沉积学报  2018, Vol. 36 Issue (4): 743−755

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陈科洛, 张廷山, 梁兴, 张朝, 王高成
CHEN KeLuo, ZHANG TingShan, LIANG Xing, ZHANG Zhao, WANG GaoCheng
滇黔北坳陷五峰组—龙马溪组下段页岩岩相与沉积环境
Analysis of Shale Lithofacies and Sedimentary Environment on Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei Depression
沉积学报, 2018, 36(4): 743-755
ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2018, 36(4): 743-755
10.14027/j.issn.1000-0550.2018.066

文章历史

收稿日期:2017-08-07
收修改稿日期: 2017-10-12
滇黔北坳陷五峰组—龙马溪组下段页岩岩相与沉积环境
陈科洛1,2, 张廷山1,2, 梁兴3, 张朝3, 王高成3     
1. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学, 成都 610500;
2. 西南石油大学地球科学与技术学院, 成都 610500;
3. 中国石油浙江油田公司, 杭州 310023
摘要: 滇黔北坳陷为南方海相地层的有利研究区域,发育多套海相页岩。上奥陶统五峰组与下志留统龙马溪组地层,尤其是五峰组—龙马溪组下段页岩作为优质烃源岩而备受重视。通过岩芯观察、薄片鉴定、X衍射分析及微量元素地球化学指标判识,对其进行页岩岩相划分与沉积环境分析。结果显示:滇黔北坳陷五峰组—龙马溪组下段地层共划分出六种页岩岩相:硅质页岩、黏土质页岩、钙质页岩、黏土质硅质混合页岩、黏土质钙质混合页岩、钙质硅质混合页岩,其中硅质页岩和黏土质页岩的TOC含量明显高于其余四种岩相。V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co和U/Th指标指示五峰组—龙马溪组下段总体处于低能、滞留、局限条件,与深水陆棚环境匹配,Mo元素含量与四川盆地均值相当。五峰早期与龙马溪早期海侵的发生形成了以深水陆棚占主导的沉积格局,低能、滞留、局限的厌氧环境与快速海侵是有机质富集与保存的重要条件。
关键词滇黔北坳陷     五峰组-龙马溪组下段     页岩岩相     沉积环境     厌氧条件    
Analysis of Shale Lithofacies and Sedimentary Environment on Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei Depression
CHEN KeLuo1,2, ZHANG TingShan1,2, LIANG Xing3, ZHANG Zhao3, WANG GaoCheng3     
1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
2. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
3. PetroChina Zhejiang Oilfield Company, Hangzhou 310023, China
Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41772150
Abstract: Multiple sets of marine shales sediment in the Dianqianbei depression lead to a meaningful study area for marine stratum in southern China. The Upper Ordovician Wufeng Formation and Lower Silurian Longmaxi Formation, especially the Wufeng-Lower Longmaxi Formation considered as high-quality source rock has been raised much attention. We classified the shale lithofacies and analyzed the environment by cores observation, thin section identification, XRD and geochemical indicators of trace elements. Six types of shale lithofacies are classified, including siliceous shale, clayey shale, calcareous shale, clayey and siliceous shale, clayey and calcareous shale, calcareous and siliceous shale. Among the six types of shale lithofacies, TOC are richer in the siliceous shale and clayey shale than other four types. V/(V+Ni), V/Cr, Ni/Co and U/Th show Wufeng-Lower Longmaxi Formation sediments in the conditions of low energy, sluggish water flow and constrained sea water, which matches deep shelf. Mo content in Dianqianbei depression is near to the content in Sichuan Basin. Transgressions happen in early stage of Wufeng and Longmaxi, which lead deep shelf plays a vital role in the sedimentary environments. Anaerobic environment of low energy, sluggish water flow, constrained water condition and rapid transgression are essential in the richness and preservation of organic matter.
Key words: Dianqianbei depression     Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation     shale lithofacies     sedimentary environment     anaerobic condition    
0 引言

近年来,非常规油气的勘探和开发日益受到重视,而非常规油气中的页岩气因其勘探潜力巨大作为上扬子地区的主要攻关方向。中国有机质页岩类型多样,主要包括陆相、海陆过渡相和海相三种类型[1-5]。海相页岩中上奥陶统五峰组与下志留统龙马溪组作为上扬子地区的有利层位,已有不少学者对其进行了微观孔隙特征及发育控制因素、地球化学特征等方面的探讨[6-9]。张春明等[10]对川东南—黔北地区龙马溪组沉积微相进行研究后识别出泥质深水陆棚、砂泥质浅水陆棚、泥质浅水陆棚、砂质浅水陆棚、灰泥质浅水陆棚、灰质浅水陆棚、浊流沉积、台地边缘浅滩—生物礁浊流等八种沉积类型,泥质深水陆棚为烃源岩形成的主要沉积环境。金之钧等[11]提出有机质孔作为页岩气富集的主要储渗空间,高硅质含量具有较好的可压性,高压力系数指出页岩气具有较高程度的富集。邹才能等[12]将四川盆地及周缘地区五峰组—龙马溪组与美国Fort Worth盆地Barnett页岩进行了对比,发现在有效厚度、有机质丰度上具有一定的相似性,有机质类型为I型干酪根,热演化程度已达到高成熟—过成熟阶段。

页岩岩相与沉积环境是研究页岩气的两大基本要素。不同页岩岩相的矿物组成、有机质丰度、古生物种属等存在较大差异,同时岩相作为沉积环境的重要物质表现,可以反映沉积环境特征并对沉积模式的建立、页岩气评价及有利区域的识别与划分起到重要作用。

1 地质背景

早奥陶世晚期到志留纪早期,由于华夏板块与扬子板块之间板块相互挤压产生汇聚作用,上扬子地台整体处于挤压应力环境,克拉通边缘受挤压普遍抬升,整体成为受限的沉积格局。受构造挤压及等效海侵的影响,上扬子地台晚奥陶世五峰组沉积了一套富含有机质的黑色、暗色笔石相页岩,分布广泛,厚度范围为几米到几十米[10-11]。受冈瓦纳古陆冰期的影响,五峰组顶部为一套介壳泥灰岩、灰质泥岩,厚度普遍为几十厘米,称为观音桥段[13]。早志留世龙马溪组沉积期,在扬子克拉通上,构造—古地理表现为形成古隆起的高峰阶段,隆起边缘主要发育潮坪—浅水陆棚、深水陆棚环境。按垂向沉积特征,龙马溪组可以分为上下两段:下段于龙马溪早期沉积,以黑色硅质、碳质页岩和灰黑色钙质泥岩组合为主,上段沉积于龙马溪晚期,以灰绿、黄绿色泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩组合为主[10]。滇黔北地区区域构造上属于扬子地块构造域西南缘滇黔北坳陷[14],中部为威信凹陷,北望四川盆地,西临昭通凹陷,南毗滇东—黔中隆起区域[15](图 1),其五峰组—龙马溪组下段地层连续沉积并富含有机质,为本次研究的目的层段。

图 1 滇黔北坳陷构造位置图(A)及上扬子地区构造位置图(B)(图A据舒兵等,2016,有修改;图B据徐政语等,2016,有修改) Figure 1 Location of Dianqianbei depression(A) and structure outline map of upper Yangtze area(B)(Figure(A) is after Shu, et al., 2016; Figure (B) is after Xu, et al., 2016)

Chen et al.[16]建立了华南上奥陶统—下志留统(兰多维列统)底部生物地层系统的笔石带划分原则,后来为便于学者间交流,又建立了相应的笔石带代码[17]。伍坤宇等[18]据陈旭等提出的笔石带划分原则并通过笔石、腕足类生物化石鉴定种属,建立了Y9井五峰组—龙马溪组下段生物化石地层延限图并发现:五峰组底部化石稀少且未发现化石带种,顶部的观音桥段地层以赫南特腕足动物群化石的首现和消失作为分带标志,划分出HF(赫南特动物群)带。龙马溪组下段从下到上分别处于N. perculptus带、A. ascensus带和P. acuminatus带。底部在N. perculptus带虽未发现标准化石N. perculptus,但雕笔石属的Glyptograptus cf. VenustusN. perculptus带具有相关性[19],因此研究区以Glyptograptus cf. VenustusGlyptograptus lungmaensis的首现作为N. perculptus带与下伏HF带的分界标志,同时此界线也是五峰组与龙马溪组的界线。N. perculptus带之上的A. ascensus带以标准的带化石A. ascensus首现为开始,并以该化石的消失和P. acuminatus的首现为该带结束的标志,该带产出的笔石化石丰富,且种类分异度较高。最上部的P. acuminatus带以带化石P. acuminatus首现层位为底界,该带内未鉴定出其上覆笔石带有关联的弓笔石属的任何分支种类,无法确定其上界[18](图 2)。

图 2 滇黔北坳陷Y9井五峰组—龙马溪组下段笔石及腕足类生物化石地层延限图(据伍坤宇等,2016,有修改;笔石带代码据陈旭等,2015) Figure 2 Kinds and distribution of Graptolites and Brachiopods fossils of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation of Y9 well in Dianqianbei depression(after Wu, et al., 2016; Graptolite code is after Chen, et al., 2015)
2 页岩岩相基本特征

与常规源储分离的碎屑岩相比,页岩通常为源储一体的细粒碎屑沉积,以富含黏土、有机质、发育层状页理为特征,其岩相的地质特征体现在沉积岩石学、古生物学、元素地球化学等方面。不同环境下的单一岩相往往具有不同的地质响应,不同岩相类型与岩相组合在矿物组成、有机质含量、古生物化石、测井响应等方面也显示出差异性。页岩气的“甜点区”往往发育特定的岩相类型与岩相组合。另外,具有相同或相似岩石学特征的页岩可以形成于不同沉积环境体系中,但有机质含量、古生物化石、测井响应、微量元素指标等会在不同环境中有较大差异,因此,页岩岩相的合理划分及不同岩相的精细描述是页岩岩相表征的关键所在[20]

2.1 岩相划分方案

受资料掌握情况限制,国内外对岩相的划分具有各自不同的标准[21-24]。笔者认为,页岩岩相的划分,应针对特定的沉积环境,反映古水深、水动力与水化学条件、物源供给、古地貌等环境要素和地层典型的岩石类型与岩石组合。

页岩地层中黏土矿物的大量出现通常指示沉积时期相对深水的弱水动力条件,石英、长石等碎屑矿物的含量对分析陆源碎屑的输入起到一定的指示意义,而沉积时期碳酸盐矿物的发育又往往意味着水体钙离子与碳酸根离子浓度较大并与相对浅水环境存在密切联系。因此,以石英+长石、方解石+白云石、黏土作为三端元组分的划分方法能够较好地反映页岩地层中不同矿物类型及其比重关系,能够代表有利的岩石类型及其组合并能从侧面较为直观地反映沉积水体条件从而对五峰组—龙马溪组下段地层分析具有良好的指导意义[20](表 1)。

表 1 海相页岩岩相划分方案(据王玉满等,2016[20]) Table 1 Classification of marine shale lithofacies (after Wang, et al., 2016[20])
岩相类型 矿物组分质量分数%
石英+长石 方解石+白云石 黏土
混合页岩相 硅质页岩相 50~75 < 30 10~50
黏土质页岩相 25~50 < 30 50~75
钙质页岩相 < 30 50~75 25~50
黏土质硅质混合页岩相 30~50 < 33 30~50
黏土质钙质混合页岩相 < 33 30~50 30~50
钙质硅质混合页岩相 30~50 30~50 < 33

依据滇黔北坳陷三口取芯井共50个全岩XRD资料点(Y9井16个、Y6井19个、Z4井15个)的分布特征,建立了研究区五峰组—龙马溪组下段页岩岩相划分图(图 3)。

图 3 滇黔北坳陷五峰组—龙马溪组下段页岩岩相划分(图(A)据王玉满等,2016) Figure 3 Lithofacies classification of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression (Figure (A) is after Wang, et al., 2016)

在X衍射分析基础上,结合区域地质资料并对滇黔北坳陷5口井进行岩芯观察和薄片鉴定,共划分出硅质页岩、黏土质页岩、钙质页岩、黏土质硅质混合页岩、黏土质钙质混合页岩、钙质硅质混合页岩六种岩相。

2.2 页岩岩相类型 2.2.1 硅质页岩

呈灰黑色或黑色,滴酸不起泡。主要由石英、有机质、黏土矿物和微晶方解石与白云石组成,局部可见黄铁矿(图 4a),发育水平层理(图 4b),可见笔石(图 4c)和放射虫化石。石英+长石含量介于50%~75%,方解石+白云石含量一般小于30%,黏土矿物含量介于10%~50%,纹理发育,暗色有机质(含碳质)分布较均匀,与黏土矿物混合,形成暗色纹层。局部可见碎屑颗粒呈条带状顺层富集,以石英碎屑为主,白云母碎屑次之,局部可见少量次圆状碳酸盐岩屑,形成浅色细纹层。石英粒径为5~30 μm,表面光洁明亮,分选较好,磨圆呈次棱角—次圆状。黄铁矿粒径相对较大,可达15~30 mm。有机质丰富,以分散状分布于黏土矿物和颗粒之间,局部呈层状(图 5a),TOC含量介于1.36%~6.27%,平均值为4.06%。

图 4 滇黔北坳陷五峰组—龙马溪组下段岩芯照片 a.硅质页岩,可见黄铁矿结核,Y9井,五峰组,2 204.26 m;b.硅质页岩,发育水平层理,Y9井,龙马溪组,2 186.59 m;c.硅质页岩,可见笔石化石,Y9井,五峰组,2 202.72 m;d.黏土质页岩,含大量碳质有机质,Y9井,五峰组,2 205.50 m;e.黏土质页岩,见笔石化石,Y9井,龙马溪组,2 196.07 m;f.黏土质钙质混合页岩,呈灰色,发育水平层理,Z4井,龙马溪组,2 027.05~2 028.37 m;g.黏土质钙质混合页岩,呈深灰色,发育水平层理,Z4井,龙马溪组,2 029.48~2 029.77 m;h.钙质硅质混合页岩,灰黑色泥岩与深灰色灰质泥岩、泥灰岩呈不等厚薄互层,Y6井,龙马溪组,1 197.54~1 205.80 m Figure 4 Core pictures of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression
图 5 滇黔北坳陷五峰组—龙马溪组下段镜下照片 a.硅质页岩,石英呈条带状顺层富集,Y8井,五峰组,2 513.04 m;b.黏土质页岩,富含暗色有机质,见裂缝,缝内为石英充填,Y8井,龙马溪组,2 507.96 m;c.黏土质页岩,暗色有机质呈斑点状分布,Y9井,龙马溪组,2 178.28 m;d.钙质页岩,粉—细晶方解石和白云石呈分散状分布于有机质和黏土矿物之间,Y9井,龙马溪组,2 199.80 m;e.黏土质硅质混合页岩,黏土矿物与有机质混合,石英呈条带状顺层富集,Y9井,龙马溪组,2 163.07 m;f.黏土质钙质混合页岩,粉晶方解石和白云石呈分散状或条带状富集,C1井,龙马溪组,1 788.11 m;g.黏土质钙质混合页岩,暗色有机质和黏土矿物丰富,见介壳化石,Y9井,五峰组,2 205.21 m;h.钙质硅质混合页岩,粉晶方解石、白云石和石英呈分散状分布于黏土矿物和有机质之间,Y9井,龙马溪组,2 164.08 m;i.钙质硅质混合页岩,石英、粉晶方解石和白云石呈分散状分布,见裂缝,裂缝内被石英充填,Y9井,龙马溪组,2 168.01 m Figure 5 Microscope pictures of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression

该类页岩主要分布于滇黔北坳陷北部和东北部地区,富含硅质和有机质,微细沉积构造发育表明沉积水动力较弱,属于海水弱分层的缺氧、还原环境,为深水陆棚沉积。

2.2.2 黏土质页岩

呈黑色,滴酸不起泡,致密坚硬。主要由黏土矿物、有机质(含碳质)(图 4d)和石英组成,多为块状构造和均质层理,偶见水平纹层,单层厚度多小于100 μm,笔石化石发育(图 4e)。石英+长石含量介于25%~50%,方解石+白云石含量不足30%,黏土矿物含量介于50%~75%(伊利石含量占72%~85%,绿泥石含量占15%~28%)。石英表面光洁明亮,分选较好,磨圆呈次棱角—次圆状。局部可见长条状顺层裂缝,缝内为脉状石英充填(图 5b)。暗色有机质(含碳质)丰富,分布较均匀,多与黏土矿物混合,或呈长条状顺层排列,亦或呈斑点状分布(图 5c),TOC含量介于1.75%~6.15%,平均值为3.23%。

该类页岩主要分布于滇黔北坳陷北部和东北部地区,富含黏土矿物和有机质,与硅质页岩相比,石英含量明显减少,但同样缺乏生物扰动构造和微细层理的发育同样指示弱水动力沉积、缺氧、还原环境,为深水陆棚沉积。

2.2.3 钙质页岩

呈黑色或灰黑色,滴酸微弱起泡,致密坚硬,以钙质胶结为主且胶结程度良好,偶见裂缝发育。主要由粉—细晶方解石、细晶白云石、黏土矿物、有机质与少量石英组成(图 5d)。石英+长石含量小于33%,方解石+白云石含量介于50%~75%,黏土矿物含量为25%~50%(伊利石含量占73%~81%,绿泥石含量占19%~27%)。方解石和白云石呈分散状分布于黏土矿物和有机质之间,分选中等,磨圆呈次棱角—次圆状。有机质呈分散状或不规则线状与黏土矿物混合,TOC含量介于0.85%~2.03%,平均值为1.34%。

该类页岩主要分布于滇黔北坳陷北部和西部地区,黏土矿物和有机质含量与硅质页岩、黏土质页岩相比明显偏低,属于弱氧化—弱还原条件与相对浅水、较强水动力环境,为浅水陆棚沉积。

2.2.4 黏土质硅质混合页岩

呈黑色,滴酸不起泡,致密坚硬,以硅质胶结为主且胶结程度良好。主要由石英、黏土矿物和有机质组成,水平纹层发育,单层厚度约10~30 μm(图 5e)。石英+长石含量介于30%~50%,方解石+白云石含量小于33%,黏土矿物含量介于30%~50%(伊利石含量占90%以上,绿泥石含量小于10%)。黏土矿物分布较均匀,主要呈分散状,或与暗色有机质(含炭屑)混合,形成暗色纹层。石英呈条带状顺层富集,局部可见少量次圆状碳酸盐岩屑和白云母碎屑,形成浅色细纹层。石英颗粒表面光洁明亮,分选较好,磨圆呈次棱角—次圆状,粒径为5~30 μm。有机质较丰富,TOC值介于1.68%~6.21%,平均值为2.71%。

该类页岩主要分布在滇黔北坳陷北部和东北部地区,为黏土质页岩和硅质页岩的过渡类型,属于混合页岩相。有机质较为丰富,为深水陆棚沉积。

2.2.5 黏土质钙质混合页岩

呈灰色或深灰色(图 4fg),滴酸极微弱起泡,致密坚硬,以钙质胶结为主且胶结程度良好(图 5f)。主要由黏土矿物、有机质、粉晶方解石与白云石和少量石英组成,发育水平层理,具泥质结构,局部可见介壳化石(图 5g)。石英+长石含量小于30%,方解石+白云石含量介于30%~50%,黏土矿物含量介于30%~50%(伊利石含量占76%~87%,绿泥石含量占13%~24%)。方解石和白云石部分呈分散状分布于黏土矿物和有机质之间,部分充填于裂缝之中,分选较好,磨圆为次棱角—次圆状。有机质较丰富,主要呈分散状分布于黏土矿物和颗粒之间,TOC含量介于0.28%~5.90%,平均值为1.79%。

该类页岩主要分布于滇黔北坳陷北部地区,为黏土质页岩和钙质页岩的过渡类型,属于混合页岩相,有机质含量介于黏土质页岩和钙质页岩之间,为浅水陆棚和深水陆棚过渡沉积。

2.2.6 钙质硅质混合页岩

呈深灰色或灰黑色,滴酸极微弱起泡,以钙质、硅质胶结为主且胶结良好,裂缝发育,岩芯上局部可见灰黑色泥岩与深灰色灰质泥岩、泥灰岩呈不等厚薄互层(图 4h)。主要由石英、粉晶方解石与白云石、有机质和少量黏土矿物组成。石英+长石含量介于30%~50%,方解石+白云石含量介于30%~50%,黏土矿物含量小于33%(伊利石含量大于90%,绿泥石含量小于10%)。石英、方解石和白云石主要呈分散状分布于有机质中(图 5h),局部充填于裂缝中(图 5i),分选较差,磨圆呈次棱角状。有机质呈线状或球粒状分散分布,TOC含量介于0.28%~5.90%,平均值为1.85%。

该类页岩主要分布于滇黔北坳陷北部地区,为钙质页岩和硅质页岩的过渡类型,属于混合页岩相,有机质含量介于钙质页岩和硅质页岩之间,为浅水陆棚和深水陆棚过渡沉积。

3 沉积环境

生物地层学的方法是奥陶系与志留系解决黑色页岩井下地层划分与对比最为有效的手段之一[17]。不同的水下条件往往发育不同的生物组合,而生物化石的保存、岩相类型与水下环境密不可分,因此岩相与生物带的匹配关系对沉积环境分析会起到指导性作用。

研究区五峰组地层厚度较薄,底部D.complexus带、P.pacificus带、N.extraodinarius带岩相以黏土质页岩、硅质页岩、黏土质钙质混合页岩三者组合为特征,反映深水陆棚环境;顶部观音桥段HF(赫南特动物群)带主要发育钙质页岩相,与浅水陆棚环境匹配;龙马溪组下段整体以硅质页岩和黏土质页岩为主要岩相,钙质页岩、黏土质硅质混合页岩、黏土质钙质混合页岩、钙质硅质混合页岩为次要岩相,其中N. perculptus带以钙质页岩、黏土质钙质混合页岩二者组合为特征;A. ascensus带主要发育黏土质页岩相;P. acuminatus带以硅质页岩和黏土质页岩连续分布,黏土质钙质混合页岩、黏土质硅质混合页岩、钙质硅质混合页岩三者组合为特征,与深水陆棚环境匹配(表 2)。

表 2 岩相与生物带纵向匹配关系 Table 2 Corresponding relationship between lithofacies and fossil zones
层位 沉积环境 生物带 主要岩相类型 备注
龙马溪组下段 深水陆棚 P.acuminatus 黏土质钙质混合页岩 N.persculptus带、A.ascensus带、P.acuminatus带与陈旭(2015)提出的笔石带代码LM1、LM2、LM3分别对应
黏土质硅质混合页岩
钙质硅质混合页岩
硅质页岩
黏土质页岩
A.ascensus 黏土质页岩
N.persculptus 钙质页岩
黏土质钙质混合页岩
五峰组 浅水陆棚 HF 钙质页岩 D.complexus带、P.pacificus带、N.extraodinarius带与陈旭(2015)提出的笔石带代码WF2、WF3、WF4分别对应
深水陆棚 N.extraodinarius 黏土质页岩
P.pacificus 硅质页岩
D.complexus 黏土质钙质混合页岩
3.1 氧化还原条件

高丰度有机质页岩的形成取决于有机质生成条件和保存环境。地球化学示踪是追溯岩相与古环境的有利手段,其中微量元素指标已被广泛用于沉积环境分析,如Mo元素为氧化还原敏感元素[25-26],V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co和U/Th可以作为沉积古环境的判别标志[27-28],V/(V+Ni)>0.50、V/Cr>4.25、Ni/Co>7.00、U/Th>1.25指示厌氧沉积环境;0.45 < V/(V+Ni) < 0.60、2.00 < V/Cr < 4.25、5.00 < Ni/Co < 7.00、0.75 < U/Th < 1.25指示贫氧沉积环境;V/(V+Ni) < 0.45、V/Cr < 2.00、Ni/Co < 5.00、U/Th < 0.75指示常氧或富氧沉积环境[10]。为了深入探讨滇黔北坳陷五峰组—龙马溪组下段沉积氧化还原条件,以Y9井作为典型,选取V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co、U/Th和Mo五个参数作为氧化还原条件判识指标(表 3图 6)。

表 3 Y9井五峰组—龙马溪组下段微量元素含量 Table 3 Trace elements contents of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation on Well Y9
编号 深度/m V/×10-6 Cr/×10-6 Co/×10-6 Ni/×10-6 Mo/×10-6 Th/×10-6 U/×10-6 V/(V+Ni) V/Cr Ni/Co U/Th
Y9-01 2 160.02 91.9 23.2 4.4 29.2 27.2 10.5 15.1 0.76 3.96 6.64 1.44
Y9-02 2 163.58 157.6 33.8 6.8 66 28.6 8.4 14.3 0.7 4.66 9.71 1.7
Y9-03 2 166.51 166.4 34.1 7.9 70.2 30.1 11.7 17.4 0.7 4.88 8.89 1.49
Y9-04 2 169.42 179 38.3 8.2 76.3 33.4 14.7 20.7 0.7 4.67 9.3 1.41
Y9-05 2 172.24 158 48.7 6.2 58.7 21.3 10.4 18.2 0.73 3.24 9.47 1.75
Y9-06 2 175.24 144.9 31.8 8.3 56.4 21.9 9.8 23.6 0.72 4.56 6.8 2.41
Y9-07 2 178.29 171.1 30.2 15.7 135.7 33.7 11.1 24.2 0.56 5.67 8.64 2.18
Y9-08 2 182.04 165.4 36.8 7.6 78.9 22.2 12.2 21.6 0.68 4.49 10.38 1.77
Y9-09 2 183.99 177.3 39.9 9.8 83.8 24.8 9.5 17.6 0.68 4.44 8.55 1.85
Y9-10 2 190.12 160.8 22.5 8.7 82.2 25 16.7 22.3 0.66 7.15 9.45 1.34
Y9-11 2 193.24 114.8 26.2 5.8 54.5 27.2 13.5 20.4 0.68 4.38 9.4 1.51
Y9-12 2 195.94 192.1 31.1 11.7 85.7 30.4 17.5 32.8 0.69 6.18 7.32 1.87
Y9-13 2 199.95 214.5 69.4 18 132.9 39.5 19.2 36.3 0.62 3.09 7.38 1.89
Y9-14 2 200.99 166.5 98.3 58.2 226.5 16.2 32.6 18.9 0.42 1.69 3.89 0.58
Y9-15 2 201.51 123.6 65.4 49.6 196.6 18.9 24.3 12.6 0.39 1.89 3.96 0.52
Y9-16 2 202.39 251.5 61.6 18.1 126 30.4 8.3 14.7 0.67 4.08 6.96 1.77
Y9-17 2 203.42 146.8 37.2 8.6 91.5 19.5 16.2 19.8 0.62 3.95 10.64 1.22
Y9-18 2 204.11 243.7 49.1 18.3 123.4 24.3 14.6 25.3 0.66 4.96 6.74 1.73
Y9-19 2 205.44 154.8 27.4 22.1 136.3 32.3 17.4 25.9 0.53 5.65 6.17 1.49
图 6 Y9井五峰组—龙马溪组下段氧化还原指标与岩相分布 Figure 6 Oxidation and reduction indexes and distribution of lithofacies in Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation on Well Y9

研究发现:Y9井V/(V+Ni)介于0.39~0.76,平均值为0.64;V/Cr介于1.69~7.15,平均值为4.40;Ni/Co介于3.89~10.38,平均值为7.91;U/Th介于0.52~2.41,平均值为1.57(表 3),其中Ni-Co、U-Th之间存在较为良好的线性相关性,V-Ni、V-Cr线性相关性较差,微量元素指标丰度大小关系大致为:V>Ni>Cr>Mo>U>Th>Co。五峰组—龙马溪组下段地层总体沉积于低能、滞留、局限的厌氧环境,平均水体溶氧量 < 0.1 mL/L(表 4),与深水陆棚环境匹配。由于赫南特期古海洋发生了剧烈动荡[18],Mo、V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co和U/Th指标数值在观音桥段明显降低。

表 4 缺氧与富氧环境微量元素判别指标(判别标准据张春明,2012) Table 4 Identification indexes about anoxic and oxygen-rich environment(the criterion is after Zhang, 2012)
判别指标 缺氧环境 富氧环境 Y9井五峰组—龙马溪组下段
厌氧 贫氧
水体溶氧量 < 0.1 mL/L 0.1~1 mL/L > 1 mL/L < 0.1 mL/L
古地理 低能、滞留、局限 上升流区 高能、循环 低能、滞留、局限
过渡金属 V/(V+Ni) > 0.50 0.45~0.60 < 0.45 0.64
V/Cr > 4.25 2.00~4.25 < 2.00 4.40
Ni/Co > 7.00 5.00~7.00 < 5.00 7.91
U/Th > 1.25 0.75~1.25 < 0.75 1.57

Mo是现代海水中含量最高的过渡金属元素,在缺氧环境中,MoS42-转变成MoS2沉淀或以固溶体形式进入黄铁矿使Mo富集,所以Mo被认为是判识缺氧环境的有利指标[29-30]。Y9井Mo元素含量介于(16.2~ 39.5) ×10-6,平均值为26.7 ×10-6,与四川盆地五峰组—龙马溪组下段均值(33.8 ×10-6)相当[31],判别结果与V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co和U/Th一致。

3.2 沉积模式

中奥陶世以后,由于加里东运动的影响,上扬子地区古地理格局表现为隆起区的扩大,海平面相对上升。晚奥陶世时期,雪峰隆起、川中隆起、黔中隆起已经出露海平面,上扬子地块成为局限海盆,形成大面积缺氧、低能、欠补偿环境[32]。到早志留世,古隆起进入发育的高峰期,陆地边缘被高度挤压,造山运动强烈,黔中隆起范围不断扩大,与川中隆起、武陵隆起、雪峰隆起及苗岭隆起基本相连,形成了滇黔桂地区最大的隆起带,海域逐渐缩小变浅,沉积分异作用加剧,总体形成了五峰组—龙马溪组地层细粒碎屑沉积[10]

在区域上,华南海成为褶皱带,产生强烈的向北西方向挤压作用,华夏古陆急剧扩大,并与康滇古陆、滇黔桂古陆连成一片形成面积巨大的江南古陆,构成研究区晚奥陶世—早志留世沉积充填的主要物源区,也是滇黔北地区差异升降、沉积相分异的原因[33]

五峰早期快速海侵的发生[13],使研究区大面积处于深水陆棚环境;晚期短暂的海退,海平面位置相对较低,形成局部地区观音桥段浅水介壳泥灰岩沉积。龙马溪早期,黔中隆起持续隆升,古气候阶段由冰期过渡为间冰期,冈瓦纳冰盖融化、海平面急速上升,总体形成五峰期—龙马溪早期黔中隆起、潮坪、浅水陆棚、深水陆棚由南向北呈环带状分布并以深水陆棚占主导的沉积格局。浅水陆棚为平均海平面以下、风暴浪基面以上区域,处于常氧—贫氧环境,隆起带为水下古地貌凸起区域,以机械沉积作用为主,沉积产物主要为泥质砂岩和砂质泥岩;向海延伸区以化学、生物沉积作用为主,沉积产物主要为页岩、硅质页岩及钙质页岩,其中钙质页岩、钙质硅质混合页岩、黏土质钙质混合页岩为主要岩相。深水陆棚为风暴浪基面以下区域,处于厌氧环境,以机械、生物沉积作用为主,沉积产物主要为页岩和硅质页岩,其中黏土质页岩与硅质页岩为主要岩相,局部发育黏土质硅质混合页岩相(图 7)。

图 7 滇黔北坳陷五峰组—龙马溪组下段沉积模式 Figure 7 The sedimentary pattern of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression
4 岩相与沉积环境对页岩气富存的影响 4.1 岩相对页岩气富存的影响

不同岩相往往具有不同的矿物组成、古生物种属与有机质含量。页岩有机质往往大量吸附于黏土矿物表面[34],也可以赋存于原生方解石、白云母的解理缝中[35]。王志峰等[21]指出五峰组—龙马溪组页岩TOC含量与岩相类型存在一定的对应关系。李延钧等[36]依据有机质含量的划分标准对四川盆地南部龙马溪组岩石类型与矿物组分进行了分类统计并提出TOC含量大于4.0%的页岩主要为碳质硅质页岩与含粉砂(含钙)碳质页岩。牟传龙等[37]提出黑色页岩随陆源碎屑、碳酸盐矿物含量的增加,TOC含量随之下降。

滇黔北坳陷五峰组—龙马溪组下段TOC含量最高的代表性岩相为黏土质页岩和硅质页岩。黏土质页岩富含大量黏土矿物,而黏土矿物对甲烷气体具有较强的吸附能力以及矿物间有机质孔隙的发育为页岩气富集提供了有利的场所。古生代硅质页岩主要存在两种成因:一为陆源碎屑成因,是指富含石英、长石等矿物的松散沉积物由物源搬运至水下沉积形成的一类页岩,往往TOC含量较低;二为生物成因,是指微生物活动参与沉积、成岩建造所形成的富含硅质成分的一类页岩。赵建华等[31]指出页岩中生物成因的矿物主要来自生活在透光带的浮游生物与海底的底栖生物,在古生代浮游生物形成的壳体往往富含硅质成分,硅质页岩中的微晶石英可能是硅质生物在成岩过程中转化的产物,往往TOC含量较高。研究区硅质页岩发育放射虫等生物化石与高有机质丰度的特点指示其应属于生物成因并在快速海侵的作用下形成于深水环境,高TOC含量为页岩气的形成与富集创造了有利的先决条件。

4.2 沉积环境对页岩气富存的影响

沉积环境是页岩岩相发育与有机质生成和保存的场所,不同沉积环境往往具有不同的有机质丰度并发育不同的岩相类型与岩相组合。

低能、滞留、局限的缺氧环境是有机质富集和保存的重要场所。付小东等[38]指出欠补偿的深水盆地、深水陆棚、台内凹陷等沉积环境是海相优质烃源岩形成的有利场所,同时由于较少受到陆源碎屑的影响,水体相对较深,表层生物的大量繁殖易于形成硅质页岩或钙质页岩,二者富含脆性矿物,有利于页岩进行水力压裂。有机质由植物光合作用产生,在常氧条件下易被氧化分解而难以保存。研究区五峰组—龙马溪组下段以深水陆棚环境占主导并处于厌氧条件,有机质形成时水体较为平静,少或无底栖生物扰动,大部分有机质得以保留。李双建等[39]提出TOC含量是缺氧条件识别的有利指标,川南及邻区纵向上由下往上显示出逐渐降低的趋势,平面上由盆地中心向隆起区亦逐渐减少,二者较为直观地说明水体还原缺氧环境是有机质保存的重要条件。

快速海侵对有机质保存起到了重要作用。肖开华等[40]指出海侵初期对陆源碎屑的注入起到一定程度的抑制作用。五峰早期与龙马溪早期快速海侵的发生使海平面处于高位并以大面积厌氧的深水陆棚环境为主。同时高丰度黑色页岩主要形成于海侵早期而不是海侵最高位,海侵后期由于海水循环,深层海水和表层海水的长时间混合将表层的氧气带入深水,同时随着陆源碎屑的输入,厌氧环境遭到一定程度的破坏,有机质保存条件变差[38]。低丰度有机质页岩往往欠发育有机质孔隙,不利于页岩气的形成与富集。

5 结论

(1) 根据矿物组成及含量分析,识别出硅质页岩、黏土质页岩、钙质页岩、黏土质硅质混合页岩、黏土质钙质混合页岩、钙质硅质混合页岩六种岩相。硅质页岩与黏土质页岩TOC含量明显高于其余四种岩相。

(2) 综合各项氧化还原指标表明:五峰期—龙马溪早期深水陆棚处于低能、滞留、局限的厌氧条件。Ni-Co、U-Th之间存在较为良好的线性相关性,V-Ni、V-Cr线性相关性较差,Mo元素含量与四川盆地五峰组—龙马溪组下段均值相当。

(3) 滇黔北坳陷五峰组—龙马溪组下段沉积整体处于被滇黔桂隆起带所围限的局限海域,形成黔中隆起、潮坪、浅水陆棚、深水陆棚整体由南向北呈环带状分布的格局。五峰早期和龙马溪早期快速海侵的发生,使深水陆棚成为五峰组—龙马溪组下段的主要沉积环境。

(4) 黏土质页岩和硅质页岩是研究区有机质丰度最高的两种代表性岩相。黏土质页岩中大量的黏土矿物对甲烷气体具有较强的吸附能力以及矿物间有机质孔隙的发育为页岩气富集提供了有利的场所。生物成因的硅质在快速海侵的作用下形成于深水环境,陆源碎屑输入少,高TOC含量为页岩气的形成与富集创造了有利的先决条件。

(5) 不同的沉积环境往往发育不同的岩相类型与岩相组合。低能、滞留、局限的缺氧环境是有机质富集和保存的重要场所,快速海侵对有机质保存起到了重要作用。

致谢: 感谢审稿专家对本文提出的宝贵意见,李季林博士在写作中给予的指导与帮助。
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