渝东地区五峰—龙马溪组页岩裂缝脉体古温压及古流体成因

发布时间：2020-08-22 03:29

【摘要】：页岩气作为清洁高效的能源资源,我国正在加快推进页岩气勘探开发。2012年JY1HF井在涪陵焦石坝构造五峰组-龙马溪组页岩试获高产工业气流,试气产量为20.3×10~4 m~3/d,发现了涪陵页岩气田,该页岩气田成为我国第一个工业性的页岩气勘探开发示范区。渝东地区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组黑色页岩经历了漫长的地质演变历史,有着复杂而特殊的页岩气形成和富集机制。根据勘探开发资料和已有研究,焦石坝区块五峰组-龙马溪组页岩气层压力系数约为1.0-1.7,超压的幅度与产气量有良好的正相关性。五峰组-龙马溪组页岩气层超压是其具有长期有效封闭和保存条件的有利证据,是焦石坝区块页岩气富集高产的有利因素。页岩气保存和富集与超压演化的关系如何是需要深入研究的科学问题,其基础性研究问题之一是五峰组-龙马溪组页岩气层古温压条件及相关信息载体的裂缝脉体成因研究。论文以渝东地区包括焦石坝区块和彭水区块五峰组-龙马溪组页岩裂缝充填的石英脉和方解石脉为研究对象,综合运用矿物学、稀土元素和同位素地球化学、同位素年代学以及地质流体的研究方法技术,聚焦页岩裂缝脉体形成的古流体来源、脉体形成时间以及流体包裹体捕获古温压开展深入研究。通过重建页岩裂缝脉体形成的温度-压力-成分-时间(P-T-X-t)过程,阐述页岩裂缝脉体成因,成脉古流体来源判识和成脉流体活动及脉体形成时间,揭示页岩裂缝脉体自生矿物流体包裹体捕获的古温压条件与脉体形成时五峰组-龙马溪组页岩气层古温压环境的关系,分析页岩气层古温压和古流体环境对页岩气富集与保存条件的影响。论文取得的研究成果和认识如下:1、焦石坝区块和彭水区块五峰组-龙马溪组页岩裂缝脉体岩心观察与显微镜下观察发现,裂缝脉体矿物成分主要由方解石和/或石英组成,五峰组和龙马溪组底部裂缝脉体矿物成分以方解石矿化为主,石英脉晚于方解石脉形成并分布在裂缝脉体的内部,而龙马溪组中段裂缝脉体的矿物成分以块状石英为主,常见纯石英脉。2、通过多种地球化学手段对裂缝脉体的成脉流体来源和演化进行研究。根据方解石脉的碳、氧、锶同位素特征可将焦石坝区块页岩裂缝方解石脉划分为两组:龙马溪组方解石脉和五峰组第(1)小层方解石脉,龙马溪组方解石脉较五峰组第(1)小层方解石脉具有相对较低的δ~(13)C和δ~(18)O值,较高的~(87)Sr/~(86)Sr值;两组方解石脉的稀土元素(REE+Y)配分模式大体相似,但在Eu异常、Y异常、Y/Ho值、La/Ho值等稀土元素特征参数存在差异:龙马溪组方解石脉较五峰组第(1)小层方解石脉的Eu正异常程度相对较高,Y正异常程度相对较低,Y/Ho值相对较低,La/Ho值变化范围较小。根据稀土元素特征可将焦石坝区块页岩裂缝石英脉划分为两类:第一类石英脉稀土元素配分模式表现为MREE相对于LREE和HREE富集的特征,具有明显的正Eu异常(δEu=1.73~18.07)和正Y异常(δY=1.05~1.51),Y/Ho值相对较大(Y/Ho=32.05~38.50),La/Ho值变化范围较小(La/Ho=2.68~31.39);第二类石英脉轻、重稀土元素分馏不明显,配分曲线平缓,正Eu异常(δEu=1.0~1.55)和正Y异常(δY=0.96~1.20)特征不明显,Y/Ho值相对较小(Y/Ho=25.19~28.95),而La/Ho值变化范围较大(La/Ho=31.0~104.56)。龙马溪组内第一类石英脉和第二类石英脉的~(87)Sr/~(86)Sr值接近,并与宿主围岩的~(87)Sr/~(86)Sr值一致,而五峰组第(1)小层内第一类石英脉的~(87)Sr/~(86)Sr值比宿主围岩的~(87)Sr/~(86)Sr值小,放射性~(87)Sr含量少。3、焦石坝区块龙马溪组方解石脉和五峰组第(1)小层方解石脉比晚奥陶世-早志留世全球海水(δ~(13)C_(PDB=)0±1‰~2±1.5‰)和实测的上奥陶统涧草沟组泥质灰岩(δ~(13)C_(PDB)=1.67~2.04‰)亏损δ~(13)C,可能的原因是有机碳被转化成HCO_3~-,更多的~(12)C同位素进入方解石脉的成脉流体中,说明五峰组-龙马溪组页岩方解石脉的成脉流体是含CO_2-和CH_4-的混合流体。龙马溪组方解石脉和五峰组第(1)小层方解石脉的成脉流体的δ~(18)O_(SMOW)值主要分布于7.8‰~9.6‰,指示成脉流体源于在强烈水-岩反应条件下演化的地层水。裂缝脉体的宿主围岩矿物组分中斜长石的重溶和成脉流体温度200℃使龙马溪组方解石脉、五峰组第(1)小层方解石脉和第一类石英脉的成脉流体具有明显的正Eu异常特征。Sr同位素组成特征指示龙马溪组内裂缝脉体的成脉流体主要源于宿主围岩层内流体,而五峰组第(1)小层内裂缝脉体的成脉流体源于宿主围岩层内流体和下伏涧草沟组泥质灰岩层富钙流体,涧草沟组富钙流体混入到五峰组第(1)小层内,使五峰组第(1)小层方解石脉较龙马溪组方解石脉具有较高的δ~(13)C和δ~(18)O值、较低的~(87)Sr/~(86)Sr值以及有区别的稀土元素特征参数。4、彭水区块PY1井涧草沟组-五峰组方解石脉依据稀土元素特征和Sr同位素组成特征可分为三类:第一类方解石脉发育在五峰组上部富硅炭质页岩裂缝内,具有明显的正Eu异常(δEu=1.94~5.98)和负Ce异常(δCe=0.61~0.97)特征,~(87)Sr/~(86)Sr平均值为0.720641,δ~(13)C_(PDB)和δ~(18)O_(SMOW)范围分别为-0.6~1.0‰,17.0~18.0‰;第二类方解石脉发育在五峰组下部硅质页岩裂缝内,具有正Eu异常(δEu=1.28~1.52)和正Ce异常(δCe=0.99~1.26)特征,~(87)Sr/~(86)Sr平均值为0.720668,δ~(13)C_(PDB)和δ~(18)O_(SMOW)分别变化在-0.67~-0.9‰和17.6~17.7‰;第三类方解石脉发育在涧草沟组泥质灰岩裂缝内,具有明显的负Eu异常(δEu=0.68~0.82)和正Ce异常(δCe=1.12~1.24)特征,~(87)Sr/~(86)Sr平均值为0.712791,δ~(13)C_(PDB)和δ~(18)O_(SMOW)值分别为0.1~0.3‰和16.4~17.0‰。五峰组上部富硅炭质页岩内石英脉的稀土元素配分模式和Sr同位素组成与第一类方解石脉相似,具有明显的正Eu异常(δEu=2.48~3.64)和轻微的负Ce异常(δCe=0.87~0.93)特征,初始~(87)Sr/~(86)Sr值为0.720691~0.721006。5、彭水区块涧草沟组-五峰组裂缝脉体Sr同位素资料表明,五峰组内第一类方解石脉、第二类方解石脉和石英脉的成脉流体Sr同位素不仅来源于宿主围岩重溶出的Sr同位素,还受到源于上覆龙马溪组页岩层的高放射性陆源~(87)Sr的混入而向富集放射性~(87)Sr同位素迁移;涧草沟组内第三类方解石脉的成脉流体Sr同位素主要来源于宿主围岩泥质灰岩的Sr同位素。方解石脉和宿主围岩的δ~(13)C值均处于晚奥陶世-早志留世全球海水的δ~(13)C_(PDB)(0±1‰~2±1.5‰)变化范围内,但第二类方解石脉和第三类方解石脉的δ~(13)C值较宿主围岩的δ~(13)C值略微偏负,而且页岩(δ~(13)C_(PDB)=-0.43~-0.30‰)较灰岩(δ~(13)C_(PDB)=1.67~2.04‰)亏损δ~(13)C,结合Sr同位素特征,推断源于五峰组上部-龙马溪组富硅炭质页岩层内亏损δ~(13)C流体混入到下伏五峰组下部和涧草沟组使第二类和第三类方解石具有相对较低的δ~(13)C值。第一类和第二类方解石脉和石英脉的正Eu异常特征与宿主围岩矿物组分中斜长石重溶有关,与流体温度无关。第三类方解石脉的负Eu异常和正Ce异常特征是典型的海相成因方解石脉。6、焦石坝区块页岩裂缝脉体捕获的气-液两相盐水包裹体显微测温表明:石英脉中与甲烷包裹体共生的气-液两相盐水包裹体的均一温度主要集中在191.8~230.6℃,冰点温度为-9.8~-3.7℃;方解石脉中与甲烷包裹体共生的气-液两相盐水包裹体的均一温度为196.2~221.7℃,冰点温度为-5.3~-2.9℃。甲烷包裹体的显微测温过程存在两种低温相变方式,即纯甲烷包裹体的低温相变过程(L→L+V→L),和含少量CO_2的甲烷包裹体的低温相变过程(L→L+V+S→L+V或L+S→L)。纯甲烷包裹体的均一温度分布在-99.4~-87.0℃。甲烷包裹体显微激光拉曼分析存在两种图谱:(1)几乎全部甲烷包裹体只显示高强度的甲烷峰,组分单一,为纯甲烷包裹体;(2)个别甲烷包裹体除显示高强度的甲烷峰外,还可见到很弱的CO_2峰。纯甲烷包裹体的甲烷拉曼散射峰v_1分布在2910.57~2911.27 cm~(-1)。与甲烷包裹体共生的气-液两相盐水包裹体的激光拉曼光谱图中可见高强度的CH_4峰和H_2O峰。7、利用甲烷拉曼散射峰v_1位移和甲烷包裹体均一温度分别获得焦石坝区块页岩裂缝石英脉中甲烷包裹体密度主要集中在0.245~0.302 g/cm~3,高于甲烷的临界密度值0.162 g/cm~3,说明样品中的甲烷包裹体属于超临界高密度甲烷包裹体。甲烷包裹体密度结合与甲烷包裹体共生的盐水包裹体的均一温度,利用超临界CH_4体系状态方程计算得到甲烷包裹体的捕获压力为91.8~139.4 MPa,对应最大埋深时地层压力系数达到1.53~2.26,具有中-强超压特征。流体包裹体分析指示裂缝脉体形成时五峰组-龙马溪组页岩孔隙中存在两相流体:高密度超临界甲烷流体相和饱含甲烷的水饱和相,水饱和相的压力与高密度超临界甲烷相的压力连通,流体相间的压力平衡将确保捕获于水饱和相中的气-液两相流体包裹体中饱含甲烷。裂缝脉体流体包裹体的捕获温度和捕获压力代表了五峰组-龙马溪组页岩最大埋深时地层温度和地层压力。8、彭水区块PY1井龙马溪组页岩裂缝方解石脉捕获的盐水包裹体的均一温度分布在128.5~156.4℃,冰点温度为-9.1~-5.2℃,折算盐度为8.10~12.97%。五峰组页岩裂缝方解石脉盐水包裹体均一温度分布在132.6~162.7℃。龙马溪组内方解石脉甲烷包裹体的捕获压力为32.5~43.0 MPa。PY1井五峰组-龙马溪组页岩裂缝方解石脉形成或流体包裹体捕获于构造抬升过程,约65 Ma,此时彭水区块五峰组-龙马溪组页岩层压力为常压状态。彭水区块五峰组-龙马溪组页岩与焦石坝区块五峰组-龙马溪组页岩具有比较相似的生烃基础和成藏过程,在燕山期构造抬升前页岩层都应处于超压状态,即燕山期抬升前或抬升初期彭水区块五峰组-龙马溪组页岩层应为异常高压状态,然而现今两个地区压力状态差异明显,主要受两种因素的影响:(1)构造改造的时限与强度的差异,(2)超压封存箱的侧向封闭性的差异。9、同位素年代学研究为确定裂缝脉体的形成时间和成因机制提供了重要信息。Sm-Nd同位素等时线定年揭示焦石坝区块龙马溪组内方解石脉形成时间为160±13 Ma,五峰组第(1)小层内方解石脉形成时间为133±15 Ma。页岩裂缝脉体Sm-Nd年龄与渝东地区燕山早期的构造运动时间相对应,根据上述成脉时间推测焦石坝页岩裂缝脉体形成于燕山早期的多幕构造挤压运动,页岩裂缝脉体Sm-Nd年龄也与五峰组-龙马溪组页岩气层处于最大埋深(地温约在190~230℃)阶段相一致,页岩裂缝脉体中普遍存在的高密度甲烷包裹体以及流体包裹体异常高的捕获压力,指示焦石坝区块五峰组-龙马溪组页岩气层在最大埋深即燕山早期抬升前或初期,由于页岩层中的含有大量裂解气而处于中-强超压状态。10、根据五峰组-龙马溪组页岩裂缝脉体稀土元素、碳氧锶同位素组成、流体包裹体捕获的古温压和裂缝脉体同位素年代学信息,焦石坝背斜区块五峰组-龙马溪组页岩裂缝脉体形成于燕山早期侧向挤压构造运动阶段,成脉古流体来源于自身页岩层系,受早期埋藏压实阶段下伏涧草沟组泥灰岩层内海相流体混入的影响,页岩裂缝脉体流体包裹体均一温度和捕获压力代表了燕山期-喜山期构造抬升前或初期的页岩层系古温压条件,反映了在燕山期-喜山期构造挤压抬升过程中焦石坝背斜区块五峰组-龙马溪组页岩气层保存条件长期严格有效。彭水向斜地区五峰组-龙马溪组页岩中发现的裂缝脉体形成于燕山期-喜山期构造挤压抬升过程,存在多期成脉古流体活动和脉体沉淀及改造,成脉古流体主要来源于自身页岩层系和下伏涧草沟组泥灰岩地层,没有经历显著的外来古流体或地表水进入页岩层系的过程,页岩裂缝脉体流体包裹体均一温度和捕获压力代表了燕山期-喜山期构造抬升阶段页岩层系古温压变化,反映了在燕山期-喜山期构造抬升过程中彭水向斜地区五峰组-龙马溪组页岩气层仍具备基本的保存条件。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P618.13
【图文】：

中国地质大学博士学位论文 9马溪组页岩气层古温压环境，分析页岩气层古温压和古流体环境对页岩气富集与保存条件的影响。该研究成果有助于理解和认识页岩气层埋藏和构造抬升剥蚀背景下的古温压状态及地层压力演化过程，可为焦石坝区块页岩气保存与富集及其与超压演化关系的研究方面得到应用并提供科学依据。论文所采取的详细技术路线如图 1.1 所示。

图 2.1 渝东地区焦石坝区块和彭水区块构造位置（a）和构造剖面（b）2.2 区域构造特征川东褶皱带是四川盆地川东南构造区重要的二级构造单元，北侧与秦岭褶皱带相接，东侧以齐岳山深大断裂为界与湘鄂西褶皱带相邻，西侧以华蓥山深大断裂为界与川中构造区相接（丁道桂等，1991；颜丹平等，2008；梅廉夫等，2010；柏道远等，2015）。川东断褶带是由一系列被断层切割的 NEE-NE-NNE 向复背斜和复向斜相间构成的薄皮“隔挡式”结构（图 2.2b）。川东褶皱带被划分为北西和南东两段，其南东段包括万县复向斜、方斗山复背斜、石柱复向斜以及齐岳山复背斜等构造单元（图 2.2a），而北西段为开江褶皱带。湘鄂西褶皱带自北西向南东由利川复向斜、中央复背斜、花果坪复向斜、宜都-鹤峰复背斜和桑植-石门复向斜等构造单元组成（图 2.2a），湘鄂西断褶带内向斜较为狭窄而背斜呈宽阔的箱状，向斜与背斜相间构成“隔槽式”结构（图 2.2 b）。

渝东地区的构造演化被划分为两种不同性质的构造阶段：燕山运动之前的构造演化是以升降运动为主而，燕山运动及其后的构造运动是以水平运动为主（图2.3）（何登发等，2011；凡元芳，2016）。1. 加里东阶段（∈-S）在加里东运动早期，华南板块破裂形成了扬子板块和华夏板块。晚奥陶世五峰期，由于构造性质转变，湘鄂西地区由克拉通盆地开始向前陆盆地演化。在五峰期-龙马溪早期，都匀运动使川东南地区海域被周边隆起带包围局限，川东南地区广泛地沉积了一套富有机质黑色富硅炭质页岩，这套五峰组-龙马溪组页岩是为研究区页岩气勘探的重要目的层位。中-晚志留世的广西运动使川东南地区的古隆起进一步发展隆起为陆，上志留统地层遭受剥蚀而缺失。2. 海西-早印支阶段（D-T）中泥盆世-早二叠世初

本文编号：2800214