魏全超，李小佳，李 峰，郝景宇，鄧雙林，吳 娟，鄧 賓，王道軍

（1.中國(guó)石化勘探分公司，成都 610059；2.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

0 引言

近年來(lái)，隨著非常規(guī)頁(yè)巖油氣勘探的深入，頁(yè)巖中裂縫脈體的研究逐漸成為熱點(diǎn)。目前頁(yè)巖中裂縫脈體的形成機(jī)制和充填礦物特征尤其受到關(guān)注［1-2］。裂縫形成機(jī)制是通過(guò)觀察裂縫的充填形態(tài)特征，即張性脈、剪切脈、雁列脈、纖維狀脈等，來(lái)揭示脈體充填時(shí)局部的應(yīng)力狀態(tài)［3］。進(jìn)一步通過(guò)研究裂縫脈體成巖礦物間的相互交切關(guān)系來(lái)反映脈體形成的先后順序，從而有效揭示流體期次與序列，但普遍缺失脈體形成的絕對(duì)年齡。近年來(lái)，利用放射性同位素定年直接確定脈體絕對(duì)年齡的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，如：石英脈體40Ar-39Ar 定年和Rb-Sr定年，方解石脈體Sm-Nd 定年和U-Pb 定年等［4-6］。充填礦物本身具有地球化學(xué)信息，如：碳、氧、鍶同位素和稀土元素等可以確定成脈流體的來(lái)源、成巖環(huán)境等信息，與宿主圍巖的地球化學(xué)性質(zhì)相對(duì)比可以推測(cè)頁(yè)巖層系與其他層系的連通情況［7-9］。對(duì)充填礦物捕獲的流體包裹體測(cè)溫可以獲得成脈時(shí)的溫壓、鹽度等信息，利用激光拉曼技術(shù)對(duì)流體包裹體進(jìn)行研究可有效地識(shí)別烴類包裹體和甲烷包裹體等，而甲烷包裹體的壓力、溫度、拉曼光譜等可以作為恢復(fù)古溫壓和油氣流體示蹤的重要手段［10-12］。

四川盆地米倉(cāng)山前緣筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動(dòng)，頁(yè)巖中裂縫發(fā)育，多數(shù)充填方解石脈體和或石英脈體［13-15］。目前針對(duì)四川盆地頁(yè)巖裂縫脈體的研究集中在川南的五峰組—龍馬溪組，很少有對(duì)筇竹寺組的裂縫脈體研究的相關(guān)報(bào)道，尤其缺少對(duì)筇竹寺組裂縫脈體的形成期次、成脈流體來(lái)源以及對(duì)保存條件有何種影響等的研究資料。通過(guò)野外剖面實(shí)測(cè)、薄片觀察、陰極發(fā)光、碳氧同位素分析、流體包裹體測(cè)溫、激光拉曼光譜分析、稀土元素分析，結(jié)合區(qū)域多期構(gòu)造演化，分析四川盆地米倉(cāng)山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組熱演化史過(guò)程及與其相關(guān)的流體活動(dòng)，并探討頁(yè)巖氣的保存條件，以期為該區(qū)筇竹寺組頁(yè)巖氣勘探提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

1 地質(zhì)概況

米倉(cāng)山地區(qū)地處四川盆地北緣，為揚(yáng)子板塊和南秦嶺的交界部位，在大地構(gòu)造位置上屬于揚(yáng)子板塊西北端，北接漢南隆起，緊鄰秦嶺造山帶，東部與大巴山逆沖推覆構(gòu)造帶相連，西鄰龍門(mén)山造山帶并以龍門(mén)山斷裂相接，南部與四川盆地寬緩變形帶相鄰，是一個(gè)在印支運(yùn)動(dòng)開(kāi)始發(fā)育、晚燕山運(yùn)動(dòng)繼承發(fā)展、喜馬拉雅期最終定型的前陸擠壓變形區(qū)［16-18］（圖1a）。旺蒼地區(qū)位于米倉(cāng)山前緣東部，緊鄰四川盆地和米倉(cāng)山構(gòu)造帶。早寒武世筇竹寺組開(kāi)始沉積時(shí)，上揚(yáng)子地區(qū)海水由東南方向快速侵入，海平面快速上升，米倉(cāng)山地區(qū)處于大面積缺氧的深水陸棚環(huán)境，發(fā)育下細(xì)上粗的碎屑巖沉積建造，隨后海平面緩慢下降，整體上沉積水體由深變淺，自北向南發(fā)育濱岸—淺水陸棚—深水陸棚相沉積［19-20］。由于筇竹寺組沉降中心大致在米倉(cāng)山前緣旺蒼—南江一帶，研究區(qū)筇竹寺組泥頁(yè)巖較厚，最大厚度達(dá)200 m，具有良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，筇竹寺組下部為灰黑色炭質(zhì)頁(yè)巖、泥巖，夾黑色硅質(zhì)頁(yè)巖，上部為灰—黃灰色粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖（圖1b），以靜水、厭氧—貧氧的深水陸棚沉積環(huán)境為主［21］。

2 裂縫脈體特征

2.1 脈體發(fā)育特征

米倉(cāng)山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組露頭上多見(jiàn)順層脈和高角度剪性脈，開(kāi)度一般較大，為毫米—厘米級(jí)，大多為0.1～2.0 cm，延伸長(zhǎng)度幾厘米到幾米不等（圖2a），高、低角度發(fā)育的脈體具有明顯的交切關(guān)系，低角度脈常常切割高角度脈（圖2b），同時(shí)觀察到剪張性方解石脈體，脈體中見(jiàn)破碎角礫（圖2c）。

圖2 四川盆地米倉(cāng)山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組脈體與礦物充填特征Fig.2 Filling characteristics of veins and minerals of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

進(jìn)一步基于鏡下薄片觀察和陰極發(fā)光分析，脈體成分有方解石和石英（圖2d），方解石在單偏光下無(wú)色，透明度較差，發(fā)育1～2 組解理，第一期方解石在陰極光下呈橙黃色，第二期方解石在陰極光下呈暗紅色；石英在單偏光下無(wú)色、透明、無(wú)解理，陰極光下不發(fā)光（圖2e）。揭示2 期方解石脈體被晚期石英脈體切斷（圖2d），礦物充填序列通常為第一期方解石，第二期方解石、石英，石英形成時(shí)間應(yīng)晚于方解石（圖2f）。

2.2 脈體中流體包裹體特征

將野外典型脈體樣品制備成厚度為100 μm 且雙面拋光的包裹體薄片，開(kāi)展了流體包裹體巖相學(xué)觀察、激光拉曼光譜分析和流體包裹體測(cè)溫分析。顯微鏡下觀察到大量的流體包裹體，以橢圓狀、次圓狀為主，呈群狀、線狀、帶狀分布，常見(jiàn)3 期脈體充填（表1）。其中，第一期細(xì)晶方解石中有發(fā)熒光的液態(tài)烴類包裹體（圖3a），拉曼散射峰位在2 700～2 970 cm-1區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈隆起（圖3b）；第二期粗晶方解石中可見(jiàn)高密度甲烷包裹體（圖3c），其拉曼散射峰位在2 911.39 cm-1處出現(xiàn)特征峰（圖3d），富含熒光液態(tài)烴類包裹體（圖3e），拉曼散射峰位在2 700～2 970 cm-1區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈隆起（圖3f）；第三期石英中賦存高密度甲烷包裹體（圖3g），拉曼散射峰位在2 910.43 cm-1處出現(xiàn)特征峰（圖3h）。一般認(rèn)為拉曼散射峰位小于2 912 cm-1為高密度甲烷包裹體［22-23］。

表1 四川盆地米倉(cāng)山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組脈體礦物期次與流體包裹體類型Table 1 Mineral stages and fluid inclusions types of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

圖3 四川盆地米倉(cāng)山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組裂縫脈體中流體包裹體特征Fig.3 Fluid inclusion characteristics in fracture veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

研究區(qū)王家溝剖面和水磨剖面方解石脈體中流體包裹體的均一溫度均有2 個(gè)峰值，分別是120～130 ℃和140～150 ℃，分別對(duì)應(yīng)2 期流體充注高峰，需要指出的是，第三期石英脈體中原生鹽水包裹體可能代表第三期硅質(zhì)流體的充注（圖4）。2 條剖面筇竹寺組的第一期方解石脈體包裹體均一溫度均為83.1～136.2 ℃，鹽度均為0.4%～12.2%；第二期方解石脈體包裹體均一溫度均為140.2～185.4 ℃，鹽度均為5.7%～17.3%。水磨剖面第三期石英包裹體均一溫度為162.1 ℃，鹽度為13.8%。

圖4 四川盆地米倉(cāng)山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組流體包裹體均一溫度及其與鹽度的關(guān)系Fig.4 Homogenization temperature distribution and relationship between salinity and homogenization temperature of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

3 方解石脈體地球化學(xué)特征

3.1 碳氧同位素特征

米倉(cāng)山前緣筇竹寺組方解石脈體樣品的δ18OPDB值為-14.95‰～-9.17‰（表2），絕大部分方解石脈體實(shí)測(cè)值比早寒武世全球海水的δ18OPDB平均值（-5‰±1‰～-10‰±1‰）?。?4］，這種δ18O 的負(fù)偏移受控于成脈流體溫度和成脈流體的δ18O 豐度（與含水飽和度密切相關(guān)），當(dāng)溫度為0～500 ℃時(shí)，CaCO3-H2O 體系中δ18O 分餾系數(shù)α與熱力學(xué)溫度T存在如下關(guān)系［25］：

表2 四川盆地米倉(cāng)山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體碳氧同位素與均一溫度測(cè)定結(jié)果Table 2 Carbon and oxygen isotopes and homogenization temperature of calcite veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

式中：α為分餾系數(shù)；T為方解石脈體的沉淀溫度，K；δ18OCaCO3為方解石（SMOW）標(biāo)準(zhǔn)的氧同位素值，‰，δ18OH2O為地質(zhì)歷史時(shí)期地層水中氧同位素的值，‰。

通過(guò)式（1）可以計(jì)算出成脈流體的δ18O。本次實(shí)驗(yàn)方解石氧同位素以（PDB）標(biāo)準(zhǔn)列出，可以用經(jīng)驗(yàn)公式δ13OSMOW=1.030 86δ13OPDB+30.86計(jì)算出δ18OSMOW值［26-27］（表2）。方解石脈體溫度一般根據(jù)方解石脈體捕獲的原生鹽水包裹體均一溫度確定，利用鹽水包裹體均一溫度確定方解石脈體形成溫度，可以計(jì)算方解石脈體礦物沉淀時(shí)地層水中的δ18O，進(jìn)而示蹤成脈流體的來(lái)源，一般認(rèn)為顯生宙海水的δ18OSMOW為-1‰～1‰［28］。

研究區(qū)王家溝剖面筇竹寺組可見(jiàn)2 期方解石脈體，其原生鹽水包裹體的捕獲溫度分別為94.8～136.0 ℃和140.2～185.4 ℃，第一期方解石脈體沉淀時(shí)成脈流體的δ18OSMOW為-0.3‰～8.0‰，第二期方解石成脈流體的δ18OSMOW為4.0‰～11.4‰，揭示第一期方解石脈體受到海水的輕微影響，成脈流體主要為層內(nèi)地層水，第二期方解石脈體的成脈流體為層內(nèi)地層水，不受外源流體的影響［29］（圖5）。

圖5 四川盆地米倉(cāng)山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體成巖期地層水δ18O 分布Fig.5 δ18O distribution of diagenetic water of calcite veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

研究區(qū)水磨剖面筇竹寺組2 期方解石脈體原生鹽水包裹體捕獲溫度分別為83.1～136.2 ℃和142.5～158.4 ℃；第一期方解石脈體沉淀時(shí)成脈流體的δ18OSMOW為-3.2‰～3.8‰，第二期為2.6‰～7.1‰；第一期方解石脈體成脈流體為層內(nèi)地層水，受到大氣淡水和海水共同影響，第二期成脈流體主要為層內(nèi)地層水（圖5）。

3.2 稀土元素特征

通過(guò)對(duì)比脈體和圍巖的稀土元素特征可以確定流體來(lái)源［30］。米倉(cāng)山前緣王家溝剖面下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體稀土元素（REE）含量和特征參數(shù)如表3 和表4 所列，方解石脈體稀土元素含量采用北美頁(yè)巖值標(biāo)準(zhǔn)化（NASC），進(jìn)一步得到稀土元素配分模式圖［31］（圖6）。王家溝剖面筇竹寺組WJG-9樣品圍巖和脈體均呈現(xiàn)中稀土元素富集、稀土分餾明顯的特征，表現(xiàn)為（Pr/Sm）NASC＜1，（Tb/Yb）NASC＞1，方解石具有Eu 正異常（δEu=2.41）和Ce 無(wú)異常（δCe=1.00），圍巖具有Eu 正異常（δEu=2.08）和Ce無(wú)異常（δCe=1.00）。該樣品脈體與圍巖的稀土元素配分模式極為相似，均具有Eu 異常和Ce 無(wú)異常，說(shuō)明脈體與圍巖流體發(fā)生了交換，流體來(lái)源于層內(nèi)地層水。WJG-10 樣品的圍巖表現(xiàn)為輕稀土元素富集，方解石表現(xiàn)為中稀土元素富集，方解石樣品具有明顯的Eu 正異常（δEu=4.34～7.88）和Ce 微弱負(fù)異常（δCe=0.93～0.96），圍巖具有更明顯的Eu正異常（δEu=350.32）和Ce負(fù)異常（δCe=0.76）（表4）。該樣品脈體與圍巖的稀土元素配分模式極為相似，均具有Eu 異常和Ce 負(fù)異常，說(shuō)明脈體與圍巖發(fā)生了流體交換，流體來(lái)源于層內(nèi)地層水。王家溝剖面筇竹寺組2 期方解石成脈流體均為層內(nèi)地層水。

表3 四川盆地米倉(cāng)山前緣王家溝剖面下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體稀土元素含量Table 3 Rare earth elements content in calcite veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangjiagou profile at Micang Mountain front，Sichuan Basin

表4 四川盆地米倉(cāng)山前緣王家溝剖面下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體稀土元素特征參數(shù)Table 4 Rare earth element characteristics of calcite veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangjiagou profile at Micang Mountain front，Sichuan Basin

圖6 四川盆地米倉(cāng)山前緣王家溝剖面下寒武統(tǒng)筇竹寺組方解石脈體稀土元素北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式Fig.6 Standardized distribution model of rare earth elements in North American shale of calcite vein of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangjiagou profile at Micang Mountain front，Sichuan Basin

Eu 異?？赡苁軠囟群蛧鷰r斜長(zhǎng)石含量的共同控制，所以成脈流體中沉淀礦物的δEu變化不僅受流體溫度的控制，還取決于流體-巖石反應(yīng)的位置和反應(yīng)程度［32-34］。王家溝剖面流體包裹體溫度為83.8～185.4 ℃，未發(fā)現(xiàn)大于200 ℃的原生鹽水包裹體，結(jié)合剖面位置附近TX1 井的埋藏史-熱史資料，揭示筇竹寺組在晚侏羅世最大埋深達(dá)8 000 m，最大埋深期間達(dá)到的最高溫度接近但未超過(guò)200 ℃。因此Eu 正異常的另一個(gè)合理解釋就是流體-巖石相互作用過(guò)程中斜長(zhǎng)石的溶解，成脈流體是來(lái)源于流體-巖石反應(yīng)強(qiáng)烈的地層水。TX1 井?dāng)?shù)據(jù)資料顯示，筇竹寺組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段斜長(zhǎng)石平均體積分?jǐn)?shù)大于15%，指示脈體Eu 正異常受宿主圍巖斜長(zhǎng)石含量影響較大［21］。

王家溝剖面筇竹寺組圍巖具有Ce 負(fù)異常（δCe=0.76～1.00），指示圍巖沉積時(shí)受到地表大氣淡水淋濾，而方解石樣品具有Ce 微弱負(fù)異常（δCe=0.93～1.00），推測(cè)為發(fā)生流體-巖石反應(yīng)時(shí)，繼承圍巖的Ce 負(fù)異常，表現(xiàn)為不明顯的Ce 負(fù)異常。

4 流體活動(dòng)特征及意義

4.1 流體活動(dòng)特征

使用BasinMod 盆地模擬軟件，基于TX1 井地層分層、厚度、巖性、實(shí)測(cè)地層溫度、TOC等基本參數(shù)，以根據(jù)米倉(cāng)山前緣磷灰石裂變徑跡得到的抬升時(shí)間和計(jì)算的剝蝕量作為約束，將加里東期、海西期、印支期和燕山—喜山期古剝蝕量分別設(shè)定為150 m，400 m，400 m和5 700 m，恢復(fù)研究區(qū)TX1 井筇竹寺組熱演化史和地層埋藏史［35-37］。研究區(qū)TX1井筇竹寺組烴源巖于晚奧陶世—晚志留世進(jìn)入低成熟階段（Ro＝0.5%～0.7%），生成低成熟原油；早泥盆世烴源巖全面成熟（Ro＝0.7%～1.3%），生成大量的原油，該階段一直持續(xù)到中侏羅世；中侏羅世，烴源巖演化到高成熟階段（Ro＝1.3%～2.0%），產(chǎn)物為輕質(zhì)油和濕氣；晚侏羅世，烴源巖已經(jīng)達(dá)到過(guò)成熟階段（Ro＞2.0%），以熱裂解氣為主要產(chǎn)物，早白堊世烴源巖成熟度達(dá)到最大；晚侏羅世至今雖構(gòu)造抬升，但成熟度不再增大，至今保持在2.5%左右（圖7）。

圖7 四川盆地米倉(cāng)山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組裂縫脈體形成時(shí)間Fig.7 Formation time of fracture veins of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangcang area at Micang Mountain front，Sichuan Basin

結(jié)合王家溝剖面和水磨剖面，研究區(qū)筇竹寺組第一期方解石包裹體最低均一溫度為83.1 ℃，第二期方解石包裹體最低均一溫度為140.2 ℃，第三期石英包裹體最低均一溫度為162.1 ℃，據(jù)此推測(cè)研究區(qū)第一期方解石脈體形成于早志留世（約440 Ma），第二期方解石脈體形成與早侏羅世（約190 Ma），第三期石英脈體形成早白堊世（約120 Ma）（圖7）。綜合上述研究，認(rèn)為第一期方解石成脈流體主要為層內(nèi)地層水，受向下侵入的少量大氣淡水和海水影響，與烴源巖生烴作用生成的液態(tài)烴類一起充注；第二期方解石成脈流體主要為層內(nèi)地層水，與液態(tài)烴類和高密度氣相甲烷混合充注；第三期石英脈體的成脈流體是筇竹寺組的硅質(zhì)流體，與高密度氣相甲烷一起充注（圖8）。

圖8 四川盆地米倉(cāng)山前緣旺蒼地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組流體運(yùn)移路徑Fig.8 Fluid migration path of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Wangjiagou profile at Micang Mountain front，Sichuan Basin

4.2 流體活動(dòng)對(duì)頁(yè)巖封閉性的影響

米倉(cāng)山前緣筇竹寺組碳氧同位素指示受外源流體影響較小，圍巖與方解石脈體碳氧同位素差值在較小的區(qū)間波動(dòng)，水磨剖面筇竹寺組可能受到大氣淡水下滲的影響，但成脈流體主要還是來(lái)源于層內(nèi)地層水和海水，方解石脈體和圍巖的稀土元素配分模式進(jìn)一步指示成脈流體是流體-巖石反應(yīng)強(qiáng)烈的層內(nèi)地層水，圍巖與方解石脈體均具有Eu 正異常特征，并且圍巖異常程度更大，Eu 正異常來(lái)源于宿主圍巖斜長(zhǎng)石的溶解，同時(shí)圍巖的Ce 負(fù)異常指示筇竹寺組成巖期受到大氣淡水淋濾。包裹體測(cè)溫結(jié)果表明，王家溝剖面原生鹽水包裹體鹽度大于3.5%（一般認(rèn)為鹽度小于3.5%指示受到淡水影響），水磨剖面原生鹽水包裹體鹽度基本大于3.5%，反映成脈流體受到大氣淡水混入影響，方解石沉淀的作用普遍較小。激光拉曼檢測(cè)到超臨界高密度甲烷包裹體，進(jìn)一步揭示研究區(qū)筇竹寺組方解石和石英成脈時(shí)具備相對(duì)良好的壓力條件，且封閉性較好，受外源流體影響較小，節(jié)理和裂縫發(fā)育，但可能并不溝通上下地層，可能更多的作用是有利于頁(yè)巖氣聚集成藏，由此推測(cè)，研究區(qū)筇竹寺組頁(yè)巖氣具有較好的封閉條件。

5 結(jié)論

（1）四川盆地米倉(cāng)山前緣筇竹寺組可見(jiàn)2 期方解石和1 期石英充填，第一期方解石中的液態(tài)烴類包裹體均一溫度為83.1～136.2 ℃，鹽度為0.4%～12.2%；第二期方解石中的液態(tài)烴類包裹體、高密度甲烷包裹體均一溫度為140.2～185.4 ℃，鹽度為5.7%～17.3%；第三期石英中的高密度甲烷包裹體均一溫度為162.1 ℃，鹽度為13.8%。

（2）米倉(cāng)山前緣筇竹寺組第一期方解石脈體形成于早志留世（約440 Ma），成脈流體主要為層內(nèi)地層水，受少量大氣淡水和海水影響，與液態(tài)烴類流體一起充注；第二期方解石脈體形成于早侏羅世（約190 Ma），成脈流體為層內(nèi)地層水，與液態(tài)烴類和高密度氣相甲烷混合充注；第三期石英脈體形成早白堊世（約120 Ma），成脈流體為筇竹寺組的硅質(zhì)流體，與高密度氣相甲烷一起充注。

（3）米倉(cāng)山前緣筇竹寺組方解石和石英成脈時(shí)具備相對(duì)良好的壓力條件，且封閉性較好，受外源流體影響較小，節(jié)理和裂縫發(fā)育，可能并不溝通上下地層，更多的作用是有利于頁(yè)巖氣聚集成藏，由此推測(cè)筇竹寺組頁(yè)巖氣具有較好的封閉條件。