江西修武盆地下寒武统黑色页岩矿物成分特征及意义

刘伟伟，田景春，林小兵，史建南，杨辰雨，彭顺风

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.江西天然气（赣投气通）控股有限公司，南昌330000）

随着页岩气研究的不断深入，中国页岩气研究与勘探、开发生产已进入全面展开的阶段。以四川盆地长宁地区及涪陵地区为重点区域，以下志留统龙马溪组为重点层位的页岩气研究，逐渐成为国内页岩气勘探的热点，并且取得了开发成效［1］。前人对页岩气藏的研究已经表明，黑色页岩既是烃源岩，又是储集层；但优质烃源岩不一定都能形成具经济效益的成规模的页岩气藏［2］。这是由于页岩气藏受到页岩吸附能力和页岩内部孔隙及裂隙发育程度的控制。通常情况下，页岩的孔隙度和渗透率均较低，页岩的成藏能力及有利成藏目标的选择，必须重点考虑页岩成藏的资源量与页岩储层具有的压裂能力之间的匹配关系［3］。

页岩气主要有两种赋存方式：吸附于页岩中矿物或有机质颗粒表面，或呈游离状态赋存于页岩储层的孔隙和裂缝中。可以看出，矿物成分不仅决定了页岩储层的吸附能力和基质孔隙度的发育程度，矿物成分中如石英、方解石等脆性矿物的含量，还在很大程度上控制着页岩储层裂缝发育的规模［2，4］，进而影响页岩储层的储集空间及渗流通道。在对页岩气进行评价的过程中，通常认为有机质和硅质含量高、黏土矿物含量较低（质量分数通常低于50%）［2］、裂缝发育的脆性优质烃源岩为有利条件。因此，对页岩气储层进行矿物成分研究，对于开展页岩气成藏机理分析、页岩气资源预测与评价甚至页岩气开发工艺的选择均有重要意义。

到目前为止，针对包括江西修武盆地在内的中国东部下扬子地区下寒武统页岩的研究报道很少，并且由于钻井较少，研究程度低。有鉴于此，本文主要基于修武盆地野外剖面的详细观测以及盆地外缘修页1井、赣页1井等钻井岩心的观察，并采集下寒武统页岩样品，采用薄片鉴定、扫描电镜、X射线衍射等技术，对下寒武统黑色页岩的矿物成分进行了系统分析，并与其他地区和层位泥（页）岩矿物成分进行了对比，进而研究其油气地质意义。

1 区域地质背景

修武盆地位于下扬子地区九江拗陷修水－武宁复向斜构造带的西端（图1），主体地层为震旦系－下三叠统，而中元古界双桥山群构成该复向斜的变质褶皱基底。包括修武盆地在内的赣北地区的基底褶皱主要形成于晋宁运动（主幕），由双桥山群构成，褶皱相当强烈，广泛发育规模不等的背斜、向斜，轴面多向南倾斜，部分北倾，轴向一般呈北东东向，部分地段为近东西向。

图1 修武盆地下寒武统沉积环境及剖面位置图Fig.1 Sedimentary environment and profile location of Lower Cambrian in the Xiuwu Basin

作为复式向斜的一部分，修武盆地内次一级褶皱发育，局部难以识别。受褶皱的影响，该区地层倾角在向斜两翼相对较大，野外测量结果一般在40°～50°之间，局部倾角更大，甚至发生倒转。区内断裂发育，对页岩气层段影响较大的主要为北东东向断裂。

本区构造形迹与地层走向基本一致，构造主要以北东东向为主。但盆地边缘北东东向或弧形滑脱断层发育。

图2 修武盆地南茶水库下寒武统地层及沉积综合柱状图Fig.2 Lower Cambrian stratigraphic and sedimentary histogram of the Xiuwu basin in Nancha profile

修武盆地早寒武世位于中下扬子碎屑岩台地与江南页岩盆地的过渡地带［5］，总体上为深水陆棚－盆地沉积环境。根据岩性变化及组合特征，修武盆地下寒武统共划分出2个组，即王音铺组与观音堂组（图2）。王音铺组岩性主要为黑色碳质页岩夹硅质页岩，底部含透镜状石煤层，局部地区含黄铁矿及磷结核，与下伏震旦系皮园组的粉晶灰岩地层整合或断层接触，造成王音铺组底部地层的部分缺失，与上覆观音堂组为整合接触。观音堂组岩性主要为灰黑色页岩夹硅质页岩，下部硅质页岩较发育，与上覆杨柳岗组灰黑色中－厚层状泥质灰岩、灰岩整合接触。

2 黑色页岩的矿物成分

2.1 下寒武统页岩矿物成分

基于野外观察和镜下薄片鉴定，修武盆地王音铺组—观音堂组的主要岩石类型包括：灰黑色碳质页岩、硅质页岩、含粉砂水云母页岩，局部夹有泥灰岩、石煤层和磷铁矿结核。从修武盆地马家坳剖面黑色页岩样品的X射线衍射分析的结果来看（表1），下寒武统泥（页）岩的矿物成分比较复杂，大多数样品中均含有绿泥石、伊利石、伊/蒙混层等黏土矿物，以及石英、长石和黄铁矿等其他矿物。除此之外，在部分样品中还含有高岭石、绿/蒙混层等黏土矿物，以及方解石、白云石、（硬）石膏等矿物。未检出蒙皂石。

图3 修武盆地王音铺组与观音堂组矿物组成三角图Fig.3 The mineral composition triangular graph of Wangyinpu Formation and Guanyintang Formation in the Xiuwu basin

从统计结果来看（表1，图3），修武盆地王音铺组和观音堂组黑色页岩的所有矿物中，以石英和黏土矿物为主。石英的质量分数在37.7%～72.1%之间，平均为58.63%，其中w石英＞50%的样品占总样品数的66.67%，属于高石英含量。其次为黏土矿物，质量分数在11.5%～41%之间，平均为25.4%。伊利石和伊/蒙混层是修武盆地发育最普遍且含量最高的两种黏土矿物成分。伊利石含量变化较大，质量分数从1.25%～16.65%不等，平均为9.74%。伊/蒙混层黏土矿物的 质 量 分 数 在 0.50% ～19.80%，平 均 为11.02%。样品中还普遍见绿泥石及绿/蒙混层，质量分数通常低于5%，但部分样品可高达26.3%。

另外还普遍含长石和黄铁矿，平均质量分数分别为2.5%和4.68%。其余矿物如方解石、白云石、（硬）石膏等含量较少，平均质量分数低于5%。

根据马家坳剖面X射线衍射分析数据，编制了修武盆地下寒武统矿物成分垂向分布的条形图（图4）。从图4中可以看出，黏土矿物和黄铁矿的含量由底至顶有逐渐增加的趋势；石英含量波动变化，局部很富集；长石含量相对稳定。其中，方解石和白云石主要发育于底部，这主要与下寒武统底部裂缝发育且主要被方解石和白云石充填有关。

总之，修武盆地下寒武统矿物特征表现为脆性矿物高含量，主要脆性矿物包括石英、长石、黄铁矿等。石英的高含量主要与后期成岩作用的改造有关。

2.2 与其他地区和层位对比

2.2.1 美国Fort Worth盆地Barnett页岩

美国Fort Worth盆地石炭系Barnett页岩为一套发育于前陆盆地内的碎屑岩与碳酸盐岩混合沉积，沉积环境为深水斜坡－盆地［6，7］，其岩性主要包括黑色页岩、黑色钙质（白云质、含磷质）页岩和泥灰岩［8，9］。根据X射线衍射和薄片鉴定结果［10，11］，Barnett页岩中黏土矿物的质量分数通常在7%～48%之间，平均为24.2%，其成分主要为含蒙皂石的伊利石。石英为Barnett页岩的主要矿物，质量分数在25%～67.8%之间，平均为34.5%。除石英之外，还发育碳酸盐岩矿物，包括泥粉晶方解石、白云石，质量分数平均为21.7%。另外还有少量黄铁矿和磷酸盐（磷灰石），其平均质量分数分别为9.7%和3.3%。

表1 马家坳剖面王音铺组－观音堂组矿物成分X射线衍射分析结果（w/%）Table 1 X-ray diffraction analysis results of the Wangyinpu-Guanyintang Formation mineral compositions from Majiaao profile

图4 修武盆地马家坳剖面下寒武统页岩矿物组成Fig.4 The shale mineral composition from the Lower Cambrian Majiaao profile in the Xiuwu basin

2.2.2 四川盆地龙马溪组页岩

四川盆地志留系主要为一套海相碎屑岩沉积，其中早志留世龙马溪期中上扬子陆块边缘处于挤压、褶皱造山过程中，在此地质背景下，四川盆地为浅海－深水盆地沉积［12，13］，主要发育黑色碳质页岩、黑－深灰绿色粉砂质泥页岩和泥灰岩。根据长宁地区龙马溪组页岩的分析结果，可以看出页岩中含量最高的是黏土矿物，平均质量分数为48.5%，主要分布在26.5%～59.5%之间，主要成分为伊利石。页岩中石英的质量分数在20%～30%之间，平均为25.3%；但石英含量分布不均，局部富集呈纹层状。其他矿物成分包括：方解石（白云石）平均质量分数为18%，黄铁矿平均质量分数为2.2%［14－16］。

对比结果显示，修武盆地下寒武统页岩与Barnett页岩及龙马溪组页岩一样，脆性矿物都相对富集，龙马溪组泥页岩中脆性矿物含量较Barnett页岩低，修武盆地下寒武统页岩脆性矿物含量最高；相应地，龙马溪组页岩黏土矿物含量相对较高。就脆性矿物成因而言，Barnett页岩中的脆性矿物以生物成因和成岩成因为主［11，17］，然而，龙马溪组页岩和修武盆地下寒武统页岩脆性矿物以陆源石英和长石为主。因此，三者的岩性特征虽然相似，但其矿物成分仍具有显著差异。

3 油气地质意义

3.1 沉积环境意义

中国南方下寒武统的黑－灰黑色页岩属于典型的江南页岩盆地沉积层［5］。尽管X射线衍射结果显示修武盆地下寒武统有高的石英含量，但自生白云石、方解石的存在，以及黄铁矿特别是草莓状黄铁矿等金属硫化物的大量发育说明了相对深水的陆棚沉积环境（图5）。这与Barnett页岩及龙马溪组页岩一样，都为深水陆棚至盆地相的深黑色富有机质页岩，并且该相对还原的沉积环境有利于有机质的保存与富集，为页岩气藏的形成与演化提供了良好的沉积条件。

图5 修武盆地下寒武统的草莓状黄铁矿Fig.5 The strawberry pyrite in Lower Cambrian of the Xiuwu basin

3.2 有机质演化意义

黏土矿物的类型受古环境、物源母质及成岩作用等多种因素控制［18］，因此，目前的黏土矿物组成是古环境及成岩作用复合影响的结果。而某些标志性的黏土矿物及其组合可以作为成岩作用阶段划分及有机质演化成熟度的标志。

修武盆地下寒武统页岩X射线衍射数据表明，样品中普遍含绿泥石、伊利石、伊/蒙混层，少量绿/蒙混层，几乎不含高岭石和蒙皂石。根据碎屑岩成岩作用划分标志，绿泥石、伊利石和伊/蒙混层组合是中成岩作用B阶段的特征组合。因此，修武盆地下寒武统页岩的这种黏土矿物组合，特别是稳定的高伊利石含量，表明其已经进入中成岩B—晚成岩作用阶段。修武盆地下寒武统页岩镜质体反射率（Ro）为2.5%～3.3%，平均为2.97%，有机质演化进入了高成熟－过成熟阶段，接近于四川盆地龙马溪组区域上的Ro值（＞2.5%［19］；或者为2.3%～3.4%［20］）。下寒武统矿物成分特征及其对应的有机质演化成熟度，说明修武盆地下寒武统具有页岩气成藏的条件。

3.3 黑色页岩的储集意义

3.3.1 黏土矿物的影响

黏土矿物与孔隙演化之间具有密切的关系，主要体现在孔隙度与高岭石相对含量正相关，而与伊利石、绿泥石相对含量负相关［21，22］。同时，也有研究者认为，由黏土矿物中绿泥石和绿/蒙混层组合形成的包膜，以及绿泥石在孔隙中充填形成的包膜对孔隙具有显著的保护作用［23］。根据修武盆地黏土矿物组成特征，王音铺组下部具有相对低的绿泥石和伊利石含量，并且发育绿/蒙混层，因此，可以推论出下寒武统底部应具有较高的孔隙度，为页岩气的储存提供良好的储集空间。

3.3.2 脆性矿物的影响

页岩的脆性提供了其在外力作用下形成天然裂隙和诱导裂隙的可能。矿物成分是影响岩石脆性的一个关键因素，比如石英、长石和方解石等被认为是重要的脆性矿物。因此，石英和方解石含量增加，可以使得页岩的脆性提高，从而易于形成天然的裂缝或诱导裂缝；裂缝除了能增加游离态页岩气的储集空间外，亦能促进页岩气的解吸和渗流，从而有利于页岩气的富集成藏和开发。Barnett页岩的脆性及其对压裂增产措施的积极响应是其高产的重要因素之一［24，25］。从这个角度分析，结合前文对不同页岩比较的结果，可以看出修武盆地下寒武统页岩与Barnett页岩及龙马溪组页岩一样，普遍发育石英、长石等脆性矿物（图6），其中石英的质量分数＞50%的泥（页）岩在地层中占有较大的比例，厚度接近50m，是理想的页岩气勘探开发层位。

4 结论

图6 修武盆地下寒武统中发育的脆性矿物Fig.6 The brittle minerals in Lower Cambrian Series of the Xiuwu basin

a.X射线衍射定量分析结果表明，修武盆地下寒武统泥（页）岩的矿物以石英和黏土矿物为主。其中石英的含量最高，质量分数在37.7%～72.1%之间，平均为58.63%；其次为黏土矿物，质量分数在11.5%～41%，平均为25.4%。还含有较多的长石和黄铁矿，平均质量分数分别为2.5%和4.68%。其余矿物含量较少，平均质量分数＜5%。

b.修武盆地下寒武统矿物成分在垂向表现为：黏土矿物和黄铁矿的含量由底至顶逐渐增加，石英含量波动变化，长石含量相对稳定。方解石和白云石主要发育于底部。

c.修武盆地下寒武统页岩的矿物成分显示了深水陆棚的沉积环境，有利于有机质的富集与保存。黏土矿物组合特征表明其已经进入中成岩B—晚成岩作用阶段，对应的有机质演化进入了高成熟－过成熟阶段，与四川盆地龙马溪组页岩接近，具有页岩气形成的适宜条件。

d.修武盆地下寒武统下部具有相对低的绿泥石和伊利石含量，并且发育绿/蒙混层，对孔隙保存具有积极意义。同时，修武盆地下寒武统页岩普遍发育石英、长石等脆性矿物，其中石英的质量分数＞50%的泥（页）岩厚度接近50m，是理想的页岩气勘探开发层位。

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