【摘要】：頁巖氣作為清潔高效的能源資源,我國正在加快推進(jìn)頁巖氣勘探開發(fā)。2012年JY1HF井在涪陵焦石壩構(gòu)造五峰組-龍馬溪組頁巖試獲高產(chǎn)工業(yè)氣流,試氣產(chǎn)量為20.3×10~4 m~3/d,發(fā)現(xiàn)了涪陵頁巖氣田,該頁巖氣田成為我國第一個工業(yè)性的頁巖氣勘探開發(fā)示范區(qū)。渝東地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演變歷史,有著復(fù)雜而特殊的頁巖氣形成和富集機(jī)制。根據(jù)勘探開發(fā)資料和已有研究,焦石壩區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖氣層壓力系數(shù)約為1.0-1.7,超壓的幅度與產(chǎn)氣量有良好的正相關(guān)性。五峰組-龍馬溪組頁巖氣層超壓是其具有長期有效封閉和保存條件的有利證據(jù),是焦石壩區(qū)塊頁巖氣富集高產(chǎn)的有利因素。頁巖氣保存和富集與超壓演化的關(guān)系如何是需要深入研究的科學(xué)問題,其基礎(chǔ)性研究問題之一是五峰組-龍馬溪組頁巖氣層古溫壓條件及相關(guān)信息載體的裂縫脈體成因研究。論文以渝東地區(qū)包括焦石壩區(qū)塊和彭水區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖裂縫充填的石英脈和方解石脈為研究對象,綜合運用礦物學(xué)、稀土元素和同位素地球化學(xué)、同位素年代學(xué)以及地質(zhì)流體的研究方法技術(shù),聚焦頁巖裂縫脈體形成的古流體來源、脈體形成時間以及流體包裹體捕獲古溫壓開展深入研究。通過重建頁巖裂縫脈體形成的溫度-壓力-成分-時間(P-T-X-t)過程,闡述頁巖裂縫脈體成因,成脈古流體來源判識和成脈流體活動及脈體形成時間,揭示頁巖裂縫脈體自生礦物流體包裹體捕獲的古溫壓條件與脈體形成時五峰組-龍馬溪組頁巖氣層古溫壓環(huán)境的關(guān)系,分析頁巖氣層古溫壓和古流體環(huán)境對頁巖氣富集與保存條件的影響。論文取得的研究成果和認(rèn)識如下:1、焦石壩區(qū)塊和彭水區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖裂縫脈體巖心觀察與顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),裂縫脈體礦物成分主要由方解石和/或石英組成,五峰組和龍馬溪組底部裂縫脈體礦物成分以方解石礦化為主,石英脈晚于方解石脈形成并分布在裂縫脈體的內(nèi)部,而龍馬溪組中段裂縫脈體的礦物成分以塊狀石英為主,常見純石英脈。2、通過多種地球化學(xué)手段對裂縫脈體的成脈流體來源和演化進(jìn)行研究。根據(jù)方解石脈的碳、氧、鍶同位素特征可將焦石壩區(qū)塊頁巖裂縫方解石脈劃分為兩組:龍馬溪組方解石脈和五峰組第(1)小層方解石脈,龍馬溪組方解石脈較五峰組第(1)小層方解石脈具有相對較低的δ~(13)C和δ~(18)O值,較高的~(87)Sr/~(86)Sr值;兩組方解石脈的稀土元素(REE+Y)配分模式大體相似,但在Eu異常、Y異常、Y/Ho值、La/Ho值等稀土元素特征參數(shù)存在差異:龍馬溪組方解石脈較五峰組第(1)小層方解石脈的Eu正異常程度相對較高,Y正異常程度相對較低,Y/Ho值相對較低,La/Ho值變化范圍較小。根據(jù)稀土元素特征可將焦石壩區(qū)塊頁巖裂縫石英脈劃分為兩類:第一類石英脈稀土元素配分模式表現(xiàn)為MREE相對于LREE和HREE富集的特征,具有明顯的正Eu異常(δEu=1.73~18.07)和正Y異常(δY=1.05~1.51),Y/Ho值相對較大(Y/Ho=32.05~38.50),La/Ho值變化范圍較小(La/Ho=2.68~31.39);第二類石英脈輕、重稀土元素分餾不明顯,配分曲線平緩,正Eu異常(δEu=1.0~1.55)和正Y異常(δY=0.96~1.20)特征不明顯,Y/Ho值相對較小(Y/Ho=25.19~28.95),而La/Ho值變化范圍較大(La/Ho=31.0~104.56)。龍馬溪組內(nèi)第一類石英脈和第二類石英脈的~(87)Sr/~(86)Sr值接近,并與宿主圍巖的~(87)Sr/~(86)Sr值一致,而五峰組第(1)小層內(nèi)第一類石英脈的~(87)Sr/~(86)Sr值比宿主圍巖的~(87)Sr/~(86)Sr值小,放射性~(87)Sr含量少。3、焦石壩區(qū)塊龍馬溪組方解石脈和五峰組第(1)小層方解石脈比晚奧陶世-早志留世全球海水(δ~(13)C_(PDB=)0±1‰~2±1.5‰)和實測的上奧陶統(tǒng)澗草溝組泥質(zhì)灰?guī)r(δ~(13)C_(PDB)=1.67~2.04‰)虧損δ~(13)C,可能的原因是有機(jī)碳被轉(zhuǎn)化成HCO_3~-,更多的~(12)C同位素進(jìn)入方解石脈的成脈流體中,說明五峰組-龍馬溪組頁巖方解石脈的成脈流體是含CO_2-和CH_4-的混合流體。龍馬溪組方解石脈和五峰組第(1)小層方解石脈的成脈流體的δ~(18)O_(SMOW)值主要分布于7.8‰~9.6‰,指示成脈流體源于在強(qiáng)烈水-巖反應(yīng)條件下演化的地層水。裂縫脈體的宿主圍巖礦物組分中斜長石的重溶和成脈流體溫度200℃使龍馬溪組方解石脈、五峰組第(1)小層方解石脈和第一類石英脈的成脈流體具有明顯的正Eu異常特征。Sr同位素組成特征指示龍馬溪組內(nèi)裂縫脈體的成脈流體主要源于宿主圍巖層內(nèi)流體,而五峰組第(1)小層內(nèi)裂縫脈體的成脈流體源于宿主圍巖層內(nèi)流體和下伏澗草溝組泥質(zhì)灰?guī)r層富鈣流體,澗草溝組富鈣流體混入到五峰組第(1)小層內(nèi),使五峰組第(1)小層方解石脈較龍馬溪組方解石脈具有較高的δ~(13)C和δ~(18)O值、較低的~(87)Sr/~(86)Sr值以及有區(qū)別的稀土元素特征參數(shù)。4、彭水區(qū)塊PY1井澗草溝組-五峰組方解石脈依據(jù)稀土元素特征和Sr同位素組成特征可分為三類:第一類方解石脈發(fā)育在五峰組上部富硅炭質(zhì)頁巖裂縫內(nèi),具有明顯的正Eu異常(δEu=1.94~5.98)和負(fù)Ce異常(δCe=0.61~0.97)特征,~(87)Sr/~(86)Sr平均值為0.720641,δ~(13)C_(PDB)和δ~(18)O_(SMOW)范圍分別為-0.6~1.0‰,17.0~18.0‰;第二類方解石脈發(fā)育在五峰組下部硅質(zhì)頁巖裂縫內(nèi),具有正Eu異常(δEu=1.28~1.52)和正Ce異常(δCe=0.99~1.26)特征,~(87)Sr/~(86)Sr平均值為0.720668,δ~(13)C_(PDB)和δ~(18)O_(SMOW)分別變化在-0.67~-0.9‰和17.6~17.7‰;第三類方解石脈發(fā)育在澗草溝組泥質(zhì)灰?guī)r裂縫內(nèi),具有明顯的負(fù)Eu異常(δEu=0.68~0.82)和正Ce異常(δCe=1.12~1.24)特征,~(87)Sr/~(86)Sr平均值為0.712791,δ~(13)C_(PDB)和δ~(18)O_(SMOW)值分別為0.1~0.3‰和16.4~17.0‰。五峰組上部富硅炭質(zhì)頁巖內(nèi)石英脈的稀土元素配分模式和Sr同位素組成與第一類方解石脈相似,具有明顯的正Eu異常(δEu=2.48~3.64)和輕微的負(fù)Ce異常(δCe=0.87~0.93)特征,初始~(87)Sr/~(86)Sr值為0.720691~0.721006。5、彭水區(qū)塊澗草溝組-五峰組裂縫脈體Sr同位素資料表明,五峰組內(nèi)第一類方解石脈、第二類方解石脈和石英脈的成脈流體Sr同位素不僅來源于宿主圍巖重溶出的Sr同位素,還受到源于上覆龍馬溪組頁巖層的高放射性陸源~(87)Sr的混入而向富集放射性~(87)Sr同位素遷移;澗草溝組內(nèi)第三類方解石脈的成脈流體Sr同位素主要來源于宿主圍巖泥質(zhì)灰?guī)r的Sr同位素。方解石脈和宿主圍巖的δ~(13)C值均處于晚奧陶世-早志留世全球海水的δ~(13)C_(PDB)(0±1‰~2±1.5‰)變化范圍內(nèi),但第二類方解石脈和第三類方解石脈的δ~(13)C值較宿主圍巖的δ~(13)C值略微偏負(fù),而且頁巖(δ~(13)C_(PDB)=-0.43~-0.30‰)較灰?guī)r(δ~(13)C_(PDB)=1.67~2.04‰)虧損δ~(13)C,結(jié)合Sr同位素特征,推斷源于五峰組上部-龍馬溪組富硅炭質(zhì)頁巖層內(nèi)虧損δ~(13)C流體混入到下伏五峰組下部和澗草溝組使第二類和第三類方解石具有相對較低的δ~(13)C值。第一類和第二類方解石脈和石英脈的正Eu異常特征與宿主圍巖礦物組分中斜長石重溶有關(guān),與流體溫度無關(guān)。第三類方解石脈的負(fù)Eu異常和正Ce異常特征是典型的海相成因方解石脈。6、焦石壩區(qū)塊頁巖裂縫脈體捕獲的氣-液兩相鹽水包裹體顯微測溫表明:石英脈中與甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度主要集中在191.8~230.6℃,冰點溫度為-9.8~-3.7℃;方解石脈中與甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度為196.2~221.7℃,冰點溫度為-5.3~-2.9℃。甲烷包裹體的顯微測溫過程存在兩種低溫相變方式,即純甲烷包裹體的低溫相變過程(L→L+V→L),和含少量CO_2的甲烷包裹體的低溫相變過程(L→L+V+S→L+V或L+S→L)。純甲烷包裹體的均一溫度分布在-99.4~-87.0℃。甲烷包裹體顯微激光拉曼分析存在兩種圖譜:(1)幾乎全部甲烷包裹體只顯示高強(qiáng)度的甲烷峰,組分單一,為純甲烷包裹體;(2)個別甲烷包裹體除顯示高強(qiáng)度的甲烷峰外,還可見到很弱的CO_2峰。純甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v_1分布在2910.57~2911.27 cm~(-1)。與甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體的激光拉曼光譜圖中可見高強(qiáng)度的CH_4峰和H_2O峰。7、利用甲烷拉曼散射峰v_1位移和甲烷包裹體均一溫度分別獲得焦石壩區(qū)塊頁巖裂縫石英脈中甲烷包裹體密度主要集中在0.245~0.302 g/cm~3,高于甲烷的臨界密度值0.162 g/cm~3,說明樣品中的甲烷包裹體屬于超臨界高密度甲烷包裹體。甲烷包裹體密度結(jié)合與甲烷包裹體共生的鹽水包裹體的均一溫度,利用超臨界CH_4體系狀態(tài)方程計算得到甲烷包裹體的捕獲壓力為91.8~139.4 MPa,對應(yīng)最大埋深時地層壓力系數(shù)達(dá)到1.53~2.26,具有中-強(qiáng)超壓特征。流體包裹體分析指示裂縫脈體形成時五峰組-龍馬溪組頁巖孔隙中存在兩相流體:高密度超臨界甲烷流體相和飽含甲烷的水飽和相,水飽和相的壓力與高密度超臨界甲烷相的壓力連通,流體相間的壓力平衡將確保捕獲于水飽和相中的氣-液兩相流體包裹體中飽含甲烷。裂縫脈體流體包裹體的捕獲溫度和捕獲壓力代表了五峰組-龍馬溪組頁巖最大埋深時地層溫度和地層壓力。8、彭水區(qū)塊PY1井龍馬溪組頁巖裂縫方解石脈捕獲的鹽水包裹體的均一溫度分布在128.5~156.4℃,冰點溫度為-9.1~-5.2℃,折算鹽度為8.10~12.97%。五峰組頁巖裂縫方解石脈鹽水包裹體均一溫度分布在132.6~162.7℃。龍馬溪組內(nèi)方解石脈甲烷包裹體的捕獲壓力為32.5~43.0 MPa。PY1井五峰組-龍馬溪組頁巖裂縫方解石脈形成或流體包裹體捕獲于構(gòu)造抬升過程,約65 Ma,此時彭水區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖層壓力為常壓狀態(tài)。彭水區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖與焦石壩區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖具有比較相似的生烴基礎(chǔ)和成藏過程,在燕山期構(gòu)造抬升前頁巖層都應(yīng)處于超壓狀態(tài),即燕山期抬升前或抬升初期彭水區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖層應(yīng)為異常高壓狀態(tài),然而現(xiàn)今兩個地區(qū)壓力狀態(tài)差異明顯,主要受兩種因素的影響:(1)構(gòu)造改造的時限與強(qiáng)度的差異,(2)超壓封存箱的側(cè)向封閉性的差異。9、同位素年代學(xué)研究為確定裂縫脈體的形成時間和成因機(jī)制提供了重要信息。Sm-Nd同位素等時線定年揭示焦石壩區(qū)塊龍馬溪組內(nèi)方解石脈形成時間為160±13 Ma,五峰組第(1)小層內(nèi)方解石脈形成時間為133±15 Ma。頁巖裂縫脈體Sm-Nd年齡與渝東地區(qū)燕山早期的構(gòu)造運動時間相對應(yīng),根據(jù)上述成脈時間推測焦石壩頁巖裂縫脈體形成于燕山早期的多幕構(gòu)造擠壓運動,頁巖裂縫脈體Sm-Nd年齡也與五峰組-龍馬溪組頁巖氣層處于最大埋深(地溫約在190~230℃)階段相一致,頁巖裂縫脈體中普遍存在的高密度甲烷包裹體以及流體包裹體異常高的捕獲壓力,指示焦石壩區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖氣層在最大埋深即燕山早期抬升前或初期,由于頁巖層中的含有大量裂解氣而處于中-強(qiáng)超壓狀態(tài)。10、根據(jù)五峰組-龍馬溪組頁巖裂縫脈體稀土元素、碳氧鍶同位素組成、流體包裹體捕獲的古溫壓和裂縫脈體同位素年代學(xué)信息,焦石壩背斜區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖裂縫脈體形成于燕山早期側(cè)向擠壓構(gòu)造運動階段,成脈古流體來源于自身頁巖層系,受早期埋藏壓實階段下伏澗草溝組泥灰?guī)r層內(nèi)海相流體混入的影響,頁巖裂縫脈體流體包裹體均一溫度和捕獲壓力代表了燕山期-喜山期構(gòu)造抬升前或初期的頁巖層系古溫壓條件,反映了在燕山期-喜山期構(gòu)造擠壓抬升過程中焦石壩背斜區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖氣層保存條件長期嚴(yán)格有效。彭水向斜地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖中發(fā)現(xiàn)的裂縫脈體形成于燕山期-喜山期構(gòu)造擠壓抬升過程,存在多期成脈古流體活動和脈體沉淀及改造,成脈古流體主要來源于自身頁巖層系和下伏澗草溝組泥灰?guī)r地層,沒有經(jīng)歷顯著的外來古流體或地表水進(jìn)入頁巖層系的過程,頁巖裂縫脈體流體包裹體均一溫度和捕獲壓力代表了燕山期-喜山期構(gòu)造抬升階段頁巖層系古溫壓變化,反映了在燕山期-喜山期構(gòu)造抬升過程中彭水向斜地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣層仍具備基本的保存條件。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P618.13
【圖文】：

中國地質(zhì)大學(xué)博士學(xué)位論文 9馬溪組頁巖氣層古溫壓環(huán)境，分析頁巖氣層古溫壓和古流體環(huán)境對頁巖氣富集與保存條件的影響。該研究成果有助于理解和認(rèn)識頁巖氣層埋藏和構(gòu)造抬升剝蝕背景下的古溫壓狀態(tài)及地層壓力演化過程，可為焦石壩區(qū)塊頁巖氣保存與富集及其與超壓演化關(guān)系的研究方面得到應(yīng)用并提供科學(xué)依據(jù)。論文所采取的詳細(xì)技術(shù)路線如圖 1.1 所示。

圖 2.1 渝東地區(qū)焦石壩區(qū)塊和彭水區(qū)塊構(gòu)造位置（a）和構(gòu)造剖面（b）2.2 區(qū)域構(gòu)造特征川東褶皺帶是四川盆地川東南構(gòu)造區(qū)重要的二級構(gòu)造單元，北側(cè)與秦嶺褶皺帶相接，東側(cè)以齊岳山深大斷裂為界與湘鄂西褶皺帶相鄰，西側(cè)以華鎣山深大斷裂為界與川中構(gòu)造區(qū)相接（丁道桂等，1991；顏丹平等，2008；梅廉夫等，2010；柏道遠(yuǎn)等，2015）。川東斷褶帶是由一系列被斷層切割的 NEE-NE-NNE 向復(fù)背斜和復(fù)向斜相間構(gòu)成的薄皮“隔擋式”結(jié)構(gòu)（圖 2.2b）。川東褶皺帶被劃分為北西和南東兩段，其南東段包括萬縣復(fù)向斜、方斗山復(fù)背斜、石柱復(fù)向斜以及齊岳山復(fù)背斜等構(gòu)造單元（圖 2.2a），而北西段為開江褶皺帶。湘鄂西褶皺帶自北西向南東由利川復(fù)向斜、中央復(fù)背斜、花果坪復(fù)向斜、宜都-鶴峰復(fù)背斜和桑植-石門復(fù)向斜等構(gòu)造單元組成（圖 2.2a），湘鄂西斷褶帶內(nèi)向斜較為狹窄而背斜呈寬闊的箱狀，向斜與背斜相間構(gòu)成“隔槽式”結(jié)構(gòu)（圖 2.2 b）。

渝東地區(qū)的構(gòu)造演化被劃分為兩種不同性質(zhì)的構(gòu)造階段：燕山運動之前的構(gòu)造演化是以升降運動為主而，燕山運動及其后的構(gòu)造運動是以水平運動為主（圖2.3）（何登發(fā)等，2011；凡元芳，2016）。1. 加里東階段（∈-S）在加里東運動早期，華南板塊破裂形成了揚子板塊和華夏板塊。晚奧陶世五峰期，由于構(gòu)造性質(zhì)轉(zhuǎn)變，湘鄂西地區(qū)由克拉通盆地開始向前陸盆地演化。在五峰期-龍馬溪早期，都勻運動使川東南地區(qū)海域被周邊隆起帶包圍局限，川東南地區(qū)廣泛地沉積了一套富有機(jī)質(zhì)黑色富硅炭質(zhì)頁巖，這套五峰組-龍馬溪組頁巖是為研究區(qū)頁巖氣勘探的重要目的層位。中-晚志留世的廣西運動使川東南地區(qū)的古隆起進(jìn)一步發(fā)展隆起為陸，上志留統(tǒng)地層遭受剝蝕而缺失。2. 海西-早印支階段（D-T）中泥盆世-早二疊世初

本文編號：2800214