羅宏謂,侯明才,劉 宇,周倩玉,吳超偉,余 威

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)(成都理工大學(xué))，成都 610059)

隨著北美海相地層頁巖氣的勘探開發(fā)取得重大突破，近年來，頁巖氣勘探開發(fā)成為全球非常規(guī)油氣資源勘探的新突破點(diǎn)[1]。據(jù)調(diào)查，中國頁巖氣資源量大，居于世界第一位[2]。目前中國頁巖氣勘探開發(fā)處于起步階段，僅在四川盆地及周緣地區(qū)取得重大突破，多口井實(shí)現(xiàn)工業(yè)高產(chǎn)[3]?，F(xiàn)已查明桂中拗陷上古生界頁巖氣資源量約12.34×1012m3 [4]，其盆地發(fā)育特點(diǎn)、泥頁巖沉積特征與美國典型頁巖氣盆地相似，是中國南方未來海相頁巖氣勘探接替區(qū)之一[5]。

桂中拗陷發(fā)育有中下泥盆統(tǒng)、下石炭統(tǒng)和下二疊統(tǒng)等多套泥頁巖，具有埋藏深度淺、沉積厚度大、有機(jī)碳含量高、有機(jī)質(zhì)類型好和有機(jī)質(zhì)成熟度高等特征[6]。前人對(duì)桂中拗陷下石炭統(tǒng)鹿寨組泥頁巖沉積環(huán)境[7-9]、有機(jī)地球化學(xué)特征[10]、儲(chǔ)層特征[6]、油氣保存條件[11-12]及成藏模式[13]等已開展部分研究工作。鹿寨組為明顯的兩段式沉積，下段為臺(tái)間盆地相沉積，上段為斜坡相沉積[7]。鹿寨組下段泥頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)為2.01%～15.67%，為優(yōu)質(zhì)烴源巖；泥頁巖的有機(jī)質(zhì)類型主體為Ⅱ型；泥頁巖的Ro值為1.72%～2.78%，處于過成熟階段：具有頁巖氣勘探開發(fā)的巨大潛力[10]。桂中拗陷東部鹿寨一帶下石炭統(tǒng)具有較好的韌性，物性較好，封閉性較好，是較可靠的自生儲(chǔ)蓋層[6,11-12]。目前針對(duì)鹿寨組下段泥巖有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制研究較少，其控制因素尚不明確。本文選取鹿寨縣寨沙鎮(zhèn)寨沙剖面鹿寨組下段泥巖為研究對(duì)象，利用主元素和痕量元素地球化學(xué)特征分析古氣候、古氧化-還原及古生產(chǎn)力條件，并結(jié)合TOC含量垂向變化，以期揭示控制鹿寨組下段泥巖有機(jī)質(zhì)富集的因素，為優(yōu)質(zhì)烴源巖評(píng)價(jià)以及頁巖氣勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

桂中拗陷作為滇黔桂含油氣盆地東北部的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，同時(shí)發(fā)育有特提斯(NW向)與濱太平洋(NE向)兩大構(gòu)造域典型構(gòu)造線特征，具有明顯的構(gòu)造帶轉(zhuǎn)換與疊加特征[12]。據(jù)近年來區(qū)域地質(zhì)與區(qū)域地球物理、地球化學(xué)資料研究成果分析，桂中拗陷跨越了揚(yáng)子陸塊與華南活動(dòng)帶兩大構(gòu)造單元，北與江南隆起相接，東以龍勝—永福斷裂與大瑤山隆起、桂林拗陷相接，南以憑祥—大黎斷裂與大瑤山隆起相接，西以南丹—都安斷裂與羅甸斷陷、南盤江拗陷相接[14-15]。桂中拗陷總體格局為“四凹三凸一斜坡”，即環(huán)江淺凹、宜山斷拗、洪渡淺凹、象州淺凹、馬山斷凸、羅城低凸起、柳江低凸起以及柳城斜坡(圖1)。

桂中拗陷自早泥盆世開始，沿欽州—防城一線自南向北出現(xiàn)板內(nèi)張裂活動(dòng)，使桂中地區(qū)下沉為盆地；尤其是早泥盆世晚期到早石炭世的板內(nèi)擴(kuò)張，形成了臺(tái)盆相間的格局；早石炭世早期，桂中拗陷區(qū)繼承了晚泥盆世的古地理格局[16]。早泥盆世-中三疊世，桂中拗陷構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，泥盆系、石炭系以及下二疊統(tǒng)相對(duì)發(fā)育，為一套海侵體系域的泥灰?guī)r、泥巖和陸源碎屑巖，晚三疊世印支運(yùn)動(dòng)結(jié)束了該地區(qū)海相沉積。晚侏羅世之后，桂中拗陷地層遭受強(qiáng)烈的構(gòu)造作用，形成如今的地貌[11,17]。

研究剖面位于桂中拗陷東部象州淺凹鹿寨縣寨沙鎮(zhèn)(圖1)，剖面地層露頭出露良好。該地區(qū)鹿寨組為連續(xù)沉積。鹿寨組下伏地層為上泥盆統(tǒng)五指山組，其巖性主要為灰—淺灰色薄層瘤狀灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r，兩者整合接觸。鹿寨組下段為臺(tái)間盆地相沉積，巖性為碳質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖；上段為斜坡相沉積，巖性主要為亮晶灰?guī)r、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及石英砂巖[11]。鹿寨組下段實(shí)測(cè)地層厚度為84.58 m，劃分1個(gè)Ⅲ級(jí)層序，最大海泛面位于剖面25 m處，沉積灰黑色碳質(zhì)泥巖；海侵體系域(TST,0～25 m)巖性主要為灰黑色薄層碳質(zhì)泥巖夾灰色、灰黃色薄層泥巖；高水位體系域(HST，25～84.58 m)巖性主要為灰褐色薄層泥巖、灰黑色薄—中層碳質(zhì)泥巖夾粉砂質(zhì)泥巖(圖2)。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造背景及位置圖Fig.1 Regional geological background and location of the study area

2 樣品及測(cè)試方法

本次研究共采集寨沙剖面野外露頭樣品16件，分析測(cè)試均在四川省科源工程技術(shù)中心完成，包括有機(jī)碳含量、X射線衍射分析、主元素和痕量元素測(cè)試分析。所有樣品測(cè)試前均去掉表面風(fēng)化層，盡量減小風(fēng)化作用的影響以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性?？傆袡C(jī)碳含量測(cè)試采用《沉積巖中總有機(jī)碳的測(cè)定》(GB/T19145-2003)方法，在Leco CS-400碳硫分析儀上完成。首先將樣品粉碎至200目，用稀鹽酸除去巖樣中的碳酸鹽，烘干后，將除去碳酸鹽的巖樣在高溫(1 200℃)氧氣流中燃燒，將得到的CO2經(jīng)紅外檢測(cè)器確定總有機(jī)碳的含量。X射線衍射分析在荷蘭帕納科X’Pert Powder X射線衍射儀上完成。首先取1～2 g樣品粉碎至直徑<40 μm，將測(cè)試樣品的X射線衍射圖與標(biāo)準(zhǔn)X射線譜圖比對(duì)，對(duì)全巖礦物含量進(jìn)行定量評(píng)估。對(duì)樣品中黏土礦物部分，采用沉降-離心方法分別提取直徑<10 μm和<2 μm的樣品用于黏土礦物含量測(cè)定。實(shí)驗(yàn)方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中粘土礦物和常見非粘土礦物X衍射分析方法》 (SY/T 5163-2010)。主元素測(cè)試在島津XRF-1800波長(zhǎng)掃描X射線熒光光譜儀上完成。痕量元素含量利用Agilent 7500a ICP-MS分析完成。其中痕量元素測(cè)試方法如下：①稱取50 mg 200目巖石粉末于Teflon溶樣器中；②在Teflon溶樣器中將樣品與HF+HNO3混合，于195℃條件下消解48 h；③在120℃條件下蒸干除Si后的樣品，用2%稀硝酸溶液稀釋2 000倍，定容于干凈的聚酯瓶。

圖2 寨沙剖面鹿寨組下段地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the lower section of Luzhai Formation in Zhaisha cross section

3 地球化學(xué)特征

3.1 礦物組成

全巖X射線衍射測(cè)試分析結(jié)果顯示鹿寨組下段樣品主要礦物成分為石英及黏土礦物。石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%～96%，平均為84%，下部的石英含量略高于中上部；黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～27%，平均為14%。部分樣品中含有少量長(zhǎng)石、方解石、重晶石 (表1)。黏土礦物主要為伊利石，少量綠泥石以及伊蒙混層，3種礦物平均相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為別為92.75%、3.6%及3.7%(表1)。礦物成分及含量表明，鹿寨組下段泥巖以脆性礦物為主，易在人工水力壓裂下產(chǎn)生裂縫，有利于頁巖氣開采。

3.2 有機(jī)碳含量

有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)頁巖氣資源具有重要影響和指示意義，其含量決定泥頁巖的吸附能力，因此有機(jī)碳含量是評(píng)價(jià)烴源巖及生烴潛力最為關(guān)鍵的參數(shù)之一[18-19]。目前具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值的優(yōu)質(zhì)泥頁巖的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低標(biāo)準(zhǔn)一般>2.0%[20]。鹿寨組下段泥巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～4.54%，平均為2.32%(表2)，顯示其達(dá)到了優(yōu)質(zhì)泥巖的標(biāo)準(zhǔn)。鹿寨組下段有機(jī)碳含量自下而上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)(圖3)。

表1 鹿寨組下段X射線衍射分析結(jié)果Table 1 X-ray diffraction analysis of the lower section of Luzhai Formation

表2 鹿寨組下段有機(jī)碳及主元素含量(w/%)Table 2 Total organic contents and major elemental components of the lower section of Luzhai Formation

3.3 主元素、痕量元素

研究區(qū)鹿寨組下段主元素分析測(cè)試結(jié)果顯示SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73.22%～95.63%，平均為84.44%。Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO、Na2O、CaO含量依次降低，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9.50%、2.72%、1.95%、0.49%、0.15%及0.12%(表2)。鹿寨組下段痕量元素測(cè)試分析結(jié)果見表3。

元素含量及比值可以有效地反映古生產(chǎn)力以及古沉積環(huán)境條件[21-23]。古氣候指數(shù)C、化學(xué)蝕變指數(shù)CIA以及Sr/Cu比值可有效判別古氣候條件[24-25]。鹿寨組下段古氣候指數(shù)C、CIA以及Sr/Cu比值分別為0.26～2.38、76.29～87.47、0.09～0.69。V/(V+Ni)、V/Cr以及Ni/Co比值是古氧化-還原條件的有效判別指標(biāo)[26]。鹿寨組下段古氧化-還原指標(biāo)V/(V+Ni)、V/Cr及Ni/Co比值分別為0.36～0.99、2.23～9.9、2.3～26.26。Ba、Ni及Cu元素含量可作為古生產(chǎn)力替代指標(biāo)[22]。鹿寨組下段古生產(chǎn)力指標(biāo)Ba、Ni以及Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(231.32～4 128.26)×10-6、(4.86～52.48)×10-6、(79.99～620.27)×10-6(表3)。

4 討 論

4.1 古氣候條件

氣候條件對(duì)沉積環(huán)境的氧化-還原、酸堿性及古鹽度等具有一定影響，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)期，是解釋沉積環(huán)境不可或缺的指標(biāo)之一[29]。沉積物中主元素、痕量元素含量受古氣候影響，不同氣候條件下元素的富集程度存在差異[30]。常用的指示古氣候的指標(biāo)包括古氣候指數(shù)C、化學(xué)蝕變指數(shù)CIA、Sr/Cu、Fe/Mn、Fe/Cu、Mg/Ca、SiO2/Al2O3比值以及Sr、Cu元素的含量等[30]，其中古氣候指數(shù)C、化學(xué)蝕變指數(shù)CIA及Sr/Cu比值是最廣泛使用的古氣候指標(biāo)。潮濕的氣候條件下Fe、Mn、Cr、V、Ni、Co等元素常常富集；而干旱條件下，水分蒸發(fā)，水體堿性增強(qiáng)，Ca、Mg、K、Na、Sr、Ba等元素較富集[24]。古氣候指數(shù)C值計(jì)算如下

(1)

研究表明，0

化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)常被用來作為評(píng)價(jià)氣候和風(fēng)化作用強(qiáng)度的指標(biāo)[32-33]，采用如下公式計(jì)算

CIA=100×Al2O3/(Al2O3+Na2O+K2O)

(2)

式中各氧化物的含量皆為摩爾分?jǐn)?shù)。由于精確測(cè)定和扣除鈣質(zhì)沉積物中碳酸巖衍生的CaO較為困難，因此本文計(jì)算CIA指數(shù)時(shí)舍去原公式分母中CaO含量[33]。鹿寨組下段CIA值顯示自下而上具有先減小后增大的趨勢(shì)(圖3)。研究表明，0.8≤CIA<1指示熱和潮濕的熱帶氣候，源區(qū)化學(xué)蝕變作用強(qiáng)；0.7≤CIA<0.8指示溫帶氣候，源區(qū)化學(xué)蝕變作用中等；CIA<0.7指示寒冷和干旱的氣候，源區(qū)化學(xué)蝕變作用弱[34]。鹿寨組下段CIA值為0.76～0.87，平均為0.80，屬于半潮濕—潮濕的氣候條件(圖4-A)，中等—強(qiáng)的化學(xué)蝕變作用。

研究表明，Sr與Cu的比值對(duì)古氣候具有較好的指示意義，Sr/Cu<10指示潮濕環(huán)境，Sr/Cu≥10指示干旱環(huán)境[35]。研究區(qū)鹿寨組下段富有機(jī)質(zhì)泥巖樣品Sr/Cu比值為0.1～0.78，平均為0.31，屬于潮濕的氣候條件(圖4-B)。

圖4 鹿寨組下段古氣候分析判斷圖Fig.4 Discrimination diagram of paleoclimate for the lower section of Luzhai Formation

綜上所述，3種古氣候指標(biāo)指示鹿寨組下段沉積期為半潮濕—潮濕氣候，化學(xué)蝕變作用中等—強(qiáng)。

4.2 古氧化-還原條件

沉積水體的氧化-還原條件對(duì)生物的演化、有機(jī)質(zhì)的保存有非常重要的作用[29]。痕量元素如V、Ni、U及Mo等對(duì)氧化-還原變化非常敏感[36]，在還原環(huán)境中易在沉積物中富集，因此通過它們的富集程度或相對(duì)比值可以判斷沉積水體的氧化-還原條件[26]。其中V/(V+Ni)、V/Cr及Ni/Co比值為判斷氧化-還原條件的常用指標(biāo)[37]。

J.R.Hatch等[37]研究美國賓夕法尼亞上統(tǒng)海相黑色頁巖地球化學(xué)特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)V/(V+Ni)比值與黑色頁巖中黃鐵礦的礦化度(DOP)存在較好的正相關(guān)性，因此認(rèn)為V/(V+Ni)比值能夠較好地反映沉積水體的氧化-還原條件。研究表明：V/(V+Ni)比值<0.46指示氧化環(huán)境,[0.46,0.57)指示貧氧環(huán)境,[0.57,0.83)指示缺氧環(huán)境,[0.83,1)指示硫化環(huán)境[38]。鹿寨組下段V/(V+Ni)比值為0.36～0.99，除樣品LZ-20落在氧化環(huán)境內(nèi)，其余均落在缺氧—硫化環(huán)境(圖5-A)，指示鹿寨組下段沉積時(shí)期水體整體為還原環(huán)境。

圖5 鹿寨組下段古氧化-還原條件分析判別圖Fig.5 Discrimination diagram of ancient redox for the lower section of Luzhai Formation

Ni和V在還原環(huán)境中容易被有機(jī)物吸附，Cr和Co濃度被認(rèn)為是陸源碎屑含量的函數(shù)，受氧化-還原條件的影響較小[39]。B.Jones等[40]將Ni/Co和V/Cr比值與黃鐵礦的礦化度對(duì)比后提出Ni/Co和V/Cr比值對(duì)氧化-還原條件具有較好的指示意義。因此Ni/Co以及V/Cr比值常被用來指示水體氧化-還原條件[41]。Ni/Co比值<5指示氧化環(huán)境，=5～7指示貧氧環(huán)境，>7指示缺氧環(huán)境[31,40]。鹿寨組下段Ni/Co比值為2.3～26.26，平均值為12.62，除樣品LZ-22落在氧化區(qū)域外，其余樣品都落在貧氧—缺氧環(huán)境中(圖5-B)，指示鹿寨組下段沉積時(shí)期水體主要為貧氧—缺氧環(huán)境。V/Cr比值<2.00指示氧化環(huán)境，=2.00～4.25指示貧氧環(huán)境,>4.25指示缺氧環(huán)境[42]。鹿寨組下段樣品V/Cr比值為2.23～9.90，均大于2.00，平均值為4.92，主要落在貧氧—缺氧的環(huán)境中(圖5-C)，同樣指示鹿寨組下段沉積時(shí)期水體為貧氧—缺氧環(huán)境。因此，鹿寨組下段沉積時(shí)期整體以還原環(huán)境為主。

4.3 古生產(chǎn)力條件

Cu和Ni元素在氧化水體中分別以金屬配位體、可溶性碳酸鎳(NiCO3)形式存在，兩者絡(luò)合物形態(tài)易與有機(jī)質(zhì)結(jié)合而加速沉淀，從而在沉積物中富集，因此Cu和Ni元素可作為古生產(chǎn)力指標(biāo)[45]。本文采用Cu和Ni元素富集因子(EFX)來判斷古生產(chǎn)力條件，富集因子計(jì)算公式如下

EFX=(X/Al)樣品/(X/Al)平均頁巖

(3)

X為樣品中標(biāo)準(zhǔn)化的元素，EFX>1指示元素X相對(duì)于平均頁巖富集，EFX<1指示元素X相對(duì)于平均頁巖虧損[22,46]。計(jì)算表明鹿寨組下段EFCu平均值為11.34，EFNi平均值為1.49，均相對(duì)于平均頁巖富集。其中EFCu>10，指示鹿寨組下段沉積時(shí)期具有中等初級(jí)生產(chǎn)力水平。

綜合3種常見的古生產(chǎn)力指標(biāo)，認(rèn)為鹿寨組下段沉積期具有中等初級(jí)生產(chǎn)力水平。

4.4 有機(jī)質(zhì)富集因素

有機(jī)質(zhì)富集受古生產(chǎn)力、保存條件、沉積速率及陸源稀釋等多種因素影響。目前關(guān)于有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制主要有“古生產(chǎn)力”和“保存條件”2種模式[47]。古生產(chǎn)力模式強(qiáng)調(diào)高的初級(jí)生產(chǎn)力能夠提高有機(jī)質(zhì)通量，有機(jī)質(zhì)消耗水柱中大量氧氣，進(jìn)而導(dǎo)致水體變?yōu)槿毖醯沫h(huán)境，能提升有機(jī)質(zhì)保存；保存條件模式認(rèn)為有機(jī)質(zhì)富集與特殊的盆地構(gòu)型有關(guān)(如局限盆地)，不依賴于古生產(chǎn)力(有機(jī)質(zhì)通量)。如前所述，雖然鹿寨組下段富有機(jī)質(zhì)泥巖沉積期同時(shí)具有中等生產(chǎn)力水平及貧氧—缺氧的水體條件，然而相關(guān)性圖顯示，TOC與古氧化-還原指標(biāo)間具有更明顯的相關(guān)性(圖6，圖7)。因此，本文認(rèn)為，鹿寨組下段泥巖中高有機(jī)質(zhì)含量可能更受控于古海洋氧化-還原狀態(tài)。

圖6 鹿寨組下段古生產(chǎn)力指標(biāo)與TOC相關(guān)性圖Fig.6 Correlation diagram of paleo-productivity index and TOC for the lower section of Luzhai Formation

圖7 鹿寨組下段古氧化-還原指標(biāo)與TOC關(guān)系Fig.7 Correlation diagram of ancient redox index and TOC for the lower section of Luzhai Formation

綜上所述，鹿寨組下段沉積期古氣候條件為半潮濕—潮濕環(huán)境，源區(qū)化學(xué)蝕變作用中等—強(qiáng)。雖然鹿寨組下段沉積期海洋具有中等古生產(chǎn)力條件，且陸源輸入對(duì)TOC具有一定稀釋作用(圖8)，但貧氧—缺氧的環(huán)境能有效抑制有機(jī)質(zhì)的分解，最終導(dǎo)致大量有機(jī)質(zhì)保存在鹿寨組下段泥巖中。因此，貧氧—缺氧的環(huán)境是有機(jī)質(zhì)富集的主控因素。

圖8 鹿寨組下段陸源輸入指標(biāo)與TOC關(guān)系Fig.8 Correlation diagram of input index and TOC for the lower section of Luzhai Formation

5 結(jié) 論

a.鹿寨組下段有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～4.54%，平均為2.32%，達(dá)到了富有機(jī)質(zhì)泥巖的標(biāo)準(zhǔn)；礦物組成以石英為主，石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%～96%，平均為84%；脆性礦物含量高，巖層易在人工壓裂下產(chǎn)生裂縫，有利于頁巖氣開采。

b.古氣候指標(biāo)：古氣候指數(shù)C、CIA以及Sr/Cu比值顯示鹿寨組下段沉積于半潮濕—潮濕環(huán)境；古氧化-還原指標(biāo)：V/(V+Ni)、Ni/Co以及V/Cr顯示沉積期水體具有貧氧—缺氧的氧化-還原特征；古生產(chǎn)力指標(biāo)：Ba、Cu及Ni元素顯示鹿寨組下段沉積時(shí)期具有中等的初級(jí)生產(chǎn)力水平。

c.鹿寨組下段沉積期雖然具有中等初級(jí)生產(chǎn)力條件，但是TOC與氧化-還原指標(biāo)間更好的相關(guān)性表明TOC與氧化-還原條件關(guān)系更為密切，貧氧—缺氧的保存條件是該地區(qū)有機(jī)質(zhì)富集的主控因素。