四川盆地五峰组黑色页岩放射性元素含量特征及其地质意义

边瑞康， 刘忠宝， 张培先， 杜伟， 刘珠江， 聂海宽， 乔辉

(1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室， 北京 102206； 2.中国石化页岩油气勘探开发重点实验室， 北京 102206； 3.中国石化石油勘探开发研究院， 北京 102206； 4.中国石化华东油气分公司， 南京 210019； 5.中国石化勘探分公司， 成都 610041)

四川盆地及周缘地区五峰组广泛分布，但整体厚度不大，一般2～15 m[1-5]。在川东涪陵-武隆、川南长宁-永川的沉积中心地区，五峰组厚度为4～8 m，主体由中下部富含笔石、放射虫的黑色页岩段和顶部薄层含介壳灰岩、灰质泥页岩的观音桥段组成，与上覆下志留统龙马溪组黑色页岩一起成为目前中国海相页岩气勘探开发的主力层段[6-11]。

五峰组黑色页岩与龙一1亚段黑色页岩均具有高总有机碳(total organic carbon，TOC)、高硅质含量、低黏土含量的特征，甚至在川东地区其TOC和硅质含量更高、黏土含量更低，且硅质放射虫大量发育，因此许多学者认为其为深海产物[12-14]。虽然近年来基本取得共识，认为五峰组黑色页岩为深水陆棚亚相沉积，但许多学者仍认为其整体沉积水深应大于龙一1亚段[4,15]。而川东、川南等地区页岩气钻井中铀(U)、钍(Th)、钾(K)等放射性元素测井特征并不支持这一观点。放射性元素的含量特征能较好地反映沉积环境，如U元素能反映水体深度[16-19]。陈中红等[17]利用东营凹陷牛38井铀含量建立了水深函数，并据此分析了沙三中的相对水深和古环境变化特征。万锦峰等[18]在上述水深函数基础之上，结合氧化-还原评价提出了预测古水深的半定量计算方法，并据此分析了塔河油田4区巴楚组不同层段的沉积环境特征。Th、K含量能反映以黏土矿物为主的陆源碎屑物源的多少和黏土矿物类型[20-22]。宁波等[20]认为地层中的泥质含量与Th或K含量具有较好的线性关系，给出了利用Th含量计算泥质体积含量的公式，并据此分析了延安地区储层中黏土矿物含量的分布特征。此外，Th/U也能反映水体氧化还原环境等[16,18,21]。加之放射性元素测井技术成熟，测点密度高，不受取心影响，因此在页岩气钻井中被广泛应用，具有资料齐全、可对比性好的优点。

现对涪陵地区五峰组黑色页岩段与龙一1亚段放射性元素含量特征进行分析与对比，并探讨五峰组黑色页岩特殊沉积环境的成因。同时，对四川盆地不同地区五峰组黑色页岩段放射性元素含量的分析与对比，明确黑色页岩纵向和横向变化规律，从而为五峰组空间演化特征的研究提供依据。

1 涪陵地区五峰组页岩段与龙一1亚段差异性对比

涪陵地区在五峰组黑色页岩段和龙一1亚段沉积时期均为沉积中心位置(图1)，两者的页岩条件均好于盆地其他地区，因此该地区最为适合开展两个层段间的对比研究。

涪陵地区五峰组和龙一1亚段黑色页岩发育稳定，多口钻井显示每套页岩的厚度差异不大，TOC大致相当，放射性测井曲线在形态和数值方面具有非常高的相似性。以JY1井为例，五峰组为TOC>4%的连续层段，厚度4.4 m，顶部观音桥段厚度0.1 m，整个五峰组为涪陵页岩气田的①号开发小层(图2)。五峰组上覆龙一1亚段根据TOC含量可分为上、下两个部分，下部为TOC>4%的连续层段，厚度12.0 m，对应②～③号开发小层(图2)；上部为TOC介于2%～4%的连续层段，厚度21.5 m，对应④～⑤号开发小层(图2)。在沉积微相划分上，五峰组页岩和龙一1亚段下部为硅质深水陆棚微相，龙一1亚段上部为硅质黏土质深水陆棚微相。选取涪陵地区6口重点钻井(JY1井、JY2井、JY4井、JY6井、JY8井、TY1井，位置如图1所示)，开展五峰组页岩段放射性元素特征分析，并与龙一1亚段上、下两个部分开展对比。

图1 四川盆地及周缘地区五峰组黑色页岩分布(据文献[4]修改)Fig.1 Distribution of black shale of Wufeng Formation in Sichuan Basin and its surrounding areas(modified according to ref.[4])

1.1 放射性元素含量特征对比

放射性元素含量统计分析表明，涪陵地区五峰组页岩段、龙一1亚段下部、龙一1亚段上部U含量平均值分别为11.70 ×10-6、18.41 ×10-6、10.59 ×10-6[表1、图3(a)]，五峰组页岩段略高于龙一1亚段上部而远低于龙一1亚段下部。U含量的最大值也具有相同的对比特征[表1、图3(a)]。因此，从U含量的对比来看，五峰组页岩段的平均水深和最大水深都应具有略大于龙一1亚段上部而小于龙一1亚段下部的特征。

陈中红等[17]利用U含量测井曲线建立了相对水深的计算公式[式(1)]，虽然式(1)计算所得并非实际水深而是相对水深，但能够较好反映水体的变化趋势和对比特征。本次研究也应用式(1)对涪陵地区五峰组页岩段、龙一1亚段下部、龙一1亚段上部的相对水深进行了计算。计算结果显示，涪陵地区3个层段的平均相对水深分别为159.39、288.69、119.40(表1)，同样表现为五峰组页岩段略大于龙一1亚段上部而小于龙一1亚段下部的特征。

(1)

式(1)中：D为水深函数的方差；w(U)i为i点的铀含量；n为数据个数。

Th/U能反映沉积水体的氧化还原环境，一般水深越大，含氧量越低，还原性越强，Th/U<2一般表示强还原环境[16]。统计显示，涪陵地区五峰组页岩段、龙一1亚段下部、龙一1亚段上部Th/U平均值分别为1.17、0.74、1.68(表1)，均为小于2的强还原环境，数值上同样表现为五峰组页岩段还原性高于龙一1亚段上部，低于龙一1亚段下部的特点。

1.2 五峰组黑色页岩沉积环境分析

U含量、计算得到的相对水深、Th/U等指标均显示涪陵地区五峰组页岩段具有略大于龙一1亚段上部而小于龙一1亚段下部的水深特征。但页岩岩心实验分析却显示涪陵地区五峰组页岩段具有与龙一1亚段下部相当甚至略高的TOC和硅质矿物含量(图2、图4)。更高的TOC和硅质矿物含量一般代表着更大的水深，造成这种“矛盾”现象的出现，主要由涪陵地区五峰组特殊的沉积环境造成。

五峰组沉积时期，受广西运动影响，扬子地区整体上由早期的广海渐变为由川中古陆、黔中古陆、江南雪峰古陆三面围限的局限滞留海盆[23-27]。古陆形成时期较晚，海拔不高，物源以先期形成的临湘组等下伏碳酸盐物质为主，碎屑岩物源相对较少。五峰组页岩沉积时期，极地冰盖规模尚小或暂无冰盖形成，全球气候温暖，纬向气候分带不明显，一方面没有冰盖融化形成的冷水，无法形成底层富含氧的冷水环流进入华南地区，同时台地上的海盆，深度不超过200 m，即便有来自高纬度的深层水也无法进入，造成五峰组页岩沉积时期水体温暖并缺氧，水体中含氧最低值的深度面较其他时期高，水下还原环境空间较大[28]；另一方面，由于气候分带不明显，风力和波浪运动都很小，携带物源能力减弱，物源供应少，加之缺乏碎屑岩物源，因此五峰组页岩整体陆源碎屑注入量较少。五峰组页岩段、龙一1亚段下部、龙一1亚段上部的Th含量平均值分别为11.11 ×10-6、12.55 ×10-6、16.39 ×10-6，K含量平均值分别为2.07%、2.24%、2.83%，五峰组页岩段两项指标的含量均低于龙一1亚段下部和龙一1亚段上部，证实了涪陵地区五峰组黑色页岩沉积时期陆源碎屑注入量相对较少。

概括而言，涪陵地区五峰组黑色页岩沉积时期，具有闭塞的水体条件、较强的还原环境和较少的陆源碎屑注入量，加之温暖、湿润的气候条件，十分适合藻类和硅质生物的发育和保存，适合程度甚至超过了水深更大的龙一1亚段下部，从而形成了与其相当甚至略高的TOC和硅质矿物含量。

2 四川盆地五峰组黑色页岩横向变化 特征

2.1 放射性元素含量横向变化特征

四川盆地五峰组页岩的厚度、品质、矿物组成等特征在不同地区存在一定的差异性[29-31]，如涪陵、长宁、永川、威远四个页岩气主要富集区，五峰组页岩的平均TOC、硅质矿物、黏土矿物等具有不同的含量特征(图5)。通过对各个地区典型钻井五峰组页岩放射性元素含量及变化特征进行分析，发现这种区域差异性同样体现在放射性元素含量的不同及变化特征上(图6)。

四川盆地五峰组页岩段根据岩性可大致分为上下两个部分，下部主要为黏土质硅质混合页岩和硅质黏土质页岩，上部主要为含黏土硅质页岩和硅质岩(图6)。部分地区存在一定特殊性，如威远地区五峰组页岩主要为黏土质硅质混合页岩和黏土质灰质混合页岩，不发育硅质含量较高的含黏土硅质页岩和硅质岩。为了方便对比，根据黏土含量特点也将威远地区五峰组页岩划分为上下两个部分。对五峰组页岩上下两个部分的放射线元素进行分析，整体来看，五峰组下部黏土质硅质混合页岩、硅质黏土质页岩的U含量低于上部的含黏土硅质页岩、硅质岩，而Th/U、Th和K含量则相反(图6、图7)。放射性元素含量由下向上的变化趋势反映了页岩沉积环境的总体变化为水体逐渐加深，陆源碎屑含量逐渐降低的特点。但受原始沉积古地貌及沉积期间构造活动差异性的影响，不同地区沉积环境变化趋势存在特殊性。

A1为硅质岩；A2为含黏土硅质页岩；A3为含灰硅质页岩；A4为黏土质硅质页岩；A5为灰质硅质页岩；B1为黏土岩；B2为含灰黏土质页岩；B3为含硅黏土质页岩；B4为灰质黏土质页岩；B5为硅质黏土质页岩；C1为灰岩；C2为含硅灰岩；C3为含黏土灰岩；C4为硅质灰岩；C5为黏土质灰岩；D1为硅质黏土质混合 页岩；D2为硅质灰质混合页岩；D3为黏土质灰质混合页岩图4 涪陵地区五峰组-龙一1亚段页岩类型 识别图版Fig.4 Shale type identification chart of Wufeng sub member in Fuling area

图5 四川盆地重点地区五峰组页岩TOC、硅质、 黏土含量对比(长宁数据据文献[31])Fig.5 Comparison of TOC, siliceous and clay contents in shale of Wufeng Formation in key areas of Sichuan Basin (Changning data according to ref.[31])

图7 四川盆地重点地区五峰组页岩放射性元素含量对比Fig.7 Comparison of radioactive element content in shale of Wufeng Formation in key areas of Sichuan Basin

五峰组页岩下部含量对比发现，永川地区U含量最低，其次为威远、长宁，涪陵地区含量最高[图7(a)]，表明在沉积早期永川地区水体最浅、其次为威远、长宁，涪陵地区水体最深。而在Th含量方面，永川地区含量最高，其次为长宁、涪陵，威远地区含量最低[图7(c)]；在K含量方面，永川地区最高，其次为涪陵、长宁，威远地区含量最低[图7(d)]；Th和K综合来看，永川地区最高，其次为长宁、涪陵，威远地区最低[图7(e)]。表明该时期永川地区陆源碎屑注入量最大，其次为长宁、涪陵，威远地区陆源碎屑注入量最少。该含量特征基本上反映了水深越大陆源碎屑注入量越少的一般规律，但较为特殊的是威远地区，虽然U含量低于涪陵和长宁地区，但Th和K含量同样低于这两个地区，表明威远地区虽然水体较浅，但陆源碎屑注入量同样较少，与该地区页岩黏土含量较低而碳酸盐岩含量较高的岩性特征相符合，反映了威远地区水体较浅、物源不多、更为封闭而适合碳酸盐矿物发育的特殊环境特征。

进入五峰组页岩沉积后期，U含量最低为威远，其次为永川、涪陵，最高为长宁[图7(a)]，表明在沉积后期威远地区水体最浅，其次为永川、涪陵，长宁地区水体最深。从水体变化趋势可以看出，威远地区水体加深最少，长宁地区水体加深最大，涪陵和永川变化居中。这一变化特征揭示了五峰组页岩后期的构造沉降运动为长宁地区最强烈，其次为涪陵和永川，威远地区构造沉降最弱。在Th和K含量方面，均为长宁含量最高，其次为涪陵、永川，威远含量最低[图7(c)～图7(e)]，表明该时期长宁地区陆源碎屑注入量最大，其次为涪陵、永川，威远地区陆源碎屑注入量仍然最少。与五峰组早期相比，永川地区陆源碎屑注入量迅速减少，仅高于威远地区，低于长宁和涪陵地区。

2.2 五峰组黑色页岩沉积环境横向变化成因分析

一般认为，水深越大的地区距离物源越远，陆源碎屑注入量越少，五峰组页岩早期基本符合这一规律，五峰组页岩后期则与之不符。要解释这一现象，可从五峰组的区域构造运动特点及其造成的古地貌形态给出一定的推断。五峰组沉积时期，扬子地台受华夏板块进一步挤压，在挠曲作用下发生古陆持续抬升、坳陷持续沉降的整体变形特征[25]。在五峰组页岩沉积早期，四川盆地形成靠近川中古陆的永川、威远地区水体最浅，靠近黔中古陆的长宁地区水体居中，靠近江南雪峰古陆及其影响的湘鄂西水下低隆的涪陵地区水体最深的基本古地貌特征。但不同地区距离古陆的距离有所不同，如永川和长宁地区，其距离古陆较近，且靠近古陆一侧地形倾角大，易造成陆源碎屑的沉积。涪陵和威远地区距离古陆较远，与古陆之间地形相对平坦，陆源碎屑沉积相对较少。

五峰组页岩沉积后期，随着挠曲作用的进一步加强，古地貌发生了相对变化，虽然整体发生沉降，但沉降幅度不一。其中长宁地区沉降幅度最大，此时水体深度已超过涪陵地区，成为新的沉积中心。但长宁地区陆源碎屑含量也最高，表明长宁地区与古陆之间的距离进一步缩小，靠近古陆一侧地形倾角变得更大。在四川盆地南侧周缘地区,五峰组的下部一般发育一系列小型阶梯状断层和小型褶皱,其上部页岩产状正常,研究认为其为页岩在处于软沉积物阶段时,由于压实差异、重力滑动或滑塌等因素引发变形而形成的同生变形构造[32]。该构造特点说明，五峰组沉积后期,受黔中古陆迅速抬升影响[24,33-34],古陆面积持续增大，陆源碎屑物源增多，川南周缘地区地形持续变陡，陆源碎屑更易进入海洋发生沉积，古地貌的变化抵消了水体加深的部分影响，造成长宁地区陆源碎屑注入量较五峰组沉积早期降低幅度较少的现象。同时处于陡坡带已形成的软沉积物在地形倾角增大情况下引发变形而形成同生变形构造。与此同时，盆地东侧的江南雪峰古陆也发生抬升，并在川东盆缘带与古陆之间形成了多个水下低隆[4,33]，但由于古陆距离涪陵地区相对较远，地形倾角不大，水下低隆未出露水面形成有效物源，因此涪陵地区陆源碎屑注入量减少幅度大于长宁地区。永川地区在五峰组页岩沉积后期水体深度大幅增加，超过了威远地区，陆源碎屑注入量大幅减少，但仍高于威远地区。说明永川地区的沉降幅度大于威远地区，且靠近永川并提供物源的部分川中古陆也一并沉降至水面以下，失去物源供给能力，但总体上的物源供给能力仍稍大于威远地区。

3 结论

(1)涪陵地区五峰组黑色页岩段与龙一1亚段的U含量、Th/U，以及计算得到的平均相对水深，表明五峰组黑色页岩段具有略大于龙一1亚段上部而小于龙一1亚段下部的水深特征。Th、K含量则表明五峰组黑色页岩段具有小于龙一1亚段下部和上部陆源碎屑注入量。沉积环境分析认为，涪陵地区五峰组闭塞的水体条件、较强的还原环境和较少的陆源碎屑注入量，加之温暖、湿润的气候条件，藻类和硅质生物发育和保存的适合程度超过了水深更大的龙一1亚段下部，从而形成了与其相当甚至略高的TOC和硅质矿物含量。

(2)对四川盆地重点地区五峰组页岩段上下两个部分的放射线元素含量进行分析与对比，整体来看，放射性元素含量由下向上的变化趋势反映了全盆地水体逐渐加深，陆源碎屑注入量逐渐减少的沉积环境变化特征。但不同地区的变化趋势并不完全一致。结合放射性元素、岩性、区域构造运动和微观构造变形特征，认为五峰组沉积时期扬子地台受到华夏板块的进一步挤压，在不均衡挠曲作用之下，不同地区发生差异化沉降-抬升作用，且幅度不尽相同，造成不同地区水体深度、陆源碎屑注入量不同，从而形成五峰组黑色页岩空间上和时间上的演化差异。