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笔石:寻找页岩气的“黄金卡尺”

时间:2020-09-14 14:33:42  来源:中国自然资源报  作者:王文娟 陈建文 杨金玉

  页岩气,主要由90%以上的甲烷构成,是一种新型的绿色环保能源,由于存储在致密坚硬的黑色页岩之中,被称为石头缝里挤出的“蓝金”。在近几年风起云涌的页岩气革命中,科技人员尝试用各种手段来实现页岩气的找矿突破。其中,古老的笔石以快、准、稳的优势,在现场标定五峰—龙马溪组页岩层位和宏观圈定含油气地层时空分布中起到了重要作用。
 

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典型黑色笔石页岩

 

  笔石是什么?

  在古生代地层中,有一种动物化石,最初古生物学家根据其外形很像铅笔在岩石层上书写的痕迹,把它们命名为“笔石”。它们是笔石动物死后被掩埋,随着沉积物的石化、软体组织如笔石虫体等被分解,剩下的硬蛋白类的结构组织被保存下来而形成的化石。

  笔石大约从5.1亿年前开始出现,一直延续到3.28亿年前灭绝。它们没有现生种,也无法和其他化石类进行对比。一个笔石体由一个胎管和许多胞管组成,胎管是一个中空的锥形管子,由原胎管和亚胎管两部分组成。原胎管向顶端逐渐生长变细,形成向外伸出的丝状线管,亚胎管向下开口,成为第一代成虫的“房室”。第一代胞管从胎管上开始建造,随后世代繁殖的笔石虫不停地建造它们的胞管,让自己居有定所,便留下了今天我们见到的各种形态的笔石体,它们是笔石虫建造的“房室”,类似蜂巢。

  沧海桑田藏“蓝金”

  大约4.47亿年前,我国长江流域所在的扬子地台南陆北海是一片半封闭式的大海湾,沉积了五峰组黑色页岩,并伴生高分异度、具有明显地区性特征的笔石动物群。4.45亿年前,全球气温急剧下降,当时的南极大冰盖凝聚,导致了全球海平面大幅萎缩,海退区域通常以壳相泥质灰岩(称“观音桥层”)的出现为指示特征。又过了将近100万年,南极大冰盖迅速消融,全球海平面又开始上升。在扬子地台,海水表现为不断南侵,形成了龙马溪组黑色页岩,同样发育了高分异度和丰度的笔石动物群。

  笔石动物在当时海洋里处于食物链的高层,它们在表层水中滤食各类单细胞生物、藻类、甚至菌类以及各种营养微粒。大量的低等菌藻类生物,不仅是笔石虫丰盛的盘中餐,也是生成油气的基础物质。

  在亿万年的演化中,笔石虫同它们的食物一起化为了油气的一份子。所幸,笔石虫精妙的“房室”被深深印在了两套黑色岩层之中,成了这段沧海桑田变迁的“第一代言人”。受奥陶纪末生物大灭绝和志留纪初生物复苏事件的影响,五峰组和龙马溪组笔石动物群的演替非常迅速,每隔几十万年,甚至十万年,就会出现一批面貌全新的笔石动物群,它们在分异度和丰度上的差异也很大。通过对这些演替迅速的笔石动物群的鉴定,恰好实现了对页岩层位的精细标定和含油气地层时空分布的圈定。

  根据笔石带标定页岩气勘探“甜点层”

  在野外勘查和钻探中对五峰组和龙马溪组两套黑色页岩的区分,曾经主要依靠一套薄层的壳相泥质灰岩——观音桥层。但在观音桥层缺失的地方,两套黑色页岩则难以划清界线。如何精准地找到两套页岩的含气层段,是页岩气勘探开发成功的关键。

  为了解决这一难题,中国科学院南京地质古生物研究所的陈旭院士带领研究团队, 依据扬子区四川盆地及其周缘重要钻井岩心和露头资料,运用笔石生物地层学的方法,将五峰组和龙马溪组划分为13个笔石生物带,其中五峰组4个带(自下而上WF1-WF4带)、龙马溪组9个带(自下而上LM1-LM9带)。对比全球有机碳(Toc)和含气量测井曲线,他们总结出五峰组的WF2-WF3带和龙马溪组的LM2-LM5带是常规石油与天然气的烃源岩层,更是页岩气的主要烃源岩层及储层,又称“甜点层”。在野外露头或者从地下取出的漆黑页岩中,勘探人员只要找到了这几种带化石对应的地层段,就能找到页岩气层。这让笔石成为了页岩气勘探的“黄金卡尺”。

  (作者单位:中国地质调查局青岛海洋地质研究所)

责任编辑:苏树芳
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