川南地区龙马溪组沉积亚相精细划分及地质意义

蒲泊伶, 董大忠, 王凤琴, 刘桂珍, 王玉满, 黄金亮

(1.西安石油大学地球科学与工程学院,陕西西安 710065;2.西安石油大学陕西省油气成藏地质学重点实验室,陕西西安 710065;3.中国石油勘探开发研究院,北京 100083;4.国家能源页岩气研发(实验)中心,河北廊坊 065007;5.中国石油天然气集团有限公司非常规油气重点实验室,河北廊坊 065007)

川南龙马溪组页岩气勘探生产中发现,并非所有页岩气井都能获得高产,且同一口页岩气井中不同层段含气性也有较大差异,而导致页岩气井产量差异大的原因尚不明确。页岩含气量通常受到页岩厚度、矿物组成、有机质丰度及类型、热演化程度和岩相类型等多种因素影响,而这些地质因素均与页岩沉积条件的变化密切相关,因此对沉积演化特征的研究有利于对这一问题的探索,可以为页岩气富集规律提供一定的理论指导。中国已有部分学者对研究区龙马溪组的沉积特征[1-3]开展一些研究,建立页岩层序地层格架[4-6],发现威远和长宁地区富有机质页岩的沉积时间存在较大的差异[7-8]。因此对川南地区龙马溪组页岩沉积亚相的精细划分,结合生物地层年代分析,可以更全面地了解研究区龙马溪组页岩在时空上的演变,探寻沉积条件对优质页岩的控制作用,以期为页岩气的勘探提供指导。

1 地层与岩性特征

1.1 地 层

自震旦纪以来,四川盆地经历了多期构造运动[9],志留纪末的晚加里东运动使下古生界地层褶皱变形,盆地整体抬升成陆,大部分地区露出水面,导致志留系地层遭受不同程度剥蚀[10-11]。志留系在多数地区仅保留了下志留统龙马溪组、石牛栏组/小河坝组及中志留统韩家店组。下志留统龙马溪组沉积的时期是中国南方挤压最强烈的时期,强烈的构造挤压作用影响龙马溪组页岩的沉积及厚度分布[12]。在威远地区龙马溪组顶部灰绿色页岩直接与下二叠统梁山组黑灰色泥质灰岩呈不整合接触,缺少下志留统石牛栏组及志留系中上统沉积,龙马溪组底部发育厚度为20～40 m黑色页岩、硅质页岩,与下伏上奥陶统五峰组观音桥段介壳灰岩呈整合接触;长宁地区地层发育较全,龙马溪组顶部深灰色粉砂质页岩与上覆石牛栏组呈整合接触,之下与上奥陶统五峰组观音桥段介壳灰岩呈整合接触,底部发育厚度为30～50 m黑色页岩、碳质页岩。

1.2 岩石学特征

1.2.1 岩性组合

沉积环境的变化导致地层和岩性组合差异较大。根据岩心观察、薄片鉴定、测井解释及X射线衍射分析,威远地区龙马溪组底部主要发育黑色笔石页岩、黑色碳质页岩、黑色含钙质页岩以及灰黑色硅质页岩等岩石类型,以双列笔石大量发育为特征,含黄铁矿晶粒及结核,页理十分发育,岩石性脆,极易发生破碎;龙马溪组中部为灰黑色页岩夹薄层深灰色灰岩,笔石含量急剧减少,以单列笔石为主,偶见黄铁矿;龙马溪组上部主要发育灰绿色—绿灰色黏土岩,未见笔石化石,偶见介壳,泥质含量极高导致岩性致密不易破碎。龙马溪组整体自下而上页岩颜色逐渐变浅,岩石类型为黑色富有机质页岩→灰黑色页岩→灰绿色黏土岩,颜色由深变浅直到灰绿色;黏土矿物含量逐渐增高,由13.4%增加到70.6%;钙质体积分数含量逐渐降低,由70%减小为0;TOC含量为6.44%～0.14%;伽马值为126～250 API;电阻率为8～50 Ω·m;化石含量从富集到无(图1),有机质含量及生物化石的减少表明沉积水深逐渐变浅[13]。

长宁地区龙马溪组底部以发育黑色笔石页岩和黑色碳质页岩为特征(图2),笔石富集,页理十分发育。由于靠近物源,向上水体变浅,砂质含量增高,以灰黑色—深灰色粉砂质页岩夹薄层灰色粉砂岩条带沉积为主。龙马溪组整体由下向上颜色变浅、砂质含量增多。岩石类型为黑色富有机质页岩→灰黑色粉砂质页岩→深灰色粉砂质页岩与灰色泥质粉砂岩薄互层,页岩颜色为黑色→灰色;黏土矿物体积分数含量为18.9%～56.8%;钙质体积分数含量为22%～3.1%;烃源岩残余有机碳含量TOC为6.39%～0.11%;伽马值为106～270 API;电阻率为53～165 Ω·m;化石含量由富集至较少,有机质含量不断减少,沉积水深由深水至半深水-浅水。

图1 威X1井龙马溪组下段综合柱状图Fig.1 Synthesis column map of lower segment of Longmaxi Formation, well Wei X1

1.2.2 岩相类型

通过岩心观察及详细描述,依据颜色、岩性、颗粒大小以及化石发育情况,将龙马溪组页岩岩相类型划分为笔石页岩相、碳质页岩相、硅质页岩相、钙质页岩相、泥质灰岩相、粉砂质页岩相以及黏土岩相。

笔石页岩相:主要发育在龙马溪组下段,页理发育,以笔石大量发育为特征,笔石通常顺层密集分布,笔石体积分数含量大于50%。威远地区主要笔石类型为Climacograptus、Glyptograptus、Rastrites和Hedrograptus,长宁地区主要是以Climacograptus为主,其他类型少见。页岩中黄铁矿纹层及黄铁矿晶粒富集,局部见黄铁矿结核。色均,为黑色,质纯,性硬而脆,水平层理。

碳质页岩相:发育在长宁地区龙马溪组底部,页理十分发育,水平层理。颜色为黑色,碳质含量极高,十分染手,碳质可能是高有机质在高—过成熟度下发生碳化后的产物。矿物颗粒极细,致密,性脆,贝壳状断口。岩心上普见笔石化石,可见Petalolithus,笔石体积分数含量小于50%。见黄铁矿晶粒条带或纹层,或以斑点状分布,见钙质纹层。

硅质页岩相:含硅质较均,致密,性硬且脆,断面光滑,贝壳状断口,夹黄铁矿条纹。水平层理、均质层理。

钙质页岩相:主要发育在威远地区龙马溪组底部。钙质含量极高,点酸强烈起泡,含笔石,形态模糊无法定名,可能为双列笔石。夹黄铁矿纹层,层面上可见黄铁矿晶体。

泥质灰岩相:含泥质,粉—泥晶结构,致密,性硬。

粉砂质页岩相:主要发育在长宁地区龙马溪组中上部,粉砂质体积分数含量为25%～50%,矿物颗粒较其他页岩略粗,含少量钙质,点酸起泡。

黏土岩相:主要发育在威远地区龙马溪组上部,颜色为灰绿色—绿灰色,泥质含量非常高,最高可达90%以上。色均、质纯,十分致密,性硬。平坦状断面,断面光滑,具滑腻感。

2 生物地层年代

中国志留系下统“龙马溪组”相当于世界标准分层中的“兰多维列统”,包含鲁丹阶、埃隆阶和特列奇阶3个时期的沉积。龙马溪组页岩以富含笔石为特征,其中笔石出现演化快的单笔石,成为志留系最主要的分层化石[14]。笔石是一种海洋群体生物,生活在不同水深的水层之中[15],但在不同的深度有不同种类的笔石。因此对于笔石在纵向上沉积序列的研究,可以识别沉积时的沉积环境[16]和地层年代(图3)。

通过川南地区9口页岩气井页岩岩心中生物化石的识别,不同地区笔石分带具有一定的差异。在威远地区识别出Spirograptusguerrichi,Demirastritestriangularis,Petalolithusclavatus,P.conicus,P.ovalis,Oktavitesspiralis,Pristiograptus,Climacograptus,Monograptus,Orthograptus,Glyptograptus等10多种笔石类型;长宁地区识别出Petalolithusminor,P.ankyratus,Demirastrites,Monograptus,Pristiograptus,Climacograptus,Glyptograptus,Hedrograptus,Rastritesperegrinus,Normalograptus等10多种笔石类型(图4)。参考国内外对笔石带的划分方案[17-18],结合川南龙马溪组笔石发育特征,鲁丹阶以双列笔石富集为特征,代表水深100～200 m的深水沉积(对于笔石沉积时古水深的判定依据参考陈旭[16]志留纪笔石深度分带模式,但实际岩心观察到的笔石类型纵向上分布特征有差异),反映深水陆棚沉积环境;将Demirastritestriangularis的首现定为埃隆阶的底界,代表水深60～200 m的沉积,反映半深水—深水陆棚沉积环境;Spirograptusguerrichi的首现作为特列奇阶的底界,代表沉积水深在20～60 m的浅海沉积,反映浅水陆棚沉积环境。笔石分带特征表明,威远地区龙马溪组沉积时经历了鲁丹阶、埃隆阶和特列奇阶3个时期的沉积,长宁地区缺少特列奇阶特征化石,只在鲁丹阶和埃隆阶两个时期接受沉积。

3 沉积特征及演化

3.1 沉积构造

川南地区龙马溪组页岩沉积构造多样,说明龙马溪组页岩在沉积过程中,沉积环境曾发生过多次变化,造成页岩具有很强的非均质性。通过岩心观察,在目的层识别出块状层理、印模构造、滑塌构造、水平层理、波纹层理、变形构造、结核等多种构造样式(图5)。其中龙马溪组下段主要发育代表静水环境的水平层理及块状层理,黄铁矿结核较为常见,体现出典型的海相还原环境特征;龙马溪组中上段可见波纹层理、生物潜穴及变形构造,代表了水动力较弱的沉积环境。

图4 川南地区龙马溪组页岩笔石化石图版Fig.4 Pictures of graptolite in Longmaxi group, southern Sichuan area

图5 川南地区龙马溪组页岩沉积结构Fig.5 Sedimentary structure of Longmaxi shale in southern Sichuan ara

3.2 沉积亚相划分

早志留世龙马溪期继承了晚奥陶世海侵规模,地壳稳定持续下沉[19],以沉积水循环受限的滞留陆棚—深水陆棚亚相为主[20]。通过岩性、岩相、沉积构造、有机质含量、矿物组成、生物化石和测井响应等特征,进一步划分为深水陆棚亚相、半深水陆棚亚相和浅水陆棚亚相3种沉积亚相类型。

深水陆棚亚相富含双列笔石,代表水深100～200 m的深水沉积,发育水平层理及块状层理。深水陆棚亚相有机质体积分数含量极高,一般大于2.0%。富含黄铁矿,代表较弱的水动力条件及低能的还原环境。深水陆棚亚相可分为碳质和钙质两种:深水钙质陆棚亚相主要发育在威远地区,主要岩相类型为钙质页岩相、硅质页岩相和笔石页岩相(图1)。此段页岩的钙质总体体积分数含量较高,为5%～25%。深水钙质陆棚亚相地层的测井伽马值较高,约为139 ～437 API,平均为189 API;铀值较高约为(2.7～41)×10-6,平均为12.6×10-6;中子孔隙度约为7%～23%,平均为18%;密度略低约为2.34～2.71 g/cm3,平均为2.57 g/cm3;声波时差为236.22～311.68 μs/m,平均为282.15 us/m;电阻率略高为4～650 Ω·m,平均为43 Ω·m。深水碳质陆棚亚相主要分布在长宁地区,主要岩相类型为碳质页岩相以及笔石页岩相(图2)。此段页岩的钙质体积分数含量相对较少,总体体积分数含量小于5%,具有较高伽马(150～300 API)、高电阻率(0.2～10 Ω·m)的测井响应特征。该亚相页岩具有生气潜力大、有机质含量高、岩石脆性好、页理发育的特点,是页岩气富集的最有利沉积相带。

半深水陆棚亚相富含单列笔石,见头足类化石,代表水深60～100 m的沉积,发育水平层理、块状层理及波状层理,含黄铁矿,代表水动力较弱的沉积环境及较低能的还原环境。半深水陆棚亚相可分为泥质和砂质两种:半深水泥质陆棚亚相主要发育在威远地区,主要岩相类型为黏土岩相以及少量泥质灰岩相(图1)。具有高伽马(120 ～160 API)、低电阻率(3～10 Ω·m)的测井响应特征。此段页岩的钙质不发育,总体含量小于5%,TOC含量相对较高,0.5%～2.0%,具有较好的生气潜力;半深水砂质陆棚亚相主要发育在长宁地区,主要岩相类型为粉砂质页岩相、泥质灰岩相(图2)。具有较高伽马(50～150 API)、高电阻率(20～200 Ω·m)的测井响应特征。此段页岩的钙质体积分数含量高为5%～25%,TOC含量相对较高为0.5%～2.0%,具有一定的生气潜力,粉砂质页岩相物性相对较好、岩石脆性高,可作为页岩气有利的勘探目标。

威远地区浅水陆棚亚相的主要岩相类型为黏土岩相(图1),可见沙纹层理、波状层理等沉积构造,笔石少见,以Spirograptusguerrichi为主,见腕足类、双壳类、腹足类、头足类等化石(图6),代表沉积水深在20～60 m的浅海沉积。具有较高伽马(50～150 API)、低电阻率(小于10 Ω·m)的测井响应特征,岩石密度为2.6～2.8 g/cm3。此段页岩的钙质含量极少,总体体积分数含量小于5%,TOC较低,小于0.5%,生气潜力极差,且岩性十分致密,不能作为页岩气的有效富集层段,但可作为下伏产气层段的良好盖层。长宁地区浅水陆棚亚相的主要岩相类型为粉砂质页岩相(图2),TOC较低，小于0.5%。

图6 川南地区龙马溪组页岩化石图版Fig.6 Shale fossil map of Longmaxi group in southern Sichuan

根据沉积亚相划分结果,威远地区发育浅水泥质陆棚亚相、半深水泥质陆棚亚相和深水钙质陆棚亚相3种沉积亚相类型(图7),沉积主体为浅水泥质陆棚亚相,厚度为140～250 m,半深水陆棚亚相沉积厚度为25～28 m,深水陆棚亚相沉积厚度相对较薄,仅为8～28 m;长宁地区发育浅水砂质陆棚亚相、半深水砂质陆棚亚相和深水碳质陆棚亚相(图7),浅水砂质陆棚亚相沉积厚度为39～146 m,半深水砂质陆棚亚相沉积厚度为54～124 m,深水陆棚亚相沉积厚度为33～46 m。

图7 川南地区龙马溪组沉积亚相连井对比图Fig.7 Well connected correaltion figure of Longmaxi shale sedimentary subfacies in southern Sichuan ara

3.3 沉积相模式及演化特征

川南地区龙马溪组页岩厚度、岩性岩相、有机质含量、矿物组成等特征在区域上的变化十分明显,表现出极强的非均质性。沉积物源、原始沉积环境、海平面的升降以及构造演化特征的不同,是造成这一差异的主要原因。

受幕式构造变动、沉积物供给、海平面升降和古气候影响,研究区早志留世沉积过程中存在多期海平面升降事件[21-23],海水进退变化频繁。从早志留世沉积演化来看,海侵方向主要来自东部,即当时存在的湘中、南地区的海槽[23]。随着区域构造抬升作用的增强,海水从北西方向退出[1]。志留纪初期,研究区的相对海平面处于较低的位置,在周缘古陆的阻隔下,形成了龙马溪早期闭塞、半闭塞的滞留海盆环境。因而在龙马溪组沉积早期——鲁丹阶,整个川南处于受限的深水陆棚亚相沉积环境中[1],川南地区受来自于南东方向挤压作用,川中隆起及黔中隆起当时为水下的两个隆起,造成沉积基底具有两边高中间低的特点,海域自东南向北逐渐变深。黑色富有机质页岩沉积中心分布在赤水一带,厚度可达200 m,沉积厚度由中心向外围逐渐变小,直到隆起区尖灭。根据前人研究推断,陆源碎屑物质主要来自包括黔中古隆起在内的前陆隆起带以及雪峰古隆起,川中古隆起可能仅提供溶解物质。故早志留世沉积充填具多物源的混合型陆棚沉积性质[1]。由于威远地区紧邻川中古隆起,其物源主要来自于川中古隆起,以泥质、钙质细粒沉积为主;长宁地区物源则来自于黔中古隆起,以泥质、粉砂质细粒沉积为主。

进入埃隆阶,随着全球海平面下降,伴随推挤作用的增强,盆地沉积基底不断抬升,乐山—龙女寺古隆起逐渐扩大,海域逐渐缩小,海平面相对下降,沉积分异作用加剧[1]。构造上随着研究区来自北西方向和南东方向的构造挤压作用的增强,加速了水深的变浅。两个隆起不断抬升,海水相对下降,海域逐渐缩小,水体深度也不断变浅,沉积速率逐渐变大[24],沉积中心不断由南部逐渐向北部迁移。在垂向序列及测井响应上,构成向上变粗的充填变浅序列[1]。由于黔中隆起的抬升作用更加强烈,使得长宁地区海平面下降更为强烈,沉积环境此时已由深水陆棚转变为浅水—半深水陆棚。由于距离物源黔中隆起较近,沉积速度较快,沉积了厚度为200～400 m的粉砂质页岩夹粉砂质条带。这个时期研究区的沉积中心逐渐向北迁移,在永川地区沉积厚度超过400 m。川中隆起的抬升作用没有黔中隆起那么强烈,威远地区仍处于深水环境,富有机质页岩沉积速率缓慢,沉积了相对较薄的黑色富有机质页岩,沉积物厚度较薄,并向盆地内逐渐尖灭。

到了龙马溪晚期的特列奇阶,构造挤压作用更加剧烈,地层不断抬升,海平面剧烈下降。此时长宁地区已不再接受沉积,威远地区相继沉积了半深水—浅水陆棚亚相,由于物源方向来自于川中隆起,沉积物泥质含量较高,沉积了大套的灰绿色—灰黑色黏土质页岩。因此研究区南部长宁地区缺乏特列奇阶时期的沉积,宜宾-永川以南均未接受沉积,特列奇阶沉积只发生在研究区北部,以威远地区为沉积中心,厚度达100余米,向北逐渐向隆起区渐薄至尖灭。

综合上述研究成果,绘制川南地区下志留统龙马溪组页岩沉积模式图(图8),表明川南地区龙马溪组页岩的沉积演化受到古沉积环境及构造演化的影响,沉积特征区域变化较大。龙马溪沉积时期,伴随着川中乐山-龙女寺古隆起与雪峰山古隆起的形成并不断扩大,总体上由早期的鲁丹阶以深水陆棚沉积为主,沉积中心不断由南部逐渐向北部迁移,沉积范围逐渐缩小。

图8 川南地区下志留统龙马溪组页岩沉积模式Fig.8 Facies model of Lower Silurian Longmaxi shale in southern Sichuan ara

4 结 论

(1)根据笔石分带特征,威远地区龙马溪组经历了鲁丹阶、埃隆阶和特列奇阶3个时期的沉积,长宁地区缺少特列奇阶特征化石,只发育鲁丹阶和埃隆阶两个时期的沉积。

(2)将龙马溪组页岩按颜色、岩性、粒度及含化石情况划分为笔石页岩相、碳质页岩相、硅质页岩相、钙质页岩相、泥质灰岩相、粉砂质页岩相以及黏土岩相7种岩相类型。

(3)沉积相分布在区域上具有较大差异。在威远地区经历了3期沉积,发育深水钙质陆棚亚相、半深水泥质陆棚亚相和浅水泥质陆棚亚相;长宁地区经历了2期沉积,发育浅水砂质陆棚亚相、半深水砂质陆棚亚相和深水碳质陆棚亚相;龙马溪组页岩的沉积演化受到古沉积环境及构造演化的影响,沉积特征区域变化较大,沉积中心向北逐渐迁移。

(4)川南地区受古沉积环境和古构造演化的影响,龙马溪组页岩在岩相、沉积亚相分布上具有较大差异,表现出极强的非均质性,深水陆棚亚相沉积为页岩气富集的最有利沉积相带。

致谢感谢中国石油勘探开发研究院张师本老师在笔石种类鉴定中给予的指导和帮助。