黔北绥阳地区五峰—龙马溪组富有机质泥岩特征及意义

康建威，闫剑飞，余 谦，田景春，门玉澎，孙媛媛

(1.成都理工大学 沉积地质研究院，成都 610059； 2.中国地质调查局 成都地质调查中心，成都 610081)

我国中上扬子地区页岩气资源潜力巨大，据2016年国土资源部初步估算页岩气资源量约62.56×1012m3，可采资源11.26×1012m3。通常认为中国南方页岩气主体层位为龙马溪组，实际为五峰组—龙马溪组下段岩层，因此在本文中也统一采用五峰—龙马溪组。作为页岩气载体的五峰—龙马溪组黑色泥岩，其分布特征是进行页岩气资源调查研究的最关键因素[1-7]。许多学者在黔北地区开展了大量的工作,也取得了大量进展和认识，初步对黔北地区五峰—龙马溪组黑色泥岩分布规律进行了厘定[8-13]。基本认为黔北地区由南向北分别发育浅水陆棚、深水陆棚相沉积，五峰—龙马溪组富有机质泥岩厚度亦由南向北逐渐增大。在这种认识的指导下，普遍认为靠近黔北隆起，进行页岩气勘探的意义不大。但是随着黔北地区页岩气勘探开发的需要，五峰—龙马溪组的分布规律有待进行精细划分。笔者结合研究区大量的剖面点及页岩气钻井，对黔北地区五峰—龙马溪组黑色泥岩段进行野外调查，发现绥阳枧坝五峰—龙马溪组剖面发育厚度较大的富有机质泥岩。该剖面的富有机质泥岩厚度及地化指标，改变了对绥阳—德江地区五峰—龙马溪组分布规律和页岩气地质条件的认识。

1 地质背景

图1 黔北绥阳地区构造位置

绥阳地区位于黔北的南部,桐梓—七曜山断裂的东部(图1)，其北西部为川东南凹陷区，南东为四川盆地—雪峰山过渡区，总体处于四川盆地边缘地区的黔北—武隆凹陷区。黔北地区的构造演化与扬子地台的区域构造演化具有一致性[14-18]，主要经历了以下几个重要的构造演化阶段：(1)中元古代晚期—志留纪，黔北地壳由活动陆缘向稳定的地台型大陆地壳过渡的发展阶段，由广阔活动海区碳酸盐岩沉积到局限海碎屑泥岩沉积的转变，并在该期的末期沉积了五峰—龙马溪组黑色泥岩；(2)泥盆纪—晚三叠世中期扩展—拉张沉陷—海退阶段，形成了五峰—龙马溪组黑色有机质泥岩的盖层；(3)中—新生代(自晚三叠世晚期以来)海退—断陷盆地—褶皱隆升阶段，形成了现今的构造格局，造成了五峰—龙马溪组在不同地区的保存和剥蚀的不均一性。

晚奥陶世—早志留世五峰—龙马溪组沉积期，黔北地区所在的中上扬子克拉通盆地处于构造转换期，此时该区盆山格局发生重大转变[14-22]。在该时期扬子克拉通盆地边缘处于挤压、褶皱造山过程，围绕着扬子南缘形成了一系列隆起带，如黔中隆起、雪峰山隆起，这些隆起带基本相连并形成了相对规模较大的滇黔桂隆起带，因此在铜仁—石阡—遵义一线之南的黔北大部为陆地。整个中上扬子地区由于川中隆起、雪峰山隆起、黔中隆起、大巴山岛链带的局限作用，使得研究区处于局限浅海盆地的沉积环境(图2)。在黔中隆起北缘发育潮坪亚相沉积，向北逐步过渡为浅水陆棚亚相(泥质粉砂和碳质粉砂微相)、深水陆棚亚相(含粉砂质和碳质微相)(图2)。总体局限浅海陆棚相带占据了研究区的整个北部区域。在平面上研究区富有机质泥岩分布范围较大，其中以含笔石相碳质泥岩为主要特征。在黔中隆起边缘地区，五峰—龙马溪组岩性由泥质粉砂岩逐渐过渡为含碳质粉砂质泥岩，显示粒度减小、有机质含量增大的特点；同时由南向北厚度逐渐增大，并在北部地区形成厚度相对较大的黑色泥岩沉积区，地层厚度也由南往北逐渐增厚。这一时期以向上变浅的沉积序列为特征。

图2 黔北地区晚奥陶世—早志留世五峰—龙马溪组沉积期岩相古地理据刘伟等[12]修改。

2 枧坝剖面特征

黔北绥阳县枧坝镇五峰—龙马溪组剖面位于枧坝镇西北5 km沟谷处，剖面露头较好，剖面上各岩石地层单元顶、底界线比较清楚，岩性特征明显，可以作为该地区典型的五峰—龙马溪组目的层段剖面进行实测(图3，4)。

图3 黔北绥阳县枧坝镇五峰—龙马溪组剖面素描位置见图1。

图4 黔北绥阳县枧坝镇五峰—龙马溪组泥岩地层—沉积综合柱状图

剖面底界为奥陶系临湘组，其上是上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组下段碳质泥岩段，以龙马溪组上段灰绿色粉砂质泥岩为顶界；剖面富有机质泥岩段斜距总长度830 m，共分7层(图4)，剖面黑色碳质泥岩真厚度为33.1 m，取得有效测定样品13件。该剖面能有效反映该地区的岩石地层序列特征。

3 棚内洼地环境的识别

3.1 岩石学特征

在对野外露头观察描述和详细分层的基础上，结合室内光—薄片鉴定，该剖面富有机质泥岩类型主要有：含碳质粉砂质泥岩(图5a)、碳质粉砂质泥岩(图5b)和含硅质碳质泥岩等。与黔北其他地区沉积序列相同，五峰—龙马溪组的底部主要为含硅质碳质泥岩，并见多种类型笔石相泥岩发育。剖面向上粒度变大，砂质含量逐步加大，同时受区域沉积影响，钙质含量增加。总体上与黔北地区其他剖面一致，显示碎屑物质供给逐渐增大、相对海平面降低的特征。

3.2 沉积序列

上奥陶统临湘组岩性为浅灰色薄层瘤状泥质灰岩，层面平整，与上覆上奥陶统五峰组整合接触。五峰组岩性主要为灰黑色薄—中层状含粉砂质碳质泥岩(图6a)夹硅质碳质泥岩，风化较破碎，成叶片状，污手现象较重；向上硅质含量降低，见大量笔石发育，斑点状黄铁矿发育。观音桥组岩性主要为灰色中层状生物灰岩，见大量指状珊瑚发育(图6b)。龙马溪组岩性主要为黑色薄—中层状含粉砂质碳质泥岩、碳质粉砂质泥岩，岩石中见大量笔石化石(图6c)，见少量星点状、结核状黄铁矿，发育大量水平层理，向上粉砂质与钙质含量逐渐增加；上部岩性主要为灰黄、灰绿色块状泥岩、钙质泥岩和粉砂质泥岩，属于浅水陆棚沉积环境。整体上，五峰—龙马溪组由下而上呈现水体变浅的趋势。

3.3 棚内洼地的识别和特征

综上所述，绥阳地区枧坝剖面在沉积序列上和黔北地区相比具有一致性。区域上，遵义—石阡一线以南属黔北隆起区，无五峰—龙马溪组沉积；远离古隆起区向盆地方向，五峰—龙马溪组地层总厚度与富有机质泥岩厚度均逐渐增大，五峰—龙马溪组富有机质泥岩则呈现由南至北逐渐增厚的特征，尤以重庆南川—贵州道真地区富有机质泥岩厚度较大，厚度可达60～90 m。研究区整体属于浅海陆棚相区，绥阳北、遵义板桥、桐梓红花园、桐梓韩家店、绥阳温泉、绥阳宽阔水、正安乐俭、正安小雅等五峰—龙马溪组剖面富有机质泥岩厚度均不超过19 m(图7，8)，但是枧坝镇五峰—龙马溪组剖面富有机质泥岩段厚度远远超过其附近的绥阳北、遵义板桥等五峰—龙马溪组剖面富有机质泥岩厚度，甚至大于其距离较远的正安五峰—龙马溪组剖面富有机质泥岩的厚度。

图5 黔北绥阳县枧坝镇五峰—龙马溪组剖面岩石薄片特征

图6 黔北绥阳县枧坝镇五峰—龙马溪组剖面野外露头岩石特征

图7 黔北绥阳—南川地区五峰—龙马溪组富有机质泥岩厚度对比

这种五峰组与观音桥组厚度显著增大的现象，在黔中隆起周边还是首次发现。至于其形成原因，认为是发育在浅水陆棚内的一个棚内洼地沉积区，其主体岩性为黑色碳质泥岩，同时见大量笔石相化石沉积，形成了局部凹陷地区并且水体相对较深的沉积环境。通过编制黔北绥阳地区五峰—龙马溪组富有机质泥岩厚度等值线图，推测该盆内洼地分布范围应该为板桥(9.5 m)、绥阳(7.74 m)、乐俭(18.2 m)所限定的区域内(图8)。

4 棚内洼地富有机质泥岩特征

4.1 富有机质泥岩矿物组成特征

通过对枧坝剖面13个有效样品(取样位置见图3,4)进行X-衍射矿物组分分析(表1)，矿物组分主要包括黏土矿物和脆性矿物。黏土矿物主要有高岭石、绿泥石、伊利石、蒙脱石、伊/蒙间层和绿/蒙间层。该剖面总体黏土矿物平均含量为29.5%，以伊利石和伊/蒙混层为主，二者相对平均含量分别为42.5%和48.15%；绿泥石含量次之，相对平均含量为7.77%；在五峰组下部含有4%～8%的高岭石。总体来看，该剖面较稳定的伊利石和伊/蒙混层含量相对较高。

脆性矿物主要为石英、钾长石、斜长石、白云石、方解石、黄铁矿、菱铁矿等。石英含量相对较高，平均含量为41.76%；其他脆性矿物如钾长石的平均含量约为2.69%。斜长石含量在五峰组含量较低，一般为1%～2%；龙马溪组含量相对较高，达12%,推测五峰组富有机质泥岩沉积环境和龙马溪组沉积环境具有较大的差别。黄铁矿分布不均匀，仅在五峰组第三层有沉积显示，三组样品黄铁矿平均含量为3%，显示五峰组应该比龙马溪组有着更强的还原环境。自生脆性矿物主要为方解石和白云石，总体平均含量19.41%，以方解石为主，在五峰组含量较低，由于沉积分异的影响，龙马溪组碳酸盐矿物含量较高。

4.2 有机地化特征

有机碳(TOC)含量是衡量烃源岩生烃潜力的主要指标，也是评价页岩气的重要参数之一。通常情况下，有机碳保存于还原环境中，因此高的有机碳含量往往也指示原始沉积时的缺氧环境[8-9]。五峰—龙马溪组的有机碳含量在 0.53%～6.04%之间，平均为3.05%(表2)；向上呈明显的减少趋势，与岩性在纵向上变化特征一致，表现为沉积水体向上变浅，反映氧化条件变强，不利于有机质的保存。黑色碳质泥岩段主要发育于底部，发育厚度约为33.11 m；而TOC大于2.0%的富有机质泥岩段则集中在下部20.5 m内。此外，富有机质泥岩段普遍含有较多脆性矿物，其中石英的含量普遍大于50%。

枧坝剖面的有机碳含量与石英含量呈一般的正相关关系(图4)，来自其他地区，如长宁双河的五峰—龙马溪组剖面统计分析也显示了相同特征[19]。王淑芳等[20]认为硅质来源与生物成因有关。

表1 黔北绥阳枧坝五峰—龙马溪组剖面样品X衍射矿物组分分析

注：K为高岭石；C为绿泥石；I为伊利石；S为蒙皂石；I/S为伊/蒙间层；C/S为绿/蒙间层；%S为间层比。

表2 黔北绥阳枧坝五峰—龙马溪组剖面样品基础有机地球化学分析

注：Ro=0.668Rb+0.346[22]。

岩石热解分析表明，热解峰温(Tmax)一般大于500 ℃。通过对沥青颗粒测试沥青反射率(Rb)，并换算为等效镜质体反射率值(Ro)[22]介于1.93%～2.19%之间，平均为2.07%。热演化程度处于过成熟阶段，有利于甲烷气的生成。此外，根据程鹏等[21]对富有机质泥岩进行的纳米孔隙结构随成熟度变化的热模拟实验分析结果表明，当Ro介于0.7%～3.5%时，孔隙结构与热演化程度有着明显的正相关关系。枧坝剖面的Ro为2.07%，处于纳米级孔大量发育的有利阶段，有助于提高吸附气的含气量。

4.3 棚内洼地富有机质泥岩发现的页岩气意义

在棚内洼地区，五峰—龙马溪组黑色泥岩厚度一般小于20 m(图8)，在一定程度不具备较好的页岩气地质条件。但是枧坝剖面五峰—龙马溪组厚度与周边相比明显增大，有机碳含量大于2%的厚度达33.1 m，有机碳含量平均值为3.05%，远大于板桥、绥阳、乐俭、小雅等五峰—龙马溪组剖面的有机碳平均值(表3)；有机质成熟度Ro平均为2.07%，处于有利于生成甲烷气的阶段；同时具有高脆性矿物指数(67%)的特征，有利于原生孔隙和后期改造孔隙的形成。

因此，整个黔北地区，在基本厘定黑色泥岩分布规律的情况下，该剖面的发现极大地改变了对该区的黑色岩系分布规律和状态，以及黔北地区尤其是绥阳—德江地区的黑色泥岩分布规律的认识。另外，在其他地区是不是一样存在一些未被发现的棚内洼地的沉积区，还有待进一步调查和研究。同时研究区发育枧坝向斜，未见较大断裂发育，构造相对稳定；区域内多被三叠—侏罗系地层覆盖，埋深较理想，具有比较良好的页岩气保存条件。总体来看，该区域具有良好的页岩气基本地质条件，该剖面的发现在一定程度上拓宽了黔北地区页岩气地质调查的视野。

5 结论

表3与黔北绥阳枧坝剖面相邻的剖面五峰—龙马溪组有机碳平均值

Table3ComparisonofTOCcontentsofJianbasectionwithitsneighboringsectionsinSuiyangarea,northernGuizhou%

剖面样品有机碳含量B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11平均值板桥2．853．681．891．35-------2．44绥阳2．452．561．241．05-------1．83乐俭1．892．643．893．323．451．562．562．012．892．181．352．52小雅1．433．224．812．562．771．182．241．683．322．431．022．42

注：表中“-”代表TOC含量小于1%的样品，不列入计算富有机质泥岩段的平均值。

(1)黔北地区沉积相带展布由南向北为浅水陆棚和深水陆棚相组成，其中浅水陆棚包括粉砂质和含泥质粉砂微相；深水陆棚包括含粉砂泥质和含碳质泥岩微相。绥阳枧坝地区龙马溪组异常增厚剖面的发现表明，该地区发育着浅水陆棚内的棚内洼地。

(2)黔北绥阳枧坝富有机质泥岩剖面序列与黔北其他地区存在一致性；同时具有较好的页岩气有机地球化学特征和高脆性矿物指数特征。

(3)枧坝富有机质泥岩的发现，改变了对黔北南川—绥阳地区沉积岩相古地理分布的认识，同时为该地区页岩气勘探提供了物质基础和科学依据。

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