鄂西南走马地区寒武系牛蹄塘组页岩有机地球化学特征及其地质意义

李敏刚， 张 雷， 张 号

(1.湖北煤炭地质局，湖北 武汉 430070； 2.湖北省海外地质事业中心，湖北 武汉 430034； 3.湖北煤炭地质勘查院，湖北 武汉 430070)

页岩有机地球化学特征是页岩气形成的物质基础，也是页岩气潜力评价的重要内容。页岩有机地球化学特征评价主要包括有机碳含量(TOC)、有机质类型和有机质成熟度(Ro)等[1-3]。湖北省多轮页岩气资源调查评价在多个地区多套层系均发现了页岩气显示，证实湖北省页岩气资源前景广阔[4-5]。目前，鹤峰县走马地区是页岩气调查评价工作的薄弱区，因相关调查评价工作部署较少，其页岩气资源特征及潜力尚不清晰。本次研究通过采集露头剖面和鹤地3井岩芯样品进行实验测试，分析走马地区页岩有机地球化学特征，进而为该地区后续页岩气勘探工作提供一定地质依据。

1 区域地质背景

研究区位于扬子板块湘鄂西褶皱带之宜都—鹤峰复背斜带(图1)，该复背斜带主要由东山峰复背斜主支、东山峰—堰塘湾背斜和东山峰—车溪湖背斜组成。研究区主要发育4条断层，包括清官渡逆断层、自生桥逆断层、南里坪逆断层和官屋场逆断层，清官渡逆断层和自生桥逆断层位于东山峰背斜主支核部(稍偏南东翼)，主要切割了震旦系、寒武系，并且具长期活动特征[6-8]。

图1 研究区构造位置图Fig.1 Structure location map of study area

早寒武世沉积期，研究区位于川东—鄂西深水陆棚与湘黔热水深水陆棚的过渡部位。此时的川东—鄂西、川南及湘黔三个深水陆棚区的牛蹄塘组页岩厚120～200 m，发育大量褐藻、红藻、海绵及热水生物微相，形成黑色富有机质页岩[6-9]。研究区牛蹄塘组黑色页岩并非单一的页岩岩性，垂向上具有非均质性发育特征[10]，下部岩性主要为灰黑色薄层状硅质岩、硅质页岩、炭质页岩及薄—中层状含炭粉砂质泥岩，水平层理较发育，底部夹铁锰质风化壳，厚89.5～92.6 m；上部岩性主要为深灰色中—厚层状含炭泥晶灰岩偶夹深灰色薄层状含炭粉砂质泥岩，水平层理发育，厚26.0～29.4 m。

2 牛蹄塘组沉积相特征

鹤地3井揭露牛蹄塘组厚123.00 m，牛蹄塘组一段主要为灰黑色含炭硅质页岩、硅质页岩、炭质页岩，向上渐变含钙质成分，夹少量灰岩透镜体，厚95.41 m；牛蹄塘组二段主要为含炭灰岩、泥晶灰岩，炭质含量逐渐减少，含少量砂泥质，厚27.59 m(图2)。

从综合鹤地3井及区域地质背景资料来看[10]，研究区牛蹄塘组水体总体较深，主要为浅海陆棚之深水陆棚相—斜坡相沉积(图3)。

深水陆棚相沉积主要发育于牛蹄塘组中—下部，其岩性主要为灰黑色硅质页岩、含炭硅质页岩、含炭质页岩，炭质、硅质含量高，大部分岩芯断面污手。测井曲线显示自然伽马(GR)数值在牛蹄塘组一段沉积初期快速变大，随之向上逐渐保持稳定；沉积到SQ1高位体系域(HST)时，GR开始逐渐变小；到SQ2海侵体系域(TST)沉积时期,GR基本保持稳定。岩芯中多见黄铁矿条带(纹层)，反映出该段沉积水体为较深的还原环境。

图3 湘鄂西早寒武世牛蹄塘组沉积相图(据参考文献[1])Fig.3 Sedimentary facies map of Early Cambrian Niutitang Formation in Western Hunan and Hubei1.深水陆棚相；2.半深海—深海盆地相；3.断层；4.省界；5.鹤地3井；6.研究区范围。

牛蹄塘组沉积晚期，随着相对海平面迅速降低，沉积了一套泥晶灰岩，沉积环境转变为碳酸盐岩斜坡。在测井曲线上主要表现为GR在低位保持稳定，反映了进入SQ2高位体系域突然发生了海退，因缺乏陆源物质输入而沉积形成了一套以碳酸盐岩斜坡相沉积为主的沉积岩组合。

3 页岩有机地球化学特征

3.1 样品采集与测试

根据研究区牛蹄塘组出露情况和鹤地3井岩芯情况，本次研究按照“一米一样，局部层段加密”的原则，在鹤地3井牛蹄塘组采集有机地球化学样品95件，全部进行有机碳含量分析，并选取其中15件样品进行有机质成熟度分析，选取16件样品进行有机质类型分析。同时，在3条实测地层剖面(PM01、PM02、PM07)采集了35件有机地球化学样品进行对比分析，主要测试有机碳含量。本次实验测试在江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)完成，分析测试结果如表1所示。

3.2 有机碳含量

表1 鹤地3井及剖面样品有机地球化学分析结果

根据石油地质学的划分方法，TOC介于1%～2%为一般(中等)页岩层段，TOC>2%为优质(好)页岩层段[11]。本次TOC分析测试结果(表1)显示，研究区牛蹄塘组TOC为0.82%～11.23%，平均值为2.92%；牛蹄塘组一段TOC为4.21%～11.23%，平均值为6.12%；牛蹄塘组二段TOC为0.82%～4.44%，平均值为1.84%，多介于1.00%～2.00%。总体上牛蹄塘组一段TOC明显高于牛蹄塘组二段,牛蹄塘组一段为优质页岩层段,牛蹄塘组二段为一般页岩层段。此外，牛蹄塘组露头剖面TOC总体上比岩芯样品略低，主要受风化作用影响所致。在平面上，牛蹄塘组TOC总体呈现出以吕坪村—水坪村—阳河村为中心往东南依次降低的趋势(图4)。

图4 走马地区牛蹄塘组有机碳含量等值线图Fig.4 Contour map of organic carbon content in Niutitang Formation in Zouma area1.TOC等值线(%)；2.采样位置剥蚀区；4.研究区范围。

3.3 有机质类型

有机质类型可反映母质来源，干酪根类型的确定是有机质类型研究的主体。不同类型的干酪根具有不同的生烃潜力，腐殖型(Ⅲ型)干酪根的生气率远大于腐泥型(Ⅰ型)干酪根，而偏腐泥混合型和偏腐殖混合型(Ⅱ型)干酪根生气率分别是Ⅲ型干酪根的2～4倍。同时，干酪根类型可提供其沉积环境信息，并反映页岩气的吸附率和扩散率，Ⅰ型干酪根H、C原子数之比越大，页岩气吸附量越大；Ⅲ型干酪根O、C原子数之比越大，则页岩气吸附量越小。Chalmers等[12-13]研究发现Ⅱ型干酪根比Ⅰ型干酪根具有更强的甲烷吸附能力。

本次通过干酪根显微组分镜检(图5)发现，干酪根类型指数平均值为96.25。按照干酪根母质类型划分标准[14]，将本区牛蹄塘组有机质类型定为Ⅰ型。

图5 鹤地3井牛蹄塘组镜质体类型(井深1 286.50 m)Fig.5 Vitrinite type of Niutitang Formation in Well Hedi-3

3.4 有机质成熟度

烃源岩生气特征与有机质成熟度密切相关,Ⅰ型干酪根在Ro<0.5%时，可形成生物成因气，然后进入生油窗;在Ro>1.2%时，发生裂解形成大量的天然气;在Ro>2.0%以后，进入过成熟阶段，该阶段以高温高压为特征，已形成的液态烃和重质气态烃强烈裂解，变成最为稳定的甲烷(干气)。成熟阶段的干酪根由于长烷基链已消耗殆尽，只能在热裂解下形成高温甲烷，同时出现碳沥青和石墨，至此阶段，生气能力降低至死碳边界线。

研究区有机质成熟度主要通过镜质体反射率法测定，鹤地3井Ro值介于3.20%～3.57%，平均值为3.40%(表1)。Ro值在平面上以红土村—洪家山村一带为中心，依次向南、北方向有变大的趋势(图6)。因此区内牛蹄塘组有机质处于过成熟阶段,生烃能力较差。

图6 走马地区牛蹄塘组镜质体反射率等值线图Fig.6 Contour map of vitrinite reflectance of Niutitang Formation in Zouma area1.Ro等值线(%)；2.采样位置剥蚀区；4.研究区范围。

4 讨论

页岩有机地球化学特征是沉积环境和后期构造演化综合作用的结果，决定了烃源岩的生烃能力。

4.1 对沉积环境的指示

研究表明，牛蹄塘组具有多种微生物相特征，包括底栖藻类和浮游藻类微生物相[15]，不同微生物相形成的TOC不相同，因此可指示古沉积环境。

研究区TOC的变化和沉积环境的变化具有较高的一致性。牛蹄塘组沉积时期海水发生两次海进海退，TOC随之呈现从高—略低—高—低的变化(图2)。该时期鄂西地区处于隆凹相间的古地理格局，而走马地区处于凹陷部位，随着海平面快速下降，导致甲烷氧化并释放出CO2，引起海水缺氧和碳酸盐溶解，从而促进有机质的富集[16]。总体来看，牛蹄塘组一段富有机质页岩形成于缺氧硫化环境，至牛蹄塘组二段时海底水体基本接近富氧条件[10]。

4.2 对页岩生烃潜力的指示

研究区有机质类型为Ⅰ型，其Ro平均值为3.40%，热演化程度过高，生烃潜力降低。因此，虽然研究区具有良好的物质基础，同时干酪根类型对页岩气有良好的吸附性，但是受高热演化程度的影响，牛蹄塘组生烃能力不高，未能形成有效气藏。据此认为，热演化程度是控制研究区牛蹄塘组页岩气富集的重要因素。

4.3 对页岩气富集成藏的地质意义

研究区牛蹄塘组主要形成于深水陆棚相—斜坡相，富有机质页岩厚度大、TOC高、有机质类型为Ⅰ型，具备形成优质页岩气的物质基础，但鹤地3井牛蹄塘组气显效果不是很明显，除了与有机质热演化程度过高有关外，还可能与地层封闭性不好有关。在鹤地3井牛蹄塘组下伏灯影组地层中发现有地下水连通[10]，可能导致本区盖层封闭性不好。

5 结论

(1) 鄂西南走马地区牛蹄塘组富有机质页岩厚度大、TOC高(0.82%～11.23%)，牛蹄塘组一段TOC平均值为6.12%，牛蹄塘组二段TOC平均值为1.84%;有机质类型为Ⅰ型；Ro平均值为3.40%，处于过成熟阶段。

(2) 牛蹄塘组TOC从下至上呈现从高—略低—高—低的变化，反映沉积水体由深变浅，指示牛蹄塘组一段富有机质页岩形成于缺氧硫化环境，牛蹄塘组二段形成于逐渐富氧的水体环境。

(3) 本地区烃源岩物质基础好，但热演化程度过高，导致生烃能力下降；并且牛蹄塘组与下伏灯影组连通，导致封闭性不好，故本地区探索页岩气藏的关键在于寻找热演化程度适中(Ro<3.5%)和盖层封闭性较好的区域。