富有机质页岩中石英的成因及对储层品质的指示意义——以四川盆地东南部及周缘龙马溪组龙一1 亚段为例

郭 雯 董大忠 李 明 孙莎莎 管全中 张素荣

1.中国石油勘探开发研究院 2.国家能源页岩气研发（实验）中心 3.成都理工大学

0 引言

下志留统龙马溪组是四川盆地页岩气勘探开发的重点层系[1-2]。龙马溪组页岩中石英所占比例非常大，通常超过30%[3-4]。石英含量与总有机碳含量（TOC）存在着一定的相关关系，并且作为页岩中最重要的脆性矿物，石英含量成为影响页岩气储层可压裂性的关键性因素[5-8]。页岩中石英的成因一直以来都是一个很重要的研究课题，硅质的供给除了陆源搬运的风化产物外，成岩时自生的石英常常占据很大一部分，来源于生物硅质的转化、黏土矿物的转化、硅质矿物（石英和长石）的压溶、热液硅质的输入以及火山灰的转化等[9-11]。随着研究的深入，学者们在美国的Barnett 页岩、Eagle Ford 页岩、Woodford 页岩、Marcellus 页岩，挪威海和北海的晚白垩世页岩以及中国的五峰组—龙马溪组页岩、牛蹄塘组页岩中都发现自生石英的主要来源为硅质生物骨骼的溶解再沉淀和黏土矿物转化时释放出硅质形成的胶结物[12-18]。 研究者们对储层中大量发育的硅质古生物碎屑（放射虫、海绵骨针、硅藻等），以及对蛋白石演化的研究，证实了生物成因石英的来源[19-20]；以成岩作用为背景，对蒙脱石向伊利石转化作用的研究也为黏土矿物转化成因的石英提供了依据[21]。生物成因石英含量与总有机碳含量、孔隙度以及含气性都有一定的正相关，这与其形成时期以及生物体对其结构构造的影响有关。黏土矿物转化形成的石英受黏土矿物含量以及转化条件的控制，影响储层的密度与硬度[16-18]。虽然关于页岩中石英成因的研究已逐渐深入，但对于石英的显微形貌描述、成因类型划分以及定量表征仍然缺乏统一的认识，对于不同类型石英在剖面与平面上的变化特征及其对页岩气储层品质影响的分析也较少。

龙马溪组的优质页岩气储层主要分布于该地层的底部，随着研究的深入，逐渐锁定于龙一1 亚段，而龙一1 亚段各小层的储层品质也不尽相同，横向和纵向非均质性非常强，需要进行更精细的优质储层分布特征的研究[22-24]。因此，笔者选取四川盆地东南部及周缘页岩气富集带上的5 个地区野外露头剖面龙一1 亚段页岩样品，进行X 射线衍射分析、扫描电镜观察、能谱分析、阴极发光分析以及主微量元素测试分析，进行矿物组成分析与显微形貌观察，结合地球化学分析数据，厘清石英的硅质来源，定量表征不同成因石英的占比及变化，探讨了其对页岩气储层品质的指示意义，以期为龙马溪组页岩及具有相似沉积背景的其他页岩气储层的物性与含油气性评价提供岩石学依据。

1 区域地质背景

四川盆地东南部及周缘位于川南中低缓构造带和川东高陡构造区，受多期构造运动的影响，具有早期沉降、晚期隆升，沉降期长、隆升期短的特点[25]。龙马溪组富有机质页岩形成于闭塞、半闭塞滞留海盆环境，为一套深水陆棚沉积。笔者本次研究的区域主要位于硅质页岩相中，选取武隆黄莺、武隆江口、石柱漆辽、彭水鹿角和华蓥山三百梯地区的5 条典型野外剖面（图1）。

2 样品与分析方法

笔者本次研究的样品取自5 条剖面龙马溪组底部龙一1 亚段，武隆黄莺、武隆江口、石柱漆辽、彭水鹿角和华蓥山三百梯剖面龙一1 亚段出露厚度分别为20.43 m、23.27 m、13.75 m、18.72 m、15.44 m，分别取样10 件、11 件、4 件、7 件、5 件，共37 件。对每个样品都进行了光学显微镜、扫描电镜、扫描电镜阴极发光观察和能谱分析，全岩与黏土矿物含量分析以及主量、微量与稀土元素含量的测定。

光学显微镜观察采用Leica4500P 高精度显微镜。扫描电镜观察采用Nova NanoSEM 450 场发射扫描电镜，内置Oxford X—Max 80 能谱仪与Gatan Mono CL4 阴极发光光谱仪，背散射探头的工作条件为：电压为15 kV，光斑尺寸为5.5 nm，工作距离为5.0 ～6.5 mm；阴极发光探头的工作条件为：电压为10 kV，光斑尺寸为6.0 nm，工作距离为13.9 mm。全岩与黏土矿物含量分析运用X 射线衍射分析，样品磨至小于200 目的粉末，主量元素分析采用X 射线荧光光谱仪，微量元素与稀土元素分析采用高分辨等离子体质谱仪，样品磨至200 目。

3 实验结果分析

3.1 石英成因

图1 四川盆地及邻区龙马溪组早期沉积相与地层柱状图

5 条剖面龙一1 亚段的页岩样品长英质矿物均占主体部分，平均含量介于40%～60%，碳酸盐矿物含量较少；武隆黄莺、石柱漆辽和彭水鹿角剖面向上石英含量减少，黏土矿物含量增加，武隆江口和华蓥山三百梯剖面则呈现旋回性的波动变化；黏土矿物中伊利石矿物占主导，部分样品含有较多的绿泥石矿物，伊/蒙混层含量较少，变化不大。大部分样品为硅质岩和硅质页岩，仅1 件样品为黏土质—硅质混合页岩、2 件样品为钙质—硅质混合页岩、1 件样品为黏土质—钙质混合页岩、1 件样品为黏土岩（图2）。武隆黄莺剖面、石柱漆辽剖面、华蓥山三百梯剖面、武隆江口剖面下部的硅质页岩中的石英、长石等碎屑颗粒粒径较小，许多细小的石英颗粒（1 ～3 μm）组成石英集合体，黏土矿物以伊利石为主（图3-a）；彭水鹿角剖面、武隆江口剖面上部的硅质页岩，碎屑颗粒的粒径则明显较大，多介于10 ～20 μm，黏土矿物中绿泥石含量较高（20%～50%），（图3-b）。

3.1.1 石英成因类型

图2 龙一1 亚段页岩岩相分类图

图3 龙一1 亚段页岩扫描电镜下岩石学特征照片

页岩中的石英可以分为陆源石英和成岩时形成的自生石英，通过石英的形态及阴极发光特征等可以进行区分。陆源石英的阴极发光特征表现为强发光，自生石英的阴极发光特征表现为弱发光—不发光。自生石英又可以根据其显微形貌的差异以及周围的矿物等细分为不同类型的自生石英（图3），并结合能谱分析的结果进行验证[26-28]。5 条剖面的龙一1 亚段页岩中可识别出4 类石英：第一类石英为陆源碎屑石英，此类石英粒径较大，通常可达到粉砂级别（5 ～20 μm），表面可见搬运时留下的痕迹（图3）；在阴极发光图像中表现为强发光（图4-a、b），能谱中显示较纯粹的SiO2成分（图4-c）。第二类石英以微晶（1～3 μm）及集合体（图4-d），或可达粉晶级大小（10 ～20 μm）的形式出现，阴极发光照射下发光微弱—不发光（图4-d、e），显示其自生成因，此类石英在镜下最为常见，并且在硅质含量多的样品中极为发育，能谱中的SiO2成分较纯粹（图4-f）。第三类石英表现为陆源石英的次生加大部分，只能在阴极发光图像中识别，此类石英发育较少，在阴极发光图像中显示为里面的陆源石英部分发强光，外围的次生加大部分不发光，显示其自生成因（图4-g、h），能谱中含有少量的Al 元素和K 元素，推测其成因与黏土矿物有关（图4-i）。第四类石英表现为嵌于黏土基质中的微米级颗粒，大小介于1 ～3 μm，表现为孤立的颗粒或短链状等（图4-j、k），阴极发光照射下发光微弱—不发光，显示其自生成因，这类石英通常分布于伊利石矿物的周围或嵌于其中，并且能谱中含有Al 元素和K 元素，推测其成因与黏土矿物有关（图4-l）。

3.1.2 石英成因机制与硅质来源

第一类陆源碎屑石英是母岩风化的产物，通过风、河流或冰川等搬运至盆地中，呈圆形—次圆形，或棱角状，颗粒表面会留下搬运的痕迹[9]。陆源石英粒径较大，通常介于5 ～20 μm，在阴极发光下强发光。通过对样品的阴极发光图像观察，发现大多数的石英显示弱发光或不发光的特征，表明龙一1 亚段页岩石英含量中自生石英占主体。同时结合主微量元素分析[29]：岩石中的Zr 和TiO2与重矿物有关，可以作为衡量粉砂级陆源碎屑输入的指标。5 条剖面中武隆黄莺剖面的SiO2与Zr 和TiO2成正相关关系，但是相关系数非常小，表明陆源来源并非是剖面中石英的主要来源；其他4 个剖面的SiO2与Zr 和TiO2都成负相关关系，并且具有较大的负相关系数，表明自生石英占据更大的比重（图5）。

自生石英主要来自于生物硅质转化、黏土矿物转化以及热液硅质输入等。Al—Fe—Mn 图解一般用于表征燧石的形成环境[30]，5 条剖面所有的样品都落在了非热液成因的范围里，说明研究区龙一1 亚段石英的热液硅来源是可以被排除的（图6）。

五峰组—龙马溪组含有丰富的硅质微体生物化石，包括放射虫、海绵骨针等，为生物硅质的存在提供依据[6]，其内部多被石英充填，呈同心环状或放射状生长。在扫描电镜图像中，第二类石英是最多的石英类型，为生物成因石英，其微晶石英颗粒的大小与形状和蛋白石球粒相似[16]，粗晶石英颗粒为硅质浮游生物的重结晶[20]。在成岩作用早期，埋藏的硅质生物发生溶解，形成蛋白石—A，然后转化为蛋白石—CT，富集之后在埋深500 m 以浅就会全部转化为石英[16]，此时机械压实作用还未显著，生物硅优先沉淀于放射虫与硅藻囊泡中[31]，形成具有生物结构的石英，同时充填于孔隙之中形成大量微晶石英颗粒。结合地球化学元素分析，Si/（Si+Fe+Al+Ca）是反映硅质来源的重要参数，生物成因Si/（Si+Fe+Al+Ca）比值较高，一般大于0.85[6,32]。5 条剖面37 个样品的Si/（Si+Fe+Al+Ca）介于0.68 ～0.94，平均值为0.82（表1），也说明龙一1亚段生物成因硅质为主要的硅质来源。

图4 龙一1 亚段页岩中不同成因类型石英的显微形貌特征与能谱分析图

黏土矿物转化过程中形成的硅质是自生石英的另一个硅质来源。五峰组—龙马溪组页岩成熟度很高，伊利石占黏土矿物的主体。在成岩过程中，钾长石的钠长石化和腐蚀溶解提供了充足的钾[14]，在一定的温度与压强条件下，蒙脱石会转化为伊利石，主要发生在中成岩期温度为80 ℃左右时[10]，反应过程释放硅质，原地沉淀结晶形成微米级石英颗粒。第三类与第四类石英都是黏土矿物转化形成的，第三类石英的周围未见硅质的压溶现象，但发育伊利石矿物，第四类石英则是嵌于黏土矿物中，并且这两类石英的能谱中都含有一定量的Al 元素和K 元素，说明其成因与黏土矿物有关。扫描电镜图像中，第三、第四类石英较少，尤其是次生加大的自生石英很少。另外，5 条剖面石英中的过量硅（Si过量）含量与Al2O3含量的交汇图都显示负相关的关系，且都具有较大的负相关系数（图7），说明自生石英中生物成因的硅占主要部分，而不是黏土矿物转化（蒙脱石转化为伊利石）时形成的硅质。

图5 龙一1 亚段页岩中SiO2 与Zr 和TiO2 含量的相关性分析图

图6 龙一1 亚段页岩Al—Fe—Mn 三元图

研究区龙一1 亚段的3 种来源的石英（陆源石英、生物石英和黏土矿物转化形成的石英）占比可以通过本文参考文献[28-29]中的公式计算（表1），（Si/Al）背景采用平均页岩比值3.11[32-33]。5 条剖面37个样品龙一1 亚段的陆源石英含量介于10%～50%，生物成因石英含量介于0 ～80%，黏土矿物转化石英含量处于2%～10%。在龙一1 亚段底部，过量硅含量最多，介于40%～80%，生物石英的相对含量占总石英含量的50%～80%，向上二者逐渐减少，而陆源石英与黏土矿物转化石英逐渐增多。从5 条剖面对比来看，彭水鹿角剖面的石英总量相比其他剖面低，但陆源碎屑石英所占比例却较大，生物石英占比较少。

3.2 石英对页岩储层品质的影响

3.2.1 石英成因与有机质富集

五峰组—龙马溪组页岩中硅质生物的富集与埋藏沉积指示着相对安静与深水的陆棚沉积环境，这种环境水体中富含硅，为硅质生物的生长提供大量硅，且对硅质生物死亡后的埋藏与保存也起到积极的作用[6]，硅质浮游生物是海洋初级生产力的主要提供者[15]，其富集指示着高的海洋初级生产力。浮游生物具有高的生产率，并且硅化的浮游生物骨骼中含有大量的有机质，因此富含生物石英的页岩有机质含量高，生物石英含量与TOC 成正比（图8），储层的含油气性好[16]；而陆源石英与黏土矿物转化石英的增多指示着陆源物质输入的增多，生物石英减少，伴随着页岩沉积中有机质含量的减少[6,15-16]。

3.2.2 石英成因与页岩孔隙

成岩作用早期形成的生物石英会形成大量的粒间孔[34]，同时可以构成坚硬的格架，避免了原生孔隙的进一步压实，为生油窗油气的注入提供了空间，也对页岩储层中的有机质孔起到了保护作用[35]；成岩作用中晚期黏土矿物转化（蒙脱石转化为伊利石）形成的石英通常起到胶结的作用，填充一部分孔隙，同时在黏土矿物层间形成刚性格架，造成页岩岩石硬度的变化。

3.2.3 石英成因与可压裂性

石英是最重要的脆性矿物，石英含量越高，越容易形成裂缝，具有高杨氏模量和低泊松比，有利于压裂改造。但不同成因石英对储层可压裂性的贡献不同，生物石英形成的粒间孔与之中的有机质孔形成网络，在压裂过程中容易形成复杂且连通性好的孔—缝体系[36]；陆源石英通常表现为漂浮于基质中，其结构特征使得对储层可压裂性增强的贡献可能不大。

表1 龙一1 亚段页岩中不同成因类型石英含量统计表

图7 龙一1 亚段页岩Si过量与Al2O3 含量的相关性图

图8 五峰组—龙马溪组页岩中生物石英含量与TOC 的 相关性分析图

3.2.4 储层品质

龙一1 亚段的底部页岩中生物成因石英最多，指示着缺氧、平静的深水陆棚沉积环境，古生产力水平最高，含有丰富的有机质；向上随着陆源碎屑的增多，陆源石英与黏土矿物转化石英增多。生物石英的富集与TOC、储集物性以及储层的可压裂性都具有正相关的关系[16]，有利于优质储层的形成以及页岩气的高产稳产。5 条剖面对比表明，武隆黄莺剖面、武隆江口剖面与石柱漆辽剖面在龙一1 亚段整体都发育有较多的石英，并且在下部都含有大量的生物石英；彭水鹿角剖面与华蓥山三百梯剖面的上部相对陆源注入较多，陆源石英与黏土矿物含量较多，不利于发育网状石英格架以及有机质的注入与保存。因此，研究区龙一1 亚段最底部2 ～4 m 为最优质的页岩储层。

4 结论

1）四川盆地东南部龙一1 亚段页岩中长英质矿物占主体部分，平均含量介于40%～60%；石英可分为4 类：陆源碎屑石英、生物遗骸转化形成的自生石英、黏土矿物转化形成的陆源石英次生加大部分石英、黏土矿物转化形成的微米级石英颗粒。

2）陆源石英指示陆源碎屑输入，陆源碎屑的增多伴随着有机质含量的减少。生物石英形成大量的粒间孔，同时构成坚硬的格架，避免原生孔隙的进一步压实，为生油窗油气的注入提供空间，对有机质孔起到保护作用；粒间孔与之中的有机质孔形成网络，起到增加储层脆性与可压裂性的作用；且生物石英含量与总有机碳含量成正比。黏土矿物转化石英形成于成岩作用中期，通常成为胶结物减少储层孔隙，同时增加储层的硬度与密度。

3）龙一1 亚段页岩的石英中生物石英占主体，该段底部的2 ～4 m 生物石英占到总石英含量的50%～80%，向上生物成因石英逐渐减少，陆源石英与黏土矿物转化石英逐渐增多。龙一1 亚段最底部厚度为2 ～4 m 的页岩段生物石英含量高，含有丰富的有机质，储集能力与可压裂性最好，是最优质的页岩气储层层段。