笔石 页岩气勘探的“黄金卡尺”
  • 来源:科普时报
  • 作者:冯伟民
  • 2019-09-10 08:33




图1:笔石动物生态场。图2:巨大心笔石。图3:笔石化石。图4:页岩气勘探现场。

进化杂谈

近年来,我国页岩气勘探开发紧锣密鼓,不断有新进展。可公众有所不知的是,以陈旭院士领衔的中国科学院南京地质古生物研究所专家团队为此作出了特殊的贡献,使古生物学这一古老学科在面向国民经济主战场,勘探开发新型能源中焕发出新的活力。

页岩气是蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源,成分以甲烷为主,是一种清洁、高效的能源资源和化工原料。黑色页岩中常常发现有公众不甚熟悉的神秘化石,看起来就像一支笔的笔石化石。笔石动物其实是与现今海洋中的杆壁虫十分相似,属于半索动物,或者说它是从茎管系统连续规则出芽的海生群体动物。笔石形态精致可爱,十分奇特,有的呈树状,有的如展翅飞翔的大雁,还有的像张开的弓,但最奇异的还要数那些表面布满各种网眼、中间围成一个空腔的网兜状的细网笔石。笔石大约在5亿年前的寒武纪中期出现,在3.5亿年前的石炭纪早期绝灭。沧海桑田,笔石动物死后,经亿万年时间洗礼,以化石形式保存在黑色页岩中。

奥陶纪(距今4.85~4.43亿年)和志留纪(距今4.43~4.19亿年)的笔石非常丰富和多样化的,其演化速度快,地层延时短,且全球广布,几乎每隔几十万年就会产生一大批新种。因此,笔石可以被当作判断地层年代的“黄金卡尺”。用笔石来判定地层年代,尤其在奥陶纪和志留纪是非常精确的,其精确度甚至远高于同位素定年。如今同位素定年能够精确到20万~30万年,已是非常高了,但笔石的精确度更高。目前国际上奥陶纪和志留纪的地层划分,主要就是靠笔石。

奥陶纪许多地方的海水比较深,海底都是缺氧的,所以大量的碳被保存下来。岩石都是黑色的,包括黑色页岩和一些硅质岩。页岩里保存有非常多的笔石化石,有时在一块标本中就能见到数以百计的笔石个体动物,足见在当时,笔石动物在海洋中是何等的丰富。

笔石动物有两种生活方式,一种是固着在海底的,也就是底栖,原始的笔石动物就像一棵树一样,固着在海底,然后向上生长。这种类型的笔石动物一般生活在浅水环境里,因为它多少还是需要一些氧气的,水太深就无法生存。第二种是比较先进的笔石动物,主要是随波逐流的漂浮生活,依靠笔石虫体的触手摆动,滤食海水中悬浮的有机物。这部分笔石动物就可以生活在更加开阔的海水里面,也可以在深水环境中生存。科学家依据笔石动物的类型可以从海水表层到几百米深处,划分出五六个深度带,每个深度带中都有笔石动物的特定组合。

当前,我国页岩气勘探开发方兴未艾,如何圈定页岩气的分布范围,如何确定页岩气的地层分布深度,笔石化石在这方面发挥了重要的作用。开采页岩气,不但需要高端的钻井技术,更需要精准的黑色页岩地层层位标定,其中生物地层标定是钻井现场最快速和精准的方法,可以直接指导打钻至精准的页岩气层位。美国很多页岩气资源更多的是在泥盆纪、石炭纪地层中,这些就不是笔石化石较多的地层了。因此,与美国页岩气不同,我国最主要的页岩气资源正好处在含笔石的地层中。这是我国页岩气资源非常有特色的地方,像在我国四川涪陵页岩气示范区,页岩气所在的层位就是奥陶纪晚期到志留纪早期,这一段时期的黑色页岩里含有大量的笔石。因此,笔石研究这一看似非常基础的古生物门类研究,在国家能源资源勘探中大显身手。

中国科学院南京地质古生物研究所陈旭及其科研团队详细研究了我国笔石的种类和分布特征,将四川盆地上奥陶统五峰组的笔石地层按时间顺序划分为4个笔石生物带,将五峰组地层之上的下志留统龙马溪组的笔石地层划分为9个笔石生物带。这些笔石带指的是含有特定笔石类型或组合的某段地层,现在这13个笔石带已成为我国页岩气产业部门共同采纳的地层划分标准。

页岩气钻井地质学研究表明,这13个笔石生物带中,五峰组的第二至第三个笔石带、龙马溪组的第二至第六个笔石带,具有产出页岩气的普遍特征。因此,这13个笔石地层,就像一个黄金标尺,只要对钻井岩心中笔石的种类进行分析,确定其对应于13层中的哪一层,就能确定该岩心是否富含页岩气了,而普查奥陶纪和志留纪笔石的区域分布就能判断页岩气的分布范围。显然,笔石是页岩气勘探的黄金卡尺和不可多得的好帮手。

(作者系中国科学院南京地质古生物研究所研究员,南京古生物博物馆馆长,中国科普作家协会副理事长)


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