鄂東通山地區下寒武統牛蹄塘組富有機質頁巖礦物組成及意義

吳 松， 胡忠貴*， 邱小松， 李世臨， 李胡蝶， 劉淑芬

(1.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室， 武漢 430100； 2.長江大學地球科學學院， 武漢 430100； 3.中國石油勘探開發研究院， 北京 100029； 4.中石油西南油氣田公司重慶氣礦， 重慶 400021)

中國南方海相富有機質頁巖具有分布面積廣、沉積厚度大、有機質豐度高、有機質含量高、成熟度適中的特點，有利于頁巖氣藏的形成，資源潛力巨大[1-2]。前人對四川盆地周緣頁巖氣的勘探開發做了大量的研究工作，已在涪陵焦石壩、長寧-威遠、云南昭通等區塊取得重要突破。近年來，中下揚子地區作為頁巖氣勘探開發的重要接替區越來越引起學術界和工業界的重視[3-6]，取得了重要進展，但不同地區、不同層系認識程度不一。目前在四川盆地東南側外圍的鄂西地區鄂宜頁1井、鄂陽頁1井在牛蹄塘組獲得高產工業氣流，增強了對新區新層系的勘查信心。能源消費結構的逐漸轉型對天然氣的需求急劇增長，頁巖氣的勘探開發對緩解油氣對外依存度具有重要作用，鄂東通山地區地處中揚子東南緣，長江中下游，但對頁巖氣的勘查研究程度低，加強對鄂東地區頁巖氣的認識，對推動長江經濟帶的發展也具有一定現實意義。

巖石礦物的組成受沉積時期物源供給、沉積環境以及成巖作用等多種因素的影響[7]，對頁巖巖礦特征的分析研究有利于了解頁巖沉積過程及沉積環境的變化[8]，富有機質泥頁巖中的礦物組構情況是控制頁巖空隙及微構造發育和吸附特征的重要因素[9],對頁巖的含氣性和儲集物性具有重要作用[10]，對頁巖巖石礦物組分的分析是進一步研究頁巖儲集條件的基礎。現基于野外剖面勘察并采集新鮮野外露頭樣品，對鄂東通山地區下寒武統牛蹄塘組富有機質頁巖沉積背景及發育特征了解的基礎上，結合頁巖樣品進行X射線衍射分析，開展其礦物組構特征的分析與討論，為該區頁巖氣的進一步勘查研究與評價分析提供參考。

1 地質背景

鄂東通山地區位于湖北省東南部咸寧市，大地構造位置處在江南古陸與中下揚子東南側陸緣區接壤處，于崇陽-通山逆沖推覆構造帶內，北依秦嶺大別造山帶與大冶對沖帶相鄰，南與江南基底拆離推覆逆沖隆升帶相接，西連洪湖逆沖帶(圖1[11])。自震旦紀以來，研究區所處原型盆地受多期構造運動影響，后期還經歷了一定規模的自南向北的重力滑動[12]，發生了強烈的構造變形和剝蝕改造。由于緊鄰造山帶，受強烈的南北擠壓對沖以及北東向壓扭作用，研究區發育疊瓦狀單沖構造及緊閉倒轉褶皺為特征，主體以南傾北倒的緊閉線狀褶皺，北東向和北北西向及派生的次級斷裂構成[11]，局部構造不發育。

圖1 區域構造及位置圖[11]Fig.1 Regional structure and location[11]

下寒武統巖石地層名稱復雜多變，據文獻[13]記載，楊守仁1963年將咸寧一帶早寒武世早期的地層在咸寧高橋創名為“東坑組”，但高橋位于揚子沉積區，在湖北省內該地層1957年張文堂從李四光1924年所創立的石牌頁巖分出創立出“水井沱頁巖，后將水井沱頁巖底部地層稱為“水井沱組”，與在貴州遵義市由劉之遠1942年命名的“牛蹄塘組“對應，現以牛蹄塘組來敘述。

研究區牛蹄塘組地層與下伏燈影組呈平行不整合接觸，和上覆石牌組地層整合接觸。震旦紀末—早寒武世初期發生大規模海侵，導致研究區與揚子板塊的湘鄂西地區形成臺緣坳陷。大規模海侵體系域——饑餓段沉積形成一個以快速加深為特征的淹沒不整合面[14]。以南繼承晚震旦世向南傾斜的古地貌特征，并逐步形成斜坡帶。早寒武世晚期，海平面達到高位，繼續保持盆地邊緣較深水沉積環境，底部發育深灰色鈣質碳質頁巖。整體主要沉積一套碎屑巖陸棚-混積深水陸棚-盆地沉積相，沉積厚度大，由于早期海侵迅速、規模大，長時間的缺氧環境，有利于富有機質泥頁巖的發育。

2 實驗與結果

珍珠口和界水嶺兩個剖面(剖面位置如圖1所示)地層出露良好，界線清楚，巖性以一套鈣質碳質頁巖、鈣質泥頁巖、泥灰巖、鈣泥灰巖、碳質頁巖為主。從剖面觀察來看可見巖石類型多樣，富含三葉蟲化石。在對剖面詳細考察時進行了系統采樣，結合巖性特征及采樣位置，最終選取了9個樣品進行了全巖礦物分析，18個樣品進行了黏土礦物分析，樣品的測試工作在長江大學教育部油氣資源與勘查技術重點實驗室完成。檢測儀器設備為XD-2型X射線衍射儀，檢測依據參照《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T 6210—1996)。

礦物成分X射線衍射分析結果(表1)表明，鄂東通山地區下寒武統牛蹄塘組礦物類型多樣，成分較為復雜。含有石英、鉀長石、斜長石等碎屑礦物，方解石、白云石、菱鐵礦等多種碳酸鹽礦物，以及石膏、黃鐵礦、重晶石等非晶礦物。黏土礦物有伊利石、高嶺石、綠泥石、伊蒙混層。各個樣品礦物含量不同，從樣品分析結果來看總體以石英、長石及黏土礦物為主。石英含量最高，含量為31.9%～47.2%，平均42.1%；其次是黏土礦物，含量為18.3%～21.9%，平均20.6%。黏土礦物主要成分為伊利石，平均含量達63.9%，其次為綠泥石和伊/蒙混層，高嶺石含量較少；碳酸鹽礦物中以方解石含量變化最大，含量為1.3%～27.5%，平均值為15.1%；長石平均含量為12.0%，主要成分為斜長石，含量為7.2%～16.5%，平均10.2%；微晶礦物石膏在樣品中普遍存在，含量最高可達12.3%。

表1 通山地區牛蹄塘組X射線衍射分析結果Table 1 XRD results of mineral composition of Niutitang Formation shale in Tongshan area

3 分析與討論

3.1 礦物組成與沉積環境

泥頁巖的發育受到沉積環境的控制，不同礦物在不同環境下富集狀態有所不同，不同環境下頁巖氣富集條件存在差異[15]，黏土礦物對環境的變化尤為敏感[16]，礦物組成對了解頁巖的沉積環境具有指示性作用。早寒武世早期大規模的海侵使得海平面迅速上升直到早寒武世晚期才達到高位，研究區在牛蹄塘期保持較深水還原沉積環境。礦物組分含量分布(圖2)也表明，富有機質泥頁巖中含大量石英、長石及黏土礦物，此外黃鐵礦、石膏的普遍存在，表明該套地層沉積環境為靜水、缺氧的還原環境[16]。

圖2 通山地區牛蹄塘組頁巖樣品礦物組成及含量分布Fig.2 Mineral composition and content distribution of the Niutitang Formation shale samples in Tongshan area

黏土礦物作為環境演變的重要載體，能夠反映沉積過程中的環境變化，對黏土礦物組合及含量變化的分析是研究沉積環境的重要手段，黏土礦物的分異主要表現在陽離子交換和吸附能力[17]。在酸性水介質中，高嶺石較為穩定，在堿性水介質中，伊利石較為穩定富集，在不同的環境中從而形成不同的黏土礦物組合。研究區下寒武統牛蹄塘組黏土礦物組成(圖3)具有以伊利石含量最高，綠泥石和伊/蒙混層礦物含量較高，只有或者極少含量的高嶺石，不含蒙脫石的特點，黏土礦物組分以“I(伊利石)+I/S(伊/蒙間層)+C(綠泥石)+K(高嶺石)極少”型為主，其次為“I+C”型。伊利石為富含K+的水介質，綠泥石為富含Fe2+和Mg2+的水介質，表明沉積時期及埋藏成巖過程中水介質具有鹽度較高，偏堿性，沉積時總體處于干冷的氣候環境[18]，有利于富有機質泥頁巖的富集和保存，為頁巖氣藏的形成提供了良好的條件。

圖3 通山地區牛蹄塘組頁巖樣品黏土礦物相對含量分布Fig.3 Relative clay distribution of the Niutitang Formation shale samples in Tongshan area

3.2 黏土特征與成巖階段

黏土礦物類型及含量對頁巖成巖作用具有很好的相關性，黏土礦物在沉積成巖過程中可以發生轉化[19]，可以從伊/蒙混層礦物的類型及其含量來判斷成巖作用階段。劉偉新等[20]根據黏土礦物組合類型及特征等指標綜合對成巖作用劃分為成巖早期、成巖中期、成巖晚期及極低級變質作用。通山地區下寒武統頁巖黏土礦物分析表明，黏土礦物成分依次為伊利石、高嶺石、綠泥石、伊/蒙層，不含蒙脫石。伊利石含量平均為70%，存在一個樣品有綠蒙混層。表明成巖作用已經經歷成巖作用中期，進入了成巖作用晚期[21]。

王行信等[22]依據礦物組合類型結合地質特征將砂泥巖成巖階段分為早成巖A、B及晚成巖A、B、C共5種不同的成巖階段。研究區黏土組成主要為伊利石，其次為綠泥石及高嶺石和伊/蒙混層，伊利石含量大于70%，高嶺石、綠泥石的平均含量小于15%，表明研究區已達晚成巖階段A期[23]。

熱成熟度的增大不僅會引起有機質孔隙微觀結構的變化，還會對黏土礦物層間孔隙的發育起著很大作用，引起黏土礦物之間的轉化[24]。研究區黏土礦物中不含蒙脫石，可能存在蒙脫石在頁巖地層埋藏成巖演化過程中經伊-蒙混層向伊利石轉化所致[25]。蒙脫石在地層內部的轉化復雜，但通常與有機質熱演化階段有很好的對應關系，在有烴類侵位、成巖作用和異常高壓情況下，混合黏土逐漸呈現蒙脫石和高嶺石的含量，演變分散為伊利石，處于成巖晚期。同時蒙脫石在轉化過程中伊-蒙混層過渡態極具催化活性，可以為生烴反應富氫作用創造良好條件[26]。

3.3 脆性分析及地質意義

頁巖氣儲層孔滲性很差，對頁巖氣藏的開發往往需要實施壓裂技術，天然裂縫對頁巖氣產能和水力壓裂效果具有重要作用[27]，礦物成分是天然裂縫的發育的主要內在因素[28]，脆性礦物含量對頁巖氣的聚集和開發具有重要的影響。通常認為，在礦物組成復雜的地區頁巖的脆性礦物包括石英、長石、黃鐵礦及碳酸鹽礦物，脆性礦物含量越高，頁巖裂縫越發育，頁巖氣儲集層的脆性和可壓裂性越強[29]，壓裂和開采效果越好。

北美已成功開發的Bossier頁巖礦物成分較為簡單，主要為石英、長石和黃鐵礦，含量低于50%；Ohio、Woodford/Barnett頁巖石英、長石和黃鐵礦含量為25%～80%的區域內，其中Barnett硅質頁巖石英等脆性礦物含量超過40%[30]。通山地區下寒武統牛蹄塘組頁巖石英含量為31.9%～47.2%，其次還有較高含量的長石和黃鐵礦，脆性礦物含量為62.3%～76.3%，平均69.73%，脆性礦物含量大于40%。

脆性指數是評價頁巖儲層的一個重要參數，在頁巖礦物成分復雜的地區，通常采用脆性指數Ⅱ進行頁巖氣脆性指數的計算[31]，計算公式為

脆性指數=

(1)

脆性指數計算結果顯示(圖4)，通山地區下寒武統牛蹄塘組頁巖脆性指數為0.74～0.81，平均0.77，具有較高的脆性，與脆性礦物含量表現出很好的對應性，研究區下寒武統牛蹄塘組具有很好的壓裂改造條件。

圖4 通山地區牛蹄塘組頁巖樣品脆性礦物含量與脆性指數Fig.4 Brittle mineral contents and brittleness indexes of the Niutitang Formation shale samples in Tongshan area

4 區域對比分析

將通山地區牛蹄塘組頁巖與周邊及北美已成功開發的頁巖和商業性突破的威遠、涪陵頁巖氣田進行對比(表2)，通山地區石英含量與相對較高，與北美Barnett、Woodford、Marcellu頁巖及威遠筇竹寺組頁巖相當，且范圍較為穩定，分布在31.9%～47.2%。黏土礦物含量與北美Marcellu頁巖、湘西北牛蹄塘組、威遠筇竹寺組頁巖相當，與湘西北牛蹄塘組的分布都較穩定。從礦物組成上看，研究區與威遠筇竹寺組、湘西北牛蹄塘及宜昌水井沱組相似，石英、黏土礦物為主，長石類型含量以斜長石含量為主，其次黃鐵礦在樣品中普遍存在，且含量較高。脆性礦物含量都接近70%，對比來看，研究區脆性礦物含量較高，平均69.7%，分布范圍為62.3%～76.3%，黏土礦物含量小于30%。參考北美及焦頁1井儲層優選條件[32]，認為研究區下寒武統牛蹄塘組具備頁巖氣藏形成和保存的基礎地質條件，有著很好的可壓裂性，具備一定的開采潛力。

表2 鄂東通山地區牛蹄塘組頁巖礦物組成與周邊及北美頁巖礦物對比Table 2 Mineral contents of the Niutitang Formation shale in Tongshan and surrounding area and North American shales

5 結論

(1)鄂東通山地區下寒武統牛蹄塘組礦物類型多樣，成分較為復雜。總體以石英、長石以及黏土礦物為主，石英含量最高，含量為31.9%～47.2%，平均42.1%，其次是黏土礦物，含量為18.3%～21.9%，平均20.6%，黏土礦物主要成分為伊利石，相對平均含量為63.9%。碳酸鹽巖礦物中以方解石含量變化最大，含量為1.3%～27.5%，平均15.1%。

(2)頁巖樣品中含大量石英、長石及黏土礦物，黃鐵礦、石膏在樣品中普遍存在。黏土礦物有著高伊利石含量，綠泥石和伊/蒙混層礦物含量較高，只有或者極少含量的高嶺石，不含蒙脫石的特點。沉積在缺氧的還原環境，沉積埋藏在具有鹽度較高，偏堿性的水介質中。

(3)黏土礦物組成及含量特征表明研究區下寒武統牛蹄塘組成巖作用已進入晚成巖階段。黏土礦物中不含蒙脫石，在黏土礦物轉化為伊利石的過程中，可以為生烴反應富氫作用創造良好條件。

(4)研究區牛蹄塘組頁巖樣品脆性礦物含量為62.3%～76.3%，平均69.73%。脆性指數為0.74～0.81，平均0.77，脆性礦物含量高，脆性指數大。

(5)研究區牛蹄塘組頁巖礦物組成及脆性礦物含量與周邊及北美、威遠、涪陵頁巖氣田有著很好的對比性。參考北美及焦頁1井儲層優選條件,認為研究區下寒武統牛蹄塘組具備頁巖氣藏的形成和保存的基礎地質條件，有著很好的可壓裂性，具備一定的開采潛力。