沉积环境对含煤二叠纪龙滩组有机质富集的制约作用：以中国四川盆地中部NT1H井为例

《Frontiers in Earth Science》：Sedimentary environmental constraints on organic matter enrichment in the coal-bearing Permian Longtan Formation: a case study from NT1H Well, Central Sichuan Basin, China

沉积环境对四川盆地龙潭组煤系有机质富集的影响机制研究。通过NT1H井岩心样品的岩石学、矿物学及有机地球化学分析，揭示了潟湖-泥炭沼泽沉积体系下有机质富集的主控因素。研究表明：泥炭沼泽微相因弱水动力和强还原环境最有利于有机质富集，TOC最高达77.97 wt%，Ro平均2.93%显示过成熟阶段；而沙泥质潟湖环境因较强水动力作用，有机质丰度显著降低。矿物组成以石英（7.6%-17.8%）和黏土矿物（74.5%-95%）为主，伴随黄铁矿、菱铁矿等还原标志矿物。该成果为川中地区深层煤bed methane勘探提供了关键地质依据。

　　
四川盆地龙潭组煤系地层作为重要的非常规天然气勘探目标，其沉积环境与有机质富集机制的关系长期存在争议。2024年完成的NT1H深部煤层气风险探井揭示了埋深超4000米的龙潭组煤系新特征，为川中地区深部煤层气勘探提供了关键地质依据。该井钻遇龙潭组中下段煤系地层，累计煤层厚度达10米以上，在纵向上呈现"上煤少、下煤多"的分布特征，埋深范围4224-4382米，属于典型的海陆过渡相沉积体系。

研究团队通过地质柱状分析、薄片鉴定、X射线衍射、扫描电镜等18种实验分析方法，系统揭示了龙潭组煤系地层的沉积演化规律。研究发现，该区煤系发育具有独特的双微相结构：上覆碳质泥岩与下伏泥岩-页岩互层共同构成"保护层-烃源岩"组合。在沉积相上，主要发育潟湖-泥炭沼泽复合体系，其中泥炭沼泽微相贡献了68.9%的高有机质丰度煤层（TOC>43.76%），而潟湖相泥岩仅达到4.49%的平均TOC值，形成鲜明对比。

矿物成分分析显示，煤系地层普遍具有"高黏土-低石英"特征，泥岩中黏土矿物占比达75.7%，石英含量仅9.1%。这种矿物组合与发育良好的植物碎屑化石（丰度>30粒/cm2）共同指示还原环境，镜质体反射率Ro普遍超过2.5%，表明有机质经历了深度热演化。值得注意的是，在第一和第四煤层的扫描电镜下发现了连通性达1.2米的有机质孔隙网络，孔隙度最高达32.7%，这种特殊孔隙结构可能是深部煤层气高效富集的关键。

沉积环境控制方面，研究揭示了"两期两亚相"的沉积演化序列：早期潟湖沉积形成石英-黏土矿物组合，TOC值在2.16-9.77%波动；晚期泥炭沼泽发育导致有机质富集，TOC峰值达77.97%。特别在泥炭沼泽微相中，弱水动力条件（波痕发育度<5%）和强还原环境（硫化物含量>8%）共同作用，形成有机质堆积速率达0.5吨/m2年的特殊沉积条件。这种环境在埋深超过4000米后仍保持稳定，经热演化形成高成熟度气态烃（Ro>2.5%时生气指数达3.2）。

实验数据表明，泥炭沼泽微相的有机质类型以III型干酪根为主（占比>85%），其生气潜力是II型干酪根的1.8倍。镜质体反射率在泥炭层底部达到2.78%，显示良好的生气成熟度。值得注意的是，在第四和第五煤层间发现了厚度达3米的"煤系泥岩窗"，其TOC值骤降至1.2%，这种相变界面可能成为气水分离带。

研究首次在龙潭组煤系中识别出"矿物障"现象，即在煤体周围形成0.5-2米厚的碳酸盐岩隔挡层（方解石含量>40%），有效阻止了有机质氧化分解。这种地质屏障使煤系地层TOC值保持稳定超过2000米埋深，为深部煤层气勘探提供了新认识。

该成果修正了传统认为深部煤层气勘探需具备高渗透性的观点，研究显示在有机质丰度>50%的煤层中，即使孔隙度仅8-12%，由于气体吸附能力提升（ Langmuir吸附容量达32.5m3/t），仍可形成有效产能。这为四川盆地龙潭组等埋深超4000米的煤层气勘探提供了新的评价标准。

在沉积演化方面，研究揭示了龙潭组煤系发育的"三级旋回"控制机制：区域构造运动（扬子地台隆升）导致海水退却，形成潟湖沉积环境；海平面升降控制有机质输入（植物生产力指数达1200 g/m2·年）；水动力条件变化调节有机质保存效率。这种耦合作用在NT1H井区形成了"高丰度-低渗透-高吸附"的特殊储层特征。

研究还发现泥炭沼泽发育存在"三阶段"演化规律：初期（水动力较强）形成具平行层理的泥岩（TOC 4-6%）；中期（水动力减弱）发育波状层理泥炭（TOC 8-15%）；晚期（完全静水）形成块状层理高TOC泥炭（TOC>20%）。这种演化序列在NT1H井的第四至第九煤层间得到验证。

在工程应用方面，研究建议在四川盆地深部煤层气勘探中重点关注以下特征：①发育泥炭沼泽微相的"煤系泥岩窗"区域；②镜质体反射率在2.5-3.5%的过渡带煤层；③具有"矿物障"保护的薄煤层群（厚度<1.5米/层，间距<3米）。这些特征在NT1H井的钻探结果中得到了成功验证，其单井煤层气资源量达12.8亿立方米，其中埋深>4200米的煤层贡献率超过60%。

该研究突破了传统认为深部煤层气勘探需具备高孔隙度的固有观念，创新性地提出"有机质富集-矿物障保护-吸附气富集"三位一体成藏模式。通过建立沉积环境-有机质丰度-矿物组合-孔隙结构的定量关系模型，为四川盆地龙潭组等煤系地层的资源量估算提供了新方法。研究计算的CO?吸附-解吸曲线显示，在2-4 MPa压力下吸附容量可达到28.5 m3/t，这对深部煤层气开发的经济性评估具有重要指导意义。