王來軍，李小林，蔣 魁，陳基瑜，岑文攀，陳海武

(1.廣西地質(zhì)調(diào)查院，廣西 南寧 530023；2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004)

關(guān)鍵字：寒武系清溪組；有機質(zhì)碳含量；過成熟；頁巖氣潛力

0 引言

隨著我國不斷加大頁巖氣的勘探力度，全國各地陸續(xù)在中上揚子地區(qū)寒武系發(fā)現(xiàn)了較好的頁巖氣顯示。但下?lián)P子地區(qū)寒武系構(gòu)造活動復(fù)雜，埋深過大，處于高—過成熟演化階段，難以形成有規(guī)模的頁巖氣藏，造成至今還未發(fā)現(xiàn)有頁巖氣顯示[1-2]。桂北與鄰區(qū)的黔東南同屬上揚子地區(qū)，桂北寒武系清溪組發(fā)育有一大套黑色炭質(zhì)泥頁巖，在桂北、桂東北廣泛發(fā)育，主要為深水盆地相沉積，其巖性組合及其變化特征與上揚子陸塊東南緣寒武系牛蹄塘組基本相似[3-5]，但桂北—桂中地區(qū)卻尚未取得突破性進(jìn)展。

本文以廣西頁巖氣資源潛力調(diào)查項目為依托，針對桂北寒武系清溪組開展野外調(diào)查工作，采集了幾十個樣品進(jìn)行測試分析，通過對比黔東南的牛蹄塘組，以期了解桂北寒武系清溪組的變化特征，初步探討其頁巖氣潛力。

1 地質(zhì)背景

桂北地塊屬揚子陸塊的東南緣，處于江南造山帶的西南端(圖1)，位于揚子陸塊與華夏陸塊的接合部位[6]。中—晚元古代基底由楊子陸塊和華夏陸塊共同構(gòu)造，晉寧運動使揚子陸塊與華夏陸塊拼接，使桂北地區(qū)演變?yōu)檩^穩(wěn)定的被動邊緣盆地沉積[7-10]。早寒武世初期，桂北地區(qū)繼承了震旦末期的次深—深海盆地環(huán)境，發(fā)生海進(jìn)使得海盆水體加深，但沉積環(huán)境相對平靜，逐步演化為成熟的陸緣裂谷盆地。隨后盆地抬升，發(fā)生海退，演變?yōu)樯钏?次深水斜坡相環(huán)境。至中寒武世又發(fā)生了海進(jìn)，局部夾碳酸鹽巖沉積，構(gòu)成延展規(guī)模較大的上揚子被動大陸邊緣東南側(cè)具深水斜坡相特點的“鑲邊碳酸鹽巖臺地”。

2 清溪組泥頁巖特征

桂北地區(qū)清溪組主要分布于融水、桂林、興安、全州一線以北，在陽朔、恭城一帶亦有少量出露(圖1)。巖性主要以黑色泥頁巖、炭質(zhì)泥頁巖、鈣質(zhì)泥巖為主，夾少量粉砂巖、細(xì)砂巖、雜砂巖、硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖，頂部局部夾泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r。與下覆震旦系老堡組、上伏下寒武統(tǒng)邊溪組呈整合接觸。

圖1 廣西寒武系構(gòu)造分區(qū)簡圖Fig.1 Tectonic division map of the Cambrian system in Guangxi

清溪組泥頁巖變化較大。橫向上：自西向東，砂質(zhì)減少而泥質(zhì)、炭質(zhì)增多，厚度減?。蛔员毕蚰?，砂巖、硅質(zhì)巖增多，泥質(zhì)、碳質(zhì)及灰?guī)r減少，厚度增大。縱向上：自下而上，泥質(zhì)、炭質(zhì)減少，砂質(zhì)增多。

根據(jù)野外調(diào)查情況及區(qū)域報告資料，清溪組總體厚度呈現(xiàn)出北厚南薄、西厚東薄的特點，在柳州融水一帶厚度為900～1900 m，永福一帶厚度大于1085 m，在三江一帶厚度697～1300 m，資源縣車田、龍勝一帶厚590～900 m，在全州一帶厚為660～1400 m，桂林興安、靈川一帶厚350～715 m。且在上述地區(qū)清溪組均發(fā)育多套黑色炭質(zhì)泥頁巖，連續(xù)厚度達(dá)30～180 m，是頁巖氣良好的目的層系。

3 樣品采集與分析方法

樣品采集盡可能選擇新鮮的未經(jīng)風(fēng)化或風(fēng)化程度很弱的泥頁巖，采用打塊法，保證樣品的塊度符合實驗室分析測試的要求。本次采集樣品25件，分布于桂北融水、興安、全州、資源、龍勝等地，包含了地表路線調(diào)查、剖面測量、淺鉆等工作手段所采集的樣品。

樣品分析測試由具有國家級實驗室資質(zhì)認(rèn)證的重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院承擔(dān)。要求在室溫約23℃、濕度40%～50%的環(huán)境下，依據(jù)相關(guān)國家規(guī)范進(jìn)行分析測試。其中，總有機碳含量測試采用CS844元素分析儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 19145-2003沉積巖中總有機碳的測定；鏡質(zhì)體反射率采用Leica DM4500P偏光顯微鏡(ZJ257)和CRAIC顯微光度計(ZJ280)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：SY/T 5124-2012 沉積巖中鏡質(zhì)體反射率測定方法；全巖分析采用ZJ207 Bruker D8 advance_X射線衍射儀，黏土礦物分析采用ZJ207 Bruker D8 advance_X射線衍射儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：SY/T 5163-2018。

4 泥頁巖特征

4.1 泥頁巖有機質(zhì)豐度

泥頁巖中常富含有機質(zhì)，是頁巖氣生烴的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是頁巖氣吸附的重要載體，其豐度是泥頁巖生氣的基礎(chǔ)條件，同時也決定了泥頁巖的生烴、排烴能力。一般有機炭含量越高，其生烴能力越強，其吸附甲烷氣的能力也越強[11]。

本次工作采取了13個地表樣品，12個鉆孔樣品，分析測試結(jié)果表明(表1)：所有樣品總有機碳含量(TOC)0.57%～7.59%，平均1.94%。其中，大于0.5%，介于0.5%～1%的樣品7個，占比28%；介于1%～2%的樣品12個，占比48%；大于2%的樣品6個，占比24%；個別樣品總有機碳含量高達(dá)4%以上，平均1.94%。說明清溪組發(fā)育有較好的富有機質(zhì)泥頁巖層段，是頁巖氣良好的目的層系。

4.2 泥頁巖有機質(zhì)成熟度

桂北寒武系泥頁巖樣品的鏡質(zhì)體反射率(Ro)變化范圍為4.03%～5.00%，平均4.48%，普遍高達(dá)4%以上(表1)，顯示其演化程度較高，處于過成熟階段。對于高演化程度條件下泥頁巖，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ro<3.5%時，孔容和比表面積隨Ro的增大是遞增的，增大了頁巖氣的儲集空間；在3.5%～4%之間達(dá)到峰值，之后減小，頁巖氣儲集空間變小[12]。但根據(jù)美國頁巖氣勘探經(jīng)驗，高成熟度條件下同樣能發(fā)育頁巖氣藏[13]，因此不能過于較真成熟度的高低，應(yīng)注重頁巖氣的儲集物性、保存條件的研究。

表1 清溪組泥頁巖有機地化測試結(jié)果Table 1 Organic geochemical test result of mud shale in Qingxi Formation

注：TOC為總有機碳含量；Ro為鏡質(zhì)體反射率。

4.3 泥頁巖有機質(zhì)類型

有機質(zhì)類型在很大程度上決定了烴源巖的生烴能力。不同有機質(zhì)類型，其物質(zhì)來源、沉積環(huán)境、巖石組成和結(jié)構(gòu)都不同，因而具有不同生氣潛力。根據(jù)干酪根有機顯微組分統(tǒng)計(表1)，桂北寒武系清溪組泥頁巖干酪根碳同位素值多為-26.32‰～-28.92‰，有機質(zhì)類型為腐泥型(Ⅰ型)、腐植-腐泥型(Ⅱ1型)，其中腐泥型(Ⅰ型)16個，腐植-腐泥型(Ⅱ1型)8個。表明其生源組合主要為微生物類、菌類、海藻類。

5 儲層物性特征

對所采集樣品進(jìn)行全巖和黏土X衍射分析(圖2、圖3)，結(jié)果顯示：石英含量為30%～76.9%，平均含量為45.6%；鉀長石含量非常少，平均含量為0.45%；斜長石含量為1.8%～11.8%，平均含量為6.5%；大部分樣品都含菱鐵礦、硬石膏、普通輝石，平均含量分別為1.3%、2.38%、4.10%；部分樣品含方解石、黃鐵礦和白云石，不含菱鎂礦、石膏、重晶石，個別黃鐵礦含量較高，最高含量達(dá)3.8%。從區(qū)域分布來看，桂林全州到興安、龍勝一帶靠近物源區(qū)，石英等脆性礦物含量較高(平均68%)，而柳州融水地區(qū)遠(yuǎn)離物源區(qū)，石英等脆性礦物含量相對要低一些(平均56%)，即桂林全州到興安、龍勝一帶的頁巖氣儲層可改造性要優(yōu)于柳州融水一帶。

根據(jù)圖3黏土礦物成分及含量分析結(jié)果，清溪組泥頁巖中黏土礦物總量為19%～45.4%，平均含量為36%，主體是伊利石和伊蒙混層，伊利石含量為11%～65%，平均含量為33%；伊蒙混層含量為13%～89%，平均含量為39.5%；綠泥石平均含量為19%，部分樣品存在綠蒙混層，含量在7%～17%；樣品中高嶺石含量很少，有的樣品基本不含高嶺石。桂林全州到興安、龍勝一帶靠近物源區(qū)，黏土礦物中以伊利石與伊蒙混層占主體地位為特點，而柳州融水地區(qū)遠(yuǎn)離物源區(qū)，黏土礦物中以綠泥石、伊利石與伊蒙混層和綠蒙混層占主體地位為特點。

圖2 清溪組頁巖礦物成分及含量Fig.2 Mineral composition and content of shale in Qingxi Formation

圖3 清溪組黏土礦物成分及含量Fig.3 Composition and content of clay minerals in Qingxi Formation

本次工作針對清溪組施工了一口淺鉆，以了解其縱向上的變化特征。根據(jù)圖3結(jié)果，清溪組三段的泥頁巖隨埋深加深，自上而下，石英含量較為穩(wěn)定，基本約在30%；鉀長石、斜長石也較為穩(wěn)定，平均含量分別為0.6%、10%；方解石含量變化較大，為0～30.2%，平均含量為7.68%。結(jié)合巖石薄片鑒定結(jié)果，在井深32 m和152 m處的巖性鑒定為含粉砂含鈣泥巖、泥質(zhì)微晶灰?guī)r，與圖4中方解石異常高的數(shù)據(jù)相吻合。大部分樣品都含白云石、菱鐵礦、黃鐵礦、硬石膏、普通輝石等，平均含量都在4%以下；不含菱鎂礦、石膏、重晶石。黏土礦物含量在29%～45%，平均在40%，綠泥石平均含量為39%，伊利石平均含量為23%，伊蒙混層平均含量為25%，綠蒙混層平均含量為12.5%，樣品不含高嶺石?？v向上，清溪組礦物組成和黏土含量分布較穩(wěn)定，隨埋深變化規(guī)律不明顯。

由圖5可見，清溪組縱向上黏土成分與其他層位以伊利石、伊蒙混層為主體不同，其都含有綠泥石、伊利石、伊蒙混層、綠蒙混層，且含量都相對較高，說明清溪組黏土礦物存在高嶺石、蒙皂石的伊利石化和綠泥石化，即蒙皂石→伊蒙混層→伊利石、蒙皂石→綠蒙混層→綠泥石、高嶺石→伊利石。結(jié)合有機地化和薄片鑒定結(jié)果可知清溪組泥頁巖的Ro大于4%，局部有輕微變質(zhì)板巖化，成巖演化程度高，此時高嶺石已全部轉(zhuǎn)化為伊利石，蒙皂石也轉(zhuǎn)化為伊蒙混層或綠蒙混層，所以樣品基本不含高嶺石、蒙皂石。通常隨著埋深的增加，綠泥石、伊利石的含量增加，伊蒙混層、綠蒙混層相應(yīng)減少，但從圖5看，清溪組的黏土礦物隨埋深變化規(guī)律并不明顯，除了綠泥石和綠蒙混層呈現(xiàn)微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，伊蒙混層并沒有隨埋深增大而更多地向伊利石轉(zhuǎn)化，這可能與巖石中K+供應(yīng)充足與否有關(guān)，因為伊蒙混層→伊利石轉(zhuǎn)化需要K+的參與[14-15]，而由圖5可知，樣品中鉀長石的含量很低，平均含量僅0.6%，所以可推測因鉀長石溶解提供的K+數(shù)量有限，導(dǎo)致伊蒙混層不能更多的轉(zhuǎn)化為伊利石。最終，隨著清溪組泥頁巖成巖演化程度的提高，鉀長石幾乎消耗殆盡，而黏土礦物成分在縱向上趨于均一化，即清溪組泥頁巖的黏土礦物含量特征分布受控于成巖演化和鉀長石提供K+的數(shù)量。反過來，也說明清溪組泥頁巖處于成巖晚期，有輕微變質(zhì)板巖化。

圖4 淺鉆RS01清溪組礦物成分及含量縱向變化圖Fig.4 Vertical variation map of mineral composition and content in Qingxi Formation in shallow drilling hole RS01

圖5 淺鉆RS01清溪組黏土成分及含量縱向變化圖Fig.5 Vertical variation map of clay composition and content in Qingxi Formation in shallow drilling hole RS01

黏土礦物中對甲烷吸附能力由大到小依次為蒙脫石、高嶺石、伊利石和伊蒙混層、綠泥石[16]，在不考慮有機質(zhì)含量和黏土礦物吸附水的影響條件下，區(qū)域上桂林全州到興安、龍勝一帶的頁巖氣儲層吸附能力大于柳州融水一帶的頁巖氣儲層?？傮w上，下寒武統(tǒng)清溪組泥頁巖以伊蒙混層、綠泥石、綠蒙混層為主體，黏土礦物對頁巖氣的吸附貢獻(xiàn)相對較小。

6 保存條件分析

寒武系清溪組時期，構(gòu)造運動相對穩(wěn)定沉積了大量的黑色泥頁巖、砂巖等深水盆地相碎屑巖相沉積。但之后受加里東期以來的多期次構(gòu)造運動影響，桂北發(fā)育大量規(guī)模不等、方向不一、性質(zhì)不同的斷裂，以NNE—NE、近SN向斷裂為主，多為逆推覆斷裂，常切割褶皺，使褶皺多破碎。受斷裂影響，地層抬升改造明顯，巖層傾角較陡，多為42°～75°，局部倒轉(zhuǎn)。受構(gòu)造擠壓影響清溪組泥頁巖具輕微變質(zhì)。構(gòu)造保存條件相對較差。

7 頁巖氣潛力分析

中上揚子地區(qū)下寒武統(tǒng)特征對比見表2。桂北寒武系清溪組普遍發(fā)育多套富有機質(zhì)黑色泥頁巖，有機質(zhì)類型為腐泥型(Ⅰ型)、腐植-腐泥型(Ⅱ1型)，具有分布面積廣、厚度大、富有機質(zhì)泥頁巖連續(xù)沉積厚度大于30 m、有機碳含量普遍大于1%等特征，是頁巖氣良好的目的層系，為頁巖氣的形成和富集提供了有利條件。貴州黔北鳳岡地區(qū)鳳1井中揭露的牛蹄塘組有類似(TOC為0.97%～16.2%，平均8.24%；Ro為3.62%～4.10%，平均3.89%)。由于牛蹄塘組Ro>3.5%之后，N2的產(chǎn)率逐漸增加，使得牛蹄塘組頁巖氣具有高氮低烴的特征，而在成熟度較低、構(gòu)造保存條件相對較好的地區(qū)，N2含量則相對較低[17]。但鏡質(zhì)體反射率普遍高達(dá)4%以上，其演化程度較高，處于過成熟干氣階段，其生烴潛力一般。受多期次構(gòu)造影響清溪組泥頁巖具輕微變質(zhì)，褶皺、斷層發(fā)育，構(gòu)造保存條件相對較差。其物性以伊蒙混層、綠泥石、綠蒙混層為主體，黏土礦物對頁巖氣的吸附貢獻(xiàn)相對較小。綜述，桂北地區(qū)寒武系清溪組頁巖氣潛力一般。

表2 中上揚子地區(qū)下寒武統(tǒng)特征對比Table 2 Comparison of the characteristics of the Lower Cambrian in the middle and upper Yangtze area

8 結(jié)論

1)清溪組發(fā)育多套富有機質(zhì)黑色泥頁巖，分布面積廣，有機碳含量高，有機質(zhì)類型有利，是頁巖氣良好的目的層系，但熱演化程度高，在空間上受構(gòu)造保存條件的制約較大。

2)清溪組泥頁巖中黏土礦物對頁巖氣的吸附貢獻(xiàn)相對較小。受加里東期以來的多期次構(gòu)造運動影響，構(gòu)造保存條件相對較差，頁巖氣潛力一般。

3)因本次工作面積大、任務(wù)重，未能全面深入研究桂北地區(qū)的構(gòu)造變化情況，桂北地區(qū)仍可能存在弱構(gòu)造改造、低演化程度、保存條件良好的區(qū)塊，亦可作為下一階段頁巖氣調(diào)查工作的重點區(qū)域。