Natural Gas Geoscience >

2023 , Vol. 34 >Issue 9: 1469 - 1481

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2023.04.007

Paleo-fluid characteristics of Devonian Shetianqiao Formation in Shaoyang Sag， central Hunan and its shale gas preservation significance

  • An LIU , 1 ,
  • Guixi MENG , 2 ,
  • Wei TIAN 1 ,
  • Xiaohong CHEN 1 ,
  • Liguo ZHANG 1 ,
  • Hai LI 1 ,
  • Baomin ZHANG 1 ,
  • Lin CHEN 1
Expand
  • 1. Wuhan Center of Geological Survey，China Geological Survey，Wuhan 430205，China
  • 2. China United Coalbed Methane Company Limited，Beijing 100015，China

Received date: 2023-03-05

  Revised date: 2023-04-24

  Online published: 2023-09-01

Supported by

The National Science and Technology Major Project(2016ZX05034001-002)

the Geological Survey Project of China Geological Survey(DD20190781)

Fold

Highlights

In order to study the paleo-fluid characteristics of Devonian Shetianqiao Formation in Shaoyang Sag， central Hunan and its indication for shale gas preservation， fracture vein samples of Well Shuangdi 1 were systematically collected and fluid geochemistry， electronic probe and inclusion analysis were carried out. The results show that the δ13C and δ18O of calcite vein are not significantly different from those of surrounding rock. The difference between the carbon and oxygen isotopes of calcite veins and surrounding rocks are very small， the oxygen isotopes of calcite veins are smaller than surrounding rocks， while the carbon isotopes are similar to surrounding rocks， the carbon and oxygen isotopes of calcite veins are all smaller than surrounding rocks， which respectively represent three different sealing conditions： closed system with low water/rock ratio， cross layers fluid mixing and atmospheric water mixing. The closed system section with low water/rock ratio indicated by paleo-fluid is a gas show section， indicating its long-term sealing property. The Fe and Mn contents of calcite veins indicate oxidizing environment of fracture zone， which has mixture with paleo-atmospheric water. The fluid activities of the Shetianqiao Formation is characterized by multiple stages， Sm-Nd isotopic dating reveals that the formation time of vertical angle veins in the lower part of Shetianqiao Formation is 149 Ma， the formation depth is 3.2 km and with the fluid gas content is poor， indicating that the shale gas reservoir has suffered strong damage. The comprehensive study shows that the strong compression and uplift of Yanshan movement makes strong structural deformation in central Hunan， especially the fracture development， early denudation time， high intensity and unfavorable structural preservation conditions in the sag margin area. The deformation in the middle of the sag are weaker and the preservation conditions are relatively favorable， but the Devonian System was platform facies area， which was not conducive to shale development. Therefore， the shale of the upper part of Upper Devonian Menggongao Formation in the middle of Shaoyang Sag should be taken as the exploration direction， combined with sedimentary facies and cap rock thickness analysis.

Cite this article

An LIU , Guixi MENG , Wei TIAN , Xiaohong CHEN , Liguo ZHANG , Hai LI , Baomin ZHANG , Lin CHEN . Paleo-fluid characteristics of Devonian Shetianqiao Formation in Shaoyang Sag， central Hunan and its shale gas preservation significance[J]. Natural Gas Geoscience, 2023 , 34(9) : 1469 -1481 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2023.04.007

0 引言

美国页岩气储量大、产量高的地层以上古生界为主，其中泥盆系在多个盆地尤为发育［1］。湘中盆地（坳陷）邵阳凹陷上古生界也发育多套富有机质页岩，其中以晚泥盆世早期的佘田桥组富有机质页岩分布范围广、厚度大（一般为100~300 m）、TOC值高（一般为1%~2%，最高为4.8%）、埋深合适，页岩气地质条件最为优越［2-3］，前期调查工作将佘田桥组作为重点，先后实施了多口页岩气调查井，但钻井气显非常微弱。湘中地区泥盆系受到加里东期以来构造变形的影响强烈，属于复合逆冲构造带，构造条件极为复杂［4-5］，构造保存条件成为影响页岩气富集的关键因素之一。目前有关湘中地区页岩气保存条件的研究相对较少［6-7］，导致了目前泥盆系页岩气勘探方向不明确。以裂缝或孔洞充填矿物为主要载体的古流体记录了盆地复杂的流体演化过程［8-9］；古流体的地球化学组成、形成温度、压力条件、形成时间等地质信息对于页岩气成藏保存条件研究具有重要的指示意义，在页岩气单井评价以及有利区优选方面取得了进展［10-14］。双地1井位于邵阳凹陷东部地区，以往工作对该井页岩的沉积、有机地球化学以及碳氧同位素地层学做了较为系统的研究［3］，本文以该井为例，通过系统的古流体碳氧同位素地球化学、流体包裹体测试以及方解石脉定年，分析古流体的性质、来源和形成时间，及其对页岩气保存条件的指示意义，并结合区域地质条件指出湘中邵阳凹陷页岩气的勘探方向。

1 地质背景

湘中盆地是个发育在下古生界变质基底上的晚古生代沉积盆地；其西侧为雪峰弧形造山带，东侧为衡山隆起带（图1）。盆地周边隆起带主要出露前泥盆纪地层，并发育加里东期、印支期和早燕山期花岗岩体，盆地主要出露以上古生界—三叠系碳酸盐岩为主夹碎屑岩的沉积（图1）。湘中地区区域上经历过武陵、加里东、印支和早燕山运动等几次主要变形事件；盆地盖层中线状褶皱及走向逆断裂极为发育，主要形成于中三叠世末的印支运动和燕山运动［4，15］。
图1 研究区地质特征及采样位置

（a）湘中坳陷构造单元划分图；（b）邵阳凹陷钻井分布图；（c）过邵阳凹陷横剖面图

Fig.1 Regional geology features of the study area and sampling locations

邵阳凹陷泥盆系佘田桥组台盆相沉积主要分布于凹陷的东西两侧［2］，呈北东向延伸，西侧台盆实施了洞地1井、武地1井，东侧台盆实施了祁地1井、双地1井（图1）。双地1井位于双峰县锁石镇新桥村，该井为全井段取心，开孔层位为上泥盆统孟公坳组中下部，由上而下依次钻遇上泥盆统欧家冲组、锡矿山组、长龙界组、七里江组及佘田桥组，完钻层位为中—上泥盆统棋梓桥组上部。佘田桥组位于台盆的边缘，由泥质条带灰岩、瘤状灰岩、深灰色—灰黑色钙质泥岩、泥灰岩组成。双地1井佘田桥组自下而上暗色页岩发育，其中1 284~1 245 m、1 175~1 142 m为连续页岩段，TOC值一般为1%~1.5%，最大值为2.28%，成熟度R O平均值为2.0%。连续页岩段未见明显气显，井深1 190~1 210 m井段钻遇气显，气测全烃由0.01%上升至0.1%以上，最高可达0.34%，该段岩性为暗色含泥质灰岩，上下岩层为暗色泥岩；岩心浸水见不连续气泡沿着微裂缝溢出，以裂缝气显为主（图2）。
图2 双地1井佘田桥组地层综合柱状图及裂缝统特征（灰岩碳氧同位素数据来自文献［3］）

Fig.2 Stratigraphic columnar section and fracture characteristics of Shetianqiao Formation of Well Shuangdi 1（carbon and oxygen isotope data of limestone after Ref.［3］）

2 岩心构造变形及裂缝统计

双地1井七里江组—佘田桥组岩心见构造破裂角砾带和滑脱变形破碎带。构造破裂角砾带主要分布于七里江组的下部和佘田桥组的上部，破碎带岩心长度为1~31 m。角砾带岩性以含泥质灰岩、灰岩为主，岩层多被破碎成为角砾状，角砾大小一般为1~10 cm，棱角状，方解石充填［图3（a），图3（b）］。滑脱变形破裂带主要发育于佘田桥组的下部（图2）；滑脱带的岩性主要是钙质泥岩、泥岩夹灰岩层。滑脱带的变形特点表现为泥岩强烈揉曲变形，层间充填密集的方解石细脉断续分布，以及滑动形成的阶步；部分裂缝见镜面擦痕，无明显的充填，岩心较破碎［图3（c），图3（d）］。井深1 140~1 190.5 m为该井规模最大的滑脱变形段，岩性以薄层钙质泥岩为主，发育似波浪状的小型揉曲变形；泥岩中的薄层灰岩夹层见拉伸断裂变形后呈牛眼状、豆荚状顺层不连续分布；大量的层面裂缝充填极薄层的方解石脉体，裂缝间距一般小于0.5 cm，部分顺层方解石脉被后期裂缝切割，表明变形具有多期次性［图3（e），图3（f）］。
图3 双地1井岩心破裂角砾带和滑脱变形带

（a）破碎角砾岩，井深624.7~630.8 m；（b）破碎角砾岩和方解石脉充填，井深859.5~866.2 m，（c）水平缝方解石阶步，井深1 145 m；（d） 泥岩高角度裂缝无充填，见镜面擦痕，井深1 171 m；（e） 滑脱带中灰岩夹层破碎变形，井深1 144 m； （f）滑脱变形带细脉及无充填高角度缝，井深1 170.2~1 170.5 m；（g）泥岩水平裂缝，井深1 252 m

Fig.3 Fractured breccia and detachment zone of cores of Well Shuangdi 1

裂缝按照产状分为水平裂缝（<15°）、低角度裂缝（15°~45°）、高角度裂缝（45°~75°）、垂直裂缝（>75°）。整体上岩层的裂缝发育程度与构造变形的强度相关，即构造破裂角砾带和滑脱构造带裂缝最发育，其上下岩层裂缝也较发育（图2）。就岩性而言，灰岩的垂直裂缝发育，次为高角度裂缝，一般水平缝和低角度缝不发育；裂缝的宽度变化较大，一般为1~2 cm，岩心最大裂缝长度超过1 m。泥岩以水平缝为主［图3（g）］，次为垂直缝，高角度缝和低角度缝再次之；水平裂缝的宽度一般要小于垂直裂缝。裂缝的充填度是影响封闭性的重要指标，未充填—半充填的裂缝都处于开启状态，开启度高意味着处于高度开放的环境。所测量井段700 m以上岩层开启裂缝的密度较高，特别是600~680 m，平均密度可以达到7条/m以上，且岩心观察裂缝的最大开启度超过5 mm。

3 样品测试方法

本文研究在系统统计分析双地1井岩心裂缝发育特征的基础上，对双地1井做了较为系统的脉体采样、单矿物挑选和薄片磨制，后续分别做了同位素测试以及电子探针分析、包裹体均一温度、盐度测试。完成方解石脉碳氧同位素测试78件，电子探针分析46个测点，包裹体测温片4件，Sm、Nd同位素定年6件。其中流体包裹体均一温度、盐度测试由核工业北京地质研究院完成，薄片电子探针、方解石脉碳氧同位素测试、Sm、Nd同位素定年在自然资源部中南测试中心完成。包裹体均一温度和盐度测试采用LINKAM THMS600型冷热台，测试方法依据为EJ/T 1105—1999（矿物流体包裹体温度的测定）。电子探针型号为EPMA1600，测试精度大于10×10-6，薄片先镀碳膜制样，再测试。碳氧同位素测试是将样品研磨至200目加热去除吸附水后，置于真空反应器中与磷酸25 ℃恒温反应24 h，纯化、收集生成的CO2气体，在MAT253上测定碳和氧同位素组成，结果以相对稳定碳同位素标准物质（V-PDB）的值给出，分析过程采用标样GBW04417和NBS19进行质量监控，分析误差为±0.2‰。Sm、Nd同位素测试先将方解石脉粉碎至60目，在双目镜下剔除杂质，挑选出纯度大于99%的方解石单矿物粉碎至200目，Sm、Nd同位素组成采用热电离质谱仪Triton分析，质谱分析中产生的质量分馏采用146Nd/144Nd=0.721 9进行幂定律校正，Sm、Nd含量采用同位素稀释法公式计算得到。

4 结果

4.1　碳氧同位素

通过建立全井段同位素地层剖面为古流体对比研究提供了基础。中—上泥盆统棋梓桥组δ13C值为0.76‰~4.55‰，均值为2.02‰；δ18O值为-13.21‰~-8.31‰，平均值为-9.79‰，上泥盆统佘田桥组δ13C值为-0.34‰~3.43‰，均值为1.73‰；δ18O值为-14.42‰~-8.31‰，平均值为-10.13‰；且佘田桥组自下而上整体上δ13C值具有降低的趋势，井深1 170 m以深灰岩δ13C值普遍大于2‰，平均值达到2.56‰，井深1 700 m以浅普遍小于2‰，平均值为1.27‰；上泥盆统七里江组δ13C值为-0.9‰~0.58‰，均值为-0.21‰［3］。
方解石脉的δ13C值为-3.65‰~3.46‰，δ18O值为-23.56‰~-8‰。围岩与方解石脉的碳氧同位素差值Δ13C值（Δ13C=δ13C围岩—δ13C方解石）、Δ18O值（Δ18O=δ18O围岩—δ18O方解石）分别为-1.81‰~3.74‰、-2.71‰~16.06.74‰。佘田桥组下部（900 m以深）方解石脉与围岩δ13C值整体较接近，棋梓桥组和佘田桥组上部（井深900 m以浅）—七里江组方解石脉与围岩δ13C值差别较大（图2）。

4.2　矿物成分特征

电子探针元素地球化学揭示了双地1井方解石脉体主要由FeO、MnO、Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3、SiO2、TiO2及SrO组成。其中，FeO的含量为0~1.32%，MnO的含量为0~0.663%，SrO的含量为0~0.976%，就反映氧化还原条件较好的指标FeO、MnO整体上而言，富有机质页岩段含量高于灰岩段（图2）。

4.3　包裹体岩相

本文研究共采集磨制25件方解石脉包裹体测温样品，镜下观测多数样品矿物颗粒破碎、颜色浑浊，包裹体不发育或者个体细小，且普遍以纯水溶液包裹体为主，挑选了4件两相包裹体明显的样品做了较为详细的观察测试。
4件测温样品的包裹体类型特征较为类似，即纯水溶液包裹体占比高达99%，气液两相包裹体占比小于1%，局部偶见纯气相包裹体。
（1）气相包裹体：定向、自由分布，大小为3~20 μm，见菱形、椭圆状，包裹体呈灰黑色，与气液两相包裹体共生［图4（a）］。
图4 双地1井包裹体特征

（a）气相包裹体与气液两相包裹体共生，样品SD36，井深1 258.3 m；（b）气液两相包裹体与纯水溶液包裹体共生，样品SD3，井深1 482.7 m；（c）纯水溶液包裹体定向分布，样品SD38，井深1 255.2 m

Fig.4 Characteristics of fluid inclusion in fracture veins of Well Shuangdi1

（2）气液两相包裹体：室温下见明显的气相和液相，以定向分布为主，包裹体大小介于3~25 μm之间，多数小于10 μm，以长条状、矩形、椭圆形、不规则状为主，气液比普遍小于5%，与纯水溶液包裹体共生［图4（b）］。
（3）纯水溶液包裹体：室温下呈单一液相，自由分布、定向分布，包裹体大小介于2~30 μm之间，无色或淡粉色，长条状或矩形［图4（c）］，部分呈不规则状。

4.4　包裹体显微测温

流体包裹体均一温度分布的范围相对较广，为80~123 ℃，4个样品均一温度峰值分别为90~120 ℃、90~100 ℃、90~100 ℃、100~110 ℃（图5）；包裹体盐度为3.71%~14.61%。
图5 双地1井包裹体均一温度直方图

（a）样品SD3，井深1 482.7 m，棋梓桥组；（b）样品SD35，井深1 259.5 m，佘田桥组；

（c）样品SD36，井深1 258.3 m，佘田桥组；（d）样品SD45，井深1 235.5 m，佘田桥组

Fig.5 Histograms of homogeneous temperatures of fluid inclusions in Well Shuangdi 1

4.5　方解石脉Sm—Nd同位素定年

6 件方解石脉样品的Sm—Nd含量及其同位素组成见表1，采样位置为1 235~1 238.8 m井段，为一组宽1~3 cm的垂直脉。
表1 双地1井方解石脉Sm、Nd同位素组成

Table 1 The Sm, Nd isotopic composition of calcite veins, Well Shuangdi 1

样品编号 Sm/10-6 Nd/10-6 147Sm/144Nd 147Sm/144Nd误差/% 143Sm/144Nd 143Sm/144Nd误差/% Nd（t）
SD-A 1.877 3.920 0.289 6 ±0.5 0.512 173 ±0.001 -26.92
SD-B 1.667 5.917 0.170 5 ±0.5 0.512 059 ±0.001 -6.31
SD-C 0.508 8 1.553 0.198 2 ±0.5 0.512 087 ±0.001 -11.08
SD-D 0.477 9 1.459 0.198 2 ±0.5 0.512 088 ±0.001 -11.06
SD-E 0.595 9 2.684 0.134 3 ±0.5 0.512 013 ±0.005 -0.27
SD-F 0.075 87 0.332 8 0.137 9 ±0.5 0.512 017 ±0.002 -0.89
方解石的Sm含量为0.457~1.78 μg/g，Nd含量为1.60~5.8 μg/g。6 件样品构成了一条相关系数为0.996 8 的等时线，等时线年龄为（149±8）Ma（晚侏罗世），初始143Nd/144Nd值为0.511 892，MSWD=1.5（图6）。
图6 双地1井佘田桥组裂缝方解石Sm—Nd等时线图

Fig.6 Sm-Nd isochron of the fracture-filling calcite from Shetianqiao Formation in Well Shuangdi 1

5 讨论

5.1　古流体来源及岩层封闭性

5.1.1　方解石脉碳氧同位素对古流体来源及岩层封闭性指示

不同来源的碳具有不同的13C值，且碳同位素分馏作用对温度不敏感，因此方解石碳同位素成为判断古流体来源的重要手段。多途径有机来源的CO2形成方解石会导致其碳同位素组成偏负，例如大气水携带陆源有机碳氧化形成的溶解CO2，其13C值为-24‰~-34‰［16］，盆地油气逸散过程中烃类氧化形成的CO2进入方解石，其δ13C值可达-25‰~-41‰［8］，有机质热脱羧基作用生成CO2其δ13C值可达-4‰~-35‰［17］；海相碳酸盐岩来源的碳δ13C值分布区间为4‰~-4‰［18］；湖相碳酸盐岩来源的碳δ13C值为6‰~-2‰［17］。方解石的氧同位素除了受到来源物质初始同位素值影响，还受到水/岩值、形成温度的影响，在相同水岩比例条件下，封闭体系比开放体系中岩石的氧同位素降低幅度要低［19］，因此氧同位素可以作为流体环境封闭性判别指标。
通过对比方解石脉与围岩的碳氧同位素，可以判断方解石脉是来源于碳酸盐岩围岩的重溶还是其他层位的碳酸盐岩或者是其他的有机来源［20］；结合其他地质因素可以进一步分析页岩的封闭性。双地1井方解石脉与围岩的碳氧同位素对比分析（图2，图7），主要有以下几种情况：
图7 双地1井方解石脉与灰岩δ13C—δ18O相关关系

Fig.7 Correlation diagram of limestone and calcite veins δ13C-δ18O in Well Shuangdi 1

（1）方解石脉的碳氧同位素与围岩无明显差异，Δ13C值为-0.6‰~0.6‰，Δ18O值为-0.4‰~1.1‰。方解石脉碳同位素与围岩相似表明其碳同位素主要来源于围岩的溶解；氧同位素与围岩相似，表明裂缝中水/岩值低［19］，与外界沟通弱，氧同位素在水岩之间没有形成明显的分馏。佘田桥组1 184~1 225 m段岩心裂缝属于该类型，与1 190~1 210 m井段的气显示相吻合；表明该段在地史中处于相对封闭的条件，在晚期构造破坏的情况下依然残留部分裂缝气。
（2）方解石脉氧同位素值小于围岩，碳同位素值与围岩相当，Δ13C值为-0.6‰~0.6‰、Δ18O值一般大于1.1‰。1 015~1 170 m、1 225~1 320 m井段多数裂缝方解石脉的碳氧同位素特征属于该类型。该类型表明古流体碳同位素来源于同层位的灰岩溶解，同时裂缝系统的水/岩比例相对较高，具有氧同位素在方解石与热液中发生同位素分馏的物质基础，且佘田桥组下部—棋梓桥组方解石脉的δ18O值具有向下降低的趋势，因此水溶液的来源可能是棋梓桥组礁滩相的高渗透性岩层。佘田桥组下部层段TOC值高，经历了印支期以来的深埋生排烃，通过生烃排水和汽化携液导致页岩处于低含水饱和度［21］，在后期挤压抬升过程中裂缝与高渗透性灰岩层相沟通，页岩含水饱和度上升。方解石脉包裹体最高均一温度超过100 ℃表明方解石形成阶段具有相对较高的温度，温度和含水饱和度升高的条件下同位素分馏作用致使形成的方解石脉氧同位素值较围岩明显降低。
（3）方解石脉的碳氧同位素值均小于围岩，Δ13C和Δ18O值一般大于2‰，且碳同位素值明显小于所有灰岩的碳同位素值。破碎带595~601.5 m、656~661.5 m、857~888 m以及棋梓桥组裂缝发育带部分的样品属于该类型。方解石脉δ18O值明显低于围岩，表明方解石脉形成阶段处于较高的水岩比例，氧同位素分馏明显。方解石脉δ13C值均明显小于同层位或者整个灰岩样品，表明脉体碳元素并非全部来源于灰岩，因此有机来源的碳混入是造成方解石脉13C值极低的重要原因。虽然有机质热脱羧基作用生成CO2进入方解石导致低δ13C值方解石在砂岩胶结物中广泛存在［17］，但主要与陆相沉积物中Ⅲ型干酪根富含氧元素，热演化产物CO2比例较高有关，佘田桥组页岩为Ⅱ1型干酪根［22］，因此不具备有机质热脱羧基产生大量CO2条件；另外该类型同位素组成的脉体主要分布于构造裂缝密集的层段以及灰岩层段，而生烃段的页岩段裂缝方解石脉并没有明显降低也不支持来自页岩段有机质热脱羧基产生CO2的成因。因此，该类型方解石脉的碳有来源于氧化的有机碳混入其中，是大气水携带的有机碳还是佘田桥组页岩生成的烃类与大气水沟通被氧化所致还需要进一步研究，但不论是哪种类型有机来源的碳都形成于大气水混入的氧化环境。
另一种情况是方解石脉的碳同位素值明显大于围岩，但小于相邻层段的灰岩，这种样品数量较少。例如1 140.1 m处，Δ13C值可达-0.99‰，且方解石脉δ13C值大于同层段的灰岩层，而与下伏1 180 m以深岩层段的δ13C值较为接近，因此是下部的灰岩溶解物质沿着裂缝向上运移所致，也属于跨层流体。

5.1.2　方解石脉元素组成对古流体来源及岩层封闭性指示

研究表明在氧化的成岩环境下，Mn2+趋向于被氧化为高价态不易置换Ca2+进入方解石晶格，还原环境下的流体中Mn2 + 、Fe2 +溶解度比较大，含量也较高，在埋藏过程中形成的碳酸盐矿物的Mn 、Fe元素含量一般较高［23］，因此方解石脉体生成时所处的地层水环境和流体来源的差异往往会从脉体的元素组成差异中表现出来。
从Δ13C值与FeO、MnO的相关性图可知，二者呈负相关，即Δ13C越大，FeO、MnO含量则越低（图8）。前文所述方解石脉的碳氧同位素均小于围岩的条件下，碳元素来自于氧化的有机质，这与FeO、MnO含量极低指示为氧化条件相吻合，对应的FeO、MnO分别小于0.08%、0.04%。方解石脉氧同位素小于围岩，碳同位素与围岩相似以及方解石脉的碳氧同位素与围岩无明显差异2种条件下，FeO、MnO均较高，表明2种情况下流体环境以还原性为主。
图8 双地1井方解石脉FeO、MnO与Δ13C的相关性

Fig.8 Relationship between FeO、MnO of calcite weins and Δ13C in Well Shuangdi 1

上述地球化学分析揭示了佘田桥组页岩的顶板和底板棋梓桥组流体活动活跃，特别是破碎带在地史中与外界沟通处于氧化环境，佘田桥组页岩的内部存在跨层流体活动、裂缝中多具有较高的含水饱和度。

5.2　古流体形成的时间及过程

流体包裹体均一温度分布范围较广表明页岩古流体活动具有多期次特征，裂缝发育特征也表明古流体具有多期次性。其中井深1 235~1 238.8 m井段方解石脉样品获得Sm—Nd等时线年龄为晚侏罗世（149 Ma），即燕山中晚期，大量的同位素定年数据表明该阶段也是湘中及周边地区热液型矿产的主要形成阶段［24-25］。结合碳氧同位素和电子探针元素分析结果可知，该井段方解石脉属于还原性古流体，方解石脉与围岩氧同位素有一定差别，说明流体来源除层内流体之外，还有跨层流体的混入。该段岩性以TOC较高的泥质灰岩为主，经历了深埋生烃后应处于高含气饱和度状态，而流体包裹体类型指示其有较高的含水饱和度，表明该期流体活动时岩层封闭性发生了改变。结合流体包裹体测试结果，将该段定年方解石脉样品对应的包裹体测温样品SD45均一温度测试结果作为恢复埋藏史的校正参数。
湘中地区现今大地热流均值为42 mW/m2［26］；地史中加里东期—燕山期在盆地边缘和隆起区域发育多期次的花岗岩和隐伏花岗岩［4］，较高的地温梯度对有机质成熟度产生了明显的影响［27］。湘双地1井靠近龙山凸起带燕山期隐伏花岗岩，埋藏—热演化史模拟采用的大地热流值在泥盆纪—白垩纪为75 mW/m2左右，后续为冷却过程。地层厚度及岩性主要依据钻井和区域地质资料；以现今地层温度、泥页岩实测镜质体反射率R O以及DS45样品在149 Ma温度121 ℃进行标定拟合，建立了双地1井埋藏史—热史；获得DS45样品在149 Ma的埋深为3.2 km（图9）。
图9 双地1井埋藏—热演化史

Fig.9 Burial-thermal evolution history in Well Shuangdi 1

泥盆纪—早三叠世，整个湘中地区处于持续沉降埋藏阶段。该时期以碳酸盐岩沉积为主，其间发育多套黑色含碳泥灰岩和炭质泥页岩，累计沉积厚度达3 500 m。早—中三叠世受到印支运动的影响，早三叠世地层被抬升剥蚀。区域上，印支期构造运动由东向西波及至鹤峰—来凤—三都一带，影响程度较燕山运动弱［28］。晚三叠世—中侏罗世研究区陆相沉积发育，泥盆系最大埋深近5 000 m，处于生气高峰。燕山运动阶段，区域抬升剥蚀致使生烃作用停止；因强烈挤压隆升，双地1井最大剥蚀量超过3 000 m。该阶段岩层发育多期次裂缝和破碎带，成为页岩气持续向上散失的通道，方解石脉定年样品记录了149 Ma页岩气大量散失及含水增高的特征；随着剥蚀强度增大，页岩段跨层流体以及大气水沿着裂缝系统向深部渗入增多。晚白垩世再次沉降接受陆相沉积，喜马拉雅期再次挤压抬升剥蚀，佘田桥组页岩气持续逸散，部分新形成的孤立未充填的裂缝充注页岩气后至今被保存下来。

5.3　古流体的页岩气保存意义

古流体地球化学特征揭示了双地1井古流体的性质、来源、形成时间，以及不同层段封闭性的差异。页岩气属于自生自储型气藏，研究表明不同层系保存条件好的古流体组成、形成时间等方面具有共性，普遍表现为高含气饱和度、低含水饱和度、晚期浅埋藏阶段古流体活动强度低等特征［10，29］，因此，在泥盆系研究程度低的情况下可以开展与其他区域不同层系古流体特征的对比研究。通过与礁石坝、湘中涟源凹陷中部典型井裂缝古流体对比分析发现，双地1井包裹体的最大均一温度、古流体活动时间、埋深等具有明显的区别（表2）。
表2 典型井古流体特征对比

Table 2 Comparison of paleofluid characteristics of typical wells

项目 双地1井 四川盆地焦石坝JYC井 涟源凹陷XY1井 涟源凹陷泥盆系
包裹体类型 气相、气液两相、纯水溶液包裹体 纯甲烷和气液两相包裹体 液相烃、气相烃、气液两相烃、含烃盐水、盐水包裹体 液相、气液两相、部分样品见大量气相包裹
均一温度最低值/℃ 80 152.4 93 109.7
均一温度最高值/℃ 123 201 138 172.4
均一温度峰值/℃ 90~110

152~154

190~201

 100~120
各期流体活动的埋深/km 2.2~3.2 5.5~ 6.1 0.9~1.1； 2~3
抬升开始时间 中侏罗世 85 Ma 中侏罗世

注：四川盆地焦石坝JYC井数据据NIE等［29］；涟源凹陷XY1井数据据吴忠锐等［7］；涟源凹陷泥盆系数据据旷理雄等［31］

礁石坝地区属于志留系页岩气超压高产区，保存条件优越，该区JYC井包裹体类型以纯甲烷包裹体和气液两相包裹体为主，包裹体的均一温度普遍在150~200 ℃，对应的流体活动埋深为5.5~6.1 km［29］。湘中涟源凹陷中部XY1井二叠系大隆组埋深小于1 000 m，含气量最高可达0.7 m3/t［30］；该井裂缝方解石脉发育液相烃包裹体、气相烃包裹体、气液两相烃包裹体、含烃盐水包裹体、盐水包裹体，其中早期以烃类包裹体为主，包裹体均一温度峰值为100~120 ℃，对应的形成深度为2~3 km，流体活动时间从中侏罗世开始，晚期流体活动不发育且烃类包裹体减少［7］，表明经历多期次构造活动后页岩的保存条件逐渐变差。涟源凹陷泥盆系岩层也发现大量的气相烃类包裹体，气液两相包裹体均一温度为109.7~172.4 ℃［31］，该区域新地1井、新地3井佘田桥组页岩含气量为0.3~2.4 m3/t，XXY-1井直井压裂获得了工业气流［32-33］。
双地1井流体包裹体均一温度峰值分布范围为90~110 ℃，与XY1井早期包裹体均一温度的范围较为一致；但包裹体类型以纯水溶液包裹体为主，没有发现液烃类包裹体和高密度甲烷包裹体。包裹体类型表明了燕山期抬升剥蚀阶段凹陷边缘比凹陷中心页岩封闭性破坏程度高、相同埋深的页岩气散失程度高。以埋藏史为基础，推测裂缝古流体发育阶段，燕山运动致使双地1井剥蚀量近2 000 m，而XY1井剥蚀量仅500 m［7］。因此，造成上述保存条件差异的主要原因是同一时期凹陷边缘的构造变形强度高于凹陷中心，剥蚀强度也高于凹陷中心。
表2 典型井古流体特征对比

Table 2 Comparison of paleofluid characteristics of typical wells

项目 双地1井 四川盆地焦石坝JYC井 涟源凹陷XY1井 涟源凹陷泥盆系
包裹体类型 气相、气液两相、纯水溶液包裹体 纯甲烷和气液两相包裹体 液相烃、气相烃、气液两相烃、含烃盐水、盐水包裹体 液相、气液两相、部分样品见大量气相包裹
均一温度最低值/℃ 80 152.4 93 109.7
均一温度最高值/℃ 123 201 138 172.4
均一温度峰值/℃ 90~110

152~154

190~201

 100~120
各期流体活动的埋深/km 2.2~3.2 5.5~ 6.1 0.9~1.1； 2~3
抬升开始时间 中侏罗世 85 Ma 中侏罗世

注：四川盆地焦石坝JYC井数据据NIE等［29］；涟源凹陷XY1井数据据吴忠锐等［7］；涟源凹陷泥盆系数据据旷理雄等［31］

同属于湘中地区的双地1井、XY1井页岩脉体包裹体均一温度明显低于礁石坝地区；表明湘中地区页岩层在埋深较浅的阶段，构造作用强烈，对页岩气保存条件不利。

5.4　页岩气逸散模式及其对勘探方向的指示

湘中地区在印支期以来受到多期次构造运动的影响，大型逆冲断裂发育，滑脱构造分布广泛。部分学者认为断层是后期滑覆断层沿着先存断面倾覆或者滑覆，在志留系、二叠系、三叠系之间的次级滑移面产生多次滑覆，称之为滑覆—滑脱褶皱带［34］。另有学者研究表明湘中地区由一系列向西逆冲、倾向南东的叠瓦式逆冲断层及部分双冲构造和相间的断弯、断展褶皱共同组成；燕山期该构造带在NW—SE向的挤压下发生褶皱—逆冲推覆变形，而印支期形成的NE向断层也再次发生逆冲活动，基本形成了现今的构造格局；该地区泥盆系底部跳马涧组的底砾岩下部为主推滑面，下石炭统煤系层内滑脱构成顶板逆冲断层［35］。
逆冲推覆伴随着地层的压缩变短，统计表明研究区燕山期缩短率由东向西逐渐减少，湘中地区为24%， 雪峰山隆起区为22.7%， 雪峰山西侧为10%；郴州—临武断裂边上的持续脉动式构造运动类似发动引擎， 提供研究区燕山期构造变形的动力， 使得变形持续向北西扩展［28］，因此湘中地区变形是最强的，尤其是盆地边缘抬升剥蚀强度大。强烈的挤压作用容易在泥岩、泥质灰岩类等软弱层形成滑脱变形；对灰岩等类型的脆性层则产生断层、裂缝和破碎带。双地1井破碎带主要分布在较纯的灰岩、含泥质灰岩段；多期次构造作用导致断裂或者裂缝附近岩层被反复研磨形成破碎角砾带；泥岩、钙质泥岩层则发育规模不等的滑脱变形以及密集的水平缝。
双地1井古流体地球化学特征指示包含滑脱带内的页岩段自封闭性相对较好，与中扬子地区奥陶系—志留系底部滑脱带形成横向渗透层具有明显的区别，主要原因是志留系底部硅质岩发育，刚性支撑使得裂缝系统形成顺层延伸的渗透层［10］；佘田桥组泥岩黏土矿物含量大于30%，石英矿物含量普遍在30%以下［36］，因此滑脱带在缺乏刚性矿物颗粒支撑的条件下，属于软弱的致密层。古流体地球化学指示了破碎带整体封闭性差，是页岩与外界流体沟通的通道。裂缝、破碎带与逆冲断层组合，形成一个连通的网状疏导系统，页岩气由致密的页岩段向外逸散，大气水则沿着疏导系统向下运移（图10）。构造破坏致使页岩的含气性整体变差，内部晚期孤立的裂缝在页岩气充注后与外界沟通不畅，成为残余的裂缝气，在中国南方构造复杂区这种现象较为普遍，页岩含气性与TOC不具相关性是主要表现［13，37］。
图10 邵阳凹陷页岩气散失模式

Fig.10 Shale gas dispersion mode in Shaoyang Sag

双地1井古流体地球化学特征指示了邵阳凹陷边缘隆起区域构造抬升时间早，抬升剥蚀厚度大，对页岩气保存条件不利；佘田桥组页岩主要分布在邵阳凹陷的东西两侧边缘，因此邵阳凹陷佘田桥组的勘探风险大。邵阳凹陷中部地区构造变形相对弱，页岩气保存条件较有利。结合沉积相分析，邵阳凹陷中部地区泥盆系佘田桥组为台地相沉积，经历了晚泥盆世填平补齐之后，晚泥盆世晚期孟公坳组在凹陷中部地区为陆棚相沉积，虽然页岩厚度和TOC值较佘田桥组小、页岩段夹层多，但页岩厚度一般大于60 m，TOC值可达1%~3%［3，38］，且该区二叠系盖层分布相对广泛，保存条件优于凹陷边缘的佘田桥组，是重要的勘探方向。

6 结论

（1）湘中邵阳凹陷湘双地1井古流体地球化学揭示了泥盆系佘田桥组具有低水/岩比例的封闭系统、跨层流体混入、大气水混入3种不同封闭条件的裂缝；佘田桥组页岩的顶板和底板棋梓桥组流体活动活跃，大气水混入往往与构造破碎带相关，佘田桥组页岩裂缝存在高含水饱和度的跨层流体活动。
（2）Sm—Nd同位素定年揭示了佘田桥组下部一期垂直方解石脉的形成时间为149 Ma，该期次包裹体的均一温度为121 ℃，埋深为3.2 km，古流体有较高的含水饱和度，表明页岩在该阶段封闭性发生了改变。裂缝、破碎带和断层组成的疏导系统是页岩气向上逸散，大气水向下渗入的通道。
（3）燕山运动的强烈挤压抬升作用使湘中地区构造变形强烈，邵阳凹陷边缘较凹陷中部地区断裂发育、剥蚀时间早、强度大，构造保存条件不利；结合沉积演变，邵阳凹陷应将凹陷中部的晚泥盆世晚期孟公坳组页岩作为勘探方向。

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