頁巖氣成藏過程的階段劃分
——以四川盆地寧西地區五峰組—龍馬溪組頁巖氣成藏過程為例

吳建發 吳 娟 劉文平 周 政 羅 超 吳 偉 李小佳 鄧 賓

1.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院 2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·成都理工大學

0 引言

四川盆地及其周緣地區普遍經歷了多旋回構造演化過程，使得上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組海相頁巖層系具有明顯的深埋藏—強隆升剝蝕和多期變形過程。該過程不僅決定著五峰組—龍馬溪組頁巖層系早期熱演化與頁巖氣生成—吸附等過程，同時也控制著晚期頁巖氣富集保存條件[1-4]。川南地區已鉆井盆地熱史模擬揭示五峰組—龍馬溪組頁巖層系晚三疊世—侏羅紀已普遍進入中—高成熟度階段，并發生大規模生烴富集作用，晚期多期構造變形作用導致目標層系具有不同的頁巖氣富集保存條件，從而控制和影響了長寧區塊頁巖氣的分布與富集規律。近期的勘探成果表明，長寧頁巖氣區塊五峰組—龍馬溪組產層氣體成分自北向南可明顯劃分為甲烷帶和甲烷與氮氣混合帶，表明區域保存條件從封閉體系向半封閉或開放體系逐漸變化的特征，揭示區域多期構造運動對五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏具有重要的影響。前人針對四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖層系開展了沉積環境、微觀孔隙結構等研究，先后形成了中國南方海相頁巖氣“連續型和構造型甜點”富集模式[5]、“深水陸棚相—保存條件組成的二元富集”規律[6]、優質頁巖“建造—改造”有機組合[7]等系統性認識，同時“沉積是基礎、保存是關鍵、壓裂是核心”已得到業界的普遍認同[8]，但是目前對于川南地區目標層系中頁巖氣多期活動和富集成藏規律與區域深埋藏—強隆升剝蝕作用過程具有何種相關性及其耦合機制等方面的研究則相對薄弱。為此，筆者以川南長寧頁巖氣區塊西部（以下簡稱寧西地區）典型鉆井為剖析對象，運用流體包裹體、低溫熱年代學、盆地熱史模擬等研究手段，研究五峰組—龍馬溪組生烴動力學及其壓力體系變化特征，揭示晚中—新生代強隆升與五峰組—龍馬溪組頁巖氣破壞的耦合性過程及其特征，以期為四川盆地頁巖氣的進一步勘探開發提供技術支撐。

1 區域構造的多期性

圖1 四川盆地南部地區五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探區塊分布圖

四川盆地南部為特提斯—喜馬拉雅構造域和濱太平洋構造域的交接轉換部位，是四川盆地周緣山系地貌梯度最緩的區域，其西鄰南北向大涼山走滑逆沖盆山體系，南接北東—南西向大婁山盆山體系（圖1）。川南地區沉積蓋層可大致分為震旦系—中三疊統被動大陸邊緣海相沉積地層和上三疊統—新生界陸相地層。晚三疊世，伴隨著揚子板塊西緣由北向南的擴展造山運動，盆地西南緣發育大規模左旋逆沖推覆構造與陸相前陸盆地；同時受揚子板塊雪峰陸內構造印支—燕山期SE—NW向擴展沖斷變形過程控制[9]，川南地區形成區域典型的北東向、東西向和近南北向寬緩疊加—復合構造[10-11]。新生代受印度—亞洲大陸碰撞影響，青藏高原東南緣強烈左旋逆沖走滑和川滇地塊SE向擴展擠出變形對川西南地區乃至揚子板塊西緣地區產生了廣泛的作用和影響，川西南地區發生快速抬升剝蝕作用過程，導致區域晚白堊世—新生代沉積地層發生大規模剝蝕，僅川西南部分地區殘存新生代層系[12-13]。因此，長寧頁巖氣區塊以典型的東西走向和北西走向構造為主，向西至寧西地區逐漸轉發生構造轉換、以北西走向和北東走向構造為主要特征，揭示出新生代構造變形晚期疊加作用逐漸增強[10-11]。

2 寧西地區深埋藏—強隆升作用過程

2.1 磷灰石低溫熱年代學及其熱史模擬

近幾十年來，以低溫熱年代學和熱溫標法為主的盆地抬升剝蝕與熱史過程研究受到越來越多的重視，如：裂變徑跡（AFT）法、（U—Th）/He（AHe）法和鏡質體發射率Ro等。盆地中有機質埋深生烴溫度范圍與AFT和AHe體系部分退火溫度帶（分別為60～110 ℃、40～85 ℃[14]）具有明顯一致性，基于礦物中徑跡長度和密度與樣品抬升剝蝕/熱史過程具有一定函數關系（即退火敏感性[15]），因而能夠有效量化揭示盆地熱史和抬升剝蝕過程[16-17]。由于古生代普遍缺少有效的磷灰石碎屑礦物，因此，在目標鉆井周圍連續出露的地層剖面選取五峰組—龍馬溪組上覆層系（陸相碎屑巖層系）進行磷灰石低溫熱年代學樣品的采樣。由于連續地層具有相似的熱演化史，因此，可以通過垂直地層厚度和溫度差別來標定五峰組—龍馬溪組熱演化史。寧西地區磷灰石年代學樣品采樣地層為上三疊統須家河組—中侏羅統遂寧組中厚層中—細粒巖屑砂巖5～7 kg，樣品粉碎后通過重液—磁選等傳統重礦物分選獲得磷灰石單顆粒（通常大于3 000粒），進一步基于外探測器法測量AFT年齡和徑跡密度；磷灰石（U—Th）/He年代學定年選取3～5顆幾何形態完整的單顆粒分別采用惰性氣體脫氣法和α因子校正法獲得樣品AHe年齡[13]。

圖2 NX202井須家河組磷灰石低溫熱年代學及其熱史模擬特征圖

圖3 NX202井沙溪廟組磷灰石低溫熱年代學及其熱史模擬特征圖

NX202井上三疊統須家河組AFT年齡為距今23.6±2.0 Ma（圖 2-a），徑跡長度為 12.2±1.9 μm，單徑跡長度具不對稱單峰型特征（圖2-b），其AHe年齡為距今9.9±5.5 Ma，小于AFT年齡，反映樣品抬升冷卻過程中依次通過110 ℃、80 ℃溫度（即AFT和AHe封閉溫度等溫面）。NX202井沙溪廟組AFT年齡為距今40.6±4.0 Ma（圖3-a），徑跡長度為12.3±1.8 μm，徑跡長度具不對稱單峰型特征（圖3-b），其AHe年齡為距今21.8±6.1 Ma。基于上述實測AFT和AHe年代學特征、Ketcham退火模型和HeFTy Beta熱史軟件[18]進行樣品的熱演化史模擬（圖2-c、3-c），模型邊界條件主要為樣品地層年齡、磷灰石裂變徑跡特征、磷灰石（U—Th）/He年齡特征（圖2-d、3-d）、現今地表溫度等，使用GOF檢驗（GOF值）和Kolmogorov—Smirnov檢驗（K—S值）分別用于驗證模擬得到的磷灰石AFT和AHe年齡、裂變徑跡長度和與樣品測量真實值的擬合度，模擬結果得到磷灰石年齡（即AFT年齡和AHe年齡）的GOF值介于0.6～0.9，K—S值介于0.8～0.9，表明基于年代學數據模擬的熱演化史具有極高可信度（圖 2、3）。

寧西地區磷灰石樣品AFT—AHe聯合熱史模擬揭示該地區地層樣品普遍經歷3個熱演化階段：①沉降埋深增溫階段（距今60 Ma前），②低速抬升冷卻階段（距今60～25 Ma），③快速隆升剝露階段（距今25 Ma～現今）。其中低速抬升冷卻退火過程發生于AFT部分退火帶，后期樣品快速抬升冷卻至地表。因此，寧西地區五峰組—龍馬溪組頁巖層系與上覆陸相層系（即采樣層系須家河組—遂寧組）白堊紀—新生代具有一致的抬升冷卻與熱史過程，其最大埋深都發生于晚白堊世末期，新生代中—晚期發生兩階段性抬升冷卻過程，期間古近紀（即60～25 Ma）具低速抬升冷卻特征，其抬升溫度變化速率介于0.5～0.8 ℃/Myr；距今25 Ma以來抬升溫度變化速率為2～3 ℃/Myr。若考慮現今區域地溫梯度（25～35℃/km），寧西地區隆升速率介于0.025～0.100 mm/a，地層抬升剝蝕量達2 000 m。

2.2 寧西地區埋藏熱演化史與生烴史

基于一維BasinMod盆地模擬軟件，應用寧西地區NX202井實鉆地層厚度—深度、鉆井熱流值、巖石熱導率、頁巖TOC、干酪根類型、生烴潛力系數等數據，進行NX202井五峰組—龍馬溪組定量模擬，以揭示寧西地區五峰組—龍馬溪組熱演化史和生烴史過程（圖4）。由于川南地區顯生宙經歷多期抬升剝蝕過程，基于早期研究成果厘定抬升古剝蝕量分別為：加里東期（200 m）、海西期（150 m）和印支期（200 m）[19-21]，而燕山期—喜馬拉雅期抬升剝蝕量基于前述磷灰石低溫熱年代學熱史模擬相關數據來進一步確定。基于鉆井實測孔隙度、溫度和熱流值等數據為基礎，采用指數壓實模型模擬地層壓實過程、瞬時熱流模型模擬熱史演化過程（圖4-a、b）、Easy%Ro模型模擬生烴史過程（圖4-c）、孔隙飽和度法（臨界含烴飽和度值取為10%）模擬目標層系排烴史。

基于埋深沉降史模擬曲線特征，寧西地區五峰組—龍馬溪組沉積建造過程具典型3階段的多旋回盆地沉積演化特征（圖4-a）。①古生代初始沉積建造階段：五峰組—龍馬溪組沉積快速埋藏階段，速率達到200 m/Myr，隨后加里東期緩慢抬升。②二疊紀—白堊紀快速沉積建造階段：中—晚二疊世其沉降速率達到最大，超過800 m/Myr；中—晚侏羅世持續深埋藏階段沉積速率仍然較高，介于200～300 m/Myr，至晚白堊世其埋深達7 000 m。③新生代抬升改造階段：古近紀和新近紀兩階段抬升剝蝕過程，導致NX202井現今五峰組底界埋深為-3 950.0 m。晚二疊世峨眉山地幔柱形成演化過程使川南—川西南區域熱流值與地溫場明顯增大（熱流值介于60～80 mW/m2），除此之外，川南地區顯生宙具有較穩定的大地熱流值（60～65 mW/m2）[22]和地溫場。基于此，寧西地區五峰組—龍馬溪組熱生烴史模擬揭示早志留世末期埋深增溫進入低成熟階段（Ro=0.5%～0.7%），加里東構造運動導致五峰組—龍馬溪組在古生界早期熱演化速率降低；晚二疊世末期（距今250 Ma），五峰組—龍馬溪組埋深增溫以熱降解生油為主、進入中等成熟熱演化階段（Ro=0.7%～1.3%），并持續至晚三疊世；隨后早—中侏羅世五峰組—龍馬溪組以熱裂解生濕氣為主、進入高成熟熱演化階段（Ro=1.3%～2.0%），晚侏羅世（距今160 Ma）—白堊紀五峰組—龍馬溪組深埋藏階段發生大規模深部高溫裂解生氣，進入過成熟熱演化階段（Ro＞2.0%），Ro普遍超過2.5%；新生代受控于抬升剝蝕作用，五峰組—龍馬溪組埋深增溫過程停止，熱成熟度基本不變，保持Ro＞2.5%。

寧西地區五峰組—龍馬溪組生烴史及其地層壓力演化模擬表明：五峰組—龍馬溪組早期具有低速率生氣，生氣速率介于0.1～0.2 mg/(g·Myr)（圖4-c），持續低速生烴過程導致地層壓力以常壓為主，模擬壓力系數γ=1.0（圖4-d））；晚侏羅世五峰組—龍馬溪組（熱演化進入深部高溫生氣階段）生氣速度達到高峰，約2.0 mg/(g·Myr)（圖4-c），地層壓力具異常超壓特征（γ＞2.0）；隨后白堊紀發生持續深埋藏增溫過程，五峰組—龍馬溪組地層壓力持續保持其最大壓力特征（圖4-d）。由于最大地層壓力系數（γmax=2.2）已經接近于巖石破裂壓力，推測五峰組—龍馬溪組在白堊紀發生動態破裂—壓力釋壓—超壓再次聚集的多幕特征，這與鉆井巖心中常見的順層破裂脈體特征相一致；新生代寧西地區發生快速抬升剝蝕作用，由于斷裂活動導致保存條件破壞，NX202井五峰組—龍馬溪組頁巖氣超壓系統被破壞，現今實測地層壓力為43.7 MPa、壓力系數變為常壓（圖4-d）。

圖4 寧西NX202井埋深熱史與生烴史綜合模擬圖

3 寧西地區五峰組—龍馬溪組多期流體活動特征

NX202井取心段巖心常見順層和不同傾角展布的剪節理方解石脈體（圖5-a、b），揭示寧西地區多次構造變形導致五峰組—龍馬溪組中方解石流體充填。方解石脈體薄片下陰極光特征具有明顯的亮紅色—暗紅色（圖5-c、d），脈體中星散狀、群狀或帶狀包裹體常見，包裹體以橢圓狀、次圓狀和不規則形狀為主，大小從3 μm到15 μm不等、多介于5～10 μm（圖5-e、f）。根據其成分相態特征，包裹體類型可大致劃分為氣—液兩相鹽水包裹體和氣相烴類包裹體，鹽水包裹體常與瀝青共生，或與烴類包裹體共生，且烴類包裹體通常具有黃色和藍色熒光特征（圖5-g、h），揭示出不同成熟度烴類包裹體被方解石脈體捕獲特性。由于氣液兩相烴類包裹體和氣相烴類包裹體常常混生（圖5-e、f），表明方解石包裹體形成環境為飽和甲烷狀態下兩相不混溶系統。因此，可以通過鹽水包裹體均一溫度來代表五峰組—龍馬溪組頁巖氣甲烷包裹體的捕獲溫度—壓力環境。

通過對包裹體薄片進行陰極發光、熒光觀察和冷熱臺測溫等綜合分析，NX202井五峰組—龍馬溪組方解石脈體具有兩期流體包裹體特征，代表目標層系頁巖氣兩期活動富集過程：第一期與瀝青同期的鹽水包裹體，均一溫度介于105.7～141.5 ℃（圖5-f、6-a），冰點溫度介于-15.4～-6.2 ℃，鹽度介于9.5%～19.0%（圖6-b）；第二期與氣態包裹體共生的鹽水包裹體，均一溫度介于125.9～182.4 ℃（圖5-e、6-a），冰點溫度介于-8.5～-4.2 ℃，鹽度介于6.7%～12.3%。鹽水包裹體均一溫度雙峰值分布特征明顯，且第一期和第二期峰值溫度具重疊特征（圖6-a），第一期均一溫度峰值帶介于120～140 ℃，第二期均一溫度峰值帶介于160～180 ℃，它們分別代表五峰組—龍馬溪組第一期生油高峰期和第二期生氣高峰期的流體充注活動過程。

圖5 NX202井龍馬溪組頁巖方解石脈體及包裹體微觀特征照片

4 寧西地區頁巖氣成藏階段劃分

脈體包裹體捕獲保存了頁巖生烴富集過程中的原始環境信息，因此，通過脈體包裹體可以跟蹤不同構造期地層古溫壓環境、鹽度和同位素等信息。五峰組—龍馬溪組頁巖層系中流體包裹體均一溫度呈雙峰值分布，主要分布范圍分別介于120～140 ℃和160～180 ℃。結合包裹體熒光特性、流體多期次性和NX202井埋深史、生烴史等分析，包裹體中流體充注時間集中于三疊紀（距今250～190 Ma）和早—中侏羅世（距今185～165 Ma）兩個時期，由于流體包裹體分別與瀝青包裹體和氣態烴類包裹體混生，因此它們分別代表了五峰組—龍馬溪組油和氣流體富集活動過程（圖7）。

圖6 NX202井包裹體均一溫度及其與鹽度相關性對比圖

結合寧西地區五峰組—龍馬溪組埋深熱演化史、生烴史和流體活動史、壓力體系變化特征等，五峰組—龍馬溪組頁巖氣成藏過程可劃分為4個階段：早期常壓低速率生氣階段、早期高壓富集階段、深埋藏高壓保持階段和晚期調整/破壞階段（圖7）。①早期常壓低速率生氣階段（早志留世—二疊紀），五峰組—龍馬溪組黑色頁巖層系以低沉降速率、低熱成熟度、低生氣速率和頁巖氣常壓富集為典型特征；②高壓富集階段（晚二疊世—早中侏羅世），五峰組—龍馬溪組以高沉降速率、中—高熱成熟度、低生氣速率和頁巖氣高壓富集為特征，頁巖層系烴類流體活動強烈、多種相態的包裹體發育富集；③深埋藏高壓保持階段（晚侏羅世—白堊紀），五峰組—龍馬溪組進入深埋藏高壓保持階段，以中—高沉降速率、過成熟度熱演化、高生氣速率和頁巖氣超壓富集為典型特征，該階段頁巖層系發生深埋增溫、高溫裂解生氣作用，因而有效維持高壓/超壓特征（具有較佳頁巖氣自封閉性）；④晚期調整/破壞階段（新生代至今），新生代快速抬升剝蝕過程導致五峰組—龍馬溪組頁巖氣超壓體系動態調整為主，壓力體系動態調整為常壓。

圖7 寧西地區五峰組—龍馬溪組頁巖氣成藏關鍵事件及其演化圖

需要指出的是，流體包裹體中與瀝青伴生的鹽水包裹體均一溫度介于100～140 ℃，捕獲壓力介于120～150 MPa、壓力系數介于1.5～2.0，具有明顯的超壓流體系統特征，與埋深沉降史模擬地層壓力系數大致相當（圖4-d）；與烴類包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度變化范圍較大，其捕獲壓力系數介于2.0～3.5，具明顯超高壓流體系統特征，略高于埋深沉降史模擬地層壓力系數。普遍表明寧西地區五峰組—龍馬溪組頁巖層系在早期生烴演化過程中，雖然受到海西運動和印支期運動發生不同程度的構造變形與抬升剝蝕作用（圖4-a），但其流體體系仍然具有較好的常壓—超壓保存條件。中晚侏羅世—白堊紀持續深埋藏作用過程中，寧西地區受盆緣構造變形影響作用相對較弱，因此五峰組—龍馬溪組頁巖層系以持續埋深增溫、高溫裂解生氣為主，早期高壓保存條件能夠得以保持、其流體壓力系統可能持續增壓（圖4-d）。與之相似的是，川南地區五峰組—龍馬溪組流體包裹體、熱演化史等研究普遍揭示目標層系具有中生代深埋藏增溫與頁巖氣超壓形成過程，如：威遠地區[23-24]、瀘州地區[25]。因此頁巖氣侏羅紀—白堊紀高壓—超高壓成藏富集后的晚期構造抬升剝蝕作用是川南地區五峰組—龍馬溪組頁巖層系勘探選區的關鍵因素之一。

新生代受大涼山構造帶逆沖走滑構造變形作用影響，寧西地區發生較強的抬升剝蝕與構造變形作用，上覆陸相層系滑脫變形強烈導致其保存條件調整破壞，淺表大氣淡水低鹽度流體對五峰組—龍馬溪組流體體系發生一定影響，導致晚期流體包裹體中具有一定的淺表低鹽度和深部高鹽度流體混染特征（圖5-b），體現出晚期構造抬升作用對寧西地區晚期保存條件的破壞性。總體上，寧西地區五峰組—龍馬溪組頁巖氣成藏破壞過程具有明顯的早期高壓富集—深埋藏超高壓保持—新生代構造隆升調整或破壞的多期性特征。需要指出的是，長寧頁巖氣田與寧西地區總體上具有相似的頁巖氣早期建造條件、中期高壓—超高壓頁巖氣富集和后期抬升剝蝕特征[1]，但其頁巖氣勘探結果的差異表明，寧西地區可能更多受控于新生代較強的疊加構造變形與抬升剝蝕作用。因此，頁巖氣超壓系統形成后期是否能夠有效保存是川南地區五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏富集演化過程的關鍵，而晚期構造抬升剝蝕對于頁巖氣富集保存具有至關重要的控制影響性，如：前述長寧、昭通頁巖氣田自北向南呈甲烷帶和甲烷與氮氣混合帶[26]，表明其抬升剝蝕作用控制著區域保存條件從封閉體系向半封閉或開放體系逐漸變化。

5 結論

1）寧西地區磷灰石樣品AFT年齡為距今20～40 Ma、AHe年齡為距今10～20 Ma，低溫熱年代學特征和熱模擬揭示寧西地區新生代地表剝蝕量約為2 000 m。

2）早志留世—晚三疊世、早—中侏羅世和晚侏羅世—白堊紀寧西地區五峰組—龍馬溪組頁巖層系經歷了低—中等成熟度、高成熟度和過成熟度熱演化3個階段，其油氣富集活動主要發生于三疊紀和早—中侏羅世，包裹體均一溫度峰值溫度分別介于120～140 ℃和160～180 ℃。

3）寧西地區五峰組—龍馬溪組頁巖氣具有“早期常壓低速率生氣、早期高壓富集、深埋藏超高壓保持、晚期構造隆升調整/破壞”多階段特征，頁巖氣早期超壓成藏富集后的晚期構造抬升剝蝕作用是川南地區五峰組—龍馬溪組頁巖層系勘探選區的關鍵因素之一。