贵州紫云地区早石炭世黑色岩系地球化学特征及油气地质意义

何 犇，卢树藩，代雅然，符宏斌，罗香建，刘国栋

(1.贵州省地质调查院，贵州 贵阳 550081；2.自然资源部基岩区矿产资源勘查工程技术创新中心，贵州 贵阳 550081)

黑色岩系主要形成于缺氧海相沉积环境中，往往与地球演化过程中大洋缺氧事件有关，是地质历史时期演化过程中重要的沉积产物(高振敏 等，1997)，同时，黑色岩系也是重要的页岩气目标层位。近年来，页岩气勘探取得一系列重大突破(安亚运 等，2015；卢树藩 等，2016；苑坤 等，2017)，使得黑色岩系受到广泛关注。

贵州西南地区打屋坝组为一套沉积于早石炭世的海相黑色岩系。近年来，该套黑色岩系的能源资源潜力逐渐被众学者关注。有学者对黔西南地区早石炭世打屋坝组页岩气地质条件、成藏条件及勘探前景进行了初步评价(苏慧敏 等，2017；李治 等，2017；张海全 等，2016；张海全 等，2017；陈榕 等，2019)，并在贵州西南地区取得了一系列单井突破(安亚运 等，2015；卢树藩 等，2016；苑坤 等，2017)。此外，贵州紫云地区的黔紫页1井(QZY1井)，目的地层为打屋坝组，该井气测和含气性较好，但目前对该地区打屋坝组元素地球化学研究略显不足。虽然已取得了勘探突破，但其黑色页岩沉积环境与有机质富集规律尚不清楚，制约了该地区页岩气勘探开发。因此，本次笔者通过对贵州紫云地区打屋坝组黑色岩系开展有机、元素地球化学研究，试图揭示其沉积环境、海平面变化及有机质富集规律，为下一步页岩气勘探开发提供参考。

1 区域地质概况

研究区区域构造位置位于江南复合造山带之右江裂谷-前陆盆地区与黔南坳陷区的接触带(图1)。加里东期为华南板块稳定发育期，该时期黔南、黔西南等地呈南东低北西高的地势；海西期为伸展裂陷发育期，在强烈的拉张应力背景下，泥盆纪开始形成北西向展布的裂陷，裂陷底部开始沉积黑色岩系，早石炭纪延续，晚石炭世之后黑色岩系不发育，以碳酸盐岩沉积为主(张海全 等，2016，2017)。而伴随早泥盆世伸展裂陷开始形成，海水从广西侵入到贵州裂陷内，至早泥盆世中期，海水开始漫上上扬子台地，泥盆纪和石炭纪海面升降频繁，赫章、普定、清镇、黄平、丹寨一线以北、以东常因为海平面下降而暴露地表，该线以南、以西为连续沉积区，裂陷盆地内部除深水原地的泥质、硅质和碳酸盐沉积物外，还发育有以钙质浊流为主的沉积物(何犇，2019)。

图1 研究区地质简图(据1∶5万紫云幅修改)Fig.1 Geological sketch map in the study area(modified after 1∶50000 Ziyun map)1—研究区；2—三叠系；3—二叠系；4—石炭系；5—泥盆系；6—地质界线；7—剖面位置；8—断层

本次研究剖面位于紫云县罗岗乡，实测剖面露头资料显示，目标地层打屋坝组底部整合于睦化组灰色薄-中厚层状泥质生物屑灰岩之上，顶部整合于南丹组灰色中厚层泥质泥晶灰岩之下。根据岩性组合特征不同可将打屋坝组分为两个岩性段。第一段以黑色泥页岩为主，夹深色泥质灰岩、砂屑灰岩，黑色泥页岩占整体80%左右，水平层理发育，沉积厚度为160 m；第二段岩性为黑色泥页岩与砂屑灰岩、泥质灰岩、生物屑灰岩交替出现，沉积厚度为108 m。该剖面打屋坝组自下而上岩石钙质、砂质成分有所增加，整套地层中常见滑塌滑移沉积构造，说明在打屋坝组沉积时期总体为海退过程，且在紫云罗岗一带地形具有一定坡度。

2 样品采集与分析方法

样品采于贵州紫云县罗岗乡打屋坝组实测剖面，剖面总厚315 m，其中打屋坝组厚268 m。采集新鲜且具代表性岩石样品26件进行有机质丰度分析、6件进行有机质热演化分析、19件进行微量元素分析、13件进行稀土元素分析，以上样品前处理及测试均由重庆泛嘉晟禾工程技术检查有限公司实验室完成。

3 实验结果

3.1 稀土元素特征

图2 贵州紫云地区石炭系打屋坝组稀土元素 北美页岩标准化配分模式图Fig.2 Map of NASC-normalized REE distribution patterns for the early Carboniferous Dawuba formation in Ziyun area，Guizhou

表1 中国南方黑色页岩成熟阶段划分标准(据中石化研究院，2005)Table 1 Mature stage classification standard of black shale in south area of China(after RIPP，2005)

表2 贵州紫云地区早石炭世打屋坝组稀土元素分析结果及相关参数(×10-6)①Table 2 REE analyses and relevant parameters for the early Carboniferous Dawuba formation in Ziyun area of Guizhou province(×10-6)

3.2 微量元素特征

表3 贵州紫云地区早石炭世打屋坝组微量元素分析结果及相关参数(×10-6)Table 3 Analytical results and related parameters of trace elements in Dawuba formation of early Carboniferous in Ziyun area of Guizhou province(×10-6)

3.3 有机地球化学特征

表4 贵州紫云地区早石炭世打屋坝组有机地球化学分析结果及相关参数(×10-6)Table 4 Analytical results and related parameters of organic geochemistry in Dawuba Formation of Early Carboniferous in Ziyun area of Guizhou province(×10-6)

4 讨论

4.1 古氧化还原环境

此外，苏慧敏 等(2017)对研究区东侧惠水地区打屋坝组进行沉积环境分析，认为惠水地区打屋坝组沉积环境为弱氧化-弱还原环境；张海全 等(2016—2017)对研究区东侧长顺地区的长页1井进行了古环境分析，通过对δCe变化值和V/(Ni+V)变化值进行研究，认为长顺地区打屋坝组沉积环境为还原环境；何犇(2019)对研究区进行了沉积相划分，认为研究区早石炭世自北东向南西水体逐渐加深，打屋坝组沉积相划分为槽盆边缘斜坡相→槽盆相。

综上所述，可推断紫云-惠水-长顺地区早石炭世打屋坝组沉积环境为还原环境-弱氧化环境，沉积相为槽盆边缘斜坡相→槽盆相。

4.2 海平面变化及有机质富集控制因素

ΣREE随着海平面上升而呈现逐渐增大趋势(徐晓春 等，2009)，结合Ce和Eu两种变价元素对氧化-还原环境的敏感性，通常情况下，δCe值越小，δEu、ΣREE值越大，则海平面升高，水体越深；反之，δCe值越大，δEu、ΣREE值越小，则海平面下降，水体越浅(苏慧敏 等，2017)。有机质主要来源于上层海水中的浮游生物，当生物体死亡后掉落到海底，由于缺氧使得有机物的降解受阻，使得其更有效的保存。因此，有机碳(TOC)含量与溶解氧含量密切相关，水体较深的环境下TOC明显偏高，还原环境是有机质富集的主控因素之一(李德亮 等，2009)。一般来说，水体越深，则TOC值越高，有机质越富集；反之，水体越浅，则TOC值越低，则越不利于有机质保存。因此，水体的氧化-还原环境、δCe、δEu、TOC、ΣREE值以及岩性的变化都会受到水体深度和海平面升降的影响。从图3中可知，研究区TOC、ΣREE、δEu等值的垂向变化曲线呈正相关，而三者与δCe值的垂向变化曲线呈负相关。

图3 贵州紫云地区早石炭世打屋坝组岩性特征及元素地球化学参数垂向分布图Fig.3 Vertical distribution of lithologic characteristics and element geochemical parameters of early Carboniferous Dawuba formation in Ziyun area of Guizhou province1—泥质生物屑灰岩；2—生物屑灰岩；3—泥质灰岩；4—砂屑灰岩；5—碳质泥岩

在剖面下部(样品4H1-15H1)，岩性以碳质泥岩为主，夹少许泥灰岩，从下往上δEu、ΣREE值逐渐减小，δCe值逐渐增大，整体表现为海退，TOC值总体表现逐渐降低，而在样品8H1-14H1间波动明显，TOC出现高值，推测在此处出现了小规模的海进。

在剖面中下部(样品19H1-23H1)，该部分底部岩性为碳质泥岩夹砂屑灰岩，其上为黑色页岩，二者为渐变过渡接触关系，从下往上钙质和砂质含量减少，δEu、ΣREE、TOC值逐渐增大，δCe值逐渐减小，变化曲线总体表现为海进。

在剖面中、上部(样品24H1-45H1)，该部分下部岩性为碳质泥岩，上部岩性为泥灰岩、砂屑灰岩夹碳质泥岩，不同岩性间呈渐变过渡接触关系，从下往上钙质、砂质含量渐增，δEu、ΣREE、TOC值逐渐减小，δCe值逐渐增大，变化曲线总体表现为海退，样品35H1-36H1间δEu、ΣREE、TOC出现较高值，δCe出现较低值，推测在此处出现了小规模的海进。

因此，研究区早石炭世打屋坝组垂向上自下而上主要经历了海退-海进-海退的过程，其中打屋坝组第一段沉积时期海平面波动较为频繁，总体经历了海退-海进，有机质较为富集；打屋坝组第二段沉积时期海平面波动较弱，总体经历了持续海退，区域岩性上逐渐过渡为南丹组灰岩，不利于有机质富集。

4.3 物源分析及构造背景

研究区打屋坝组泥页岩稀土元素总量较高，Ce、Eu异常不明显，LREE/HREE值较大，表现为较强的轻、重稀土元素分异现象，北美页岩标准化后的曲线呈右倾状态，整体表现为正常海水沉积物特点(李胜荣 等，1995)。稀土元素中Eu异常的变化可判断母岩的物质来源(苏慧敏 等，2017；张海全 等，2017；刘英俊 等，1987；杨国臣 等，2010；李双建 等，2008；何德军 等，2013)，研究区打屋坝组LREE相对富集，HREE相对稳定，δEu平均值为0.85<1，表现为弱负异常特征，与上地壳的稀土元素的分布模式相同(苏慧敏 等，2017；张海全 等，2017；Mclennan S M，1989、1995；陈道公 等，1994；欧丽华 等，2016)，表明上地壳是研究区早石炭世打屋坝组的主要物源。结合ω(La)N/ω(Yb)N与ω(ΣREE)关系图(图4)，样品点主要集中在花岗岩与沉积岩混合区，推测研究区打屋坝组母岩主要为花岗岩与沉积岩的混合。结合研究区构造背景，早石炭世上扬子地区为剥蚀区，推测研究区早石炭世打屋坝组母岩中的花岗岩和沉积岩来源于东北侧的雪峰山隆起区和北侧的黔中隆起区。

图4 贵州紫云地区早石炭世打屋坝组黑色页岩 ω(ΣREE)-ω(La)N/ω(Yb)N图解(Allegre C T，1978)Fig.4 ω(ΣREE)-ω(La)N/ω(Yb)N diagrams of blcak shale for the early Carboniferous Dawuba formation in Ziyun area of Guizhou province(after Allegre CT，1978)

4.4 油气地质意义

5 结论

(2)通过分析研究区打屋坝组泥页岩稀土元素地球化学参数及TOC变化值的垂向变化，认为δCe值越小，δEu、ΣREE值越大，则海平面升高，水体越深，TOC值越高，有机质越富集，反之亦然。同时结合打屋坝组岩性的垂向变化，研究区早石炭世打屋坝组垂向上自下而上主要经历了海退-海进-海退的过程，其中打屋坝组第一段沉积时期海平面波动较为频繁，总体经历了海退-海进，有机质较为富集；打屋坝组第二段沉积时期海平面波动较弱，总体经历了持续海退，不利于有机质富集。

(3)通过对ω(La)N/ω(Yb)N与ω(ΣREE)关系图和δCe、δEu值进行分析，认为研究区早石炭世打屋坝组母岩主要为花岗岩与沉积岩的混合。结合研究区构造背景，推测研究区内打屋坝组母岩中的花岗岩和沉积岩来源于北东侧的雪峰山隆起区和北侧的黔中隆起区，沉积于被动大陆边缘构造环境。

(4)结合研究区打屋坝组泥页岩有机地球化学参数和黔紫页1井含气性、气测录井资料，认为研究区早石炭世打屋坝组一段为优质页岩层段，具备良好的页岩气地质条件和勘探开发潜力。研究区南西部(侧)更有利于有机质富集，可作为下一步页岩气勘探工作方向。