黔中隆起北部上奧陶統(tǒng)－下志留統(tǒng)頁巖特征

王世玉 劉樹根 孫瑋 冉波 楊迪葉玥豪 張旋 羅超 孫東

（“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

頁巖氣是最現(xiàn)實的常規(guī)油氣資源的接替者之一，是指以吸附或游離方式存在于頁巖地層及其間所夾砂巖、粉砂巖地層中的天然氣［1］。美國于1821年便完成了世界上第一口頁巖氣生產(chǎn)井［2，3］，現(xiàn)今中國頁巖氣勘探也取得了實質(zhì)性進展。作為一種非常規(guī)天然氣，頁巖氣將對中國的能源供需矛盾起到重要的緩解作用。經(jīng)前人研究，四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)演化程度相對中等、埋藏深度適度、鉆井天然氣顯示豐度高［4］。比如，陽63井龍馬溪組在深度為3505～3518.5m的黑色頁巖井段井噴后，測試獲得天然氣產(chǎn)量3500m3／d；隆32井龍馬溪組在深度為3164.2～3175.2m的黑色碳質(zhì)頁巖井段，中途測試獲日產(chǎn)氣1948m3［5］；石柱復向斜構(gòu)造建深1井在鉆探中志留系天然氣顯示活躍，共發(fā)現(xiàn)氣層24.48m／11層，志留系全層系均含氣，特別是小河壩組和龍馬溪組顯示更好；丁山1井龍馬溪組底部黑色碳質(zhì)泥巖厚度17.3m，TOC的質(zhì)量分數(shù)（wTOC）平均為2.70%，最高為4.41%，最低為1.13%［4］：因此，本層系值得進一步深入研究。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文主要通過習水騎龍村和綦江觀音橋2條野外露頭來闡釋黔北地區(qū)的沉積特征，劃分出上奧陶統(tǒng)五峰組、下志留統(tǒng)龍馬溪組的有效黑色頁巖厚度，對黑色頁巖段的wTOC值進行再研究，供頁巖氣的勘探、開發(fā)參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

黔中隆起北部東起南川，西至赤水，北至綦江，南達桐梓、習水地區(qū)，面積近10 000km2，在行政區(qū)劃上主要位于重慶市西南部、貴州省西北部（圖1）。在構(gòu)造區(qū)劃上，黔北地區(qū)位于黔中隆起北部邊緣，西北邊為加里東期樂山－龍女寺古隆起，北至華鎣山斷裂，南達齊岳山隱伏斷裂，東至南川－遵義大斷裂，西到興文－古藺隱伏大斷裂所限的川南低陡褶皺帶區(qū)域［6］。

圖1 黔北地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 The geological map of the north of the Guizhou middle uplift

本文的研究區(qū)主要集中在黔中隆起北部，東起南川－遵義斷裂，西到習水縣，北到綦江地區(qū)，南到遵義，重點研究的露頭為習水騎龍村、綦江觀音橋2條五峰－龍馬溪組地層實測剖面。該區(qū)的地層從南華系－白堊系均有出露，上奧陶統(tǒng)－下志留統(tǒng)主要分布在觀音橋－習水－古藺－威信一帶，另外在桐梓縣南部也有出露（圖1）。川東南地區(qū)鉆遇志留系的探井有丁山1井、林1井等多口鉆井。其中林1井下志留統(tǒng)龍馬溪組位于井深695～760m處，五峰組的深度為760～777m，五峰組、龍馬溪組TOC的質(zhì)量分數(shù)平均值為0.92%［7］，在龍馬溪組（685.20～687.60m）泥質(zhì)粉砂巖中見有氣測異常，測井解釋為微含氣層［4］。丁山1井下志留統(tǒng)龍馬溪組位于井深1480.0～1520.3m，平均有機碳的質(zhì)量分數(shù)為1.02%，底部的6個黑色碳質(zhì)泥巖樣品TOC的質(zhì)量分數(shù)平均為2.70%，最高為4.41%，最低為1.13%，為優(yōu)質(zhì)黑色頁巖［7］。

2 主要沉積相類型及特征

習水騎龍村剖面是川東南地區(qū)五峰組、龍馬溪組出露最完整的連續(xù)剖面（圖2）。

騎龍村剖面五峰組與龍馬溪組的界線被一層厚0.4m的觀音橋段生物介殼灰?guī)r分隔（圖3－B），為淺水陸棚相。五峰組下段厚3.3m，主要為黑色頁巖，龍馬溪組厚度為212.1m。五峰組下段黑色碳質(zhì)泥頁巖含大量筆石和黃鐵礦（圖3－A），為一種安靜的還原環(huán)境，應(yīng)屬于深水陸棚沉積。

龍馬溪組在巖性上可以明顯分為上、下2段：下段主體以頁巖和泥巖為主（圖3－C），厚度為45.7m，底部則為富含有機質(zhì)的黑色頁巖，常見水平層理（圖3－D），黃鐵礦紋層比較發(fā)育，為深水陸棚相；上段則以鈣質(zhì)頁巖和泥巖與灰?guī)r互層（圖3－E）為主，厚度為166.4m，其泥灰?guī)r的厚度向上逐漸增加，灰?guī)r條帶密度越來越密，為淺水陸棚相。

重慶綦江觀音橋剖面也是川東南地區(qū)五峰組、龍馬溪組比較有代表性的剖面（圖2）。同樣，觀音橋剖面的五峰組與龍馬溪組被一層厚為0.3 m的觀音橋段生物碎屑灰?guī)r分開（圖3－G），可見大量的殼體與貝類化石（圖3－H），屬淺水陸棚相。五峰組下段由1.3m的黑色碳質(zhì)頁巖與0.6m厚的黑色粉砂巖組成，見大量的筆石化石（圖3－F）及黃鐵礦顆粒，水體為還原環(huán)境，為深水陸棚相。同樣，龍馬溪組明顯分為上下2段，下段是厚7.6m的黑色碳質(zhì)泥頁巖段，含有豐富的筆石、黃鐵礦細層，常見水平層理，為較安靜的深水陸棚沉積環(huán)境；龍馬溪組上段砂質(zhì)、鈣質(zhì)成分含量增加，顏色由黑色變?yōu)榛疑⒒揖G色，巖石后期風化嚴重，多見球形風化（圖3－I），代表了一種淺水陸棚的沉積環(huán)境。

綜上，騎龍村剖面的澗草溝組－五峰組的巖性變化為澗草溝組瘤狀泥灰?guī)r—澗草溝組白色鈣質(zhì)粉砂巖—五峰組黑色鈣質(zhì)泥巖—五峰組黑色碳質(zhì)頁巖，沒有明顯的巖性變化，說明從澗草溝組－龍馬溪組是一個連續(xù)的漸變沉積過程，五峰組－龍馬溪組的沉積環(huán)境的變化為：五峰組下段的深水泥質(zhì)陸棚—觀音橋段的淺水灰質(zhì)陸棚—龍馬溪組下段的泥質(zhì)深水陸棚—龍馬溪組上段的灰泥質(zhì)淺水陸棚相，總體上為深淺陸棚相交替出現(xiàn)。

習水騎龍村、綦江觀音橋剖面龍馬溪組下段厚度差較大（圖2），但這2條剖面在該段的巖性主要是黑色頁巖，都含有黃鐵礦結(jié)核，常見水平層理，筆石化石豐富，反映了一種靜水沉積環(huán)境，水較深；另外，這2條剖面在該段的TOC質(zhì)量分數(shù)皆為＞2.0%，有機質(zhì)豐富。

圖2 習水騎龍村、綦江觀音橋野外露頭沉積相柱狀對比圖Fig.2 The Columnar contrast figure of the sedimentary facies of the two outcrops in Xishui Qilongcun and Qijiang Guanyinqiao

3 沉積厚度及沉積演化

3.1 沉積厚度分布

圖4－A為黔北地區(qū)五峰組沉積等厚圖。五峰組在黔北地區(qū)廣泛分布，沉積厚度在4～20m之間，有3個沉積中心，最厚的沉積中心在威信南部，最厚達到20m；另外2個沉積中心分別在古藺納羊箐與桐梓紅花園，最大厚度分別為12m、14m。從圖4－B中可以看出，五峰組上段觀音橋段在黔北地區(qū)也廣泛分布，沉積厚度在0.1～7.4 m之間，在桐梓紅花園附近沉積厚度最大，為7.4 m；另外，在習水桑木場與古藺納羊箐附近沉積也較厚；從圖4－C中可以看出，龍馬溪組的沉積厚度特征。本文研究區(qū)主要集中在觀音橋－習水－古藺－威信一線以南，龍馬溪組的沉積比較單一，表現(xiàn)為從南到北沉積厚度逐漸增加，越靠近黔中隆起，沉積厚度越薄；在綦江觀音橋附近最厚，為334m；威信附近沉積也較厚，丁木坳－大坪－鐵索橋一線都在250m以上。

圖3 川東南地區(qū)上奧陶統(tǒng)－下志留統(tǒng)典型露頭及沉積特征Fig.3 The Upper Ordovician－Lower Silurian typical outcrops and sedimentary characteristics in the southeast of Sichuan

3.2 五峰組與觀音橋段沉積厚度對比

圖4－A與圖4－B可以看出，黔北地區(qū)五峰組與其上段觀音橋段的沉積中心基本上一致，沉積中心靠近黔中隆起，從沉積中心與沉積厚度上沒有截然的變化，說明五峰組的沉積是一個連續(xù)的變化；而五峰組下段為深水陸棚相，表現(xiàn)為以黑色頁巖為主，常見水平層理及黃鐵礦顆粒，筆石化石豐富（圖3－A）。觀音橋段為淺水陸棚相，巖性為介殼灰?guī)r，以腕足類占優(yōu)勢，包括正形貝類Hirnantia，Dalmanella，Kinnella及Draborthis，扭月貝類Aegiromena，Leptaena，Leptaenopoma以及Aphanomena等，小嘴貝類Plectothyrella，無窗貝類Hindella等，并伴有三葉蟲Dalmanitina 以及少量腹足類、雙殼類和珊瑚等［8，9］。露頭觀測中也見到很多雙殼類化石（圖3－H）。

沉積相的差異主要取決于沉積環(huán)境，前人研究已表明五峰組和龍馬溪組所代表層序，恰好是奧陶紀末最后一次和志留紀初第一次全球性海侵階段［10］。五峰組下段與上段觀音橋段沉積主要受構(gòu)造、海平面升降影響。五峰組下段沉積時期，海平面總體下降，由于構(gòu)造作用，黔中地區(qū)與宜昌地區(qū)形成2個水下隆起，使本來流通的水體受到隆起的阻擋作用而形成相對滯留環(huán)境，在有機質(zhì)來源不變的情況下，造成沉積“饑餓”現(xiàn)象，沉積了一套黑色頁巖（五峰組下段黑色頁巖）。晚奧陶世，隨著全球氣候的變冷，岡瓦納大陸冰川不斷凝聚，導致全球海平面的下降和高緯度區(qū)冷且富氧的海水向赤道方向運移，使得五峰期缺氧水體被觀音橋期氧化水體所取代［11］。該時期氣溫明顯降低，海平面下降，水體氧化，對黑色頁巖的發(fā)育并不有利［12］，因此，在此時沉積了一套淺水陸棚相的觀音橋段。

圖4 威信－桐梓地區(qū)五峰組、觀音橋段、龍馬溪組沉積厚度對比圖Fig.4 The deposition thickness comparison map of Wufeng，Guanyinqiao and Longmaxi Formations in the Weixin－Tongzi area

3.3 五峰組與龍馬溪組沉積厚度對比

對比圖4－A與圖4－C可以看出，五峰組與龍馬溪組的沉積變化較大，五峰組的沉積中心靠近黔中隆起，而龍馬溪組的沉積中心遠離黔中隆起，往北偏移。沉積中心的變化反映了黔中隆起的隆升過程，從南往北逐漸抬升。通過習水騎龍村剖面用X射線衍射方法做出來的石英、長石含量變化值可以驗證這一點。四川盆地東部地區(qū)龍馬溪組頁巖中石英礦物的質(zhì)量分數(shù)在2%～93%，主要呈紋層狀或分散狀分布，為陸源碎屑外源成因［13］。圖5中石英含量的最高值對應(yīng)著長石含量的最低值，石英含量變化趨勢由深到淺是由高到低，長石含量變化趨勢與之相反，同樣證明龍馬溪組石英是陸源輸入；同時可以看到，TOC的變化趨勢與石英含量的變化趨勢相同，與長石含量的變化趨勢相反，具體有什么關(guān)系，需要進一步探討。對于物源為陸源的礦物中石英含量越高、長石含量越低說明距離物源越遠，這是因為對于陸源碎屑，石英的抗風化能力遠強于長石。騎龍村剖面從五峰組、龍馬溪組的石英含量變化總體上是逐漸減少的。在五峰組上段含量上升，從觀音橋段就開始下降，反映了沉積過程中物源的變化過程，這與圖4沉積中心的變化基本一致。

圖5 習水騎龍村剖面中石英含量、長石含量對比圖Fig.5 The comparison of content of quartz and feldspar in the Qilongcun outcrop

沉積中心的變化反映了五峰組與龍馬溪組沉積環(huán)境的不同。龍馬溪組從巖性上可分為明顯的上下2段，下段為黑色頁巖，層薄，紋層發(fā)育，粉砂巖具平行層理及水平層理（圖3－D），常見黃鐵礦結(jié)核，表明水體處于一種滯留、缺氧還原的環(huán)境，屬于深水陸棚相沉積；上段為灰色薄層鈣質(zhì)頁／泥巖與泥質(zhì)灰?guī)r互層，局部見薄層鈣質(zhì)砂巖夾透鏡狀泥質(zhì)灰?guī)r，生物群主要以筆石為主，有少量的三葉蟲、腕足類及個別的珊瑚，屬于淺水陸棚相沉積。奧陶紀末期冰期之后，伴隨著全球溫度的迅速上升，大陸冰蓋快速融化，導致全球海平面的快速上升，表現(xiàn)為海進，使得揚子地區(qū)在龍馬溪期重返缺氧環(huán)境［11］，在中上揚子地區(qū)形成較深水的陸棚沉積環(huán)境，沉積了龍馬溪組富含有機質(zhì)的黑色碳質(zhì)頁巖、含碳質(zhì)泥頁巖和泥頁巖等。而隨后相對海平面開始下降，沉積水體變淺，沉積環(huán)境由缺氧環(huán)境變?yōu)檠趸h(huán)境，沉積了灰色、灰綠色粉砂質(zhì)泥、頁巖及泥質(zhì)粉砂巖，并逐漸有灰?guī)r條帶出現(xiàn)。

4 上奧陶統(tǒng) 下志留統(tǒng)有效黑色頁巖厚度

目前，依據(jù)斯倫貝謝公司Charles Boyer等（2006）及Devon能源公司的頁巖氣勘探開發(fā)實踐，在確定有效頁巖厚度時，將頁巖的wTOC＞2.0%確定為下限值。這一選值實際上與石油地球化學家在評定烴源巖等級時所確定的“好生油巖”標準相同。

從圖2可以看出，上奧陶統(tǒng)－下志留統(tǒng)的黑色頁巖段主要是指五峰組、龍馬溪組下段，wTOC值較大，＞2.0%；而龍馬溪組上段主要為砂巖、粉砂巖以及泥灰?guī)r互層，wTOC值比較小，＜2.0%，甚至＜1.0%。龍馬溪組頁巖儲層主要分布在龍馬溪組底部，總體上由黑色碳質(zhì)頁巖、黑色含泥粉砂質(zhì)碳質(zhì)頁巖組成，為一套深水陸棚沉積［16］。黏土礦物對頁巖氣的形成和開發(fā)有一定積極意義，龍馬溪組底部厚度約為30m，伊利石和綠泥石含量低，相應(yīng)孔隙率高且脆性礦物石英的質(zhì)量分數(shù)＞50%，是理想的頁巖氣勘探開發(fā)層位［17］。在上揚子東南緣五峰組、龍馬溪組底部發(fā)育一套黑色頁巖，其有機質(zhì)豐度高，殘余總有機碳質(zhì)量分數(shù)普遍為＞1%，屬腐泥型（Ⅰ型）。

wTOC值高值區(qū)在縱向上主要集中在五峰組、龍馬溪組下段。如，習水吼灘剖面的wTOC高值集中在龍馬溪組下段，約40m厚度的wTOC值＞2%［18－20］。對川東南石柱冷水溪剖面506m龍馬溪組總有機質(zhì)含量的測定表明，在剖面底部20～25m黑色頁巖有機質(zhì)豐度高，有機碳的質(zhì)量分數(shù)基本在3.0%以上，最高達到6.5%；其上厚約80～85m泥頁巖的有機碳質(zhì)量分數(shù)在2.0%左右，從底部到頂部，wTOC值逐漸變小（陳波、皮定成，2009）［15］。川東石柱龍馬溪組最厚656m，該剖面下部筆石頁巖尤為發(fā)育，東部地區(qū)是龍馬溪組wTOC＞2.0%高值分布區(qū)，如石柱龍馬溪組wTOC在2%～6.7%。其中，wTOC＞2.0%的黑色頁巖厚度為115m，這是四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖最為發(fā)育的地區(qū)［5］。這些都表明龍馬溪組有效黑色頁巖主要分布在龍馬溪組下段，而且有效黑色頁巖厚度占龍馬溪組厚度的一小部分。

前人對龍馬溪組整體巖性的認識不足，以至于以底部的黑色頁巖來代替上部粉砂巖、灰?guī)r，無疑人為地增大了黑色頁巖的真實厚度。尤其在計算頁巖氣資源量時，將組厚度當成黑色頁巖有效厚度，使得計算結(jié)果不符合實際。比如習水騎龍村剖面五峰組、龍馬溪組下段黑色頁巖的厚度只占整個層厚的15.8%，綦江觀音橋剖面的五峰組、龍馬溪組下段黑色頁巖的厚度約占整個層厚的10%。因此，需要進一步對五峰組、龍馬溪組下段進行研究，劃分出有效黑色頁巖厚度，精確計算四川盆地及其周緣五峰組、龍馬溪組的頁巖氣資源量，從而為頁巖氣的勘探、開發(fā)決策提供依據(jù)。

5 結(jié)論

a.黔中隆起北部地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組、下志留統(tǒng)龍馬溪組的沉積相為深水泥質(zhì)陸棚（五峰組下段）—淺水灰質(zhì)陸棚（觀音橋段）—深水泥質(zhì)陸棚（龍馬溪組下段）—淺水灰泥質(zhì)陸棚（龍馬溪組上段）。

b.五峰組沉積主要受海平面的升降影響，龍馬溪組沉積受構(gòu)造、海平面升降的共同影響。

c.上奧陶統(tǒng)－下志留統(tǒng)有效黑色頁巖厚度是五峰組下段與龍馬溪組下段深水陸棚沉積段。

因此，重點研究五峰組、龍馬溪組下段，確定有效黑色頁巖厚度，對頁巖氣資源量的計算以及頁巖氣的勘探、開發(fā)具有重要參考價值。

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