湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气生气物质基础研究

王朝晖, 肖正辉,, 杨荣丰, 冯 涛, 王齐仁, 黄俨然, 陈新跃,宁博文

(1.湖南科技大学页岩气资源利用湖南省重点实验室, 湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室, 湖南 湘潭 411201)

资源和环境制约对传统能源格局提出挑战，世界能源利用正在向清洁、高效、低碳方向发展。近年来，以页岩气为代表的非常规天然气快速发展引起了全世界的关注，页岩气勘探开发正由北美向全球扩展[1-2]。我国常规油气储量的瓶颈以及不合理的能源结构迫使中国不得不重视页岩气的勘探开发。

湖南是一个贫煤、缺油、无常规气的省份，但页岩气资源丰富，且主要分布在湘西北地区下寒武统牛蹄塘组[3]。开发利用这些页岩气资源可以有效弥补天然气缺口，是湖南自身解决能源问题的重要举措之一。目前，国内已在四川盆地、贵州等地区开展了大量的页岩气资源调查和研究工作[4-6]。虽然湘西北地区与四川盆地、贵州同处于扬子地台，但其页岩气资源研究则相对较缺乏，至今尚无系统性研究成果。因此，本研究从黑色泥页岩厚度、有机碳含量、有机质类型和有机质热演化程度等方面初步探讨湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气的生气物质基础，为系统评价研究区页岩气勘探开发潜力及优选页岩气富集区块等方面提供地质依据。

1 区域地质背景

湘西北地区系新晃-沪溪-沅陵-常德桃源-岳阳一线西北部地区，处于扬子准地台东南缘上扬子台褶带与江南地轴结合部位的武陵褶断束内(图1)[7]。在地层分区上，隶属于扬子陆块东南缘向江南地层分区过渡地带。区内出露的地层比较齐全，除缺失上志留统和下泥盆统外，从中元古界冷家溪群至第四系的其他地层都有分布[8]。

图1 湘西北地区区域构造单元划分(据参考文献[7]修改)

湖南早寒武世沉积从早寒武世梅树村期开始，全区地势北西高南东低，海水由北西向南东逐渐加深[8]。在梅树村期、筇竹寺期，湘西北地区为深水陆棚相、热水深水陆棚相和斜坡相的沉积序列和古地理格局(图2)[9-10]。

2 样品采集及实验测试

本次研究采集的样品主要分布在湘西北有下寒武统黑色页岩出露的地区(图3)。为了尽量避免露头样品由于不同程度氧化而导致的有机碳含量降低等不足，在有条件的地方，尽量选取了矿洞和井下样品。本研究选取了约60块样品用于泥页岩有机质类型和含量、成熟度的测试分析。

图2 湘西北及其周缘下寒武统黑色页岩沉积相分布(据参考文献[9-10]修改)

图3 湘西北下寒武统牛蹄塘组黑色泥页岩厚度等值线图

3 生气物质基础

富含有机质页岩中天然气的生成量主要取决于富有机质泥页岩厚度、有机碳含量、有机质类型及热演化程度等。

3.1 泥页岩厚度

泥页岩的厚度是控制页岩气成藏的关键因素之一。图3是湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩的厚度分布图，可以看出，研究区黑色泥页岩厚度可从几十米高至两百余米，且从深水陆棚往斜坡方向，黑色泥页岩的厚度逐渐减薄，表明沉积相带控制了研究区黑色泥页岩的发育。

3.2 有机碳含量

通过对湘西古者、古丈和三岔坪、张家界柑子坪、三岔和后坪、石门杨家坪、桃源马进洞、凤凰七梁桥等野外露头剖面采集的几十个样品进行分析，结果显示泥页岩有机碳含量为0.62%～14.91%，平均5.46%，其中有机碳含量大于1%的样品数约占样品总数的80%，大于2%的样品数占样品总数的60%以上(图4)。已有研究成果表明，四川盆地、滇东及滇东北地区下寒武统泥页岩有机碳含量平均都在4%以下[10-11]，明显低于研究区泥页岩有机碳含量。其原因主要是研究区泥页岩的沉积环境主要为深水陆棚相及热水深水陆棚相[9-10]，水体深度与温度等因素更有利于有机质的生成与保存。

在平面上，湘西北下寒武统牛蹄塘组黑色泥页岩有机碳含量高值区主要分布在张家界及其周边地区，平均大于8%(图5)，其原因主要是该区域处于热水深水陆棚区[9,12-16]，该环境有利于藻类、线叶植物等底栖生物繁殖[7]，表明沉积环境同样也是控制有机碳含量的主要因素。在张家界柑子坪、三岔一带，部分黑色泥页岩有机碳含量最高可达15%左右，主要是由于该区位于热水喷口附近[12-16]，热水携带的营养性物质使水体中藻类以及其他水生生物异常繁殖。与热水深水陆棚区相比，斜坡区(马进洞剖面)和深水陆棚区(如龙山剖面)的有机碳含量则相对较小(图5)。其原因可能是：斜坡区的地理位置、水体深度、温度等不利于底栖生物生存等因素有关；深水陆棚区则主要与有机质的保存有关。比如，杨家坪与龙山虽然同处于深水陆棚区，但前者泥页岩沉积期的水体相对更深，更不利于有机质的氧化，从而泥页岩表现出更高的TOC含量(图5)。因此，研究区不同沉积背景下泥页岩有机碳含量见图6。

图4 湘西北下寒武统实测样品有机碳含量分布频率

图5 湘西北地区下寒武统典型露头剖面泥页岩有机碳含量

图6 研究区不同沉积背景下泥页岩有机碳含量示意图

本研究进一步探讨了热水深水陆棚区(以柑子坪和大坪等露头剖面为代表)和斜坡区(以桃源马进洞露头剖面为代表)泥页岩有机碳含量和矿物组成之间的关系。研究表明，无论是热水深水陆棚区还是斜坡区，较高有机碳含量的泥页岩往往有着较高的石英矿物含量(图7a)。其原因是研究区下寒武统沉积时水体越深，越有利于有机质的富集，同时泥页岩硅质含量也相应增高[17]。不仅如此，研究区热水深水陆棚区热水携带的营养性物质有利于水生生物繁殖，致使泥页岩有机质含量高，但该环境下热水携带的富硅物质也有利于石英矿物的形成[12-14]。研究区下寒武统牛蹄塘组泥页岩有机质含量与其黏土矿物含量之间的关系则不同，热水深水陆棚区较高有机碳含量的泥页岩往往有着较高的黏土矿物含量(图7b)，斜坡区则相反(图7c)。其原因可能是较靠近物源的深水陆棚区，水越深越有利于有机质的富集，但较粗的陆源碎屑、碳酸盐台地等流入物会随之变少，泥页岩的黏土矿物含量则会增高，从而出现深水陆棚区泥页岩有机碳含量与其黏土矿物含量之间具有正相关关系。然而，离物源相对较远的斜坡区，泥页岩黏土矿物含量受陆源碎屑、碳酸盐台地等流入物多少的影响相对较小，但泥页岩硅质含量受水体变深因海水中缓慢沉降的SiO2和一些有机硅生物死亡等因素的影响相对较大[17]。于是，斜坡区便出现泥页岩有机碳含量与其黏土矿物含量之间具有负相关关系。研究区泥页岩有机碳含量和矿物组成之间的关系表明，无论是陆棚区还是斜坡区，泥页岩中石英、黏土矿物含量可指示其有机质富集程度。

3.3 有机质类型

根据美国的勘探经验, Ⅰ型和Ⅱ型干酪根为页岩气生成的主要有机质类型。许多研究结果表明，显示湘西北下寒武统牛蹄塘组黑色泥页岩有机质类型为Ⅰ型[18-20]。本次研究结果显示，研究区泥页岩样品的显微组分以腐泥组及碎屑状、块状沥青为主，缺乏镜质组、惰质组和壳质组。干酪根镜鉴分析结果表明干酪根组分基本上为无定形体、藻类和腐泥体，干酪根碳同位素 δ13C值为-33.1‰～-29.1‰，有机质类型可判定为Ⅰ型和Ⅱ1型。Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根的生源组合主要为海洋菌藻类，原始组分属富氢、富脂质，生烃潜力高，有利于页岩气生成。

图7 泥页岩有机质含量与其石英矿物含量、深水陆棚区和斜坡区黏土矿物含量之间的关系

3.4 热演化程度

镜质组反射率(Ro)虽是一项国际公认的标定有机质成熟阶段的独立指标，但湘西北下寒武统牛蹄塘组海相泥页岩中缺乏来源于高等植物的标准镜质组，因此无法直接获得镜质组反射率，该情况下沥青反射率成为表征有机质成熟度的一个重要指标[21]。应用沥青反射率作为成熟指标时，国内学者通常按丰国秀(1988)、Jacob(1989)等换算公式求出等效镜质组反射率[22]。本研究采用Jacob(1989)的换算公式计算出的等效镜质组反射率来评价泥页岩热演化程度。研究结果显示，湘西北下寒武统黑色泥页岩热演化程度偏高，等效镜质组反射率均在2.5%以上，平均大于3%，达到了过成熟阶段，以生成热解气和裂解气为主。已有研究表明，在泥页岩有机碳含量较高的地区，即使是高成熟度的泥页岩，也可形成页岩气藏[17]。湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩成熟度较高，反映了该地区自加里东以来经历了多期构造运动和挤压作用，以及抬升剥蚀前最大埋藏时的热演化程度。

4 结论

1) 从深水陆棚往斜坡方向，湘西北地区下寒武统牛蹄塘组黑色泥页岩厚度逐渐减薄，表明沉积相带控制了该区泥页岩的发育。

2) 湘西北地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩有机碳含量高，为0.62%～14.91%，平均5.46%。在平面上，泥页岩有机碳含量高值区主要分布在处于热水喷口及其周边地区，平均大于8%。

3) 湘西北地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩有机碳含量与其石英矿物含量之间具有正相关关系，深水陆棚区泥页岩有机碳含量与其黏土矿物含量之间具有正相关关系，斜坡区则为负相关关系，表明泥页岩石英、黏土矿物含量可指示其有机质富集程度。

4) 湘西北地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩有机质类型为Ⅰ型和Ⅱ1型，热演化程度高，均有利于页岩气生成。

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