刘思逸等：四川盆地五峰—龙马溪组黑色页岩有机岩石学特征研究

（1.中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083；2.中国石化勘探分公司,四川 成都 610041；3.国家地质实验测试中心,北京 100037）

摘    要

   目前五峰—龙马溪组黑色页岩中显微组分缺乏统一的分类方案,命名也较为混乱,给页岩气勘探与评价造成了困难。为此,采用全岩光片和有机地球化学(TOC、δ13Corg)分析等方法,对四川盆地五峰—龙马溪组黑色页岩中显微组分进行有效识别与特征总结,探讨其可能成因,并判断其有机质类型。研究结果表明:五峰—龙马溪组页岩中显微组分主要由海相镜质组、腐泥组、动物有机碎屑组和次生组组成。其中,海相镜质组由无结构镜质体组成,呈浑圆状或长条状,具有强的光反射能力,但分布并不广泛;腐泥组主要由无结构腐泥体组成,为藻类遭受热降解过程而形成的无结构且无固定形态的显微组分,在富有机质页岩中广泛分布;动物有机碎屑组主要包括笔石表皮体、几丁虫和放射虫有机碎屑体;次生组由次生沥青体组成,广泛分布在页岩基质孔隙中,呈无固定形状。五峰—龙马溪组页岩中主要发育腐泥组和次生组,其次为动物有机碎屑组和海相镜质组,其有机质类型以Ⅰ-Ⅱ1型干酪根为主,且腐泥组和次生组含量越高,有机质类型越好,其生烃潜力越大。

关键词

显微组分; 有机质类型; 有机碳同位素; 页岩气

0 引    言

  四川盆地上奥陶统—下志留统五峰—龙马溪组发育了一套富含笔石的黑色页岩,是我国页岩气勘探与开发的主要目的层[1⇓⇓⇓-5]。黑色页岩中有机质的赋存与类型不仅决定了生烃的总量,也与页岩孔隙度、孔隙结构演化和含气性密切相关[3,6⇓⇓⇓ -10]。页岩气勘探实践表明,五峰—龙马溪组页岩中发育有大量的有机质孔,可以为页岩气商业开采提供最重要的支撑[2,9]。然而不同类型有机质中孔隙发育的情况存在较大差异[8,11 -12],因此研究五峰—龙马溪组黑色页岩中不同的有机质组成对页岩孔隙演化与含气性评价十分重要。

  有机岩石学观察是直观认识页岩中复杂有机质组成最直接且重要的手段[7,12⇓⇓⇓⇓⇓ -18]。但是,五峰—龙马溪组页岩经历了漫长的热演化历史,目前处于高-过成熟热演化阶段,原始的有机母质已经遭受了强烈的热降解作用,一些显微组分已经很难识别出来[13,15,19]。尽管目前已有不少学者对五峰—龙马溪组页岩进行了有机岩石学研究,并提出显微组分划分方案,但是尚无统一的分类标准,命名也十分混乱[11-12,15 -16,20]。因此,本文通过对四川盆地五峰—龙马溪组页岩的显微组分进行观察与识别,总结每一类显微组分的显微特征,进而判断其有机质类型,为四川盆地五峰—龙马溪组页岩气的勘探与开发提供一定的科学指导。

1 区域地质背景

   四川盆地位于扬子地台西北缘,面积约19×104 km2。早奥陶世晚期—志留纪,受板块汇聚作用的影响,四川盆地处于挤压应力环境,属于克拉通内挤压坳陷盆地,克拉通边缘普遍挤压隆升,形成川中古隆起、黔中古隆起和江南古隆起,四川盆地演化为受隆起分隔围限的盆地格局,并逐渐由早中奥陶世时期的浅水广阔海转变为晚奥陶世的局限海环境[2]。受构造运动和海侵作用的影响,上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组沉积了一套较稳定的黑色页岩,厚度为30~120 m,主要分布在深水陆棚相中[1-2]。五峰—龙马溪组优质页岩段(TOC>2%)一般发育于五峰组和龙马溪组底部[1]。

2 样品与实验方法

  本次研究共采集四川盆地三口钻井(PS1井、DY5井和JY4井)中五峰—龙马溪组页岩样品16个(图1),样品的具体信息见表1。将所有页岩样品切割成两部分,分别用于全岩光片制备和有机地球化学测试。

   首先,将所有样品均垂直于层面进行切割,并置入环氧树脂冷凝固化,再进行研磨和抛光,样品制备在中国石油大学(北京)进行;其次,在Zeiss Axio Scope A1显微镜反射光油浸50倍物镜下进行显微组分观察,并对不同显微组分进行观察和识别;最后,每个样品随机采集20张有机岩石学图片,并利用Image-Pro Plus图像分析软件计算各类显微组分的面孔率,并统计不同显微组分的相对含量占比。

   沥青随机反射率测定采用CRAIC 20/20 PVtm全光谱显微分光光度计进行。随机反射率在油浸单偏反射光条件下进行,采用50倍物镜进行观察和测量,反射率值通过光学黑(0)和立方氧化锆石(Cubic-Zirkonia)标样(3.12%)来进行校正,样品的测量点数大部分为20~50个,具体实验结果见表1。有机岩石学实验均在国家地质实验测试中心完成。

2.2 有机地球化学测试

 首先,所有页岩样品在玛瑙研钵中粉碎至200目;其次,将粉末样品进行稀盐酸处理,去除其中的碳酸盐组分,获得不含碳酸盐矿物的残余物;最后,将残余物在LECO CS230碳硫分析仪和Finnigan MAT 253同位素质谱仪进行分析测试,获得页岩样品的总有机碳含量(TOC)和有机质碳同位素组成(δ13Corg),具体实验结果见表1。该项实验在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成。

3 有机岩石学显微特征

3.1 显微组分分类

  奥陶纪—志留纪时期,地球上陆生植物尚未广泛发育,因此五峰—龙马溪组黑色页岩中有机质母质均来源于低等生物,如浮游藻类、浮游动物和细菌等[13]。这些低等生物有机质遗体极易在沉积和埋藏过程遭受降解作用,其生物形貌和组织结构特征难以完整保存,特别是五峰—龙马溪组黑色页岩中沥青随机反射率(BRo)范围为2.73%~3.30%,其等效镜质体反射率(EqVRo)为2.83%~3.38%(表1),处于高-过成熟热演化阶段[16,20⇓ -22],有机组分已经遭受了强烈的热降解过程,加之这些显微组分形体小、含量低,给黑色页岩显微组分的识别与分类带来巨大挑战。

   由于五峰—龙马溪组页岩气的商业开采,大量学者对该套页岩的有机岩石学进行了研究,并取得了一系列成果。一些学者将五峰—龙马溪组页岩中有机质笼统地划分为沉积有机质和迁移有机质[11],或笔石和沥青[20]。也有一些学者为了研究五峰—龙马溪组页岩的有机质成熟度,从该套页岩中识别出了笔石、镜状体和沥青[16,21 -22]。陶树等将中上扬子地区中组合为高-过成熟烃源岩的显微组分划分为藻类组、腐泥组、动物有机组和热变组(次生组)[15]。钟宁宁和秦勇对我国古生界碳酸盐岩显微组分进行了十分系统的研究,将显微组分划分为三大类:即外源类(陆源的)、内源类(海相的)和次生类(成岩的),并对每一类显微组分进行了细分[13]。本文主要参考钟宁宁和秦勇提出的分类方案[13],并根据研究区黑色页岩中可识别的显微组分,提出以下分类方案(表2)。五峰—龙马溪组页岩中缺乏外源类显微组分,仅发育内源类和次生类显微组分。内源类显微组分可以划分为海相镜质组、腐泥组和动物有机碎屑组,次生类显微组分主要由次生组组成。

3.2 显微组分基本特征

3.2.1 海相镜质组

   Buchardt和Lewan最早在研究Alum页岩时提出了类镜质体(vitrinite-like)这一名词,并对其进行了特征描述,发现该显微组分轮廓清晰鲜明,两端常呈棱角状,部分似颗粒状,表面光滑,反射光下光性特征与镜质体相似,在成熟度不高时透射色也与镜质体类似[24]。其后,中国学者也在早古生代海相页岩发现了这种透镜状、条带状且结构均一的类似镜质体的显微组分[7,25],并称之为镜状体[21,26]或海相镜质体(marine vitrinite)[13-14]。

   钟宁宁和秦勇将海相镜质组划分为三类:结构海相镜质体、无结构海相镜质体和碎屑海相镜质体[13]。但是,五峰—龙马溪组黑色页岩处于高-过成熟热演化阶段,仅观察到了无结构海相镜质体(图2)。根据无结构海相镜质体的形态特征,五峰—龙马溪组页岩中主要发育两种海相镜质体:第一种呈浑圆状、边缘清晰,具有较强的光反射能力,内部结构较均一,表面光滑,多呈孤立状分散于页岩基质中(图2(a))。仰云峰称之为沥青A[20]。第二种呈透镜状或条带状,两端呈棱角状,边缘较清晰,有时边缘也呈絮状,具有较强的光反射能力,表面呈弱微粒化,且此种海相镜质体长轴方向多与页岩层面平行(图2(b))。总体而言,海相镜质组在五峰—龙马溪组页岩中并不广泛发育。

(a)海相镜质体呈浑圆状、孤立分布,页岩矿物晶间孔中充填大量次生沥青体(样品DY5-03);(b)中部海相镜质体呈条带状、顺层发育,上侧边缘清晰,下侧边缘呈絮状(样品DY5-04)

 关于海相镜质体的成因,目前主要存在三种观点。第一种是由各种类型动物有机碎屑和固体沥青组成,仅光性上类似于镜质体[27]。Petersen等认为Alum页岩中海相镜质体颗粒可能是笔石的碎片[28]。第二种是它来源于藻类或细菌残体及其降解产物热解成烃后的原地残留物[26,29]。第三种是形成于海相藻类、细菌等生物中纤维素的凝胶化作用[30]。从形态上观察,浑圆状海相镜质体可能属于某类浮游动物的有机碎屑;条带状海相镜质体可能与海相低等生物(尤其是藻类)的腐殖化作用有关,且在埋藏过程中遭受微生物降解和热降解,在海相镜质体边缘形成莓球状黄铁矿,絮状边缘可能也与热降解作用生排烃有关(图2(b))。这种条带状海相镜质体也在古生界—前寒武系页岩中广泛发育[18,31]。

3.2.2 腐泥组

  腐泥组主要是由浮游藻类等低等植物在厌氧菌的参与作用下经腐泥化作用而形成的显微组分[13]。藻类物质内部的生物结构会由于腐泥化作用的不断加深而逐渐消失,变成只具有藻类轮廓的团块,团块也可能会进一步发生降解,破碎成碎屑状态,经成岩作用转变成腐泥组[13]。一般而言,腐泥组具有最强的生烃能力,在热成熟的作用下,腐泥组会形成大量的烃类物质,一部分烃类物质会被排出,另一部分烃类物质会滞留于页岩孔隙中,尤其是一些重质烃类组分会滞留在页岩孔隙空间中,并逐渐转化为次生沥青[19]。

  四川盆地五峰—龙马溪组黑色页岩总体处于高-过成熟热演化阶段,具有生物结构的藻质体已经很难被观察到,大部分藻类已经热降解为无结构且无固定形态的显微组分,即无结构腐泥体[13]。五峰—龙马溪组页岩中主要发育两种无结构腐泥体:第一种腐泥体容易与黏土矿物相互混杂在一起,呈无定形的团块状,内部破碎杂乱,反射光呈灰白色,有机质表面较粗糙(图3(a));第二种腐泥体的藻类前身物可能已经完全遭受热降解,但整体仍呈现出十分模糊的轮廓,细小有机质与细粒矿物基质(可能为黏土矿物)密切伴生,生成的烃类物质充填于邻近的晶间孔中,呈无定形状,表现出次生沥青的特征(图3(b))。这种腐泥体反射光呈灰白色至灰黄色,部分内部呈微粒化。总体而言,无结构腐泥体在五峰—龙马溪组页岩中大量分布,一般页岩的有机质含量越高,这类显微组分的比例也越高。

(a)腐泥体呈无定形状的团块,边缘不清晰,内部含有大量的黏土矿物。页岩孔隙空间中发育有大量的次生沥青(样品JY4-05);(b)腐泥体呈无定形状,仅可见大致的轮廓,与周边矿物基质中在矿物和有机质发育特征上存在明显差异;腐泥体内部由大量细小的有机质和黏土矿物组成,还可见少量粒径较大的次生沥青,呈无定形状(样品PS1-03)

3.2.3 动物有机碎屑组

   动物有机碎屑组指光学可见的各类动物有机体的碳化残余[13]。金奎励等将其命名为动物有机体,并细分为动物碎屑体和动物软体[32]。陶树等将其命名为动物有机组,并细分为动物皮层体和虫颚体[15]。这类显微组分在古生界页岩中广泛存在[33]。在五峰—龙马溪组页岩中,可以识别出来的动物有机碎屑组主要包括:笔石表皮体、几丁虫和放射虫有机碎屑体(图4)。

(a)破碎状粒状笔石表皮体(样品JY4-07);(b)非粒状笔石表皮体,呈现长条状、破碎状,内部可见圈层状纺锤层(样品PS1-02);(c)大量破碎的非粒状笔石表皮体碎片似乎顺层叠置,内部可见清晰的纺锤层结构(样品JY4-07);(d)非粒状笔石表皮体腔体内部被严重黄铁矿化,发育大量的莓球状黄铁矿,笔石表皮体具有强烈的光学各向异性(样品JY4-30);(e)几丁虫壳壁体由口管、腔体和尾端组成(样品PS1-03);(f)几丁虫壳壁体碎片顺层分布(样品PS1-02);(g)放射虫由腔体内部的有机质和石英环边组成,呈圆形,内部有机质呈细粒状,与微晶石英相伴生(样品PS1-02);(h)破碎的放射虫碎片,内部有机质具有圈层状生长纹,内部有机质呈细粒状,与微晶石英相伴生(样品PS1-03)

3.2.3.1 笔石表皮体

   笔石动物是一种存在于中寒武世至早石炭世的海洋漂浮生物,由胎管和胞管组成,二者的不同连接组合构成笔石的多种枝状形态[34],其分泌的外骨骼被称为笔石体。笔石体外表皮的抗降解能力较强,易于保存,且在全球范围内古生界页岩中广泛发育[17,33,35],特别发育于奥陶系和志留系的页岩中[16-17,36]。

  笔石表皮体也是五峰—龙马溪组页岩中最常见的显微组分,与页岩气形成演化存在成因上的联系[37](图4(a)—(d)),它主要由笔石体的囊壁所形成,显微镜下可分为粒状笔石表皮体和非粒状笔石表皮体,其中以非粒状表皮体为主(图4(a)—(d))。粒状笔石表皮体主要呈长条状,且常发生破碎,呈碎屑状,具有微粒结构,表面粗糙,具有一定的光学各向异性(图4(a))。非粒状笔石表皮体也呈现为长条状、碎屑状(图4),也有部分呈片状,其多样的形貌特征可能与切片方向不同有关[16]。非粒状笔石表皮体内部结构均一,表面较光滑,部分笔石表皮体内部可见清晰的环带状纺锤层(图4(b)和(c)),具有一定的光学各向异性,表现出波状消光的特征(图4(b)—(d))。笔石表皮体内部也经常可见大量的莓球状黄铁矿(图4(d)),这可能与埋藏过程中遭受细菌的降解作用有关[38]。此外,笔石表皮体存在闭合或不闭合的压扁环状(图4(c)),推测其为笔石囊壁腔体,腔体内部的软体组织被细菌降解之后,发生黄铁矿化,残留腔体中的有机质与长条状笔石表皮体特征相似。

3.2.3.2 几丁虫壳壁体

  几丁虫壳壁体由几丁虫的有机质空心囊壁所形成[13]。五峰—龙马溪组页岩中发育有少量的几丁虫壳壁体,主要见于五峰组页岩中。显微镜下,完整的几丁虫壳壁体包括口管(Oral tube)、腔体(Chamber)和尾端(Appendices)(图4(e))。但是,在上覆地层的压实作用下,几丁虫的腔体可能会消失,呈现出长条状,中间仍可见接触线(图4(f))。几丁虫壳壁体内部结构较均一,具有较强的反射光能力,且具有一定的光学各向异性,与非粒状笔石表皮体光性特征相似,表现出波状消光特征。

3.2.3.3 放射虫有机碎屑体

   放射虫属于一种低等浮游动物,具有硅质外壁,经常可见于五峰组和龙马溪组下部硅质页岩和硅质岩中,被认为是华南地区五峰—龙马溪组富有机质硅质页岩中石英的主要来源[39]。放射虫有机碎屑体多呈圆形或碎片状,且被石英矿物所环绕(图4(g)和(h))。其内部有机质呈细粒状,扫描电镜揭示为细粒状有机质与大量微晶石英相伴生[39],为生物石英成岩作用的产物。

3.2.4 次生组

   沉积有机质被埋藏之后,在地温、压力或构造应力等因素的作用下发生歧化反应,生成结构、形态及产状等方面完全不同于原生显微组分的新的显微组分,称之为次生组[13],页岩中主要发育次生沥青体。次生沥青体在古生界及前寒武系页岩及储层中广泛发育[18,40⇓ -42]。但是,页岩中的次生沥青体具有很多命名,例如:陶树等称之为碳沥青体,并根据其产状特征,将其细分为同层沥青和储层沥青[15];罗情勇等称之为源内次生固体沥青[16];仰云峰称之为沥青B[20];Cardott等称之为后油沥青(post-oil solid bitumen)[40];部分学者也将其命名为微粒体,即细粒状的(直径在1 μm左右)次生颗粒[7,43]。从成因上来说,它们都属于干酪根裂解生油或者滞留油裂解后残留在页岩孔隙空间中的固体沥青。

   次生沥青体缺乏具体的形貌特征,其形貌完全取决于赋存孔隙空间的形状,故常呈多边形状(图5(a))、团块状、带状(图5(b))、长条状(图5(c))和不规则状(图5(d))等。显微镜下,次生沥青体反射光的能力较笔石表皮体弱,表现出灰白色、灰黄色,反射率偏低,BRo值为2.73%~3.30%,具有一定的光学各向异性(图5(a))。但是,部分次生沥青具有明显的粒状镶嵌结构,表现出强烈的光学各向异性,这与储层中固体沥青的光学性质十分相似[41],可能与沥青中间相球体演化密切相关。另外,在五峰—龙马溪组页岩和基质中均可见粒径细小的、分散状的次生沥青体,可称之为“基质分散状沥青体”,即所谓的“微粒体”,它们或少量分布(图5(b)),也可以大量集中分布(图5(d))。在一些有机质含量较高的页岩中,这些大量分散状、无定形状的次生沥青体可呈现出弱的定向性,可能顺层分布(图5(d))。这种次生沥青体可能为腐泥组(特别是藻质体)热降解生烃后的残留物和次生沥青的混合物。

(a)次生沥青充填于矿物晶间孔中,呈多边形状(样品PS1-03);(b)次生沥青赋存于矿物(可能为自生石英)所包裹的孔隙空间中(中部半圆指示),呈团块状,内部显示出明显的粒状镶嵌结构;部分次生沥青赋存于刚性矿物骨架边缘的孔隙空间中(右侧圆圈指示)(样品DY5-10);(c)次生沥青赋存于层状黏土矿物的格架孔中(样品PS1-18);(d)次生沥青呈分散状赋存于页岩基质中,依稀可见呈条带状,顺层发育(样品DY5-01)

4 有机质类型

  由于五峰—龙马溪组页岩样品处于高-过成熟度阶段(表1),遭受过强烈的热降解过程,其中腐泥组与次生组在一定情况下难以清晰分辨。通过统计五峰—龙马溪组页岩中腐泥组+次生组、动物有机碎屑组、海相镜质组的相对含量(表3),以这三者为端元进行统计分析,结果显示,众多样品都靠近腐泥组+次生组端元,其相对含量通常大于50%(图6),有机质类型应为Ⅰ型干酪根,生烃潜力大;页岩样品中动物有机碎屑组端元的相对含量变化较大,处于5% ~ 50%(图6),这与页岩中笔石表皮体的分布密切相关。笔石表皮体在扫描电镜下并不发育有机质孔隙[8,11],其性质可能类似于Ⅲ型干酪根,具有一定的生气潜力;页岩样品中海相镜质组的相对含量较低,最高为15.5%(图6,表3),且其性质类似于镜质体,具有有限的生气能力,被认为是Ⅲ型干酪根[13-14]。根据有机质显微组分原始母质种类为依据,本次研究的页岩样品原始有机质类型均为腐泥型(Ⅰ-Ⅱ1)干酪根[44]。由于目前尚无全部以低等生物为生源母质的早古生代烃源岩有机质类型指数的计算方法[15],而且多数有机地球化学指标已经在高-过成熟阶段失去了对比意义,因此,有机质类型划分难以进行量化描述。

A.腐泥组+次生组;B.动物有机碎屑组;C.海相镜质组

   由于干酪根碳同位素(δ13Corg)在热演化过程中的分馏效应不显著,被认为可以用于有机质类型划分[15,44 -45]。Schoell研究了中欧地区众多盆地干酪根碳同位素特征,发现了如下规律:Ⅰ型干酪根的δ13C值一般小于-28‰,过渡型干酪根的δ13C值为-28‰~-25‰,Ⅲ型干酪根的δ13C值大于等于-26 ‰[45]。黄籍中提出了更为详细的标准:Ⅰ型干酪根的δ13C值小于-30 ‰,Ⅱ1干酪根的δ13C值为-30‰~-28‰,Ⅱ2型干酪根的δ13C值为-28‰~-26‰,Ⅲ型干酪根的δ13C值大于等于-26‰[46]。在本次研究中,页岩样品的δ13Corg值与腐泥组+次生组相对含量之间呈中等负相关性(图7(a)),而与动物有机碎屑组相对含量之间呈中等正相关性(图7(b)),表明δ13Corg值明显受到了显微组分的影响,因而δ13Corg值可以用于有机质类型划分。本次研究主要采用黄籍中对烃源岩有机质类型的评价标准[46],可以发现五峰—龙马溪组页岩样品的δ13Corg值绝大多数小于-30‰(表1),显示有机质类型以Ⅰ-Ⅱ1型干酪根为主,这与上文的有机岩石学研究结果大体一致。此外,五峰—龙马溪组页岩的腐泥组+次生组相对含量与TOC之间呈弱的正相关性(图7(d)),表明腐泥组和次生组对页岩的有机质组成具有重要贡献;而且样品页岩的δ13Corg值与TOC值呈很好的负相关关系,表明有机质含量越高,有机质类型越好,而动物有机碎屑组含量越高,有机质类型越差。此外,五峰—龙马溪组页岩的δ13Corg与TOC值呈较好的负相关关系,表明样品页岩中有机质含量越高,有机质类型也越好,生烃潜力也越大(图7(c))。

图7   四川盆地五峰—龙马溪组页岩中显微组分的相对含量与有机地球化学参数的交汇图(a)δ13Corg与腐泥组+次生组相对含量关系;(b)δ13Corg与动物有机碎屑组相对含量关系;(c)δ13Corg与TOC关系;(d)腐泥组+次生组相对含量与TOC关系

5 结 论

(1)四川盆地五峰—龙马溪组页岩中显微组分主要包括内源类和次生类显微组分。其中,内源类显微组分由海相镜质组、腐泥组和动物有机碎屑组组成,次生类显微组分主要由次生组组成。海相镜质组由无结构海相镜质体组成,呈浑圆状或长条状,具有强的光反射能力,但分布并不广泛;腐泥组主要由无结构腐泥体组成,为藻类遭受热降解过程而形成的无结构且无固定形态的显微组分,在富有机质页岩中广泛分布;动物有机碎屑组主要包括笔石表皮体、几丁虫和放射虫有机碎屑体;次生组由次生沥青体组成,广泛分布在页岩基质孔隙中,呈无固定形状。

(2)四川盆地五峰—龙马溪组页岩中主要发育腐泥组和次生组,其次为动物有机碎屑组和海相镜质组。其中,腐泥组和次生组生烃潜力大,类似于I型干酪根;而动物有机碎屑组和海相镜质组仅具有有限的生气能力,类似于Ⅲ型干酪根。五峰—龙马溪组页岩有机质类型以Ⅰ-Ⅱ1型干酪根为主,腐泥组和次生组含量越高,有机质类型越好,其生烃潜力越大。