下扬子地区高家边组底部黑色页岩与北美Marcellus页岩地质特征对比

张涛，尹宏伟，贾东，丁海.中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳004；.南京大学地球科学与工程学院，南京00；.安徽省煤田地质勘查研究院，合肥0088



下扬子地区高家边组底部黑色页岩与北美Marcellus页岩地质特征对比

张涛1，尹宏伟2*，贾东2，丁海3
1.中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳110034；2.南京大学地球科学与工程学院，南京210023；3.安徽省煤田地质勘查研究院，合肥230088

摘要：从地层形成的构造古地理环境、地层的厚度及空间展布以及烃源岩的岩性特征等方面，对美国东部阿巴拉契亚盆地中泥盆统Marcellus页岩和下扬子地区的下志留统高家边组黑色页岩作对比研究。结果发现，两套地层形成于相似的古地理环境，都沉积于前陆盆地早期缺氧的闭塞水体中，都是有利于细粒的有机质保存形成黑色页岩的环境。两套地层的分布和埋深都受到同沉积构造及其后期改造作用的相互影响，同时也对其中页岩的空间分布和勘探前景起重要的控制作用。两套页岩都是较好的烃源岩，含有较高的总有机碳（TOC）和脆性矿物，且都达到了高成熟阶段，生气和产气潜力大。相对于Marcellus页岩，高家边组黑色页岩TOC含量较低，埋深更大，而且受到多次构造作用的改造，使得其勘探风险相对较大。

关键词：下扬子地区；下志留统；阿巴拉契亚盆地；Marcellus页岩；页岩气

阿巴拉契亚盆地是位于美国东部的一个晚古生代前陆盆地，盆地内连续发育了从寒武系到二叠系的沉积岩，是美国最早开发的含油气盆地。Marcellus页岩是在该盆地中发育最好的一套页岩，位于该盆地中泥盆统的最底部（图1）。估计该套页岩中可采天然气储量高达142亿立方米，是北美最有潜力的一套产气页岩（Lash and Engelder,2011; Soeder,2010）。据EIA报告显示，Marcellus页岩气田的产量从2013年1月的每天1.5亿立方英尺增加到2015年6月每天26亿立方英尺，已经是北美最大的页岩气田（EIA，2015）。下扬子地区经济发达，人口密集，对于油气资源需求量巨大，在该区找到清洁新能源的意义重大。最近几年已经有学者从烃源岩特征、含气性及热演化等方面探讨了下扬子地区几套烃源岩的页岩气潜力，认为该区具有一定的页岩气勘探潜力（蔡周荣等，2013；黄保家等，2013；潘继平等，2011；潘磊等，2013；张涛等，2013）。该区下志留统高家边组是未来进行页岩气勘探的一个重要的目的层。高家边组为一套巨厚的砂、页岩沉积，岩性自下而上逐渐变粗，下段为碳质、硅质页岩，中段为黄绿色页岩夹少量细砂岩及粉砂岩，上段为细砂岩、粉砂岩夹页岩，其优质烃源岩只包括在该套地层的底部的黑色页岩部分。文中从沉积环境、地层厚度和空间展布以及基本地球化学指标和矿物组成等方面对Marcellus页岩和高家边组页岩进行了对比性研究，为下扬子地区页岩气的勘探提供有益的参考。

1　构造古地理

富有机质烃源岩是生成天然气藏的物质基础，而富有机质的海相烃源岩的发育明显受到沉积环境的控制（Demaison and Moore，1980；张水昌等，2005）。沉积环境控制了有机质的丰度和质量，是影响海相烃源岩发育和分布的最重要因素，而沉积物的地球化学特征记录了古环境性质及其演化信息（陈衍景等，1996）。

图1　阿巴拉契亚盆泥盆系地东西向地质剖面简图（据Soeder and Kappel，2009修改）Fig.1 A simplified cross section from east to west to show the distribution of the Marcellus Shale in the Appalachian Basin of the eastern United States

1.1 Marcellus页岩形成的构造古地理

阿巴拉契亚盆地在古生代经历了三次主要的造山运动，这些造山运动主要是由于北美陆块和东部的大洋板块之间的碰撞形成。Marcellus页岩沉积于中泥盆世劳亚大陆和冈瓦纳大陆发生碰撞的时期，由于这次碰撞，古大西洋的北段闭合，阿卡迪亚山脉前陆形成凹陷，即阿巴拉契亚前陆盆地（图2），在山脉的另外一侧处于隆起状态（Ettensohn,1994）。在中到晚泥盆世，阿巴拉契亚前陆盆地被阿卡迪亚造山带在东侧和南侧所包围，在西南部与瑞亚克洋以一个狭窄的长的海道相连（图3），形成了一个接近封闭的陆表海环境（Blakey，2013）。阿巴拉契亚盆地在中泥盆世的纬度为赤道南部25°～35°之间，处于热带到亚热带的气候环境，而水体的温盐密度分层可能限制了盆地底部水体的流动，使得底部水体保持了较长时间的缺氧环境（Straeten et al.,1994）。

Marcellus页岩即在阿巴拉契亚盆地早期平静的缺氧的闭塞水体中沉积形成，主要分布于前陆盆地的前渊凹陷及盆地的斜坡带，其地层的厚度呈现向东加厚的趋势（Roen,1984;图2）。

图2　Marcellus页岩形成的构造条件示意图（图中展示的是盆地逆冲发育的过程中前渊凹陷、前渊隆起的发育过程；据Ettensonn，1994修改）Fig.2 Diagram illustrating the inferred relationship among thrust loading,foreland basin subsidence,black shale sedimentation,and forebulge development

图3　中泥盆世北美地区劳亚大陆古地理恢复（据Blakey，2013修改）Fig.3 Inferred Middle Devonian paleogeography of Laurentia

1.2高家边组底部黑色页岩形成的构造古地理

受加里东期构造运动的影响，志留纪早期下扬子区古地理面貌发生了根本的改变。华夏板块与扬子板块的碰撞在该地区形成了前陆盆地，前渊拗陷位于浙北皖南地区，前渊隆起位于沿江一带，苏北地区为隆后拗陷（Li et al.,2013；图4）。在这次造山运动的影响下，下扬子区沉积了巨厚的砂泥岩，并具有典型前陆盆地沉积特征。这一期构造运动形成的古构造格局对志留系烃源岩的形成起到重要的作用：华夏古陆和江南隆起（湘赣山地）使得下扬子前陆盆地处于一个较为闭塞的环境，大部分地区为泥岩相和页岩相，海水比较平静、缺氧，这是非常有利于暗色有机质保存的环境（图5）。高家边组底部的黑色页岩正是在该期前陆盆前期缺氧的环境下沉积形成，随着前陆盆地的继续发展，高家边组岩性向上粒度逐渐变粗，中段转变为黄绿色页岩夹少量细砂岩及粉砂岩，上段为细砂岩、粉砂岩夹页岩，其富含有机质的黑色页岩只保存在该套地层的最底部的部分。这种岩性上的变化说明有利于有机质保存的环境只持续了较短的时间，除了造山带的影响外，还可能是由于上升洋流破坏了早期烃源岩的沉积条件，使得志留纪的优质烃源岩只发育在早期很短的时间内（李双建等，2008）。

2　地层展布

泥页岩的厚度和埋深也是控制页岩气成藏的关键因素，泥页岩必须达到一定的厚度，才能成为有效的烃源岩层和储集层，形成工业性的页岩气藏。而埋深可以影响页岩气的保存与生产。埋藏太浅会导致压力不足而且对于气体的保存造成不利的影响；埋藏太深则会使得开发的成本大大提高，失去经济价值。

2.1 Marcellus页岩地层展布

在阿巴拉契亚盆地的整个沉积盖层中，页岩占整个沉积地层厚度的一半左右，其中以泥盆系中上部黑色页岩最为发育（图1）。在盆地中，Marcellus页岩分布范围超过1.21×105km2，其厚度一般在100～540 m之间，厚度呈现向东部加厚的趋势，呈楔形分布，是泥盆系中上古生界常规油气和非常规油气的主力烃源岩（Soeder and Kappel，2009）。盆地绝大部分地区地层的顶部埋深分布在900～2700 m，平均深度超过1500 m，从西北向东南逐渐加深。埋深最大的位置位于盆地的最东部，即盆地的沉降中心/前渊凹陷位置，其深度超过了3600 m（Milici and Swezey,2006;图6）。

2.2高家边组页岩地层展布

受到加里东期前陆盆地影响，在下扬子地区高家边组黑色页岩分布整体呈北东向的展布，厚度呈现向南和向东部加厚的趋势。在宁镇山脉一带，黑色页岩厚50 m左右，在苏北黄桥N4井为75 m（李海滨，2013），均可以达到工业性气藏的厚度要求，但其他地区由于缺少相关资料，目前尚不能确定其厚度分布情况。同样，其顶部埋深分布总体也是呈现向南东方向加深的趋势。由于该区大部分地区黑色页岩出露较少，采用区域地质调查报告资料和煤炭钻井资料得到的地层厚度对该区域埋深厚度作图，得到了该套黑色页岩的空间分布。结果表明，下扬子地区志留系的埋深从最浅的1000 m左右到埋深超过5000 m都有分布，埋深最大的的位置位于浙西皖南一带，即早古生代前陆盆地的沉降中心位置（图7）。其埋深分布由于受到了后期构造运动的影响，与早古生代晚期前陆盆地的充填又有一定的差异性，这说明后期的构造运动部分的改变了该期前陆盆地的结构，使得其地层空间分布相应的有所改变。

图4　下扬子地区早古生代前陆盆地示意图Fig.4 Diagram illustrating the architecture of lower Yangtze foreland basin during early Paleozoic

图5　下扬子地区早志留世古地理与沉积相（据刘宝珺等，1994修改）Fig.5 Inferred Paleogeography and sedimentary facies of Lower Yangtze area during early Silurian

3　烃源岩特征

高的TOC含量是生成大规模页岩气的非常有利的条件，在页岩气评价标准中下限一般为0.5%，一般要大于1%（Jarvie et al.,2007）。TOC的含量还会大大影响吸附气的含量，两者之间存在一个比较好的正相关关系（Ji et al.,2012; Mastalerz et al.,2013; Zhang et al.,2012）。对于像Marcellus页岩这种以热成因的页岩气藏，足够高的成熟度是页岩气成藏的必要条件。此外，开发页岩气藏时，应当寻找能够通过压裂产生大量裂缝的岩层，这就要求目的层中含有足够量的脆性矿物，比如石英、长石和方解石等。

3.1基本有机地球化学指标

（1）Marcellus页岩

图6　阿巴拉契亚盆地Marcellus页岩顶部埋深等厚图（据Milici and Swezey，2006修改）Fig.6 Isopach map of the top of Marcellus shale

图7　下扬子地区志留系埋深等值线图（黑点表示煤炭钻井所在的位置）Fig.7　Inferred burial depth isogram map of the top of Gaojiabian Formation black shale (Black dots denote the coal wells)

Marcellus页岩形成于中泥盆世前陆盆地有机物沉积的重要时期，TOC重量百分比一般为3%～10%，最高可达20%以上，钻井岩心样品TOC含量平均大于5%（Wang and Carr，2013）。其镜质体反射率（Ro）一般为1.5%～3%，自西向东逐渐增大，成熟度最高地区为宾夕法尼亚州东北部和纽约州东南部。总体来说，在盆地的绝大部分地区有机质都处于高成熟和过成熟阶段，其天然气基本都是热成因气。

（2）高家边组黑色页岩

一般认为该套页岩的有机质含量不是很高，但是马力等（2004）认为，TOC平均含量很低的原因在于使用了过高的烃源岩的厚度，应当只计算高家边组下部大约35～80 m黑色页岩的TOC，采用上述方法得到的平均TOC含量在1.1%～1.51%之间。皖南D井的结果显示，其TOC含量介于1.05%～2.6%，平均值为2.01%；苏北地区N4井结果表明TOC含量为1.59%～2.67%（黄保家等，2013）。总的来说，部分地区TOC含量还是达到了优质烃源岩的标准，但是目前可以获得的资料和样品较少、分布不均，还需要进一步的工作予以验证。高家边组下部这套烃源岩热演化程度较高，绝大部分地区都达到了过成熟阶段，一般分布在1.5%～2.5%之间，宣城—无锡地区普遍大于2.0%，导致该区成熟度高的原因除了埋藏作用外，还可能与岩石圈埋藏浅、地温梯度高有关（李海滨，2013）。

3.2矿物组成

（1）Marcellus页岩

Marcellus页岩层中主要组成矿物有石英，长石，云母，粘土矿物，硫化物，有机质和少部分的碳酸盐岩，磷酸盐等。位于18口井中的195个样品XRD分析结果发现，Marcellus页岩中最富集的矿物是石英和伊利石，分别占总体积的35%和25%。粘土矿物在页岩中的含量平均可以达到60%，但是Marcellus页岩中的裂缝仍然非常的发育（Wang and Carr,2013; Wilkins et al.,2014）。

（2）高家边组黑色页岩

下扬子地区高家边组底部这套黑色富有机质页岩矿物成分主要为石英和粘土。通过XRD方法研究扬子区烃源岩的矿物组成的结果发现，下志留统样品粘土矿物含量较高，一般在50%以上，其中绿泥石丰富，平均值达24.9%；石英含量较低，分布于12.97%～68.06%，平均值29.04%（陈吉等，2013）。黄保家等（2013）的研究还发现方解石含量变化大，变化范围可达0～20%，平均值为3.9%，其中石英的含量一般在34.2%～55.1%之间，平均含量为37.3%。

4　分析与讨论

对比研究发现，两套地层存在着很大的相似性，但也有一定的差异性。两套地层都发育在相似的构造古地理环境，两者都发育在前陆盆地形成的前期快速沉降的缺氧环境，这是非常有利于有机质保存形成黑色页岩的环境。不同的是下扬子地区的上升洋流破坏了这种稳定的环境，使得高家边组这套黑色页岩沉积时间短，厚度分布不均。两套地层的矿物组成和有机地球化学特征也比较类似，都具有较高的脆性矿物含量。尽管Marcellus页岩很多地区粘土矿物含量达到了60%，但是其仍具有高产的特征，这说明脆性矿物的含量对生产起到了重要的作用。Marcellus页岩的有机质含量明显更高，且分布稳定，而高家边组底部黑色页岩有机质含量偏低，但在部分地区也还是达到了优质烃源岩的标准。两套地层都达到了高成熟的演化阶段，在很多地区达到了过成熟阶段。程鹏和肖贤明于2013年研究发现，很高成熟度的页岩并不会影响其产气性，富有机质页岩即使演化到很高成熟度阶段仍会保持一定的孔隙度，其比表面积与纳米孔隙度还会一直增加（一直到Ro=3.5%～4.0%），这也可能是Marcellus页岩高产的一个原因。由此看来，下扬子地区烃源岩高的成熟度并不是影响该区页岩气潜力的阻碍。两套地层的空间分布情况类似，整体都是楔形分布。相对与下扬子地区来说，Marcellus页岩的埋深适中，勘探的成本较低，高家边组这套地层埋深很大，只有在局部地区埋深适中，勘探的风险较大。从两者空间分布也可以看出，高家边组黑色页岩受到后期改造的影响更为强烈。据Engelder等（2009）研究，Marcellus页岩受到的后期改造作用主要来自于二叠纪的顺层缩短作用，而高家边组黑色页岩受到的改造更加强烈而且复杂，在不同地区表现为不同的特征（张涛等，2013）。综上所述，该套烃源岩的保存条件相对与Marcellus页岩来说较差，在受到后期改造相对较弱的江阴无锡滑脱褶皱带地区可能保存条件较好。

5　结论

（1）Marcellus页岩和高家边组黑色页岩都是在前陆盆地早期闭塞缺氧的静海环境下发育形成，它们的分布都受到前陆盆地形成时和后期改造作用的共同影响。两套地层具有相似的地球化学特征和矿物组成，都达到高成熟的阶段，脆性矿物含量适中，这些特征有利于形成页岩气藏。

（2）Marcellus页岩的TOC含量要高于高家边组页岩，其含量一般在4%左右，而高家边组黑色页岩一般为1%～2%，生烃潜力较小。Marcellus页岩的埋深相对更浅，更利于页岩气的开发。而高家边组黑色页岩这套地层埋深变化较大，只有在部分地区埋深适中，勘探风险相对较大。

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Geological Comparisonof Silurian Gaojiabian Formationof Lower Yangtze Areaand Middle Devonian Marcellus Formationin the Appalachian Basinin North America

ZHANG Tao1,YIN Hongwei2*,JIA Dong2,DING Hai3
1.Shenyang Center of Geological Survey,CGS,Shenyang 110034,China；2.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing,210023,China；3.Exploration Research Institure,Anhui Provincial Bureau of Coal Geology,Hefei 230088,China

Abstract:Based on paleogeography and tectonic settings,strata spatial distribution characteristics,basic geochemistry indexes and mineral composition,we compared lower part of Lower Silurian Gaojiabian Formation of Lower Yangtze area and middle Devonian Marcellus Formation in the Appalachian basin.The results show that the two sets of shales shared similar paleogeography and tectonic settings,both accumulated in tranquil anoxic basinal waters and their euxinic depositional site allowed the preservation of the finely organic detritus.The stratigraphy and thickness trends of both formations reflect the interplay of tectonism during the formation time and the later stage.These events shaped the stratigraphic architecture of both formations and can impact the exploration and production strategies of shale gas.Both formations are considered to be good source rocks for the exploration of shale gas and they both have highbook=153,ebook=156thermal maturity and contain relatively high total organic carbon (TOC) content,as well as large amount of brittle minerals.Compared with Marcellus shale,Gaojiabian Formation contains less TOC content,has a deeper burial depth burial depth and has been reworked by multicycle tectonism,which bring higher risks for the exploration of shale gas.

Key words:Lower Yangtze area; Lower Silurian; Appalachian basin; Marcellus shale; shale gas

Corresponding author:YIN Hongwei,Professor; E-mail: hwyin@nju.edu.cn

*通讯作者：尹宏伟，男，1971年生，教授，从事含油气盆地构造与沉积特征的研究与教学工作; E-mail: hwyin@nju.edu.cn

作者简介：张涛，男，1989年生，工程师，主要从事含油气盆地构造研究; E-mail: taozhng@qq.com

基金项目：江苏省科技支撑计划项目（BE2013115）;中国地质调查局项目（12120115001301）；国家重点基础研究发展计划项目（2012CB214703）联合资助

收稿日期：2015-10-25；修回日期：2016-01-07

DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015219

中图分类号：P618.13

文献标识码：A

文章编号：1006-7493（2016）01-0152-07