熊小輝，王　劍，熊國慶，余　謙，陸俊澤，周繼兵，白洪海，鄧　奇

(1．成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川成都　610083;2．國土資源部沉積盆地與油氣資源重點實驗室，四川成都　610083;3．新疆地礦局第9地質(zhì)大隊，新疆烏魯木齊　830009)

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新疆富蘊(yùn)盆地南明水組暗色泥巖沉積環(huán)境演化及其頁巖氣地質(zhì)特征

熊小輝1，2，王劍1，2，熊國慶1，2，余謙1，2，陸俊澤1，2，周繼兵3，白洪海3，鄧奇1，2

(1．成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川成都610083;2．國土資源部沉積盆地與油氣資源重點實驗室，四川成都610083;3．新疆地礦局第9地質(zhì)大隊，新疆烏魯木齊830009)

摘要:為了查明新疆北部富蘊(yùn)盆地薩爾布拉克地區(qū)南明水組多套暗色泥頁巖沉積環(huán)境演化、頁巖氣資源前景及兩者內(nèi)在的制約關(guān)系，進(jìn)行了有機(jī)、無機(jī)地球化學(xué)及礦物學(xué)等分析，表明南明水組暗色泥巖沉積水體早期可能受大型河流影響明顯淡化，后期開放性降低，鹽度逐漸升高和恢復(fù)。暗色泥巖沉積時期氣候總體溫暖潮濕，中晚期溫度稍有上升，較早期相對干旱，水體深度自下而上呈現(xiàn)由深變淺再變深的趨勢，總體還原，向上還原性減弱。第2亞組生物生產(chǎn)率及總有機(jī)碳含量(介于0.42%～1.11%)均最高，有機(jī)質(zhì)類型基本以Ⅲ型干酪根為主，含少量II2型干酪根，成熟度達(dá)到高—過成熟階段。礦物成分以黏土礦物和石英為主，尤其是第2亞組(黏土礦物:32%～49%;石英:33% ～41%;伊利石占黏土總量:61%～77%)，具備頁巖氣發(fā)育條件。對比分析顯示，海陸交互區(qū)半咸水偏咸水的鹽度條件、缺乏大型入海河流的干擾、穩(wěn)定的沉積環(huán)境等更有利于產(chǎn)氣頁巖的發(fā)育。

關(guān)鍵詞:頁巖氣;沉積環(huán)境;地球化學(xué);南明水組;富蘊(yùn)盆地

熊小輝，王劍，熊國慶，等．新疆富蘊(yùn)盆地南明水組暗色泥巖沉積環(huán)境演化及其頁巖氣地質(zhì)特征［J］．煤炭學(xué)報，2016，41 (6):1476－1486．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1146

Xiong Xiaohui，Wang Jian，Xiong Guoqing，et al．Sedimentary environment evolution and shale gas geological features of dark mudstone from Nanmingshui Fm of Fuyun Basin，Xinjiang［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1476－1486．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1146

頁巖氣，作為一種非傳統(tǒng)型能源，是指賦存于富有機(jī)質(zhì)頁巖及其夾層狀的泥質(zhì)粉砂巖中，主體上是自生自儲成藏的連續(xù)性氣藏［1－2］。其規(guī)模及優(yōu)劣主要受頁巖沉積環(huán)境的控制，如泥頁巖厚度、分布面積、有機(jī)碳含量以及沉積巖石類型和礦物組成等［3］。頁巖氣產(chǎn)出環(huán)境常見于深海陸棚相黑色泥頁巖中，在美國已具有相當(dāng)規(guī)模［4－8］，以及國內(nèi)揚(yáng)子盆地的早寒武世、晚奧陶—早志留世地層［9－11］。陸相湖盆環(huán)境黑色泥頁巖中的頁巖氣開采和研究在中國也開始取得一定的進(jìn)展［12－15］。目前，人們將目光更多地投向淺海陸架沉積的海陸交互相碎屑巖、碳酸鹽巖型頁巖氣［16］，如Eagleford頁巖及中國新疆北部石炭系暗色泥頁巖。

位于中國西部準(zhǔn)噶爾盆地北緣的富蘊(yùn)盆地，早石炭世南明水組發(fā)育至少3套濱淺海相暗色泥巖，前人對其研究較為有限，只做了沉積相及常規(guī)油氣烴源巖的調(diào)查研究［17－18］，而對其頁巖氣地質(zhì)特征方面的研究工作幾乎沒有，筆者依托新疆北部中小型盆地頁巖氣地質(zhì)調(diào)查項目，通過分析富蘊(yùn)盆地南明水組第1，2，3亞組中的暗色泥巖沉積環(huán)境及演化，探討了其對頁巖氣發(fā)育的控制作用，以期為后期新疆北部石炭系頁巖氣勘探、開發(fā)及相關(guān)理論完善提供指導(dǎo)。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

富蘊(yùn)盆地形成于準(zhǔn)噶爾板塊與西伯利亞板的俯沖碰撞，對于盆地性質(zhì)的認(rèn)識爭議較大［19－22］，目前趨向于認(rèn)為是溝－弧－盆系統(tǒng)中的前淵沉積［22］。構(gòu)造區(qū)劃屬于天山－興蒙造山系阿爾泰弧盆區(qū)阿爾泰南緣增生弧。

盆地地層主要出露于富蘊(yùn)縣西南薩爾布拉克地區(qū)，屬于東準(zhǔn)噶爾地層分區(qū)2臺地層小區(qū)，包括泥盆系、石炭系和第4系，以及少量二疊紀(jì)(圖1)，按時代由老到新分別為北塔山組(D2b)、蘊(yùn)都喀拉組(D2y)、黑山頭組(C1h)、南明水組(C1n)、喀拉額爾齊斯組(C3k)、特斯把汗組(P1t)、庫爾提組(P2k)及第4 系(Q)。由于受晚古生代華力西期構(gòu)造運(yùn)動影響，區(qū)內(nèi)地層呈現(xiàn)北西—南東向展布，地層走向為NW向，產(chǎn)狀近直立，傾向NE。沿走向方向近NW向、NNW向和NWW向3組壓性、壓扭性斷層發(fā)育，下石炭統(tǒng)在南東方向逐漸尖滅。

圖1　新疆富蘊(yùn)縣薩爾布拉克地區(qū)及周邊地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻(xiàn)［18，23－24］修改)Fig.1　Simplified geological map of Sarbulak Region，F(xiàn)uyun County，Xinjiang(modified after［18，23－24］)

富蘊(yùn)盆地暗色泥巖主要發(fā)育于早石炭世南明水組，根據(jù)其沉積序列特征，自下而上可劃分為3個亞組，即第1亞組、第2亞組和第3亞組(圖2)。

2　樣品采集與測試

研究剖面位于富蘊(yùn)縣西南薩爾布拉克地區(qū)(圖1)，對南明水組出露最厚位置進(jìn)行了詳細(xì)地層實測，并對其3個亞組暗色泥巖分別進(jìn)行連續(xù)采樣(圖2)。為了采集較為新鮮的樣品，其中第1亞組和第2亞組(下段)通過探槽取樣，第2亞組(上段)及第3亞組受野外地形條件制約，采用簡單露頭揭露取樣。位于第1亞組中的1號探槽(TC01)全長200 m，為連續(xù)沉積的暗灰色、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖，采集樣品共64 件;2號探槽全長300 m，位于第2亞組下段，采集灰黑色粉砂質(zhì)泥巖樣品共49件，第2亞組上段露頭區(qū)采集樣品5件，為灰黑色粉砂質(zhì)泥巖;南明水組第3亞組只采集2件暗色粉砂質(zhì)泥巖樣品。

選取代表性樣品，進(jìn)行元素地球化學(xué)及相關(guān)有機(jī)地球化學(xué)分析測試，樣品所有測試均在新疆礦產(chǎn)實驗研究所國土資源部烏魯木齊礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，其中主量元素測試儀器為X－熒光光譜儀，分析誤差小于1%。微量元素測試采用電感耦合等離子體光譜儀，分析精度優(yōu)于5%。礦物含量使用X衍射分析測定，其他有機(jī)項目均采樣常規(guī)方法測定。

3　結(jié)　　果

3.1有機(jī)地球化學(xué)特征

在整個實測剖面上，南明水組暗色泥巖總有機(jī)碳含量(TOC含量)呈現(xiàn)明顯的變化(圖3)，自下而上，先增加后減小，第2亞組最大，且不穩(wěn)定，呈現(xiàn)局部高值，總體上第2亞組上段平均總有機(jī)碳含量最高(0.82%)。其中第1亞組總有機(jī)碳含量介于0.22%～0.48%，平均0.31%，第2亞組下段總有機(jī)碳含量介于0.42%～1.11%，平均0.62%，上段介于0.62%～0.92%，平均0.82%，南明水組第3亞組兩個樣品總有機(jī)碳含量均為0.41%。

圖3　南明水組暗色泥巖TOC含量變化趨勢Fig.3　Depth profile of TOC content values from dark mudstone of Nanmingshui Fm

對部分樣品進(jìn)行鏡下顯微組分分析表明，有機(jī)質(zhì)顯微組分以惰質(zhì)組、殼質(zhì)組中的非樹脂體以及鏡質(zhì)組為主(表1)。巖石熱解分析顯示最大熱解峰溫(Tmax)普遍較高，最高甚至達(dá)到535℃，個別較低，通過計算出來的氫指數(shù)(HI)最高僅為8.34 mg/g。對少量樣品的干酪根碳、氫、氧等元素進(jìn)行了測定，以用來配合判定其有機(jī)質(zhì)類型。此外，頁巖的比表面積縱向上也存在一定的變化，是影響頁巖氣儲存的一個因素。

表1　南明水組泥巖有機(jī)干酪根顯微組分、熱解參數(shù)、干酪根元素比、鏡質(zhì)體反射率及樣品比表面積Table 1　Kerogen maceral，pyrolysis parameters，element(C，H，O)ratios，vitrinite reflectance and specific surface area of silty mudstone from Nanmingshui Fm

3.2元素地球化學(xué)特征

代表性樣品主量及微量元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)分別見表2。

主量元素中SiO2含量占比最大，為56.91% ～64.7%，在整個剖面自下而上呈現(xiàn)不明顯的先增大后減小趨勢。其次為Al2O3，含量為13.73%～18.13%，縱向上總體變化趨勢基本與前者相反。TFe2O3含量在剖面上也相對較高，為6.56%～8.03%。堿金屬元素Ca，Mg，K和Na含量相差不大，第1亞組Na2O，CaO含量相對較高，第2亞組下段K2O的含量有所上升;剖面上部K，Mg和Na含量較平均，CaO含量相對最低。其他主量元素組分含量均小于1%。

微量元素方面，相對于上地殼平均值，整個剖面上Cu，U，V，Ga，Zn，Li有一定程度的富集。而Ni，Cr在第1亞組表現(xiàn)虧損，向上相對上地殼平均值逐漸富集，Sr正好相反，剖面下部富集上部虧損;Ba與上地殼平均值接近，且在整個剖面變化不大，第1亞組相對第2，3亞組略富集。其他元素如Rb，Zr，Hf，Nb，Ta，Th，Pb和Be等相對上地殼平均值均表現(xiàn)出虧損的特征。

3.3礦物特征

樣品的礦物學(xué)分析表明(表3)，主要礦物組成包括黏土礦物、石英和斜長石，此外還有少量鉀長石、鐵白云石等。黏土礦物含量介于31% ～49%，平均38.1%，主要為伊利石、綠泥石和高嶺石及少量伊蒙間層和綠蒙間層礦物。石英含量介于27%～41%，平均35.2%。斜長石含量介于11%～30%，平均22.3%。礦物組成大體與主量元素測試結(jié)果吻合。

有機(jī)地球化學(xué)、元素地球化學(xué)及礦物特征顯示，相對第1亞組、第3亞組，南明水組第2亞組具有更高的總有機(jī)碳(TOC)含量，有機(jī)質(zhì)成熟度普遍較高，最大熱解峰溫(Tmax)大多達(dá)到530℃，第2亞組暗色泥巖樣品比表面積(11.76～19.80 m2/g)也明顯較第1亞組大;元素組成上，SiO2含量在第2亞組有所增加，Al2O3含量有所減少，礦物組成上，代表脆性組分的石英含量在第2亞組具有更為明顯的優(yōu)勢。

表2　南明水組全巖樣品主量元素、微量元素(μg/g)含量及比值Table 2　Major elements，trace elements(μg/g)contents and their ratios of whole-rock samples from Nanmingshui Fm

表3　南明水組泥巖樣品礦物組成Table 3　Mineral composition of mudstone from Nanmingshui Fm%

4　討　　論

4.1巖相特征

南明水組第1亞組巖性主要為一套灰綠色、黃綠色含礫凝灰質(zhì)粗砂巖、凝灰質(zhì)細(xì)砂巖、變質(zhì)細(xì)粒長石砂巖與灰黑色粉砂質(zhì)泥巖組成多個韻律層，夾石英砂巖透鏡體及生物碎屑灰?guī)r透鏡體，生物碎屑主要以海百合莖為主。第1亞組以夾多套水下河道相圓礫巖透鏡體與南明水組第2亞組相區(qū)別，厚約2 190 m;該亞組目的層段為第36層暗灰色、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖，連續(xù)沉積，厚度巨大(約220 m)，局部風(fēng)化嚴(yán)重呈片狀(圖4(a)，(b))，缺乏典型沉積結(jié)構(gòu)構(gòu)造，水體較深，為一套淺海相沉積(圖2)。

南明水組第2亞組巖性主要為黃綠色含泥礫變質(zhì)細(xì)粒長石砂巖與灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖組成多個韻律層，厚約1 944 m;該亞組下部目的層段為第60～61層，表現(xiàn)出灰綠色細(xì)粒巖屑砂巖與灰黑色粉砂質(zhì)泥巖組成的韻律互層，發(fā)育砂紋層理及泥礫(圖4(c)，(d))，偶見植物碎片印模(圖4(e))，粉砂質(zhì)泥巖厚度不等，薄層2～3 m，寬者10～15 m，砂巖與泥巖2者之比為2∶1～3∶1，為具有一定強(qiáng)度水動力條件沉積環(huán)境，受到更多來自陸源物質(zhì)的供給，呈現(xiàn)脈沖韻律式砂體供應(yīng)，為一種濱?！獪\海交互式沉積;該亞組上部目的層段為70～71層，灰黑色厚層－塊狀粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，夾多套厚度30～50 cm黃灰色變質(zhì)巖屑砂巖層，粉砂質(zhì)泥巖風(fēng)化破碎呈長條狀(圖4(h))，為一套淺海相沉積(圖2)。

圖4　南明水組暗色泥巖巖石特征Fig.4　Characteristics of dark mudstone from Nanmingshui Fm

南明水組第3亞組巖性主要為黃灰色厚層－塊狀中—細(xì)粒長石砂巖夾灰綠色、黃色、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，頂部以硅質(zhì)砂巖、含礫巖屑、晶屑凝灰?guī)r透鏡體與北塔山組斷層接觸，厚度約483 m;該亞組目的層段為第80層，垂向序列中，自下而上砂巖、粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖組成一套由粗變細(xì)的沉積序列，3者之比為1∶1∶(3～5)，泥巖中見植物印模和蟲跡(圖4(f)，(g))，可能為爬行跡，沉積結(jié)構(gòu)構(gòu)造不發(fā)育，巖石風(fēng)化之后呈薄片狀、碎片狀，可能為近濱帶下部沉積(圖2)。

總體上，第2亞組暗色粉砂質(zhì)泥巖顏色相對更深，與殘留總有機(jī)碳含量相符，但是單層連續(xù)厚度較上、下亞組小，與砂巖韻律頻繁。

4.2沉積環(huán)境演化分析

富蘊(yùn)盆地早石炭世南明水組主要為一套扇三角洲、濱、淺海相陸源碎屑巖、火山碎屑巖及碳酸鹽巖沉積建造，產(chǎn)豐富的珊瑚、菊石、腕足、瓣鰓、苔蘚蟲、植物等化石［18，23－24］。通過詳細(xì)的剖面實測，表明南明水組暗色泥巖總體呈現(xiàn)出與砂巖、粉砂巖的韻律互層，尤其是在南明水組第2亞組和第3亞組，可見沉積水體深度的頻繁變化。

水體鹽度與水體開放性。盡管為海相，元素分析卻表明南明水組受陸源影響明顯。Sr，Ga，V，B含量及相關(guān)元素的比值在淺海和陸相沉積物中具有一定的差異，Chen等［25］總結(jié)認(rèn)為淺海相沉積物具有Sr質(zhì)量含量＞160 μg/g，w(Sr)/w(Ba)＞0.35，Ga質(zhì)量含量＜15 μg/g，V質(zhì)量含量＜86 μg/g及w(B)/w(Ga)＞4.2等特征，而陸相沉積物常常 Sr質(zhì)量含量＜90 μg/g，w(Sr)/w(Ba)＜0.2，Ga質(zhì)量含量為18～23 μg/g，V質(zhì)量含量為110～113 μg/g及 w(B)/ w(Ga)＜3.3。南明水組泥巖樣品Sr質(zhì)量含量介于192.67～639.86 μg/g，w(Sr)/w(Ba)介于0.39～1.95，具有典型淺海相特征，而Ga含量介于19.97～23 μg/g，V質(zhì)量含量介于135.5～205.9 μg/g，均分布于陸相沉積區(qū)，w(B)/w(Ga)比值僅第2亞組上段2個樣品值大于4.2，其余均小于3.3。第1亞組中Sr的高值可能與該亞組發(fā)育多套生物碎屑泥晶灰?guī)r有關(guān)。與古鹽度密切相關(guān)的B元素含量及B/Ga比值顯示自剖面下部的第1亞組向上具有先升高最后降低的趨勢(圖5)。水體鹽度越高，鉀和鈉就越易被黏土吸附或進(jìn)入伊利石晶格，且鉀相對鈉的吸附量亦越大［26］。因此，w(K)/w(Na)值越大，介質(zhì)鹽度越高，整個剖面上 K2O/Na2O比值具有和 B，w(B)/ w(Ga)相似的變化趨勢，顯示第2亞組的鹽度最高，其次為第3亞組，第1亞組沉積時期水體鹽度最低。南明水組早期可能水體較為開放，多套的河道圓礫巖指示了大量且大型入海河流的存在［24］，從而導(dǎo)致海水鹽度的急劇降低，而晚期則陸源河流減少，水體相對封閉，此外，可能還與氣候因素等有關(guān)，后期海水鹽度逐漸得到恢復(fù)和升高。

圖5　南明水組暗色泥巖w(B)，w(B)/w(Ga)，w(K)/w(Na)等變化趨勢Fig.5　Changing trend of w(B)，w(B)/w(Ga)，w(K)/w(Na) etc.values from Nanmingshui Fm mudstone

氧化還原條件。水體的氧化還原狀況對有機(jī)質(zhì)的保存至關(guān)重要，常見的氧化還原敏感元素如U，Th，V，Ni，Co等及其比值可以很好的保留和還原水體沉積時期的氧化還原條件［27］。U在氧化條件下較不穩(wěn)定，主要以U6+形式溶解于水體中，還原條件下，U 由+6價降為穩(wěn)定的+4價，并以絡(luò)合物的形式沉淀、富集于沉積物中，有機(jī)質(zhì)對U有較好的吸附富集作用;而Th的活動性恰恰相反，趨向穩(wěn)定存在并富集于更加氧化的環(huán)境下［28］，因此，沉積物w(U)/w(Th)比值越高，反映沉積環(huán)境越還原。研究表明，正常海相沉積中U/Th比值一般大于0.2［29］，南明水組暗色泥巖該值介于0.36～2.47，平均1.14，指示還原環(huán)境。Wingnall［30］基于U，Th的氧化還原特性及U－Th/3代表自生鈾的相對含量，提出δU=2U/(U+Th/3)，并認(rèn)為δU＞1，代表缺氧環(huán)境;δU＜1，代表正常海水環(huán)境。剖面樣品δU值較高，介于1.04～1.76，平均1.47，顯示缺氧環(huán)境。此外，樣品 w(V)/w(V+Ni)比值(0.75～0.87，平均0.8)也表明了暗色泥巖沉積時期水體為一種缺氧還原的環(huán)境。以上與前人通過生物標(biāo)志物飽和烴氣相色譜分析的結(jié)果一致，后者認(rèn)為南明水組第2，3亞組的暗色泥巖沉積環(huán)境為強(qiáng)還原［18］。氧化還原指標(biāo)不僅指示了還原環(huán)境，而且在整個剖面上的變化指示了缺氧還原的強(qiáng)度變化(圖5)?？傮w上，下部第1亞組還原性最強(qiáng)，向上還原性逐漸減弱，第3亞組最弱。

生物生產(chǎn)率。生物生產(chǎn)率是決定地層有機(jī)質(zhì)含量的根本因素，在一定的保存條件下，生物生產(chǎn)率越高，地層總有機(jī)碳含量(TOC)越高［31］。微量元素Ni 和Cu與有機(jī)質(zhì)關(guān)系密切，主要通過有機(jī)質(zhì)輸送到沉積物中，當(dāng)有機(jī)質(zhì)降解時，Ni和Cu被釋放出來并在硫酸鹽還原環(huán)境下被黃鐵礦捕獲而固定在沉積物中，因此，沉積物中保存了Ni和Cu的初始含量，相比于其他在埋藏成巖作用過程中易活動性元素(如P，Ba，Zn及Cd等)，Ni和Cu為表征進(jìn)入沉積物有機(jī)質(zhì)含量的理想指標(biāo)［27，32］。w(Ni)+w(Cu)含量自剖面第1亞組向上先增加后降低，在南明水組第2亞組中最高，其次第3亞組，而第1亞組平均含量最低(圖6)。P/Ti比值也具有表征有機(jī)生物生產(chǎn)率的作用，可能由于受風(fēng)化作用的影響，南明水組樣品P/Ti比值甚至出現(xiàn)與總有機(jī)碳含量(TOC含量)呈弱的反相關(guān)性，盡管如此，各亞組幾個極大值也暗示中部的第2亞組生物生產(chǎn)率最高。

圖6　南明水組暗色泥巖TOC含量，w(Ni)+w(Cu)，w(P)/w(Ti)等變化趨勢Fig.6　Changing trend of TOC content，w(Ni)+w(Cu)，w(P)/ w(Ti)etc.values from Nanmingshui Fm mudstone

古水深。元素的聚集和分散與水體深度(離岸距離)有一定相關(guān)性，是元素在沉積作用過程中所發(fā)生的機(jī)械分異作用、化學(xué)分異作用、生物生理作用、生物化學(xué)作用的結(jié)果［33］。Strakhov等［34］研究表明，自海岸到深海，沉積物中依次富集Fe族(Fe，Cr，V，Ge)至水解性元素(Al，Ti，Zr，Ca，Nb，Ta)，之后是親硫性元素(Pb，Zn，Cu，As)帶，最后過渡為Mn族(Mn，Co，Ni，Mo)。因此，F(xiàn)e/Mn比值自近陸端沉積物向深海方向逐漸減小。此外，Zr為典型親陸性元素，但在沉積物中受Al元素支配，通過Al的校正可指示沉積物離岸沉積的遠(yuǎn)近，間接指示水深［35］。w(Fe)/ w(Mn)，w(Zr)/w(Al)均指示了南明水組暗色泥巖沉積水體由深變淺再變深的變化，并且各亞組內(nèi)部水體可能也存在一定的波動，尤其是第2亞組(圖6)。

古氣候。南明水組第1亞組中多套生物碎屑泥晶灰?guī)r的出現(xiàn)表明，早期氣候環(huán)境溫暖潮濕，對氣候較為敏感的Sr元素在第1亞組強(qiáng)烈富集，Al2O3/MgO比值也顯示早期氣候溫濕，水體淡化，剖面自下而上w(Mg)/w(Sr)，w(Mg)/w(Ca)比值先升后減指示第2亞組溫度有所上升，且相對較第1亞組干旱，第3亞組又有所恢復(fù)(圖6)。從w(Sr)/w(Cu)比值看，剖面樣品值基本小于10，氣候總體溫暖潮濕。

綜上分析，南明水組暗色泥巖沉積環(huán)境曾有過明顯的變化，早期受大陸河流淡水的影響，水體鹽度最低，深度較大，氣候溫暖潮濕，暗色泥巖沉積水體還原性較強(qiáng)，但是生物生產(chǎn)率低;中期相對封閉，大型河流減少，氣候相對早期潮濕度降低，溫度也更高，水體鹽度得到回復(fù)，水體變淺，還原性減弱，但是生物生產(chǎn)率較高;后期南明水組第3亞組鹽度最高，水深略有升高，但水體還原性最弱。

4.3頁巖氣地質(zhì)特征

有機(jī)質(zhì)豐度的測定表明(圖4)，南明水組第2亞組總有機(jī)碳含量(TOC含量)較上、下亞組高，該亞組下段TOC含量介于0.42%～1.11%，平均0.62%，上段介于0.62%～0.92%，平均0.82%，盡管通過探槽取樣，由于巖層較直立，風(fēng)化深度較大，基本和地表露頭樣品有機(jī)碳含量相當(dāng)。通過對塔城盆地、吉木乃盆地地表樣品總有機(jī)碳含量(TOC)與對應(yīng)層位巖心樣品TOC含量的對比表明，巖心樣平均TOC含量至少為地表樣品的2倍甚至更高［36］，其他學(xué)者對羌塘盆地東部、重慶北培地區(qū)、柴達(dá)木盆地北緣等做過風(fēng)化對比試驗，計算出風(fēng)化校正系數(shù)也達(dá)到為1.99［18］?？紤]到相對強(qiáng)烈的風(fēng)化條件，而且張金川［1］也將TOC含量= 0.5%作為產(chǎn)氣頁巖的下限，因此，南明水組第2亞組兩段勉強(qiáng)滿足頁巖氣對有機(jī)碳豐度的要求。

有機(jī)質(zhì)類型也是頁巖氣評價的一個重要因素，不同類型的干酪根具有不同的生烴門限，其對成熟度的要求各異。此外前人研究中也曾發(fā)現(xiàn)一些具有很高生排烴效益的烴源巖卻表現(xiàn)出更低的殘余有機(jī)碳特點［37］。因此，有機(jī)質(zhì)類型在頁巖氣研究中意義重大?？赡苡捎趶?qiáng)烈風(fēng)化的原因，熱解數(shù)據(jù)中游離烴和熱解烴的數(shù)值均很低(S1=0.006 1～0.058 3 mg/g，S2= 0.022 2～0.056 1 mg/g)，同時，H/C原子比也極低(0.028～0.038)，以致氫指數(shù)(HI)太低(僅2.70～8.34)而對有機(jī)質(zhì)類型的指示不甚可靠(表1)，而較為直觀的干酪根鏡檢相對更為可靠。樣品鏡質(zhì)體顯微組分分析表明，南明水組第2亞組上下兩段暗色泥巖干酪根主要以惰質(zhì)組、殼質(zhì)組中的非樹脂體及鏡質(zhì)組為主(表1)，計算得出的干酪根類型(TI)指數(shù)均小于0，指示為Ⅲ型干酪根，此外，張家震等［18］曾在第2亞組中發(fā)現(xiàn)少量II2型干酪根，表明南明水組3個亞組暗色泥巖的有機(jī)質(zhì)類型基本為Ⅲ型，以高等植物為主，僅第2亞組含少量II2型干酪根，來自浮游生物及細(xì)菌。

有機(jī)質(zhì)的熱演化程度對于油氣資源的評價至關(guān)重要，對于以Ⅲ型干酪根為主的有機(jī)質(zhì)其產(chǎn)氣所需的成熟度較Ⅰ型和Ⅱ型均較高。富蘊(yùn)盆地南明水組受北部阿勒泰南緣增生弧推擠作用的影響，巖石表現(xiàn)出一定的弱變質(zhì)特征，較有利于有機(jī)質(zhì)的成熟及生烴。樣品最大熱解峰溫(Tmax)分布于349～535℃，大部分大于530℃。樣品干酪根鏡質(zhì)體反射率(Ro)第1亞組為1.46%(樣品 TC01－S62)，第2亞組介于1.12%～1.42%(圖7)，而前人研究第2亞組Ro甚至達(dá)到1.52%～3.28%，第3亞組為2.13%［18］。因此，南明水組暗色泥巖有機(jī)質(zhì)成熟度基本達(dá)到成熟—高成熟階段，甚至過成熟，有利于其Ⅲ型干酪根有機(jī)質(zhì)的熱解生烴，頁巖氣前景較好。

圖7　南明水組第1，2亞組樣品鏡質(zhì)體反射率的分布特征Fig.7　Distributing characteristics of vitrinite reflectance in the first and second member of Nanmingshui Fm

礦物組成的不同影響頁巖對氣體的吸附儲集能力。黏土礦物常常具有較高的微孔隙體積以及可觀的比表面積，吸附能力強(qiáng)，南明水組第2亞組較第1亞組更高的黏土含量使得前者具有更大的比表面積，而脆性礦物石英、碳酸鹽礦物等則有利于增強(qiáng)巖石脆性，使頁巖在外力下極易形成天然裂隙和滲導(dǎo)裂縫，有利于頁巖氣的儲集滲流。南明水組暗色泥巖與美國福特沃斯盆地Barnet頁巖時代同為早石炭世，且富蘊(yùn)盆地同屬前陸型盆地，南明水組為其前淵沉積［21－22］。相同的構(gòu)造背景及沉積時代，使得兩者更具有可對比性。Barnett頁巖黏土礦物含量介于35%～44%，石英含量介于35%～50%，其中黏土礦物主要為伊利石［38－39］。富蘊(yùn)盆地南明水組第2亞組中黏土礦物介于32%～49%，其中也以伊利石為主，含量介于61% ～77%，脆性礦物石英含量介于33%～41%(表3)，與Barnett頁巖具有相似的礦物組成(圖8)，Schettler等(1990)認(rèn)為頁巖中的吸附態(tài)甲烷主要分布在伊利石表面，可見南明水組第2亞組具有比較理想的礦物組成，利于氣體儲集吸附的黏土礦物含量和增強(qiáng)孔隙及壓裂性的脆性礦物含量具有較好的平衡。

圖8　南明水組暗色泥巖黏土礦物－石英+長石－碳酸鹽巖三角Fig.8　Total clay-Quartz+Feldspar-Total carbonate triangular diagram of mudstone from Nanmingshui Fm

綜上分析，南明水組各亞組具有差異明顯的暗色泥巖發(fā)育特征。南明水組第1亞組盡管暗色泥巖沉積時期水體較深，為淺海相，具有更高的水體還原性，但是較低的生物生產(chǎn)率決定了其總有機(jī)碳含量(TOC含量)太低，缺乏產(chǎn)頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ);第3亞組暗色泥巖沉積時期水體還原性較弱，加之其生物生產(chǎn)率不高，總有機(jī)碳含量也較低，且?guī)r層厚度不大，橫向連續(xù)性差，因此也不具有產(chǎn)頁巖氣前景;第2亞組盡管水體還原性較第1亞組弱，但其具有水體鹽度、水動力條件等優(yōu)勢更有利于生物的存在，因此具有較高的生物生產(chǎn)率及總有機(jī)碳含量，其礦物組成上更高的脆性礦物石英、長石含量，以及泥巖與砂巖的交互沉積更有利于后期壓裂，同時，相對更大的巖石比表面積也表明該亞組具有非常合適的礦物含量比。此外，高的有機(jī)質(zhì)成熟度、一定的干酪根類型、較大的累計厚度等進(jìn)一步表明南明水組第2亞組具備頁巖氣發(fā)育條件。

5　沉積環(huán)境對頁巖氣地質(zhì)條件的制約

富蘊(yùn)盆地早石炭世南明水組總體沉積環(huán)境為扇三角洲、濱、淺海，靠近大陸，受陸源影響明顯，使得其中暗色泥巖有機(jī)質(zhì)類型基本上以Ⅲ型干酪根為主，有大量來自陸源的植物碎片，前人在南明水組第2亞組中雖然也發(fā)現(xiàn)Ⅱ型干酪根，但數(shù)量很少［18］。對于頁巖氣來說，Ⅲ型干酪根并非理想的有機(jī)質(zhì)類型，對北美頁巖氣幾個主要產(chǎn)氣盆地的研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣頁巖中Ⅱ型干酪根更為常見［38］，可能因為成熟度太高對Ⅰ型干酪根不利，而太低，又達(dá)不到Ⅲ型干酪根大量產(chǎn)生氣態(tài)烴的要求。而富蘊(yùn)薩爾布拉克地區(qū)適當(dāng)強(qiáng)度的構(gòu)造作用對于南明水組暗色泥巖Ⅲ型干酪根的產(chǎn)氣比較有利。有機(jī)質(zhì)豐度的影響因素較多［40］，南明水組中、晚期相對更高的鹽度(海陸交互相區(qū)半咸水偏咸水)以及閉塞的環(huán)境或許形成了更適合生物生活的環(huán)境，具有更高的生物生產(chǎn)率，是沉積有機(jī)質(zhì)富集的一定積極因素;但是由于水體變淺，泥巖與砂巖頻繁互層，以及近陸源缺乏穩(wěn)定的沉積環(huán)境，使得南明水組總體有機(jī)質(zhì)豐度不高，而且頁巖單層連續(xù)厚度較薄。

沉積相不僅影響有機(jī)質(zhì)類型和豐度，而且控制沉積巖石的類型及其中的礦物組成。近岸沉積環(huán)境大量接受陸源碎屑沉積，南明水組暗色泥巖隨著水體深度的變淺及相對的封閉性，第2亞組粉砂質(zhì)泥巖黏土礦物(32%～49%)及石英含量(33%～41%)較第1亞組均要高，巖石物性更有利于頁巖氣的儲集和壓裂。此外，受海水鹽度及其他水體化學(xué)性質(zhì)的影響，自下而上南明水組暗色泥巖沉積時水體更富K及更具堿性，尤其是第2亞組，而第1亞組更加富集Fe2+及Mg/K比更高，使得第1亞組大量發(fā)育綠泥石、綠蒙間層礦物，而第2亞組黏土礦物組成主要以伊利石和伊蒙混層為主，較第1亞組黏土組成更具孔隙空間的發(fā)育及氣體吸附能力，蒙脫石的缺乏及伊蒙、綠蒙混層的存在可能表明大量蒙脫石向伊利石或綠泥石發(fā)生了轉(zhuǎn)化，在此伊利石化中，伴隨體積的縮小，能夠產(chǎn)生更多的微裂縫(孔)。

6　結(jié)　　論

(1)南明水組暗色泥巖沉積水體自早期明顯淡化至第3亞組鹽度逐漸升高，水體由開闊變?yōu)橄鄬Ψ忾]?？傮w還原，向上還原性減弱，生物生產(chǎn)率第2亞組最高，其次為第3亞組，第1亞組最低。氣候總體溫暖潮濕，中晚期溫度有所上升，也較早期相對干旱，暗色泥巖沉積水體深度總體呈現(xiàn)由深變淺再變深的趨勢。

(2)南明水組有機(jī)質(zhì)類型基本以Ⅲ型干酪根為主，含少量II2型干酪根，其中第2亞組有機(jī)質(zhì)豐度最高，達(dá)到0.42%～1.11%，風(fēng)化校正后勉強(qiáng)可以達(dá)到頁巖氣總有機(jī)碳含量要求;有機(jī)質(zhì)成熟度達(dá)到高－過成熟階段;礦物組成以黏土礦物和石英為主，黏土礦物介于32%～49%，其中以伊利石為主，含量介于61%～77%，脆性礦物石英含量介于33%～41%，具備頁巖氣發(fā)育條件。

(3)沉積環(huán)境控制了南明水組第2亞組相對上、下亞組更好的頁巖氣地質(zhì)特征，表明海陸交互區(qū)半咸水偏咸水的鹽度條件、缺乏大型入海河流的干擾、穩(wěn)定的沉積環(huán)境等更有利于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的發(fā)育。

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中圖分類號:P618.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1476－11

收稿日期:2015－08－04修回日期:2015－10－30責(zé)任編輯:韓晉平

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(華南新元古代"楔狀地層"沉積充填序列及大地構(gòu)造研究)(41030315);新疆自治區(qū)地勘基金資助項目(N13－4－XJ02);揚(yáng)子北緣新元古代花山群火山－沉積序列及其構(gòu)造屬性研究資助項目(41402103)

作者簡介:熊小輝(1987—)，男，江西高安人，博士。E－mail:xiongxiaohui1987@163．com。通訊作者:王劍(1962—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師。E－mail:w1962jian@163．com

Sedimentary environment evolution and shale gas geological features of dark mudstone from Nanmingshui Fm of Fuyun Basin，Xinjiang

XIONG Xiao-hui1，2，WANG Jian1，2，XIONG Guo-qing1，2，YU Qian1，2，LU Jun-ze1，2，ZHOU Ji-bing3，BAI Hong-hai3，DENG Qi1，2
(1．Chengdu Institute of Geology and Mineral Resources，Chengdu610083，China;2．Key Laboratory of Sedimentary Basin and Oil and Gas Resources，Ministry of Land and Resources PRC，Chengdu610083，China;3．The Ninth Geological Team of Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources，Urumuqi 830009，China)

Abstract:To understand the sedimentary environment evolution，shale gas prospect and their relationship of Nanmingshui Fm dark mudstone from Shaerbulake Region，F(xiàn)uyun Basin，the analysis on inorganic，organic geochemistry and mineralogy were performed．It shows that，influenced by large rivers import，water desalination occurred during the sedimentation．Water openness decreased later，and the salinity re-increased gradually．It was warm and moist generally，then became warmer and drier in middle-late stage during Nanmingshui Fm sedimentation．There was a deep-shallowdeep change in water depth upward Nnmingshui Fm．Reducing condition occurred during dark mudstone sedimenta-tion，but it weakened upward Nanmingshui Fm．The organic matter is dominated by typeⅢwith a few type II2，and its evolution is in a high-over maturation．The second member of Nanmingshui Fm bears highest biological production and total organic matter(TOC:0．42%－1．11%)．Mineral composition is dominated by clay and quartz，especially in the dark mudstone from the second member(clay:32%－49%;quartz:33%－41%;illite in clay:61%－77%)，which have good factors for shale gas development．The study shows that brackish water with salinity lean to salt water，lack of large river import，stable sedimentary environment etc．a(chǎn)re more beneficial to the development of gas-producing shale．

Key words:shale gas;sedimentary environment;geochemistry;Nanmingshui Fm;Fuyun Basin