1. 引言
在“双碳”战略的倡导下，我国能源结构逐渐向低碳、高效、清洁的方向转变，逐步增加清洁能源占比。页岩气作为一种清洁天然气能源，在能源转型过渡期发挥了重要作用[1]。总有机碳(TOC)含量作为直观反映页岩生烃潜力及储集能力的重要参数，是评价页岩气储层经济效益的关键[2]。目前国内外学者关于页岩中TOC含量的主控因素的研究尚未达成共识，现有的TOC富集模式主要有生产力模式以及保存条件模式两种，前者认为TOC富集的主控因素为较高的古生产力水平，后者则认为水体的氧化还原环境是影响有机质富集的主要原因[3] [4]。古沉积环境在一定程度上反映了研究区初始古生产力、陆源碎屑输入以及水体氧化还原环境，沉积地球化学元素可以反映古沉积环境变化[5] [6]。因此，本次研究以四川盆地南部X地区五峰组–龙一1亚段页岩储层为例，通过研究区取得的岩心样品进行相关实验得到的TOC实验数据以及研究区主微量元素数据分析研究区目的层沉积古环境演化，以探讨研究区目的层TOC的主控因素。
2. 区域地质背景
四川盆地位于扬子准地台的西北缘，西北为龙门山断褶带，东北为大巴山断褶带，西南为峨眉瓦山断块带和娄山褶皱带，东南为川湘拗陷断褶带，是一个呈北东向展布的菱形盆地，具典型多旋回、多层次结构、多期构造变动等特点，面积约18 × 104 km2。研究区位于四川盆地川中平缓构造带与川南低陡构造带交界处，整体呈北东–南西向展布[7]。在晚奥陶世–早志留世时期受加里东运动影响，上扬子板块受到挤压在周边形成众多隆起，上扬子板块形成了大面积缺氧低能的沉积环境。在此沉积背景下，研究区目的层发育一套深水–浅水陆棚沉积背景的富有机质海相页岩。目前研究区深层页岩气勘探开发的主力层系为五峰组和龙马溪组底部地层，五峰组地层岩性主要为黑色含硅质页岩，富含笔石化石[8]；龙马溪组主要为泥页岩，钙质、碳质含量高，自下而上粉砂含量逐渐增多[9]。五峰组厚度为5~11 m，龙马溪组地层厚度介于200~530 m，地层整体横向展布较稳定[10]。五峰组上部以及龙马溪组底部地层有机质含量高，是页岩气开采的主力层段。
3. 数据及方法
3.1. 样本数据
本次样品均取自四川盆地南部X地区五峰组–龙一1亚段页岩储层，本次取心在进行了充足的岩心观察后，设计合理的取样方案以确保实验样品的代表性，累计取样56块，来自于研究区X6井，进行总有机碳分析实验以及主微量元素含量分析实验。
3.2. 实验方法
(1) 总有机碳分析
岩石总有机碳分析采用美国力克公司CS-230碳硫分析仪，实验前对样品进行超声波去污、研磨、酸洗、低温烘干等处理，实验标准参考GB/T 19145-2003《沉积岩中总有机碳的测定》。
(2) 主微量元素分析实验
主量元素分析实验采用XRF仪器进行X射线荧光光谱分析。微量元素采用PE Elan 6000型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)进行测试分析，实验标准参考GB/T 14506.28-2010以及GB/T 14506.30-2010《硅酸盐岩石化学分析方法》。
4. 实验结果
4.1. TOC含量
通过岩石总有机碳分析，研究区五峰组–龙一1亚段56个样品的TOC为0.20%~5.66%，总体平均值为2.19%。龙一1亚段TOC为0.28%~5.66%，平均值为2.26%，五峰组TOC范围为0.20%~3.59%，其均值为1.73%。
4.2. 主微量元素
SiO2、Al2O3和CaO是研究区五峰组–龙一1亚段页岩的主要成分，在目的段中SiO2的含量占主体地位，含量为53.32%~86.53%，其次为Al2O3，含量为2.06%~27.97%，CaO、MgO在研究区目的段的含量较低。研究区常量元素整体变化不大；基于微量元素在成岩过程中具有相对稳定的特性，主要依靠其变化来反映沉积环境的变化。
5. 有机质主控因素分析
页岩储层中有机质的富集受多种地质条件影响，但其最主要控制因素是沉积环境，沉积环境对于有机质富集的最直接的控制变量是初始古生产力、水体氧化还原环境和陆源碎屑输入三因素。只有在有机质来源丰富，水体氧化作用小以及陆源碎屑输入较少的环境下，才能形成有机质富集的页岩储层。由于微量元素在成岩过程中相对稳定的特性，对于指示烃源岩沉积环境等具有非常重要的示踪作用。在不同沉积环境下，微量元素的种类和含量有着不同程度的差异。因此通过分析研究区页岩储层微量元素地球化学特征，来分析研究区有机质富集主控因素[11]-[13]。
Ni、Cr、V等微量元素是古沉积环境氧化–还原条件的敏感指标，沉积环境一旦有变化，这些敏感微量元素的丰度也会发生相应的变化，在缺氧还原的沉积环境中，这些微量元素会出现异常富集的现象，沉积环境还原性越强，这些元素的富集程度越高。一些微量元素丰度比值如V/(V+Ni)，V/Cr，Ni/Co等参数都可以用来对古沉积环境的氧化还原性质进行恢复评价。利用Ni/Co和U/Th微量元素丰度比值对古沉积环境的氧化还原性质进行恢复评价。
Figure 1. Correlation analysis between TOC content in the target layer and REDOX degree of water in the study area
图1. 研究区目的层TOC含量与水体氧化还原程度相关性分析
随着Ni/Co和U/Th比值增大，表示沉积环境由氧化环境转为还原环境，水体的还原程度越高越有利于有机质保存。五峰组下部水体还原性明显弱于五峰组上部，TOC含量逐渐增大；龙一1亚段向上水体的还原性逐渐减弱，TOC含量逐渐降低(图1)。
古海洋生产力是控制海相控源岩有机质丰度的重要因素之一，Ba、P、Zn、Cu等元素与生物生长发育密切相关，其丰度可以有效表征古生物生产力状况，也是古生产力最好的替代指标。利用P/Al和(Ni + Cu + Zn)/Al微量元素丰度比值对古沉积环境的初始古生产力进行恢复评价，随着P/Al和(Ni + Cu + Zn)/Al微量元素丰度比值增大，表示初始古生产力逐渐增大[14]。
研究区五峰组下部初始古生产力低于五峰组上部，表明五峰组下部TOC含量低于五峰组上部TOC含量。龙一1亚段自下而上，初始古生产力逐渐降低，导致TOC含量逐渐降低。初始古生产力越高，越有利于有机质富集(图2)。
陆源碎屑输入会对水体中有机质产生稀释作用，是影响有机质富集的重要因素。Al元素和Ti元素含量代表了陆源碎屑物质输入的量，Al元素和Ti元素含量越高说明陆源物质输入越多，Al元素和Ti元素在有机质含量高的页岩层段含量较低。研究区五峰组下部陆源碎屑输入高于五峰组上部，TOC含量逐渐增大。龙一1亚段自下而上，陆源碎屑输入增多，导致TOC含量逐渐降低(图3)。
综上，沉积环境还原程度越高，有机质富集程度越高；初始古生产力越高，越有利于有机质富集；陆源碎屑输入越高，有机质被稀释越严重，含量越低。根据TOC与相关评价指标的相关性分析，TOC与水体氧化还原环境的相关性要优于初始古生产力与陆源碎屑输入的相关性，明确研究区目的层有机质富集主要受水体氧化还原环境影响，初始古生产力以及陆源碎屑输入对于有机质富集的影响要弱于水体环境。因此，研究区五峰组–龙一1亚段页岩储层有机质富集的主控因素为水体氧化还原环境，缺氧还原环境有利于有机质保存，从而使得研究区目的层有机质富集(表1)。
Figure 2. Correlation analysis between TOC content in the target layer and initial paleoproductivity in the study area
图2. 研究区目的层TOC含量与初始古生产力相关性分析
Figure 3. Correlation analysis between TOC content in the target layer and terrigenous debris input in the study area
图3. 研究区目的层TOC含量与陆源碎屑输入相关性分析
Table 1. Correlation analysis between TOC of the target layer and its evaluation indicators in the study area
表1. 研究区目的层TOC与其评价指标相关性分析
相关性分析 |
水体氧化还原环境 |
初始古生产力 |
陆源碎屑输入 |
Ni/Co |
U/Th |
P/Al |
(Ni + Cu + Zn)/Al |
Al |
Ti |
R2 |
0.57 |
0.71 |
0.60 |
0.44 |
0.48 |
0.45 |
6. 结论
研究区目的层有机质富集受水体氧化还原环境影响、初始古生产力以及陆源碎屑输入共同影响，但受水体氧化还原环境的影响更大。
致 谢
感谢各位作者对于本文章提供的建议及帮助，同时也感谢期刊编辑为文章发表给予的帮助。
基金项目
重庆科技大学科技创新基金项目“渝西地区有机质含量测井预测方法优选及主控因素研究”(立项编号：YKJCX2320145)资助。