哈山上石炭统太勒古拉组黑色页岩地球化学及有机质特征

马风华

（宁夏回族自治区地质调查院，宁夏 银川 750021）

哈拉阿拉特山（哈山）地处准噶尔盆地西北缘，出露地层包括上石炭统太勒古拉组、晚二叠统乌尔禾群、侏罗系和早白垩系。该地区上石炭统太勒古拉组第三段（太三段）见一套厚约960余米的黑色页岩，野外露头观察显示，该套黑色页岩夹少量灰岩层，局部见砂质条带，黑色页岩页理非常发育，风化呈薄片状（图1），是值得关注的页岩气勘探层位。目前针对哈山太勒古拉组的研究主要集中在沉积学、古生物、地层及构造方面，如王玉净将其厘定为石炭纪地层[1]；孙少华认为该页岩为一套浅海-较深海沉积产物[2]；晋慧娟认为其具深水沉积特征[3]；胡杨认为哈山位于准噶尔盆地西北缘前陆褶皱冲断带上[4]。油气方面的研究主要是常规油气烃源岩地化的研究，石冰清认为该页岩为一套有机质丰度较高、类型较好、演化程度极高的烃源岩❶石冰清.准噶尔北缘下石炭统烃源岩研究—以五彩湾、乌伦古及和什托洛盖盆地为例.新疆大学（学位论文），2013，但未从页岩及页岩气勘探的角度进行相关研究。作为一套巨厚的海相页岩气潜力勘探层位，对其有机地球化学特征、有机质光学显微特征及有机质赋存特征进行研究，有助于为该套层位的后续页岩气勘探与评价提供参考。本文利用有机地球化学、光学显微镜分析、扫描电镜及能谱分析等方法，对哈山上石炭统黑色页岩有机地球化学特征、有机质光学显微特征及有机质的赋存状态进行研究，指出该套页岩的页岩气勘探潜力。

1 地球化学参数特征

哈山地区太勒古拉组页岩露头样品TOC整体较低，均值仅为0.591%，最高1.01%，近95%的露头样品TOC集中于0.5%～1.0%（表1）。哈山页岩烃指数HCI总体较低，均值为2.28 mg/g，波动范围1.16～12.16 mg/g，几乎全小于10 mg/g（表1），哈山页岩生烃潜量（S1+S2）以低为特征，均值仅为0.052 mg/g，近99%的样品生烃潜量小于0.1 mg/g（表1）。氢指数整体较低，均值6.94 mg/g，波动范围3.94～13.66 mg/g，98%样品氢指数小于10 mg/g（表1）。原因可能是哈山页岩处于高-过成熟阶段，液态烃裂解为气态烃类产物并大量排出以至损失殆尽，导致实验测试过程中生成的烃量急剧减少，造成烃指数和生烃潜量总体较低。最高热解峰温Tmax数据表明，哈山页岩Tmax整体处于510℃～537℃，均值534.8℃（表1），属高-过成熟阶段❶李鲜蓉.三塘湖盆地及周边石炭系烃源岩评价.西北大学（学位论文），2009。据Tmax和Ro之间关系可知，哈山地区页岩有机质成熟度基本对应于Ro＞2.0阶段[5]，烃类发生裂解，属有机质生成干气阶段，有利于页岩气的生成。

图1 哈拉阿拉特山地质简图及页岩露头Fig.1 Geological sketch map of Halaalate Mountain and shale outcrop

表1 哈山太勒古拉组页岩地化参数表Table 1 The geochemical date of Tailegula formation of Hashan

实测氢指数及氧指数表明其干酪根类型为Ⅲ型，实测氧指数极高，均介于900～1 000 mg/g，氢指数多小于1 mg/g，极个别样品达到1～10 mg/g；同时哈山页岩的降解潜率（D%）全部小于5%，S2/S3均小于2.5，总体表现出Ⅲ型干酪根特征；最高热解峰温Tmax与氢指数HI亦表明哈山页岩干酪根类型更接近Ⅲ型（图2）[6]。结合该地区为晚古生代海相沉积背景[1-3]，初始干酪根类型应以Ⅰ、Ⅱ型为主。原因在于，对于高-过成熟泥页岩，生烃过程已基本完成，其残留生烃能力有限，从而导致热解参数对有机质类型划分的准确降低，仅可作为参考[7]。后续工作中，对该地区高-过成熟泥页岩有机质类型，应采用Pr/n-C17，Ph/n-C18，C27-C28-C29规则甾烷的相对含量、饱和烃色谱峰型等相关指标进行判断[8]。

总体来看，哈山上石炭统太勒古拉组黑色页岩现今表现出热演化程度高、有机质含量相对低、生烃潜力极低的特征，据戴鸿鸣高成熟海相烃源岩评价标准[9]，哈山高过成熟烃源岩达较好-最好烃源岩级别（表2）；以成熟阶段来看，哈山80%的页岩达到好的源岩级别，部分达极好烃源岩级别；因此,哈山页岩属好的烃源岩，具页岩气勘探前景。

2 有机质光学显微特征

为直观地观察研究区有机质形态特征和分布情况，采用煤岩学与岩石学相结合的方法，在光学显微镜下分别观察页岩的岩石粉末光片（制作同粉煤光片）和薄片，对研究区页岩中分散有机质识别鉴定。

参照《煤岩学》中有机质显微镜下光学特征[10]，以页岩岩石粉末光片和薄片为载体，对页岩中有机质进行鉴定。据煤岩学理论，有机质在透射光下呈黑色，且正交偏光下无消光现象，在反射光下不同显微组分的颜色略有差别，基本呈白-灰白色，其中镜质组无凸起或微突起，壳质组低突起，惰性组突起最高。实际观察中，研究区页岩中有机质基本处于均一化状态，显微组分较难区别，反映出较高的热演化程度，但仍可根据光学性质将其与无机矿物区分开。

图2 哈山太勒古拉组页岩HI-Tmax关系图解Fig.2 Across plot of HI and Tmax of Hashan shale

表2 哈山地区烃源岩有机质丰度评价Table 2 Evaluation of organic abundance in Hashan

研究表明，哈山剖面太三段（TC01）页岩岩石粉末光片在镜下可见有机质呈分散状态散布于基质中，镜下为灰白-亮白及浅灰色，凸起极低；有机质颗粒大小不一，绝大数仅几个微米，个别样品镜下可见数10×10 μm大小的有机质颗粒；有机质颗粒较破碎且分散不均，光片视域中呈较亮星点状分布（图3-A，B，C）；虽有机质颗粒小，分散不均匀，但总的有机质碎屑含量仍然客观，与实测TOC相匹配。

通过观察打磨抛光后的1号探槽页岩块样，可以看出块样中的有机质虽然也是零星散开分布，但保存形态明显好于粉末光片。反射光下，有机质同样呈灰白-白色，无明显凸起；但有机质颗粒直径较大，多在10 μm以上，有的条带状有机质可长达上百微米。有的有机质颗粒还显示出类似生物体结构，弯曲的条带状可能是低等生物遗体（图3-D，E，F）。

为进一步确认镜下所认定的有机质是否存在差错，图4-A中浅灰白色区域进行电子探针测试。电子探针测试表明，上述浅灰白色区域在电子显微镜下为1号区域(图4-B-①)，其能谱图显示具有明显的碳峰值，说明1号暗色区域为分散有机质碎屑；而2、3号区域能谱不具碳峰值(图4)，因此上述显微镜下所观察的物质确为有机质无疑。

3 有机质赋存特征

为研究哈山页岩中有机质赋存形态及与矿物的伴生关系，采用扫描电镜+能谱分析的方法对哈山页岩进行观察。发现图5中的17、23、24、37及44能谱点元素主体为碳（表3），说明其为有机质。同时显示页岩中有机质常被粘土矿物包围，也有石英粘土颗粒嵌入有机质中，有机质为暗黑色或灰色，呈纺锤形、长条形，整体沿矿物孔隙分布，边缘一般较圆滑。哈山页岩中有机质的赋存状态主要是以纳米-微米级颗粒形态存在于矿物颗粒之间；图5-B有机质与绿泥石镶嵌分布但界线分明，图5-C石英十分干净，说明矿物表面没有吸附的无定形有机质存在。

分析认为，造成上述有机质分布状态的原因包括以下2个方面：①页岩中的有机质在原始沉积时主体以有机质颗粒形态充填于页岩矿物颗粒、孔隙之间，虽经高热演化阶段，但现今残余有机质（惰质组）仍分布于矿物颗粒、孔隙中；②高热演化过程中，页岩中有机质以凝胶化状态重新“近源”聚集，具优先沿矿物颗粒、孔隙重新充填分布的特征。观察中未见无定型有机质分布于矿物表面，原因包括：①对低熟页岩，不排除有少量的分散有机质吸附于矿物表面，但在高热演化过程中，粘土矿物之间相互转换（蒙皂石+蒙伊间层段向伊利石、绿泥石转换[11]）的分子重组对吸附于矿物表面的有机质具“洁净”作用；②可能与呈分子状吸附在矿物表面（包括内、外表面）的无定形有机质与颗粒状有机质在转化为烃类过程中的差异性有关。矿物表面吸附的无定形有机质本身量少且以凝胶化的镜质组为主，更易于转化为烃类排放；而呈颗粒状存在的有机质相对量大且含有客观的壳质组和惰质组，在热演化过程中相对稳定而不易转化为烃类，从而得以保存至今。

图3 哈山页岩光片反射光下分散有机质Fig.3 The dispersion organic under reflected light in polished section of Hashan shale

图4 哈山页岩反射光下有机质电子探针能谱图Fig.4 Electron probe energy spectrum diagram of organic under reflected light of Hashan shale

表3 哈山页岩样品能谱元素分析结果Table 3 Data of energy spectral element of Hashan shale

4 哈山黑色页岩勘探前景

哈山太勒古拉组黑色页岩厚度达960余米，远远大于页岩气勘探目标层位大于30 m 的下线标准[12]。热演化程度高，达到高成熟-过成熟阶段，已到干气阶段，满足页岩气勘探目标要求的1.1%[12]。露头样品有机质含量(TOC)主体位于0.5～1.0%，据海相高成熟-过成熟烃源岩评价标准[9]，达到好-最好烃源岩级别，满足页岩气勘探的物质基础。

图5 哈山页岩样品微观显微结构及能谱元素数据点位置Fig.5 SEM photo and energy spectral element data point of Hashan shale

据 Harry Dembicki Jr.和 Jonathan D.Madren 提出的烃源岩TOC-S2交会图（图6）[13]，根据哈山地区页岩高成熟-过成熟的特征，在烃源岩评价标准选择的基础上，将哈山页岩TOC、S2进行投点。哈山页岩样品点均落入页岩气窗范围内，说明哈山页岩具较好的气源条件。

5 结论

哈山太勒古拉组黑色页岩热解峰温介于510～537℃，均值达534.8℃，达到高成熟-过成熟阶段；露头样品TOC含量主体位于0.5～1.0%，均值0.59%，属好的级别烃源岩。页岩中有机质在显微镜反射光下呈灰白-亮白及浅灰色，凸起极低，有机质颗粒大小不一，有机质在块样光片中比粉末光片中颗粒要大。页岩中纳米-微米级有机质主体以纺锤形、长条形赋存于矿物颗粒及孔隙当中，未见矿物表面吸附的无定型有机质存在。高成熟度页岩中的有机质赋存状态受原始沉积状态、高热演化中有机质凝胶化重新分布优先充填于矿物颗粒及孔隙控制、粘土矿物间转换的“洁净”作用及不同有机质显微组分排烃差异共同控制。TOC-S2交会图显示哈山上石炭统太勒古拉组黑色页岩具良好的气源条件，具备页岩气勘探物质基础。

图6 哈山地区页岩TOC-S2交会图Fig.6 Across plot of TOC and Rock Eval S2 Hashan shale