滇黔北麟鳳地區Y井五峰組-龍馬溪組頁巖礦物、地球化學特征及意義

程青松，章超，周博宇，梅玨，鄒辰，蔣立偉

1.中國石油浙江油田分公司勘探開發一體化中心，浙江 杭州 310023

2.中國石油浙江油田分公司天然氣勘探開發事業部，四川 敘永 646400

3.中國石油浙江油田分公司重慶天然氣勘探開發項目部，重慶 404100

滇黔北地區下古生界五峰組-龍馬溪組海相黑色頁巖廣泛分布，具有形成頁巖氣藏的地質條件。目前，滇黔北地區龍馬溪組頁巖氣勘探在黃金壩、紫金壩和太陽-大寨地區實現了突破并達到了每年10×108m3以上的產量[1]。昭通頁巖氣示范區位于滇黔北坳陷威信凹陷的中西部區域，具有“強改造、過成熟、高演化、雜應力、保存差”的地質特點與工程條件。前人從沉積、有機地球化學、儲層特征與含氣性以及頁巖氣保存條件等角度對滇黔北地區龍馬溪組頁巖進行了研究[2-6]，并取得了一些重要認識。

隨著滇黔北地區頁巖氣勘探開發工作的不斷推進，勘探對象逐漸從北部羅場復向斜向中部及東部轉移。Y井為昭通頁巖氣示范區麟鳳向斜2020年底新鉆的一口參數井，具有重要的地質和油氣勘探意義。雖然滇黔北地區整體為頁巖氣勘探開發有利區，但是不同區域沉積環境的差異，導致不同區域的優質含氣層段存在差異。因此，筆者旨在通過對Y井巖石礦物、元素地球化學及含氣性的分析，對麟鳳向斜區沉積環境與有機質保存和頁巖氣有利富集層段進行探討。

1 地質背景

滇黔北昭通國家級頁巖氣示范區是2014年國家國土資源部在中國境內命名的第一批頁巖氣示范區?？缭皆瀑F川三省交界地帶，包括四川與云南省間的筠連-威信地區天然氣(頁巖氣)勘查區和云南與貴州省間的鎮雄-畢節地區天然氣(頁巖氣)勘查區。研究區主體位于上揚子構造區西南緣的滇黔北坳陷威信凹陷，北鄰四川盆地川南低陡褶皺帶，南與滇東-黔中隆起相接(見圖1)。下寒武統筇竹寺組、下志留統龍馬溪組、上奧陶統五峰組和中志留統羅惹坪組等海相黑色頁巖是探區內主要氣源巖，其中下志留統龍馬溪組(S1l)-上奧陶五峰組(O3w)厚度大、有機碳豐度高、保存較好，為昭通頁巖氣開發的重點目標層系。

圖1 研究區構造區劃及井位圖Fig.1 Structural division and well location of the study area

Y井位于滇黔北坳陷威信凹陷麟鳳向斜南東翼。受多期構造運動影響，麟鳳向斜呈狹長的“S”形展布，向斜主體較寬，約20km，為北東-南西走向，兩端變窄，為近東西走向。向斜北側發育平行軸線方向的走滑逆沖斷層，規模較大，延伸長度大于6km，其他部位多見短軸方向斷層，規模較??；核部出露地層較新為白堊系、侏羅系，向翼部地層逐漸變老，多由志留系、奧陶系地層組成。

2 樣品與分析

元素分析中樣品的主、微量元素分析由X 射線熒光光譜(XRF)分析所得。XRF是目前化學元素分析方法中發展最快、應用領域最廣、最常用的分析方法之一[7,8]。

現場解析氣采用CQJC QT 2型頁巖氣煤層氣含氣量現場測試系統，解析氣測量精度為0.1mL，溫度測量誤差為0.1℃，氣壓測量精度為0.01MPa。設備可現場讀取和換算解析氣量、損失氣量，不具備殘余氣量測試條件；現場解析氣的數據采集及數據整理參考GB/T 0254—2014《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規范》進行。

巖石薄片鑒定利用OLYMPUS/BH-2偏光顯微鏡進行檢測，檢測和分析依據SY/T 5368—2016《巖石薄片鑒定技術規范》進行。有機碳含量采用 OGM-Ⅱ型儀器測得。

3 結果

3.1 有機質豐度與礦物組成特征

表1 樣品TOC測試結果

表2 Y井各層段全巖顯微組分

3.2 巖石薄片特征

巖石薄片鏡下顯示，五峰組頁巖炭質和泥質均勻混雜，泥質結構不清。方解石細粉晶結構為主，少量粗粉晶結構，常順層分布。陸源碎屑主要為石英、長石；黃鐵礦呈凝塊狀；見亮晶方解石脈(見圖2(a))。

注：(a)Y井五峰組，3188.63～3188.75m，炭質和泥質混雜，凝塊狀黃鐵礦，泥晶方解石順層分布，見亮晶方解石脈；(b)Y井S1，3184.29～3184.38m，炭質和泥質混雜，凝塊狀黃鐵礦，細粉晶方解石順層分布；(c)Y井S1，3184.29～3184.38m，方解石脈；(d)Y井S1，3182.37～3182.47m，炭質和泥質混雜，凝塊狀黃鐵礦，細粉晶方解石順層分布；(e)Y井S1，3168.90～3169.02m，炭質和泥質混雜，散點狀黃鐵礦，細粉晶方解石順層分布；(f)Y井S1，3151.72～3151.85m，泥質鱗片結構，細粉晶方解石為主，散點狀黃鐵礦，偶見介形蟲碎片；(g)Y井S1，3165.41～3165.54m，炭質和泥質混雜，細粉晶方解石順層分布；(h)Y井S1，3076.13～3076.32m，泥質鱗片與方解石互層，透鏡狀泥晶方解石，炭屑順層分布；(i)Y井S1，3094.90～3094.99m，泥質鱗片與方解石混雜分布，炭屑順層分布。

避雨栽培最早是由日本西部的“康拜爾早生”等短梢修剪拱棚式發展而來[6]，20世紀90 年代開始在我國南方由栽培試驗向推廣應用方向發展，并逐漸向我國北方地區推移[7]。在北方如山東、河南等地，年降水量主要集中在 7、8、9 月，此時正值果實發育時期，雨熱同期的環境條件會導致葉片病害嚴重、果實病害加重和品質下降，嚴重減少葡萄產值[8]。避雨栽培作為設施栽培的一種集約化的栽培方式，具有提高果實坐果率，降低病蟲害發病率，提高果實品質，減少噴藥次數，有利于優質無公害葡萄生產[9]等優點。

3.3 元素特征

對Y井五峰組-龍馬溪組208個含氣頁巖樣品進行了主、微量元素分析，部分主量元素的測試結果見表3。不同取心筒次的主量元素Al、Si、Ca總含量介于38.040%～41.911%之間，均值為39.580%。其中，Si元素含量最高，均值為23.837%，其次為Ca元素，含量均值為9.144%，再次是Al元素，含量均值為6.599%。K、Fe、Na、Mg、P、S、Ti元素的含量均值分別為3.003%、3.398%、1.438%、2.661%、0.040%、0.516%和0.495%。與世界頁巖平均值相比[9]，優質氣層段表現明顯的Ca、Na、P、S富集和Al、K、Mg、Fe虧損，Ti元素含量基本與標準頁巖相當。

表3 Y井主量元素分析測試結果

4 討論

4.1 沉積環境特征

有機質沉積環境和保存條件決定了頁巖的TOC高低。元素示蹤是追溯巖相與古環境的有利手段，其中微量元素指標，如Mo元素對氧化還原敏感，V/(V+Ni) 、V/Cr、Ni/Co和U/Th可以判別沉積古環境[10,11]。表4中，V/(V+Ni) 、V/Cr、Ni/Co和U/Th分別代表相應各元素含量的比值。

表4 沉積環境的元素判別指標

圖3 Y井V/(V+Ni) 、V/Cr、Ni/Co和U/Th古海水氧化還原環境劃分圖Fig.3 Division diagram of redox environment of ancient seawater of V/(V+Ni), V/Cr, Ni/Co and U/Th in Well Y

在古環境恢復的研究中，沉積期水體深度的分析具有重要意義。Mn/Fe、Sr/Ba是元素地球化學分析古水深及其變化的常用參數，表示相應各元素含量比值。Mn能在離子溶液中比較穩定的存在，而鐵極易受氧化而成Fe3+，在pH大于3時Fe3+形成Fe(OH)3的沉淀。所以鐵的化合物易在淺水環境聚集，隨著沉積期水深增大，Fe元素含量普遍降低，Mn/Fe增大[12]。大量Sr2+常以生物堆積作用的方式，在水體較淺、能量較高的淺海區沉淀，形成較高的Sr/Ba。在水較深、水動力較弱的半深海-深?；驕艉Ｓ虺练e物中，黏土及細碎屑物質增加，對Ba2+的吸附能力增強，Sr/Ba逐漸降低[13]。

圖4 Y井古水深參數Fig.4 Parameters of ancient water depth in Well Y

Y井V/(V+Ni) 、V/Cr和U/Th均判別古海水在龍馬溪和五峰組整體處于富氧狀態，Ni/Co判別其處于富氧-貧氧-缺氧的動態變化狀態。V，Cr，U，Ni的富集除與水體氧化還原有關之外，還與陸源碎屑的輸入有關。V/(V+Ni)從第6筒到第21筒(3060.92～3176.32m)一直在降低，如果按氧化還原的角度思考則說明隨水體加深，水體更加富氧。如果按陸源輸入思考，則是隨水體加深，陸源輸入減少。Ni/Co在第17筒(3156.51m)開始隨著水體加深，變為貧氧環境，在水體最深的第21筒(3176.32m)為最大缺氧狀態。隨著水體變淺，其水體開始逐漸富氧，因此其水體的含氧狀態在Y井應該用參數Ni/Co去判別。

4.2 古生產力特征

根據Barnett黏土質頁巖Si、Al含量擬合得出的伊利石Si/Al線上方區域為過量硅部分，代表生物成因的硅質。生物成因硅質頁巖具有高SiO2、P2O5和 Fe2O3，低Al2O3、TiO2、FeO和MgO特征。Al的富集與陸源輸入相關，而Fe和Mn則主要與熱水沉積相關，因而Al/(Fe+Al+Mn)(各相應元素含量或含量之和的比值)是判斷硅質成因的重要參數。Al/(Fe+Al+Mn)≤0.01為純熱水成因，純生物成因比值則大于0.6[14,15]。Y井主量元素分析表明， Al/(Fe+Al+Mn)介于0.581～0.715之間，可見硅質成因與生物沉積過程有關。值得注意的是，Y井整個五峰組樣品的硅質為陸源輸入(見圖5)。

圖5 Y井生物成因硅分析Fig.5 Analysis of biogenic silica in Well Y

來源于生物作用的鋇被稱為生物鋇(過量鋇，w(Baxs)，用樣品總的Ba元素含量w(Ba)s減去陸源Ba含量得到，而陸源Ba含量可以利用樣品中的Al元素含量換算得到[9,16]。其計算公式為：

當w(Baxs)>0.1時，可認為其沉積時期具有較高的古生產力[17,18]。從生物鋇的分布特征可見，龍馬溪組上部地層的生物鋇含量高，到龍馬溪組下部及五峰組明顯降低(見圖6)。這里龍馬溪組下部及五峰組生物鋇含量的降低可能與還原環境生物鋇的溶解作用有關[19,20]。上部還原作用較弱的層段，有機質輸入量大，生物鋇保存較好，因此生物鋇含量高，而龍馬溪底部還原性強，雖然有機質輸入量大，但是生物鋇溶解造成生物鋇含量低。

圖6 Y井五峰組-龍馬溪組各取心段的生物成因鋇分布特征 Fig.6 Distribution characteristics of biogenic barium in each coring section of Wufeng-Longmaxi Formation in Well Y

4.3 頁巖含氣性與筆石發育特征

Y井第1筒到第11筒巖心現場解析得到的含氣量在0.035～0.167m3/t之間，實驗室測定總含氣量在0.090～0.331m3/t之間；第12筒到第21筒巖心現場解析得到的含氣量在0.414～0.789m3/t之間，實驗室測定總含氣量在0.662～2.187m3/t之間；第22筒到第24筒巖心現場解析得到含氣量在0.531～0.715m3/t之間，實驗室測定總含氣量在1.781～1.921m3/t之間(見表5)。

表5 Y井五峰組-龍馬溪組現場解析氣與實驗室測定總含氣量分析數據表

第1筒到第11筒巖心：巖性以大段的灰黑色頁巖為主，夾灰質條帶，與頁巖交界處巖性常為突變，隨深度增大頁巖顏色由淺變深又稍有變淺；前4筒巖心筆石發育較少，至第5筒巖心筆石突變增多，呈堆疊放射狀，第6筒巖心后筆石急劇減少，至第11筒巖心逐漸增多。

第12筒到第21筒巖心：巖性主要為大段黑色頁巖，顏色整體變深，灰質條帶也較少出現，筆石逐漸增多，至第17筒巖心達到最大，可占節理面40%～80%，第18筒巖心后筆石又減少，約占節理面5%～10%。

第22筒到第24筒巖心：第21筒心底部和第22筒心頂部見觀音橋段介殼灰巖，從第22筒至第24筒巖心五峰組隨深度加深巖心灰質含量增多，顏色逐漸變淺，第24筒巖心底部見寶塔組瘤狀灰巖；筆石部分節理面可見，多為零星分布(見圖7)。

圖7 Y井巖性柱狀圖Fig.7 Lithology histogram of Well Y

圖8 Y井五峰組-龍馬溪組伽馬分布Fig.8 Gamma distribution of Wufeng-Longmaxi Formation in Well Y

在奧陶系-志留系交替時期，揚子地塊位于岡瓦拉大陸西緣的熱帶或亞熱帶區域[26]，全球環境發生了巨大變化[27]。南非、北非、西亞、南歐和中歐以及南美均發育晚奧陶世的大陸冰川或海相冰川沉積[28]。雖然我國沒有相應的冰川活動沉積，但觀音橋段沉積發育冰期Hirnantia動物群。有研究認為，當時全球大氣和海水的溫度急劇下降(幅度達 8～10℃)。因此，高緯區的冷水向赤道運移，形成富富營養的冷水流，造成大洋翻轉；此外，冰期海平面下降，海岸線向海推進。因此，一方面富富營養的冷水流給赤道海區表層帶來豐富的營養物質，另一方面陸源營養物質大量進入海洋，海洋初級生產力在多重因素作用下大增。龍馬溪組下部出現高生產力，可能與當時研究區氣候不穩定，即氣溫短暫下降有關[29]。

5 結論