石柱复向斜五峰组—龙马溪组笔石页岩特征浅析

张 翔,陈 波,郭志辉

[1.长江大学(武汉)非常规油气湖北省协同创新中心,湖北武汉430100; 2.长江大学(武汉)地球科学学院,湖北武汉430100]

石柱复向斜五峰组—龙马溪组笔石页岩特征浅析

张 翔1,陈 波1,郭志辉2

[1.长江大学(武汉)非常规油气湖北省协同创新中心,湖北武汉430100; 2.长江大学(武汉)地球科学学院,湖北武汉430100]

为了探讨石柱复向斜及周缘地区五峰组—龙马溪组笔石与页岩有机质的关系,基于前人研究成果,结合研究区3处野外露头剖面(武隆黄莺、利川毛坝和石柱漆辽)观测及样品分析,对笔石页岩的总有机碳含量、反射率特征和保存特征进行了综合分析。结果表明,C元素含量与笔石的丰度有着必然联系,笔石丰度大的地层,总有机碳含量也较高;通过公式可将笔石反射率转换为等效镜质组反射率,从而有效指示成熟度;有机质压扁薄膜状态、立体—半立体黄铁矿化是笔石的两种保存状态,受陆源物质影响程度不同,其对有机质和孔隙的贡献也有所差异,前者有机质丰富,利于页岩气的成烃和保存,后者陆源碎屑多,有机质较少,且填充矿化现象严重,孔隙贡献率非常低,对页岩气形成不利。

五峰组—龙马溪组;笔石体;成熟度;有机质;保存状态

鄂西—渝东地区志留系页岩气勘探在涪陵取得突破后,五峰组—龙马溪组成为页岩气勘探与研究的热点,石柱复向斜及其周缘地区邻近涪陵地区,也是勘探的重点区块。前人对石柱复向斜上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相碎屑岩进行过一定的研究,马永生等指出中国南方志留系为一套碎屑岩沉积,鄂西—渝东地区主要为陆棚和潮坪相沉积环境上发育的黑色碳质页岩、深灰色泥岩及灰绿色粉砂岩[1];马文辛等认为鄂西—渝东地区的龙马溪组主要发育黑色碳质笔石页岩相、深灰色(灰色)泥岩相和含粉砂泥岩相[2]。但目前大多研究均针对海相碳酸盐岩开展,只是将海相碎屑岩沉积的志留系作为区域性烃源岩和盖层来认识,对志留系笔石与页岩的成因关系研究不足[3]。

笔石页岩相以含丰富的笔石为特征,其对应于半封闭的海盆、海湾等古地理环境。这些环境有利于形成滞留的水体,底栖生物由于缺氧而大量死亡,生活在上层水体的笔石死亡沉入水底后在无水流搅动和底栖生物破坏的环境中大量保存下来[3]。黑色笔石页岩是良好的烃源岩,具有丰富的有机质,对油气生成非常有利。

1 笔石纲的概况

中国笔石属种特别丰富,共有2286种,从上寒武统至下石炭统均有分布,尤其在奥陶系和志留系最为繁盛。由于笔石演化快、分布广、时间短,因此常作为标准化石来鉴定地质年代[3]。

1.1 笔石的分类及演化

笔石纲是原始海生动物,属于半索动物门,一般以漂浮和底栖生活为主。穆恩之将笔石纲分为树笔石目、管笔石目、腔笔石目、茎笔石目和正笔石目[4]。研究区野外露头发现以下几种笔石化石:正笔石目的叉笔石亚科、正笔石目的栅笔石亚科、正笔石目的尖笔石科、正笔石目的弓笔石亚科。

笔石的演化包括以下几方面:笔石体的简化、生长方向的转变、体壁的局部增厚等[4]。穆恩之又提出了笔石体的复杂化[5]。具体来说,原始的正笔石由树形笔石演化而来,分枝由多到少;笔石枝生长方向为下垂式—下斜式—平伸式—上斜式—攀合式发展;胞管也从直管式向内弯曲、褶曲到外弯曲转变。

1.2 笔石的化学成分

前人根据笔石体的颜色分析树形笔石中有葡糖胺(几丁质的指示物)的存在,一致认为笔石体壁是几丁质[6-8]。近年来并未证实有葡糖胺的痕迹,却发现了氨基酸[9],认为其骨骼是硬蛋白质或似骨胶(collagen-like)物质[10]。目前,中国对笔石的研究多以笔石形态描述和笔石地层学为主,研究笔石体壁化学成分的文献资料甚少。

刘鹏举选取吉林省长白山地区新厂期上斜正笔石式树形笔石4个样本的16个不同构造点进行分析,同时对保存笔石化石的围岩做了测试分析,发现笔石体壁的化学成分和围岩化学成分相似,都含有Mg、Ca、Al、Fe、Si、K等6种元素;笔石壁上也含有S元素;Fe元素在笔石体壁上含量最高,围岩中含量最低;Ca元素在笔石体壁和围岩中都不稳定。马施民对川南龙马溪组笔石体壁的能谱分析表明,笔石体轴部或翼部C元素含量较高,接近100％,而围岩中C元素含量为零[11]。

2 地质背景及样品采集

石柱复向斜位于重庆市万州区及湖北省利川市境内,区域构造上属于四川盆地东缘的上扬子川东褶皱带,夹于齐岳山和方斗山复背斜之间,面积约为4300km2[12](图1)。研究区上奥陶统五峰组为一套稳定的黑色碳质笔石页岩,厚度很薄,一般小于20m,下志留统龙马溪组为一套黑色泥岩、粉砂质泥岩。

本次研究实测了武隆黄莺、利川毛坝和石柱漆辽3个剖面,剖面测量厚度和取样数分别为32.4m和147件、51.56m和51件、20.1m和80件。3个实测剖面下部以黑色—灰黑色泥页岩为主,发育大量的栅笔石、单笔石和细小颗粒的黄铁矿,局部可见黄铁矿的结核;往上逐渐出现灰黑色泥页岩与粉砂质泥岩的互层,笔石类型逐渐增多,出现耙笔石;向上砂质成分逐渐增多,最后出现大套浊积砂体。

3 笔石页岩相有机质特征

研究区黑色页岩层面上有大量笔石类有机质,研究发现笔石的丰度与总有机碳含量(TOC)有很好的正相关性。分别选取利川毛坝剖面的99件样品、石柱漆辽剖面76件样品、武隆黄莺剖面32件样品进行TOC测试,结果也映证了两者之间的关系。

3.1 笔石丰度与TOC关系

图2为利川毛坝剖面上发现的几种不同的笔石组合形态。在离利川毛坝实测剖面底部11m处出现少量耙笔石,笔石丰度及分异低;在离底部13.5m处发现大量栅笔石,栅笔石生活的水体深度较大;在离底部14.4m处发现大量耙笔石;在离底部24.6m处出现栅笔石和耙笔石的组合,笔石丰度较小,水体可能不太深;在离底部25.8m处只有少量耙笔石,水体可能不太深;离底部32m处出现弓笔石和耙笔石的组合,笔石丰度一般,水体整体较浅。

利川毛坝剖面样品分析测试发现,笔石丰度大的地方TOC较高,反之则较低。TOC最高值对应于剖面12～14m处(图3),该段正是笔石丰度最高的位置。

在武隆黄莺剖面距剖面底部1.2m处的五峰组内,发育大量代表深水环境的栅笔石(图4a),表明在奥陶纪末的冰期大绝灭之后,栅笔石率先出现并大量繁殖,对新物种的出现有一定的抑制作用,故其丰度大且分异度低;距剖面底部16.5m处的龙马溪组下段出现尖笔石(图4b),尖笔石多出现在水体较深环境。在石柱漆辽剖面距剖面底部12m处发现大量栅笔石与耙笔石的组合,反映水体可能较深(图4c)。剖面样品TOC测试结果也证实笔石丰度与TOC正相关,笔石丰度高的位置样品TOC含量高(图5)。

3.2 笔石反射率指示成熟度

中国早古生代烃源岩分布广泛,缺乏镜质组,加之成熟度较高,一些传统的成熟度指标无法应用[13],如沥青、动物壳屑体反射率等的应用受到明显限制[14-15]。镜质组反射率是判断有机质成熟度的常用指标,但笔石不含镜质组,因此无法建立直接对应关系[16-17]。研究表明,笔石反射率可在一定程度上指示成熟度,可对笔石进行反射率测试,然后通过公式换算得到等效的镜质组反射率。

本文收集了研究区的13块样品(表1)进行了笔石反射率测试,根据Bertrand公式:lgRG= 0.04+1.1lgRo'(其中,RG为笔石反射率;Ro'为等效镜质组反射率),可以换算出等效镜质组反射率。

表1 五峰组—龙马溪组黑色页岩笔石反射率测试表Table 1 Testing of graptolite reflectance in Wufeng Formation-Longmaix Formation

由表1中可知,毛坝剖面等效镜质组反射率平均为2.68％。黄莺剖面等效镜质组反射率平均为2.53％,表明通过笔石反射率测试能有效指示成熟度[18]。

3.3 笔石保存特征

研究区笔石大致以两种方式保存于泥页岩中,即:有机质压扁薄膜状态、立体—半立体黄铁矿化状态[19-21]。古生物不同保存状态反映了不同的沉积环境,进而反映目的层段的总有机碳含量。

有机质压扁薄膜保存是研究区最为常见的保存方式,主要是由于浮游生活的笔石本身没有硬体结构,此外笔石本身的有机质在压实作用下形成形态稳定的干酪根聚合体一般为二维结构[14]。此种保存方式主要形成于封闭缺氧、还原的深水陆棚环境,沉积时期有机质含量高,水体安静,沉积速率低,有机质被大量保存下来;同时水体较深,受陆源物质影响小,含铁矿物少,笔石很难被矿化,呈薄膜状态保存下来。

立体—半立体黄铁矿化保存状态在研究区不常见。其指生物遗体发生一定的腐烂,沉积物提供充足的含铁矿物来源交代充填生物体。此种保存方式只保留了生物化石的外观形态,内部结构不复存在。主要形成于水体不深的弱还原浅水陆棚环境,陆源碎屑物质带来了大量的含铁物质;笔石降解产生的H2S吸附周围环境的含铁物质,导致笔石降解产生的孔隙被含铁物质充填,呈立体—半立体黄铁矿化保存下来[22]。该保存方式对有机质的贡献较少。

生物化石内孔隙主要指生物遗体化石中未被矿物充填的孔隙[23],也是页岩气保存的一种有效孔隙。研究区五峰组—龙马溪组页岩中笔石发育,以有机质压扁薄膜方式保存下来。资料显示立体—半立体黄铁矿化保存状态充填矿化严重,孔隙贡献率非常低。

4 结 论

(1)3条剖面样品实测发现,笔石丰度大的地方,总有机碳含量较高,反之相对较低。

(2)根据笔石反射率可换算出等效镜质组反射率,有效指示成熟度。

(3)研究区笔石以有机质压扁薄膜和立体—半立体黄铁矿化两种方式保存于泥页岩中。前者反映深水还原环境,沉积物有机质含量较高;后者反映浅水弱还原环境,陆源碎屑多,对有机质贡献较低,且填充矿化现象严重,孔隙贡献率非常低。

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Study of Relationship between Graptolite and Shale Gas Origin of Wufeng Formation—Longmaxi Formation in Shizhu Syncline

Zhang Xiang1,Chen Bo1,Guo Zhihui2
(1.Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas,Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China; 2.College of Geosciences,Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China)

This paper is focused on the relationship between graptolite and shale gas origin of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Shizhu Syincline and its surrounding area.Based on the previous research results and combined with observation of three outcrops(Huangyin profile in Wulong,Maoba profile in Lichuan and Qiliao profile in Shizhu)and analysis of samples,it makes a comprehensive analysis of total organic content,reflectivity characteristics and preservation characteristics of graptolite shale.The results indicate that the content of C element is inevitably related to graptolite abundance.The formation with high graptolite abundance has a high content of organic carbon.The formula can turn graptolite reflectivity into vitrinite reflectivity,thus effectively indicating the degree of maturity.Graptolite has two states of existence-organic matter flattening film form and stereo-half stereo pyritization.The different influences of terrigenous material lead to the different contributions to organic matter and pores.The former is rich in organic matter and in favor of formation and preservation of shale gas.The latter has more terrigenous debris but less organic matter,with serious filling and mineralization.The porous contribution is low and unfavorable to formation of shale gas.

Wufeng Formation—Longmaxi Formation;graptolite;maturity;organic matter;state of preservation

TE122

:A

张翔(1991年生),男,在读硕士,研究方向为矿物学、岩石学和矿床学。邮箱:956479297@ qq.com。