层序格架中富有机质页岩发育模式及差异分布：以上扬子下寒武统为例

刘忠宝，杜 伟，高 波，胡宗全，张钰莹，吴 靖，冯动军

1. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100083 2. 中国石化页岩油气勘探开发重点实验室，北京 100083 3. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083 4. 中国石油大学(华东)非常规油气与新能源研究院，山东 青岛 266580

0 引言

近年来，随着非常规页岩油气勘探开发的快速发展，关于页岩的相关研究已成为国内外石油地质领域的热点[1-4]。查明目的层系中富有机质页岩段的时空分布特征，是页岩油气选区评价及勘探部署过程中的首要任务。因此，与常规油气勘探类似，地层划分与对比研究同样是非常规页岩油气勘探中不可或缺、非常重要的一项基础工作。目前，采用层序地层学理论方法开展页岩层系的地层划分与对比研究已得到国内外学者的普遍认可，人们已认识到岩相、凝缩段、非页岩相的旋回性(以浊流沉积形式存在的外来碳酸盐岩和富含生物的纹层)、沉积旋回叠加样式的确定是建立页岩层序地层格架的关键，自然伽马能谱测井可作为地层划分的重要依据[5-9]。但由于海相盆地中页岩沉积对海平面变化的响应标志很弱，一般为大套的连续沉积，内部无明显侵蚀作用面，层序界面识别困难，且海平面下降同样的深度，对于盆地不同部位而言，相对水深变化幅度差异明显，导致页岩层系横向等时对比难度大。目前页岩层序地层学与沉积学的精细研究已成为非常规油气地质领域中的难点问题。

上扬子地区下寒武统沉积发育了一套海相富有机质的暗色页岩，其厚度大，分布广，是我国南方页岩气勘探的重要层系之一[10-13]。目前已在川西南威远和井研--犍为下寒武统筇竹寺组、黔南黄平下寒武统九门冲组、黔东南岑巩下寒武统牛蹄塘组等多个地区获得页岩气流，充分揭示上扬子地区下寒武统良好的页岩气勘探潜力。但下寒武统地层序列的时空变化极为复杂，岩石地层名称复杂多变[14]；虽已开展了大量野外露头剖面的生物地层学和岩石地层学方面的研究[15-16]，但不同地层分区各组之间横向对比关系仍未形成统一的共识，查明不同地区富有机质页岩段的等时对比关系及其成因分布已成为制约研究区页岩气勘探选区的关键地质问题。为此，本文通过典型地表露头观测、新钻井岩心观察描述及岩矿测试分析，以高分辨率层序地学理论为指导，再建立等时层序地层格架，结合区域构造-古地貌特征，建立层序格架中富有机质页岩发育模式，并以此为指导，综合页岩总有机碳质量分数(ω(TOC))及页岩厚度等关键参数，明确不同地区富有机质页岩(ω(TOC)>0.5%)的分布规律。本次研究对发展页岩层序地层研究方法及指导研究区页岩气勘探选区评价具有重要的理论与现实意义。

1 层序地层格架

我国南方上扬子地区[17](图1)下寒武统岩石地层分区多、名称复杂多样(表1)，以地表露头为基础，已开展了大量生物地层学与岩石地层学研究[14-16]；纵向上划分为4个阶及顶部龙王庙阶(碳酸盐岩段)的对比已基本达成共识，但不同地层分区梅树村阶至沧浪铺阶各个组之间的横向对比关系尚未形成统一的认识。目前不同地区页岩气井实际钻探结果也显示，富有机质页岩段的发育差异较大，急需建立高精度的等时地层对比格架，明确不同地区地层的横向对比关系，准确预测富有机质页岩段的时空分布规律。前人虽开展过一些层序地层划分与对比研究[18-23]，但主要以地表露头资料为主，钻井资料较少，且一般仅局限在某一个或两个地层分区开展对比，范围相对有限。为此，本文选取上扬子不同地层分区的典型露头及钻井，通过露头剖面与岩心观察、常规钻(测)井、自然伽马能谱测井及岩矿测试资料的综合分析，在层序划分依据与标志识别的基础上，以不同级次沉积旋回划分及叠加组合样式识别为核心，将露头与钻井研究相结合，明确层序划分方案，建立等时地层对比格架。

图1 研究区平面位置图Fig.1 Sketch map of the study area

表1上扬子地区下寒武统地层分区及划分对比表

Table1StratigraphicaldivisionandcorrelationinLowerCambrian,UpperYangtze

1.1 层序划分依据与标志

研究区下寒武统页岩层系为一套内部无明显侵蚀面和区域性标志层的连续沉积，且底界与下伏震旦系灯影组接触关系极为复杂，不同地区地层厚度差异可达600 m以上，地层等时对比难度大。本次研究通过典型地表露头剖面及钻井岩性特征、测井响应特征、岩矿及地球化学测试、地层厚度变化及区域构造与沉积背景等多种地质因素的综合分析，主要识别出6个层序划分依据与标志：

1)下寒武统顶部碳酸盐岩段区域性对比标志层。研究区早寒武世龙王庙阶普遍发育一套稳定的浅水碳酸盐岩台地相沉积(图2)，即龙王庙组、清虚洞组、石龙洞组等，地层厚度较稳定，以100～200 m为主，可作为下寒武统顶界区域性标志层进行横向对比。

图2 底板岩溶古地貌、顶部区域性标志层与内部局部标志层发育特征Fig.2 Characteristics of karst on the bottom, regional marker bed at the top and internal marker bed

2)底板震旦系顶面下寒武统沉积前古地貌对页岩沉积的控制作用。受桐湾运动差异的影响[24]，不同地区震旦系灯影组碳酸盐岩顶面发育多种类型的岩溶古地貌(岩溶高地、残丘、斜坡、谷地、洼地等)，对后期早寒武世页岩的沉积具有重要的控制作用(图2)。一般情况下，谷地与洼地区先接受沉积，沉积水体深，可容纳空间大，页岩沉积厚度大；高地与残丘区沉积晚，沉积水体相对浅，可容纳空间小，页岩沉积厚度小。

3)内部发育局部浅水碳酸盐岩标志层。川东南L1井2 390～2 408 m岩孔剖面明心寺组上部(实测厚度40 m)、黔北大方FS1井1 225 ～1 283 m均发育一套灰色、深灰色低能泥晶灰岩与泥灰岩沉积，横向上可追踪对比(图2)。

4)岩-电组合特征的旋回性变化。充分利用钻(测)井资料，分析岩性-电性组合特征，有助于更好地分析大套页岩层系沉积韵律的细微差异，从而精确划分其纵向旋回性的变化，以进行横向对比分析。川西南J1井、黔南H1井下寒武统下部均发育一套高自然伽马的黑色富有机质页岩沉积，且其顶、底部的岩性与电性突变接触特征明显(图3)。

5)古生物化石标志。从生物地层角度来看，寒武纪主要以小壳化石和三叶虫化石组合带为特征，其中：早寒武世梅树村阶(相当于梅树村组—筇竹寺组下部)以Anabarites-Protohertzina-Arthrochites、Siphogonuchites-Paragloborilus和Lapworthella-Tannuolina-Sinoscachites小壳化石为特征；筇竹寺阶(筇竹寺组中上部)以Parabadiella-Mianxiandiscus、Eoredlichia-Wutinggaspis三叶虫组合带为标志；沧浪铺阶(沧浪铺组)以Yunnanaspis-Yiliangella三叶虫组合带为标志[25]。岩石薄片镜下古生物鉴定显示，川西南J1井筇竹寺组下部和黔南H1井九门冲组下部均发育小壳化石(图3)，可作为地层等时对比标志。

6)地球化学标志。相对海平面的升降能够控制沉积环境的变化，使沉积水体介质发生变化，造成不同层序地球化学(包括有机与无机)特征的差异，因此，地球化学特征(化学元素组成、含量及分布变化)可以揭示页岩沉积原始氧化与还原环境的相对变化[26]。如V/Cr、Ni/Co、Th/U、ω(TOC)等均可反映氧化-还原环境的变化。J1井与H1井下寒武统下部层序均表现为极低的Th/U值(图3)，反映其均形成于强还原、缺氧的沉积环境。

1.2 旋回叠加组合样式

层序地层是研究旋回式、成因上有联系的，以不整合面或者与其可以对比的整合面为界的等时地层格架。大套页岩层系多为连续沉积，基本不发育不整合面，因此页岩层系中层序界面的厘定是较为困难的。但地层沉积过程中记录的不同级次的旋回性变化，可以通过钻井岩性剖面、测井曲线及地球化学等资料进行识别(实际可操作性强)。因此，本文在上述层序划分依据与标志识别的基础上，重点通过典型钻井岩心观察描述、全岩矿物、岩相组合类型、总有机碳含量及测井响应特征等资料的综合分析，开展了下寒武统页岩层系沉积旋回及叠加组合样式的识别研究，主要识别出5种类型的沉积旋回叠加组合样式，其特征分析如下。

GR.自然伽马；Rs. 浅侧向电阻率。图3 岩性-电性组合特征及古生物化石识别对比标志Fig.3 Rock-electrical combination characteristics and identification mark of palaeobios comparison

1)对称退积-进积型

以上升半旋回和下降半旋回近对称发育为特征，代表基准面快速下降之后又快速上升的沉积形式，反映水体浅--深--浅的沉积过程。沉积岩相组合主要为含磷云岩、泥质云岩-碳质页岩-含磷泥质云岩夹碳质页岩(图4a)或粉砂质页岩、泥质粉砂岩-(含粉砂)碳质页岩-粉砂质页岩、泥质粉砂岩。主要发育于四川盆地西南部筇竹寺组。

2)非对称退积-进积型

以下降半旋回远远大于上升半旋回的不对称性发育为特征，反映沉积水体快速上升、缓慢(或持续)下降的沉积过程。沉积岩相组合主要为碳质页岩-黏土质页岩与粉砂质泥岩、泥质粉砂岩互层(图4b)。该旋回叠加样式组合在研究区筇竹寺组、牛蹄塘组及水井沱组普遍发育。

3)退积-退积型

以两个或两个以上的上升半旋回纵向叠置发育为特征，一般反映沉积水体不断上升，持续处于较深水沉积环境。沉积岩相组合主要为硅质岩-硅质页岩-碳质页岩，或仅为硅质页岩与碳质页岩其中一种岩相(图4c)，旋回水进界面以高GR值、高ω(TOC)值及低Th/U值为标志。该旋回叠加样式组合主要发育在鄂西--渝东水井沱组下部及川东南、黔北--黔中牛蹄塘组下部。

4)进积-进积型

以两个或两个以上的下降半旋回纵向叠置发育为特征，通常反映沉积水体不断下降、水体持续变浅的沉积环境。沉积岩相组合主要为泥岩与泥质粉砂岩、粉砂岩互层(图4d)，自下而上泥岩层厚度变小，泥质粉砂岩与粉砂岩层厚度变大、且砂质粒度变粗。该旋回叠加样式组合在研究区沧浪铺组、金顶山组、天河板组及其相当地层中普遍发育。

图4 沉积旋回叠加组合样式Fig.4 Superimposed style of depositional cycle

5)持续加积型

持续加积型沉积是在沉积速率等于可容空间变化速率的情况下形成的，自下而上水体深度、岩性特征基本保持不变，沉积岩相组合主要为泥岩夹薄层粉砂质泥岩(图4e)，自然伽马曲线平直特征清晰。通常代表了浅海陆架边缘的沉积响应。该旋回叠加样式组合主要发育在鄂西--渝东及黔南地区，如H1井杷榔--变马冲组、C1井石牌组沉积多为该类型沉积。

1.3 层序划分与对比

在层序划分依据与标志识别的基础上，以不同级次沉积旋回划分及叠加组合样式识别为核心，结合研究区下寒武统发育的实际特点，开展了不同地区典型露头与单井高分辨率层序地层分析，明确了下寒武统层序划分方案。研究结果表明，下寒武统整体为1个二级层序(沉积时间约32 Ma)，以快速海侵-缓慢海退为沉积特征，岩性序列自下而上以灰黑色、黑色页岩-深灰色含粉砂质页岩-灰色粉细砂岩(局部碳酸盐岩与砂泥岩互层)-浅灰色、灰色碳酸盐岩(灰岩或白云岩及含膏云岩)为主，最多可划分为8个三级层序，自下而上依次命名为SQ1至SQ8(图5)。

1)层序SQ1--SQ2：主要发育于梅树村期--筇竹寺早期，以快速海侵的退积型沉积为主，常规测井曲线以高自然伽马、高电阻率为特征。在川西南资阳--长宁一线地区，岩性以富磷质的云岩、泥质云岩、云质泥岩与碳质页岩互层沉积为特征；在鄂西--渝东、黔南及其以东地区，岩性以硅质岩、硅质页岩、碳质页岩沉积为主，局部含磷块岩。

2)层序SQ3--SQ5：发育于筇竹寺中晚期，除层序SQ3下部发育退积型薄层碳质页岩、含碳黏土质页岩沉积外，主体以进积或加积型沉积为主，常规测井曲线以平直状低自然伽马、中--低电阻率为特征。在川北南江、川西南地区，岩性以泥质粉砂岩沉积为主，局部夹薄层碳质页岩；在川东南、黔北、鄂西--渝东及黔南地区，岩性以深灰色黏土质页岩夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、灰质泥岩沉积为主。

3)层序SQ6--SQ7：发育于沧浪铺期，以持续海退期的进积型沉积为主，常规测井曲线以微齿状中低自然伽马为特征。在川西南地区，岩性以石英砂岩、粉--细砂岩与泥页岩互层为主，与下部层序相比颜色明显变浅；在鄂西--渝东、黔北等地区，岩性以浅灰色、灰色黏土质页岩夹薄层粉砂质泥岩或泥质灰岩为主。

4)层序SQ8：发育于龙王庙期，常规测井曲线以低自然伽马为特征，为一套区域上稳定的浅水碳酸盐岩台地相沉积，岩性以白云岩、石灰岩、云质灰岩、泥质灰岩沉积为主，局部为石膏岩与碳酸盐岩互层沉积。

图5 上扬子地区下寒武统层序地层划分方案Fig.5 Sequence stratigraphic classification method of the Lower Cambrian in the Upper Yangtze region

依据上述层序地层划分方案，以先进行四川盆地内部对比、外部对比，再进行四川盆地内部与外部对比的原则，最终建立研究区下寒武统等时层序地层格架(3个长期旋回分别对应于梅树村阶、筇竹寺阶、沧浪铺阶--龙王庙阶)。研究表明：研究区下寒武统下部层序SQ1与SQ2沉积存在穿时性，不同地区缺失程度及沉积特征差异明显。在四川盆地内部，层序SQ1与SQ2仅发育于资阳--长宁一线地区，岩性以含磷云岩、泥质云岩夹碳质页岩沉积为主，位于沉积中心的S1井、S2井厚度最大可达200 m，向东、西两侧逐渐减薄或尖灭(图6)；在四川盆地外部，黔中--黔南的部分地区缺失层序SQ1，其他大部分地区层序SQ1与SQ2基本发育齐全，岩性以硅质页岩与碳质页岩沉积为主(图7)。结合早寒武世区域构造-沉积背景及层序对比综合研究，认为早寒武世最大海泛面发育于层序SQ3内部，其高自然伽马尖峰特征明显，以薄层碳质页岩及含碳质页岩沉积为特征，区域上可对比性好。层序SQ4--SQ5整体上沉积水体进一步变浅，纵向上自下而上砂质含量增高，平面上由川西南--川东南--黔中--黔南地区砂质含量逐渐降低，由泥质粉砂岩、粉砂质页岩互层过渡为黏土质页岩夹含粉砂质页岩或灰质页岩(图6)。层序SQ6--SQ7沉积水体继续变浅，砂质粒度变粗，局部发育碳酸盐岩夹层，砂质、泥质与灰质混合沉积特征明显，沉积厚度趋于稳定，横向可对比性较好。进入层序SQ8，除局部地区仍为页岩沉积外，整体过渡为厚度稳定的浅水碳酸盐岩台地相沉积。

2 富有机质页岩发育模式及差异分布

2.1 层序格架中富有机质页岩沉积发育模式

在建立层序地层格架的基础上，进一步结合岩石类型、页岩总有机碳含量、沉积序列及构造古地貌特征[28-29]的综合分析，建立了研究区下寒武统层序格架中富有机质页岩的沉积发育模式(图8)。研究表明，受震旦系灯影组碳酸盐岩顶面岩溶古地貌及海侵作用的控制，早寒武世整体为快速海侵-缓慢海退沉积序列，富有机质页岩主要发育于不同级次的海侵(退积)-海退(进积)作用早期，沉积厚度与古地貌高低、海侵规模及持续时间密切相关。早寒武世筇竹寺早期不同地区古地貌高差大，快速海侵后形成了深水、闭塞的缺氧沉积环境，在四川盆地西南部裂陷区及盆地之外的东南部低洼区发育厚度较大的退积型富有机质页岩沉积体，而古地貌高部位则发育厚度相对小的退积型黏土质页岩沉积体。经早期沉积充填后，进入筇竹寺中晚期，不同地区古地貌高差变小，再次快速海侵，虽海侵范围变大，但时间较短，富有机质页岩沉积厚度较小，以退积或加积型粉砂质页岩及黏土质页岩沉积为主。值得注意的是，在四川盆地西南部资阳--长宁一线地区，早寒武世发育4套富有机质页岩段，均具有由中心向东、西两侧减薄至歼灭的特点，结合该区震旦纪--早寒武世存在拉张裂陷槽的地质认识[28-30]，笔者认为这4套富有机质页岩的发育主要受基底断裂早寒武世的多幕堑垒式活动控制。J1井筇竹寺组上部富有机质页岩段岩心观察中发现了垮塌浊流砂岩沉积(图8中岩心照片)，进一步证实了拉张裂陷活动的存在。局部地层差异沉降形成裂陷区后，发生强迫性海侵，水体变深，形成闭塞缺氧环境，沉积富有机质页岩。沧浪铺期--龙王庙期，持续海退，不同地区水深差异较小，最终进入稳定的浅水碳酸盐岩沉积环境。

2.2 富有机质页岩差异分布

在非常规页岩气勘探研究中，建立等时层序地层格架的目的，除了查明不同地区的地层对比关系外，更为重要的是明确富有机质页岩的时空分布规律。为此，本文通过典型地表露头剖面、常规钻井、页岩气钻井及室内页岩总有机碳含量测试资料的综合分析，以富有机质页岩沉积发育模式为指导，以层序为单元开展富有机质页岩(ω(TOC)>0.5%，厚度>20 m)分布的精细编图。研究结果表明，研究区下寒武统富有机质页岩主要发育于层序SQ1至SQ5，且不同地区各层序富有机质页岩的分布存在差异(图9)。四川盆地内部富有机质页岩段主要分布在资阳--长宁一线近南北向展布的区域，受基底断裂早寒武世的多幕堑垒式活动控制，纵向上共发育4套富有机质页岩段，其依次发育于层序SQ1--SQ2、SQ3、SQ4、SQ5内。其中层序SQ1--SQ2内页岩段，岩石类型混杂，以磷质云岩、泥质云岩夹碳质页岩为主，有机质分布不均。层序SQ3--SQ5内3套富有机质页岩品质较好，ω(TOC)以0.5～2.5%为主，普遍具有多层、薄层的特点，累计厚度以60～150 m为主。四川盆地之外的鄂西--渝东、黔北及黔东南等地区层序SQ1--SQ2发育连续沉积的大套富有机质页岩段，厚度多大于100 m，页岩品质好，以硅质页岩和碳质页岩为主，ω(TOC)以1.5～8.5%为主；而川北南江、川东北城口--建始--宜昌--房县之间的大部分地区以层序SQ3发育富有机质页岩为主，但与前者相比，厚度略小，20～60 m不等；此外，东南部三都渣拉沟--洞口月溪一线及以东地区、东北部任河、庙娅等地区早寒武世长期处于深水饥饿欠补偿盆地相沉积环境，虽各层序富有机质页岩厚度不大，但累计(层序SQ1--SQ8)厚度可达150～200 m，自下而上页岩ω(TOC)逐渐降低，且局部层段已发生轻微变质作用形成黑色、灰黑色板岩。综上所述，上扬子不同地区下寒武统富有机质页岩的分布在纵向上和平面上均存在差异，今后的页岩气勘探与开发应予以考虑，进行有针对性的勘探部署及开发方案制定。

岩性图例同图4。图8 上扬子地区早寒武世层序格架中富有机质页岩的沉积发育模式Fig.8 Sedimentary model of organic-rich shale in the sequence stratigraphic framework of the Lower Cambrian in the Upper Yangtze region

3 结论

1)提出震旦系灯影组顶界面岩溶古地貌、顶部龙王庙期区域性碳酸盐岩层、内部局部碳酸盐岩层、岩-电性组合特征、古生物化石及地球化学特征6个层序划分依据与标志，识别出对称退积-进积型、非对称退积-进积型、退积-退积型、进积-进积型、持续加积型5种沉积旋回叠加组合样式，将下寒武统最多划分为8个三级层序，建立了等时层序地层格架及富有机质页岩的沉积发育模式。

2)提出富有机质页岩主要发育于不同级次的海侵-海退作用早期，不同地区富有机质页岩时空分布特征存在差异：四川盆地内部富有机质页岩主要分布在资阳--长宁一线近南北向带状展布的区域，受基底断裂早寒武世的多幕堑垒式活动的控制，共发育4套富有机质页岩段；四川盆地之外的鄂西--渝东、黔北、黔南及宜昌等地区受早寒武世早期上升洋流作用控制，以下部层序发育大套富有机质页岩段为特征。今后进行页岩气勘探与开发部署应考虑不同地区富有机质页岩的时空分布特点。

致谢：中国石化西南分公司、中国石化华东分公司、中国石化江汉油田等相关领导及同事在资料上给予了大力支持，在此表示感谢！

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