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纪何
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1 第 38 卷第 5 期煤炭学报 Vol. 38 No 年 5 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY May 2013 文章编号 : (2013) 下扬子区构造变形特征与页岩气保存条件张涛 1,2, 尹宏伟 1,2, 贾东 1,2, 姚素平 1,2, 胡文瑄 1,2, 李海滨 1,2 1,2, 张勇 (1. 南京大学地球科学与工程学院, 江苏南京 ;2. 南京大学能源科学研究院, 江苏南京 ) 摘要 : 通过大量野外地质踏勘资料与室内钻井及地球物理资料分析剖析了下扬子区的区域构造变形特征及其页岩气保存潜力结果表明 : 下扬子地区中新生代的构造运动在不同地区表现为不同的样式, 不仅表现为南北分为根带中带锋带的特点, 其东西方向上的差异也十分显著 ; 东部地区的构造样式主要受到志留系滑脱层的控制, 主要表现为侏罗山式褶皱构造, 主要保存了印支期和燕山期的构造样式, 后期拉张和构造反转对其影响相对较弱, 页岩气保存条件较好 ; 而茅山以西地区受到了后期拉张与构造反转的强烈改造, 并形成了一系列的拉张断陷盆地和火山盆地 ; 这种构造特点使得此区域勘探难度大, 页岩气保存条件差关键词 : 下扬子地区 ; 构造演化 ; 构造变形样式 ; 页岩气保存中图分类号 :P 文献标志码 :A Structural deformation characteristics and shale gas preservation of Lower Yangtze region ZHANG Tao 1,2,YIN Hong-wei 1,2,JIA Dong 1,2,YAO Su-ping 1,2,HU Wen-xuan 1,2,LI Hai-bin 1,2,ZHANG Yong 1,2 (1. School of Earth Science and Engineering,Nanjing University, Nanjing ,China;2. Institute of Energy Sciences, Nanjing University, Nanjing ,China) Abstract:Based on the analysis of field observation, drilling data and geophysical data, this paper interpreted the structural deformation characteristics of Lower Yangtze region and its preservation potential for shale gas. The results show that the deformation characteristics of Lower Yangtze region vary in different areas. The structural style is not only different from south to north,but also from east to west. To the east of Maoshan,the structure style is mainly controlled by decollement folding,which was caused by the Indosinian-Yanshan movement. The following extension and reversion movements greatly are destroyed the previous structures. So it still has good shale gas preservation conditions for shale gas and not very hard to explore. The west Maoshan region,however,is strongly reworked by strong reverse and tension movements since the Indosian-Yanshan movement,and as a result a serious of extensional and faulted basins and volcanic basins were formed,which are very negative for the shale gas preservation and explorations. Key words:lower Yangtze region;tectonic revolution;structural deformation styles;shale gas preservation 页岩气是正在进行工业性勘探开发的非常规能源之一 [1-2], 它可以在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在在干酪根和黏土颗粒表面上以吸附状态存在, 甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在 [3-5] 在页岩气藏中, 表现为典型的原地成藏模式, 从某种意义来说, 页岩气藏的形成是天然气在烃源岩中大规模滞留的结果 [6] 前人研究表明, 页岩气的勘探与开发特点与其所处构造环境有着密切的关系, 在不同构造背景下的页岩气产出具有不同的特点 [6-10] ; 前人在研究美国 Barnett 页岩时发现, 在靠近断层附近的产气率较低, 而构造稳定区域的产气率高 [11] 这说明构造作用对于收稿日期 : 责任编辑 : 王婉洁基金项目 : 国家重点基础研究发展计划 (973) 资助项目 (2012CB214703); 国家自然科学基金资助项目 ( ) 作者简介 : 张涛 (1989 ), 男, 山东沂水人, 硕士研究生 Tel: , taozhng@ qq. com 通讯作者 : 尹宏伟 (1971 ), 男, 江西玉山人, 教授 Tel: , hwyin@ nju. edu. cn

2 884 煤炭学报 2013 年第 38 卷页岩气的成藏具有一定的不利因素, 而页岩气吸附性赋存的特点又决定了其对保存条件的要求比常规气藏要低对于页岩气藏, 勘探的目标是找到一地层平缓构造稳定区块, 对盖层无特殊要求下扬子区海相古生界地层有厚度大分布广的特点, 可供油气勘探面积约 km 2, 厚度可达 3 ~ 10 km, 并且古生界几套地层具有非常好的油气显示研究和勘探证实, 该区海相中古生界在地史上曾经发生过大规模的油气生成运移和聚集成藏的过程这些古老海相地层经历了中新生代多期盆地叠加和改造, 白垩第三纪叠置裂谷盆地和裂谷期后坳陷盆地, 油气成藏条件与过程比较复杂人们普遍认识到晚印支早燕山期构造运动对油气藏的破坏和改造作用强烈, 是现今常规没有突破的原因 [12-17] 在常规油气没有进展的情况下, 研究该地区页岩气地质条件, 找到适宜勘探开发的稳定区块成为了一个前沿的课题 1 区域位置下扬子地区位于扬子板块东部, 介于大别苏鲁造山带与江绍断裂之间, 总体呈南西较窄北东开阔的喇叭形地带 ( 图 1) 范围包括陆上的苏皖南部地区苏北盆地和海域中的南黄海盆地 [17-18], 也有人笼统地划分为长江下游被郯庐断裂和江绍断裂所限制的大型海相沉积分布区域 [13] ; 本文的研究范围是上述区域除去苏北南黄海盆地的部分基底由一个双层结构的前震旦系克拉通组成 [19], 在震旦纪开始出现的前陆盆地基础上自中生代以来发育的一个裂谷型的地堑盆地, 其主要的构造方向为北东东走向, 向西呈舌状收拢的楔形, 从平面展布轮廓上显示出拉张的特征, 其形象与现今的红海和亚丁湾十分相似 [20] 图 1 下扬子地区构造纲要 ( 据文献 [21] 修编 ) Fig. 1 Tectonic outline of Lower Yangtze region( revised from reference[21]) 2 构造与古地理演化和暗色细粉晶碳酸盐岩沉积为主后者富含有机物质, 从而形成了区内第 1 套烃源岩系其中有机碳含 2. 1 古生代沉积建造阶段晚元古代震旦纪早古生代, 下扬子地区主要呈量在下寒武统泥岩中平均为 3. 1%, 最高可达 6%, 在中上奥陶统碳酸盐岩中平均为 0. 34% 根据海相现出以南京地区为代表的大型中央台地和其两侧发育的深水盆地为基本构造格局 [22] ; 中央台地以碳酸盐岩沉积为主, 两侧的深水盆地以黑色泥岩硅质岩烃源岩有机碳判定标准, 下古生界大多数烃源岩为较好烃源岩 [13,23] 晚古生代开始, 一台两盆的格局消失, 在这一

3 第 5 期张涛等 : 下扬子区构造变形特征与页岩气保存条件 885 期间发育的是与板块碰撞有关的前陆盆地, 扬子板块沿江山绍兴一线向东南侧俯冲, 前陆盆地内部则出现由南东向北西的逆冲推覆构造, 形成本区第 1 期大规模的逆冲推覆作用, 并且这一作用自南而北逐渐减弱经过加里东运动的聚合作用, 下扬子南北两侧的活动性陆缘沉降区封闭隆升, 陆壳加厚基底稳定性增强, 整体表现为稳定的克拉通环境前期在碰撞造山带前缘出现了前陆盆地沉积, 其盆地的沉积中心在浙西建德杭州嘉兴一带, 由此往西北展布的为一套含砾砂岩砂岩粉砂岩及部分碳酸盐岩的磨拉石建造自中石炭世, 西扬子整体进入台地陆表海环境, 沉积了一套开阔台地相建造这一沉积格局一直持续至早三叠世该陆表海阶段沉积稳定, 构造分异度较小, 发育二叠系等烃源岩海西期下扬子地区构造活动稳定, 断裂不发育, 早期形成的断裂在局部地区对晚古生代沉积有控制作用, 且江南隆起为主要的隆起剥蚀区 2. 2 中新生代陆相沉积与改造阶段下扬子区在中三叠世末以来的构造演化过程中, 经历了 3 期不同性质构造作用的改造变形 :1 中三叠世末早中侏罗世的印支运动, 江南雪峰基底拆离体由南东向北西方向 ( 同时派生由南向北, 由东向西方向 ) 的逆冲推覆, 以及后缘弹性松弛断陷构造作用的改造作用 2 晚侏罗早白垩世的燕山运动期, 叠加了一期北北东向移走滑构造的左行简单剪切, 以及拉分断陷构造作用的改造变形 3 在晚白垩世古近纪的喜马拉雅运动期, 下扬子区在由南向北的伸展拆离与多米诺式拉张断陷构造作用下受到了变形改造 [24] 早中三叠世, 下扬子微板块朝北北西方向运动, 与华北板块碰撞 ; 晚三叠世末期, 两微板块全面碰撞, 下扬子板块部分消减与华北微板块之下, 产生强烈的造山运动, 形成以长江为中心的对冲体系晚侏罗世早白垩世出现了一系列陆相火山岩盆地, 如宁芜盆地庐枞盆地繁昌盆地溧水盆地等它们呈北东和北北东向展布这一期的火山活动遍布整个中国东部构成了环太平洋火山岩带的一部分 [25] 自中白垩世起下扬子区构造背景从先前的挤压应力环境转变为区域拉张环境 ( 黄桥事件 ) 下扬子区在以拉张为主的构造背景下, 沿先存北北东北西等方向的断裂发生大规模拉张断陷作用, 形成一系列半地堑式的箕状盆地下扬子区从晚渐新世以来遭受挤压而发生反转, 表现为一系列逆冲现象和盆地内部某些部位沉积地层的褶皱隆起 3 区域构造变形特征对于下扬子地区的构造变形, 特别是印支燕山期的变形的研究由来已久, 到现在也取得了相对统一的认识, 印支燕山运动的结果形成了一对冲结构下扬子前陆带实际上是夹持于北部胶南碰撞造山带和南部板内造山带之间的前陆褶皱冲断带长江以北的前陆区是胶南造山带的前陆褶皱冲断带, 长江以南的前陆区是南部板内造山带的前陆褶皱带 [26] 朱光 [26] 等分析前陆变形之后认为, 变形较弱的地方是靠 [21] 近锋带的地方, 即沿江地带 ; 李海滨等进一步指出苏锡常地区变形较弱, 具有一定油气勘探潜力近 2 a 来, 对下扬子区开展了大量野外地质踏勘与室内钻井及地球物理资料分析, 在此基础上进一步剖析了下扬子区的区域构造变形特征及其页岩气勘探潜力下扬子区构造变形具有明显的分带特征 ( 图 2) 根据野外地质踏勘观测资料及和地球物理资料综合解译, 将本区变形分为 2 个构造单元, 分别是南部的江南褶皱带和北部的褶皱 - 断陷带江南褶皱带由南部的前震旦纪基底和北部复背斜和复向斜组成, 褶皱形态普遍比较紧闭, 褶皱线性明显, 轴向呈北东 45 延伸褶皱内部多被印支期燕山期的花岗岩所侵入, 深部变形复杂, 后期构造反转明显, 形成多个小型断陷, 油气保存条件差北部褶皱 - 断陷带可以进一步分为江阴无锡滑脱褶皱带, 常州宣城断陷盆地带, 茅山褶皱冲断带, 南陵句容断陷盆地带, 宁镇褶皱冲断带铜陵繁昌褶皱带沿江盆地带和巢湖宿松褶皱带 8 个二级构造单元总体来说, 北部褶皱 - 断陷带构造变形弱于南部江南褶皱带, 其油气保存条件相对更好对其构造变形特征进一步分析表明, 以茅山为界, 下扬子区褶皱 - 断陷带自东向西也具有明显的构造变形差异, 东部地区滑脱层相对较浅, 负反转构造改造较弱, 岩浆活动强度较低, 油气保存条件相对较好 3. 1 茅山以东地区构造特征与勘探潜力茅山以东地区, 包括即无锡及苏州北部地区, 以复背向斜带相间排列为其主要特征, 并为北西向断裂分割成 3 个主要块段分别为虞山断裂西南部分, 虞山断裂至长江和长江东北岸沿江一带其总体展布方向大致由北东 40 ~ 50, 逐渐偏转至 60 ~ 70, 自北西南发育了一系列的背斜和向斜这些褶皱构造一般具有背斜北翼倾角较大, 南翼较平缓, 背斜核部紧密, 向斜比较宽缓箱状褶皱的特点 ( 图 3), 背斜核部多为泥盆系五通组和茅山群, 向斜核部以青龙群

886 煤 Fig 2 图2 炭学报 2013 年第 38 卷下扬子地区构造单元区划 Tectonic zones in the Lower Yangtze region 为主,而且各个背向斜之间均发育有纵向断裂,一般具有北压南张的性质,背斜北翼常发育逆断裂,五通组和茅山群由南而北推压在石炭二叠系或三叠系之上,而南翼多为纵向张扭性断裂以祝塘凹陷( 复向斜) 为例,该复向斜面积

4 886 煤 Fig 2 图2 炭学报 2013 年第 38 卷下扬子地区构造单元区划 Tectonic zones in the Lower Yangtze region 为主,而且各个背向斜之间均发育有纵向断裂,一般具有北压南张的性质,背斜北翼常发育逆断裂,五通组和茅山群由南而北推压在石炭二叠系或三叠系之上,而南翼多为纵向张扭性断裂以祝塘凹陷( 复向斜) 为例,该复向斜面积 100 ~ 200 km2,两翼地层相当平缓,一般倾角仅 10 ~ 20 包括前洲向斜长安桥向斜及其间的次级背斜,钻孔证实为一有白垩纪巨厚沉积的中生代凹陷侏罗纪末,受燕山运动三幕的影响,构造分异明显,形成地堑式断褶凹陷,白垩纪沉积一套巨厚的内陆湖盆杂色碎屑岩建造,沉积中心厚达 m 白垩纪末,燕山运动使白垩纪地层构成平缓褶皱,凹陷相应上隆,缺失第三系沉积,喜山运动时期沉积了厚 150 ~ 200 m 的第四系祝塘复向斜南长安桥,东至西阳桥呈北东 50 方向延伸,经钻探证实,长达 14 km,宽 3 km,向斜核部大部分为白垩系上统所覆盖,为一隐伏的向斜构造,核部由青龙群组成( 图 3) 总之,该复式向斜总体上较为平缓,煤系地层发育较为完整, 构造稳定, 具有较好的保存条件长兴广德地区的几个剖面可以看出其构造形态与无锡江阴地区有所改变( 图 4) 逆断层的逆冲方向改为由北西方向向南东方向逆冲,且其主要构造走向变为近南北向分析其构造形态认为,这一期的逆冲发生在晚印支到早燕山运动,主要是由于江南断裂在这一期间再次活动引起这一区域古生代地层厚度大,特别是志留系,由于加里东前陆盆地的同构造部的文林煤田勘探区以褶曲断裂为主要构造特征盆地中心残存有很薄的青龙 - 长兴灰岩,倾角 25 沉积作用,志留系厚度大于 m 志留及寒武系其中花山次级背斜地层倾向 170,倾角 35 ~ 45,澄煤山张渚和湖滏等向斜中的龙潭组煤系地层背斜西北翼倾角 30 复向斜的北部为江阴复背斜, 江次级向斜地层倾角 10 ~ 15 祝塘复向斜中部包括次一级的向斜和背斜,如长安桥向斜,该向斜西起暗色页岩埋深普遍较大,因此对于该区比较实际的勘探目标是寻找构造相对稳定向斜中龙潭组地层,例如 3 2 茅山西部地区构造特征勘探潜力本区构造受到郯庐断裂影响较为明显,后期受到

5 第 5 期张涛等 : 下扬子区构造变形特征与页岩气保存条件 887 Fig. 3 图 3 江阴无锡地区地质剖面 Geological cross sections of Jiangyin-Wuxi Fig. 4 图 4 广德长兴地区地质剖面 Geological cross sections of Guangde-Changxing

6 888 煤炭学报 2013 年第 38 卷了强烈改造虽然晚白垩世以来的伸展作用使先前的逆冲褶皱发生反转, 形成了一系列叠加在褶皱逆冲体上的断陷盆地, 但早期对冲的结构还非常明显在北部, 以张八岭隆起为根带, 含山地区为褶皱前锋带, 震旦系至三叠系都卷入了强烈变形, 褶皱紧闭, 并常发生倒转, 逆冲由北西向南东 ; 在南部, 除安吉等地发育反冲外, 地表和地下构造都表现为由南东向北西的褶皱逆冲, 对冲中心大致位于沿江地带 ( 图 1) 本区比较典型的一个构造区块是句容盆地句容盆地是一个晚白垩世形成的断陷盆地, 地表除零星出露的上侏罗统白垩系和新近纪的火山岩外, 均为第四系覆盖钻井资料揭示第四系厚度较薄, 一般不超过 50 m, 古近纪和新近纪沉积地层普遍缺失, 上白垩统角度不整合在下伏的古生界及三叠系上, 最厚达 m 以上 JR42. 4 测线自南东向北西穿过句容盆地, 由解释剖面 ( 图 5) 可以看出, 句容盆地是燕山期褶皱逆冲在白垩纪发生正断形成的断陷盆地盆地内白垩系以下的地层形成一系列向北西逆冲的叠瓦状构造, 断层向上终止于白垩系下部的不整合面, 向下终止于志留系底部的滑脱层或震旦系底部的滑脱层 ; 最南东侧的断片的逆冲断层切入奥陶震旦系, 规模较大, 后期反转亦强烈, 形成北断南超的断陷盆地与茅山东部相比, 该区构造更加复杂, 变形更加强烈, 勘探难度相对更大图 5 [21] 句容盆地测线解释剖面 Fig. 5 Seismic interpretations of Jurong Basin [21] 4 结论 (1) 下扬子区构造演化在空间上的差异性显著这种差异性不仅表现为南北向上的构造样式的差异, 也表现为东西方向上的分带性 : 中生代以来的构造运动对茅山西部地区改造强烈, 负反转构造发育 ; 茅山以东地区活动较弱, 滑脱层相对较浅, 负反转构造改造较弱, 岩浆活动强度较低 (2) 大致以茅山为界, 西部构造复杂, 后期改造较东部强烈, 页岩气的勘探难度大, 保存条件较差茅山以东的无锡江阴地区多套暗色页岩埋深适中, 保存条件较好, 该地区相对稳定的向斜构造是下扬子区页岩气勘探的有利区块参考文献 : [1] Daniel M Jarvie,Ronald J Hill,Tim E Ruble,et al. Unconventional shale-gas systems: The mississippian barnett shale of north-central texas as one model for thermogenic shale-gas assessment[ J]. AAPG Bulletin,2007,91(4): [2] Josh M,Esteban L,Delle C Piane,et al. Laboratory characterisation of shale properties[ J]. Journal of Petroleum Science and Engineering,2012,88-89: [3] Curtis J B. Fractured shale-gas systems[ J]. AAPG Bulletin,2002, 86(11): [4] 陈尚斌, 朱炎铭, 王红岩, 等. 川南龙马溪组页岩气储层纳米孔隙结构特征及其成藏意义 [ J]. 煤炭学报,2012,37 (5 ): Chen Shangbin,Zhu Yanming,Wang Hongyan,et al. Structure characteristics and accumulation significance of nanopores in Longmaxi shale gas reservoir in the southern Sichuan Basin[ J]. Journal of China Coal Society,2012,37(5): [5] Pongtorn Chareonsuppanimit,Sayeed A Mohammad,Robert L Robinson Jr,et al. High-pressure adsorption of gases on shales:measurements and modeling [ J ]. International Journal of Coal Geology, 2012,95: [6] Scott L Montgomery,Daniel M Jarvie,Kent A Bowker,et al. Mississippian barnett shale,fort worth basin,north-central texas:gas-shale play with multi-trillion cubic foot potential [ J]. AAPG Bulletin, 2005,89(2): [7] Daniel J K Ross,R Marc Bustin. Shale gas potential of the Lower Jurassic Gordondale Member, northeastern British Columbia, Canada [ J]. Bulletin of Canadian Petroleum Geology,2007,55(1): [8] Gary G Lash,Terry Engelder. Thickness trends and sequence stratigraphy of the middle devonian marcellus formation,appalachian Basin:Implications for acadian foreland basin evolution [ J]. AAPG Bulletin,2011,95(1): [9] Dariusz Strapoc,Maria Mastalerz,Arndt Schimmelmann,et al. Geochemical constraints on the origin and volume of gas in the New Albany Shale ( Devonian-Mississippian ), eastern Illinois Basin [ J]. AAPG Bulletin. 2010,94(11): [10] 朱炎铭, 陈尚斌, 方俊华, 等. 四川地区志留系页岩气成藏的地质背景 [J]. 煤炭学报,2010,35(7): Zhu Yanming, Chen Shangbin, Fang Junhua, et al. The geologic background of the Siluric shale gas reservoiring in Szechwan,China [ J]. Journal of China Coal Society,2010,35(7): [11] Kent A Bowker. Barnett Shale gas production,fort worth Basin:Issues and discussion[ J]. AAPG Bulletin,2007,91(4): [12] 马永生, 郭彤楼, 付孝悦, 等. 中国南方海相石油地质特征及勘探潜力 [J]. 海相油气地质,2002,7(3): Ma Yongsheng,Guo Tonglou,Fu Xiaoyue,et al. Petroleum geology of marine sequences and exploration potential in Southern China [ J]. Marine Origin Petroleun Geology,2002,7(3): [13] 郭念发, 赵红格, 陈红, 等. 下扬子地区海相地层油气赋存条件分析及选区评价 [J]. 西北大学学报 ( 自然科学版 ),2002,32 (5):

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4 731 Key words Silurian -Devonian hydrocarbon accumulation rule lithologic reservoirs Bachu -Maigaiti region Tarim Basin km 2

4 731 Key words Silurian -Devonian hydrocarbon accumulation rule lithologic reservoirs Bachu -Maigaiti region Tarim Basin km 2 31 4 2012 12 GLOBAL GEOLOGY Vol. 31 No. 4 Dec. 2012 1004 5589 2012 04 0730 10 1 1 2 3 1 1 1 1. 130061 2. 130061 3. 130061 : 塔里木盆地巴楚麦盖提地区以寒武奥陶系海相碳酸盐岩为烃源岩, 志留泥盆系三角洲 - 滨岸砂岩为储层, 潮坪环境形成的致密泥岩为盖层, 形成了断裂型生储盖组合,