重慶及其周緣地區下古生界頁巖氣資源勘探潛力

摘 要

摘要：四川盆地經歷了從震旦紀到中三疊世的克拉通和晚三疊世到新生代的前陸盆地2個構造演化過程，在克拉通盆地演化階段主要發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：四川盆地經歷了從震旦紀到中三疊世的克拉通和晚三疊世到新生代的前陸盆地2個構造演化過程，在克拉通盆地演化階段主要發育一套巨厚的海相沉積。晚震旦世和中奧陶世開始的2次大規模海侵作用，在深水環境中沉積了下寒武統筇竹寺組、上奧陶統五峰組 下志留統龍馬溪組2套黑色頁巖。由于該盆地演化過程中復雜的構造變動，重慶及其周緣地區的區域構造主要以高幅抬升及強烈擠壓為特點，下古生界埋藏淺、變形嚴重、破壞強烈，現今構造形態表現為高陡狀褶皺，形成了與美國東部典型頁巖氣盆地相似的構造演化特點和地質條件。研究表明，該區具有頁巖氣富集的有利地質條件，是頁巖氣勘探研究值得關注的重要領域。采用體積法對該區下寒武統筇竹寺組、上奧陶統五峰組 下志留統龍馬溪組頁巖氣資源量做了初步估算。結果表明：重慶及其周緣地區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，顯示出該區巨大的頁巖氣資源勘探潛力。
關鍵詞：重慶及其周緣地區；早古生代；頁巖氣；地質條件；成藏條件；資源潛力；美國東部盆地；相似性
    我國南方地區古生界在演化過程中經歷了復雜的構造變動，具有與美國東部地區典型頁巖氣盆地相似的地質條件和構造演化特點，是我國未來頁巖氣勘探開發的備選領域。為此，根據四川盆地演化特點和勘探地質條件，結合最新資料調研分析結果[1～5]，對四川盆地內及周邊地區地表露頭(新開公路邊壁、采石場、礦坑等)、井下巖心及典型剖面進行野外實地考察，認為重慶及其周緣地區下古生界下寒武統筇竹寺組、上奧陶統五峰組-下志留統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 重慶及其周緣地區頁巖氣成藏背景
重慶及其周緣地區位于四川含油氣盆地川東高陡構造帶和川南中低緩構造帶[6]，包括涪陵-恩施秀山區塊、綦江-遵義區塊、瀘州-宜賓-畢節等，總面積為11.4365×104km2(圖1)，研究區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條件，縱向上的下寒武統筇竹寺組、上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組2套黑色頁巖是頁巖氣勘探的主要目的層位。
 
1.1 構造演化
    四川盆地是一個特提斯構造域內長期發育、不斷演進的古生代 中新生代海陸相復雜疊合盆地[7]，具有早期沉降、晚期隆升，沉降期長、隆升期短等特點[8]。從震旦紀以來先后經歷了克拉通和前陸盆地兩個構造演化階段，在克拉通盆地演化階段主要接受了一套巨厚的海相沉積。在早古生代之前構造運動中主要表現為大隆、大坳的地殼升降運動。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造層，構成了盆地內天然氣廣泛分布的基礎[9～11]。基于不同階段的構造運動表現形式具有地區差異性，研究區主要以區域構造高幅抬升及強烈擠壓為特點，導致下古生界埋藏淺、變形嚴重、破壞強烈，現今構造形態表現為高陡狀褶皺。
1.2 沉積背景
    海相黑色頁巖形成于沉積速率較快、地質條件較為封閉、有機質豐富的臺地或陸棚環境中，通常與大規模的水進過程相關聯。震旦紀-志留紀烴源巖的發育時期與大地構造格局或沉積盆地性質發生重大變革的轉換時期對應[12]。下寒武統下部烴源巖發育在大陸邊緣的內陸架盆地和斜坡區，并以濱海沼澤及缺氧停滯的濱淺海沉積環境為主[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，為該期烴源巖發育提供了充足的有機質組分，使得在下寒武統筇竹寺組發育了數百米厚的碳質泥巖、頁巖及石煤；奧陶紀沉積處于沉積變革時期，相對海平面升降變化大、震蕩頻繁，形成了碳酸鹽巖與泥質巖頻繁交替的沉積特點；進入志留紀，浮游植物繁盛，為區內烴源巖發育提供了充足的物源[13～14]。下志留統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，形成了臺內坳陷的滯留靜海環境(淺水-陸棚相)[7]，發育了一套深灰-黑色粉砂質頁巖、富有機質(碳質)頁巖、硅質頁巖夾泥質粉砂巖等。
1.3 含氣頁巖及其分布
    筇竹寺組主要為暗色頁巖、黑色碳質頁巖、黑色粉砂質頁巖以及石煤層，頁巖分布穩定，大部分地區厚度大于100m，其中川南地區頁巖厚度為200～400m。在川東-鄂西、黔北地區，頁巖厚度為50～300m。筇竹寺組頁巖總有機碳含量高，一般為0.5%～5%。自上而下，頁巖頁理逐漸發育，有機質含量逐漸增加，顏色由深灰色變為黑色。至底部，由于有機質富集而形成黑色的“碳質頁巖”，有時伴生黃鐵礦、菱鐵礦結核及錳礦等，具有很強的生烴潛力[15]。整套頁巖普遍含砂質或石英粉砂質，局部可見原油裂解后所殘留的瀝青質。
    五峰組與龍馬溪組底部均發育一套黑色頁巖，兩者厚度不大但連續分布且廣泛發育。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、砂質減少、有機質含量增高的變化特征。頁巖中也普遍含砂質、粉砂質，底部多含硅質及黃鐵礦富集層。該套地層以產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、骨針等硅質生屑，有機質含量普遍較高。
    從地表頁巖出露情況分析認為，筇竹寺組黑色頁巖(圖2)主要分布于川南的宜賓-瀘州、川東的達州-墊江-長壽一帶和黔北的金沙-江口-松桃一線以南地區，渝東南的秀山、酉陽和湘鄂西的龍山、咸豐等地區也較為發育；五峰組-龍馬溪組筆石頁巖(圖3)主要發育于盆地邊部且相對穩定，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為重慶及其周緣地區海相地層的主要氣源巖[16]。
 
2 頁巖氣富集的有利地質條件
    近年來，很多學者(Cruits[3]、Martini[17]、Shiley[18]、Hill[19]等)都嘗試應用各種參數和方法對頁巖氣聚集進行地質評價。根據研究區頁巖發育特點，結合美國主要產頁巖氣盆地的頁巖氣勘探理論和經驗分析，研究認為：總有機碳含量、成熟度、干酪根類型、生烴率和埋深是該區頁巖氣有利性評價的關鍵地質參數。
2.1 下寒武統
    研究區下寒武統黑色頁巖主要發育于川南、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，與最大海泛面相對應的低能黑色頁巖(包括碳質頁巖和硅質頁巖)相吻合，為克拉通基底盆地內的第一套區域性烴源巖(屬于腐泥型有機質類型，見表1)，現今埋深在2000～4000m之間(圖4)，總有機碳含量平均為2.74%[20]。其中，張家界實測總有機碳含量平均為7.7[21]，Ro值平均為3.16%，處于高過成熟階段[22]。在野外實測剖面和井下巖心觀察中均發現了十分發育的裂縫(圖5)，經對研究區內的老井進行復查(威5、威18等井)，已在該套頁巖中發現普遍存在的氣顯異常[23、24]。
 
2.2 上奧陶統-下志留統
區內上奧陶統-下志留統筆石頁巖普遍發育且分布穩定，深灰色、黑色碳質、硅質泥頁巖埋深在1500～4000m之間，有機質類型均屬腐泥型，殘余總有機碳含量平均為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[11、26]。依據頁巖類型和礦物學特征分析表明：該套頁巖具有脆性巖石組分[26]，野外實測剖面中可見風化的頁巖破碎帶(圖6)，在鉆井巖心中也發現了十分發育的高角度微裂縫，指示該區頁巖易于發生脆性裂縫。
 
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價方法，也是在勘探開發程度較低區域進行頁巖氣資源量評價的基本方法。
    研究區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。結合前文數據并采用體積法可對研究區頁巖氣資源量進行初步估算。結果表明：重慶及其周緣地區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，采用體積法進行初步計算，該套頁巖氣資源量約為11.5×1012m3。
3.2 頁巖氣發育有利區
    重慶及其周緣地區與美國東部頁巖氣產出地區(阿巴拉契亞、密執安及伊利諾斯盆地等)具有諸多的地質可比性(包括頁巖地質時代、構造變動強度等)[11、23～24]，均屬于早古生代海相沉積盆地并經歷了多期復雜的構造運動，具備了富集頁巖氣的有利地質條件。
    我國頁巖氣研究尚處于起步階段，區域勘探程度較低，鑒于可應用資料的局限性，本次主要選取總有機碳含量、成熟度、厚度及含氣量等指標，采用綜合信息疊合法對頁巖氣發育有利區進行預測。根據美國主要頁巖氣富集區地質特征的對比分析，認為該區筇竹寺組、五峰組-龍馬溪組2套黑色頁巖均具有區域分布廣、地層厚度大、總有機碳含量高、成熟度普遍較高、埋藏適中、裂縫發育等特點，是研究區內富集頁巖氣的有利層段。平面上，川南的宜賓和綦江，川東的達州-墊江-長壽及黔北的習水-赤水一帶的筇竹寺組頁巖條件優越，達到了頁巖氣富集的總有機碳含量、成熟度、有效厚度等指標，是我國頁巖氣勘探的有利區域；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，同樣達到了頁巖氣富集標準并成為頁巖氣勘探的有利方向。
4 結論
    1) 重慶及其周緣地區與美國東部頁巖氣產出地區在頁巖形成地質條件上具有諸多可比性，下寒武統筇竹寺組、上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組黑色頁巖地層區域分布廣、厚度大、埋藏適中、總有機質含量高、成熟度高、微裂縫發育，具有形成頁巖氣聚集的有利地質條件，目前已發現多處鉆井氣顯示異常，是我國頁巖氣勘探開發可能有所突破的最有利區域之一。
    2) 采用體積法對重慶及其周緣地區的筇竹寺組、五峰組龍馬溪組所進行的頁巖氣資源初步估算表明，研究區筇竹寺組和五峰組-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，川東的達州-墊江-長壽及黔北的習水-赤水一帶的筇竹寺組頁巖條件優越，是研究區內頁巖氣勘探的有利區域；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，為區內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“海相儲層演化與油氣富集機理”重點實驗室 中國地質大學 北京；2.國土資源部油氣資源戰略研究中心)