宁强湾是上扬子地台于特列奇后期上升后在地台西北缘残留的一个海湾，位于南郑—勉县—宁强一带，东邻汉南古陆^[1]，西邻摩天岭古陆^[2-3]。前人多认为该区早寒武世牛蹄塘组（∈₁ n）沉积期以滨海相碎屑岩沉积为主，深水还原环境下富有机质层不发育^[4-6]。近年来，由于四川盆地长宁、威远、焦石坝等地区页岩气的成功勘探与开发^[7-9]，针对四川盆地北缘米仓山—大巴山一带及邻区早寒武世海相泥页岩研究工作的展开，认为海相泥页岩沉积稳定、厚度大、有机质丰度高、热演化适中，页岩气成藏地质条件良好^[10-13]。2015年，中国地质调查局油气资源调查中心在上扬子地台西北缘围绕下寒武统牛蹄塘组开展了大量工作，其中镇巴镇地1井获得重大突破，发现高含气量页岩。然而，到目前为止，针对宁强湾早寒武世地层中富有机质层的发育情况、岩性分布和有机地球化学特征等页岩气相关方面的研究较少。针对该问题，笔者在南郑—勉县—宁强一带，围绕基岩分布区，通过测制牛蹄塘组野外露头剖面，系统开展牛蹄塘组富有机质泥页岩沉积厚度、分布与有机地球化学特征等研究，并探讨泥页岩沉积和有机地球化学特征与古地理间的关系，以期为该区页岩气勘探与开发提供依据。

上扬子西北缘宁强湾位于汉南古陆与摩天岭古陆之间（图 1），寒武纪时期向南与华南洋相通，向北可能与秦岭洋相连。寒武系自下而上发育牛蹄塘组、石牌组（∈₁s）、仙女洞组（∈₂xn）和沧浪铺组（∈₂ c）。晋宁运动后期上扬子地区发生大规模海侵，沉积水体总体较为安静，磷块岩、硅质岩和黑色页岩的出现代表该期发育最大海泛面。牛蹄塘组是该区下寒武统富有机质泥页岩最发育的地层^[14-17]，与川中—川西南—川东北地区的筇竹寺组（∈₁ q）相当^[18]，受该区早寒武世岩相古地理的控制。地层以含炭为主要特征，一般认为形成于浅海，下部为灰黑色、黑色高炭质泥页岩，偶夹黑色粉砂岩等，以黑色高炭质页岩的出现与下覆灯影组（Zd）整合（或平行不整合）接触；中、上部为灰黑色、黑色粉砂岩，夹深灰色含炭质粉砂岩与粉砂质泥岩和灰色钙质与砂质透镜体等，含三叶虫，顶部以黑色粉砂岩的消失，浅灰色细砂岩和粉砂岩的出现与上覆石牌组整合接触。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 上扬子西北缘早寒武世牛蹄塘组沉积期古地理 Fig. 1 Palaeogeographic map of the Early Cambrian Niutitang Formation in the northwestern margin of Upper Yangtze platform Ⅰ.南郑查家沟剖面；Ⅱ.勉县黄泥地剖面；Ⅲ.勉县朱家湾剖面；Ⅳ.勉县小河庙剖面

本次研究选取上扬子西北缘宁强湾4条露头剖面（参见图 1），系统采集暗色泥页岩与粉砂质泥岩有机地球化学样品43件，并开展有机碳含量（TOC）、岩石热解、干酪根显微组分与类型、镜质体反射率（R_o）等有机地球化学分析。所采集样品在不同地区、不同层位均有分布，样品典型、新鲜、分布合理。分析测试条件一致，保证实验结果的准确性与一致性，以便反映研究区富有机质泥页岩的有机地球化学特征。样品由四川省科源工程技术测试中心完成分析测试。实验及分析执行标准如下：①  有机碳含量分析。使用CS-230 H碳硫测定仪，执行标准为《GB/T 19145—2003沉积岩中总有机碳的测定》 ^[19]。②  岩石热解分析。使用油气显示评价仪YQ-ⅦA，执行标准为《GB/T 18602—2012岩石热解分析》 ^[20]。③  有机质类型。使用偏光显微镜AxioScope.A1 +照相系统，执行标准为《SY/T 5125—2014透射光-荧光干酪根显微组分鉴定及类型划分方法》 ^[21]。④  镜质体反射率分析。使用偏光显微镜AxioScope. A1 + JM分光光度计MSP400，执行标准为《SY/T 5124—2012沉积岩中镜质体反射率的测定方法》 ^[22]。

足够数量的有机质是形成油气的物质基础，是决定岩石生烃潜力的主要因素^[23]。有机碳含量和岩石热解生烃潜量（S₁+S₂）均被用作有机质丰度的评价标准^[24]。本次研究参考中国南方地区古生界烃源岩评价等级划分标准^[25]，并借鉴四川盆地^[26]和美国页岩气勘探与开发的成功经验^[27]，将0.5%作为商业性烃源岩有机碳质量分数的下限值，0.5 mg/g作为生烃潜量的下限值。

上扬子西北缘宁强湾下寒武统牛蹄塘组有机质丰度分析测试结果（表 1）表明：牛蹄塘组TOC质量分数为0.08%~7.54%，平均为1.97%，其中TOC质量分数大于1.0%的样品占51.2%；S₁+S₂为0.058 4~ 4.669 6 mg/g，平均为0.660 6 mg/g，其中S₁+S₂大于0.5 mg/g的样品占43.2%。通过研究有机质丰度与样品岩性的关系可知：高丰度有机质样品主要为沉积于深水滞留环境下（强还原）的黑色炭质页岩；低丰度有机质样品主要为沉积于浅水陆棚环境下（弱氧化—还原）的浅灰、灰色泥页岩。从表 1可以看出，研究区牛蹄塘组的平均有机质丰度均达到了中等烃源岩等级，具有较好的生烃基础。

表 1(Table 1)

表 1 宁强湾牛蹄塘组富有机质泥页岩有机碳分析结果 Table 1 The organic carbon analysis of organic-rich shales of Niutitang Formation in Ningqiang Bay 野外编号 岩性 w（TOC）/ % S1/ （mg·g-1） S2/ （mg·g-1） （S1+ S2）/ （mg·g-1） D1006/1 深灰色泥岩 1.07 0.126 5 4.543 1 4.669 6 ZJWP1-1 黑色炭质泥岩 4.48 0.047 9 0.923 2 0.971 1 ZJWP1-2 灰黑色泥岩 1.32 0.029 2 0.108 7 0.137 9 ZJWP2-1 黑色炭质泥岩 1.22 0.066 3 0.678 4 0.744 7 ZJWP2-2黑色含炭泥质粉砂岩 1.22 0.224 2 1.067 8 1.292 0 ZJWP3-1 灰黑色粉砂岩 1.06 0.276 4 1.017 0 1.293 4 ZJWP3-2黑色含炭泥质粉砂岩 0.85 0.205 1 0.481 1 0.686 2 ZJWP4-1 深灰色粉砂岩 0.80 0.281 2 0.5166 0.797 8 ZJWP5-1黑色含炭粉砂质泥岩 0.45 0.046 7 0.178 1 0.224 8 ZJWP6-1黑色含炭泥质粉砂岩 0.59 0.134 9 0.245 1 0.380 0 ZJWP6-2 深灰色泥质粉砂岩 0.53 0.035 0 0.161 9 0.196 9 ZJWP7-1 黑色含炭页岩 0.41 0.029 0 0.142 8 0.171 8 ZJWP8-1 深灰色泥质粉砂岩 0.54 0.1566 0.299 4 0.456 0 ZJWP9-1 灰黑色含炭泥岩 0.76 0.179 3 0.524 1 0.703 4 ZJWP10-1 灰黑色泥质粉砂岩 0.72 0.143 9 0.498 5 0.642 4 ZJWP10-2 灰黑色含炭泥岩 0.59 0.062 7 0.424 4 0.487 1 D2003/1 深灰黑色泥岩 0.64 0.111 8 0.526 1 0.637 9 D2005/1 灰色泥岩 1.66 0.072 1 0.670 1 0.742 2 D2024/1 灰黑色泥岩 0.26 0.0164 0.072 8 0.089 2 D2027/1 黑灰色泥岩 0.96 0.045 9 0.347 3 0.393 2 D2029/1 灰色泥岩 0.27 0.025 3 0.122 8 0.148 1 D1026/1 黑色炭质泥岩 1.95 0.3175 0.9126 1.230 1 D1026/2 黑色粉砂质泥岩 1.26 0.080 8 0.489 7 0.570 5 D1047/1 黑色炭质泥岩 3.72 0.530 4 3.299 0 3.829 4 D1049/1 灰黑色泥质粉砂岩 1.18 0.095 4 0.637 2 0.732 6 XHMP14/1 灰黑色炭质泥岩 1.18 0.096 6 0.327 9 0.424 5 XHMP14/2 灰黑色炭质泥岩 1.26 0.257 5 0.794 8 1.052 3 HNDP1/1 黑色炭质粉砂岩 5.25 0.020 4 0.084 0 0.104 4 HNDP1/2 黑色炭质粉砂岩 5.24 0.023 1 0.072 9 0.096 0 HNDP1/3 黑色炭质粉砂岩 3.67 0.020 7 0.064 8 0.085 5 HNDP2/1 深灰色粉砂岩 0.29 0.0167 0.046 7 0.063 4 HNDP3/1 黑色炭质粉砂岩 6.21 0.021 0 0.043 1 0.064 1 HNDP3/2 黑色劣质煤 7.54 0.0191 0.041 4 0.060 5 HNDP3/3 黑色炭质粉砂岩 5.36 0.0198 0.047 3 0.067 1 HNDP3/4 黑色炭质泥岩 6.58 0.020 1 0.052 1 0.072 2 HNDP4/1 黑色炭质泥质；粉砂'岩 5.49 0.0172 0.041 2 0.058 4 HNDP5/1 黑色炭质泥质；粉砂'岩 6.16 0.022 9 0.041 8 0.064 7 D1006/2 黄灰色含裂缝油泥岩 0.09 XHMP12/1 灰、深灰色泥岩 0.39 XHMP13/1 深灰色泥岩 0.55 XHMP13/2 深灰色泥岩 0.58 XHMP15/1 深灰色泥岩 0.29 CJGP5/1 灰色薄层状泥岩 0.08

下载CSV 表 1 宁强湾牛蹄塘组富有机质泥页岩有机碳分析结果 Table 1 The organic carbon analysis of organic-rich shales of Niutitang Formation in Ningqiang Bay

腐泥组、壳质组、镜质组和惰质组均为干酪根的显微组分，其中腐泥组和壳质组均为主要生烃组分。通过显微镜下测定研究区样品中干酪根各组分的相对含量，并计算其类型指数，进而对有机质类型进行划分^{[21, 28]}。通过对该区牛蹄塘组富有机质层干酪根显微组分鉴定结果（表 2、图 2）分析发现，腐泥组含量较高，相对体积分数为90%~98%，平均为94%；镜质组相对体积分数为0~8.00%，平均为2.54%；惰质组相对体积分数为1.00% ~ 8.00%，平均为3.54%，不含壳质组。干酪根类型指数为81.25~96.25，有机质类型好，均为生烃能力较强的Ⅰ型干酪根。

表 2(Table 2)

表 2 宁强湾牛蹄塘组富有机质泥页岩有机质类型和成熟度参数 Table 2 The organic carbon type and maturity parameters of organic-rich shales of Niutitang Formation in Ningqiang Bay 地层 类型指数 相对体积分数/ % Tmax/℃ Ro/ % 样品数/块 有机质类型 腐泥组 壳质组 镜质组 惰质组 ∈1n $\frac{{81.2\sim96.25}}{{88.34}}$ $\frac{{90\sim98}}{{94}}$ - $\frac{{0\sim8.00}}{{2.54}}$ $\frac{{1.00\sim8.00}}{{3.54}}$ $\frac{{419\sim496}}{{448}}$ $\frac{{0.78\sim6.01}}{{2.36}}$ 37 Ⅰ   注：表中分数代表$\frac{{最小值\sim最大值}}{{平均值}}$

下载CSV 表 2 宁强湾牛蹄塘组富有机质泥页岩有机质类型和成熟度参数 Table 2 The organic carbon type and maturity parameters of organic-rich shales of Niutitang Formation in Ningqiang Bay

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 宁强湾牛蹄塘组富有机碳泥页岩有机碳显微组分相对含量三角图 Fig. 2 Triangular diagram of kerogen micropetrological unit of organic-rich shales of Niutitang Formation in Ningqiang Bay

烃源岩有机质成熟度直接控制着有机质的生烃量和生烃演化^[28]。本次研究采用R_o和热解烃峰温（T_max）等2种参数来分析有机质的成熟度。研究区西南缘下寒武统牛蹄塘组富有机质泥页岩R_o为0.78%~1.61%，平均为1.17%，T_max为419~496 ℃，平均448 ℃（参见表 2），处于成熟—高成熟演化阶段，显示牛蹄塘组烃源岩已进入生烃高峰期。与此同时，研究区西侧勉县土关铺乡一带剖面样品分析结果显示，牛蹄塘组富有机质烃源岩R_o异常高，为5.20%~6.01%，平均为5.58%，T_max为344~577 ℃，平均为447 ℃，这可能主要由于剖面紧邻阳平关断裂，因构造挤压导致烃源岩有机质演化程度较高。另外，页岩气成藏于泥质烃源岩，属源-藏合一型，以吸附（含溶解）及游离态赋存，当R_o大于2.0%时，天然气吸附与溶解量均随R_o增大而减小^[29-30]。

通过对上扬子西北缘宁强湾不同位置下寒武统牛蹄塘组露头剖面进行对比研究，并结合有机地球化学分析结果，认为富有机质层厚度、分布及有机质含量在平面与剖面上均受古地理构造和沉积环境的影响。

平面上受东侧汉南古陆影响，沉积环境自东向西依次为滨海—浅海内陆棚—浅海外陆棚（图 3），富有机质层厚度西厚东薄，TOC含量西高东低（表 3）。在勉县土关铺一带由于陆源输入适当，水体安静，受浮游动物与藻类等综合因素影响，岩性为灰黑色、黑色泥页岩与粉砂岩，属滞留条件下强还原深水陆棚沉积，TOC质量分数为3.67%~7.64%，平均为5.18%，且富有机质层较厚，累计厚度为108.5 m。至勉县元墩镇—老代坝村一带牛蹄塘组下部岩性主要为灰黑色、黑色含炭泥页岩夹粉砂岩，TOC质量分数为1.0%~2.0%，最高为4.48%，其中TOC质量分数大于1.0%的富有机质层累计厚度约为44.8 m，而上部岩性以灰色、灰黑色泥质粉砂岩与粉砂岩为主，夹粉砂质与钙质透镜体，其TOC质量分数均小于1.0%。同时盆地东侧及北侧南郑梁山镇—勉县小河庙一带由于靠近汉南古陆，水体整体较浅，岩石颜色明显较浅，反映当时水体略浅且较为动荡，处于弱氧化—还原环境，沉积速率快而埋藏效率低，厚度较薄，为10~20 m，仅底部见一套强还原环境下的富有机质层，岩性为深灰色、灰黑色含炭粉砂岩与泥质粉砂岩，其TOC含量整体较低，质量分数最高仅为1.26%。牛蹄塘组有机碳含量分布纵向上受海平面、沉积环境变化的影响，勉县朱家湾剖面下部岩性以灰黑色、黑色含炭泥页岩与粉砂岩为主，属闭塞盆地—外陆棚—内陆棚还原环境，有机碳质量分数最大大于4.0%；上部岩性逐渐变为浅灰色、灰色泥质粉砂岩、粉砂岩与细砂岩，粒度变粗，反映水体逐渐变浅，同时有机碳含量向上递减，有机碳质量分数多小于1.0%。整体表现为受海平面变化的影响，下部泥页岩有机碳含量明显较上部高，该变化特征与四川盆地早寒武世海平面及地层有机碳含量变化特征基本一致。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 宁强湾早寒武世牛蹄塘组沉积期岩相古地理 Fig. 3 Lithofacies and Palaeogeographic map of the Early Cambrian Niutitang Formation in Ningqiang Bay

表 3(Table 3)

表 3 宁强湾不同地区牛蹄塘组富有机质泥页岩厚度与有机质丰度参数 Table 3 The abundance and thickness of organic-rich shales of Niutitang Formation in Ningqiang Bay 地名 w（TOC）/% w（TOC） > 1.0%的地层厚度/m 土关铺 $\frac{{0.28\sim7.54}}{{5.18}}$ 108.5 元墩 $\frac{{0.41\sim4.48}}{{1.10}}$ 45.0 小河庙 $\frac{{0.28\sim1.26}}{{0.71}}$ 10.0 梁山 $\frac{{0.08\sim1.07}}{{0.41}}$ 15.0   注：表中分数代表$\frac{{最小值\sim最大值}}{{平均值}}$

下载CSV 表 3 宁强湾不同地区牛蹄塘组富有机质泥页岩厚度与有机质丰度参数 Table 3 The abundance and thickness of organic-rich shales of Niutitang Formation in Ningqiang Bay

（1）上扬子西北缘宁强湾早寒武世存在深水滞留沉积环境，下寒武统牛蹄塘组广泛发育富有机质泥页岩，其沉积厚度大、有机碳含量较高、类型好、已进入成熟—高成熟演化阶段，具有形成页岩气藏的巨大潜力。

（2）上扬子西北缘宁强湾牛蹄塘组泥页岩平面上受古地理影响，西侧烃源岩生烃条件明显优于东侧。纵向上受古海平面变化影响，下部地层有机碳含量明显高于上部地层。