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辽西金羊盆地下侏罗统北票组页岩气地球化学特征及其成因

孙守亮, 李永飞, 郜晓勇, 周铁锁, 张涛, 王森厚

孙守亮, 李永飞, 郜晓勇, 周铁锁, 张涛, 王森厚. 2017: 辽西金羊盆地下侏罗统北票组页岩气地球化学特征及其成因. 地质通报, 36(4): 575-581. DOI: 10.12097/gbc.dztb-36-4-575
引用本文: 孙守亮, 李永飞, 郜晓勇, 周铁锁, 张涛, 王森厚. 2017: 辽西金羊盆地下侏罗统北票组页岩气地球化学特征及其成因. 地质通报, 36(4): 575-581. DOI: 10.12097/gbc.dztb-36-4-575
SUN Shouliang, LI Yongfei, GAO Xiaoyong, ZHOU Tiesuo, ZHANG Tao, WANG Senhou. 2017: An analysis of the genesis and geochemical characteristics of shale gas in Lower Jurassic Beipiao Formation in Jinyang Basin. Geological Bulletin of China, 36(4): 575-581. DOI: 10.12097/gbc.dztb-36-4-575
Citation: SUN Shouliang, LI Yongfei, GAO Xiaoyong, ZHOU Tiesuo, ZHANG Tao, WANG Senhou. 2017: An analysis of the genesis and geochemical characteristics of shale gas in Lower Jurassic Beipiao Formation in Jinyang Basin. Geological Bulletin of China, 36(4): 575-581. DOI: 10.12097/gbc.dztb-36-4-575

辽西金羊盆地下侏罗统北票组页岩气地球化学特征及其成因

基金项目: 

中国地质调查局项目《松辽外围南部盆地群油气基础地质调查》 DD20160167

《辽宁金羊盆地油气基础地质调查》 12120115001301

详细信息
    作者简介:

    孙守亮 (1982-), 男, 硕士, 工程师, 从事沉积学与石油地质研究。E-mail:ssl_email@126.com

  • 中图分类号: P618.13

An analysis of the genesis and geochemical characteristics of shale gas in Lower Jurassic Beipiao Formation in Jinyang Basin

  • 摘要:

    金岭寺-羊山盆地(金羊盆地)是中国北方侏罗系发育最完备的地区之一,盆地内充填的下侏罗统北票组为一套湖相泥岩,具有良好的油气潜力。在金羊盆地章吉营子凹陷西缘布置实施的4口地质调查井中,有3口井见油气显示。通过对SZK2及SZK3钻井岩心进行现场解析,北票组泥页岩在浅层测试到可观的页岩气含量,且随着深度的变化,总含气量及甲烷含量有所增加。另外,其总含气量与有机碳含量呈良好的正相关关系,是影响页岩含气量的关键因素。对比金羊盆地北票组泥页岩吸附气C同位素特征,其气体成因主要存在生物成因气和煤型气2种类型,表明下侏罗统北票组页岩气具有混合多成因的特征。通过X衍射分析综合评价,金羊盆地下侏罗统北票组泥页岩压裂条件好、天然气吸附能力强,具备一定的页岩气勘探前景,是有利的页岩气勘探开发新层系。

    Abstract:

    The Jinlingsi-Yangshan Basin (Jinyang Basin) is one of the basins with the most completely Jurassic strata in northern China. The Lower Jurassic Beipiao Formation in the basin is composed of a set of lacustrine mudstones, and has beneficial potential of oil and gas. There are four wells in the west of the Zhangjiyingzi depression of Jinyang Basin, of which oil and gas shows were found in three wells. Field desorption of drill core from the SZK2 and SZK3 wells shows that the shale gas content collected from the shallower strata of mud shale of Beipiao Formation is considerable with the increasing depth, the total gas content and methane content increase. In addition, the total gas content and organic carbon content show a good positive correlation, which is a key factor affecting the gas content of the shale. A comparison with characteristics of adsorbed gas carbon isotope of the shale shows that the gas mainly came from biogenic gas and coal gas, and the shale gas has the characteristics of hybrid origin. The X diffraction analysis of mud shale from Beipiao Formation indicates that the favorable conditions of fracturing and strong gas adsorption capacity result in the good prospect of shale gas exploration. Beipiao Formation is favorable for shale gas exploration.

  • 碱性岩通常出现在后造山、裂谷或板内构造环境,可提供碰撞后或者板内拉张背景下大陆岩石圈壳-幔相互作用与岩浆演化过程、大陆地壳演化等重要信息。碱性岩的地球化学特征是富碱及稀土元素,其矿物组成通常以含有似长石或碱性铁镁矿物(如霞石、霓石、碱性闪石等)为特征,主要起源于富碱和稀土元素的上地幔[1],可能与碰撞造山作用、下地壳拆沉减薄作用、壳-幔相互作用等深部过程具有密切的成因联系,是深部地球动力学过程在浅部地壳的历史记录和直接表现。因此,通过碱性岩的研究探索地球深部奥秘是一个重要的途径[2]。霞石正长岩是碱性岩的典型代表,以Al2O3、(Na2O+K2O)的质量分数高和含有似长石矿物霞石等为特征。近期,笔者在山西中部云中山地区野外地质调查时发现了古元古代霞石正长岩,这是中国目前报道的时代最老的碱性岩。霞石正长岩产出的大地构造位置处于华北克拉通中部造山带,岩石以岩枝或岩株的形式侵入新太古代TTG岩石中,发育弱片麻理构造,显示岩石遭受了古元古代晚期的变形变质作用。岩石的性质和形成时代对华北克拉通古元古代碰撞造山作用的时限有重要的制约作用,同时也可提供丰富的深部地幔信息。

    在山西静乐县娑婆乡附近出露2条霞石正长岩岩脉,宽度20~30 m,北东向延伸。岩石呈灰白色,具花岗结构、中粗粒结构,弱片麻状构造。主要矿物成分为斜长石(钠长石,45%)、钾长石(微斜长石和条纹长石,20%)、霞石(15%)、黑云母(15%)和方柱石(5%),内部常见方解石包裹体。地球化学分析显示,SiO2含量为53.76%~58.36%,K2O、Na2O含量分别为3.29%~5.72%、6.22%~9.30%,K2O+Na2O为9.98%~13.63%。在TAS图解中,样品点几乎全部落在霞石正长岩区域(图略)。Al2O3含量较高(19.97%~22.86%),铝饱和指数A/CNK值为0.95~1.21,A/NK值为1.09~1.59,大部分样品属于过铝质岩石。经标准矿物计算无石英,含少量刚玉,霞石含量在10%~20%之间。

    岩石稀土元素总量变化较大(ΣREE=68.53×10-6~456.74×10-6),但稀土元素配分曲线基本一致,显示明显的右倾形态,反映岩石轻稀土元素富集且分馏明显、重稀土元素相对亏损且分馏程度较弱的特点。δEu值为0.66~0.92,弱负Eu异常。在原始地幔标准化微量元素蛛网图上,可见K、Rb、Ba等大离子亲石元素富集,Th、U、Nb、Ta、Zr、Hf、Ti等元素亏损。

    对2个霞石正长岩样品进行了测年,锆石呈浑圆状,内部环带不均一,局部有褪晶化现象,部分锆石存在明显的核-边结构,锆石粒度为100~150 μm。样品16JL13-2测得的207Pb/206Pb年龄加权平均值为1926±27 Ma(MSWD = 0.19),样品17XZ01-1的U-Pb年龄为1933±19 Ma(MSWD =0.94),两者年龄近一致,代表了碱性岩的结晶年龄。锆石测点的Th/U值均大于0.1。样品17XZ01-1的13颗锆石初始176Hf/177Hf值为0.281557~0.281692,εHf(t)值为-0.05~+4.85(平均值为+1.78)。Hf同位素单阶段模式年龄(tDM1)为2145~2331 Ma,二阶段模式年龄(tDM2)为2272~2575 Ma。在t-εHf(t)图解上,样品点绝大部分落于亏损地幔及球粒陨石演化线之间(图略)。

    图  1  云中山地区地质简图(a)、霞石正长岩的镜下特征(b)和霞石正长岩的锆石U-Pb谐和年龄(c)
    1—古元古代三交组;2—新太古代五台群;3—古元古代末云中山花岗岩;4—新太古代花岗片麻岩;5—新太古代TTG片麻岩;6—霞石正长岩出露位置。Ne—霞石;Pl—斜长石;Kfs—钾长石
    Figure  1.  Simplified geological map of Yunzhong Mts (a), photomicrographs of nepheline syenite (b) and zircon U-Pb concordia diagrams of nepheline syenite (c)

    (1) 霞石正长岩无石英,独立产出,无共生岩石组合,应来源于地幔的部分熔融。岩石富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,且Cr、Ni含量极低,锆石εHf(t)以正值为主。因此,该碱性岩体应来源于富集的地幔源区。Nb含量为7.78×10-6~54.2×10-6,Nb/Ta值为22.3~45.0,明显高于地幔的Nb/Ta值(17.5±2.0),可能预示地幔中存在高Nb/Ta的储库。在微量元素原始地幔标准化蛛网图上,高场强元素Nb、Ta、Ti具有明显的负异常,暗示成岩过程可能有地壳物质的加入。

    (2) 碱性岩通常产出在后造山、裂谷或板内构造环境中。华北克拉通中北部在约1.95 Ga发生了一次拼合造山作用[3],约1.92 Ga后造山伸展存在广泛的基性岩浆底侵,导致大规模的深熔作用和超高温变质作用[4]。云中山霞石正长岩的侵位时代与约1.92 Ga的徐武家期基性岩浆侵位时代一致[5],指示云中山地区在约1.92 Ga之前也存在一次拼合造山事件,霞石正长岩对造山作用时限有重要制约作用。

    (3) 霞石正长岩发育片麻理构造,并有变质作用的记录,而附近广泛出露的云中山花岗岩(成岩年龄约1.8 Ga)无任何变形变质痕迹,显示霞石正长岩的变形变质发生在1.92~1.80 Ga之间,这期变形变质事件也可能是一次造山事件,使华北克拉通最终形成,并焊接到哥伦比亚超大陆中。

    致谢: 实验测试得到东北煤田地质局沈阳测试研究中心韩宇高级工程师的热心帮助,在此致以诚挚的谢意。
  • 图  1   金羊盆地及邻区地质简图

    K2s—孙家湾组;K1j—九佛堂组;J3t—土城子组;J2t—髫髻山组;J2h—海房沟组;J1b—北票组

    Figure  1.   Geological sketch map of Jinyang Basin and adjacent areas

    图  2   北票组页岩解析气拟合曲线(SZK2-5)

    Figure  2.   The desorption curve of Baipiao shale (SZK2-5)

    图  3   金羊盆地北票组泥页岩有机碳含量与总含气量的关系

    Figure  3.   The relationship between TOC and total gas content from Beipiao Formation in Jinyang Basin

    图  4   SZK2井北票组暗色泥页岩现场解析气体成分(SZK2-5)

    Figure  4.   The gas composition detected by field analysis method in well SZK2 (SZK2-5)

    图  5   中国天然气中烷烃气δ13C值展布特征

    Figure  5.   The distribution characteristics of alkane A values of the gas in China

    图  6   金羊盆地北票组泥页岩吸附气成因判别

    Figure  6.   The shale adsorption gas genesis identification for Beipiao Formation in Jinyang Basin

    图  7   金羊盆地北票组泥页岩矿物组成柱状图

    Figure  7.   The histogram of shale mineral composition of Beipiao Formation in Jinyang Basin

    表  1   金羊盆地SZK2、SZK3井北票组暗色泥页岩现场解析含气量

    Table  1   The resolution of the shale gas content of Beipiao Formation from well SZK2 and SZK3 in Jinyang Basin

    样号井名深度/m解吸样质量/g解吸气量/cm3损失气量/cm3残余样质量/g残余气量/cm3总气含量/(m3· t-1)甲烷含量/(m3· t-1)
    SZK2-1SZK259200000100180.180
    SZK2-2SZK2156174082.120.512536.10.350
    SZK2-3SZK22152260114.136.9810054.10.610.32
    SZK2-4SZK22722420197.91.0212754.50.510.15
    SZK2-5SZK234121351379.827.7210590.740.34
    SZK3-1SZK3223188554.213.5720015.980.120.006
    SZK3-2SZK3295186432559.9620015.090.280.078
    SZK3-3SZK3326221587.740.8520011.090.110.023
    SZK3-4SZK3333196723.517.2920014.190.090.009
    SZK3-5SZK3342213328.113.9220016.430.10.015
    SZK3-6SZK33622462823.555.5220019.390.450.024
    注:样品重量为空气干燥基下数值
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    表  2   SZK2井经历不同时段解析出的气体成分(部分样品)

    Table  2   The gas composition of well SZK2 (partial samples) in different periods

    样品号检测号深度时间/hN2C1C2CO2C3
    SZK2-33-1215314.6258.42026.960
    SZK2-33-22154645.6945.7708.540
    SZK2-44-1272356.4625.61017.930
    SZK2-44-22724448.9738.71012.310
    SZK2-44-327212071.8225.10.32.780
    SZK2-55-13413089.71010.290
    SZK2-55-2341847.2849.1303.590
    SZK2-55-33414848.0347.7704.20
    SZK2-55-434112056.8839.8503.280
    注:表中为无空气基下所得数值
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    表  3   金羊盆地北票组泥页岩吸附气组分相对含量

    Table  3   The adsorption of the relative content of shale gas components from Beipiao Formation in Jinyang Basin

    样品编号各组分百分含量/%
    C1C2xC2C3xC3iC4nC4iC5nC5
    SZK1-272.180.2210.220.014.450.012.501.570.710.32
    SZK1-171.725.3521.280.2416.720.1213.028.919.694.66
    SZK1-125.536.2925.720.031.010.0121.945.187.832.00
    SZK1-8658.966.610.463.160.1418.391.149.711.44
    SZK2-7474.5123.780.030.650.010.460.240.230.10
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    表  4   中国烷烃气δ13C值数域变化

    Table  4   The alkane δ13C range in China

    气名称δ13CPDB差值
    甲烷-91.18‰~-13.3 ‰约78‰
    乙烷-44.14‰~-19.9‰约24‰
    丙烷-38.72‰~-11.76‰约27‰
    丁烷-33.12‰~-20.75‰约12‰
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    表  5   金羊盆地北票组泥页岩烃源岩吸附气C同位素组成数据

    Table  5   The adsorption of the shale gas carbon isotope composition from Beipiao Formation in Jinyang Basin

    样品编号层位δ13CPDB
    CH4C2H6C3H8
    SZK1-272.1北票组-58.3‰-41.7‰-29.4‰
    SZK1-171.7北票组-36.5‰-30.5‰-25.1‰
    SZK1-125.5北票组-40.6‰-22.8‰-22.0‰
    SZK1-86北票组-28.6‰-26.3‰-23.1‰
    SZK2-74北票组-62.6‰-29.6‰-23.7‰
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-10-17
  • 修回日期:  2017-02-23
  • 网络出版日期:  2023-08-15
  • 刊出日期:  2017-03-31

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