青海省石底泉地区志留系巴龙贡噶尔组地质特征及页岩气资源潜力评价

马忠德， 赵金成， 刘世民， 杨 颖， 马长政

(青海煤炭地质勘查院，西宁 810000)

0 引言

与青海省邻近的四川前陆盆地龙马溪组和重庆涪陵焦石坝地区页岩气井产量巨大突破[1-3]对中国页岩气探开发具有重要的意义，极大地推动了中国其他地区页岩气勘探与开发。青海省2010年青海煤炭地质105勘探队开始进行页岩气项目研究与工作，2016—2020年青海省第四地质勘查院在东昆仑地区开展了《青海省都兰县八宝山地区页岩气调查评价》项目，该项目施工地层为上三叠统八宝山组(T3bb)并取得了一定成果。目前在青海省内对志留系页岩气研究尚属空白。

借鉴国内外学者页岩气研究思路和方法，对石底泉北部志留系巴龙贡噶尔组泥页岩地质特征进行了研究，并对其页岩气资源潜力进行了评价。

研究区位于柴达木盆地北东缘与祁连山南麓过渡部位，宗务隆山北坡，西至黑石山，东至八罗根，北以塔塔棱河及其北部出露岩浆岩为界，南至宗务隆山山前断裂，面积3 292.26km2(图1)。区域构造位置上，研究区属于秦祁昆造山系(I)南祁连陆块(I5)南祁连南部弧后前陆盆地(I5-2)[4](表1，图2)。

图1 研究区位置Figure 1 Study area position map

南祁连南部弧后前陆盆地构造单元基本特征为志留系广泛发育，为浅海陆源复理石层系。其东段发育一套石炭系—三叠系稳定型滨-浅海相碎屑岩-碳酸盐岩及海陆交互相含煤碎屑岩沉积组合，志留纪前陆盆地的出现与志留纪碰撞型花岗岩的地质耦合，标志着盆山转换开始，从而构成一个完整造山旋回。

图2 研究区在青海省大地构造分区图上的位置(根据参考文献[4]改编)Figure 2 Study area position on the Qinghai Provincegeotectonic division map (after reference[4]，modified)

1 地层特征、沉积环境与泥页岩分布

1.1 地层特征

志留系巴龙贡噶尔组(Sb)由青海省地质局石油普查大队(1957)创名，原义指“分布于南祁连山的志留-泥盆系，岩性为紫灰、绿色硬砂岩、凝灰质板岩及火山岩，厚度5 000～7 000m”[5]。本次研究经过野外踏勘结合《青海省德令哈市宗务隆山地区六幅1∶5万区域地质矿产调查》区域地质矿产调查报告[6]，将其分为上、中、下三段。

志留系巴龙贡噶尔组下段(Sb1)：主要出露于宗务隆山南翼。岩性为一套杂色细碎屑岩、浅变质岩的岩石组合。上部以浅灰绿色、灰色(变)长石岩屑砂岩为主，部分千枚岩，夹千枚状板岩。下部为一套杂色浅变质岩夹细碎屑岩，夹少量灰岩透镜体。区域上地层厚度>579m。

志留系巴龙贡噶尔组中段(Sb2)：主要出露于宗务隆山中部。以往认为中岩段岩性为一套灰绿色碎屑岩夹浅变质岩的岩石组合。上部为浅灰绿色、灰色长石岩屑砂岩夹少量泥钙质板岩、千枚状板岩和深灰-灰白色页岩为主。下部为一套杂色浅变质岩夹细碎屑岩，夹少量灰岩透镜体。岩石以具千枚状构造、粒度较细为特征。

根据在研究区踏勘，初步分析认为暗色泥页岩厚度可达144m，岩性主要为深灰色、灰白色，泥页岩、板岩，中夹灰白色粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩及钙质板岩。暗色泥页岩分为三段，主要发育于中岩段中下部，上部为灰白色长石砂岩、石英砂岩及长石石英砂岩，中夹千枚状板岩。区域上地层厚度>919m。该段为本次研究重点层段。

志留系巴龙贡噶尔组上段(Sb3)：该地层出露于宗务隆山北翼，岩性为一套碎屑岩夹少量泥钙质板岩的岩石组合。为灰绿色岩屑砂岩、粉砂质板岩、浅黄绿色不等粒长石岩屑砂岩、紫色板岩及岩屑石英砂岩，局部夹有细砾岩、含砾粗砂岩。与中段为不整合接触。以紫色岩层可做为与下部岩层分界的标准。区域上厚度>1 215.2m。

1.2 沉积环境

早志留世祁连活动带再次遭受海侵，南祁连山形成广阔的扩张海。海盆迅速堆积了巨厚陆缘复理石碎屑岩，碳酸盐岩不发育。火山活动微弱且不集中，生物数量少，以笔石为主。晚志留世海退，大型山间盆地尚未形成，大部地区缺失沉积记录，形成沉积间断较大的自然断代间隔。巴龙贡噶尔组基本为一套海相陆源碎屑岩系，以细碎屑岩为主的类复理石沉积，沉积物为复矿碎屑，成熟度较高，色调深，厚度大，岩石普遍遭受浅—中等区域变质[7](图3)。

图3 南祁连志留地层柱状及沉积环境Figure 3 Southern Qilian Mts. Silurian stratigraphiccolumn and sedimentary environment

该组地层下部为一套以浅变质岩为主，夹细碎屑岩的岩石组合，局部夹透镜状灰岩，浅变质岩经原岩恢复为泥岩、细砂岩等，反映该时期水动力较弱，细碎屑岩中局部发育平行层理、楔状交错层理。中部为一套以中细碎屑岩为主夹少量浅变质岩的岩石组合，原生沉积构造由于后期韧脆性动力作用而遭到破坏；从其岩石物质组成来看，以岩屑及石英为主，泥质含量极少，反映沉积时期水动力较强，岩石遭到了反复的淘洗。上部岩石为一套以粗粒碎屑岩为主，夹少量浅变质岩的岩石组合，局部见鸡窝状砾岩分布，岩石受后期动力变质作用影响较弱，原生沉积构造较常见，发育交错层理、斜层理、水平层理等。从图4可以看出，在巴龙贡噶尔组上部岩石发育由粗到细的韵律层序。综合而言，巴龙贡噶尔组岩石组合具自下而上由细变粗类复理石特征，为具退积层序的浅—半浅海相沉积。从大地构造背景来看，可能为弧后前陆盆地沉积。

1.3 暗色泥页岩展布特征

根据以往区域地质资料分析及现场地质踏勘，志留系巴龙贡噶尔组中的暗色泥页岩主要赋存在中岩段(Sb2)中下部层位。野外踏勘测量4条剖面通过对比分析后，在构造影响下，推测暗色泥页岩在宗务隆山北坡(北条)和南坡(南条)形成两个条带。北条带走向上延伸60km，南条走向长25～30km，两个条带共计长100m，出露宽0.5～1.0km。从研究区中部大哇图，向两端黑石山和八罗根地区出露宽度逐渐变窄。

研究区暗色泥质粉砂质页岩层段为3层，分别为sh1、sh2和sh3，单层厚度范围为13.90～219.82m。

从表2中可以看出，不同地区泥页岩厚度变化较大。巴龙贡噶尔组中岩段(Sb2)暗色泥页岩厚度在宗务隆山南坡中段石底泉北坡及讷明高勒沟厚度比较大(图5)，向东西两侧巴罗根、黑石山厚度变小，其间距在100km左右，反映了海相前陆盆地斜坡扇(裙)沉积分布的不均一性。

图4 Sb1基本层序特征Figure 4 Basic sequential features of Sb1

表2 巴龙贡噶尔组中岩段(Sb2)实测剖面暗色泥页岩统计Table 2 Statistics of measured section dark argillutite in middlelithologic member of Baron Gonggar Formation (Sb2) m

2 泥页岩发育特征

2.1 地球化学特征

2.1.1 有机质丰度与类型

有机质丰度是衡量泥页岩生气能力重要地球化学指标，且泥页岩自身随着有机质向烃类持续热转化会产生大量微观孔裂隙，因此泥页岩有机质丰度越高，越有利于烃类生成，同时还能增加泥页岩储集能力。烃源岩有机质丰度可以通过总有机碳含量和氯仿沥青“A”等来表达，以有机碳含量(TOC)作为有机质丰度主要评价指标。国内外大多数学者较为认可的泥质烃源岩有机碳含量下限为0.4%～0.6%，张金川等认为泥页岩TOC含量达到0.5%可以作为产气页岩的下限[8]，采用TOC含量下限为0.3%。

本次采样测试成果见表3。有机碳含量(TOC)比较高位置为大哇图北sh2层，TOC含量在0.89%～1.57%，平均1.10%。其次为八罗根剖面中、上部第sh2层，范围为0.12%～1.36%，平均值0.53%(图6)，TOC含量>0.3的样品有16个，占总样品数73%，确定干酪根类型为II2-III型(表4)，达到页岩气远景区选区标准。

图5 巴龙贡噶尔组(Sb)实测地层剖面暗色泥页岩对比Figure 5 Comparison of measured stratigraphic section dark argillutite in Baron Gonggar Formation (Sb)

表3 研究区页岩踏勘采样测试成果统计Table 3 Statistical data sheet of study area shale reconnaissancesample tested results %

表4 干酪根有机元素检测结果Table 4 Organic element detection results of kerogen

2.1.2 成熟度与热解分析

成熟度作为烃源岩达到最大古温度的指标， 可以反映有机质转化程度，进而评估生油和生气能力。测定方法主要有两种：直接观察法和化学法。镜质组反射率(Ro)是测定热成熟度最常用方法，通过对干酪根进行微观检测记录颗粒反射率来实现。在测定原有镜质组时，存在许多弊端，通常利用热解峰温Tmax值等来弥补不足。邬立言等通过对大量实验数据统计，认为烃源岩生烃门限Tmax下限值为435℃，低演化阶段烃源岩Tmax值在435～440℃，大量生烃阶段介于440～460℃，>460℃时便进入了高演化阶段[46]。

页岩样品测试结果显示(表5)，宗务隆山八罗根地区巴龙贡噶尔组中岩段(Sb2)页岩Ro为2.10～2.42%，平均为2.27%，表明八罗根地区巴龙贡噶尔组(Sb)暗色砂泥页岩都处于成熟阶段，有利于页岩气的生成。

表5 八罗根剖面有机成熟度Ro测试成果Table 5 Data sheet of Barogen section organic matter maturityRo tested results

研究区东部八罗根地区Tmax平均在497℃，泥页岩有机质成熟度处于高成熟阶段，中部切洛根和西部石底泉Tmax部分在成熟阶段，部分在未成熟阶段。西部石底泉两个样品Tmax检测结果都<435℃，属于未成熟阶段。表现为研究区东中西各个部位暗色砂泥质页岩的成熟度不一致，生烃潜量也不同(表6)。

研究区东部八罗根区域热解烃峰温Tmax普遍>490℃，暗色砂泥质页岩处于生气阶段，中西部切洛根、大哇图及石底泉Tmax大部分<432℃，处于未成熟阶段。

图6 研究区页岩踏勘采样TOC含量测试成果对比Figure 6 Comparison of study area shale reconnaissance sample TOC content tested results

表6 调查区采样岩石热解测试成果Table 6 Study area rock sample thermolysis tested results

2.2 储集层特征

2.2.1 矿物组成与含量

页岩矿物组成与含量往往会影响页岩气开采和压裂效果。具备商业开发条件的页岩，石英等脆性矿物含量一般>40%，黏土矿物含量<30%[10-12]。

采用X射线衍射(XRD)对宗务隆山巴龙贡噶尔组(Sb)暗色泥页岩共计11个样品分析，检测发现泥页岩矿物成分共计11种。其中，石英含量最低为石底泉北坡，平均32.00%；最高为大哇图北，平均58.33%；黏土矿物含量最低为大哇图北，平均21.67%；最高为石底泉北，平均39.00%。

总体上，各区段富有机质页岩矿物组成特征类似，以黏土矿物和石英为主，并以黏土矿物和石英高含量为特征，均值分别在33.23%和41.33%，石英含量符合页岩气选区含量>40%的要求，黏土矿物略大于页岩气选区含量<30%的选区标准(表7、图7)。

表7 宗务隆山巴龙贡噶尔组暗色泥页岩X衍射矿物组成Table 7 Statistical data sheet of Zongwulong Mt Baron Gonggar Formation dark argillutiteX-ray diffraction tested mineralogical composition means %

图7 宗务隆山巴龙贡噶尔组暗色泥页岩X衍射矿物组成对比Figure 7 Comparison of Zongwulong Mt Baron GonggarFormation dark argillutite X-ray diffraction testedmineralogical compositions

2.2.2 微观孔裂隙与物性

根据电镜扫描观测成果，研究区泥页岩空隙主要为无极孔类型的粒间孔、粒内孔和晶间孔，其次为微裂缝，有机孔少见(图8)。粒间孔通常发育于矿物颗粒接触处，其中主要以片层状、丝状黏土矿物伊利石为主(图8a、图8b、图8c)，发育集中，胶结复杂，分选差，孔形态多样。粒内孔发育于颗粒内部，黏土矿物层中的粒内孔最为发育，其中以伊蒙混层为主，其它矿物形成的粒内孔相对较少，镜下见到的以黄铁矿、白云石矿物的溶蚀孔存在(图8d、图8e、图8f)。丝绢状伊利石集合体、伊利石和薄层状石英之间往往形成微裂缝(图8g、图8h)。

根据化验结果研究区主要为粒间孔、粒内孔和微裂缝。

3 水文地质特征

研究区常年流水河流为塔塔棱河(喀克图郭勒)，其流域面积大，总体呈东西向径流，靠冰融水及地下水补给，年平均流量1.35m3/s，最大洪峰流量40.0m3/s。

研究区及周边具有冻结层水、基岩裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩类孔隙裂隙水、松散岩类孔隙水五种地下水类型赋存。基岩裂隙水、碳酸盐岩裂隙溶岩水，由大气降水、冻结层水补给后以泉水、 地下迳流补给山前松散岩类地下水。研究区总体上属于独立汇水盆地。

图8 巴龙贡噶尔组页岩无机矿物孔赋存形态与特征Figure 8 Baron Gonggar Formation shale inorganic mineral pores hosting form and features

4 资源潜力评价

在系统分析了石底泉北部志留系巴龙贡噶尔组暗色泥页岩形成的沉积环境与厚度分布、有机地球化学特征和储集层特征的基础上，与海陆过渡相页岩气有利区选区标准及海相页岩气远景优选参考指标(2011年国土资源部油气资源战略研究中心和中国地质大学(北京) 《全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选项目-页岩气资源潜力评价方法与有利区优选标准操作手册》) 泥页岩特征进行了对比，初步分析了页岩气的资源潜力。

研究区志留系巴龙贡噶尔组暗色泥页岩单层有效厚度为49.22m，其中在大洼图地层最大，单层厚度累计为135.63m；有机碳含量(TOC)范围为0.3%～1.57%；有机质类型为II2-III型干酪根，美国和四川为Ⅰ、Ⅱ型干酪根；镜质体反射率Ro值在2.10%～2.42%，处于过成熟阶段[13]，说明研究区泥页岩层具有较好的页岩气潜力(表8)。

表8 研究区暗色泥页岩评价参数与其他区标准对比Table 8 Comparison between study area dark argillutite assessment parameters and other area standards

5 结论

1)研究区石底泉北部志留系巴龙贡噶尔组中段(Sb2)具备暗色砂泥质页岩远景区的基本条件。选区各评价参数诸如有效页岩厚度、埋藏深度、有机质丰度(TOC)、有机质成熟度(Ro)、热解烃峰温(Tmax)、黏土矿物含量、脆性矿物含量、气体成因类型、保存条件及水文单元等因素，各项指标较好。

2)研究区志留系巴龙贡噶尔组暗色泥页岩具备了页岩气形成基本地质条件，可作为青海省海相页岩气有利区之一。