上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质页岩是我国页岩气勘探开发的主要层系^[1-4]，其中四川盆地的长宁、威远和焦石坝区块已经实现了商业化开发，2016年产量达到78×10⁸ m³。该套富有机质页岩的厚度20~80 m^[5]，主要分布在四川盆地及周缘地区，在威远—长宁地区^[6]、焦石坝—巫溪地区^[7-9]存在两个沉积厚度中心，富有机质页岩厚度普遍超过40 m，为页岩气的生成奠定了基础。

然而，笔者通过近几年的研究发现，四川盆地不同区域富有机质页岩不仅在沉积厚度上存在差异，在沉积时间上亦存在明显差异。本文通过对四川盆地及周缘重点钻井及剖面开展系统的笔石生物地层划分，结合页岩层段地化及矿物分析，明确了不同地区富有机质页岩的沉积时间及其岩相变化特征，并建立了四川盆地不同区域富有机质页岩的沉积演化模式。

本文的笔石带的划分采用陈旭等^[10]的划分方法，对不同笔石带进行了代码化处理，其中WF代表五峰组的笔石带，共划分为4个笔石带，LM代表龙马溪组的笔石带，共划分为9个笔石带，N代表南江组的笔石带，根据笔石带特征，将五峰组—龙马溪组划分为凯迪阶、赫南特阶、鲁丹阶、埃隆阶和特列奇阶（图 1），具体开展笔石生物地层划分的剖面及钻井位置详见图 2。

图 1 扬子区五峰组(WF)、龙马溪组(LM)和南江组(N)的笔石带划分 WF1系Dicellograptus complanatus带，其他各笔石带的全名均已标注在图中；图中各带底界的同位素年龄值引自Gradstein et al. [11] Fig.1 Graptolite Zone Division of the Wufeng, Longmaxi, and Nanjiang Formations in the Yangtze area

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图 2 主要钻井及剖面位置图 Fig.2 Location of the geological section and typical well

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针对图 2中典型剖面及钻井均开展了TOC、矿物及岩性特征分析，下文重点筛选蜀南地区、川东地区和川东北地区具代表性的钻井及剖面为例，说明不同时期不同地区页岩的地化和矿物组成特征。

巫溪2井位于川东北地区，其富有机质页岩主要沉积于凯迪阶晚期、鲁丹阶和埃隆阶，厚度93 m。其中五峰组和龙马溪组早期（凯迪阶和鲁丹阶）页岩主要以硅质页岩为主，向上随着碳酸盐矿物含量的增加，页岩岩相转变为黏土质硅质页岩，随后碳酸盐含量逐渐减少，黏土矿物含量逐渐增多，页岩岩相由硅质页岩转变为黏土质页岩，总体而言，WX2井页岩硅质含量较高，明显高于四川盆地其他地区。具体的剖面情况详见图 3a。华蓥山剖面位于重庆北部，五峰组—龙马溪组笔石生物地层发育齐全，但总体而言，LM1—LM6的厚度较小，富有机质页岩的厚度相对较小，除五峰组和龙马溪组早期外，页岩中黏土矿物含量较高，以黏土质页岩为主。具体的剖面情况详见图 3b。盐津1井位于蜀南地区，其富有机质页岩主要沉积于凯迪阶晚期的五峰组和鲁丹阶早中期，厚度36 m。五峰组页岩主要以钙质页岩为主，观音桥段以含介壳的泥灰岩为主，向上钙质含量先增多后逐渐减少，黏土矿物含量逐渐增多，盐津1井相对其他钻井更加靠近海岸线，致使该口钻井的碳酸盐矿物含量明显高于其他区域。具体的钻井情况详见图 3c。剖面及钻井位置详见图 2。

图 3 四川盆地典型钻井综合柱状图 a.巫溪2井；b.华蓥山；c.盐津1井 Fig.3 Synthesis column of a typical well and geological section in the Sichuan Basin

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以蜀南地区的盐津1井（YJ1井）、川东地区的焦页1井（JY1）和川东北地区的巫溪2井（WX2）3口代表性的钻井，对不同地区不同时期的页岩的主要矿物特征进行分析。三个不同地区页岩岩相在凯迪阶存在一定的差异，其中位于蜀南地区的YJ1井页岩岩相主要以钙质页岩、钙质硅质页岩为主，而川东地区的JY1井和川东北地区WX2井则以硅质页岩为主（图 4a）。三个不同地区页岩岩相在鲁丹阶存在较大的差异，其中位于蜀南地区的YJ1井页岩岩相主要以钙质页岩、钙质硅质页岩为主，而川东地区的JY1井以黏土质硅质和钙质硅质页岩为主，威远川东北地区的WX2井则以硅质页岩为主，部分样品硅质含量超过75%，该时期从蜀南到川东北呈现硅质含量不断增大的趋势（图 4b）。三个不同地区页岩岩相在埃隆阶差异相对前期较小，但继承了鲁丹阶岩相特征，川东北地区的WX2井硅质含量较多，以硅质页岩为主，而川东地区的JY1井和蜀南地区的YJ1井黏土矿物含量开始增多，以黏土质页岩、黏土质硅质页岩为主，黏土矿物含量较前期明显增多（图 4c）。可见，不同时期不同地区页岩的岩性存在较大的差异，总体而言，蜀南地区YJ1井由于距离南部海岸线的距离较近^[12]，易于形成碳酸盐含量较高的页岩，而川东地区JY1井相对蜀南地区而言距海岸线更远，页岩中碳酸盐含量较低，而位于川东北地区的WX2井，从凯迪阶一直到特列奇阶早期一直沉积黑色富有机质页岩，表明该地区在此段时期一直处于深水环境^[13]。

图 4 不同区域典型钻井凯迪阶、鲁丹阶和埃隆阶页岩样品矿物组成三角图 Fig.4 Triangulation of mineral composition for Katian, Rhuddanian, and Aeronian shale samples from a typical well in different regions

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以单井剖面为基础，重点针对蜀南、黔渝和川东北地区典型连井剖面开展了富有机质页岩地化及矿物特征的时空展布特征分析，明确了不同地区富有机质页岩的时空展布特征。

蜀南地区富有机质页岩主要沉积于WF1—LM4，厚度25~35 m，而威远地区主要沉积于LM1—LM8，厚度30~40 m，详见图 5，剖面位置见图 1。在自贡地区存在一水下古隆起，影响了该地区富有机质页岩的沉积^[12]。凯迪阶晚期（WF1—LM4），蜀南与威远地区均沉积富有机质页岩，蜀南地区沉积速率快，厚度一般2~7 m，威远地区在WD1和WD2井地层厚度为15 m和8 m，碳酸盐含量高，其他区域以黑色页岩为主，厚度普遍小于0.5 m。鲁丹阶（LM2—LM5），蜀南地区富有机质页岩厚度25~35 m，威远地区10~20 m，自贡隆起区2~5 m，蜀南地区富有机质页岩厚度均大于威远地区，这与蜀南地区靠近南部物源区有关。而到了LM5之后（埃隆阶），由于受到广西运动进一步的影响，华夏古陆进一步北扩，为扬子地台南缘提供了充足的物源^[14]，位于扬子地台南缘附近的长宁地区沉积速率加快，页岩有机质含量开始降低，局部层段可见粒度较粗的砂岩、粉砂岩夹层；此阶段，距离南部海岸线较远的威远地区仍沉积黑色富有机质页岩，直到埃隆阶结束，有些地区甚至延续到特列奇阶早期。可见，随着时间的推移，富有机质页岩沉积中心呈向北迁移趋势。通过不同区域的连井剖面图可以看出，越靠近南部的海岸线，富有机质页岩沉积结束的时间越早，页岩中碳酸盐含量越高，而威远地区在自贡古隆起区富有机质页岩沉积受到了影响（图 5）。

图 5 WD1井—WD2井—WD5井—N203井—YJ1笔石地层及矿物组成连井剖面 Fig.5 Graptolite strata and mineral composition section of WD1-WD2-WD5-N203

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黔渝地区富有机质页岩主要沉积于凯迪阶和鲁丹阶，其中在焦页1井和丁页1井地区富有机质页岩厚度最大^[15-16]，向盆地内部的华蓥山和盆地外部的黔中古陆方向变薄，详见图 6，剖面位置见图 1。凯迪阶晚期（WF2—WF4），黔渝地区以沉积黑色富有机质页岩为主，在靠近黔中古陆区域部分地区沉积碳酸盐岩和砂岩。赫南特冰期，该区域沉积以灰岩、泥灰岩为主，在靠近黔中古陆的部分区域灰岩厚度相对较大，在靠近岸边的区域沉积了粉砂岩、砂岩等相对粗粒的沉积物。鲁丹阶（LM2—LM5），该区沉积物主要以富有机质页岩为主，在靠近黔中古陆的区域沉积了砂岩，粉砂岩等粗碎屑沉积，越靠近盆地内侧，富有机质页岩沉积结束的时间越晚。埃隆阶和特列奇阶早期（LM6—LM9），盆地内部主体沉积以低有机质页岩为主，靠近黔中古陆区域沉积了松坎组、石牛栏组、韩家店组和小河坝组的灰岩、粉砂质泥岩、砂岩等沉积物。总体而言，越向盆地内侧，富有机质页岩沉积结束的时间越晚（图 6）。

图 6 观音桥—丁页1井—焦页1井—华蓥山笔石地层及矿物组成连井剖面 Fig.6 Graptolite strata and mineral composition section of Guanyinqiao-DY1-JY1-Huangyingshan

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川东北地区富有机质页岩沉积中心位于巫溪及周边地区，向西北和东南方向逐渐变薄，其富有机质页岩分布详见图 7，剖面位置见图 1。凯迪阶晚期（WF1—LM4），川东北地区主要沉积富含硅质的富有机质页岩^[17]，盆地内部TOC大于2%，但在靠近汉南古陆的南郑地区岩性以粉砂质页岩、灰色页岩为主^[18]，靠近宜昌上升区域沉积以富有机质页岩为主，局部存在缺失情况，可能已经露出水面^[19]。鲁丹阶（LM2—LM5），川东北地区均沉积富有机质页岩，只有靠近汉南古陆的区域沉积了少量低有机质页岩，在汉南古陆和宜昌上升范围内存在笔石带缺失情况，部分地区LM7地层直接覆盖在临湘组之上^[19]。埃隆阶（LM6—LM8），整个四川盆地主体处于氧化的沉积环境，以沉积低有机质页岩、粉砂质页岩为主，此时期，在川东北地区的巫溪2井区域仍沉积富有机质页岩，该区域富有机质页岩沉积一致持续到特列奇阶早期。总体而言，川东北地区富有机质页岩沉积越靠近盆地内部，沉积结束的时间越早，越靠近古陆或水下隆起，富有机质页岩沉积结束的时间越早，且厚度越薄。

图 7 南郑福成—杉树梁—巫溪2井—河页1井笔石地层及矿物组成连井剖面 Fig.7 Graptolite strata and mineral composition section of Fucheng-Shanshuliang-WX2-HY1

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综合蜀南及威远地区笔石生物地层划分等相关数据，建立了威远长宁地区富有机质页岩沉积演化模式（图 8）。凯迪阶晚期，威远与长宁地区以沉积富有机质页岩为主，长宁地区由于距离物源较近，其富有机质页岩沉积厚度普遍大于威远地区，在靠近两岸古陆区域沉积了钙质页岩、砂岩等沉积物^[20]（图 8a）。赫南特冰期，由于海平面的剧烈下降^[21-22]，此时期威远与长宁地区以含介壳灰岩为主^[23]，仅在自贡古隆起区缺失观音桥段，表明此时期该区域未接受沉积或已经露出海平面（图 8b），如WD5井区域。鲁丹阶是长宁地区富有机质页岩的主要沉积时期，此时，威远及长宁地区均沉积富有机质页岩，但由于物源主要来自南部的黔中古陆，此时期，长宁地区富有机质页岩的沉积厚度远大于威远地区（图 8c），且在鲁丹阶早期，在隆起区存在笔石带缺失的情况，如WD5井区域，该隆起的存在影响了区域富有机质页岩的沉积。埃隆阶是威远地区富有机质页岩的主要沉积期之一，由于受到广西运动的持续影响，富有机质页岩的沉积中心在不断的向北部迁移，此时期威远地区是富有机质页岩的沉积中心，而长宁地区富有机质页岩沉积已经结束，沉积了巨厚的低有机质页岩、粉砂质页岩等相对较粗的沉积物（图 8d）。总而言之，威远和长宁地区富有机质页岩沉积厚度虽然相似，但沉积时间上存在较大的差异，长宁地区主要沉积于凯迪阶和鲁丹阶，而威远地区主要沉积于鲁丹阶和埃隆阶，随时间的推移，富有机质页岩的沉积中心在向北部不断的迁移。隆起区的存在同样影响富有机质页岩的沉积，黔中古陆—自贡（水下）隆起—成都古陆（三隆）附近区域富有机质页岩厚度均较薄或不发育，表明富有机质页岩的沉积主要受沉积环境控制。

图 8 威远—长宁地区富有机质页岩沉积演化模式图（据文献[12]修改） Fig.8 Sedimentary evolution model for the organic-rich shale of Weiyuan-Changning(modified from reference[12])

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从綦江丁山一带向北直至四川华蓥山是五峰组—龙马溪组的覆盖区，其间的五峰组—龙马溪组黑色页岩发育更加完整，越向北顶界所达到的笔石带越靠上，如华蓥山剖面顶界已达到LM9（图 9）。凯迪阶晚期，黔渝地区以富有机质黑色页岩沉积为主，该层段页岩硅质含量高，主体处于深水陆棚相沉积环境。位于观音桥以南区域水体变浅，以低有机质页岩、泥灰岩和粉砂岩、粉砂质页岩为主，越靠近南部海岸线，沉积物的砂质含量越高（图 9a）。

图 9 贵州—重庆地区富有机质页岩沉积演化模式图（据文献[7, 16, 24]修改） Fig.9 Sedimentary evolution model for the organic-rich shale of Guizhou-Chongqing(modified from reference[7, 16, 24])

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赫南特冰期，由于全球海平面的迅速下降^[25]，该区域主体处于富氧的沉积环境^[26]，主要沉积冷水碳酸盐岩^[26]，在盆地内部厚度总体较薄，靠近南部海岸线的区域厚度较大（图 9b）。从LM1开始，全球的海平面上升导致了黑色页岩的广布，中上扬子地区龙马溪组黑色笔石页岩正是随着全球海平面的上升，自北而南向黔中古陆方向不断随海侵而展布。从LM1至LM3，龙马溪组底部的黑色富有机质页岩随着全球海平面的上升从盆地中心向黔中古陆方向扩展，并到达綦江观音桥以南区域，该时期在盆地内部沉积富有机质页岩厚度一般5~10 m，而盆地南部桐梓红花园区域LM1至LM3地层缺失，表明此时期该区域未接受沉积，应处于黔中古陆的北缘区域（图 9c）。从LM4开始，龙马溪组的黑色页岩从綦江观音桥以南区域继续扩展到桐梓红花园一带，此时遵义董公寺一带处于海平面之上。该时期富有机质页岩的沉积存在较大差异，位于盆地内部的焦页1井富有机质页岩沉积厚度较大，超过10 m，而华蓥山和丁页1井区域富有机质页岩沉积厚度较薄，越往南页岩的有机质含量越低，逐渐渐变为低有机质页岩。该时期页岩存在碳酸盐含量快速增高的现象，表明古气候的迅速变化（图 9d）。至LM5带，随着海平面进一步上升，海水才逐渐淹没董公寺地区，导致该地区成为黔中古陆北缘的边缘碎屑岩相带。而真正的龙马溪组富有机质页岩沉积南界并未达到綦江观音桥，位于盆地内部的焦页1井在此时期前半段沉积富有机质页岩，后半段沉积低有机质页岩，其厚度继承了LM4时期的沉积特征，表明在LM4—LM5时期，焦页1井区域的物源比较充足。而华蓥山剖面LM5时期的沉积厚度与LM4沉积时期页岩比较类似，沉积厚度薄，表明该区域接受物源较少（图 9e）。从上述分析可以看出，自从观音桥段（赫南特冰期）沉积后，从LM1到LM5带随着全球海平面的上升黑色页岩以及富有机质页岩由北而南、由深而浅的渐进扩展，到LM5时期扬子海在黔渝地区的南向扩展达到了最大值（图 8c，d，e)。此阶段被陈旭等^[24]称为龙马溪组黑色页岩的海浸渐进阶段。

此后，LM6带以上黔渝大部分地区均开始沉积低有机质页岩，低有机质笔石页岩由红花园向北一直分布至华蓥山，但页岩的顶界也由南向北逐渐抬升。从红花园开始，LM6带近底部之上开始出现含陆源碎屑、非黑色页岩的地层，在区域内被称为松坎组，此时期靠近黔中古陆的地区松坎段和桥沟组之上发育了碳酸盐相的石牛栏组，被认为是浅水碳酸盐岩。此外，在桐梓—綦江一线的西侧如习水—南川以及焦页1井还出现了浅水碎屑岩相的小河坝组。小河坝组分布非常广泛，可向西北方向覆盖了重庆乃至华蓥山地区，但在华蓥山小河坝组迟至LM9之后才出现。陈旭等^[24]称之为均衡扩展阶段（图 9f）。

可见，黔渝地区富有机质页岩主要沉积于WF1—LM4阶段，厚度最大的区域主要分布于焦页1井及其周边区域，富有机质页岩分布与黑色页岩分布具有同样的演化特征，越靠近南部海岸线，富有机质页岩沉积结束的时间越早，但在北部的华蓥山地区富有机质页岩厚度较薄，可能与该地区物源较少或存在水下隆起有关。

从凯迪阶到埃隆阶，川东北地区呈现总体上升的趋势，富有机质页岩的沉积范围越来越小。凯迪阶，在靠近北部的区域沉积以硅质页岩为主，其成因主要以硅质生物来源有关，越向南部，硅质页岩的含量越低^[27-28]，该时期川东北地区大部分地区页岩TOC含量较高，属富有机质页岩。赫南特冰期，川东北地区沉积主要以泥灰岩和灰岩为主，在宜昌和汉南地区附近存在古陆或岛屿^[19]，缺失观音桥段。值得注意的是，在汉南古陆附近的南郑福成剖面，此时期沉积以粉砂岩和砂岩为主，表明该区域距离海岸线的距离非常近。鲁丹阶，该地区沉积主要以富有机质页岩为主，位于盆地内部的城口和巫溪地区沉积的富有机质页岩厚度最大，而位于汉南古陆附近富有机质页岩的厚度非常薄，宜昌上升的部分区域仍处在古陆上，缺失相应的笔石生物地层^[19]，富有机质页岩的沉积亦受到不利影响，厚度普遍小于盆地内部，如位于宜昌上升附近的来地1井^[29]。埃隆阶，由于四川盆地的整体抬升，盆地内部大部分区域已经开始沉积低有机质页岩或粉砂岩、砂岩等，仅少部分地区还在沉积富有机质页岩，如巫溪地区。随着时间的推移，富有机质页岩在川东北地区的沉积范围越来越小，部分区域富有机质页岩沉积持续到特列奇阶（图 10）。总体而言，川东北地区富有机质页岩主要沉积于凯迪阶、鲁丹阶和埃隆阶，区域属于整体抬升型，随时间的推移，富有机质页岩的分布范围越来越小，位于盆地中心区域的巫溪2井沉积了巨厚的富有机质页岩，厚度超过85 m。

图 10 川东北地区富有机质页岩沉积演化剖面（据文献[18, 30]） Fig.10 Sedimentary evolution model for the organic-rich shale of Northeast Sichuan Basin(after references [18, 30])

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四川盆地富有机质页岩的时空展布特征为：长宁、焦石坝地区富有机质页岩主要沉积于WF2—LM5；威远地区富有机质页岩主要沉积于LM1—LM7；巫溪地区富有机质页岩主要沉积于WF2—LM8。

威远—长宁和黔渝总体呈现富有机质页岩沉积中心逐渐向北迁移的模式。越向北靠近威远、华蓥山地区，富有机质页岩沉积的结束时间就越晚。川东北地区五峰组—龙马溪组页岩属“抬升型”的沉积演化模式，随时间的推移，川东北地区富有机质页岩的沉积范围越来越小，呈现盆地总体抬升的趋势。

在靠近古陆和隆起的区域富有机质页岩沉积受到不利影响。越靠近四川盆地南部的黔中古陆，富有机质页岩中碳酸盐岩矿物含量越高，越靠近盆地北部大巴山一带，富有机质页岩中硅质矿物含量越高。