新疆富蕴盆地南明水组暗色泥岩沉积环境演化及其页岩气地质特征

熊小辉，王　剑，熊国庆，余　谦，陆俊泽，周继兵，白洪海，邓　奇

(1．成都地质调查中心，四川成都　610083;2．国土资源部沉积盆地与油气资源重点实验室，四川成都　610083;3．新疆地矿局第9地质大队，新疆乌鲁木齐　830009)



新疆富蕴盆地南明水组暗色泥岩沉积环境演化及其页岩气地质特征

熊小辉1，2，王剑1，2，熊国庆1，2，余谦1，2，陆俊泽1，2，周继兵3，白洪海3，邓奇1，2

(1．成都地质调查中心，四川成都610083;2．国土资源部沉积盆地与油气资源重点实验室，四川成都610083;3．新疆地矿局第9地质大队，新疆乌鲁木齐830009)

摘要:为了查明新疆北部富蕴盆地萨尔布拉克地区南明水组多套暗色泥页岩沉积环境演化、页岩气资源前景及两者内在的制约关系，进行了有机、无机地球化学及矿物学等分析，表明南明水组暗色泥岩沉积水体早期可能受大型河流影响明显淡化，后期开放性降低，盐度逐渐升高和恢复。暗色泥岩沉积时期气候总体温暖潮湿，中晚期温度稍有上升，较早期相对干旱，水体深度自下而上呈现由深变浅再变深的趋势，总体还原，向上还原性减弱。第2亚组生物生产率及总有机碳含量(介于0.42%～1.11%)均最高，有机质类型基本以Ⅲ型干酪根为主，含少量II2型干酪根，成熟度达到高—过成熟阶段。矿物成分以黏土矿物和石英为主，尤其是第2亚组(黏土矿物:32%～49%;石英:33% ～41%;伊利石占黏土总量:61%～77%)，具备页岩气发育条件。对比分析显示，海陆交互区半咸水偏咸水的盐度条件、缺乏大型入海河流的干扰、稳定的沉积环境等更有利于产气页岩的发育。

关键词:页岩气;沉积环境;地球化学;南明水组;富蕴盆地

熊小辉，王剑，熊国庆，等．新疆富蕴盆地南明水组暗色泥岩沉积环境演化及其页岩气地质特征［J］．煤炭学报，2016，41 (6):1476－1486．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1146

Xiong Xiaohui，Wang Jian，Xiong Guoqing，et al．Sedimentary environment evolution and shale gas geological features of dark mudstone from Nanmingshui Fm of Fuyun Basin，Xinjiang［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1476－1486．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1146

页岩气，作为一种非传统型能源，是指赋存于富有机质页岩及其夹层状的泥质粉砂岩中，主体上是自生自储成藏的连续性气藏［1－2］。其规模及优劣主要受页岩沉积环境的控制，如泥页岩厚度、分布面积、有机碳含量以及沉积岩石类型和矿物组成等［3］。页岩气产出环境常见于深海陆棚相黑色泥页岩中，在美国已具有相当规模［4－8］，以及国内扬子盆地的早寒武世、晚奥陶—早志留世地层［9－11］。陆相湖盆环境黑色泥页岩中的页岩气开采和研究在中国也开始取得一定的进展［12－15］。目前，人们将目光更多地投向浅海陆架沉积的海陆交互相碎屑岩、碳酸盐岩型页岩气［16］，如Eagleford页岩及中国新疆北部石炭系暗色泥页岩。

位于中国西部准噶尔盆地北缘的富蕴盆地，早石炭世南明水组发育至少3套滨浅海相暗色泥岩，前人对其研究较为有限，只做了沉积相及常规油气烃源岩的调查研究［17－18］，而对其页岩气地质特征方面的研究工作几乎没有，笔者依托新疆北部中小型盆地页岩气地质调查项目，通过分析富蕴盆地南明水组第1，2，3亚组中的暗色泥岩沉积环境及演化，探讨了其对页岩气发育的控制作用，以期为后期新疆北部石炭系页岩气勘探、开发及相关理论完善提供指导。

1　区域地质概况

富蕴盆地形成于准噶尔板块与西伯利亚板的俯冲碰撞，对于盆地性质的认识争议较大［19－22］，目前趋向于认为是沟－弧－盆系统中的前渊沉积［22］。构造区划属于天山－兴蒙造山系阿尔泰弧盆区阿尔泰南缘增生弧。

盆地地层主要出露于富蕴县西南萨尔布拉克地区，属于东准噶尔地层分区2台地层小区，包括泥盆系、石炭系和第4系，以及少量二叠纪(图1)，按时代由老到新分别为北塔山组(D2b)、蕴都喀拉组(D2y)、黑山头组(C1h)、南明水组(C1n)、喀拉额尔齐斯组(C3k)、特斯把汗组(P1t)、库尔提组(P2k)及第4 系(Q)。由于受晚古生代华力西期构造运动影响，区内地层呈现北西—南东向展布，地层走向为NW向，产状近直立，倾向NE。沿走向方向近NW向、NNW向和NWW向3组压性、压扭性断层发育，下石炭统在南东方向逐渐尖灭。

图1　新疆富蕴县萨尔布拉克地区及周边地质简图(据文献［18，23－24］修改)Fig.1　Simplified geological map of Sarbulak Region，Fuyun County，Xinjiang(modified after［18，23－24］)

富蕴盆地暗色泥岩主要发育于早石炭世南明水组，根据其沉积序列特征，自下而上可划分为3个亚组，即第1亚组、第2亚组和第3亚组(图2)。

2　样品采集与测试

研究剖面位于富蕴县西南萨尔布拉克地区(图1)，对南明水组出露最厚位置进行了详细地层实测，并对其3个亚组暗色泥岩分别进行连续采样(图2)。为了采集较为新鲜的样品，其中第1亚组和第2亚组(下段)通过探槽取样，第2亚组(上段)及第3亚组受野外地形条件制约，采用简单露头揭露取样。位于第1亚组中的1号探槽(TC01)全长200 m，为连续沉积的暗灰色、灰绿色粉砂质泥岩，采集样品共64 件;2号探槽全长300 m，位于第2亚组下段，采集灰黑色粉砂质泥岩样品共49件，第2亚组上段露头区采集样品5件，为灰黑色粉砂质泥岩;南明水组第3亚组只采集2件暗色粉砂质泥岩样品。

选取代表性样品，进行元素地球化学及相关有机地球化学分析测试，样品所有测试均在新疆矿产实验研究所国土资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心完成，其中主量元素测试仪器为X－荧光光谱仪，分析误差小于1%。微量元素测试采用电感耦合等离子体光谱仪，分析精度优于5%。矿物含量使用X衍射分析测定，其他有机项目均采样常规方法测定。

3　结　　果

3.1有机地球化学特征

在整个实测剖面上，南明水组暗色泥岩总有机碳含量(TOC含量)呈现明显的变化(图3)，自下而上，先增加后减小，第2亚组最大，且不稳定，呈现局部高值，总体上第2亚组上段平均总有机碳含量最高(0.82%)。其中第1亚组总有机碳含量介于0.22%～0.48%，平均0.31%，第2亚组下段总有机碳含量介于0.42%～1.11%，平均0.62%，上段介于0.62%～0.92%，平均0.82%，南明水组第3亚组两个样品总有机碳含量均为0.41%。

图3　南明水组暗色泥岩TOC含量变化趋势Fig.3　Depth profile of TOC content values from dark mudstone of Nanmingshui Fm

对部分样品进行镜下显微组分分析表明，有机质显微组分以惰质组、壳质组中的非树脂体以及镜质组为主(表1)。岩石热解分析显示最大热解峰温(Tmax)普遍较高，最高甚至达到535℃，个别较低，通过计算出来的氢指数(HI)最高仅为8.34 mg/g。对少量样品的干酪根碳、氢、氧等元素进行了测定，以用来配合判定其有机质类型。此外，页岩的比表面积纵向上也存在一定的变化，是影响页岩气储存的一个因素。

表1　南明水组泥岩有机干酪根显微组分、热解参数、干酪根元素比、镜质体反射率及样品比表面积Table 1　Kerogen maceral，pyrolysis parameters，element(C，H，O)ratios，vitrinite reflectance and specific surface area of silty mudstone from Nanmingshui Fm

3.2元素地球化学特征

代表性样品主量及微量元素地球化学数据分别见表2。

主量元素中SiO2含量占比最大，为56.91% ～64.7%，在整个剖面自下而上呈现不明显的先增大后减小趋势。其次为Al2O3，含量为13.73%～18.13%，纵向上总体变化趋势基本与前者相反。TFe2O3含量在剖面上也相对较高，为6.56%～8.03%。碱金属元素Ca，Mg，K和Na含量相差不大，第1亚组Na2O，CaO含量相对较高，第2亚组下段K2O的含量有所上升;剖面上部K，Mg和Na含量较平均，CaO含量相对最低。其他主量元素组分含量均小于1%。

微量元素方面，相对于上地壳平均值，整个剖面上Cu，U，V，Ga，Zn，Li有一定程度的富集。而Ni，Cr在第1亚组表现亏损，向上相对上地壳平均值逐渐富集，Sr正好相反，剖面下部富集上部亏损;Ba与上地壳平均值接近，且在整个剖面变化不大，第1亚组相对第2，3亚组略富集。其他元素如Rb，Zr，Hf，Nb，Ta，Th，Pb和Be等相对上地壳平均值均表现出亏损的特征。

3.3矿物特征

样品的矿物学分析表明(表3)，主要矿物组成包括黏土矿物、石英和斜长石，此外还有少量钾长石、铁白云石等。黏土矿物含量介于31% ～49%，平均38.1%，主要为伊利石、绿泥石和高岭石及少量伊蒙间层和绿蒙间层矿物。石英含量介于27%～41%，平均35.2%。斜长石含量介于11%～30%，平均22.3%。矿物组成大体与主量元素测试结果吻合。

有机地球化学、元素地球化学及矿物特征显示，相对第1亚组、第3亚组，南明水组第2亚组具有更高的总有机碳(TOC)含量，有机质成熟度普遍较高，最大热解峰温(Tmax)大多达到530℃，第2亚组暗色泥岩样品比表面积(11.76～19.80 m2/g)也明显较第1亚组大;元素组成上，SiO2含量在第2亚组有所增加，Al2O3含量有所减少，矿物组成上，代表脆性组分的石英含量在第2亚组具有更为明显的优势。

表2　南明水组全岩样品主量元素、微量元素(μg/g)含量及比值Table 2　Major elements，trace elements(μg/g)contents and their ratios of whole-rock samples from Nanmingshui Fm

表3　南明水组泥岩样品矿物组成Table 3　Mineral composition of mudstone from Nanmingshui Fm%

4　讨　　论

4.1岩相特征

南明水组第1亚组岩性主要为一套灰绿色、黄绿色含砾凝灰质粗砂岩、凝灰质细砂岩、变质细粒长石砂岩与灰黑色粉砂质泥岩组成多个韵律层，夹石英砂岩透镜体及生物碎屑灰岩透镜体，生物碎屑主要以海百合茎为主。第1亚组以夹多套水下河道相圆砾岩透镜体与南明水组第2亚组相区别，厚约2 190 m;该亚组目的层段为第36层暗灰色、灰绿色粉砂质泥岩，连续沉积，厚度巨大(约220 m)，局部风化严重呈片状(图4(a)，(b))，缺乏典型沉积结构构造，水体较深，为一套浅海相沉积(图2)。

南明水组第2亚组岩性主要为黄绿色含泥砾变质细粒长石砂岩与灰黑色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩组成多个韵律层，厚约1 944 m;该亚组下部目的层段为第60～61层，表现出灰绿色细粒岩屑砂岩与灰黑色粉砂质泥岩组成的韵律互层，发育砂纹层理及泥砾(图4(c)，(d))，偶见植物碎片印模(图4(e))，粉砂质泥岩厚度不等，薄层2～3 m，宽者10～15 m，砂岩与泥岩2者之比为2∶1～3∶1，为具有一定强度水动力条件沉积环境，受到更多来自陆源物质的供给，呈现脉冲韵律式砂体供应，为一种滨海—浅海交互式沉积;该亚组上部目的层段为70～71层，灰黑色厚层－块状粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，夹多套厚度30～50 cm黄灰色变质岩屑砂岩层，粉砂质泥岩风化破碎呈长条状(图4(h))，为一套浅海相沉积(图2)。

图4　南明水组暗色泥岩岩石特征Fig.4　Characteristics of dark mudstone from Nanmingshui Fm

南明水组第3亚组岩性主要为黄灰色厚层－块状中—细粒长石砂岩夹灰绿色、黄色、灰黑色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，顶部以硅质砂岩、含砾岩屑、晶屑凝灰岩透镜体与北塔山组断层接触，厚度约483 m;该亚组目的层段为第80层，垂向序列中，自下而上砂岩、粉砂岩与粉砂质泥岩组成一套由粗变细的沉积序列，3者之比为1∶1∶(3～5)，泥岩中见植物印模和虫迹(图4(f)，(g))，可能为爬行迹，沉积结构构造不发育，岩石风化之后呈薄片状、碎片状，可能为近滨带下部沉积(图2)。

总体上，第2亚组暗色粉砂质泥岩颜色相对更深，与残留总有机碳含量相符，但是单层连续厚度较上、下亚组小，与砂岩韵律频繁。

4.2沉积环境演化分析

富蕴盆地早石炭世南明水组主要为一套扇三角洲、滨、浅海相陆源碎屑岩、火山碎屑岩及碳酸盐岩沉积建造，产丰富的珊瑚、菊石、腕足、瓣鳃、苔藓虫、植物等化石［18，23－24］。通过详细的剖面实测，表明南明水组暗色泥岩总体呈现出与砂岩、粉砂岩的韵律互层，尤其是在南明水组第2亚组和第3亚组，可见沉积水体深度的频繁变化。

水体盐度与水体开放性。尽管为海相，元素分析却表明南明水组受陆源影响明显。Sr，Ga，V，B含量及相关元素的比值在浅海和陆相沉积物中具有一定的差异，Chen等［25］总结认为浅海相沉积物具有Sr质量含量＞160 μg/g，w(Sr)/w(Ba)＞0.35，Ga质量含量＜15 μg/g，V质量含量＜86 μg/g及w(B)/w(Ga)＞4.2等特征，而陆相沉积物常常 Sr质量含量＜90 μg/g，w(Sr)/w(Ba)＜0.2，Ga质量含量为18～23 μg/g，V质量含量为110～113 μg/g及 w(B)/ w(Ga)＜3.3。南明水组泥岩样品Sr质量含量介于192.67～639.86 μg/g，w(Sr)/w(Ba)介于0.39～1.95，具有典型浅海相特征，而Ga含量介于19.97～23 μg/g，V质量含量介于135.5～205.9 μg/g，均分布于陆相沉积区，w(B)/w(Ga)比值仅第2亚组上段2个样品值大于4.2，其余均小于3.3。第1亚组中Sr的高值可能与该亚组发育多套生物碎屑泥晶灰岩有关。与古盐度密切相关的B元素含量及B/Ga比值显示自剖面下部的第1亚组向上具有先升高最后降低的趋势(图5)。水体盐度越高，钾和钠就越易被黏土吸附或进入伊利石晶格，且钾相对钠的吸附量亦越大［26］。因此，w(K)/w(Na)值越大，介质盐度越高，整个剖面上 K2O/Na2O比值具有和 B，w(B)/ w(Ga)相似的变化趋势，显示第2亚组的盐度最高，其次为第3亚组，第1亚组沉积时期水体盐度最低。南明水组早期可能水体较为开放，多套的河道圆砾岩指示了大量且大型入海河流的存在［24］，从而导致海水盐度的急剧降低，而晚期则陆源河流减少，水体相对封闭，此外，可能还与气候因素等有关，后期海水盐度逐渐得到恢复和升高。

图5　南明水组暗色泥岩w(B)，w(B)/w(Ga)，w(K)/w(Na)等变化趋势Fig.5　Changing trend of w(B)，w(B)/w(Ga)，w(K)/w(Na) etc.values from Nanmingshui Fm mudstone

氧化还原条件。水体的氧化还原状况对有机质的保存至关重要，常见的氧化还原敏感元素如U，Th，V，Ni，Co等及其比值可以很好的保留和还原水体沉积时期的氧化还原条件［27］。U在氧化条件下较不稳定，主要以U6+形式溶解于水体中，还原条件下，U 由+6价降为稳定的+4价，并以络合物的形式沉淀、富集于沉积物中，有机质对U有较好的吸附富集作用;而Th的活动性恰恰相反，趋向稳定存在并富集于更加氧化的环境下［28］，因此，沉积物w(U)/w(Th)比值越高，反映沉积环境越还原。研究表明，正常海相沉积中U/Th比值一般大于0.2［29］，南明水组暗色泥岩该值介于0.36～2.47，平均1.14，指示还原环境。Wingnall［30］基于U，Th的氧化还原特性及U－Th/3代表自生铀的相对含量，提出δU=2U/(U+Th/3)，并认为δU＞1，代表缺氧环境;δU＜1，代表正常海水环境。剖面样品δU值较高，介于1.04～1.76，平均1.47，显示缺氧环境。此外，样品 w(V)/w(V+Ni)比值(0.75～0.87，平均0.8)也表明了暗色泥岩沉积时期水体为一种缺氧还原的环境。以上与前人通过生物标志物饱和烃气相色谱分析的结果一致，后者认为南明水组第2，3亚组的暗色泥岩沉积环境为强还原［18］。氧化还原指标不仅指示了还原环境，而且在整个剖面上的变化指示了缺氧还原的强度变化(图5)。总体上，下部第1亚组还原性最强，向上还原性逐渐减弱，第3亚组最弱。

生物生产率。生物生产率是决定地层有机质含量的根本因素，在一定的保存条件下，生物生产率越高，地层总有机碳含量(TOC)越高［31］。微量元素Ni 和Cu与有机质关系密切，主要通过有机质输送到沉积物中，当有机质降解时，Ni和Cu被释放出来并在硫酸盐还原环境下被黄铁矿捕获而固定在沉积物中，因此，沉积物中保存了Ni和Cu的初始含量，相比于其他在埋藏成岩作用过程中易活动性元素(如P，Ba，Zn及Cd等)，Ni和Cu为表征进入沉积物有机质含量的理想指标［27，32］。w(Ni)+w(Cu)含量自剖面第1亚组向上先增加后降低，在南明水组第2亚组中最高，其次第3亚组，而第1亚组平均含量最低(图6)。P/Ti比值也具有表征有机生物生产率的作用，可能由于受风化作用的影响，南明水组样品P/Ti比值甚至出现与总有机碳含量(TOC含量)呈弱的反相关性，尽管如此，各亚组几个极大值也暗示中部的第2亚组生物生产率最高。

图6　南明水组暗色泥岩TOC含量，w(Ni)+w(Cu)，w(P)/w(Ti)等变化趋势Fig.6　Changing trend of TOC content，w(Ni)+w(Cu)，w(P)/ w(Ti)etc.values from Nanmingshui Fm mudstone

古水深。元素的聚集和分散与水体深度(离岸距离)有一定相关性，是元素在沉积作用过程中所发生的机械分异作用、化学分异作用、生物生理作用、生物化学作用的结果［33］。Strakhov等［34］研究表明，自海岸到深海，沉积物中依次富集Fe族(Fe，Cr，V，Ge)至水解性元素(Al，Ti，Zr，Ca，Nb，Ta)，之后是亲硫性元素(Pb，Zn，Cu，As)带，最后过渡为Mn族(Mn，Co，Ni，Mo)。因此，Fe/Mn比值自近陆端沉积物向深海方向逐渐减小。此外，Zr为典型亲陆性元素，但在沉积物中受Al元素支配，通过Al的校正可指示沉积物离岸沉积的远近，间接指示水深［35］。w(Fe)/ w(Mn)，w(Zr)/w(Al)均指示了南明水组暗色泥岩沉积水体由深变浅再变深的变化，并且各亚组内部水体可能也存在一定的波动，尤其是第2亚组(图6)。

古气候。南明水组第1亚组中多套生物碎屑泥晶灰岩的出现表明，早期气候环境温暖潮湿，对气候较为敏感的Sr元素在第1亚组强烈富集，Al2O3/MgO比值也显示早期气候温湿，水体淡化，剖面自下而上w(Mg)/w(Sr)，w(Mg)/w(Ca)比值先升后减指示第2亚组温度有所上升，且相对较第1亚组干旱，第3亚组又有所恢复(图6)。从w(Sr)/w(Cu)比值看，剖面样品值基本小于10，气候总体温暖潮湿。

综上分析，南明水组暗色泥岩沉积环境曾有过明显的变化，早期受大陆河流淡水的影响，水体盐度最低，深度较大，气候温暖潮湿，暗色泥岩沉积水体还原性较强，但是生物生产率低;中期相对封闭，大型河流减少，气候相对早期潮湿度降低，温度也更高，水体盐度得到回复，水体变浅，还原性减弱，但是生物生产率较高;后期南明水组第3亚组盐度最高，水深略有升高，但水体还原性最弱。

4.3页岩气地质特征

有机质丰度的测定表明(图4)，南明水组第2亚组总有机碳含量(TOC含量)较上、下亚组高，该亚组下段TOC含量介于0.42%～1.11%，平均0.62%，上段介于0.62%～0.92%，平均0.82%，尽管通过探槽取样，由于岩层较直立，风化深度较大，基本和地表露头样品有机碳含量相当。通过对塔城盆地、吉木乃盆地地表样品总有机碳含量(TOC)与对应层位岩心样品TOC含量的对比表明，岩心样平均TOC含量至少为地表样品的2倍甚至更高［36］，其他学者对羌塘盆地东部、重庆北培地区、柴达木盆地北缘等做过风化对比试验，计算出风化校正系数也达到为1.99［18］。考虑到相对强烈的风化条件，而且张金川［1］也将TOC含量= 0.5%作为产气页岩的下限，因此，南明水组第2亚组两段勉强满足页岩气对有机碳丰度的要求。

有机质类型也是页岩气评价的一个重要因素，不同类型的干酪根具有不同的生烃门限，其对成熟度的要求各异。此外前人研究中也曾发现一些具有很高生排烃效益的烃源岩却表现出更低的残余有机碳特点［37］。因此，有机质类型在页岩气研究中意义重大。可能由于强烈风化的原因，热解数据中游离烃和热解烃的数值均很低(S1=0.006 1～0.058 3 mg/g，S2= 0.022 2～0.056 1 mg/g)，同时，H/C原子比也极低(0.028～0.038)，以致氢指数(HI)太低(仅2.70～8.34)而对有机质类型的指示不甚可靠(表1)，而较为直观的干酪根镜检相对更为可靠。样品镜质体显微组分分析表明，南明水组第2亚组上下两段暗色泥岩干酪根主要以惰质组、壳质组中的非树脂体及镜质组为主(表1)，计算得出的干酪根类型(TI)指数均小于0，指示为Ⅲ型干酪根，此外，张家震等［18］曾在第2亚组中发现少量II2型干酪根，表明南明水组3个亚组暗色泥岩的有机质类型基本为Ⅲ型，以高等植物为主，仅第2亚组含少量II2型干酪根，来自浮游生物及细菌。

有机质的热演化程度对于油气资源的评价至关重要，对于以Ⅲ型干酪根为主的有机质其产气所需的成熟度较Ⅰ型和Ⅱ型均较高。富蕴盆地南明水组受北部阿勒泰南缘增生弧推挤作用的影响，岩石表现出一定的弱变质特征，较有利于有机质的成熟及生烃。样品最大热解峰温(Tmax)分布于349～535℃，大部分大于530℃。样品干酪根镜质体反射率(Ro)第1亚组为1.46%(样品 TC01－S62)，第2亚组介于1.12%～1.42%(图7)，而前人研究第2亚组Ro甚至达到1.52%～3.28%，第3亚组为2.13%［18］。因此，南明水组暗色泥岩有机质成熟度基本达到成熟—高成熟阶段，甚至过成熟，有利于其Ⅲ型干酪根有机质的热解生烃，页岩气前景较好。

图7　南明水组第1，2亚组样品镜质体反射率的分布特征Fig.7　Distributing characteristics of vitrinite reflectance in the first and second member of Nanmingshui Fm

矿物组成的不同影响页岩对气体的吸附储集能力。黏土矿物常常具有较高的微孔隙体积以及可观的比表面积，吸附能力强，南明水组第2亚组较第1亚组更高的黏土含量使得前者具有更大的比表面积，而脆性矿物石英、碳酸盐矿物等则有利于增强岩石脆性，使页岩在外力下极易形成天然裂隙和渗导裂缝，有利于页岩气的储集渗流。南明水组暗色泥岩与美国福特沃斯盆地Barnet页岩时代同为早石炭世，且富蕴盆地同属前陆型盆地，南明水组为其前渊沉积［21－22］。相同的构造背景及沉积时代，使得两者更具有可对比性。Barnett页岩黏土矿物含量介于35%～44%，石英含量介于35%～50%，其中黏土矿物主要为伊利石［38－39］。富蕴盆地南明水组第2亚组中黏土矿物介于32%～49%，其中也以伊利石为主，含量介于61% ～77%，脆性矿物石英含量介于33%～41%(表3)，与Barnett页岩具有相似的矿物组成(图8)，Schettler等(1990)认为页岩中的吸附态甲烷主要分布在伊利石表面，可见南明水组第2亚组具有比较理想的矿物组成，利于气体储集吸附的黏土矿物含量和增强孔隙及压裂性的脆性矿物含量具有较好的平衡。

图8　南明水组暗色泥岩黏土矿物－石英+长石－碳酸盐岩三角Fig.8　Total clay-Quartz+Feldspar-Total carbonate triangular diagram of mudstone from Nanmingshui Fm

综上分析，南明水组各亚组具有差异明显的暗色泥岩发育特征。南明水组第1亚组尽管暗色泥岩沉积时期水体较深，为浅海相，具有更高的水体还原性，但是较低的生物生产率决定了其总有机碳含量(TOC含量)太低，缺乏产页岩气的物质基础;第3亚组暗色泥岩沉积时期水体还原性较弱，加之其生物生产率不高，总有机碳含量也较低，且岩层厚度不大，横向连续性差，因此也不具有产页岩气前景;第2亚组尽管水体还原性较第1亚组弱，但其具有水体盐度、水动力条件等优势更有利于生物的存在，因此具有较高的生物生产率及总有机碳含量，其矿物组成上更高的脆性矿物石英、长石含量，以及泥岩与砂岩的交互沉积更有利于后期压裂，同时，相对更大的岩石比表面积也表明该亚组具有非常合适的矿物含量比。此外，高的有机质成熟度、一定的干酪根类型、较大的累计厚度等进一步表明南明水组第2亚组具备页岩气发育条件。

5　沉积环境对页岩气地质条件的制约

富蕴盆地早石炭世南明水组总体沉积环境为扇三角洲、滨、浅海，靠近大陆，受陆源影响明显，使得其中暗色泥岩有机质类型基本上以Ⅲ型干酪根为主，有大量来自陆源的植物碎片，前人在南明水组第2亚组中虽然也发现Ⅱ型干酪根，但数量很少［18］。对于页岩气来说，Ⅲ型干酪根并非理想的有机质类型，对北美页岩气几个主要产气盆地的研究发现产气页岩中Ⅱ型干酪根更为常见［38］，可能因为成熟度太高对Ⅰ型干酪根不利，而太低，又达不到Ⅲ型干酪根大量产生气态烃的要求。而富蕴萨尔布拉克地区适当强度的构造作用对于南明水组暗色泥岩Ⅲ型干酪根的产气比较有利。有机质丰度的影响因素较多［40］，南明水组中、晚期相对更高的盐度(海陆交互相区半咸水偏咸水)以及闭塞的环境或许形成了更适合生物生活的环境，具有更高的生物生产率，是沉积有机质富集的一定积极因素;但是由于水体变浅，泥岩与砂岩频繁互层，以及近陆源缺乏稳定的沉积环境，使得南明水组总体有机质丰度不高，而且页岩单层连续厚度较薄。

沉积相不仅影响有机质类型和丰度，而且控制沉积岩石的类型及其中的矿物组成。近岸沉积环境大量接受陆源碎屑沉积，南明水组暗色泥岩随着水体深度的变浅及相对的封闭性，第2亚组粉砂质泥岩黏土矿物(32%～49%)及石英含量(33%～41%)较第1亚组均要高，岩石物性更有利于页岩气的储集和压裂。此外，受海水盐度及其他水体化学性质的影响，自下而上南明水组暗色泥岩沉积时水体更富K及更具碱性，尤其是第2亚组，而第1亚组更加富集Fe2+及Mg/K比更高，使得第1亚组大量发育绿泥石、绿蒙间层矿物，而第2亚组黏土矿物组成主要以伊利石和伊蒙混层为主，较第1亚组黏土组成更具孔隙空间的发育及气体吸附能力，蒙脱石的缺乏及伊蒙、绿蒙混层的存在可能表明大量蒙脱石向伊利石或绿泥石发生了转化，在此伊利石化中，伴随体积的缩小，能够产生更多的微裂缝(孔)。

6　结　　论

(1)南明水组暗色泥岩沉积水体自早期明显淡化至第3亚组盐度逐渐升高，水体由开阔变为相对封闭。总体还原，向上还原性减弱，生物生产率第2亚组最高，其次为第3亚组，第1亚组最低。气候总体温暖潮湿，中晚期温度有所上升，也较早期相对干旱，暗色泥岩沉积水体深度总体呈现由深变浅再变深的趋势。

(2)南明水组有机质类型基本以Ⅲ型干酪根为主，含少量II2型干酪根，其中第2亚组有机质丰度最高，达到0.42%～1.11%，风化校正后勉强可以达到页岩气总有机碳含量要求;有机质成熟度达到高－过成熟阶段;矿物组成以黏土矿物和石英为主，黏土矿物介于32%～49%，其中以伊利石为主，含量介于61%～77%，脆性矿物石英含量介于33%～41%，具备页岩气发育条件。

(3)沉积环境控制了南明水组第2亚组相对上、下亚组更好的页岩气地质特征，表明海陆交互区半咸水偏咸水的盐度条件、缺乏大型入海河流的干扰、稳定的沉积环境等更有利于富有机质泥页岩的发育。

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中图分类号:P618.13

文献标志码:A

文章编号:0253－9993(2016)06－1476－11

收稿日期:2015－08－04修回日期:2015－10－30责任编辑:韩晋平

基金项目:国家自然科学基金资助项目(华南新元古代"楔状地层"沉积充填序列及大地构造研究)(41030315);新疆自治区地勘基金资助项目(N13－4－XJ02);扬子北缘新元古代花山群火山－沉积序列及其构造属性研究资助项目(41402103)

作者简介:熊小辉(1987—)，男，江西高安人，博士。E－mail:xiongxiaohui1987@163．com。通讯作者:王剑(1962—)，男，研究员，博士生导师。E－mail:w1962jian@163．com

Sedimentary environment evolution and shale gas geological features of dark mudstone from Nanmingshui Fm of Fuyun Basin，Xinjiang

XIONG Xiao-hui1，2，WANG Jian1，2，XIONG Guo-qing1，2，YU Qian1，2，LU Jun-ze1，2，ZHOU Ji-bing3，BAI Hong-hai3，DENG Qi1，2
(1．Chengdu Institute of Geology and Mineral Resources，Chengdu610083，China;2．Key Laboratory of Sedimentary Basin and Oil and Gas Resources，Ministry of Land and Resources PRC，Chengdu610083，China;3．The Ninth Geological Team of Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources，Urumuqi 830009，China)

Abstract:To understand the sedimentary environment evolution，shale gas prospect and their relationship of Nanmingshui Fm dark mudstone from Shaerbulake Region，Fuyun Basin，the analysis on inorganic，organic geochemistry and mineralogy were performed．It shows that，influenced by large rivers import，water desalination occurred during the sedimentation．Water openness decreased later，and the salinity re-increased gradually．It was warm and moist generally，then became warmer and drier in middle-late stage during Nanmingshui Fm sedimentation．There was a deep-shallowdeep change in water depth upward Nnmingshui Fm．Reducing condition occurred during dark mudstone sedimenta-tion，but it weakened upward Nanmingshui Fm．The organic matter is dominated by typeⅢwith a few type II2，and its evolution is in a high-over maturation．The second member of Nanmingshui Fm bears highest biological production and total organic matter(TOC:0．42%－1．11%)．Mineral composition is dominated by clay and quartz，especially in the dark mudstone from the second member(clay:32%－49%;quartz:33%－41%;illite in clay:61%－77%)，which have good factors for shale gas development．The study shows that brackish water with salinity lean to salt water，lack of large river import，stable sedimentary environment etc．are more beneficial to the development of gas-producing shale．

Key words:shale gas;sedimentary environment;geochemistry;Nanmingshui Fm;Fuyun Basin