頁巖氣藏分布地質(zhì)規(guī)律與特征

聶海寬，張金川

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)教育部海相儲層演化與油氣富集機(jī)理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083)

頁巖氣是一種新型的非常規(guī)天然氣，不同學(xué)者對其概念、成藏機(jī)理及成藏條件等進(jìn)行了研究[1-8]。頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。在頁巖氣藏中，天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖甚至砂巖地層中。頁巖氣為天然氣生成之后在源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式[4-7]。本文旨在對產(chǎn)頁巖氣盆地發(fā)育的區(qū)域構(gòu)造背景和分布大地構(gòu)造位置進(jìn)行研究，進(jìn)而得出頁巖氣藏分布地質(zhì)規(guī)律與特征。本文作者在分析美國頁巖氣盆地分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，對其分布的大地構(gòu)造位置及盆地類型進(jìn)行分類，認(rèn)為產(chǎn)頁巖氣盆地主要位于阿巴拉契亞早古生代逆沖褶皺帶、馬拉松—沃希托晚古生代逆沖褶皺帶和科迪勒拉中生代逆沖褶皺帶前緣的前陸盆地及其相鄰地臺之上的克拉通盆地，在此基礎(chǔ)上分析了不同盆地類型中頁巖氣藏的特征及氣藏模式，并對我國主要前陸盆地和克拉通盆地的頁巖氣藏發(fā)育情況進(jìn)行研究。

1 美國頁巖氣分布地質(zhì)規(guī)律

美國已發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)頁巖氣盆地主要分布在以阿巴拉契亞盆地為代表的東部早古生代前陸盆地帶、以福特沃斯盆地為代表的南部晚古生代前陸盆地帶和以圣胡安盆地為代表的西部中生代前陸盆地帶以及以密執(zhí)安盆地和伊利諾斯盆地為代表的古生代—中生代克拉通盆地帶(圖1[1,9])。前陸盆地主要位于被動(dòng)大陸邊緣且后期演化為褶皺帶的區(qū)域，克拉通盆地位于地臺之上，沉積了寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、密西西比系(下石炭統(tǒng))、賓夕法尼亞系(上石炭統(tǒng))和白堊系等地層的大量富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖，發(fā)育了大量的頁巖氣資源。前陸盆地頁巖氣的地質(zhì)資源量和可采資源量分別占已發(fā)現(xiàn)的65.6%～75.7%和49.6%～58.1%，克拉通盆地分別占24.3%～34.4%和41.9%～50.4%[1]。

1.1 前陸盆地

前陸盆地是油氣的富集區(qū)，近10年所發(fā)現(xiàn)的52%相關(guān)油氣儲量都是在聚斂邊緣[10]。美國在前陸盆地不但找到了大量的常規(guī)油氣，而且找到了大量的非常規(guī)油氣即頁巖氣資源，這些前陸盆地按時(shí)代可分為早古生代、晚古生代和中生代，分別發(fā)育在3個(gè)逆沖褶皺帶的前緣。

1.1.1 早古生代前陸盆地

早古生代前陸盆地主要位于阿巴拉契亞逆沖褶皺帶前緣，伴隨造山帶的隆起形成，以阿巴拉契亞盆地為代表。阿巴拉契亞逆沖褶皺帶是加里東期北美板塊和非洲板塊碰撞形成的，呈北東—南西向展布，有東傾的大逆掩斷裂帶為邊界，造山帶西側(cè)為前陸盆地[11-12]。

阿巴拉契亞盆地是早古生代發(fā)育起來的前陸盆地，主要有3次大的構(gòu)造事件：Taconic，Acadian和Alleghanian構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[1]。在晚寒武世—早中奧陶世，為北美板塊被動(dòng)大陸邊緣的一部分；在晚奧陶世，北美板塊向古Iapetus洋板塊俯沖，導(dǎo)致Taconic構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成晚奧陶世前陸盆地；中晚泥盆世的陸-陸碰撞，導(dǎo)致Acadian構(gòu)造運(yùn)動(dòng)并形成泥盆紀(jì)前陸盆地；中石炭世的 Alleghanian構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成盆地現(xiàn)今的形態(tài)。地層沉積在向東傾斜的3期前陸盆地內(nèi)，形成3套主要沉積旋回，每一旋回底部為碳質(zhì)頁巖，中部為碎屑巖，頂部為碳酸鹽巖[1]。沉積了奧陶系的 Utica頁巖層、志留系的Rochester和Sodus/Williamson頁巖層以及泥盆系的 Marcellus/Millboro，Geneseo，Rhinestreet，Dunkirk和Ohio頁巖層，這些頁巖均具有有機(jī)碳含量高和成熟度高、埋藏淺等特點(diǎn)，且都發(fā)現(xiàn)了頁巖氣藏或頁巖氣顯示。該盆地的Big Sandy頁巖氣田發(fā)現(xiàn)于1915年，儲量963億m3，在1921—1985年期間，該氣田鉆了1萬多口頁巖氣井，生產(chǎn)了超過708億m3的天然氣[13]。

1.1.2 晚古生代前陸盆地

晚古生代前陸盆地主要是馬拉松—沃希托造山運(yùn)動(dòng)形成的，該造山運(yùn)動(dòng)是由泛古大陸變形引起的北美板塊和南美板塊碰撞形成[2]，沿著與拗拉槽有關(guān)的薄弱處發(fā)生下坳沉降形成弧后前陸盆地，主要包括福特沃斯、黑勇士、阿科馬、二疊等盆地[14]，馬拉松—沃希托逆沖帶構(gòu)成了這類盆地靠近逆沖帶的邊界。這些盆地均在泥盆系和密西西比系黑色頁巖中有頁巖氣藏或頁巖氣顯示，資源量很大，具有代表性的是福特沃斯盆地。

福特沃斯盆地是一個(gè)邊緣陡、向北加深的盆地，主要地層有寒武系、奧陶系、密西西比系、賓夕法尼亞系、二疊系和白堊系[2]。寒武紀(jì)—晚奧陶世地層為被動(dòng)大陸邊緣沉積，大部分為碳酸鹽巖沉積；密西西比紀(jì)地層為前陸沉積，沉積了 Barnett組頁巖層和Chappel組、Marble Fall組等灰?guī)r層；賓夕法尼亞紀(jì)地層為與沃希托構(gòu)造前緣推進(jìn)有關(guān)的沉降過程和盆地充填。該盆地的Newark East氣田的儲量在全美天然氣田中居第 3，產(chǎn)量居全美天然氣田第 2[15]，是美國最大的頁巖氣田，占全美頁巖氣總產(chǎn)量的一半以上。

1.1.3 中生代前陸盆地

中生代前陸盆地主要位于美國中西部，是科迪勒拉逆沖褶皺帶(法拉隆板塊和北美板塊碰撞形成)的一部分。該地區(qū)在前寒武紀(jì)、寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)為被動(dòng)大陸邊緣沉積，在奧陶紀(jì)末至泥盆紀(jì)抬升剝蝕，在密西西比紀(jì)為淺海沉積，在賓夕法尼亞紀(jì)和二疊紀(jì)形成原始落基山，在中侏羅世重新沉積，并在白堊紀(jì)海侵時(shí)期形成海道，南北海水相通，沉積了一套區(qū)域性的黑色頁巖[11-12]。白堊紀(jì)末發(fā)生的拉臘米塊斷運(yùn)動(dòng)，形成目前山脈和盆地相間的盆山格局，這一類盆地主要有圣胡安、帕拉多、丹佛、尤因塔、大綠河等。其中，在圣胡安、丹佛和尤因塔等盆地的白堊系黑色頁巖層發(fā)現(xiàn)了頁巖氣藏。最具代表性、儲量和產(chǎn)量最大的是圣胡安盆地，該盆地橫跨科羅拉多州和新墨西哥州，是1個(gè)典型的不對稱盆地，南部較緩，北部較陡。按照地質(zhì)時(shí)代和商業(yè)開發(fā)時(shí)間，該盆地的Lewis頁巖氣藏是美國形成年代最近的頁巖氣藏[1]。

1.2 克拉通盆地

產(chǎn)頁巖氣的克拉通盆地主要包括密執(zhí)安盆地和伊利諾斯盆地，為內(nèi)陸克拉通盆地。盆地基底為前寒武系，演化開始于早中寒武世超大陸裂解時(shí)期，從衰亡的裂谷拗拉槽或地塹開始，隨后演化為克拉通海灣。在裂谷演化階段后期，盆地進(jìn)入熱沉降階段，在裂谷沉積地層上沉積了砂巖和碳酸鹽巖地層，在中奧陶世到中密西西比世，主要為巖石圈伸展的構(gòu)造均衡沉降階段，且伸展范圍受早期裂谷范圍的限制，沉積較緩慢，富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖就是這一時(shí)期沉積的。在古生代的大部分時(shí)間里，這類盆地與阿克瑪、黑勇士等克拉通邊緣盆地是相通的，賓夕法尼亞紀(jì)晚期到白堊紀(jì)晚期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，造成了盆地現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)[16]。在這類盆地的泥盆系發(fā)現(xiàn)了大量的頁巖氣資源量，如密執(zhí)安盆地的Antrim頁巖氣藏和伊利諾斯盆地的New Albany頁巖氣藏。

2 頁巖氣藏特征

縱觀產(chǎn)頁巖氣盆地分布的大地構(gòu)造位置、盆地類型和性質(zhì)，頁巖氣藏的各種特征也是有規(guī)律可循的。分布于前陸盆地的頁巖氣藏埋藏較深，壓力和成熟度較高，天然氣為熱成因，具有高氣體飽和度、低吸附氣含量(圣胡安盆地除外)、低孔滲、平緩的等溫吸附線和較高的開采成本等特點(diǎn)；而位于克拉通盆地的頁巖氣藏則埋藏較淺，壓力和成熟度較低，天然氣為生物成因或混合成因，具有低氣體飽和度、高吸附氣含量、高孔滲、陡峭的等溫吸附線、較低的開采成本等特點(diǎn)，頁巖氣藏模式也有較大差異。

2.1 前陸盆地頁巖氣藏特征

該類盆地一般存在被動(dòng)大陸邊緣和前陸2個(gè)演化階段，均有利于形成頁巖氣藏所必需的頁巖發(fā)育，尤其是在層序格架的凝縮段。前陸盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng)，常規(guī)油氣難以保存，而頁巖氣藏具有抗破壞能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，在前陸盆地即使沒有常規(guī)油氣發(fā)現(xiàn)的區(qū)域也可能會發(fā)現(xiàn)大量頁巖氣資源。

(1)被動(dòng)陸緣上的前陸盆地一般發(fā)育 2套或多套頁巖層，即被動(dòng)陸緣和前陸盆地2個(gè)階段的頁巖沉積，具有多層次的頁巖發(fā)育，具備形成頁巖氣藏良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。如阿巴拉契亞盆地奧陶系頁巖為被動(dòng)陸緣沉積，而泥盆系頁巖為前陸盆地沉積。頁巖時(shí)代分布廣泛，從奧陶紀(jì)(阿巴拉契亞盆地的Utica頁巖)到白堊紀(jì)都有分布(圣胡安盆地的Lewis頁巖)。

(2)頁巖氣藏一般埋藏較深。主要分布在 3個(gè)深度段：

① 小于1.600 km。阿巴拉契亞盆地的Ohio頁巖氣藏和圣胡安盆地的 Lewis頁巖氣藏分布深度為0.915～1.524 km。

② 小于2.600 km。福特沃斯盆地的Barnett頁巖氣藏和阿科馬盆地的 Fayetteville (Arkansas)/Caney(Oklahoma)頁巖氣藏分布深度為1.981～2.591 km。

③ 小于3.600 km。如帕落杜羅盆地Bend頁巖氣藏、阿科馬盆地Woodford頁巖氣藏、黑勇士盆地Floyd頁巖氣藏中氣井的深度分別為 2.515～2.896，1.729～3.657和1.524～3.658 km。

由于埋藏比較深，氣藏的壓力一般較高，故具有輕微超壓的特點(diǎn)，如福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏的壓力梯度為12.21 kPa/m[17]。由于埋藏較深，故氣體飽和度較大，吸附氣含量較小，一般小于50%。

(3)頁巖成熟度較高。天然氣均為熱成因來源。阿巴拉契亞盆地頁巖成熟度Ro為0.5%～4.0%[18]，產(chǎn)氣區(qū)的維吉尼亞州和肯塔基州的成熟度變化范圍為0.6%～1.5%，在賓夕法尼亞州西部成熟度可達(dá)2.0%，西弗吉尼亞州南部成熟度可達(dá)4.0%，且只有在成熟度較高的區(qū)域才有頁巖氣產(chǎn)出[13]。福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏生產(chǎn)的干氣是在成熟度(Ro≥1.1%)較高時(shí)原油裂解形成的[3]，GTI(Gas Technology Institute)公布了Barnett頁巖氣藏產(chǎn)氣區(qū)的成熟度為1.0%～1.3%，實(shí)際上產(chǎn)氣區(qū)西部成熟度為 1.3%，東部成熟度為 2.1%，平均為1.7%[14-15]。圣胡安盆地Lewis頁巖的成熟度為1.6%～1.9%，也為高成熟度的頁巖氣藏。由此可見：前陸盆地頁巖氣藏中足夠高的頁巖成熟度是頁巖氣藏發(fā)育的關(guān)鍵，頁巖的高成熟度(＞2%)不是制約頁巖氣成藏的主要因素，相反，成熟度越高，越有利于頁巖氣藏的發(fā)育和開發(fā)。

(4)裂縫有助于頁巖層中吸附于礦物和(或)有機(jī)質(zhì)表面的天然氣吸附和解吸[1]。裂縫對頁巖氣藏具有雙重作用：一方面，裂縫為天然氣和水通過黑色頁巖層向井筒運(yùn)移提供通道；另一方面，如果裂縫規(guī)模過大，可能導(dǎo)致天然氣散失或氣層與水層相通。由于前陸盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng)，裂縫比較發(fā)育，裂縫可能對頁巖氣藏的發(fā)育和生產(chǎn)起到一定程度的制約作用，例如，Bowker[17]認(rèn)為：福特沃斯盆地 Barnett頁巖氣藏裂縫非常發(fā)育的區(qū)域，天然氣的生產(chǎn)速度最低，高產(chǎn)井基本上都分布在裂縫不太發(fā)育之處。因此，前陸盆地頁巖氣藏的勘探不是尋找裂縫，而是尋找高氣體含量、易擴(kuò)散及能進(jìn)行壓裂的頁巖氣區(qū)，該類頁巖氣藏并不是“裂縫性氣藏”，而是可以被壓裂的頁巖氣藏。

(5)前陸盆地的頁巖氣藏形成了以福特沃斯盆地Newark East氣田Barnett頁巖氣藏為代表的氣藏模式(圖2[17])。位于Barnett頁巖上覆的Marble Falls組、Chappel組(主要分布在Newark East氣田西部)、夾層的 Forestburg組以及其下伏的 Viola/Simpson組或Ellenburger組等灰?guī)r隔層的存在，形成幾套致密的隔板層，把大量原始和誘發(fā)裂縫限制在 Barnett頁巖內(nèi)部，不利于烴類氣體的排出，但有利于頁巖氣井的生產(chǎn)。在Marble Falls等致密灰?guī)r層缺失的地方，鉆井可能導(dǎo)致壓裂能量散失或水淹(裂縫連通飽含水的灰?guī)r層和氣層)，所以，Barnett頁巖及其上下地層的巖性和物性特征是該氣藏被成功勘探開發(fā)的關(guān)鍵，是確定“甜點(diǎn)”的關(guān)鍵因素。最近，在該類頁巖氣藏開發(fā)中，采用水平井技術(shù)在某種程度上降低了這種影響。

這些致密灰?guī)r層在一定程度上起到了“蓋層”或“隔層”的作用，阻止Barnett頁巖排烴，致使在Barnett頁巖中保存了大量的烴類氣體。這種上下被 Marble Falls組、Ellenburge組或Viola組/Simpson組及中間夾層Forestburg組等致密灰?guī)r層“封閉”的頁巖層，成為一種獨(dú)特的頁巖氣藏模式。Barnett頁巖氣藏的成功勘探開發(fā)為美國及世界其他地區(qū)頁巖氣藏的勘探開發(fā)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。按照Barnett頁巖氣藏模式在馬拉松—沃希托、阿巴拉契亞逆沖褶皺帶前緣的黑勇士、阿科馬、二疊以及阿巴拉契亞等盆地均發(fā)現(xiàn)了大量的頁巖氣資源，如阿巴拉契亞盆地泥盆系 Marcellus頁巖，上下分別為Tully，Onondaga或Huntersville灰?guī)r層所“封閉”，并被Puecell灰?guī)r層分為上、下2段，是Banett頁巖氣藏模式的又一佐證。

圖2 福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏模式圖(據(jù)文獻(xiàn)[17]修改)Fig.2 Barnett shale gas reservoir accumulation model of Fort Worth Basin (revised according to Ref.[17])

2.2 克拉通盆地頁巖氣藏特征

(1)位于克拉通盆地的頁巖氣藏主要分布在盆地邊緣較淺的部位，近年來在伊利諾斯盆地較深部位也發(fā)現(xiàn)了頁巖氣藏。但就頁巖發(fā)育的情況看，盆地中心比邊緣更有利于頁巖氣藏的發(fā)育。

(2)與前陸盆地的頁巖氣藏相比，位于克拉通盆地的頁巖氣藏埋藏普遍較淺，目前在該類盆地發(fā)現(xiàn)的頁巖氣藏通常小于 1.000 km，伊利諾斯盆地 New Albany頁巖氣藏和密執(zhí)安盆地 Antrim頁巖氣藏大約有9 000口井，深度范圍為200～610 m。由于埋藏比較淺，氣體飽和度較低，相應(yīng)的吸附氣含量較高，一般大于50%，如密執(zhí)安盆地Antrim頁巖氣藏的吸附氣含量高達(dá)70%。

(3)頁巖氣藏以低成熟度和高、低成熟度混合為特征，如密執(zhí)安盆地Antrim頁巖氣藏為低成熟度的頁巖氣藏，而伊利諾斯盆地New Albany頁巖氣藏為高、低成熟度混合的頁巖氣藏。低成熟度的頁巖氣藏的成因主要是生物成因，為埋藏后抬升經(jīng)歷淡水淋濾而形成的第2次生氣[1,19]。密執(zhí)安盆地Antrim頁巖的成熟度為0.4%～0.6%[19]，處在生物氣生成階段，為低成熟度的頁巖氣藏。而 Comer等[20]通過對伊利諾斯盆地New Albany頁巖氣藏甲烷氣體的δ13C分析，發(fā)現(xiàn)來自盆地南部深層的天然氣都是熱成因，而來自盆地北部相對淺層的天然氣為熱成因和生物成因的混合，為高、低成熟度混合的頁巖氣藏。

(4)克拉通盆地的構(gòu)造變動(dòng)較弱，裂縫欠發(fā)育，因此，裂縫的發(fā)育程度是決定頁巖氣藏品質(zhì)的重要因素，裂縫發(fā)育好的氣藏，品質(zhì)也較好，反之，則較差。如密執(zhí)安盆地和伊利諾斯盆地的頁巖就是尋找裂縫較發(fā)育的區(qū)域(在其他地質(zhì)條件相似的情況下)，并且大部分井還需壓裂才能獲得較大產(chǎn)能。

(5)克拉通盆地的構(gòu)造形態(tài)為四周高、中間低，這種形態(tài)決定了淡水由盆地邊緣向中心注入，成為克拉通盆地1種典型的頁巖氣藏模式(圖3)。Martini等[19]認(rèn)為在更新世時(shí)期，大氣降水充注到富含有機(jī)質(zhì)且裂縫發(fā)育的Antrim頁巖，極大地促進(jìn)了生物甲烷氣的生成，在密執(zhí)安盆地北部和西部邊緣形成了大量的該類氣藏。伊利諾斯盆地亦為此類頁巖氣藏。

圖3 密執(zhí)安盆地Antrim頁巖氣藏模式圖Fig.3 Antrim shale gas reservoir accumulation model of Michigan Basin

3 我國頁巖氣發(fā)育條件

美國頁巖氣藏基本上分布在古生代、中生代被動(dòng)陸緣演化為前陸盆地的區(qū)域和克拉通臺地區(qū)，而我國在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期也發(fā)育多種相似類型的盆地。這些盆地所處的大地構(gòu)造位置、類型、性質(zhì)及頁巖時(shí)代、沉積環(huán)境、地化指標(biāo)等與美國的盆地極其相似，雖然中美各時(shí)代的盆地具體性質(zhì)不同，地臺區(qū)周邊造山帶逆轉(zhuǎn)的時(shí)代不同，形成的盆地類型稍有差異，但是，勘探實(shí)踐表明，盆地中油氣的分布及地質(zhì)特征是有規(guī)律可循的。因此，在類比的基礎(chǔ)上研究我國盆地與美國主要產(chǎn)頁巖氣盆地的相似性，認(rèn)為我國廣泛存在頁巖氣藏發(fā)育的空間。

3.1 相似的盆地類型及大地構(gòu)造位置

古生代我國發(fā)育揚(yáng)子、塔里木和華北三大克拉通地臺，地臺上為典型的克拉通沉積，克拉通邊緣早期為被動(dòng)大陸邊緣沉積，晚期為前陸沉積，發(fā)育古生代、中生代前陸盆地和克拉通盆地。克拉通盆地主要包括四川、華北和塔里木，但由于經(jīng)歷了漫長地質(zhì)歷史時(shí)期的改造，目前僅存四川、鄂爾多斯和塔里木盆地中心地區(qū)。

3.1.1 早古生代前陸盆地

早古生代前陸盆地主要發(fā)育在加里東晚期，塔里木、四川和鄂爾多斯古生代海相盆地具有相似的地質(zhì)演化，泛大陸解體后，震旦紀(jì)—早中奧陶世為被動(dòng)大陸邊緣，中晚奧陶世至志留紀(jì)為前陸盆地，代表三大陸塊與周邊洋盆的盆山轉(zhuǎn)換[21-22]。揚(yáng)子地臺在加里東晚期，華南洋向江紹一帶俯沖、消減形成江南造山帶、雪峰山造山帶并與黔中和牛首山古隆起相連，在造山帶前緣形成前陸盆地[22-23]。在早志留世，秦嶺洋與華北地塊、塔里木地塊以及柴達(dá)木地塊碰撞，也形成一系列前陸盆地[22]，如北祁連山前陸盆地。鄂爾多斯盆地西緣和南緣是在元古界秦祁賀三叉裂谷基礎(chǔ)上發(fā)育的早元古代被動(dòng)大陸邊緣，中奧陶世至中石炭世秦祁海槽向東、向北方向俯沖碰撞，形成前陸盆地[24]。塔里木盆地南緣志留紀(jì)至泥盆紀(jì)存在周緣前陸盆地[25-26]。

3.1.2 晚古生代前陸盆地

晚古生代前陸盆地主要發(fā)育在滇黔貴地區(qū)、塔里木北緣及準(zhǔn)噶爾盆地周緣，主要發(fā)生在泥盆紀(jì)和二疊紀(jì)。中奧陶世—志留紀(jì)武夷、閩臺微陸塊向華南古板塊拼貼時(shí)，廣西“欽防海槽”和“十萬大山”盆地區(qū)處于“殘留被動(dòng)大陸邊緣盆地”演化階段，其后經(jīng)歷了早泥盆世殘留洋盆地、晚古生代特提斯被動(dòng)大陸邊緣盆地，到晚二疊世早期轉(zhuǎn)變?yōu)榍瓣懪璧豙22]。塔里木北部周緣前陸盆地發(fā)育于泥盆紀(jì)末至早三疊世期間[27]。準(zhǔn)噶爾盆地周緣在二疊紀(jì)也演化為前陸盆地[28]。

3.1.3 中生代前陸盆地

中生代前陸盆地主要分布在南方和中西部地區(qū)。中生代早期的印支運(yùn)動(dòng)是主要的構(gòu)造變形期和被動(dòng)大陸邊緣向前陸盆地演化的轉(zhuǎn)折階段。華南板塊裂解為揚(yáng)子板塊和東南板塊，由臺地沉積轉(zhuǎn)變?yōu)榍瓣懗练e，在揚(yáng)子板塊南北緣逐漸形成南北 2條前陸盆地帶[22,29]。北帶主要由上揚(yáng)子(龍門山)、中揚(yáng)子北部(大巴山和桐柏山前陸盆地)、下?lián)P子(寧鎮(zhèn)前陸盆地)3個(gè)周緣前陸盆地群及合肥沖斷前淵盆地構(gòu)成；南帶主要由蘭坪—思茅、十萬大山、楚雄、南盤江、桂東南等弧后前陸盆地及渝東—湘鄂西、湘贛等陸內(nèi)造山帶形成的類前陸盆地群構(gòu)成。中西部前陸沖斷帶屬于特提斯北緣盆地群，有統(tǒng)一的大地構(gòu)造背景、位置與古氣候帶[25]。在鄂爾多斯盆地西緣也形成了中生代前陸盆地[25]。塔里木地臺周緣中新生代前陸盆地十分發(fā)育，代表性的地區(qū)有塔西南、喀什、葉城、庫車及且未等，主要分布在天山、昆侖山及阿爾金造山帶與塔里木克拉通盆地邊緣相接地區(qū)[25,30]。

與美國主要產(chǎn)頁巖氣盆地相比，我國的前陸盆地和克拉通盆地經(jīng)歷了加里東、海西兩大構(gòu)造旋回，又經(jīng)歷了中生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造，原有的前淵沉積連同下伏的地臺沉積一起卷入沖斷褶皺變動(dòng)改造之中，被后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造得面目全非。如在揚(yáng)子地臺，印支期前陸除龍門山前經(jīng)長期演化保持良好外，僅楚雄、西昌和大巴山前仍存在構(gòu)造盆地，中下?lián)P子區(qū)本質(zhì)上已完全轉(zhuǎn)成褶皺沖斷構(gòu)造帶[22]。古生代的江南—雪峰北緣前陸區(qū)也被改造得面目全非。在這樣的構(gòu)造背景之下，常規(guī)油氣難以保存，而頁巖氣具有抗破壞能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在常規(guī)油氣不能發(fā)育的地區(qū)，其仍有很好的發(fā)育條件，因此，在這些地區(qū)，頁巖氣可能是進(jìn)行勘探的關(guān)鍵所在。

3.2 相似的頁巖沉積環(huán)境

有利的大地構(gòu)造背景必須與有利的古氣候和古環(huán)境結(jié)合才具備形成大規(guī)模油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)[31]。與美國有利于頁巖氣藏發(fā)育的前陸盆地和克拉通盆地對應(yīng)的是有利于黑色頁巖沉積的古氣候和古環(huán)境，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)頁巖氣藏的頁巖主要為被動(dòng)大陸邊緣沉積、前陸撓曲形成的滯留環(huán)境沉積和克拉通內(nèi)坳陷沉積等。

3.2.1 被動(dòng)大陸邊緣沉積

包括被動(dòng)大陸邊緣裂谷和緩坡陸棚環(huán)境，該環(huán)境一般被上升洋流控制，通常攜帶生物大量繁殖所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，表層海水中生物大量繁殖、死亡后在海底迅速大量堆積，耗盡海底中的氧形成強(qiáng)還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)保存。在這樣的大地構(gòu)造背景以及與之匹配的沉積環(huán)境之上，沉積了大套富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖，其中最有利于頁巖氣藏發(fā)育的部位是水進(jìn)體系域的凝縮段，如在大綠河盆地 Lewis頁巖 Asquith Marker段[32]和阿巴拉契亞盆地奧陶系Utica頁巖[33]中均發(fā)現(xiàn)了頁巖氣藏或頁巖氣顯示。我國南方揚(yáng)子地臺周緣的寒武系和奧陶系也均發(fā)育凝縮段沉積的黑色頁巖[22]，具備形成頁巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2.2 前陸撓曲形成的滯留環(huán)境沉積

前陸撓曲形成滯留盆地，阻止了水的側(cè)向流動(dòng)，表層含氧水與深層水的混合受阻，有利于還原環(huán)境的形成。如阿巴拉契亞盆地泥盆系黑色頁巖和以福特沃斯盆地為代表的南部晚古生代前陸盆地泥盆系—密西西比系黑色頁巖均屬于這類沉積。在中晚奧陶世—早志留世，南方地區(qū)黔中—江南—雪峰山一帶為前陸隆起帶，隆起帶以西、以北形成滯留盆地，上、中、下?lián)P子原淺水碳酸鹽臺地被富含筆石的黑色頁巖覆蓋。三疊系的黑色頁巖也形成于這種環(huán)境。

3.2.3 克拉通內(nèi)坳陷沉積

在泥盆紀(jì)時(shí)期，隨著相對海平面的上升，密執(zhí)安盆地和伊利諾斯盆地被海水淹沒，成為頁巖沉積的淺海環(huán)境，在這一時(shí)期形成的泥盆系富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖在從加拿大中西部到美國東南部的北美地臺廣泛分布。我國的四川、鄂爾多斯和塔里木等盆地的古生界部分黑色頁巖也在此類沉積環(huán)境中沉積。

海相黑色頁巖一般形成于上述三種沉積環(huán)境，且多與碳酸鹽巖伴生，其分布往往很廣、很穩(wěn)定。根據(jù)前人對中國含油氣盆地的巖相古地理和烴源巖的研究結(jié)果，從中、晚元古代至中生代的不同時(shí)期，均在不同地區(qū)不同程度地發(fā)育海相暗色頁巖(圖5)。

以我國南方古生代為例，沉積了克拉通內(nèi)坳陷、被動(dòng)大陸邊緣的寒武系黑色頁巖和前陸撓曲階段的奧陶系—志留系黑色頁巖。寒武系黑色頁巖主要發(fā)育在梅樹村期和筇竹寺期最大海侵時(shí)，表現(xiàn)為最大凝縮層沉積特征，發(fā)育了筇竹寺組和滄浪鋪組及其相當(dāng)層位的黑色頁巖[22]。奧陶紀(jì)為南方構(gòu)造和沉積演化的變革期，被動(dòng)大陸邊緣轉(zhuǎn)為前陸盆地，奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組為黑色、深灰色碳質(zhì)、硅質(zhì)泥頁巖。與美國主要產(chǎn)頁巖氣頁巖相比，寒武系、奧陶系、志留系黑色頁巖具有有機(jī)碳含量高、成熟度高、厚度大等特點(diǎn)(表1[21])，具備頁巖氣藏發(fā)育的良好條件。值得一提的是：在南方普遍演化程度較高的情況下，局部存在演化程度較低且適合頁巖氣藏發(fā)育的地區(qū)，如江南隆起邊緣，北緣的成熟度Ro為0.6%～1.3%，南緣的成熟度Ro為1.3%～2.0%，下寒武統(tǒng)在黃平、都勻地區(qū)也僅為1.9%～2.0%[22]，這些地區(qū)是頁巖氣藏發(fā)育最有利的地區(qū)。

圖5 中國主要盆地海相頁巖發(fā)育(據(jù)文獻(xiàn)[21]修改)Fig.5 Major marine basin shale development in China (revised according to Ref.[21])

表1 我國主要海相頁巖與世界部分海相頁巖剩余有機(jī)碳含量對比表Table 1 Comparison of total organic carbon between China major marine shale and some of the world's marine shale

4 結(jié)論

(1)美國產(chǎn)頁巖氣盆地主要分布在被動(dòng)大陸邊緣演化為前陸盆地的區(qū)域和克拉通臺地區(qū)。按照盆地類型可分為前陸盆地和克拉通盆地。

(2)江南雪峰山北緣、鄂西及塔里木南緣等早古生代前陸盆地，準(zhǔn)噶爾盆地周緣、“欽防海槽”和“十萬大山”等晚古生代前陸盆地，揚(yáng)子板塊南北2條前陸盆地帶等中生代前陸盆地以及塔里木、四川和鄂爾多斯等克拉通盆地都具備頁巖氣藏發(fā)育的條件。

(3)盡管頁巖氣藏的抗破壞性較強(qiáng)，阿巴拉契亞等古生代前陸盆地在后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中也被強(qiáng)烈改造，但均發(fā)現(xiàn)大量的頁巖氣資源，因此，有必要對我國前陸盆地頁巖氣進(jìn)行研究。

(4)從產(chǎn)頁巖氣盆地分布的大地構(gòu)造位置和盆地類型來看，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)的前陸盆地和構(gòu)造活動(dòng)較弱的克拉通盆地都有頁巖氣藏發(fā)育，照此特征預(yù)測，在裂谷盆地中黑色頁巖發(fā)育較好的區(qū)域，也應(yīng)該有頁巖氣藏發(fā)育。因此，諸如松遼盆地和渤海灣盆地之類的中新生代裂谷盆地的頁巖氣藏不容忽視。

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