貴州石炭系黑色頁巖層系沉積特征及分布規律研究

盧樹藩,陳祎,羅香建,何犇,符宏斌

1.貴州省地質調查院，貴陽 550081

2.貴州省油氣勘查開發工程研究院，貴陽 550004

0 引言

沉積學研究對于非常規天然氣的發現和預測具有重要的意義，可為非常規油氣勘探開發提供理論基礎與技術支撐[1]。頁巖氣作為一種重要的非常規天然氣，其黑色頁巖的發育受到沉積作用的控制，研究頁巖地層的沉積環境和富集規律，可助推頁巖氣勘探選區進程。近年來，在四川盆地寒武系、志留系之外取得了一系列頁巖氣的勘探發現[2-8]，但尚未實現頁巖氣的規模開發，重要的原因之一是頁巖沉積研究沒有與頁巖氣的選區、勘探相結合。石炭系黑色頁巖是貴州繼龍馬溪組之后發現最具有頁巖氣勘探開發潛力的目的層之一，該頁巖地層從貴州南部至廣西北部均有發育，明顯受紫云—南丹斷裂帶的控制[9-10]，胡東風等[11]認為桂中坳陷下石炭統黑色頁巖具有較好的頁巖氣勘探前景。據近年貴州石炭系黑色頁巖層系已實施的多口頁巖氣井，取得了較好的頁巖氣的發現，表明該地層具有實現頁巖氣勘探開發的良好希望[12-15]。但貴州石炭系黑色頁巖沉積受水城-紫云裂陷槽的控制，沉積相變復雜，對黑色頁巖的沉積富集有重要的控制和影響，黑色頁巖富集規律不清。前人的研究顯示不同的沉積環境。對黑色頁巖的沉積富集具有重要的控制和影響，而不同沉積環境下的黑色頁巖其儲層特征和對頁巖氣富集特征也不同，對頁巖氣后期勘探開發影響很大[16-21]。因此，本文對貴州石炭系黑色頁巖地層沉積環境、頁巖富集特征、沉積模式進行探討，希望對推進石炭系頁巖氣勘探開發有所幫助。

1 沉積背景

早泥盆世以來，滇黔桂相鄰地區形成右江沉積盆地，北東部以水城—紫云—丹池斷裂帶作為邊界，該斷裂帶從廣西省河池—南丹向貴州省紫云、水城地區延伸(圖1)，控制了所經過區域泥盆系—二疊系的地層沉積作用。水城—紫云裂陷槽作為水城—紫云—丹池斷裂帶在貴州省內的一部分，其裂陷和沉積作用與右江盆地相似[22-24]。沿該裂陷槽早石炭世在貴州省南部、西部沉積了厚度較大的黑色頁巖[25-26]，該黑色頁巖的發育分布受水城—紫云裂陷槽的控制，分布在羅甸—惠水—長順—紫云—鎮寧—普定—六枝—水城—威寧—普安—盤縣—望謨圍限的區域內，面積約為2×104km2。

圖1 研究區區域沉積構造位置圖[22]Fig.1 Sedimentary-tectonic settings[22]

貴州石炭系黑色頁巖在水城至羅甸地區稱為打屋壩組，往北西威寧地區稱為舊司組。打屋壩組巖性為黑色頁巖、灰巖、泥灰巖夾硅質巖、粉砂巖組合，可劃分為4段，其中第一、第三段為黑色頁巖發育段。威寧地區舊司組同樣可發育4段，但黑色頁巖厚度明顯變薄，碳酸鹽、砂巖夾層增多，并發育煤層。

2 地層及沉積相

2.1 地層特征

為了對貴州石炭系頁巖地層相變特征進行全面控制，選取水城—紫云裂陷槽不同位置地層控制點開展巖石組合分析。具體代表點有紫云縣北部貓營、西部羅崗、南東部四大寨，長順縣南部代化，水城縣東部雙水、南西部都格，盤縣東部珠東。以上控制點中紫云縣貓營、水城縣都格位于裂陷槽外圍，紫云縣羅崗、長順縣代化位于裂陷槽北部，盤縣珠東位于裂陷槽南西部，紫云縣四大寨處于裂陷槽核部地區(圖2)。

圖2 貴州省下石炭統地層控制點分布圖Fig.2 Distribution of Lower Carboniferous points in Guizhou Province

紫云縣貓營位于水城—紫云裂陷槽外圍北東側，石炭系頁巖地層相變為祥擺組，厚度僅為3 m，巖性為一套灰黑色頁巖夾兩套灰色薄—中層細粒石英砂巖(圖3a)，頁巖內可見大量植物化石碎片，石英砂巖局部呈透鏡狀。而在該裂陷槽外圍南西側的水城縣都格石炭系頁巖地層同樣發生相變，相變地層為祥擺組、舊司組、上司組，其中祥擺組厚度20余米，巖性為深灰色粉砂質泥巖夾灰黑色頁巖、灰色泥質粉砂巖及少量深灰色中層狀泥質灰巖，祥擺組之上為舊司組深灰色薄—中層泥質灰巖夾少量灰黑色頁巖，上司組為灰色中層狀燧石泥晶灰巖(圖3b)。

在水城—紫云裂陷槽內北東邊緣紫云縣羅崗地區，下石炭統為一套深灰色薄—中厚層泥晶灰巖、泥質灰巖夾灰黑色鈣質頁巖，厚度為244 m(圖3c)，發育滑移變形構造(圖4a，b)，X衍射分析顯示頁巖中碳酸鹽礦物含量一般在10%～40%之間。往裂陷槽內過渡為長順縣代化地區，該區域下石炭統地層巖性為灰黑色頁巖夾灰色、深灰色泥晶灰巖、泥質灰巖及少量深灰色粉砂巖，厚度為208 m(圖3d)，黑色頁巖發育水平紋層(圖4c)，常見黃鐵礦，呈結核狀、星點狀、脈狀，偶見少量化石，主要為腕足類、頭足類、珊瑚等(圖4d)，泥巖鏡下見少量少量泥晶方解石不均勻混雜分布，見含量小于10%的石英、長石碎屑、棘皮、介形、骨針類化石碎屑(圖4e)，灰巖夾層鏡下同樣可見到低于10%的石英等陸源碎屑礦物，含有孔蟲、棘皮類、介形類、腕足類及苔蘚蟲等生物碎屑(圖4f)，X衍射分析頁巖礦物組成顯示方解石含量為3%～20%，較羅崗地區明顯降低。繼續往水城—紫云裂陷槽核部為紫云縣四大寨，該位置石炭系頁巖地層厚度221 m(圖3e)，巖性為灰黑、黑色頁巖、粉砂質頁巖夾少量灰黑色薄層硅質巖，該位置打屋壩組頁巖段無灰巖、砂巖夾層，水平紋層發育(圖4g)，見大量的硅質巖。頁巖鏡下觀察發現與其它沉積區有較大的物質組成差異(圖4h)，頁巖由黏土礦物、陸源碎屑及石英、黃鐵礦、有機質、鐵質等組分構成，黏土礦物鏡下分布較為均勻，陸源碎屑約占樣品總量8%。X衍射分析顯示頁巖內碳酸鹽巖礦物含量很低，一般含量小于3%。

圖3 貴州下石炭統不同沉積區地層巖石組合圖征(a)紫云縣貓營下石炭統地層巖石組合特征;(b)水城縣都格下石炭統地層巖石組合特征;(c)長順縣代化下石炭統地層巖石組合特征；(d)紫云縣羅崗下石炭統頁巖地層巖石組合特征;(e)紫云縣四大寨下石炭統頁巖地層巖石組合特征；(f)盤縣珠東下石炭統頁巖地層巖石組合特征(;g)水城雙水下石炭統地層巖石組合特征Fig.3Stratigraphic characteristics from different sedimentary areas of Lower Carboniferous in Guizhou province

圖4 貴州下石炭統不同沉積區沉積構造及鏡下礦物組合特征照片(a)紫云縣羅崗發育包卷層理(;b)紫云縣羅崗打屋壩組發育液化流(;c)長順縣代化打屋壩組發育水平紋層；(d)長順縣代化打屋壩組含腕足類化石；(e)代化打屋壩組泥巖鏡下特征(正交偏光物鏡10×目鏡10×)；(f)長順縣代化打屋壩組灰巖鏡下特征(單偏光物鏡10×目鏡10×)；(g)紫云縣四大寨打屋壩組發育水平紋層；(h)紫云縣四大寨打屋壩組頁巖鏡下特征(正交偏光目鏡10×物鏡10×)；(i)盤縣珠東打屋壩組滑移變形構造(;j)盤縣珠東打屋壩組發育小型交錯層理；(k)水城縣雙水鈣質頁巖外觀(;l)雙水打屋壩組泥巖鏡下特征(單偏光目鏡10×物鏡10×)Fig.4 Photos of sedimentary structures and microscopic mineral assemblages in different sedimentary areas of Lower Carboniferous in Guizhou

靠近水城—紫云裂陷槽南西緣的盤縣珠東地區，石炭系頁巖地層厚214.8 m，巖性為灰色、深灰色粉砂質泥巖夾深灰色、灰黑色頁巖及少量深灰色硅質巖(圖3f)。該位置巖石中砂質含量較高，頁巖厚度變薄，黑色頁巖連續性較差，發育有少量滑移變形構造及楔狀交錯層理(圖4i，j)，但沉積變形構造不如裂陷槽北東緣(紫云羅崗)強。

水城—紫云裂陷槽北西部水城縣雙水地區，下石炭統頁巖地層出露不完整，未見底，厚度超過228 m，巖性為深灰色、灰黑色鈣質頁巖夾灰色生物屑泥晶灰巖及少量淺灰黃色粉砂巖，可分為四段，但特征不如其他地區明顯(圖3g)。雙水地區石炭系頁巖顏色明顯變淺(圖4k)，鏡下鹽酸鹽巖礦物和生物碎屑較為豐富(圖4l)，灰巖夾層較多，頁巖內鈣質含量較高。利用X衍射分析顯示頁巖內方解石礦物含量為4%～39%，并含有豐富的白云石礦物。

根據研究區內下石炭統不同沉積區域地層厚度、巖性組合建立地層格架圖(圖5，6)。在水城—紫云裂陷槽北東邊緣，紫云貓營祥擺組地層厚度僅為3 m，裂陷槽邊緣向內部地層厚度快速增加至300余米(圖7)，地層內滑移變形、包卷層理較為發育，顯示沉積地形為一斜坡，海水快速變深；而在裂陷槽南西邊緣，與潮坪相、臺地相具有數十米—百余米的地層相變，顯示裂陷槽兩側相變后地層特征并不一致，該裂陷槽具有北東盤高、南西盤低的沉積地貌。在靠近水城—紫云裂陷槽邊緣區灰巖、粉砂巖夾層比例高，頁巖碳酸鹽礦物含量高，灰巖、粉砂巖夾層減少；往裂陷槽內地層厚度繼續增大，黃鐵礦逐漸增多，開始發育放射蟲等浮游生物；繼續往裂陷槽核心區，處于裂谷半深海滯留沉積區內，碳酸鹽礦物含量很低，甚至消失，而硅質巖礦物大量增加，藻類、放射蟲等浮游生物更加發育，水平紋層發育。

圖5 裂陷槽切面打屋壩組/舊司組地層格架圖Fig.5 Stratigraphic framework of the Dawuba Formation(Jiusi Formation)at the section across the rift trough

圖6 平行裂陷槽打屋壩組/舊司組地層格架圖Fig.6 Stratigraphic framework of the Dawuba Formation(Jiusi Formation)parallel to the rift trough

圖7 紫云地區石炭系打屋壩組/舊司組地層格架圖Fig.7 Stratigraphic framework of the Dawuba Formation(Jiusi Formation)in the Ziyun area

平行裂陷槽，在紫云、威寧地區下石炭統打屋壩組/舊司組地層厚度最大，紫云地區最厚可達365 m，威寧地區最厚可達700余米。而在紫云與威寧之間的水城—六枝地區打屋壩組地層厚度明顯變薄，厚度僅為60余米，存在一個沉積高地，將紫云和威寧沉積區之間分隔開來，導致威寧地區為潮坪—潟湖相沉積，而六枝地區為相對隆起海水較淺的沉積環境。

采用V(/V+Ni)、Ni/Co和V/Cr比值對比分析裂陷槽內不同位置打屋壩組/舊司組沉積環境的變化差異(圖8，9)，可以看出，水城雙水地區V/Cr分布在常氧環境，Ni/Co比值反映弱還原環境，而V(/V+Ni)比值基本分布在缺氧環境，說明該地區屬于弱還原環境。紫云羅崗與水城雙水特征非常相似，為淺海弱還原環境沉積。普安地區V/Cr比值均分布在貧氧環境，Ni/Co比值相對更加偏向還原環境，而V(/V+Ni)比值分布在缺氧環境，對比水城雙水和紫云羅崗地區，還原環境特征更加明顯。紫云四大寨有著更高的Ni/Co、V/Cr比值，滯留還原環境更加明顯，顯示了更深水的沉積。

圖8 V/Cr與Ni/Co散點圖Fig.8 Scatter diagram of V/Cr and Ni/Co

圖9 V/(V+Ni)與Ni/Co散點圖Fig.9 Scatter diagram of V/(V+Ni)and Ni/Co

2.2 沉積相

根據打屋壩組(舊司組)沉積構造、沉積環境及地層格架分析，將其沉積相劃分為裂陷槽兩側邊緣斜坡相，往裂陷槽內過渡淺海—半深海相，裂陷槽內槽盆相，水城地區隆起淺海相，威寧地區潮坪—潟湖相沉積(圖10)。值得一提的是，貴州石炭系頁巖地層分布范圍在水城—紫云裂陷槽不同地區大小不一致，表現為在紫云—惠水—長順、興仁—貞豐一帶沉積范圍變窄，沉積相變快速而復雜。在盤縣—安順、望謨—長順可能發育有垂直于水城—紫云裂陷槽的次級同生沉積斷裂，形成垂直于裂陷槽局部沉積范圍擴大的特征。不同的沉積相地層特征表現如下：

圖10 研究區早石炭世晚期沉積相圖Fig.10 Sedimentary facies map of the late Early Carboniferous in the study area

邊緣斜坡相，發育有沉積斜坡，沉積水體較淺，還原環境相對較弱，頁巖鈣質含量高，并夾有大量灰巖、泥灰巖，鈣質含量高，長石豐富，發育有豐富的斜坡相沉積構造，見少量腕足、腹足類化石。

過渡淺海—半深海相：在邊緣斜坡相繼續往裂陷槽內，表現為水體逐漸變深，還原環境增強，但仍然夾有灰巖、泥灰巖夾層，頁巖普遍含鈣質，但鈣質含量降低，長石含量減少。

槽盆相：在裂陷槽核部地帶，為深水相沉積，滯留還原環境進一步增強，受陸相及淺海沉積影響較小，灰巖夾層也明顯變少，硅質巖逐漸增多的特征，并在裂陷槽南部逐步向右江盆地相過渡。

淺海相：在水城—六枝隆起區，表現為黑色頁巖依然較為發育，但地層厚度變薄，碳酸鹽巖夾層變多，頁巖內鈣質含量高，白云石豐富，蒸發作用強，處于弱還原環境。

潮坪—潟湖相：可能源于物源較為豐富的原因，地層厚度較大，發育有豐富的粉砂巖、細砂巖、灰巖，夾有煤層，灰巖內白云石豐富，黑色頁巖厚度并沒有因為地層厚度增加而增大，反映處于弱還原環境，受陸相物源影響很大。

3 沉積模式

水城—紫云裂陷槽與右江盆地之間通道較為局限，導致裂陷槽的沉積水體較為封閉，處于海水滯留的蒸發環境。裂陷槽北東盤高，為濱淺海相，氧化沉積環境，以陸源沉積物質組成為主；而在裂陷槽南西盤相對北東盤低，發育潮坪相沉積，發育豐富的碳酸鹽礦物，夾少量灰黑色頁巖。在裂陷槽邊緣形成斜坡相沉積，發育滑移變形構造，陸源有機質、碎屑豐富，為弱的還原沉積環境，發育有腹足、腕足等化石，有利于碳酸鹽礦物的沉積形成。由于裂陷槽南西盤低、北東盤高，因此裂陷槽南西部的裂谷邊緣滑移變形構造遠不如北東緣發育。從斜坡相繼續往裂陷槽內，進入相對穩定的滯留淺海—半深海相沉積環境，受陸源碎屑的影響逐漸減弱，還原環境增強，有利于黑色頁巖沉積富集，碳酸鹽礦物減少，黃鐵礦富集，發育骨針類化石。在裂陷槽核部為滯留槽盆相沉積，發育骨針類、藻類等浮游生物化石，受陸源碎屑及有機質的影響更弱，有利于黑色頁巖沉積富集，不利于碳酸鹽礦物的富集，變為硅質巖和硅質頁巖的發育富集為主，黃鐵礦也較為發育。因此，貴州石炭系頁巖地層具有裂谷邊緣—槽盆滯留沉積模式(圖11)。

圖11 打屋壩組/舊司組沉積模式示意圖Fig.11 Sedimentary model of the Dawuba Formation(Jiusi Formation)

水城—紫云裂陷槽內的沉積地貌對地層發育影響很大，沉積凹陷之間受隆起帶的阻隔形成不同的沉積環境，對黑色頁巖的發育造成影響。在裂陷槽南東部受右江盆地影響，總體為明顯的海相滯留還原沉積環境。在裂陷槽北西威寧沉積凹陷內，受水城—六枝隆起的影響，正常海相沉積影響變弱，陸源碎屑豐富，蒸發作用強，為潟湖相沉積環境，發育煤層。在潟湖深水沉積區內富集黑色頁巖(圖8)，但厚度明顯較裂陷槽內海相沉積區薄。

4 頁巖富集規律

縱觀整個水城—紫云裂陷槽沉積變化，往北東、北西、南西各有不同，相變特征復雜，該特征與水城—紫云裂陷槽的構造沉積格局有關。

沿水城—紫云裂陷槽內紫云、威寧2個沉積中心打屋壩組/舊司組地層厚度較大，其中威寧地區最厚可超過700 m，從兩個沉積中心往外，地層厚度變薄，可降低至數十米(圖12)，反映了沿裂陷槽坳隆相間的沉積地貌控制了地層的厚度發育。根據裂陷槽內不同位置黑色頁巖厚度分布圖(圖13)，顯示打屋壩組/舊司組黑色頁巖厚度一般為50～200 m，受裂陷槽和裂陷槽內坳隆相間的沉積地貌控制明顯。在研究區南部望謨—興仁、北部長順—安順裂陷槽邊緣部位厚度小于50 m，而往裂陷槽內逐漸增厚，存在一個高值區，位于紫云附近，與紫云沉積中心吻合，表現為該地區黑色頁巖隨地層厚度增大而變厚。但在威寧地區表現不明顯，黑色頁巖并沒有隨整個地層厚度的增大而增厚，源于該地區沉積環境發生改變，受陸源沉積影響大，蒸發作用較強，沉積速率快，陸源碎屑補給豐富有關。總體黑色頁巖在裂陷槽核部厚度較大，呈帶狀北西—南東向展布，裂陷槽中部黑色頁巖厚度一般在100 m以上，是黑色頁巖厚度較大的區域。

圖12 打屋壩組/舊司組地層厚度等值線圖Fig.12 Thickness contour map of the Dawuba Formation(Jiusi Formation)

圖13 打屋壩組/舊司組黑色頁巖厚度等值線圖Fig.13 Thickness contour map of black shale in the Dawuba Formation(Jiusi Formation)

不同區域打屋壩組/舊司組黑色頁巖TOC分析，顯示以水城—紫云裂陷槽沉積中心為軸線，中部TOC較高，往兩側逐漸降低，并且從右江盆地往六盤水、威寧地區TOC也逐漸降低(圖14)。處于右江盆地的羅甸地區是有機質含量最高的區域，TOC平均值可超過5%，其次是晴隆—紫云地區，TOC平均值一般為2%～4%，再次為水城—晴隆地區，TOC平均值一般為1%～3%。

總的來看，水城—紫云裂陷槽從北西往南東，貴州石炭系頁巖地層從邊緣相往槽盆相逐步變遷，受到陸源碎屑礦物及陸源有機質影響變弱，沉積還原環境增強，碳酸鹽巖礦物含量變低，硅質礦物和有機質豐度增高，干酪根類型從Ⅲ型向Ⅰ型逐漸過渡，頁巖儲層條件變得更好，對頁巖氣的富集和開發更加有利。考慮到黑色頁巖分布范圍和，六枝—普安、長順—望謨貴州石炭系黑色分布范圍最大，是頁巖氣勘探首要關注的地區；而進一步從頁巖厚度、有機質豐度及干酪根類型考慮，長順—望謨地區對頁巖氣富集更為有利，勘探前景會更佳。值得一提的是六盤水地區盡管沉積水體變淺，有機質豐度不是很高，但演化程度低，局部裂縫非常發育，前人在該地區實施的鉆井取得了較好的含氣性顯示。

根據以上打屋壩組/舊司組黑色頁巖厚度、有機質豐度、干酪根類型的區域變化，貴州早石炭世水城—紫云裂陷槽內海侵方向為從南東右江盆地往北西向，主要的物源來自于北部黔中隆起區。受物源、海侵及裂陷槽內沉積地貌的影響，從南東往北西分別形成裂陷槽內槽盆相、過渡淺海—半深海相、隆起區淺海相和潟湖相、邊緣淺海相沉積，而在裂陷槽外圍形成濱岸—潮坪相沉積。其中裂陷槽內槽盆相、隆起區淺海相、過渡淺海—半深海相、潟湖湖盆相均有一定厚度黑色頁巖發育，是貴州石炭系黑色頁巖有利的發育區。而沉積水體較深的槽盆相黑色頁巖有機質豐度高，硅質含量高，是優質硅質頁巖發育富集有利區；而過渡淺海—半深海相、隆起區淺海相及泄湖湖盆相沉積中心區域有機質豐度有所降低，碳酸鹽巖礦物含量高，為鈣質頁巖沉積富集最有利區域。靠近裂陷槽邊緣沉積水淺，黑色頁巖厚度變薄，有機質豐度低，陸源碎屑及碳酸鹽巖礦物含量較高，不利于黑色頁巖的沉積富集(圖15)。

圖15 水城—紫云裂陷槽沉積模式下打屋壩組/舊司組頁巖沉積富集圖Fig.15 Sedimentary enrichment of shale in the Dawuba Formation(Jiusi Formation)under the sedimentary mode of the Shuicheng Ziyun rift trough

5 結論

(1)水城—紫云裂陷槽為右江盆地北部次級斷陷構造，控制了貴州石炭系打屋壩組/舊司組地層的沉積。從裂陷槽兩側向中部石炭系打屋壩組/舊司組發育有邊緣斜坡相、過渡淺海—半深海相以及槽盆相、局部區域隆起形成淺海相，隆起區北西的威寧地區形成潮坪—潟湖相。

(2)水城—紫云裂陷槽內石炭系打屋壩組/舊司組具有裂谷邊緣—槽盆滯留沉積特征。裂陷槽邊緣靠近陸源區，受陸源沉積影響大，往裂陷槽內海相沉積逐漸增強，陸源沉積影響減弱，復雜的沉積地貌控制其地層、巖石組合的快速變化。

(3)研究區石炭系打屋壩組/舊司組受水城—紫云裂陷槽沉積的控制明顯，其黑色頁巖在裂陷槽沉積中心厚度較大，一般在100 m以上，呈帶狀沿北西—南東向展布，往裂陷槽邊緣逐漸變薄至50 m左右；在裂陷槽中心區晴隆—紫云—羅甸一帶是TOC的高值區，一般在1%和5%之間向兩側逐漸降低，干酪根類型在水城—紫云裂陷槽北緣往南至槽盆內，具有從Ⅲ型向Ⅰ型過渡的趨勢，受黔中隆起區影響較大。淺海相、過渡淺海—半深海相和槽盆相是打屋壩組黑色頁巖發育的有利富集相帶，其中槽盆相以硅質頁巖沉積富集為主，淺海相為鈣質頁巖沉積富集區。