四川盆地下志留統龍馬溪組結核體發育特征及其沉積環境意義

王玉滿 李新景 王 皓 陳 波 蔣 珊 馬 杰 代 兵

1.中國石油勘探開發研究院 2.長江大學

0 引言

下志留統龍馬溪組是目前中國南方頁巖氣勘探的主力層系，其黑色頁巖形成環境與分布規律一直是研究關注的重點[1-6]。目前，地質人員依據典型帶筆石、觀音橋段介殼層和特定的斑脫巖層等重要等時界面（自然伽馬曲線多顯尖峰特征），開展龍馬溪組地層劃分與對比、區域構造演化分析、巖相組合與沉積環境、富有機質頁巖分布研究等重要工作，取得了大量卓有成效的研究成果[1-12]。近幾年來，隨著勘探和研究工作的不斷深入，筆者在四川盆地川南和川東—鄂西坳陷龍馬溪組中下段發現了多層結核體。結核體是細粒沉積巖中十分常見且又相當復雜的一類巖相，在揭示古地理、古環境、古生態、古物源以及成巖作用等方面具有重要的意義[13-24]。但是，目前對于龍馬溪組結核體發育特征及其對黑色頁巖段沉積環境的指示意義知之甚少，也未見相關報道。

為此，筆者以四川盆地川南—川東坳陷及周緣露頭和鉆井資料為基礎，通過自然伽馬（GR）、巖石礦物、薄片、地球化學等地質資料測試與分析，研究龍馬溪組結核體發育特征，并結合圍巖巖相、地球化學、電性等地質特征分析，探索揭示結核體層對古環境的指示意義。

1 結核體發育特征

近幾年來，筆者圍繞川南和川東—鄂西坳陷龍馬溪組半深水—深水陸棚沉積區（圖1），開展了大面積野外地質考察以及重點井測井響應分析，在長寧雙河、永善蘇田、綦江觀音橋、利川毛壩、石柱漆遼、DT1井、Y101井、NY1井、JY1井、LY1井等資料點均發現結核體，結核體主要發育于龍馬溪組中下段的總有機碳含量（TOC）大于1%、黏土含量大于40%的碳質頁巖和黏土質頁巖中，厚度一般介于20～80 cm，順層狀斷續分布，單個結核體尺寸超過20 cm×10 cm。為了解結核體發育特征，筆者重點對5個野外露頭點結核體發育的層位、尺度、巖相和電性特征及其上下圍巖特征進行研究。

圖1 四川盆地及周緣埃隆階沉積相與重點資料點分布圖

1.1 發育層位與巖相特征

在川南和川東—鄂西坳陷，結核體主要發育于龍馬溪組Coronograptus cyphus、Demirastrites trian-gulatus、Lituigrapatus convolutus等3個筆石帶，厚度（短軸）介于20～80 cm，呈中—低自然伽馬響應特征（表1、圖 2）。

圖2 LY1井五峰組—龍馬溪組綜合柱狀圖

長寧雙河剖面至少發育3層結核體，分別位于魯丹階Coronograptus cyphus帶（LM5）中部、埃隆階Demirastrites triangulatus（LM6）中上部（表 1）。LM5結核體呈透鏡狀、橢球狀，大小為85 cm×30 cm，為碳質頁巖圍限且呈突變接觸，巖相主體為鈣質硅質混合頁巖，核體中心區鈣質含量高，斷面細膩，灰色，未見圈層結構，見水平紋層（單層厚度為25～50 μm，顆粒主要為次棱角狀和橢球狀石英、放射蟲等），向邊部黏土質增加，顏色變深（圖3-a、4-a）。實驗測試顯示，核體巖石礦物中石英含量為48.7%、斜長石含量為4.2%、方解石含量為8.9%、白云石含量為16.9%、黃鐵礦含量為11.0%、黏土含量為10.3%；TOC為0.8%；GR介于124～147 cps，且自核部向邊緣增大（表1、圖5-a），反映黏土質和有機質自核部向邊緣增多的變化特征。LM6中部結核體呈橢球狀，為碳質頁巖圍限且呈突變接觸，長軸50～100 cm、短軸25～30 cm，巖相主體為鈣質硅質混合頁巖，鈣質含量高，斷面細膩，灰色，顯均質層理（圖3-b），核體巖石礦物中石英含量為56.0%、斜長石含量為3.3%、方解石含量為24.0%、黏土含量為16.7%，TOC為0.7%（表1）。LM6上部結核體為橢球狀，大小為60 cm×30 cm（圖3-c），為碳質頁巖圍限，巖相主體為鈣質黏土質混合頁巖相，核體中心區鈣質含量較高，向邊部黏土質增加，巖石礦物中石英含量為22.0%、斜長石含量為3.3%、方解石含量為15.9 %、白云石含量為3.3% 、黏土含量為55.5%，TOC為1.0%（表1）。埃隆階結核體圍巖TOC介于1.1%～1.7%，巖石礦物中石英含量為21.5%～26.8%、長石含量為3.2%～5.3%、方解石含量為4.6%～18.0%、白云石含量為2.9%～5.3%、黏土含量為49.7%～67.9%（表1）。總體來看，長寧雙河剖面下部兩層結核體在巖石結構、巖相特征、礦物組成、TOC、GR等方面與圍巖存在較大差別，上部結核體與圍巖差異較小。

綦江觀音橋剖面發育1層結核體，位于魯丹階LM5帶中部，呈面包狀，為黏土質頁巖圍限，長軸80～150 cm、短軸30～50 cm，主體為黏土質硅質混合頁巖相，含鈣質，深灰色，與圍巖顏色差異小，鏡下見紋層（圖3-d、4-b），TOC為1.0%，巖石礦物中石英含量為34.6%、鉀長石含量為1.9%、斜長石含量為13.4%、方解石含量為6.2%、黃鐵礦含量為0.9%、黏土含量為43.0%，結核體與圍巖在地球化學、巖石礦物等地質參數差異不大（表1）。

永善蘇田剖面至少發育3層鈣質結核體，位于埃隆階LM6帶下部和中部（圖3-e、f，表1）。下層結核體位于厚層斑脫巖以上7.8 m處，核體呈面包狀，厚40～80 cm，為碳質頁巖圍限且呈突變接觸，核體中心區鈣質含量高，見方解石晶體，顏色較淺，顯均質層理，邊緣顏色變深，GR介于123～167 cps，曲線呈低谷響應特征，且自核部向邊緣增大，反映鈣質自核部向邊緣減少、黏土質向邊緣增多的成分變化特征（表1、圖5-b）。圍巖與結核體差異明顯，圍巖GR為170～185 cps（表1、圖5-b），反映黏土質和有機質含量較高。

圖4 龍馬溪組結核體薄片照片

圖5 龍馬溪組結核體典型自然伽馬響應特征圖

利川地區埃隆階LM6帶中部（厚層斑脫巖上方15 m處）發育1層結核體（圖2），呈橢球狀，與圍巖突變接觸，大小為50 cm×25 cm，巖相主體為黏土質硅質混合頁巖，含鈣質，深灰色（圖3-g）；巖石礦物中石英含量為40.5%、長石含量為8.6%、方解石含量為3.6%、黃鐵礦含量為0.1%、黏土含量為47.2%，TOC為1.3%，GR為134 cps（表 1）。在鉆井測井曲線上，該結核體呈低GR、低中子響應特征（圖2）。圍巖主體為碳質頁巖，與結核體物質成分差異顯著，具有更高的TOC和黏土質含量（表1）。

石柱漆遼剖面發育多層結核體[6]，主要位于埃隆階LM6帶和Lituigrapatus convolutus帶（LM7）上部。其中LM6帶結核體呈橢球狀，長軸50 cm、短軸20 cm，為黏土質硅質混合頁巖圍限，主體為硅質頁巖（圖3-h）；核體中心區硅質含量高，鏡下紋層發育，向邊部黏土質增加（圖4-c）。核體巖石礦物中石英含量為49.2%、鉀長石含量為3.8%、斜長石含量為9.4%、黏土含量為37.6%，GR介于191～194 cps，TOC為0.9%（表1）。LM7結核體呈透鏡狀、橢球狀，長軸 50～ 150 cm、短軸 40 ～ 60 cm（圖 3-i），主體為鈣質硅質混合頁巖，鏡下紋層發育（單層厚介于80～140 μm）（圖4-d），巖石礦物中石英含量為20.0%、鉀長石含量為1.6%、斜長石含量為5.3%、黃鐵礦含量為4.5%、鐵白云石含量為46.1%、黏土含量為22.5%，GR介于210～217 cps，TOC為1.1%。與結核層相比，圍巖普遍具有較高TOC和黏土質含量（表1）。

綜上5個剖面結核體的分析，結核體產出層位與巖相特征區域差異大。在川南和川東南坳陷區，結核體發育于Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus兩個筆石帶的碳質頁巖和黏土質頁巖中，且以鈣質硅質混合頁巖相、鈣質黏土質混合頁巖相、黏土質硅質混合頁巖相和鈣質頁巖相為主，含放射蟲顆粒，鈣質含量較高（一般超過6%）且明顯高于圍巖，TOC較低。在川東—鄂西坳陷區，結核體發育于Demirastrites triangulatus、Lituigrapatus convolutus兩個筆石帶（黏土質頁巖和碳質頁巖組合），且以黏土質硅質混合頁巖相、硅質頁巖相和鈣質硅質混合頁巖相為主，含放射蟲顆粒，硅質或白云石含量明顯高于圍巖，黏土質較圍巖顯著降低，TOC較低。受結核體內巖石礦物成分差異影響，GR多表現為在核體中央區為低值響應、核體邊緣為中高值響應的顯著特征，這反映了鈣質、硅質等脆性礦物主要富集于結核體中心區，黏土質和有機質則富集于結核體邊緣的分異特征。由于大部分結核層與圍巖在巖相、沉積構造、地球化學等地質特征方面存在明顯差異，因此，結核體是其所在頁巖段巖相組合趨于復雜的顯著標志。

1.2 空間分布特征

對上述5條剖面進行伽馬密集檢測（Demirastrites triangulatus帶及其以下的測點間距為10～20 cm、Lituigrapatus convolutus帶以上的測點間距為50 cm、結核體層的測點間距10 cm），并與川南、川東和湘鄂西坳陷資料點自然伽馬對比，建立永善蘇田—DT1井—Y101井—NY1井—道真巴漁—鶴峰官屋、W202井—DT1井—長寧雙河—RY1井、巫溪白鹿—LY1井—石柱漆遼—JY1井—NY1井—綦江觀音橋等3條自然伽馬大剖面（圖1、6～8），以研究結核體層在川南、渝東南、川東等主要探區的分布特征。

魯丹階Coronograptus cyphus帶發育1層結核體，自然伽馬曲線上多呈低谷特征，分布較局限，主要發育于川南坳陷中南部，如長寧雙河、Y101井、DT1井等地區/井區（圖6、7），在威遠、黔北—渝東南、川東地區未發現（圖6～8）。該結核體層縱向上分布于Coronograptus cyphus帶中部，形成于該筆石帶底部斑脫巖密集段（圖6～8中綠色箭頭指示的GR峰）沉積之后。魯丹階結核體層為單發，在川南坳陷中南部分布穩定，GR低谷特征明顯，可作為川南坳陷腹部Coronograptus cyphus帶中段對比標志層（圖6、7）。

埃隆階結核體層數多，少至1層，多至超過4層，自然伽馬曲線上多呈低谷特征，分布范圍較大，主要發育于川南、川東—鄂西坳陷中央區，如永善蘇田、長寧雙河、Y101井、DT1井、NY1井、JY1井、石柱漆遼和LY1井等地區/井區，在威遠、黔北—渝東南、湘鄂西和巫溪等地區消失或較少發現（圖6～8）。該結核體層縱向上主要分布于Demirastrites triangulatus帶中部和上部，局部出現在Lituigrapatus convolutus帶中上部（如石柱地區），形成于Demirastrites triangulatus帶厚層斑脫巖沉積之后（圖6～8紅色箭頭指示的GR峰）。埃隆階結核層分布規律較復雜，在川南、川東—鄂西坳陷分布的穩定性較差，不能單獨作為區域對比標志層。

龍馬溪組結核體層普遍賦存于TOC介于0.8%～2.4%（多數超過1.0%）、黏土含量超過40%、脆性指數低于50%的碳質頁巖和黏土質頁巖中（表1、圖2），說明結核層主要出現在優質頁巖沉積結束之后（圖6～8），基本不與優質頁巖共生。另外，結核體層在自然伽馬曲線上多呈低谷響應特征，與赫南特階GR峰、Coronograptus cyphus帶底部斑脫巖密集段GR峰和半耙筆石帶厚層斑脫巖GR峰形成鮮明反差（圖2、6～8）。因此，在川南、川東—鄂西地區龍馬溪組地質評價工作中，將結核體層與筆石、斑脫巖密集段相結合，對開展Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus等筆石帶分層和優質頁巖分布研究具有重要的參考價值。

2 沉積環境意義

圖6 永善蘇田—DT1井—Y101井—NY1井—道真巴漁—鶴峰官屋龍馬溪組結核體層剖面圖

前人研究認為，海相頁巖中的結核體多為同沉積—早成巖期結核[13-22,25]。其中，鈣質結核體主要為成巖早期還原菌降解有機質形成，是成巖早期的微生物降解帶（埋深一般幾十米至數百米）中硫酸鹽還原菌降解有機質并產生НCO3－，Mg2+和 Ca2+與 НCO3－結合，進而產生鈣質沉淀（即形成結核）[16-17,21-22]；硅質結核體多為同沉積結核體，即富硅軟泥在同生—成巖初期經差異壓實和硅質沉淀而形成[14-16]。龍馬溪組結核體多具水平紋層或均質層理，與圍巖相互不切割層理且呈突變接觸，不具圈層結構，為同沉積—成巖早期形成。

圖7 W202井—DT1井—長寧雙河—RY1井龍馬溪組結核體層剖面圖

在奧陶紀和志留紀之交，揚子地臺經歷了臺地陸棚轉換期（五峰組沉積初期）、隆坳形成期（五峰組沉積早中期—Coronograptus cyphus帶底部斑脫巖密集段出現之前）、前陸撓曲初期（Coronograptus cyphus帶底斑脫巖密集段出現之后—半耙筆石帶厚層斑脫巖出現之前）、前陸撓曲發展期（半耙筆石帶厚層斑脫巖出現之后）等4個階段[5-6]。從結核體發育層位和空間展布特征看（圖2、6～8、表1），龍馬溪組結核體形成于前陸撓曲初期和前陸撓曲發展期，且與TOC＞1.0%的黏土質頁巖、碳質頁巖相伴生，其分布區和形成環境具有3個顯著特征：①處于前陸撓曲活躍期，華南板塊與揚子板塊碰撞、拼合作用強烈[2,5-6,8,25]，物源輸入穩定性變差，導致陸源碎屑供給常常發生陣發性、短暫性改變（由黏土質輸入為主轉為以碳酸鹽、石英等脆性物質輸入為主），確保短期內水體和沉積物中Ca2+、Mg2+、石英富集；②水體較深（深水—半深水陸棚，水深超過60 m[1-3]）且較安靜，在海底形成還原環境（圖1），有機質較富集，具有硫酸鹽細菌還原有機質的物質基礎；③上覆沉積物黏土質含量高（平均含量超過45%），沉積速度快（沉積速率一般超過15 m/Ma）（表1），確保結核體層Ca2+、Mg2+、石英、有機質等沉積物快速進入埋深幾十米至數百米的微生物降解帶[21-22]，有利于硫酸鹽細菌還原有機質，促進鈣質、硅質在短期內規模沉淀（即結核快速生長）。龍馬溪組大型結核體（尤其是含鈣質結核體）是深水—半深水陸棚相快速沉積的產物，也是前陸期物源輸入穩定性變差和陸源碎屑物質發生突發性、短暫性改變的重要標志。這表明結核體一般不會在緩慢沉積的深水環境中產生，也不會在快速沉積的淺水環境中產生，緩慢沉積的深水環境中Ca2+、Mg2+和石英等陸源物質輸入穩定、黏土質欠補償，沉積物中巖石礦物分異較低，以硅質頁巖、鈣質硅質混合頁巖等均質巖相沉積為主（如五峰組和魯丹階下段，圖2），淺水環境中陸源物質輸入量高、有機質豐度低，雖然Ca2+、Mg2+、黏土等物源輸入量大、沉積速度快、巖石礦物分異度高，但在成巖早期的微生物降解帶，因缺少有機質微生物降解作用難以產生足夠鈣質沉淀的НCO3－（如埃隆階上段，圖2）?？梢?，在揚子板塊臺盆區，龍馬溪組不具備大型結核體與優質頁巖共生的沉積背景，因為后者發育于構造穩定期深水緩慢沉積環境（沉積速率一般低于 15 m/Ma）[1-2,5,26-27]。

魯丹階鈣質結核體分布在川南坳陷中南區，發育于Coronograptus cyphus帶黑色黏土質頁巖、碳質頁巖中，反映該海域在魯丹階晚期為水體較深且較安靜、陸源黏土質輸入量高、沉積速率較快（30.00～33.75 m/Ma）的前陸撓曲坳陷，構造活動強烈，并在結核層發育期引發碳酸鹽、石英等物質（來源于黔中古陸）大量進入該海域，表明川南坳陷中南部是奧陶—志留紀之交上揚子海盆最早進入前陸期的地區。

埃隆階結核體主要分布于川南—川東坳陷中央區，且與黑色黏土質頁巖、碳質頁巖共生。結核體分布區在埃隆期主體為水體較深且較安靜、陸源碳酸鹽和黏土質輸入量較高、沉積速率較快（16.20～51.56 m/Ma）的前陸坳陷，物源主要來源于黔中古陸和黔東北—雪峰古陸，前者為川南坳陷提供物源，鈣質含量較高，后者為川東—鄂西坳陷提供物源，鈣質含量較少，黏土質含量高；在結核體層發育期，構造活動強烈，來自于東南兩個物源區的碳酸鹽、石英等在短期內大量進入川南—川東坳陷區，為不同巖相的結核體形成提供物質來源。其中，Demirastrites triangulatus帶沉積期因結核體發育層數多、分布面積廣且巖相類型多樣，是結核體形成的鼎盛期。表明Demirastrites triangulatus帶可能為揚子前陸海盆形成的主要時期。

另外，結核體賦存層位由川南中南區的Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus兩個筆石帶向北上移至Demirastrites triangulatus、Lituigrapatus convolutus帶，反映前陸撓曲坳陷自南向北的遷移特征。

3 結論

圖8 巫溪白鹿—LY1井—石柱漆遼—JY1井—NY1井—綦江觀音橋龍馬溪組結核體層剖面圖

1）結核體產出層位與巖相特征區域差異大。在川南和川東南坳陷區，結核體發育于Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus兩個筆石帶中，以鈣質硅質混合頁巖相、鈣質黏土質混合頁巖相、黏土質硅質混合頁巖相和鈣質頁巖相為主，鈣質含量較高且高于圍巖；在川東—鄂西坳陷區，結核體發育于Demirastrites triangulatus、Lituigrapatus convolutus兩個筆石帶中，以黏土質硅質混合頁巖相、硅質頁巖相和鈣質硅質混合頁巖相為主，硅質、白云石含量較圍巖高。受結核體內巖石礦物成分差異影響，自然伽馬曲線多呈低谷響應特征，表明鈣質、硅質富集于結核體中心區，黏土質和有機質則富集于結核體邊緣。

2）龍馬溪組結核體層發育于TOC介于0.8%～2.4%、黏土含量超過40%、脆性指數低于50%的碳質頁巖和黏土質頁巖中，與優質頁巖不共生。魯丹階結核體層形成于Coronograptus cyphus帶底部斑脫巖密集段沉積之后，可作為川南坳陷腹部Coronograptus cyphus帶中段對比標志層；埃隆階結核體層形成于半耙筆石帶厚層斑脫巖沉積之后，分布規律較復雜，不能單獨作為區域對比標志層。因此，在川南、川東—鄂西坳陷區龍馬溪組地質評價工作中，結核層與筆石、斑脫巖密集段相結合對開展Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus等筆石帶分層和優質頁巖分布研究具有重要的參考價值。

3）龍馬溪組結核體多為同沉積或早期成巖過程中形成。龍馬溪組結核體形成于前陸撓曲初期和前陸撓曲發展期，是前陸期深水—半深水陸棚相快速沉積產物。結核體發育層位從川南中南部的Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus兩個筆石帶向北上移至Demirastrites triangulatus、Lituigrapatus convolutus帶，反映前陸撓曲坳陷自南向北的遷移特征。