黔北地区牛蹄塘组页岩矿物组成特征与脆性评价

叶亚培 ，唐书恒 ，郗兆栋 ，张耀选

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083；2.海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京100083；3.非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室，北京100083；4.新疆维吾尔自治区地质勘查基金项目管理中心，乌鲁木齐830002）

0 引言

南方扬子板块下寒武统牛蹄塘组海相页岩有机质丰度和热演化程度均较高，沉积厚度大，分布面积广［1］，页岩气资源潜力巨大，是中国南方页岩气勘探开发的一个重点潜力层系。近年来，南方多省均实施了页岩气钻探工程。目前，郗兆栋等［2-3］、闫建平等［4］、程俊等［5］、孟凡洋等［6］在页岩的有机质成熟度、储层特征和有机地球化学特征等方面的研究较多，由于页岩由微米级—纳米级矿物组成［7］，受分析测试手段的限制，对页岩矿物组成特征、成因识别的微观研究比较欠缺。页岩脆性评价对页岩气的勘探开发具有十分重要的意义［8］，目前常用的方法有矿物组分法和弹性参数法，但这2种方法均存在一定的局限性。页岩储层中的脆性矿物是控制页岩裂缝发育程度的主要内在因素［9-10］，矿物组成法通过脆性矿物含量来计算页岩矿物脆性指数。由于矿物的物理特性、赋存状态、产出形式不同，所以不同种类的矿物或者成因不同的同一种矿物对页岩脆性贡献不同。刁海燕［11］、赵佩等［12］、李钜源［13］在研究不同区域时对脆性矿物的判定不同，因此，对页岩矿物组成特征的微观研究具有重要意义。

通过对样品进行光学显微镜薄片鉴定，研究岩石的岩性、结构和宏观矿物组成特征；通过扫描电镜—能谱分析，研究各类矿物的形态特征、成因、产出情况与赋存状态，并结合能谱仪、元素扫描分析仪和阴极发光特征来确定矿物种类；通过X射线衍射全岩矿物定量分析和X射线衍射黏土矿物定量分析，确定各类矿物含量；根据三轴压缩实验测得的岩石物理参数，分析矿物含量与弹性模量、泊松比之间的关系，确定脆性矿物种类，以期为判断页岩脆性优劣提供依据。

1 样品采集及测试

黔北地区构造上属于扬子地块，与华北地块和华南造山带相邻［14］（图1）。早寒武世早期，随着全球海平面的上升，黔北地区出现了大规模的海侵。受南东方向上升洋流的影响，水体自南东向北西逐渐变浅［15］，黔北地区沉积环境自南东向北西由深水陆棚向浅水陆棚过渡［16］。本次研究的样品来源于贵州省遵义市凤冈县境内的XY1井［17］，该井自上而下揭示的地层依次为下寒武统牛蹄塘组、上震旦统灯影组和明心寺组。根据XY1井牛蹄塘组岩性和有机质含量的不同，将牛蹄塘组分为上、下2段。上段井深为1 920.10～1 996.45 m，岩性主要为粉砂质泥页岩，有机质含量低；下段井深为1 996.45～2 031.15 m，岩性主要为黑色硅质页岩，有机质含量高。在牛蹄塘组共取80个样品，其中上段48个，下段32个，取样密度均匀。测试总有机碳（TOC）含量等6个项目160次（表1）。

图1 研究区位置（据文献［17］修改）Fig.1 Location of the study area

表1 XY1井牛蹄塘组页岩样品实验信息Table 1 Experimental data of shale samples of Niutitang Formation in well XY1

2 矿物特征与成因类型

总体来看，黔北地区牛蹄塘组海相页岩的主要矿物有石英、黏土矿物、碳酸盐矿物和少量长石、黄铁矿等，其中黏土矿物以伊利石为主（图2）。垂向上，由底部至顶部，石英含量减少，黏土矿物含量增大，碳酸盐矿物含量减少，黄铁矿含量明显减少。按矿物的形成阶段，可以将这些矿物分为陆源碎屑矿物、自生矿物和后生矿物3类（表2）［18］。同一样品中，一种矿物存在多种成因类型。

图2 XY1井牛蹄塘组岩性剖面、TOC含量与矿物组成Fig.2 Lithologic section，TOC content and mineral compositions of Niutitang Formation in well XY1

表2 牛蹄塘组页岩矿物的成因类型与矿物名称（据文献［18］修改）Table 2 Mineral origin types and names of Niutitang Formation shale

2.1 石英

研究区页岩样品石英的体积分数为33.2%～62.5%。根据扫描电镜下石英颗粒的大小、形态、产出状态和阴极发光特征，将石英分为陆源碎屑石英和自生石英两大类。

陆源碎屑石英的粒径变化范围大，通常为5～25 μm，体积分数约为10%～40%。石英碎屑在泥质中呈“漂浮状”分布［图 3（a）—（c）］，粒径较其他矿物大，形态不规则，轮廓清晰，石英颗粒散落在页岩基质中。部分陆源碎屑石英内部发育孔隙，孔隙多呈圆形，孤立状，数量有限，这种孤立的孔隙可能是抛光过程中包裹体掉落形成的。在扫描电镜阴极发光视域下，陆源碎屑石英具有强—中强发光特征［图3（b）］，呈棱角状—次棱角状，边缘平直，常见次生加大边［图 3（d），（e）］。

镜下观察到自生石英主要有3种赋存方式：石英次生加大、石英雏晶和石英脉，在阴极发光视域下均表现为弱发光或不发光［图3（e）］，具体表现为：

（1）生物成因的石英常以集合体形式出现，表现为石英雏晶的赋存方式，自然断面上可观察到同一微区集合体中石英雏晶的粒径大小和晶型发育程度较一致［图3（f）］，不同微区内晶型发育程度不一，有自形晶、半自形晶或雏晶；抛光面上表现为团簇状、圆球状、带棱似球状［图3（g）］，表面相对光滑细腻，粒径大小为1～3 μm。这种类型的石英分布在由硅质生物碎屑转变形成的晶体石英集合体之间，因此推测为硅质生物骨骼的溶解又重结晶而形成，其常与有机质（主要是沥青质体）交互共生。据XY1井TOC检测结果可知，牛蹄塘组下段富含有机质，且在光学显微镜下可见海绵骨针以及由硅藻堆积而成的平行燧石条带［图3（h）］，硅质呈显微隐晶—微晶，体积分数为55%，这为生物成因的硅质来源提供了证据。

图3 XY1井牛蹄塘组石英的赋存形态与特征Fig.3 Occurrence and characteristics of quartz of Niutitang Formation in well XY1

（2）石英脉是自生石英的典型代表，是热液活动的产物［19］。其宽度小于1 mm，延伸长度短但密度较大［图3（i）］。镜下发现研究样品中发育钡解石，Ba元素来源于海底火山或热液喷流沉积［20］，说明研究区内发生过热液活动。

2.2 黏土矿物

研究区页岩样品中黏土矿物含量变化范围大，其体积分数为8.7%～47.1%，具有粒度小、分布广、成因多变的特征。研究层段黏土矿物以伊利石为主，占比为45%～100%，说明其成岩程度高；其次为绿泥石，其体积分数为5.4%～31.0%。镜下观察到黏土矿物与有机质吸附形成的“有机黏土复合体”［图4（a）］，有机质不仅吸附于黏土矿物的表面，还大量进入到黏土矿物层间，比外层吸附的有机质更容易得到保护，有机质孔不易遭到破坏，因此，黏土矿物的内部层间域是有机质储存的重要场所［21］。

伊利石为页岩样品内主要的黏土矿物，可分为陆源碎屑和自生成因 2种。碎屑伊利石呈薄片状，扫描电镜下表现为多个薄片定向叠置［图4（b）］，平行层理沉积，这是碎屑伊利石的重要标志。自生伊利石的主要标志是单体小，呈纤维状，局部集中出现，呈不定向排列，充填在页岩孔缝之中［图3（g）］。绿泥石呈片状或薄板状，边缘不平直，形状不规则，晶体少见，其集合体呈团窝状、鳞片状［图4（c）］。根据扫描电镜观察和能谱分析结果（表3），发现存在由长石蚀变形成的次生绿泥石［图4（d）］，还可见与云母相伴生的绿泥石［图4（e）］，推测为云母片受热液蚀变而形成的次生矿物。

表3 XY1井牛蹄塘组黏土矿物能谱分析结果Table 3 Energy spectrum analysis of clay minerals of Niutitang Formation in well XY1

2.3 黄铁矿

研究区页岩样品中黄铁矿体积分数为1.3%～12.3%，平均为6.4%。黄铁矿以单体或者集合体的形式存在。黄铁矿单晶形状多为五角十二面体、八面体，少数为立方体［图5（a）］；集合体形状主要为草莓状［图 5（b），（c）］。

研究层段内黄铁矿类型主要为草莓状黄铁矿，泥页岩中的草莓状黄铁矿往往被认为是生物成因［22］，此类黄铁矿与有机质共生关系密切，有的包裹有机质［图5（d）］，有的从有机质中析出。镜下还观察到黄铁矿与硅质共生，这可能是与两者的生物成因有关［图 5（e）］。根据 Brantley 等［23］的研究，草莓状黄铁矿形成于早期同沉积阶段的浅层压实条件，其微晶体堆积不紧密，发育的内部晶间孔和微晶间有机质纳米孔可以为页岩气提供一定的赋存空间［24］［图 5（f）］。

2.4 碳酸盐矿物

研究区页岩样品中碳酸盐矿物含量变化范围大，其体积分数为0～30.4%，方解石的体积分数为0.9%～9.9%，晶面较为平整，较大晶粒上多见阶梯状、贝壳状断口［图6（a）］。白云石体积分数为2.1%～28.0%，晶体呈菱形、方形，富集时形成薄膜、条带或微层。根据形成时期的不同，研究层段内的碳酸盐矿物可分为2种：成岩期后形成的碳酸盐胶结物［图 6（b），（c）］属后生矿物，充填于页岩孔缝之中，与其他矿物黏结成片，为化学沉积成因；成岩期形成的碳酸盐晶粒，自形程度高，晶粒大小为10～50 μm，发育内部溶蚀孔［图 6（d）］。

图6 XY1井牛蹄塘组碳酸盐矿物、热液矿物微观特征Fig.6 Microscopic characteristics of carbonate minerals and hydrothermal minerals of Niutitang Formation in well XY1

2.5 长石、云母

研究区页岩样品中长石体积分数为8.8%～23.2%，其中钾长石体积分数为0～3.7%；斜长石体积分数为5.1%～19.7%，以钠长石较为常见［图3（a）］，粒径小于0.03 mm。在氩离子抛光面上，钠长石的灰度、粒径大小和颗粒形态与陆源碎屑石英难以区分，但可通过阴极发光特征和元素扫描分析来确定。钠长石阴极发光特征为微弱—不发光，由于遭受溶蚀其边缘呈无定形状态，根据钠长石的颗粒大小和形态确定其来源于陆源碎屑。碎屑长石有不同程度的溶蚀与交代，轻度蚀变者，依然保留母体晶体样貌，蚀变严重的则完全被交代。扫描电镜下可见由长石蚀变形成的次生绿泥石［图4（d）］。

云母含量很少，为不稳定矿物。抛光面上偶见拉长条状或片层状，大多已发生溶蚀和蚀变。

2.6 热液矿物

根据梁钰等［25］的研究成果，研究区内发生过热液活动，热液中常含有丰富的 P，Ba，Zn，Fe，Mo 等元素，从而形成了热液矿物，如钡解石、磷灰石、闪锌矿和重晶石等。

钡解石属单斜晶系，是方解石型与文石型结构间的过渡结构，常与重晶石共生。扫描电镜下可观察到环绕于长石类矿物边缘的镶边状钡解石［图6（e）］。

氩离子抛光面上偶见磷灰石［图6（f）］，无定形，粒径小于10 μm，与有机质共生，可能是因为磷灰石的形成与藻类微生物及其有机质的关系非常密切［26］。梁钰等［25］研究认为热液活动为牛蹄塘组黑色页岩提供了必要的物质基础和保存条件，为形成富有机质烃源岩带来了良好条件。

3 矿物特征对页岩脆性的影响

脆性好的页岩有利于后期人工压裂，能有效提高页岩气的产能，因此，开展页岩的脆性评价研究意义重大，目前应用较为广泛的是矿物组分法和弹性参数法。

矿物组成法是通过脆性矿物含量来计算页岩矿物脆性指数，从而确定岩石脆度。该种评价方法存在一定的局限性，不同的研究区对脆性矿物的判定不同，会导致评价结果存在较大差别。除此之外，岩石脆性也受到其他参数的影响，如孔隙度、岩石粒度、胶结度、围压等，所以具有相同矿物组成的岩石可具有不同脆性特征。

弹性参数法能在一定程度上反映弹性参数与脆性在物理内涵上的联系，目前利用最广泛的计算公式为

式中：BI为岩石脆性指数；E为岩石的弹性模量，GPa；ν为岩石泊松比；EBI，νBI分别为归一化后的弹性模量和泊松比；Emax，Emin分别为统计范围内岩石弹性模量的最大值、最小值；νmax，νmin分别为统计范围内岩石泊松比的最大值和最小值。

式（1）中归一化后的弹性模量和泊松比各占权重0.5，即认为二者对岩石脆性的影响程度相同，并无理论依据支撑，存在一定的局限性［27］。因此，本文提出基于岩石物理与矿物组成的页岩脆性评价新方法。Rickman等［28］基于Barnett页岩勘探开发的实践经验，认为弹性模量越高，泊松比越低，页岩脆性越好。首先利用样品的矿物组分和三轴力学测试结果，分析石英、长石、黄铁矿和碳酸盐矿物含量与岩石物理参数（弹性模量、泊松比）之间的关系，若矿物的含量与反映脆性特征的岩石物理参数变化趋势一致，且相关性较好，则对页岩脆性为积极贡献，被认定为脆性矿物；再计算脆性矿物含量。该方法将矿物组分法和弹性参数法相结合，既能反映弹性参数与脆性在物理内涵上的联系，又能利用矿物组分定量地评价岩石脆性特征，直观又容易理解，同时结合扫描电镜下观察到的矿物特征，为脆性矿物的判定提供了微观依据。

分析发现，牛蹄塘组页岩上段样品的石英含量与弹性模量和泊松比相关性弱；下段样品的石英含量与弹性模量呈明显的正相关关系，与泊松比呈明显的负相关关系［图 7（a），（b）］。上段样品的弹性模量为25.0～28.5 GPa，平均为27.7 GPa；泊松比为0.25～0.30，平均为0.27。下段样品的弹性模量为27.1～32 GPa，平均为30.1 GPa；泊松比为 0.20～0.28，平均为0.24。与上段相比，牛蹄塘组下段弹性模量更高，泊松比更低，脆性特征更好。这主要是因为上段地层中的石英含量较低，平均体积分数为37.5%，而且以陆源碎屑石英为主。陆源碎屑石英在基质中呈“漂浮状”分布，与周围其他矿物紧密接触，一般呈单体形态产出，失去了骨架颗粒的支撑作用，导致其脆性特征相对较差。在牛蹄塘组下段石英含量较高且主要为生物成因，生物成因的石英充填于孔隙之中，与其他矿物黏结成片，起到良好的胶结作用，导致页岩更易产生裂缝，易发生形变。

黄铁矿属于脆性矿物，随着黄铁矿含量增加，弹性模量增加，泊松比减小［图 7（c），（d）］。这可能与黄铁矿的力学性质和粒径大小有关。我国页岩气储层评价标准的页岩脆性为 E＞30 GPa，ν＜ 0.25［29］，黄铁矿的力学参数 E=286.8 GPa，ν=0.16［30］，对岩石脆性为积极贡献。草莓状黄铁矿是主要的黄铁矿类型，其粒径明显较页岩内其他矿物大（图5）。Yilmaz等［31］认为，在矿物组成相似的情况下，较大粒径的岩石更容易断裂并遭受破坏，表现出的脆性更强。此外，黄铁矿属于成岩阶段的自生矿物，常充填于页岩孔缝之中［图5（c）］，与周围其他矿物接触不紧密［图5（b）］，所以接触位置存在明显的力学性质差异，这部分微弱的接触面为页岩提供了更大的断裂可能性和裂缝扩展的能力。同时秦晓艳等［32］认为含有适量黄铁矿的页岩在压裂过程中能够形成复杂的裂缝体系，对压裂增产有积极响应。

碳酸盐矿物对于页岩的脆性同样为积极贡献［图 7（e），（f）］。碳酸盐不论是以颗粒还是胶结物的形式存在，常以连片状、薄层状产出，与其他矿物黏结成片，有利于造缝，而长石含量与力学参数无相关关系［图 7（g），（h）］。

综上所述，研究层段的脆性矿物为石英、黄铁矿和碳酸盐矿物，经计算脆性矿物体积分数为41.7%～82.3%。美国成功开发的Woodford页岩和Barnett页岩［33］脆性矿物体积分数大于40%，对比得知研究区页岩的脆性特征符合商业开发要求。根据X射线衍射矿物定量分析结果，牛蹄塘组上段石英体积分数为33.2%～40.2%，平均为37.5%；黄铁矿体积分数为1.3%～8.6%，平均为3.4%；碳酸盐矿物体积分数为0～17.5%，平均为5.6%。牛蹄塘组下段石英体积分数为43.2%～62.5%，平均50.6%；黄铁矿体积分数为7.8%～12.3%，平均为9.5%；碳酸盐矿物体积分数为5%～30.4%，平均为11.6%。牛蹄塘组上段脆性矿物体积分数为41.7%～59.8%，平均为46.5%；牛蹄塘组下段脆性矿物体积分数为62.4%～82.3%，平均为71.7%。可见牛蹄塘组下段页岩脆性要好于上段。

图7 XY1井牛蹄塘组试样岩石物理参数与矿物组成含量的关系Fig.7 Relationship between petrophysical parameters and mineral contents of shale samples of Niutitang Formation in well XY1

页岩脆性受多种因素影响，本文讨论的是页岩矿物特征对脆性的影响，而页岩矿物特征又受沉积环境的影响，因此认为牛蹄塘组上下段不同的沉积环境通过控制页岩矿物组成而间接地对岩石脆性产生影响。李进［34］通过矿物组分、岩石学、沉积构造以及有机地球化学特征分析，认为黔北地区牛蹄塘组上段沉积时期为好氧的浅水陆棚沉积环境；下段沉积时期为少氧的深水陆棚沉积环境，具备富有机质页岩形成的良好沉积条件。因此，牛蹄塘组上段地层表现为陆源碎屑石英含量高，黄铁矿含量低；下段地层表现为生物成因石英含量高，黄铁矿含量高，岩石脆性较上段好。

4 结论

（1）黔北地区牛蹄塘组页岩组成矿物为石英、黄铁矿、碳酸盐矿物、黏土矿物、长石、云母和少量热液矿物。石英体积分数高达62.5%，成因主要为陆源碎屑石英和自生石英。碎屑石英在泥质中呈“漂浮状”分布，而自生石英主要有3种赋存方式：石英次生加大、石英雏晶和石英脉。牛蹄塘组页岩中的自生石英以生物成因为主，常以石英雏晶集合体的形式出现。与牛蹄塘组上段相比，牛蹄塘组下段含有较多的生物成因石英。

（2）提出了一种基于岩石物理与矿物组成的页岩脆性评价新方法。矿物（石英、长石、黄铁矿和碳酸盐矿物）含量与岩石物理参数相关性显示，黔北地区牛蹄塘组脆性矿物为石英、黄铁矿和碳酸盐矿物，脆性矿物体积分数为41.7%～82.3%。牛蹄塘组上段脆性矿物体积分数平均为46.5%；牛蹄塘组下段脆性矿物体积分数平均为71.7%。沉积环境是造成牛蹄塘组上、下段页岩脆性差异的原因之一。