黔中隆起北部上奥陶统－下志留统页岩特征

2012-08-01王世玉刘树根孙玮冉波杨迪叶玥豪张旋罗超孙东

成都理工大学学报（自然科学版） 2012年6期

王世玉刘树根孙玮冉波杨迪叶玥豪张旋罗超孙东

（“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

页岩气是最现实的常规油气资源的接替者之一，是指以吸附或游离方式存在于页岩地层及其间所夹砂岩、粉砂岩地层中的天然气［1］。美国于1821年便完成了世界上第一口页岩气生产井［2，3］，现今中国页岩气勘探也取得了实质性进展。作为一种非常规天然气，页岩气将对中国的能源供需矛盾起到重要的缓解作用。经前人研究，四川盆地下志留统龙马溪组页岩有机质演化程度相对中等、埋藏深度适度、钻井天然气显示丰度高［4］。比如，阳63井龙马溪组在深度为3505～3518.5m的黑色页岩井段井喷后，测试获得天然气产量3500m3／d；隆32井龙马溪组在深度为3164.2～3175.2m的黑色碳质页岩井段，中途测试获日产气1948m3［5］；石柱复向斜构造建深1井在钻探中志留系天然气显示活跃，共发现气层24.48m／11层，志留系全层系均含气，特别是小河坝组和龙马溪组显示更好；丁山1井龙马溪组底部黑色碳质泥岩厚度17.3m，TOC的质量分数（wTOC）平均为2.70%，最高为4.41%，最低为1.13%［4］：因此，本层系值得进一步深入研究。在前人研究的基础上，本文主要通过习水骑龙村和綦江观音桥2条野外露头来阐释黔北地区的沉积特征，划分出上奥陶统五峰组、下志留统龙马溪组的有效黑色页岩厚度，对黑色页岩段的wTOC值进行再研究，供页岩气的勘探、开发参考。

1 区域地质概况

黔中隆起北部东起南川，西至赤水，北至綦江，南达桐梓、习水地区，面积近10 000km2，在行政区划上主要位于重庆市西南部、贵州省西北部（图1）。在构造区划上，黔北地区位于黔中隆起北部边缘，西北边为加里东期乐山－龙女寺古隆起，北至华蓥山断裂，南达齐岳山隐伏断裂，东至南川－遵义大断裂，西到兴文－古蔺隐伏大断裂所限的川南低陡褶皱带区域［6］。

图1 黔北地区区域地质图Fig.1 The geological map of the north of the Guizhou middle uplift

本文的研究区主要集中在黔中隆起北部，东起南川－遵义断裂，西到习水县，北到綦江地区，南到遵义，重点研究的露头为习水骑龙村、綦江观音桥2条五峰－龙马溪组地层实测剖面。该区的地层从南华系－白垩系均有出露，上奥陶统－下志留统主要分布在观音桥－习水－古蔺－威信一带，另外在桐梓县南部也有出露（图1）。川东南地区钻遇志留系的探井有丁山1井、林1井等多口钻井。其中林1井下志留统龙马溪组位于井深695～760m处，五峰组的深度为760～777m，五峰组、龙马溪组TOC的质量分数平均值为0.92%［7］，在龙马溪组（685.20～687.60m）泥质粉砂岩中见有气测异常，测井解释为微含气层［4］。丁山1井下志留统龙马溪组位于井深1480.0～1520.3m，平均有机碳的质量分数为1.02%，底部的6个黑色碳质泥岩样品TOC的质量分数平均为2.70%，最高为4.41%，最低为1.13%，为优质黑色页岩［7］。

2 主要沉积相类型及特征

习水骑龙村剖面是川东南地区五峰组、龙马溪组出露最完整的连续剖面（图2）。

骑龙村剖面五峰组与龙马溪组的界线被一层厚0.4m的观音桥段生物介壳灰岩分隔（图3－B），为浅水陆棚相。五峰组下段厚3.3m，主要为黑色页岩，龙马溪组厚度为212.1m。五峰组下段黑色碳质泥页岩含大量笔石和黄铁矿（图3－A），为一种安静的还原环境，应属于深水陆棚沉积。

龙马溪组在岩性上可以明显分为上、下2段：下段主体以页岩和泥岩为主（图3－C），厚度为45.7m，底部则为富含有机质的黑色页岩，常见水平层理（图3－D），黄铁矿纹层比较发育，为深水陆棚相；上段则以钙质页岩和泥岩与灰岩互层（图3－E）为主，厚度为166.4m，其泥灰岩的厚度向上逐渐增加，灰岩条带密度越来越密，为浅水陆棚相。

重庆綦江观音桥剖面也是川东南地区五峰组、龙马溪组比较有代表性的剖面（图2）。同样，观音桥剖面的五峰组与龙马溪组被一层厚为0.3 m的观音桥段生物碎屑灰岩分开（图3－G），可见大量的壳体与贝类化石（图3－H），属浅水陆棚相。五峰组下段由1.3m的黑色碳质页岩与0.6m厚的黑色粉砂岩组成，见大量的笔石化石（图3－F）及黄铁矿颗粒，水体为还原环境，为深水陆棚相。同样，龙马溪组明显分为上下2段，下段是厚7.6m的黑色碳质泥页岩段，含有丰富的笔石、黄铁矿细层，常见水平层理，为较安静的深水陆棚沉积环境；龙马溪组上段砂质、钙质成分含量增加，颜色由黑色变为灰色、灰绿色，岩石后期风化严重，多见球形风化（图3－I），代表了一种浅水陆棚的沉积环境。

综上，骑龙村剖面的涧草沟组－五峰组的岩性变化为涧草沟组瘤状泥灰岩—涧草沟组白色钙质粉砂岩—五峰组黑色钙质泥岩—五峰组黑色碳质页岩，没有明显的岩性变化，说明从涧草沟组－龙马溪组是一个连续的渐变沉积过程，五峰组－龙马溪组的沉积环境的变化为：五峰组下段的深水泥质陆棚—观音桥段的浅水灰质陆棚—龙马溪组下段的泥质深水陆棚—龙马溪组上段的灰泥质浅水陆棚相，总体上为深浅陆棚相交替出现。

习水骑龙村、綦江观音桥剖面龙马溪组下段厚度差较大（图2），但这2条剖面在该段的岩性主要是黑色页岩，都含有黄铁矿结核，常见水平层理，笔石化石丰富，反映了一种静水沉积环境，水较深；另外，这2条剖面在该段的TOC质量分数皆为＞2.0%，有机质丰富。

图2 习水骑龙村、綦江观音桥野外露头沉积相柱状对比图Fig.2 The Columnar contrast figure of the sedimentary facies of the two outcrops in Xishui Qilongcun and Qijiang Guanyinqiao

3 沉积厚度及沉积演化

3.1 沉积厚度分布

图4－A为黔北地区五峰组沉积等厚图。五峰组在黔北地区广泛分布，沉积厚度在4～20m之间，有3个沉积中心，最厚的沉积中心在威信南部，最厚达到20m；另外2个沉积中心分别在古蔺纳羊箐与桐梓红花园，最大厚度分别为12m、14m。从图4－B中可以看出，五峰组上段观音桥段在黔北地区也广泛分布，沉积厚度在0.1～7.4 m之间，在桐梓红花园附近沉积厚度最大，为7.4 m；另外，在习水桑木场与古蔺纳羊箐附近沉积也较厚；从图4－C中可以看出，龙马溪组的沉积厚度特征。本文研究区主要集中在观音桥－习水－古蔺－威信一线以南，龙马溪组的沉积比较单一，表现为从南到北沉积厚度逐渐增加，越靠近黔中隆起，沉积厚度越薄；在綦江观音桥附近最厚，为334m；威信附近沉积也较厚，丁木坳－大坪－铁索桥一线都在250m以上。

图3 川东南地区上奥陶统－下志留统典型露头及沉积特征Fig.3 The Upper Ordovician－Lower Silurian typical outcrops and sedimentary characteristics in the southeast of Sichuan

3.2 五峰组与观音桥段沉积厚度对比

图4－A与图4－B可以看出，黔北地区五峰组与其上段观音桥段的沉积中心基本上一致，沉积中心靠近黔中隆起，从沉积中心与沉积厚度上没有截然的变化，说明五峰组的沉积是一个连续的变化；而五峰组下段为深水陆棚相，表现为以黑色页岩为主，常见水平层理及黄铁矿颗粒，笔石化石丰富（图3－A）。观音桥段为浅水陆棚相，岩性为介壳灰岩，以腕足类占优势，包括正形贝类Hirnantia，Dalmanella，Kinnella及Draborthis，扭月贝类Aegiromena，Leptaena，Leptaenopoma以及Aphanomena等，小嘴贝类Plectothyrella，无窗贝类Hindella等，并伴有三叶虫Dalmanitina 以及少量腹足类、双壳类和珊瑚等［8，9］。露头观测中也见到很多双壳类化石（图3－H）。

沉积相的差异主要取决于沉积环境，前人研究已表明五峰组和龙马溪组所代表层序，恰好是奥陶纪末最后一次和志留纪初第一次全球性海侵阶段［10］。五峰组下段与上段观音桥段沉积主要受构造、海平面升降影响。五峰组下段沉积时期，海平面总体下降，由于构造作用，黔中地区与宜昌地区形成2个水下隆起，使本来流通的水体受到隆起的阻挡作用而形成相对滞留环境，在有机质来源不变的情况下，造成沉积“饥饿”现象，沉积了一套黑色页岩（五峰组下段黑色页岩）。晚奥陶世，随着全球气候的变冷，冈瓦纳大陆冰川不断凝聚，导致全球海平面的下降和高纬度区冷且富氧的海水向赤道方向运移，使得五峰期缺氧水体被观音桥期氧化水体所取代［11］。该时期气温明显降低，海平面下降，水体氧化，对黑色页岩的发育并不有利［12］，因此，在此时沉积了一套浅水陆棚相的观音桥段。

图4 威信－桐梓地区五峰组、观音桥段、龙马溪组沉积厚度对比图Fig.4 The deposition thickness comparison map of Wufeng，Guanyinqiao and Longmaxi Formations in the Weixin－Tongzi area

3.3 五峰组与龙马溪组沉积厚度对比

对比图4－A与图4－C可以看出，五峰组与龙马溪组的沉积变化较大，五峰组的沉积中心靠近黔中隆起，而龙马溪组的沉积中心远离黔中隆起，往北偏移。沉积中心的变化反映了黔中隆起的隆升过程，从南往北逐渐抬升。通过习水骑龙村剖面用X射线衍射方法做出来的石英、长石含量变化值可以验证这一点。四川盆地东部地区龙马溪组页岩中石英矿物的质量分数在2%～93%，主要呈纹层状或分散状分布，为陆源碎屑外源成因［13］。图5中石英含量的最高值对应着长石含量的最低值，石英含量变化趋势由深到浅是由高到低，长石含量变化趋势与之相反，同样证明龙马溪组石英是陆源输入；同时可以看到，TOC的变化趋势与石英含量的变化趋势相同，与长石含量的变化趋势相反，具体有什么关系，需要进一步探讨。对于物源为陆源的矿物中石英含量越高、长石含量越低说明距离物源越远，这是因为对于陆源碎屑，石英的抗风化能力远强于长石。骑龙村剖面从五峰组、龙马溪组的石英含量变化总体上是逐渐减少的。在五峰组上段含量上升，从观音桥段就开始下降，反映了沉积过程中物源的变化过程，这与图4沉积中心的变化基本一致。

图5 习水骑龙村剖面中石英含量、长石含量对比图Fig.5 The comparison of content of quartz and feldspar in the Qilongcun outcrop

沉积中心的变化反映了五峰组与龙马溪组沉积环境的不同。龙马溪组从岩性上可分为明显的上下2段，下段为黑色页岩，层薄，纹层发育，粉砂岩具平行层理及水平层理（图3－D），常见黄铁矿结核，表明水体处于一种滞留、缺氧还原的环境，属于深水陆棚相沉积；上段为灰色薄层钙质页／泥岩与泥质灰岩互层，局部见薄层钙质砂岩夹透镜状泥质灰岩，生物群主要以笔石为主，有少量的三叶虫、腕足类及个别的珊瑚，属于浅水陆棚相沉积。奥陶纪末期冰期之后，伴随着全球温度的迅速上升，大陆冰盖快速融化，导致全球海平面的快速上升，表现为海进，使得扬子地区在龙马溪期重返缺氧环境［11］，在中上扬子地区形成较深水的陆棚沉积环境，沉积了龙马溪组富含有机质的黑色碳质页岩、含碳质泥页岩和泥页岩等。而随后相对海平面开始下降，沉积水体变浅，沉积环境由缺氧环境变为氧化环境，沉积了灰色、灰绿色粉砂质泥、页岩及泥质粉砂岩，并逐渐有灰岩条带出现。

4 上奥陶统下志留统有效黑色页岩厚度

目前，依据斯伦贝谢公司Charles Boyer等（2006）及Devon能源公司的页岩气勘探开发实践，在确定有效页岩厚度时，将页岩的wTOC＞2.0%确定为下限值。这一选值实际上与石油地球化学家在评定烃源岩等级时所确定的“好生油岩”标准相同。

从图2可以看出，上奥陶统－下志留统的黑色页岩段主要是指五峰组、龙马溪组下段，wTOC值较大，＞2.0%；而龙马溪组上段主要为砂岩、粉砂岩以及泥灰岩互层，wTOC值比较小，＜2.0%，甚至＜1.0%。龙马溪组页岩储层主要分布在龙马溪组底部，总体上由黑色碳质页岩、黑色含泥粉砂质碳质页岩组成，为一套深水陆棚沉积［16］。黏土矿物对页岩气的形成和开发有一定积极意义，龙马溪组底部厚度约为30m，伊利石和绿泥石含量低，相应孔隙率高且脆性矿物石英的质量分数＞50%，是理想的页岩气勘探开发层位［17］。在上扬子东南缘五峰组、龙马溪组底部发育一套黑色页岩，其有机质丰度高，残余总有机碳质量分数普遍为＞1%，属腐泥型（Ⅰ型）。

wTOC值高值区在纵向上主要集中在五峰组、龙马溪组下段。如，习水吼滩剖面的wTOC高值集中在龙马溪组下段，约40m厚度的wTOC值＞2%［18－20］。对川东南石柱冷水溪剖面506m龙马溪组总有机质含量的测定表明，在剖面底部20～25m黑色页岩有机质丰度高，有机碳的质量分数基本在3.0%以上，最高达到6.5%；其上厚约80～85m泥页岩的有机碳质量分数在2.0%左右，从底部到顶部，wTOC值逐渐变小（陈波、皮定成，2009）［15］。川东石柱龙马溪组最厚656m，该剖面下部笔石页岩尤为发育，东部地区是龙马溪组wTOC＞2.0%高值分布区，如石柱龙马溪组wTOC在2%～6.7%。其中，wTOC＞2.0%的黑色页岩厚度为115m，这是四川盆地下志留统龙马溪组黑色页岩最为发育的地区［5］。这些都表明龙马溪组有效黑色页岩主要分布在龙马溪组下段，而且有效黑色页岩厚度占龙马溪组厚度的一小部分。

前人对龙马溪组整体岩性的认识不足，以至于以底部的黑色页岩来代替上部粉砂岩、灰岩，无疑人为地增大了黑色页岩的真实厚度。尤其在计算页岩气资源量时，将组厚度当成黑色页岩有效厚度，使得计算结果不符合实际。比如习水骑龙村剖面五峰组、龙马溪组下段黑色页岩的厚度只占整个层厚的15.8%，綦江观音桥剖面的五峰组、龙马溪组下段黑色页岩的厚度约占整个层厚的10%。因此，需要进一步对五峰组、龙马溪组下段进行研究，划分出有效黑色页岩厚度，精确计算四川盆地及其周缘五峰组、龙马溪组的页岩气资源量，从而为页岩气的勘探、开发决策提供依据。