宣广盆地中二叠世栖霞组层序地层特征及页岩气勘探前景

彭晓东,徐锦龙,方朝刚,沈仕豪,章诚诚

(1.安徽省地质调查院,安徽 合肥 230001;2.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016)

层序地层学作为一种新兴的、具有完整理论体系的对比分析方法,为精确的地层对比划分、岩相古地理再造及油气勘探提供了新理论,已成为油气勘探的重要理论和手段之一[1]。三级层序是层序地层学研究的主要对象和基本层序地层单位,常以不整合面或可与其对比的整合面为界,是一套相对统一、具有成因联系的地层系列[2],平均时间延续一般为2～5 Ma[3]。华南中二叠世栖霞组是在全球石炭纪—二叠纪冰期极地冰盖逐渐消融、大规模海侵背景下形成的一套特殊的碳酸盐岩地层[4]。前人先后通过沉积学[5-8]、地球化学[9-12]、烃源岩[13-14]和层序地层学[5,15-16]等对其进行了初步的研究,取得了丰硕的成果。但栖霞组层序地层学的研究存在较大的分歧,具体体现在三级层序划分的差异上:魏国齐等[17]对扬子地块西北缘二叠纪栖霞组划分为1个三级层序;孟庆芬等[18]对贵州南部、梅冥相等[19-20]对滇黔桂盆地及邻区、白晓亮等[21]和胡笙等[16]对四川盆地二叠系进行层序地层研究,将栖霞组划分为2个三级层序;覃建雄等[22]对西南地区、李祥辉等[23]对中国南方、杜小弟等[24]对安徽巢湖地区、张克信等[25]对中下扬子地区、周雁等[26]对中扬子地区和丁枫等[27]对黔南拗陷地区的栖霞组均划分为3个三级层序;田望学等[28]将鄂西南栖霞组分为3.5个三级层序;何海清[15]对浙江省、颜佳新等[5]对湖北省和马永生等[1]对中国南方的栖霞组均划分为4个三级层序。以上划分差异的形成与栖霞组古地理位置、层序界面的识别、层序划分和层序级别等方面的研究具有较为密切的联系[29-30]。

华南中二叠世栖霞组海相烃源岩是中国南方4套区域性烃源岩的重要组成部分[31-32]。近年来,中国地质调查局南京地质调查中心和中国地质科学院地质力学研究所在安徽省宣广盆地实施了皖港地1井、皖油地1井、皖泾地1井等调查井工作,在二叠纪孤峰组、龙潭组、大隆组和三叠纪殷坑组取得了“三气一油”的重要发现,为下扬子地区页岩气勘探提供了基础地质资料[33-39]。随着地表调查和深部钻井的研究,发现宣广盆地栖霞组存在富有机质页(泥)岩,呈夹层或薄弱层不均匀分布,局部厚度可达30 m,是传统的优质海相烃源岩,因此,栖霞组也是页岩气赋存的有利层位。在宣广盆地二叠系已获得页岩气重要突破的前提下,针对上述三级层序划分中存在的问题,加强栖霞组富有机质页(泥)岩层序地层学和页岩气潜力研究,对下扬子地区页岩气目标层的研究和勘探开发具有重要意义。

本文采用露头层序地层学原理和方法,选择黄山区樵山栖霞组进行露头层序地层研究,并与周边剖面进行区域对比,结合富有机质页(泥)岩有机地球化学参数,评价栖霞组页岩气勘探潜力,为下扬子地区页岩气地质调查和井位布置提供基础地质资料。

1 区域地质概况

宣广盆地位于扬子板块东部,大地构造上江南造山带与沿江褶皱带交汇处, 南部以周王断裂为边界,东部与天目山脉相邻,北部与茅山断裂接壤,西部与南陵盆地相邻(图1)。盆地呈NE向不规则状展布,西南缘主要出露古生代—中生代碳酸盐岩和碎屑岩。盆地具“北断南超”、“北深南浅”的特征,基底由志留纪—三叠纪地层组成,盆地内沉积晚白垩世—上新世地层,由山前坳陷发展为“箕状”断陷盆地,至新近纪发生构造反转而盆地消亡。

1.南华系和青白口系;2.震旦系;3.寒武系;4.奥陶系;5.志留系;6.泥盆系;7.石炭系;8.二叠系;9.三叠系;10.侏罗系;11.白垩系;12.古近系;13.新近系;14.更新统;15.全新统;16.早白垩世中酸性岩体;17.早白垩世中性岩体;18.早白垩世火山岩;19.始新世火山岩;20.花岗斑岩;21.正长斑岩;22.断裂;23.地质界线;24.剖面位置;25钻孔位置;26.地名;27.县界;28.省界图1 宣广盆地地质简图及剖面位置图Fig. 1 Geological sketch map and section location of the Xuancheng-Guangde Basin

华南栖霞组分布广泛,厚度、岩性和岩相稳定,具有富含有机质和燧石结核的特征[40],是下扬子地区代表性碳酸盐岩和页岩烃源岩之一。根据其岩性、岩相和古生物组合,从下至上大体分为5个岩性段,与下伏早二叠世梁山组(图2(a))和上覆中二叠世孤峰组均呈整合接触。栖霞组岩性为深灰色-灰色厚层-块状沥青质含生物碎屑灰岩(图2(b))、含生物碎屑灰岩、含燧石结核-条带灰岩(图2(c)、图2(d))夹硅质岩、碳质页岩,整体反映了栖霞期台地相碳酸盐岩向孤峰期陆棚相硅质岩转换、一次完整的海侵开始并持续扩大的演化阶段,并伴随着多期次一级海侵—海退旋回。

(a).船山组(C2P1c)与梁山组(P1l)呈平行不整合接触,梁山组(P1l)与栖霞组(P2q)呈整合接触;(b).疙瘩状沥青质含生物碎屑灰岩;(c).含燧石结核生物碎屑灰岩;(d).含燧石条带生物碎屑灰岩;(e).含生物碎屑灰岩夹碳质页岩;(f).碳质页岩与含生物碎屑灰岩互层;(g).含生物碎屑灰岩夹碳质页岩;(h).碳质泥岩;(i).碳质泥岩内腕足类化石图2 黄山区樵山中二叠世栖霞组岩性与化石特征Fig. 2 Lithologic characteristics and fossils of Middle Permian Qixia Formation in Qiaoshan, Huangshan area

2 层序地层划分及特征

根据露头层序地层原理,考虑层序界面、体系域特征、区域对比性[1],对宣广盆地的黄山区樵山剖面栖霞组层序进行了详细研究,共识别出3个三级层序(PSQ2-PSQ4)。其中TST为海侵体系域(transfressive systems tract),CS为凝缩段(condensed section),HST为高水位体系域(highstand systems tract),SBⅡ为二级层序界面(sequence boundary)(图3),反映了栖霞期具有3次较大的海平面变化。栖霞组相当于罗甸阶(空谷阶)和祥播阶(2/3罗德阶),时限为9.3 Ma(279.3～270.0 Ma)[41],平均每个三级层序约为3.1 Ma,这与三级层序平均时间延续(2～5 Ma)基本一致[42-43]。

图3 黄山区樵山中二叠世栖霞组层序划分及特征Fig. 3 Sequence division and characteristics of Middle Permian Qixia Formation in Qiaoshan, Huangshan Area

2.1 层序1(PSQ2)

该层序相当于栖霞组一段、二段和三段中下部地层,层序底界面为SBⅡ(图2(a)),具体层序体系域格架如下。

(1)TST。下部灰色-深灰色中厚层-厚层生物碎屑粒泥灰岩夹生物碎屑泥粒灰岩,产较多的腕足类、腹足类、有孔虫和海百合化石,保存较为完整;中部深灰色-灰黑色厚层泥质微晶灰岩、含生物碎屑灰岩,偶见有孔虫和腹足类;上部灰色-深灰色-灰黑色厚层生物碎屑粒泥-泥粒灰岩;顶部为灰色-深灰色厚层疙瘩状沥青质含生物碎屑泥质微晶灰岩(图2(b)),产有孔虫、菊石、腕足类和海百合等化石。

(2)CS。深灰色-灰色薄层微晶灰岩与灰黑色-黑色薄层硅质岩互层,向上渐变为灰黑色-黑色中薄层-薄层硅质岩夹条带状泥质灰岩。

(3)HST。灰色-深灰色中厚层含燧石条带结核泥微晶灰岩(图2(c))、含生物碎屑微晶灰岩夹碳质页岩(图2(e)),产有孔虫、腕足类、藻类、介形虫和壳类化石。

2.2 层序2(PSQ3)

相当于栖霞组三段中上部、四段和五段下部地层,层序底界面为SBⅡ,具体层序体系域格架如下。

(1)TST。深灰色-灰黑色中厚层-厚层生物碎屑粒泥灰岩、含燧石结核灰岩、泥微晶灰岩,局部夹碳质页岩,产有孔虫、棘皮动物、藻类、腕足类化石。

(2)CS。灰黑色-黑色薄层硅质岩夹薄层泥微晶灰岩。

(3)HST。深灰色-灰黑色中薄层含燧石条带灰岩(图2(d))、 泥微晶灰岩,偶见有孔虫、腕足类和棘皮动物化石。

2.3 层序3(PSQ4)

相当于五段中上部地层,层序底界面为SBⅡ,具体层序体系域格架如下。

(1)TST。下部为深灰色-灰黑色中层厚层含燧石结核生物碎屑泥粒灰岩夹碳质页岩(图2(g));上部为灰黑色-黑色中厚层-块状碳质泥岩与深灰色-灰黑色中厚层-厚层泥质微晶灰岩不等厚互层。产有孔虫、棘皮动物和藻类化石。

(2)CS。灰黑色-黑色块状碳质泥岩、含硅质碳质泥岩(图2(h)),产腕足类(图2(i))化石。

(3)HST。灰色-深灰色中厚层-厚层含硅质条带泥质灰岩、含燧石结核硅质条带泥微晶灰岩,局部夹碳质页岩(图2(f))，产有孔虫、腕足类和棘皮动物化石。

以上说明,宣广盆地栖霞组沉积时,基本无陆源碎屑的输入,构造稳定,无火山活动,主要受控于全球海平面变化、古气候、古环境和古水文条件的影响。栖霞组不同程度富含灰泥成分,生物含量不一,门类多样且整体保存较好,局部发育黄铁矿和富有机质页(泥)岩,反映了整体为安静受局限的贫氧沉积环境,局部为缺氧还原的沉积环境。阵发性和周期性的燧石结核、燧石条带和硅质岩与生物碎屑(门类丰富)共同富集,可能指示了燧石的形成与水质条件的变化有较为密切的关系,并非盆地内部因素,不能作为深水的标志。富有机质页(泥)岩的出现,常伴随着黄铁矿的发育和单一的生物门类,可能指示了较深的水体环境。

栖霞组内3次相对较大海平面变化对应于VAIL P R 等[42]的三级海平面变化,与北美阿丁斯克期海平面变化基本一致[43],说明它们是全球冰川性海平面变化的结果,与华南乃至北美同期海平面变化曲线具有较好的吻合性。

3 富有机质页(泥)岩地球化学特征

3.1 富有机质页(泥)岩地层特征

研究区在栖霞组三段下部与上部和五段中下部发现厚度不一的碳质页(泥)岩层,其中以五段中部尤为典型,区域上具有很好的稳定性,厚25～40 m不等,岩性为灰黑色-黑色中厚层碳质泥岩、含硅质碳质泥岩,局部夹泥灰岩,内部产丰富的腕足类化石。

栖霞组三段主体为开阔台地-台凹相沉积,局部呈陆棚相沉积,沉积了少量碳质页(泥)岩(表1)。栖霞组五段主要为陆棚相沉积,沉积厚达30余m的碳质泥岩层(表1)可作为页岩气目标层。

表1 栖霞组富有机质页(泥)岩地层取样层位及特征Table 1 Sampling horizon and characteristics of organic rich shale in Qixia Formation

3.2 富有机质页(泥)岩有机地球化学分析

本次研究共选取栖霞组三段和五段的5件新鲜富有机质页(泥)岩样品,用切割机除去表层,选用中间无裂隙且相对坚硬的部分,粉碎至2 cm3左右的小块,仔细挑选1～2 cm3的页(泥)岩碎屑,避开次生的方解石和石英脉,并用离子水进行3次振荡清洗后烘干，再利用颚式破碎机一次性高效破碎至2 mm(10目)以下,使用来复缩分器,按“l/2+1/4+1/8……”手工多次缩分出300 g已破碎的样品用以研磨,用无污染钵在振动研磨机上研磨至85%以上达到75 μm(200目)。

本次总有机碳(total organic carbon,TOC)含量测定、岩石热解、有机质成熟度和全岩X射线衍射分析均在长安大学完成。其中,TOC含量测定利用LECOCS-400碳硫分析仪,测试流程遵循《GB/T 19145—2003沉积岩中总有机碳的测定》[44];岩石热解借助Rock-Eval热解仪进行;有机质成熟度由CRAIC显微光度计的测定;全岩X射线衍射分析采用XD-2型衍射仪完成。

3.2.1 富有机质页(泥)岩有机质丰度

有机质丰度指标主要包括有机碳含量和氯仿沥青“A”。由于我国海相地层发育时代早,经历的构造运动多,残留氯仿沥青“A”含量普遍很低,多采用有机碳含量对海相页岩进行评价。

有机质含量是影响页岩气富集的一个根本性因素,不仅决定着页岩的生气量,也直接影响页岩的含气量。因为页岩中有机质含量对气体具有重要的吸附作用,大量的气体就是以吸附形式存在于干酪根表面,因此,高的TOC就意味着高的生气量和吸附量。美国5大页岩具有丰富的有机质含量,其TOC大多为1.5% ～ 20%[45]。通常认为总有机碳含量超过0.5%的页岩是有潜力的烃源岩[45],蒋裕强等[46]则提出TOC至少应为2%。

分析测试结果(表2)表明,野外露头的栖霞组三段黑色页(泥)岩总有机碳含量较低,TOC值为0.77% ～ 1.03%;五段黑色泥岩有机碳含量较高,TOC值为4.86% ～ 9.49%,特别是厚达30 m的碳质泥岩层TOC值为9.49%,表明研究区栖霞组富有机质页(泥)岩具有高的生气量和吸附量,页岩气资源潜力较好。

表2 栖霞组页(泥)岩总有机碳和总硫测试结果Table 2 Results of TOC and total sulfur in the Qixia Formation shale

岩石热解分析结果(表3)表明:栖霞组富有机质页(泥)岩生烃潜量(S1+S2)为0.05‰～0.09‰,母质页岩干酪根为Ⅲ型,上部页岩较下部页岩高,可能与沉积环境差异有关;热解峰温Tmax为434～498 ℃,反映栖霞组页岩整体处于成熟-高成熟的生油气阶段。

表3 栖霞组页(泥)岩热解分析结果Table 3 Results of rock pyrolysis in the Qixia Formation shale

3.2.2 富有机质页(泥)岩有机质成熟度

有机质成熟度是衡量页岩实际生烃能力的重要指标,决定着页岩有机质向烃类的转化程度[47],常以有机质镜质体反射率(Ro)来确定有机质的成熟度。

Ro是目前评价有机质成熟度的最佳参数,具有不可逆性,且Ro随着热演化程度的升高而稳定增大,可以较为准确的确定有机质的成熟度[48]。一般认为,Ro=0.5%是石油生成的下限,Ro<0.5%时处于低成熟阶段,Ro=0.5%～1.3%是成熟带(石油主要生成带),Ro=1.3%～2.0%是高成熟带(湿气带及凝析油带),Ro>2.0%是过成熟带(干气带)[49-50]。研究区栖霞组富有机质页(泥)岩热演化程度目前未知,5组数据中仅获1组Ro值,为1.428%,显示栖霞组为高成熟阶段,具有良好的页岩气资源潜力。

3.3 富有机质页(泥)岩全岩X射线衍射分析

页岩是由多种矿物组成的,其中包含大量的黏土矿物、长石、石英及自生矿物，矿物组成决定着页岩气藏的品质,影响着气体的含量[51]。

根据全岩X射线衍射分析结果显示(表4),研究区栖霞组富有机质页(泥)岩的主要矿物为黏土(50.8%～64.1%,平均值55.5%)、石英(30.8%～38.1%,平均值34.6%)、长石(3.5%～14.2%,平均值9.8%)。其中,钾长石含量为1.9%～6.6%,平均值4.6%;斜长石含量为1.6%～9.3%,平均值5.2%;方解石仅在YP06—Y22中可见,含量0.8%,其他样品未见。

表4 栖霞组页(泥)岩X衍射分析结果Table 4 X-ray diffraction results of Qixia Formation shale

总之,栖霞组富有机质页(泥)岩内脆性矿物(石英、长石)的含量较高,储层脆性系数一般为0.4左右[52],显示良好的脆性和可压性,有利于后期压裂造缝。

4 宣广盆地富有机质页(泥)岩层序地层特征

在充分收集前人岩石地层、生物地层、沉积学及层序地层学等多方面资料的基础上,利用地层剖面测制和1∶5万地质填图工作对宣广盆地栖霞组开展三级层序地层的划分(图4),为后期层序地层格架的建立和富有机质页(泥)岩分布规律的总结奠定了地质基础。

4.1 栖霞组三级层序对比

由图3、图4可以看出,宣广盆地栖霞组可划分为3个三级层序,其界面性质的演化为:栖霞组与下伏梁山组呈整合接触,或与下伏船山组呈平行不整合接触,底界面属Ⅱ型层序界面(SBⅡ);三级层序体系域均发育海侵体系域、凝缩段和高水位体系域,海侵体系域和高水位体系域具有较好的对比性,凝缩段对比性较差;栖霞组岩性大体相似,自北西向南东(南陵丫山—泾县宴公堂—黄山区樵山)沉积厚度逐渐变厚,硅质层段(二段和四段)由北西向南东逐渐变薄,显示沉积水体逐渐变浅;地层岩性也存在一定的差异,五段在泾县宴公堂未见燧石结核,在黄山区樵山见碳质页(泥)岩和燧石条带泥质灰岩,可能与其古地理位置有较为密切的关系,往南沉积水体相对较深。

4.2 富有机质页(泥)岩发育特征

宣广盆地有机质页(泥)岩主要发育于栖霞组三段上部、三段下部、五段中部,主要分布于凝缩段及其上下层位。

从三级层序和富有机质页(泥)岩对比图(图4)可以发现:富有机质页(泥)岩主要发育于PSQ4的凝缩段;其它层位较为零星,且厚度较薄,发育于凝缩段、凝缩段与海侵体系域和高水位体系域的转换过渡层段;自北西向南东,富有机质页(泥)岩层数逐渐增多,总厚度和单层厚度也逐渐增厚;沉积水体越深越有利于富有机质页(泥)岩的沉积,富有机质页(泥)岩与水体和古地理位置存在较为密切的关系。

5 宣广盆地页岩气成藏地质条件

页岩气远景区优选指标的标准是[53]:海相富有机质页(泥)岩层段连续厚度应>15 m,平均含气量>0.5 m3/t,有机碳含量(TOC)≥1.0%,镜质体反射率Ro=0.5%～3.5%,含气量>0.5 m3/t,埋深<4 500 m,地表条件地形高差小,保存条件中等-好。依据上述标准,本文对宣广盆地栖霞组富有机质页(泥)岩进行了以下初步评价:

(1) 富有机质页(泥)岩总厚度>50 m,且五段中部厚度超过30 m,填图追踪厚度具有很好的稳定性,为良好的目标层。

(2) 富有机质页(泥)岩的TOC值0.77%～9.49%,其中五段TOC值4.86%～9.49%。

(3) 富有机质页(泥)岩的Ro值是1.43%,为高成熟阶段。

(4) 富有机质页(泥)岩全岩X衍射分析显示脆性矿物(石英、长石)相对富集,有利于产生微裂缝(天然或诱导裂缝)和后期压裂造缝,具有良好的页岩气前景。

(5) 根据皖港地1井、皖油地1井、宣地1井、宣页1井和皖泾地1井等钻孔和地震剖面资料显示,栖霞组整体埋深为1 000～4 500 m[37,39],宣广盆地内栖霞组面积应>2 000 km2。

(6) 盆地地形条件较好,断裂局部发育,整体保存条件较好。

综上所述,栖霞组富有机质页(泥)岩厚度、TOC、Ro、岩石矿物学特征和保存条件等相对较好,尤以五段中上部富有机质页(泥)岩最佳,是值得关注的页岩气目标层。根据区域栖霞组及其页(泥)岩的展布情况,富有机质页(泥)岩呈现北西向南东最厚的趋势,表明江南断裂带以南的宣广盆地乃至江西、浙江省局部可能具有良好的页岩气勘探潜力[1，13]。栖霞组沥青质灰岩和富有机质页(泥)岩是中国南方四套海相烃源岩的重要组成部分,四段和五段沉积厚度不大,但富有机质页(泥)岩发育,因此,在华南页岩气勘探中值得关注,在页岩气调查井和参数井布置中,应以揭穿栖霞组四段硅质层为佳。

6 结论

(1)宣广盆地中二叠世栖霞组可划分为3个三级层序(PSQ2—PSQ4),每个层序划分出TST、CS及HST,反映了3次相对较大的海平面升降旋回,是全球冰川性海平面变化的结果。富有机质页(泥)岩主要发育于凝缩段、凝缩段与海侵体系域或高水位体系域的转换过渡层段,并呈现自北西向南东页(泥)岩层数增多、厚度增厚的趋势。

(2)栖霞组富有机质页(泥)岩主要分布于三段上部、下部和五段中部,厚8～35 m,TOC值0.77%～9.49%,具有高的生气量和吸附量。有机质成熟度为1.428%,为高成熟阶段。脆性矿物(石英、长石)相对富集,具有良好的脆性和可压性,有利于后期压裂造缝。页岩气资源潜力较好,为良好的页岩气目标层。

(3)栖霞组富有机质页(泥)岩的厚度、埋深、脆度、有机质丰度和成熟度等参数表明其页岩气成藏地质条件良好,具有巨大的资源潜力,二叠纪页岩气调查井和参数井应以揭穿栖霞组四段硅质层为宜。