四川盆地米倉山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組裂縫脈體發(fā)育特征及意義

魏全超，李小佳，李 峰，郝景宇，鄧雙林，吳 娟，鄧 賓，王道軍

（1.中國石化勘探分公司，成都 610059；2.成都理工大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610059）

0 引言

近年來，隨著非常規(guī)頁巖油氣勘探的深入，頁巖中裂縫脈體的研究逐漸成為熱點。目前頁巖中裂縫脈體的形成機制和充填礦物特征尤其受到關注［1-2］。裂縫形成機制是通過觀察裂縫的充填形態(tài)特征，即張性脈、剪切脈、雁列脈、纖維狀脈等，來揭示脈體充填時局部的應力狀態(tài)［3］。進一步通過研究裂縫脈體成巖礦物間的相互交切關系來反映脈體形成的先后順序，從而有效揭示流體期次與序列，但普遍缺失脈體形成的絕對年齡。近年來，利用放射性同位素定年直接確定脈體絕對年齡的研究有了長足的進步，如：石英脈體40Ar-39Ar 定年和Rb-Sr定年，方解石脈體Sm-Nd 定年和U-Pb 定年等［4-6］。充填礦物本身具有地球化學信息，如：碳、氧、鍶同位素和稀土元素等可以確定成脈流體的來源、成巖環(huán)境等信息，與宿主圍巖的地球化學性質相對比可以推測頁巖層系與其他層系的連通情況［7-9］。對充填礦物捕獲的流體包裹體測溫可以獲得成脈時的溫壓、鹽度等信息，利用激光拉曼技術對流體包裹體進行研究可有效地識別烴類包裹體和甲烷包裹體等，而甲烷包裹體的壓力、溫度、拉曼光譜等可以作為恢復古溫壓和油氣流體示蹤的重要手段［10-12］。

四川盆地米倉山前緣筇竹寺組富有機質頁巖經歷了多期構造活動，頁巖中裂縫發(fā)育，多數(shù)充填方解石脈體和或石英脈體［13-15］。目前針對四川盆地頁巖裂縫脈體的研究集中在川南的五峰組—龍馬溪組，很少有對筇竹寺組的裂縫脈體研究的相關報道，尤其缺少對筇竹寺組裂縫脈體的形成期次、成脈流體來源以及對保存條件有何種影響等的研究資料。通過野外剖面實測、薄片觀察、陰極發(fā)光、碳氧同位素分析、流體包裹體測溫、激光拉曼光譜分析、稀土元素分析，結合區(qū)域多期構造演化，分析四川盆地米倉山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組熱演化史過程及與其相關的流體活動，并探討頁巖氣的保存條件，以期為該區(qū)筇竹寺組頁巖氣勘探提供基礎地質資料。

1 地質概況

米倉山地區(qū)地處四川盆地北緣，為揚子板塊和南秦嶺的交界部位，在大地構造位置上屬于揚子板塊西北端，北接漢南隆起，緊鄰秦嶺造山帶，東部與大巴山逆沖推覆構造帶相連，西鄰龍門山造山帶并以龍門山斷裂相接，南部與四川盆地寬緩變形帶相鄰，是一個在印支運動開始發(fā)育、晚燕山運動繼承發(fā)展、喜馬拉雅期最終定型的前陸擠壓變形區(qū)［16-18］（圖1a）。旺蒼地區(qū)位于米倉山前緣東部，緊鄰四川盆地和米倉山構造帶。早寒武世筇竹寺組開始沉積時，上揚子地區(qū)海水由東南方向快速侵入，海平面快速上升，米倉山地區(qū)處于大面積缺氧的深水陸棚環(huán)境，發(fā)育下細上粗的碎屑巖沉積建造，隨后海平面緩慢下降，整體上沉積水體由深變淺，自北向南發(fā)育濱岸—淺水陸棚—深水陸棚相沉積［19-20］。由于筇竹寺組沉降中心大致在米倉山前緣旺蒼—南江一帶，研究區(qū)筇竹寺組泥頁巖較厚，最大厚度達200 m，具有良好的物質基礎，筇竹寺組下部為灰黑色炭質頁巖、泥巖，夾黑色硅質頁巖，上部為灰—黃灰色粉砂質泥巖、粉砂巖（圖1b），以靜水、厭氧—貧氧的深水陸棚沉積環(huán)境為主［21］。

2 裂縫脈體特征

2.1 脈體發(fā)育特征

米倉山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組露頭上多見順層脈和高角度剪性脈，開度一般較大，為毫米—厘米級，大多為0.1～2.0 cm，延伸長度幾厘米到幾米不等（圖2a），高、低角度發(fā)育的脈體具有明顯的交切關系，低角度脈常常切割高角度脈（圖2b），同時觀察到剪張性方解石脈體，脈體中見破碎角礫（圖2c）。

圖2 四川盆地米倉山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組脈體與礦物充填特征Fig.2 Filling characteristics of veins and minerals of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

進一步基于鏡下薄片觀察和陰極發(fā)光分析，脈體成分有方解石和石英（圖2d），方解石在單偏光下無色，透明度較差，發(fā)育1～2 組解理，第一期方解石在陰極光下呈橙黃色，第二期方解石在陰極光下呈暗紅色；石英在單偏光下無色、透明、無解理，陰極光下不發(fā)光（圖2e）。揭示2 期方解石脈體被晚期石英脈體切斷（圖2d），礦物充填序列通常為第一期方解石，第二期方解石、石英，石英形成時間應晚于方解石（圖2f）。

2.2 脈體中流體包裹體特征

將野外典型脈體樣品制備成厚度為100 μm 且雙面拋光的包裹體薄片，開展了流體包裹體巖相學觀察、激光拉曼光譜分析和流體包裹體測溫分析。顯微鏡下觀察到大量的流體包裹體，以橢圓狀、次圓狀為主，呈群狀、線狀、帶狀分布，常見3 期脈體充填（表1）。其中，第一期細晶方解石中有發(fā)熒光的液態(tài)烴類包裹體（圖3a），拉曼散射峰位在2 700～2 970 cm-1區(qū)域發(fā)生強烈隆起（圖3b）；第二期粗晶方解石中可見高密度甲烷包裹體（圖3c），其拉曼散射峰位在2 911.39 cm-1處出現(xiàn)特征峰（圖3d），富含熒光液態(tài)烴類包裹體（圖3e），拉曼散射峰位在2 700～2 970 cm-1區(qū)域發(fā)生強烈隆起（圖3f）；第三期石英中賦存高密度甲烷包裹體（圖3g），拉曼散射峰位在2 910.43 cm-1處出現(xiàn)特征峰（圖3h）。一般認為拉曼散射峰位小于2 912 cm-1為高密度甲烷包裹體［22-23］。

表1 四川盆地米倉山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組脈體礦物期次與流體包裹體類型Table 1 Mineral stages and fluid inclusions types of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

圖3 四川盆地米倉山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組裂縫脈體中流體包裹體特征Fig.3 Fluid inclusion characteristics in fracture veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

研究區(qū)王家溝剖面和水磨剖面方解石脈體中流體包裹體的均一溫度均有2 個峰值，分別是120～130 ℃和140～150 ℃，分別對應2 期流體充注高峰，需要指出的是，第三期石英脈體中原生鹽水包裹體可能代表第三期硅質流體的充注（圖4）。2 條剖面筇竹寺組的第一期方解石脈體包裹體均一溫度均為83.1～136.2 ℃，鹽度均為0.4%～12.2%；第二期方解石脈體包裹體均一溫度均為140.2～185.4 ℃，鹽度均為5.7%～17.3%。水磨剖面第三期石英包裹體均一溫度為162.1 ℃，鹽度為13.8%。

圖4 四川盆地米倉山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組流體包裹體均一溫度及其與鹽度的關系Fig.4 Homogenization temperature distribution and relationship between salinity and homogenization temperature of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

3 方解石脈體地球化學特征

3.1 碳氧同位素特征

米倉山前緣筇竹寺組方解石脈體樣品的δ18OPDB值為-14.95‰～-9.17‰（表2），絕大部分方解石脈體實測值比早寒武世全球海水的δ18OPDB平均值（-5‰±1‰～-10‰±1‰）?。?4］，這種δ18O 的負偏移受控于成脈流體溫度和成脈流體的δ18O 豐度（與含水飽和度密切相關），當溫度為0～500 ℃時，CaCO3-H2O 體系中δ18O 分餾系數(shù)α與熱力學溫度T存在如下關系［25］：

表2 四川盆地米倉山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體碳氧同位素與均一溫度測定結果Table 2 Carbon and oxygen isotopes and homogenization temperature of calcite veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

式中：α為分餾系數(shù)；T為方解石脈體的沉淀溫度，K；δ18OCaCO3為方解石（SMOW）標準的氧同位素值，‰，δ18OH2O為地質歷史時期地層水中氧同位素的值，‰。

通過式（1）可以計算出成脈流體的δ18O。本次實驗方解石氧同位素以（PDB）標準列出，可以用經驗公式δ13OSMOW=1.030 86δ13OPDB+30.86計算出δ18OSMOW值［26-27］（表2）。方解石脈體溫度一般根據(jù)方解石脈體捕獲的原生鹽水包裹體均一溫度確定，利用鹽水包裹體均一溫度確定方解石脈體形成溫度，可以計算方解石脈體礦物沉淀時地層水中的δ18O，進而示蹤成脈流體的來源，一般認為顯生宙海水的δ18OSMOW為-1‰～1‰［28］。

研究區(qū)王家溝剖面筇竹寺組可見2 期方解石脈體，其原生鹽水包裹體的捕獲溫度分別為94.8～136.0 ℃和140.2～185.4 ℃，第一期方解石脈體沉淀時成脈流體的δ18OSMOW為-0.3‰～8.0‰，第二期方解石成脈流體的δ18OSMOW為4.0‰～11.4‰，揭示第一期方解石脈體受到海水的輕微影響，成脈流體主要為層內地層水，第二期方解石脈體的成脈流體為層內地層水，不受外源流體的影響［29］（圖5）。

圖5 四川盆地米倉山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體成巖期地層水δ18O 分布Fig.5 δ18O distribution of diagenetic water of calcite veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

研究區(qū)水磨剖面筇竹寺組2 期方解石脈體原生鹽水包裹體捕獲溫度分別為83.1～136.2 ℃和142.5～158.4 ℃；第一期方解石脈體沉淀時成脈流體的δ18OSMOW為-3.2‰～3.8‰，第二期為2.6‰～7.1‰；第一期方解石脈體成脈流體為層內地層水，受到大氣淡水和海水共同影響，第二期成脈流體主要為層內地層水（圖5）。

3.2 稀土元素特征

通過對比脈體和圍巖的稀土元素特征可以確定流體來源［30］。米倉山前緣王家溝剖面下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體稀土元素（REE）含量和特征參數(shù)如表3 和表4 所列，方解石脈體稀土元素含量采用北美頁巖值標準化（NASC），進一步得到稀土元素配分模式圖［31］（圖6）。王家溝剖面筇竹寺組WJG-9樣品圍巖和脈體均呈現(xiàn)中稀土元素富集、稀土分餾明顯的特征，表現(xiàn)為（Pr/Sm）NASC＜1，（Tb/Yb）NASC＞1，方解石具有Eu 正異常（δEu=2.41）和Ce 無異常（δCe=1.00），圍巖具有Eu 正異常（δEu=2.08）和Ce無異常（δCe=1.00）。該樣品脈體與圍巖的稀土元素配分模式極為相似，均具有Eu 異常和Ce 無異常，說明脈體與圍巖流體發(fā)生了交換，流體來源于層內地層水。WJG-10 樣品的圍巖表現(xiàn)為輕稀土元素富集，方解石表現(xiàn)為中稀土元素富集，方解石樣品具有明顯的Eu 正異常（δEu=4.34～7.88）和Ce 微弱負異常（δCe=0.93～0.96），圍巖具有更明顯的Eu正異常（δEu=350.32）和Ce負異常（δCe=0.76）（表4）。該樣品脈體與圍巖的稀土元素配分模式極為相似，均具有Eu 異常和Ce 負異常，說明脈體與圍巖發(fā)生了流體交換，流體來源于層內地層水。王家溝剖面筇竹寺組2 期方解石成脈流體均為層內地層水。

表3 四川盆地米倉山前緣王家溝剖面下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體稀土元素含量Table 3 Rare earth elements content in calcite veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangjiagou profile at Micang Mountain front，Sichuan Basin

表4 四川盆地米倉山前緣王家溝剖面下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體稀土元素特征參數(shù)Table 4 Rare earth element characteristics of calcite veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangjiagou profile at Micang Mountain front，Sichuan Basin

圖6 四川盆地米倉山前緣王家溝剖面下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體稀土元素北美頁巖標準化配分模式Fig.6 Standardized distribution model of rare earth elements in North American shale of calcite vein of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangjiagou profile at Micang Mountain front，Sichuan Basin

Eu 異?？赡苁軠囟群蛧鷰r斜長石含量的共同控制，所以成脈流體中沉淀礦物的δEu變化不僅受流體溫度的控制，還取決于流體-巖石反應的位置和反應程度［32-34］。王家溝剖面流體包裹體溫度為83.8～185.4 ℃，未發(fā)現(xiàn)大于200 ℃的原生鹽水包裹體，結合剖面位置附近TX1 井的埋藏史-熱史資料，揭示筇竹寺組在晚侏羅世最大埋深達8 000 m，最大埋深期間達到的最高溫度接近但未超過200 ℃。因此Eu 正異常的另一個合理解釋就是流體-巖石相互作用過程中斜長石的溶解，成脈流體是來源于流體-巖石反應強烈的地層水。TX1 井數(shù)據(jù)資料顯示，筇竹寺組優(yōu)質頁巖段斜長石平均體積分數(shù)大于15%，指示脈體Eu 正異常受宿主圍巖斜長石含量影響較大［21］。

王家溝剖面筇竹寺組圍巖具有Ce 負異常（δCe=0.76～1.00），指示圍巖沉積時受到地表大氣淡水淋濾，而方解石樣品具有Ce 微弱負異常（δCe=0.93～1.00），推測為發(fā)生流體-巖石反應時，繼承圍巖的Ce 負異常，表現(xiàn)為不明顯的Ce 負異常。

4 流體活動特征及意義

4.1 流體活動特征

使用BasinMod 盆地模擬軟件，基于TX1 井地層分層、厚度、巖性、實測地層溫度、TOC等基本參數(shù)，以根據(jù)米倉山前緣磷灰石裂變徑跡得到的抬升時間和計算的剝蝕量作為約束，將加里東期、海西期、印支期和燕山—喜山期古剝蝕量分別設定為150 m，400 m，400 m和5 700 m，恢復研究區(qū)TX1 井筇竹寺組熱演化史和地層埋藏史［35-37］。研究區(qū)TX1井筇竹寺組烴源巖于晚奧陶世—晚志留世進入低成熟階段（Ro＝0.5%～0.7%），生成低成熟原油；早泥盆世烴源巖全面成熟（Ro＝0.7%～1.3%），生成大量的原油，該階段一直持續(xù)到中侏羅世；中侏羅世，烴源巖演化到高成熟階段（Ro＝1.3%～2.0%），產物為輕質油和濕氣；晚侏羅世，烴源巖已經達到過成熟階段（Ro＞2.0%），以熱裂解氣為主要產物，早白堊世烴源巖成熟度達到最大；晚侏羅世至今雖構造抬升，但成熟度不再增大，至今保持在2.5%左右（圖7）。

圖7 四川盆地米倉山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組裂縫脈體形成時間Fig.7 Formation time of fracture veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

結合王家溝剖面和水磨剖面，研究區(qū)筇竹寺組第一期方解石包裹體最低均一溫度為83.1 ℃，第二期方解石包裹體最低均一溫度為140.2 ℃，第三期石英包裹體最低均一溫度為162.1 ℃，據(jù)此推測研究區(qū)第一期方解石脈體形成于早志留世（約440 Ma），第二期方解石脈體形成與早侏羅世（約190 Ma），第三期石英脈體形成早白堊世（約120 Ma）（圖7）。綜合上述研究，認為第一期方解石成脈流體主要為層內地層水，受向下侵入的少量大氣淡水和海水影響，與烴源巖生烴作用生成的液態(tài)烴類一起充注；第二期方解石成脈流體主要為層內地層水，與液態(tài)烴類和高密度氣相甲烷混合充注；第三期石英脈體的成脈流體是筇竹寺組的硅質流體，與高密度氣相甲烷一起充注（圖8）。

圖8 四川盆地米倉山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組流體運移路徑Fig.8 Fluid migration path of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangjiagou profile at Micang Mountain front，Sichuan Basin

4.2 流體活動對頁巖封閉性的影響

米倉山前緣筇竹寺組碳氧同位素指示受外源流體影響較小，圍巖與方解石脈體碳氧同位素差值在較小的區(qū)間波動，水磨剖面筇竹寺組可能受到大氣淡水下滲的影響，但成脈流體主要還是來源于層內地層水和海水，方解石脈體和圍巖的稀土元素配分模式進一步指示成脈流體是流體-巖石反應強烈的層內地層水，圍巖與方解石脈體均具有Eu 正異常特征，并且圍巖異常程度更大，Eu 正異常來源于宿主圍巖斜長石的溶解，同時圍巖的Ce 負異常指示筇竹寺組成巖期受到大氣淡水淋濾。包裹體測溫結果表明，王家溝剖面原生鹽水包裹體鹽度大于3.5%（一般認為鹽度小于3.5%指示受到淡水影響），水磨剖面原生鹽水包裹體鹽度基本大于3.5%，反映成脈流體受到大氣淡水混入影響，方解石沉淀的作用普遍較小。激光拉曼檢測到超臨界高密度甲烷包裹體，進一步揭示研究區(qū)筇竹寺組方解石和石英成脈時具備相對良好的壓力條件，且封閉性較好，受外源流體影響較小，節(jié)理和裂縫發(fā)育，但可能并不溝通上下地層，可能更多的作用是有利于頁巖氣聚集成藏，由此推測，研究區(qū)筇竹寺組頁巖氣具有較好的封閉條件。

5 結論

（1）四川盆地米倉山前緣筇竹寺組可見2 期方解石和1 期石英充填，第一期方解石中的液態(tài)烴類包裹體均一溫度為83.1～136.2 ℃，鹽度為0.4%～12.2%；第二期方解石中的液態(tài)烴類包裹體、高密度甲烷包裹體均一溫度為140.2～185.4 ℃，鹽度為5.7%～17.3%；第三期石英中的高密度甲烷包裹體均一溫度為162.1 ℃，鹽度為13.8%。

（2）米倉山前緣筇竹寺組第一期方解石脈體形成于早志留世（約440 Ma），成脈流體主要為層內地層水，受少量大氣淡水和海水影響，與液態(tài)烴類流體一起充注；第二期方解石脈體形成于早侏羅世（約190 Ma），成脈流體為層內地層水，與液態(tài)烴類和高密度氣相甲烷混合充注；第三期石英脈體形成早白堊世（約120 Ma），成脈流體為筇竹寺組的硅質流體，與高密度氣相甲烷一起充注。

（3）米倉山前緣筇竹寺組方解石和石英成脈時具備相對良好的壓力條件，且封閉性較好，受外源流體影響較小，節(jié)理和裂縫發(fā)育，可能并不溝通上下地層，更多的作用是有利于頁巖氣聚集成藏，由此推測筇竹寺組頁巖氣具有較好的封閉條件。