下扬子西部地区中二叠统孤峰组气源岩发育特征及控制因素

白 帆

(中国石化 石油物探技术研究院，南京 211103)

随着人类社会对天然气需求量的不断增大和低碳经济的需要，世界各国对非常规天然气尤其是页岩气的勘探力度日益增大，在未来几十年内，非常规天然气将对我国的能源需求做出重要的贡献[1-3]。研究表明，我国华南古生界页岩厚度分布稳定、埋深浅、有机质丰度高、成熟度高，是我国未来页岩气资源重要的开发方向之一[1,4-6]。目前扬子地区页岩气的勘探已获得了突破，但主要集中在中上扬子地区[7-12]，而对下扬子西部地区(巢湖、芜湖、铜陵、南京一线)页岩气的特征及潜力研究还较少[13-18]。本文通过野外剖面、钻孔样品对下扬子地区西部中二叠统孤峰组的热成熟度、有机岩石学、地球化学、矿物学和岩石物理等特征进行研究，以期为该地区页岩气的勘探与开发提供参考。

1 地质背景

下扬子地区主体位于我国安徽省和江苏省境内，面积约4 839 km2，是我国的产油区之一，也是页岩气资源的远景目标区[14-15]。研究区经历了多期构造变革，是由多个单型盆地(晚三叠世—中三叠世的边缘海盆地、晚三叠世—中侏罗世的前陆盆地、侏罗纪晚期—白垩纪早期的火山盆地、晚白垩世—古新世的断陷盆地和始新世的坳陷盆地)叠加复合而形成的叠合盆地[13,19]。中二叠统孤峰组沉积时期，研究区主要以陆棚—盆地相为主，占据了三分之二的面积，说明该区在这个阶段水体面积较大，水体较深；而在其西南、东北和东部区域，分布着三块局限的台地相，同时围绕台地边缘，发育着环带状分布的生物礁(图1)。

2 气源岩发育特征

2.1 页岩厚度

据本次大量的野外露头实测和剖面观察(图2)，以及毗邻地区(无为和句容)揭穿孤峰组的近30口石油探井和前人的区域调查成果[20]，编制了孤峰组气源岩的厚度图(图2)和有机碳含量图(图3)。可以看出，下扬子西部页岩厚度是以芜湖为中心，最大厚度大于150 m，范围约为130 km×110 km，呈北东向展布，向西至铜陵快速收敛成窄条状，向北、向南均匀递减；下扬子东部厚度带以溧水为中心，范围约为110 km×90 km，最大厚度达189 m。

2.2 有机质丰度

下扬子地区孤峰组沉积时期，有机质丰度(TOC)总体较高，TOC主要介于1.0%～4.0%，最高值可达到22.1%，平均约为3.41%，TOC整体平面分布形态与气源岩厚度一致；高值区位于巢湖—芜湖一带，低值区位于铜陵地区(图3)。有机质丰度高值区总体上呈北东—南西向的条带状分布，条带间存在纵向分隔，条带内部存在明显的横向分隔性，呈现出东西分带、南北分块的特点。这种分隔性与区域的构造断裂有明显的相关性。南北分块主要是受近东西向的全椒—溧水断裂的分隔；东西分带主要是受控于北东—南西向的断裂作用，即南部为铜陵—马鞍山断裂，北部为溧水—泰兴断裂。由于受断裂的控制，孤峰组有机质丰度形成4个椭圆形高值区，分别为巢湖—芜湖、芜湖—宣州、江宁—句容和溧水—金坛4个有机质高丰度区，其有机质丰度均大于3.5%(图3)。

2.3 干酪根类型

岩石热解是划分干酪根类型的主要方法之一，从样品中得到的信息表明，研究区主要存在Ⅱ2型和Ⅲ型两种类型干酪根(图4)。昌桥剖面样品、小涝剖面样品和巢湖平顶山剖面部分样品的氢指数(IH)值为零，可能是因为有机物受到风化作用的影响。此外，大部分样品的热解S2峰较低，平均值为1.08 mg/g (样品数为26)，说明目前剩余干酪根的生烃潜力不大。这一特征可能是由于热成熟度较高造成的，但也可能部分地反映了最初有机质含量较低。然而，部分平顶山剖面样品的S2值较高，平均为5.84 mg /g，推测原始干酪根保存较好。

图1 下扬子西部地区中二叠统孤峰组沉积相与地层综合柱状图Fig.1 Synthetic histogram of sedimentary facies and stratigraphy of Middle Permian Gufeng Formation in western part of Lower Yangtze region

图2 下扬子西部地区中二叠统孤峰组气源岩残留厚度分布Fig.2 Residual thickness of gas source rocks of Middle Permian Gufeng Formation in western part of Lower Yangtze region

图3 下扬子西部地区中二叠统孤峰组有机质丰度平面分布Fig.3 Planar distribution of organic matter abundance of Middle Permian Gufeng Formation in western part of Lower Yangtze region

图4 下扬子西部地区中二叠统孤峰组 样品的氢指数与氧指数的关系Fig.4 Correlation between hydrogen and oxygen index of samples from Middle Permian Gufeng Formation in western part of Lower Yangtze region

2.4 热演化成熟度

从下扬子地区孤峰组气源岩现今成熟度分布图(图5)可以看出，气源岩的成熟度(Ro)小于2.0%，平面上呈现出5个高成熟演化区，分别为无为—和县一带、泾县—芜湖一带、江宁—句容一带、溧水—金坛一带以及长兴县周边。其中西北部平顶山剖面(Ro均值1.6%)和南部昌桥剖面均位于有机质成熟区域，而西南部的华家村和小涝剖面则位于有机质未成熟区。

3 孤峰组气源岩发育的控制因素

在对气源岩分布规律认识的基础上，借助元素地球化学参数分析孤峰组沉积时期的古气候、古海洋变化、古生产力和氧化还原条件，分析各因素与有机质丰度之间的关系，并结合前人有关下扬子地区的相关成果，探讨孤峰组气源岩发育的控制因素。

3.1 古海洋初级生产力

利用巢湖平顶山剖面和马家山剖面页岩中的微量元素指标Cu、Zn、Ni、Mo，来分析研究区古海洋生产力演化。将有机碳含量与古初级生产力的指标Cuxs(Cu过剩值)、Znxs(Zn过剩值)、Nixs(Ni过剩值)、Moxs(Mo过剩值)进行相关分析[21]，相关系数分别为0.52，0.10，0.40，0.42，由此认为TOC与Cuxs、Nixs、Moxs存在中度相关，而与 Znxs存在极低相关(图6)。因此Cuxs、Nixs、Moxs更能有效地指示有机质的富集程度。借助这些指标的富集程度差异性，结合岩性组合的变化，将研究区孤峰组沉积期的生产力划分为2个演化阶段。

图5 下扬子西部地区中二叠统孤峰组气源岩现今成熟度Ro分布Fig.5 Current maturity distribution of gas source rocks in Middle Permian Gufeng Formation in western part of Lower Yangtze region

图6 下扬子西部巢湖地区二叠系页岩TOC与Cuxs、Znxs、Nixs、Moxs相关性分析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阶段：该阶段古生产力指标总体上为高值，但波动较大，为生产力的波动期。马家山剖面孤峰组野外露头中见磷、硫析出(图7)，在孤峰组底部可见磷质结核，为上升流沉积模式的重要依据[19,22]。平顶山剖面孤峰组硅质和碳质页岩沉积层段TOC含量为0.33%～22.10%，平均为6.38%，TOC大于1.5%的样品占该段总样品数的64%，是良好的气源层段(图8)。由于孤峰组底部(0～20 m)存在有机质—硅质—磷质三位一体组合，反映了大陆边缘的上升流沉积，上升流将海底营养元素带到表层，致使生物所需要的营养元素Cu、Mo、Ni富集，进而形成生物繁殖、海洋初级生产力高的现象。

第Ⅱ阶段：该阶段各项古生产力指标均比第Ⅰ阶段低，各指标均稳定，反映古生产力的衰退期；TOC含量较低，沉积了差烃源岩层段(图8)。

从古生产力与孤峰组层序的关系[23]来看，高古生产力主要集中在孤峰组层序下部的凝缩段和早期高位体系域内部，而层序上部的晚期高位体系域，其古生产力指标整体较低(图8)。

图7 下扬子西部巢湖地区马家山剖面 孤峰组灰黑色页岩风化后析出硫、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 相对海平面变化

二叠纪从孤峰组沉积时期到大隆组沉积时期，相对海平面整体变化情况为高—低—较高，与全球二叠纪长周期海平面变化相比，孤峰组沉积时期相对海平面变化为先上升后下降[24]。孤峰组沉积早期相对海平面上升，引起水体分层，底部水体缺氧，沉积界面处于氧化—还原界面之下。该沉积时期的厌氧环境已通过水体氧化还原条件指标得以证实，并且前述研究区孤峰组沉积早期古海洋存在上升流，不仅带来了丰富的营养元素，也使海底缺氧水上涌，加剧了缺氧环境的形成。相对于早期，孤峰组中上段沉积时期海平面下降，底部水体含氧量增加，形成常氧—贫氧环境，有机质保存条件较差，且此时期海洋初级生产力低，因此孤峰组中上段岩层TOC低，为差—中烃源岩。

图8 下扬子西部巢湖地区平顶山剖面孤峰组气源岩古生产力演化阶段划分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 热水作用

岩石化学组分常常作为一种判断成因的手段，其中利用log(SiO2/Al2O3)—log[(CaO+Na2O)/K2O] 图解能够在一定程度上反映不同类型的沉积岩成因[25]。对研究区样品进行岩石化学组分分析(图9)，可以看到，孤峰组泥页岩、硅质岩样品均没有落入正常沉积岩区内，而分布于过渡区域，推测为热液和生物混合成因类型；部分落于热水沉积物区，说明孤峰组下部硅质岩沉积受到一定程度的热液作用影响。在巢湖平顶山剖面和马家山剖面孤峰组的底部，出露风化后颜色为褐黄色和土黄色的凝灰岩，可见磷结核，凝灰岩矿物成分主要为石英，其次为黏土矿物，并含长石，其微量元素P、V、Cr、Ni、Cu、Zn明显富集，表明孤峰组沉积期存在火山活动。火山活动产生的凝灰岩为热液作用提供了佐证。

图9 沉积岩的log(SiO2/Al2O3)—log[(CaO+Na2O)/K2O] 图解指示下扬子西部孤峰组气源岩的成因 A为海相正常砂岩分布区；B为海相正常 泥岩分布区；C为海相正常碳酸盐岩分布区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

图10 下扬子西部巢湖地区孤峰组气源岩发育沉积模式Fig.10 Sedimentary model of gas source rocks in Gufeng Formation, Chaohu area, western part of Lower Yangtze region

4 孤峰组气源岩的沉积模式

由前面的论述可以得知，孤峰组沉积时期存在上升流(古特提斯洋流)，随着深部水体的上涌，P、Cu、Zn、Ni等营养元素被带到水体表层，部分营养元素还可能来源于深海的热液作用；加上温暖的气候，使得浮游生物大量繁盛，具有较高的初级生产力。此外，早期的海侵作用引起海平面上升，使得海洋水体分层，底部形成厌氧环境。上升流和相对海平面的上升，导致研究区孤峰组下部沉积时期生态、沉积环境发生了显著变化，沉积了一套孤峰组底部有机碳含量较高、有机质类型好的硅泥质层段，这是形成孤峰组下部优质烃源岩段的主要因素(图10)。

5 结论

(1)下扬子西部地区中二叠统孤峰组页岩厚度大，有机质丰度总体较高，TOC主要介于1.0%～4.0%，平均约为3.41%，干酪根类型主要为Ⅱ2型和Ⅲ型，有机质整体处于热成熟晚期，具有好的生气潜力。

(2)高古生产力主要出现在孤峰组底部沉积时期，中上部层段古生产力指标整体较低。

(3)富有机质层段的形成与热水、上升流的活动相关。流体活动将地球深部物质带到表层，使得水体富营养元素，引起生物勃发，形成高生产力，进而为好烃源岩的形成提供良好的物质基础。