中國中上元古界頁巖氣地質特征及有利區預測

荊鐵亞，楊 光，林 拓，陳 亮，王金意

(1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209；2.中國華能集團公司頁巖氣開發利用辦公室，北京 100031；3.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100029)

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中國中上元古界頁巖氣地質特征及有利區預測

荊鐵亞1，楊 光2，林 拓3，陳 亮2，王金意1

(1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209；2.中國華能集團公司頁巖氣開發利用辦公室，北京 100031；3.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100029)

作為中國沉積最早的地層，中、上元古界頁巖氣發育的地質條件和資源分布值得重視。通過文獻調研、野外地質研究和實驗分析相結合的手段，對頁巖的分布、厚度和地球化學等特征及頁巖氣有利區進行了系統的分析。中、上元古界頁巖主要分布在中上揚子地區的陡山沱組和燕山地區的洪水莊、下馬嶺組等地層中；沉積環境為大陸架和局限海相盆地內，分布相對穩定，沉積連續，厚度從20 m到150 m不等。頁巖的地球化學指標較好，有機質類型以腐泥型為主，有機質豐度受控于沉積環境，TOC>2%的地層普遍發育。揚子地區中、上元古界頁巖達到高—過成熟階段，華北北部地區和建昌盆地略低，目前仍處于生烴高峰期。從頁巖氣聚集的地質條件上看，中國中、上元古界頁巖氣具有一定的資源潛力，湘鄂西和渝東南地區的陡山沱組、華北北部地區和建昌盆地的洪水莊組是頁巖氣發育較好的地區和層段，其勘探前景值得關注。

中、上元古界；頁巖氣；分布；地質特征

0 引 言

目前，中國頁巖氣的研究主要集中在揚子地區下古生界等頁巖地層中。其中，下寒武統牛蹄塘組(筇竹寺組)和下志留統龍馬溪組已有工業頁巖氣流產出[1]。古生界地層沉積前，在揚子板塊、華北板塊和塔里木板塊內還發育了多套中、上元古界頁巖地層。在前期的研究中，中、上元古界地層通常被認為具有有機質豐度低、熱演化程度高和構造作用強烈等特點，在烴源巖評價中常常被忽略，而在油氣勘探中主要作為儲集層研究[2]。目前，該時期地層作為頁巖氣勘探領域的研究相對較少，發育地質條件和資源潛力尚不明確[3-4]。隨著非常規油氣理論的進步和勘探領域的擴寬，認為某些地區的中、上元古界頁巖地層具有較好的有機質豐度和適中的熱演化程度，具備一定的頁巖氣發育地質條件。通過對中國重點地區中、上元古界頁巖地層的分布特征和地球化學指標研究，初步探討該領域頁巖氣發育的地質條件和有利性，為該領域的頁巖氣研究提供一定的參考。

1 頁巖發育地質背景

元古界地層沉積在寒武紀之前，在漫長的地質歷史時期中發育了多套頁巖地層。其中，下元古界和太古界地層主要由變質巖組成，頁巖不發育，現存頁巖地層沉積在中上元古代時期。中上元古代地層主要分布在揚子板塊周邊、華北板塊的燕山地區和鄂爾多斯盆地，塔里木盆地和東北地區也有局部發育[5]。

華北板塊薊縣中、上元古界標準地層剖面的地層齊全，出露連續清晰，古生物化石豐富，是研究中、上元古界地層的天然“博物館”，從底部向上細分為3個系和11個組，不同層段巖性和厚度變化較大(表1)。其中，該剖面長城系地層是以碎屑巖組合為主的海相沉積；薊縣系地層是以碳酸鹽巖組合為主的海相沉積；青白口系地層由下部碎屑巖和上部碳酸鹽巖為主的海相沉積組成。

鄂爾多斯盆地薊縣系主要由白云巖組成，含少量燧石團塊夾砂巖及頁巖；長城系底部為石英砂巖夾板巖，上部為粉砂質板巖、云質灰巖夾石英砂巖地層。震旦系羅圈組下部為泥礫巖與礫巖；上部為砂質頁巖和板巖互層。鄂爾多斯盆地中、上元古界頁巖發育程度相對較弱。

揚子地區上元古代地層由青白口系、南華系和震旦系構成，青白口系及以下地層不發育。南華系依據巖性組合又劃分為蓮沱組和南沱組地層；其中蓮沱組主要由含凝灰質較高的粗碎屑巖組成，在中揚子地區對應為古城組和大塘坡組；南沱組為一套冰川沉積，地層為黃綠色塊狀冰磧泥礫巖，作為標志層可進行全球對比。震旦系劃分為陡山沱組和燈影組地層，其中，陡山沱組地層中下部為白云巖，頂部為炭質頁巖，在上揚子地區對應觀音巖組，閩浙地區對應南巖組。燈影組地層主要為白云巖和灰巖，在滇黔桂地區對應留茶坡組，閩浙地區為黃連組。揚子地區中、上元古界地層在東南沿海一帶普遍缺失。泥頁巖主要發育在陡山沱組上部，巖性以炭質頁巖和硅質頁巖為主。

表1 中國中、上元古界地層分區及主要分布范圍

中國中、上元古界黑色頁巖地層主要分布的地區和層位為揚子板塊的震旦系陡山沱組、華北和遼西地區長城系串嶺溝組、薊縣系洪水莊組和青白口系下馬嶺組等地層中。

2 揚子地區震旦系

震旦系是中國南方地區發育的第一套海相烴源巖層系，上揚子、中揚子和下揚子地區均有不同程度的分布。其中燈影組地層巖性以白云巖和灰巖為主，夾少量泥巖或泥灰巖，一般作為儲集層研究。陡山沱組地層展布在南華系南沱組冰磧巖之上，以黑色炭質頁巖和粉砂質頁巖為主同時發育少量泥灰巖和灰巖，巖性組合在不同地區具有一定的差異。

震旦系早期在上揚子地區為濱岸相碎屑巖沉積，中下揚子地區發育以碳酸鹽巖沉積為主的臺地相區。陡山沱組晚期，海侵面積增大，良好的深水還原環境為黑色頁巖的發育提供了條件。總體上看，揚子地區陡山沱組頁巖地層沉積環境主要為陸棚相和臺內盆地相，灰巖地層主要發育在臺地相[6-7]。黑色頁巖段主要發育于臺內盆地相內，有機質豐度較高；潮坪和臺緣淺灘相由于水體很淺，動蕩頻繁，不利于有機質富集，發育白云巖為主。

陡山沱組黑色頁巖主要分布于黔北、黔東等及上揚子東南緣和中揚子地區，下揚子地區也有局部發育。黔北和黔東等地黑色頁巖厚度為20～70 m，四川盆地東南緣陡山沱組厚約50 m，鄂西地區陡山沱組黑色頁巖厚約20 m，湘西鶴峰地區頁巖厚度為50～200 m，最厚可達350 m[6-8]。總體上，陡山沱組頁巖分布以上揚子東南緣的湘鄂西和渝東南為展布厚度中心，黑色頁巖厚度最大超過60 m，向四川盆地和下揚子、華夏板塊逐漸減薄。

陡山沱組頁巖有機質主要由水生藻類形成的，有機質類型以I型為主[6，9]。中揚子地區陡山沱組頁巖干酪根顯微組分以腐泥組+殼質組為主，含量為85.3%～95.3%，干酪根碳同位素為-28.47‰～-32.75‰，有機質類型多發育Ⅰ—Ⅱ1型[8]。湖北鶴峰和宜昌的野外露頭采集的陡山沱組頁巖樣品干酪根顯微組分由腐泥組構成，類型指數均以Ⅱ1型為主。

頁巖有機質豐度變化較大，陡山沱組頁巖樣品的TOC從0.1%到10.0%均有發育，與沉積環境密切相關，其中，深海陸棚相和局限臺地相有利于有機質的富集保存，從而產生較高的有機質豐度。上揚子地區陡山沱組頁巖TOC為0.1%～3.6%，其中鄂西渝東地區陡山沱組頁巖TOC含量較高，平均達到4.4%；中揚子地區陡山沱組頁巖TOC為1.0%～3.0%；湘西石門地區陡山沱組頁巖的TOC為0.5%～2.0%。測試分析表明，陡山沱組頁巖TOC為0.5%～2.0%，其中，TOC>1.0%的頁巖實驗樣品數占全部測試樣品的54%，TOC最大可達5.1%，位于湘西北地區，總體頁巖樣品平均TOC含量為1.26%。

由于中、上元古界頁巖有機質來源主要為低等生物，缺乏鏡質體組分，因此，熱演化階段的劃分主要借助于瀝青反射率(Rb)或最高熱解峰值(Tmax)等指標分析。文獻表明，陡山沱組頁巖Rb為2.00%～4.00%，如湘西北地區陡山沱組頁巖的Rb為2.38%～2.87%；雪峰山西側地區陡山沱組頁巖的Rb為1.78%～3.05%；中揚子地區陡山沱組頁巖有機質熱演化程度較高，Rb一般為2.50%～3.50%，湖北利川利1井陡山沱組頁巖的Rb平均為4.73%，咸豐地區咸2井陡山沱組頁巖Rb平均為3.83%[6，9]。總體上看，揚子地區震旦系頁巖處于高成熟—過成熟階段。

陡山沱組頁巖的儲層物性與下古生界頁巖相當，如湘西北地區陡山沱組頁巖孔隙度為0.6%～8.7%，平均為3.9%，滲透率均小于0.04×10-3μm2，屬低孔、低滲類型，埋深為2 000～5 000 m，儲層指標也與北美產氣頁巖相當[9]。陡山沱組頁巖沉積環境為海侵期的陸棚相和臺內盆地相，有機質保存條件好，豐度高，熱演化程度處于高成熟—過成熟演化階段。陡山沱組頁巖氣有利發育地區應為構造相對簡單、厚度大、熱演化程度相對較低的湘鄂西和渝東南地區。

3 燕山地區中上元古界

華北板塊中、上元古界地層主要分布在河北省北部和遼寧省西部等地的燕山地區。中、上元古界地層在該區出露連續穩定，厚度比較大。頁巖地層在地質歷史時期經歷了一定的熱演化過程，具有生烴的基本特征，且大量的油苗也顯示了該套地層具有一定的生烴能力。

3.1 冀北地區

天津薊縣中、上元古界地層底界不整合于太古宙變質巖之上，頂界被寒武系所覆蓋，為一套未變質或輕微變質的碳酸鹽巖和碎屑巖等巖石組合，地層中富含疊層石和微古植物等化石。野外地質剖面和探井揭示，中、上元古界地層分布在內蒙隆起以南、五臺隆起以東和郯廬斷裂帶以西的廣大區域內，頁巖主要發育在長城系串嶺溝組、鐵嶺組和洪水莊組以及青白口系下馬嶺組地層中。巖相古地理表明該地區中、上元古代時期以局限的海灣沉積為主[10]。

薊縣地區地層最大厚度可達6 000 m以上。頁巖厚度大且穩定分布，串嶺溝組地層沉積環境為濕熱氣候條件下的濱海到淺海沉積，巖性以灰—灰黑色頁巖、粉砂質頁巖和白云巖為主，厚度為83～402 m。洪水莊組地層沉積環境與串嶺溝組相似，為淺海靜水沉積，巖性以黑色或灰黑色頁巖為主，夾有薄層白云巖，頁巖最大厚度約為140 m。鐵嶺組地層以深灰色白云巖和灰巖為主，夾薄層狀黑色頁巖，地層厚度為150～300 m。下馬嶺組地層發育在潮坪和淺海陸棚相中，巖性以綠色、黑色或灰色頁巖為主，頁巖厚度為100～300 m，部分地區遭受剝蝕。平面上，頁巖地層厚度以薊縣為中心，向周邊逐漸降低，北京昌平、房山和門頭溝地區，天津薊縣和寶坻地區，河北遷西縣均含有一定厚度的中、上元古界頁巖分布。

中、上元古代頁巖地層中有機質類型多為Ⅰ或Ⅱ1型。頁巖中有機碳同位素分析表明，同位素組成多為富烴碳同位素，δ13C為-29.0‰～-34.6‰，具有海相藻類的有機質特征，干酪根類型為I型。中、上元古代時期尚無陸生植物，干酪根原始組分主要以細菌和藻類形成的腐泥組，下馬嶺組頁巖顯微組分以腐泥組為主，平均為65%，惰質組平均為35%，不含殼質組和鏡質組，屬于Ⅰ—Ⅱ型干酪根。

中、上元古界下馬嶺組TOC平均為2.20%，最高可達11.00%；鐵嶺組頁巖TOC含量值最高達4.50%；洪水莊組頁巖TOC平均為1.85%，最高為5.60%。由于串嶺溝地層年代比較老，TOC含量較低，平均僅為0.23%。華北地區下馬嶺組、鐵嶺組和洪水莊組氯仿瀝青“A”和總烴含量也較高，氯仿瀝青“A”的平均值分別為305×10-6、876×10-6和1 018×10-6。下馬嶺組、鐵嶺組和洪水莊組的總烴含量大多為6～9 mg/L，具有一定的生烴潛力，串嶺溝組頁巖的氯仿瀝青“A”和總烴含量都比較低。從層位上，下馬嶺組和洪水莊組頁巖的有機質豐度較高，串嶺溝組和高于莊組頁巖則相對較低(表2)。平面上，有機質豐度較高的地區基本與沉積沉降中心保持一致，主要分布在天津薊縣和寶坻地區以及北京房山和門頭溝等地區。

表2 華北北部地區中、上元古界泥頁巖有機質豐度

鐵嶺組和洪水莊組頁巖的Rb分別為1.28%和1.38%，演化程度相對較低；高于莊組頁巖的Rb為2.21%，在大部分地區均已達到成熟—高成熟階段(表3)。

表3 華北北部地區中、上元古界泥頁巖熱演化程度

該地區中、上元古界頁巖Tmax為450～490 ℃，處于高—過成熟演化階段，由于頁巖時代久遠和受后期運動的影響，研究區頁巖Tmax值一般作為表征有機質熱演化程度的輔助手段。一般來說，中、上元古界頁巖中有機質的熱演化程度隨著年代變老而逐漸增高，下馬嶺組處于生油為主的階段，鐵嶺組和洪水莊組頁巖處于生大量凝析油氣階段，而長城系高于莊組則處于干氣生產階段。下馬嶺組頁巖Tmax值高于下伏的鐵嶺組和洪水莊組地層，可能與下馬嶺組地層中夾有2～3層的輝綠侵入巖有關。相對于揚子地區發育的陡山沱組頁巖地層，該地區中、上元古界頁巖熱演化程度較低，可能與該地區未經歷大的深埋過程和相對穩定的構造運動有關。

冀北地區中、上元古界頁巖地層厚度大，分布穩定且連續性好。由于良好的氣候環境和保存條件，頁巖中有機質豐度較高且具有適中的熱演化程度，因此，該地區頁巖地層具有較好的生烴條件。其中，洪水莊組發育頁巖氣的地質條件較優，其次為下馬嶺組和鐵嶺組，有利區分布在以天津薊縣和北京門頭溝為中心的周邊區域。

3.2 建昌盆地

建昌盆地位于遼寧省西部地區，區域上屬于燕山構造帶的東段，下部為元古界和古生代地層、上部為中生界地層的疊合盆地，中、上元古界地層出露在盆地周邊[11]。建昌盆地中、上元古界地層最大沉積厚度在5 000 m以上，主要分布在凌源和北票等地，沉積的頁巖地層，分別位于洪水莊組、鐵嶺組及下馬嶺組中。

洪水莊組地層為相對封閉的海灣相沉積，巖性以灰黑、灰綠色泥頁巖為主，巖性和展布較穩定，在凌源和寬城一帶厚度最大，為184 m，向周邊地區逐漸減薄。其中，H1井揭示洪水莊組頁巖厚度為60 m，Y1井揭示頁巖厚度為76 m，野外地質剖面中該頁巖厚度為60～114 m，厚度變化受控于沉降中心位置。鐵嶺組地層沉積相為潮上帶和潮間帶，巖性以灰色泥質白云巖夾頁巖為主，局部見疊層石，下部為白云巖，上部主要由白云質頁巖和黑色頁巖構成。地層厚度在喀左轆轤井地區最大，為337 m，向南厚度逐漸減薄，其中，凌源老莊戶為276 m，喀左北洞處為198 m。受構造抬升剝蝕，朝陽鐵匠爐和鳳凰山等地地層厚度較小，甚至缺失。該段地層中見較多的油苗和瀝青，顯示了較好的生油氣條件。下馬嶺組頁巖地層分布范圍相對局限，巖性主要為砂質頁巖、鈣質頁巖和硅質頁巖，屬潮間帶的澙湖亞相沉積，地層厚度為23～235 m，主要分布在朝陽南部和凌源的溝門子地區等。宏觀上看，洪水莊組頁巖分布比較穩定且面積較大，其次為鐵嶺組和下馬嶺組頁巖地層。

建昌盆地內中新元古界頁巖干酪根碳同位素數值為-29.40‰～-33.85‰，為Ⅰ型干酪根。研究表明，洪水莊組、鐵嶺組和下馬嶺組頁巖干酪根類型均以Ⅰ—Ⅱ1型為主[11]。

洪水莊組頁巖有機質豐度最高，H1井TOC為0.2%～7.8%，平均為3.1%；Y1井TOC平均為1.2%，最大可達2.8%；在凌源老莊戶露頭區洪水莊組頁巖的TOC為0.6%～4.5%，平均為2.0%。鐵嶺組有機質豐度相對較低，H1井TOC為0.1%～1.0%，平均為0.5%；Y1井TOC平均為0.28%，最大為1.15%，野外露頭頁巖樣品TOC為0.30%～5.00%，平均為1.73%。下馬嶺組頁巖野外露頭TOC為0.30%～5.00%，平均為2.68%，Y1井和H1井中下馬嶺組地層缺失。層位上看，洪水莊組頁巖的有機質豐度明顯好于鐵嶺組，是該地區重要的富有機質頁巖層系。

中、上元古界頁巖中有機質的熱演化程度相對較低。H1井洪水莊組頁巖的Rb為0.54%～0.91%，平均為0.68%，處于凝析油氣生成階段；洪水莊組巖石熱解峰值Tmax為425～437 ℃，平均為431 ℃。鐵嶺組Tmax為423～457 ℃，平均為436 ℃，處于生烴高峰期。此外，野外露頭地層中的輕質瀝青和部分油跡也間接印證了該地區頁巖相對較低的演化程度特征。值得注意的是，下馬嶺組在該區受到了輝綠巖的侵入烘烤影響，有機質熱演化程度較高，達到了高—過成熟階段。

遼西建昌盆地洪水莊組泥頁巖厚度大、分布穩定，有機質類型主要以腐泥型為主，有機質豐度相對較高，熱演化程度適中，具有較好的頁巖氣發育地質條件。相對于洪水莊組，鐵嶺組和下馬嶺組的頁巖氣發育地質略差，但也具有一定的頁巖氣發育資源前景。建昌盆地內中、上元古界頁巖氣發育有利區主要分布在凌源老莊戶、六官營子等西部地區。

4 結 論

(1) 中國中、上元古界富有機質頁巖主要分布在華北燕山地區和中上揚子板塊，總體上具有展布穩定，厚度大的特征。富有機質頁巖多沉積在大陸架和局限海相盆地內，其中，陡山沱組頁巖厚度大多在20 m以上，洪水莊組頁巖厚度在50 m以上。

(2) 中、上元古界頁巖有機質以腐泥型為主，有機質豐度受控于沉積相，TOC從0.1%到7.8%不等。頁巖熱演化成熟度在較大程度上由埋深和構造運動決定，Rb在揚子地區較高，處于高—過成熟階段，燕山地區則較低。頁巖地球化學特征初步表明，該領域地層具有一定的頁巖氣發育地質條件。

(3) 湘鄂西和渝東南地區的陡山沱組、華北北部地區和建昌盆地西部地區的洪水莊組具有較好的頁巖氣發育地質條件，其勘探前景值得關注。

[1] 郭少斌，黃磊.頁巖氣儲層含氣性影響因素及儲層評價——以上揚子古生界頁巖氣儲層為例[J].石油實驗地質，2013，35(6)：601-606.

[2] 劉超英.頁巖氣勘探選區評價方法探討[J].石油實驗地質，2013，35(5)：564-569.

[3] 陳建平，梁狄剛，張水昌，等.泥巖/頁巖：中國元古宙—古生代海相沉積盆地主要烴源巖[J].地質學報，2013，87(7)：905-921.

[4] 金之鈞，蔡立國.中國海相油氣勘探前景、主要問題與對策[J].石油與天然氣地質，2006，27(6)：722-730.

[5] 荊鐵亞，林臘梅，封富，等.吉林省頁巖氣發育有利條件與分布[J].特種油氣藏，2015，22(1)：31-35.

[6] 楊平，謝淵，李旭兵，等.雪峰山西側震旦系陡山沱組烴源巖生烴潛力及油氣地質意義[J].中國地質，2012，39(5)：1299-1310.

[7] 雍自權，張旋，鄧海波，等.鄂西地區陡山沱組頁巖段有機質富集的差異性[J].成都理工大學學報：自然科學版，2012，39(6)：567-574.

[8] 李艷霞，李凈紅.中揚子區上震旦統—志留系頁巖氣勘探遠景[J].新疆石油地質，2010，31(6)：659-663.

[9] 李國亮，王先輝，羅鵬，等.湘西北地區震旦紀陡山沱組頁巖氣儲層特征[J].中國煤炭地質，2014，26(6)：5-9.

[10] 張守鵬，邊雪梅，郝運輕.燕山地區中、上元古界地層結構與油氣保存條件分析[J].地層學雜志，2007，31(增刊2)：599-603.

[11] 馬滿興，慕德梁，李正達.建昌盆地中新元古界石油地質條件研究[J].特種油氣藏，2013，20(2)：60-64.

編輯 林樹龍

20150603；改回日期：20150802

中國華能集團科技項目“重慶酉陽東區塊儲層壓裂裂縫形態的主要影響因素研究”(HNJK14-H25)

荊鐵亞(1987-)，男，工程師，2009年畢業于中國地質大學(北京)資源勘查工程(能源)專業，2014年畢業于該校礦產普查與勘探專業，獲博士學位，現從事非常規天然氣地質研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.002

TE122

A

1006-6535(2015)06-0005-05