何洪茜，肖加飛，楊海英，蘭 青，黃明亮

(1中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國家重點實驗室，貴州 貴陽 550081；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

沉積環(huán)境是沉積巖特征的決定因素，而沉積巖特征是沉積環(huán)境的物質(zhì)表現(xiàn)。因此，對頁巖氣烴源巖進行沉積環(huán)境分析，有助于闡明頁巖氣烴源巖的形成背景和形成條件。

對于不斷增加的能源需求和日益增大的氣候變化壓力，清潔能源備受關(guān)注[1-4]，作為天然氣家族的新成員，頁巖氣更具特色。

頁巖氣是一種清潔高效的新型的油氣資源，具有自生、自儲和儲層致密的特點，是典型的低豐度、大規(guī)模分布式的非常規(guī)天然氣資源。

中國有頁巖氣顯示的盆地或區(qū)域較多，大致分為海相和陸相兩種類型。其中，華南志留系龍馬溪組和寒武系筇竹寺組頁巖有機質(zhì)含量高、厚度大，頁巖氣資源潛力最大[5-7]。

貴州早古生代地層系列中，發(fā)育了三套黑色頁巖層段(早寒武世牛蹄塘組、晚奧陶世五峰組和早志留世龍馬溪組)[8]，是頁巖氣賦存的良好載體。五峰組頁巖層段由于厚度較薄，過去對其作為烴源巖的關(guān)注較少。

本文在闡述五峰組頁巖層段地球化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，分析了其沉積環(huán)境，并對這一層段的頁巖氣資源潛力進行了探討，這將為進一步研究黔北地區(qū)頁巖氣的賦存及開發(fā)利用提供一些基礎(chǔ)資料。

1 地質(zhì)背景

據(jù)程裕淇(1994)的大地構(gòu)造分類方案[9]，貴州地殼大地構(gòu)造位置主體屬揚子陸塊，南東緣尚跨及南華活動帶。黔北地區(qū)位于揚子陸塊內(nèi)部，主要發(fā)育早古生代和中生代地層，表層構(gòu)造變形較強烈。

上奧陶統(tǒng)五峰組，主要分布在貴州北部，即大致分布在畢節(jié)燕子口-遵義-石阡以北地區(qū)(圖1)，主要為黑、灰黑色極薄層-薄層狀炭質(zhì)泥巖、含炭質(zhì)硅質(zhì)泥巖夾鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖，頂部時見(一般0.5～2 m)深灰色薄-中厚層泥質(zhì)灰?guī)r、生物屑灰?guī)r。黑色泥巖層段，富含筆石化石，俗稱五峰頁巖，為一套低能的沉積緩慢的凝縮段沉積。區(qū)域上泥巖層段以黑色、含炭質(zhì)為其主要特征。因有較高的有機質(zhì)含量，整套沉積物都能作烴源巖[10]，生物以筆石占絕對優(yōu)勢，且豐度高，亦常被稱為五峰筆石頁巖。厚度多在10 m以下，一般厚3～6 m，但一些地方相對較厚(圖1)，例如，畢節(jié)下水厚9.2 m，桐梓紅花園厚7.4 m，道真巴魚上村厚7.3 m，遵義板橋厚11.4 m，松桃火燒寨最厚，近16 m。

圖1 黔北五峰組剖面的分布和對比Fig.1 Distribution and correlation of sections of WufengFormation in northern Guizhou

揚子區(qū)在奧陶紀時，位于南半球的低緯度地區(qū)[11]，南部為黔中隆起。五峰組泥巖多呈層狀，具毫米級紋層或片狀頁理構(gòu)造，沉積緩慢，沉積速率為0.78 m/Ma[12]。生物以浮游的筆石為主，其次為殼薄、個體小的腕足類、雙殼類及三葉蟲等，有時可見硅質(zhì)海綿骨針和放射蟲等[11]。

2 分析結(jié)果

黑色泥巖的主量元素和微量元素的測試分析，在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國家重點實驗室完成。黑色泥巖的有機碳、熱解和鏡質(zhì)組反射率等的分析測試，在河南理工大學(xué)完成。

2.1 元素地球化學(xué)特征

2.1.1 主量元素地球化學(xué)特征

將五峰組泥巖的4個剖面(下水剖面3件，紅花園剖面4件，瑞溪剖面1件，巴魚上村剖面1件)的主量元素分析結(jié)果的平均值列于表1。

從表1可以看出，各剖面主量元素平均含量及總平均含量與澳大利亞后太古代頁巖(PAAS)平均值(Taylor，1985)相比，五峰組黑色泥巖總體上具有稍為富集的SiO2和CaO，稍為虧損的Al2O3、Fe2O3、MgO和Na2O，而明顯虧損的MnO，K2O和P2O5的平均值與PAAS接近。

表1 研究區(qū)五峰組泥巖主量元素Tab.1 Major elements of the mudstone of Wufeng Formationin the study area

2.1.2 微量元素地球化學(xué)特征

從表2可看出，研究區(qū)剖面的Mo、V、U、Th含量平均值較北美頁巖(NASC)平均值高，而Cr、Co、Ni和Sr含量平均值較北美頁巖平均值低。

表2 研究區(qū)五峰組泥巖微量元素Tab.2 Trace elements in the mudstone of WufengFormation in the study area

2.1.3 稀土元素地球化學(xué)特征

從表3可以看出研究區(qū)五峰組泥巖∑REE的平均值為224×10-6，明顯高于北美頁巖(NASC)的平均值(160×10-6)。剖面的稀土總量以瑞溪最高(331×10-6)，而巴魚上村最低(136×10-6)，畢節(jié)下水和桐梓紅花園剖面的∑REE都高于北美頁巖∑REE。研究區(qū)五峰組泥巖的LREE/HREE比值為6.05～9.48，表明輕稀土較重稀土富集；北美頁巖標準化的稀土配分曲線呈大致水平型(圖2)；幾個剖面的La/Yb和(La)N/(Yb)N與北美頁巖接近；幾個剖面都顯示了微弱的負Ce異常和負Eu異常。

表3 研究區(qū)五峰組泥巖稀土元素Tab.3 Rare earth elements in the mudstone of WufengFormation in the study area

圖2 五峰組黑色的稀土配分曲線Fig.2 REE distribution curves in the blackmudstone of Wufeng Formation

2.2 泥巖的有機地球化學(xué)特征

將研究區(qū)五峰組泥巖的有機碳、巖石熱解及鏡質(zhì)組反射率分析結(jié)果列于表4，由表4可以看出：研究區(qū)TOC(總有機碳)變化于1.31%～2.89%之間，平均值為1.98%；Tmax(熱解峰溫)變化于529.4～545.3 ℃之間，平均值為538.9 ℃；S0(含氣量)值變化于0.0007～0.001 mg/g之間，平均值為0.0009 mg/g；S1(可溶烴)變化于0.0009～0.001 mg/g之間，平均值為0.0009 mg/g；S2(熱解烴)變化于0.098～0.111 mg/g之間，平均值為0.103 mg/g；S4(殘余有機碳)變化于16.00～34.725 mg/g之間，平均值為23.765 mg/g；Ro(鏡質(zhì)組反射率)變化于1.93%～2.25%之間，平均值為2.07%。

表4 研究區(qū)五峰組泥巖有機碳、熱解及鏡質(zhì)組反射率分析結(jié)果Tab.4 Analysis results of organic carbon，pyrolysis and vitrinitereflectance of the mudstone of Wufeng Formation

3 五峰組黑色泥巖的沉積環(huán)境

3.1 五峰組泥巖沉積標志

該組巖石顏色深，呈灰黑-黑色；巖石粒度較細，多為泥巖(圖3(a))，并具泥質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖3(b))；巖層薄，多為極薄層-薄層；普遍具水平層理。總體上，為一套海侵體系域沉積。

3.2 五峰組泥巖地球化學(xué)標志

巖石的一些氧化還原敏感元素及比值，能夠較好地反映環(huán)境的氧化還原狀態(tài)?，F(xiàn)將五峰組泥巖有關(guān)的元素富集系數(shù)和比值及參數(shù)列于表5。

根據(jù)元素富集系數(shù)(EF)的計算公式[13]，元素X的富集系數(shù)為：EFX=(X/Al樣品)/(X/AlPAAS)，如果EFX﹥1，那么元素X相對澳大利亞后太古代平均頁巖(PAAS)富集；EFX﹤1，表明它是虧損的。從表5可以看出，Mo、V、U的富集系數(shù)都大于1，特別是Mo，富集程度更高。氧化還原敏感元素Mo、V、U通常富集在缺氧還原的沉積中，因此，表明沉積物沉積在缺氧還原的條件下。

表5 研究區(qū)五峰組黑色泥巖有關(guān)元素富集系數(shù)及比值Tab.5 Enrichment coefficients and ratios of related elementsin the mudstone of Wufeng Formation

V/Cr﹤2表示富氧環(huán)境，2﹤V/Cr﹤4.25指示貧氧環(huán)境，V/Cr﹥4.25代表缺氧環(huán)境[14]。研究區(qū)五峰組黑色泥巖的V/Cr為1.69～7.13，平均值為3.12，指示一種貧氧-缺氧的環(huán)境條件。

Ni/Co﹤5表示富氧環(huán)境，5﹤Ni/Co﹤7指示貧氧環(huán)境，Ni/Co﹥7代表缺氧環(huán)境[14]。研究區(qū)五峰組黑色泥巖的Ni/Co為4.78～13.28，平均值為9.55，指示一種貧氧-缺氧的環(huán)境條件。

V/(V+Ni)比值的變化通常用來指示水體的氧化還原程度，較高的V/(V+Ni)比值(﹥0.6)，表明了弱分層的貧氧水柱[14-17]，研究區(qū)五峰組黑色泥巖具有較高的V/(V+Ni)比值(0.7～0.89，平均值為0.83)，說明形成于缺氧環(huán)境。

Ce/La比值也能較好地指示沉積物的氧化還原條件，Ce/La比值﹤1.5為富氧環(huán)境，Ce/La比值為1.5～1.8，為貧氧環(huán)境，Ce/La比值﹥2為厭氧環(huán)境[18-19]。研究區(qū)五峰組黑色泥巖的Ce/La比值為1.74～2.03，平均值為1.84，指示研究區(qū)黑色泥巖形成于貧氧-缺氧環(huán)境。

Ce異常能較好地反映環(huán)境的氧化還原狀態(tài)，其技術(shù)公式為：δCe=log[3CeN/(2LaN+NdN)]，以北美頁巖標準化，若δCe﹥-0.1，為Ce的富集，指示缺氧還原的古水體環(huán)境；若δCe﹤-0.1，為Ce的虧損，指示氧化的古水體環(huán)境[20]。研究區(qū)黑色泥巖的δCe為-0.05～-0.1，平均值為-0.07，說明巖石形成于缺氧還原的環(huán)境。

綜合上述沉積標志和地球化學(xué)標志，表明五峰組黑色泥巖沉積環(huán)境的特點是水體相對較深、沉積速率較低、呈貧氧-缺氧還原狀態(tài)。

4 五峰組泥巖的頁巖氣資源潛力

根據(jù)有關(guān)研究，有利頁巖氣遠景區(qū)需具備4個基本特征：①有機碳含量高；②成熟度達生氣階段以上；③有效厚度大；④脆性礦物含量豐富。其中，有機碳含量、熱成熟度、有效厚度是頁巖氣形成的三大基本要素[21]。

頁巖氣資源遠景區(qū)基本評價參數(shù)：通常有機碳(TOC)含量在2%以上；有機質(zhì)成熟度(Ro)一般在1.1以上；頁巖的有效厚度一般在15 m以上，TOC低的頁巖厚度一般在30 m以上；脆性礦物含量大于30%～40%[22-23]。

根據(jù)上述這些指標和要素，對區(qū)內(nèi)五峰組黑色炭質(zhì)泥巖的頁巖氣資源潛力，作一簡要分析。

(1)有機碳含量：從研究區(qū)畢節(jié)下水、桐梓紅花園、道真巴魚上村剖面黑色炭質(zhì)泥巖有機碳含量平均值的情況來看，紅花園剖面黑色泥巖有機碳含量最高(為2.89%)，其次為巴魚上村剖面有機碳含量(為1.74%)，畢節(jié)下水剖面的有機碳含量較低，僅為1.31%?？傮w來看，研究區(qū)黑色炭質(zhì)泥巖的有機碳含量都在1%以上。

(2)成熟度：幾個剖面黑色炭質(zhì)泥巖的鏡質(zhì)組反射率分別為1.93(畢節(jié)下水)、2.03(紅花園)、2.25(巴魚上村)。根據(jù)豐國秀和陳盛吉[24]及肖賢明[25]的劃分方案，研究區(qū)五峰組炭質(zhì)泥巖已達高成熟-過成熟的干氣階段。在巖石熱解分析中，研究區(qū)五峰組炭質(zhì)泥巖有機質(zhì)熱解峰溫(Tmax)分別為529.43 ℃(畢節(jié)下水)、542.07 ℃(紅花園)、545 ℃(巴魚上村)，也說明研究區(qū)五峰組炭質(zhì)泥巖的演化已進入到了高成熟-過成熟階段，與鏡質(zhì)組反射率反映的成熟度一致。

(3)有效厚度：研究區(qū)五峰組黑色炭質(zhì)泥巖的厚度有變化，且厚度多在10 m以下，部分地方相對較厚，如遵義板橋厚11.4 m，松桃火燒寨厚近16 m。

(4)脆性礦物含量：研究區(qū)脆性礦物主要為石英，一般呈粒狀，分選性和磨圓度差，含量一般在15%～35%之間。

(5)埋深情況：根據(jù)研究區(qū)地層保存狀況，五峰組上覆地層主要為志留系、二疊系、三疊系和侏羅系。再根據(jù)各時代地層厚度，其埋深大概在0～4000 m。

綜合上述頁巖氣形成要素特征，研究區(qū)奧陶系上統(tǒng)五峰組黑色炭質(zhì)泥巖具備一定的形成頁巖氣的條件，具有形成頁巖氣藏的可能性。但由于厚度較薄，其頁巖氣資源遠景目前尚不能確定。

5 結(jié)論

(1)五峰組黑色泥巖層段的Mo、V、U的富集系數(shù)都大于1，Ce異常的平均值為-0.07，說明泥巖形成于缺氧環(huán)境，特定元素比值(V/Cr、Ni/Co、V/(V+Ni)和Ce/La)顯示泥巖形成于貧氧-缺氧環(huán)境?？傮w上，五峰組黑色泥巖沉積環(huán)境的特點是水體相對較深、沉積速率較低、呈貧氧-缺氧狀態(tài)。

(2)五峰組黑色泥巖總有機碳(TOC)含量平均值為1.98%；鏡質(zhì)組反射率(Ro)平均值為2.07，反映有機質(zhì)已達成熟-過成熟的干氣階段；有效厚度多在10 m以下，脆性礦物含量在15%～35%之間，埋深大概在0～4000 m。這些特征表明五峰組黑色泥巖層段具備一定的形成頁巖氣的條件，具有形成頁巖氣藏的可能性，但由于厚度較薄，其頁巖氣資源遠景目前尚不能確定。