地学前缘

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1. 中国关键矿产现状、研究内容与资源战略分析

李文昌, 李建威, 谢桂青, 张向飞, 刘洪

地学前缘 2022, 29 (1): 1-13. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.1.25

摘要（2333）

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关键矿产是指当前和未来相当长时间内现代社会可持续发展所必须但在稳定供给方面又存在高风险的金属矿产资源,主要包括稀土、稀有、稀散金属和部分稀贵金属矿产资源。关键金属由于具有极度耐高温、耐腐蚀、光学和电磁性质优良等物理化学特性,是航空航天、电子信息、高端制造、新能源、新材料等重点领域和新兴产业发展的重要物质基础。由于高科技和新兴产业的快速发展,未来几十年全球对关键矿产的需求将迅猛增长, 供需矛盾将日益突出,可以说,未来国际矿产资源和科技的竞争在很大程度上将集中于对关键矿产资源的博弈。过去十余年来,中国一直为矿产资源第一消费大国,在未来较长时间内对关键矿产的需求量仍将持续增长。面对国内强劲需求和严峻的国际资源竞争态势, 迫切需要加大科技创新力度, 持续开展关键矿产成矿基础理论和综合利用技术研究。中国的关键矿产种类丰富,成矿过程中关键金属元素的地球化学行为和成矿机制复杂,矿化类型多样,空间分布成群成带,资源潜力大。未来要聚焦关键金属元素超常富集基础理论,重点解决好三方面的科学问题:(1)地球多圈层相互作用对关键金属元素富集的控制作用;(2)关键金属元素富集机制与成矿规律;(3)关键金属元素赋存状态与分离技术。该文立足于国际关键矿产资源形势,提出了全面提升我国对关键矿产资源的管理、勘查、开发和综合利用水平及保障关键矿产资源安全的思考和建议。

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2. 我国南方不同地区寒武系页岩含气性差异主控因素探讨

张同伟, 罗欢, 孟康

地学前缘 2023, 30 (3): 1-13. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.31

摘要（1968）

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中国南方寒武系富有机质页岩具有很大的页岩气资源潜力,但不同地区的勘探效果差异较大。本文分析了近年来我国寒武系页岩含气性研究进展,讨论了寒武系页岩的储层特征、总有机碳(TOC)含量、孔隙度和构造保存条件等因素对页岩含气性的影响。中上扬子地区的寒武系富有机质页岩主要发育在绵阳—长宁裂陷槽、鄂西裂陷槽和湘黔渝深水陆棚—斜坡等沉积相区。寒武系页岩的孔隙度主要分布在1%~6%,孔隙以微孔和介孔占主导,总体以孤立密集发育的海绵状有机孔为主,区别于志留系龙马溪组页岩极为发育的气泡状有机孔。位于裂陷槽环境的寒武系筇竹寺组/水井沱组页岩的有机孔隙发育程度较好(有机质平均面孔率可达20%~50%),且无机孔也对总孔隙度有所贡献;页岩现今含气量为1.5~5.5 m³/t,是理论总生成气量的10%~30%(最大甚至超过50%),反映页岩气保存条件总体较好。而位于深水陆棚—斜坡环境的寒武系牛蹄塘组页岩有机孔发育程度较差(有机质平均面孔率小于20%),页岩现今含气量基本小于1.0 m³/t,不足理论总生成气量的10%,反映页岩气可能发生过大规模散失,页岩气保存条件较差。中上扬子地区寒武系富有机质页岩底部通常存在区域性的不整合面,在沉积之后也普遍经历过强烈的后期构造抬升作用,均可能造成油气的散失。相比之下,绵阳—长宁裂陷槽和鄂西裂陷槽环境下的寒武系页岩孔隙发育情况和构造保存条件相对较好,富有机质层段内发育的钙质页岩/泥灰岩夹层可能会限制油气在垂向上的运移和散失,为寒武系页岩气的保存创造了有利条件,应是寒武系页岩气勘探的重点目标,这也与我国目前的寒武系页岩气勘探实际相对应。

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3. 我国海洋科学发展现状与未来展望

吴立新, 荆钊, 陈显尧, 李才文, 张国良, 王师, 董波, 庄光超

地学前缘 2022, 29 (5): 1-12. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.4.60

摘要（1740）

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海洋是生命的摇篮、资源的宝库和国家安全的屏障,是未来人类可持续发展的重要战略空间。到目前为止,广袤深邃的海洋只有5%的区域被人类探索,加快海洋科技创新、提高海洋资源开发能力、保护海洋生态环境是实现“关心海洋、认识海洋、经略海洋”的根本,事关国家发展的命脉。海洋问题的复杂性使其无法通过单一学科的研究得以解决。目前,我国海洋科学的研究已逐步从过去的跟跑阶段进入并跑阶段,但原始创新能力明显不足。本文回顾分析了我国海洋科学领域的研究进展与发展态势,对标找出与世界先进国家的差距,展望了今后的发展方向,指出围绕海洋多尺度相互作用与气候变化、健康海洋、海洋生命过程、跨圈层流固耦合、快速变化的极地系统、海岸带可持续发展等重大科学前沿,加强顶层设计和战略布局,开展跨尺度、跨圈层的多学科交叉研究,组织并发起我国主导的国际大科学计划,从而显著提升我国在海洋科学研究领域的国际影响力,切实提高保障国家安全和服务社会经济发展需求的能力,为建设海洋强国、构建人类命运共同体提供重要科技支撑。

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4. 鄂西宜昌地区寒武系水井沱组页岩破碎气地球化学特征及其对页岩含气性的指示意义

孟康, 邵德勇, 张六六, 李立武, 张瑜, 罗欢, 宋辉, 张同伟

地学前缘 2023, 30 (3): 14-27. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.41

摘要（1638）

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本文选取鄂西宜昌地区流溪ZK003井水井沱组页岩岩心样品13块,开展破碎气测试分析,并结合TOC含量、矿物组成含量以及邻近地区高氮气井—秭地1井的解吸气特征,综合探讨鄂西宜昌地区寒武系页岩气中氮气成因和富集机理。结果表明,研究区水井沱组页岩样品破碎气含量为1.45~14.75 μL.STP/g,变化大,主要受控于页岩中碳酸盐矿物丰度;破碎气以氮气和甲烷为主,相对含量分别为7.92%~86.27%和10.10%~90.88%,且氮气含量明显受控于页岩中TOC含量和黏土矿物含量,并与页岩破碎气含量呈良好的负相关关系。破碎气主要保存在方解石、白云石、黏土矿物及有机质封闭孔隙中,高—过成熟阶段有机质中氮和铵基黏土矿物中氮的释放是水井沱组富有机质页岩中氮气的主要来源。此外,持续性构造抬升剥蚀等地质过程不仅可能造成页岩气散失,还会导致氮气的相对富集。结合我国南方不同地区古生界海相页岩气中氮气含量和氮同位素组成特征的对比分析发现,寒武系页岩气中氮气含量(2.69%~98.92%)远高于下志留统龙马溪组页岩气(0.01%~9.30%)。鄂西宜昌地区水井沱组页岩气中氮气δ¹⁵N_N2相较于其他地区明显偏重(Δ¹⁵N_N2=1.5‰~12.7‰),可能与铵基黏土矿物高温热裂解成因氮气有关。

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5. 基于深度学习的页岩扫描电镜图像有机质孔隙识别与比较

陈宗铭, 唐玄, 梁国栋, 关子珩

地学前缘 2023, 30 (3): 208-220. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.45

摘要（1628）

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将深度学习模型引入地质图像分析中,可以大幅提高工作效率,增加研究定量化程度,开拓图像研究新领域。本文以上扬子鄂西地区下寒武统牛蹄塘组页岩的离子抛光扫描电镜图像为例,通过对图片二值化等预处理后,利用Mask-RCNN、FCN和U-Net 3种深度学习模型对页岩中主要矿物、有机质及孔隙等进行识别,比较运行时间与识别结果的准确度,讨论了不同深度学习模型在地质图像识别和处理过程中的适用性和差异性。并优选效果最优的U-Net模型与JMicroVision、Adobe Photoshop等通用图像处理软件识别结果进行孔隙识别对比。结果显示:FCN模型能够基本识别图像中的主要矿物、有机质与孔隙,但对颜色相近的组分和裂缝识别效果较差;Mask-RCNN模型可识别分割性强的主要矿物,但对分辨率较低的孔隙和裂缝识别效果较差;U-Net模型对主要矿物、有机质及孔隙识别效率大大提高,在页岩地质图像识别方面具有优势。相较于通用图像处理软件,U-Net模型识别速度提高了300多倍。基于深度学习U-Net模型识别结果,研究区牛蹄塘组页岩孔隙结构类型可分为矿物内圆状孔、矿物间随机不规则孔、有机棱角状孔和有机密集微孔。基于足够数量电镜图片识别得到的孔隙结构参数对于实际储层分类评价具有参考价值。本实验为基于深度学习的页岩扫描电镜图像识别与分析提供了范例,对提高地质图像研究工作效率和推进油气智能化具有一定的借鉴意义。

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6. 宜昌地区寒武系水井沱组(第二统第三阶)生物组合面貌及其地层分布

潘晓强, 华洪, 代乔坤, 骆劲舟, 刘紫薇

地学前缘 2023, 30 (3): 28-43. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.32

摘要（1551）

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近年来随着“鄂宜页1井”高产气井的突破,寒武系水井沱组(第2统第3阶)已成为中扬子区页岩气勘查开发新的主力层系。本文旨在前人研究的基础上,通过对水井沱组中主要生物类型、古生物组合面貌及其时空分布的简要总结,为鄂西地区的页岩气勘探提供对比借鉴。宜昌地区寒武纪地层发育完整,广泛出露于宜昌、秭归、长阳、兴山等地,古生物化石较为丰富,是开展寒武纪地层及古生物研究的经典地区之一。埃迪卡拉纪—寒武纪过渡时期的地质记录中保存了寒武纪大爆发和后生动物多样化事件的化石证据,从寒武系纽芬兰统到第二统,自下而上发现了岩家河生物群、水井沱生物群(包括清江生物群)、石牌生物群和京山布尔吉斯页岩型生物群等,它们化石类群多样,浮游生物和底栖生物丰富,而在长阳发现的清江生物群更是具有典型布尔吉斯页岩型动物群特异埋藏化石库的特点,出现了大量高保真度的软躯体类群,代表了远离海岸的较深水环境,为寒武纪大爆发研究打开了一个新的窗口。从岩性、生物类型以及构造运动来看,宜昌地区水井沱组发育一套以黑色页岩或钙质页岩夹碳质灰岩为主的黑色岩系,其中海绵化石在黑色岩系中呈现出较高的丰度和多样性,显示当时深水低氧的沉积环境。同时繁盛的微体生物表明当时海洋具备较高的初级生产力,为有机质的埋藏富集以及页岩气的形成奠定了良好的物质基础;加上黄陵背斜刚性基底的影响,并未引起储层变形和破坏。因此,宜昌地区水井沱组黑色岩系具有很高的勘探开发潜力。

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7. 黔北寒武系牛蹄塘组页岩孔隙分形表征

唐玄, 郑逢赞, 梁国栋, 马子杰, 张家政, 王玉芳, 张同伟

地学前缘 2023, 30 (3): 110-123. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.36

摘要（1520）

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页岩的孔隙结构是影响页岩气赋存和流动的关键因素,分形维数可以用来定量描述页岩孔隙结构的复杂程度。以黔北地区牛蹄塘组富有机质页岩为例,在扫描电镜、页岩地球化学和矿物组成分析基础上,利用高压压汞和低温氮气吸/脱附法研究了页岩孔隙结构特征参数,利用FHH模型计算了孔隙分形维数,讨论了孔隙结构的影响因素。研究发现:(1)下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩石英含量为39.0%~68.4%;黏土矿物含量为11.5%~28.2%;有机碳含量为2.77%~5.81%,平均为3.81%;有机质成熟度高。(2)氮气吸脱附数据显示BET比表面积为11.954~21.744 m²/g,平均为14.572 m²/g;总孔体积为0.018 6~0.025 9 cm³/g,平均为0.021 4 cm³/g;平均孔径范围在4.773~7.025 nm,平均为5.967 nm。微孔对总比表面积贡献大,而中孔和宏孔对孔隙体积贡献大。(3)基于低温氮气吸附数据获得的页岩孔隙分形维数D₁和D₂分布相对集中(D₁为2.65~2.71,D₂为2.79~2.85),压汞数据的大孔隙分形维数分布范围宽(D_Hg为2.21~2.81),分形维数显示牛蹄塘组富有机质页岩具有以微孔为主的复杂孔隙结构和高度非均质性,孔隙发育具有多重分形特征。(4)分形维数D₂与有机碳含量和微孔体积有明显的正相关关系,显示分形维数D₂可用于有机质孔隙结构表征,而矿物组成对分形维数没有明显影响。研究区牛蹄塘组页岩分形维数与龙马溪组产气页岩较为接近,指示本区页岩具有较好的孔隙结构。

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8. 宜昌地区寒武系页岩层段吸水特征、孔隙结构差异性及对页岩储层评价的意义

张六六, 陈更新, 乐幸福, 张瑜, 邵德勇, 闫建萍, 孟康, 张同伟

地学前缘 2023, 30 (3): 138-150. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.38

摘要（1509）

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选取宜昌地区ZK003井寒武系页岩样品为研究对象,运用吸水实验、氦孔隙度测试、有机碳含量测定等方法,并结合矿物组成分析对水井沱组不同层段页岩孔隙发育特征及其影响因素进行对比。研究结果表明:宜昌地区寒武系水井沱组自下而上分为4段,不同层段页岩孔隙特征具有显著的差异,总体表现为TOC含量越高,页岩的单位岩石饱和吸水量越高,初始吸水速率越高,孔隙度也越大。其中富有机质一段和二段页岩TOC含量为1.8%~11.5%,平均为4.6%;页岩氦孔隙度为1.6%~5.8%,平均为3.9%;饱和吸水量为6.1~21.4 mg/g,平均为15.3 mg/g。水井沱组富有机质第一段页岩TOC含量比第二段高,而孔隙度、吸水量、吸水速率却明显比二段偏低,分析发现第一段碳酸盐矿物与吸水量呈良好负相关关系,而第二段页岩黏土矿物含量与岩石吸水量呈明显正相关,因此认为第一段中碳酸盐矿物的化学胶结作用阻碍了微、纳米孔隙的发育,而第二段页岩黏土矿物自身发育的微孔隙和较大比表面积,对水分子起到很强的吸附作用。富有机页岩第二段孔隙度高,顶、底板泥灰岩封隔性好,有利于页岩气的富集和保存,是研究区页岩气优质储层。研究结果可为寒武系页岩优质储层筛选及页岩气勘探的“甜点区”预测提供参考。

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9. 鄂西宜昌地区寒武系页岩过剩钡成因及其对有机质富集的指示

罗欢, 邵德勇, 孟康, 张瑜, 宋辉, 闫建萍, 张同伟

地学前缘 2023, 30 (3): 66-82. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.34

摘要（1506）

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通过对鄂西宜昌地区鄂阳页1井(EYY1)寒武系底部岩家河组和水井沱组下部的总有机碳(TOC)、总无机碳(TIC)、微量元素(Ba、U、Th)和稀土元素分析,并结合前人对中上扬子地区7个位于不同沉积环境区寒武系剖面的研究结果和已有数据报道,讨论了寒武系水井沱组富有机质页岩中过剩钡(Ba_过剩)的成因、来源及其对海洋古生产力水平的指示。结果表明,中上扬子地区寒武系富有机质页岩普遍富集Ba_过剩,而且从浅水内陆棚到深水外陆棚——大陆斜坡,再到热水沉积区,寒武系页岩的Ba_过剩富集程度趋于增加,反映了与古陆物源区的距离远近以及古地理背景对Ba_过剩富集的控制。寒武系富有机质页岩中所富集的Ba_过剩有热液成因和生物成因两种来源,Ba_过剩-Eu异常图版可用于推测其主要来源:黔北—湘西北地区所处的热水沉积区内Ba_过剩含量极高(>10 000 μg/g),具有显著的正Eu异常,且Ba_过剩与Eu异常值具有正相关性,指示Ba_过剩主要为热液成因,其含量变化反映了热液活动的强度;鄂西地区和黔南地区Ba_过剩含量相对较高(5 000~10 000 μg/g),四川盆地西部Ba_过剩含量相对较低(<1 000 μg/g),而且都不具备正Eu异常,指示Ba_过剩为生物成因,其含量变化与古生产力水平有关。与中上扬子其他地区寒武系页岩的TOC含量、U/Th值及Ba_过剩富集程度的综合对比表明,宜昌地区较高的古生产力水平和强还原条件为有机质的来源和保存提供了物质基础和有利条件,共同决定了寒武系水井沱组页岩有机质的富集。

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10. 中-上扬子地区下寒武统筇竹寺阶泥页岩差异成气过程分析

何陈诚, 陈红汉, 肖雪薇, 刘秀岩, 苏奥

地学前缘 2023, 30 (3): 44-65. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.33

摘要（1505）

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中-上扬子地区下寒武统筇竹寺阶黑色泥页岩具有很高的总有机碳丰度(TOC含量)和生烃潜力而被认为是继上奥陶—下志留统五峰组—龙马溪组页岩气取得突破之后最有潜力的后备勘探层系。其优质烃源岩主要分布于绵阳-长宁裂陷槽、湘鄂西裂陷槽、川东-黔北深水陆棚相和斜坡-盆地相。优质烃源岩层段受沉积相带控制主要分布于筇竹寺阶下部,其TOC具有不对称单峰型分布样式;若受到热水沉积影响,则出现两个TOC峰值;在深水陆棚和斜坡-盆地相中-上部则发育多个稳定分布的TOC峰值。烃源岩生烃史数值模拟、流体包裹体分析、超低浓度U-Pb定年和页岩气组分与同位素组成成因分析综合结果表明,中-上扬子地区下寒武统筇竹寺阶黑色泥页岩存在两种成烃演化模型:(1)以湘鄂西和川东地区为代表,筇竹寺阶烃源岩经历一期生油和原油/干酪根裂解生气过程,加里东晚期(430 Ma)第一次生油,温度95.7~105.2 ℃;海西晚期(270 Ma)原油开始裂解成气,温度144.7 ℃左右;燕山早期湿气二次裂解,温度215.3 ℃;成气时限270~130 Ma;燕山晚期至今(130~0 Ma)页岩气泄漏。(2)以陕南、川南、川中和川西南等地区为代表,筇竹寺阶烃源岩经历了两期生油和原油/干酪根裂解生气过程;第一期生油时间421.5 Ma,温度115.8~128.9 ℃;第二期生油时间262.4~256.4 Ma,温度137.1~150.0 ℃;海西晚期((259.4±3.0) Ma)裂陷槽筇竹寺组原油在140 ℃左右开始裂解成气;燕山中—晚期(175~133 Ma)湿气二次裂解,温度220 ℃左右;至今由于保存条件较好仍处于聚集和调整过程之中。不同成烃演化模型的出现主要是受区域构造沉积演化控制的。研究区下寒武统筇竹寺阶泥页岩气主要为有机成因的“油型气”,是干酪根裂解气和原油裂解气混合气;黔北地区和渝东南地区内因断层发育,早期生成的页岩气受到地表水和大气的冲洗,使得页岩气组分和同位素发生变化,富氮、δ¹³C₁值降低。

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11. 华南中生代陆内成矿作用

胡瑞忠, 高伟, 付山岭, 苏文超, 彭建堂, 毕献武

地学前缘 2024, 31 (1): 226-238. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.9

摘要（1486）

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陆内成矿机制是全球性科学难题。华南陆块中生代成矿大爆发,成矿作用远离活动大陆边缘,形成西部金锑铅锌低温成矿省和东部钨锡多金属高温成矿省,是研究陆内成矿的理想场所。因为空间上的分离,两个成矿省长期被认为是互为独立的体系。研究发现,西部低温成矿(230~200 Ma、160~130 Ma)与东部高温成矿时代一致并显示类似的地球化学指纹,印支期陆内造山和燕山期软流圈上涌是其共有成矿驱动机制,两个成矿省是具有成因联系的整体,共同构成面状展布的巨型多金属陆内成矿区;成矿后华南从西向东剥蚀程度的增强控制了目前近地表矿西部低温、东部高温的空间分布格局,低温成矿省东部区域的深部可能存在高温钨锡多金属矿床。在此基础上,建立了定位于陆内岩石圈先存薄弱区、陆壳供给矿源、高低温矿并重、成矿面状展布从而明显区别于板块边缘成矿机制的华南陆内成矿新理论。

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12. 页岩气成气过程的流体包裹体证据——以重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组为例

刘秀岩, 陈红汉, 肖雪薇, 李培军, 王保忠

地学前缘 2023, 30 (3): 165-180. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.42

摘要（1426）

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页岩气的成气过程一直以来难以获得直接的地质证据,而厘清页岩何时生油何时生气以及这些过程对应的温度、成熟度指标对未来的南方页岩气勘探意义重大。脉体中的流体包裹体可以记录地质历史时期流体活动的特征,为恢复流体演化历史提供依据。本次研究选取了重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组的页岩样品,采用流体包裹体系统分析的技术方法对页岩脉体中捕获的各类包裹体进行研究,共检测到3种类型的烃类包裹体,分别为沥青+气包裹体、沥青包裹体和烃气包裹体。这3种类型的烃类包裹体指示了页岩生气过程中的不同演化阶段。研究结果表明,重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组页岩气演化可以划分为初次生油阶段、原油裂解为湿气阶段、湿气二次裂解为干气阶段和页岩气散失阶段4个阶段。与酸性流体活动伴随的异常高温对页岩油向页岩气的快速转化起到了关键作用,对牛蹄塘组进一步的页岩气勘探应寻找曾经有过异常高温热流体活动并且在后期构造变形较弱的地区。

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13. 上扬子地区寒武系牛蹄塘组页岩有机质孔隙发育特征及主控因素

马子杰, 唐玄, 张金川, 翟刚毅, 王玉芳, 梁国栋, 罗欢

地学前缘 2023, 30 (3): 124-137. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.37

摘要（1424）

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上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩气勘探开发程度较低,且不同沉积区域有机质孔隙发育具有明显的差异性。本文针对位于上扬子板块东部鄂西裂陷槽的EYY1井、板块西部浅水陆棚相的W001-4井以及板块北部汉南古陆的SNY1井3个不同沉积区域的钻井样品进行分析,根据矿物组成划分了岩性;利用扫描电镜观察分析了有机质类型及有机质孔隙发育特征,并在此基础上讨论了有机质孔隙发育的主控因素。研究发现:(1)不同区域牛蹄塘组页岩矿物及岩性组成有差异,EYY1井、W001-4井页岩取样段岩性包括硅质页岩、钙质页岩和过渡型页岩3类,而SNY1井取样段岩性均为硅质页岩;(2)牛蹄塘组有机质分为原生有机质和运移有机质,原生有机质均具有较高的C/O比值,平均为6.74;运移有机质C/O值相对较低,平均为2.71;(3)EYY1井与SNY1井有机质孔隙发育较好,面孔率达到6%~28%,而W001-4井有机孔发育较差,面孔率为3%~10%。牛蹄塘组有机孔孔径分布均为单峰型,EYY1井和SNY1井有机质孔隙直径主要分布在2~50 nm,W001-4井样品有机质孔隙大小普遍在5~25 nm;硅质页岩有机质面孔率普遍高于钙质页岩;(4)牛蹄塘组页岩中运移有机质孔隙发育程度好于原生有机质,有机质生烃增孔作用和压实减孔作用相互叠加影响有机孔的发育。黏土矿物是制约页岩有机质孔隙微观发育机制的重要因素,富黏土的硅质页岩可能是寒武系页岩气甜点选择的重要线索。

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14. 高纯石英的研究进展及发展趋势

杨晓勇, 孙超, 曹荆亚, 施建斌

地学前缘 2022, 29 (1): 231-244. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.8.1

摘要（1417）

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石英是一种在地壳上大量分布,有着广泛工业用途和广阔应用前景的矿物。当石英晶体形成演化时,受结晶时环境条件、流体性质、结晶后遭受改造(如变质作用、构造变形和热扰动等)等影响,杂质元素如P、Ti、Ge、Al、B、Be、Ca、Na、K、H、Li等会或多或少存在于石英晶体中,因此在自然界不存在纯SiO₂组分的石英。同时,基于石英的微量元素组成,可以反演石英源区和形成演化过程,并用于研究岩石及矿床成因等科学问题。石英晶体内部杂质元素以类质同象替代、气液包裹体、矿物包裹体(不能按尺度分,应该按照状态划分存在形式)3种形式存在。石英中杂质元素的种类、含量、赋存形式,特别是包裹体特征将直接影响石英资源的品质和工业用途。本文还系统地阐述了石英的发光特性、工艺性能以及高纯石英的质量分类与标准和高纯石英原料来源等方面的内容。在本研究中,通过光学显微镜和激光拉曼测试,初步地查明了苏北张锦庄石英砂和广西姑婆山花岗岩石英中流体包裹体的分布和矿物包裹体的种类,这是开展后续研究的基础。高纯石英是优质石英资源经纯化加工得到的高品质石英原材料,可用于石英玻璃、石英坩埚、半导体、高温灯管、光纤、精密光学、微电子和太阳能等高新技术产业中。研究高纯石英原料的评价体系、理想源岩和形成机制有益于持续性地供给高纯石英原料, 极大地提高了石英原料的工业附加值。

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15. 黔北地区牛蹄塘组页岩有机质富集及有机质孔隙发育机制研究

吴陈君, 刘新社, 文志刚, 妥进才

地学前缘 2023, 30 (3): 101-109. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.35

摘要（1414）

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基于上扬子黔北地区下寒武统牛蹄塘组典型钻孔剖面,通过对代表性样品TOC含量、矿物组成、主量元素、微量元素、孔隙特征等测试分析,对黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩有机质特征、沉积环境以及孔隙发育机制开展了系统研究,为黔北地区牛蹄塘组页岩气的勘探提供参考。黔北地区牛蹄塘组中、下段发育富有机质页岩,TOC含量平均值为2.53%,TOC含量大于2.0%的富有机质页岩累积厚度约80 m。对氧化-还原环境敏感参数U/Th、Mo/Al和U/Al的研究表明,富有机质页岩形成于强还原性的沉积环境。牛蹄塘组中段富含黏土矿物的中等TOC含量页岩段较底部贫黏土矿物的高TOC含量页岩段孔体积和孔比表面积更高,有机质孔发育更好,可能与剖面下段排烃效率较高有关。富含黏土矿物的中等TOC含量页岩黏土矿物粒间孔较为发育,为生烃期原油或者运移沥青提供了一定的储集空间,并在更高热演化条件下二次裂解成气产生有机质孔。牛蹄塘组中段中等TOC含量页岩段较底部的高TOC含量页岩段为更有利的页岩气富集层段。

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16. 鄂西宜昌地区寒武系水井沱组页岩生物成因硅特征及其对页岩气富集的影响

张瑜, 黄德将, 张六六, 万传辉, 罗欢, 邵德勇, 孟康, 闫建萍, 张同伟

地学前缘 2023, 30 (3): 83-100. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.40

摘要（1399）

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通过对鄂西宜昌地区寒武系岩家河组—水井沱组页岩进行高分辨率样品采集,利用总有机碳(TOC)含量、主量元素分析、氦孔隙度等定量分析和透反射光显微镜、阴极发光显微镜等定性分析相结合的方法,研究了水井沱组黑色岩系生物成因硅的纵向变化特征及其与页岩气富集的关系。结果表明:寒武系底部岩家河组和水井沱组上部贫有机质层段过剩硅含量低,未见明显生物碎屑痕迹,几乎不含或含少量自生成因石英,而水井沱组富有机质层段存在较多生物成因硅,具有明显的分段性(一段、二段)且硅质来源明显不同。富有机质层段底部(一段)过剩硅含量高,为4.44%~24.97%,平均值为16.76%,受钙质夹层的影响波动较大,生物成因硅占比高,受陆源碎屑影响小。生物碎屑类型主要为硅质海绵骨针,还有少量絮状硅质聚集体,骨针腔体和硅质聚集体粒间孔中可见有机质。而富有机质层段中上部(二段)过剩硅含量相对一段明显降低,为7.13%~20.47%,平均值为13.66%,受陆源碎屑影响更大。生物碎屑类型主要为放射虫、纺锤状硅质聚集体和海绵骨针,可见有机质与这些生物成因硅和陆源碎屑共生在一起。在整个富有机质层段,TOC含量与总硅含量无明显关系但与过剩硅呈明显正相关性,且镜下发现似藻类孢囊中块状有机质内杂乱分布大量微晶石英,早期成岩作用阶段形成的生物成因硅不仅因为与藻类等的共生关系确保了较高生产力,同时因其在适宜的沉积环境下自身较强的硬度形成支撑格架为有机质提供了赋存空间,揭示了宜昌地区水井沱组富有机质层段生物成因硅的发育有利于有机质的富集。一段TOC含量明显高于二段但孔隙度略低,这可能与生物成因硅在这两段的差异相对应,生物成因硅与陆源碎屑一定比例共生形成的刚性格架可能对孔隙的发育和保存起保护和支撑作用。宜昌地区寒武系水井沱组富有机质层段硅质来源可能是引起页岩含气性差异的主要因素。

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17. 泥岩微观组构对有机质赋存形式和孔隙发育的影响研究:以白垩系Eagle Ford页岩为例

邵德勇, 李艳芳, 张六六, 罗欢, 孟康, 张瑜, 宋辉, 张同伟

地学前缘 2023, 30 (3): 151-164. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.39

摘要（1397）

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以美国Texas州白垩系Eagle Ford页岩为研究对象,采用氩离子抛光-场发射扫描电镜技术,并结合X射线能谱分析,对位于生油窗的原始岩心样品和位于生气窗的柱状模拟样品开展镜下有机质赋存形式和孔隙发育、演化特征研究。结果表明,Eagle Ford页岩样品在镜下的不同微区可以划分出硅质黏土质条带、钙质有孔虫化石和富颗石藻透镜体3种典型组构类型,并且不同类型组构中有机质赋存形式和孔隙发育、演化特征存在显著差异。其中,硅质黏土质条带中富集大量无定形干酪根和少量结构型干酪根,无定形干酪根在生油窗由于结构内部滞留了大量吸附油基本不发育孔隙,到了生气窗伴随吸附油裂解开始形成丰富的纳米级海绵状孔隙,而结构型干酪根由于异常低的生烃潜力,基本不发育孔隙;有孔虫化石腔室内部赋存的有机质代表早期充注的运移沥青,在生油窗发育大量气泡状孔隙和丰富的纳米级海绵状孔隙,但在生气窗纳米级孔隙发生相互融合,则开始以发育微米级孔隙为主;富颗石藻透镜体中赋存的有机质可能代表相对后期充注的运移沥青,在生油窗发育丰富的纳米级海绵状孔隙,并未见气泡状孔,且在生气窗由于异常高的有机质转化率,原矿物粒间孔重新暴露,有机质几乎被消耗殆尽。该研究结果不仅证实了泥岩中有机质孔隙的发育、演化特征受有机质类型和成熟度的双重控制,同时也为从泥岩微观组构、有机质赋存形式和有机孔发育非均质性三者之间的内在联系反演地下富有机质泥岩的生—排—滞留烃过程并揭示高-过成熟阶段有机质孔隙的发育载体和保存机理提供了重要研究思路。

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18. 鄂西宜昌地区下寒武统水井沱组草莓状黄铁矿SEM图像特征及古环境指示意义:以鄂阳页1井为例

宋辉, 邵德勇, 罗欢, 孟康, 张瑜, 唐玄, 张同伟

地学前缘 2023, 30 (3): 195-207. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.44

摘要（1344）

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草莓状黄铁矿在页岩中广泛分布,其形态特征及粒径大小等可作为指示氧化还原状态的环境指标。本文以鄂西宜昌地区鄂阳页1井水井沱组富有机质层段及岩家河组样品为研究对象,利用氩离子抛光-场发射扫描电镜技术,结合图像处理软件ImageJ,快速获取SEM图像中草莓状黄铁矿相关参数,并探讨其环境指示意义。结果表明,鄂阳页1井下寒武统剖面样品中黄铁矿赋存形式多样,包括草莓状黄铁矿集合体、团块状黄铁矿、黄铁矿自形晶及有机质中星点状分散的黄铁矿等。其中,草莓状黄铁矿作为最主要的赋存形式,其粒径(D)、微晶粒径(d)、D/d值以及微晶晶型等相关参数在垂向上呈现明显变化。岩家河组草莓状黄铁矿微晶晶型以八面体为主,水井沱组富有机质层段底部以五角十二面体及近球形为主,中部以八面体、立方体为主,上部以立方体、四面体为主,自下而上微晶圆度呈逐渐减小趋势,反映了还原性减弱的过程。水井沱组富有机质页岩中草莓状黄铁矿平均粒径为4.43 μm,中下部偏大,上部粒径偏小。草莓状黄铁矿微晶平均粒径为0.338 μm,剖面上自下而上呈现由大到小的变化趋势。D/d值在岩家河组样品中偏小,在水井沱组富有机质层段下部最大,上部逐渐减小。综合相关参数在剖面上的变化,在岩家河组与水井沱组底部环境突变的位置,草莓状黄铁矿更多反映突变前的环境状态,水井沱组富有机质层段上部偏氧化状态下草莓状黄铁矿粒径偏小,可能当时氧化还原界面仍位于水体中,且指示物源供给中含铁矿物丰度减小。

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19. 湘西吉首斜坡带下寒武统牛蹄塘组页岩气成气过程的流体包裹体证据:以湘吉地1井为例

肖雪薇, 陈红汉, 刘秀岩, 彭中勤, 李培军, 王保忠

地学前缘 2023, 30 (3): 181-194. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.43

摘要（1324）

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中国南方地区资源丰富,古流体活动频繁。基于湘西地区吉首斜坡带下寒武统牛蹄塘组的岩心资料,通过显微薄片、冷阴极发光、流体包裹体等多项实验测试综合分析,以牛蹄塘组黑色页岩脉体为重点研究对象,对湘西地区吉首斜坡带下寒武统牛蹄塘组页岩的流体活动与页岩气的成烃演化过程进行了初步探索。研究认为湘西地区牛蹄塘组脉体沉淀有白云岩、石英和方解石矿物,发育有单一脉体和混合脉体,碳酸盐脉体多与混合热流体有关(上升流和海水);流体包裹体以沥青包裹体、甲烷包裹体和盐水包裹体为主。结果表明与烃类演化相关的共有4期流体活动:早—中奥陶世、早志留世、早—中三叠世和古近纪。

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20. 什么是数学地球科学及其前沿领域?

成秋明

地学前缘 2021, 28 (3): 6-25. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.1.17

摘要（1320）

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数学地质或者数学地球科学作为一门自然科学与地球科学的交叉学科,长期以来缺乏统一的学科定义,导致了学界对该门学科的理解常常出现偏差,甚至常常不把其作为一门独立学科,一定程度上影响了学科的发展。笔者曾任国际数学地球科学学会的执行主席、副主席、主席十余年,见证和领导了国际数学地球科学学会从数学地质向数学地球科学的转变,以及学会相关的杂志、会议等名称和内容的更新。期间于2014年在学会年度报告中提出了数学地球科学的新定义和学科内涵,2018年在庆祝学会50周年的数学地球科学手册中详细论述了数学地球科学学科的定义、内涵、贡献和前缘等。本文将在以上数学地球科学新的学科体系框架下探讨数学地球科学的主要贡献、科学进展、学科前缘和科普教育。在回顾学科发展历史的基础上分析了数学地球科学与数学地质学的差异,介绍了数学地球科学在大地测量和地球物理学、板块构造理论、地球化学、沉积学、地理信息系统、矿产资源和能源预测等领域的重要贡献。从国际地球科学前缘方向分析了数学地球科学的学科前缘,介绍了定量研究地球复杂性、大数据-深度机器学习与复杂人工智能等新的学科增长点。回答诸如什么是数学地球科学?数学地球科学家对地球科学的贡献?数学地球科学是否处在地学前缘等问题。

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