云南保山地区下仁和桥组页岩特征、有机质富集因素及富集模型

王瑶琳 徐胜林 侯明才 陈安清 石坻石 张 聪 覃英伦

（1.成都理工大学沉积地质研究院，四川 成都 610059；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059；3.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；4.广西广投能源集团有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

富有机质页岩（w（TOC）大于2.0%的细粒沉积岩［1］）既是常规油气烃源岩，也可直接开采页岩气，是重要的油气勘探对象。志留纪是富有机质页岩发育期，该时期的富有机质页岩构成了全球重要的油气烃源岩［2］。页岩有机质富集程度和控制因素亦是页岩气勘探、有利区优选及资源潜力评价的关键因素之一［3］。有机质的形成、富集及保存受到生产力水平、古海洋氧化还原条件、沉积速率、相对海平面变化和古气候等多方面因素的影响［4］。国内外学者［5-6］运用地球化学、古生态学、矿物学等多种方法对有机质富集的影响因素开展研究，认为海相及淡水陆相页岩的富集模式可以分为：（1）高生产力模式；（2）保存模式；（3）高生产力与保存叠加模式。

云南保山地区处于扬子地区西南缘，下志留统下仁和桥组发育1套富有机质页岩。程涌等［7］通过研究沉积环境认为下志留统下仁和桥组具有较好的勘探潜力；陈志柱等［8］通过分析下仁和桥组部分剖面的有机质类型、丰度和成熟度，也认为下仁和桥组页岩有较好的生烃潜力。但是对于下仁和桥组富有机质页岩的有机质富集因素及富集模式的研究报道很少。

本文在野外地质调查和室内分析测试的基础上，开展了保山地区下仁和桥组富有机质页岩特征研究，结合主量元素、微量元素和稀土元素地球化学分析，从古气候、古生产力、古氧化还原条件、陆源输入条件等方面探讨保山地区下志留统下仁和桥组页岩有机质富集的主控因素，并建立有机质富集模型。研究成果为保山地区下仁和桥组页岩气勘探开发提供依据。

1 地质背景

保山地区位于云南省西部，构造上位于上扬子克拉通西部，澜沧江断裂以西，怒江附近高丽贡断裂以东的保山挤出块体上（图1（a））。志留纪时期，保山地区所处的华南陆块构造—古地理格局发生了重大变化，华南陆块整体上处于浅海相沉积［9］，沉积1套暗色富有机质页岩，位于施甸县城，累计厚度达148 m（图1（b））。

本次研究选取保山地区下仁和桥组出露完整且保存和发育较好的5个剖面进行研究，分别是施甸县姚关镇大色树村剖面、施甸县花山剖面、施甸思索邑剖面、保山杨柳乡新寨村剖面和保山大海坝水库剖面（图1（a））。其中保山大海坝水库剖面和保山杨柳乡新寨村剖面位于研究区的西北方向，施甸县姚关镇大色树村剖面、施甸县花山剖面、施甸思索邑剖面位于研究区的正南方向，整体上各个剖面的岩性组合特征基本一致，为1套富有机质页岩沉积。

2 岩石学特征

页岩样品来自保山地区周边的5个露头剖面（图1（a）），共采集样品30件。分别对30件样品进行了显微镜薄片鉴定、全岩X射线衍射分析、黏土矿物X射线衍射分析、总有机碳测试、干酪根显微组分鉴定、镜质体反射率测试、主量元素、微量元素、稀土元素地球化学分析等。所有测试均在四川省科源工程技术测试中心完成，具体实验方法见文献［10］。

图1 保山地区构造位置及地层柱状图Fig.1 Structural location and stratigraphic column of Baoshan area

2.1 岩性特征

通过对保山地区多条野外剖面的观察结合显微薄片镜下分析，保山地区下仁和桥组主要发育页岩（图2），在5条取样剖面均发育，岩石主要由泥质组成，主要是微晶/隐晶的黏土矿物集合体；少量碎屑组分，碎屑颗粒粒径主要为0.02 mm。页岩页理发育，野外露头可见有笔石化石，暗色为主。镜下可见有机质，多呈细小条带状分布。黄铁矿少量，多呈细小的黑色粒状或粒状集合体分布在泥质中。岩石中裂隙发育，呈网状，缝宽为0.01～0.60 mm，充填自生石英。

图2 保山地区下志留统下仁和桥组页岩照片Fig.2 Shale photos of Lower Silurian Xiarenheqiao Formation in Baoshan area

施甸县姚关镇大色树村剖面，剖面结构上表现为底部发育粉砂质泥页岩，向上以黑色页岩发育为主。

施甸县花山剖面，下志留统下仁和桥组整体上表现为以黑到黑灰色薄层状炭质页岩及粉砂质页岩发育为特征，且富含笔石化石，与上覆地层间表现为含泥质条带灰岩接触，与下伏地层奥陶系整合接触。

施甸县思索邑剖面，下仁和桥组完整，与上、下地层间整合接触，主要为黑色页岩沉积，笔石常见。

保山杨柳乡新寨村剖面，下仁和桥组完整，与下伏奥陶系整合接触，主要为黑色富有机质泥页岩，可见笔石化石。

保山大海坝水库剖面，下仁和桥组完整，与下伏奥陶系黄灰色泥灰岩整合接触，黑色富有机质泥页岩中富含笔石，之上为风化后的黄灰色页岩。

2.2 矿物组分特征

全岩X射线衍射分析结果表明，保山地区下志留统下仁和桥组富有机质泥页岩中，脆性矿物主要由石英和长石构成，脆性矿物的质量分数为40.0%～85.0%，平均为61.7%。

石英为最主要的脆性矿物，30件样品中石英的比例为50.0%以上，石英占总矿物的57.0%。长石含量次之，主要表现为斜长石和钾长石，质量分数为1.0%～19.0%，平均为5.0%，其中保山大海坝水库剖面、施甸县姚关镇大色树村剖面富斜长石，施甸县思索邑剖面、施甸县花山剖面富钾长石。碳酸盐矿物与黄铁矿含量极低。黏土矿物的质量分数为15.0%～58.0%，平均为37.4%。

由黏土矿物X射线衍射分析结果可知，下仁和桥组页岩样品中最主要的黏土矿物是伊利石，其次为高岭石，绿泥石和伊/蒙混层含量基本一致。伊利石占总黏土矿物的58%～93%，平均为78%。30件样品中有25件样品检出高岭石矿物，占黏土矿物总量的2%～33%，平均为11%。绿泥石在30件样品的24件样品中检出，质量分数为1%～16%，平均为5%，施甸县姚关镇大色树村剖面和保山大海坝水库剖面绿泥石含量相对较高，质量分数为4%～16%，平均为10%；伊/蒙混层含量不高，质量分数为2%～10%，平均为6%。

3 地球化学特征

3.1 有机地球化学特征

3.1.1 有机质丰度

有机质丰度是页岩的生烃潜力、储集能力和含气性的重要表征指标，对判断页岩气富集起着决定性作用。

17件样品的总有机碳含量（w（TOC））检测结果表明，保山—施甸地区的5条野外剖面中，保山大海坝水库剖面的DHB-s1r-1样品的有机质丰度最低，w（TOC）仅为0.06%；保山杨柳乡新寨村剖面的3件样品的w（TOC）为0.68%～0.94%，平均为0.78%；施甸县姚关镇大色树村剖面4件样品的w（TOC）为0.62%～0.78%，平均为0.71%；保山大海坝水库剖面的2件样品的w（TOC）平均为0.65%；施甸县花山剖面3件样品w（TOC）为0.52%～1.36%，平均为0.86%；施甸县思索邑剖面4件样品的w（TOC）为0.57%～2.59%，平均为1.42%。总有机碳含量分析结果表明保山地区下志留统下仁和桥组富有机质页岩具有较好的勘探潜力。

3.1.2 有机质类型

有机质类型是开展烃源岩评价的另一项重要指标，也是开展页岩气评价的关键指标之一。

保山地区下志留统下仁和桥组富有机质泥页岩有机质类型主要以Ⅰ—Ⅱ1型为主，其中施甸县姚关镇大色树村剖面、保山大海坝水库剖面主要表现为Ⅰ型干酪根（腐泥型），保山杨柳乡新寨村剖面、施甸县花山剖面、施甸县思索邑剖面表现为Ⅱ1型干酪根（腐植—腐泥型），整体表现出具有生油、生气的特征。

3.1.3 有机质成熟度

有机质成熟度是开展富有机质页岩生烃潜力研究的指标，能够直观地反映有机质热演化程度，对于预测烃源岩的生烃潜力有重要作用。热解峰顶温度（Tmax）可以指示研究区泥页岩有机质成熟度状况。17件样品的热解峰顶温度（Tmax）为345～576℃，平均为504℃，表明保山地区下志留统仁和桥组富有机质泥页岩的有机质成熟度已演化到过成熟阶段，以生成甲烷气为典型特征。

研究区9件样品的镜质体反射率Ro为1.31%～2.69%，平均为2.19%，说明该地区烃源岩成熟度高，以生成天然气为主。

3.2 无机地球化学特征

3.2.1 主量元素

主量元素不仅可以判断岩性，其相关参数和指标（如CIA指数）对古气候重建具有重要意义［11］。

从图3可知，经后太古代澳大利亚页岩（PAAS）标准化后的下仁和桥组样品的主量元素的质量分数大都小于1［12］。

图3 经PAAS标准化后的保山地区下仁和桥组页岩样品的主量元素含量Fig.3 PAAS-normalized major element content of shale samples from Xiarenheqiao Formation in Baoshan area

后太古代澳大利亚页岩（PAAS）标准化的公式为［12］

式中：w（X）——页岩样品中某元素经PAAS标准化后的质量分数；

w（X）sample——样品中实测某元素的质量分数；

w（X）averageshale——后太古代澳大利亚平均页岩样品中某元素的质量分数。

由图3可知，经后太古代澳大利亚页岩（PAAS）标准化后（公式（1））的保山地区下仁和桥组页岩中的主量元素w（CaO）和w（Na2O）相对较低，分别为0.008～0.370（平均为0.060）和0.03～2.23（平均为0.27）；w（SiO2）、w（K2O）和w（Al2O3）相对较高，分别为0.81～1.26（平均为1.16）、0.14～1.11（平均为0.88）和0.47～0.84（平均为0.69）。

3.2.2 微量元素

微量元素具有稳定的化学性质，对环境变化敏感，常作为地球化学的指示剂，对研究页岩形成的古环境和保存条件具有一定意义［13］。

由图4可以看出，经后太古代澳大利亚页岩（PAAS）标准化后（公式（1））的保山地区下仁和桥组样品的微量元素的质量分数围绕1波动［12］。w（Ni）、w（Sr）和w（Co）相对较低，分别为0.05～1.54（平均为0.49），0.06～0.83（平均为0.28）和0.02～2.87（平均为0.35）；w（U）、w（Ba）和w（Mo）相对较高，分别为0.25～10.68（平均为2.35），0.45～10.60（平均为1.89），0.44～68.20（平均为12.26）。

图4 经PAAS标准化后的保山地区下仁和桥组页岩样品的微量元素含量Fig.4 PAAS-normalized trace element content of shale samples from Xierenheqiao Formation in Baoshan area

3.2.3 稀土元素

经后太古代澳大利亚页岩（PAAS）标准化后的下仁和桥组页岩样品中稀土元素（REE）质量分数为10.21～27.93，平均为15.98。重稀土（HREE）的富集程度较高，轻稀土（LREE）的富集程度相对较低。轻稀土的质量分数（w（LREE））为4.44～9.51，平均为6.98。重稀土的质量分数（w（HREE））为5.77～19.90，平 均 为8.99。∑w（LREE）/∑w（HREE）为0.40～0.99，平均为0.79。

由图5可以看出经后太古代澳大利亚页岩（PAAS）标准化后的保山地区下仁和桥组样品的稀土元素曲线均表现为平缓趋势［12］，Eu和Ce整体上均没有表现出异常，只有个别样品呈现Eu正异常，说明下仁和桥组整体处于还原环境，有利于有机质的储存和富集［14］。

图5 经PAAS标准化后的保山地区下仁和桥组页岩样品的稀土元素含量Fig.5 PAAS-normalized REE content of shale samples from Xierenheqiao Formation in Baoshan area

4 有机质富集因素

4.1 古气候

古气候是影响有机质保存的重要因素。梁万乐等［15］研究认为，w（Sr）/w（Cu）能够指示古气候环境的差异性。保山地区下仁和桥组w（Sr）/w（Cu）为0.52～3.03，平均为1.47，这与梁万乐等［15］研究认为的w（Sr）/w（Cu）为1.30～5.00时指示温暖潮湿的气候环境的结论一致。湿润的气候条件增加了大气降水，增加了陆源营养矿物质的注入，为海水中藻类的繁盛提供了充足的养分，从而促进了有机质大量富集。

通过分析w（TOC）与w（Sr）/w（Cu）的相关性（图6（a））可知，随着w（Sr）/w（Cu）比值的增大，w（TOC）增大趋势不明显。通过分析w（TOC）和化学风化指数（CIA）的相关性可知（图6（b）），随着化学风化程度的增强，w（TOC）呈现微弱降低的趋势，这可能由于一定的气候条件带来的化学风化，降低了有机质含量。由此可见，古气候不是研究区有机质富集的主控因素，可能受其他因素影响更大。

图6 保山地区下仁和桥组页岩w(TOC)与w（Sr）/w（Cu）、CIA的关系Fig.6 Relationship of w(TOC)vs.w（Sr）/w（Cu）and CIA of Xiarenheqiao Formation shale in Baoshan area

4.2 古生产力

古生产力是影响有机质保存的另一项重要因素。常用微量元素生源钡（w（Ba）bio）和w（P）作为评价初级生产力的指标，计算生源钡常用的公式为［16-17］

式中：w（Ba）bio——生源Ba的质量分数；

w（Ba）——Ba的质量分数；

w（Al）——Al的质量分数；

A（Ba/Al）alusilicate——陆壳中Ba的丰度，取值0.007 5［16］。

由于下仁和桥组页岩发育于缺氧的陆棚沉积环境，极度缺氧的深海环境下不利于生物生存。因此，由图7可看出下仁和桥组w（TOC）与w（Ba）bio及w（P）呈负相关或相关性较弱，由此表明初级生产力不是下仁和桥组有机质富集的主要影响因素。

图7 保山地区下仁和桥组页岩w（TOC）与w（Ba）bio、w（P）的关系Fig.7 Relationship of w(TOC)vs.w（Ba）bio and w（P）of Xiarenheqiao Formation shale in Baoshan area

4.3 氧化还原条件

研究页岩有机质的富集因素，认清页岩有机质丰度与沉积环境的关系对页岩气勘探十分重要［18］。

选取15件样品进行w（TOC）与氧化还原参数（w（V）/w（Cr）、w（U）/w（Th）、w（V）/w（V+Ni）、w（V）/w（Sc））的 相 关 性 分 析（图8）。B.Jones等［19］认为，当w（V）/w（Cr）小于2.00、2.00～4.25、大于4.25时分别代表氧化、贫 氧 和缺 氧 状 态，w（U）/w（Th）小于0.75、0.75～1.25、大于1.25时分别代表氧化、贫氧和缺氧的水体环境。J.R.Hatch等［20］提出w（V）/w（V+Ni）大于0.84时指示无氧条件，0.54～0.82时指示缺氧条件，0.46～0.60时为贫氧条件。w（V）/w（Sc）小于9.10、大于等于9.10分别代表含氧条件和缺氧—贫氧条件［21］。

保山地区下志留统下仁和桥组页岩样品w（V）/w（Cr）为1.06～2.22，从w（V）/w（Cr）与w（TOC）相关性（图8（a））可以看出，随着w（V）/w（Cr）的增大，w（TOC）不断增大，二者相关性较强，指示贫氧沉积环境有利于有机质保存。当w（U）/w（Th）为0.17～0.79时，从w（U）/w（Th）与w（TOC）相关性（图8（b））可看出，随着w（U）/w（Th）的增大，w（TOC）呈不断上升的趋势，且二者相关性较强，同样指示贫氧沉积环境有利于有机质保存；w（V）/w（V+Ni）为0.68～0.97，平均为0.83，指示下仁和桥组页岩沉积环境属于缺氧环境（图8（c））；w（V）/w（Sc）为6.21～25.83，平均为10.63，指示下仁和桥组页岩沉积环境属于缺氧—贫氧环境（图8（d）），与前面2个氧化还原指标的结论一致。综上所述，研究区下仁和桥组页岩沉积环境整体上属于缺氧—贫氧环境，有利于有机质储存和富集。

图8 保山地区下仁和桥组页岩w（TOC）与氧化还原参数的关系Fig.8 Relationship between w(TOC)and redox parameters of Xiarenheqiao Formation shale in Baoshan area

目前，针对富有机质页岩，可以利用氧化还原敏感元素（RSE）的富集程度来分析其沉积环境特征［22-23］。氧化还原敏感元素富集系数的计算公式为

式中：XEF——实测某元素X的富集系数；

w（Al）sample——样品中实测Al元素的的质量分数；

w（Al）averageshale——平均页岩样品中Al元素的质量分数。

从图9可知w（TOC）与MoEF、UEF呈良好的正相关。通常XEF大于1表示富集，XEF大于3表示明显富集［23-24］。MoEF为0.47～18.77，平均为4.26，表示Mo元素明显富集；UEF为0.95～3.03，平均为1.57，表示U元素富集；Mo和U的富集程度较高且共生出现说明其形成于缺氧—硫化沉积［25］，因此认为下仁和桥组页岩沉积于缺氧环境条件，并且有利于有机质的富集和保存。

图9 保山地区下仁和桥组页岩w（TOC）与MoEF、UEF的关系Fig.9 Relationship of w(TOC)vs.MoEF and UEF of Xiarenheqiao Formation shale in Baoshan area

从以上氧化还原各项化学指标与w（TOC）的相关性及二者变化趋势分析可知，氧化还原环境是保山地区下志留统下仁和桥组页岩有机质富集的主控因素。

4.4 陆源输入

页岩有机质的富集会受陆源碎屑输入的双重影响，其作为稀释剂在一定程度上会降低有机质的含量。但是，随着陆源有机质的混入，有机质与氧气接触时间短，沉积速度快，促进有机质保存［26］。古气候控制化学风化强弱程度，并直接控制陆源物质输入，由前文分析可知下仁和桥组处于温暖潮湿的沉积环境，温暖潮湿的气候环境下化学风化程度强烈，会导致陆源输入增加。

稀土元素w（La）/w（Yb）通常用来表征沉积速率，保山地区下仁和桥组页岩的w（La）/w（Yb）值为1.41～1.74，平均为1.39。w（La）/w（Yb）值接近1，说明湖盆的沉积速率较快［27］。由图10可看出，随着w（La）/w（Yb）值增大，w（TOC）也随之增大，二者呈正相关，表明沉积速率对下仁和桥组页岩有机质富集有一定的控制作用。

图10 保山地区下仁和桥组页岩w（TOC）与w（La）/w（Yb）的关系Fig.10 Relationship between w(TOC)and w（La）/w（Yb）of Xiarenheqiao Formation shale in Baoshan area

从图11可以看出，w（TOC）与陆源输入指标（w（Al2O3）和w（SiO2））呈正相关且具有一定相关性，反映了代表陆源碎屑输入的Al2O3、SiO2有利于有机质的保存。

图11 保山地区下仁和桥组页岩w（TOC）与w（SiO2）、w（Al2O3）+w（SiO2）的关系Fig.11 Relationship of w(TOC)vs.w(SiO2)and w(Al2O3)+w(SiO2)of Xiarenheqiao Formation shale in Baoshan area

从图12可以看出，化学风化指数CIA与w（Ba）bio的相关性可以看出，化学风化越强，w（Ba）bio越高，古生产力越高，为前观点提供验证。

图12 保山地区下仁和桥组页岩CIA与w(Ba)bio的关系Fig.12 Relationship between CIA and w(Ba)bio of Xiarenheqiao Formation shale in Baoshan area

由此得出结论，由于下仁和桥组温暖潮湿的气候环境导致化学风化增强，带来大量的陆源输入，在高沉积速率下，陆源输入带来的陆源碎屑与氧气接触时间短，使有机质大量保存下来。综合以上分析，验证了陆源输入是研究区下仁和桥组页岩有机质富集的影响因素之一。

5 有机质富集模型

通过分析主量元素、微量元素、稀土元素等参数，研究了保山地区下仁和桥组页岩的古气候、古生产力、氧化还原条件和陆源输入条件，并进一步探讨了与页岩有机质丰度的相关性，认为保山地区下仁和桥组页岩有机质富集主要受控于温暖湿润的缺氧环境，陆源物质输入和较快的沉积速率有利于有机质的富集和保存，基于此建立了保山地区下仁和桥组页岩有机质富集模式（图13）。

图13 保山地区下仁和桥组页岩有机质富集模型Fig.13 Organic matter enrichment model of Xiarenheqiao Formation shale in Baoshan area

下仁和桥组沉积期，位于腾冲古陆东部的保山地区整体为温暖湿润的气候环境，腾冲古陆母岩的化学风化程度加强，大量的营养物质进入毗邻的海洋中，造成水体中微生物的大量繁育。与此同时，早志留世发生的全球性地质事件，导致气候变暖、冰川消融，引起了全球海平面的上升，保山地区所在的上扬子克拉通也发生了大规模海侵，造成水体快速分层，底层水体进入缺氧还原环境；大量繁育的水体微生物在分层的缺氧水体环境中以较高的沉积速率被保存下来，形成了现在的富有机质页岩。

6 结论

（1）保山地区下志留统下仁和桥组富有机质页岩的黏土矿物质量分数为15.00%～58.00%，平均37.40%。脆性矿物质量分数为40.00%～85.00%，平均61.70%。绝大部分样品残余有机碳含量超过0.50%，最高可达2.59%。镜质体反射率为1.31%～2.69%。有机质类型主要是Ⅰ—Ⅱ1型。

（2）w（Sr）/w（Cu）比值和化学风化指数CIA表明下志留统下仁和桥组沉积期保山地区为温暖湿润气候，化学风化强烈，陆源营养元素大量输入海洋，导致了大量微生物的繁育，为有机质富集创造了物质基础。

（3）w（V）/w（Cr）与w（U）/w（Th）均与w（TOC）有较强的正相关，指示缺氧沉积环境有利于有机质保存；w（V）/w（V+Ni）为0.68～0.97，平均为0.83，指示下仁和桥组页岩沉积环境属于缺氧环境；w（V）/w（Sc）为6.21～25.83，平均为10.63，指示下仁和桥组页岩沉积环境属于缺氧—贫氧环境；MoEF和UEF的富集程度均指示下仁和桥组页岩形成于缺氧环境沉积。综合表明缺氧沉积环境有利于下仁和桥组页岩有机质的富集。

（4）保山地区富有机质页岩形成于温暖湿润的气候，较强的化学风化速率为毗邻海域提供了大量的营养元素，生物大量发育，分层海水的还原环境和较高的沉积速率确保了有机质的富集，由此，建立了保山地区下仁和桥组页岩有机质富集模型。