下扬子地区下寒武统荷塘组泥页岩地质特征与勘探前景——以浙西江山—桐庐地区为例

朱文博，张训华，王修齐，曲中党，黄正清，周道容

(1.中国海洋大学 海洋地球科学学院，山东 青岛 266100；2.南京地质调查中心，南京 210016；3.青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071)

近年来，页岩气的勘探与开发在国内外均取得了巨大进展，如美国的Barnett、Haynesville、Marcellus、Utica等一批页岩气田相继得到开发[1-3]，国内在中上扬子地区相继发现了涪陵、长宁、昭通、威远等页岩气田[4-5]。下扬子地区与上扬子地区相比，具有统一的构造动力学背景、相似的沉积—构造演化过程以及富有机质泥页岩发育层位[6]，但一直未获得油气突破。

下寒武统荷塘组(苏北地区为幕府山组)是下扬子地区富有机质泥页岩主要层系，受“一台两盆”的构造格局影响，主要分布在苏北、皖南、浙西地区[7]。针对浙西地区，前人研究认为沉积厚度大、有机质丰度高(平均为4.5%)，但热演化程度过高，EqVRo介于3.0%～4.94%之间，处于过成熟—准变质阶段，严重制约油气成藏[8-10]。本次研究通过野外剖面露头采样取得新进展，在浙西江山—开化地区发现热演化相对较低区域。本文围绕低热演化区，以浙西区域地质调查资料、最新钻探的井下资料为基础，从沉积展布特征，有机质丰度、类型、成熟度、稀土元素等地化特征，矿物组成、孔隙度、渗透率等物性特征，重新对江山—桐庐地区下寒武统荷塘组的页岩气成藏基础与勘探前景进行探讨。

1 地质构造背景

江山—桐庐地区处在浙江省西北部，在构造区划上属于下扬子地块钱塘坳陷，南以江山—绍兴断裂为界，北以天目山—白际山断裂为界(图1a)。浙西地区早晋宁期构造旋回以NEE方向的紧密线型褶皱构造变形为特征；晋宁构造旋回以NE向宽缓型褶皱为特点，两者构造线具微小的交角。华力西—印支旋回形成NE向紧密线型褶皱构造及伴随产生的走向断层。印支期及燕山早期，断层承袭了基底剪切性断裂方向呈NE向，部分为EW向或NW向；至燕山晚期，断裂向NNE转变，同时NW及NE走向断裂也得到发育；喜马拉雅期，除早期断裂继续活动外，还形成了SN向断裂[11]。

在地层上，以江山—绍兴拼合带为界线，浙西北地区属于江南地层大区，浙东南地区属于华南地层大区[11]。下寒武统荷塘组为静水滞留盆地沉积的含磷碳硅质岩，下段为硅质页岩、黑色碳质页岩夹石煤层，含磷结核及少量黄铁矿结核；中段为灰至灰黑色薄层灰岩，含磷白云质灰岩夹钙质页岩；上段为灰色薄层白云岩、条带状白云质灰岩夹泥质灰岩(图1b)。以石煤层与下伏灯影组或皮园村组呈整合或平行不整合接触，整体层厚约30～370 m。中、上寒武统总体以白云质灰岩、条带状灰岩及透镜状泥质灰岩为主，富产球接子化石。

2 泥页岩沉积特征

2.1 岩相古地理特征

早寒武世荷塘期浙西地区处于海侵时期，海水浸没到江山—绍兴和杭州—嘉兴一带，整体由西南向东北方向变浅。该时期研究区的沉积环境大体为静水滞留还原环境，为一套深水盆地—陆棚相沉积[12]。

其中，深水盆地相呈NEE向展布，沉积沉降中心位于开化阳坑、安吉杭垓、临安姚家岭一带，沉积物以含“石煤层”、磷结核等黑色碳质页岩、硅质页岩夹少量白云质灰岩为特征。盆地南面由于受宜春—江山—绍兴张性断裂的影响，形成江南水下隆起和江山—桐庐—浦江水下隆起，对盆地水流的循环及外海洋流起到了一定的阻挡作用，造成菌藻类大量繁殖，故浙西区域早寒武世早期普遍发育含“石煤”暗色岩系。

陆棚相位于杭嘉湖、江山—兰溪一带，沉积厚度小于100 m，最薄仅十余米，根据沉积物的不同可划分为碳酸盐岩陆棚和碎屑岩陆棚。碳酸盐岩陆棚沉积物一般为深灰色泥岩夹灰岩、灰岩夹钙质泥岩或白云质泥岩与白云岩互层，水平纹层发育，水深较浅，主要分布在江山—兰溪一带；碎屑岩陆棚沉积物一般为碳质泥岩、泥页岩夹砂质页岩或钙质页岩，生物以游泳、飘浮型三叶虫为代表，主要分布在建德、富阳一带。其中水下隆起衢县志棠、建德、富阳一带为水下砂坝，厚60～85 m，下部为粉砂岩、石英细砂岩，向上逐渐变粗。

2.2 展布特征

江山—桐庐地区荷塘组暗色泥页岩厚度在20～440 m，整体由南东向北西逐渐增厚。南部江山—兰溪及富阳—临安一带厚度最薄，一般约20～50 m，且大部分缺失，局部地区只有10余米；中部常山—桐庐一带厚度增大，约在100～200 m；开化—淳安以北地区沉积最厚，基本在200 m以上，最厚处可达400余米，主要为深水盆地沉积(图2)。

从露头剖面及井剖面来看(图3)，横向上研究区自北西向南东及南西向北东泥质、硅质含量减少，钙质、白云质含量增加，沉积厚度逐渐变小，表明水体逐渐变浅。

图2 浙西江山—桐庐地区荷塘组沉积时期岩相古地理

图3 浙西江山—桐庐地区地层柱状剖面

2.3 沉积环境分析

海相沉积物沉积过程中，细粒沉积物中稀土元素可较好地保留沉积物源区的物源特征及古沉积环境信息，稀土元素含量以及它们之间的分馏差异被广泛应用于沉积岩的物源追溯、古气候与环境演化、沉积介质、构造背景分析及沉积成矿作用等方面的研究[13]。

本次稀土元素测试样品20个，地表样品5个，岩心样品15个。研究区稀土元素总含量ΣREE(不含Y元素)介于(39.64 ～321.22)×10-6，均值为105.73×10-6(低于上地壳的146×10-6)；轻重稀土比值(ΣLREE/ΣHREE)较大，介于4.13 ～ 17.21之间，均值为8.54(表1)，显示轻重稀土分馏程度较高，较北美黑色页岩比值7.5大，为陆源物质沉积特征[14]。

由图4a可以看出各样品曲线形态较统一且呈右倾趋势。(La/Yb)S值在4.56～20.15之间，均值为9.15，呈现出轻稀土元素富集、重稀土元素严重亏损的特征；指示轻稀土之间分馏程度的(La/Sm)S值在3.00 ～ 5.43之间，表明轻稀土元素分馏程度高，而重稀土元素段曲线较为平坦，说明其分馏程度较低。图4b的各曲线较为平坦，(La/Yb)N在0.62～ 2.74之间，具幅度不大的右倾或呈现帽状，同时具有轻微的Ce负异常和较明显的Eu正异常，反映出稀土元素具有轻稀土富集、重稀土含量稳定及非正常海相沉积的特征[15]；(La/Sm)N在0.90 ～ 1.62之间，均值1.15(大于1)，表明成岩物质有幔源或深部物质的加入[16]。

三十七年转瞬即逝，伤心的往事都风一样刮过去了，但有个人，像血液每天流淌在她的血管里，贯穿于身体与她的生命同在。那人，就是杨琳，她的恩人。十年前，欧阳橘红曾托滨湖公司去部里开会的领导，打听杨琳，他们给她提供了三个叫杨琳的人，但年龄都对不上。她要趁有生之年，回滨湖看看杨琳。

值得注意的是δEu值在0.19 ～ 3.78之间，均值1.21，总体表现为正异常。前人研究δEu值正异常主要受海底热液影响，当海相沉积过程中有较高温和强还原性的热液加入时，其中的Eu2+可稳定存在从而造成正异常[17]。

总体而言，江山—开化区域的荷塘组暗色泥岩形成于浅水陆棚或深水陆棚相沉积环境中，沉积及成岩过程中有热水作用的参与，并且在开化西南部热液活动较为强烈。

3 泥页岩有机地化特征

3.1 有机质类型

有机质的成因类型是影响其生烃潜力、产气规模及组成的重要因素[18]。浙西地区由于较高的热演化程度，对干酪根元素的组成、红外官能团的结构性质判别有很大影响，故采用受其影响较小的干酪根显微组分镜检指标。根据收集到的浙西地区荷塘组页岩的干酪根类型TI指数数据[10]，按干酪根划分标准进行统计，总体上，研究区荷塘组干酪根以Ⅰ型为主，其次为Ⅱ1型和Ⅱ2型，主要为腐泥组，平均占78.57%；少量为固体沥青，平均占20.38%；壳质组、镜质组、惰质组与动物有机碎屑平均含量都在1%以下。

表1 浙西江山—开化地区荷塘组稀土元素分析结果

注：下标S表示球粒陨石标准化,下标N表示北美页岩标准化[13]；δCe=2CeS/(LaS+PrS)，δEu=EuS/(SmS+GdS)0.5。

图4 浙西江山—开化地区荷塘组样品稀土元素配分模式

3.2 有机质丰度

有机质丰度是评价勘探区页岩气成藏的主要因素，评测指标主要包括有机碳含量、生烃潜量和氯仿沥青“A”[19]。由于目标地层普遍达到了过成熟演化阶段，造成残留氯仿沥青“A”含量及生烃潜量普遍过低，生烃潜量介于0.022～0.436 mg/g，不能准确反映其生烃能力，故本文主要采用有机碳含量进行评价。

本次研究共采集样品47件，其中TOC测试样品39件，收集数据点4处。测试结果(表2)分析表明，下寒武统荷塘组泥页岩TOC含量在0.36%～23.52%，平均为5.84%，大部分样品大于2%，只有5个样品数值在2%之下。

TOC测试样品岩性主要为碳质页岩、硅质泥岩、硅质碳质页岩、钙质泥岩，其次为硅质灰岩、硅质页岩和硅质岩。其中碳质页岩样品12个，TOC含量变化较大，介于1.48%～23.52%，平均6.67%；硅质泥岩样品12个，TOC含量在2.97%～16.93%，平均6.06%；硅质碳质页岩样品6个，TOC含量最大，在2.83%～15.3%，平均8.19%；钙质泥岩样品4个，TOC含量最小，范围0.36%～8.94%，平均2.68%。可见江山—桐庐地区下寒武统荷塘组为一套富含有机质的泥页岩层系，具有形成页岩气藏的物质基础。研究区内有机碳含量高值区(w(TOC)> 4%)位于常山—淳安一带，属于深水盆地—深水陆棚相带内，尤其是衢州北部、淳安西部具有很好的生气基础；低值区(w(TOC)< 2%)位于研究区的东部及东北部，属于浅水陆棚至局限台地相带(图5a)。

表2 浙西江山—桐庐地区荷塘组泥页岩有机碳含量和成熟度数据

注：Rb为沥青随机反射率，EqVRo为等效镜质体反射率，EqVRo=0.679Rb+0.319 5[20]。

3.3 热演化程度

镜质体反射率是目前国际上通用可对比的成熟度指标。在南方早古生代地层中，由于高等植物的缺乏，造成镜质体稀少缺失，常用固体沥青反射率Rb来代替镜质体反射率进行评价。本次热演化测试样品43个(表2)，收集数据点4处。结果表明，江山—桐庐地区荷塘组泥页岩EqVRo在2.25%～3.67%，平均为3.07%。可知研究区荷塘组泥页岩的热演化程度均处于过成熟阶段。对比国内外页岩气开发实践，具商业开发价值的页岩气层系Ro在1.1%～3.0%之间[4, 21]，当页岩的Ro>3%时，有机质会出现碳化现象，页岩吸附能力明显下降[22]。因此有利区域Ro值应尽量限制在3%以内。

图5 浙西江山—桐庐地区早寒武世荷塘期TOC和Ro展布

浙西地区主要受加里东、印支以及燕山这3次构造活动的影响。进入加里东构造期以来研究区处于持续沉积阶段，沉积厚度普遍超过6 km，至晚奥陶世，随着华夏江南隆起的抬升，沉积中心向北迁移且范围缩小。研究区盆地相区荷塘组大致在早中奥陶世开始生油，晚奥陶世—早志留世进入生油高峰，早志留世—晚志留世生油结束，进入湿气或干气保存期；研究区南部以及东北部的水下隆起区成熟时间为中晚奥世至早志留世，在中晚志留世进入生油高峰，生油在泥盆纪结束(埋深约4 300 m)。印支运动以大规模的褶皱回返为特征，使地壳上升，奠定了浙西总的构造格局。燕山运动以断裂和岩浆活动为主，尤其是晚侏罗世时，沿马金—乌镇断裂和深部隆起区(东部)有大规模的火山喷发和中酸性岩浆侵入，对周围区域古生界黑色岩系的热演化程度有很大影响。江山—常山地区荷塘组历史埋藏相对较浅，并且受燕山期岩浆活动影响较少，从热演化程度展布上看是研究区内的低值中心，为勘探较为有利的区域(图5b)；成熟度向北及北东向逐渐增高，高值区位于建德及杭垓一带。

4 泥页岩储层特征

4.1 矿物组成特征

江山—开化地区荷塘组泥页岩的主要矿物为石英(均值59.7%)、黏土矿物(均值16.6%)、长石(均值5.1%，其中钾长石0%～22%，斜长石0%～7%)、碳酸盐矿物(均值5.5%)，其中石英含量最高，部分含有少量菱铁矿(表3)。研究区内脆性矿物为石英、长石，含量41.5%～75.1%，在页岩气开发中具有良好的脆性和可压性，利于页岩储层物性的改善[23]。泥页岩黏土矿物组成以伊利石(均值41.6%)、伊/蒙混层(均值55.6%)为主，含少量高岭石、绿泥石(开化附近高岭石含量较高)，不含蒙脱石，表明泥页岩已到晚成岩作用晚期，与热演化程度相符，为过成熟阶段。

4.2 储集空间及物性特征

孔隙类型、孔隙结构及其连通性是评价页岩气储层物性的关键因素，本次研究采用有机质孔、粒内孔、粒间孔、微裂隙来描述页岩储集空间[24]。

表3 浙西江山—开化地区荷塘组泥页岩主要矿物及黏土矿物组分

注：PF.钾长石，PL.斜长石，Cal.方解石，Dol.白云石，Py.黄铁矿，Sid.菱铁矿，I.伊利石，K.高岭土，C.绿泥石，S.蒙脱石，I/S.伊/蒙混层，C/S.绿/蒙混层，IS.伊蒙混层比，CS.绿蒙混层比。

从ZJD-1井及江山地区野外露头样品扫描电镜图像可见(图6)，本区荷塘组泥页岩2大类型孔隙均发育。结合岩心观察，其页理、节理较为发育，普遍见张裂缝，被方解石半充填或全充填(图6a，b)。微裂缝在扫描电镜下大量发育(图6c-e)，连通性较好，开度变化较大，部分被矿物充填，有利于游离气的储存并可提高储层渗透性。裂隙中充填大量黄铁矿、石英、有机质与片状伊利石，并可见较多溶蚀微孔。微孔隙以纳米—微米级孔隙为主，以0.1～2.0 μm孔隙为主；无机孔以粒间孔为主，发育有矿物粒间孔、晶间孔隙、黏土矿片间孔隙与粒间溶蚀孔(图6f-h)，粒间孔隙发育集中，数量较多，吸附性较强；粒内孔主要为片状黏土矿物粒内孔、矿物表面孔、球粒状黄铁矿内部孔隙(图6e-f)，分布较零散，孔隙间不连通。

值得注意的是，在浙西地区有机质孔发育具有差异性。与常山地区样品有机质孔大量发育不同[25]，江山地区样品总体有机质孔欠发育或发育孔径很小(多小于20 nm)，其原因可能与其有机质赋存形式以及靠近江绍结合带有关。游离有机质所形成的纯有机质体未能受到黏土骨架的保护(图6f)，即使包裹黏土矿物也由于遭受了强烈的挤压，使得有机质孔孔径变小甚至可能消失(图6i)[26]。

江山地区处于江绍断裂带周缘，较强的构造改造作用使得微裂缝普遍发育的同时，又抑制了有机质孔的发育。北部的常山—开化地区构造保存条件较好，虽会在一定程度上影响无机孔隙以及微裂缝系统的发育，但有机质孔的大量发育更加有利于吸附气的富集。浙西地区下寒武统荷塘组普遍处于过成熟阶段，在经历相比中上扬子更为复杂强烈的构造改造作用后，寻找常规的游离气聚集气藏并不现实，但以吸附态为主的成藏还有一定的可能性，这就要求利于页岩气吸附的微孔隙大量发育，而利于运移的微裂缝较少发育。因此，储集物性有利区域要向北寻找埋藏较深、构造改造作用较弱区域。

图6 浙西江山地区荷塘组泥页岩孔隙结构特征

a.野外天然张裂缝发育；b.普遍见张裂缝，被方解石半或全填充，ZJD-1井岩心；c.裂缝发育(背散射电子图像)，ZJD-1井，620.3 m；d.成岩收缩缝及微裂缝，ZJD-1井，620.3 m；e.裂缝和孔隙中充填黄铁矿，发育少量微米级粒内孔，ZJD-1井，620.3 m；f.孔隙中充填石英晶粒、有机质、片状伊利石，晶间孔、粒间孔较发育，ZJD-1井，639.2 m；g.溶蚀微孔较发育，ZJD-1井，620.3 m；h.微缝隙分布，局部发育粒间孔，ZJD-1井，620.3 m；i.有机质包裹黏土矿物，有机质孔发育较少，后岭坞露头样品

Fig.6 Pore structure in shale from Hetang Formation in Jiangshan area, western Zhejiang province

5 页岩气勘探前景及风险

5.1 勘探前景

从基本地质特征评价页岩气远景区主要包括6个因素：沉积环境、厚度、有机地球化学、热演化程度、矿物组成及孔隙度[27]。江山—桐庐地区下寒武统荷塘组泥页岩处于有利沉积相带内，具有厚度较大、有机质丰度高、脆性矿物含量高、黏土矿物含量适中等优势，同时也具有热演化程度高、构造保存条件复杂等劣势。通过与美国以及中上扬子主要产气页岩特征相对比(表4)，认为本区具有较好的成藏物质基础，可进一步进行勘探开发研究。

我国下扬子区域下古生界海相页岩经过多期构造运动，普遍具有构造保存条件复杂、热演化程度过高的问题。因此在选区时应本着3个原则：(1)“高中找厚”：寻找高有机质丰度泥页岩沉积较厚区域；(2)“高中找低”：在普遍高热演化程度环境中寻找热演化程度较低值区域；(3)“强中找稳”：在强构造背景中寻找地层较稳定、埋藏较深区域。结合我国海相页岩气有利区优选标准[30]，研究发现常山—开化地区为有利勘探区域(图7)。

常山—开化地区位于马金—乌镇断裂与常山—漓渚断裂之间，虽被球川—萧山断裂切割，分属开化—桐庐凹陷与常山—诸暨凸起，但目标地层埋藏较深，主体介于500～3 300 m之间，局部可深达5 km左右，且球川—萧山断裂在地表多表现为逆冲断裂[11]，起到一定构造保护作用(图8)。同时，常山—开化地区古生界地层较全，剥蚀相对较少；有利区内断裂相对较少，且地层倾角相对较小；总体而言具较好的构造保存条件。该区EqVRo在2.25%～3.12%，TOC含量在2.86%～13.23%，厚度在50～300 m，面积在1 900 km2左右，埋深较深，地层相对平缓，同时避开火成岩岩体出露的燕山期岩浆活动强烈区域，是江山—桐庐地区页岩气的有利勘探区域(表5)。

5.2 勘探风险

从构造位置、断裂发育、页岩静态评价指标、上覆地层剥蚀情况及岩体发育等方面综合评价，常山—开化地区是江山—桐庐地区页岩气最有利勘探区域。然而，有利区虽避开了岩浆活动较强烈区域，但仍可能存在部分岩脉、岩枝侵蚀页岩储层的情况，而这些小规模的热事件，常规物探方法很难识别，成为勘探中的重要的风险。同时研究区缺少地震等物探资料，对隐伏的中小断裂的展布及性质无法进行准确识别，对页岩气的保存条件评价造成了很大影响，这也成为勘探中的另一重要风险。

6 结论

(1)浙西江山—桐庐地区下寒武统荷塘组处于有利沉积相带内(深水盆地—陆棚相沉积)，具有沉积厚度大、有机质丰度高、热演化程度相对较低、脆性矿物含量高、黏土矿物含量适中、微孔隙微裂缝发育等特点，具有较好的成藏物质基础。

(2)江山—桐庐地区稀土元素具有轻微的Ce负异常和较明显的Eu正异常，轻稀土富集、重稀土含量稳定及非正常海相沉积的特征，表明该区域荷塘组暗色泥岩沉积过程中有热水作用参与，并且在开化西南部热液活动较为强烈。

(3)结合江山—桐庐地区荷塘组泥页岩展布特征、有机地化特征、储层物性特征、火山岩体展布、热液活动及保存条件等因素，根据中国海相页岩气有利区评价标准，优选出常山—开化地区为该区页岩气勘探开发的有利区域。同时仍需加强火成岩体研究，尤其是小规模的热事件的研究，以最大程度避免勘探风险。

表4 研究区荷塘组与中美典型含油气页岩地质参数对比[5，8，10，25，28-29]

注：“/”后为平均值。

图7 浙西江山—桐庐地区页岩气有利区优选

主要参数变化范围常山—开化地区页岩面积/km2200～5001 900泥页岩厚度/m厚度稳定,大于1050～300w(TOC)/%平均大于2.002.86～13.23Ro/%I型大于1.20,Ⅱ型大于0.702.25～3.12埋深/m300～4 500500～3 300地表条件地形高差较小,平原、丘陵、低山、中山、沙漠等丘陵总含气量/(m3·t-1)≥0.50吸附气0.5～8.6/3.26保存条件中等—好中等

致谢:衷心感谢南京地质调查中心能源室项目组成员在数据分析及论文撰写过程中所给予的建议指导！