南方下古生界页岩中有机质赋存状态及其成因_张慧.pdf

第 46 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.1 2018 年 2 月 COAL GEOLOGY organic matter; occurrence state; scanning electron microscope 以扬子地台为核心的南方早古生界海相页岩，具 有单层厚度大，发育层位多，分布面积广，热演化程 度高，页岩气资源丰富，后期改造强等特点[1]，是我国 页岩气研究和勘探开发的首选层系。近年已施工参数 井数百口，获得大量的勘探资料。重庆礁石坝大型页 岩气田的发现与快速高效和商业开发成功[2]， 极大地鼓 ChaoXing 52 煤田地质与勘探 第 46 卷 舞了页岩气产业界。页岩有机质的关注与研究是页岩 气勘探开发的第一要务，常用的研究途径和方法是有 机岩石学和有机地球化学[3-4]。笔者从有机岩石学的角 度，在场发射扫描电镜下，观测页岩有机质在微米级– 纳米级尺度上的形貌特征和赋存状态，由此探讨有机 质与矿物质的成因关系，加深对页岩生烃母质的认识。 1 样品采集与研究方法 样品采自四川、 重庆、 贵州、 湖南、 安徽等省市， 共计 20 多个剖面， 数百块页岩样品， 以钻孔岩心为主， 少量地表露头。以下志留统龙马溪组上奥陶统五峰 组、下寒武统的海相黑色页岩为研究对象。 页岩样品的基本情况见表 1，总有机碳TOC 质量分数为 0.1310.26，脆性矿物包括石英、 长石、 方解石、 黄铁矿等质量分数为 40.292.8， 黏土矿物质量分数为 7.254.6。 沥青质体反射率 为 1.53.21。 2 有机质的电子图像特征 扫描电镜下，主要通过电子图像的亮度、形貌、 化学成分由扫描电镜附件能谱仪获得等综合信息来 识别有机质[5]。 抛光面样品一般采用背散射电子信号， 有机质原子序数小于矿物质，背散射电子图像亮度最 小， 便于寻找与识别， 图 1 中的黑色区域即为有机质。 表 1 页岩样品的总有机碳含量、矿物含量及 反射率测试结果表 Table 1 Total organic carbon content, mineral content and reflectance of shale samples X衍射定量分析结果/地层组 总有机碳 数 脆性矿物 黏土矿物 沥青质体 射率 0.723.7057.869.0 22.142.2 2.383.21/2.46 下志 留统 龙马 溪组 0.613.3265.476.5 23.534.6 0.752.4658.474.1 25.941.6 上奥 陶统 五峰 组 0.893.4051.980.2 19.848.1 1.52.5 变马 冲组 0.131.7240.256.8 43.259.8 2.223.09 3.356.7765.492.8 7.234.6 2.502.85/2.75 0.3610.2656.882.6 17.443.2 2.292.42 0.663.3845.470.8 29.254.6 下寒 武统 牛蹄 塘组 0.106.2857.179.4 20.642.9 2.002.66 注表中数据 2.383.21/2.46 表示最小值最大值/平均值， 其他数据同。 注每张图片下的放大倍数为上机拍摄时的，不是目前图片的放大倍数，以下类同。 图 1 抛光面上有机质赋存状态 Fig.1 Occurrence state of organic matter on polished surface 自然断面上有较多的观测组分、矿物的形貌特 征，一般采用二次电子信号，有机质的二次电子图 像亮度通常小于周围的矿物质，常位于较低部位， 自身没有固定形态，属原生无形态组分，有机显微 组分为沥青质体，为重要的生烃母质[6-7]。图 2 中亮 度最小的低凹部位多为有机质，高倍扫描电镜下， 沥青质体表现为球粒结构图 2b[8]，表面常有矿物 质留下的挤压面或铸模孔图 2d图 2f。 页岩有机质的赋存状态具有多样性[9]，同一赋存 状态，在抛光面和自然断面上的表现有同有异，有些 ChaoXing 第 1 期 张慧等 南方下古生界页岩中有机质赋存状态及其成因 53 赋存状态在抛光面上特征清晰，有些赋存状态在自然 断面上更为明显。在识别有机质的基础上，根据有机 质与矿物质的接触关系，按样品制备类型，抛光面上 和自然断面上有机质的赋存状态描述如表 2 所示。 图 2 自然断面上有机质赋存状态 Fig.2 Occurrence state of organic matter on natural fracture surface 表 2 页岩有机质赋存状态及其基本含义 Table 2 The occurrence state of organic matter of shale and its basic meaning 样品类型 赋存状态 基本含义 条带状 有机质与矿物质交替沉积形成规模大小不等的条带 散块状 有机质局部富集成块状几十微米，分散于矿物质中 填隙状 有机质充填原生矿物质孔隙，胶结或浸染矿物质 抛 光 面 互裹状 有机质包裹矿物质或矿物质包裹有机质 交互状 有机质与自生矿物相间出现，交互共生，紧密结合 薄膜状 有机质以薄膜覆盖于矿物质表面，层面上多见 自然 断面 条带状 有机质与矿物质交替沉积形成条带，多顺层理分布 3 抛光面上有机质赋存状态 扫描电镜观测的抛光面与光学显微镜样品有相 似之处。光学镜下，有机质赋存状态有条带状、粒状、 凝块状、浸染状。张永刚等[10]通过显微荧光观测，将 烃源岩中有机质的赋存状态划分为分散、顺层富集、 局部富集斑块状和生物碎屑。这些描述与表 3 中抛 光面上有机质的几种赋存状态有较多相似之处。 3.1 条带状 条带状有机质图 1a 中的黑色条带，不完全连 续镜下多见，由有机质与矿物质交替沉积而形成。 条带宽度多为几微米，偶有几十微米，长短不等， 多弯曲不直。条带规模较大时，即形成纹层。条带 状有机质是常见的一种赋存状态，光学镜下、扫描 电镜下自然断面上均可见。 3.2 散块状 散块状有机质图 1b 中的不规则黑色块是有机 质局部沉积、富集的结果，块的大小为微米级，几 十微米者多见，与矿物质有比较明显的界限，形状 不规则，分布不均匀，与光学镜下描述的斑块状、 凝块状有机质相近。 3.3 填隙状 有机质充填原生矿物质孔隙，胶结或浸染矿物 质，常见被充填的孔隙有泥粒孔、顺层缝隙图 1c ChaoXing 54 煤田地质与勘探 第 46 卷 中顺层理分布的黑色线理为有机质、片间缝隙、层 间裂隙、粒边缝隙图 1d 中环绕矿物颗粒周边的黑 色为有机质等。填隙状有机质对矿物质有胶结作 用，有时与矿物质界限不清，其形成略晚于原生矿 物质。在自然断面上有时也可见到，但因有矿物质 的掩盖或遮挡，不如抛光面上多见且清晰。 3.4 互裹状 互裹状有机质与自生矿物关系密切[8]。常见有 机质被黄铁矿包裹， 图 1e 为三角形分布的黄铁矿中 间包裹有机质，包裹形式还有圆心状、环带状、不 规则状等，黄铁矿有时也被有机质包裹。图 1f 是有 机质包裹石英或硅质。有机质与矿物质相互包裹的 现象比较多见，二者形成似侵入岩浆岩中的包含结 构、环带结构[11]，体现了二者同源的共生关系。 4 自然断面上有机质赋存状态 自然断面上有机质的表现形式与样品的制取方向 紧密相关。在垂直层理的面上、层理面上、裂隙裂缝面 上常见的赋存状态可归纳为交互状、薄膜状、条带状。 4.1 交互状 有机质与自生矿物相间出现，交互共生，紧密 接触。与有机质交互共生的自生矿物有石英、黄铁 矿、伊利石、方解石，此外还有磷灰石、钠长石等。 图 2a 中亮度强的六方双锥、菱面体横断面为 自生石英，石英晶体之间的孔缝几乎全部被有机质 充填， 二者形成似花岗结构[11]。图 2b 显示有机质与 草莓状黄铁矿交织在一起，此处的有机质表现为球 粒结构，表面有黄铁矿脱落后留下的铸模孔。图 2c 显示弯曲片状伊利石分布于有机质中，伊利石有时 局部定向排列，尤其在条带状有机质中，二者有时 界限不清。图 2d 中亮度大的为方解石晶面，有机质 赋存于方解石解理缝，表面留有铸模孔。 与有机质交互共生的矿物晶体的共同特点是晶 形发育好或较好，晶粒细小，多为纳米级，需要放 大数万倍方可分辨。 秦建中等[12]根据扫描电镜观测结果，将有机质的 赋存状态归为 3 类① 有机质与硅质相伴生；② 有 机质与钙质相伴生； ③ 有机质与黏土相伴生。 吴朝东 等[13]在晚震旦世早寒武世黑色岩系中曾观测到自 生石英呈点尘状与有机质、黏土矿物混杂。这些观测 结果与本次描述都体现了有机质与矿物质同源于富 硅、富硫、富钙的浮游生物，二者均生成于生烃母质 热演化过程。 4.2 薄膜状 薄膜状有机质在层面上多见图 2e。交互状、 填隙状有机质在层面上也可以表现为薄膜状。因位 于层面上，薄膜状有机质中常混有较多的矿物质， 碳含量低于条带状、散块状有机质中的碳含量[4]。 4.3 条带状 在层面上，有机质常表现为条带状，一般平行 层理展布，规模大小不等。自然断面上的条带状有 机质中常可见到纳米级层状结构、球粒结构、裂纹、 碎块、铸模孔等细微结构图 2f，这些现象在抛光 面上不易见到。 5 有机质与矿物质的成因关系 上述有机质赋存状态是成因关系的直接体现。 页岩 作为细粒沉积岩，由陆源碎屑、自生矿物、有机质等组 成，依据有机质与各种矿物质的接触形式，将二者的成 因关系划分为同生关系、胶结关系、分异关系表 3。 表 3 页岩有机质与矿物质的成因关系 Table 3 Origin relationship between organic matter and mineral in shale 有机质相应的赋存状态 成因关系 基本含义 抛光面 自然断面 同生关系 有机质与矿物质同期或准同期沉积 条带状、散块状 条带状 胶结关系 有机质以胶结物的形式充填矿物质孔隙 填隙状 分异关系 有机质与自生矿物在成岩过程中发生化学分异，各自析出 封裹状 交互状 5.1 有机质与陆源碎屑的关系 有机质与陆源碎屑主要表现为同生关系和胶结 关系，体现了碎屑岩的特征。 同生关系形成于沉积阶段，二者以物理接触为 主， 形成条带状有机质或局部富集的散块状有机质。 胶结关系形成于沉积阶段或成岩初期阶段，有 机质初期降解阶段具有流动性，且有近距离运移， 以胶结物的形式充填原生矿物质孔缝。 5.2 有机质与自生矿物的关系 深水相页岩中的自生矿物多为化学或生物化学 成因。有机质与自生矿物相互封裹、交替出现，紧 密共生，构成了似侵入岩浆岩[11]的花岗结构、包含 结构、环带结构、交织结构等，充分反映了二者同 源，在生烃母质热演化过程中发生化学分异，各自 ChaoXing 第 1 期 张慧等 南方下古生界页岩中有机质赋存状态及其成因 55 析出晶出，形成分异关系。 6 结 论 a. 南方下古生界五峰组龙马溪组、下寒武统 两套海相黑色页岩富含有机质，扫描电镜下有机质 的背散射电子图像和二次电子图像亮度均小于矿物 质，便于识别与鉴定。样品制备方法不同，观测的 内容有别。抛光面上有机质的赋存状态有条带状、 散块状、填隙状、互裹状；自然断面上有机质的赋 存状态有交互状、薄膜状和条带状。 b. 条带状、散块状有机质与矿物质为同生关 系，填隙状有机质与矿物质为胶结关系，互裹状、 交互状有机质与矿物质为分异关系。有机质与陆源 碎屑矿物表现为同生关系和胶结关系，与自生矿物 表现为分异关系。 参考文献 [1] 张金川，姜生玲，唐玄，等. 我国页岩气资源类型及富集特点[J]. 天然气工业，2912109–114. 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