黔中隆起北部上奥陶统－下志留统页岩特征

王世玉 刘树根 孙玮 冉波 杨迪叶玥豪 张旋 罗超 孙东

（“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

页岩气是最现实的常规油气资源的接替者之一，是指以吸附或游离方式存在于页岩地层及其间所夹砂岩、粉砂岩地层中的天然气［1］。美国于1821年便完成了世界上第一口页岩气生产井［2，3］，现今中国页岩气勘探也取得了实质性进展。作为一种非常规天然气，页岩气将对中国的能源供需矛盾起到重要的缓解作用。经前人研究，四川盆地下志留统龙马溪组页岩有机质演化程度相对中等、埋藏深度适度、钻井天然气显示丰度高［4］。比如，阳63井龙马溪组在深度为3505～3518.5m的黑色页岩井段井喷后，测试获得天然气产量3500m3／d；隆32井龙马溪组在深度为3164.2～3175.2m的黑色碳质页岩井段，中途测试获日产气1948m3［5］；石柱复向斜构造建深1井在钻探中志留系天然气显示活跃，共发现气层24.48m／11层，志留系全层系均含气，特别是小河坝组和龙马溪组显示更好；丁山1井龙马溪组底部黑色碳质泥岩厚度17.3m，TOC的质量分数（wTOC）平均为2.70%，最高为4.41%，最低为1.13%［4］：因此，本层系值得进一步深入研究。在前人研究的基础上，本文主要通过习水骑龙村和綦江观音桥2条野外露头来阐释黔北地区的沉积特征，划分出上奥陶统五峰组、下志留统龙马溪组的有效黑色页岩厚度，对黑色页岩段的wTOC值进行再研究，供页岩气的勘探、开发参考。

1 区域地质概况

黔中隆起北部东起南川，西至赤水，北至綦江，南达桐梓、习水地区，面积近10 000km2，在行政区划上主要位于重庆市西南部、贵州省西北部（图1）。在构造区划上，黔北地区位于黔中隆起北部边缘，西北边为加里东期乐山－龙女寺古隆起，北至华蓥山断裂，南达齐岳山隐伏断裂，东至南川－遵义大断裂，西到兴文－古蔺隐伏大断裂所限的川南低陡褶皱带区域［6］。

图1 黔北地区区域地质图Fig.1 The geological map of the north of the Guizhou middle uplift

本文的研究区主要集中在黔中隆起北部，东起南川－遵义断裂，西到习水县，北到綦江地区，南到遵义，重点研究的露头为习水骑龙村、綦江观音桥2条五峰－龙马溪组地层实测剖面。该区的地层从南华系－白垩系均有出露，上奥陶统－下志留统主要分布在观音桥－习水－古蔺－威信一带，另外在桐梓县南部也有出露（图1）。川东南地区钻遇志留系的探井有丁山1井、林1井等多口钻井。其中林1井下志留统龙马溪组位于井深695～760m处，五峰组的深度为760～777m，五峰组、龙马溪组TOC的质量分数平均值为0.92%［7］，在龙马溪组（685.20～687.60m）泥质粉砂岩中见有气测异常，测井解释为微含气层［4］。丁山1井下志留统龙马溪组位于井深1480.0～1520.3m，平均有机碳的质量分数为1.02%，底部的6个黑色碳质泥岩样品TOC的质量分数平均为2.70%，最高为4.41%，最低为1.13%，为优质黑色页岩［7］。

2 主要沉积相类型及特征

习水骑龙村剖面是川东南地区五峰组、龙马溪组出露最完整的连续剖面（图2）。

骑龙村剖面五峰组与龙马溪组的界线被一层厚0.4m的观音桥段生物介壳灰岩分隔（图3－B），为浅水陆棚相。五峰组下段厚3.3m，主要为黑色页岩，龙马溪组厚度为212.1m。五峰组下段黑色碳质泥页岩含大量笔石和黄铁矿（图3－A），为一种安静的还原环境，应属于深水陆棚沉积。

龙马溪组在岩性上可以明显分为上、下2段：下段主体以页岩和泥岩为主（图3－C），厚度为45.7m，底部则为富含有机质的黑色页岩，常见水平层理（图3－D），黄铁矿纹层比较发育，为深水陆棚相；上段则以钙质页岩和泥岩与灰岩互层（图3－E）为主，厚度为166.4m，其泥灰岩的厚度向上逐渐增加，灰岩条带密度越来越密，为浅水陆棚相。

重庆綦江观音桥剖面也是川东南地区五峰组、龙马溪组比较有代表性的剖面（图2）。同样，观音桥剖面的五峰组与龙马溪组被一层厚为0.3 m的观音桥段生物碎屑灰岩分开（图3－G），可见大量的壳体与贝类化石（图3－H），属浅水陆棚相。五峰组下段由1.3m的黑色碳质页岩与0.6m厚的黑色粉砂岩组成，见大量的笔石化石（图3－F）及黄铁矿颗粒，水体为还原环境，为深水陆棚相。同样，龙马溪组明显分为上下2段，下段是厚7.6m的黑色碳质泥页岩段，含有丰富的笔石、黄铁矿细层，常见水平层理，为较安静的深水陆棚沉积环境；龙马溪组上段砂质、钙质成分含量增加，颜色由黑色变为灰色、灰绿色，岩石后期风化严重，多见球形风化（图3－I），代表了一种浅水陆棚的沉积环境。

综上，骑龙村剖面的涧草沟组－五峰组的岩性变化为涧草沟组瘤状泥灰岩—涧草沟组白色钙质粉砂岩—五峰组黑色钙质泥岩—五峰组黑色碳质页岩，没有明显的岩性变化，说明从涧草沟组－龙马溪组是一个连续的渐变沉积过程，五峰组－龙马溪组的沉积环境的变化为：五峰组下段的深水泥质陆棚—观音桥段的浅水灰质陆棚—龙马溪组下段的泥质深水陆棚—龙马溪组上段的灰泥质浅水陆棚相，总体上为深浅陆棚相交替出现。

习水骑龙村、綦江观音桥剖面龙马溪组下段厚度差较大（图2），但这2条剖面在该段的岩性主要是黑色页岩，都含有黄铁矿结核，常见水平层理，笔石化石丰富，反映了一种静水沉积环境，水较深；另外，这2条剖面在该段的TOC质量分数皆为＞2.0%，有机质丰富。

图2 习水骑龙村、綦江观音桥野外露头沉积相柱状对比图Fig.2 The Columnar contrast figure of the sedimentary facies of the two outcrops in Xishui Qilongcun and Qijiang Guanyinqiao

3 沉积厚度及沉积演化

3.1 沉积厚度分布

图4－A为黔北地区五峰组沉积等厚图。五峰组在黔北地区广泛分布，沉积厚度在4～20m之间，有3个沉积中心，最厚的沉积中心在威信南部，最厚达到20m；另外2个沉积中心分别在古蔺纳羊箐与桐梓红花园，最大厚度分别为12m、14m。从图4－B中可以看出，五峰组上段观音桥段在黔北地区也广泛分布，沉积厚度在0.1～7.4 m之间，在桐梓红花园附近沉积厚度最大，为7.4 m；另外，在习水桑木场与古蔺纳羊箐附近沉积也较厚；从图4－C中可以看出，龙马溪组的沉积厚度特征。本文研究区主要集中在观音桥－习水－古蔺－威信一线以南，龙马溪组的沉积比较单一，表现为从南到北沉积厚度逐渐增加，越靠近黔中隆起，沉积厚度越薄；在綦江观音桥附近最厚，为334m；威信附近沉积也较厚，丁木坳－大坪－铁索桥一线都在250m以上。

图3 川东南地区上奥陶统－下志留统典型露头及沉积特征Fig.3 The Upper Ordovician－Lower Silurian typical outcrops and sedimentary characteristics in the southeast of Sichuan

3.2 五峰组与观音桥段沉积厚度对比

图4－A与图4－B可以看出，黔北地区五峰组与其上段观音桥段的沉积中心基本上一致，沉积中心靠近黔中隆起，从沉积中心与沉积厚度上没有截然的变化，说明五峰组的沉积是一个连续的变化；而五峰组下段为深水陆棚相，表现为以黑色页岩为主，常见水平层理及黄铁矿颗粒，笔石化石丰富（图3－A）。观音桥段为浅水陆棚相，岩性为介壳灰岩，以腕足类占优势，包括正形贝类Hirnantia，Dalmanella，Kinnella及Draborthis，扭月贝类Aegiromena，Leptaena，Leptaenopoma以及Aphanomena等，小嘴贝类Plectothyrella，无窗贝类Hindella等，并伴有三叶虫Dalmanitina 以及少量腹足类、双壳类和珊瑚等［8，9］。露头观测中也见到很多双壳类化石（图3－H）。

沉积相的差异主要取决于沉积环境，前人研究已表明五峰组和龙马溪组所代表层序，恰好是奥陶纪末最后一次和志留纪初第一次全球性海侵阶段［10］。五峰组下段与上段观音桥段沉积主要受构造、海平面升降影响。五峰组下段沉积时期，海平面总体下降，由于构造作用，黔中地区与宜昌地区形成2个水下隆起，使本来流通的水体受到隆起的阻挡作用而形成相对滞留环境，在有机质来源不变的情况下，造成沉积“饥饿”现象，沉积了一套黑色页岩（五峰组下段黑色页岩）。晚奥陶世，随着全球气候的变冷，冈瓦纳大陆冰川不断凝聚，导致全球海平面的下降和高纬度区冷且富氧的海水向赤道方向运移，使得五峰期缺氧水体被观音桥期氧化水体所取代［11］。该时期气温明显降低，海平面下降，水体氧化，对黑色页岩的发育并不有利［12］，因此，在此时沉积了一套浅水陆棚相的观音桥段。

图4 威信－桐梓地区五峰组、观音桥段、龙马溪组沉积厚度对比图Fig.4 The deposition thickness comparison map of Wufeng，Guanyinqiao and Longmaxi Formations in the Weixin－Tongzi area

3.3 五峰组与龙马溪组沉积厚度对比

对比图4－A与图4－C可以看出，五峰组与龙马溪组的沉积变化较大，五峰组的沉积中心靠近黔中隆起，而龙马溪组的沉积中心远离黔中隆起，往北偏移。沉积中心的变化反映了黔中隆起的隆升过程，从南往北逐渐抬升。通过习水骑龙村剖面用X射线衍射方法做出来的石英、长石含量变化值可以验证这一点。四川盆地东部地区龙马溪组页岩中石英矿物的质量分数在2%～93%，主要呈纹层状或分散状分布，为陆源碎屑外源成因［13］。图5中石英含量的最高值对应着长石含量的最低值，石英含量变化趋势由深到浅是由高到低，长石含量变化趋势与之相反，同样证明龙马溪组石英是陆源输入；同时可以看到，TOC的变化趋势与石英含量的变化趋势相同，与长石含量的变化趋势相反，具体有什么关系，需要进一步探讨。对于物源为陆源的矿物中石英含量越高、长石含量越低说明距离物源越远，这是因为对于陆源碎屑，石英的抗风化能力远强于长石。骑龙村剖面从五峰组、龙马溪组的石英含量变化总体上是逐渐减少的。在五峰组上段含量上升，从观音桥段就开始下降，反映了沉积过程中物源的变化过程，这与图4沉积中心的变化基本一致。

图5 习水骑龙村剖面中石英含量、长石含量对比图Fig.5 The comparison of content of quartz and feldspar in the Qilongcun outcrop

沉积中心的变化反映了五峰组与龙马溪组沉积环境的不同。龙马溪组从岩性上可分为明显的上下2段，下段为黑色页岩，层薄，纹层发育，粉砂岩具平行层理及水平层理（图3－D），常见黄铁矿结核，表明水体处于一种滞留、缺氧还原的环境，属于深水陆棚相沉积；上段为灰色薄层钙质页／泥岩与泥质灰岩互层，局部见薄层钙质砂岩夹透镜状泥质灰岩，生物群主要以笔石为主，有少量的三叶虫、腕足类及个别的珊瑚，属于浅水陆棚相沉积。奥陶纪末期冰期之后，伴随着全球温度的迅速上升，大陆冰盖快速融化，导致全球海平面的快速上升，表现为海进，使得扬子地区在龙马溪期重返缺氧环境［11］，在中上扬子地区形成较深水的陆棚沉积环境，沉积了龙马溪组富含有机质的黑色碳质页岩、含碳质泥页岩和泥页岩等。而随后相对海平面开始下降，沉积水体变浅，沉积环境由缺氧环境变为氧化环境，沉积了灰色、灰绿色粉砂质泥、页岩及泥质粉砂岩，并逐渐有灰岩条带出现。

4 上奥陶统 下志留统有效黑色页岩厚度

目前，依据斯伦贝谢公司Charles Boyer等（2006）及Devon能源公司的页岩气勘探开发实践，在确定有效页岩厚度时，将页岩的wTOC＞2.0%确定为下限值。这一选值实际上与石油地球化学家在评定烃源岩等级时所确定的“好生油岩”标准相同。

从图2可以看出，上奥陶统－下志留统的黑色页岩段主要是指五峰组、龙马溪组下段，wTOC值较大，＞2.0%；而龙马溪组上段主要为砂岩、粉砂岩以及泥灰岩互层，wTOC值比较小，＜2.0%，甚至＜1.0%。龙马溪组页岩储层主要分布在龙马溪组底部，总体上由黑色碳质页岩、黑色含泥粉砂质碳质页岩组成，为一套深水陆棚沉积［16］。黏土矿物对页岩气的形成和开发有一定积极意义，龙马溪组底部厚度约为30m，伊利石和绿泥石含量低，相应孔隙率高且脆性矿物石英的质量分数＞50%，是理想的页岩气勘探开发层位［17］。在上扬子东南缘五峰组、龙马溪组底部发育一套黑色页岩，其有机质丰度高，残余总有机碳质量分数普遍为＞1%，属腐泥型（Ⅰ型）。

wTOC值高值区在纵向上主要集中在五峰组、龙马溪组下段。如，习水吼滩剖面的wTOC高值集中在龙马溪组下段，约40m厚度的wTOC值＞2%［18－20］。对川东南石柱冷水溪剖面506m龙马溪组总有机质含量的测定表明，在剖面底部20～25m黑色页岩有机质丰度高，有机碳的质量分数基本在3.0%以上，最高达到6.5%；其上厚约80～85m泥页岩的有机碳质量分数在2.0%左右，从底部到顶部，wTOC值逐渐变小（陈波、皮定成，2009）［15］。川东石柱龙马溪组最厚656m，该剖面下部笔石页岩尤为发育，东部地区是龙马溪组wTOC＞2.0%高值分布区，如石柱龙马溪组wTOC在2%～6.7%。其中，wTOC＞2.0%的黑色页岩厚度为115m，这是四川盆地下志留统龙马溪组黑色页岩最为发育的地区［5］。这些都表明龙马溪组有效黑色页岩主要分布在龙马溪组下段，而且有效黑色页岩厚度占龙马溪组厚度的一小部分。

前人对龙马溪组整体岩性的认识不足，以至于以底部的黑色页岩来代替上部粉砂岩、灰岩，无疑人为地增大了黑色页岩的真实厚度。尤其在计算页岩气资源量时，将组厚度当成黑色页岩有效厚度，使得计算结果不符合实际。比如习水骑龙村剖面五峰组、龙马溪组下段黑色页岩的厚度只占整个层厚的15.8%，綦江观音桥剖面的五峰组、龙马溪组下段黑色页岩的厚度约占整个层厚的10%。因此，需要进一步对五峰组、龙马溪组下段进行研究，划分出有效黑色页岩厚度，精确计算四川盆地及其周缘五峰组、龙马溪组的页岩气资源量，从而为页岩气的勘探、开发决策提供依据。

5 结论

a.黔中隆起北部地区上奥陶统五峰组、下志留统龙马溪组的沉积相为深水泥质陆棚（五峰组下段）—浅水灰质陆棚（观音桥段）—深水泥质陆棚（龙马溪组下段）—浅水灰泥质陆棚（龙马溪组上段）。

b.五峰组沉积主要受海平面的升降影响，龙马溪组沉积受构造、海平面升降的共同影响。

c.上奥陶统－下志留统有效黑色页岩厚度是五峰组下段与龙马溪组下段深水陆棚沉积段。

因此，重点研究五峰组、龙马溪组下段，确定有效黑色页岩厚度，对页岩气资源量的计算以及页岩气的勘探、开发具有重要参考价值。

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