江南断裂带周边地区志留系层序地层特征及页岩气勘探前景

2020-07-04吴俊徐锦龙

华东地质 2020年2期

吴俊徐锦龙

摘要：运用露头层序地层原理和方法，以古生物、红层和碎屑锆石UPb年龄资料为基础，研究江南断裂带周边地区志留系层序地层特征、富有机质页岩的产出特征及页岩气勘探前景。结果表明：江南断裂带以北高家边组具有形成页岩气藏的优越条件，可作为页岩气勘探的有利目的层系。江南断裂带周边地区高家边组和坟头组（江南断裂以南称霞乡组、河沥溪组和康山组）仍划归于下志留统，茅山组（江南断裂以南称唐家坞组）划归于上志留统，缺失中志留统;富有机质页岩主要发育于SSQ1三級层序低水位体系域（lowstand systems tract，LST）、海侵体系域（transfressive systems tract，TST）和SSQ4三级层序凝缩段（condensation section，CS）。

关键词：层序地层;页岩气;富有机质页岩;志留系;江南断裂带

中图分类号：P61813

文献标识码：A

文章编号：20961871（2020）0218411

层序地层学主要研究年代地层框架的沉积相关系和地层结构，作为一种具有完整理论体系划分、对比和沉积地层分析的方法，为地层划分、岩相古地理再造和油气勘探提供了新理论和新方法，已成为油气勘探的重要手段之一[1]。2012年，我国首次在重庆涪陵地区焦页1井发现大型页岩气藏，龙马溪组页岩气产出可观[24]。江南断裂带周边地区高家边组（江南断裂以南称霞乡组）与上扬子地区龙马溪组海相泥页岩发育，二者分别属于不同区域的志留纪沉积地层。目前，下扬子地区志留系调查与研究工作相对薄弱。对下扬子地区志留系进行层序地层研究，对低水位体系域和凝缩段进行识别，进一步评价页岩气勘探潜力，这对指导下扬子地区页岩气勘探开发具有重要意义。

本文采用露头层序地层学原理和方法，在详细的沉积学研究、地层划分与对比的基础上，对江南断裂带周边地区江南地层分区和下扬子地层分区志留系3条剖面进行露头层序地层划分和对比，评价页岩气勘探潜力，为下扬子地区页岩气地质调查和参数井的布置提供参考。

1区域地质概况

研究区位于扬子板块北缘，江南造山带与沿江褶皱带交接处，以江南断裂带为界（图1），南侧为江南地层分区霞乡组、河沥溪组、康山组和唐家坞组，以盆地陆棚过渡带滨岸潮坪相碎屑岩沉积为主;北侧为下扬子地层分区高家边组、坟头组、茅山组，以陆棚滨岸砂坝相碎屑岩沉积为主。在江南断裂带附近泾县外马地区（江南断裂以北）发现一套江南地层分区与下扬子地层分区过渡岩石组合，原定为早志留世霞乡组和河沥溪组，现暂定为下扬子地层分区过渡岩石组合，使用下扬子地层分区的地层单元名称。

2志留系划分与对比

21志留系划分

因缺少标准化石对比，志留系沉积时代未能准确限定。本文通过测制志留系剖面，古生物资料引用《安徽省地层志·志留系分册》[6]、《安徽省岩石地层》[7]和“1∶25万安庆幅区域地质调查报告”[8]，重新划分该区岩石地层单位。岩石地层单位仍沿用“1∶25万安庆幅区域地质调查报告”[8]成果，对地层时代修正、补充，将高家边组和坟头组划归于下志留统，将茅山组规划于上志留统，依据如下。

（1）黄山三峰庵—举坑剖面唐家坞组下段顶部新发现腕足类Resserella sp.、腹足类Murchisonia cf. margrita Whidborr和古栉齿类双壳（未查到对应属种，可能是新属种）化石。上段产瓣鳃类化石Edmondia sp.;胞石化石Conochitina cf. acuminata Eisenack、Conochitina sp.Indet.、Eisenackitina venusta Tsegeinjuk、Calpichitina （D.） cf. densa （Eisenack）、Conochitina sp.;含舌形贝化石Lingula sp.、Fentounia sp.、Leptogonia analoga、Schuchertella sp.;直角石目Hormotoma？ sp.、Loxoneina sp.、Lingula sp.[8]，同时见鱼皮和植物化石[78]。腕足类化石Resserella sp.属于晚志留世及以后主要腕足类组合（小莱采贝动物群）[9]，属于上志留统卢德福德阶。

（2）黄山三峰庵—举坑剖面产植物碎片化石。宣城小坑—宁国深坑河剖面第113层和120层产植物碎片和植物茎干[6]，可能属于王怿等[10]在安徽宿松发现的线形植物化石，其原始定义和最新发现表明，将唐家坞组划归于上志留统更合适。

（3）通过测制剖面，参考《安徽省地层志·志留系分册》[6]，发现研究区霞乡组发育厚32～75 m的红棕色、浅紫色粉砂岩、粉砂质页岩，高家边组发育厚36～42 m的黄绿色夹紫红色、紫红色、紫褐色粉砂质页岩、粉细砂岩，可能相当于“下红层”，时代为下志留统特列奇阶早期。康山组发育厚60～150 m的暗紫色、紫红色粉细砂岩、粉砂质泥页岩，坟头组发育厚0～30 m的粉砂岩、含砾粉砂岩，可能相当于“上红层”，时代为下志留统特列奇阶晚期。唐家坞组发育数层厚30～150 m的灰紫色、紫红色细粒岩屑砂岩夹粉砂质泥岩，茅山组中上部发育厚0～80 m的灰紫色、暗紫色细粒岩屑砂岩、细粒岩屑石英砂岩，可能相当于“罗德洛统红层”，时代为上志留统卢德福德阶晚期。

（4）志留纪时限及各统、阶起始和结束时间变化较大[9]。对缺乏标准化石的“哑地层”，碎屑锆石UPb定年不仅能反映物源时代，且最年轻的单颗粒碎屑锆石年龄常被用来限定沉积地层的最大沉积年代[1113]。杨梅等[14]在江南地层分区唐家坞组获得的最年轻单颗粒锆石UPb年龄为424 Ma，李海滨[15]在下扬子地层分区茅山组获得碎屑锆石UPb最小年龄为425 Ma，最新国际年代地层表晚志留世时限为4274～4230 Ma，推断唐家坞组沉积时代应为晚志留世。

综上所述，从地层、古生物、红层和碎屑锆石UPb定年等手段，结合最新研究成果，将研究区高家边组和坟头组（江南段裂带以南称霞乡组、河沥溪组和康山组）划归于下志留统，将茅山组（江南段裂带以南称唐家坞组）划归于上志留统，缺失中志留统（表1）。

22下扬子过渡岩石组合

野外地质调查发现，研究区志留系与典型下扬子地层和江南地层志留系存在较大差异，岩性上难以进行区域对比，特别是下扬子地层分区高家边组—坟头组—茅山组（江南断裂与高坦断裂之间）与典型下扬子地区志留系相似又存在差异（高家边组中下段），可能指示研究区志留系存在下扬子地层分区与江南地层分区过渡岩石组合。

在泾县马村—外马村地层剖面[6]，下扬子地层分区晚奥陶世汤头组—五峰组之上为一套底部为灰黑色薄层含碳质泥页岩，产笔石化石;向上为黄绿色中厚层块状细粒岩屑砂岩、粉砂岩与灰黑、深灰色中厚层粉砂质泥岩互层，见水平层理和球状风化，局部见泥砾，岩性、岩相和沉积构造类似于江南地层分区霞乡组。在野外地层剖面测量中，从岩性、岩相、沉积构造判断泾县马村剖面志留系层序与前人认识相似[56，8]，江南地层分区霞乡组之上为下扬子地层分区高家边组上段坟头组—茅山组（图2）。该剖面位于江南断裂带以北，下伏地层为下扬子地层晚奥陶世汤头组—五峰组，之上应发育高家边组—坟头组—茅山组，但实际呈“霞乡组”—高家边组上段—坟头组—茅山组序列，高家边组下段和中段类似于“江南地层分区霞乡组”，可能为一套过渡岩石组合。

此外，贵池区官营村地层剖面也位于江南断裂带以北，应发育高家边组，实际发育的岩性与典型高家边组存在较大差异（称霞乡组[6]），但与江南地层分区的霞乡组也存在差异，可能为一套过渡岩石组合。

综上所述，研究区志留系大致以江南断裂和高坦断裂为界，分为北侧下扬子地层分区和南侧江南地层分区。中部（江南断裂以北、高坦断裂以南）暂定为下扬子过渡岩石组合（图1），划归于下扬子地层分区，可能与晚奥陶世—早志留世江南断裂（同沉积断裂）再次活化具有一定关系。

3三级层序划分依据

志留纪是扬子地区加里东期地壳运动最强烈的时期，古地理轮廓发生巨大变化，复杂的沉积环境和条件决定了志留系沉积特征、分布及其发育程度复杂多变。志留系与奥陶系顶部五峰期沉积构成一个良好的沉积序列，可识别出1个二级层序、五峰组1～5个三级层序和志留系8～13个三级层序[1]。

前人通过沉积学[14，1820]、古生物学[2125]和层序地层学[2629]對研究区志留系进行了研究。但下扬子地区志留系层序地层划分与对比方面尚存在较大分歧。皖南地区志留系可识出2个三级层序[27]，志留系霞乡组可识别出2个三级层序[29];江苏宁镇地区志留系可识别出10个三级层序[26]。以上差异不仅与其所处的古地理位置有关，还与层序级别划分、层序标准、不同相带间层序对比、三级层序界面和时间延续等认识相关[3032]。

4层序地层划分及特征

根据露头层序地层原理，考虑层序关键界面、体系域和层序区域追踪对比性，以《中国南方层序地层与古地理》[1]为借鉴，将江南断裂带周边地区志留系划分为1个不完整的二级层序（SS1TST和SS1HST）和7个三级层序（SSQ1—SSQ7）（图3）。上述7个三级层序反映研究区志留系具有7次相对较大的海平面升降旋回。

41二级层序

二级层序底界相当于下扬子地层分区汤头组与五峰组之间的界面，江南地层分区黄泥岗组与长坞组之间界面光滑平整，岩相、沉积相、生态相截然突变，界面之上依次发育低水位体系域（lowstand systems tract，LST）、海侵体系域（transfressive systems tract，TST）和高水位体系域（highstand systems tract，HST）沉积。

411下扬子地层分区二级层序

低水位体系域（LST）。相当于晚奥陶世五峰组，为一套陆棚相灰黑色、黑色碳质泥页岩、粉砂质泥岩夹灰岩透镜体。

海侵体系域（TST）。相当于高家边组中、下段，岩性为灰绿、黄绿色薄层粉砂质泥页岩夹粉砂岩，为陆棚过渡相，呈向上变深的退积序列，伴随多期海平面变化。

高水位体系域（HST）。相当于下扬子地层分区高家边组上段、坟头组和茅山组，岩性为灰绿、黄绿、灰紫色粉砂质泥岩、粉砂岩、细粒岩屑砂岩、岩屑石英砂岩，为陆棚临滨带前滨带沉积，呈向上变浅的进积序列，伴随多期海平面变化。

412江南地层分区二级层序

低水位体系域（LST）。相当于晚奥陶世长坞组，为一套深水浊积岩相灰绿、黄绿、黄褐色细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩韵律层。

海侵体系域（TST）。相当于霞乡组，底部发育一套灰黑色、黑色碳质泥页岩，向上为灰绿、黄绿色厚层细粒岩屑砂岩、粉砂岩，为盆地边缘陆棚相沉积，呈向上变深的退积序列，伴随多期海平面变化。

高水位体系域（HST）。相当于河沥溪组、康山组和唐家坞组，灰绿、黄绿、深灰色粉砂质泥岩夹粉砂岩粉砂岩细粒岩屑砂岩与泥岩互层细粒岩屑砂岩，呈过渡带下临滨中临滨上临滨前滨泻湖潮坪相沉积，呈向上变浅的进积序列。

42三级层序

（1）SSQ1三级层序。位于霞乡组或高家边组下段，为Ⅱ型层序界面。自南东向北西，大体以江南断裂为界，南部为江南地层分区霞乡组，中部为下扬子过渡岩石组合，北部为下扬子地层分区高家边组（后文相同），各体系域特征见表2。

（2）SSQ2三级层序。位于霞乡组上部和高家边组中段，为Ⅱ型层序界面。各体系域特征见表3。

（3）SSQ3三级层序。位于河沥溪组和高家边组上段，为Ⅱ型层序界面。各体系域特征见表4。

（4）SSQ4三级层序。位于康山组下段和坟头组下段，为Ⅱ型层序界面。各体系域特征见表5。

（5）SSQ5三级层序。位于康山组上段和坟头组上段，为Ⅱ型层序界面，各体系域特征见表6。

（6）SSQ6三级层序。位于唐家坞组下段和茅山组下段，为Ⅰ型或者Ⅱ型层序界面，各体系域特征见表7。

（7）SSQ7茅山组上部。位于唐家坞组下段和茅山组下段，为Ⅱ型层序界面，各体系域特征见表8。

5富有机质页岩地层格架对比

（1）研究区志留系呈NE向展布，大致以江南断裂和高坦断裂为界，南东部为江南地层分区，中部为下扬子过渡岩石组合，北西部为下扬子地层分区。横向上，自南东到北西，水体逐渐变浅，沉积厚度南东厚北西薄，可能与物源主要来源于南东部有关。纵向上，岩性相对单一，主要为细粒岩屑砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，沉积水体由多个浅深浅深浅序列组成，伴随着浅水盆地陆棚过渡带临滨过渡带临滨潮坪相沉积。沉积岩性相对单一，早期水体相对较深，晚期水体相对较浅。整体上二级层序可进行区域对比，三级层序在不同相带剖面上可大致对比，每个三级层序延续时限大体与公认时限相当。

（2）黑色岩系主要分布于SSQ1和SSQ4，主要表现为高水位体系域（HST）、海侵体系域（TST）和凝缩段（CS）（图4）。

SSQ1富有机质页岩主要发育于低水位体系域（LST）和海侵体系域（TST），岩性为灰黑、黑色泥页岩、碳质泥页岩。南东侧霞乡组底部厚1～3 m，作为低水位体系域（LST），主要为灰黑、黑色碳质泥页岩;中部下扬子过渡岩石组合，厚25～30 m，底部为灰黑、黑色碳质泥页岩（低水位体系域，LST），向上为灰、灰黑色中厚层含碳质粉砂质页岩与粉砂岩、泥质粉砂岩互层（海侵体系域TST下部），向上渐变为黄绿、灰绿和青灰色，碳质减少。北西侧高家边组中下部，厚15～20 m，底部为厚15～15 m的灰黑、黑色含碳质泥岩、碳质泥岩（低水位体系域，LST），向上为深灰、灰黑色页岩、含碳质页岩，笔石化石丰富。

SSQ4富有机质页岩仅发育在江南地层分区凝缩段（CS），其他层位未见，厚15～25 m，岩性为深灰、灰黑色厚层含碳质泥岩。

6页岩气勘探潜力

下志留统高家边组和霞乡组中下部均发育一套富有机质深灰、黑色页岩、碳质页岩、硅质页岩、粉砂质页岩夹泥质粉砂岩组合，笔石化石丰富，往上砂质含量增多，颜色变浅。岩石厚度达5～40 m，天然露頭下志留统黑色页岩普遍风化为灰黄、灰白色泥页岩，可能影响了其页岩气勘探潜力的评价和预测[33]。

平面上，自南东向北西，宁国霞乡早志留世霞乡组底部为厚1～2 m的深灰色、黑色碳质页岩，向上为细砂岩与碳质页岩互层，TOC值为0173～150，平均值为064（n=3，n为样品数）[34]。泾县外马早志留世高家边组过渡岩石组合为浅灰、灰黑色页岩，厚1435 m，向上为粉砂岩与页岩互层（图5（a）），TOC值为013～174，平均值为091（n=5）[34]。贵池—石台一线灰黑、浅灰色粉砂质页岩、碳质页岩，厚20～30 m，贵池区梅街霞乡组（高家边组中下段）TOC值为737（n=1）。黄山区举坑河沥溪组中上部可见深灰、灰黑色厚层含碳质泥岩（图5（b）），TOC值为223～533，平均值为389（n=5）[33]。石台红桃霞乡组TOC值为432～484，平均值为458（n=2）[34]。贵池区梅街石台七都河沥溪组（下扬子过渡岩石组合高家边组）TOC值为245～375，平均值为291（n=3）[34]。自南东向北西，黑色泥页岩中间厚，两侧薄，均含大量笔石化石，为深水陆棚—浅水陆棚环境，TOC值为1%～4%，显示中部下扬子过渡岩石组合高家边组黑色岩系具有形成页岩气藏的基础。

综上可知，富有机质黑色岩系主要位于高家边组（江南断裂以南称霞乡组和河沥溪组），指示早志留世早期在特定沉积水体环境下，有利于有机质的保存，早志留世晚期和晚志留世均不利于有机质富集。富有机质黑色岩系主要位于低水位体系域（LST）和凝缩段（CS），指示低水体体系域和凝缩段海平面变化时，有利于有机质保存。

总之，志留系黑色岩系发育较局限，厚度不一，可能与较深的缺氧环境有关。自南东向北西，浅水盆地浊积岩相斜坡坡折带陆棚相沉积序列，水体逐渐变浅。南东侧宁国—宣城地区霞乡组底部发育厚1～3 m的富有机质页岩，TOC含量较高;北西侧无为—巢湖—和县地区高家边下部发育厚15～25 m富有机质页岩，TOC含量达1%;中部东至—石台—宣城地区高家边组下部过渡岩石组合发育厚30～45 m富有机质页岩，TOC含量较高。黑色岩系南东侧较薄，中部和北西侧较厚，基本达到页岩气有利区的条件。

7结论

（1）江南断裂带周边地区志留系高家边组和坟头组（江南断裂以南称霞乡组、河沥溪组和康山组）仍划归于下志留统，茅山组（江南断裂以南称唐家坞组）重新湖岸归于上志留统，缺失中志留统沉积。

（2）江南断裂以北、高坦断裂以南，下志留统高家边组应单独划出，暂定为下扬子过渡岩石组合，划归于下扬子地层分区，可能与晚奥陶世—早志留世江南断裂带（同沉积断裂）再次活化有关。

（3）江南断裂带周边地区志留系识别出1个不完整二级层序（SS1）和7个三级层序（SSQ1—SSQ7），划分出低水位体系域（LST）、海侵体系域（TST）、凝缩段（CS）及高水位体系域（HST），反映了志留系具有7次相对较大的海平面升降旋回。

（4）富有机质页岩主要发育于SSQ1三级层序和SSQ4三级层序中，主要表现为低水位体系域（LST）、海侵体系域（TST）和凝缩段（CS），下扬子过渡岩石组合高家边组具有形成页岩气藏的优越条件。

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