下?lián)P子西部地區(qū)中二疊統(tǒng)孤峰組氣源巖發(fā)育特征及控制因素

白 帆

(中國石化 石油物探技術(shù)研究院，南京 211103)

隨著人類社會對天然氣需求量的不斷增大和低碳經(jīng)濟的需要，世界各國對非常規(guī)天然氣尤其是頁巖氣的勘探力度日益增大，在未來幾十年內(nèi)，非常規(guī)天然氣將對我國的能源需求做出重要的貢獻(xiàn)[1-3]。研究表明，我國華南古生界頁巖厚度分布穩(wěn)定、埋深淺、有機質(zhì)豐度高、成熟度高，是我國未來頁巖氣資源重要的開發(fā)方向之一[1,4-6]。目前揚子地區(qū)頁巖氣的勘探已獲得了突破，但主要集中在中上揚子地區(qū)[7-12]，而對下?lián)P子西部地區(qū)(巢湖、蕪湖、銅陵、南京一線)頁巖氣的特征及潛力研究還較少[13-18]。本文通過野外剖面、鉆孔樣品對下?lián)P子地區(qū)西部中二疊統(tǒng)孤峰組的熱成熟度、有機巖石學(xué)、地球化學(xué)、礦物學(xué)和巖石物理等特征進(jìn)行研究，以期為該地區(qū)頁巖氣的勘探與開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)背景

下?lián)P子地區(qū)主體位于我國安徽省和江蘇省境內(nèi)，面積約4 839 km2，是我國的產(chǎn)油區(qū)之一，也是頁巖氣資源的遠(yuǎn)景目標(biāo)區(qū)[14-15]。研究區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造變革，是由多個單型盆地(晚三疊世—中三疊世的邊緣海盆地、晚三疊世—中侏羅世的前陸盆地、侏羅紀(jì)晚期—白堊紀(jì)早期的火山盆地、晚白堊世—古新世的斷陷盆地和始新世的坳陷盆地)疊加復(fù)合而形成的疊合盆地[13,19]。中二疊統(tǒng)孤峰組沉積時期，研究區(qū)主要以陸棚—盆地相為主，占據(jù)了三分之二的面積，說明該區(qū)在這個階段水體面積較大，水體較深；而在其西南、東北和東部區(qū)域，分布著三塊局限的臺地相，同時圍繞臺地邊緣，發(fā)育著環(huán)帶狀分布的生物礁(圖1)。

2 氣源巖發(fā)育特征

2.1 頁巖厚度

據(jù)本次大量的野外露頭實測和剖面觀察(圖2)，以及毗鄰地區(qū)(無為和句容)揭穿孤峰組的近30口石油探井和前人的區(qū)域調(diào)查成果[20]，編制了孤峰組氣源巖的厚度圖(圖2)和有機碳含量圖(圖3)?？梢钥闯?，下?lián)P子西部頁巖厚度是以蕪湖為中心，最大厚度大于150 m，范圍約為130 km×110 km，呈北東向展布，向西至銅陵快速收斂成窄條狀，向北、向南均勻遞減；下?lián)P子?xùn)|部厚度帶以溧水為中心，范圍約為110 km×90 km，最大厚度達(dá)189 m。

2.2 有機質(zhì)豐度

下?lián)P子地區(qū)孤峰組沉積時期，有機質(zhì)豐度(TOC)總體較高，TOC主要介于1.0%～4.0%，最高值可達(dá)到22.1%，平均約為3.41%，TOC整體平面分布形態(tài)與氣源巖厚度一致；高值區(qū)位于巢湖—蕪湖一帶，低值區(qū)位于銅陵地區(qū)(圖3)。有機質(zhì)豐度高值區(qū)總體上呈北東—南西向的條帶狀分布，條帶間存在縱向分隔，條帶內(nèi)部存在明顯的橫向分隔性，呈現(xiàn)出東西分帶、南北分塊的特點。這種分隔性與區(qū)域的構(gòu)造斷裂有明顯的相關(guān)性。南北分塊主要是受近東西向的全椒—溧水?dāng)嗔训姆指?；東西分帶主要是受控于北東—南西向的斷裂作用，即南部為銅陵—馬鞍山斷裂，北部為溧水—泰興斷裂。由于受斷裂的控制，孤峰組有機質(zhì)豐度形成4個橢圓形高值區(qū)，分別為巢湖—蕪湖、蕪湖—宣州、江寧—句容和溧水—金壇4個有機質(zhì)高豐度區(qū)，其有機質(zhì)豐度均大于3.5%(圖3)。

2.3 干酪根類型

巖石熱解是劃分干酪根類型的主要方法之一，從樣品中得到的信息表明，研究區(qū)主要存在Ⅱ2型和Ⅲ型兩種類型干酪根(圖4)。昌橋剖面樣品、小澇剖面樣品和巢湖平頂山剖面部分樣品的氫指數(shù)(IH)值為零，可能是因為有機物受到風(fēng)化作用的影響。此外，大部分樣品的熱解S2峰較低，平均值為1.08 mg/g (樣品數(shù)為26)，說明目前剩余干酪根的生烴潛力不大。這一特征可能是由于熱成熟度較高造成的，但也可能部分地反映了最初有機質(zhì)含量較低。然而，部分平頂山剖面樣品的S2值較高，平均為5.84 mg /g，推測原始干酪根保存較好。

圖1 下?lián)P子西部地區(qū)中二疊統(tǒng)孤峰組沉積相與地層綜合柱狀圖Fig.1 Synthetic histogram of sedimentary facies and stratigraphy of Middle Permian Gufeng Formation in western part of Lower Yangtze region

圖2 下?lián)P子西部地區(qū)中二疊統(tǒng)孤峰組氣源巖殘留厚度分布Fig.2 Residual thickness of gas source rocks of Middle Permian Gufeng Formation in western part of Lower Yangtze region

圖3 下?lián)P子西部地區(qū)中二疊統(tǒng)孤峰組有機質(zhì)豐度平面分布Fig.3 Planar distribution of organic matter abundance of Middle Permian Gufeng Formation in western part of Lower Yangtze region

圖4 下?lián)P子西部地區(qū)中二疊統(tǒng)孤峰組 樣品的氫指數(shù)與氧指數(shù)的關(guān)系Fig.4 Correlation between hydrogen and oxygen index of samples from Middle Permian Gufeng Formation in western part of Lower Yangtze region

2.4 熱演化成熟度

從下?lián)P子地區(qū)孤峰組氣源巖現(xiàn)今成熟度分布圖(圖5)可以看出，氣源巖的成熟度(Ro)小于2.0%，平面上呈現(xiàn)出5個高成熟演化區(qū)，分別為無為—和縣一帶、涇縣—蕪湖一帶、江寧—句容一帶、溧水—金壇一帶以及長興縣周邊。其中西北部平頂山剖面(Ro均值1.6%)和南部昌橋剖面均位于有機質(zhì)成熟區(qū)域，而西南部的華家村和小澇剖面則位于有機質(zhì)未成熟區(qū)。

3 孤峰組氣源巖發(fā)育的控制因素

在對氣源巖分布規(guī)律認(rèn)識的基礎(chǔ)上，借助元素地球化學(xué)參數(shù)分析孤峰組沉積時期的古氣候、古海洋變化、古生產(chǎn)力和氧化還原條件，分析各因素與有機質(zhì)豐度之間的關(guān)系，并結(jié)合前人有關(guān)下?lián)P子地區(qū)的相關(guān)成果，探討孤峰組氣源巖發(fā)育的控制因素。

3.1 古海洋初級生產(chǎn)力

利用巢湖平頂山剖面和馬家山剖面頁巖中的微量元素指標(biāo)Cu、Zn、Ni、Mo，來分析研究區(qū)古海洋生產(chǎn)力演化。將有機碳含量與古初級生產(chǎn)力的指標(biāo)Cuxs(Cu過剩值)、Znxs(Zn過剩值)、Nixs(Ni過剩值)、Moxs(Mo過剩值)進(jìn)行相關(guān)分析[21]，相關(guān)系數(shù)分別為0.52，0.10，0.40，0.42，由此認(rèn)為TOC與Cuxs、Nixs、Moxs存在中度相關(guān)，而與 Znxs存在極低相關(guān)(圖6)。因此Cuxs、Nixs、Moxs更能有效地指示有機質(zhì)的富集程度。借助這些指標(biāo)的富集程度差異性，結(jié)合巖性組合的變化，將研究區(qū)孤峰組沉積期的生產(chǎn)力劃分為2個演化階段。

圖5 下?lián)P子西部地區(qū)中二疊統(tǒng)孤峰組氣源巖現(xiàn)今成熟度Ro分布Fig.5 Current maturity distribution of gas source rocks in Middle Permian Gufeng Formation in western part of Lower Yangtze region

圖6 下?lián)P子西部巢湖地區(qū)二疊系頁巖TOC與Cuxs、Znxs、Nixs、Moxs相關(guān)性分析Fig.6 Correlation between TOC content and Cuxs, Znxs, Nixs, Moxsof shale in Middle Permian, Chaohu area, western part of Lower Yangtze region

第Ⅰ階段：該階段古生產(chǎn)力指標(biāo)總體上為高值，但波動較大，為生產(chǎn)力的波動期。馬家山剖面孤峰組野外露頭中見磷、硫析出(圖7)，在孤峰組底部可見磷質(zhì)結(jié)核，為上升流沉積模式的重要依據(jù)[19,22]。平頂山剖面孤峰組硅質(zhì)和碳質(zhì)頁巖沉積層段TOC含量為0.33%～22.10%，平均為6.38%，TOC大于1.5%的樣品占該段總樣品數(shù)的64%，是良好的氣源層段(圖8)。由于孤峰組底部(0～20 m)存在有機質(zhì)—硅質(zhì)—磷質(zhì)三位一體組合，反映了大陸邊緣的上升流沉積，上升流將海底營養(yǎng)元素帶到表層，致使生物所需要的營養(yǎng)元素Cu、Mo、Ni富集，進(jìn)而形成生物繁殖、海洋初級生產(chǎn)力高的現(xiàn)象。

第Ⅱ階段：該階段各項古生產(chǎn)力指標(biāo)均比第Ⅰ階段低，各指標(biāo)均穩(wěn)定，反映古生產(chǎn)力的衰退期；TOC含量較低，沉積了差烴源巖層段(圖8)。

從古生產(chǎn)力與孤峰組層序的關(guān)系[23]來看，高古生產(chǎn)力主要集中在孤峰組層序下部的凝縮段和早期高位體系域內(nèi)部，而層序上部的晚期高位體系域，其古生產(chǎn)力指標(biāo)整體較低(圖8)。

圖7 下?lián)P子西部巢湖地區(qū)馬家山剖面 孤峰組灰黑色頁巖風(fēng)化后析出硫、磷Fig.7 Sulphur and phosphorus precipitated from gray and black shale after weathering, Gufeng Formation, Majiashan profile, Chaohu area, western part of Lower Yangtze region

3.2 相對海平面變化

二疊紀(jì)從孤峰組沉積時期到大隆組沉積時期，相對海平面整體變化情況為高—低—較高，與全球二疊紀(jì)長周期海平面變化相比，孤峰組沉積時期相對海平面變化為先上升后下降[24]。孤峰組沉積早期相對海平面上升，引起水體分層，底部水體缺氧，沉積界面處于氧化—還原界面之下。該沉積時期的厭氧環(huán)境已通過水體氧化還原條件指標(biāo)得以證實，并且前述研究區(qū)孤峰組沉積早期古海洋存在上升流，不僅帶來了豐富的營養(yǎng)元素，也使海底缺氧水上涌，加劇了缺氧環(huán)境的形成。相對于早期，孤峰組中上段沉積時期海平面下降，底部水體含氧量增加，形成常氧—貧氧環(huán)境，有機質(zhì)保存條件較差，且此時期海洋初級生產(chǎn)力低，因此孤峰組中上段巖層TOC低，為差—中烴源巖。

圖8 下?lián)P子西部巢湖地區(qū)平頂山剖面孤峰組氣源巖古生產(chǎn)力演化階段劃分Fig.8 Paleo-productivity evolution stages of gas source rocks in Gufeng Formation, Pingdingshan profile, Chaohu area, western part of Lower Yangtze region

3.3 熱水作用

巖石化學(xué)組分常常作為一種判斷成因的手段，其中利用log(SiO2/Al2O3)—log[(CaO+Na2O)/K2O] 圖解能夠在一定程度上反映不同類型的沉積巖成因[25]。對研究區(qū)樣品進(jìn)行巖石化學(xué)組分分析(圖9)，可以看到，孤峰組泥頁巖、硅質(zhì)巖樣品均沒有落入正常沉積巖區(qū)內(nèi)，而分布于過渡區(qū)域，推測為熱液和生物混合成因類型；部分落于熱水沉積物區(qū)，說明孤峰組下部硅質(zhì)巖沉積受到一定程度的熱液作用影響。在巢湖平頂山剖面和馬家山剖面孤峰組的底部，出露風(fēng)化后顏色為褐黃色和土黃色的凝灰?guī)r，可見磷結(jié)核，凝灰?guī)r礦物成分主要為石英，其次為黏土礦物，并含長石，其微量元素P、V、Cr、Ni、Cu、Zn明顯富集，表明孤峰組沉積期存在火山活動?；鹕交顒赢a(chǎn)生的凝灰?guī)r為熱液作用提供了佐證。

圖9 沉積巖的log(SiO2/Al2O3)—log[(CaO+Na2O)/K2O] 圖解指示下?lián)P子西部孤峰組氣源巖的成因 A為海相正常砂巖分布區(qū)；B為海相正常 泥巖分布區(qū)；C為海相正常碳酸鹽巖分布區(qū)Fig.9 log(SiO2/Al2O3)-log[(CaO+Na2O)/K2O] diagram of sedimentary rocks illustrating the origin of gas source rocks in Gufeng Formation, western part of Lower Yangtze region

圖10 下?lián)P子西部巢湖地區(qū)孤峰組氣源巖發(fā)育沉積模式Fig.10 Sedimentary model of gas source rocks in Gufeng Formation, Chaohu area, western part of Lower Yangtze region

4 孤峰組氣源巖的沉積模式

由前面的論述可以得知，孤峰組沉積時期存在上升流(古特提斯洋流)，隨著深部水體的上涌，P、Cu、Zn、Ni等營養(yǎng)元素被帶到水體表層，部分營養(yǎng)元素還可能來源于深海的熱液作用；加上溫暖的氣候，使得浮游生物大量繁盛，具有較高的初級生產(chǎn)力。此外，早期的海侵作用引起海平面上升，使得海洋水體分層，底部形成厭氧環(huán)境。上升流和相對海平面的上升，導(dǎo)致研究區(qū)孤峰組下部沉積時期生態(tài)、沉積環(huán)境發(fā)生了顯著變化，沉積了一套孤峰組底部有機碳含量較高、有機質(zhì)類型好的硅泥質(zhì)層段，這是形成孤峰組下部優(yōu)質(zhì)烴源巖段的主要因素(圖10)。

5 結(jié)論

(1)下?lián)P子西部地區(qū)中二疊統(tǒng)孤峰組頁巖厚度大，有機質(zhì)豐度總體較高，TOC主要介于1.0%～4.0%，平均約為3.41%，干酪根類型主要為Ⅱ2型和Ⅲ型，有機質(zhì)整體處于熱成熟晚期，具有好的生氣潛力。

(2)高古生產(chǎn)力主要出現(xiàn)在孤峰組底部沉積時期，中上部層段古生產(chǎn)力指標(biāo)整體較低。

(3)富有機質(zhì)層段的形成與熱水、上升流的活動相關(guān)。流體活動將地球深部物質(zhì)帶到表層，使得水體富營養(yǎng)元素，引起生物勃發(fā)，形成高生產(chǎn)力，進(jìn)而為好烴源巖的形成提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。