重慶及其周緣地區(qū)下古生界頁巖氣資源勘探潛力

摘 要

摘要：四川盆地經(jīng)歷了從震旦紀(jì)到中三疊世的克拉通和晚三疊世到新生代的前陸盆地2個(gè)構(gòu)造演化過程，在克拉通盆地演化階段主要發(fā)育一套巨厚的海相沉積。晚震旦世和中奧陶世開始的2
摘要：四川盆地經(jīng)歷了從震旦紀(jì)到中三疊世的克拉通和晚三疊世到新生代的前陸盆地2個(gè)構(gòu)造演化過程，在克拉通盆地演化階段主要發(fā)育一套巨厚的海相沉積。晚震旦世和中奧陶世開始的2次大規(guī)模海侵作用，在深水環(huán)境中沉積了下寒武統(tǒng)筇竹寺組、上奧陶統(tǒng)五峰組 下志留統(tǒng)龍馬溪組2套黑色頁巖。由于該盆地演化過程中復(fù)雜的構(gòu)造變動(dòng)，重慶及其周緣地區(qū)的區(qū)域構(gòu)造主要以高幅抬升及強(qiáng)烈擠壓為特點(diǎn)，下古生界埋藏淺、變形嚴(yán)重、破壞強(qiáng)烈，現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為高陡狀褶皺，形成了與美國東部典型頁巖氣盆地相似的構(gòu)造演化特點(diǎn)和地質(zhì)條件。研究表明，該區(qū)具有頁巖氣富集的有利地質(zhì)條件，是頁巖氣勘探研究值得關(guān)注的重要領(lǐng)域。采用體積法對(duì)該區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組、上奧陶統(tǒng)五峰組 下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣資源量做了初步估算。結(jié)果表明：重慶及其周緣地區(qū)筇竹寺組頁巖氣資源量約為7.5×1012m3，五峰組-龍馬溪組頁巖氣資源量約為11.5×1012m3，顯示出該區(qū)巨大的頁巖氣資源勘探潛力。
關(guān)鍵詞：重慶及其周緣地區(qū)；早古生代；頁巖氣；地質(zhì)條件；成藏條件；資源潛力；美國東部盆地；相似性
    我國南方地區(qū)古生界在演化過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造變動(dòng)，具有與美國東部地區(qū)典型頁巖氣盆地相似的地質(zhì)條件和構(gòu)造演化特點(diǎn)，是我國未來頁巖氣勘探開發(fā)的備選領(lǐng)域。為此，根據(jù)四川盆地演化特點(diǎn)和勘探地質(zhì)條件，結(jié)合最新資料調(diào)研分析結(jié)果[1～5]，對(duì)四川盆地內(nèi)及周邊地區(qū)地表露頭(新開公路邊壁、采石場、礦坑等)、井下巖心及典型剖面進(jìn)行野外實(shí)地考察，認(rèn)為重慶及其周緣地區(qū)下古生界下寒武統(tǒng)筇竹寺組、上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖具有良好的頁巖氣富集和有利的勘探條件。
1 重慶及其周緣地區(qū)頁巖氣成藏背景
重慶及其周緣地區(qū)位于四川含油氣盆地川東高陡構(gòu)造帶和川南中低緩構(gòu)造帶[6]，包括涪陵-恩施秀山區(qū)塊、綦江-遵義區(qū)塊、瀘州-宜賓-畢節(jié)等，總面積為11.4365×104km2(圖1)，研究區(qū)位于四川盆地東部有利的天然氣富集帶上，具有形成大型頁巖氣聚集的基本地質(zhì)條件，縱向上的下寒武統(tǒng)筇竹寺組、上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組2套黑色頁巖是頁巖氣勘探的主要目的層位。
 
1.1 構(gòu)造演化
    四川盆地是一個(gè)特提斯構(gòu)造域內(nèi)長期發(fā)育、不斷演進(jìn)的古生代 中新生代海陸相復(fù)雜疊合盆地[7]，具有早期沉降、晚期隆升，沉降期長、隆升期短等特點(diǎn)[8]。從震旦紀(jì)以來先后經(jīng)歷了克拉通和前陸盆地兩個(gè)構(gòu)造演化階段，在克拉通盆地演化階段主要接受了一套巨厚的海相沉積。在早古生代之前構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中主要表現(xiàn)為大隆、大坳的地殼升降運(yùn)動(dòng)。這種大型隆、坳格局控制形成了分布面積廣、沉積厚度大且以海相碳酸鹽巖和頁巖等為主的古生界構(gòu)造層，構(gòu)成了盆地內(nèi)天然氣廣泛分布的基礎(chǔ)[9～11]?；诓煌A段的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)形式具有地區(qū)差異性，研究區(qū)主要以區(qū)域構(gòu)造高幅抬升及強(qiáng)烈擠壓為特點(diǎn)，導(dǎo)致下古生界埋藏淺、變形嚴(yán)重、破壞強(qiáng)烈，現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為高陡狀褶皺。
1.2 沉積背景
    海相黑色頁巖形成于沉積速率較快、地質(zhì)條件較為封閉、有機(jī)質(zhì)豐富的臺(tái)地或陸棚環(huán)境中，通常與大規(guī)模的水進(jìn)過程相關(guān)聯(lián)。震旦紀(jì)-志留紀(jì)烴源巖的發(fā)育時(shí)期與大地構(gòu)造格局或沉積盆地性質(zhì)發(fā)生重大變革的轉(zhuǎn)換時(shí)期對(duì)應(yīng)[12]。下寒武統(tǒng)下部烴源巖發(fā)育在大陸邊緣的內(nèi)陸架盆地和斜坡區(qū)，并以濱海沼澤及缺氧停滯的濱淺海沉積環(huán)境為主[12]。在早寒武世早期，海平面快速上升并形成早古生代最大的海侵作用，海侵期間低等植物大量繁殖，為該期烴源巖發(fā)育提供了充足的有機(jī)質(zhì)組分，使得在下寒武統(tǒng)筇竹寺組發(fā)育了數(shù)百米厚的碳質(zhì)泥巖、頁巖及石煤；奧陶紀(jì)沉積處于沉積變革時(shí)期，相對(duì)海平面升降變化大、震蕩頻繁，形成了碳酸鹽巖與泥質(zhì)巖頻繁交替的沉積特點(diǎn)；進(jìn)入志留紀(jì)，浮游植物繁盛，為區(qū)內(nèi)烴源巖發(fā)育提供了充足的物源[13～14]。下志留統(tǒng)龍馬溪組烴源巖受控于海灣深水陸棚沉積相體系，主要在全球性海平面下降和海域萎縮的背景上，形成了臺(tái)內(nèi)坳陷的滯留靜海環(huán)境(淺水-陸棚相)[7]，發(fā)育了一套深灰-黑色粉砂質(zhì)頁巖、富有機(jī)質(zhì)(碳質(zhì))頁巖、硅質(zhì)頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖等。
1.3 含氣頁巖及其分布
    筇竹寺組主要為暗色頁巖、黑色碳質(zhì)頁巖、黑色粉砂質(zhì)頁巖以及石煤層，頁巖分布穩(wěn)定，大部分地區(qū)厚度大于100m，其中川南地區(qū)頁巖厚度為200～400m。在川東-鄂西、黔北地區(qū)，頁巖厚度為50～300m。筇竹寺組頁巖總有機(jī)碳含量高，一般為0.5%～5%。自上而下，頁巖頁理逐漸發(fā)育，有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加，顏色由深灰色變?yōu)楹谏Ｖ恋撞?，由于有機(jī)質(zhì)富集而形成黑色的“碳質(zhì)頁巖”，有時(shí)伴生黃鐵礦、菱鐵礦結(jié)核及錳礦等，具有很強(qiáng)的生烴潛力[15]。整套頁巖普遍含砂質(zhì)或石英粉砂質(zhì)，局部可見原油裂解后所殘留的瀝青質(zhì)。
    五峰組與龍馬溪組底部均發(fā)育一套黑色頁巖，兩者厚度不大但連續(xù)分布且廣泛發(fā)育。與筇竹寺組頁巖相類似，五峰組-龍馬溪組主要巖性為筆石頁巖，厚度為80～200m。該套頁巖也具有自上而下顏色逐漸加深、砂質(zhì)減少、有機(jī)質(zhì)含量增高的變化特征。頁巖中也普遍含砂質(zhì)、粉砂質(zhì)，底部多含硅質(zhì)及黃鐵礦富集層。該套地層以產(chǎn)浮游生物筆石為特征，可富集成黑色筆石頁巖，局部見放射蟲、骨針等硅質(zhì)生屑，有機(jī)質(zhì)含量普遍較高。
    從地表頁巖出露情況分析認(rèn)為，筇竹寺組黑色頁巖(圖2)主要分布于川南的宜賓-瀘州、川東的達(dá)州-墊江-長壽一帶和黔北的金沙-江口-松桃一線以南地區(qū)，渝東南的秀山、酉陽和湘鄂西的龍山、咸豐等地區(qū)也較為發(fā)育；五峰組-龍馬溪組筆石頁巖(圖3)主要發(fā)育于盆地邊部且相對(duì)穩(wěn)定，在川南的宜賓、瀘州、南川、綦江，川東的石柱、涪陵，渝東南的武隆-彭水-黔江，黔東北的道真-德江及鄂西的利川-咸豐-來鳳一帶發(fā)育完整，而在盆地腹部的樂山-龍女寺一線以西北，由于后期構(gòu)造抬升剝蝕而缺失。以上2套黑色頁巖熱演化程度普遍較高且已被證實(shí)為重慶及其周緣地區(qū)海相地層的主要?dú)庠磶r[16]。
 
2 頁巖氣富集的有利地質(zhì)條件
    近年來，很多學(xué)者(Cruits[3]、Martini[17]、Shiley[18]、Hill[19]等)都嘗試應(yīng)用各種參數(shù)和方法對(duì)頁巖氣聚集進(jìn)行地質(zhì)評(píng)價(jià)。根據(jù)研究區(qū)頁巖發(fā)育特點(diǎn)，結(jié)合美國主要產(chǎn)頁巖氣盆地的頁巖氣勘探理論和經(jīng)驗(yàn)分析，研究認(rèn)為：總有機(jī)碳含量、成熟度、干酪根類型、生烴率和埋深是該區(qū)頁巖氣有利性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)。
2.1 下寒武統(tǒng)
    研究區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖主要發(fā)育于川南、黔北及黔東北-湘鄂西一帶，均以濱海沼澤及淺水缺氧停滯濱淺海沉積為主，與最大海泛面相對(duì)應(yīng)的低能黑色頁巖(包括碳質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖)相吻合，為克拉通基底盆地內(nèi)的第一套區(qū)域性烴源巖(屬于腐泥型有機(jī)質(zhì)類型，見表1)，現(xiàn)今埋深在2000～4000m之間(圖4)，總有機(jī)碳含量平均為2.74%[20]。其中，張家界實(shí)測總有機(jī)碳含量平均為7.7[21]，Ro值平均為3.16%，處于高過成熟階段[22]。在野外實(shí)測剖面和井下巖心觀察中均發(fā)現(xiàn)了十分發(fā)育的裂縫(圖5)，經(jīng)對(duì)研究區(qū)內(nèi)的老井進(jìn)行復(fù)查(威5、威18等井)，已在該套頁巖中發(fā)現(xiàn)普遍存在的氣顯異常[23、24]。
 
2.2 上奧陶統(tǒng)-下志留統(tǒng)
區(qū)內(nèi)上奧陶統(tǒng)-下志留統(tǒng)筆石頁巖普遍發(fā)育且分布穩(wěn)定，深灰色、黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)泥頁巖埋深在1500～4000m之間，有機(jī)質(zhì)類型均屬腐泥型，殘余總有機(jī)碳含量平均為2.28%[20]，目前多處于高成熟演化階段[22]，成熟度平均值均大于1.5%。在最近完鉆的探井中(如丁山1井、建深1井龍馬溪組)，氣顯示(井涌及氣測等)異常在鉆井過程中頻繁出現(xiàn)[11、26]。依據(jù)頁巖類型和礦物學(xué)特征分析表明：該套頁巖具有脆性巖石組分[26]，野外實(shí)測剖面中可見風(fēng)化的頁巖破碎帶(圖6)，在鉆井巖心中也發(fā)現(xiàn)了十分發(fā)育的高角度微裂縫，指示該區(qū)頁巖易于發(fā)生脆性裂縫。
 
3 頁巖氣資源潛力
3.1 頁巖氣資源量
    體積法是一種簡單快速的頁巖氣資源評(píng)價(jià)方法，也是在勘探開發(fā)程度較低區(qū)域進(jìn)行頁巖氣資源量評(píng)價(jià)的基本方法。
    研究區(qū)筇竹寺組有效頁巖面積約2.9600×104km2，地表頁巖樣品測得含氣量為1.51m3/t。結(jié)合前文數(shù)據(jù)并采用體積法可對(duì)研究區(qū)頁巖氣資源量進(jìn)行初步估算。結(jié)果表明：重慶及其周緣地區(qū)筇竹寺組頁巖氣資源量約為7.5×1012m3；五峰組-龍馬溪組有效頁巖面積約4.0125×104km2，地表頁巖樣品測得含氣量為1.37m3/t，與美國主要頁巖的含氣量相當(dāng)，采用體積法進(jìn)行初步計(jì)算，該套頁巖氣資源量約為11.5×1012m3。
3.2 頁巖氣發(fā)育有利區(qū)
    重慶及其周緣地區(qū)與美國東部頁巖氣產(chǎn)出地區(qū)(阿巴拉契亞、密執(zhí)安及伊利諾斯盆地等)具有諸多的地質(zhì)可比性(包括頁巖地質(zhì)時(shí)代、構(gòu)造變動(dòng)強(qiáng)度等)[11、23～24]，均屬于早古生代海相沉積盆地并經(jīng)歷了多期復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，具備了富集頁巖氣的有利地質(zhì)條件。
    我國頁巖氣研究尚處于起步階段，區(qū)域勘探程度較低，鑒于可應(yīng)用資料的局限性，本次主要選取總有機(jī)碳含量、成熟度、厚度及含氣量等指標(biāo)，采用綜合信息疊合法對(duì)頁巖氣發(fā)育有利區(qū)進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)美國主要頁巖氣富集區(qū)地質(zhì)特征的對(duì)比分析，認(rèn)為該區(qū)筇竹寺組、五峰組-龍馬溪組2套黑色頁巖均具有區(qū)域分布廣、地層厚度大、總有機(jī)碳含量高、成熟度普遍較高、埋藏適中、裂縫發(fā)育等特點(diǎn)，是研究區(qū)內(nèi)富集頁巖氣的有利層段。平面上，川南的宜賓和綦江，川東的達(dá)州-墊江-長壽及黔北的習(xí)水-赤水一帶的筇竹寺組頁巖條件優(yōu)越，達(dá)到了頁巖氣富集的總有機(jī)碳含量、成熟度、有效厚度等指標(biāo)，是我國頁巖氣勘探的有利區(qū)域；五峰組-龍馬溪組頁巖在川南的宜賓-瀘州、渝東南的彭水-黔江、鄂西的利川-咸豐以及黔東北的道真-德江一帶條件良好，同樣達(dá)到了頁巖氣富集標(biāo)準(zhǔn)并成為頁巖氣勘探的有利方向。
4 結(jié)論
    1) 重慶及其周緣地區(qū)與美國東部頁巖氣產(chǎn)出地區(qū)在頁巖形成地質(zhì)條件上具有諸多可比性，下寒武統(tǒng)筇竹寺組、上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖地層區(qū)域分布廣、厚度大、埋藏適中、總有機(jī)質(zhì)含量高、成熟度高、微裂縫發(fā)育，具有形成頁巖氣聚集的有利地質(zhì)條件，目前已發(fā)現(xiàn)多處鉆井氣顯示異常，是我國頁巖氣勘探開發(fā)可能有所突破的最有利區(qū)域之一。
    2) 采用體積法對(duì)重慶及其周緣地區(qū)的筇竹寺組、五峰組龍馬溪組所進(jìn)行的頁巖氣資源初步估算表明，研究區(qū)筇竹寺組和五峰組-龍馬溪組頁巖氣資源量分別為7.5×1012m3和11.5×1012m3。
    3) 在平面上，川南的宜賓和綦江，川東的達(dá)州-墊江-長壽及黔北的習(xí)水-赤水一帶的筇竹寺組頁巖條件優(yōu)越，是研究區(qū)內(nèi)頁巖氣勘探的有利區(qū)域；五峰組-龍馬溪組頁巖在川南的宜賓-瀘州、渝東南的彭水黔江、鄂西的利川-咸豐以及黔東北的道真-德江一帶頁巖氣成藏條件良好，為區(qū)內(nèi)頁巖氣勘探的有利方向。
    致謝：唐玄、邊瑞康、汪宗余、張培先、林拓、宋曉薇、姜生玲、朱華、王廣源、荊鐵亞、尹騰宇等在野外考查和資料收集整理方面完成了部分工作，在此表示衷心感謝！
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(本文作者：龍鵬宇1 張金川1 李玉喜2 聶海寬1 唐穎1 張琴1 劉珠江1 1.教育部“海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國地質(zhì)大學(xué) 北京；2.國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心)