大巴山前缘五峰组-龙马溪组干酪根碳同位素特征与有机质类型

门玉澎，余 谦，戚明辉，孙媛媛，闫剑飞，康建威，林家善，赵安坤

(1.中国地质调查局成都地质调查中心，四川 成都 610081；2.四川省科源工程技术测试中心，四川 成都 610091)

引言

在页岩气资源评价过程中，富有机质泥页岩生烃潜力是重要的评价指标[1-4]。分析生烃潜力的主要参数包括有机碳含量、成熟度和有机质类型，其中明确生烃母质类型对页岩气资源潜力评价具有重要意义[5-6]。

张志平、余川等人[7-9]研究认为，大巴山前缘五峰组-龙马溪组富有机质泥页岩厚度大、分布面积广、有机碳含量高、处于高-过成熟热演化阶段，但在有机质类型组成方面存在较大争议[8-10]。张志平等人[8]通过有机质显微组分分析，认为渝东北地区五峰组-龙马溪组有机质类型为腐殖型(Ⅲ型)。武瑾等人[9]通过对巫溪地区W1井五峰组-龙马溪组有机质显微组分分析，认为有机质类型为混合型(Ⅱ1-Ⅱ2)。张琴等人[10]通过恢复后的热解指标图版，识别南方地区志留系页岩有机质类型以腐泥型(Ⅰ型)为主，兼有混合型(Ⅱ型)，缺乏腐殖型(Ⅲ型)。

干酪根碳同位素与有机质母质碳同位素基本一致，是判断有机质类型的可靠指标[11-17]。对大巴山前缘五峰组-龙马溪组富有机质页岩采集代表性样品，进行干酪根碳同位素测定，分析其影响因素，明确有机质类型，对区域页岩气资源评价具有重要意义。

1 地质背景

大巴山前缘是指四川盆地以北、城巴断裂以南、米仓山以东、神农架以西地区。构造上主体位于南大巴山冲断带内，断裂发育，地层揉皱作用强烈，构造复杂。五峰组-龙马溪组岩性主要由炭质硅质页岩、炭质页岩、炭质粉砂质页岩、含炭质粉砂质页岩组成，间夹粉砂岩、斑脱岩。

研究区五峰组-龙马溪组富有机质泥页岩厚度20.0～89.8m(巫溪2井)，具有面状分布的特点，巫溪文峰-田坝地区最厚，向东西两侧厚度减薄。有机碳含量普遍较高，最高可达8%，平均有机碳含量为2.86%。有机质成熟度处于高成熟-过成熟演化阶段。石英等脆性矿物含量普遍较高。适宜的比表面积为页岩气提供较多的可吸附空间。总体而言，大巴山前缘五峰组-龙马溪组具有较好的页岩气富集物质基础[7-9，18]。

2 样品采集及实验

2.1 采样

根据研究区五峰组-龙马溪组富有机质泥页岩呈东西向平面展布特征，在万源曹家、城口周溪、巫溪田坝、巫溪白鹿、巴东两河口进行系统采样(图1)。采集样品为炭质硅质页岩、炭质页岩、炭质粉砂质页岩，普遍含笔石化石。

图1 研究区位置及采样点分布图

Fig.1 Location and sampling sites in the frontal area of theDaba Mountains

2.2 实验方法

根据熊永强(2004)、卢进才(2010)、张大江(1991)等人研究结果[15-16]，影响干酪根碳同位素组成变化的因素有干酪根类型、有机碳含量和有机质成熟度。因此对采集样品进行有机碳含量、成熟度和干酪根碳同位素分析，探讨大巴山前缘五峰组-龙马溪组干酪根类型、有机碳含量和成熟度对干酪根碳同位素组成的影响。

样品测试均在国土资源部页岩气资源勘查重点实验室完成。有机碳含量分析采用美国LECO公司生产的CS-400碳硫分析仪进行测定。有机质成熟度采用德国蔡司公司生产的AxioScope.A1偏光显微镜进行有机显微组分法测定。干酪根碳同位素采用美国Thermo Scientific公司MAT253稳定同位素质谱仪测定。

3 干酪根碳同位素特征及影响因素

3.1 干酪根碳同位素特征

测试结果如表1所示， 五峰组δ13C值分布在-30.9‰～-28.3‰，平均值-29.9‰。其中δ13C值小于-30.0‰的样品数占测试样品总数57.1%(图2)，主要分布在田坝地区、周溪地区和白鹿地区。两河口地区δ13C略增重。

龙马溪组δ13C值分布在-31.1‰～-28.2‰，平均值-29.9‰。δ13C值小于-30.0‰的样品数占测试样品总数53.6%(图2)，主要分布在田坝、周溪、白鹿地区。两河口和曹家地区δ13C略增重，与五峰组特征相似。

不同采样点五峰组-龙马溪组δ13C具有明显不同的特征。田坝地区δ13C值分布区间介于-31.1‰～-29.9‰，平均值为-30.5‰，其中小于-30.0‰的样品数占90.0%。周溪地区δ13C值分布区间介于-30.9‰～-29.8‰，平均值为-30.30‰，其中小于-30.0‰的样品数占75.0%。白鹿地区δ13C值分布区间介于-30.9‰～-29.8‰，平均值为-30.3‰，其中小于-30.0‰的样品数占70.0%。曹家地区δ13C值分布区间介于-30.2‰～-29.6‰，平均值为-29.9‰，其中小于-30.0‰的样品数占25.0%。两河口地区δ13C值分布区间介于-28.9‰～-28.2‰，平均值为-28.5‰。

根据上述特征分析，大巴山前缘地区五峰组和龙马溪组具有近似的δ13C组成。田坝地区δ13C最轻，两河口地区δ13C最重，两个地区δ13C平均值相差1.99‰。在区域上，巫溪田坝地区向曹家地区和两河口地区均呈现出δ13C组成略增重的特点。

图2 五峰组-龙马溪组δ13C分布特征

Fig.2 Histograms showing the distribution of δ13C values in the Wufeng Formation-Longmaix Formation

图3 五峰组-龙马溪组有机碳含量分布特征

Fig.3 Histograms showing the distribution of total organic carbon contents in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation

3.2 有机碳特征

五峰组有机碳含量介于1.62%～5.75%，平均值为3.49%，主要分布区间在2.0%～6.0%(图3)。龙马溪组有机碳含量介于0.72%～8.22%，平均值为3.50%，主要分布区间在1.0%～5.0%(图3)。

在平面上，五峰组-龙马溪组有机碳含量平均3.49%。田坝地区平均有机碳含量为3.86%，曹家地区平均有机碳含量为4.49%，周溪地区平均有机碳含量为3.76%，白鹿地区平均有机碳含量为3.27%，两河口地区平均有机碳含量为2.73%。综合分析有机碳含量数据，大巴山地区五峰组-龙马溪组有机碳含量在田坝、曹家、周溪、白鹿地区较高，两河口地区略低,均显示具有较好的页岩气资源丰度。

3.3 有机质热演化程度特征

镜质体反射率(Ro)是有机质热演化程度的重要指征。五峰组Ro介于1.76%～2.82%，平均值为2.08%，主要分布区间在1.5%～2.5%(图4)。田坝和两河口地区Ro普遍大于2.0%，周溪和白鹿地区小于2.0%。龙马溪组Ro介于1.64%～2.94%，平均值为2.05%，主要分布区间在1.50%～2.50%(图4)，变化特征与五峰组一致。同一个地区五峰组和龙马溪组Ro值近似，不同地区演化差异是造成研究区Ro值变化的主控因素。

五峰组-龙马溪组有机质成熟度平均值为2.06%。田坝地区Ro平均值为2.21%，曹家地区Ro平均值为1.80%，周溪地区Ro平均值为1.78%，白鹿地区Ro平均值为1.92%，两河口地区Ro平均值为2.61%。按照有机质热演化程度划分标准，田坝地区和两河口地区平均Ro值大于2.0%，有机质处于过成熟演化阶段，周溪、白鹿和曹家地区平均Ro值大于1.3%且小于2.0%，有机质处于成熟演化阶段。在区域上，北部靠近城巴断裂热演化程度低，向四川盆地方向热演化程度增高。

表1五峰组-龙马溪组δ13C、TOC及Ro特征

Table1Determinationsofδ13CPDB(‰),totalorganiccarboncontents(TOC,%)andvitrinitereflectance(Ro,%)fortheWufengFormation-LongmaxiFormation

序号样品编号样品岩性名称δ13CPDB(‰)有机碳含量(%)Ro(%)采样点采样层位1MD⁃Y1炭质页岩⁃30 205 272 06田坝五峰组2MD⁃Y2炭质硅质页岩⁃30 300 99/田坝五峰组3MD⁃Y3炭质粉砂质页岩⁃29 907 562 14田坝龙马溪组4MD⁃Y4炭质粉砂质页岩⁃30 105 23/田坝龙马溪组5MD⁃Y5炭质粉砂质页岩⁃30 503 882 29田坝龙马溪组6MD⁃Y6炭质粉砂质页岩⁃30 404 10/田坝龙马溪组7MD⁃Y7炭质粉砂质页岩⁃30 604 082 28田坝龙马溪组8MD⁃Y8炭质粉砂质页岩⁃30 903 482 16田坝龙马溪组9MD⁃Y9炭质粉砂质页岩⁃31 102 472 30田坝龙马溪组10MD⁃Y10炭质粉砂质页岩⁃30 901 55/田坝龙马溪组11MD⁃Y11炭质硅质页岩⁃29 901 151 83曹家龙马溪组12MD⁃Y12炭质硅质页岩⁃30 208 221 90曹家龙马溪组13MD⁃Y13炭质硅质页岩⁃29 803 201 72曹家龙马溪组14MD⁃Y14炭质页岩⁃29 605 411 75曹家龙马溪组15MD⁃Y15炭质页岩⁃28 505 442 82两河口五峰组16MD⁃Y16炭质页岩⁃28 603 742 36两河口五峰组17MD⁃Y17炭质页岩⁃28 302 512 46两河口五峰组18MD⁃Y18炭质页岩⁃28 502 712 64两河口龙马溪组19MD⁃Y19炭质页岩⁃28 202 852 94两河口龙马溪组20MD⁃Y20炭质页岩⁃28 302 18/两河口龙马溪组21MD⁃Y21炭质页岩⁃28 602 68/两河口龙马溪组22MD⁃Y22炭质页岩⁃28 702 822 75两河口龙马溪组23MD⁃Y23炭质页岩⁃28 900 72/两河口龙马溪组24MD⁃Y24炭质页岩⁃28 801 692 33两河口龙马溪组25MD⁃Y25炭质硅质页岩⁃30 301 621 76周溪五峰组26MD⁃Y26炭质硅质页岩⁃30 201 871 64周溪龙马溪组27MD⁃Y27炭质硅质页岩⁃30 703 821 96周溪龙马溪组28MD⁃Y28炭质硅质页岩⁃30 904 921 72周溪龙马溪组29MD⁃Y29炭质硅质页岩⁃30 907 951 85周溪龙马溪组30MD⁃Y30炭质硅质页岩⁃29 803 611 81周溪龙马溪组31MD⁃Y31炭质粉砂质页岩⁃30 003 621 83周溪龙马溪组32MD⁃Y32炭质粉砂质页岩⁃29 802 671 66周溪龙马溪组33MD⁃Y33炭质硅质页岩⁃30 904 451 96白鹿五峰组34MD⁃Y34炭质硅质页岩⁃30 805 751 93白鹿五峰组35MD⁃Y35炭质硅质页岩⁃30 905 121 96白鹿五峰组36MD⁃Y36炭质硅质页岩⁃29 803 001 85白鹿五峰组37MD⁃Y37炭质硅质页岩⁃29 802 271 96白鹿五峰组38MD⁃Y38炭质硅质页岩⁃30 002 351 92白鹿五峰组39MD⁃Y39炭质硅质页岩⁃30 003 532 03白鹿五峰组40MD⁃Y40炭质硅质页岩⁃29 902 841 96白鹿五峰组41MD⁃Y41炭质硅质页岩⁃30 102 211 98白鹿龙马溪组42MD⁃Y42炭质粉砂质页岩⁃30 701 211 65白鹿龙马溪组

图4 五峰组-龙马溪组Ro分布直方图

Fig.4 Histograms showing the distribution of Ro values in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation

3.4 影响因素分析

国内学者黄籍中等[11]认为，影响干酪根碳同位素的主要因素是干酪根类型，热演化程度对干酪根碳同位素影响小于2.0‰。熊永强等[15]通过实验模拟提出，在Ro小于1.5%的阶段，干酪根碳同位素组成变化较大，可达3.8‰；当Ro大于1.5%、小于2.0%时，干酪根碳同位素变化幅度约为2.0‰；当Ro大于2.0%时，变化幅度小于0.8‰。王杰等[13]提出，有机碳含量越高且有机质类型越好的样品，其有机质碳同位素组成越轻。

综合分析研究区测试结果，讨论大巴山地区五峰组-龙马溪组有机碳含量、热演化程度对干酪根碳同位素组成的影响。

3.4.1 有机碳含量与δ13C组成

五峰组和龙马溪组在大巴山前缘地区为局限浅海深水相沉积环境产物，两个组段岩性相近，古生物面貌相同，属于连续沉积。由此可以认为，在单个采样地区的烃源岩干酪根碳同位素组成是相同的。根据测试结果(表1)，5个采样地区热演化程度差异较大，但单个采样地区内样品的热演化程度无较大差别。

对单个采样地区的有机碳与干酪根碳同位素进行相关性分析(图5)，田坝地区随着有机碳含量增加δ13C组成偏重，呈现明显线性正相关，相关系数达0.456，δ13C组成变化幅度为1.2‰。两河口地区有机碳含量与δ13C组成呈较弱的正相关。周溪地区随着有机碳含量增加δ13C组成偏轻，呈现明显负相关，相关系数达0.399，δ13C组成变化幅度为1.1‰。白鹿地区有机碳含量与δ13C组成同样呈现负相关，相关系数达0.353，与周溪地区的变化规律一致，其δ13C组成变化幅度为1.1‰。曹家地区仅有4个采样数据，有机碳含量与δ13C组成亦呈现弱的负相关，与白鹿地区、周溪地区变化规律相似。

对比5个采样点差异，田坝地区和两河口地区Ro平均值大于2.0%，处于过成熟演化阶段；周溪地区、白鹿地区和曹家地区Ro平均值小于2.0%，处于高成熟演化阶段。由此认为不同的演化阶段，有机碳含量对δ13C组成具有不同的影响。当有机质处于高成熟演化阶段(Ro<2.0%)，随有机碳含量增高，δ13C组成偏轻；当有机质处于过成熟演化阶段(Ro>2.0%)，随着有机碳含量增高，δ13C组成偏重。有机碳含量对δ13C组成影响幅度在1.1‰～1.2‰。

3.4.2 热演化程度与δ13C组成

田坝地区和两河口地区处于过成熟演化阶段，δ13C组成具有明显的不同。田坝地区δ13C组成普遍小于-30.0‰，两河口地区δ13C组成均大于-30.0‰，两个地区δ13C组成平均值差1.99‰。周溪地区、白鹿地区和曹家地区处于高成熟演化阶段，δ13C组成也不同：白鹿和周溪地区δ13C组成普遍小于-30.0‰，曹家地区δ13C组成大部分大于-30.0‰。由此认为，在大巴山前缘地区造成相同或近似热演化程度地区的干酪根碳同位素组成差异性的主要因素是干酪根类型，有机质成熟度影响甚微。

4 有机质类型分析

国内学者黄籍中等人在干酪根碳同位素判别有机质类型方面做了详细研究[11]，认为干酪根碳同位素反映了原始物质的组成特征，并且根据干酪根碳同位素特征，对有机质类型识别划分出三类四区间，δ13C区间值为：Ⅰ型-35‰～-30‰，Ⅱ1型-30‰～27.5‰，Ⅱ2型-27.5‰～-25‰，Ⅲ型≥-25‰。参照该划分原则，对大巴山前缘五峰组-龙马溪组有机质类型进行判定。

图5 有机碳含量与δ13C组成交汇图

Fig.5 Diagrams of δ13C values vs. total organic carbon contents in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation

由测试结果表1可见，δ13C值分布在-31.1‰～-28.2‰。其中δ13C值小于-30‰的样品数为23个，占总样品数54.76%；δ13C值介于-28‰～-30‰样品数为19个，占总样品数45.24%，没有大于-28‰样品。根据前述有机质类型划分原则，认为大巴山前缘五峰组-龙马溪组有机质类型为Ⅰ型(腐泥型)和Ⅱ1型(腐殖腐泥型)。

对样品采集点进行统计，在田坝地区，δ13C值普遍小于-30.0‰，有机质类型为Ⅰ型(腐泥型)。在周溪地区，δ13C值小于-30.0‰的样品数占68%，介于-29‰～-30‰的样品数占32%，有机质类型以Ⅰ型(腐泥型)为主，混杂有Ⅱ1型(腐殖腐泥型)，白鹿地区具有相似的特征。在曹家地区和两河口地区，δ13C值普遍大于-30.0‰, 有机质类型为Ⅱ1型(腐殖腐泥型)。在平面上，从巫溪田坝地区向东西两侧有机质类型由Ⅰ型(腐泥型)变为Ⅱ1型(腐殖腐泥型)。

5 结论

通过对大巴山前缘五峰组-龙马溪组采集的代表性样品进行有机碳含量、成熟度和干酪根碳同位素测定，分析干酪根碳同位素特征及影响因素，并结合前人研究成果，对大巴山前缘地区有机质类型进行分析。

(1)大巴山地区五峰组-龙马溪组干酪根碳同位素δ13C值分布区间为-31.1‰～-28.2‰，巫溪田坝地区δ13C值最轻，向东西两侧δ13C值略有增重。

(2)有机碳含量和有机质成熟度对干酪根碳同位素组成影响较小。当有机质成熟度小于2.0%，有机碳含量与δ13C具有较好的线性负相关，有机碳含量增高，δ13C组成偏轻；当有机质成熟度大于2%，有机碳含量与δ13C具有较好的线性正相关性，即随着有机碳含量增高，δ13C组成偏重。δ13C组成变化区间小于1.2‰。

(3)大巴山地区五峰组-龙马溪组有机质类型为Ⅰ型(腐泥型)和Ⅱ1(腐殖腐泥型)。田坝地区为标准Ⅰ型(腐泥型)，向东西两侧逐渐过渡为Ⅱ1型(腐殖腐泥型)。