鄂西南走馬地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

李敏剛， 張 雷， 張 號(hào)

(1.湖北煤炭地質(zhì)局，湖北 武漢 430070； 2.湖北省海外地質(zhì)事業(yè)中心，湖北 武漢 430034； 3.湖北煤炭地質(zhì)勘查院，湖北 武漢 430070)

頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)特征是頁(yè)巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是頁(yè)巖氣潛力評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)特征評(píng)價(jià)主要包括有機(jī)碳含量(TOC)、有機(jī)質(zhì)類型和有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)等[1-3]。湖北省多輪頁(yè)巖氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)在多個(gè)地區(qū)多套層系均發(fā)現(xiàn)了頁(yè)巖氣顯示，證實(shí)湖北省頁(yè)巖氣資源前景廣闊[4-5]。目前，鶴峰縣走馬地區(qū)是頁(yè)巖氣調(diào)查評(píng)價(jià)工作的薄弱區(qū)，因相關(guān)調(diào)查評(píng)價(jià)工作部署較少，其頁(yè)巖氣資源特征及潛力尚不清晰。本次研究通過(guò)采集露頭剖面和鶴地3井巖芯樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析走馬地區(qū)頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)特征，進(jìn)而為該地區(qū)后續(xù)頁(yè)巖氣勘探工作提供一定地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于揚(yáng)子板塊湘鄂西褶皺帶之宜都—鶴峰復(fù)背斜帶(圖1)，該復(fù)背斜帶主要由東山峰復(fù)背斜主支、東山峰—堰塘灣背斜和東山峰—車溪湖背斜組成。研究區(qū)主要發(fā)育4條斷層，包括清官渡逆斷層、自生橋逆斷層、南里坪逆斷層和官屋場(chǎng)逆斷層，清官渡逆斷層和自生橋逆斷層位于東山峰背斜主支核部(稍偏南東翼)，主要切割了震旦系、寒武系，并且具長(zhǎng)期活動(dòng)特征[6-8]。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖Fig.1 Structure location map of study area

早寒武世沉積期，研究區(qū)位于川東—鄂西深水陸棚與湘黔熱水深水陸棚的過(guò)渡部位。此時(shí)的川東—鄂西、川南及湘黔三個(gè)深水陸棚區(qū)的牛蹄塘組頁(yè)巖厚120～200 m，發(fā)育大量褐藻、紅藻、海綿及熱水生物微相，形成黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖[6-9]。研究區(qū)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖并非單一的頁(yè)巖巖性，垂向上具有非均質(zhì)性發(fā)育特征[10]，下部巖性主要為灰黑色薄層狀硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖及薄—中層狀含炭粉砂質(zhì)泥巖，水平層理較發(fā)育，底部夾鐵錳質(zhì)風(fēng)化殼，厚89.5～92.6 m；上部巖性主要為深灰色中—厚層狀含炭泥晶灰?guī)r偶夾深灰色薄層狀含炭粉砂質(zhì)泥巖，水平層理發(fā)育，厚26.0～29.4 m。

2 牛蹄塘組沉積相特征

鶴地3井揭露牛蹄塘組厚123.00 m，牛蹄塘組一段主要為灰黑色含炭硅質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，向上漸變含鈣質(zhì)成分，夾少量灰?guī)r透鏡體，厚95.41 m；牛蹄塘組二段主要為含炭灰?guī)r、泥晶灰?guī)r，炭質(zhì)含量逐漸減少，含少量砂泥質(zhì)，厚27.59 m(圖2)。

從綜合鶴地3井及區(qū)域地質(zhì)背景資料來(lái)看[10]，研究區(qū)牛蹄塘組水體總體較深，主要為淺海陸棚之深水陸棚相—斜坡相沉積(圖3)。

深水陸棚相沉積主要發(fā)育于牛蹄塘組中—下部，其巖性主要為灰黑色硅質(zhì)頁(yè)巖、含炭硅質(zhì)頁(yè)巖、含炭質(zhì)頁(yè)巖，炭質(zhì)、硅質(zhì)含量高，大部分巖芯斷面污手。測(cè)井曲線顯示自然伽馬(GR)數(shù)值在牛蹄塘組一段沉積初期快速變大，隨之向上逐漸保持穩(wěn)定；沉積到SQ1高位體系域(HST)時(shí)，GR開(kāi)始逐漸變?。坏絊Q2海侵體系域(TST)沉積時(shí)期,GR基本保持穩(wěn)定。巖芯中多見(jiàn)黃鐵礦條帶(紋層)，反映出該段沉積水體為較深的還原環(huán)境。

圖3 湘鄂西早寒武世牛蹄塘組沉積相圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[1])Fig.3 Sedimentary facies map of Early Cambrian Niutitang Formation in Western Hunan and Hubei1.深水陸棚相；2.半深海—深海盆地相；3.斷層；4.省界；5.鶴地3井；6.研究區(qū)范圍。

牛蹄塘組沉積晚期，隨著相對(duì)海平面迅速降低，沉積了一套泥晶灰?guī)r，沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}巖斜坡。在測(cè)井曲線上主要表現(xiàn)為GR在低位保持穩(wěn)定，反映了進(jìn)入SQ2高位體系域突然發(fā)生了海退，因缺乏陸源物質(zhì)輸入而沉積形成了一套以碳酸鹽巖斜坡相沉積為主的沉積巖組合。

3 頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)特征

3.1 樣品采集與測(cè)試

根據(jù)研究區(qū)牛蹄塘組出露情況和鶴地3井巖芯情況，本次研究按照“一米一樣，局部層段加密”的原則，在鶴地3井牛蹄塘組采集有機(jī)地球化學(xué)樣品95件，全部進(jìn)行有機(jī)碳含量分析，并選取其中15件樣品進(jìn)行有機(jī)質(zhì)成熟度分析，選取16件樣品進(jìn)行有機(jī)質(zhì)類型分析。同時(shí)，在3條實(shí)測(cè)地層剖面(PM01、PM02、PM07)采集了35件有機(jī)地球化學(xué)樣品進(jìn)行對(duì)比分析，主要測(cè)試有機(jī)碳含量。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試在江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局檢測(cè)中心)完成，分析測(cè)試結(jié)果如表1所示。

3.2 有機(jī)碳含量

表1 鶴地3井及剖面樣品有機(jī)地球化學(xué)分析結(jié)果

根據(jù)石油地質(zhì)學(xué)的劃分方法，TOC介于1%～2%為一般(中等)頁(yè)巖層段，TOC>2%為優(yōu)質(zhì)(好)頁(yè)巖層段[11]。本次TOC分析測(cè)試結(jié)果(表1)顯示，研究區(qū)牛蹄塘組TOC為0.82%～11.23%，平均值為2.92%；牛蹄塘組一段TOC為4.21%～11.23%，平均值為6.12%；牛蹄塘組二段TOC為0.82%～4.44%，平均值為1.84%，多介于1.00%～2.00%?？傮w上牛蹄塘組一段TOC明顯高于牛蹄塘組二段,牛蹄塘組一段為優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段,牛蹄塘組二段為一般頁(yè)巖層段。此外，牛蹄塘組露頭剖面TOC總體上比巖芯樣品略低，主要受風(fēng)化作用影響所致。在平面上，牛蹄塘組TOC總體呈現(xiàn)出以呂坪村—水坪村—陽(yáng)河村為中心往東南依次降低的趨勢(shì)(圖4)。

圖4 走馬地區(qū)牛蹄塘組有機(jī)碳含量等值線圖Fig.4 Contour map of organic carbon content in Niutitang Formation in Zouma area1.TOC等值線(%)；2.采樣位置剝蝕區(qū)；4.研究區(qū)范圍。

3.3 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型可反映母質(zhì)來(lái)源，干酪根類型的確定是有機(jī)質(zhì)類型研究的主體。不同類型的干酪根具有不同的生烴潛力，腐殖型(Ⅲ型)干酪根的生氣率遠(yuǎn)大于腐泥型(Ⅰ型)干酪根，而偏腐泥混合型和偏腐殖混合型(Ⅱ型)干酪根生氣率分別是Ⅲ型干酪根的2～4倍。同時(shí)，干酪根類型可提供其沉積環(huán)境信息，并反映頁(yè)巖氣的吸附率和擴(kuò)散率，Ⅰ型干酪根H、C原子數(shù)之比越大，頁(yè)巖氣吸附量越大；Ⅲ型干酪根O、C原子數(shù)之比越大，則頁(yè)巖氣吸附量越小。Chalmers等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)Ⅱ型干酪根比Ⅰ型干酪根具有更強(qiáng)的甲烷吸附能力。

本次通過(guò)干酪根顯微組分鏡檢(圖5)發(fā)現(xiàn)，干酪根類型指數(shù)平均值為96.25。按照干酪根母質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)[14]，將本區(qū)牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)類型定為Ⅰ型。

圖5 鶴地3井牛蹄塘組鏡質(zhì)體類型(井深1 286.50 m)Fig.5 Vitrinite type of Niutitang Formation in Well Hedi-3

3.4 有機(jī)質(zhì)成熟度

烴源巖生氣特征與有機(jī)質(zhì)成熟度密切相關(guān),Ⅰ型干酪根在Ro<0.5%時(shí)，可形成生物成因氣，然后進(jìn)入生油窗;在Ro>1.2%時(shí)，發(fā)生裂解形成大量的天然氣;在Ro>2.0%以后，進(jìn)入過(guò)成熟階段，該階段以高溫高壓為特征，已形成的液態(tài)烴和重質(zhì)氣態(tài)烴強(qiáng)烈裂解，變成最為穩(wěn)定的甲烷(干氣)。成熟階段的干酪根由于長(zhǎng)烷基鏈已消耗殆盡，只能在熱裂解下形成高溫甲烷，同時(shí)出現(xiàn)碳瀝青和石墨，至此階段，生氣能力降低至死碳邊界線。

研究區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度主要通過(guò)鏡質(zhì)體反射率法測(cè)定，鶴地3井Ro值介于3.20%～3.57%，平均值為3.40%(表1)。Ro值在平面上以紅土村—洪家山村一帶為中心，依次向南、北方向有變大的趨勢(shì)(圖6)。因此區(qū)內(nèi)牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)處于過(guò)成熟階段,生烴能力較差。

圖6 走馬地區(qū)牛蹄塘組鏡質(zhì)體反射率等值線圖Fig.6 Contour map of vitrinite reflectance of Niutitang Formation in Zouma area1.Ro等值線(%)；2.采樣位置剝蝕區(qū)；4.研究區(qū)范圍。

4 討論

頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)特征是沉積環(huán)境和后期構(gòu)造演化綜合作用的結(jié)果，決定了烴源巖的生烴能力。

4.1 對(duì)沉積環(huán)境的指示

研究表明，牛蹄塘組具有多種微生物相特征，包括底棲藻類和浮游藻類微生物相[15]，不同微生物相形成的TOC不相同，因此可指示古沉積環(huán)境。

研究區(qū)TOC的變化和沉積環(huán)境的變化具有較高的一致性。牛蹄塘組沉積時(shí)期海水發(fā)生兩次海進(jìn)海退，TOC隨之呈現(xiàn)從高—略低—高—低的變化(圖2)。該時(shí)期鄂西地區(qū)處于隆凹相間的古地理格局，而走馬地區(qū)處于凹陷部位，隨著海平面快速下降，導(dǎo)致甲烷氧化并釋放出CO2，引起海水缺氧和碳酸鹽溶解，從而促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的富集[16]?？傮w來(lái)看，牛蹄塘組一段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖形成于缺氧硫化環(huán)境，至牛蹄塘組二段時(shí)海底水體基本接近富氧條件[10]。

4.2 對(duì)頁(yè)巖生烴潛力的指示

研究區(qū)有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，其Ro平均值為3.40%，熱演化程度過(guò)高，生烴潛力降低。因此，雖然研究區(qū)具有良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)干酪根類型對(duì)頁(yè)巖氣有良好的吸附性，但是受高熱演化程度的影響，牛蹄塘組生烴能力不高，未能形成有效氣藏。據(jù)此認(rèn)為，熱演化程度是控制研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖氣富集的重要因素。

4.3 對(duì)頁(yè)巖氣富集成藏的地質(zhì)意義

研究區(qū)牛蹄塘組主要形成于深水陸棚相—斜坡相，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度大、TOC高、有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，具備形成優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，但鶴地3井牛蹄塘組氣顯效果不是很明顯，除了與有機(jī)質(zhì)熱演化程度過(guò)高有關(guān)外，還可能與地層封閉性不好有關(guān)。在鶴地3井牛蹄塘組下伏燈影組地層中發(fā)現(xiàn)有地下水連通[10]，可能導(dǎo)致本區(qū)蓋層封閉性不好。

5 結(jié)論

(1) 鄂西南走馬地區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度大、TOC高(0.82%～11.23%)，牛蹄塘組一段TOC平均值為6.12%，牛蹄塘組二段TOC平均值為1.84%;有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型；Ro平均值為3.40%，處于過(guò)成熟階段。

(2) 牛蹄塘組TOC從下至上呈現(xiàn)從高—略低—高—低的變化，反映沉積水體由深變淺，指示牛蹄塘組一段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖形成于缺氧硫化環(huán)境，牛蹄塘組二段形成于逐漸富氧的水體環(huán)境。

(3) 本地區(qū)烴源巖物質(zhì)基礎(chǔ)好，但熱演化程度過(guò)高，導(dǎo)致生烴能力下降；并且牛蹄塘組與下伏燈影組連通，導(dǎo)致封閉性不好，故本地區(qū)探索頁(yè)巖氣藏的關(guān)鍵在于尋找熱演化程度適中(Ro<3.5%)和蓋層封閉性較好的區(qū)域。