青海省石底泉地區(qū)志留系巴龍貢噶爾組地質(zhì)特征及頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)

馬忠德， 趙金成， 劉世民， 楊 穎， 馬長(zhǎng)政

(青海煤炭地質(zhì)勘查院，西寧 810000)

0 引言

與青海省鄰近的四川前陸盆地龍馬溪組和重慶涪陵焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣井產(chǎn)量巨大突破[1-3]對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣探開(kāi)發(fā)具有重要的意義，極大地推動(dòng)了中國(guó)其他地區(qū)頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)。青海省2010年青海煤炭地質(zhì)105勘探隊(duì)開(kāi)始進(jìn)行頁(yè)巖氣項(xiàng)目研究與工作，2016—2020年青海省第四地質(zhì)勘查院在東昆侖地區(qū)開(kāi)展了《青海省都蘭縣八寶山地區(qū)頁(yè)巖氣調(diào)查評(píng)價(jià)》項(xiàng)目，該項(xiàng)目施工地層為上三疊統(tǒng)八寶山組(T3bb)并取得了一定成果。目前在青海省內(nèi)對(duì)志留系頁(yè)巖氣研究尚屬空白。

借鑒國(guó)內(nèi)外學(xué)者頁(yè)巖氣研究思路和方法，對(duì)石底泉北部志留系巴龍貢噶爾組泥頁(yè)巖地質(zhì)特征進(jìn)行了研究，并對(duì)其頁(yè)巖氣資源潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

研究區(qū)位于柴達(dá)木盆地北東緣與祁連山南麓過(guò)渡部位，宗務(wù)隆山北坡，西至黑石山，東至八羅根，北以塔塔棱河及其北部出露巖漿巖為界，南至宗務(wù)隆山山前斷裂，面積3 292.26km2(圖1)。區(qū)域構(gòu)造位置上，研究區(qū)屬于秦祁昆造山系(I)南祁連陸塊(I5)南祁連南部弧后前陸盆地(I5-2)[4](表1，圖2)。

圖1 研究區(qū)位置Figure 1 Study area position map

南祁連南部弧后前陸盆地構(gòu)造單元基本特征為志留系廣泛發(fā)育，為淺海陸源復(fù)理石層系。其東段發(fā)育一套石炭系—三疊系穩(wěn)定型濱-淺海相碎屑巖-碳酸鹽巖及海陸交互相含煤碎屑巖沉積組合，志留紀(jì)前陸盆地的出現(xiàn)與志留紀(jì)碰撞型花崗巖的地質(zhì)耦合，標(biāo)志著盆山轉(zhuǎn)換開(kāi)始，從而構(gòu)成一個(gè)完整造山旋回。

圖2 研究區(qū)在青海省大地構(gòu)造分區(qū)圖上的位置(根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]改編)Figure 2 Study area position on the Qinghai Provincegeotectonic division map (after reference[4]，modified)

1 地層特征、沉積環(huán)境與泥頁(yè)巖分布

1.1 地層特征

志留系巴龍貢噶爾組(Sb)由青海省地質(zhì)局石油普查大隊(duì)(1957)創(chuàng)名，原義指“分布于南祁連山的志留-泥盆系，巖性為紫灰、綠色硬砂巖、凝灰質(zhì)板巖及火山巖，厚度5 000～7 000m”[5]。本次研究經(jīng)過(guò)野外踏勘結(jié)合《青海省德令哈市宗務(wù)隆山地區(qū)六幅1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查》區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查報(bào)告[6]，將其分為上、中、下三段。

志留系巴龍貢噶爾組下段(Sb1)：主要出露于宗務(wù)隆山南翼。巖性為一套雜色細(xì)碎屑巖、淺變質(zhì)巖的巖石組合。上部以淺灰綠色、灰色(變)長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，部分千枚巖，夾千枚狀板巖。下部為一套雜色淺變質(zhì)巖夾細(xì)碎屑巖，夾少量灰?guī)r透鏡體。區(qū)域上地層厚度>579m。

志留系巴龍貢噶爾組中段(Sb2)：主要出露于宗務(wù)隆山中部。以往認(rèn)為中巖段巖性為一套灰綠色碎屑巖夾淺變質(zhì)巖的巖石組合。上部為淺灰綠色、灰色長(zhǎng)石巖屑砂巖夾少量泥鈣質(zhì)板巖、千枚狀板巖和深灰-灰白色頁(yè)巖為主。下部為一套雜色淺變質(zhì)巖夾細(xì)碎屑巖，夾少量灰?guī)r透鏡體。巖石以具千枚狀構(gòu)造、粒度較細(xì)為特征。

根據(jù)在研究區(qū)踏勘，初步分析認(rèn)為暗色泥頁(yè)巖厚度可達(dá)144m，巖性主要為深灰色、灰白色，泥頁(yè)巖、板巖，中夾灰白色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及鈣質(zhì)板巖。暗色泥頁(yè)巖分為三段，主要發(fā)育于中巖段中下部，上部為灰白色長(zhǎng)石砂巖、石英砂巖及長(zhǎng)石石英砂巖，中夾千枚狀板巖。區(qū)域上地層厚度>919m。該段為本次研究重點(diǎn)層段。

志留系巴龍貢噶爾組上段(Sb3)：該地層出露于宗務(wù)隆山北翼，巖性為一套碎屑巖夾少量泥鈣質(zhì)板巖的巖石組合。為灰綠色巖屑砂巖、粉砂質(zhì)板巖、淺黃綠色不等粒長(zhǎng)石巖屑砂巖、紫色板巖及巖屑石英砂巖，局部夾有細(xì)礫巖、含礫粗砂巖。與中段為不整合接觸。以紫色巖層可做為與下部巖層分界的標(biāo)準(zhǔn)。區(qū)域上厚度>1 215.2m。

1.2 沉積環(huán)境

早志留世祁連活動(dòng)帶再次遭受海侵，南祁連山形成廣闊的擴(kuò)張海。海盆迅速堆積了巨厚陸緣復(fù)理石碎屑巖，碳酸鹽巖不發(fā)育?；鹕交顒?dòng)微弱且不集中，生物數(shù)量少，以筆石為主。晚志留世海退，大型山間盆地尚未形成，大部地區(qū)缺失沉積記錄，形成沉積間斷較大的自然斷代間隔。巴龍貢噶爾組基本為一套海相陸源碎屑巖系，以細(xì)碎屑巖為主的類復(fù)理石沉積，沉積物為復(fù)礦碎屑，成熟度較高，色調(diào)深，厚度大，巖石普遍遭受淺—中等區(qū)域變質(zhì)[7](圖3)。

圖3 南祁連志留地層柱狀及沉積環(huán)境Figure 3 Southern Qilian Mts. Silurian stratigraphiccolumn and sedimentary environment

該組地層下部為一套以淺變質(zhì)巖為主，夾細(xì)碎屑巖的巖石組合，局部夾透鏡狀灰?guī)r，淺變質(zhì)巖經(jīng)原巖恢復(fù)為泥巖、細(xì)砂巖等，反映該時(shí)期水動(dòng)力較弱，細(xì)碎屑巖中局部發(fā)育平行層理、楔狀交錯(cuò)層理。中部為一套以中細(xì)碎屑巖為主夾少量淺變質(zhì)巖的巖石組合，原生沉積構(gòu)造由于后期韌脆性動(dòng)力作用而遭到破壞；從其巖石物質(zhì)組成來(lái)看，以巖屑及石英為主，泥質(zhì)含量極少，反映沉積時(shí)期水動(dòng)力較強(qiáng)，巖石遭到了反復(fù)的淘洗。上部巖石為一套以粗粒碎屑巖為主，夾少量淺變質(zhì)巖的巖石組合，局部見(jiàn)雞窩狀礫巖分布，巖石受后期動(dòng)力變質(zhì)作用影響較弱，原生沉積構(gòu)造較常見(jiàn)，發(fā)育交錯(cuò)層理、斜層理、水平層理等。從圖4可以看出，在巴龍貢噶爾組上部巖石發(fā)育由粗到細(xì)的韻律層序。綜合而言，巴龍貢噶爾組巖石組合具自下而上由細(xì)變粗類復(fù)理石特征，為具退積層序的淺—半淺海相沉積。從大地構(gòu)造背景來(lái)看，可能為弧后前陸盆地沉積。

1.3 暗色泥頁(yè)巖展布特征

根據(jù)以往區(qū)域地質(zhì)資料分析及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)踏勘，志留系巴龍貢噶爾組中的暗色泥頁(yè)巖主要賦存在中巖段(Sb2)中下部層位。野外踏勘測(cè)量4條剖面通過(guò)對(duì)比分析后，在構(gòu)造影響下，推測(cè)暗色泥頁(yè)巖在宗務(wù)隆山北坡(北條)和南坡(南條)形成兩個(gè)條帶。北條帶走向上延伸60km，南條走向長(zhǎng)25～30km，兩個(gè)條帶共計(jì)長(zhǎng)100m，出露寬0.5～1.0km。從研究區(qū)中部大哇圖，向兩端黑石山和八羅根地區(qū)出露寬度逐漸變窄。

研究區(qū)暗色泥質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖層段為3層，分別為sh1、sh2和sh3，單層厚度范圍為13.90～219.82m。

從表2中可以看出，不同地區(qū)泥頁(yè)巖厚度變化較大。巴龍貢噶爾組中巖段(Sb2)暗色泥頁(yè)巖厚度在宗務(wù)隆山南坡中段石底泉北坡及訥明高勒溝厚度比較大(圖5)，向東西兩側(cè)巴羅根、黑石山厚度變小，其間距在100km左右，反映了海相前陸盆地斜坡扇(裙)沉積分布的不均一性。

圖4 Sb1基本層序特征Figure 4 Basic sequential features of Sb1

表2 巴龍貢噶爾組中巖段(Sb2)實(shí)測(cè)剖面暗色泥頁(yè)巖統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of measured section dark argillutite in middlelithologic member of Baron Gonggar Formation (Sb2) m

2 泥頁(yè)巖發(fā)育特征

2.1 地球化學(xué)特征

2.1.1 有機(jī)質(zhì)豐度與類型

有機(jī)質(zhì)豐度是衡量泥頁(yè)巖生氣能力重要地球化學(xué)指標(biāo)，且泥頁(yè)巖自身隨著有機(jī)質(zhì)向烴類持續(xù)熱轉(zhuǎn)化會(huì)產(chǎn)生大量微觀孔裂隙，因此泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度越高，越有利于烴類生成，同時(shí)還能增加泥頁(yè)巖儲(chǔ)集能力。烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度可以通過(guò)總有機(jī)碳含量和氯仿瀝青“A”等來(lái)表達(dá)，以有機(jī)碳含量(TOC)作為有機(jī)質(zhì)豐度主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者較為認(rèn)可的泥質(zhì)烴源巖有機(jī)碳含量下限為0.4%～0.6%，張金川等認(rèn)為泥頁(yè)巖TOC含量達(dá)到0.5%可以作為產(chǎn)氣頁(yè)巖的下限[8]，采用TOC含量下限為0.3%。

本次采樣測(cè)試成果見(jiàn)表3。有機(jī)碳含量(TOC)比較高位置為大哇圖北sh2層，TOC含量在0.89%～1.57%，平均1.10%。其次為八羅根剖面中、上部第sh2層，范圍為0.12%～1.36%，平均值0.53%(圖6)，TOC含量>0.3的樣品有16個(gè)，占總樣品數(shù)73%，確定干酪根類型為II2-III型(表4)，達(dá)到頁(yè)巖氣遠(yuǎn)景區(qū)選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 巴龍貢噶爾組(Sb)實(shí)測(cè)地層剖面暗色泥頁(yè)巖對(duì)比Figure 5 Comparison of measured stratigraphic section dark argillutite in Baron Gonggar Formation (Sb)

表3 研究區(qū)頁(yè)巖踏勘采樣測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical data sheet of study area shale reconnaissancesample tested results %

表4 干酪根有機(jī)元素檢測(cè)結(jié)果Table 4 Organic element detection results of kerogen

2.1.2 成熟度與熱解分析

成熟度作為烴源巖達(dá)到最大古溫度的指標(biāo)， 可以反映有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化程度，進(jìn)而評(píng)估生油和生氣能力。測(cè)定方法主要有兩種：直接觀察法和化學(xué)法。鏡質(zhì)組反射率(Ro)是測(cè)定熱成熟度最常用方法，通過(guò)對(duì)干酪根進(jìn)行微觀檢測(cè)記錄顆粒反射率來(lái)實(shí)現(xiàn)。在測(cè)定原有鏡質(zhì)組時(shí)，存在許多弊端，通常利用熱解峰溫Tmax值等來(lái)彌補(bǔ)不足。鄔立言等通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為烴源巖生烴門(mén)限Tmax下限值為435℃，低演化階段烴源巖Tmax值在435～440℃，大量生烴階段介于440～460℃，>460℃時(shí)便進(jìn)入了高演化階段[46]。

頁(yè)巖樣品測(cè)試結(jié)果顯示(表5)，宗務(wù)隆山八羅根地區(qū)巴龍貢噶爾組中巖段(Sb2)頁(yè)巖Ro為2.10～2.42%，平均為2.27%，表明八羅根地區(qū)巴龍貢噶爾組(Sb)暗色砂泥頁(yè)巖都處于成熟階段，有利于頁(yè)巖氣的生成。

表5 八羅根剖面有機(jī)成熟度Ro測(cè)試成果Table 5 Data sheet of Barogen section organic matter maturityRo tested results

研究區(qū)東部八羅根地區(qū)Tmax平均在497℃，泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度處于高成熟階段，中部切洛根和西部石底泉Tmax部分在成熟階段，部分在未成熟階段。西部石底泉兩個(gè)樣品Tmax檢測(cè)結(jié)果都<435℃，屬于未成熟階段。表現(xiàn)為研究區(qū)東中西各個(gè)部位暗色砂泥質(zhì)頁(yè)巖的成熟度不一致，生烴潛量也不同(表6)。

研究區(qū)東部八羅根區(qū)域熱解烴峰溫Tmax普遍>490℃，暗色砂泥質(zhì)頁(yè)巖處于生氣階段，中西部切洛根、大哇圖及石底泉Tmax大部分<432℃，處于未成熟階段。

圖6 研究區(qū)頁(yè)巖踏勘采樣TOC含量測(cè)試成果對(duì)比Figure 6 Comparison of study area shale reconnaissance sample TOC content tested results

表6 調(diào)查區(qū)采樣巖石熱解測(cè)試成果Table 6 Study area rock sample thermolysis tested results

2.2 儲(chǔ)集層特征

2.2.1 礦物組成與含量

頁(yè)巖礦物組成與含量往往會(huì)影響頁(yè)巖氣開(kāi)采和壓裂效果。具備商業(yè)開(kāi)發(fā)條件的頁(yè)巖，石英等脆性礦物含量一般>40%，黏土礦物含量<30%[10-12]。

采用X射線衍射(XRD)對(duì)宗務(wù)隆山巴龍貢噶爾組(Sb)暗色泥頁(yè)巖共計(jì)11個(gè)樣品分析，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)泥頁(yè)巖礦物成分共計(jì)11種。其中，石英含量最低為石底泉北坡，平均32.00%；最高為大哇圖北，平均58.33%；黏土礦物含量最低為大哇圖北，平均21.67%；最高為石底泉北，平均39.00%。

總體上，各區(qū)段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖礦物組成特征類似，以黏土礦物和石英為主，并以黏土礦物和石英高含量為特征，均值分別在33.23%和41.33%，石英含量符合頁(yè)巖氣選區(qū)含量>40%的要求，黏土礦物略大于頁(yè)巖氣選區(qū)含量<30%的選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)(表7、圖7)。

表7 宗務(wù)隆山巴龍貢噶爾組暗色泥頁(yè)巖X衍射礦物組成Table 7 Statistical data sheet of Zongwulong Mt Baron Gonggar Formation dark argillutiteX-ray diffraction tested mineralogical composition means %

圖7 宗務(wù)隆山巴龍貢噶爾組暗色泥頁(yè)巖X衍射礦物組成對(duì)比Figure 7 Comparison of Zongwulong Mt Baron GonggarFormation dark argillutite X-ray diffraction testedmineralogical compositions

2.2.2 微觀孔裂隙與物性

根據(jù)電鏡掃描觀測(cè)成果，研究區(qū)泥頁(yè)巖空隙主要為無(wú)極孔類型的粒間孔、粒內(nèi)孔和晶間孔，其次為微裂縫，有機(jī)孔少見(jiàn)(圖8)。粒間孔通常發(fā)育于礦物顆粒接觸處，其中主要以片層狀、絲狀黏土礦物伊利石為主(圖8a、圖8b、圖8c)，發(fā)育集中，膠結(jié)復(fù)雜，分選差，孔形態(tài)多樣。粒內(nèi)孔發(fā)育于顆粒內(nèi)部，黏土礦物層中的粒內(nèi)孔最為發(fā)育，其中以伊蒙混層為主，其它礦物形成的粒內(nèi)孔相對(duì)較少，鏡下見(jiàn)到的以黃鐵礦、白云石礦物的溶蝕孔存在(圖8d、圖8e、圖8f)。絲絹狀伊利石集合體、伊利石和薄層狀石英之間往往形成微裂縫(圖8g、圖8h)。

根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果研究區(qū)主要為粒間孔、粒內(nèi)孔和微裂縫。

3 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)常年流水河流為塔塔棱河(喀克圖郭勒)，其流域面積大，總體呈東西向徑流，靠冰融水及地下水補(bǔ)給，年平均流量1.35m3/s，最大洪峰流量40.0m3/s。

研究區(qū)及周邊具有凍結(jié)層水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖類孔隙裂隙水、松散巖類孔隙水五種地下水類型賦存?；鶐r裂隙水、碳酸鹽巖裂隙溶巖水，由大氣降水、凍結(jié)層水補(bǔ)給后以泉水、 地下逕流補(bǔ)給山前松散巖類地下水。研究區(qū)總體上屬于獨(dú)立匯水盆地。

圖8 巴龍貢噶爾組頁(yè)巖無(wú)機(jī)礦物孔賦存形態(tài)與特征Figure 8 Baron Gonggar Formation shale inorganic mineral pores hosting form and features

4 資源潛力評(píng)價(jià)

在系統(tǒng)分析了石底泉北部志留系巴龍貢噶爾組暗色泥頁(yè)巖形成的沉積環(huán)境與厚度分布、有機(jī)地球化學(xué)特征和儲(chǔ)集層特征的基礎(chǔ)上，與海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣有利區(qū)選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)及海相頁(yè)巖氣遠(yuǎn)景優(yōu)選參考指標(biāo)(2011年國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 《全國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選項(xiàng)目-頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)方法與有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)操作手冊(cè)》) 泥頁(yè)巖特征進(jìn)行了對(duì)比，初步分析了頁(yè)巖氣的資源潛力。

研究區(qū)志留系巴龍貢噶爾組暗色泥頁(yè)巖單層有效厚度為49.22m，其中在大洼圖地層最大，單層厚度累計(jì)為135.63m；有機(jī)碳含量(TOC)范圍為0.3%～1.57%；有機(jī)質(zhì)類型為II2-III型干酪根，美國(guó)和四川為Ⅰ、Ⅱ型干酪根；鏡質(zhì)體反射率Ro值在2.10%～2.42%，處于過(guò)成熟階段[13]，說(shuō)明研究區(qū)泥頁(yè)巖層具有較好的頁(yè)巖氣潛力(表8)。

表8 研究區(qū)暗色泥頁(yè)巖評(píng)價(jià)參數(shù)與其他區(qū)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Table 8 Comparison between study area dark argillutite assessment parameters and other area standards

5 結(jié)論

1)研究區(qū)石底泉北部志留系巴龍貢噶爾組中段(Sb2)具備暗色砂泥質(zhì)頁(yè)巖遠(yuǎn)景區(qū)的基本條件。選區(qū)各評(píng)價(jià)參數(shù)諸如有效頁(yè)巖厚度、埋藏深度、有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)、有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)、熱解烴峰溫(Tmax)、黏土礦物含量、脆性礦物含量、氣體成因類型、保存條件及水文單元等因素，各項(xiàng)指標(biāo)較好。

2)研究區(qū)志留系巴龍貢噶爾組暗色泥頁(yè)巖具備了頁(yè)巖氣形成基本地質(zhì)條件，可作為青海省海相頁(yè)巖氣有利區(qū)之一。