五峰—龙马溪组页岩的发育环境与页岩气潜力评价研究

发布时间：2018-04-12 22:32

本文选题：扬子地台 + 黑色页岩　；参考：《中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所)》2016年博士论文

【摘要】：五峰-龙马溪组黑色页岩是晚奥陶世-早志留世扬子地台上沉积的两套黑色页岩,目前是我国页岩气勘探开发的主力层位。这一时期也是全球气候变化的关键时期,扬子地台在响应全球变化的同时,还受到了区域性广西构造运动的影响,逐步改变了扬子地台尤其是中上扬子区的古地理形态。厘清构造事件-水体环境演化-黑色页岩沉积的相互关系,能够更好的理解扬子地台上这两套黑色页岩,尤其是五峰组黑色页岩的形成机制和储层特征,为后续的页岩气勘探开发工作提供参考。据此,本论文选取了上扬子地台内两个位于广西构造运动推进方向上的剖面(秀山大田坝剖面和长宁双河剖面),分析其C-Fe-S相互关系,并与位于开放海环境的宜昌王家湾小河边剖面水体演化特征做对比,初步探明了广西构造运动对五峰-龙马溪组黑色页岩沉积的影响。在此基础上,进一步分析了页岩的孔隙结构特征,探索了孔隙发育的主要控制因素。本论文取得的主要认识成果如下:(1)位于不同古地理背景的剖面具有不同的水体演化模式。其中位于开放海环境的王家湾小河边剖面在冰期前后水体展现缺氧铁化特征,冰期时水体展现氧化特征;位于扬子地台内部较为局限处的秀山大田坝剖面不受冰期影响,水体在整个奥陶纪-志留纪之交时期都显示出缺氧特征,并进一步区分为冰期前后水体具有硫化特征,在冰期内水体具有铁化特征;位于扬子地台最内部的长宁双河剖面也不受冰期影响,水体在整个奥陶纪-志留纪之交也都显示了缺氧特征,并进一步区分为在冰期前后水体具有铁化特征,在冰期内具有硫化特征。(2)王家湾小河边剖面和秀山大田坝剖面、长宁双河剖面水体演化受到不同因素的影响。王家湾小河边剖面主要受到冰期影响,水体氧化还原的交替变化和海平面的升降关系明显;而秀山大田坝剖面和长宁双河剖面的水体演化主要受到广西构造运动的影响。具体表现在,秀山大田坝剖面位于靠近广西构造运动的推进方向的位置,由于其东南方首先受到广西构造运动的抬升,因此秀山大田坝剖面首先接受来自东南缘抬升区的陆源风化物输入且在地里位置上变得局限,因此更早的建立起硫化楔,此后随着构造抬升的由南东向北西的持续推进,加之冰期海平面下降影响,硫化楔逐步向北西发展导致秀山大田坝剖面被移出硫化楔区域,水体显示铁化特征;正是在这一过程中,长宁双河剖面变得更低而进入硫化楔范围,水体显示硫化;冰期后海平面上升,虽然抬升仍在进行,但是硫化楔重新向秀山大田坝剖面移动,从而使其水体恢复硫化状态,长宁双河剖面因离开硫化楔而恢复铁化的水体状态。(3)五峰组黑色页岩的形成和广西构造运动密切相关,是构造事件在奥陶纪最末期的环境相应。该构造运动发生在晚奥陶早期的桑比期,使华南地区结束了长期的拉张型构造背景,转变成了扬子陆块与华夏地块挤压拼合的构造阶段。具体体现在改变了建立在新元古代至早古生代早期的基底上西高东低‖的地理形态,而转为三面围限,东高西低‖的地理形态。这种转变在扬子地台上表现为:黑色页岩镶嵌在碳酸盐岩台地—碳酸盐岩台地逐渐淹没消亡—滞留海环境沉积五峰组黑色页岩。黑色页岩形成除了受构造运动主控外,低古大气含氧量、高营养物输入、水体氮、磷元素循环等也起到一定促进作用。(4)秀山大田坝剖面、长宁双河剖面和王家湾小河边剖面样品的有机质类型都为Ⅰ、Ⅱ1型,而且无论在五峰期还是龙马溪期都有很好的toc含量,说明了三个剖面具有很好的页岩气勘探价值。但三个剖面具有不同的toc分布模式,具体表现为:秀山大田坝剖面五峰期toc含量高于龙马溪期,长宁双河剖面龙马溪期toc含量高于五峰期,王家湾小河边剖面无论五峰期还是龙马溪期都有很好的toc含量显示。这种区别不仅反映了构造运动和海平面带来的影响,更重要的是,这种分布模式可以指导页岩气的勘探开发工作。三个剖面都含有石英、长石、方解石、白云石、伊利石、绿泥石等脆性和黏土矿物。其中石英含量最高,而且长宁双河剖面样品显示了石英含量和toc有一定的相关性,说明了其部分生物成因。从剖面底部到顶部,整体上石英含量和黏土矿物含量呈现彼消此长的关系。三个剖面脆性指数结果显示都较高,表明具有很好的压裂性能,具备页岩气后期开发的潜力。(5)秀山大田坝剖面、长宁双河剖面和王家湾小河边剖面页岩的孔隙结构都较为发育,总体上和有机质有密切关系。但是不同剖面间同一尺度孔隙和有机质含量的不同相关性及同一剖面不同尺度孔和有机质含量的不同相关性显示了有机质发育程度的复杂性,王家湾小河边剖面个别样品展现出的和有机质含量无关的特征暗示了有机质和矿物的赋存关系也会影响到页岩内孔隙的发育状态。三个剖面样品的孔隙都表现出了微孔提供比表面、介孔提供孔体积的特征,这一特征具有普遍意义。就孔径分布而言,三个剖面样品大多数孔都发育在都0.3~0.6nm、1.2~1.4nm和2~10nm三个尺度范围内。在各自的剖面范围内,秀山大田坝剖面和长宁双河剖面样品的孔径分布没有明显变化,王家湾小河边剖面样品则变化较大,可能是由有机质和矿物间赋存状态导致的。(6)以秀山大田坝剖面和长宁双河剖面样品为例的页岩分形特征研究结果表明,页岩内孔具有双重分形特征,较高的分形维度d1和d2值说明了孔表面和孔体积的复杂性。分形维度d1、d2和toc含量、矿物含量较差的相关性说明其并非受有机质和矿物含量的控制。利用分形维度和平均孔径呈负相关的共性特征,分析结果初步表明微孔增加能提高孔的复杂性,而介孔增加则会降低孔的复杂性,页岩孔分形维度的表达是两个相反作用共同影响的结果。(7)除矿物过程对微孔在表面积、介孔在孔体积中的贡献没有产生影响,在任一处理步骤中,微孔总是提供大量表面积而介孔提供大量孔体积。介孔、大孔体积随着除矿物过程的深入持续增加,而微孔体积则在去除碳酸盐的步骤中有所减少,说明碳酸盐内发育有一定的微孔,可能和溶蚀孔有关。除矿物过程对微孔和介孔的影响并不相同。对微孔部分而言,除碳酸盐使孔分布更加集中,除硅酸盐对孔径分布没明显影响,仅使孔相对比例发生变化,除黄铁矿后则出现新的微孔;对介孔部分而言,除碳酸盐使各尺度孔都得以显现,除硅酸盐和黄铁矿过程对孔径分布没有明显影响,仅使孔相对比例发生变化。这些现象说明了有机质和矿物复杂的赋存关系会影响有机质孔隙特征的表达。但是全岩样品依然能反映有机质的孔隙结构特征,因此有机质是控制泥页岩微孔隙发育的最重要因素。
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【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P618.13

【参考文献】