DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.019

湘中地区中奥陶统烟溪组富有机质页岩地质特征

李杰^{1, 2}，郭建华1^{, 2}，王宗秀³，王张虎1^{, 2}，刘辰生1^{, 2}

(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；

2. 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学)，湖南 长沙，410083；

3. 中国地质科学院 地质力学研究所，北京，100081)

摘要：通过野外地质调查与室内分析测试，对湘中地区中奥陶统富有机质页岩分布、有机地球化学特征、储层特征进行研究，总结湘中地区中奥陶统烟溪组黑色页岩的地质特征。研究结果表明：研究区中奥陶统烟溪组黑色页岩分布广、厚度大(40~160 m)，有机碳质量分数较高(0.87%~6.20%)，普遍大于2.00%；演化程度处于成熟—过成熟阶段，干酪根类型属于Ⅰ型，页岩生气条件良好；页岩的矿物组成包括石英、长石、方解石、白云石、黏土矿物和少量黄铁矿等，其中脆性矿物质量分数为47%~87%，孔隙类型包括粒间孔、晶间孔、铸模孔、溶蚀孔、有机质孔等，属大孔至毛细孔，孔隙度为3.4%~10.8%，渗透率为(0.003~0.015)×10^-3 μm²，平均为0.005×10^-3 μm²，与四川盆地东南缘页岩气发现区的相当，具备页岩气形成的地质条件；中奥陶统烟溪组是湖南省页岩气勘探研究的新层位，其中新宁—祁东—宁远地区是有利勘探区。

关键词：湘中地区；下古生界；中奥陶统；烟溪组；页岩气

中图分类号：P618.13        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)11-2776-11

Geological characteristics of organic-rich shale in Yanxi formation of middle Ordovician in central Hunan

LI Jie^{1, 2}, GUO Jianhua^{1, 2}, WANG Zongxiu³, WANG Zhanghu^{1, 2}, LIU Chensheng^{1, 2}

(1. School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring, Central South University, Ministry of Education, Changsha 410083, China;

3. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract: Through lots of field works and laboratory tests, the geological characteristics of Yanxi Formation in this area were concluded by comprehensively investigation and analysis on the distribution and geochemical characteristics of the organic-rich marine shales and the features of reservoir. The results show that the black shales of Yanxi formation are characterized by wide distribution, great thickness(ranging from 40 m to 60 m) and high level of organic carbon (ranging from 0.87% to 6.20%), generally higher than 2.00%), the thermal maturity is at the mature to over mature stage and the kerogen belongs to typeⅠ. All of these characteristics of the black shares are beneficial for generating gas. Mineral composition of black shales include quartz, feldspar, calcite, dolomite, clay minerals and small amounts of pyrite etc. The brittle minerals percentage is from 47% to 87%. The pore types include intergranular pore, intracrystalline pore, mold pore, dissolved pore and organic pore etc. The aperture size of pores varies. The average porosity is between 3.4% and 10.8%,and the permeability of pores is (0.003-0.015)×10^-3 μm² with the average permeability of pores being 0.005×10^-3 μm². The characteristics are similar to those of the shale in southeast area of Sicuan basin, showing Yanxi Formation has geological conditions for the shale gas. It is a new horizon with great potential for shale gas. The area along with Xingning—Qingdong—Ningyuan can be defined as an exploration target with priority.

Key words: central Hunan; lower paleozoic; middle Ordovician; Yanxi Formation; shale gas

页岩气是以吸附状态和游离状态这2种形式存在于页岩地层中，具有自生自储特点的一种非常规天然气^[1-2]。页岩气作为常规油气资源的补充，逐渐成为一个重要的勘探领域。近年来，我国页岩气勘探开发已经取得重大突破，基本查明南方下古生界海相地层是我国页岩气主力层系，以下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组2套页岩最为有利^[3-5]。其中涪陵地区焦石坝下志留统龙马溪组气田是中国首个日产气量达到100万m³的页岩气田，已探明储量达1 000亿m^3[6-7]，在四川威远、长宁等多个地区下寒武统牛蹄塘组获得了工业气流。前人在湖南地区陆续进行了40多年油气勘探工作，但下古生界页岩气勘探工作主要集中在湘西北地区，目的层主要为牛蹄塘组与龙马溪组的页岩段，湘中地区的油气勘探主要集中在上古生界泥盆系、石碳系、二叠系这3个层位，对古生界油气地质条件报道较少^[8-13]。华南地区中奥陶世经历过1次较大规模海侵，扬子台地下斜坡地区(现雪峰山东南缘黔桂湘褶皱带)沉积了一套黑色碳质页岩，具备较大的勘探潜力，但受构造条件的制约而往往被忽略，对中奥陶统烟溪组评价较少。为此，本文作者通过野外踏勘和样品采集，并对样品有机质丰度、矿物组分、孔隙类型等特征进行分析，评价研究区中奥陶统烟溪组黑色页岩的勘探潜力，以期为湖南省页岩气勘探提供参考。

1  区域地质概况

湘中地区隶属于中扬子区域的华南板块中段。在构造区划上，湘中地区位于华南加里东褶皱带的北部、雪峰山隆起东南缘，衡山隆起将其与湘东南凹陷隔开，其地理坐标为东经110°15′~113°，北纬26°~28°20′，面积约94 000 km²(见图1)；构造形迹以较紧闭褶皱为主，主要由晚古生代地层组成，其间穿插有元古代—早古生代地层组成地穹隆和短轴背斜，其上又叠加有中新生代的构造盆地。研究区经历了加里东运动、印支运动、燕山运动和喜山运动以及新构造运动共5个大的构造阶段。根据历史发展与变动结果、古今构造特征、地质构造实际情况以及构造面貌和地层分布等特点，可将研究区进一步划分为涟源凹陷、龙山凸起、邵阳凹陷、关帝庙凸起和零陵凹陷等共5个二级构造单元^[8-9]。

图1  研究区构造区化图

Fig. 1  Regional location and structural map

湘中地区奥陶系与顶底板地层间界线清晰：与下伏地层寒武系整合接触，但岩性差异差大，界限比较明显；顶界面为加里东构造面，中泥盆统以角度不整合接触覆于奥陶系之上，岩石类型与颜色有很大差异，见图2。奥陶系自下而上可划分为桥亭子组、烟溪组与天马山组。桥亭子组下段岩性为灰至深灰色纹层状板状页岩、钙质板状页岩，夹灰岩透镜体，底部见少量较纯净的粉砂岩；桥亭子组上段为一套灰绿色、灰色粉砂质板状页岩，下部粉砂岩较多，局部见笔石化石；烟溪组岩性以黑色碳质页岩、硅质页岩为主，夹有多套硅质岩，含丰富的笔石和黄铁矿结核；天马山组岩性稳定，厚度巨大，岩石呈灰绿、灰黑色，为一套浅变质长石石英砂岩、粉砂岩与页岩互层组成的复理石沉积体；上覆地层中泥盆统跳马涧为紫红色至灰白色中—厚层状石英砂岩和含砾石英砂岩^[14]。

2  页岩气地质特征

2.1  沉积背景

湖南省地区位于扬子板块与华夏板块的结合部，沉积岩类型受构造作用影响较大，分区非常明显，可分为湘西北、湘中和湘东南共3个沉积区。早寒武世广泛海侵后，研究区进入稳定沉降期，由于物源丰富，沉积速率较快，北界扬子台地边缘相区逐渐南移，南界受华南地块持续隆升，盆地面积逐渐缩小。早奥陶世盆地缓慢海侵，虽然构造上基本继承了晚寒武世的格局，但沉积类型发生了明显变化。湘西北区仍以碳酸盐沉积为主，生物群有头足类、三叶虫为主，次为笔石、腕足类等；湘中区沉积物以碎屑岩为主，间夹碳酸盐岩沉积，生物群以笔石为主，次为三叶虫，属混合相沉积，但以笔石页岩相占优势，笔石在属种上、数量上都远远超过湘西北地区。湘东南地区则全部为碎屑岩沉积，沉积巨厚的粉砂质页岩间夹粉砂岩，见少量笔石种属。中奥陶世盆地再次快速海侵，湘西区北出现龟裂纹灰岩、瘤状灰岩间夹页岩的较深水沉积，沉积厚度较大，生物种属无太大变化。湘中地区沉积较薄，为黑色碳质、硅质页岩和硅质岩，含大量笔石。湘南地区由于后期褶皱隆升，郴州—桂阳以南的中奥陶统以上地层基本全部缺失，盆地的东南界无法确定。晚奥陶世海平面再次上升，但随着构造活动加剧，湘中地区以厚层的岩屑砂岩、粉砂岩、杂砂岩夹黑色页岩构成的复理层沉积，沉积速度快，有机质和化石均很稀少。湘西北区及扬子台地其他地区则受挠曲沉降和海平面上升的影响沉积了一套深水滞留相页岩，笔石繁盛，碳酸盐台地演化结束^[14]。

图2  湘中地区奥陶系综合柱状图

Fig. 2  Stratigraphic column of Ordovivian in central Hunan

2.2  黑色页岩厚度及埋藏深度

烟溪组地层主要分布在湘中地区，出露较广泛，在研究区北部安化、桃江、益阳一带。烟溪组顶部常为薄层硅质页岩，中、下部为黑色碳质页岩，含有大量笔石。在研究区南部祁东、零陵、宁远、城步一带，烟溪组顶部为黑色薄层硅质，中下部为黑色薄层硅质岩夹碳质页岩，底部为黑色碳质页岩夹黑色薄层硅质岩，见大量笔石，见图3。从总体看，本组岩性稳定，分布广，是湘中地区重要标志层。

厚度是评价页岩气资源潜力的首要指标，有效厚度是指1个连续泥页岩层段里优质页岩的总厚度，只有具备足够的有效厚度时，才能形成有工业价值的页岩气藏。烟溪组沉积范围基本上局限于古湘桂海盆中^[15]，岩性以碳质页岩、硅质页岩为主。整体厚度展布为南厚北薄，但桃江—新化—邵东一带最薄，厚度一般不大于40 m；零陵—祁东—衡阳一带，厚度在60~90 m之间；城步—宁远—茶陵一带厚度为80 m以上，其中在茶陵寺场坪地区烟溪组厚度为135 m(见图4)。由于涟源凹陷与邵阳凹陷被厚层的上古生界覆盖，湘中地区缺乏针对下古生界的钻探资料，湘南地区又存在大面积的地层缺失，由地表露头推测，中奥陶世古湘桂海盆的沉积中心位于城步—宁远—茶陵一带以南，物源区为华夏地块。

页岩的埋深为页岩气成藏与勘探开发的另一关键因素。埋深控制着页岩的热演化程度、温压条件以及页岩气开发难度^[16-17]。根据区域地层资料，除剥蚀区、露头区以外，湘中地区烟溪组现今的整体埋深在2.0~6.0 km之间。其中在邵阳凹陷、涟源凹陷最深可达6.0 km。在衡阳、耒阳一带埋藏较深，一般在3.0~5.0 km之内。在安化、桃江、益阳一带埋深最浅为0.5 km左右。零陵地区深度一般为3.0~4.5 km。局部地区如双牌、宁远、道县等复合穹窿地区，埋深为2.0~3.0 km。因此，尽管烟溪组整体埋深较大，但局部构造穹窿区仍是有利区带。

图3  湘中地区烟溪组野外照与显微照片

Fig. 3  Field and microscope observation of Yanxi Formation in central Hunan

图4  湘中地区中奥陶统烟溪组页岩厚度图

Fig. 4  Shale thickness isoline of Middle Ordovician Yanxi Formation in Central Hunan

3  有机地球化学特征

3.1  有机质丰度

有机碳质量分数(w(TOC))反映有机质丰度^[18]。有机质的丰度与含气性呈正相关，它决定页岩中有机质孔隙的发育程度和对天然气的吸附能力，是反映页岩气能否聚集成藏的重要指标。而在烃源岩质量评价中，为了对研究区中奥陶统烟溪组页岩气成藏潜力进行评价，对研究区究采集的139个样品有机碳质量分数进行测定，结果见表1。从表1可见：烟溪组页岩有机碳质量分数普遍较高，最高的样品有机碳质量分数达到8.17%，平均为2.12%，属于优质烃源岩范畴；烟溪组w(TOC)在平面上差异较明显，隆回—洞口—祁东一线w(TOC)最高，向南北两侧递减；零陵、宁远、城步等地w(TOC)平均值为1.97%~2.94%，同样是非常有利的地区。研究区烟溪组w(TOC)总体较高，说明这一带烟溪组黑色页岩中有机质较丰富，具有利于页岩气成藏的烃源岩条件。

3.2  热演化程度

有机质的热演化程度是烃产量的决定性因素之一，而有机质热演化程度又与地层埋藏史和区域构造、热事件有关。区内古生界残余地层厚度可达5.0~10.0 km，晚古生代构造活动与热事件活跃；研究区北部宁乡黄材镇下泥盆统和南部桂阳荷叶乡二叠系均形成了石墨矿床，成矿温度在1 200 ℃以上。表面上看，湘中地区地层埋深和保存条件并不理想，热演化程度普遍过高。湘中地区中奥陶统烟溪组页岩有机碳质量分数与镜质体反射率平面图和镜质体反射率平面图见图5。

湘中地区经历了加里东运动、印支运动的剧烈抬升和后期造山运动的改造，但由于构造沉降的差异性，很多地区埋深并不大或者深埋时间并不长，热演化程度存在明显不均一性。通过露头45个样品沥青反射率(R_ob)的测定，烟溪组黑色页岩样品沥青体反射率(R_ob)为2.27%~5.46%，平均为4.62%，根据沥青反射率(R_ob)与镜质体反射率(R_o)之间存在的线性关系换算^[19-21]，烟溪组R_o为1.83%~3.77%，平均为3.15%，热演化程度比前人预计的要低得多。根据美国页岩气的勘探经验，研究区奥陶系烟溪组虽成熟度较高，但同样具有页岩气潜力。美国页岩气产区的页岩成熟度普遍大于1.3%，在阿巴拉契亚盆地的西弗吉尼亚州南部最高可达4.0%，且只有在成熟度较高的区域才有页岩气的产出^[22-25]。因此，页岩的高成熟度(＞3%)不是制约页岩气聚集的主要因素。只要避开晚古生代以后的凹陷区和岩体侵入区，有机质热演化程度均在上限以内，其中新宁、祁东等地区热演化程度较有利。

表1  湘中地区中奥陶统烟溪组剖面/露头点w(TOC)与R_o统计

Table 1  Statistics of TOC and Ro of outcrops of O₂y in central Hunan

图5  湘中地区中奥陶统烟溪组页岩有机碳质量分数与镜质体反射率平面图和镜质体反射率平面图

Fig. 5  Isotop of organic carbon content and vitrinite reflectance of O₂y black shale in Central Hunan

3.3  有机质类型

不同类型的干酪根具有不同的生烃潜力，这种差异与有机质的化学组成和结构有关。在热演化程度较高时，都可以大量生成天然气。通过背景分析，烟溪组沉积于原始海洋中，生命形态较简单，有机质的主要来源为海洋中低等动物与菌藻类，干酪根类型为Ⅰ型可能性较大。烟溪组有机质成熟度很高，部分干酪根组分因在热作用下光学性质发生变化，常规检测手段如有机质镜检法、干酪根元素分析法等不能精准判别其类型。由于不同类型干酪根稳定碳同位素组成不同，能较好地避免光学特征误差，因此，根据碳同素位组成测定高成熟烃源岩干酪根类型是一种有效方法，前人已建立的相关的标准中，Ⅰ型干酪根δ(¹³C)(其中，，和分别为¹³C的质量分数和标准质量分数)为-24.5%~ 30.5‰；Ⅲ型干酪根δ(¹³C)为-20.4%~22.7‰；Ⅱ型干酪根δ(¹³C)介于这两者之间^[26-28]。通过分析湘中地区6个不同位置烟溪组样品，样品干酪根碳同位素组成δ(¹³C)为-32.4%~30.2‰，属于碳沥青，因此，烟溪组烃源岩有机质类型为Ⅰ型干酪根(见表2)，具有很强的生烃能力。

表2  湘中地区烟溪组烃源岩干酪根有机碳同位素δ(¹³C)

Table 2  Organ carbon isotope δ(¹³C) of kerogen of source rock of O₂y in central Hunan            ‰

4  储集层特征

4.1  矿物特征

湘中地区烟溪组黑色页岩露头24件样品的全岩和黏土矿物成分分析(X线衍射)结果见图6。从图6可见：脆性矿物(石英+长石+黄铁矿)质量分数为47%~ 87%，平均为60%；其中石英质量分数最高，为40%~ 80%，平均为55%，长石质量分数较低，为1%~13%；岩样黏土矿物质量分数为13%~52%，平均为30%，与四川盆地志留系龙马溪组的相当^[29]。在有机碳质量分数一定时，碎性矿物质量分数越高，越有利于生产开发。黏土矿物中绿泥石质量占黏土总质量的3%~ 16%，伊利石为36%~95%，伊蒙混层矿物为5%~55%，未见蒙脱石(见表3)。伊泥石及伊蒙混层矿物泥粉晶间微孔隙较发育，可以为有机质热解产生的甲烷提供吸附位点和储存空间。矿物组成分析结果表明：烟溪组页岩脆性矿物质量分数较高，黏土矿物质量分数适中，有利于压裂作业，具有优良的页岩气储层物性条件。

图6  湘中地区烟溪组页岩矿物组成统计

Fig. 6  Shale mineral composition statistic of O₂y in Central Hunan

表3  湘中地区烟溪组页岩黏土矿物质量分数

Table 3  Mass fraction of clay minerals in shale of O₂y in Central Hunan

4.2  物性特征

孔隙度直接决定页岩中游离气的质量分数，从而影响页岩气的赋存状态^[30]，渗透率则是反映页岩有效孔隙度与孔喉连通性的参数。通过石样品薄片鉴定、扫描电子显微镜观察发现，样品孔隙发育程度较好，主要存在的孔隙类型为有机质孔、矿物粒间孔、溶蚀孔、铸模孔等(见图7)。部分孔隙彼此连通，孔喉的形态大多为近圆形或不规则形态。矿物粒间孔隙多为残余粒间孔隙，形态因压实作用多呈现不规则状，也有似断面状喉道，层状、片状矿物、板柱状、长柱状刚性矿物和软塑性矿物的边界处分布较多。铸模孔隙往往混杂有机质。孔径以0.11~5.10 μm居多，少量大于5.10 μm，属大孔至毛细孔^[31]。残留粒间孔形态与矿物颗粒形态有关，孔径一般为1.40~5.10 mm；有机质孔隙的形态多为圆形和椭圆形，孔径一般为0.14~0.42 mm。这些微米级的孔喉不仅为页岩气提供了赋存空间，而且也是页岩中页岩气流通的管道^[32-33]。

通过对长塘乡(CTX)、大水田(DST)、衫木湾(SMW)、岩子潭(YZT)和石牛乡(SNX)等地的4件样品覆压孔渗进行测定(仪器为AP-608覆压孔渗仪 KFSY/T08-055)发现：页岩地表孔隙度分布在3.42%~10.86%之间；当拟合曲线趋于稳定时，渗透率为(0.003~0.015)×10^-3 μm²，平均为0.005×10^-3 μm²；四川盆地龙马溪组孔隙度峰值区间为0.77%~11.9%，平均为6.99%，渗透率为(0.001~0.008)×10^-3 μm^{2 [34-35]}，表明研究区页岩物性与页岩气发现区龙马溪组的相当。综上所述，湘中地区烟溪组页岩的微孔隙发育，孔隙度较高，是页岩气吸附能力较强的储层。祁东马杜桥乡烟溪组黑色页岩显微孔隙发育特征见图7，湘中地区烟溪组页岩覆压孔渗曲线拟合图见图8。

图7  祁东马杜桥乡烟溪组黑色页岩显微孔隙发育特征

Fig. 7  Microscopic pore characteristics of O₂y in Maduqiao of Qingdong County

图8  湘中地区烟溪组页岩覆压孔渗曲线拟合图

Fig. 8  Relation curves of porosity-permeability and pressure gradient in different stress difference of O₂y in cenral Hunan

5  结论

1) 湘中地区中奥陶统烟溪组黑色碳质页岩分布广泛，有效厚度大，有机质丰度较高，达2.23%，镜质体反射率平均为3.15%，具有很大的探勘潜力，是南方地区页岩气勘探的新层系。

2) 页岩样品干酪根碳同位素组成δ(¹³C)为-32.4‰~-30.2‰，平均为-31.4‰，属Ⅰ型干酪根。有机质主要来源于菌类或藻类堆积物，生气能力强。烟溪组黑色页岩脆性矿物质量分数高达47%~87%，孔隙度分布在3.42%~10.86%之间，平均值为7.30%。孔隙类型以粒间孔和有机质孔为主，孔径为0.1~4.9 mm，微孔隙发育，有利于页岩气的富集。

3) 湘中地区中奥陶统烟溪组黑色页岩的发现打破了雪峰山东侧前泥盆系为变质基底的观念，丰富了南方下古生界海相页岩气勘探层位。综合考虑页岩的厚度、有机地化特征、特性等条件，新宁—祁东—宁远等地为烟溪组页岩气勘探的有利区带。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2017-11-15；修回日期：2018-01-22

基金项目(Foundation item)：中国地质调查局地质调查项目(DD20160183)；湖南省自然科学基金资助项目(2017JJ1034) (Project(DD20160183) supported by the China Geological Survey Bureau; Project(2017JJ1034) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province)

通信作者：郭建华，教授，博士生导师，从事层序地层学及储层地质学研究：E-mail: gjh796@csu.edu.cn