哈山上石炭統太勒古拉組黑色頁巖地球化學及有機質特征

馬風華

（寧夏回族自治區地質調查院，寧夏 銀川 750021）

哈拉阿拉特山（哈山）地處準噶爾盆地西北緣，出露地層包括上石炭統太勒古拉組、晚二疊統烏爾禾群、侏羅系和早白堊系。該地區上石炭統太勒古拉組第三段（太三段）見一套厚約960余米的黑色頁巖，野外露頭觀察顯示，該套黑色頁巖夾少量灰巖層，局部見砂質條帶，黑色頁巖頁理非常發育，風化呈薄片狀（圖1），是值得關注的頁巖氣勘探層位。目前針對哈山太勒古拉組的研究主要集中在沉積學、古生物、地層及構造方面，如王玉凈將其厘定為石炭紀地層[1]；孫少華認為該頁巖為一套淺海-較深海沉積產物[2]；晉慧娟認為其具深水沉積特征[3]；胡楊認為哈山位于準噶爾盆地西北緣前陸褶皺沖斷帶上[4]。油氣方面的研究主要是常規油氣烴源巖地化的研究，石冰清認為該頁巖為一套有機質豐度較高、類型較好、演化程度極高的烴源巖?石冰清.準噶爾北緣下石炭統烴源巖研究—以五彩灣、烏倫古及和什托洛蓋盆地為例.新疆大學（學位論文），2013，但未從頁巖及頁巖氣勘探的角度進行相關研究。作為一套巨厚的海相頁巖氣潛力勘探層位，對其有機地球化學特征、有機質光學顯微特征及有機質賦存特征進行研究，有助于為該套層位的后續頁巖氣勘探與評價提供參考。本文利用有機地球化學、光學顯微鏡分析、掃描電鏡及能譜分析等方法，對哈山上石炭統黑色頁巖有機地球化學特征、有機質光學顯微特征及有機質的賦存狀態進行研究，指出該套頁巖的頁巖氣勘探潛力。

1 地球化學參數特征

哈山地區太勒古拉組頁巖露頭樣品TOC整體較低，均值僅為0.591%，最高1.01%，近95%的露頭樣品TOC集中于0.5%～1.0%（表1）。哈山頁巖烴指數HCI總體較低，均值為2.28 mg/g，波動范圍1.16～12.16 mg/g，幾乎全小于10 mg/g（表1），哈山頁巖生烴潛量（S1+S2）以低為特征，均值僅為0.052 mg/g，近99%的樣品生烴潛量小于0.1 mg/g（表1）。氫指數整體較低，均值6.94 mg/g，波動范圍3.94～13.66 mg/g，98%樣品氫指數小于10 mg/g（表1）。原因可能是哈山頁巖處于高-過成熟階段，液態烴裂解為氣態烴類產物并大量排出以至損失殆盡，導致實驗測試過程中生成的烴量急劇減少，造成烴指數和生烴潛量總體較低。最高熱解峰溫Tmax數據表明，哈山頁巖Tmax整體處于510℃～537℃，均值534.8℃（表1），屬高-過成熟階段?李鮮蓉.三塘湖盆地及周邊石炭系烴源巖評價.西北大學（學位論文），2009。據Tmax和Ro之間關系可知，哈山地區頁巖有機質成熟度基本對應于Ro＞2.0階段[5]，烴類發生裂解，屬有機質生成干氣階段，有利于頁巖氣的生成。

圖1 哈拉阿拉特山地質簡圖及頁巖露頭Fig.1 Geological sketch map of Halaalate Mountain and shale outcrop

表1 哈山太勒古拉組頁巖地化參數表Table 1 The geochemical date of Tailegula formation of Hashan

實測氫指數及氧指數表明其干酪根類型為Ⅲ型，實測氧指數極高，均介于900～1 000 mg/g，氫指數多小于1 mg/g，極個別樣品達到1～10 mg/g；同時哈山頁巖的降解潛率（D%）全部小于5%，S2/S3均小于2.5，總體表現出Ⅲ型干酪根特征；最高熱解峰溫Tmax與氫指數HI亦表明哈山頁巖干酪根類型更接近Ⅲ型（圖2）[6]。結合該地區為晚古生代海相沉積背景[1-3]，初始干酪根類型應以Ⅰ、Ⅱ型為主。原因在于，對于高-過成熟泥頁巖，生烴過程已基本完成，其殘留生烴能力有限，從而導致熱解參數對有機質類型劃分的準確降低，僅可作為參考[7]。后續工作中，對該地區高-過成熟泥頁巖有機質類型，應采用Pr/n-C17，Ph/n-C18，C27-C28-C29規則甾烷的相對含量、飽和烴色譜峰型等相關指標進行判斷[8]。

總體來看，哈山上石炭統太勒古拉組黑色頁巖現今表現出熱演化程度高、有機質含量相對低、生烴潛力極低的特征，據戴鴻鳴高成熟海相烴源巖評價標準[9]，哈山高過成熟烴源巖達較好-最好烴源巖級別（表2）；以成熟階段來看，哈山80%的頁巖達到好的源巖級別，部分達極好烴源巖級別；因此,哈山頁巖屬好的烴源巖，具頁巖氣勘探前景。

2 有機質光學顯微特征

為直觀地觀察研究區有機質形態特征和分布情況，采用煤巖學與巖石學相結合的方法，在光學顯微鏡下分別觀察頁巖的巖石粉末光片（制作同粉煤光片）和薄片，對研究區頁巖中分散有機質識別鑒定。

參照《煤巖學》中有機質顯微鏡下光學特征[10]，以頁巖巖石粉末光片和薄片為載體，對頁巖中有機質進行鑒定。據煤巖學理論，有機質在透射光下呈黑色，且正交偏光下無消光現象，在反射光下不同顯微組分的顏色略有差別，基本呈白-灰白色，其中鏡質組無凸起或微突起，殼質組低突起，惰性組突起最高。實際觀察中，研究區頁巖中有機質基本處于均一化狀態，顯微組分較難區別，反映出較高的熱演化程度，但仍可根據光學性質將其與無機礦物區分開。

圖2 哈山太勒古拉組頁巖HI-Tmax關系圖解Fig.2 Across plot of HI and Tmax of Hashan shale

表2 哈山地區烴源巖有機質豐度評價Table 2 Evaluation of organic abundance in Hashan

研究表明，哈山剖面太三段（TC01）頁巖巖石粉末光片在鏡下可見有機質呈分散狀態散布于基質中，鏡下為灰白-亮白及淺灰色，凸起極低；有機質顆粒大小不一，絕大數僅幾個微米，個別樣品鏡下可見數10×10 μm大小的有機質顆粒；有機質顆粒較破碎且分散不均，光片視域中呈較亮星點狀分布（圖3-A，B，C）；雖有機質顆粒小，分散不均勻，但總的有機質碎屑含量仍然客觀，與實測TOC相匹配。

通過觀察打磨拋光后的1號探槽頁巖塊樣，可以看出塊樣中的有機質雖然也是零星散開分布，但保存形態明顯好于粉末光片。反射光下，有機質同樣呈灰白-白色，無明顯凸起；但有機質顆粒直徑較大，多在10 μm以上，有的條帶狀有機質可長達上百微米。有的有機質顆粒還顯示出類似生物體結構，彎曲的條帶狀可能是低等生物遺體（圖3-D，E，F）。

為進一步確認鏡下所認定的有機質是否存在差錯，圖4-A中淺灰白色區域進行電子探針測試。電子探針測試表明，上述淺灰白色區域在電子顯微鏡下為1號區域(圖4-B-①)，其能譜圖顯示具有明顯的碳峰值，說明1號暗色區域為分散有機質碎屑；而2、3號區域能譜不具碳峰值(圖4)，因此上述顯微鏡下所觀察的物質確為有機質無疑。

3 有機質賦存特征

為研究哈山頁巖中有機質賦存形態及與礦物的伴生關系，采用掃描電鏡+能譜分析的方法對哈山頁巖進行觀察。發現圖5中的17、23、24、37及44能譜點元素主體為碳（表3），說明其為有機質。同時顯示頁巖中有機質常被粘土礦物包圍，也有石英粘土顆粒嵌入有機質中，有機質為暗黑色或灰色，呈紡錘形、長條形，整體沿礦物孔隙分布，邊緣一般較圓滑。哈山頁巖中有機質的賦存狀態主要是以納米-微米級顆粒形態存在于礦物顆粒之間；圖5-B有機質與綠泥石鑲嵌分布但界線分明，圖5-C石英十分干凈，說明礦物表面沒有吸附的無定形有機質存在。

分析認為，造成上述有機質分布狀態的原因包括以下2個方面：①頁巖中的有機質在原始沉積時主體以有機質顆粒形態充填于頁巖礦物顆粒、孔隙之間，雖經高熱演化階段，但現今殘余有機質（惰質組）仍分布于礦物顆粒、孔隙中；②高熱演化過程中，頁巖中有機質以凝膠化狀態重新“近源”聚集，具優先沿礦物顆粒、孔隙重新充填分布的特征。觀察中未見無定型有機質分布于礦物表面，原因包括：①對低熟頁巖，不排除有少量的分散有機質吸附于礦物表面，但在高熱演化過程中，粘土礦物之間相互轉換（蒙皂石+蒙伊間層段向伊利石、綠泥石轉換[11]）的分子重組對吸附于礦物表面的有機質具“潔凈”作用；②可能與呈分子狀吸附在礦物表面（包括內、外表面）的無定形有機質與顆粒狀有機質在轉化為烴類過程中的差異性有關。礦物表面吸附的無定形有機質本身量少且以凝膠化的鏡質組為主，更易于轉化為烴類排放；而呈顆粒狀存在的有機質相對量大且含有客觀的殼質組和惰質組，在熱演化過程中相對穩定而不易轉化為烴類，從而得以保存至今。

圖3 哈山頁巖光片反射光下分散有機質Fig.3 The dispersion organic under reflected light in polished section of Hashan shale

圖4 哈山頁巖反射光下有機質電子探針能譜圖Fig.4 Electron probe energy spectrum diagram of organic under reflected light of Hashan shale

表3 哈山頁巖樣品能譜元素分析結果Table 3 Data of energy spectral element of Hashan shale

4 哈山黑色頁巖勘探前景

哈山太勒古拉組黑色頁巖厚度達960余米，遠遠大于頁巖氣勘探目標層位大于30 m 的下線標準[12]。熱演化程度高，達到高成熟-過成熟階段，已到干氣階段，滿足頁巖氣勘探目標要求的1.1%[12]。露頭樣品有機質含量(TOC)主體位于0.5～1.0%，據海相高成熟-過成熟烴源巖評價標準[9]，達到好-最好烴源巖級別，滿足頁巖氣勘探的物質基礎。

圖5 哈山頁巖樣品微觀顯微結構及能譜元素數據點位置Fig.5 SEM photo and energy spectral element data point of Hashan shale

據 Harry Dembicki Jr.和 Jonathan D.Madren 提出的烴源巖TOC-S2交會圖（圖6）[13]，根據哈山地區頁巖高成熟-過成熟的特征，在烴源巖評價標準選擇的基礎上，將哈山頁巖TOC、S2進行投點。哈山頁巖樣品點均落入頁巖氣窗范圍內，說明哈山頁巖具較好的氣源條件。

5 結論

哈山太勒古拉組黑色頁巖熱解峰溫介于510～537℃，均值達534.8℃，達到高成熟-過成熟階段；露頭樣品TOC含量主體位于0.5～1.0%，均值0.59%，屬好的級別烴源巖。頁巖中有機質在顯微鏡反射光下呈灰白-亮白及淺灰色，凸起極低，有機質顆粒大小不一，有機質在塊樣光片中比粉末光片中顆粒要大。頁巖中納米-微米級有機質主體以紡錘形、長條形賦存于礦物顆粒及孔隙當中，未見礦物表面吸附的無定型有機質存在。高成熟度頁巖中的有機質賦存狀態受原始沉積狀態、高熱演化中有機質凝膠化重新分布優先充填于礦物顆粒及孔隙控制、粘土礦物間轉換的“潔凈”作用及不同有機質顯微組分排烴差異共同控制。TOC-S2交會圖顯示哈山上石炭統太勒古拉組黑色頁巖具良好的氣源條件，具備頁巖氣勘探物質基礎。

圖6 哈山地區頁巖TOC-S2交會圖Fig.6 Across plot of TOC and Rock Eval S2 Hashan shale