四川盆地焦石壩地區五峰組—龍馬溪組底部硅質成因及古環境分析

文 虎

中國石化勘探分公司

0 引言

四川盆地南部地區上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖氣資源豐富，截至2019年底，產量突破了154×108m3，且在天然氣產量中的比重進一步提高，上產速度較快，為中國能源安全提供了進一步的保障。目前中國已經投入開發的頁巖氣田分別位于涪陵地區（涪陵頁巖氣田）、威遠地區（威遠頁巖氣田）、長寧地區（長寧頁巖氣田）、昭通地區（滇黔北昭通頁巖氣田），這四個氣田被國家列為頁巖氣勘探開發的示范基地。它們的目標層位均為上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組一段，該目標層段是頁巖氣甜點層和正在開發的主要靶區，它的主要特點是硅質含量高，且與有機碳正相關性較強，反映了硅質和有機質可能具有一定的伴生關系。因此在頁巖氣的勘探過程中，有必要進一步關注硅質在沉積環境過程中所扮演的角色，通過硅質成因的研究，來驗證有機質的生成環境。筆者針對該層位的硅質開展了調研和研究，運用掃描電鏡、全巖x衍射、主量元素和稀土元素等手段來探討硅質的成因，同時對硅質及伴生元素所攜帶的古環境信息進行了研究，以期對頁巖氣的勘探有所幫助。

1 硅質巖研究意義及分類

硅質巖的研究首先是由于大地構造需要而興起，隨著研究的深入，發現硅質巖不僅僅是火山噴發的產物，與其伴生的元素往往蘊含著豐富的古地理、古氣候和古環境信息[1-5]；近年來由于頁巖氣勘探的異軍突起，在頁巖中發現大量的硅質，這說明硅質巖可能也是一種生物巖。油氣地球化學理論認為，Ⅰ型干酪根可以大量生成油氣，古生物的大量存在往往意味著大量腐泥型干酪根的存在,因此生物性硅質巖可能成為油氣資源富集的一個標志。

前人通過對四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖的研究，發現石英和黏土礦物是最主要的兩大礦物組成[6-7]。而石英的主要成分是二氧化硅，據馮增昭研究發現二氧化硅的來源通常有3種:由于風化剝蝕形成的碎屑巖、火山噴發形成的巖漿巖及受熱液影響形成的物質、硅質生物死亡后的遺體[8]，經過漫長的地質成巖作用形成的指向性的礦物。不同的硅質礦物具有不同的形成環境，從而具有不同的元素組成，這是運用地球化學手段研究硅質巖成因的基礎。

2 焦石壩地區硅質巖成因判斷

2.1 巖性及古生物特征

焦石壩五峰組—龍馬溪組泥、頁巖主要為呈薄層或塊狀產出的暗色或黑色細顆粒的沉積巖，它們在化學成分、礦物組成、古生物、結構和沉積構造上豐富多樣。泥頁巖巖石類型主要為含放射蟲碳質筆石頁巖、碳質筆石頁巖、含骨針放射蟲筆石頁巖、含碳含粉砂泥巖、含碳質筆石頁巖以及含粉砂泥巖。

在巖心、普通薄片和掃描電鏡下發現大量微體生物化石，包含了含量較多的筆石、放射蟲、海綿骨針等(圖1)，證實了頁巖中硅質成分的生物成因。顯微鏡下，這些生物體大小多為25～2 000 μm，呈星點狀散布于頁巖中，其放射蟲含量可高達30%，硅質骨針最高含量7%，一般1%～2%。放射蟲多呈球形、橢球形或紡錘形，球狀直徑為30～150 μm為主，個別可達300 μm(圖1)，可看到同心圓和放射狀結構。在縱向上，放射蟲在五峰組—龍馬溪組一段深水陸棚相帶中明顯的增多，個體較大，向上個體變小，且含量減少。

圖1 JY1井五峰組—龍馬溪組巖性及生物分類圖

2.2 全巖X衍射特征

通過JY1井典型頁巖全巖x衍射圖譜分析發現，隨著埋深的增加，石英含量增加，實測也是如此（圖5），達到55.8%～80.7%；黏土礦物含量減小，含量為26.2%～13.3%，二者呈負相關關系。另外通過圖1可以發現有大量的古生物碎屑存在，說明這些增加的硅質可能來自古生物的介殼和骨骼，應該屬于海洋源內沉積[8-11]；同時黏土礦物含量較低，說明來自于陸源的影響較小。因此，沉積作用應該是該層硅質頁巖形成的主要原因。

2.3 主量元素對比

在海相沉積中，Al/(Al+Fe+Mn)通常被用來判斷硅質成因，熱水成因值較小，生物成因值通常大于0.6的。焦石壩地區Al/(Al+Fe+Mn)平均為0.66，在Al—Fe—Mn三角圖上，基本都位于非熱液成因區（圖2），說明研究區硅質可能是生物成因。據前人研究熱水活動能導致Fe、Mn元素富集，而焦石壩地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖中的Fe2O3含量不高，分布于1.8%～18.16%之間，平均值僅為4.91%，Mn含量極低，平均值僅為0.03%，不具備典型的熱水成因特點。

圖2 JY1井Al—Fe—Mn三角圖

2.4 稀土元素特征

稀土元素包括17種，通常有兩分法：輕稀土（LREE,La-Eu），重稀土（HREE,Gd-Lu），在判斷沉積環境方面具有示蹤劑的作用，是運用巖性、古生物、電性判斷沉積環境的有利補充。據前人研究認為熱液成因的硅質巖稀土含量相對較低，且向重稀土聚集，而非熱液成因的硅質巖則向輕稀土富集。研究區JY1井五峰組—龍馬溪組底部樣品的稀土總量平均值為269.25×10-6，與標準頁巖204.1×10-6含量接近。具有輕稀土富集、重稀土較少、鈰負異常、銪微弱正異常的特點，輕重稀土比值平均為8.47（表1）。判斷該區硅質頁巖可能屬于生物成因。

表1 稀土元素特征表

2.5 硅質與有機質豐度的耦合關系

國外諸多學者對頁巖中的硅質來源做了大量的研究工作，并研究了陸源碎屑硅和生物成因硅對有機質富集的影響。在國外不同成因類型的硅質與有機質豐度具有如下關系：以陸源碎屑硅為主的Moosebar，其沉積環境處于離岸較近的斜坡之上，石英含量與有機質豐度不具相關性，說明陸源碎屑石英對有機質豐度的富集貢獻不大。而石英以生物成因（來自于硅質放射蟲）為主的Muskwa和Barnett，其沉積環境處于斜坡外的深水區，石英與有機質豐度具有較高的相關程度，說明生物成因硅對有機質豐度的富集具有較大貢獻。在川東南地區，志留系早期處于一個深海陸棚的沉積環境，五峰組—龍馬溪組頁巖富含硅質及有機質，尤其以硅質與有機質的同步變化為特征，兩者相關度很高，相關系數R可達0.84（圖3），再次表明整體上JY1井中的硅質對有機質豐度的富集具有較大貢獻，硅質來源可能與生物作用有關。

圖3 JY1井有機質豐度與石英含量相關性分析

3 沉積環境分析

3.1 Al、Ti、Mn 等元素分析

通常把Al2O3與TiO2作為陸源物質指標，把Mn當作來自大洋深部的標志元素，據此來判斷沉積環境。研究區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖中Al2O3（12.71%）與TiO2（0.63%）的含量較高，指示了較高的陸源供給。MnO/TiO2在近海或者大陸架的比值應小于0.5，遠洋或者深海介于0.5～3.5。研究區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖中MnO/TiO2平均值為0.06，表明研究區處于離大陸較近的沉積環境。

前人利用已知沉積環境的硅質巖化學成分比值作圖，圈定了大陸邊緣、遠洋和洋中脊硅質巖投影區。圖解中幾乎所有樣品均落入大陸邊緣區，或緊鄰大陸邊緣分布（圖4）。綜上所述，焦石壩地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖地球化學特征一致表明其形成于大陸邊緣缺氧環境。

圖4 JY1井五峰組—龍馬溪組沉積環境圖

3.2 稀土元素分析

常規油氣的勘探證明形成于穩定的水體當中、處于還原條件下的干酪根類型好、油氣轉化率高，那么判斷古環境是處于氧化或還原的條件下就顯得非常重要。常規的手段可以觀測巖石的顏色，特殊的指向礦物（如黃鐵礦），來大致判斷古環境。而地球化學當中可以利用相關元素來半定量的反映古環境，鈾、釩元素通常被認為對沉積環境比較敏感[12-13]，目前常常用它們的比值來判斷古環境，通常U/Th＞0.5、V/（V＋Ni）＞0.45、V/Cr＞2、Ni/Co＞5時代表了貧氧／缺氧環境[14-16]。

龍馬溪組一段到五峰組，整體處于一個還原環境（圖5），隨著埋深的增加，五峰組和龍馬溪組一亞段U/Th約為6.14，V/（V＋Ni）約為0.58，Ni/Co約為4.13，V/Cr約為3.79；往下部，缺氧情況加劇，為弱還原-還原環境，而且有機質的豐度不斷地增加。這說明了古環境對有機質的富集及保存起到了控制作用。從油氣地球化學理論的角度，此點與常規油氣的勘探是同一個道理。

圖5 JY1井綜合柱狀圖

綜上所述，焦石壩地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖地球化學特征一致表明其形成于大陸邊緣的缺氧環境。

4 生物成因硅的油氣地質意義

從勘探的角度來看，古生物、硅質與有機質可能是一體兩翼的關系，在有機質演化成為油氣之后，硅質由于穩定的化學屬性，通常以二氧化硅的形式保存下來，經歷成巖作用，演化為石英。石英的含量越高，整體的脆性越強，有利于壓裂，易形成有利的儲層。近而對頁巖氣的富集起到促進作用。

4.1 油氣地質意義

生物硅大量發育可能預示著良好的規模性烴源巖存在。上奧陶統發育了大量的無脊椎動物（例如筆石）；下志留統則發育筆石、放射蟲等無脊椎動物（圖1）,只是種屬更加復雜。而在上奧陶統晚期—下志留統早期曾發生過一次生物的大滅絕，據戎嘉余等研究，種一級的滅絕率達到85%[17]，同時大量藻類發育，隨著沉積演化，大量古生物的遺體和藻類埋藏在海底。伴隨著早志留大規模的海侵，四川盆地川東南地區處于深水陸棚相帶，形成了五峰組—龍馬溪組烴源巖發育的絕佳環境。這些無脊椎動物體內含有豐富的硅，其含量高低與水體中的初級生產力密切相關[18-19]。石英含量與有機碳含量具有較好的耦合關系（圖3），反映了硅作為古生物骨架元素存在，有機質作為古生物營養元素存在的一體兩翼的關系。從目前的研究來看，生物成因的硅質頁巖普遍具有有機碳含量較高的特征，而陸相頁巖里硅質多來源于陸源碎屑，從而有機質含量相對較低。因此海相生物硅質頁巖通常是良好的烴源層[20-21]。通過生物硅質含量的分布來選擇縱向上的甜點層段對頁巖氣勘探有重要意義。

4.2 硅質對儲層的影響

從目前的研究來看，由于后期的成巖作用，硅質頁巖礦物由蛋白石A→蛋白石CT→石英晶體進行演化，原生孔隙度、比表面積都是急劇降低的，這也可以從常規的勘探中得知，因為泥巖的孔隙度一直都很低。但是頁巖成巖過程中，損失的主要是介孔以上的孔隙，10 nm以下的的介孔、微孔保持相對較好[22]。主要原因就是脆性礦物——石英提供了重要的支撐作用。其次在鏡下經常看到具有中空體腔的生物，這些體腔本身就具有極高的原生孔隙，且連通性較好，在成巖演化過程中，部分孔隙仍然能夠保存。這些孔隙的存在都為頁巖氣提供了存儲空間。

在頁巖氣的開發中，可壓性是一個重要的指標，通過三軸應力測試結果顯示，五峰組—龍馬溪組石英的巖石物理參數均達到良好的標準。石英的含量也較適中，因此，具生物成因硅質的頁巖層段是頁巖氣開發的優選目標層位。

5 結論

1）巖心和薄片觀察，焦石壩地區五峰組—龍馬溪組頁巖中含有大量古生物化石，且有機質和硅質含量正相關性較好，為該層段硅質頁巖的生物成因和硅質來源提供了強有力證據。

2）對Al—Fe—Mn三角圖、主量元素、稀土元素富集特征分析，綜合判斷研究區富有機質黑色頁巖中的硅為生物成因。

3）利用 Lan/Cen—Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)圖及稀土元素指標判斷研究區屬于大陸邊緣還原環境。

4）硅質含量與有機質含量的相關性很高，表明整體上硅質對有機質的富集具有較大貢獻，因此要重點關注新區帶新層系中富有機質放射蟲硅質頁巖層（∈1、D、C、P）。