泥板层结构控制了过度成熟的海相页岩的异质性和气体富集现象：以四川盆地寒武纪琼珠司组为例

《International Journal of Coal Geology》：Laminae architecture governs heterogeneity and gas enrichment in overmature marine shales: Insights from the Cambrian Qiongzhusi Formation, Sichuan Basin

　　• 在过度成熟的页岩中，有机质孔隙受到热芳构化的抑制。• 过度成熟的邛竹西页岩的孔隙发育受无机成岩作用的控制。• 由层理控制的选择性溶解作用主导过度成熟页岩中的无机孔隙。• 提出了一种基于层理的储层-密封-流动模型来预测古代过度成熟页岩系统中的甜点（即富含气体的区域）。

引言
作为重要的非常规天然气资源，页岩气在全球能源供应和安全中发挥着关键作用（Zou等人，2017年；Zou等人，2021年），其富集程度通常由层理控制（Hearn等人，1984年；Slatt和O'Brien，2011年；Chalmers等人，2012年；Woo等人，2021年）。层理代表了最小尺度的沉积单元（<1厘米厚）（Ingram，1954年；Campbell，1967年），它们的垂直堆叠模式定义了大尺度的层理结构。这种主要的沉积结构决定了微尺度上的异质性，从而控制了孔隙分布、成岩路径和机械各向异性（Curtis，1983年；Suarez-Rivera等人，2006年）。越来越多的证据表明，层状页岩系统表现出强烈的各向异性，这直接影响气体的存在和迁移（Wang等人，2019年；Xi等人，2020年；Xiong等人，2022年；Liu等人，2024年；Wang等人，2025年）。层理根据厚度、颜色、形态、矿物学和密度进行分类（Ingram，1954年；Abouelresh和Slatt，2012年；Shi等人，2020年；Xie等人，2025年；Niu等人，2025年）。这些研究有效地揭示了沉积起源。在研究较为充分的北美页岩中（例如Bakken、Marcellus和Eagle Ford地层的页岩），层理或薄层结构通过创建各向异性的流体通道来主导储层质量（Esch等人，2012年；Milliken等人，2013年；Sayers和Dasgupta，2013年；Mokhtari，2015年；Mokhtari和Tutuncu，2015年；Alqahtani和Tutuncu，2016年；Ko等人，2018年；Yakaboylu等人，2020年；Zhang等人，2020年；Xin等人，2022a；Xin等人，2022b；Wang等人，2025年）。同样，在中国的主要湖泊页岩系统中，包括松辽盆地的白垩纪青善口地层（Pang等人，2023年；Wan等人，2025年）、古近纪沙河界地层（Chen等人，2022a；Chen等人，2022b；Yang等人，2023年；Ni等人，2024年；Li等人，2025年）和渤海湾的孔店地层（Yan等人，2017年；Xin等人，2022a；Xin等人，2022b；Zhao等人，2023年）、鄂尔多斯盆地的三叠纪延长地层（Xi等人，2020年；Zhao等人，2024a；Zhao等人，2024b；Niu等人，2025年）以及准噶尔盆地的二叠纪芦草沟和凤城地层（Pang等人，2022年；Xi等人，2023年；Li等人，2024年；Cao等人，2025年；Chen等人，2026年），层理受季节性气候和快速近岸沉积的影响，导致层厚变化、层理不连续以及频繁的岩性交替（Liu等人，2024年；Wang等人，2025年；Wan等人，2025年）。随着页岩气勘探和生产的不断推进，勘探活动逐渐扩展到深部和超深部地层，形成了一个新的研究前沿（Jia等人，2020年；Sun等人，2021年）。其中一个最关键的问题是层理如何控制页岩序列中的储层异质性和气体富集。然而，大多数先前的研究集中在中度成熟的页岩上，而不是过度成熟的页岩（定义为Ro值在3.0%–6.5%之间的页岩；中度成熟的页岩对应Ro值在1.0%–3.0%之间），这两种类型的页岩在孔隙系统和成岩路径上存在显著差异。例如，高热成熟度（Ro值>3.5%）会驱动有机质的广泛芳构化和结构有序化，严重限制了有机质孔隙的发育（Chalmers等人，2012年；Bernard等人，2012年；Hou等人，2019年；Zhao等人，2022年；Song等人，2022年；Meng等人，2024年；Min等人，2026年）。这种效应与渐进式埋藏和持续的热成熟过程共同作用，进一步减小了页岩基质的孔隙度，并触发大规模的气体排出。层理尺度的异质性代表了沉积过程中的预先存在的沉积结构，并不是温度升高的直接产物。尽管如此，这种主要的沉积结构强烈调节了后续的成岩演化。在中度成熟的海洋页岩系统中，如吴峰-龙马maxi地层，有机质孔隙构成了主要的储层空间。总的来说，这些综合过程有效地消除了中度成熟海洋页岩（Ro值=1.0%–3.0%）典型的以有机质为主导的孔隙系统，例如中国南方的吴峰-龙马maxi页岩（Curtis等人，2012年；Hou等人，2024年）。这种强烈的热成熟将有机质转化为致密、碳化的脆性物质（Bernard等人，2012年；Wang等人，2018年），失去了中度成熟干酪根所具有的孔隙性和渗透性特征（Song等人，2022年；Zhao等人，2022年；Lei等人，2025年）。对于像寒武纪邛竹西地层这样的过度成熟页岩，无机孔隙和层理边界微裂缝成为主要的储层空间。这种转变创造了一种新的储层模型：层理结构为不同的成岩路径（溶解、断裂、胶结）创造了先决条件。然而，这种继承的沉积结构如何重塑储层质量和气体富集的具体机制仍不甚明了。这一知识空白限制了我们对古代深层（3500–4500米）到超深层（>4500米）地层中页岩气潜力的评估。值得注意的是，最近在中国南部取得了重大突破。四川盆地早寒武纪邛竹西地层（第2-3阶段，约5.26亿–5.14亿年前；Ro值=3.5%–4.5%；Zhu等人，2019年）富含有机质的海洋页岩是深部至超深部页岩气勘探的关键目标。其出色的油气生成能力和丰富的资源可以为全球类似的页岩气研究提供重要参考（Zhao等人，2020年；Zou等人，2024年；Yong等人，2025年）。这为研究上述科学问题提供了难得的机会。然而，工业开发面临重大挑战：极端的热过度成熟（Ro值>3.5%）和强烈的储层异质性使得甜点的预测高度不确定（Zeng等人，2018年；Chen等人，2025年；Guo等人，2025年）。大多数先前的研究集中在“代理属性”上，如总有机碳（TOC）、脆性矿物含量、孔隙度和渗透性（Li等人，2016年；Yang等人，2018年；Wang等人，2023年；Chen等人，2025年；Guo等人，2025年；Gao等人，2025年），而很大程度上忽略了层理及其组合对储层异质性和质量的基本控制作用（Mckee，1948年；Shrock，1948年；Ingram，1954年；William和Twenhofel，1933年；Ma等人，2023年；Cao等人，2024年；Li等人，2024年；Xie等人，2025年）。为了填补这一空白，我们对邛竹西页岩进行了系统的研究，采用了包括高分辨率序列地层学、岩芯和薄片观察、MAPS、QEMSCAN和NMR–MIP在内的综合方法。本研究旨在：（1）建立高分辨率的地层框架作为等时采样基础；（2）分类和描述层理组合及其堆叠模式；（3）揭示层理控制的差异性成岩作用及其对孔隙系统的影响；（4）构建基于层理的储层质量和气体富集预测模型。结果阐明了邛竹西地层的独特储层形成机制，并为全球古代过度成熟海洋页岩的甜点评估提供了一个可应用的模型。

地质背景
在新元古代晚期至寒武纪早期，与星凯裂谷事件相关的强烈伸展构造作用发生在华南地块（Lu等人，2004年；Wan，2006年；Steiner等人，2007年）。这次裂谷事件分裂了“古中国平台”，形成了几个早期的海洋盆地（图1A），包括秦岭和天山海洋系统。在四川盆地内，南北向的伸展构造作用形成了德阳-安岳裂谷槽，主导了早期...

样品和方法
在本研究中，寒武纪邛竹西页岩样品来自四川盆地的四个关键井（Z1、Z3、W2和Y1），这些井位于不同的古地理环境中（裂谷槽、裂谷边缘和斜坡）（图1B）。为了系统地阐明层理结构对储层异质性和页岩 gas 富集差异的控制，设计了一个多尺度分析程序来表征：（1）各种层理的成分和纹理特征及其组合；（2）孔隙...

序列地层框架
关于海平面波动和碳同位素记录的先前研究表明，上扬子地区在早寒武世经历了频繁的海平面波动，这与全球海平面变化一致（Zhu等人，2019年）；这些变化与碳同位素趋势相吻合（图2）。结合岩芯观察、薄片岩石学、测井数据和海平面及碳同位素剖面，我们建立了邛竹西地层的序列地层框架...

大规模页岩储层的异质性
大规模页岩在宏观和微观尺度上都没有层理，矿物和有机质分布相对均匀，成分变化较小。与层状页岩不同，大规模页岩缺乏分级层理和透镜状结构。其大规模结构通常被解释为低能量悬浮沉积、快速沉积积累、强烈的生物扰动或普遍的成岩改造的结果（Schieber，1998年；Yawar和Schieber，2017年），这与层状页岩不同...

结论
本研究调查了四川盆地过度成熟的寒武纪邛竹西地层中的差异性气体富集，系统地表征了多种类型的层理组合，并揭示了层理结构如何通过不同的埋藏成岩作用调节储层演化和气体富集。与中度成熟的页岩序列中有机质-无机质孔隙共同主导储层的情况不同，过度成熟的邛竹西页岩中的孔隙发育受无机成岩作用的控制...

作者贡献声明
Min Xiong：撰写——原始草案，验证，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。
Lei Chen：撰写——审阅与编辑，监督，资源获取，概念化。
Xin Chen：监督，资源，项目管理。
Long Li：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。
Xiucheng Tan：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。
Shuaicai Wu：调查，正式分析。
Zuyou Zhang：...

未引用的参考文献
Bennett, 1991
Boulila等人，2011
Boulila等人，2021
Gil等人，2009
Guan等人，2022
Haq等人，1987
Knapp等人，2020
Liu和Zhang，2018
Ma等人，2020
Ma等人，2025
Tan等人，2023
Wu等人，2023
Xie等人，2021
Zou等人，2019

利益冲突声明
所有作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42372173）、四川省自然科学基金（2026NSFSCZY0062）、中国石油天然气重大科技项目（项目编号2025ZD1400400）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0850000）、中国国家留学基金委员会（CSC202509220011）以及2025年青年科技人才培养项目博士项目的支持。

Min Xiong | Lei Chen | Xin Chen | Long Li | Xiucheng Tan | Shuaicai Wu | Zuyou Zhang | Gaoxiang Wang | Jian Cao