川南—黔北地區下志留統龍馬溪組沉積相展布及演化

劉治成,李紅佼,張 喜,方 坤,羅 鵬,祝海華

(1.四川省國土科學技術研究院,四川 成都 610041;2.自然資源部復雜構造區頁巖氣勘探開發工程技術創新中心,四川 成都 610041;3.西南石油大學地球科學與技術學院,四川成都 610559)

隨著我國頁巖氣勘探開發已經在重慶涪陵焦石壩地區取得重大突破,國內頁巖氣的開發熱潮正如火如荼的展開,自然資源部也正在為新一輪的頁巖氣區塊招投標征求意見。根據自然資源部的數據,四川盆地頁巖氣資源量約27.5×1012km2,占全國的21%。可采資源量4.42×1012km2,占全國的18%,位居全國第一,頁巖氣儲量十分巨大,其中四川盆地頁巖氣最有利區位于盆地南部(張廷山等,2016;梁興等,2011;劉樹根等,2011;付小東等,2011;鄒才能等,2010;翟剛毅等,2020;聶海寬等,2009;蒲泊伶等,2010;李延鈞等,2011;劉偉等,2012;余謙等,2020;聶海寬等,2012;門玉澎等,2020;董大忠等,2010;汪正江等,2020)。但筆者在參與四川盆地頁巖氣區塊勘探開發的考察調研過程中,發現推進四川頁巖氣大規模勘探開發還存在很多困難,其中之一是四川盆地除在焦石壩區塊和長寧區塊分別取得突破外,其他頁巖氣區塊(特別是地方企業中標區塊)勘探工作均未取得明顯進展,以川南昭通區塊為例,原因之一就是對層序地層格架及富有機質黑色頁巖優勢相帶認識不清。鑒于此,筆者憑借近年來頁巖氣勘探研究的工作實踐,根據地層與古生物、沉積構造、巖性特征等地質依據,結合有機碳含量地球化學測試分析結果,對川南—黔北地區下志留統龍馬溪組沉積相進行了較為深入的研究,并建立研究區層序地層格架,為新一輪頁巖氣招投標提供地質依據,加快四川頁巖氣勘查開發工作。

1 研究區概況

川南—黔北地區位于四川、云南、貴州三省交界邊緣(圖1A)。下志留統龍馬溪組代表下志留統最下部以黑色為主的海相含筆石頁巖地層,與其下伏時限相當于晚奧陶世Katian晚期—Hirnantian期的五峰組地層為連續沉積、彼此呈整合接觸的。龍馬溪組與上覆的石牛欄組或黃葛溪組地層同樣呈連續沉積、整合接觸,常以較厚的殼相泥灰巖、灰巖或鈣質砂巖的出現作為龍馬溪組頂界,巖性界面較清楚。受盆地周邊的褶皺和斷裂的影響,川南—黔北地區西北部和南部龍馬溪組地層受到不同程度的剝蝕或未沉積,發育不全。其中,西北部受川中古隆起影響,威201井以西以北,龍馬溪組被剝蝕或未沉積;南部受黔中古隆起影響,在鎮雄杉樹—芒部海子溝一線以南被完全剝蝕或未沉積(圖1B)。川南—黔北地區龍馬溪組巖性在縱向上具有一定的漸變性,按垂向沉積特征可將龍馬溪地層劃分為上、下兩段,總體上具有向上顏色逐漸變淺、碳質含量逐漸減少以及粉砂質和灰質含量逐漸增多的特征(圖1C)。

圖1 研究區示意圖及滇黔北探區寶1井龍馬溪組地層圖Fig1 Schematic diagram of study area and stratigraphic map of Longmaxi Formation in Bao1Well in the northern study area of Yunnan and Guizhou

2 沉積相類型及特征

根據對川南—黔北地區龍馬溪組野外露頭剖面、鉆井巖心以及鏡下薄片的詳細觀察描述與研究,并結合區域構造、沉積背景及沉積相的識別標志等資料,研究認為研究區下志留統龍馬溪組處于淺海陸棚沉積環境,其沉積相可劃分為1種相、2種亞相以及9種微相(表1,圖2,圖3)。

表1 研究區龍馬溪組沉積相劃分類型Tab1 Types of sedimentary facies of Longmaxi Formation in study area

圖2 大坪上剖面龍馬溪組沉積微相劃分Fig.2 Sedimentary microfacies of Longmaxi Formation in the upper Daping section

圖3 寶1井龍馬溪組沉積微相劃分Fig.3 Sedimentary microfacies of Longmaxi Formation in Well Bao-1

2.1 淺水陸棚亞相

淺水陸棚位于過渡帶外側至風暴浪基面之上的淺海陸棚區,水體較淺,沉積物以暗色細粒的陸緣碎屑物質為主,見淺水沉積的碳酸鹽巖薄層或透鏡體。沉積區還間歇性地受到其他水流(風暴流、潮流和密度流等)的影響和改造,從而使沉積體發生分異,形成了相對高能的陸源碎屑砂或碳酸鹽顆粒沉積物組成的風暴層以及低能的以泥頁巖為主的砂泥質陸棚、灰泥質陸棚以及泥質陸棚等沉積體。暗色頁巖常具細紋狀水平層理、水平微波狀層理的沉積構造;生物化石以筆石為主,見少量的腕足、珊瑚、三葉蟲、棘皮類、雙殼類等化石。淺水陸棚亞相主要發育在云南彝良—威信以南地區,以及川中古隆起邊緣地區和黔中古隆起剝蝕區以北、四川高縣—長寧—古藺以南地區的龍馬溪組上段。

2.1.1 風暴層微相

淺水陸棚中的風暴層微相巖性主要由成熟度較高的灰色、深灰色泥質粉砂巖、粉砂巖與細砂巖組成(圖4A,圖4B),或單獨由碳酸鹽巖、生物顆粒灘組成。常見波浪作用及流動成因的層理構造,如丘狀交錯層理、平行層理等(圖4A,圖4B),侵蝕充填構造較明顯,粒序層較發育,但粒序層厚度不均勻。

2.1.2 泥質淺水陸棚和砂泥質淺水陸棚微相

泥質淺水陸棚和砂泥質淺水陸棚微相主要發育于水體能量相對較低的淺水陸棚海域,巖性主要為深灰色泥巖、粉砂質泥巖,局部夾泥質粉砂巖,發育反映低能靜水環境的水平層理、緩波狀層理、韻律層理等沉積構造(圖4C,圖4D),見少量的筆石和雙殼類等化石(圖4E、圖4F)。垂向上連續沉積的厚度較大,常為幾十米至一百多米。根據沉積物的巖性,可以區分出主要由泥巖和頁巖構成的泥質淺水陸棚微相,以及主要由粉砂質泥巖和泥質粉砂巖構成的砂泥質淺水陸棚微相,其中的砂質顆粒或者是特大洪水期由河流攜帶入海的,或者是潮流、風暴流等從濱岸帶改造來的。

2.1.3 灰泥質淺水陸棚微相

研究區內灰泥質淺水陸棚微相主要是由于海平面的頻繁升降,造成了沉積環境相應的發生變化,從而在“清水”期間發生碳酸鹽巖沉積,“渾水”期間則主要為細粒陸源碎屑物質沉積。隨著海平面的頻繁升降,形成深灰色、灰色含灰泥頁巖、泥頁巖夾灰色灰巖或泥灰巖薄層的現象(圖4G)。另外也不排除成巖作用(如交代作用、化學劑生物化學作用)對灰質成因的影響。

圖4 研究區龍馬溪組淺水陸棚內各類沉積微相標志Fig.4 The types of the sedimentary microfacies marks in shallow shelf of Longmaxi Formation

2.1.4 灰質淺水陸棚微相

區內的灰質淺水陸棚微相巖性為中—薄層的灰色灰巖夾深灰色、灰黑色泥巖,但在局部地區巖性主要為厚層的泥質灰巖。反映了灰質淺水陸棚微相中的巖性變化,是由于沉積水體深度頻繁變化造成的(圖4H)。

2.2 深水陸棚亞相

深水陸棚處于淺海陸棚靠大陸斜坡一側的、風暴浪基面以下的淺海區,環境能量相對較低,水體安靜,沉積物主要由灰黑色—黑色泥巖、頁巖、含粉砂頁巖夾紋層狀碳酸鹽巖、粉砂巖薄層組成,黑色頁巖常呈薄層狀,具毫米級紋層狀或片狀頁理構造,黃鐵礦常呈星散狀或紋層狀分布,水平紋層發育。生物化石個體多,門類單調,幾乎全為漂浮生活的筆石,局部地區見少量的放射蟲和硅質海綿骨針,反映了安靜貧氧的滯留水體沉積環境。依據沉積物的不同,又可將深水陸棚進一步劃分為砂泥質深水陸棚、泥質深水陸棚、灰泥質深水陸棚和濁積砂等微相。龍馬溪組沉積早期,研究區普遍處于深水陸棚亞相沉積。龍馬溪組晚期,深水陸棚亞相分布范圍開始向東向北收縮,主要分布于四川長寧—貴州習水—重慶綦江以北,四川沐川—自貢以南以東地區。

2.2.1 泥質深水陸棚微相

泥質深水陸棚微相處于深水陸棚水體能量最低的海域,以發育黑灰色、灰黑色、黑色泥頁巖、碳質泥頁巖(圖5A)以及發育反映水體安靜的水平層理為特征(圖5B),礦物中常出現大量黃鐵礦和碳等元素。

該微相除厘米級和毫米級紋層及頁理發育,還普遍含黃鐵礦晶粒,常呈星點狀或紋層狀(圖5C);巖層中含大量的筆石化石(圖5D),底棲生物化石較少,但遺跡化石較多(圖5E、圖5F)。其中,毫米級紋層發育,并出現大量黃鐵礦和碳質的現象,反映了該沉積環境沉積作用極不活躍,結合分異度單一且豐度較高的Planolites,指示了低能、貧氧以及低速欠補償的較深水的特征。它與砂泥質深水陸棚微相的主要區別在于泥頁巖中幾乎不含砂和粉砂。

圖5 研究區龍馬溪組深水陸棚各類沉積微相標志Fig.5 The types of the sedimentary microfacies marks of deep water shelf in Longmaxi Formation

2.2.2 砂泥質深水陸棚微相

砂泥質深水陸棚微相與泥質深水陸棚微相都處于能量相對較低深水陸棚海域,二者的主要區別為砂泥質深水陸棚微相水體能量略強,泥頁巖中含有少量的粉砂,其巖性以灰黑色粉砂質泥巖、泥頁巖為典型特征(圖5G、圖5H)。

2.2.3 濁積砂微相

濁積砂微相為濁流沉積的產物,巖性主要為夾于較深水灰黑色泥頁巖中的鈣質粉砂巖、泥質粉砂巖透鏡體(圖5I、J),在砂層中常具有流動成因的層理,缺少波浪作用形成的層理,有時可見各種印模,粒級遞變現象較明顯,往往具有不完整的鮑瑪序列(圖5J)。

2.2.4 灰泥質深水陸棚微相

研究區內的灰泥質深水陸棚微相主要為顏色相對較淺的灰色、深灰色灰巖呈薄層或透鏡體狀夾于灰黑色、黑色泥頁巖中(圖5K、圖5L),可能為濁流沉積的產物。同時也不排除成巖作用(如交代作用、化學劑生物化學作用)對灰質成因的影響,造成巖性以灰質泥巖的形式產出。

3 層序地層特征

根據野外剖面和鉆測井資料,結合前人研究成果(陳建強等,1998;李志明等,1997;張叢和聶瑞貞,2006;朱志軍等,2010),在沉積相研究的基礎上,筆者將川南—黔北地區下志留統龍馬溪組劃為兩個三級層序,分別為SSQ1和SSQ2。但在研究區邊緣,靠近川中古隆起和黔中古隆起地區,地層大多保存或發育不全。

川南—黔北地區下志留統龍馬溪組總體屬于海洋基底較平緩的淺海陸棚環境。受古地貌的影響,水體相對局限,早期為滯留環境,發育大量條帶狀或結核狀黃鐵礦,富含碳質,筆石分異度和遺跡化石分異度低。晚期隨基底構造抬升,海平面下降,水體循環度、含氧量和筆石分異度開始增加,遺跡化石出現代表水動力較強的逃逸跡,巖性上表現為碳酸鹽巖顆粒含量逐漸增加。沉積物受古隆起的影響,東西向變化不大(圖6A),但南北方向變化明顯(圖6B)。

SSQ1層序相當于龍馬溪組下段的中下部地層。層序的底界面為Ⅱ型巖性結構轉換面。該層序由海侵體系域和高位體系域組成(圖6A;圖6B)。層序界面之上的TST為一套泥質深水陸棚的富含有機質的黑色頁巖,自然伽馬曲線與TOC含量最高,該套頁巖也是區內龍馬溪組最有利儲層。HST為砂泥質深水陸棚或灰泥質深水陸棚的砂質泥巖、灰質泥巖和泥質粉砂巖,自然伽馬曲線與TOC含量明顯降低,碳酸鹽巖顆粒含量開始增加。

SSQ2層序相當于龍馬溪組下段的上部地層和龍馬溪組上段。層序的底界面為Ⅱ型巖性結構轉換面。該層序由海侵體系域和高位體系域組成(圖6A;圖6B)。TST為灰黑色泥頁巖,粉砂質泥巖。HST為黃綠色頁巖、泥質粉砂巖、泥灰巖,研究區南緣發育生屑灰巖。

圖6 川南—黔北地區龍馬溪期層序地層格架Fig.6 The stratigraphic framework of sedimentary sequences in Southern Sichuan-Northern Guizhou areas during the Longmaxi period

4 沉積古地理

SSQ1層序的TST時期代表了早志留世龍馬溪期沉積早期,全球海平面開始上升,川南—黔北地區可容納空間迅速增大,水體加深,處于淺海陸棚環境。但由于受構造運動的影響,該區被川中古隆起、雪峰古隆起以及黔中古隆起包圍,導致海水循環不暢,形成了滯留—缺氧的泥質深水陸棚環境,沉積了一套富含有機質的黑色頁巖。隨著前陸隆起的持續抬升,在HST時期海平面相對下降,物源也發生變化,破壞了富含有機質的黑色頁巖的沉積條件,開始沉積泥巖和砂質泥巖(圖7a)。SSQ2層序的TST時期,由于此時仍處于全球海平面上升期,因此區內中部自貢—瀘州—綦江一帶仍為泥質深水陸棚環境,但開始向北、南、東南方向逐漸變淺。隨著古隆起的持續抬升,到了HST時期,川南—黔北地區海平面開始下降,巖性上表現為砂質、灰質顆粒含量逐漸增多。隨著黔中古隆起北緣向北擴展(戎嘉余等,2011),研究區南部四川筠連—古藺以南局部地區在龍馬溪組晚期開始沉積泥灰巖(圖7b)。

圖7 龍馬溪組沉積相平面展布圖Fig.7 The plane distribution of sedimentary facies in Longmaxi period SSQ1(a)and Longmaxi period SSQ2(b)

5 沉積微相與有機質豐度的關系

不同的沉積相代表了不同的沉積環境及在該環境中形成的沉積巖特征的綜合,因此,不同的沉積微相常具有不同的水動力條件和不同的氧化還原條件,由此沉積物中有機質豐度也不同。通過分析研究區龍馬溪組沉積期重點沉積微相與有機碳含量之間的關系發現(圖8),在淺海陸棚相所有沉積微相中,泥質深水陸棚有機碳含量最高,大多處于1.5%以上(圖8A),為頁巖儲層發育的最有利的沉積相帶。砂泥質深水陸棚微相以及泥質淺水陸棚微相有機碳含量相對不高,TOC主要分布在0.6%～1.2%以及0.4%～1.0%(圖8B、C),有機碳含量處在有利頁巖層有機碳下限以下(TOC=2%),為非頁巖儲層發育相帶,但可作為“一般泥頁巖”的(0.5%＜TOC＜1.5%)發育相帶。而砂泥質淺水陸棚、風暴層、灰泥質淺水陸棚以及灰質淺水陸棚等微相有機碳含量基本上都小于0.5%(圖8D、G),為非頁巖儲層發育的相帶。

圖8 研究區龍馬溪組重點沉積微相TOC分布散點圖Fig.8 TOC distribution scatter plots of sedimentary microfacies of the Longmaxi Formation

以上研究表明,沉積相控制了有利頁巖儲層的區帶展布,處于水體最深、水體能量最弱、還原條件最強的泥質深水陸棚微相是有利頁巖儲層發育的有利相帶。

6 結論

(1)川南—黔北地區龍馬溪組沉積相識別出一個淺海陸棚相,包括過渡帶亞相,淺水陸棚亞相和深水陸棚亞相。淺水陸棚亞相包括風暴層,砂泥質淺水陸棚,泥質淺水陸棚,灰泥質淺水陸棚和灰質淺水陸棚等5個微相。深水陸棚亞相包括濁積砂、砂泥質深水陸棚、泥質深水陸棚、灰泥質深水陸棚等4個微相。

(2)川南—黔北地區龍馬溪期劃分出2個三級旋回,包括SSQ1和SSQ2,均由海侵體系域和高位體系域組成。反映了龍馬溪組沉積時總體呈海平面下降的趨勢。SSQ1的TST時期沉積了最有利儲集層的黑色頁巖。

(3)沉積相控制了有利頁巖儲層的區帶展布,在淺海陸棚相所有沉積微相中,處于水體最深、水體能量最弱、還原條件最強的泥質深水陸棚有機碳含量最高,多大于1.5%,發育黑灰色、灰黑色、黑色泥頁巖、碳質泥頁巖以及發育反映水體安靜的水平層理為特征,礦物中常出現大量黃鐵礦和炭等元素為頁巖儲層發育的最有利的沉積微相。