下扬子皖南地区下寒武统大陈岭组页岩特征及其沉积环境

2022-12-19汪凯明

科学技术与工程 2022年31期

汪凯明

(中国石化华东油气分公司勘探开发研究院，南京 210019)

中国南方地区下寒武统页岩具有分布面积广、沉积厚度大、有机碳含量(total organic carbon，TOC)高等有利条件，蕴藏着丰富的页岩气资源潜力，是页岩气潜在的有利勘探层系之一。近年来，中国学者关于下扬子皖南下寒武统页岩的岩石相与沉积特征、地球化学特征，沉积环境，以及页岩气成藏条件、富集主控因素、勘探前景等方面开展了相关研究[1-6]，研究认识主要体现在页岩沉积环境和页岩气富集保存两个方面：①卢炳雄等[1]研究认为盆地相的深水还原环境是形成页岩气藏的最佳相带；姚红生等[2]研究认为皖南地区荷塘组黑色硅质页岩为生物成因，形成于气候温暖潮湿，咸水-高盐、贫氧-厌氧为主的水体环境，有利于有机质的形成与保存；皖南地区下寒武统页岩具备页岩气成藏的基本条件。②黄正清等[3]研究认为保存条件是影响荷塘组页岩含气量的主因，寻找弱改造、低演化程度区是下扬子地区下寒武统页岩气勘探的关键；汪凯明[4]研究认为下寒武统页岩气成藏地质要素的研究需要更加突出全方位整体评价。寻找“晚生晚抬型”埋藏史、最佳的生储耦合窗口和构造稳定区是下寒武统页岩气勘探的主要方向；郑红军等[5]根据下扬子页岩气地质调查新进展，认为页岩气构造保存条件的实质是地应力与地层压力的耦合关系问题,据此制定针对性的调查勘探思路，指导有利目标优选和钻探部署。前人的研究成果对下扬子下寒武统页岩气形成条件、目标评价及勘探部署等具有一定的指导性。然而，以上研究的层位主要集中在下寒武统荷塘组，从目前公开发表的文献来看，仅樊佳莉[6]开展了大陈岭组岩相与沉积环境研究，认为大陈岭组发育纹层状硅岩、含海绵骨针硅质页岩、灰质泥岩和纹层状灰岩四种岩石相，形成于较远离碳酸盐岩台地的深水下斜坡相-盆地沉积环境。总体而言，由于大陈岭组勘探程度极低，基础资料匮乏等原因，关于大陈岭组页岩基本地质特征及其沉积环境的研究程度低，缺乏系统性，一定程度上限制了该层系的整体认识和勘探进展。

在下扬子皖南地区下寒武统页岩气勘探过程中，钻井发现大陈岭组发育大套厚层富有机质暗色页岩，为进一步深化大陈岭组页岩的基本地质特征及其沉积环境研究，以WY1井钻井岩心资料、测井资料为基础，利用全岩X射线衍射、氩离子抛光扫描电镜、有机地球化学、元素地球化学等测试手段，重点对大陈岭组页岩层段的矿物组成特征、有机地球化学特征、孔隙特征等地质特征开展研究，讨论页岩的沉积环境，以期为区域上大陈岭组页岩的深入评价以及沉积相的研究丰富基础地质资料。

1 研究区概况

下扬子地区位于扬子板块东段，北界为连云港—黄梅断裂、秦岭—胶南苏鲁构造带，南界为江山—绍兴断裂与华南板块毗邻，东邻环太平洋构造带，西接特提斯构造域[7]，面积约22.5×104km2，是中国南方海相中-古生界发育最全、保存也较为完整的地区之一。下扬子地区大致经历了5个构造演化阶段[8-10]：①太古宙古陆核形成期，形成了酷似上地壳最底部的深变质岩系；②元古宙扬子板块和南方古陆形成期，扬子板块在此期间形成；③早古生代-中三叠世海相克拉通盆地沉积期，此时期扬子板块较为稳定，加里东运动影响小，沉积厚度大，部分地区沉积厚度可达上万米；④中生代印支-燕山运动期，形成晚三叠世-侏罗纪的陆相碎屑岩沉积建造；⑤新生代喜马拉雅构造期。随着亚欧大陆与印度次大陆的碰撞及西太平洋岛弧边缘海的出现，在拉张为主、挤压为辅的交替改造作用下，造成大型坳陷与断-坳复合型盆地叠加，形成了现今构造的基本面貌。根据沉积建造和构造特征上的差异，下扬子地区划分为苏北斜坡，南京坳陷，江南隆起和钱塘坳陷四个构造单元(图1)，研究区位于江南隆起与南京坳陷的结合部位。

图1 下扬子皖南地区构造划分图Fig.1 Tectonic unit division of in the southern Anhui of Lower Yangtze

下扬子地区地层系统较为复杂，前人根据岩性组合、生物群面貌及所处地质构造单元等特征，将下扬子地区寒武系分为下扬子地层和江南地层2个地层分区[11]，研究区属江南地层分区，自下而上分为下寒武统荷塘组和大陈岭组、中寒武统杨柳岗组、上寒武统华严寺组和西阳山组。WY1井自上而下钻遇了奥陶系、寒武系和震旦系，下寒武统钻穿大陈岭组和荷塘组，揭示大陈岭组厚度为199 m(图2)，根据岩性、电性特征划分为上下两段，下段厚134 m，为深灰色泥质石灰岩与深灰色页岩互层，页岩段伽马值相对较高，一般在140～200 API，超低电阻特征十分明显，普遍小于1 Ω·m，上段主要为深灰色-灰黑色页岩，夹少量深灰色云质泥岩、泥质灰岩，厚65 m，产少量放射虫，测井上表现为中-高伽马特征，分布在62～230 API，平均为142 API。

图2 WY1井大陈岭组综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Dachenling Formation in Well WY1

2 页岩特征

本次研究所用的页岩样品均取自WY1井岩心，实验测试项目主要包括全岩X射线衍射分析、主量和微量元素、TOC含量、等效镜质体反射率(Ro,eqv)测试、氩离子抛光扫描电镜观察等(图2)。全岩X射线衍射、主量和微量元素、TOC含量、等效镜质体反射率(Ro,eqv)由Weatherford Laboratories完成，氩离子抛光扫描电镜观察采用ZEISS SIGMA场发射扫描电子显微镜，在中国石油化工股份有限公司华东油气分公司实验中心完成。

2.1 岩石矿物组成特征

WY1井大陈岭组岩心样品全岩X射线衍射测试结果表明，矿物组成以石英、黏土矿物为主，其次为钾长石、黄铁矿和白云石，石英含量为49%～63%，平均值为56.7%；黏土矿物含量为10%～28%，平均值为18.5%；钾长石含量为12%～18%，平均值为15.2%；黄铁矿含量为2%～7%，平均值为3.7%；白云石含量为1%～4%，平均值为2.2%；方解石、斜长石和菱铁矿含量不足2%。

在全岩矿物组成定量分析的基础上，以硅质(石英+长石)、黏土矿物和碳酸盐岩矿物(方解石+白云石)为三端元划分页岩岩石类型(图3)，研究区大陈岭组页岩类型单一，均为硅质页岩，荷塘组也为硅质页岩，与四川盆地下寒武统筇竹寺组相似，筇竹寺组以硅质页岩为主，部分为黏土质页岩和混合页岩[12]，四川盆地涪陵页岩气田五峰组—龙马溪组深水陆棚相页岩以硅质页岩和为混合页岩主，部分为黏土质页岩[13]，而WY1井中寒武统杨柳岗组样品岩石类型多样，碳酸盐矿物含量明显增多。

图3 页岩三端元划分图Fig.3 Ternary diagram of shale lithofacies

硅质页岩中的硅来源丰富，主要来自海盆四周古陆基岩的风化产物，热液流体和硅质生物。以陆源为主的硅质页岩，其SiO2/Al2O3约为3.6，当受到热水或生物活动影响时，其SiO2/Al2O3超过3.6[14]。大陈岭组页岩的SiO2/Al2O3介于5.74～12.67，平均为8.78，指示页岩为热水或生物成因。

海相沉积岩中的Al/(Al+Fe+Mn)值是判断硅质成因的一个重要指标，该值随着热水沉积物含量的增多而减少，受热水作用影响后其比值小于0.35，纯热水成因其比值接近0.01，纯生物成因其比值接近0.60[15]，WY1井大陈岭组页岩样品Al/(Al+Fe+Mn)分布在0.73～0.88，平均值为0.81，与纯生物成因的比值较为接近。利用页岩Al-Fe-Mn三角图也可判别硅质成因[15]，图4中样品全部落入生物成因区，亦指示其硅质为生物成因，与四川盆地涪陵页岩气田五峰组—龙马溪组深水陆棚相优质页岩的硅质矿物成因相似，后者主要以生物成因为主[16]，而四川盆地筇竹寺组硅质以热水成因为主[12]。

图4 页岩Al-Fe-Mn三角图Fig.4 Al-Fe-Mn triangle diagram of shale

生物成因的硅质石英含量为过量硅含量，是指高于正常碎屑沉积环境下的SiO2含量，可利用平均页岩的Si与Al含量的比值Si/Al为3.11进行计算[17]，据此计算大陈岭组页岩中过量硅含量为33.77%～61.79%，平均值为48.07%，过量硅含量占总硅质含量的46%～75%，平均值为62%。近年来勘探研究发现，生物成因的硅质页岩有机碳含量高，生烃潜力大，硅质格架抗压性强，脆性高，有利于页岩气富集高产[16]，目前四川盆地五峰组—龙马溪组页岩气产层主要来自生物成因的硅质页岩段。四川盆地五峰组—龙马溪组优质页岩中生物成因硅质含量丰富，威远页岩气田页岩中生物硅质占总硅质含量的0.84%～73.57%，长宁页岩气田高达83.03%，涪陵页岩气田高达91.30%[18]。

研究发现，过量硅与Al2O3、TiO2之间呈现明显的负相关(图5)，说明陆源碎屑物质对生物成因硅质页岩的形成具有较强的抑制作用。

图5 WY1井大陈岭组页岩过量硅与Al2O3、TiO2含量相关关系Fig.5 Relationship between excess SiO2 and Al2O3 & TiO2 content of Dachenling Formation shales in Well WY1

2.2 有机地球化学特征

有机质丰度决定页岩的生烃潜力，大陈岭组页岩普遍具有较高的有机碳含量(图2)，测试结果显示TOC含量分布在2.27%～7.42%，平均值为4.06%。由图6可知，大陈岭组页岩TOC与石英含量无明显的正相关(R=0.297 9)，与过量硅含量呈正相关(R=0.545 3)，与陆源泥质的典型代表矿物Al2O3、TiO2呈负相关(R=0.616 4、R=0.672 3)，这说明生物成因的硅质石英与有机质富集关系密切，沉积过程中陆源泥质的输入对有机质的富集具有一定的稀释和破坏作用。

图6 WY1井荷塘组页岩TOC与石英、黏土矿物含量相关关系Fig.6 Relationship between TOC and quartz & clay mineral content of Dachenling Formation shales in Well WY1

大陈岭组页岩样品的热演化程度普遍过高，等效镜质体反射率(Ro,eqv)为3.37%～5.53%，平均为4.14%(图2)，均处于过成熟演化阶段，表明有机质已经严重碳化，生烃能力衰竭，这也是古老页岩气藏勘探面临的极大风险和挑战。

2.3 孔隙特征

按照成因划分，大陈岭组页岩孔隙空间类型主要包括无机孔隙、有机质孔隙和微裂缝3种(图7)。微裂缝主要为构造裂缝及有成岩收缩缝，氩离子抛光扫描电镜观察缝宽一般为1～3 μm。无机孔隙又分为粒(晶)间孔和粒(晶)内孔，有机质孔隙是页岩有机质中发育的纳米级孔喉系统，属细粒沉积岩总孔隙的主要构成之一。大陈岭组页岩有机质内部发育大量的有机质孔隙，但由于有机质热演化程度过高，导致有机质严重碳化，测井响应呈现普遍低于1 Ω·m的超低电阻率，具有良好导电性。Chalmers等[19]认为，当成熟度超过3.2%，有机质发生碳化，随有机质碳化程度的增加，有机质孔隙逐渐减少[19]，中国学者通过勘探和研究证实，Ⅰ-Ⅱ1型有机质碳化的热成熟度Ro值一般在3.5%以上[12，20-21]，大陈岭组页岩有机质等效镜质体反射率(Ro,eqv)平均为4.14%，成熟度过高导致有机质孔隙充填、塌陷和消亡，有机孔径小，主要为10～20 nm的小孔，而焦石坝五峰组—龙马溪组页岩有机质孔隙孔径主要分布在2～1 000 nm，多属中孔范围[22]。此外、页岩成岩作用强，以致储层致密化，大陈岭组页岩段测井密度值普遍大于2.60 g/cm3，测井声波时差值主要介于180～200 μs/m，测井解释有效孔隙度为0.21%～2.16%，平均为1.25%；与已商业开发的页岩气藏相比，孔隙度明显偏低，焦石坝焦页1、焦页4井区总孔隙度平均分别为4.9%和5.8%，长宁页岩气田总孔隙度平均为5.5%，威远页岩气田总孔隙度平均为5.0%[23]。

图7 WY1井大陈岭组页岩孔隙类型Fig.7 Pore types of Dachenling Formation shale in Well XY1

3 沉积环境

3.1 古水深及离岸距离

元素自身的物理化学特性以及沉积环境的变化决定沉积物中元素的迁移、富集和分配，因此，可以利用元素地球化学特征来分析沉积环境。

Zr/Al可指示沉积古水深及离岸距离。Zr是典型的亲陆性元素，离陆源区越远，岩石中含量越低。沉积岩中Zr元素的分布受Al元素支配，因此Zr/Al能反映近距离搬运的陆源组分及水体深度的变化，比值越小，表示离岸越远，水体更深[24]。大陈岭组页岩Zr/Al自下而上先减小后变大，下部样品平均值为1.53，中部为1.00，上部为1.80，反映古水深呈现先加深后变浅的变化趋势。

Mn的氧化物、硫化物的稳定性较Fe更强，可在盆地内长距离的迁移、富集，因此，Mn/Fe可以反映离岸距离和古水深。由于Mn、Fe有可能来自海底火山作用，因此用于分析的Mn、Fe须来自母岩的风化产物才有意义。前述大陈岭组硅质为生物成因，而非热水成因，因此其Mn/Fe能够真实有效地反映沉积环境的变化。纵向上，大陈岭组页岩Mn/Fe为先增大后减小，最大值为0.014，代表最大海侵期，随后相对水平面缓慢下降，Mn/Fe也反映页岩沉积期间水体呈现先加深后变浅的变化趋势。

Sr/Ba常作为判断海相和陆相沉积环境的参考指标，一般认为，Sr/Ba<1为陆相沉积，Sr/Ba>1为海相沉积。而在海相环境下，仅有深海与滞流浅海环境的Sr/Ba<1，但深海的单个Sr、Ba元素含量相对滞流浅海更富集[25]。大陈岭组页岩沉积建造中，Sr含量为13～35 μg/g，平均为22 μg/g，Ba含量为2 261～5 951 μg/g，平均为3 689 μg/g，其中部分为生物成因Ba，可利用后太古宙澳大利亚页岩中Ba/Al为0.007 7对Ba进行标准化来计算生物Ba含量[26]，剔除生物成因Ba后，无机Ba含量为263～523 μg/g，平均为379 μg/g，Sr/Ba仅为0.04～0.09，远小于1，反映大陈岭组页岩建造为深海至滞流浅海沉积环境。

3.2 氧化还原条件

U/Th作为判识古氧化还原环境的指标而被广泛应用，U/Th<0.75为富氧环境，0.75～1.25为贫氧环境，大于1.25为厌氧环境；大陈岭组样品的U/Th介于1.00～2.30，平均值为1.58；元素测井页岩段U/Th介于0.39～3.79，平均值为1.09，与实验分析结果相近；整体表明大陈岭组页岩沉积期间处于贫氧—厌氧的古水体环境，且上部U/Th较高于中下部，反映还原性呈增强的趋势。U/Th与页岩TOC呈现较好的正相关关系(图8)，说明强还原环境的沉积环境有利于有机质的富集和保存。

图8 WY1井大陈岭组页岩U/Th与TOC相关关系Fig.8 Relationship between U/Th and TOC of Dachenling Formation shales in Well WY1

3.3 滞留程度

Mo/TOC可以判识厌氧沉积环境中水体的滞留程度[27]。滞留的厌氧沉积环境，水体流通性差，Mo元素的补给缓慢，使Mo进入沉积物的速率大于外界对水体的补给速率，造成水体中的Mo浓度较低，同时，厌氧环境有利于有机质的保存，因此，沉积物的Mo/TOC较低，如黑海Mo/TOC<4.5。相反，在相对开放、水体交换比较强烈的厌氧盆地中，由于Mo元素不断得到补充，海水中的Mo浓度较高，Mo/TOC较高，如Cariaco Basin Mo/TOC>25，在更加开发的弱滞留沉积环境中，Mo/TOC更高，如Saanish Inlet Mo/TOC>45。故Mo/TOC可用来评估厌氧海盆的水体滞留程度。

大陈岭组页岩Mo/TOC介于3.64～15.19，平均值为8.88，样品点中分布在中等滞留和强滞留范围内(图9)。较低于四川盆地南部及邻区下寒武统筇竹寺组深水陆棚页岩的比值，后者比值分布在3.39～28.08，平均值为13.95[23]，与Framvarent Fjord页岩的比值接近(均值9.0)。自上而上，大陈岭组页岩Mo/TOC整体呈现变小趋势，反映大陈岭沉积期水体滞留程度呈增强趋势，认为主要受大陈岭中后期海侵作用，水体加深，还原条件更强的影响，与上述古水深以及氧化还原条件的分析一致。

图9 大陈岭组页岩沉积期Mo-TOC含量与海水滞留程度关系Fig.9 Relationship between Mo-TOC content and seawater retention during shale deposition period of Dachenling Formation

3.4 古生产力

良好的还原、滞留环境为大陈岭组提供了有机质保存的良好环境，从指示古海洋生产力指标之一的Ba元素来看，大陈岭组显示出较高的古生产力。沉积环境中Ba元素主要来自海洋生物作用、陆源铝硅酸盐和海底热液活动，通常认为仅来源于生物作用的Ba含量介于1 000～5 000 μg/g时，才表明该沉积环境具有高生产力，介于200～1 000 μg/g，沉积环境具有中等古生产力[28]。计算大陈岭组页岩生物Ba含量为1 738.15～5 687.74 μg/g，平均值为3 309.63 μg/g，大陈岭组上段生物Ba含量平均值为4 289.73 μg/g，下段平均值为2 329.54 μg/g，整体表明大陈岭组页岩沉积时期具有高的古生产力，且大陈岭沉积晚期古生产力明显高于早期。从生物Ba和过量硅的相关性来看，两者呈现良好的正相关关系(图10)，也证明该时期具有较高的古生产力。温暖湿润的气候有利于生物的勃发、生长和繁盛，提高古生产力。Sr/Cu是研究古气候条件的重要参数，Sr/Cu介于1.3～5.0指示温暖湿润气候，而大于5.0则代表干燥炎热气候[29]，大陈岭组样品Sr/Cu为0.53～1.31，平均值为0.95，指示大陈岭组沉积期为温暖湿润的气候条件，为有机质形成富集提供良好的外部环境。

图10 大陈岭组页岩生物Ba与过量硅含量关系Fig.10 Relationship between biogenetic barium and excess SiO2 of Dachenling Formation shales

4 页岩气勘探意义

经过多年的持续攻关，中国页岩气在地质理论认识和工程工艺技术等领域取得重大进展[30-34]。四川盆地及周缘地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气实现商业开发，已发现涪陵、威远、长宁、昭通、威荣、永川等页岩气田，截至2020年底，累计探明页岩气地质储量超2.0×1012m3，年产量200×108m3[34]；同时，威远古隆起、黄陵古隆起等几个古隆起周缘的寒武系，湘中涟源凹陷、川东北、川东南等地区的二叠系页岩气勘探也取得积极进展[35-39]，钻获良好的气测显示或低产气流，证实具备较好的资源基础。

战略突破四川盆地五峰组—龙马溪组以外的新区、新层系，对推动中国页岩气可持续发展具有重要的现实意义。下扬子皖南地区下寒武统大陈岭组富有机质页岩发育，有机质丰度高，具备页岩气形成的基本条件，但同时面临地层古老，有机质热演化程度过高，储层致密，构造改造作用强，页岩气保存条件差等主要挑战。从近年来南方地区页岩气勘探实践来看，保存条件是影响富集成藏的关键因素，也是制约新区、新层系勘探突破的主要原因。因此，在下扬子页岩气选区评价过程中，要更加突出构造保存条件的研究，重点加强页岩气成藏动态过程分析，优先考虑保存条件较好的构造稳定区，有望实现勘探新突破。