黔北鳳岡區塊典型殘余隱伏向斜特征及其頁巖氣選區選帶意義

夏 鵬, 王甘露, 周 豪, 牟雨亮, 張昊天, 劉杰剛

( 1. 貴州大學 資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550025； 2. 貴州省石油學會，貴州 貴陽 550025； 3. 成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059 )

0 引言

全國頁巖氣資源潛力評價結果顯示：貴州省頁巖氣地質資源量為10.4×1012m3，主要分布于黔北地區。黔北地區下古生界寒武系牛蹄塘組、志留系龍馬溪組含厚層富有機質海相頁巖，是頁巖氣勘探開發主要目的層[1]。下古生界富有機質頁巖屬于淺海環境深水陸棚沉積[2]。Zhang Junpeng等[3]、韓雙彪等[4]、郭曼等[5]、康建威等[6]對黔北富有機質頁巖進行地球化學研究，干酪根類型為Ⅰ型，生烴潛力大；富含有機質，TOC質量分數普遍高于2.0%；成熟度高，鏡質體反射率Ro為2.00%～3.04%，屬于過成熟—高成熟演化階段；含氣量較高，平均為1.56 m3/t，最高超過4.00 m3/t。黔北富有機質頁巖比表面積、孔隙體積較大，孔隙以粒間孔、有機質孔、粒內孔等多種成因類型的微米—納米級孔隙為主，孔隙度為1.30%～13.37%，平均為4.56%，具有較大的儲集空間[7-11]。郭曼等[5]、秦川等[12]研究發現,黔北富有機質頁巖脆性礦物質量分數高(平均大于40%)，脆性指數大，具有較好的儲層改造條件。

人們對黔北富有機質頁巖進行沉積學、礦物巖石學及地球化學方面的研究，揭示它具有較好的生、儲氣條件。黔北地區經歷武陵、加里東、燕山、喜馬拉雅等構造運動，構造條件復雜，地層遭受剝蝕嚴重[13]。復雜的構造演化背景導致頁巖氣保存條件差，限制頁巖氣勘探開發進程[14-16]。目前,針對黔北地區頁巖氣儲層構造特征及保存條件方面的研究薄弱，尤其是對地下深部隱伏構造形態、規模缺少系統分析。根據二維地震勘探資料，結合野外地質調查，筆者分析黔北鳳岡頁巖氣勘探二區塊典型構造特征及其對頁巖氣保存條件的影響，研究結果對區塊頁巖氣勘探方案部署具有參考價值。

1 區域構造特征

貴州省大地構造位于華南板塊之揚子陸塊與江南造山帶。其中，黔北、黔西地區位于揚子陸塊；黔南、黔東地區位于江南造山帶；黔中地區位于揚子陸塊與江南造山帶的過渡區[17]。根據黔北與鄰區發育地層及重要構造運動界面，戴傳固等[13]將黔北地區構造特征劃分為4個構造旋回期：武陵、雪峰—加里東、海西—印支—燕山及喜馬拉雅(新)構造旋回期。武陵構造旋回期為洋陸轉換階段，武陵運動導致中元古界呈軸向NE的緊閉型阿爾卑斯式褶皺變形并伴生近SN向基底斷裂，與新元古地層之間出現明顯角度不整合。雪峰—加里東構造旋回期為裂谷洋盆發育階段，廣西運動使下古生界及下伏地層變質變形，以角度不整合接觸于晚古生代地層之下。海西—印支—燕山構造旋回期為板內活動階段，燕山運動使武陵、雪峰—加里東構造旋回期的部分構造形跡遭受疊加、改造而成為構造成分，形成典型的侏羅山式褶皺并發育NE走向斷裂，與上覆上白堊統呈角度不整合接觸[18]。燕山運動是黔北地區最重要的構造運動，奠定研究區現今主要地質構造面貌的基礎[3]。喜馬拉雅(新)構造旋回期為板內區域性抬升(見圖1)和斷塊活動，新近紀以來的新構造運動控制黔北地貌、水系格局。中更新世以后，隨著青藏高原強烈隆升，逐漸形成現代云貴高原，控制現今黔北地區西高東低的地貌格局[4]。黔北地區斷裂非常發育，包括NE、SN、NW和EW走向4組斷裂體系，相互切割、聯合、干擾。其中，NE走向斷裂體系最發育，形成于NW-SE走向擠壓作用。

圖1 鳳岡頁巖氣勘探二區塊位置及埋藏史Fig.1 Location and burial history of the Fengganger shale gas exploration block

鳳岡頁巖氣勘探二區塊位于黔北地區東南部(見圖1)，是人為劃分的頁巖氣勘探區塊，遵循黔北地區的整體構造演化背景。野外露頭特征反映區塊構造形態為復式向斜(見圖2)；出露地層由老到新依次為加里東運動導致區塊內中上志留統、泥盆系、石炭系缺失，燕山運動和喜馬拉雅運動導致上三疊統、侏羅系、白堊系、古近系、新近系缺失。

圖2 鳳岡頁巖氣勘探二區塊地質Fig.2 Geological map of the Fengganger shale gas exploration block

2 二維地震解釋

2.1 資料處理及層位標定

鳳岡頁巖氣勘探二區塊內布置地震測線17條(見圖2)。受區塊內復雜地形、構造條件影響，經常規處理后地震資料的分辨率、信噪比較低。為保證地震解釋結果的準確性，對地震資料進行二次處理。主要針對區塊內地表起伏劇烈、低降速帶橫向變化大及深層信噪比低等問題，采用層析靜校正、疊前多域去噪、疊前反褶積、多信息約束的速度分析與剩余靜校正迭代等技術，提高目的層段波組特征連續性及信噪比[19-21]。

地震地質層位標定是地震資料解釋的基礎。常用的層位標定方法有VSP、合成地震記錄、平均速度等，其中VSP精度最高，合成地震記錄的次之[22-23]。鳳岡頁巖氣勘探二區塊鉆有ZK-01、永鳳1井，相比ZK-01井，永鳳1井具有完整的VSP資料；ZK-01井淺(379.68 m)，僅揭露下志留統龍馬溪組以上地層；永鳳1井開孔層位為第四系，完鉆層位為震旦系燈影組，井深為2 742.00 m。鑒于地質條件與資料特點，綜合區域地質資料、地質填圖成果及地震資料波組關系，確定淺部目的層(如龍馬溪組)波組特征(見圖3)；根據永鳳1井揭露的地質資料對深部目的層(如牛蹄塘組)進行標定。

圖3 ZK-01井合成地震記錄及D2測線時間剖面波組關系顯示Fig.3 Synthetic seismogram of ZK-01 well and wave group character of D2 line

2.2 典型構造特征

構造解釋主要關注古生代以來的沉積地層，層位追蹤以牛蹄塘組、龍馬溪組為主。通過地震反射波同相軸形態、連續性反映構造形態及斷層分布。解釋結果顯示：鳳岡頁巖氣勘探二區塊整體為軸向NE的復式向斜構造，自西向東依次發育永安背斜、綏陽向斜、旺龍背斜、鳳岡向斜、覃家坡背斜、煎茶溪向斜和永和背斜(見圖4)；背斜在構造曲率、分布特征等方面與向斜存在顯著差異，整體表現為背斜狹窄陡峭、向斜寬闊平緩，為典型的隔擋式褶皺。黔東南地區野外地質調查結果顯示區內褶皺以隔槽式為主[24]。貴州省南、北部構造形態存在顯著區別：南部屬于江南造山帶，構造抬升、擠壓過程產生的斷層控制隔槽式褶皺緊閉向斜的發育位置與幅度，構造反轉后，先期斷層成為應力集中區，正斷層轉變為平移或逆沖斷層，并沿斷層帶形成狹窄變形區(隔槽式褶皺向斜核部)[25]；黔北地區歸屬揚子陸塊，靠近四川盆地，在擠壓背景下，擠壓應力誘發的逆沖斷層及滑脫作用控制隔擋式褶皺的形成[26]。人們對黔北地區頁巖氣儲層構造形態的研究多基于野外露頭資料，對地下隱伏構造的研究較少。通過二維地震資料精細解釋，揭示鳳岡頁巖氣勘探二區塊地下隱伏構造為典型隔擋式褶皺；區塊內單個褶曲兩翼形態不對稱，向斜西翼寬緩、東翼陡峭甚至倒轉(見圖5)，背斜東翼寬緩、西翼陡峭。地震解釋反映的構造特點在野外露頭得到驗證。

圖4 鳳岡頁巖氣勘探二區塊地震剖面解釋結果Fig.4 Seismic sections in the Fengganger shale gas exploration block

圖5 綏陽向斜東翼地層產狀Fig.5 Stratum attitude in the east wing of the Suiyang syncline

鳳岡頁巖氣勘探二區塊古生代以來沉積地層構造形態，反映明顯的自東向西的應力推覆特征，受雪峰—加里東、海西—印支—燕山構造旋回期的疊加影響，褶皺兼具壓扭性質。戴傳固等[13,26]分析雪峰—加里東、海西—印支—燕山構造旋回期貴州省構造演化背景，認為黔北地區在廣西運動、加里東運動期間整體抬升，下伏地層未發生嚴重變形，與上覆晚古生代地層呈平行不整合接觸；受燕山板內造山帶的影響，燕山運動期，黔北地區嚴重變形，斷裂活動強烈，形成NE或SN走向、斷面東傾的逆沖斷層。研究結果與鳳岡頁巖氣勘探二區塊隱伏構造發育特征及形成機制(見圖6)具有一致性。雪峰—加里東構造旋回期廣西運動、加里東運動使研究區塊抬升，下二疊統梁山組平行不整合接觸于中志留統韓家店組之上。海西—印支—燕山構造旋回期燕山運動使區塊遭受自東向西的強烈擠壓，形成隔擋式褶皺，在背斜近核部位置，地層曲率最大，應力匯聚，當應力超過地層抗拉強度后地層破裂而形成逆沖斷層，地層破裂并未使應力完全釋放，剩余應力使斷層上盤向下盤推覆，產生薄皮構造。燕山運動形成鳳岡頁巖氣勘探二區塊現今地質構造面貌的基礎。喜馬拉雅構造旋回期以來，受喜馬拉雅運動影響，青藏高原迅速隆升，導致研究區塊亦隨之大幅度抬升。背斜區上覆地層遭受剝蝕嚴重，僅殘存少量下寒武統地層；向斜區遭受剝蝕程度較小，除下寒武統地層保存較完整外，上覆地層也不同程度地保存下來，構成殘留向斜(見圖4)。

圖6 鳳岡頁巖氣勘探二區塊雪峰—加里東、海西—印支—燕山旋回期構造演化模式

在來自東向的應力推覆影響下，區塊內斷層以傾向SE的逆斷層為主，傾角在30°～50°之間；傾向NW的逆斷層多為次級斷層，發育規模小，傾角較大，可達70°。淺部斷層多沿斷層面發生滑脫，形成薄皮構造。如圖4中FD3斷層，整體斷層規模大，兩盤地層相對獨立，導致在斷層淺部出現薄皮構造。薄皮構造規模小，僅通過地震資料直接解釋，其結果可信度低。為驗證對薄皮構造的解釋，收集位于鳳岡向斜核部、正處于施工階段的永鳳3井(該井鉆至上二疊統龍潭組，設計完鉆層位為上奧陶統寶塔組)的地質分層資料(見圖7)。分層資料顯示：在下三疊統嘉陵江組之上發育下志留統石牛欄組和新灘組，且石牛欄組、新灘組層序顛倒(正常層序是新灘組位于石牛欄組之下，中間以松坎組相隔)；嘉陵江組與石牛欄組之間為斷裂帶分割。說明導致該井處淺部地層層序錯亂的原因不是褶皺倒轉，而是斷層上盤受自東向西應力推動在淺部(淺部地層穩定性差)形成的推覆薄皮構造。薄皮構造的成因與非對稱型褶皺的成因一致。

2.3 富有機頁巖地層演化、保存特征

下寒武統牛蹄塘組、下志留統龍馬溪組富有機頁巖地層沉積于淺?！钏懪锃h境，穩定的構造沉降使它沉積后被迅速埋藏，有機質在微生物降解、熱降解作用下生成石油、生物成因氣和凝析氣。中志留世晚期，研究區在廣西運動影響下變形、抬升并遭受剝蝕，儲層壓力下降，油氣大量運移、逸散。早二疊世，研究區再次沉降，受燕山期巖漿活動的影響，導致早期生成的石油、凝析氣裂解，轉變為干氣。新生代喜馬拉雅運動使研究區儲層迅速抬升，平均抬升速率約為66.7 m/Ma；富有機頁巖地層再次暴露于地表，遭受嚴重剝蝕，氣體大量逸散[27]。目前，二維地震解釋、野外地質勘查結果表明：研究區在喜馬拉雅運動階段遭受嚴重剝蝕，龍馬溪組僅在向斜部位有殘余，牛蹄塘組在向斜部位具有一定儲存條件，在背斜部位暴露于

圖7 永鳳3井巖性柱狀圖Fig.7 Lithology column of Yongfeng3 well

地表，油氣保存條件極差。

3 討論

黔北地區頁巖氣儲層優選結果表明：龍馬溪組、牛蹄塘組是黔北地區頁巖氣勘探有利層位，黑色有機頁巖層厚度大、有機質豐度大、有機質成熟度高、脆性礦物含量高[1-6]。以二維地震勘探數據為主，結合野外露頭和鉆井資料，揭示黔北地區鳳岡頁巖氣勘探二區塊地下深部隱伏構造形態，為頁巖氣勘探開發有利區、有利部位的選擇提供依據。

鳳岡頁巖氣勘探二區塊背斜區地層剝蝕嚴重(見圖4)，龍馬溪組作為主要有機頁巖發育地層之一幾乎被剝蝕殆盡(見圖8)，另一套富有機頁巖地層——牛蹄塘組受構造抬升和剝蝕的影響，埋藏淺、儲層壓力小、頁巖氣保存條件差、氣體流失嚴重。因此，背斜區整體頁巖氣勘探開發潛力差。比較而言，向斜區地層遭受剝蝕程度弱，頁巖氣儲層埋藏適中，保存條件好，是區塊內頁巖氣勘探開發有利區。

通天斷層是頁巖氣逸散的主要通道，不利于頁巖氣的保存[28]。二維地震解釋結果顯示，區塊內通天斷層非常發育，將有利向斜區切割為多個斷塊。綏陽向斜東翼受FD1、FD6、FD7斷層組成的斷裂帶切割，斷裂帶從前寒武地層延伸至地表，是綏陽向斜的東部邊界；向斜西翼盡管受斷層影響小，但地層產狀相對核部明顯陡。鳳岡向斜東部以FD2、FD3斷層組成的斷裂帶為界，斷裂帶切穿所有目的層并延伸至地表；北部以FD1斷層為界，整體為斷層—褶曲組合構造。向斜內部，NE走向的FD4斷層將向斜分割為東、西兩個斷塊(見圖4、圖8)，其中，西斷塊整體為向斜形態，地層產狀陡、埋深變化大；東斷塊為傾向SW的平緩單斜，地層產狀平緩，埋深適中。在FD3斷層影響下，煎茶溪向斜作為上升盤被整體抬升、部分疊覆于鳳岡向斜之上，導致頁巖氣儲層埋藏深度顯著減小，遭受更強烈的剝蝕，殘余面積更小。

圖8 鳳岡頁巖氣勘探二區塊龍馬溪組底界面構造等值線Fig.8 Structural isopleths of the bottom of Longmaxi formation in the Fengganger shale gas exploration block

下志留統龍馬溪組剝蝕嚴重，在背斜區幾乎遭受剝蝕完全，僅在綏陽向斜、鳳岡向斜和煎茶溪向斜內有殘余(見圖8)。綏陽向斜龍馬溪組殘留面積約為88.42 km2，最大埋深約為2.0 km，頁巖氣開發有利埋深區間(0.5～3.5 km[29])內面積為62.80 km2。鳳岡向斜內龍馬溪組殘留面積約為112.18 km2，最大埋深為2.2 km，頁巖氣開發有利埋深區間內面積為94.82 km2。煎茶溪向斜內龍馬溪組殘留面積為69.46 km2，最大埋深為1.4 km，頁巖氣開發有利埋深區間內面積為44.95 km2。下寒武統牛蹄塘組埋深大，保存相對完整，但受強烈變形、抬升的影響，背斜區整體埋藏淺、頁巖氣保存條件差。

綜合考慮向斜區內地層產狀、斷層分布、埋藏深度等因素，綏陽向斜、鳳岡向斜有利頁巖氣開發部位分別為向斜核部、東斷塊中部，典型特征是地層產狀平緩、遠離通天斷層，屬于頁巖氣保存有利區。煎茶溪向斜受抬升幅度大，整體埋藏淺，與向斜翼部相比，向斜核部埋深較大，有利于頁巖氣保存。

4 結論

(1)基于二維地震數據，結合野外露頭、鉆井資料，揭示黔北地區鳳岡二區塊地下隱伏構造特征。區塊整體為復式向斜構造，背斜狹窄陡峭、向斜寬闊平緩，屬于典型的隔擋式褶皺。褶皺形成于自西向東的應力推覆作用，在表層發育薄皮構造，導致地表淺層構造與深部隱伏構造間存在明顯區別。

(2)背斜區地層遭受剝蝕嚴重，龍馬溪組、牛蹄塘組富有機頁巖地層被剝蝕殆盡；向斜區地層遭受剝蝕程度小，成為殘留向斜，具有頁巖氣勘探開發價值，是鳳岡二區塊頁巖氣開發有利區。

(3)綏陽向斜、鳳岡向斜有利頁巖氣開發部位分別為向斜核部、東斷塊中部，典型特征是地層產狀平緩、遠離通天斷層，是頁巖氣保存有利區。煎茶溪向斜受抬升導致整體埋藏淺，向斜核部埋深相對較大，有利于頁巖氣保存。

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