中揚(yáng)子地區(qū)泥頁巖發(fā)育特征與頁巖氣形成條件分析

朱定偉，丁文龍，鄧禮華，游聲剛，趙 松

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083，2.中海油湛江分公司，廣東 湛江 524057)

中揚(yáng)子地區(qū)泥頁巖發(fā)育特征與頁巖氣形成條件分析

朱定偉1，丁文龍1，鄧禮華2，游聲剛1，趙 松1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083，2.中海油湛江分公司，廣東 湛江 524057)

中揚(yáng)子地區(qū)在震旦系和古生界發(fā)育多套海相暗色頁巖，在上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)發(fā)育了1套高炭泥質(zhì)煤系地層，在江漢盆地發(fā)育2套古近系陸相暗色泥巖。這些泥頁巖厚度大、有機(jī)碳含量高、成熟度適宜，與美國(guó)產(chǎn)頁巖氣盆地具有很好的對(duì)比性。在前人對(duì)中揚(yáng)子地區(qū)的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合頁巖氣的最新研究成果，探討中揚(yáng)子地區(qū)泥頁巖的發(fā)育特征和頁巖氣形成條件。通過分析，認(rèn)為中揚(yáng)子地區(qū)具備形成頁巖氣藏的良好地質(zhì)條件，尤其是鄂西渝東、湘鄂西區(qū)、江漢盆地南部和鄂東南具備優(yōu)先勘探的條件。

頁巖氣;泥頁巖;形成條件;分布特征;中揚(yáng)子

引 言

頁巖氣是指主體上以吸附和游離狀態(tài)同時(shí)賦存于暗色泥頁巖、高炭泥頁巖及其間夾層狀發(fā)育的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖地層中，以自生自儲(chǔ)為成藏特點(diǎn)的天然氣聚集［1］，其源巖組成一般為30% ～50%的黏土礦物、15% ～25%的粉砂質(zhì)和1%～20%的有機(jī)質(zhì)，多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層［2］。

中揚(yáng)子地區(qū)位于揚(yáng)子地塊的中部，南北以江南斷裂和襄樊—廣濟(jì)斷裂為界，東西以郯廬斷裂和齊岳山斷裂為界，主要分為湘鄂西區(qū)、鄂西渝東區(qū)、江漢盆地區(qū)、鄂東南、鄂北山區(qū)及周緣地區(qū)。中揚(yáng)子地區(qū)先后經(jīng)歷了克拉通、前陸盆地和陸相裂陷盆地的復(fù)雜演化過程，上元古宇和古生界泥頁巖廣泛分布，包含上震旦統(tǒng)、下寒武統(tǒng)、奧陶系和下志留統(tǒng)等多套海相烴源巖，上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)發(fā)育1套分布廣、厚度不等的煤系泥質(zhì)地層;古近系新溝嘴組下段和潛江組在江漢盆地分別發(fā)育1套數(shù)百米至2 000 m厚的陸相暗色泥巖，不僅是常規(guī)油氣的主力烴源巖_，而且是頁巖氣成藏和勘探的重點(diǎn)對(duì)象。

1 泥頁巖發(fā)育特征及分布

1.1 上震旦統(tǒng)(Z2)泥頁巖分布特征

上震旦統(tǒng)陡山沱組沉積時(shí)揚(yáng)子板塊大部分被海水淹沒，中揚(yáng)子地區(qū)發(fā)育1套暗色泥巖，湘鄂西區(qū)較厚，平均厚為139 m，最厚達(dá)377 m［3］。鄂東南通山等地發(fā)育了較厚的炭質(zhì)頁巖夾薄層泥灰?guī)r組合和硅質(zhì)巖組合。

1.2 下古生界(∈1—S1)泥頁巖分布特征

早寒武世時(shí)，南方地區(qū)為1個(gè)巨大的水體淺、水流不暢的停滯缺氧盆地，生物繁茂［4］，富有機(jī)質(zhì)炭質(zhì)泥巖、頁巖主要環(huán)繞今江漢盆地中北部的碳酸鹽巖臺(tái)地分布，向洋一側(cè)逐漸增厚［5］，湘鄂西和鄂西渝東區(qū)達(dá)500～700 m，江漢盆地南緣厚度也較大，以蒲圻最厚，達(dá)300 m，向東南方向逐漸減?。?］。

上奧陶統(tǒng)五峰組沉積時(shí)，研究區(qū)廣泛發(fā)育1套海退背景下的滯留瀉湖相黑色、灰黑色筆石泥頁巖，尤其是湘鄂西區(qū)，厚達(dá)200～500 m，有機(jī)質(zhì)豐度高，生烴能力強(qiáng)，與下志留統(tǒng)龍馬溪組一起成為中上揚(yáng)子地區(qū)的優(yōu)質(zhì)烴源巖［7］。

下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積時(shí)，湘鄂西區(qū)和江漢盆地部分處于閉塞、半閉塞的滯留海盆環(huán)境，鄂東為陸棚環(huán)境，均沉積了1套黑色炭質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥頁巖，富含微粒黃鐵礦和筆石，有機(jī)質(zhì)豐富。研究區(qū)沉積中心在宜昌和石門一帶，厚度大于700 m，向周緣逐漸減?。?］;江漢盆地區(qū)為200～500 m，尤其是盆地中南部，保存完好，厚度較大;鄂東南為200～400 m。

1.3 下中生界(T3—J1)泥頁巖分布特征

上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)為1套砂巖、暗色泥巖夾煤層的煤系地層，為河流—湖沼相沉積，只在鄂西渝東、秭歸、荊當(dāng)、仙桃和鄂東南等局部地區(qū)分布較厚，其中石柱復(fù)向斜厚30～126 m，天門—沉湖—土地堂向斜帶和當(dāng)陽—江陵向斜帶厚度普遍大于600 m［8］。

1.4 古近系(E)泥頁巖分布特征

江漢盆地古近系新溝嘴組和潛江組是裂陷和走滑期發(fā)育的2套相對(duì)集中的暗色泥巖，勘探實(shí)踐已證明這2套泥巖具有較強(qiáng)的生烴能力，是常規(guī)油氣的良好烴源巖［9］。

新溝嘴組下段主要發(fā)育1套三角洲—湖泊沉積體系的暗色泥質(zhì)巖，總體表現(xiàn)為南厚北薄，包括泥質(zhì)巖類在內(nèi)的烴源巖分布廣泛。平面上構(gòu)造沉降幅度大、水體深、水動(dòng)力弱的地區(qū)，暗色泥巖厚度較大，江陵凹陷厚50～250 m，平均152 m;沔陽地區(qū)厚80～220 m，局部地區(qū)達(dá)240 m以上;陳沱口凹陷一般厚100～180 m，高值區(qū)超過200 m。

潛江組為斷陷時(shí)期持續(xù)下降沉積的1套地層，為淺湖—半深湖相的含鹽暗色泥巖。由于大斷層的活動(dòng)，潛江、云應(yīng)及小板等凹陷厚度較大，盆地的其他部位也沉積了厚度不等的高炭泥巖，且明顯受斷裂活動(dòng)和凸起的控制，最厚達(dá)2 200 m(潛江凹陷蚌湖向斜)，一般厚200～1 200 m。

總體來說，中揚(yáng)子地區(qū)從上震旦統(tǒng)到古近系廣泛發(fā)育海相暗色泥頁巖和陸相泥質(zhì)烴源巖。但由于研究區(qū)古構(gòu)造環(huán)境、古氣候和古植物繁榮程度及后期改造作用的差異，其分布也具有很大的不均衡性。如表1所示下奧陶統(tǒng)、下寒武統(tǒng)和上震旦統(tǒng)暗色泥巖主要發(fā)育在湘鄂西區(qū)和鄂東南;上奧陶統(tǒng)和下志留統(tǒng)則在整個(gè)中揚(yáng)子區(qū)均有分布;中上古生界在中揚(yáng)子區(qū)缺失或僅在局部地區(qū)少量分布;上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)在全區(qū)零星分布;古近系陸相泥巖主要發(fā)育在江漢盆地區(qū)，其他區(qū)域缺失或厚度較小。從沉積環(huán)境來看，泥頁巖主要發(fā)育在陸棚環(huán)境或湖盆環(huán)境，這可能與中揚(yáng)子區(qū)陸表海分布面積大、物源豐富有關(guān)。

表1 中揚(yáng)子及江漢盆地主要泥頁發(fā)育層段和分布特征

2 泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

上震旦統(tǒng)烴源巖顯微組分以藻類和浮游生物為主，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主。頁巖有機(jī)碳含量平均為0.74%［3］，其中宜昌—神農(nóng)架為 1.00% ～3.22%，嘉魚—通山為1.50% ～6.84%，京山為1.5%～3.0%。有機(jī)質(zhì)熱演化程度較高，Ro一般為2.5% ～3.5%，高值區(qū)達(dá) 4.37%(利川)［10］，處于高—過成熟階段。

下寒武統(tǒng)頁巖顯微組分以藻類和海綿為主，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，富含炭質(zhì)、炭硅質(zhì)成分，普遍具浸染狀黃鐵礦，發(fā)育毫米級(jí)水平紋層。有機(jī)碳含量為0.5%～8.0%，湘西楊家坪等地可達(dá)6.00%～11.76%?？傮w演化程度較高，Ro多在3.07% ～3.29%之間，處于高—過成熟階段［10］。

上奧陶五峰組和下志留龍馬溪組泥頁巖為硅質(zhì)、炭質(zhì)成分，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，演化程度中等。龍馬溪組頁巖有機(jī)碳含量為2.0%～4.0%，平均大于3.0%，鄂西達(dá)5.0%。Ro峰值在3.07% ～3.29%區(qū)域。

上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)泥巖在鄂西渝東地區(qū)品質(zhì)較好，厚層泥頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖和煤線，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主，鏡質(zhì)組含量占85.2～97.3%，有機(jī)碳含量為 1% ～6%，平均 2.73%［8］，Ro為0.87% ～1.15%。

新溝嘴組泥巖受盆地內(nèi)二級(jí)構(gòu)造單元的分隔明顯，各凹陷的有機(jī)地化特征相差很大。江陵凹陷有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主(其中Ⅰ型占42%)，有機(jī)碳含量為1.37% ～2.67%，Ro一般大于0.64%;潛江凹陷以Ⅰ型為主，部分區(qū)段Ⅱ1、Ⅱ2型含量較高，有機(jī)碳含量為1.16% ～3.26%，普遍高于1.5%;沔陽凹陷以Ⅰ型為主，有機(jī)碳含量為1.26% ～2.62%，Ro一般大于0.7%。

潛江組泥巖埋深普遍較小，僅潛四段的深度達(dá)到成熟門限。該段有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ型為主，有機(jī)碳含量平均為0.61%，盡管有機(jī)碳含量不高，但烴/有機(jī)碳較高，平均為15.8%，生烴效率明顯高于海相烴源巖和東部其他陸相盆地?zé)N源巖5.0% ～11.3%的生烴效率［11］。

3 頁巖氣形成條件及有利勘探區(qū)分析

頁巖氣的工業(yè)聚集需要有豐富的氣源物質(zhì)基礎(chǔ)，要求生烴有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)在暗色泥頁巖厚度大、有機(jī)質(zhì)類型好、有機(jī)碳含量高、成熟度適宜，同時(shí)還要有良好的吸附條件、足夠的裂縫空間以及人工改造裂縫的條件。綜合分析大量前人的研究成果［12］，筆者以為頁巖氣的有利勘探區(qū)應(yīng)符合如下條件:暗色泥頁巖厚度大于30 m，有機(jī)碳含量大于1.5%，Ro大于1.0%(Ⅲ型干酪根Ro大于0.6%)。綜合中揚(yáng)子地區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的分布特征和有機(jī)地化特征，上震旦統(tǒng)頁巖氣有利勘探區(qū)在湘鄂西區(qū)和鄂東南 (圖1);下古生界有利勘探區(qū)廣泛分布在鄂西渝東至鄂東南的廣大區(qū)域;上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)主要在鄂西渝東、秭歸、荊當(dāng)和鄂東南等局部地區(qū);古近系陸相泥巖的有利勘探區(qū)則分布在江陵凹陷、潛江凹陷、沔陽凹陷和陳沱口凹陷的沉積中心區(qū)(圖2)。

圖1 中揚(yáng)子地區(qū)上震旦統(tǒng)、下古生界和下中生界頁巖氣有利勘探區(qū)

圖2 江漢盆地古近系頁巖氣有利勘探區(qū)

4 結(jié)論

(1)中揚(yáng)子地區(qū)海相暗色頁巖和陸相泥質(zhì)烴源巖分布廣泛，縱向上從上震旦統(tǒng)到古近系均有發(fā)育，但由于古構(gòu)造環(huán)境、古氣候和古植物繁榮程度及后期改造作用的差異，其分布也具有很大的不均衡性。上震旦統(tǒng)、下寒武統(tǒng)和下奧陶統(tǒng)暗色泥巖主要發(fā)育在湘鄂西區(qū)和鄂東南;上奧陶統(tǒng)和下志留統(tǒng)則在整個(gè)中揚(yáng)子區(qū)均有分布;上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)在全區(qū)零星分布;古近系陸相泥巖主要發(fā)育在江漢盆地，其他區(qū)域缺失或厚度較小。從沉積環(huán)境來看，暗色泥頁巖主要發(fā)育在陸棚環(huán)境或湖盆環(huán)境，這可能與中揚(yáng)子區(qū)陸表海分布面積大、物源豐富有關(guān)。

(2)研究區(qū)泥頁巖分布的不均衡性導(dǎo)致了有機(jī)質(zhì)地球化學(xué)特征具有分割性，但總體而言，海相頁巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ型為主，有機(jī)碳含量高，處于高—過成熟階段;陸相煤系泥巖以Ⅲ型干酪根為主，處于成熟階段;古近系泥巖干酪根以Ⅰ、Ⅱ1為主，處于中—高成熟階段。

(3)按照暗色泥頁巖厚度、有機(jī)碳含量、鏡質(zhì)體反射率這3個(gè)主要指標(biāo)分析頁巖氣的形成條件，中揚(yáng)子西南緣和東南緣的海相地層具有優(yōu)先勘探潛力，利川、秭歸、荊當(dāng)和鄂東南等地區(qū)的泥質(zhì)煤系地層和江漢盆地中南部的江陵、潛江、沔陽和陳沱口等凹陷的陸相泥巖地層也具有形成頁巖氣的良好地質(zhì)條件。

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Development characteristics of mud shale and shale gas formation conditions in the middle Yangtze region

ZHU Ding － wei1，DING Wen － long1，DENG Li － hua2，YOU Sheng － gang1，ZHAO Song1
(1．China University of Geosciences，Beijing100083，China;
2．Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd．，Zhanjiang，Guangdong524057，China)

Multiple sets of marine dark shale were developed in the Sinian and Paleozoic and one set of coal measure strata was developed in the upper Triassic–lower Jurassic in the middle Yangtze region;and two sets of continental dark shale were developed in the Paleogene in the Jianghan Basin．The shale in these areas possesses large thickness，high content of organic carbon and moderate maturity and they correlate well with the American basins that produce shale gas．Based on the previous research results of the middle Yangtze region and the latest research achievements in shale gas，the paper investigated the development characteristics of mud shale and the shale gas formation conditions in the middle Yangtze region．It is concluded that the middle Yangtze region has favorable geological conditions for the formation of shale gas reservoirs，especially the areas west of Hubei and east of Chongqing，western Hunan and Hubei，southern Jianghan Basin and southeast Hubei are the best candidates for exploration．

shale gas;mud shale;formation condition;distribution characteristics;middle Yangtze;Jianghan Basin

TE122.1

A

1006－6535(2011)06－0034－04

20110518;改回日期20111020

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“中國(guó)南方下古生界海相富有機(jī)質(zhì)頁巖裂縫發(fā)育程度與主控因素定量關(guān)系研究”(41072098);全國(guó)油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評(píng)價(jià)國(guó)家專項(xiàng)“中國(guó)重點(diǎn)地區(qū)頁巖氣資源潛力及有利區(qū)優(yōu)選”(2009GYXQ－15)

朱定偉(1985－)，男，2008年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槭蜆?gòu)造分析和頁巖氣構(gòu)造及裂縫。

編輯 林樹龍