(zhèn)巴縣涼橋、八卦梁、余家大梁、松樹，西鄉(xiāng)縣洋溪等地，下部為深灰—黑灰色薄層狀碳質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾深灰—黑灰色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖，中部為深灰—黑灰色薄—極薄層狀碳質(zhì)頁(yè)巖夾深灰色薄層狀碳硅質(zhì)巖，上部為灰—深灰色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖偶夾深灰—黑灰色薄層狀含碳粉砂質(zhì)泥巖。總體而言，該組自下而上碳質(zhì)成分逐漸減少，泥質(zhì)和粉砂質(zhì)成分逐漸增加，顏色逐漸變淺，頁(yè)巖層段含黃鐵礦晶粒及結(jié)核，且含豐富的筆石化石，屬淺海—半深海相強(qiáng)還原滯流沉積環(huán)境。該組的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段厚度變化較大，寧強(qiáng)縣大竹壩一帶厚度為24 m，勉縣阜川黑灘溝一帶厚度為34 m，南鄭縣掛寶巖一帶厚度為30 m，南鄭縣福成一帶厚度為20 m，鎮(zhèn)巴縣漁渡壩一帶厚度為45 m。

3 牛蹄塘組和龍馬溪組頁(yè)巖氣地質(zhì)特征

3.1 地球化學(xué)特征

通過(guò)采集新鮮露頭樣品進(jìn)行相關(guān)測(cè)試分析，對(duì)研究區(qū)牛蹄塘組和龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的地球化學(xué)特征進(jìn)行了研究。

3.1.1有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)碳含量和巖石熱解測(cè)試結(jié)果顯示，有機(jī)質(zhì)豐度較高，具有良好的生烴潛力。24個(gè)牛蹄塘組樣品的有機(jī)碳含量（TOC）為0.24%~4.82%，平均值為2.18%，其中大于2.0%的樣品15個(gè)，占總數(shù)的62.5%；24個(gè)樣品的生烴勢(shì)（Pg）為0.02 mg/g ~1.49 mg/g。14個(gè)龍馬溪組樣品的有機(jī)碳含量（TOC）為0.32%~8.68%，平均值為2.39%，其中大于2.0%的樣品7個(gè)，占總數(shù)的50%；14個(gè)樣品的生烴勢(shì)（Pg）為0.03 mg/g~30.21 mg/g。

3.1.2 有機(jī)質(zhì)類型

干酪根顯微組分鑒定結(jié)果（表1）顯示，以Ⅱ型干酪根為主。16個(gè)牛蹄塘組（∈1n）樣品包括Ⅰ型干酪根3個(gè)，Ⅱ1型干酪根8個(gè)，Ⅱ2型干酪根5個(gè)。7個(gè)龍馬溪組（S1l）樣品包括Ⅱ1型干酪根4個(gè)，Ⅱ2型干酪根3個(gè)。

表1 牛蹄塘組和龍馬溪組干酪根顯微組分及有機(jī)質(zhì)類型Table 1 Kerogen macerals and organic matter types in Niutitang and Longmaxi Formations

3.1.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

鏡質(zhì)體反射率測(cè)試結(jié)果顯示，有機(jī)質(zhì)成熟度適中，具有較好的生烴條件。16個(gè)牛蹄塘組樣品的鏡質(zhì)體反射率（Ro）為1.28%~2.34%，平均值為1.80%，其中1.5%~2.5%之間的樣品12個(gè)，占總數(shù)的75%。7個(gè)龍馬溪組樣品的鏡質(zhì)體反射率（Ro）為1.24%~2.21%，平均值為1.71%，其中1.5%~2.5%之間的樣品4個(gè)，占總數(shù)的57.1%。

3.2 儲(chǔ)層特征

通過(guò)薄片鑒定、掃描電鏡分析及X衍射分析，對(duì)研究區(qū)牛蹄塘組和龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的儲(chǔ)層特征進(jìn)行了研究。

3.2.1 礦物學(xué)特征

薄片鑒定結(jié)果顯示，牛蹄塘組主要由粉砂質(zhì)、泥質(zhì)（粘土質(zhì)和碳質(zhì)）組成，還有少量碳酸鹽交代礦物。粉砂質(zhì)的主要碎屑礦物為石英，粒徑在0.02 mm~0.07 mm之間，呈次圓狀、次棱角狀，少部分呈棱角狀；粘土礦物主要有伊利石、高嶺石、綠泥石，呈微晶—隱晶集合體，礦物粒徑極小，多小于0.005 mm；碳質(zhì)無(wú)固定形態(tài)，多與粘土礦物互染，在單偏光下呈深褐色或黑色（圖2a）；碳酸鹽礦物（方解石）沿著巖石中的微裂隙呈細(xì)脈狀分布（圖2b）。龍馬溪組主要由泥質(zhì)（粘土質(zhì)和碳質(zhì)）、粉砂質(zhì)、生物碎屑組成，還有少量黃鐵礦。粘土礦物主要有伊利石、高嶺石、綠泥石，呈微晶—隱晶集合體，礦物粒徑極小，多小于0.005 mm；碳質(zhì)無(wú)固定形態(tài)，多與粘土礦物互染，在單偏光下呈深褐色或黑色；粉砂質(zhì)的主要碎屑礦物為石英，粒徑在0.01 mm~0.05 mm之間，呈次圓狀、次棱角狀，少部分呈棱角狀；生物碎屑以硅質(zhì)放射蟲和海綿骨針為主，硅質(zhì)放射蟲呈圓形，海綿骨針呈棒針形，內(nèi)部充填放射狀玉髓（圖2c）；黃鐵礦呈分散狀分布，晶形較好，在單偏光下呈褐色（圖2d）。

圖2 牛蹄塘組和龍馬溪組礦物特征Fig.2 Characteristics of minerals in Niutitang and Longmaxi Formations

X衍射分析結(jié)果（表2、表3）顯示，牛蹄塘組和龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖脆性礦物含量高，粘土礦物演化程度高，以穩(wěn)定礦物為主，缺乏蒙皂石等膨脹性礦物。5個(gè)牛蹄塘組樣品的脆性礦物含量為54.0%~69.0%，粘土礦物含量為29.6%~46.0%；脆性礦物中，石英含量為32.4%~53.6%，長(zhǎng)石含量為10.1%~27.3%，方解石含量為7.2%~13.8%，黃鐵礦含量為1.5%~2.9%，石膏含量為0.3%~1.7%；粘土礦物中，伊利石（I）相對(duì)含量為81.0%~100%，高嶺石（K）相對(duì)含量為0~7.0%，綠泥石（C）相對(duì)含量為0~10.0%。2個(gè)龍馬溪組樣品的脆性礦物含量為65.6%~78.4%，粘土礦物含量為21.6%~34.4%；脆性礦物中，石英含量為55.7%~76.9%，長(zhǎng)石含量為1.5%~6.8%，白云石含量為0~3.1%；粘土礦物中，伊利石（I）相對(duì)含量為84.0%~85.0%，高嶺石（K）相對(duì)含量為0~4.0%，綠泥石（C）相對(duì)含量為0~11.0%。

表2 牛蹄塘組和龍馬溪組脆性礦物及粘土礦物組分Table 2 Components of fragile minerals and clay minerals in Niutitang and Longmaxi Formations

表3 牛蹄塘組和龍馬溪組粘土礦物相對(duì)含量Table 3 Relative content of clay minerals in Niutitang and Longmaxi Formations

3.2.2 孔隙類型及結(jié)構(gòu)特征

掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果顯示，牛蹄塘組和龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙和微裂隙發(fā)育。孔隙主要包括粒間孔、粒內(nèi)溶蝕孔、粘土礦物層間孔（圖3a至圖3c），粒間孔所占比最大，不同類型的孔隙結(jié)構(gòu)與分布特征差異較大。微裂縫主要包括構(gòu)造微裂縫、粘土礦物成巖收縮縫、有機(jī)質(zhì)收縮縫（圖3d）。

圖3 牛蹄塘組和龍馬溪組微孔隙及微裂縫特征Fig.3 Characteristics of micro-pores and micro-fractures in Niutitang and Longmaxi Formations

4 頁(yè)巖氣有利區(qū)預(yù)測(cè)

在前人對(duì)四川盆地及周緣下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)方面的研究成果[14-15]基礎(chǔ)上，根據(jù)頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度和埋深等評(píng)價(jià)指標(biāo)，在研究區(qū)開展了頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)和有利區(qū)預(yù)測(cè)。

研究區(qū)內(nèi)漢南—米倉(cāng)山古隆起東西兩側(cè)的牛蹄塘組和龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖呈帶狀展布，范圍較大、埋深適中（一般小于1 500 m）、構(gòu)造變形較弱，有利于頁(yè)巖氣富集成藏。牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖大部分地區(qū)厚度在100~150 m之間，局部大于200 m，有機(jī)質(zhì)豐度基本在2.0%以上，有機(jī)質(zhì)成熟度主要在1.5%~2.5%之間，干酪根類型以Ⅱ型為主。該組厚度較大，有機(jī)質(zhì)豐度較高、成熟度適中，生烴能力較強(qiáng)，具有較大的資源潛力。龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖大部分地區(qū)厚度在20~50 m之間，局部大于50 m，有機(jī)質(zhì)豐度基本在1.0%~3.0%之間、局部大于5.0%，有機(jī)質(zhì)成熟度主要在1.5%~2.5%之間；干酪根類型為Ⅱ型。該組盡管有機(jī)質(zhì)豐度高、成熟度適中，但因厚度較小，資源潛力相對(duì)較弱。

綜上所述，預(yù)測(cè)位于漢南—米倉(cāng)山古隆起東西兩側(cè)的西鄉(xiāng)縣西南部—鎮(zhèn)巴縣西北部地區(qū)和勉縣西南部—寧強(qiáng)東南部地區(qū)（圖1）為頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)域。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組作為頁(yè)巖氣主要目標(biāo)層位，分布廣泛、厚度較大、有機(jī)質(zhì)豐度較高、有機(jī)質(zhì)類型好、有機(jī)質(zhì)成熟度適中、孔隙和裂縫發(fā)育，具有良好的頁(yè)巖氣成藏條件。

（2）預(yù)測(cè)西鄉(xiāng)縣西南部—鎮(zhèn)巴縣西北部地區(qū)和勉縣西南部—寧強(qiáng)東南部地區(qū)為頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)域。