中上揚子區志留系龍馬溪組頁巖氣勘探區優選

黃 盛 王國芝 鄒 波 劉樹根 徐國盛

（油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

隨著近年來世界能源需求的不斷攀升，能源公司已經極大地擴展了煤層氣、致密砂巖氣、頁巖氣等非常規氣體的開發，頁巖氣作為最強勁的增長點受到越來越多的重視[1，2]。目前美國、加拿大等國已經實現了頁巖氣的商業開發，中國也在積極探索和發掘國內的頁巖氣資源優選區。頁巖氣是天然氣生成之后在烴源巖內就近聚集的結果，表現為典型的“原地成藏”模式[3，4]。龍馬溪組頁巖作為中上揚子地區頁巖氣的優勢地層，其沉積背景、巖相學特征、地球化學特征、生烴熱史演化等方面與美國Fort Worth盆地Barnett頁巖具有極高的相似性。但中上揚子地區的構造變形程度遠比北美地臺強烈，因而，對中上揚子地區龍馬溪組中的頁巖氣勘探，必須充分考慮構造變形對頁巖氣保存的影響。本文將中上揚子地區龍馬溪組頁巖與具有相似構造背景的Fort Worth盆地Barnett頁巖進行對比，揭示龍馬溪組頁巖與Barnett頁巖的相似性和變形強度的差異性，探討構造變形對龍馬溪組頁巖氣成藏的可能影響；在此基礎上，結合龍馬溪組頁巖的殘存厚度，給出龍馬溪組頁巖氣勘探的優勢選區建議。

1 龍馬溪組頁巖與Barnett頁巖的相似性

1.1 Barnett頁巖

Fort Worth盆地是一個形成于晚古生代Ouachita造山運動的前陸盆地。早石炭世之后的南北美板塊碰撞使Fort Worth盆地初具形態，早賓夕法尼亞世（晚石炭世）的連續碰撞造成盆地東緣發生逆掩斷裂作用，形成Ouachita推覆帶并開始造山運動。

在Barnett頁巖形成的密西西比紀（早石炭世），Fort Worth盆地為勞亞大陸與岡瓦納大陸之間的狹窄水道，西部為寬闊淺水碳酸鹽臺地，東部為弧形島鏈（圖1）。沉積物質主要有來自西部Chappel大陸架以密度流形式沉積的碳酸鹽碎屑、南部Caballos Arkansas島鏈以密度流形式沉積的黏土到粉砂級沉積物[5]。沉積水深為120～215m，沉積巖性主要為：硅質泥巖、層狀黏土灰泥巖和骨架泥質泥粒灰巖，沉積范圍為德克薩斯州中北部的大部分地區[6]。

圖1 Barnett頁巖構造沉積背景[5]Fig.1 Tectonic setting and sedimentary environment of the Mississippian Barnett Shale（1ft＝30.48cm）

成熟度與埋藏史重建表明Fort Worth盆地的Barnett頁巖經歷了多期熱演化史（圖2），并且受Ouachita構造和Minerals Wells斷層產生的熱液影響較大。二疊紀中期，盆地一直處于持續快速深埋過程。二疊紀末與整個中生代盆地一直處于深埋狀態，Barnett頁巖熱成熟度與生烴量達到最大值。晚白堊世盆地開始快速隆升，隆升速率大約為25m／Ma[7]，生烴停止（圖2）。盆地具典型的“早降晚抬”型演化模式，具體表現為沉降期長、抬升期短的特征。此外，Barnett頁巖的熱演化還遭受Ouachita沖斷帶和Mineral Well斷裂系統的熱液疊加作用。

Barnett頁巖現今具有一種從東向西由干氣到油氣混合再到油的變化趨勢（圖3），這也表明熱成熟度由東向西逐漸降低[6]。這種趨勢與Barnett頁巖的埋深并不吻合（Barnett頁巖的最大埋深在靠近 Muenster背斜的盆地軸線上）。這些趨勢表明，控制Barnett頁巖生產的主要因素是頁巖的成熟度與埋藏史。通過C同位素、生物標志化合物等研究顯示Barnett頁巖是Fort Worth盆地奧陶系、密西西比系、賓夕法尼亞系等常規儲層的烴源巖[6]，它說明Barnett頁巖經歷過大規模的排烴過程。

圖2 Barnett頁巖埋藏和隆升史Fig.2 Buried and uplifting history of the Mississippian Barnett Shale

圖3 Fort Worth盆地Barnett頁巖分布Fig.3 Distribution of the Barnett Shale in the Fort Worth Basin

1.2 龍馬溪組頁巖

中上揚子區的演化始于南華紀統一超級大陸Rodinia的裂解。震旦紀到早奧陶世時期，整個中上揚子區處于伸展裂離背景，在陸塊內部形成穩定的中上揚子克拉通盆地，在陸塊的北緣形成陸緣裂陷盆地，在陸塊的西緣和東南緣分別形成邊緣盆地和被動邊緣盆地。中奧陶世到志留紀時期，在揚子陸塊的北緣，秦嶺洋沿商丹斷裂帶向華北陸塊俯沖，華北陸塊與揚子陸塊碰撞相接，揚子陸塊北緣由原來的被動大陸邊緣盆地轉為活動大陸邊緣前陸盆地；與此同時，在揚子板塊的東南緣，古華南洋向西俯沖，造成華南洋與揚子陸塊的碰撞拼貼，古華南殘留洋盆關閉并褶皺造山，在造山帶的前緣形成前陸盆地和前陸隆起。揚子陸塊的中心保持穩定沉積，形成受川中隆起、黔中隆起和漢南古陸控制的穩定克拉通盆地[8－11]。

龍馬溪組頁巖是一套形成于早志留世擠壓背景下局限淺海環境沉積產物。受川中隆起、黔中隆起和漢南古陸的影響，龍馬溪組頁巖主要沉積于川東北、川東鄂西、川南等幾個沉積－沉降中心[12，13]。

沉積厚度受古隆起帶的控制，在隆起邊緣僅數米厚，以致尖滅，但沿著隆起的邊緣帶厚達數百米[14]。沉積巖性主要為：含黃鐵礦顆粒和筆石生物的碳質頁巖、粉砂質頁巖。

在早志留世龍馬溪組頁巖沉積以后的漫長歷史演化過程中，中上揚子地區受擠壓與碰撞作用，經歷“早降晚抬”型隆升演化模式[15]。具體表現為：早志留世到晚志留世處于短暫的沉降狀態，早泥盆世到晚石炭世發生抬升，其后除中二疊世有沉積間斷外，總體仍然持續沉降直到白堊紀末；白堊紀末期以后一直處于快速抬升狀態，抬升速率為35m／Ma[7]。總體表現為早期沉降、中期深埋、晚期隆升，沉降期長、隆升期短的特點（圖4）。此外，川南地區在二疊紀還受到峨眉地幔柱的熱流體影響[14]。

圖4 龍馬溪頁巖的埋藏隆升演化史Fig.4 Buried and uplifting history of the Longmaxi shale

1.3 相似性對比

從前面的敘述中可以看出，龍馬溪組頁巖與Barnett頁巖均是形成于擠壓背景下的前陸盆地和（或）穩定克拉通盆地沉積，它們具有相似的巖性組合，都經歷了“早降晚抬”型隆升演化模式；只是龍馬溪組頁巖可能具有更快的隆升速率。而且川南地區龍馬溪組頁巖和Barnett頁巖均受到熱流體的疊加影響[7，14]。

2 龍馬溪組頁巖與Barnett頁巖變形的差異性

2.1 Barnett頁巖的變形特征

Fort Worth盆地經過長期的構造演化形成了以Ouachita逆沖斷層為其東緣、Llano古隆起為其南緣、Eastern Shelf為其西緣、Red River背斜和Muenster背斜為其北緣、現今面積大約為38 100km2的南北向延伸的前陸盆地（圖3）。由于Ouachita逆沖斷層的向西推進，盆地的樞紐線逐漸向西推移形成一個總體西高東低的楔形。盆地北面的北東－南西向Mineral Wells斷層整體延伸達104km，把核心產區Newark－East地區一分為二。地震資料顯示Mineral Wells斷層為一條周期性活動的基底斷層。該斷層影響了該地區的沉積模式、熱演化史與烴類的運移。

研究表明，Barnett頁巖的核心產區未曾發生過強烈的整體抬升，導致了核心產區異常高壓的形成，從而保證了Barnett頁巖的儲能[15]。而非核心產區則可能發育了貫穿地層的斷層、裂隙，致使Barnett頁巖的儲能受到破壞。

2.2 龍馬溪組頁巖變形特征

中上揚子地區在早志留世以后經過了多期復雜的地質改造，形成了不同展布方向、不同變形強度與不同期次的褶皺－沖斷帶，由此劃分出構造樣式與地質結構類型明顯不同的變形區帶[16]。根據變形樣式、展布方向與地質結構的差異，中上揚子地區被分為龍門山前陸褶皺－沖斷帶、米倉山－南大巴山前陸褶皺－沖斷帶、雪峰山川東基底拆離帶、川南－黔中－黔南褶皺－沖斷帶、大洪山－江漢盆地擠壓－伸展反轉帶5個構造分區（圖5）[16]。龍馬溪組頁巖經過漫長的演化最終形成了殘存于米倉山－南大巴山前陸褶皺－沖斷帶上的川北鎮巴厚約20m的頁巖發育帶，殘存于雪峰山川東基底拆離帶上的川東石柱－鄂西利川厚達100m的頁巖發育帶，以及殘存于川南－黔中－黔南褶皺－沖斷帶上的川南瀘州一帶厚達60～80m的頁巖發育帶（圖5）。3個頁巖發育帶分別與川東北、川東鄂西、川南3個沉積中心相吻合[16]。

圖5 中上揚子結構分區與烴源巖分布Fig.5 Tectonic division and distribution of source rocks in the middle－upper the Yangtze area

川東北頁巖發育帶發育于秦嶺造山帶南緣與中上揚子板塊北緣的交匯部位 米倉山－南大巴山褶皺－沖斷帶上，跨越大巴山前陸沖斷帶與大巴山前陸拗陷帶。變形特征由北東向南西逐漸減弱，深部與淺部斷層、褶皺均發育，構造縮短率大。志留系龍馬溪組頁巖作為區域滑脫層存在于南大巴山區域變形帶中，其變形程度大、埋藏深、巖層厚度較薄。

川東鄂西頁巖發育帶發育于川東－鄂西－雪峰山基底拆離帶上，主要受雪峰山構造域的控制。該構造帶具有遞進變形特征，由南東向北西可進一步將其劃分為上沖推覆帶、基底卷入帶和蓋層滑脫帶[16]。川東鄂西頁巖發育帶位于川東－鄂西－雪峰山基底拆離帶的蓋層滑脫帶上（圖6）。華鎣山到齊岳山為斷層隱伏的蓋層滑脫帶，發育高陡背斜和其間的寬緩向斜帶，形成“隔擋式”褶皺帶。齊岳山到大庸為斷層顯露的蓋層滑脫帶，發育眾多坡坪式逆斷層和與坡坪式逆斷層成反沖關系的次級小斷裂，以及斷層引起的軸面南東的膝折構造[17]。坡坪式逆斷層的拐點以及次級小斷裂與坡坪式逆斷層的交匯點多位于龍馬溪組頁巖層附近（圖6）。盡管發育眾多次級小斷裂，但總體受坡坪式滑脫斷層及其衍生褶皺控制[16]。龍馬溪組頁巖主要作為滑脫層處于湘鄂西斷層顯露的蓋層滑脫帶內，由于泥頁巖的強塑性，在滑動過程中可能產生彎流作用造成背斜核部地層的加厚（如渝頁1井）[18]，滑脫層上下的地層都顯示出一定的變形，且滑脫層多被斷層切過[16，17]。

川南頁巖發育帶發育于川南－黔中－黔南褶皺－沖斷帶上，川南－黔中－黔南褶皺－沖斷帶在黔中古隆起的限制下接受沉積作用與擠壓變形作用而成（圖5）。按照構造變形的差異，可以將川南－黔中－黔南褶皺－沖斷帶進一步劃分為黔南沖褶帶、黔中穩定帶、黔北沖褶帶和川南蓋層滑脫帶[16]。川南頁巖發育帶主要位于川南－黔中－黔南褶皺－沖斷帶的川南蓋層滑脫帶上[16]（圖7）。總體來說，該帶以變形程度相對較弱的中、低緩背斜為主，發育少量隱伏于地層內部的小斷層。龍馬溪組頁巖以滑脫層的形式出現，滑脫層上下地層變形不強，滑脫層分布穩定。

2.3 變形差異性對比

圖6 川東鄂西構造剖面圖Fig.6 Sketch map of the tectonic profile in East Sichuan and West Hubei（據文獻[16]）

圖7 川南構造剖面示意圖Fig.7 Sketch map of the tectonic profile in South Sichuan（據文獻[16]）

前面的分析表明，龍馬溪組頁巖與Barnett頁巖在地質演化過程中均經歷了構造變形。Barnett頁巖所經歷的構造變動較弱，主要是來自于東部Ouachita逆沖斷層向西推覆造成的平緩抬升，以致其核心產區還存在異常高壓。但龍馬溪組頁巖則經歷多期構造改造，形成構造樣式與地質結構類型各異的變形區帶。其中川東北頁巖發育帶變形程度與埋深最大、殘存厚度最小；川東鄂西頁巖發育帶通天斷層與“隔擋式”褶皺發育，坡坪式斷層與其伴生小斷層相互交匯，且彎滑作用造成局部地層加厚；川南頁巖發育帶變形相對較弱，龍馬溪組頁巖地層變形不強，分布穩定。

3 構造變形對頁巖氣成藏和保存條件的影響

巖石在外力作用下，逐漸發生彈性形變、塑性形變與斷裂形變，3個變形階段依次發生，但不能截然分開[19]。在塑性形變開始時期即褶皺變形的初期，巖石受到側向水平擠壓應力的作用，通常先形成一對垂直于層面的直立共軛剪切裂縫和一組平行于層面的橫張裂縫；隨著側向水平擠壓應力的逐漸加強，巖層開始彎曲變形，由此形成平行于褶皺軸方向的縱向張裂縫[21]。褶皺相關裂縫在宏觀上表現出裂縫發育于褶皺軸部、不發育于兩翼部位，發育于高部位、不發育于低部位的特征[20－24]。位于背斜核部的渝頁1井的實鉆也證實了背斜核部裂縫發育的特征。通過觀測巖心發現，渝頁1井巖心中發育大量的構造裂縫，宏觀上可分為高角度、低角度、近水平及雜亂狀4類裂縫[18，23]；裂縫一般呈高角度延伸，單一裂縫長度可達1.6m，呈充填、半充填和無充填狀態[23]。

隨著應力的進一步加強，巖層發生斷裂形變，形成斷層及斷層派生的裂縫。斷層對裂縫的影響比較復雜[25]。由于構造應力相對集中，與斷層相關的裂縫主要發育于斷裂構造的兩側、斷裂帶交匯處、斷層的末端、斷層的拐點和斷層夾持帶內[20，22，23]。在發育于斷層附近的裂縫中，總 有一組或幾組裂縫的走向平行于或接近平行于斷層走向，裂縫的密度均由斷層向斷層一側或兩側不斷減小[21，26]。斷層越發育裂縫越發育，裂縫張開度越大、數量越多[21]。研究表明，巨型、大型裂縫的形成與分布大多受構造斷裂變形的控制，而中型、小型和微裂縫大多為非構造成因[27]。

北美的頁巖氣勘探開發實踐表明，裂縫對頁巖氣的產能具有十分重要的控制作用。頁巖氣藏的儲集空間主要為裂縫和孔隙。通過對美國正在進行商業開采的頁巖氣總結分析發現，Fort Worth盆地中Barnett組，Appalachian盆地中的Ohio組，Michigan盆地中的Antrim組頁巖層段的裂縫發育[28]。頁巖氣以游離氣和吸附氣2種形式存在，裂縫中的頁巖氣主要以游離態形式存在，吸附氣賦存在含較高有機質和黏土礦物的泥頁巖孔隙中。孔隙是頁巖氣藏中氣體的儲存空間，很大程度上決定了其儲能。裂縫作為孔隙的連接通道，天然裂縫系統有助于泥頁巖層中游離態天然氣體積的增加和吸附態天然氣的解吸[3，29]，它決定著頁巖氣的產能[6，15，27]。由于泥頁巖裂縫性儲集層各向異性很強，可采儲量最終取決于泥頁巖儲集層內的裂縫產狀、密度、組合特征和張開程度[30]。

裂縫作為烴類運移的重要通道，天然原生裂縫并不能提高地層產氣潛力，如果大量開放原生裂縫存在反而導致氣體的排出，降低頁巖孔隙壓力，減少吸附氣量，從而降低氣體儲量。并且，原生裂隙會被后期物質充填，導致水力壓裂能量沿其傳導、逸散，阻礙水力壓裂效果，引起產能下降[31]。尤其是如果微裂縫網絡與斷裂相連通時，呈游離態的氣易于通過斷層而逸散，對頁巖氣保存條件極為不利。研究表明，巨型和大型裂縫一般是頁巖排烴的通道，發育該類裂縫的區域，有利于頁巖的排烴，頁巖中殘留的烴較少，不利于頁巖氣聚集[27]。如美國Barnett頁巖氣藏，在高裂縫發育區的產能往往較低，尤其是斷層附近的井，常常表現為比非構造部位頁巖氣井生產能力下降和含水提高[6]。在 Wise郡、Denton郡等Barnett頁巖的核心產區，Barnett頁巖存在明顯的異常高壓；而在Johnson郡等非核心產區則不存在異常高壓[15]。異常高壓形成于地質歷史過程中的巖層發生隆升剝蝕，且隆升剝蝕的同時沒有產生大的斷裂、裂縫等壓力傳導系統過多地釋放地層原始壓力。據此可知，Barnett頁巖的核心產區未曾發生過強烈的整體抬升，從而造成該區的異常高壓，因而保證了Barnett頁巖的儲能。而非核心區則可能發育了貫穿地層的斷層、裂隙，致使Barnett頁巖的儲能受到破壞。

上面的分析說明，頁巖在受到變形特別是多期構造變形的改造后，常會形成斷層和不同的斷裂組合及各種不同類型、不同規模的裂縫[26，29]。頁巖氣藏主要靠微裂縫運聚，斷層和宏觀裂縫起破壞作用，因此，強烈的構造活動形成的構造斷裂不利于頁巖氣的保存，而非構造成因的中、小型和微裂縫有利于頁巖氣的保存[23]。

4 龍馬溪組頁巖氣優選區

正如前面所述，龍馬溪組自其沉積成巖以后，受到了多期構造變形的改造和疊加，在中上揚子地區形成了不同方向的褶皺和斷裂。這些褶皺和斷裂構造控制了龍馬溪組泥頁巖裂縫發育的展布、空間形態和發育程度，相應地也在很大程度上影響了頁巖氣的富集、成藏、破壞。雖然裂縫發育區有利于頁巖中吸附氣的解離，但開放性原生裂縫會降低頁巖孔隙壓力，減少吸附氣量，降低氣體儲量；另一方面，原生裂縫的存在，可導致水力壓裂能量沿其傳導、逸散，阻礙水力壓裂效果，從而使頁巖氣的儲能和產能均大幅度降低，這一點已為Fort Worth盆地中Barnett頁巖氣的勘探所證實[15]。因而，在確定頁巖氣優選區時必需綜合考慮：（1）構造變形強度和裂縫的發育程度；（2）裂縫對儲能和產能的綜合影響；（3）現今龍馬溪組頁巖氣的殘存厚度。

從前面的分析可知，川東北頁巖發育帶受大巴山構造域與雪峰山構造域的雙重影響，表現出深淺部斷層均發育、淺部斷層都具有通天的特征。由于緊鄰造山帶，變形強烈，構造縮短率大，裂縫網絡發育，不利于頁巖氣的成藏；另外，該頁巖發育帶是3個頁巖發育帶中殘存厚度最薄的帶，加之其埋深也是最大的：因而，川東北頁巖發育帶，可能是3個頁巖發育帶中最不理想的頁巖氣勘探區帶。

川東鄂西頁巖發育帶主要受雪峰山構造域的影響，龍馬溪組頁巖自東向西變形由強變弱，在該發育帶形成了一系列的疊瓦狀逆沖斷層、反沖斷層和褶皺構造，地表斷層大多是通天斷層，靠近造山帶一側的斷層較遠離造山帶一側的斷層密集（圖6）。由于其坡坪式斷層的拐點和坡坪式斷層與次級小斷裂的交匯點位于龍馬溪組頁巖附近，在斷層由陡變緩處和斷層交匯處是裂縫最為發育的地方，易于形成裂縫網絡，從而使賦存于泥巖孔隙中的吸附氣解吸變成游離氣。當這些裂縫網絡與主斷裂連通時，呈游離態的氣散失，而不能成藏。該發育帶上夾持于斷裂間的褶皺規模遠較川南頁巖發育帶上的褶皺的規模小，褶皺的曲率相對較大；因而，與川南頁巖發育帶相比，在該發育帶的褶皺核部更易形成裂縫網絡。對鄂西渝東區古生界—中生界不同層位中的古流體地球化學同位素示蹤表明，在中生界和上古生界中均存在來自于下古生界或震旦系的古流體[32]，說明這些裂縫網絡具有連通性，因而，龍馬溪組中裂縫發育區將會影響頁巖氣的聚集。從變形和裂縫的發育程度來說，川東鄂西頁巖發育帶具有比川南頁巖發育帶變形相對較強、裂縫相對發育的特點，結合該帶頁巖的殘存厚度，認為川東鄂西頁巖發育帶是較川東北頁巖發育帶相對優越，但較川南頁巖發育帶略差的頁巖氣有利勘探區帶。

川南頁巖發育帶在黔中隆起的格架下受雪峰山構造域的影響，該帶主要發育規模較小的隱伏斷層和曲率較小的背斜及背斜之間的寬緩向斜。由東向西斷層也顯示出由密變疏的特征（圖7）。龍馬溪組頁巖作為區域滑脫層穩定分布于該帶內。由于該帶變形總體較弱，只有發育于斷層附近、背斜核部等局部地區的裂縫網絡造成吸附氣解吸成游離氣散失。穩定分布的滑脫層存在滑脫構造，在滑脫面上下頁巖或不同巖性中易于形成順層低角度滑脫裂縫，這類滑脫裂縫，多為封閉性的中、小型裂縫，它們有利于吸附氣的解吸和頁巖氣的保存成藏。因此，從變形和裂縫的發育程度來說，川南頁巖發育帶總體顯示良好的勘探潛力，再結合其殘存厚度，可以認為川南是中上揚子地區3個龍馬溪組頁巖發育區最有利的頁巖氣勘探區帶。

正如前面所述，變形越強的地方，斷層越發育，相對應地裂縫越發育，裂縫張開度也越大、數量也越多[21]。另一方面，變形越強的地方，斷層間所夾持的褶皺曲率越大，越易形成裂縫網絡系統。雖然裂縫發育有利于頁巖氣藏中吸附氣的解吸，但當斷裂與裂縫相連通或裂縫相互連通后，會不利于頁巖氣的成藏。即或這些裂縫不連通，似乎可以使頁巖氣的儲能增加；但通過模擬計算表明，與孔隙的儲能相比，裂縫中頁巖氣的儲能是相當低的[28]。更為重要的一點就是，原生裂縫發育區尤其是斷層附近，易于地層水或后期開采過程中水的注入，使產能降低[6]。因而，在前述的2個有利勘探區帶內，應當優選那些變形相對較弱、遠離斷裂帶和原生巨型－大型裂縫不發育的地區進行頁巖氣藏的勘探。

5 結論

a.龍馬溪組頁巖與Barnett頁巖在沉積背景、巖性組合和隆升演化模式上具有很好的相似性，但龍馬溪組頁巖的變形強度遠比Barnett頁巖強烈。

b.中上揚子區的龍馬溪組頁巖經歷了多期變形的改造和疊加，強烈的變形和復雜的斷裂、裂縫網絡對龍馬溪組頁巖氣的富集、成藏和產能具有重要的影響和控制作用。

c.川南頁巖發育帶和川東鄂西頁巖發育帶是3個頁巖發育帶中最具勘探潛力的區帶，以川南頁巖發育帶最優。

d.在川南頁巖發育帶和川東鄂西頁巖發育帶內，變形相對較弱、遠離斷裂帶和原生巨型－大型裂縫不甚發育區應該是頁巖氣藏勘探的首選目標區。

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