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中奥陶统烟溪组沉积期，湘中—湘南下古生代广泛发育黑色碳质页岩和硅质岩。但长期以来该页岩被认为均已变质成为板岩，是湘中—湘东南的变质基底，不具生烃潜力[1-2]。最近，永州宁远县棉花坪中奥陶统却发现巨厚层未变质的碳质页岩，通过区域剖面对比认为该碳质页岩属烟溪组。烟溪组广泛发育在湘中地区和湘南地区[3-4]，分布面积大，厚度一般在20~85 m，湘南茶陵地区最厚，可达235 m。烟溪组下伏和上覆地层分别为下奥陶统桥亭子组和上奥陶统天马山组，岩性均为砂岩和页岩互层。由于烟溪组碳质页岩具有厚度大、分布广、变质程度低的特点，因此，烟溪组应为湘中和湘南页岩气勘探的新的目的层，但是目前针对烟溪组的沉积特征认识不清，直接影响了烟溪组页岩气勘探潜力评价。本文在扎实野外工作的基础上，针对烟溪组沉积特征和生烃潜力开展初步研究，并认为湘中和湘南烟溪组碳质页岩以陆架边缘—盆地相沉积为主，具有有机碳含量高、成熟度高、脆性矿物含量高和物性好的特点，因此，研究区烟溪组页岩气勘探潜力巨大。
早奥陶世基本继承了寒武纪构造古地理格局，湘中为陆棚斜坡和盆地相[5]，以泥质、含粉砂质泥质和粉砂岩沉积为主。湘南为盆地和斜坡环境，以浊积成因砂、泥质和远洋泥质沉积为主。中奥陶世，岩石圈挠曲导致盆地强烈沉降并发生海侵[6-7]，湘西北区先期台地转化为陆棚盆地，并沉积瘤状泥灰岩和钙质页岩等[8-11]，湘中和湘南区则成为欠补偿饥饿盆地，沉积碳质页岩、硅质页岩和碳泥质硅质岩等。晚奥陶世属前陆盆地早期阶段[12-13]，湘中区相继为陆棚盆地、盆缘缓坡和局限残留盆地，并沉积碳质泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩等[14-16]；湘南区因盆地南东侧块体（华夏）逆冲抬升，形成槽盆环境下一套快速堆积的浊积岩建造，局部夹碳酸盐岩和硅质岩。烟溪组为中奥陶统下部沉积，对应奥陶系最大海侵期，但烟溪组岩性纵向变化较快，除了碳质页岩还发育多层硅质岩，其沉积环境需深入分析。
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样品均来自湘中和湘南地区野外露头和探槽。根据研究需要，测试分析侧重于有机质干酪根类型、有机碳含量（TOC）、镜质体反射率（Ro）、黏土矿物成分。此外，还对湘中、湘南地区的奥陶系和志留系部分样品进行显微镜岩石薄片分析。样品分析单位为国土资源部重庆矿产资源监督检测中心。利用D8 DISCOVER型X射线衍射仪（温度22 ℃，湿度5%）对烟溪组页岩样品的全岩X衍射矿物组成分析。
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烟溪组岩性较复杂，但纵向分布具有一定的规律性（图 1）。烟溪组底部（第一岩性段）常为黑色、灰黑色薄层状硅质岩，平均为10.4 m；烟溪组下部（第二岩性段）为黑色碳质页岩、页岩、粉砂质页岩和泥岩，常夹有黑色薄层状硅质岩，该段平均厚度为15 m；烟溪组中部（第三岩性段）为硅质岩或硅质岩与碳质页岩互层，平均厚度为25 m。该段硅质岩为黑色薄层状，但累计厚度较大；烟溪组上部（第四岩性段）为碳质页岩、粉砂质页岩和砂岩沉积，该段平均厚度18 m。
图 1 城步大梁头烟溪组岩性剖面图
Figure 1. Lithologic figure of Yanxi Formation inDaliangtou, Chengbu
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湘中南地区烟溪组岩性的多样性表明沉积相类型较多。根据岩性、古生物化石以及沉积韵律可以分析出烟溪组沉积相类型包括深水盆地相、浅水盆地相、浅水陆棚相和浊积扇相。
（1）深水盆地相
深水盆地相沉积岩性主要为硅质岩，其次为碳质页岩和硅质页岩，纵向上形成硅质岩与碳质页岩、硅质页岩互层（图 2）。深水盆地相主要分布在烟溪组底部和中部，是在海平面上升期深水条件下的沉积。硅质岩和硅质页岩中常含有放射虫（图 3），放射虫保存完整，常大量分布在层面上。放射虫属深水沉积，这也从侧面反映出硅质岩形成于深水环境。
图 2 湘中炳溪村和何家洞烟溪组深水盆地相黑色硅质岩（a）、黑色硅质岩与碳质页岩互层（b）
Figure 2. (a) Black siliceous rocks; and (b) black siliceous rocks interbedded with carbonaceous shales, Yanxi Formation, Bingxi village, Xiangzhong area
图 3 湘中祁东马杜桥烟溪组深水盆地相硅质岩中发育的放射虫
Figure 3. Radiolaria from siliceous rocks of deepwater basin facies, Yanxi Formation, Maduqiao, Xiangzhong area
（2）浅水盆地相
浅水盆地相以黑色碳质页岩沉积为主（图 4），其次为硅质页岩、页岩和硅质岩，野外剖面中常见薄层硅质岩夹于碳质页岩。碳质页岩和页岩中发育有笔石，表明浅水盆地以安静、深水还原环境为主。碳质页岩中的有机质来自于陆源以及海洋漂浮生物，由于处在还原环境，因此有机质保存较好，是烟溪组有机碳含量最高的沉积环境。
图 4 湘中祁东马杜桥（a）和宁远棉化坪（b）烟溪组浅水盆地相碳质页岩特征
Figure 4. Characteristics of carboniferous shale in the shallow-water basin of (a) the Madongqiao, and (b) the Ningyuan Mianhuaping, Yanshui Formation
（3）浅水陆棚相
与深水盆地相、浅水盆地相相比较，浅水陆棚相更靠近物源，所以浅水陆棚相砂质含量更高，以砂质页岩和粉砂岩沉积为主，自下而上形成页岩—砂质页岩—砂岩的反韵律。浅水陆棚相中的碎屑岩颗粒多是通过波浪或潮汐从滨岸搬运至浅水陆棚区或通过浊积扇搬运至浅水陆棚区沉积形成的。粉砂岩中碎屑颗粒以石英为主，石英颗粒的磨圆度多为次棱角状—次圆状，分选性较差，粉砂岩和泥质粉砂岩中常见小型砂纹层理（图 5）。
图 5 城步大桥村烟溪组浅水陆棚相粉砂岩显微镜下特征（单偏光）
Figure 5. Microscopic features of shallow-shelf siltstone deposit, Yanxi Formation, Chengbu Bridge village (single polarization)
深水盆地相以硅质岩发育为特征，浅水盆地相以碳质页岩为主，而浅水陆棚相以砂质页岩和粉砂岩为特征。由于浅水陆棚相水体相对较浅且紧邻物源区，所以砂岩的含量明显较深水盆地和浅水盆地高。
（4）浊积扇相
浊积扇相是烟溪组一种重要的沉积相类型，主要分布在烟溪组的上部。平面上，浊积扇相主要分布在靠近物源的区域，如研究区的东部、北部和西北部。湘中地区东部浊积扇物源主要来自华夏古隆起，如闵粤地块、武夷地块和罗霄地块等。这些地块多分布在江西东北部和福建北部，是湘中东部浊积扇的主要物源。研究发现，烟溪组沉积期浊积岩最发育的地区集中在江西永新—湖南茶陵—衡阳一线及周围。该大型浊积扇岩性以中粒—细粒杂砂岩为主，常见鲍马序列A、B、C段，砂岩底部可见槽模（图 6），镜下石英颗粒次棱角状，分选性较差（图 7）。
图 6 湘中东部茶陵烟溪组浊积砂岩特征，（a）图具鲍马序列粗粒砂岩，自下而上发育粒序层理段（A段）和平行层理段（B段）；（b）图层面发育的槽模
Figure 6. Turbidite characteristics of Yanxi Formation in Chaling area, eastern Xiangzhong
图 7 湖南茶陵烟溪组浊积砂岩镜下特征（a）图为单偏光，（b）图为正交偏光
Figure 7. Microscopic characteristics of turbidite sandstone in Yanxi Formation, Chaling, Hunan
除了湘中东部地区由碎屑物源形成的浊积扇外，湘中地区西部还发育由碳酸盐岩形成的浊积扇。该浊积扇的形成与益阳—溆浦—三江裂谷带有关。烟溪组沉积期，该裂谷带分布在中上扬子东南边缘的东侧[17]。中上扬子台地边缘碳酸盐岩在重力作用下，沿边缘斜坡搬运至裂谷带沉积下来，形成浊积扇。由于该浊积碳酸盐岩中富含锰矿，因此前人对该浊积岩做了大量的研究，如赵东旭[18]，蒋德和等[19]的研究认为该含锰碳酸盐岩中具有清晰的内碎屑结构和粒序递变序列。另外，断裂带的活动对灰质角砾岩的形成具有一定的控制作用[18]。需要说明的是，这种重力流具有频繁阵发特点，根据野外剖面资料，锰质碳酸盐岩重力流垂向上至少可划分为2套。
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在湘中地区烟溪组沉积相变化较大，依据其距离物源的远近、岩性和沉积相特征可把烟溪组的沉积相组合类型划分为深水盆地—浅水盆地、浅水盆地—浅水陆棚组合以及浅水盆地—浊积扇组合。
（1）深水盆地—浅水盆地
深水盆地相以硅质岩和硅质页岩沉积为主，硅质岩发育水平纹层，并富含放射虫生物化石，因此，浅水盆地相代表着水体安静和强还原的深水环境。浅水盆地相以碳质页岩和页岩沉积为主，水体深度相对较大，但比深水盆地相浅。由深水盆地相至浅水盆地相代表着水体深度逐渐减小，该沉积组合主要分布在湘中地区的南部和西部。深水盆地—浅水盆地沉积相组合及其所代表的地层是页岩气生成的有利的相带。
（2）浅水盆地—浅水陆棚沉积相组合
该组合常分布在烟溪组上部，是在海平面整体下降的趋势下形成的沉积组合。浅水盆地相以碳质页岩和硅质页岩为主，代表深水和强还原环境；浅水陆棚相以砂质页岩和泥岩沉积为主，代表着较深水和还原环境沉积。由浅水盆地相碳质页岩相变为浅水陆棚相砂质页岩或泥岩沉积，表明海平面快速下降。这种海平面变化是构造活动、物源供应以及气候变化共同作用的结果。
（3）浅水盆地—浊积扇相沉积相组合
该沉积组合常分布在烟溪组的中、上部，平面上分布在湘中东部、北部以及西部等浊积扇发育的地区。浅水盆地相岩性以碳质页岩和碳质板岩为主，为深水还原环境沉积；浊积扇相为长石砂岩、长石石英砂岩和角砾碳酸盐岩。纵向上，该沉积组合形成的反旋回，旋回的下部为碳质页岩或碳质板岩，上部为砂岩或角砾状碳酸盐岩。
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烟溪组沉积相在横向上的变化具有一定的规律性。通过沉积相对比剖面分析可知，湘中至湘南沉积水体深度不断增加、沉积物粒度逐渐变细。湘中北部发育浊积扇相和浅水盆地相，沉积物粒度相对较粗，而湘南则过渡为浅水盆地相和深水盆地相，以碳质页岩、硅质岩和硅质页岩为主。南南西方向的剖面中，浊积扇以中—粗砂岩为主，纵向上与碳质页岩和板岩互层沉积；横向上向西南方向延伸，且具有砂岩厚度减薄、粒度变细的特点（图 8）。在多剖面对比的基础上，勾画沉积相平面展布（图 9, 10），分析沉积相演化规律。
图 8 湘中地区烟溪组沉积相对比剖面（剖面位置见图 10左图）
Figure 8. Depositional correlation section, Yanxi Formation, Xiangzhong area
图 9 湘中和湘南烟溪组第一岩性段（a）和第二岩性段（b）沉积相平面分布图
Figure 9. Sedimentary facies distribution in (a) the first, and (b) the second lithologic section, Yanxi Formation, Xiangzhong and Xiangnan area
图 10 湘中和湘南烟溪组第三岩性段（a）和第四岩性段（b）沉积相平面分布图
Figure 10. Sedimentary facies distribution in (a) the third, and (b) the fourth lithologic section, Yanxi Formation, Xiangzhong and Xiangnan area
烟溪组第一岩性段沉积相类型包括深水盆地相、浅水盆地相和浅水陆棚相，在湘中西北部沅陵地区及其周围还发育碳酸盐岩台地相。深水盆地相是湘中和湘南地区水体深度最大的沉积相类型，主要分布在湘南的城步、双牌、道县以及江华等地区及其周围（图 9a）；浅水盆地相是湘中地区烟溪组早期的主要沉积相类型，主要分布在湘中的隆回、郴州、永州、衡阳、邵阳、祁东、涟源和益阳等地区及其周围；浅水陆棚相分布在攸县、韶山、湘潭、长沙等地区及其周围。烟溪组第二岩性段沉积相类型包括深水盆地相、浅水盆地相、浅水陆棚相、浊积扇相和碳酸盐岩台地相等。深水盆地相分布在湘南的通道和江华等地区（图 9b），岩性以硅质岩为主，夹有碳质页岩；浅水盆地相分布在湘南北部和湘中大部分地区，如城步、洞口、双牌、宁远、怀化、溆浦、新化、祁东、耒阳和郴州等地区及其周围；浅水陆棚相仅分布在湘西和湘西北，如麻阳和安化等地区及其周围。浊积扇相分布在湘中东北部，如湘潭、长沙、浏阳和益阳等地区。
烟溪组第三岩性段沉积相类型包括深水盆地相、浅水盆地相和浅水陆棚相，湘中西北部沅陵和花垣地区及其周围还发育碳酸盐岩台地相。深水盆地相主要分布在湘中和湘南的隆回、洞口、城步、双牌、道县以及江华等地区及其周围（图 10a）；浅水盆地相是湘中地区的主要沉积相类型，广泛分布在湘中怀化、涟源、衡阳、邵阳和郴州等地区及其周围；浅水陆棚相分布在麻阳、安化、益阳、桃江、韶山、湘潭、长沙和浏阳等地区及其周围。烟溪组第四岩性段沉积相类型包括浅水盆地相、浅水陆棚相、浊积扇相和碳酸盐岩台地相等。深水盆地相分布在湘南城步、双牌、道县以及江华等地区；浅水盆地相分布在湘中洞口、邵阳、永州和郴州等地区（图 10b）；浅水陆棚相分布在湘西和湘西北，如芷江、溆浦、安化和桃江等地区及其周围。浊积扇相分布在湘东北的涟源、桃江、韶山、长沙和浏阳等地区，以及湘中东部的攸县、衡阳、茶陵和耒阳等地区。
整体来看，烟溪组第一和第三岩性段沉积水体较深，湘中和湘南以深水盆地和浅水盆地为主；第二和第四岩性段水体相对较浅，湘中和湘南广泛发育浅水盆地、浅水陆棚相和浊积扇。另外，烟溪组沉积期海平面整体有逐渐下降的趋势，这一点也可以通过浊积扇规模的反映出来。第二岩性段沉积末期，浊积扇仅局限分布在湘中北部（图 9b），而第四岩性段沉积期浊积扇在湘中北部和湘中东部广泛分布（图 10b）。浊积扇不断向盆地进积是由于海平面下降促使物源向盆地推进造成的[20]。烟溪组沉积期海平面的变化造成沉积物类型及其有机地化特征发生相应的改变，掌握这种变化规律能够指导页岩气勘探。
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烟溪组页岩热解分析表明其生烃潜量（S1+S2）分布在0.18~0.25 mg/g，平均为0.22 mg/g，最高热解峰值温度Tmax为339 ℃~492 ℃，平均为395 ℃。其生烃潜量极低，亦从另一个角度表明该层位页岩经历了较强的热演化过程，导致其中易于生烃的有机质首先热解生烃，残留下来的是那些难以发生热分解的有机质。烟溪组页岩样品中干酪根组分为腐泥组与惰质组，未见壳质组与镜质组，其中腐泥组含量55%~69%，平均为65%；惰质组含量31%~45%，平均为35%；计算得到的类型指数全部分布在0~40范围内，根据有机质类型划分的“三类四分法”，判断烟溪组页岩样品有机碳类型为Ⅰ—Ⅱ1型（表 1）。
表 1 湘中和湘南烟溪组剖面点有机质含量（TOC）与成熟度（Ro）值
Table 1. TOC and Ro values at Yanxi Formation section points in Xiangzhong and Xiangnan area
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有机质的丰度与含气性正相关，它决定页岩中有机质孔隙的发育程度和对天然气的吸附能力。对烟溪组采集的139个样品进行有机碳含量测定，结果表明：烟溪组页岩有机碳含量普遍较高，最高的样品有机碳含量达到8.17%，平均值为2.12%，属于优质烃源岩。烟溪组有机碳含量（TOC）在平面上具有较强的非均质性，隆回—洞口—祁东一线TOC最大，并向南北两侧递减，至零陵、宁远、城步等地TOC值为1.97%~2.94%（表 1），总之，研究区烟溪组TOC总体较高，利于页岩气成藏。虽然该页岩具有很高的有机碳含量，但是研究区烟溪组热演化成熟度较高（表 1），根据地表样品分析结果显示烟溪组在部分地区已经达到了浅变质阶段。根据国外页岩气勘探经验，页岩的高成熟度（> 3%）不是制约页岩气聚集的主要因素，且国外页岩气勘探区域热演化成熟度均较高，如美国页岩气产区的页岩成熟度普遍大于1.3%，阿巴拉契亚盆地的西弗吉尼亚州南部最高可达4.0%，且只有在成熟度较高的区域才有页岩气的产出，因此，虽然研究区奥陶系烟溪组成熟度较高，但是同样具有页岩气潜力。
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烟溪组自下而上可划分出4个岩性段，各岩性段有机碳含量在纵向上具有较强的非均一性，体现了岩性及沉积特征对有机碳含量的控制作用。以湘中马杜桥烟溪组剖面为例，第一岩段岩性为黑色硅质岩、硅质页岩夹少量碳质页岩，其TOC为2.05%~4.34%，平均2.74%，其中，碳质页岩平均TOC为3.31%，硅质岩平均2.42%（图 11），碳质页岩的TOC较硅质岩高。第二岩性段主要为粉砂质页岩，夹少量硅质岩。该岩性段中砂质页岩的TOC平均为0.93%，相较第一岩性段，本段黏土矿物含量显著升高，但TOC却明显减小。第三岩性段下部以硅质岩与碳质页岩互层为主，上部以硅质岩为主，夹碳质页岩。本段TOC较高，碳质页岩TOC测定结果平均为3.14%，是烟溪组页岩中TOC最高的层段，具有良好的生烃潜力。该岩性段中硅质岩的TOC平均为1.75%，而碳质页岩平均为3.56%，碳质页岩TOC明显较硅质岩高。第四岩性段主要为浅灰色硅质岩、硅质页岩夹少量黑色页岩，黑色页岩不污手，平均TOC为2.14%，是烟溪组TOC较低的层段。该段中碳质页岩TOC也较碳质页岩的高。总体来看，烟溪组TOC较高的层段为第一和第三岩性段，较低的为第二和第四岩性段。
图 11 湘中马杜桥烟溪组有机碳纵向分布图
Figure 11. Longitudinal distribution of organic carbon, Yanxi Formation, Maduqiao section, Xiangzhong
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烟溪组第一和第三段TOC高值的因素包括沉积环境、古生产力和古氧化还原环境等。
第一和第三岩性段岩性以黑色薄层硅质岩和碳质页岩为主，而第二和第四岩性段以砂质页岩和粉砂岩、杂砂岩为主（图 11）。烟溪组第一和第三岩性段沉积相类型为深水盆地相和深水陆棚相，而第二和第四岩性段以浅水陆棚和浊积扇相为主。因此，与第二和第四岩性段相比，第一和第三岩性段水体深度更大，是海平面快速上升期沉积。测试资料显示第一和第三岩性段页岩TOC较第二和第四岩性段高，表明沉积环境对TOC具有控制作用。
生物营养元素P、Ba、Cu、Ni和Zn等的含量与古生产力呈明显正相关性，能反应地质时期沉积水体的生产力状况。烟溪组上述营养元素纵向分布特征分析表明：第三岩性段古生产力指数最高，其次为第一岩性段（图 12）。古生产力与有机碳纵向分布特征具有一致性，即古生产力较高的岩性段，对应的TOC也呈高值（图 12）。
图 12 湘中地区祁东马杜桥剖面古生产力和氧化还原指标垂向分布特征
Figure 12. Vertical distribution characteristics of paleoproductivity and redox index, Maduqiao section, Qidong, Xiangzhong area
氧化还原敏感元素U、V、Mo、Cr、U、Th、Ni和Co等元素的富集程度与水体氧化还原程度密切相关，其相互比值可以用于判别沉积水体的氧化还原环境[21, 22]（表 2）。烟溪组氧化还原指标分析表明：第三岩性段和第一岩性段属厌氧—贫氧环境（图 12），有利于有机质的保存。
判识指标 缺氧环境 富氧环境 厌氧 贫氧 V/（V+Ni） > 0.60 0.45~0.60 < 0.45 U/Th > 1.25 0.75~1.25 < 0.75 V/Cr > 4.25 2.00~4.25 < 2.00 Ni/Co > 7.00 5.00~7.00 < 5.00 烟溪组富有机质页岩主要分布在第一和第三岩性段，这与烟溪组沉积期2次海平面快速上升、古生产力和氧化还原指标密切相关。
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湘中—湘南地区烟溪组黑色页岩露头样品的全岩和黏土矿物成分分析（X射线衍射）结果显示，脆性矿物（石英+长石+黄铁矿）含量47%~87%，平均为60%；其中石英含量最高，在40%~80%之间，平均为55%，长石含量较低，在1%~13%左右（图 13）。岩样黏土矿物含量在13%~52%之间，平均为30%，黏土矿物中绿泥石含量占黏土总量的3%~16%，伊利石为36%~95%，伊蒙混层矿物为5%~55%，未见蒙脱石（图 10）。伊利石及伊蒙混层矿物泥晶间微孔隙较发育，为有机质热解产生的甲烷提供吸附位点和储存空间。矿物组成分析结果表明烟溪组页岩脆性矿物含量丰富，黏土矿物含量适中，有利于页岩气开发。
图 13 湘中—湘南烟溪组页岩矿物组成（a）和黏土矿物组成（b）（%）
Figure 13. Shales of Yanxi Formation in Xiangzhong-Xiangnan area: (a) mineral composition, and (b) clay mineral composition
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样品薄片鉴定、扫描电子显微镜观察发现，样品孔隙发育程度较好，主要孔隙类型包括有机质孔和无机质孔，其中有机质孔包括矿物粒间孔、铸模孔等。研究区烟溪组页岩发育大量的有机质孔隙，孔径一般为0.14~0.42 μm，单个孔隙镜下观察主要呈近球形、椭球形和凹坑状（图 14a，b）。无机质孔是烟溪组另外一种重要的孔隙类型，以次生孔隙和构造孔隙为主，具体包括粒间孔、粒内孔、晶间孔和溶蚀孔。粒间孔多见于矿物颗粒之间（图 14c，d），是由沉积作用或后期成岩改造作用等多种因素影响而形成，孔隙形态多样。通常粒间孔连通性较好。粒内孔主要发育于颗粒内部，尤其在伊利石矿物层间最发育（图 14e，f），孔径为0.01~1.18 μm。晶间孔主要是指矿物集合体内部晶粒之间的孔隙，研究区页岩中黄铁矿普遍发育，且多以微球粒和草莓状晶簇出现，这些黄铁矿晶粒间往往发育一定数量的纳米—微米级孔隙，孔径0.01~1.18 μm，内部连通性一般。溶蚀孔在烟溪组广泛发育，烟溪组页岩处于高成熟阶段，经历了较大的埋深和生烃过程，故溶蚀孔隙极为发育（图 14g，h），溶蚀孔见于长石、方解石矿物中，较分散，局部大于20 μm，一般为死孔或锥形孔。裂缝以构造缝为主，其对页岩气的疏导和页岩中游离气的含量意义重大，烟溪组构造裂缝较发育，宽度多大于20 μm（图 15）。
图 14 湘中祁东马杜桥乡烟溪组孔隙类型
Figure 14. Pore types in Yanxi Formation shale, Maduqiao, Xiangzhong area
图 15 湘中祁东马杜桥乡烟溪组构造缝
Figure 15. Structural fractures in Yanxi Formation shale, Maduqiao, Xiangzhong area
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（1）有效孔隙度
低温氮气吸/脱附实验表征了页岩孔隙结构，特别是微—纳米孔隙结构，IUPAC推荐将低温氮气吸/脱附曲线划分四类，分别代表了开放的圆柱状或平板形孔隙形态、一端封闭的圆柱状或平板形孔隙形态、墨水瓶形以及缩颈型孔隙形态。根据SEM观察，页岩孔隙以纳米级圆筒孔和平行板孔等开放型孔隙为主。圆筒孔主要常见于有机质孔和粒间孔，而平行板孔常见于黏土矿物层间粒内孔以及微裂缝。测试分析表明，烟溪组页岩有效孔隙度平均为5.7%，较焦石坝龙马溪组页岩略小。
（2）渗透率
渗透率则是反应页岩有效孔隙度与孔喉连通性的参数。通过对长塘乡、大水田、衫木湾、岩子潭和石牛乡等地样品覆压孔渗测定得出，页岩地表孔隙度分布在3.42%~10.86%之间，拟合曲线趋于稳定时渗透率（0.003~0.015）×10-3 μm2，平均为0.005×10-3 μm2；四川盆地焦石坝龙马溪组孔隙度峰值区间为0.77%~11.9%，平均6.99%，渗透率（0.001~0.008）×10-3 μm2，表明研究区页岩物性与页岩气发现区龙马溪组相当。因此，湘中地区烟溪组页岩物性分析表明，其微孔隙发育，孔隙度较高，是页岩气吸附能力较强的储层。
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湘中—湘南地区烟溪组TOC的平面分布特征分析表明，TOC高值区并不在水体深度最大的湘南，而在湘中的中部地区，如隆回、祁东、衡阳、常宁和耒阳一带。这主要是由于湘中中部紧邻北部和东部物源，由物源携带来的大量的有机质促进了海洋生物的繁盛，因此，湘中中部成为富有机质页岩最发育的区域。由于湘南深水区碳质页岩TOC明显小于湘中地区，因此，湘南深水沉积区并不是页岩气勘探的有利区域。另外，石英作为页岩中最重要的脆性矿物，其含量越高，越有利于开发阶段压裂生产。湘中中部地区浊积扇发育，由浊积扇携带来的石英碎屑颗粒是碳质页岩重要的石英来源。统计也表明，靠近物源区的碳质页岩中石英的含量更高，因此，湘中中部的碳质页岩更有利于页岩气的开发。湘中地区优质页岩的厚度较大，平均厚度约35 m，有机质成熟度（Ro）平均为3.0%，埋深2 000~4 000 m。综合分析认为烟溪组页岩气勘探的“甜点段”为湘中地区中部烟溪组第一和第三岩性段，尤其是湘中隆回、祁东、衡阳和常宁等地区的第三岩性段在烃源岩、储层物性等评价上均较其他层段优越，应为湘中地区页岩气勘探的重点地区和层段。
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湘中和湘南烟溪组岩性复杂，既有硅质岩、碳质页岩、硅质页岩、砂质页岩，也有砂岩。烟溪组沉积相类型多样，包括深水盆地相、浅水盆地相、浅水陆棚相和浊积扇相。这与前人认为的烟溪组仅发育深水碳质页岩不同。本研究明确了烟溪组沉积期受到3个物源的影响，分别是湘中北部物源、西北部和东部物源。岩性组合和沉积相分析表明烟溪组沉积过程中海平面是逐渐下降的。不同岩性段的岩性和有机地化指标差异较大，第三岩性段碳质页岩具有厚度大、TOC高的特点。由于受到浊积扇的影响，烟溪组碳质页岩TOC高值区和脆性矿物含量高值区集中分布在湘中中部隆回、祁东、常宁和衡阳一带，因此，这些区域的第三岩性段是湘中和湘南地区页岩气勘探的有利区。
Sedimentary Characteristics and Exploration Potential for Shale Gas in Yanxi Formation, Central and Southern Hunan
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摘要: 湖南地区，尤其是湘中—湘南区域奥陶系烟溪组是我国新发现的页岩气勘探层位，该地层具有岩性变化大、有机碳含量高、成熟度高的特点。通过野外露头资料、钻井资料分析表明烟溪组岩性以硅质岩和碳质页岩为主，砂质页岩和砂岩次之。根据岩性、沉积构造以及纵向上岩石组合特征分析，认为烟溪组沉积相类型多样，包括深水盆地相、浅水盆地相、浅水陆棚相和浊积扇相等。研究表明：深水盆地相分布在湘南，浅水盆地和浅水陆棚相分布在湘中中部，而浊积扇相分布在湘中西北部、北部和东部等区域，沉积相的分布规律决定了烟溪组页岩气的勘探方向。横向上，湘南深水盆地硅质岩和碳质页岩TOC含量较低，而湘中浅水盆地相碳质页岩TOC含量高、厚度大，是烟溪组最有利的勘探区域；纵向上，烟溪组第三岩性段碳质页岩有机质丰度最高，脆性矿物含量高，是页岩气勘探的“甜点”层位。Abstract: The Ordovician Yanxi Formation in Hunan, especially in central and southern Hunan, is a newly discovered shale gas exploration horizon in China. It has large lithological variation, high organic carbon content and high maturity. Outcrop data and drilling data analysis indicate that the Yanxi Formation is mainly composed of siliceous rock and carbonaceous shale overlain by sandy shale and sandstone. The lithology, sedimentary structure and vertical rock assemblage characteristics show that the Yanxi Formation contains various sedimentary facies types, including deep-water basin facies, deep-water shelf facies, shallow-water shelf facies, and turbidite fan facies. It was found that, in plan, deep-water basin facies are distributed in southern Hunan, deep-water shelf and shallow-water shelf facies in central Hunan, and turbidite fan facies in northern and eastern parts of central and western Hunan. The facies distribution determines the direction for shale gas exploration in the Yanxi Formation. The TOC content of siliceous rocks and carbonaceous shales in the deep-water basin of southern Hunan is low, whereas the thick carbonaceous shales of the shelf facies in central Hunan have a high TOC, and are the most favorable for exploration in the Yanxi Formation. In particular, the carbonaceous shale in the third lithology section has the highest abundance of organic matter and a high brittle mineral content, and has the greatest shale gas exploration potential.
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Key words:
- Xiangzhong area /
- Yanxi Formation /
- shale gas /
- deep-water basin facies /
- light metamorphism
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中奥陶统烟溪组沉积期，湘中—湘南下古生代广泛发育黑色碳质页岩和硅质岩。但长期以来该页岩被认为均已变质成为板岩，是湘中—湘东南的变质基底，不具生烃潜力[1-2]。最近，永州宁远县棉花坪中奥陶统却发现巨厚层未变质的碳质页岩，通过区域剖面对比认为该碳质页岩属烟溪组。烟溪组广泛发育在湘中地区和湘南地区[3-4]，分布面积大，厚度一般在20~85 m，湘南茶陵地区最厚，可达235 m。烟溪组下伏和上覆地层分别为下奥陶统桥亭子组和上奥陶统天马山组，岩性均为砂岩和页岩互层。由于烟溪组碳质页岩具有厚度大、分布广、变质程度低的特点，因此，烟溪组应为湘中和湘南页岩气勘探的新的目的层，但是目前针对烟溪组的沉积特征认识不清，直接影响了烟溪组页岩气勘探潜力评价。本文在扎实野外工作的基础上，针对烟溪组沉积特征和生烃潜力开展初步研究，并认为湘中和湘南烟溪组碳质页岩以陆架边缘—盆地相沉积为主，具有有机碳含量高、成熟度高、脆性矿物含量高和物性好的特点，因此，研究区烟溪组页岩气勘探潜力巨大。
早奥陶世基本继承了寒武纪构造古地理格局，湘中为陆棚斜坡和盆地相[5]，以泥质、含粉砂质泥质和粉砂岩沉积为主。湘南为盆地和斜坡环境，以浊积成因砂、泥质和远洋泥质沉积为主。中奥陶世，岩石圈挠曲导致盆地强烈沉降并发生海侵[6-7]，湘西北区先期台地转化为陆棚盆地，并沉积瘤状泥灰岩和钙质页岩等[8-11]，湘中和湘南区则成为欠补偿饥饿盆地，沉积碳质页岩、硅质页岩和碳泥质硅质岩等。晚奥陶世属前陆盆地早期阶段[12-13]，湘中区相继为陆棚盆地、盆缘缓坡和局限残留盆地，并沉积碳质泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩等[14-16]；湘南区因盆地南东侧块体（华夏）逆冲抬升，形成槽盆环境下一套快速堆积的浊积岩建造，局部夹碳酸盐岩和硅质岩。烟溪组为中奥陶统下部沉积，对应奥陶系最大海侵期，但烟溪组岩性纵向变化较快，除了碳质页岩还发育多层硅质岩，其沉积环境需深入分析。
1. 样品测试分析
样品均来自湘中和湘南地区野外露头和探槽。根据研究需要，测试分析侧重于有机质干酪根类型、有机碳含量（TOC）、镜质体反射率（Ro）、黏土矿物成分。此外，还对湘中、湘南地区的奥陶系和志留系部分样品进行显微镜岩石薄片分析。样品分析单位为国土资源部重庆矿产资源监督检测中心。利用D8 DISCOVER型X射线衍射仪（温度22 ℃，湿度5%）对烟溪组页岩样品的全岩X衍射矿物组成分析。
2. 烟溪组沉积相特征
2.1 烟溪组岩石类型
烟溪组岩性较复杂，但纵向分布具有一定的规律性（图 1）。烟溪组底部（第一岩性段）常为黑色、灰黑色薄层状硅质岩，平均为10.4 m；烟溪组下部（第二岩性段）为黑色碳质页岩、页岩、粉砂质页岩和泥岩，常夹有黑色薄层状硅质岩，该段平均厚度为15 m；烟溪组中部（第三岩性段）为硅质岩或硅质岩与碳质页岩互层，平均厚度为25 m。该段硅质岩为黑色薄层状，但累计厚度较大；烟溪组上部（第四岩性段）为碳质页岩、粉砂质页岩和砂岩沉积，该段平均厚度18 m。
图 1 城步大梁头烟溪组岩性剖面图Figure 1. Lithologic figure of Yanxi Formation inDaliangtou, Chengbu2.2 烟溪组沉积相类型
湘中南地区烟溪组岩性的多样性表明沉积相类型较多。根据岩性、古生物化石以及沉积韵律可以分析出烟溪组沉积相类型包括深水盆地相、浅水盆地相、浅水陆棚相和浊积扇相。
（1）深水盆地相
深水盆地相沉积岩性主要为硅质岩，其次为碳质页岩和硅质页岩，纵向上形成硅质岩与碳质页岩、硅质页岩互层（图 2）。深水盆地相主要分布在烟溪组底部和中部，是在海平面上升期深水条件下的沉积。硅质岩和硅质页岩中常含有放射虫（图 3），放射虫保存完整，常大量分布在层面上。放射虫属深水沉积，这也从侧面反映出硅质岩形成于深水环境。
图 2 湘中炳溪村和何家洞烟溪组深水盆地相黑色硅质岩（a）、黑色硅质岩与碳质页岩互层（b）Figure 2. (a) Black siliceous rocks; and (b) black siliceous rocks interbedded with carbonaceous shales, Yanxi Formation, Bingxi village, Xiangzhong area
图 3 湘中祁东马杜桥烟溪组深水盆地相硅质岩中发育的放射虫Figure 3. Radiolaria from siliceous rocks of deepwater basin facies, Yanxi Formation, Maduqiao, Xiangzhong area（2）浅水盆地相
浅水盆地相以黑色碳质页岩沉积为主（图 4），其次为硅质页岩、页岩和硅质岩，野外剖面中常见薄层硅质岩夹于碳质页岩。碳质页岩和页岩中发育有笔石，表明浅水盆地以安静、深水还原环境为主。碳质页岩中的有机质来自于陆源以及海洋漂浮生物，由于处在还原环境，因此有机质保存较好，是烟溪组有机碳含量最高的沉积环境。
图 4 湘中祁东马杜桥（a）和宁远棉化坪（b）烟溪组浅水盆地相碳质页岩特征Figure 4. Characteristics of carboniferous shale in the shallow-water basin of (a) the Madongqiao, and (b) the Ningyuan Mianhuaping, Yanshui Formation（3）浅水陆棚相
与深水盆地相、浅水盆地相相比较，浅水陆棚相更靠近物源，所以浅水陆棚相砂质含量更高，以砂质页岩和粉砂岩沉积为主，自下而上形成页岩—砂质页岩—砂岩的反韵律。浅水陆棚相中的碎屑岩颗粒多是通过波浪或潮汐从滨岸搬运至浅水陆棚区或通过浊积扇搬运至浅水陆棚区沉积形成的。粉砂岩中碎屑颗粒以石英为主，石英颗粒的磨圆度多为次棱角状—次圆状，分选性较差，粉砂岩和泥质粉砂岩中常见小型砂纹层理（图 5）。
图 5 城步大桥村烟溪组浅水陆棚相粉砂岩显微镜下特征（单偏光）Figure 5. Microscopic features of shallow-shelf siltstone deposit, Yanxi Formation, Chengbu Bridge village (single polarization)深水盆地相以硅质岩发育为特征，浅水盆地相以碳质页岩为主，而浅水陆棚相以砂质页岩和粉砂岩为特征。由于浅水陆棚相水体相对较浅且紧邻物源区，所以砂岩的含量明显较深水盆地和浅水盆地高。
（4）浊积扇相
浊积扇相是烟溪组一种重要的沉积相类型，主要分布在烟溪组的上部。平面上，浊积扇相主要分布在靠近物源的区域，如研究区的东部、北部和西北部。湘中地区东部浊积扇物源主要来自华夏古隆起，如闵粤地块、武夷地块和罗霄地块等。这些地块多分布在江西东北部和福建北部，是湘中东部浊积扇的主要物源。研究发现，烟溪组沉积期浊积岩最发育的地区集中在江西永新—湖南茶陵—衡阳一线及周围。该大型浊积扇岩性以中粒—细粒杂砂岩为主，常见鲍马序列A、B、C段，砂岩底部可见槽模（图 6），镜下石英颗粒次棱角状，分选性较差（图 7）。
图 6 湘中东部茶陵烟溪组浊积砂岩特征，（a）图具鲍马序列粗粒砂岩，自下而上发育粒序层理段（A段）和平行层理段（B段）；（b）图层面发育的槽模Figure 6. Turbidite characteristics of Yanxi Formation in Chaling area, eastern Xiangzhong
图 7 湖南茶陵烟溪组浊积砂岩镜下特征（a）图为单偏光，（b）图为正交偏光Figure 7. Microscopic characteristics of turbidite sandstone in Yanxi Formation, Chaling, Hunan除了湘中东部地区由碎屑物源形成的浊积扇外，湘中地区西部还发育由碳酸盐岩形成的浊积扇。该浊积扇的形成与益阳—溆浦—三江裂谷带有关。烟溪组沉积期，该裂谷带分布在中上扬子东南边缘的东侧[17]。中上扬子台地边缘碳酸盐岩在重力作用下，沿边缘斜坡搬运至裂谷带沉积下来，形成浊积扇。由于该浊积碳酸盐岩中富含锰矿，因此前人对该浊积岩做了大量的研究，如赵东旭[18]，蒋德和等[19]的研究认为该含锰碳酸盐岩中具有清晰的内碎屑结构和粒序递变序列。另外，断裂带的活动对灰质角砾岩的形成具有一定的控制作用[18]。需要说明的是，这种重力流具有频繁阵发特点，根据野外剖面资料，锰质碳酸盐岩重力流垂向上至少可划分为2套。
2.3 烟溪组沉积相垂向组合特征
在湘中地区烟溪组沉积相变化较大，依据其距离物源的远近、岩性和沉积相特征可把烟溪组的沉积相组合类型划分为深水盆地—浅水盆地、浅水盆地—浅水陆棚组合以及浅水盆地—浊积扇组合。
（1）深水盆地—浅水盆地
深水盆地相以硅质岩和硅质页岩沉积为主，硅质岩发育水平纹层，并富含放射虫生物化石，因此，浅水盆地相代表着水体安静和强还原的深水环境。浅水盆地相以碳质页岩和页岩沉积为主，水体深度相对较大，但比深水盆地相浅。由深水盆地相至浅水盆地相代表着水体深度逐渐减小，该沉积组合主要分布在湘中地区的南部和西部。深水盆地—浅水盆地沉积相组合及其所代表的地层是页岩气生成的有利的相带。
（2）浅水盆地—浅水陆棚沉积相组合
该组合常分布在烟溪组上部，是在海平面整体下降的趋势下形成的沉积组合。浅水盆地相以碳质页岩和硅质页岩为主，代表深水和强还原环境；浅水陆棚相以砂质页岩和泥岩沉积为主，代表着较深水和还原环境沉积。由浅水盆地相碳质页岩相变为浅水陆棚相砂质页岩或泥岩沉积，表明海平面快速下降。这种海平面变化是构造活动、物源供应以及气候变化共同作用的结果。
（3）浅水盆地—浊积扇相沉积相组合
该沉积组合常分布在烟溪组的中、上部，平面上分布在湘中东部、北部以及西部等浊积扇发育的地区。浅水盆地相岩性以碳质页岩和碳质板岩为主，为深水还原环境沉积；浊积扇相为长石砂岩、长石石英砂岩和角砾碳酸盐岩。纵向上，该沉积组合形成的反旋回，旋回的下部为碳质页岩或碳质板岩，上部为砂岩或角砾状碳酸盐岩。
2.4 烟溪组沉积相展布
烟溪组沉积相在横向上的变化具有一定的规律性。通过沉积相对比剖面分析可知，湘中至湘南沉积水体深度不断增加、沉积物粒度逐渐变细。湘中北部发育浊积扇相和浅水盆地相，沉积物粒度相对较粗，而湘南则过渡为浅水盆地相和深水盆地相，以碳质页岩、硅质岩和硅质页岩为主。南南西方向的剖面中，浊积扇以中—粗砂岩为主，纵向上与碳质页岩和板岩互层沉积；横向上向西南方向延伸，且具有砂岩厚度减薄、粒度变细的特点（图 8）。在多剖面对比的基础上，勾画沉积相平面展布（图 9, 10），分析沉积相演化规律。
图 8 湘中地区烟溪组沉积相对比剖面（剖面位置见图 10左图）Figure 8. Depositional correlation section, Yanxi Formation, Xiangzhong area
图 9 湘中和湘南烟溪组第一岩性段（a）和第二岩性段（b）沉积相平面分布图Figure 9. Sedimentary facies distribution in (a) the first, and (b) the second lithologic section, Yanxi Formation, Xiangzhong and Xiangnan area
图 10 湘中和湘南烟溪组第三岩性段（a）和第四岩性段（b）沉积相平面分布图Figure 10. Sedimentary facies distribution in (a) the third, and (b) the fourth lithologic section, Yanxi Formation, Xiangzhong and Xiangnan area烟溪组第一岩性段沉积相类型包括深水盆地相、浅水盆地相和浅水陆棚相，在湘中西北部沅陵地区及其周围还发育碳酸盐岩台地相。深水盆地相是湘中和湘南地区水体深度最大的沉积相类型，主要分布在湘南的城步、双牌、道县以及江华等地区及其周围（图 9a）；浅水盆地相是湘中地区烟溪组早期的主要沉积相类型，主要分布在湘中的隆回、郴州、永州、衡阳、邵阳、祁东、涟源和益阳等地区及其周围；浅水陆棚相分布在攸县、韶山、湘潭、长沙等地区及其周围。烟溪组第二岩性段沉积相类型包括深水盆地相、浅水盆地相、浅水陆棚相、浊积扇相和碳酸盐岩台地相等。深水盆地相分布在湘南的通道和江华等地区（图 9b），岩性以硅质岩为主，夹有碳质页岩；浅水盆地相分布在湘南北部和湘中大部分地区，如城步、洞口、双牌、宁远、怀化、溆浦、新化、祁东、耒阳和郴州等地区及其周围；浅水陆棚相仅分布在湘西和湘西北，如麻阳和安化等地区及其周围。浊积扇相分布在湘中东北部，如湘潭、长沙、浏阳和益阳等地区。
烟溪组第三岩性段沉积相类型包括深水盆地相、浅水盆地相和浅水陆棚相，湘中西北部沅陵和花垣地区及其周围还发育碳酸盐岩台地相。深水盆地相主要分布在湘中和湘南的隆回、洞口、城步、双牌、道县以及江华等地区及其周围（图 10a）；浅水盆地相是湘中地区的主要沉积相类型，广泛分布在湘中怀化、涟源、衡阳、邵阳和郴州等地区及其周围；浅水陆棚相分布在麻阳、安化、益阳、桃江、韶山、湘潭、长沙和浏阳等地区及其周围。烟溪组第四岩性段沉积相类型包括浅水盆地相、浅水陆棚相、浊积扇相和碳酸盐岩台地相等。深水盆地相分布在湘南城步、双牌、道县以及江华等地区；浅水盆地相分布在湘中洞口、邵阳、永州和郴州等地区（图 10b）；浅水陆棚相分布在湘西和湘西北，如芷江、溆浦、安化和桃江等地区及其周围。浊积扇相分布在湘东北的涟源、桃江、韶山、长沙和浏阳等地区，以及湘中东部的攸县、衡阳、茶陵和耒阳等地区。
整体来看，烟溪组第一和第三岩性段沉积水体较深，湘中和湘南以深水盆地和浅水盆地为主；第二和第四岩性段水体相对较浅，湘中和湘南广泛发育浅水盆地、浅水陆棚相和浊积扇。另外，烟溪组沉积期海平面整体有逐渐下降的趋势，这一点也可以通过浊积扇规模的反映出来。第二岩性段沉积末期，浊积扇仅局限分布在湘中北部（图 9b），而第四岩性段沉积期浊积扇在湘中北部和湘中东部广泛分布（图 10b）。浊积扇不断向盆地进积是由于海平面下降促使物源向盆地推进造成的[20]。烟溪组沉积期海平面的变化造成沉积物类型及其有机地化特征发生相应的改变，掌握这种变化规律能够指导页岩气勘探。
3. 烟溪组地球化学特征及有机碳纵向分布规律
3.1 有机质类型
烟溪组页岩热解分析表明其生烃潜量（S1+S2）分布在0.18~0.25 mg/g，平均为0.22 mg/g，最高热解峰值温度Tmax为339 ℃~492 ℃，平均为395 ℃。其生烃潜量极低，亦从另一个角度表明该层位页岩经历了较强的热演化过程，导致其中易于生烃的有机质首先热解生烃，残留下来的是那些难以发生热分解的有机质。烟溪组页岩样品中干酪根组分为腐泥组与惰质组，未见壳质组与镜质组，其中腐泥组含量55%~69%，平均为65%；惰质组含量31%~45%，平均为35%；计算得到的类型指数全部分布在0~40范围内，根据有机质类型划分的“三类四分法”，判断烟溪组页岩样品有机碳类型为Ⅰ—Ⅱ1型（表 1）。
表 1 湘中和湘南烟溪组剖面点有机质含量（TOC）与成熟度（Ro）值Table 1. TOC and Ro values at Yanxi Formation section points in Xiangzhong and Xiangnan area
3.2 有机质丰度及成熟度
有机质的丰度与含气性正相关，它决定页岩中有机质孔隙的发育程度和对天然气的吸附能力。对烟溪组采集的139个样品进行有机碳含量测定，结果表明：烟溪组页岩有机碳含量普遍较高，最高的样品有机碳含量达到8.17%，平均值为2.12%，属于优质烃源岩。烟溪组有机碳含量（TOC）在平面上具有较强的非均质性，隆回—洞口—祁东一线TOC最大，并向南北两侧递减，至零陵、宁远、城步等地TOC值为1.97%~2.94%（表 1），总之，研究区烟溪组TOC总体较高，利于页岩气成藏。虽然该页岩具有很高的有机碳含量，但是研究区烟溪组热演化成熟度较高（表 1），根据地表样品分析结果显示烟溪组在部分地区已经达到了浅变质阶段。根据国外页岩气勘探经验，页岩的高成熟度（> 3%）不是制约页岩气聚集的主要因素，且国外页岩气勘探区域热演化成熟度均较高，如美国页岩气产区的页岩成熟度普遍大于1.3%，阿巴拉契亚盆地的西弗吉尼亚州南部最高可达4.0%，且只有在成熟度较高的区域才有页岩气的产出，因此，虽然研究区奥陶系烟溪组成熟度较高，但是同样具有页岩气潜力。
3.3 页岩有机碳纵向分布特征
烟溪组自下而上可划分出4个岩性段，各岩性段有机碳含量在纵向上具有较强的非均一性，体现了岩性及沉积特征对有机碳含量的控制作用。以湘中马杜桥烟溪组剖面为例，第一岩段岩性为黑色硅质岩、硅质页岩夹少量碳质页岩，其TOC为2.05%~4.34%，平均2.74%，其中，碳质页岩平均TOC为3.31%，硅质岩平均2.42%（图 11），碳质页岩的TOC较硅质岩高。第二岩性段主要为粉砂质页岩，夹少量硅质岩。该岩性段中砂质页岩的TOC平均为0.93%，相较第一岩性段，本段黏土矿物含量显著升高，但TOC却明显减小。第三岩性段下部以硅质岩与碳质页岩互层为主，上部以硅质岩为主，夹碳质页岩。本段TOC较高，碳质页岩TOC测定结果平均为3.14%，是烟溪组页岩中TOC最高的层段，具有良好的生烃潜力。该岩性段中硅质岩的TOC平均为1.75%，而碳质页岩平均为3.56%，碳质页岩TOC明显较硅质岩高。第四岩性段主要为浅灰色硅质岩、硅质页岩夹少量黑色页岩，黑色页岩不污手，平均TOC为2.14%，是烟溪组TOC较低的层段。该段中碳质页岩TOC也较碳质页岩的高。总体来看，烟溪组TOC较高的层段为第一和第三岩性段，较低的为第二和第四岩性段。
图 11 湘中马杜桥烟溪组有机碳纵向分布图Figure 11. Longitudinal distribution of organic carbon, Yanxi Formation, Maduqiao section, Xiangzhong3.4 页岩有机碳富集的控制因素
烟溪组第一和第三段TOC高值的因素包括沉积环境、古生产力和古氧化还原环境等。
第一和第三岩性段岩性以黑色薄层硅质岩和碳质页岩为主，而第二和第四岩性段以砂质页岩和粉砂岩、杂砂岩为主（图 11）。烟溪组第一和第三岩性段沉积相类型为深水盆地相和深水陆棚相，而第二和第四岩性段以浅水陆棚和浊积扇相为主。因此，与第二和第四岩性段相比，第一和第三岩性段水体深度更大，是海平面快速上升期沉积。测试资料显示第一和第三岩性段页岩TOC较第二和第四岩性段高，表明沉积环境对TOC具有控制作用。
生物营养元素P、Ba、Cu、Ni和Zn等的含量与古生产力呈明显正相关性，能反应地质时期沉积水体的生产力状况。烟溪组上述营养元素纵向分布特征分析表明：第三岩性段古生产力指数最高，其次为第一岩性段（图 12）。古生产力与有机碳纵向分布特征具有一致性，即古生产力较高的岩性段，对应的TOC也呈高值（图 12）。
图 12 湘中地区祁东马杜桥剖面古生产力和氧化还原指标垂向分布特征Figure 12. Vertical distribution characteristics of paleoproductivity and redox index, Maduqiao section, Qidong, Xiangzhong area氧化还原敏感元素U、V、Mo、Cr、U、Th、Ni和Co等元素的富集程度与水体氧化还原程度密切相关，其相互比值可以用于判别沉积水体的氧化还原环境[21, 22]（表 2）。烟溪组氧化还原指标分析表明：第三岩性段和第一岩性段属厌氧—贫氧环境（图 12），有利于有机质的保存。
判识指标 缺氧环境 富氧环境 厌氧 贫氧 V/（V+Ni） > 0.60 0.45~0.60 < 0.45 U/Th > 1.25 0.75~1.25 < 0.75 V/Cr > 4.25 2.00~4.25 < 2.00 Ni/Co > 7.00 5.00~7.00 < 5.00 烟溪组富有机质页岩主要分布在第一和第三岩性段，这与烟溪组沉积期2次海平面快速上升、古生产力和氧化还原指标密切相关。
4. 烟溪组储层特征
4.1 矿物岩石学特征
湘中—湘南地区烟溪组黑色页岩露头样品的全岩和黏土矿物成分分析（X射线衍射）结果显示，脆性矿物（石英+长石+黄铁矿）含量47%~87%，平均为60%；其中石英含量最高，在40%~80%之间，平均为55%，长石含量较低，在1%~13%左右（图 13）。岩样黏土矿物含量在13%~52%之间，平均为30%，黏土矿物中绿泥石含量占黏土总量的3%~16%，伊利石为36%~95%，伊蒙混层矿物为5%~55%，未见蒙脱石（图 10）。伊利石及伊蒙混层矿物泥晶间微孔隙较发育，为有机质热解产生的甲烷提供吸附位点和储存空间。矿物组成分析结果表明烟溪组页岩脆性矿物含量丰富，黏土矿物含量适中，有利于页岩气开发。
图 13 湘中—湘南烟溪组页岩矿物组成（a）和黏土矿物组成（b）（%）Figure 13. Shales of Yanxi Formation in Xiangzhong-Xiangnan area: (a) mineral composition, and (b) clay mineral composition4.2 储集空间类型
样品薄片鉴定、扫描电子显微镜观察发现，样品孔隙发育程度较好，主要孔隙类型包括有机质孔和无机质孔，其中有机质孔包括矿物粒间孔、铸模孔等。研究区烟溪组页岩发育大量的有机质孔隙，孔径一般为0.14~0.42 μm，单个孔隙镜下观察主要呈近球形、椭球形和凹坑状（图 14a，b）。无机质孔是烟溪组另外一种重要的孔隙类型，以次生孔隙和构造孔隙为主，具体包括粒间孔、粒内孔、晶间孔和溶蚀孔。粒间孔多见于矿物颗粒之间（图 14c，d），是由沉积作用或后期成岩改造作用等多种因素影响而形成，孔隙形态多样。通常粒间孔连通性较好。粒内孔主要发育于颗粒内部，尤其在伊利石矿物层间最发育（图 14e，f），孔径为0.01~1.18 μm。晶间孔主要是指矿物集合体内部晶粒之间的孔隙，研究区页岩中黄铁矿普遍发育，且多以微球粒和草莓状晶簇出现，这些黄铁矿晶粒间往往发育一定数量的纳米—微米级孔隙，孔径0.01~1.18 μm，内部连通性一般。溶蚀孔在烟溪组广泛发育，烟溪组页岩处于高成熟阶段，经历了较大的埋深和生烃过程，故溶蚀孔隙极为发育（图 14g，h），溶蚀孔见于长石、方解石矿物中，较分散，局部大于20 μm，一般为死孔或锥形孔。裂缝以构造缝为主，其对页岩气的疏导和页岩中游离气的含量意义重大，烟溪组构造裂缝较发育，宽度多大于20 μm（图 15）。
图 14 湘中祁东马杜桥乡烟溪组孔隙类型Figure 14. Pore types in Yanxi Formation shale, Maduqiao, Xiangzhong area
图 15 湘中祁东马杜桥乡烟溪组构造缝Figure 15. Structural fractures in Yanxi Formation shale, Maduqiao, Xiangzhong area4.3 物性特征
（1）有效孔隙度
低温氮气吸/脱附实验表征了页岩孔隙结构，特别是微—纳米孔隙结构，IUPAC推荐将低温氮气吸/脱附曲线划分四类，分别代表了开放的圆柱状或平板形孔隙形态、一端封闭的圆柱状或平板形孔隙形态、墨水瓶形以及缩颈型孔隙形态。根据SEM观察，页岩孔隙以纳米级圆筒孔和平行板孔等开放型孔隙为主。圆筒孔主要常见于有机质孔和粒间孔，而平行板孔常见于黏土矿物层间粒内孔以及微裂缝。测试分析表明，烟溪组页岩有效孔隙度平均为5.7%，较焦石坝龙马溪组页岩略小。
（2）渗透率
渗透率则是反应页岩有效孔隙度与孔喉连通性的参数。通过对长塘乡、大水田、衫木湾、岩子潭和石牛乡等地样品覆压孔渗测定得出，页岩地表孔隙度分布在3.42%~10.86%之间，拟合曲线趋于稳定时渗透率（0.003~0.015）×10-3 μm2，平均为0.005×10-3 μm2；四川盆地焦石坝龙马溪组孔隙度峰值区间为0.77%~11.9%，平均6.99%，渗透率（0.001~0.008）×10-3 μm2，表明研究区页岩物性与页岩气发现区龙马溪组相当。因此，湘中地区烟溪组页岩物性分析表明，其微孔隙发育，孔隙度较高，是页岩气吸附能力较强的储层。
5. 湘中南烟溪组勘探方向
湘中—湘南地区烟溪组TOC的平面分布特征分析表明，TOC高值区并不在水体深度最大的湘南，而在湘中的中部地区，如隆回、祁东、衡阳、常宁和耒阳一带。这主要是由于湘中中部紧邻北部和东部物源，由物源携带来的大量的有机质促进了海洋生物的繁盛，因此，湘中中部成为富有机质页岩最发育的区域。由于湘南深水区碳质页岩TOC明显小于湘中地区，因此，湘南深水沉积区并不是页岩气勘探的有利区域。另外，石英作为页岩中最重要的脆性矿物，其含量越高，越有利于开发阶段压裂生产。湘中中部地区浊积扇发育，由浊积扇携带来的石英碎屑颗粒是碳质页岩重要的石英来源。统计也表明，靠近物源区的碳质页岩中石英的含量更高，因此，湘中中部的碳质页岩更有利于页岩气的开发。湘中地区优质页岩的厚度较大，平均厚度约35 m，有机质成熟度（Ro）平均为3.0%，埋深2 000~4 000 m。综合分析认为烟溪组页岩气勘探的“甜点段”为湘中地区中部烟溪组第一和第三岩性段，尤其是湘中隆回、祁东、衡阳和常宁等地区的第三岩性段在烃源岩、储层物性等评价上均较其他层段优越，应为湘中地区页岩气勘探的重点地区和层段。
6. 结论
湘中和湘南烟溪组岩性复杂，既有硅质岩、碳质页岩、硅质页岩、砂质页岩，也有砂岩。烟溪组沉积相类型多样，包括深水盆地相、浅水盆地相、浅水陆棚相和浊积扇相。这与前人认为的烟溪组仅发育深水碳质页岩不同。本研究明确了烟溪组沉积期受到3个物源的影响，分别是湘中北部物源、西北部和东部物源。岩性组合和沉积相分析表明烟溪组沉积过程中海平面是逐渐下降的。不同岩性段的岩性和有机地化指标差异较大，第三岩性段碳质页岩具有厚度大、TOC高的特点。由于受到浊积扇的影响，烟溪组碳质页岩TOC高值区和脆性矿物含量高值区集中分布在湘中中部隆回、祁东、常宁和衡阳一带，因此，这些区域的第三岩性段是湘中和湘南地区页岩气勘探的有利区。
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图 1 城步大梁头烟溪组岩性剖面图
Figure 1. Lithologic figure of Yanxi Formation inDaliangtou, Chengbu
图 2 湘中炳溪村和何家洞烟溪组深水盆地相黑色硅质岩（a）、黑色硅质岩与碳质页岩互层（b）
Figure 2. (a) Black siliceous rocks; and (b) black siliceous rocks interbedded with carbonaceous shales, Yanxi Formation, Bingxi village, Xiangzhong area
图 3 湘中祁东马杜桥烟溪组深水盆地相硅质岩中发育的放射虫
Figure 3. Radiolaria from siliceous rocks of deepwater basin facies, Yanxi Formation, Maduqiao, Xiangzhong area
图 4 湘中祁东马杜桥（a）和宁远棉化坪（b）烟溪组浅水盆地相碳质页岩特征
Figure 4. Characteristics of carboniferous shale in the shallow-water basin of (a) the Madongqiao, and (b) the Ningyuan Mianhuaping, Yanshui Formation
图 5 城步大桥村烟溪组浅水陆棚相粉砂岩显微镜下特征（单偏光）
Figure 5. Microscopic features of shallow-shelf siltstone deposit, Yanxi Formation, Chengbu Bridge village (single polarization)
图 6 湘中东部茶陵烟溪组浊积砂岩特征，（a）图具鲍马序列粗粒砂岩，自下而上发育粒序层理段（A段）和平行层理段（B段）；（b）图层面发育的槽模
Figure 6. Turbidite characteristics of Yanxi Formation in Chaling area, eastern Xiangzhong
图 7 湖南茶陵烟溪组浊积砂岩镜下特征（a）图为单偏光，（b）图为正交偏光
Figure 7. Microscopic characteristics of turbidite sandstone in Yanxi Formation, Chaling, Hunan
图 8 湘中地区烟溪组沉积相对比剖面（剖面位置见图 10左图）
Figure 8. Depositional correlation section, Yanxi Formation, Xiangzhong area
图 9 湘中和湘南烟溪组第一岩性段（a）和第二岩性段（b）沉积相平面分布图
Figure 9. Sedimentary facies distribution in (a) the first, and (b) the second lithologic section, Yanxi Formation, Xiangzhong and Xiangnan area
图 10 湘中和湘南烟溪组第三岩性段（a）和第四岩性段（b）沉积相平面分布图
Figure 10. Sedimentary facies distribution in (a) the third, and (b) the fourth lithologic section, Yanxi Formation, Xiangzhong and Xiangnan area
图 11 湘中马杜桥烟溪组有机碳纵向分布图
Figure 11. Longitudinal distribution of organic carbon, Yanxi Formation, Maduqiao section, Xiangzhong
图 12 湘中地区祁东马杜桥剖面古生产力和氧化还原指标垂向分布特征
Figure 12. Vertical distribution characteristics of paleoproductivity and redox index, Maduqiao section, Qidong, Xiangzhong area
图 13 湘中—湘南烟溪组页岩矿物组成（a）和黏土矿物组成（b）（%）
Figure 13. Shales of Yanxi Formation in Xiangzhong-Xiangnan area: (a) mineral composition, and (b) clay mineral composition
图 14 湘中祁东马杜桥乡烟溪组孔隙类型
Figure 14. Pore types in Yanxi Formation shale, Maduqiao, Xiangzhong area
图 15 湘中祁东马杜桥乡烟溪组构造缝
Figure 15. Structural fractures in Yanxi Formation shale, Maduqiao, Xiangzhong area
表 1 湘中和湘南烟溪组剖面点有机质含量（TOC）与成熟度（Ro）值
Table 1. TOC and Ro values at Yanxi Formation section points in Xiangzhong and Xiangnan area
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