鄂西南五峰—龙马溪组富笔石细碎屑岩非常规沉积作用

贺 萍,王青春,谷海艳,申方乐

1.河北地质大学 地球科学学院,河北 石家庄 050031;2.河北地质大学 保定理工学院,河北 保定 071000; 3.河北地质大学华信学院,河北 新乐 050799

0 引言

沉积岩的分类主要依据沉积物来源及沉积作用方式,分为外源沉积岩类和内源沉积岩类[1],但“细粒沉积物” 通常被描述为“粒径小于62 μm 的黏土级和粉砂级物质,其成分主要包含黏土矿物、粉砂、碳酸盐、有机质等[2-4]”,其中即有外源沉积物(如粉砂),又含内源沉积物(如碳酸盐)。组成细碎屑岩的粉砂级细碎屑,尤其是黏土级细碎屑和黏土矿物,主要是在弱水动力或静水环境中经缓慢垂向沉降作用形成的。然而,现代研究表明,大多数直径<10 μm的黏土颗粒是以絮凝物形式沉积的,絮凝过程有助于大量泥质沉积物在海洋环境中的长距离搬运[5,6];直径>10 μm 的黏土颗粒则主要以单颗粒形式沉降[7],而“细粒沉积物” 中的碳酸盐、有机质等,还应该有化学和生物化学沉淀作用的参与。

由此可见,将细碎屑岩定义为“细粒沉积物” 形成的沉积岩,其中的“碳酸盐、有机质等” 容易引起理解上的混乱,尤其是对于初学者。论文以鄂西南地区上奥陶统—下志留统五峰—龙马溪组富笔石细碎屑岩为研究对象,其中述及的细碎屑岩,属于陆源碎屑岩亚类,主要是指粒径小于62 μm 的细碎屑颗粒经搬运、沉积和成岩作用过程而形成的沉积岩。细碎屑岩中的细碎屑颗粒含量大于50%,主要包括粉砂级细碎屑、黏土级细碎屑以及黏土矿物,常形成粉砂岩、泥岩、页岩等。本文中细碎屑岩的组成物质,仅仅是前人“细粒沉积物”[2-4]中的一部分。

1 区域地质背景

鄂西南地区属于中扬子地块湘鄂西冲断褶皱带宜都—鹤峰复背斜带和花果坪复向斜带,西与四川盆地毗邻,北靠秦岭—大别山造山带,东接江南—雪峰滑脱推覆隆起带。研究区主要构造线呈北东—北北东向展布,主要断裂走向与褶皱轴线基本一致(图1)。

图1 研究区构造位置示意图Fig.1 Schematic diagram of tectonic location in the study area

研究区古生界地层发育比较齐全,中上奥陶统—下志留统主要包括牯牛潭组、庙坡组和宝塔组,形成于开阔台地环境;五峰—龙马溪组、新滩组和罗惹坪组,形成于浅海环境。其中五峰—龙马溪组是本文的研究对象,形成于晚奥陶世—早志留世,以深色富笔石泥岩、页岩等细碎屑岩为主,与下伏地层宝塔组和上覆地层新滩组均整合接触。

2 细碎屑岩特征

野外地质调查表明,鄂西南地区五峰组发育程度低,地层厚度较小,故而将五峰组和龙马溪组合称为五峰—龙马溪组。

2.1 岩性特征

鄂西南五峰—龙马溪组富笔石细碎屑岩特征鲜明。五峰组主要发育在研究区西部,以褐色、褐黑色粉砂质泥岩夹薄层页岩为主,笔石含量较低,厚度一般<20 m,向中、东部逐渐减薄直至尖灭;龙马溪组全区均发育,西部厚度较大,可达80 m 左右,向中、东部也具减薄趋势。龙马溪组可进一步划分为下、中、上三段,均含笔石化石。其下段以灰黑色、黑色碳质含粉砂泥岩、碳质粉砂质泥岩和碳质页岩为主,泥岩致密坚硬,页岩页理发育,厚度较大,富含大量笔石化石(图2a);中段以棕灰色含粉砂泥岩、页岩为主,岩石质地松软,厚度较小,可见少量笔石化石;上段以灰黑色、深灰色碳质含粉砂泥岩、碳质页岩为主,也含较多笔石化石,但与下段相比,笔石含量和岩石硬度均较低(图2b)。

图2 鄂西南五峰—龙马溪组富笔石细碎屑岩Fig.2 Graptolite-rich fine-grained clastic rocks of Wufeng-Longmaxi Formation in southwestern Hubei Province

岩矿鉴定以及有机地化分析表明,鄂西南五峰—龙马溪组富笔石泥岩和页岩中,硅质碎屑含量在16%～87%之间,平均57%;黏土矿物含量在3%～47%之间,平均20.7%;碳质含量6%～25%;TOC主要介于1.0%～2.5%,属于好的泥质烃源岩级别;镜质体反射率主要介于2.0%～3.0%,非常有利于天然气的生成。由此可见,研究区富笔石细碎屑岩具备生烃潜力较大、脆性组分(硅质碎屑) 含量较高的特征。

2.2 岩石定名的分歧

目前能源结构在不断变化,页岩气作为较清洁能源,其勘探和开发工作如火如荼。普遍认为,页岩气储层的脆性矿物含量高,有利于页岩气开发过程中压裂工程的实施。因而,前人多将笔石页岩中硅质碎屑、长英质碎屑等脆性物质直接简化成“硅质” 应用到岩石定名中,如“硅质” 笔石页岩、“硅质” 泥岩等。鄂西南五峰—龙马溪组富笔石泥岩、页岩的矿物组成特征、硅质碎屑含量与前人研究基本一致[8-11],但在岩石定名方面,采取了不同的定名方法。

沉积岩中通常所说的“硅质” 和“硅质碎屑”是截然不同的概念。“硅质” 主要源于地壳深部流体、特殊的含硅生物或硅质溶液,多以化学或生物化学沉淀方式形成;而“硅质碎屑” 则主要为陆源物质,是流体搬运碎屑物质经机械沉积作用形成的。如图3a所示,研究区细碎屑岩的物质组成中,“硅质” 明显呈孤立的“颗粒” 状态,分布均匀,粒度多为粉砂级,分选中等,结构成熟度较低,且经过了一定的磨蚀作用,呈次棱角—次圆状,是机械搬运和沉积作用的结果,可描述为“粉砂级硅质碎屑”,在岩石定名中应体现为“含粉砂” 或“粉砂质”。当然,鄂西南地区五峰—龙马溪组细碎屑岩中的“硅质” 并不能完全排除化学沉淀作用的贡献。如图3b 所示,其中的“硅质” 虽然也呈“颗粒” 状态,但部分“硅质” 外形不规则,粒度相差较大,分布不均,局部呈“嵌生晶” 特征,不过数量占比较小,其成因有待进一步深入研究。

图3 鄂西南五峰—龙马溪组细碎屑岩中的硅质碎屑颗粒特征Fig.3 Characteristics of siliceous clastic particles in fine-grained clastic rocks of Wufeng-Longmaxi Formation in southwestern Hubei Province

3 细碎屑岩沉积环境分析

前人研究表明,鄂西南五峰—龙马溪组富笔石细碎屑岩的沉积环境主要为陆棚环境,包括浅水陆棚和深水陆棚[8-11],可进一步分为粉砂质陆棚、泥质陆棚和砂泥混合陆棚。但马文辛等(2012) 研究鄂西渝东志留系沉积储层特征时,在陆棚环境中提到了“浊积成因” 的贡献[12]。李斌等(2017) 研究湖南保靖地区下志留统沉积地层时同样也提到了 “浊流” 和“浊积岩”[13]。

3.1 特殊沉积现象

鄂西南五峰—龙马溪组细碎屑岩以黑色、灰黑色、黑灰色含粉砂(或粉砂质) 泥页岩、泥页岩为主,碳质含量较高,富含笔石类等生物化石,其沉积环境具备缺氧条件。缺氧环境的形成,很可能是水体深度较大导致的,如深海、深湖环境等;另一种可能就是水体能量较弱导致的,如潟湖、沼泽环境等;或二者共同作用的结果。

鄂西南五峰—龙马溪组富笔石细碎屑岩,具有以下几点特殊之处:

(1) 细碎屑岩中的笔石化石以耙笔石、叉笔石、栅笔石、直笔石等营浮游生活方式的笔石类型为主,笔石化石多出现在粉砂含量较少的泥页岩及其层面上,且笔石体(膜) 化石完整(图2)。

(2) 扫描电镜观察发现,细碎屑岩中含有大量的草莓粒状和晶粒状黄铁矿(图4a、4b)。

(3) 岩矿鉴定表明,细碎屑岩中粉砂级碎屑颗粒以石英为主,磨圆程度较低 (图3a、图4c、4d),且发育微水平层理、微平行层理(图4c) 和微粒序层理(图4d) 等流体搬运作用形成的沉积构造。

(4) 细碎屑岩宏观上表现为含粉砂(或粉砂质)泥岩与页岩互层,形成韵律层理,泥岩因含粉砂而质地较为坚硬,页岩粉砂含量低或不含粉砂而质地较为松软;泥岩、页岩厚度一般在1～20 cm 不等,常常呈较厚层泥岩夹较薄层页岩,或较厚层页岩夹较薄层泥岩的特征。

图4 鄂西南五峰—龙马溪组细碎屑岩微观特征Fig.4 Microscopic characteristics of fine-grained clastic rocks in Wufeng-Longmaxi Formation in southwestern Hubei Province

3.2 沉积环境探讨

从沉积特征来看,鄂西南五峰—龙马溪组富笔石细碎屑岩中,保存较完整的浮游型笔石类化石和黄铁矿大量出现,均代表着水体较深的低能沉积环境。但是也有矛盾之处:首先是笔石类型,前人研究认为不同笔石动物群组合可指示不同沉积环境[14-17],耙笔石类为浅水相笔石,栅笔石为深水相笔石,而研究区目的层细碎屑岩中,这两种代表不同水深环境的笔石都出现了,且化石保存完整;其次是在细碎屑岩中磨圆程度较低的石英颗粒大量出现,且发育微平行层理和微粒序层理,这是事件性快速沉积作用的特征;第三就是笔石类化石出现的特殊位置—主要富集在砂质、粉砂质含量较少的泥页岩及其层面上。深水低能沉积环境,或者简单的粉砂质陆棚、泥质陆棚及砂泥混合陆棚沉积环境,都很难圆满的解释这些特殊的沉积现象。

据此,论文借鉴(泥质) 重力流[13,18]、水下碎屑流[19]等理论,认为鄂西南五峰—龙马溪组富笔石细碎屑岩主要形成于陆棚沉积环境,但在具体沉积过程中,水下沉积物重力流也发挥了作用,至少在含粉砂泥岩、粉砂质泥岩等长英质碎屑颗粒含量较高的细碎屑岩形成过程中,水下沉积物重力流贡献较大,甚至长英质颗粒含量较低的泥岩、页岩的形成过程中,泥质重力流也有参与[18]。

4 富笔石细碎屑岩理想沉积模式

中奥陶世—志留纪末期的加里东运动,导致了扬子板块与华夏板块的汇聚碰撞及洋盆的消亡,扬子地区开始逐渐接受碎屑岩沉积[20]。强烈的挤压运动及志留纪冰期—冰后期之交的气候迅速回暖导致的海平面上升,使扬子地区形成了被边缘隆起所限制的浅海盆地环境[17,20]。

结合区域地质特征、前人成果及前文分析,认为鄂西南五峰—龙马溪组富笔石细碎屑岩的形成环境为陆棚相,早期为深水陆棚亚相,晚期为浅水陆棚亚相,可发育砂质陆棚、泥质陆棚、砂泥混合陆棚及水下重力流等多种沉积微相(如图5 及表1 所示)。鉴于边缘隆起区向水下延伸而形成的水下隆起以及陆上水系季节性能量变化的影响,不同地区的具体沉积环境会有所差异。

图5 鄂西南上奥陶统—下志留统富笔石细碎屑岩理想沉积模式图Fig.5 Ideal sedimentary model of graptolite-rich fine clastic rocks from Upper Ordovician to Lower Silurian in southwestern Hubei Province

表1 鄂西南上奥陶统—下志留统富笔石细碎屑岩沉积相类型简表Table 1 Sedimentary facies types of graptolite-rich fine clastic rocks from Upper Ordovician to Lower Silurian in southwestern Hubei Province

富笔石细碎屑岩的形成是在正常陆棚沉积作用与水下重力流(包括泥质水下重力流、粉砂质水下重力流、异重流、浊流) 沉积作用共同作用的结果。国际页岩气开发实践证明,目前储量巨大的页岩气田储层均以海相碎屑岩为主[13,21,22]。中国四川盆地及周边地区的页岩气勘探开发也说明,笔石类生物的残留有机碳是五峰—龙马溪组黑色页岩总有机碳的重要贡献者之一[12,15,23]。研究区正常陆棚沉积作用,使得笔石等生物形成的有机碳得以有效保留;水下重力流沉积作用形成的砂级、粉砂级碎屑颗粒的大量出现,提高了细碎屑岩的硬度、脆性及孔隙度。正常陆棚沉积与事件性重力流沉积作用的有效组合,是形成海相页岩油气及致密砂岩油气等非常规能源矿产的重要前提。

5 结论

(1) 本文明确了“细碎屑岩” 的概念。细碎屑岩是指粒径小于62 μm 的细碎屑颗粒经沉积、成岩作用过程而形成的沉积岩,其中的细碎屑颗粒含量大于50%,主要包括粉砂级细碎屑和黏土级细碎屑以及黏土矿物,可形成粉砂岩、泥岩、页岩等。

(2) 鄂西南五峰—龙马溪组富笔石细碎屑岩,含大量笔石类生物化石的同时,还含有较多的、磨圆较差的“粉砂级” 石英“碎屑颗粒”,属于机械搬运和沉积作用的产物,因而岩石定名中用“硅质” 加以体现不够确切,描述为“含粉砂”、“粉砂质” 更为合适。

(3) 细碎屑岩中丰富的笔石类化石,主要富集于石英碎屑颗粒含量较低的泥页岩及其层面上,亦可见大量草莓状黄铁矿等;同时,含粉砂泥页岩和粉砂质泥页岩中可见微平行层理、微粒序层理、韵律层理等流体搬运作用形成的沉积构造。

(4) 受区域地质背景影响,鄂西南五峰—龙马溪组陆棚环境的水下重力流比较发育,包括泥质水下重力流、粉砂质水下重力流、异重流、浊流等多种类型。

(5) 鄂西南五峰—龙马溪组富笔石细碎屑岩形成于陆棚环境,包括深水陆棚和浅水陆棚,是正常陆棚沉积与事件性水下重力流沉积共同作用的结果。正常陆棚沉积与事件性水下重力流沉积作用的有效组合,对于非常规油气资源具有重要意义。