四川盆地位于中国西南部, 是一个大型富气叠合盆地。中国唯一实现工业化开发的五峰组— 龙马溪组页岩气层主要发育于四川盆地, 目前已发现川西南中部的威远和威荣页岩气田、川南边缘的长宁和昭通页岩气田以及川东地区的涪陵页岩气田, 页岩气累计产量达791× 10⁸ m^{3[12, 13]}。目前开采层段主要集中在五峰组— 龙马溪组一段, 产层厚度20~40 m, TOC值普遍大于2%, 石英等脆性矿物含量大于40%, 为深水陆棚相沉积。五峰组至龙马溪组一段沉积时期, 由于华夏地块与扬子板块的挤压作用变弱, 古地理格局相对稳定, 形成了以川中古陆、黔中古陆和湘鄂西水下隆起三面环绕、开口向北的半封闭海湾, 沉积中心主要分布在现今的泸州— 自贡和焦石坝— 石柱一带（见图1）。两个沉积中心由于物源和相对构造位置等不同, 页岩岩性存在差异, 长宁、威远、昭通页岩气田的优质页岩以含钙硅质页岩或钙质硅质混合页岩为主, 涪陵页岩气田则以硅质页岩为主^[1]。

图1

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	图1 四川盆地五峰组— 龙马溪组页岩沉积特征 （据文献[3]修改）

岩心样品取自长宁和威远页岩气田典型井。实验测试主要包括TOC值测定、有机质抽提、物性分析、低温氮气吸附实验、全岩X射线衍射分析（XRD）、主微量元素分析、稀土元素分析（REE）、X射线荧光光谱分析（XRF）, 以及普通光学显微镜观察、大薄片拼接、多种扫描电镜组合分析等。分析测试项目在国家能源页岩气研发（实验）中心、中国科学院地质与地球物理研究所、核工业北京地质研究院、南京大学等单位完成。

普通光学显微镜结合多种扫描电镜成像及能谱分析认为, 四川盆地五峰组— 龙马溪组页岩中生物成因石英可划分为两种类型。

2.1.1 Ⅰ 类石英

Ⅰ 类石英主要发育在硅质页岩、钙质硅质混合页岩中, 是由大量亚微米级微晶石英构成的石英集合体, 主要充填在海绵骨针、有孔虫、放射虫等生物壳体及体腔边缘（见图2a、图3a）。这类石英在普通光学显微镜下无法观察单个晶体形态, 集合体整体呈圆形或椭圆形, 与充填的体腔相关, 部分与黄铁矿共生（见图2b）。通过背散射和二次电子成像显示其主要由粒径小于3 µ m的石英组成, 石英晶体一般为半自形— 自形, 之间界限模糊, 攒簇为一体（见图2c、图3a）。

图2

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图2 四川盆地五峰组— 龙马溪组页岩生物成因石英类型及特征 （a）W202井, 2 566.21 m, 硅质页岩, 海绵骨针直径15~45 µ m, 含量40%, 内部充填Ⅰ 类微晶石英集合体（红色箭头所指处）, 铸体薄片; （b）W202井, 2 568.74 m, 钙质硅质混合页岩, 黄铁矿（红色虚线区域）与Ⅰ 类石英集合体（红色箭头所指处）共生, 钙质生物壳体黄铁矿化, 扫描电镜; （c）W202井, 2 566.21 m, 硅质页岩, 半自形Ⅰ 类微晶石英充填在有机质内, 红色点为EDS分析, 全部为Si和O元素, 扫描电镜; （d）W201井, 1 540.77 m, 钙质页岩, “ 粉末状” Ⅱ 类石英集合体（红色虚线区域）分布在基质上, 未抛光扫描电镜; （e）W202井, 2 568.03 m, 硅质页岩, 放射虫内有机质上“ 漂浮” 纳米级Ⅱ 类石英颗粒, 扫描电镜; （f）图e红色方框放大显示Ⅱ 类石英颗粒, 扫描电镜

图3

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	图3 四川盆地五峰组— 龙马溪组页岩生物成因石英能谱分析 （a）W202井, 2 570.97 m, 硅质页岩, 硅质生物壳体, 由Ⅰ 类微晶石英集合体组成, 红色方框为能谱分析区域, 扫描电镜; （b）图a红色方框中Si元素分布; （c）图a红色方框中O元素分布; （d）W202井, 2 570.97 m, “ 粉末状” Ⅱ 类石英集合体分布在有机质上, 红色方框为能谱分析区域, 扫描电镜; （e）图d红色方框中Si元素分布; （f）图d红色方框中O元素分布

2.1.2 Ⅱ 类石英

Ⅱ 类石英主要发育在硅质页岩或钙质页岩中, 在未抛光的扫描电镜下观测为“ 粉末状” 颗粒堆积体（见图2d、图3d）。氩离子抛光扫描电镜和氦离子扫描电镜下都可观察到这类石英, 主要由隐晶质纳米级石英组成, 整体漂浮在有机质上（见图2e、图3d）, 呈椭球形或球形, 相互之间呈点接触或无接触, 整体粒径小于100 nm（见图2f）。

前述石英类型均为自生成因, 而自生石英的硅质来源较为广泛^[14], 主要包括：生物硅质溶解、海底热液硅质输入、黏土矿物转化释放硅质、火山作用释放硅质、碎屑石英的压溶作用、长石的蚀变等。因此, 需要综合多种手段进行分析, 本文采用主微量元素、稀土元素分析并结合镜下观察综合研究。

陆源硅酸盐沉积物中微量元素Zr稳定存在, 与SiO₂含量呈正相关关系, 是指示陆源硅质和生物硅质来源的重要参数。在海相沉积物中, 主量元素Al、Fe、Mn不受后期成岩作用和风化作用的影响, 能够有效地辨别硅质生物成因和热液成因的地球化学指标^[14]。通过威远气田典型井优质层段主量元素分析, 结合长宁和涪陵气田的研究成果^{[15, 16, 17]}, 发现四川盆地五峰组— 龙马溪组优质页岩石英总体以生物成因为主, 但部分页岩层段存在差异（见图4）, 石英的成因也存在一定的区别, 可能受到热液作用的影响, 与前人对涪陵页岩的研究结果相一致^[14]。

图4

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	图4 四川盆地五峰组— 龙马溪组页岩石英成因判别图版

2.2.1 Ⅰ 类石英

Ⅰ 类石英为存在于生物体腔或有机质边缘的亚微米级石英, 部分与黄铁矿共生, 全部来源于生物硅。五峰组— 龙马溪组沉积早期, 火山活动频繁, 火山灰所携带营养物质引起富硅的放射虫、海绵骨针和有孔虫等浮游生物勃发^[18]。大量研究发现龙马溪组底部页岩（尤其是Persulptograptus persulptus至Parakidograptus acuminatus笔石带）有机质主要以浮游藻类、疑源类、细菌和固体沥青等非动物碎屑为主, 占总显微组分的70%~80%, 动物碎屑以笔石为主, 存在部分海绵骨针、放射虫和几丁虫等^[19], 表明当时沉积水体孕育了丰富的放射虫和海绵等富硅浮游生物。加之富有机质页岩沉积于深水陆棚的厌氧— 贫氧环境（部分层段为硫化环境）, 有利于生物硅质的富集与保存。这些富硅生物的原始矿物成分一般为蛋白石-A, 是一种无序的非晶质矿物, 分子式为SiO₂· nH₂O, 为不稳定矿物。在埋藏成岩过程中, 由于温度和压力的作用, 蛋白石-A向蛋白石-CT转化, 逐渐形成高硬度结构的隐晶质和微晶石英的集合体^{[3, 20, 21]}（见图5a）。五峰组— 龙马溪组页岩中Ⅰ 类石英粒径与前人研究的蛋白石磷球及其重结晶产物的大小一致^[22], 进一步表明该类石英为生物成因硅质, 主体来源于富硅生物的转化。部分页岩层段观察到Ⅰ 类石英与黄铁矿共生于有机质内, 主要是由于硅质转化过程刚好处在硫酸盐还原区域, 转化形成的孔隙中的Fe²⁺与释放的S^2-接触形成黄铁矿沉淀。反应方程式如（1）式和（2）式：

$\text{SO}_{4}^{2-}+2\text{C}{{\text{H}}_{2}}\text{O}\to \text{H}{{\text{S}}^{-}}+\text{HCO}_{3}^{-}+{{\text{H}}_{2}}\text{O}$ （1）

${{\text{H}}_{2}}\text{O+H}{{\text{S}}^{-}}+\text{F}{{\text{e}}^{2+}}\to \text{FeS}\downarrow +{{\text{H}}_{3}}{{\text{O}}^{+}}$ （2）

图5

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	图5 四川盆地五峰组— 龙马溪组生物成因石英背散射扫描电镜图片 （a）W202井, 2 570.97 m, 硅质页岩, 放射虫体腔内有机质上充填Ⅰ 类（红色箭头）和Ⅱ 类石英（体腔内白色颗粒）; （b）W202井, 2 570.97 m, 硅质页岩, Ⅱ 类石英“ 漂浮” 在杆形细菌状化石上, 红色圆圈为典型区域

黄铁矿与Ⅰ 类石英共生反映了成岩过程中形成了大量的开放孔隙, 生物硅质转化与黄铁矿化在富硅生物内同时进行。

2.2.2 Ⅱ 类石英

主量元素Al-Fe-Mn三角图版虽揭示五峰组— 龙马溪组一段石英主体为生物成因, 但威远地区五峰组和龙马溪组底部部分样品出现偏移, 接近热液硅质成因区域（见图4b）。前人研究揭示现代海底热液硅质沉积是由于上涌的高温热流体与上部冷海水混合冷却作用导致过饱和的无定型硅质析出^[23]。这种热液成因硅与其他环境下的硅质岩在形态和结构等方面存在明显的差异, 其形态主要为海绵状或蜂窝状, 扫描电镜下主体为纳米级隐晶质硅质颗粒。

五峰组— 龙马溪组页岩中Ⅱ 类石英与前述热液成因硅质部分类似, 结合镜下观测和地球化学分析认为, Ⅱ 类石英是生物成因为主, 热液硅质的作用受限, 且该层段厚度小。威远地区W201井五峰组— 龙马溪组页岩稀土元素经北美页岩标准化分析, 部分页岩层段不具有明显的低总稀土含量、负Ce异常和正Eu异常的特征（见图6）, 表明热水沉积作用影响小。富硅生物的溶解液可能混合海底的少量硅质热液充填于海绵骨针或放射虫等生物腔体或者赋存在有机质表面, 有机质生排烃过程中释放的有机酸和富硅生物溶解等过程造成聚硅酸过饱和沉淀, 经过细菌作用（如硫酸盐还原菌）形成纳米级硅质球粒, 经化学吸附作用最终赋存在有机质表面^{[20, 21, 22, 23, 24]}（见图5b）。因藻类外壁具有复杂的类脂成分^[25], 可以有效地防止生物降解和化学溶解, 最终也可形成纳米级硅质球粒赋存在藻类体腔。

图6

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	图6 威远地区W201井五峰组— 龙马溪组页岩稀土元素北美页岩标准化分析图

Ⅰ 类和Ⅱ 类石英形成过程中, 富硅质浮游生物的胞囊优先溶解形成残余的内部腔体, 这种腔体空间较大, 一般几十微米至几百微米（见图2e、图3a、图5a）, 往往被同沉积的原地有机质充填。因此, 富硅质浮游生物既是生烃母质, 又为有机质的保存提供了良好的空间。页岩富集的生物硅含量与有机质含量呈正相关关系（见图8）, 可以间接指示有机质含量。

图8

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	图8 四川盆地五峰组— 龙马溪组页岩生物硅质含量与有机质含量关系图

体腔内富集的大量有机质和Ⅰ 类石英为后期有机质孔隙大量发育提供保障。前人认为与钙质页岩和黏土质页岩相比, 硅质页岩具有高排烃效率和高固体沥青产率, 主要与石英矿物对可溶有机质吸附性差、脆性高易形成微裂缝等有关^[28]。有机质生排烃过程中形成大量的蜂窝状纳米级孔隙, 固体沥青二次裂解不仅能发育有机质孔隙, 其自身的流动网络更是良好的运移通道^[29]。对威远地区2口井五峰组— 龙马溪组不同岩性的页岩进行有机质抽提, 在同等条件下进行全岩和抽提有机质的低温氮气吸附对比实验, 归一化结果表明, 硅质页岩有机质孔隙比表面积和孔体积占比最高, 分别为12.53%~43.81%和18.46%~23.32%; 其次为钙质页岩, 有机质表面积和孔体积贡献为7.71%~12.85%和5.48%~7.76%, 黏土质页岩有机质的占比最小（见表2）。因而, 生物成因硅对孔隙的形成具有良好的促进作用。

表2

表2

表2 四川盆地五峰组— 龙马溪组页岩有机质孔隙占比统计表 井号 岩性 样品数/ 个 硅含量/ % TOC/% 全岩比表面积/（m2· g-1） 全岩孔隙体积/（mL· g-1） 抽提有机质 比表面积/ （m2· g-1） 抽提有机质 孔隙体积/（mL· g-1） 有机质比表面积占比/% 有机质孔 体积占比/% W202 硅质钙质页岩 3 0.22 2.54 21.23 0.08 96.48 0.30 13.85 11.11 钙质页岩 2 1.78 1.95 19.96 0.08 65.78 0.26 7.71 7.76 硅质页岩 3 28.78 6.06 27.06 0.09 163.01 0.28 43.81 23.32 W204 钙质页岩 2 9.66 2.29 25.97 0.14 121.42 0.27 12.85 5.48 黏土质页岩 3 0.15 1.05 15.25 0.05 60.13 0.22 4.97 4.98 硅质页岩 3 3.21 2.84 28.68 0.07 105.40 0.37 12.53 18.46

表2 四川盆地五峰组— 龙马溪组页岩有机质孔隙占比统计表

由于两类生物硅质石英对孔隙具有良好的保存作用和优质的成缝能力, 优质页岩层段具有相对较高的孔渗特征。Ⅰ 类石英主要形成于成岩早期, 在有机质大规模生烃之前, 富硅质浮游生物壳体发生固化, 形成高硬度晶态结构（见图3a）。这种刚性格架由摩氏硬度达7.0的石英矿物组成, 抗压能力强。因此, 生烃阶段开始时, 早期赋存在腔体内的有机质形成的孔隙可得到良好的保存, 滞留原油在后期二次裂解所形成大量的有机质孔隙也可受到刚性骨架的保护。生排烃释放的有机酸和细菌会使Ⅱ 类自生石英大量生成, 镜下观测到部分发育在蜂窝状有机质孔隙中, 增强有机质孔隙的抗压实能力（见图9a）。排出的原油运移至低势区的粒间孔隙内, 后期再次裂解形成“ 腔体-固体沥青-残余粒间孔” 良好运移通道。

图9

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	图9 威远气田W202井五峰组— 龙马溪组生物成因石英对储集空间的作用 （a）2 570.97 m, 硅质页岩, 有机质孔隙（红色虚线）发育Ⅱ 类自生石英, 有效地支撑孔隙发育, 氦离子扫描电镜照片; （b）2 569.46~2 569.49 m, 内部发育微裂缝（红色虚线）, XRF大薄片拼接图像; （c）2 569.46~2 569.49 m, 对应图b的硅元素分布图, 整体分布均匀, 中、底部钙质充填微裂缝较发育, 形成硅元素含量相对低的“ 假象”

石英是高脆性矿物, 易破裂形成裂缝^[30]。裂缝形成机理主要包括生烃增压、构造活动和成岩作用等^[31]。五峰组— 龙马溪组页岩有机质中Ⅰ 类石英形成早, 经历了生烃增压和多期构造活动等作用; Ⅱ 类石英形成于大规模生烃阶段, 经历了多期构造活动。因此五峰组— 龙马溪组页岩段构造缝发育。通过大薄片拼接技术表征整个薄片已充填微裂缝的发育特征发现, 同等应力场环境下生物硅富集的页岩层段微裂缝较发育。镜下观测威远地区富生物硅质页岩微裂缝密度为6~12条/cm, 最高可达20 条/cm。运用XRF对页岩薄片的硅元素进行半定量分析, 生物硅整体含量高且分布相对均匀的薄片中充填微裂缝较发育。薄片整体由底部向顶部生物硅含量与TOC值呈递减趋势。顶部生物硅含量相对较低, 微裂缝发育少、以顺层缝为主。中、底部层段生物硅含量高且分布均匀, 微裂缝十分发育且部分充填钙质矿物, 形成了中、底部整体硅质含量相对低的“ 假象” 。薄片中、底部整体以低角度斜交缝和顺层缝交替发育, 缝宽大、贯穿多个纹层, 大大增加了页岩储集层的储集空间（见图9b、图9c）。

与常规储集层相比, 页岩储集空间以纳米级孔隙为主, 储集层内部裂缝发育局限且难以大面积沟通基质孔隙, 需要借助水平井分段压裂技术形成复杂裂缝系统, 改善储集层渗流能力, 成为经济可采的“ 人造气藏” ^[32], 因此页岩储集层的可压裂性是页岩气大规模开采的前提。

五峰组— 龙马溪组页岩中Ⅰ 类和Ⅱ 类石英均赋存在有机质中, 具有生物硅质格架孔-有机质孔-微裂缝三者共生的特点, 容易形成“ 有机质孔-网状裂缝” 渗流系统, 能够有效地改善储集层的造缝能力。Ⅰ 类微晶石英结合紧密, 与有机质界限清晰, 在外力作用下容易沿接触的薄弱面形成滑脱缝^[33], 大面积沟通生物硅质格架孔和有机质孔（见图3a、图5a）。Ⅱ 类纳米级石英较均匀地镶嵌在有机质中, 石英颗粒之间呈点接触或面接触。Hertz的接触理论认为在相同载荷下, 矿物颗粒粒径越小, 矿物接触点应力越大^[34], 因此相同外力作用下刚性颗粒间易相互错动形成裂缝（见图2f、图5b）。Ⅱ 类石英自身的粒间孔十分发育, 与有机质孔和人工裂缝相互耦合成更加高效地渗流通道。