下扬子地区志留系高家边组沉积时代及页岩气潜力

方少之，贾 东，苑京文

(南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023)

0 引 言

页岩气是指赋存于以富含有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，是目前较为热门的研究领域。美国是世界上最早开始研究页岩气的国家，勘探开发技术较为先进，中国目前页岩气勘探工作已进行商业性开发，但主要集中于上扬子地区[1-4]。2012年在重庆涪陵地区焦石坝构造部署钻探焦页1井所发现的首个中国大型页岩气田——焦石坝龙马溪组页岩气田的页岩气产出情况非常可观，积累了众多研究成果[4-10]，而海相泥页岩同样发育的下扬子地区调查与研究工作则相对欠缺，特别是江苏页岩气的研究和勘探工作严重滞后。下扬子地区高家边组与上扬子地区龙马溪组属于同时期不同区域的沉积地层，但高家边组的勘探一直未获得突破，二者是否属于同一时代的地层，对于高家边组的页岩气勘探十分重要。受加里东运动的影响，下扬子地区存在一些沉积中心，汇聚了丰富的有机质沉积物，因此，高家边组的研究对于下扬子地区页岩气勘探开发具有重要意义[11-12]。目前，高家边组的研究包括：用古生物方法根据笔石带序列得出地层时代[10]；用地球化学方法研究高家边组地层的孔隙度和总有机碳(TOC)等[10,13-15]。为了更准确地厘定高家边组地层年龄，在前人研究的基础上，本文对下扬子仑山地区高家边组的凝灰岩样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年，并对比总结了龙马溪组与高家边组的异同，为高家边组页岩气勘探开发提供参考。

1 区域地质背景

下扬子地区宁镇山脉的构造主要由3个背斜和2个向斜组成，分别是汤山—仑山背斜、巢凤山—宝华山背斜、幕府山—龙潭—镇江背斜、华墅—亭子向斜和范家塘—香山向斜。其中背斜构造较为紧密，向斜构造较为开阔，整体展布为NEE—EW向[16-17]。区域内出露地层的时代为震旦纪—三叠纪。

国土资源部、中国石化、中国石油等部门和企业对下扬子地区做了大量研究，认为下扬子地区宁镇山脉在海相盆地演化进程中经历了加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动等多期构造运动事件，存在多个大量有机质汇聚的时期，形成了丰富的烃源岩系，其中古生界富有机质泥页岩分布较广泛，总有机碳较高，具备丰富的成烃物质基础，页岩气具有很大的勘探和开发潜力。一些学者在该区域开展了众多研究，探讨了宁镇山脉的演化过程及其有机质来源：夏邦栋等根据下扬子地区南部震旦系和下古生界的研究，认为下扬子地区在震旦纪—奥陶纪是一个裂陷槽构造，到晚奥陶世才开始转变为前陆盆地，并一直持续到志留纪[18-19]；刘宝珺等对沉积作用的研究认为扬子地块东南的大陆边缘在震旦纪是一个裂谷盆地，在寒武纪—奥陶纪转变为被动大陆边缘，在晚奥陶世—志留纪是前陆盆地，前陆盆地的物源来自于东南部[20-21]；汪新伟等根据岩浆岩资料和不整合分布，认为华南早古生代造山作用发生于晚奥陶世，扬子地块在志留纪为造山后的伸展环境[22]；舒良树等提出华南早古生代是陆内造山[23]。目前，对于华南早古生代演化的可能性还存在很多争议的地方，但对于区域内发生造山运动这一事件已经取得了共识，而扬子地块南部受造山带控制形成了前陆盆地这一认识也得到了广泛认可。

下扬子地区下古生界地层为连续沉积，仑山地区志留系从下部到上部分别为高家边组、坟头组和茅山组3套地层。本文研究的高家边组是一套巨厚的砂岩和页岩沉积，从下到上的岩石粒度逐渐变粗。高家边组下段为碳质和硅质页岩；中段为黄绿色页岩夹少量粉砂岩和细砂岩；上段为细砂岩和粉砂岩夹页岩，在宁镇山脉最大厚度为1 539 m[10]。高家边组所含有的化石都是笔石，陈旭等根据笔石组合分析，划分出了7个笔石带，并确定其时代为鲁丹期—埃隆期，一般认为是与海侵作用有关的浅海相沉积地层[11,24]。

2 样品采集

样品采集地点位于江苏省句容市仑山地区岗岗坡，采样层位为高家边组，地理坐标为(32°06′11″N，119°15′38.7″E)，海拔为77 m，采样地点见图1、2。凝灰岩样品采自于深灰色泥页岩夹层中(图3)，与泥页岩层呈不等厚互层。通过岩石薄片鉴定，此次采集的样品均为典型的凝灰岩，主要由玻屑、晶屑、火山尘及碳质物组成，以2 mm以下的凝灰质为主，2 mm以上的火山角砾次之。

图1 下扬子仑山地区地质简图及采样地点Fig.1 Simplified Geological Map of Lunshan Area in Lower Yangtze Region and Sampling Location

图2 仑山地区地质剖面Fig.2 Geological Profile of Lunshan Area

图3 岗岗坡露头凝灰岩特征Fig.3 Characteristics of Tuff in Ganggangpo Outcrop

3 测试方法及结果分析

3.1 测试方法

样品的制作、照相、锆石U-Pb定年都在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。锆石的选取及制靶过程为：首先将样品机械粉碎，经过磁选及重液淘洗后在双目镜下挑选，选择晶形好、颗粒较大的锆石单矿物粘在双面胶上，并用无色透明的环氧树脂固定；等环氧树脂固化以后，在砂纸上将锆石磨掉1/3至1/2，然后抛光锆石表面使其内部结构充分暴露[25-26]；接着对锆石进行反射光、透射光照相，并采集阴极发光(CL)图像。

锆石的选取及制靶过程完成之后，即可进行定年分析。测试工作是在Aligent 7500a型 LA-ICP-MS仪和New Wave公司生产的UP213固体激光剥蚀系统上进行。仪器的参数设置为：激光波长为213 nm，频率为5 Hz，脉冲能量为10～20 J·cm-2，斑束直径为35 μm，典型的溶蚀时间为60～80 s。每组分析前后要各进行两次标样分析，两个标样之间包含10个样品点分析。每组样品中还有内插标样Mud Tank的分析，用来检测分析重复性和仪器的稳定性。LA-ICP-MS分析数据可以通过软件Glitter来计算获得同位素比值、年龄和误差。普通铅校正采用Andersen提出的方法[27]进行，校正后采用软件Isoplot 4.15完成年龄计算以及谐和图绘制。单个分析点的同位素比值误差和年龄误差分别为1σ相对误差和1σ绝对误差，206Pb/238U年龄加权平均值的置信度为95%[28]。

总有机碳测试的实验仪器是德国Elementar公司生产的Vario MACRO Elemental Analyzer仪。样品用玛瑙研钵磨成粉末，过200目(孔径0.074 mm)筛，用盐酸处理再上机测试。镜质体反射率(Ro)测试仪器为Zeiss公司Axioskop 40Pol显微镜以及J&M公司MSP210光度计，反射率标准物质为GBW13401钆镓石榴石、GBW13402钇铝石榴石、GBW13403蓝宝石及GBW13404 K9玻璃，实验参照标准为《沉积岩中镜质体反射率测定方法》(SY/T 5124—2012)[29]。

3.2 结果分析

3.2.1 锆石特征

仑山地区凝灰岩锆石颜色多为无色或黄褐色，晶形为自形或半自形，锆石大部分都比较小，长宽比为2∶1～4∶1，为长柱状，极少数锆石长达200 μm。阴极发光图像显示这些锆石具有明显的核-边结构，核部为灰色，具有震荡环带或扇状分带(图4)。岩浆锆石的阴极发光图像通常显示为典型的震荡环带或者扇形分带结构，晶形通常为半自形到自形，因此仑山地区凝灰岩锆石为岩浆成因。震荡环带的宽度可能与锆石结晶时岩浆的温度有关：当岩浆温度较高时，微量元素扩散速度快，常常形成较宽的环带；而岩浆温度较低时，微量元素扩散速度慢，常常形成较窄的环带。凝灰岩锆石中出现的扇状环带是锆石结晶时外部环境的变化导致各晶面的生长速率不一致造成的[30-31]。

3.2.2 锆石U-Pb年龄

大量研究结果表明，岩浆成因锆石的Th、U含量(质量分数，下同)较高，w(Th)/w(U)值较大(一般大于0.4)。高家边组凝灰岩样品除个别分析点的锆石w(Th)/w(U)值为0.2～0.4外，其余锆石w(Th)/w(U)值介于0.40～1.46之间，均大于0.4(表1)，这些分析点都位于岩浆环带部位。

对样品的37颗锆石进行分析，其年龄范围为440～1 029 Ma。有22个分析点的206Pb/238U年龄相对集中，分布在436～456 Ma之间，经过204Pb校正后的206Pb/238U年龄加权平均值为(442.8±2.6)Ma(平均标准权重偏差(MSWD)为0.059)；其余分析点数据显示锆石年龄范围为504～1 029 Ma，变化较大(锆石呈他形，外部形态为圆状—次圆状)，应为捕获或继承锆石。

4 讨 论

4.1 沉积时代

下扬子仑山地区高家边组凝灰岩中的锆石U-Pb年代学研究显示(图5)，37个206Pb/238U年龄分析点中有22个集中分布，存在几个年龄较大的捕获锆石，因此，可以得出样品锆石206Pb/238U年龄加权平均值为(442.8±2.6)Ma。结合锆石阴极发光图像(图4)和w(Th)/w(U)值所显示的岩浆成因特征，这一定年结果代表了高家边组凝灰岩的年龄。这是在高家边组凝灰岩中第一次获得岩浆锆石U-Pb年龄，精确标定了岩浆作用的时间，也标定了下扬子地区高家边组的形成时代。锆石U-Pb定年结果((442.8±2.6)Ma)表明，高家边组的地层时代为早志留世，与古生物年代学研究结果一致。

野外地质调查显示高家边组有4个凝灰岩夹层，说明当时存在多期火山活动。对于火山物质的来源，通过文献调研发现凝灰岩的厚度与火山喷发口的距离存在一定的曲线关系。按照曲线的走势，可以推测物源距离仑山地区约300 km，因为仑山地区的西部很少发现类似的火山碎屑物，所以可以推测物源来自仑山地区东部的海域，可能为海底火山喷发，也可能为海域中岛弧岩浆喷发[32]。从本区已有的生物地层控制来看，仑山5号钻井岩芯柱显示高家边组地层含有M.arcuata，D.triangulatus，P.leei，P.cyphus，O.vesiculosus，A.ascensus等大量笔石，其时代属于志留纪，故本次采集的高家边组凝灰岩样品确定属于志留系(图6、7)。上扬子地区龙马溪组主要出气层位为鲁丹阶到埃隆阶的笔石带位置(图8)，与高家边组生物化石组合非常相似(图7)，且地层岩性基本都为富含有机质的泥页岩(图9)，两套地层为同一时期不同地域的沉积物，沉积环境也较为相似[24]，初步显示高家边组具备页岩气潜力。

4.2 古环境

页岩沉积时，水体的氧化还原条件对有机质的保存和富集及页岩气形成具有重要意义。了解高家边组页岩沉积的古环境，对于选择页岩气形成的有利区域非常重要。判断氧化还原条件的微量元素有很多，例如V，Cr，Ni，U，Th，Ce，Eu等[33]。但是，判断页岩沉积古环境的氧化还原条件，选择不同的微量元素判别可能得到不同的结果，这是因为不同类型的有机质以及它们的沉积速率和后期的成岩作用等都会影响微量元素的富集。为了更准确地了解页岩的沉积环境，应该将微量元素判别与沉积特征、古生物类型相结合，这样才能获得可靠的页岩沉积氧化还原环境。本次采集的凝灰岩样品可以通过w(U)/w(Th)值判断页岩沉积时古环境的氧化还原条件。元素U在氧化条件下会形成可溶于水的U6+，而在强还原条件下通常以不溶于水的U4+状态富集在沉积物中，元素Th在氧化和还原条件下都较为稳定，因此,w(U)/w(Th)值可以反映出沉积的氧化还原条件。通常认为，w(U)/w(Th)值小于0.75代表氧化环境，在0.75～1.25之间为贫氧环境，大于1.25则是还原环境[34]。本次37个凝灰岩样品的w(U)/w(Th)算数平均值为1.95，即页岩沉积时水体为还原环境。基于仑山5号钻井资料，在钻井岩芯柱中发现了高家边组底部页岩存在大量的笔石，且种类丰富。经过鉴定，可以清晰地识别出志留系鲁丹阶到埃隆阶的典型笔石，包括A.ascensus带至C.vesiculosus带。根据这套页岩中大量存在的笔石可以推测当时水体为还原(缺氧)环境。缺氧环境可能导致笔石的大量死亡并且有利于死亡笔石的保存，氧化环境则不利于笔石的保存以及油气的生成和储存。此外，在岩芯柱中还发现了黄铁矿，黄铁矿的富集也进一步证明当时水体的沉积环境为还原环境[34]。

表1 凝灰岩锆石U-Pb同位素分析结果Tab.1 Analysis Results of Zircon U-Pb Isotope of Tuff

注：w(·)为元素含量;N(·)/N(·)为同一元素同位素比值，N(·)为该元素的原子丰度；n(·)/n(·)为不同元素同位素比值，n(·)为元素的物质的量。

图4 凝灰岩锆石阴极发光图像Fig.4 CL Images of Zircons of Tuff

图5 凝灰岩锆石U-Pb年龄谐和曲线和年龄分布Fig.5 Zircon U-Pb Concordia Diagram of Tuff and Distribution of Ages

图件大致对应笔石C. cyphus、C. vesiculosus、A. ascensus和 P.acuminatus带；图件引自文献[10]图6 笔石照片及分类Fig.6 Photos and Classification of Graptolite

图件引自文献[10]图7 高家边组和龙马溪组笔石带对比Fig.7 Comparison of Grapolite Zones of Gaojiabian Formation and Longmaxi Formation

WF1～WF4分别为五峰组第1～4个笔石带；LM1～LM9分别为龙马溪组第1～9个笔石带；N1、N2分别为南江组第1、2个笔石带;图件引自文献[24]图8 扬子地区奥陶纪—志留纪笔石带序列Fig.8 Sequence of Cambrian-Silurian Graptolite Zone in Yangtze Region

图9 高家边组岩性柱状图Fig.9 Lithological Column Histogram of Gaojiabian Formation

4.3 页岩气潜力

了解高家边组水体沉积的氧化还原条件对于分析页岩气潜力有重要意义。已有研究表明，高家边组从下到上的沉积环境为半深海到陆棚沉积，较为稳定的沉积环境加上丰富的有机质沉积以及还原的水体环境非常有利于油气的生成及保存。评价高家边组页岩气潜力的重要指标就是总有机碳，这也是衡量生烃强度和生烃量的重要指标。页岩中的有机质不仅是页岩气的生气来源，也是页岩中吸附气体的重要介质。含气性和有机质含量密切相关，成相辅相成关系。研究表明，总的含气量与岩石的总有机碳之间存在线性关系[35-36]。一般来说，页岩中总有机碳在2.0%以上才具有经济开采价值[37]。仑山5号钻井揭示了高家边组主要岩性，上段以黄绿色泥质岩为主，下段以深灰色页岩为主。钻井资料显示高家边组页岩厚度超过40 m，总有机碳一般为2%～4%，镜质体反射率为1.5%～2.3%[10]，可见仑山地区高家边组页岩总有机碳中等偏上，具有较强的生烃能力。

沉积岩的有机质丰度是形成油气资源的物质基础，有机质成熟度是确定其能够生成油气以及判断有机质向烃类转化程度的关键指标。有机质只有达到了一定的热演化程度，才会进行大量的生烃。仑山5号钻井中页岩的镜质体反射率为1.5%～2.3%，显示了高家边组热演化程度大致为高成熟晚期。较高的热演化程度影响因素诸多，埋藏深浅、埋藏作用方式、地温梯度以及中新生代的岩浆作用等都会影响其热演化程度。从表2可以看出：龙马溪组岩性从含有机质的黑色页岩向上逐渐变化为钙质粉砂岩和钙质页岩；总有机碳在富含有机质的层位约为3.04%，镜质体反射率为2.4%～3.6%，沉积环境为浅海还原环境。综合以上讨论，高家边组与龙马溪组有诸多相似之处，主要表现在总有机碳、镜质体反射率、岩性组合、笔石类型以及沉积环境等方面，因此，高家边组是具备页岩气开发潜力的。

5 结 语

(1)对下扬子仑山地区高家边组凝灰岩样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年。结果表明，下扬子地区高家边组形成年龄为(442.8±2.6)Ma。下扬子地区高家边组沉积时代第一次获得了准确可靠的年代学约束，为下扬子地区高家边组研究提供了准确的标尺。

(2)下扬子地区高家边组与上扬子地区龙马溪组在总有机碳、镜质体反射率、岩性组合、笔石类型以及沉积环境等方面均有高度相似性，具备页岩气勘探开发潜力。

表2 四川盆地南部长宁构造宁203井龙马溪组地层岩性单元Tab.2 Lithologic Units of Longmaxi Formation at Well Ning203 in Changning Structure of the Southern Sichuan Basin

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