四川盆地五峰組黑色頁巖放射性元素含量特征及其地質意義

邊瑞康， 劉忠寶， 張培先， 杜偉， 劉珠江， 聶海寬， 喬輝

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室， 北京 102206； 2.中國石化頁巖油氣勘探開發重點實驗室， 北京 102206； 3.中國石化石油勘探開發研究院， 北京 102206； 4.中國石化華東油氣分公司， 南京 210019； 5.中國石化勘探分公司， 成都 610041)

四川盆地及周緣地區五峰組廣泛分布，但整體厚度不大，一般2～15 m[1-5]。在川東涪陵-武隆、川南長寧-永川的沉積中心地區，五峰組厚度為4～8 m，主體由中下部富含筆石、放射蟲的黑色頁巖段和頂部薄層含介殼灰巖、灰質泥頁巖的觀音橋段組成，與上覆下志留統龍馬溪組黑色頁巖一起成為目前中國海相頁巖氣勘探開發的主力層段[6-11]。

五峰組黑色頁巖與龍一1亞段黑色頁巖均具有高總有機碳(total organic carbon，TOC)、高硅質含量、低黏土含量的特征，甚至在川東地區其TOC和硅質含量更高、黏土含量更低，且硅質放射蟲大量發育，因此許多學者認為其為深海產物[12-14]。雖然近年來基本取得共識，認為五峰組黑色頁巖為深水陸棚亞相沉積，但許多學者仍認為其整體沉積水深應大于龍一1亞段[4,15]。而川東、川南等地區頁巖氣鉆井中鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)等放射性元素測井特征并不支持這一觀點。放射性元素的含量特征能較好地反映沉積環境，如U元素能反映水體深度[16-19]。陳中紅等[17]利用東營凹陷牛38井鈾含量建立了水深函數，并據此分析了沙三中的相對水深和古環境變化特征。萬錦峰等[18]在上述水深函數基礎之上，結合氧化-還原評價提出了預測古水深的半定量計算方法，并據此分析了塔河油田4區巴楚組不同層段的沉積環境特征。Th、K含量能反映以黏土礦物為主的陸源碎屑物源的多少和黏土礦物類型[20-22]。寧波等[20]認為地層中的泥質含量與Th或K含量具有較好的線性關系，給出了利用Th含量計算泥質體積含量的公式，并據此分析了延安地區儲層中黏土礦物含量的分布特征。此外，Th/U也能反映水體氧化還原環境等[16,18,21]。加之放射性元素測井技術成熟，測點密度高，不受取心影響，因此在頁巖氣鉆井中被廣泛應用，具有資料齊全、可對比性好的優點。

現對涪陵地區五峰組黑色頁巖段與龍一1亞段放射性元素含量特征進行分析與對比，并探討五峰組黑色頁巖特殊沉積環境的成因。同時，對四川盆地不同地區五峰組黑色頁巖段放射性元素含量的分析與對比，明確黑色頁巖縱向和橫向變化規律，從而為五峰組空間演化特征的研究提供依據。

1 涪陵地區五峰組頁巖段與龍一1亞段差異性對比

涪陵地區在五峰組黑色頁巖段和龍一1亞段沉積時期均為沉積中心位置(圖1)，兩者的頁巖條件均好于盆地其他地區，因此該地區最為適合開展兩個層段間的對比研究。

涪陵地區五峰組和龍一1亞段黑色頁巖發育穩定，多口鉆井顯示每套頁巖的厚度差異不大，TOC大致相當，放射性測井曲線在形態和數值方面具有非常高的相似性。以JY1井為例，五峰組為TOC>4%的連續層段，厚度4.4 m，頂部觀音橋段厚度0.1 m，整個五峰組為涪陵頁巖氣田的①號開發小層(圖2)。五峰組上覆龍一1亞段根據TOC含量可分為上、下兩個部分，下部為TOC>4%的連續層段，厚度12.0 m，對應②～③號開發小層(圖2)；上部為TOC介于2%～4%的連續層段，厚度21.5 m，對應④～⑤號開發小層(圖2)。在沉積微相劃分上，五峰組頁巖和龍一1亞段下部為硅質深水陸棚微相，龍一1亞段上部為硅質黏土質深水陸棚微相。選取涪陵地區6口重點鉆井(JY1井、JY2井、JY4井、JY6井、JY8井、TY1井，位置如圖1所示)，開展五峰組頁巖段放射性元素特征分析，并與龍一1亞段上、下兩個部分開展對比。

圖1 四川盆地及周緣地區五峰組黑色頁巖分布(據文獻[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對比

放射性元素含量統計分析表明，涪陵地區五峰組頁巖段、龍一1亞段下部、龍一1亞段上部U含量平均值分別為11.70 ×10-6、18.41 ×10-6、10.59 ×10-6[表1、圖3(a)]，五峰組頁巖段略高于龍一1亞段上部而遠低于龍一1亞段下部。U含量的最大值也具有相同的對比特征[表1、圖3(a)]。因此，從U含量的對比來看，五峰組頁巖段的平均水深和最大水深都應具有略大于龍一1亞段上部而小于龍一1亞段下部的特征。

陳中紅等[17]利用U含量測井曲線建立了相對水深的計算公式[式(1)]，雖然式(1)計算所得并非實際水深而是相對水深，但能夠較好反映水體的變化趨勢和對比特征。本次研究也應用式(1)對涪陵地區五峰組頁巖段、龍一1亞段下部、龍一1亞段上部的相對水深進行了計算。計算結果顯示，涪陵地區3個層段的平均相對水深分別為159.39、288.69、119.40(表1)，同樣表現為五峰組頁巖段略大于龍一1亞段上部而小于龍一1亞段下部的特征。

(1)

式(1)中：D為水深函數的方差；w(U)i為i點的鈾含量；n為數據個數。

Th/U能反映沉積水體的氧化還原環境，一般水深越大，含氧量越低，還原性越強，Th/U<2一般表示強還原環境[16]。統計顯示，涪陵地區五峰組頁巖段、龍一1亞段下部、龍一1亞段上部Th/U平均值分別為1.17、0.74、1.68(表1)，均為小于2的強還原環境，數值上同樣表現為五峰組頁巖段還原性高于龍一1亞段上部，低于龍一1亞段下部的特點。

1.2 五峰組黑色頁巖沉積環境分析

U含量、計算得到的相對水深、Th/U等指標均顯示涪陵地區五峰組頁巖段具有略大于龍一1亞段上部而小于龍一1亞段下部的水深特征。但頁巖巖心實驗分析卻顯示涪陵地區五峰組頁巖段具有與龍一1亞段下部相當甚至略高的TOC和硅質礦物含量(圖2、圖4)。更高的TOC和硅質礦物含量一般代表著更大的水深，造成這種“矛盾”現象的出現，主要由涪陵地區五峰組特殊的沉積環境造成。

五峰組沉積時期，受廣西運動影響，揚子地區整體上由早期的廣海漸變為由川中古陸、黔中古陸、江南雪峰古陸三面圍限的局限滯留海盆[23-27]。古陸形成時期較晚，海拔不高，物源以先期形成的臨湘組等下伏碳酸鹽物質為主，碎屑巖物源相對較少。五峰組頁巖沉積時期，極地冰蓋規模尚小或暫無冰蓋形成，全球氣候溫暖，緯向氣候分帶不明顯，一方面沒有冰蓋融化形成的冷水，無法形成底層富含氧的冷水環流進入華南地區，同時臺地上的海盆，深度不超過200 m，即便有來自高緯度的深層水也無法進入，造成五峰組頁巖沉積時期水體溫暖并缺氧，水體中含氧最低值的深度面較其他時期高，水下還原環境空間較大[28]；另一方面，由于氣候分帶不明顯，風力和波浪運動都很小，攜帶物源能力減弱，物源供應少，加之缺乏碎屑巖物源，因此五峰組頁巖整體陸源碎屑注入量較少。五峰組頁巖段、龍一1亞段下部、龍一1亞段上部的Th含量平均值分別為11.11 ×10-6、12.55 ×10-6、16.39 ×10-6，K含量平均值分別為2.07%、2.24%、2.83%，五峰組頁巖段兩項指標的含量均低于龍一1亞段下部和龍一1亞段上部，證實了涪陵地區五峰組黑色頁巖沉積時期陸源碎屑注入量相對較少。

概括而言，涪陵地區五峰組黑色頁巖沉積時期，具有閉塞的水體條件、較強的還原環境和較少的陸源碎屑注入量，加之溫暖、濕潤的氣候條件，十分適合藻類和硅質生物的發育和保存，適合程度甚至超過了水深更大的龍一1亞段下部，從而形成了與其相當甚至略高的TOC和硅質礦物含量。

2 四川盆地五峰組黑色頁巖橫向變化 特征

2.1 放射性元素含量橫向變化特征

四川盆地五峰組頁巖的厚度、品質、礦物組成等特征在不同地區存在一定的差異性[29-31]，如涪陵、長寧、永川、威遠四個頁巖氣主要富集區，五峰組頁巖的平均TOC、硅質礦物、黏土礦物等具有不同的含量特征(圖5)。通過對各個地區典型鉆井五峰組頁巖放射性元素含量及變化特征進行分析，發現這種區域差異性同樣體現在放射性元素含量的不同及變化特征上(圖6)。

四川盆地五峰組頁巖段根據巖性可大致分為上下兩個部分，下部主要為黏土質硅質混合頁巖和硅質黏土質頁巖，上部主要為含黏土硅質頁巖和硅質巖(圖6)。部分地區存在一定特殊性，如威遠地區五峰組頁巖主要為黏土質硅質混合頁巖和黏土質灰質混合頁巖，不發育硅質含量較高的含黏土硅質頁巖和硅質巖。為了方便對比，根據黏土含量特點也將威遠地區五峰組頁巖劃分為上下兩個部分。對五峰組頁巖上下兩個部分的放射線元素進行分析，整體來看，五峰組下部黏土質硅質混合頁巖、硅質黏土質頁巖的U含量低于上部的含黏土硅質頁巖、硅質巖，而Th/U、Th和K含量則相反(圖6、圖7)。放射性元素含量由下向上的變化趨勢反映了頁巖沉積環境的總體變化為水體逐漸加深，陸源碎屑含量逐漸降低的特點。但受原始沉積古地貌及沉積期間構造活動差異性的影響，不同地區沉積環境變化趨勢存在特殊性。

A1為硅質巖；A2為含黏土硅質頁巖；A3為含灰硅質頁巖；A4為黏土質硅質頁巖；A5為灰質硅質頁巖；B1為黏土巖；B2為含灰黏土質頁巖；B3為含硅黏土質頁巖；B4為灰質黏土質頁巖；B5為硅質黏土質頁巖；C1為灰巖；C2為含硅灰巖；C3為含黏土灰巖；C4為硅質灰巖；C5為黏土質灰巖；D1為硅質黏土質混合 頁巖；D2為硅質灰質混合頁巖；D3為黏土質灰質混合頁巖圖4 涪陵地區五峰組-龍一1亞段頁巖類型 識別圖版Fig.4 Shale type identification chart of Wufeng sub member in Fuling area

圖5 四川盆地重點地區五峰組頁巖TOC、硅質、 黏土含量對比(長寧數據據文獻[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])

圖7 四川盆地重點地區五峰組頁巖放射性元素含量對比Fig.7 Comparison of radioactive element content in shale of Wufeng Formation in key areas of Sichuan Basin

五峰組頁巖下部含量對比發現，永川地區U含量最低，其次為威遠、長寧，涪陵地區含量最高[圖7(a)]，表明在沉積早期永川地區水體最淺、其次為威遠、長寧，涪陵地區水體最深。而在Th含量方面，永川地區含量最高，其次為長寧、涪陵，威遠地區含量最低[圖7(c)]；在K含量方面，永川地區最高，其次為涪陵、長寧，威遠地區含量最低[圖7(d)]；Th和K綜合來看，永川地區最高，其次為長寧、涪陵，威遠地區最低[圖7(e)]。表明該時期永川地區陸源碎屑注入量最大，其次為長寧、涪陵，威遠地區陸源碎屑注入量最少。該含量特征基本上反映了水深越大陸源碎屑注入量越少的一般規律，但較為特殊的是威遠地區，雖然U含量低于涪陵和長寧地區，但Th和K含量同樣低于這兩個地區，表明威遠地區雖然水體較淺，但陸源碎屑注入量同樣較少，與該地區頁巖黏土含量較低而碳酸鹽巖含量較高的巖性特征相符合，反映了威遠地區水體較淺、物源不多、更為封閉而適合碳酸鹽礦物發育的特殊環境特征。

進入五峰組頁巖沉積后期，U含量最低為威遠，其次為永川、涪陵，最高為長寧[圖7(a)]，表明在沉積后期威遠地區水體最淺，其次為永川、涪陵，長寧地區水體最深。從水體變化趨勢可以看出，威遠地區水體加深最少，長寧地區水體加深最大，涪陵和永川變化居中。這一變化特征揭示了五峰組頁巖后期的構造沉降運動為長寧地區最強烈，其次為涪陵和永川，威遠地區構造沉降最弱。在Th和K含量方面，均為長寧含量最高，其次為涪陵、永川，威遠含量最低[圖7(c)～圖7(e)]，表明該時期長寧地區陸源碎屑注入量最大，其次為涪陵、永川，威遠地區陸源碎屑注入量仍然最少。與五峰組早期相比，永川地區陸源碎屑注入量迅速減少，僅高于威遠地區，低于長寧和涪陵地區。

2.2 五峰組黑色頁巖沉積環境橫向變化成因分析

一般認為，水深越大的地區距離物源越遠，陸源碎屑注入量越少，五峰組頁巖早期基本符合這一規律，五峰組頁巖后期則與之不符。要解釋這一現象，可從五峰組的區域構造運動特點及其造成的古地貌形態給出一定的推斷。五峰組沉積時期，揚子地臺受華夏板塊進一步擠壓，在撓曲作用下發生古陸持續抬升、坳陷持續沉降的整體變形特征[25]。在五峰組頁巖沉積早期，四川盆地形成靠近川中古陸的永川、威遠地區水體最淺，靠近黔中古陸的長寧地區水體居中，靠近江南雪峰古陸及其影響的湘鄂西水下低隆的涪陵地區水體最深的基本古地貌特征。但不同地區距離古陸的距離有所不同，如永川和長寧地區，其距離古陸較近，且靠近古陸一側地形傾角大，易造成陸源碎屑的沉積。涪陵和威遠地區距離古陸較遠，與古陸之間地形相對平坦，陸源碎屑沉積相對較少。

五峰組頁巖沉積后期，隨著撓曲作用的進一步加強，古地貌發生了相對變化，雖然整體發生沉降，但沉降幅度不一。其中長寧地區沉降幅度最大，此時水體深度已超過涪陵地區，成為新的沉積中心。但長寧地區陸源碎屑含量也最高，表明長寧地區與古陸之間的距離進一步縮小，靠近古陸一側地形傾角變得更大。在四川盆地南側周緣地區,五峰組的下部一般發育一系列小型階梯狀斷層和小型褶皺,其上部頁巖產狀正常,研究認為其為頁巖在處于軟沉積物階段時,由于壓實差異、重力滑動或滑塌等因素引發變形而形成的同生變形構造[32]。該構造特點說明，五峰組沉積后期,受黔中古陸迅速抬升影響[24,33-34],古陸面積持續增大，陸源碎屑物源增多，川南周緣地區地形持續變陡，陸源碎屑更易進入海洋發生沉積，古地貌的變化抵消了水體加深的部分影響，造成長寧地區陸源碎屑注入量較五峰組沉積早期降低幅度較少的現象。同時處于陡坡帶已形成的軟沉積物在地形傾角增大情況下引發變形而形成同生變形構造。與此同時，盆地東側的江南雪峰古陸也發生抬升，并在川東盆緣帶與古陸之間形成了多個水下低隆[4,33]，但由于古陸距離涪陵地區相對較遠，地形傾角不大，水下低隆未出露水面形成有效物源，因此涪陵地區陸源碎屑注入量減少幅度大于長寧地區。永川地區在五峰組頁巖沉積后期水體深度大幅增加，超過了威遠地區，陸源碎屑注入量大幅減少，但仍高于威遠地區。說明永川地區的沉降幅度大于威遠地區，且靠近永川并提供物源的部分川中古陸也一并沉降至水面以下，失去物源供給能力，但總體上的物源供給能力仍稍大于威遠地區。

3 結論

(1)涪陵地區五峰組黑色頁巖段與龍一1亞段的U含量、Th/U，以及計算得到的平均相對水深，表明五峰組黑色頁巖段具有略大于龍一1亞段上部而小于龍一1亞段下部的水深特征。Th、K含量則表明五峰組黑色頁巖段具有小于龍一1亞段下部和上部陸源碎屑注入量。沉積環境分析認為，涪陵地區五峰組閉塞的水體條件、較強的還原環境和較少的陸源碎屑注入量，加之溫暖、濕潤的氣候條件，藻類和硅質生物發育和保存的適合程度超過了水深更大的龍一1亞段下部，從而形成了與其相當甚至略高的TOC和硅質礦物含量。

(2)對四川盆地重點地區五峰組頁巖段上下兩個部分的放射線元素含量進行分析與對比，整體來看，放射性元素含量由下向上的變化趨勢反映了全盆地水體逐漸加深，陸源碎屑注入量逐漸減少的沉積環境變化特征。但不同地區的變化趨勢并不完全一致。結合放射性元素、巖性、區域構造運動和微觀構造變形特征，認為五峰組沉積時期揚子地臺受到華夏板塊的進一步擠壓，在不均衡撓曲作用之下，不同地區發生差異化沉降-抬升作用，且幅度不盡相同，造成不同地區水體深度、陸源碎屑注入量不同，從而形成五峰組黑色頁巖空間上和時間上的演化差異。