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滇东北筇竹寺组极低级变质作用及古地温研究——伊利石和镜质体反射率的证据

刘建清 赵瞻 何利 陆俊泽 冉敬 胡志中

刘建清, 赵瞻, 何利, 陆俊泽, 冉敬, 胡志中. 滇东北筇竹寺组极低级变质作用及古地温研究——伊利石和镜质体反射率的证据[J]. 沉积学报, 2025, 43(1): 349-360. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2022.159
引用本文: 刘建清, 赵瞻, 何利, 陆俊泽, 冉敬, 胡志中. 滇东北筇竹寺组极低级变质作用及古地温研究——伊利石和镜质体反射率的证据[J]. 沉积学报, 2025, 43(1): 349-360. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2022.159
LIU JianQing, ZHAO Zhan, HE Li, LU JunZe, RAN Jing, HU ZhiZhong. Extremely Low Grade Metamorphism and Paleotemperature of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Northeastern Yunnan Province: Evidence from illite and vitrinite reflectance[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2025, 43(1): 349-360. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2022.159
Citation: LIU JianQing, ZHAO Zhan, HE Li, LU JunZe, RAN Jing, HU ZhiZhong. Extremely Low Grade Metamorphism and Paleotemperature of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Northeastern Yunnan Province: Evidence from illite and vitrinite reflectance[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2025, 43(1): 349-360. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2022.159

滇东北筇竹寺组极低级变质作用及古地温研究——伊利石和镜质体反射率的证据

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2022.159
基金项目: 

中国地质调查局油气调查专项 DD20190080

详细信息
    作者简介:

    刘建清,男,1969年出生,教授级高级工程师,岩石学,E-mail: ljianqing0813@163.com

    通讯作者:

    赵瞻,男,教授级高级工程师,E-mail: zhaozhan1982@163.com

  • 昭通幅.云南省地质局. 中华人民过区域地质测量报告[R]. 1978.

Extremely Low Grade Metamorphism and Paleotemperature of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Northeastern Yunnan Province: Evidence from illite and vitrinite reflectance

Funds: 

Oil and Gas Survey Project of China Geological Survey DD20190080

  • 摘要: 目的 极低级变质作用处于石油—湿气—干气以及泥煤—烟煤—无烟煤的演化阶段,与古地温有着极其密切的关系,因而,极低级变质作用及古地温的研究对于油气、煤等能源矿产的勘探具有重要的现实意义。与已取得勘探突破的上扬子地区龙马溪组相比,下寒武统牛蹄塘组(筇竹寺组)页岩有机质丰度和热演化程度更高,具有更大的沉积厚度和更广泛的分布面积,页岩气资源潜力巨大,是中国页岩气勘探开发的另一个重点层系。目前,筇竹寺组这套高成熟度烃源岩尚未开展系统的极低级变质作用及古地温研究,有必要揭示古地温等技术参数及其对油气成藏的影响。 方法 在剖面实测基础上,通过伊/蒙混层矿物结构有序度、伊利石结晶度和烃源岩镜质体反射率等技术被首次开展了滇东北地区筇竹寺组极低级变质作用及古地温研究。 结果 (1)筇竹寺组粉砂质泥岩中伊/蒙混层矿物中伊利石含量达95%。自生伊利石及伊/蒙混层矿物中伊利石结晶度介于0.24~0.35;由沥青反射率计算的烃源岩镜质体反射率(Ro)介于2.22%~2.65%,低于扬子东南缘(Ro介于3.18%~3.43%)及海相干酪根天然气生成成熟度上限(Ro=3%);(2)滇东北地区筇竹寺经历最高古地温确定在200 ℃~227.57 ℃,低于扬子东南缘(211 ℃~246 ℃)及烃类死亡最高温度(230 ℃~300 ℃)。早白垩世—新近纪最大埋深期古地温梯度介于2.53~2.91 ℃/100m,与扬子东南缘接近;(3)综合考虑各变质作用划分标准及方案,滇东北地区筇竹寺组分别属于极低级变质A带—B带、近变质带、低级近变带—高级近变带,系葡萄石—绿纤石相。 结论 滇东北地区筇竹寺期处于由沉积凹陷向隆起过渡的有利指向区,该区筇竹寺组经历了较低的最高古地温,且有机质成熟度相对于扬子其他地区成熟度更低,具有油气形成条件和物质基础。目前尚未发现古油藏出露,后期构造保存条件较好,滇东北地区筇竹寺组的油气远景应予以关注。
    注释:
    1) 脚注:
    1)  昭通幅.云南省地质局. 中华人民过区域地质测量报告[R]. 1978.
  • 图  1  研究区区域地质图

    Figure  1.  Regional geology of the study area

    图  2  锌厂沟筇竹寺组剖面柱状图

    Figure  2.  Column diagram of section of the Qiongzhusi Formation in the Xinchanggou section

    图  3  锌厂沟剖面典型野外照片

    (a) carbonaceous mudstone of layers 1⁃5; (b) the symmetrical ripple marks formed by billows in the 27th layer

    Figure  3.  Typical field photos of the Xinchanggou section

    Fig.3

    图  4  锌厂沟剖面典型岩石显微照片

    (a) micrograph of argillaceous siltstone of layer 1; (b) micrograph of argillaceous siltstone of layer 23

    Figure  4.  Micrograph of typical rocks in the Xincanggou section

    Fig.4

    图  5  锌厂沟剖面筇竹寺组干酪根显微照片

    (a) micrograph of black argillaceous siltstone kerogen in layer 1; (b) micrograph of black argillaceous siltstone kerogen in layer 3

    Figure  5.  Microscopic picture of the Qiongzhusi Formation kerogen in the Xinchanggou section

    Fig.5

    表  1  锌厂沟剖面筇竹寺组泥页岩全岩矿物X射线衍射含量(%)

    Table  1.   X⁃ray diffraction content (%) of whole rock in the mud⁃shale of the Qiongzhusi Formation in the Xinchanggou section

    样品编号石 英钾长石斜长石方解石白云石黏土矿物
    zxp-1xy141142916
    zxp-4xy145122320
    zxp-9xy14211302312
    zxp-11xy142132817
    zxp-13xy1411224518
    zxp-15xy138369737
    zxp-17xy1371011834
    zxp-19xy1363861334
    zxp-21xy1381018529
    zxp-23xy1414181423
    zxp-25xy1332591536
    zxp-27xy14552939
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    表  2  锌厂沟剖面筇竹寺组泥页岩黏土矿物分析结果及温度计算结果

    Table  2.   Results of clay mineral analysis and temperature calculation of mud⁃shale in the Qiongzhusi Formation in the Xinchanggou section

    样号岩性黏土矿物含量/%伊/蒙混层比/%伊利石结晶度温度
    蒙脱石伊利石高岭石绿泥石伊/蒙混层蒙脱石层伊利石层T1/℃T2/℃
    zxp-1xy1炭质粉砂岩2850765950.31222.14221.32
    zxp-4xy1炭质泥岩08121255950.29222.14223.10
    zxp-9xy1钙泥质粉砂岩0942135950.33222.14219.53
    zxp-11xy1泥质粉砂岩2902155950.35222.14217.75
    zxp-13xy1泥质粉砂岩7824255950.35222.14217.75
    zxp-15xy1粉砂质泥岩058162425950.26222.14225.78
    zxp-17xy1钙质泥岩05883135950.25222.14226.68
    zxp-19xy1粉砂质泥岩05863425950.24222.14227.57
    zxp-21xy1粉砂质泥岩06053325950.24222.14227.57
    zxp-23xy1粉砂质泥岩06262845950.28222.14224.00
    zxp-25xy1粉砂质泥岩05843535950.29222.14223.10
    zxp-27xy1泥岩06842535950.34222.14218.64
    注:T1、T2由公式(1)、(2)计算得出。
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    表  3  筇竹寺组烃源岩镜质体反射率及温度计算结果

    Table  3.   Vitrinite reflectance and its temperature calculation results for the Qiongzhusi Formation source rocks

    样号岩性Rran/%Ro/%T3/℃T4/℃T5/℃T6/℃
    zxp-1sy1炭质粉砂岩2.812.22256.27254.18199.91199.76
    zxp-1sy2炭质泥岩3.262.52272.53269.84210.14205.29
    zxp-1sy3炭质泥岩3.312.56274.21271.46211.20205.91
    zxp-2sy1炭质泥岩3.182.47269.78267.20208.41204.31
    zxp-2sy2炭质泥岩3.342.58275.21272.43211.83206.28
    zxp-2sy3炭质泥岩3.372.60276.21273.39212.45206.65
    zxp-3sy1炭质泥岩3.282.54273.20270.49210.56205.54
    zxp-3sy2含炭质泥岩3.412.62277.52274.65213.28207.14
    zxp-4sy1炭质泥岩3.272.53272.87270.17210.35205.42
    zxp-4sy2炭质泥岩3.452.65278.82275.90214.10207.63
    zxp-5sy1含炭质泥岩3.252.52272.19269.51209.92205.17
    zxp-17sy1钙质泥岩3.242.51271.85269.19209.71205.05
    zxp-27sy1泥岩3.222.50271.16268.53209.28204.80
    注:T3、T4、T5、T6由公式(3)、(4)、(5)、(6)计算得出。
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    表  4  伊/蒙混层矿物结构与温度的关系

    Table  4.   Structure of illite/montmorillonite interbedded minerals and its relationship with temperature

    Nadeau et al.[24]Hofman et al.[25]Jenning et al.[26]Harvey et al.[27]
    矿物类型伊利石含量稳定存在温度/℃转变温度/℃伊利石含量出现温度/℃伊利石含量出现温度/℃
    R0I/S<60%<13013%68
    R1I/S60%~80%130~160R0~R1(100~110)63%12960%100
    R3I/S>85%150~180R1~R3(170~178)90%17690%170
    100%208伊利石>200
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-08
  • 修回日期:  2022-12-10
  • 录用日期:  2023-02-23
  • 网络出版日期:  2023-02-23
  • 刊出日期:  2025-02-10

目录

    滇东北筇竹寺组极低级变质作用及古地温研究——伊利石和镜质体反射率的证据

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2022.159
      基金项目:

      中国地质调查局油气调查专项 DD20190080

      作者简介:

      刘建清,男,1969年出生,教授级高级工程师,岩石学,E-mail: ljianqing0813@163.com

      通讯作者: 赵瞻,男,教授级高级工程师,E-mail: zhaozhan1982@163.com
    • 昭通幅.云南省地质局. 中华人民过区域地质测量报告[R]. 1978.

    摘要: 目的 极低级变质作用处于石油—湿气—干气以及泥煤—烟煤—无烟煤的演化阶段,与古地温有着极其密切的关系,因而,极低级变质作用及古地温的研究对于油气、煤等能源矿产的勘探具有重要的现实意义。与已取得勘探突破的上扬子地区龙马溪组相比,下寒武统牛蹄塘组(筇竹寺组)页岩有机质丰度和热演化程度更高,具有更大的沉积厚度和更广泛的分布面积,页岩气资源潜力巨大,是中国页岩气勘探开发的另一个重点层系。目前,筇竹寺组这套高成熟度烃源岩尚未开展系统的极低级变质作用及古地温研究,有必要揭示古地温等技术参数及其对油气成藏的影响。 方法 在剖面实测基础上,通过伊/蒙混层矿物结构有序度、伊利石结晶度和烃源岩镜质体反射率等技术被首次开展了滇东北地区筇竹寺组极低级变质作用及古地温研究。 结果 (1)筇竹寺组粉砂质泥岩中伊/蒙混层矿物中伊利石含量达95%。自生伊利石及伊/蒙混层矿物中伊利石结晶度介于0.24~0.35;由沥青反射率计算的烃源岩镜质体反射率(Ro)介于2.22%~2.65%,低于扬子东南缘(Ro介于3.18%~3.43%)及海相干酪根天然气生成成熟度上限(Ro=3%);(2)滇东北地区筇竹寺经历最高古地温确定在200 ℃~227.57 ℃,低于扬子东南缘(211 ℃~246 ℃)及烃类死亡最高温度(230 ℃~300 ℃)。早白垩世—新近纪最大埋深期古地温梯度介于2.53~2.91 ℃/100m,与扬子东南缘接近;(3)综合考虑各变质作用划分标准及方案,滇东北地区筇竹寺组分别属于极低级变质A带—B带、近变质带、低级近变带—高级近变带,系葡萄石—绿纤石相。 结论 滇东北地区筇竹寺期处于由沉积凹陷向隆起过渡的有利指向区,该区筇竹寺组经历了较低的最高古地温,且有机质成熟度相对于扬子其他地区成熟度更低,具有油气形成条件和物质基础。目前尚未发现古油藏出露,后期构造保存条件较好,滇东北地区筇竹寺组的油气远景应予以关注。

    注释:
    1) 脚注:
    1)  昭通幅.云南省地质局. 中华人民过区域地质测量报告[R]. 1978.

    English Abstract

    刘建清, 赵瞻, 何利, 陆俊泽, 冉敬, 胡志中. 滇东北筇竹寺组极低级变质作用及古地温研究——伊利石和镜质体反射率的证据[J]. 沉积学报, 2025, 43(1): 349-360. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2022.159
    引用本文: 刘建清, 赵瞻, 何利, 陆俊泽, 冉敬, 胡志中. 滇东北筇竹寺组极低级变质作用及古地温研究——伊利石和镜质体反射率的证据[J]. 沉积学报, 2025, 43(1): 349-360. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2022.159
    LIU JianQing, ZHAO Zhan, HE Li, LU JunZe, RAN Jing, HU ZhiZhong. Extremely Low Grade Metamorphism and Paleotemperature of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Northeastern Yunnan Province: Evidence from illite and vitrinite reflectance[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2025, 43(1): 349-360. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2022.159
    Citation: LIU JianQing, ZHAO Zhan, HE Li, LU JunZe, RAN Jing, HU ZhiZhong. Extremely Low Grade Metamorphism and Paleotemperature of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Northeastern Yunnan Province: Evidence from illite and vitrinite reflectance[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2025, 43(1): 349-360. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2022.159
      • 极低级变质作用是变质地质学研究的前沿领域之一,指很低温的一种变质作用,即从成岩作用向低级变质的转变过程,与石油、天然气、煤等能源矿产密切相关。在成岩—极低级变质作用阶段,石油演化阶段从石油—湿气—干气变化,煤则经历由泥煤—烟煤—无烟煤的变化。这些过程有着较多评价指标,例如可依据伊利石结晶度KI(°Δ2θ)0.42和0.25将极低级变质作用划分为成岩带、近变质带和浅变质带。因此,通过对沉积盆地成岩—极低级变质作用研究,对于明确成岩—变质界限,阐明盆地—构造—热演化史,指导油气勘探,具有重要的理论和现实意义[15]

        国际上极低级变质作用的主要标志有:(1)标志矿物及组合;(2)伊利石和伊/蒙转换,如伊利石结晶度、多型,伊/蒙混层可膨胀层的百分比,伊利石有序度、晶畴大小、b0值等;(3)有机质参数,如镜质体反射率、笔石反射率、牙形刺颜色蚀变指数、孢粉颜色等[615]。在油气的生成和转变过程中,含油气盆地古地温及古地温梯度是热史、生烃史研究的重要基础,不仅可以重塑油藏历史演化过程,而且可以预测其发展演化趋势。近年来的研究,可依据上述指标开展烃源岩埋藏过程古地温定量计算,精准标定其经历的最高古地温,为热史、生烃史研究奠定基础。

        中上扬子地区下寒武统筇竹寺组(牛蹄塘组)普遍发育一套黑色烃源岩,厚度大、有机碳含量高,是四川盆地众多下古生界油气藏的烃源岩,受到石油地质界的广泛关注。以往对于该套烃源岩成熟度的工作,主要根据镜质体反射率(Ro)进行成熟、过成熟的定性评价,未曾开展较为系统的低级变质作用及其相关热历史的研究。滇东北昭通地区位于上扬子地区,筇竹寺组烃源岩镜质体反射率低于扬子东南缘[16],成熟度较低,更具油气勘探的现实意义。该区沉积盆地的研究缺乏古地温资料,制约了盆地生烃史的研究。在滇东北昭通地区锌厂沟筇竹寺组剖面测量基础上,开展了筇竹寺组黑色页岩黏土矿物组成、伊利石结晶度、镜质体反射率研究及与变质程度和古地温定量计算,旨在揭示该区筇竹寺组烃源岩经历的最大古地温,为盆地生烃史的研究提供基础资料,深化该区筇竹寺组的研究,服务于油气勘探。

      • 根据云南省地质志的划分,研究区在一级构造单位为扬子准地台,二级构造单元为滇东台褶带[17]。经过晋宁运动之后的加里东、海西、印支、燕山、喜马拉雅各构造期,该区沉积了震旦系、古生界、中生界、新生界的巨厚盖层(图1)。区内出露的震旦系—白垩系均为整合或平行不整合接触,下白垩统与新近系之间为角度不整合接触,表明该区沉积盖层于晚燕山—早喜山期褶皱定型。其中上古生界与下古生界的广西运动造成的平行不整合是区内最大的沉积间断[18]

        图  1  研究区区域地质图

        Figure 1.  Regional geology of the study area

        早寒武世筇竹寺期是上扬子地区早古生代最大的一次海侵,普遍发育了厚度较大的黑色页岩。滇东北地区位于上扬子康滇古陆东缘,筇竹寺期接受来自该古陆的剥蚀和沉积。同时,受新元古代裂谷盆地的持续影响,筇竹寺组沉积基底凹凸不平,自该区至镇雄一带筇竹寺组沉积厚度300~500 m,各地黑色页岩累计厚度30~60 m,沉降中心位于镇雄一带。自晚寒武世开始,在华南加里东幕式造山作用背景下,上扬子地区呈现隆、凹相间的格局,发育一系列的古隆起。滇东北昭通地区位于其中的黔中隆起,区内奥陶系—志留系缺失或发育不完整,而往北渐入黔北凹陷[19]

      • 为开展下寒武统筇竹寺组的极低级变质作用及相关最高古地温研究,实测了云南省昭通市昭阳区锌厂沟筇竹寺组剖面。剖面位于金沙江东岸一支沟(锌厂沟)(剖面起点坐标:103°13′46.21″ E,27°34′13.29″ N;终点坐标:103°14′04.03″ E,27°34′10.60″ N),见顶、底,底与下寒武统麦地坪组厚层粉晶白云岩为平行不整合接触,顶与中寒武统沧浪铺组紫红色泥岩呈整合接触。剖面共分29层,0层麦地坪组,29层为沧浪铺组,除7~8层局部风化和掩盖较强外,其余露头连续出露,剖面质量较好。剖面纵向上两分明显(图2),底部(1~5层)为灰黑色—黑色中厚层状—薄层状炭质泥岩、炭质粉砂岩、含炭质泥岩,为烃源岩层(图3),沉积相分析为深水陆棚环境,厚19.57 m;上部(6~28层)为灰—深灰色泥质粉砂岩、深灰色泥岩、钙泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩,风化面略带浅黄灰色、浅黄绿色,普遍发育水平层理,局部(27层)见浪成对称波痕(图3)。其中17层、27层深灰色泥岩为较差烃源岩层,厚度分别为6.46 m和13.17 m。沉积相主要为浅水陆棚,局部(17层、27层)为深水陆棚环境,反映上部有两次短暂的水体加深过程[19]

        图  2  锌厂沟筇竹寺组剖面柱状图

        Figure 2.  Column diagram of section of the Qiongzhusi Formation in the Xinchanggou section

        图  3  锌厂沟剖面典型野外照片

        Figure 3.  Typical field photos of the Xinchanggou section

      • 为开展滇东北地区筇竹寺组的极低级变质作用及相关热历史研究,在锌厂沟筇竹寺组剖面采集泥页岩进行黏土矿物X射线衍射分析、伊利石结晶度分析,对筇竹寺组底部黑色泥质粉砂岩及中上部深灰色页岩采集样品进行沥青反射率分析。样品在四川省科源工程技术测试中心(页岩气评价与开采四川省重点实验室)完成。

        黏土矿物的提取、制备及分析流程按《SYT5163-208:沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》进行开展。黏土矿物X射线衍射分析在DMX-Ⅲ型X射线衍射仪上完成,测试条件为Cu靶,电压35 kV,电流15 mA,步宽0.02° 2θ,扫描范围2°~36° 2θ。黏土矿物含量利用衍射峰强度计算方法获得[20]

        伊利石结晶度测试仪器为X’pert Powder,测试条件为Cu靶,电压40 kV,电流40 mA;发射狭缝与散射狭缝均为1°,接收狭缝0.3 mm,扫描速度:2θ为2°/min;采样步宽:2θ为0.02°;扫描范围5°~45°(自然定向片,饱和乙二醇片)。

        干酪根分选、制备流程依据国家标准GB/T 19144—2010《沉积岩中干酪根分离方法》开展。沥青反射率仪器为Axio Scope.A1显微镜、J&M分光光度计,放大倍数500倍,反射率量程0.1%~10%。测试条件:环境温度23±3 ℃,相对湿度小于70%RH,光线波长546 nm±5 nm。标准物质:钆镓石榴石,浸油反射率1.72%,氧化锆,浸油反射率3.16%(在23 ℃±1 ℃,546 nm波长的绿波下,折射率为1.518 0±0.000 4)。测试执行标准为SY/5124—2012《沉积岩中镜质体反射率测定方法》[5]

      • 锌厂沟剖面筇竹寺组泥质粉砂岩、粉砂质泥岩主要由石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、黏土矿物组成(表1)。全岩X射线衍射显示,石英含量33%~45%,平均40%,钾长石含量0~14%,平均6.6%,斜长石含量0~30%,平均14.4%,方解石含量0~18%,平均6.3%,白云石含量0~15%,平均6.60%,黏土矿物含量12%~39%,平均26.30%。显微镜下,石英呈棱角状或次棱角状,粒径0.05 mm左右,颗粒间充填泥质、碳质等成分;长石颗粒,棱角状,粒径0.05 mm左右,局部可见聚片双晶;方解石和白云石呈泥晶—微晶集合体,为沉积期沉淀的碳酸盐矿物;“泥质”呈基底式胶结石英碎屑,呈隐晶质状或重结晶形成雏晶状,为沉积期沉淀并经成岩—极低级转变黏土矿物和自生黏土矿物,其中夹杂少量碳质成分[19]图4)。镜下筇竹寺组泥质粉砂岩、粉砂质泥岩见清晰的层理构造(S0),无置换性变质面理(S1),长石、方解石颗粒亦无明显的压扁、拉长等变质作用的特征,反映构造挤压作用并不强烈,岩石尚处于成岩—极低级变质作用,未达到浅变质作用阶段。

        表 1  锌厂沟剖面筇竹寺组泥页岩全岩矿物X射线衍射含量(%)

        Table 1.  X⁃ray diffraction content (%) of whole rock in the mud⁃shale of the Qiongzhusi Formation in the Xinchanggou section

        样品编号石 英钾长石斜长石方解石白云石黏土矿物
        zxp-1xy141142916
        zxp-4xy145122320
        zxp-9xy14211302312
        zxp-11xy142132817
        zxp-13xy1411224518
        zxp-15xy138369737
        zxp-17xy1371011834
        zxp-19xy1363861334
        zxp-21xy1381018529
        zxp-23xy1414181423
        zxp-25xy1332591536
        zxp-27xy14552939

        图  4  锌厂沟剖面典型岩石显微照片

        Figure 4.  Micrograph of typical rocks in the Xincanggou section

        锌厂沟剖面筇竹寺组泥页岩黏土矿物分析结果如表2所示。黏土矿物主要为伊利石,含量58%~94%,次为绿泥石(含量1%~35%)及伊/蒙混层(2%~6%),另含少量蒙脱石(0~7%)及高岭石(0~16%)。伊/蒙混层中伊利石占95%,蒙脱石占5%。伊利石结晶度KI(°Δ2θ)0.24~0.35。

        表 2  锌厂沟剖面筇竹寺组泥页岩黏土矿物分析结果及温度计算结果

        Table 2.  Results of clay mineral analysis and temperature calculation of mud⁃shale in the Qiongzhusi Formation in the Xinchanggou section

        样号岩性黏土矿物含量/%伊/蒙混层比/%伊利石结晶度温度
        蒙脱石伊利石高岭石绿泥石伊/蒙混层蒙脱石层伊利石层T1/℃T2/℃
        zxp-1xy1炭质粉砂岩2850765950.31222.14221.32
        zxp-4xy1炭质泥岩08121255950.29222.14223.10
        zxp-9xy1钙泥质粉砂岩0942135950.33222.14219.53
        zxp-11xy1泥质粉砂岩2902155950.35222.14217.75
        zxp-13xy1泥质粉砂岩7824255950.35222.14217.75
        zxp-15xy1粉砂质泥岩058162425950.26222.14225.78
        zxp-17xy1钙质泥岩05883135950.25222.14226.68
        zxp-19xy1粉砂质泥岩05863425950.24222.14227.57
        zxp-21xy1粉砂质泥岩06053325950.24222.14227.57
        zxp-23xy1粉砂质泥岩06262845950.28222.14224.00
        zxp-25xy1粉砂质泥岩05843535950.29222.14223.10
        zxp-27xy1泥岩06842535950.34222.14218.64
        注:T1、T2由公式(1)、(2)计算得出。

        筇竹寺组物源来自康滇古陆古—中元古界东川群、会理群浅变质绿片岩相火山—沉积岩系[18],最低级的变质泥质矿物为绢云母及白云母,而锌厂沟剖面黏土矿物组成为经历成岩作用及极低级变质作用的伊利石、伊/蒙混层、高岭石及绿泥石等形成温度、压力较低的矿物,最高级的变质矿物为伊利石,与源区黏土矿物明显不同。同时,从物源区绿片岩相的变质程度可知,其所夹碳质Ro可超过4%。在化学风化过程中钾长石、绢云母、白云母可彻底转化为高岭石,蒙脱石在风化带相当稳定,可带至沉积盆地,黑云母可转化为蒙脱石。而基性岩风化过程中铁、镁、钙质大多呈溶液状态被带走[21]。滇东北地区筇竹寺烃源岩沥青反射率换算的Ro明显低于4%,表明源区泥质矿物经历了较为彻底的化学风化作用生成如高岭石、蒙脱石等新的矿物,搬运至康滇古陆东缘沉积、埋藏,经历成岩和极低级变质。换言之,源区黑云母、白云母、绢云母等成熟度较高古老黏土矿物在到达沉积盆地时已转化为高岭石、蒙脱石等成熟度较低的黏土矿物,源区高成熟度黏土矿物对沉积盆地黏土矿物成熟度的影响可以忽略。

      • 镜质体反射率是确定烃源岩有机质成熟度的有效指标。由于镜质组分源于高等植物,该方法明显受到生物演化及母质来源类型的限制。碳酸盐烃源岩或下古生界烃源岩中缺乏陆相高等植物来源的镜质体,一般采用海相镜质体或原生沥青来代替[22]。锌厂沟筇竹寺组剖面沥青反射率Rran介于2.81%~3.45%(表3)。刘德汉等[23]针对我国海相高演化碳酸盐岩烃源岩提出了沥青反射率(Rran)与等效镜质体反射率(Ro)的换算公式:

        Ro=0.668×Rran+0.346 (1)

        式中:Ro为镜质体反射率,Rran为沥青体反射率。这一方法也广泛应用于寒武系—志留系等缺乏陆相高等植物来源地层烃源岩镜质体反射率的转换计算,并取得较好的应用效果[16]。计算表明,锌厂沟剖面筇竹寺组烃源岩镜质体反射率介于2.22%~2.65%(表3)。

        表 3  筇竹寺组烃源岩镜质体反射率及温度计算结果

        Table 3.  Vitrinite reflectance and its temperature calculation results for the Qiongzhusi Formation source rocks

        样号岩性Rran/%Ro/%T3/℃T4/℃T5/℃T6/℃
        zxp-1sy1炭质粉砂岩2.812.22256.27254.18199.91199.76
        zxp-1sy2炭质泥岩3.262.52272.53269.84210.14205.29
        zxp-1sy3炭质泥岩3.312.56274.21271.46211.20205.91
        zxp-2sy1炭质泥岩3.182.47269.78267.20208.41204.31
        zxp-2sy2炭质泥岩3.342.58275.21272.43211.83206.28
        zxp-2sy3炭质泥岩3.372.60276.21273.39212.45206.65
        zxp-3sy1炭质泥岩3.282.54273.20270.49210.56205.54
        zxp-3sy2含炭质泥岩3.412.62277.52274.65213.28207.14
        zxp-4sy1炭质泥岩3.272.53272.87270.17210.35205.42
        zxp-4sy2炭质泥岩3.452.65278.82275.90214.10207.63
        zxp-5sy1含炭质泥岩3.252.52272.19269.51209.92205.17
        zxp-17sy1钙质泥岩3.242.51271.85269.19209.71205.05
        zxp-27sy1泥岩3.222.50271.16268.53209.28204.80
        注:T3、T4、T5、T6由公式(3)、(4)、(5)、(6)计算得出。
      • 伊(I)/蒙(S)间层矿物中伊利石含量与温度的相关性,相关学者研究结果如表4所示。锌厂沟剖面筇竹寺组泥页岩伊/蒙混层矿物伊利石层占95%,综合表4各学者的研究结果,该区伊/蒙混层矿物形成温度应在200 ℃以上。

        表 4  伊/蒙混层矿物结构与温度的关系

        Table 4.  Structure of illite/montmorillonite interbedded minerals and its relationship with temperature

        Nadeau et al.[24]Hofman et al.[25]Jenning et al.[26]Harvey et al.[27]
        矿物类型伊利石含量稳定存在温度/℃转变温度/℃伊利石含量出现温度/℃伊利石含量出现温度/℃
        R0I/S<60%<13013%68
        R1I/S60%~80%130~160R0~R1(100~110)63%12960%100
        R3I/S>85%150~180R1~R3(170~178)90%17690%170
        100%208伊利石>200

        王强[28]曾应用Chi et al.[29]根据Harvey et al.[27]的原始数据建立了伊/蒙混层中伊利石含量与形成温度的线性表达式开展黏土矿物研究,取得较好成效,该表达式如下:

        Y=0.342+2.737×10-3T (2)

        式中:Y为伊/蒙混层中伊利石的百分含量(%),T表示伊/蒙混层矿物的形成温度(℃)[30]。计算结果如表2中T1所示,为222.14 ℃。

      • Weaver[31]首先观察到,伊利石的X射线衍射峰的锐度随着成岩及变质程度的增高而增高,在此基础上提出了伊利石结晶度的概念。当前国际上通用Kübler[1011]提出的测量伊利石第一级底面反射峰001峰的半高宽(又称Kübler指数)来反映伊利石的结晶度,用KI(°Δ2θ)表示,KI值越小,峰形越尖锐,伊利石的结晶度越好。

        胡大千等[5]、毕先梅等[32]归纳总结了伊利石结晶度与形成温度之间的关系,提出了成岩—极低级变质作用的划分方案:晚成岩带(高级成岩带),伊利石结晶度介于1.00~0.42,温度上限200 ℃;低级近变质带(极低级变质带A),伊利石结晶度介于0.42~0.30;高级近变质带(极低级变质带B),伊利石结晶度变化介于0.30~0.25,温度上限300 ℃~350 ℃。锌厂沟剖面筇竹寺组泥质粉砂岩伊利石结晶度介于0.24~0.35(表2),据此分析,该区泥质粉砂岩处于极低级变质带A带—B带,伊利石形成温度介于200 ℃~300 ℃。

        Chi et al.[33]研究了Wairakei地热系统沉积物中各种组分与结构的黏土矿物,包括碎屑伊利石、绿泥石、伊/蒙混层矿物等,他们对该区自生伊利石的结晶度值和测井温度进行了系统研究,表明两者之间有明显的线性关系,即随着母岩温度或深度的增加,自生的伊利石结晶度值KI(°Δ2θ)降低。在实测数据基础上,提出了以下线性表达式[30]

        T=249-89.3×KIR2=0.92) (3)

        式中:T表示伊利石形成温度(℃),KI表示伊利石结晶度(°Δ2θ),R2表示相关系数。这个公式适用范围为90 ℃~230 ℃。对锌厂沟剖面筇竹寺组泥页岩伊利石结晶度利用式(3)计算表明,伊利石形成温度T2介于217.75 ℃~227.57 ℃(表2)。

      • Frey[6]研究认为:成岩带,Ro小于2.0%,温度上限200℃;近变质带,Ro为2.0%~4.0%,温度上限300 ℃~350 ℃;浅变质带,Ro大于4.0%,温度大于300 ℃~350 ℃。早寒武世,由于缺乏高等植物,镜质体反射率由沥青反射率换算[21]。锌厂沟剖面筇竹寺组黑色页岩沥青反射率换算成镜质体反射率介于2.22%~2.65%(表3)。据此,认为该区筇竹寺组烃源岩处于近变质带,粗略估计经历的温度上限为200 ℃~300 ℃。镜质体反射率3%被认为是海相干酪根天然气生成成熟度上限[34]。在扬子东南缘,筇竹寺组(牛蹄塘组)烃源岩镜质体反射率介于3.18%~3.43%[16],高于3%的极限值,而在锌厂沟剖面镜质体反射率低于3%。因此,开展滇东北地区筇竹寺组页岩气勘探具有现实意义。显微镜下显示,锌厂沟剖面干酪根组分呈黑色(图5),但并未完全呈深黑色,表明可能其仍具一定的生烃潜力。一般而言,干酪根显微组分由腐泥组、壳质组、镜质组、惰质组组成。腐泥组原始有机质为藻类及其他低等水生生物及细菌,为腐泥化产物;壳质组原始有机质为陆生植物孢粉、花粉、角质层、树脂、蜡和木栓层等;镜质组原始有机质来自高等植物的结构和无结构木质纤维;惰质组原始有机质来源于森林火灾后丝炭化的木质纤维或再沉积有机质。寒武纪时期无高等植物,干酪根显微组分无镜质组,由于时代老,也不是惰质组和壳质组。该区干酪根显微组分形态为不均匀棉絮状结构,可能为较典型的腐泥无定形体。

        图  5  锌厂沟剖面筇竹寺组干酪根显微照片

        Figure 5.  Microscopic picture of the Qiongzhusi Formation kerogen in the Xinchanggou section

        Barker et al. [13]统计研究了镜质体反射率与古地温之间的相互关系,提出了镜质体反射率地质温度计:

        In(Ro%)=0.007 8Tmax-1.2 (4)

        Barker et al.[35]确立了镜质体反射率与古地温的关系,给出的地质温度计:

        T=((In(Ro%)+1.26)/0.008 11 (5)

        Barker et al.[14]修正后的镜质体反射率地质温度计:

        T=(In(Ro%)+1.68)/0.012 4 (6)

        Mullis et al.[36]建立的镜质体反射率地质温度计:

        T=(Ro%+8.623 8)/0.054 3[5] (7)

        上述式(4)至式(7)古温度计算结果,分别以T3至T6列于表3。可以看出,T3介于256.27 ℃~278.82 ℃,T4介于254.18 ℃~275.90 ℃,T5介于199.91 ℃~214.10 ℃,T6介于199.76 ℃~207.63 ℃。

      • 锌厂沟剖面筇竹寺组伊/蒙混层矿物中伊利石含量为95%,根据Nadeau et al.[24]、Hofman et al.[25]、Jenning et al.[26]、Harvey et al.[27]关于伊/蒙混层矿物中伊利石含量与温度关系的相关性描述(表4),认为该区泥质粉砂岩中伊/蒙混层矿物形成温度在200 ℃以上。

        潍北凹陷研究表明应用黏土矿物相关参数可较有效计算恢复古地温[28]。式(2)、式(3)是这些方法在滇东北地区的又一实践。式(2)根据伊/蒙混层矿物中伊利石含量计算其形成温度T1为222.14 ℃。式(3)根据伊利石结晶度计算伊利石形成温度T2介于217.75 ℃~227.57 ℃。

        应用镜质体反射率开展烃源岩最大古地温计算及温度的取舍,已在内蒙古锡林郭勒有较成功的实践[5]。T3至T6为依据这些方法和烃源岩镜质体反射率计算的古地温,其中T3和T4温度较高,且较为接近,温度介于254.18 ℃~278.82 ℃。T5和T6温度较低,介于199.76℃~214.10℃,与式(2)、式(3)及依据伊/蒙混层矿物结构有序度估算的温度(200℃以上)接近。注意到式(4)、式(6)均是Barker et al.[1314]提出,式(6)是式(4)修正后的公式,且式(6)与式(2)、式(3)、式(7)及伊/蒙混层矿物结构有序度估算的温度接近和吻合,因此,式(6)及(2)、式(3)、式(7)计算结果及伊/蒙混层矿物结构有序度估算的温度可能更可信,式(4)、式(5)计算温度可能偏高。

        将式(2)、式(3)、式(6)、式(7)计算结果及伊/蒙混层矿物结构有序度估算的温度综合考虑,分析锌厂沟剖面筇竹寺组泥页岩经历的最大古地温介于200 ℃~227.57 ℃,并未经历太高的古地温。该区寒武系—下白垩统均为整合或平行不整合接触,奥陶系—志留系受黔中隆起影响部分缺失,地层序列为连续的沉积或水平抬升;下白垩统与新近系之间为角度不整合接触,盖层褶皱之后,地表再次下降接受新近系沉积;之后,地表抬升至现今形态,因此,早白垩世—新近纪为最大埋深期。根据该区奥陶—志留系部分缺失及其余地层厚度1,按地表平均温度20 ℃[16]估算,该区筇竹寺组早白垩世—新近纪最大埋深期古地温梯度介于2.53~2.91 ℃/100 m。

      • 对极低级变质作用的理解及它与成岩作用和低级变质作用间界线的认识,目前没有取得共识,而且,石油地质学者、煤岩地质学者、沉积和岩石学者的理解,也相差甚远,所用术语也极不统一,如晚成岩作用(带)、埋藏变质作用(带),及上述低级近变质作用(带)、高级变质作用(带)、近变质作用(带)、浅变质作用(带)等。但成岩阶段—极低级变质—浅变质作用是个连续的过程,在岩石类型、黏土矿物组成、岩石结构构造特征、镜质体反射率等方面呈连续的变化,因此,可根据连续变化特点,选择代表性学者研究成果开展极低级变质作用及油气地质意义研究。

        一般而言,随着变质级的增加,在变质泥岩中出现二八面体矿物系列,即蒙脱石—伊/蒙混层—伊利石—白云母,而在变质镁铁质岩石中出现三八面体系列矿物,即蒙脱石—绿泥石/蒙脱石混层—绿泥石;高岭石呈高岭石—地开石—叶腊石的变化;其他标志也同步变化,微构造由S0层理发展为S1面理;岩石类型由页岩、泥岩变化为笔状构造泥岩、瓦板岩、千枚岩;镜质体反射率由0.5%经2%增至4%。

        Frey et al.[9]根据伊利石结晶度、伊/蒙混层中伊利石的含量、蒙脱石—绿泥石系列的变化、高岭石—叶腊石系列的变化、岩石类型、微构造特征将成岩阶段至浅变质阶段划分为早期成岩带、晚期成岩带、低级近变带、高级近变带、浅变质带。滇东北地区筇竹寺组伊利石结晶度介于0.24~0.35,伊/蒙混层伊利石含量95%,黏土矿物组合高岭石0~16%、绿泥石1%~35%、伊利石58%~94%,仍有少量早成岩带—低级近变带的黏土矿物存在,换算的镜质体反射率2.22%~2.65%,岩石为泥质粉砂岩,未出现置换性面理S1,根据Frey et al.[9]的研究,将其划分在低级近变带—高级近变带。索书田等[37]将成岩阶段—浅变质阶段划分为沸石相(<200 ℃)、葡萄石—绿纤石相(200 ℃~370 ℃)、绿片岩相(>370 ℃),本次计算筇竹寺组经历的最大古地温为200 ℃~227.57 ℃,属葡萄石—绿纤石相。而按照毕先梅等[32]、Frey[6]伊利石结晶度及镜质体反射率的划分,则属极低级变质A带—B带、近变质带,岩石未达到浅变质阶段。

      • 滇东北昭通地区筇竹寺组烃源岩镜质体反射率(Ro)介于2.22%~2.65%,处于近变质带及干气阶段,明显低于扬子东南缘(Ro介于3.18%~3.43%)[16]及海相干酪根天然气生成成熟度上限(Ro=3%);显示其经历的最大古地温(200℃~227.57℃)也低于扬子东南缘筇竹寺组经历的最高古地温(211 ℃~246 ℃)[16]及烃类生烃死亡温度(230 ℃~300 ℃)[31],表明该区烃源岩可能尚具微弱的生烃能力,这和扬子其他地区截然不同的。筇竹寺组(牛蹄塘组)烃源岩的研究,目前更多地集中在扬子东南缘,对于滇东北这套较低成熟度的烃源岩,目前尚未予以应有的关注。该区晚侏罗世—古近纪最大埋深期古地温梯度介于2.53~2.91 ℃/100m,与扬子东南缘这一时期古地温梯度(2.61 ℃/100m)接近[16],滇东北地区现今地温梯度(2.10 ℃/100m)[38],其古地温梯度的变化显示滇东北地区晚侏罗世—古近纪古地温梯度高于现今地温梯度。该区烃源岩成熟度及经历的古地温较低,或与该区处于黔中隆起,奥陶纪—志留纪部分地层缺失、盖层总厚度减少以及筇竹寺组最大埋深减少、经历的最大古地温和烃源岩热演化降低有关。

        该区新近系茨营组与下白垩统之间为角度不整合接触,震旦系—下白垩统盖层褶皱及断裂系统在晚燕山期—早喜山期形成,是区内最强烈的一次构造运动。褶皱作用导致圈闭的形成,断裂的疏导和破坏可导致油气的运移、调整、散失和破坏,并可能造成油气藏的破坏,在地表形成一些古油藏。值得关注的是,滇东北地区褶皱及断裂系统目前未有筇竹寺组古油藏的发现和报道,明显不同于扬子东南缘断裂已破坏油气藏,有麻江、金沙岩孔众多下古生界古油藏分布的特点。这是否意味着该区构造作用较弱,筇竹寺组有较好的构造保存条件?滇东北地区筇竹寺组是康滇古陆东缘寒武纪初期海侵沉积,处于由凹陷向隆起的过渡地带,是油气生成和运移的有利指向区,具有油气生成基础和物质条件。同时,按不同学者划分方案分别属于极低级变质A带—B带、近变质带、低级近变带—高级近变带、葡萄石—绿纤石相。滇东北筇竹寺组烃源岩具较低成熟度,经历的最大古地温较低,未达到浅变质阶段,对于油气藏和圈闭可能尚具较弱的补给能力,但其较好的构造保存条件及有利的油气运移指向区,使得这一地区筇竹寺组的勘探前景值得关注。

        此次极低级变质作用及古地温和地温梯度的研究,为该区筇竹寺组油气成藏史的研究奠定了一定的基础。未来可开展滇东北其他烃源岩地层古地温研究,获取其经历的最大古地温及各时代古地温梯度,并结合本文的研究和各时代地层厚度、古水深、剥蚀量,建立该区筇竹寺组沉降史、热史及生烃史。综合构造演化历史,分析油气生成、调整、运移、破坏等成藏史,预测油气发生、发展规律。

      • (1) 滇东北地区筇竹寺组泥页岩黏土矿物主要为伊利石,少量绿泥石、伊/蒙混层矿物、蒙脱石及高岭石。伊/蒙混层矿物中伊利石含量达95%。自生伊利石及伊/蒙混层矿物中伊利石结晶度介于0.24~0.35;由沥青反射率计算的烃源岩镜质体反射率(Ro)介于2.22%~2.65%,低于扬子东南缘(Ro介于3.18%~3.43%)及海相干酪根天然气生成成熟度上限(Ro=3%)。该区部分烃源岩尚具微弱的生烃能力。

        (2) 滇东北地区筇竹寺最高古地温确定在200 ℃~227.57 ℃,低于扬子东南缘(211 ℃~246 ℃)及烃类死亡最高温度(230 ℃~300 ℃),部分烃源岩尚具微弱生烃能力。该区晚早白垩世至新近纪最大埋深期古地温梯度介于2.53~2.91 ℃/100 m。筇竹寺组经历的最高古地温低于扬子东南缘,古地温梯度与扬子东南缘接近。

        (3) 滇东北地区筇竹寺组可分别划分为极低级变质A带—B带、近变质带、低级近变带—高级近变带、葡萄石—绿纤石相,岩石均未达到浅变质阶段。

        (4) 研究区筇竹寺组经历的最高古地温较低与位于黔中隆起北缘奥陶系—志留系部分沉积缺失、盖层总厚度及经历的最大埋深降低有关。筇竹寺组沉积处于由凹陷向隆起过渡的有利指向区,经历了较低的最高古地温和极低级变质作用,具较低的成熟度,具有油气形成的条件和物质基础,无破坏性古油藏显示,构造保存条件较好,滇东北筇竹寺组的油气远景应予以关注。

    参考文献 (38)

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