桂中坳陷中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖特征及意義

張子亞，魏家琦，石砥石，覃英倫，趙應權，龐春雨，劉 洋

(1.中國地質調查局 油氣資源調查中心，北京 100083；2.中國地質調查局 非常規油氣地質重點實驗室，北京 100029；3.成都理工大學 沉積地質研究院，成都 610059)

美國頁巖氣革命的爆發，在全世界掀起了頁巖氣勘探與開發的熱潮。隨著我國對頁巖氣資源調查與勘探工作的不斷深入，在四川盆地涪陵地區取得了頁巖氣勘探的巨大突破，并進入商業開采階段[1-5]。后續研究與勘探工作[6-18]揭示我國保存有巨量的頁巖氣資源[13-16]，并且在多個地區都取得了頁巖氣勘探的可喜發現[19-21]，顯示出大有可為的態勢。桂中坳陷一直以來是油氣勘探的重點區域[22-35]，主要發育生物礁儲層，烴源巖條件較為優越，保存條件相對較差[35]。但是，對桂中坳陷中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖的系統研究仍然較為缺乏[28,30]，筆者開展了泥頁巖厚度、礦物組成、有機質豐度、有機質成熟度及類型研究，在此基礎上結合選取標準，預測了羅富組富有機質泥頁巖的頁巖氣勘探有利區。

1 地質背景

桂中坳陷位于廣西壯族自治區東北部，泥盆紀受拉張運動影響，在坳陷內部形成了北西和北東向的2組邊界斷裂；同時，由于海侵規模擴張，坳陷內部形成了臺盆相間的沉積格局[34]。現今坳陷面積約4.6×104km2，北部與江南古陸毗鄰，東部以龍勝—永福斷裂及大瑤山隆起為界，西部以南丹—都安斷裂為界[35-36]。中泥盆世早期，碎屑物源因為雪峰古陸近乎夷平而大為減少，碳酸鹽沉積逐漸增加；沉積環境以臺盆相為主，濱岸相幾乎不存在，其余地帶與早泥盆世晚期大致相同，局部可見海退現象而呈現半局限臺地，表現為三臺圍一坳，在坳陷北部隆起區不發育；在南丹—環江—羅城—百畝—茶洞一線以北，表現為碳酸鹽開闊臺地環境沉積，以灰巖沉積為主；靈川—臨桂—永福—金秀—東鄉—六陳以東地區，表現為孤立臺地沉積，以灰巖沉積為主；在黎塘—貴港以南地區也發育一個小區域的孤立臺地沉積；而在坳陷的其他區域則表現為臺盆相沉積(圖1)，發育有大套的暗色富有機質泥頁巖，為頁巖氣潛在有利勘探目標。

2 富有機質泥頁巖沉積特征

2.1 巖性特征

桂中坳陷中泥盆統沉積期發育臺盆相間的沉積格局(圖1)，受此影響，主要發育泥頁巖和碳酸鹽巖，其中泥頁巖主要發育于臺盆相區。根據本次野外實測剖面，發育于臺盆相區的泥頁巖主要有3種類型：灰黑色泥頁巖、黑色碳質泥頁巖和竹節石泥頁巖，其中竹節石泥頁巖風化后呈紅褐色(圖2)。

2.2 厚度分布

頁巖氣的分布與富有機質泥頁巖的分布關系密切，查明富有機質泥頁巖的空間展布特征，尤其是其厚度展布特征，是揭示頁巖氣潛力的重要工作之一。在富有機質泥頁巖有機地化特征相同的情況下，其厚度越大，相應的油氣勘探潛力也就越大。中泥盆統沉積期，羅富組是桂中坳陷富有機質泥頁巖的主要賦存層位，以南丹—羅甸、合山及柳城—鹿寨為沉積中心。根據野外和鉆井資料揭示，該地區富有機質泥頁巖厚度平均超過250 m，沉積中心的厚度達550 m以上(圖3)。

圖1 桂中坳陷羅富組沉積期巖相古地理

圖2 桂中坳陷上林地區羅富組巖石類型

3 富有機質泥頁巖特征

3.1 礦物組成特征

X射線衍射全巖分析和黏土礦物分析顯示，中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖與其他富有機質頁巖具有相似性，都由脆性礦物和黏土礦物組成。

圖3 桂中坳陷中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖厚度平面分布

脆性礦物主要由石英、長石、碳酸鹽巖礦物組成。其中石英為優勢脆性礦物，20件樣品中其含量在24%～84%，平均53%(圖4)。長石含量次之，主要為斜長石，鉀長石含量較少。20件樣品中19件檢出斜長石，其含量介于2%～17%，平均7%；鉀長石大部分樣品未檢測出，僅少數幾件測出。碳酸鹽巖礦物主要為菱鐵礦，少量樣品含有白云石。菱鐵礦含量總體也較低，介于1%～8%，平均3%。其他脆性礦物，如黃鐵礦、石膏、重晶石等未檢測出。

黏土礦物以伊利石為主，綠泥石和高嶺石次之，含有少量的伊/蒙混層。黏土礦物總含量介于3%～71%，平均35%(圖5)。伊利石含量介于68%～95%，平均84%。20件樣品中高嶺石礦物僅在第1層至第7層以及第9層發育，含量介于5%～29%，平均16%；其他層位未檢測出。綠泥石礦物在大部分樣品中皆有發現，含量介于2%～26%，平均9%；在第1層、第2層、第4層、第6層以及第22層共計5層中未檢出。

3.2 有機質豐度、類型及成熟度

3.2.1 有機質豐度

通常采用總有機碳含量、氯仿瀝青“A”、生烴潛量(S1+S2)和總烴含量來表征富有機質泥頁巖的有機質豐度。但在高熱演化條件下，除了總有機碳含量尚具有一定的參考價值之外，氯仿瀝青“A”等3項指標已經不再具有指示功能。

圖4 桂中坳陷中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖脆性礦物含量

圖5 桂中坳陷中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖黏土礦物含量

受加里東構造運動影響，中泥盆世桂中坳陷裂陷活動發育，導致臺盆范圍擴大，并伴隨有臺盆水體加深。在此條件下，有機質得以大量富集和保存，為后續頁巖氣勘探提供了良好的條件。野外資料點和鉆井資料綜合揭示，羅富組富有機質泥頁巖有機質豐度整體較好，達1.0%以上；其中又以南丹、柳州和合山—上林3個區域最為富集，合山—上林一線西北部最高可達3.0 %以上(圖6)。

3.2.2 有機質類型

有機質類型是烴源巖研究的重要指標之一，表征著烴源巖是生油亦或是生氣。其主要表征參數是烴源巖中干酪根有機顯微組分，通常包括鏡質組、惰性組、殼質組等單元，性質與特征各不相同[37]。因此，查明烴源巖干酪根顯微組分的差異性，也就能了解有機質類型的差異。

圖6 桂中坳陷中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖TOC平面分布圖

結合南丹大廠剖面實測資料，羅富組富有機質泥頁巖中干酪根顯微組分以腐泥組和殼質組為主，兩者含量占絕對優勢，為59.3%～87.7%，而鏡質組含量僅為12.0%～40.7%，惰性組含量幾乎為0，總體表現為Ⅰ—Ⅱ1型有機質(圖7)。羅富組干酪根碳同位素值為-27.44‰～-24.84‰[38]，同樣偏輕，表現為Ⅱ1型有機質，與干酪根鏡鑒結果一致。

3.2.3 有機質成熟度

富有機質泥頁巖有機質成熟度評價是開展頁巖氣調查的重要組成之一，研究揭示富有機質泥頁巖有機質只有達到一定的成熟度之后，才會具有較高的油氣勘探價值和潛力。有機質成熟度是指有機質的熱演化程度，在油氣地質上常采用鏡質體反射率(Ro)與熱解法(Tmax)來揭示。本次研究通過對樣品開展鏡質體反射率和熱解法測試，將有機質熱演化劃分為4個階段，即：未成熟、低成熟、成熟和過成熟。

桂中坳陷富有機質泥頁巖鏡質體反射率整體較高， 介于2.0%～3.0%，處于過成熟演化階段；桂中坳陷“羅城—柳州—來賓—上林”一線以東地區鏡質體反射率低于2.0%(圖8)，表明該地區富有機質泥頁巖可能大量生氣，具有較好的勘探前景。

研究區中泥盆統內樣品的Tmax值均分布在315～524 ℃之間(圖9)。意味著研究區內部分樣品尚未進入成熟階段(Tmax小于430℃)，部分樣品已經進入了高成熟階段(Tmax大于450 ℃)，且有部分樣品進入了過成熟階段(Tmax大于500 ℃)。這說明中泥盆統的泥頁巖在熱演化過程中呈現出了2個極端，即部分未成熟，部分已經高成熟或過成熟。Tmax值揭示的特征與鏡質體反射率(Ro)揭示的具有一致性，充分表明該地區可能具有較好的勘探潛力。

圖7 桂中坳陷中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖顯微組分三角圖

圖8 桂中坳陷中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖鏡質體反射率平面分布

圖9 桂中坳陷中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖Tmax直方圖

同時，結合表1，桂中坳陷中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖樣品的熱解烴(S2)含量普遍超過0.1 mg/g，且遠超過可溶解烴(S1)，表明殘留物以穩定性高的干酪根為主，也表明該地區富有機質泥頁巖的熱演化程度較高。

4 頁巖氣富集有利區

4.1 選區標準

筆者主要選取富有機質泥頁巖有效厚度、有機質豐度、成熟度及有機質類型為指標(表2)，釆用綜合信息疊合法，對研究區頁巖氣有利勘探區進行預測。具體做法為，將有機碳含量大于2%，鏡質體反射率介于2%～3%，厚度大于100 m的疊合區域圈定為有利富集帶。

表1 桂中坳陷中泥盆統羅富組富有機質泥頁巖熱解參數

表2 有利區優選參考指標

4.2 有利區分布

根據上述頁巖氣有利勘探區圈定原則，綜合構造、有機碳含量、富有機質泥頁巖成熟度及有機質類型等信息，上林地區馬山—上林一帶中泥盆統羅富組泥頁巖有機碳含量較高(大于2%)，有機質成熟度達到高—過成熟階段(大于2%)，泥頁巖厚度較厚(50～350 m)，分布廣泛，埋深適中，因此中泥盆統頁巖氣有利勘探區分布于馬山—上林一帶與南丹—天峨一線(圖10)。

圖10 桂中地區中泥盆統羅富組下段富有機質泥頁巖生烴有利區預測

5 結論

(1)中泥盆統羅富組沉積期，桂中坳陷富有機質頁巖主要發育于臺盆環境，以南丹—羅甸、合山及柳城—鹿寨為沉積中心，沉積中心的平均厚度超過550 m。

(2)中泥盆統羅富組有機質類型主要為Ⅰ—Ⅱ1型；有機碳含量在坳陷內整體較好，高于1%；鏡質體反射率介于2.0%～3.0%；有機地化特征揭示有利于頁巖氣成藏。

(3)綜合沉積環境和富有機質泥頁巖特征，認為中泥盆統頁巖氣有利勘探區分布于馬山—上林與南丹—天峨一帶。

致謝：感謝成都理工大學沉積地質研究院侯明才教授團隊在廣西野外和后期樣品處理過程中的幫助！