湖北秭归五龙地区五峰组—龙马溪组黑色岩系地球化学特征及其页岩气地质意义

危　凯，陈孝红，周　鹏，张保民

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉430205）

湖北秭归五龙地区五峰组—龙马溪组黑色岩系地球化学特征及其页岩气地质意义

危凯，陈孝红，周鹏，张保民

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉430205）

对湖北秭归县五龙剖面五峰组—龙马溪组下段黑色岩系的微量元素和有机碳含量进行了系统采样分析，结果表明，U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值等判别指标能够很好的响应各时期氧化还原条件和海平面的变化，对奥陶系—志留系界线附近的地层缺失也有明显的指示作用。另外，U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值与TOC值之间表现出良好的正相关关系，表明这些古环境判别指标在一定程度上可用来指示五峰组和龙马溪组的有机碳含量变化。通过对五龙剖面及周边地区富有机质页岩厚度、TOC值和含气性的对比分析，推断五龙地区和西侧的鼓锣坪地区、东侧的九畹溪地区构成隆凹相间的格局，这一认识对区域内的页岩气有利目标区预测具有一定的指导意义。

湖北秭归县；五龙；五峰组—龙马溪组；黑色岩系；微量元素；页岩气

Wei K，Chen X H，Zhou P and Zhang B M.

Geology and Mineral Resources of South china，2016，32（2）：135-141.

晚奥陶纪至早志留纪的转折期，在扬子板块及其周缘沉积了一套分布广泛的黑色笔石页岩。近年来的诸多研究证明，这套黑色岩系普遍具有有机质丰度高、成熟度较好和微裂缝发育等优越条件，因而成为我国页岩气勘探的主要目的层位之一［1］。2014年，武汉地质调查中心在秭归杨林地区实施的页岩气调查井（WZK06）见到明显的气体显示，进一步揭示了秭归地区五峰—龙马溪组黑色岩系的勘探潜力。下一步的相关研究工作正在逐步推进，而深入剖析秭归地区黑色岩系的时空展布格局以及探讨其成因是其中重要的命题之一［2］。

沉积环境是影响生物生产力和有机质保存的重要因素，因而也是控制富有机质页岩发育和分布的最重要因素。由于微量元素的富集程度往往与沉积环境密切相关，因此可以利用地层中微量元素的变化特征来恢复地史时期的沉积环境［3］。本文选取宜昌地区秭归五龙剖面上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色岩系为研究对象，通过微量元素和有机碳含量分析，对页岩的沉积环境进行了判识与恢复，同时对富有机质页岩的分布及控制因素做了初步探讨，以期为区域内页岩气有利区的预测提供基础资料。

1　区域地质概况

五龙剖面位于湖北宜昌市秭归县文化乡南部（图1），构造上位于黄陵隆起南缘，距仙女山断层以西约15 km。剖面自下而上分为上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组，总厚度为79.6 m。其中，五峰组以黑—灰黑色薄—中层状含泥质硅质岩和硅质泥岩为主，夹黑色极薄层状炭质泥岩。龙马溪组为一套深灰—灰黑色薄层含炭质泥岩，向上渐变为灰色中—薄层状粉砂质泥岩和泥质粉砂岩。受宜昌上升以及湘鄂西水下高地的影响，五峰组和龙马溪组为平行不整合接触。观音桥层（相当于赫南特层）在本剖面上缺失，但在距离剖面约1 km的一处露头上可见约0.5 m厚的透镜状的赫南特灰岩层。从沉积环境上看，上奥陶统五峰组为滞留盆地沉积，志留系龙马溪组主要是深水陆棚或者陆棚内盆地沉积，向上沉积水体变浅。

图1　研究区区域背景及剖面位置Fig.1 Regional settingand location ofsection in wulongarea，Zigui County，Hubei Province

2　样品采集与分析方法

在秭归五龙剖面的上奥陶统五峰组至下志留统龙马溪组下段之间，自下而上连续采集了40件新鲜的硅质岩和泥岩样品。采样间距0.5～5 m不等，其中在奥陶系—志留系界限附近进行了加密采样。样品经低温烘干和粉碎后送往实验室分析。微量元素和总有机碳含量（TOC）的测定均在国土资源部中南矿产资源监督检测中心完成。其中，微量元素由电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS-X SeriesⅡ）测定，分析精度优于5%。TOC采用高频燃烧红外吸收法用CS230型红外碳硫测定仪完成测定。40件泥岩样品的微量元素和TOC分析结果见表1。

3　结果与讨论

3.1微量元素对沉积环境的响应

微量元素U、V和Mo等在海水中具有多种价态，其沉积时受氧化/还原环境影响显著，因而可作为重建古海洋氧化还原环境的理想指标［4-5］。高的U/Th值（大于1.25）往往指示缺氧环境，低的U/Th值（小于0.75）往往指示氧化环境［6］。同样，V/Sc比值也可以用来反映氧化还原环境，还原态的V和Sc具有相似的不相容性，沉积物中V的含量相对于Sc成比例变化而与其他不相容元素（例如Al和Ti）不成比例。此外，沉积岩中较高和较低的V/Cr、Ni/Co比值也可指示缺氧和富氧的沉积环境［7］。

秭归五龙剖面五峰—龙马溪组的U/Th、Ni/Co、 V/Cr和V/Sc比值的纵向变化见图2。总体看来，龙马溪组上段即鲁丹晚期之后，上述各古环境指标无明显变化，说明该时期环境总体趋于稳定。然而五峰组—龙马溪组下段，亦即凯迪晚期—鲁丹早中期，各种指标均表现出剧烈的波动，指示了该时期环境较为动荡。

在五峰组中部和上部，U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值均表现为明显的较高值，这些均指示了凯迪晚期研究区处于缺氧的环境，这与目前学术界关于五峰组沉积于滞留缺氧环境的认识是吻合的。然而值得注意的是，U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值表现为明显的波动，这表明凯迪晚期底层海水并非一直保持稳定的缺氧环境，而这种动荡的环境很可能与扬子地区广泛存在的上升流有关。广泛分布在扬子地区的高有机质丰度的薄层硅质岩则是上升洋流的证据之一。奥陶纪晚期，南半球冈瓦纳大陆冰川的凝聚导致了全球海平面下降，引发了扬子地区强劲的上升洋流，从而为海洋提供了高的有机质生产率［8］，最终形成了一个表层水域富氧、底域缺氧的海洋环境，并发育了大量营漂浮方式的笔石以及富有机质的硅质岩［9］。

图2　秭归五龙剖面五峰组—龙马溪组U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值纵向变化图Fig.2 Variation ofU/Th，Ni/Co，V/Cr，V/Sc and TOCvalues ofWufeng-Longmaxi Formation fromWulongsection，Zigui County

表1　秭归五龙剖面五峰-龙马溪组微量元素（10-6）和TOC（10-2）分析结果Table 1 Analytical results of trace elements（10-6）and TOC（10-2）in Wufeng-Longmaxi Formation of Wulong section，Zigui County

在五峰组顶部，V/Sc、V/Cr、U/Th和Ni/Co比值均表现为骤然减小，表明底层海水突然从缺氧环境变为富氧环境。与此同时，有机质丰度（TOC）同样也出现了突然降低，从4.65骤然降低至2.20。这些突然的变化极有可能指示了该地区奥陶系—志留系界线附近存在的地层缺失。这与该剖面赫兰特层和笔石带的缺失是相吻合的。这一地层缺失可能与发生在奥陶纪晚期的宜昌上升有关，此次上升运动导致中扬子中部沿兴山古夫、南漳鲁家台，南部沿五峰红渔坪、松滋刘家场等地区抬升，并造成在上述地区奥陶系—志留系界线附近出现了不同程度的地层缺失［10-11］。

自龙马溪组底部开始往上，U/Th、Ni/Co、V/Cr 和V/Sc比值开始逐渐增大，这些变化指示了底层海水迅速从富氧的浅水环境变为缺氧的深水环境。在赫南特晚期—鲁丹早期，伴随着全球温度的迅速回升，大陆冰盖也快速融化，导致了全球海平面快速回升和底域缺氧的环境，并造成Hirnantia动物群的整体灭绝和下志留统黑色笔石页岩的沉积。在龙马溪组下段的中上部，U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值达到最高值后开始逐渐减小，直到龙马溪组上段才降到最低值并保持稳定，这指示了此轮海侵一直持续到鲁丹中晚期，而后开始逐渐海退。伴随着海侵后期的逐渐减弱和海退的开始，深层海水和表层海水逐渐混合，致使底部缺氧环境遭受破坏，因而有机质保存条件变差。这一分析与岩性变化完全吻合。从龙马溪上段的底部开始，岩性由深灰薄层泥岩向上渐变为灰色中—薄层状泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩。

一般认为，有机质生产力和水体的缺氧环境是黑色页岩形成的主要因素。从秭归五龙五峰组—龙马溪组剖面的岩石序列来看，富有机质页岩主要分布在两个层段，分别是五峰组和龙马溪组下段的下部。结合前文对古海洋环境演化的判别和认识，可初步推断这两套富有机质页岩的成因和主控因素存在一定的差别。五峰组富有机质页岩形成主要与冰期的上升洋流有关，而龙马溪组富有机质泥岩发育的主要控制因素则是冰期之后的海平面快速上升。

通过上述分析可以看出，微量元素中的U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值对五峰组和龙马溪组的沉积环境变化，特别是氧化/还原环境和海平面升降变化具有很好的响应，对奥陶系—志留系界线附近的地层缺失也有较好的指示作用。

3.2微量元素与TOC的关系

通过比较TOC值和微量元素指标的纵向变化趋势（图2），不难发现，U/Th、Ni/Co、V/Cr、V/Sc比值和TOC值在各个层位的变化极为相似。（1）在五峰组中部和上部，U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值为明显的较高值，指示凯迪晚期处于缺氧的环境，TOC值也表现为较高值（2.61%～5.43%）。（2）在五峰组顶部，V/Sc、V/Cr、U/Th和Ni/Co比值表现为骤然减小，指示底层海水突然从缺氧环境变为富氧环境。TOC值也同样出现了突然降低，从4.65%骤然降低至2.20%。（3）自龙马溪组底部往上，U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值开始逐渐增大，指示了随着海侵的开始底层海水迅速从富氧的浅水环境变为缺氧的深水环境。这一阶段的TOC值同样表现为逐渐增大。（4）在龙马溪组下段的中上部，U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值达到最高值后开始逐渐减小，至龙马溪组上段降到最低值然后保持相对稳定，指示了此轮海侵持续至鲁丹中晚期后开始逐渐海退。与之对应，TOC值逐渐升高至最大值3.58%，然后逐渐下降至1%以下。

从TOC值与各微量元素指标的相关性分析来看（图3），U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值与TOC值之间均具有很明显的相关性。这表明U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值等微量元素指标对五峰组和龙马溪组的TOC具有较好的指示作用。这一现象并非偶然，两者之间存在必然的联系。沉积岩中某些微量元素的富集程度往往与沉积环境，特别是氧化/还原条件密切相关，而氧化/还原条件是影响生物生产力和有机质保存的重要因素，因而也是富有机质页岩发育的重要控制因素［4，12-13］。

3.3富有机质页岩的厚度和区域分布

对于页岩气而言，有机碳含量（TOC）的高低是一项重要指标，它决定了页岩地层的生气能力及吸附气体的能力。关于形成有利页岩气藏泥页岩的TOC下限值，很多学者都进行过研究，国外常用6.0%作为页岩气有利层段的取值标准，国内研究结构认为对于有机质类型好，热演化程度较高的泥页岩，页岩气有机碳含量下限值可以适当降低，一般将有机碳含量大于2.0%作为页岩气有利值。

从秭归五龙剖面TOC值得纵向变化可以看出（图2），TOC值大于2%的页岩连续厚度仅为16 m，主要分布在五峰组和龙马溪组下段，TOC值介于2.07%～5.43%之间，平均值为3.12%。在秭归五龙剖面以西约10 km的两河口鼓锣坪地区（图1），五峰组—龙马溪组的黑色页岩厚度显著增加，特别是在8 m厚的中—厚层状粉砂岩之上，发育了连续厚度大于30 m的黑色笔石页岩。而在五龙剖面以东约15 km的秭归九畹溪地区，由武汉地质调查中心于2014年实施的WZK6井显示该地区五峰组—龙马溪组下段的第一套黑色页岩的连续厚度为24.5 m，其中五峰组硅质岩厚度达13.5 m，TOC值多在2%以上，并且该井在钻遇黑色页岩段后有良好的气体显示。

近年来的研究表明，中扬子地区奥陶志留之交隆坳相间的古地理格局控制了五峰组—龙马溪组富有机质页岩的厚度和分布。对鄂西地区而言，富有机质页岩在鄂西水下高地所夹持的坳陷带最为发育。通过上文关于富有机质页岩厚度、TOC值和含气性的对比，可以推断五龙地区和西侧的鼓锣坪地区、东侧的九畹溪地区构成隆凹相间的格局（图1），前者位于水下隆起，后两者位于水下凹陷。这一结论对区域内上奥陶统-下志留统页岩气有利目标区的预测可能具有一定的指导意义。

图3　总有机碳含量（TOC）与氧化还原判别指标之间的相关性分析Fig.3 Correlations betreen TOCand redox-sensitive indexs

4　结论

通过对湖北秭归五龙剖面五峰组—龙马溪组下段黑色岩系的微量元素和有机碳含量的分析，获得了以下认识：

（1）微量元素中的U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值等指标对五峰组和龙马溪组古氧化/还原环境和海平面升降变化具有很好的响应，对奥陶系—志留系界线附近的地层缺失也有明显的指示。

（2）U/Th、Ni/Co、V/Cr和V/Sc比值与TOC值之间表现为良好的正相关关系，表明这些古环境判别指标在一定程度上可用于指示和推测五峰组和龙马溪组的有机碳含量变化。

（3）通过对五龙剖面及周边地区的富有机质页岩厚度、TOC值和含气性进行对比，推断五龙地区和西侧的鼓锣坪地区、东侧的九畹溪地区构成隆凹相间的格局，前者位于水下隆起，后两者位于水下凹陷，这一认识对区域内页岩气有利目标区预测具有一定的指导意义。

武汉地质调查中心王传尚研究员、李志宏副研究员和彭中勤助理研究员等人在野外剖面测量和样品采集中给予了很大的帮助，在此表示感谢！

［1］陈旭，樊隽轩，张元动，王红岩，陈清，王文卉，梁峰，郭伟，赵群，聂海宽，文治东，孙宗元.五峰组及龙马溪组黑色页岩在扬子覆盖区内的划分与圈定 ［J］.地层学杂志，2015，39（4）：351-358.

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WEI Kai，CHEN Xiao-Hong，ZHOU Peng，ZHAN GBao-Min

（Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan 430205，Hubei，China）

Geochemical Characteristics of Black Shale Series from Wufeng-Longmaxi Formation in Wulong area，Zigui County，Hubei Province and its Significance for Shale Gas.

Trace elements and Total Organic Carbon（TOC）content ofblack shale in Wufeng-Longmaxi Formation from Wulong section in Zigui County，Hubei Province，are analyzed.The results show that the U/Th，Ni/Co，V/Cr and V/Sc ratios can indicate the variation of redox conditions and sea level，as well as the strata loss at Ordovician-Silurian boundary.In addition，the notable positive correlations between U/Th，Ni/Co，V/Cr，V/Sc ratios and TOC values suggest that these redox-sensitive indexs can indicate the TOC variation of Wufeng-Longmaxi Formation.Bycomparingthe consecutive thickness of organic-rich shale，TOC values and gas-bearing of Wulong section and its adjacent region，we suggest that there exists a paleogeographic framework with alternating uplifts and depressions in Wulong，Guluoping and Jiuwanxi area.This conclusion may be of significance to predict the potential development area ofshale gas in the region.

Zigui County，Hubei Province；Wulong；Wufeng-Longmaxi Formation；black shale series；trace element；shale gas

中图分类法：P534.42；P534.43；P618.13A

1007-3701（2016）-135-07

10.3969/j.issn.1007-3701.2016.02.005

2015-10-31；

2016-05-03.

国土资源部公益性行业科研专项“宜昌地区志留系几丁虫与标准剖面数字化研究（201311062）”资助.

危凯（1983—），男，博士，助理研究员，从事沉积地球化学研究，E-mail：kaiwei1983@163.com.