威远地区五峰组—龙马溪组页岩纹层发育特征及地质意义

管全中，董大忠，孙莎莎，张素荣，吕浩

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都，610059；2.成都理工大学 能源学院，四川 成都，610059；3.中国石油勘探开发研究院，北京，100083；4.中国石油天然气股份有限公司 青海油田分公司采油三厂，青海 茫崖，816400)

近年来，四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组海相页岩气取得重大突破，已建成涪陵、长宁—威远和昭通等大型页岩气田，并在3 500 m以深发现威荣、泸州和大足等深层页岩气田[1-2]。截止2021年底，已探明页岩气地质储量为2.7×1012m3，页岩气已成为我国天然气资源量的重要组成部分。随着海相页岩气勘探与开发的不断深入，学者们发现页岩气储集层具有强非均质性[3-4]，主要是由古沉积环境等变化而形成的纹层叠置所致[5-6]。纹层广泛发育在富有机质页岩层系中，对自生自储的页岩油气储集层的品质影响甚重，使得页岩纹层研究成为页岩油气勘探与开发基础研究中的焦点[7-9]。

纹层又称细层，是指沉积层序中肉眼可分辨的最小或最薄的沉积单元，通常厚度几分之一毫米至几毫米，而页岩纹层厚度普遍为0.02～1.00 mm[10-11]。页岩纹层不仅能够反映页岩储集层的微观结构特征和储集性能，更能揭示页岩储集层改造过程中压裂缝网的扩展规律及压裂效果[12-13]。目前关于页岩纹层的研究，国外注重于从基础属性分析纹层的形态、连续性和几何形态等，结合水槽模拟试验进一步探究纹层的形成机理[14-15]；而国内主要聚焦于纹层内部矿物组成、界面形态及纹层耦合关系属性，追溯优质页岩储集层纹层组成及其沉积环境特征[9,16-17]。层理的形成与物源性质、搬运营力[18-19]、水体性质及古生物活动[20]等因素有关，任何一个因素变化均可留下相应记录[21-22]，但国内关于页岩纹层的研究多集中于对页岩储集层品质的影响等方面，未能有效地在微观尺度下揭示页岩纹层的成因机理。

为此，通过四川盆地川南地区威远页岩气田五峰组—龙马溪组一段(以下简称龙一段)为主要研究对象，利用X衍射(XRD)、岩石大薄片、高分辨率二维X 射线荧光光谱(2D-XRF)和扫描电镜等实验综合分析，确定龙一段页岩纹层组成、结构和构造等属性，探究纹层组的特征和形成机理，并通过原位和局域地球化学元素等数据精细刻画纹层尺度上页岩的古环境演化，为页岩油气的勘探与开发提供理论基础。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

四川盆地是发育在克拉通基础上的叠合盆地，更是富含油气的超级盆地[23]，面积约18×104km2。威远页岩气田位于四川盆地的川南低陡褶皱带(图1)。在晚奥陶世至早志留世，受到东南部华夏板块挤压汇聚，扬子地台南缘开始抬升，而北部则向华北板块俯冲，形成了开口向北的“三隆夹一坳”的局限沉积环境，在低能、缺氧甚至硫化的半深水—深水陆棚沉积环境中，发育了一套分布面积广、连续性好的五峰组—龙马溪组富有机质黑色页岩[24]。

威远页岩气田五峰组—龙马溪组富有机质页岩沉积厚度大、连续性好，与下伏奥陶系宝塔组或临湘组呈不整合接触(图1)。依据沉积特征、岩性特征和笔石古生物特征等将龙一段划分为4个小层[25]。威远页岩龙一段底部整体为薄片状黑色或灰黑色页岩，向上逐渐过渡为块状灰黑色页岩夹薄层粉砂岩。

图1 研究区构造位置和五峰组-龙马溪组综合柱状图Fig.1 Regional geological background and comprehensive columnar section

1.2 实验方法

研究样品来自威远页岩气田典型井的龙一段岩心，取样井深为2 997.3～3 498.5 m，分析样品342块。纹层和纹层组的研究主要通过岩心、岩石大薄片和2D-XRF等观察分析，确定其结构和构造特征，提取关键属性信息，系统展开研究，再结合相关地球化学数据分析纹层地质意义。通过光片分析确定页岩富含有机质的组成，而有机碳质量分数w(TOC)可运用碳硫分析仪热解获得，但分析之前对页岩粉末进行处理，除去不相关的无机物。页岩的矿物组成可由XRD 全岩定量表征，运用2D-XRF获取页岩表面高分辨率平面元素展布及原位地球化学信息。

不同的分析测试方法对样品的要求和前处理存在差异。开展XRD和总有机碳质量分数测试时，需要将样品粉碎至粒径低于0.075 0 mm。场发射扫描电镜分析时，需要对样品先进行物理抛光，后运用氩离子抛光仪进一步处理。对纹层进行研究时，一般沿垂直层理面切割。岩心大薄片分析时，需要切割成直径为8 cm 以上的岩心样品，在蔡司全自动数字玻片扫描系统 Axiscan 7 Geo和2D-XRF下进行分析。

1.3 纹层研究方法

随着细粒沉积学的快速发展，对页岩纹层的研究手段主要是微观识别与定量化表征[14,26]。对页岩纹层的研究首先要在岩心和大薄片中识别出纹层和纹层组，运用多种实验方法提取纹层组成、结构、构造及相互耦合关系等关键属性，如表1所示。

表1 页岩纹层尺度关键属性研究Table 1 Research on key factors of shale at laminae scale

1) 对于纹层组成属性研究，主要分析内部有机质和无机矿物成分、含量和有机—无机赋存方式。

2) 对于纹层结构属性研究，关注颗粒粒径的变化[14]。

3) 对于纹层的构造属性研究包括纹层的连续性、形态和几何特征。纹层连续性包括连续型和断续型，其形成机理可能与纹层的沉积稳定性相关。纹层形态有板状、波状和曲线状，不同纹层形态反映古水动力条件、颗粒性质和古沉降环境等特征。纹层几何特征主要反映多个纹层之间的叠置关系，存在平行和不平行2种方式，能够反映古沉积水体水流方向和能量以及颗粒性质在时间和空间上的改变。

纹层组的研究关注纹层的组成、结构和构造以及纹层间耦合关系。纹层组与纹层的组成均由无机矿物和有机成分及其赋存方式属性确定。纹层组的结构需考虑不同纹层的颗粒粒径，与古沉积环境周期性变化关系密切。对于纹层组构造，除了分析纹层构造属性外，还需解剖纹层间的几何形态和粒序等特征。对于纹层组内的耦合关系的研究，需分析不同纹层之间的孔隙结构组成、流体交换和元素重新分布等特征，这已成为细粒沉积学微观领域研究的重点内容。

2 页岩纹层发育特征

2.1 页岩纹层类型

对威远页岩气田龙一段岩心和大薄片进行综合分析，基于矿物组分特征，发现威远地区龙一段页岩发育硅质纹层、钙质纹层、黏土质纹层和有机质纹层4类。

2.1.1 硅质纹层

镜下大薄片观察硅质纹层颜色为白色、灰白色，矿物组成以石英为主，质量分数普遍超过60%，主体呈次棱角状—次圆状，分选中等至较好，也含少量长石、方解石和云母等颗粒。纹层边缘呈水平不连续状，少量连续平行状，常被黏土矿物或有机质浸染，界限不明显，局部纹层界面和纹层内部发育微裂缝。威远龙一段硅质纹层按成因或粒径可划分为2类：中—细泥石英颗粒硅质纹层I和粗泥石英颗粒硅质纹层Ⅱ。

1) 中—细泥石英颗粒硅质纹层I一般位于龙一段底部富有机质页岩层段，石英主体为生物成因，粒径小，圆度为次圆状-圆状，散落于富有机质的基质中，镜下颗粒感不明显，纹层厚度小，常介于0.05～1.20 mm，如图2(a)和2(d)所示。

2) 粗泥石英颗粒硅质纹层Ⅱ主要位于龙一段顶部含有机质页岩层段，石英主体为碎屑成因，粒径大，呈次棱角状，石英颗粒定向排列形成纹层界限明显的粉砂质纹层，纹层厚度大，分布在1.00～2.50 mm，如图2(c)所示。

图2 威远地区显微镜下龙马溪组页岩纹层特征Fig.2 Characteristics of Longmaxi shale laminae under microscope in Weiyuan area

2.1.2 钙质纹层

在薄片镜下观察钙质纹纹层呈明显的浅色，与周围暗色条纹对比鲜明，岩样XRD 测试碳酸盐矿物质量分数平均达76%，镜下主体呈次棱角状—棱角状，含少量的石英和黏土矿物，见图2(b)。钙质纹层横向连续性好，主体呈连续平行板状，少量呈断续板状，纹层边界局部可见充填的微裂缝。纹层厚度为0.10～0.30 mm，主要分布五峰组和龙一1亚段中下部页岩。

2.1.3 黏土质纹层

薄片镜下可见黏土质纹层由黏土矿物和少量中泥颗粒内碎屑组成，黏土矿物质量分数约为80%，主要成分为伊利石和绿泥石，以细泥颗粒为主，如图2(c)所示。纹层呈褐色、灰色和灰黑色，颜色较深。黏土质纹层构造为连续板状，少量以断续波状或透镜体形式存在。纹层界限不清晰，逐渐过渡，界面常混杂中—粗泥颗粒碎屑，伴随微裂缝发育。黏土质纹层厚度为0.02～0.50 mm，在整个威远地区页岩龙一段均有分布。

2.1.4 有机质纹层

有机质纹层镜下呈现灰黑色、黑色，与黏土质纹层呈渐变接触，颜色相近，纹层界限不明显(图2(d))，部分有机质纹层内部常可见不同种类的生物碎屑。而有机质纹层与硅质纹层突变接触，纹层界限较清晰，主体为连续板状。威远地区龙一段有机质纹层内部存在笔石、海绵骨针和介壳等生物屑颗粒，笔石体长度为0.2～3.0 mm，部分钙化，海绵骨针直径为20～30 μm，并发生硅化。绝大多数有机质纹层主体为无定形有机质与黏土矿物的络合物，即“海洋雪”复合颗粒[27]。有机质纹层厚度为0.1～4.0 mm，整个龙一段都可见，底部更发育。部分页岩层段由于生物扰动的作用，有机质纹层界限模糊且存在钙质充填的生物钻孔。

2.2 页岩纹层组类型

通过对岩心样品和大薄片的连续观测分析，发现纹层组主要发育3种纹层类型组合。威远地区龙一段纹层组自底部至顶部主要发育硅质Ⅰ+有机质纹层组、钙质+黏土质纹层组、硅质Ⅱ+黏土质组合3类组合，如图3所示。

图3 威远地区显微镜下龙马溪组页岩纹层组特征Fig.3 Characteristics of Longmaxi shale laminasets under microscope in Weiyuan area

2.2.1 硅质Ⅰ+有机质纹层组

镜下观察硅质Ⅰ+有机质纹层组明暗相间，为硅质纹层Ⅰ与有机质纹层互层，纹层之间界限连续清晰，主体呈板状，见图3(a)。硅质纹层Ⅰ厚度相对较薄，为有机质纹层厚度的1/4～2/3，硅质纹层Ⅰ内部石英颗粒主体为次圆状、中—细泥级别，主要为放射虫、海绵骨针等生物硅质来源。有机质纹层主要由有机质复合颗粒组成，有机碳质量分数高，w(TOC)均值为6.06%。2类纹层呈现有机质纹层在上、硅质纹层Ⅰ在下的几何关系，纹层组厚度为0.2～4.0 mm，有机质纹层占据主导地位，但由上而下有机质纹层厚度减小，硅质纹层Ⅰ与有机质纹层厚度比减小。

2.2.2 钙质+黏土质纹层组

钙质+黏土质纹层组镜下呈现浅色纹层与暗色纹层交替出现，与硅质Ⅰ—有机质纹层组相比，整体色调偏暗。纹层组合界面不清晰，部分呈断续板状甚至楔状，见图3(b)。钙质纹层厚度与黏土质纹层厚度大体相当，内部碳酸盐矿物主体为自身矿物，来源于有孔虫、笔石等生物骨骼钙化。黏土质纹层与有机质纹层相比，颜色偏浅，为暗褐色。钙质+黏土质纹层组自上而下呈现正粒序，向上钙质纹层厚度较小，整个纹层组w(TOC)为1.02%～3.20%，纹层组厚度为0.4～2.4 mm。

2.2.3 硅质Ⅱ+黏土质纹层组

硅质Ⅱ+黏土质纹层组由薄层黏土质纹层和中厚层硅质纹层Ⅱ组成，两者明暗相间，但硅质纹层Ⅱ厚度为黏土质纹层厚度的3～8倍，如图3(c)所示。硅质纹层Ⅱ主要由次棱角状—次圆状、粗泥石英颗粒组成，为陆源输入，含少量生物成因，石英颗粒之间为点或线接触，与硅质Ⅰ+有机质纹层组存在较大区别。硅质Ⅱ+黏土质纹层组自上而下呈现反粒序，向上硅质纹层Ⅱ厚度和出现频次逐渐加大，纹层组整体厚度为0.8～4.0 mm，w(TOC)介于0.8%～2.2%，相对较低。

3 地质意义

页岩在沉积过程中受物源供给、水动力条件、火山活动、海平面升降、海底或湖底热液喷发、盆地规模及周缘古构造等因素综合控制[24,26]，不同的纹层和纹层组特征反映了不同的沉积环境。依据前面阐述的纹层和纹层组的分类及属性研究方法，通过岩心和大薄片连续观测，发现威远页岩气田龙一段自下而上整体上由均质的硅质Ⅰ+有机质纹层组过渡到等厚的钙质+黏土质纹层组，再逐渐变化为硅质Ⅱ+黏土质纹层组，这反映了晚奥陶世—早志留世黑色页岩形成时碎屑输入、沉积速率和水动力等条件发生了变化。

3.1 纹层沉积构造特征精准识别及意义

运用2D-XRF技术，可以进一步精准识别纹层沉积构造特征，揭示古环境演化。图4所示为威远地区龙马溪组页岩薄片光学照片和元素分布。从图4(a)可见：岩石颜色相对均匀，不易识别纹层沉积、构造特征，但在图4(b)和4(c)可观察到高Ca元素的楔状交错纹层，而大薄片整体以水平纹层为主，楔状交错纹层反映了当时的水动力条件发生了改变。通过对Fe 和S 元素的综合分析也可以进行佐证，五峰组—龙马溪组黑色页岩中“草莓状”黄铁矿(FeS2)是这2 种元素的主要载体，“草莓状”黄铁矿的粒径可以指示当时水体的沉积环境[28]。大薄片的“草莓状”黄铁矿呈条带状分布，底部黄铁矿纹层发育呈断续、斑块状，平均粒径为2.97 μm，逐渐过渡到中部的连续板状，平均粒径为6.32 μm，表明“草莓状”黄铁矿粒径增大、数量增加，这反映当时的水体含氧量增加，水动力条件变强，如图4(d)～(e)和图5所示。

图4 威远地区龙马溪组页岩薄片光学照片和元素分布Fig.4 Optical photographs and elemental maps of Longmaxi shale thin section in Weiyuan area

图5 威远地区龙马溪组W2-1井页岩样品“草莓状”黄铁矿照片和粒径分布Fig.5 SEM photographs and elemental maps of Longmaxi shale thin section in Weiyuan area

3.2 古物源精细研究

盆地中沉积物的来源可分为陆源输入和自生沉淀，其元素的来源和成因具有明显的差异性。大量的地球化学元素特征已揭示五峰组—龙马溪组富有机质页岩中硅元素主要包括陆源碎屑输入硅和自生硅(生物硅、黏土矿物转化等)[24]。威远地区龙一段黑色页岩硅质纹层分为2类：

1) 中—细泥石英颗粒硅质纹层界限不明显，颗粒粒径小且圆度为次圆状，普遍与有机质纹层形成纹层组；

2) 粗泥石英颗粒硅质纹层界面连续板状，颗粒粒径大，磨圆度为次棱角状，常与黏土质纹层构成纹层组。

在细粒沉积岩中，陆源碎屑输入的硅铝比(质量分数之比，下同)相对稳定，自生硅通常具有高硅铝比，如图6(a)所示，但在元素图谱上不易对比。而Ti元素一般来自陆源碎屑输入，比较稳定，不易被转化流失，是反映陆源碎屑输入量的重要指标[29]，见图6(b)。运用2D-XRF 可得出样品大薄片的表面高分辨率的元素强度分布图(图7)。从藏青色到红色表示强度逐渐升高，虽然强度不是元素的具体质量分数，但强度越高也反映质量分数越高。根据指向性元素的强度分布图可以精细分析古物源的纵切面分布特征。样品大薄片Si 元素分布相对均匀，但Ti 元素在底部的质量分数明显低于顶部的质量分数，既表明该大薄片顶部陆源成因硅输入多，又揭示底部层段自生硅的质量分数较大，与上述水动力的条件相吻合。

图6 威远五峰组—龙马溪组典型样品硅质类型识别Fig.6 Ⅰdentification of siliceous minerals in Wufeng—Longmaxi shales,Weiyuan area

图7 威远地区龙马溪组页岩薄片各元素强度纵切面分布Fig.7 Individual elemental maps of Longmaxi shale thin section in Weiyuan area

3.3 古环境精细研究

古环境主要包括古气候、水动力特征、水体氧化还原条件和水体盐度等特征，精细刻画古环境对研究细粒沉积岩和地球气候演化等具有重要意义。硅质Ⅰ+有机质纹层组内部粉砂质颗粒含量少，自生硅含量大，表明沉积期水动力弱、陆源碎屑输入量小、水体处于还原环境中。通过古生物笔石带进行沉积速率计算，该纹层组具有沉积速率最低、悬浮沉降的特点。钙质+黏土质纹层组内部钙质纹层与黏土质纹层互层叠置，表明古气候相对干旱，并且具有周期性的陆源输入，体现出水体相对较浅、水动力条件周期活跃的特点。而硅质Ⅱ+黏土质纹层组内部以粉砂质陆源碎屑为主体，表现出周期性水动力强、水体含氧量较高等特点。

通过2D-XRF进一步精细化，运用其单一像素中原位提取元素数据，结合古环境评价指标发现不同纹层具有明显差异，如图4(a)所示。本文运用w(Sr)/w(Cu)、w(V)/w(Cr)和w(Mn)/w(Fe)等主微量原位地球化学元素数据表征不同纹层的古气候、水体氧化还原和古水深等关键信息[9,26](表2)。利用以上古环境参数指标，对比分析3个原位测试的关键点，发现从大薄片底部至顶部，气候逐渐干旱、水体变浅、含氧量增加，即水动力越来越强。

4 结论

1) 威远页岩气田五峰组—龙马溪组一段页岩纹层组成包括无机矿物(陆源碎屑和自生矿物)和有机质(有机黏土复合颗粒)，纹层结构有细泥、中泥和粗泥颗粒。

2) 依据纹层组分特征，威远地区五峰组—龙马溪组龙一段页岩发育硅质纹层、钙质纹层、黏土质纹层和有机质纹层4种类型，其中硅质纹层根据其粒径可再细分为中—细泥石英颗粒硅质纹层Ⅰ和粗泥石英颗粒硅质纹层Ⅱ；自底部向上，主要发育硅质I+有机质纹层组、钙质+黏土质纹层组和硅质Ⅱ+黏土质纹层组3种纹层组。

3) 纵向上，威远地区五峰组—龙马溪组龙一段页岩纹层和纹层组的发育具有明显的阶段性特征，指示不同时期古物源供给和古环境演化等的差异性，这主要受古沉积环境控制。

4) 基于大薄片2D-XRF技术，能够更加准确识别页岩纹层的组分、沉积和构造，再通过原位获取样品地球化学元素环境参数，定量识别沉积物来源和成因，进而精细分析古环境演化。