四川盆地下志留统龙马溪组结核体发育特征及其沉积环境意义

王玉满 李新景 王 皓 陈 波 蒋 珊 马 杰 代 兵

1.中国石油勘探开发研究院 2.长江大学

0 引言

下志留统龙马溪组是目前中国南方页岩气勘探的主力层系，其黑色页岩形成环境与分布规律一直是研究关注的重点[1-6]。目前，地质人员依据典型带笔石、观音桥段介壳层和特定的斑脱岩层等重要等时界面（自然伽马曲线多显尖峰特征），开展龙马溪组地层划分与对比、区域构造演化分析、岩相组合与沉积环境、富有机质页岩分布研究等重要工作，取得了大量卓有成效的研究成果[1-12]。近几年来，随着勘探和研究工作的不断深入，笔者在四川盆地川南和川东—鄂西坳陷龙马溪组中下段发现了多层结核体。结核体是细粒沉积岩中十分常见且又相当复杂的一类岩相，在揭示古地理、古环境、古生态、古物源以及成岩作用等方面具有重要的意义[13-24]。但是，目前对于龙马溪组结核体发育特征及其对黑色页岩段沉积环境的指示意义知之甚少，也未见相关报道。

为此，笔者以四川盆地川南—川东坳陷及周缘露头和钻井资料为基础，通过自然伽马（GR）、岩石矿物、薄片、地球化学等地质资料测试与分析，研究龙马溪组结核体发育特征，并结合围岩岩相、地球化学、电性等地质特征分析，探索揭示结核体层对古环境的指示意义。

1 结核体发育特征

近几年来，笔者围绕川南和川东—鄂西坳陷龙马溪组半深水—深水陆棚沉积区（图1），开展了大面积野外地质考察以及重点井测井响应分析，在长宁双河、永善苏田、綦江观音桥、利川毛坝、石柱漆辽、DT1井、Y101井、NY1井、JY1井、LY1井等资料点均发现结核体，结核体主要发育于龙马溪组中下段的总有机碳含量（TOC）大于1%、黏土含量大于40%的碳质页岩和黏土质页岩中，厚度一般介于20～80 cm，顺层状断续分布，单个结核体尺寸超过20 cm×10 cm。为了解结核体发育特征，笔者重点对5个野外露头点结核体发育的层位、尺度、岩相和电性特征及其上下围岩特征进行研究。

图1 四川盆地及周缘埃隆阶沉积相与重点资料点分布图

1.1 发育层位与岩相特征

在川南和川东—鄂西坳陷，结核体主要发育于龙马溪组Coronograptus cyphus、Demirastrites trian-gulatus、Lituigrapatus convolutus等3个笔石带，厚度（短轴）介于20～80 cm，呈中—低自然伽马响应特征（表1、图 2）。

图2 LY1井五峰组—龙马溪组综合柱状图

长宁双河剖面至少发育3层结核体，分别位于鲁丹阶Coronograptus cyphus带（LM5）中部、埃隆阶Demirastrites triangulatus（LM6）中上部（表 1）。LM5结核体呈透镜状、椭球状，大小为85 cm×30 cm，为碳质页岩围限且呈突变接触，岩相主体为钙质硅质混合页岩，核体中心区钙质含量高，断面细腻，灰色，未见圈层结构，见水平纹层（单层厚度为25～50 μm，颗粒主要为次棱角状和椭球状石英、放射虫等），向边部黏土质增加，颜色变深（图3-a、4-a）。实验测试显示，核体岩石矿物中石英含量为48.7%、斜长石含量为4.2%、方解石含量为8.9%、白云石含量为16.9%、黄铁矿含量为11.0%、黏土含量为10.3%；TOC为0.8%；GR介于124～147 cps，且自核部向边缘增大（表1、图5-a），反映黏土质和有机质自核部向边缘增多的变化特征。LM6中部结核体呈椭球状，为碳质页岩围限且呈突变接触，长轴50～100 cm、短轴25～30 cm，岩相主体为钙质硅质混合页岩，钙质含量高，断面细腻，灰色，显均质层理（图3-b），核体岩石矿物中石英含量为56.0%、斜长石含量为3.3%、方解石含量为24.0%、黏土含量为16.7%，TOC为0.7%（表1）。LM6上部结核体为椭球状，大小为60 cm×30 cm（图3-c），为碳质页岩围限，岩相主体为钙质黏土质混合页岩相，核体中心区钙质含量较高，向边部黏土质增加，岩石矿物中石英含量为22.0%、斜长石含量为3.3%、方解石含量为15.9 %、白云石含量为3.3% 、黏土含量为55.5%，TOC为1.0%（表1）。埃隆阶结核体围岩TOC介于1.1%～1.7%，岩石矿物中石英含量为21.5%～26.8%、长石含量为3.2%～5.3%、方解石含量为4.6%～18.0%、白云石含量为2.9%～5.3%、黏土含量为49.7%～67.9%（表1）。总体来看，长宁双河剖面下部两层结核体在岩石结构、岩相特征、矿物组成、TOC、GR等方面与围岩存在较大差别，上部结核体与围岩差异较小。

綦江观音桥剖面发育1层结核体，位于鲁丹阶LM5带中部，呈面包状，为黏土质页岩围限，长轴80～150 cm、短轴30～50 cm，主体为黏土质硅质混合页岩相，含钙质，深灰色，与围岩颜色差异小，镜下见纹层（图3-d、4-b），TOC为1.0%，岩石矿物中石英含量为34.6%、钾长石含量为1.9%、斜长石含量为13.4%、方解石含量为6.2%、黄铁矿含量为0.9%、黏土含量为43.0%，结核体与围岩在地球化学、岩石矿物等地质参数差异不大（表1）。

永善苏田剖面至少发育3层钙质结核体，位于埃隆阶LM6带下部和中部（图3-e、f，表1）。下层结核体位于厚层斑脱岩以上7.8 m处，核体呈面包状，厚40～80 cm，为碳质页岩围限且呈突变接触，核体中心区钙质含量高，见方解石晶体，颜色较浅，显均质层理，边缘颜色变深，GR介于123～167 cps，曲线呈低谷响应特征，且自核部向边缘增大，反映钙质自核部向边缘减少、黏土质向边缘增多的成分变化特征（表1、图5-b）。围岩与结核体差异明显，围岩GR为170～185 cps（表1、图5-b），反映黏土质和有机质含量较高。

图4 龙马溪组结核体薄片照片

图5 龙马溪组结核体典型自然伽马响应特征图

利川地区埃隆阶LM6带中部（厚层斑脱岩上方15 m处）发育1层结核体（图2），呈椭球状，与围岩突变接触，大小为50 cm×25 cm，岩相主体为黏土质硅质混合页岩，含钙质，深灰色（图3-g）；岩石矿物中石英含量为40.5%、长石含量为8.6%、方解石含量为3.6%、黄铁矿含量为0.1%、黏土含量为47.2%，TOC为1.3%，GR为134 cps（表 1）。在钻井测井曲线上，该结核体呈低GR、低中子响应特征（图2）。围岩主体为碳质页岩，与结核体物质成分差异显著，具有更高的TOC和黏土质含量（表1）。

石柱漆辽剖面发育多层结核体[6]，主要位于埃隆阶LM6带和Lituigrapatus convolutus带（LM7）上部。其中LM6带结核体呈椭球状，长轴50 cm、短轴20 cm，为黏土质硅质混合页岩围限，主体为硅质页岩（图3-h）；核体中心区硅质含量高，镜下纹层发育，向边部黏土质增加（图4-c）。核体岩石矿物中石英含量为49.2%、钾长石含量为3.8%、斜长石含量为9.4%、黏土含量为37.6%，GR介于191～194 cps，TOC为0.9%（表1）。LM7结核体呈透镜状、椭球状，长轴 50～ 150 cm、短轴 40 ～ 60 cm（图 3-i），主体为钙质硅质混合页岩，镜下纹层发育（单层厚介于80～140 μm）（图4-d），岩石矿物中石英含量为20.0%、钾长石含量为1.6%、斜长石含量为5.3%、黄铁矿含量为4.5%、铁白云石含量为46.1%、黏土含量为22.5%，GR介于210～217 cps，TOC为1.1%。与结核层相比，围岩普遍具有较高TOC和黏土质含量（表1）。

综上5个剖面结核体的分析，结核体产出层位与岩相特征区域差异大。在川南和川东南坳陷区，结核体发育于Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus两个笔石带的碳质页岩和黏土质页岩中，且以钙质硅质混合页岩相、钙质黏土质混合页岩相、黏土质硅质混合页岩相和钙质页岩相为主，含放射虫颗粒，钙质含量较高（一般超过6%）且明显高于围岩，TOC较低。在川东—鄂西坳陷区，结核体发育于Demirastrites triangulatus、Lituigrapatus convolutus两个笔石带（黏土质页岩和碳质页岩组合），且以黏土质硅质混合页岩相、硅质页岩相和钙质硅质混合页岩相为主，含放射虫颗粒，硅质或白云石含量明显高于围岩，黏土质较围岩显著降低，TOC较低。受结核体内岩石矿物成分差异影响，GR多表现为在核体中央区为低值响应、核体边缘为中高值响应的显著特征，这反映了钙质、硅质等脆性矿物主要富集于结核体中心区，黏土质和有机质则富集于结核体边缘的分异特征。由于大部分结核层与围岩在岩相、沉积构造、地球化学等地质特征方面存在明显差异，因此，结核体是其所在页岩段岩相组合趋于复杂的显著标志。

1.2 空间分布特征

对上述5条剖面进行伽马密集检测（Demirastrites triangulatus带及其以下的测点间距为10～20 cm、Lituigrapatus convolutus带以上的测点间距为50 cm、结核体层的测点间距10 cm），并与川南、川东和湘鄂西坳陷资料点自然伽马对比，建立永善苏田—DT1井—Y101井—NY1井—道真巴渔—鹤峰官屋、W202井—DT1井—长宁双河—RY1井、巫溪白鹿—LY1井—石柱漆辽—JY1井—NY1井—綦江观音桥等3条自然伽马大剖面（图1、6～8），以研究结核体层在川南、渝东南、川东等主要探区的分布特征。

鲁丹阶Coronograptus cyphus带发育1层结核体，自然伽马曲线上多呈低谷特征，分布较局限，主要发育于川南坳陷中南部，如长宁双河、Y101井、DT1井等地区/井区（图6、7），在威远、黔北—渝东南、川东地区未发现（图6～8）。该结核体层纵向上分布于Coronograptus cyphus带中部，形成于该笔石带底部斑脱岩密集段（图6～8中绿色箭头指示的GR峰）沉积之后。鲁丹阶结核体层为单发，在川南坳陷中南部分布稳定，GR低谷特征明显，可作为川南坳陷腹部Coronograptus cyphus带中段对比标志层（图6、7）。

埃隆阶结核体层数多，少至1层，多至超过4层，自然伽马曲线上多呈低谷特征，分布范围较大，主要发育于川南、川东—鄂西坳陷中央区，如永善苏田、长宁双河、Y101井、DT1井、NY1井、JY1井、石柱漆辽和LY1井等地区/井区，在威远、黔北—渝东南、湘鄂西和巫溪等地区消失或较少发现（图6～8）。该结核体层纵向上主要分布于Demirastrites triangulatus带中部和上部，局部出现在Lituigrapatus convolutus带中上部（如石柱地区），形成于Demirastrites triangulatus带厚层斑脱岩沉积之后（图6～8红色箭头指示的GR峰）。埃隆阶结核层分布规律较复杂，在川南、川东—鄂西坳陷分布的稳定性较差，不能单独作为区域对比标志层。

龙马溪组结核体层普遍赋存于TOC介于0.8%～2.4%（多数超过1.0%）、黏土含量超过40%、脆性指数低于50%的碳质页岩和黏土质页岩中（表1、图2），说明结核层主要出现在优质页岩沉积结束之后（图6～8），基本不与优质页岩共生。另外，结核体层在自然伽马曲线上多呈低谷响应特征，与赫南特阶GR峰、Coronograptus cyphus带底部斑脱岩密集段GR峰和半耙笔石带厚层斑脱岩GR峰形成鲜明反差（图2、6～8）。因此，在川南、川东—鄂西地区龙马溪组地质评价工作中，将结核体层与笔石、斑脱岩密集段相结合，对开展Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus等笔石带分层和优质页岩分布研究具有重要的参考价值。

2 沉积环境意义

图6 永善苏田—DT1井—Y101井—NY1井—道真巴渔—鹤峰官屋龙马溪组结核体层剖面图

前人研究认为，海相页岩中的结核体多为同沉积—早成岩期结核[13-22,25]。其中，钙质结核体主要为成岩早期还原菌降解有机质形成，是成岩早期的微生物降解带（埋深一般几十米至数百米）中硫酸盐还原菌降解有机质并产生НCO3－，Mg2+和 Ca2+与 НCO3－结合，进而产生钙质沉淀（即形成结核）[16-17,21-22]；硅质结核体多为同沉积结核体，即富硅软泥在同生—成岩初期经差异压实和硅质沉淀而形成[14-16]。龙马溪组结核体多具水平纹层或均质层理，与围岩相互不切割层理且呈突变接触，不具圈层结构，为同沉积—成岩早期形成。

图7 W202井—DT1井—长宁双河—RY1井龙马溪组结核体层剖面图

在奥陶纪和志留纪之交，扬子地台经历了台地陆棚转换期（五峰组沉积初期）、隆坳形成期（五峰组沉积早中期—Coronograptus cyphus带底部斑脱岩密集段出现之前）、前陆挠曲初期（Coronograptus cyphus带底斑脱岩密集段出现之后—半耙笔石带厚层斑脱岩出现之前）、前陆挠曲发展期（半耙笔石带厚层斑脱岩出现之后）等4个阶段[5-6]。从结核体发育层位和空间展布特征看（图2、6～8、表1），龙马溪组结核体形成于前陆挠曲初期和前陆挠曲发展期，且与TOC＞1.0%的黏土质页岩、碳质页岩相伴生，其分布区和形成环境具有3个显著特征：①处于前陆挠曲活跃期，华南板块与扬子板块碰撞、拼合作用强烈[2,5-6,8,25]，物源输入稳定性变差，导致陆源碎屑供给常常发生阵发性、短暂性改变（由黏土质输入为主转为以碳酸盐、石英等脆性物质输入为主），确保短期内水体和沉积物中Ca2+、Mg2+、石英富集；②水体较深（深水—半深水陆棚，水深超过60 m[1-3]）且较安静，在海底形成还原环境（图1），有机质较富集，具有硫酸盐细菌还原有机质的物质基础；③上覆沉积物黏土质含量高（平均含量超过45%），沉积速度快（沉积速率一般超过15 m/Ma）（表1），确保结核体层Ca2+、Mg2+、石英、有机质等沉积物快速进入埋深几十米至数百米的微生物降解带[21-22]，有利于硫酸盐细菌还原有机质，促进钙质、硅质在短期内规模沉淀（即结核快速生长）。龙马溪组大型结核体（尤其是含钙质结核体）是深水—半深水陆棚相快速沉积的产物，也是前陆期物源输入稳定性变差和陆源碎屑物质发生突发性、短暂性改变的重要标志。这表明结核体一般不会在缓慢沉积的深水环境中产生，也不会在快速沉积的浅水环境中产生，缓慢沉积的深水环境中Ca2+、Mg2+和石英等陆源物质输入稳定、黏土质欠补偿，沉积物中岩石矿物分异较低，以硅质页岩、钙质硅质混合页岩等均质岩相沉积为主（如五峰组和鲁丹阶下段，图2），浅水环境中陆源物质输入量高、有机质丰度低，虽然Ca2+、Mg2+、黏土等物源输入量大、沉积速度快、岩石矿物分异度高，但在成岩早期的微生物降解带，因缺少有机质微生物降解作用难以产生足够钙质沉淀的НCO3－（如埃隆阶上段，图2）。可见，在扬子板块台盆区，龙马溪组不具备大型结核体与优质页岩共生的沉积背景，因为后者发育于构造稳定期深水缓慢沉积环境（沉积速率一般低于 15 m/Ma）[1-2,5,26-27]。

鲁丹阶钙质结核体分布在川南坳陷中南区，发育于Coronograptus cyphus带黑色黏土质页岩、碳质页岩中，反映该海域在鲁丹阶晚期为水体较深且较安静、陆源黏土质输入量高、沉积速率较快（30.00～33.75 m/Ma）的前陆挠曲坳陷，构造活动强烈，并在结核层发育期引发碳酸盐、石英等物质（来源于黔中古陆）大量进入该海域，表明川南坳陷中南部是奥陶—志留纪之交上扬子海盆最早进入前陆期的地区。

埃隆阶结核体主要分布于川南—川东坳陷中央区，且与黑色黏土质页岩、碳质页岩共生。结核体分布区在埃隆期主体为水体较深且较安静、陆源碳酸盐和黏土质输入量较高、沉积速率较快（16.20～51.56 m/Ma）的前陆坳陷，物源主要来源于黔中古陆和黔东北—雪峰古陆，前者为川南坳陷提供物源，钙质含量较高，后者为川东—鄂西坳陷提供物源，钙质含量较少，黏土质含量高；在结核体层发育期，构造活动强烈，来自于东南两个物源区的碳酸盐、石英等在短期内大量进入川南—川东坳陷区，为不同岩相的结核体形成提供物质来源。其中，Demirastrites triangulatus带沉积期因结核体发育层数多、分布面积广且岩相类型多样，是结核体形成的鼎盛期。表明Demirastrites triangulatus带可能为扬子前陆海盆形成的主要时期。

另外，结核体赋存层位由川南中南区的Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus两个笔石带向北上移至Demirastrites triangulatus、Lituigrapatus convolutus带，反映前陆挠曲坳陷自南向北的迁移特征。

3 结论

图8 巫溪白鹿—LY1井—石柱漆辽—JY1井—NY1井—綦江观音桥龙马溪组结核体层剖面图

1）结核体产出层位与岩相特征区域差异大。在川南和川东南坳陷区，结核体发育于Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus两个笔石带中，以钙质硅质混合页岩相、钙质黏土质混合页岩相、黏土质硅质混合页岩相和钙质页岩相为主，钙质含量较高且高于围岩；在川东—鄂西坳陷区，结核体发育于Demirastrites triangulatus、Lituigrapatus convolutus两个笔石带中，以黏土质硅质混合页岩相、硅质页岩相和钙质硅质混合页岩相为主，硅质、白云石含量较围岩高。受结核体内岩石矿物成分差异影响，自然伽马曲线多呈低谷响应特征，表明钙质、硅质富集于结核体中心区，黏土质和有机质则富集于结核体边缘。

2）龙马溪组结核体层发育于TOC介于0.8%～2.4%、黏土含量超过40%、脆性指数低于50%的碳质页岩和黏土质页岩中，与优质页岩不共生。鲁丹阶结核体层形成于Coronograptus cyphus带底部斑脱岩密集段沉积之后，可作为川南坳陷腹部Coronograptus cyphus带中段对比标志层；埃隆阶结核体层形成于半耙笔石带厚层斑脱岩沉积之后，分布规律较复杂，不能单独作为区域对比标志层。因此，在川南、川东—鄂西坳陷区龙马溪组地质评价工作中，结核层与笔石、斑脱岩密集段相结合对开展Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus等笔石带分层和优质页岩分布研究具有重要的参考价值。

3）龙马溪组结核体多为同沉积或早期成岩过程中形成。龙马溪组结核体形成于前陆挠曲初期和前陆挠曲发展期，是前陆期深水—半深水陆棚相快速沉积产物。结核体发育层位从川南中南部的Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus两个笔石带向北上移至Demirastrites triangulatus、Lituigrapatus convolutus带，反映前陆挠曲坳陷自南向北的迁移特征。