文 虎

中國(guó)石化勘探分公司

0 引言

四川盆地南部地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣資源豐富，截至2019年底，產(chǎn)量突破了154×108m3，且在天然氣產(chǎn)量中的比重進(jìn)一步提高，上產(chǎn)速度較快，為中國(guó)能源安全提供了進(jìn)一步的保障。目前中國(guó)已經(jīng)投入開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣田分別位于涪陵地區(qū)（涪陵頁(yè)巖氣田）、威遠(yuǎn)地區(qū)（威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣田）、長(zhǎng)寧地區(qū)（長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田）、昭通地區(qū)（滇黔北昭通頁(yè)巖氣田），這四個(gè)氣田被國(guó)家列為頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的示范基地。它們的目標(biāo)層位均為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段，該目標(biāo)層段是頁(yè)巖氣甜點(diǎn)層和正在開(kāi)發(fā)的主要靶區(qū)，它的主要特點(diǎn)是硅質(zhì)含量高，且與有機(jī)碳正相關(guān)性較強(qiáng)，反映了硅質(zhì)和有機(jī)質(zhì)可能具有一定的伴生關(guān)系。因此在頁(yè)巖氣的勘探過(guò)程中，有必要進(jìn)一步關(guān)注硅質(zhì)在沉積環(huán)境過(guò)程中所扮演的角色，通過(guò)硅質(zhì)成因的研究，來(lái)驗(yàn)證有機(jī)質(zhì)的生成環(huán)境。筆者針對(duì)該層位的硅質(zhì)開(kāi)展了調(diào)研和研究，運(yùn)用掃描電鏡、全巖x衍射、主量元素和稀土元素等手段來(lái)探討硅質(zhì)的成因，同時(shí)對(duì)硅質(zhì)及伴生元素所攜帶的古環(huán)境信息進(jìn)行了研究，以期對(duì)頁(yè)巖氣的勘探有所幫助。

1 硅質(zhì)巖研究意義及分類

硅質(zhì)巖的研究首先是由于大地構(gòu)造需要而興起，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)巖不僅僅是火山噴發(fā)的產(chǎn)物，與其伴生的元素往往蘊(yùn)含著豐富的古地理、古氣候和古環(huán)境信息[1-5]；近年來(lái)由于頁(yè)巖氣勘探的異軍突起，在頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)大量的硅質(zhì)，這說(shuō)明硅質(zhì)巖可能也是一種生物巖。油氣地球化學(xué)理論認(rèn)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(zhì)巖可能成為油氣資源富集的一個(gè)標(biāo)志。

前人通過(guò)對(duì)四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的研究，發(fā)現(xiàn)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(jù)馮增昭研究發(fā)現(xiàn)二氧化硅的來(lái)源通常有3種:由于風(fēng)化剝蝕形成的碎屑巖、火山噴發(fā)形成的巖漿巖及受熱液影響形成的物質(zhì)、硅質(zhì)生物死亡后的遺體[8]，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)成巖作用形成的指向性的礦物。不同的硅質(zhì)礦物具有不同的形成環(huán)境，從而具有不同的元素組成，這是運(yùn)用地球化學(xué)手段研究硅質(zhì)巖成因的基礎(chǔ)。

2 焦石壩地區(qū)硅質(zhì)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(yè)巖主要為呈薄層或塊狀產(chǎn)出的暗色或黑色細(xì)顆粒的沉積巖，它們?cè)诨瘜W(xué)成分、礦物組成、古生物、結(jié)構(gòu)和沉積構(gòu)造上豐富多樣。泥頁(yè)巖巖石類型主要為含放射蟲(chóng)碳質(zhì)筆石頁(yè)巖、碳質(zhì)筆石頁(yè)巖、含骨針?lè)派湎x(chóng)筆石頁(yè)巖、含碳含粉砂泥巖、含碳質(zhì)筆石頁(yè)巖以及含粉砂泥巖。

在巖心、普通薄片和掃描電鏡下發(fā)現(xiàn)大量微體生物化石，包含了含量較多的筆石、放射蟲(chóng)、海綿骨針等(圖1)，證實(shí)了頁(yè)巖中硅質(zhì)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(diǎn)狀散布于頁(yè)巖中，其放射蟲(chóng)含量可高達(dá)30%，硅質(zhì)骨針最高含量7%，一般1%～2%。放射蟲(chóng)多呈球形、橢球形或紡錘形，球狀直徑為30～150 μm為主，個(gè)別可達(dá)300 μm(圖1)，可看到同心圓和放射狀結(jié)構(gòu)。在縱向上，放射蟲(chóng)在五峰組—龍馬溪組一段深水陸棚相帶中明顯的增多，個(gè)體較大，向上個(gè)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(guò)JY1井典型頁(yè)巖全巖x衍射圖譜分析發(fā)現(xiàn)，隨著埋深的增加，石英含量增加，實(shí)測(cè)也是如此（圖5），達(dá)到55.8%～80.7%；黏土礦物含量減小，含量為26.2%～13.3%，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。另外通過(guò)圖1可以發(fā)現(xiàn)有大量的古生物碎屑存在，說(shuō)明這些增加的硅質(zhì)可能來(lái)自古生物的介殼和骨骼，應(yīng)該屬于海洋源內(nèi)沉積[8-11]；同時(shí)黏土礦物含量較低，說(shuō)明來(lái)自于陸源的影響較小。因此，沉積作用應(yīng)該是該層硅質(zhì)頁(yè)巖形成的主要原因。

2.3 主量元素對(duì)比

在海相沉積中，Al/(Al+Fe+Mn)通常被用來(lái)判斷硅質(zhì)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(qū)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(qū)（圖2），說(shuō)明研究區(qū)硅質(zhì)可能是生物成因。據(jù)前人研究熱水活動(dòng)能導(dǎo)致Fe、Mn元素富集，而焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)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(diǎn)。

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(huán)境方面具有示蹤劑的作用，是運(yùn)用巖性、古生物、電性判斷沉積環(huán)境的有利補(bǔ)充。據(jù)前人研究認(rèn)為熱液成因的硅質(zhì)巖稀土含量相對(duì)較低，且向重稀土聚集，而非熱液成因的硅質(zhì)巖則向輕稀土富集。研究區(qū)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(biāo)準(zhǔn)頁(yè)巖204.1×10-6含量接近。具有輕稀土富集、重稀土較少、鈰負(fù)異常、銪微弱正異常的特點(diǎn)，輕重稀土比值平均為8.47（表1）。判斷該區(qū)硅質(zhì)頁(yè)巖可能屬于生物成因。

表1 稀土元素特征表

2.5 硅質(zhì)與有機(jī)質(zhì)豐度的耦合關(guān)系

國(guó)外諸多學(xué)者對(duì)頁(yè)巖中的硅質(zhì)來(lái)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(duì)有機(jī)質(zhì)富集的影響。在國(guó)外不同成因類型的硅質(zhì)與有機(jī)質(zhì)豐度具有如下關(guān)系：以陸源碎屑硅為主的Moosebar，其沉積環(huán)境處于離岸較近的斜坡之上，石英含量與有機(jī)質(zhì)豐度不具相關(guān)性，說(shuō)明陸源碎屑石英對(duì)有機(jī)質(zhì)豐度的富集貢獻(xiàn)不大。而石英以生物成因（來(lái)自于硅質(zhì)放射蟲(chóng)）為主的Muskwa和Barnett，其沉積環(huán)境處于斜坡外的深水區(qū)，石英與有機(jī)質(zhì)豐度具有較高的相關(guān)程度，說(shuō)明生物成因硅對(duì)有機(jī)質(zhì)豐度的富集具有較大貢獻(xiàn)。在川東南地區(qū)，志留系早期處于一個(gè)深海陸棚的沉積環(huán)境，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖富含硅質(zhì)及有機(jī)質(zhì)，尤其以硅質(zhì)與有機(jī)質(zhì)的同步變化為特征，兩者相關(guān)度很高，相關(guān)系數(shù)R可達(dá)0.84（圖3），再次表明整體上JY1井中的硅質(zhì)對(duì)有機(jī)質(zhì)豐度的富集具有較大貢獻(xiàn)，硅質(zhì)來(lái)源可能與生物作用有關(guān)。

圖3 JY1井有機(jī)質(zhì)豐度與石英含量相關(guān)性分析

3 沉積環(huán)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(zhì)指標(biāo)，把Mn當(dāng)作來(lái)自大洋深部的標(biāo)志元素，據(jù)此來(lái)判斷沉積環(huán)境。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)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(yīng)小于0.5，遠(yuǎn)洋或者深海介于0.5～3.5。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖中MnO/TiO2平均值為0.06，表明研究區(qū)處于離大陸較近的沉積環(huán)境。

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

圖4 JY1井五峰組—龍馬溪組沉積環(huán)境圖

3.2 稀土元素分析

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

龍馬溪組一段到五峰組，整體處于一個(gè)還原環(huán)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(huán)境，而且有機(jī)質(zhì)的豐度不斷地增加。這說(shuō)明了古環(huán)境對(duì)有機(jī)質(zhì)的富集及保存起到了控制作用。從油氣地球化學(xué)理論的角度，此點(diǎn)與常規(guī)油氣的勘探是同一個(gè)道理。

圖5 JY1井綜合柱狀圖

綜上所述，焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖地球化學(xué)特征一致表明其形成于大陸邊緣的缺氧環(huán)境。

4 生物成因硅的油氣地質(zhì)意義

從勘探的角度來(lái)看，古生物、硅質(zhì)與有機(jī)質(zhì)可能是一體兩翼的關(guān)系，在有機(jī)質(zhì)演化成為油氣之后，硅質(zhì)由于穩(wěn)定的化學(xué)屬性，通常以二氧化硅的形式保存下來(lái)，經(jīng)歷成巖作用，演化為石英。石英的含量越高，整體的脆性越強(qiáng)，有利于壓裂，易形成有利的儲(chǔ)層。近而對(duì)頁(yè)巖氣的富集起到促進(jìn)作用。

4.1 油氣地質(zhì)意義

生物硅大量發(fā)育可能預(yù)示著良好的規(guī)模性烴源巖存在。上奧陶統(tǒng)發(fā)育了大量的無(wú)脊椎動(dòng)物（例如筆石）；下志留統(tǒng)則發(fā)育筆石、放射蟲(chóng)等無(wú)脊椎動(dòng)物（圖1）,只是種屬更加復(fù)雜。而在上奧陶統(tǒng)晚期—下志留統(tǒng)早期曾發(fā)生過(guò)一次生物的大滅絕，據(jù)戎嘉余等研究，種一級(jí)的滅絕率達(dá)到85%[17]，同時(shí)大量藻類發(fā)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(guī)模的海侵，四川盆地川東南地區(qū)處于深水陸棚相帶，形成了五峰組—龍馬溪組烴源巖發(fā)育的絕佳環(huán)境。這些無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)含有豐富的硅，其含量高低與水體中的初級(jí)生產(chǎn)力密切相關(guān)[18-19]。石英含量與有機(jī)碳含量具有較好的耦合關(guān)系（圖3），反映了硅作為古生物骨架元素存在，有機(jī)質(zhì)作為古生物營(yíng)養(yǎng)元素存在的一體兩翼的關(guān)系。從目前的研究來(lái)看，生物成因的硅質(zhì)頁(yè)巖普遍具有有機(jī)碳含量較高的特征，而陸相頁(yè)巖里硅質(zhì)多來(lái)源于陸源碎屑，從而有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低。因此海相生物硅質(zhì)頁(yè)巖通常是良好的烴源層[20-21]。通過(guò)生物硅質(zhì)含量的分布來(lái)選擇縱向上的甜點(diǎn)層段對(duì)頁(yè)巖氣勘探有重要意義。

4.2 硅質(zhì)對(duì)儲(chǔ)層的影響

從目前的研究來(lái)看，由于后期的成巖作用，硅質(zhì)頁(yè)巖礦物由蛋白石A→蛋白石CT→石英晶體進(jìn)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(guī)的勘探中得知，因?yàn)槟鄮r的孔隙度一直都很低。但是頁(yè)巖成巖過(guò)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(duì)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(jīng)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(guò)程中，部分孔隙仍然能夠保存。這些孔隙的存在都為頁(yè)巖氣提供了存儲(chǔ)空間。

在頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)中，可壓性是一個(gè)重要的指標(biāo)，通過(guò)三軸應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，五峰組—龍馬溪組石英的巖石物理參數(shù)均達(dá)到良好的標(biāo)準(zhǔn)。石英的含量也較適中，因此，具生物成因硅質(zhì)的頁(yè)巖層段是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的優(yōu)選目標(biāo)層位。

5 結(jié)論

1）巖心和薄片觀察，焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中含有大量古生物化石，且有機(jī)質(zhì)和硅質(zhì)含量正相關(guān)性較好，為該層段硅質(zhì)頁(yè)巖的生物成因和硅質(zhì)來(lái)源提供了強(qiáng)有力證據(jù)。

2）對(duì)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(qū)富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)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(biāo)判斷研究區(qū)屬于大陸邊緣還原環(huán)境。

4）硅質(zhì)含量與有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性很高，表明整體上硅質(zhì)對(duì)有機(jī)質(zhì)的富集具有較大貢獻(xiàn)，因此要重點(diǎn)關(guān)注新區(qū)帶新層系中富有機(jī)質(zhì)放射蟲(chóng)硅質(zhì)頁(yè)巖層（∈1、D、C、P）。