牛蹄塘组页岩矿物的成因类型及其地质指示意义_张慧.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY shale mineral; genetic type; geological indication significance; SEM 南方扬子板块下古生界牛蹄塘组包括相当层位 海相页岩是我国页岩气勘探的重要层系之一，近年南 方多省市均实施了勘探钻孔，已在页岩的有机地球化 学、全岩矿物定量、有机质成熟度、储层物性等方面 取得了比较丰富的资料，而页岩组成矿物的成因识别 与研究则比较欠缺。这是因为页岩主要由微米级–纳米 级矿物组成，光学镜下岩石薄片鉴定难以获得成因依 据，常用的 X 衍射法可以分析出矿物的相对含量，但 无法判断矿物成因，故判断页岩矿物成因，最有效的 手段是扫描电镜[1]。近年，已有学者从地球化学[2]、生 物化学[3]、矿物阴极发光[4]等方面研究南方下古生界海 相页岩中的石英和硅质，取得了新认识。本文在场发 射扫描电镜下，通过观测矿物单体与集合体形貌、赋 存形式及其与有机质的接触关系等特征，获得了判断 页岩矿物成因的形貌标志，同时研究不同成因矿物的 地质指示意义和对页岩储层质量的影响，并为确定页 岩气勘探甜点层位提供岩石矿物学微观依据。 1 样品采集与研究方法 本文是多省市样品观测结果的归纳和提炼。 ChaoXing 62 煤田地质与勘探 第 46 卷 样品主要取自南方下古生界下寒武统Є1牛蹄塘组 贵州省、湖南省和相当层位安徽省荷塘组、重庆 市杨家坪组、 湖北省水井沱组、 云南省筇竹寺组等， 钻孔岩心为主，少量地表露头。 以常规岩石宏观描述、薄片鉴定、全岩矿物和 黏土矿物的 X 衍射定量分析等测试结果为基础，制 备页岩的自然断面不损伤、不破坏样品，在场发 射扫描电镜下充分揭示矿物的晶体形态及其相互接 触关系，结合能谱仪分析微区组成元素，从而鉴定 矿物并判断其成因[1]。 2 页岩矿物的成因类型与主要组成矿物 作为细粒碎屑岩，从成因上来讲，页岩组成 矿物的成因类型可分为 5 类，各成因类型的主要 矿物名称、形成阶段与赋存状态如表 1 所示，其 中陆源碎屑和自生矿物包括蚀变矿物和生物化 学矿物为主要成因类型，对页岩储层物性具有决 定性作用。 表 1 页岩矿物的成因类型与矿物名称 Table 1 Main mineral origin types and names of shale 成因类别 主要矿物成分 形成阶段与赋存形式 陆源碎屑 石英、长石、云母、岩屑、降落火山灰、结核、 胶体矿物、黏土矿物、微生物化石、生物碎屑 沉积阶段形成，颗粒状、长条形和片状矿物大体定向排列，形 成层理 自生矿物 石英、长石、方解石、白云石、菱铁矿、黄铁矿、 磷灰石、伊利石、伊蒙混层、高岭石、绿泥石、 胶体颗粒 成岩阶段形成，充填原生孔隙，胶结碎屑颗粒，蚀变矿物不同 程度的保留母体矿物轮廓，生物成因矿物具有生物结构特征 后生矿物 石英、方解石、白云石、微生物残体 与成岩期后的地层水活动关系密切，赋存于裂隙或孔缝 热液矿物 钡解石、重晶石、石英、闪锌矿、方铅矿、萤石、 其他热液矿物 形成于成岩期或成岩期后，由热液活动形成，充填孔隙和裂隙， 呈脉状、薄膜状、团窝状、依附状 表生矿物 石盐、石膏、硬石膏、芒硝、赤铁矿、针铁矿、 褐铁矿、胶凝颗粒等 地表或浅埋环境下形成，赋存于孔隙、裂隙或形成薄膜 同一页岩样品中，一种矿物可以有两种或三种成 因。同一矿物的多种成因是页岩组成矿物的共同特点。 从矿物晶体化学种类上来看， 页岩中有氧化物、 硫化物、 硅酸盐矿物、碳酸盐矿物、磷酸盐矿物、黏土矿物、非 晶质物质等，矿物成分比较复杂。此外富含有机质。 根据矿物对储层物性的影响，非常规油气领域 将页岩组成矿物分为脆性矿物包括石英、长石、方 解石、白云石、黄铁矿等和黏土矿物高岭石 K、 伊利石 I、伊蒙混层 I/S、绿泥石 C 等，全岩矿物与 黏土矿物含量一般通过 X 衍射方法进行定量分析。 以某钻孔牛蹄塘组为例图 1， 页岩的矿物组成 比较复杂， 矿物成分一般都有 10 多种， 石英、 长石、 黄铁矿、碳酸盐矿物为主要脆性矿物。黏土矿物以 伊利石为主图 2，有些层位伊利石质量分数为 100 。 牛 蹄 塘 组 页 岩 总 有 机 碳 质 量 分 数 为 0.110，变化范围比较大[1]，沥青质体反射率集 中在 23，属过成熟阶段[1,6]。 3 主要脆性矿物石英 由图 1 可知，石英是主要脆性矿物，其质量分 数为 3570，对页岩储层物性起决定性作用。石 英的成因有陆源碎屑成因、自生成因包括生物成 因、蚀变成因。除石英之外，其他脆性矿物长石、 黄铁矿、碳酸盐矿物质量分数一般为百分之几或百 分之十几，碎屑长石、云母类容易蚀变黏土化，黄 铁矿、 碳酸盐矿物均以自生成因为主。 下面重点讨论 主要脆性矿物石英的成因类型及其指示意义。 图 1 某钻孔牛蹄塘组页岩的组成矿物含量图 Fig.1 The mineral content of Niutitang ation shale in a borehole ChaoXing 第 2 期 张慧等 牛蹄塘组页岩矿物的成因类型及其地质指示意义 63 S蒙皂石；I/S伊蒙混层；I伊利石；K高岭石； C绿泥石； C/S绿蒙混层 图 2 某钻孔牛蹄塘组页岩的黏土矿物含量图 Fig.2 The clay mineral content of Niutitang ation shale in a borehole 3.1 碎屑石英 光学镜下，牛蹄塘组页岩样品中，陆源碎屑 石英质量分数为1030，粒径主要为2030 μm 表2。粉砂质页岩样品中碎屑石英含量高一些，多 为2030，炭质页岩和硅质页岩样品中碎屑石英 含量为10或更低。 碎屑石英在基质泥质中分散分 布，次圆状，分选好，基质支撑。 表 2 牛蹄塘组页岩样品的薄片鉴定结果 Table 2 The slice identification results of Niutitang ation shale 碎屑石英 样品 序号 岩石名称 质量分数/ 粒径/mm 1 含粉砂质含炭质页岩 10 0.03 2 含炭质粉砂质页岩 25 0.03 3 含炭质含粉砂页岩 15 0.020.04 4 含炭质粉砂质页岩 30 0.03 5 含炭质粉砂质页岩 30 0.020.05 6 含炭质硅质页岩 10 0.03 7 含粉砂含炭质硅质页岩10 0.03 8 含粉砂含炭质硅质页岩15 0.02 扫描电镜下，碎屑石英粒径范围为 530 μm， 1020 μm 者居多，5002 000 倍镜下即可分辨。碎 屑石英的形貌成因标志是有清晰的轮廓，在泥质中 呈离散状分布图 3a，周边常被黏土矿物环绕，表 面有时可见不同程度的溶蚀，有时可见重结晶石英 或硅质颗粒。碎屑石英在扫描电镜阴极发光镜下具 有强发光，单色阴极发光光谱一般有 2 个峰值，主 峰出现在 620650 nm 处，次峰出现在 420450 nm 处[2]。 与常规砂岩储层相比，页岩中碎屑石英含量少， 且相互不接触， 失去了骨架颗粒的支持作用， 故页岩 中基本没有粒间孔。 扬子地区早寒武世沉积具有阶段 性， 沉积环境有滨岸、 陆棚深水、 浅水、 斜坡等[3,5-6]。 碎屑石英含量较多时，指示浅水陆棚沉积环境或斜 坡，水体动荡较大，不利于浮游生物富集。 3.2 自生石英 牛蹄塘组下段富有机质页岩的主要矿物不是黏 土矿物，也不是碎屑矿物，而是自生石英[1]。四川 盆地龙马溪组也类似[2]， 美国 Barnett 页岩、 Woodford 页岩和 Marcellus 页岩中也有同样的特征[7-8]。J Schieber 等[9]对美国东部泥盆系页岩研究发现， 页岩 中几乎全部的石英都是在成岩过程中形成，与硅质 生物骨骼的溶解和再沉淀有关。 3.2.1 自生石英的物质来源与结晶 页岩成岩过程中，硅质的来源比较多，大量硅 的质量分数可高达 60以上[4]。硅质生物骨骼的溶 解、碎屑矿物长石、云母的蚀变、压溶作用、火 山灰的脱玻化作用、黏土矿物转化等均可以产生硅 质，且不同程度的结晶，形成大小不等的石英晶体。 化学沉淀作用、生物作用、蚀变作用等成因的石英 虽有各自的特征，但不是都能区分开，故本文统称 为自生石英。自生石英在扫描电镜阴极发光镜下呈 弱发光或不发光[2]。 化学沉淀成因的石英一般赋存于孔隙、裂缝等 空间条件好的部位，蚀变或黏土矿物转化伊利石化 形成的石英多赋存于母体附近或夹于伊利石片间。 页岩孔隙不发育，成岩过程中水文条件差，溶液活 动性弱， 化学沉淀和各种蚀变成因的石英数量不多， 对页岩性质和储层质量影响不大。 3.2.2 生物成因石英 牛蹄塘组页岩中自生石英主要源于生物成因。 其 晶形发育程度不一，有雏晶、半自形晶和自形晶，单 晶大小从 12 μm 到纳米级不等， 并常与有机质显微 组分为沥青质体交互共生图 3b，集合体呈微层状、 团窝状、 条带状。 常见有机质中包含着石英或硅质， 也可见到石英镶嵌于有机质中，二者紧密交织在一 起，具有火成岩[10]中的花岗结构、包含结构、镶嵌 结构、交织结构等，表现为明显的化学分异特征[11]。 石英与有机质虽交互共生，但成岩作用使得二 者之间产生缝隙，制备自然断面时，石英易脱落， 并在有机质中留下铸模孔，该铸模孔常保留石英的 六方晶体轮廓[1]。 ChaoXing 64 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 3 石英的成因类型及其赋存状态 Fig.3 The origin types of quartz and its occurrence state 生物成因的石英由细菌、 藻类等低等浮游生物[3] 在埋藏、成岩过程中溶解、结晶而形成，指示具有 稳定水体的深水陆棚沉积环境。牛蹄塘组自上而下 石英主要是生物成因的石英渐增，有机质随之富 集。根据实测数据，石英与总有机碳 TOC 含量图 4和页岩气含量图 5具有明显的正相关关系。此正 相关关系在龙马溪组也比较明显[2]。 当 TOC 质量分数小于 6.5时，牛蹄塘组页岩 脆性与石英和 TOC 含量呈正相关关系[12]。 石英含量 的增加对页岩储层具有直接的硬化作用，从而增加 其脆性，提高可压裂性。由此可见，生物成因石英 对页岩气勘探甜点具有很好的指示意义。 图 4 石英与总有机碳TOC含量的关系图 Fig.4 The relationship between quarts and TOC 图 5 石英与页岩气含量的关系图 Fig.5 The relationship between quarts and shale gas content 3.2.3 硅 质 牛蹄塘组有一些硅质页岩表 2， 硅质的物质来 源、成因、指示意义均与上述生物成因石英相同。 扫描电镜数万倍镜下，硅质表现为无定形颗粒状， 单体大小从微米级–纳米级，一般以集合体形式出 现。集合体呈团窝状、透镜体状图 3c、微层状与 泥质间层，集合体大小多为微米级。制样过程中硅 质颗粒脱落，在有机质上也常留下铸模孔。 很多情况下， 自生石英与硅质没有清晰的界限， 二者难以区分。有生物成因石英的部位或多或少都 有硅质和有机质，三者有紧密的交互共生的关系。 五峰组–龙马溪组页岩中生物成因硅质也很丰富， 且 与总有机碳呈较好的正相关关系[4]。 南方下古生界深水陆棚相页岩中普遍发育生物 成因的石英和硅质，现已从地球化学、生物化学、 矿物阴极发光等方面得到了印证[2-4]，本文在微米级 –纳米级尺度上观测矿物质与有机质的生长发育形 貌特征， 为石英和硅质的生物成因取得了直观依据。 牛蹄塘组下部富有机质页岩中，碎屑颗粒含量有限 小于 10，生物石英和硅质占绝对优势，属生物 化学岩类。 4 主要黏土矿物伊利石 扫描电镜下成因不同的黏土矿物，有不同的二 次电子形貌特征，便于进行成因识别。牛蹄塘组黏 土矿物有伊利石、伊蒙混层、绿泥石等图 2，其中 伊利石占绝对优势。该伊利石有陆源碎屑成因，也 有自生成因。 4.1 碎屑伊利石 陆源碎屑沉积伊利石的形貌标志是001晶面 总体上平行层面叠置，与层理方向完全一致，定向 堆积特征突出。在垂直层理的断面上，伊利石表现 为弯曲的薄片状，薄片大小为微米级，2 000 倍左右 的镜下即可分辨清晰。 碎屑伊利石基本不单体出现， 而是多个薄片定向叠置在一起。当含量较高时30 以上，碎屑伊利石便在垂直层理的断面上形成顺层 缝隙图 6a，使得页岩微米级层理发育。碎屑伊利 石也常围绕粉砂级碎屑颗粒分布，二者结合紧密。 碎屑伊利石和碎屑石英共生关系密切，以二者 为主要组成矿物的页岩，指示浅水陆棚或斜坡沉积 ChaoXing 第 2 期 张慧等 牛蹄塘组页岩矿物的成因类型及其地质指示意义 65 环境，一般总有机碳含量低。页岩的各向异性和韧 性会随碎屑伊利石含量的增加而增强，从而降低页 岩储层的可压裂性。 4.2 自生伊利石 成岩过程中形成的自生伊利石，有的来源于碎 屑长石、云母类矿物的蚀变，有的来源于蒙脱石或 伊蒙混层矿物的转变，也有成岩溶液的沉淀。由碎 屑颗粒蚀变而形成的伊利石多成片、成窝产出，比 较分散，母体矿物形貌特征有不同程度的残留。由 伊蒙混层矿物转变而形成的伊利石有时局部定向， 顺层理分布，有时与层理方向不一致。 自生伊利石与生物成因石英有共同之处，都与 有机质交互共生，在石英、硅质、有机质富集的部 位，多少都会有一些自生伊利石图 6b，有时也有 自生绿泥石，此处的伊利石和绿泥石从形貌上不易 区分，需要用能谱分析其化学成分。扫描电镜下常 可见到有机质中包含纳米级伊利石，或者伊利石层 片之间充填着有机质。自生伊利石可以单体出现， 不定向排列图 6c，大小比碎屑伊利石小 12 个数 量级，故需要在上万倍镜下方可分辨。 自生伊利石是古地温指示矿物，形成温度范围 为 150250℃，与成熟和过成熟有机质伴生[13]。牛 蹄塘组的自生伊利石与有机质反射率23[1,6] 表征的成岩程度一致。从镜下定性观测结果来看， 牛蹄塘组页岩中自生伊利石含量不多，而且分散分 布，排列无序，对储层物性影响不大。 图 6 伊利石的成因类型及其赋存状态 Fig.6 The origin types of illite and its occurrence state 5 热液成因矿物 牛蹄塘组下部页岩中发育热液矿物， 有钡解石、 闪锌矿、重晶石等图 1，图 7。钡解石与方解石属 同晶系，菱形，表面有溶蚀孔，钡Ba的质量分数 为 66.76；重晶石属正交晶系，晶形呈板状，图 7 中的重晶石依托于硅质， 故 Si 质量分数47.92高； 闪锌矿属硫化物，等轴晶系，晶体呈立方体，Zn 质 量分数高达 82.04。 热液矿物赋存于页岩孔缝中，有团窝状、细脉 状，也有附着于其他矿物的。因含重元素，二次电 子和背散射电子图像亮度都比较大，镜下很醒目， 便于寻找和识别。 钡解石和重晶石均富钡Ba元素，已有研究认 为 Ba 元素来源于海底火山或热液喷流沉积[14]，闪 锌矿也有类似的成因。 四川盆地下寒武统下部的灯笼 组也有热液矿物闪锌矿、方铅矿、萤石等[15]。已有 研究认为，热液活动有利于富有机质烃源岩形成[16]。 热液矿物指示地史上的古地热活动和热液交代作 用，该热液活动时间及其与牛蹄塘组有机质成熟度 的关系等问题，有待探讨。 6 结 论 a. 在研究方法上，制备页岩的自然断面，样品 原始形貌得以充分显现， 可以在微米级–纳米级上获 得较多鉴定矿物、判断矿物成因的形貌标志。 b. 牛蹄塘组的主要脆性矿物是石英，有陆源碎 屑和自生成因之分。细粉砂级碎屑石英的形貌成因 标志是有清晰的浑圆状轮廓，分散于泥质中，指示 浅水陆棚或斜坡沉积环境。自生石英以生物成因为 主，成因标志是与有机质交互共生，多为纳米级大 小，指示深水陆棚沉积环境，是高硅富碳优质烃源 岩的主要组成矿物，可作为页岩气勘探甜点层位的 预测依据。 c. 牛蹄塘组的主要黏土矿物是伊利石，也有陆 源碎屑与自生成因之分。碎屑伊利石的形貌成因标 志是001晶面平行层面叠置，在垂直层理的面上形 成顺层缝隙，页岩储层的可压裂性随着碎屑伊利石 的增加而降低。自生伊利石的成因标志是可以单体 出现，也可以是集合体，不定向排列，纳米级大小 为主，与有机质紧密共生，指示成岩程度高。自生 ChaoXing 66 煤田地质与勘探 第 46 卷 CKK 层 C 元素的含量；OKK 层 O 元素的含量；CaKK 层 Ca 元素的含量；BaLL 层 Ba 元素的含量；Matrix基质；SiKK 层 Si 元素 的含量；SKK 层 S 元素的含量；ZnKK 层 Zn 元素的含量；ZAF原子充数校正，吸收校正和荧光校正；Correction校正 图 7 钡解石、重晶石、闪锌矿及其能谱分析EDS结果 Fig.7 Barytocalcite, barite, blende and their analysis result by EDS 伊利石总体上含量不多，不足以对页岩储层物性造 成明显影响。 d. 从南方多省市下古生界海相页岩的微观观 测结果来看，牛蹄塘组页岩矿物的形貌成因标志、 成因类型及其地质指示意义在五峰组–龙马溪组层 系中也有类似的特征。 参考文献 [1] 张慧，焦淑静，李贵红，等. 非常规油气储层的扫描电镜研 究[M]. 北京地质出版社，2016. [2] 赵建华，金之钧，金振奎，等. 四川盆地五峰组龙马溪组含 气页岩中石英的成因研究[J]. 天然气地球科学，2016，272 377–386. ZHAO Jianhua，JIN Zhijun，JIN Zhenkui，et al. The genesis of quartz in Wufeng-Longmaxi gas shales ， Sichuan basin[J]. Natural Gas Geoscience，2016，272377–386. [3] 杨平，汪正江，谢渊，等. 黔北下寒武统牛蹄塘组烃源岩的生 物标志物特征和沉积环境[J]. 地球科学通报，2012，3111 1910–1921. YANG Ping， WANG Zhengjiang， XIE Yuan， et al. The biomarker characteristics and sedimentary environment of Lower Cambrian Niutitang ation source rock in northern Guizhou[J]. Geo- logical Bulletin of China，2012，31111910–1921. [4] 王淑芳，邹才能，董大忠，等. 四川盆地富有机质页岩硅质生 物成因及对页岩气开发的意义[J]. 北京大学学报自然科学 版，2014，503476–486. WANG Shufang， ZOU Caineng， DONG Dazhong， et al. Biogenic silica of organic-rich shale in Sichuan basin and its significance for shale gas[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pe- kinensis，2014，503476–486. [5] 刘忠宝，高波，张钰莹，等. 上扬子地区下寒武统页岩沉积相 类型及分布特征[J]. 石油勘探与开发，2017，44121–31. LIU Zhongbao，GAO Bo，ZHANG Yuying，et al. Types and distribution of the shale sedimentary facies of the Lower Cam- brian in Upper Yangtze area, south China[J]. Petroleum Explora- tion and Development，2017，44121–31. [6] 郭曼，李贤庆，张明扬，等. 黔北地区牛蹄塘组页岩气成藏条 件及有利区评价[J]. 煤田地质与勘探，2015，43237–43. GUO Man，LI Xianqing，ZHANG Mingyang，et al. Reser- voir-ing conditions and uation of favorabl area of shale gas in Niutitang ation in northern Guizhou[J]. Coal Geol- ogy Exploration，2015，43237–43. [7] LOUCKS R G，RUPPEL S C. Mississippian Barnett shale Lithofacies and depositional setting of a deep-water shale-gas succession in the Fort Worht basin, Tesas[J]. AAPG Bulletin， 2007，914579–601. [8] PAPAZIS P K. Petrographic characterization of the Barnett shale，Fort Worht basin[M]. TexasUniversity of Texas at Aus- tin，20051–142. [9] SCHIEBER J， KRINSLEY D， RICIPUTI L. Diagenetic origin of quartz silt in mudstones and implications for silica cycling[J]. Nature，2000，4066799981–985. [10] 孙鼐，彭亚鸣. 火成岩石学[M]. 北京地质出版社，1985. [11] 张慧， 李贵红， 晋香兰. 南方下古生界页岩中的有机质及其赋 存状态[J]. 煤田地质与勘探，2018，46151–55. ZHANG Hui，LI Guihong，JIN Xianglan. Organic matters and their occurrence state in Lower Paleozoic shale in south China[J]. Coal Geology Exploration，2018，46151–55. [12] 王濡岳，龚大建，丁文龙，等. 上扬子地区下寒武统牛蹄塘组 页岩储层脆性评价以贵州岑巩区块为例[J]. 地学前缘， 2016，23187–95. ChaoXing 第 2 期 张慧等 牛蹄塘组页岩矿物的成因类型及其地质指示意义 67 WANG Ruyue， GONG Dajian， DING Wenlong， et al. Brittleness uation of the Lower Cambrian Niutitang shale in the Upper Yangtze regionA case study in the Cengong block，Guizhou Province[J]. Earth Science Frontiers，2016，23187–95. [13] 张慧. 西北中生代煤系黏土矿物与煤变质关系[J]. 中国煤田 地质，1994，6444–48. ZHANG Hui. The relationship between the clay minerals and coal metamorphism of the Mesozoic coal measures in northwest China[J]. Coal Geology of China，1994，6444–48. [14] 吴朝东， 陈其英， 雷家锦. 湘西震旦寒武纪黑色岩系的有机 岩石学特征[J]. 岩石学报，1999，153453–462. WU Chaodong，CHEN Qiying，LEI Jiajin. The genesis factors and organic petrology of black shale series from the Upper Sin- ian to the Lower Cambrian southwest of China[J]. Acta Petrologica Sinica，153453–462. [15] 冯明友，强子同，沈平，等. 四川盆地高石梯磨溪地区 震旦系灯影组热液白云岩证据[J]. 石油学报， 2016， 375 587–598. FENG Mingyou，QIANG Zitong，SHEN Ping，et al. Evidences for hydrothermal dolomite of Sinian Dengying ation in Gaoshiti-Moxi area，Sichuan basin[J]. Acta Petrolei Sinica， 2016，375587–598. [16] 梁钰，侯读杰，张金川，等. 海底热液活动与富有机质烃源岩 发育的关系以黔西北地区下寒武统牛蹄塘组为例[J]. 油 气地质与采收率，2014，21428–32. LIANG Yu， HOU Dujie， ZHANG Jinchuan， et al. Hydrothermal activities on the seafloor and evidence of organic-rich source rock from the Lower Cambrian Nutitang ation, northwest- ern Guizhou[J]. Petroleum Geology and Recovery Efficiency， 2014，21428–32. 责任编辑 范章群 ChaoXing