川南地区上奥陶统—下志留统五峰组—龙马溪组快速海进页岩特征及有机质分布.pdf

书书书 第 卷第 期 年月古地理学报 （）文章编号：（）：川南地区上奥陶统下志留统五峰组龙马溪组快速海进页岩特征及有机质分布施振生，王红岩，赵圣贤周天琪，赵群，祁灵，中国石油勘探开发研究院，北京 国家能源页岩气研发（实验）中心，河北廊坊 中国石油西南油气田分公司页岩气研究院，四川成都 摘要快速海进页岩的特征及形成机理是细粒储层地质学研究的重点之一。地震层位追踪、连井地层对比、衍射全岩分析、总有机碳测试和场发射扫描电镜分析表明，川南地区五峰组龙马溪组快速海进页岩位于龙马溪组最底部，对应于笔石带 。该页岩石英平均含量 （其中黏土级石英含量 ），方解石平均含量 ，白云石平均含量 ，黏土矿物平均含量 。向盆地方向，石英含量增加，黏土矿物含量降低。快速海进页岩形成于相对海平面快速上升阶段，页岩厚度 ，由盆地边缘向盆地中心逐渐增厚。页岩平均 含量 ，由盆缘向盆地中心逐渐降低，纵向 含量剖面呈现 种叠置样式。该套页岩的矿物组成和厚度分布与沉积时期的快速海进、生物及火山作用密切相关。快速海进导致陆源供给减少，故页岩厚度较小；生物及火山作用导致页岩以微晶石英为主，盆地中心厚度较大。该套页岩的高 含量与水体缺氧、低沉降速率和高初级生产力有关。水体缺氧导致有机质保存能力增强，低沉积速率可减弱有机质的稀释，而初级生产力高可增加有机质的供给。该套页岩 含量平面变化及叠置样式与水深有关。随着水深增加，有机质沉降过程中的降解和再循环增加，故 含量降低。同时，随着水深增加，沉积物可容空间增大，从而形成不同的 含量叠置样式。关键词 海进页岩分布模式富集机理五峰组龙马溪组川南地区第一作者简介 施振生，男，年生，高级工程师，博士生导师，主要从事细粒沉积学与储层地质学研究。：。中图分类号：文献标志码：中国石油天然气股份有限公司科技部“十四五”重大专项（编号：）项目资助。（）收稿日期：改回日期：，（），第 卷第 期施振生等：川南地区上奥陶统下志留统五峰组龙马溪组快速海进页岩特征及有机质分布 （），（），（），：概述黑色页岩是指粒径小于 的沉积岩，其常形成于缺氧的底层水体中，并聚集在深水盆地中（，；，）。黑色页岩在不同沉积环境均可发育。现代沉积环境包括大型受限盆地环境（如黑海和波罗的海）和开放环境（如受中层水氧最低值影响的秘鲁海岸、纳米比亚海岸和加利福尼亚湾）（，；，）。其他环境包括热带堤岸、沿海沼泽、大型河口湾、峡湾和受盐度分层影响的斜坡盆地等。一般来说，现代黑色页岩的形成多受局部因素控制，如受限盆地或构造孤立盆地等。然而，在地质历史时期，黑色页岩多形成于广阔的陆表海环境，具有分布范围广、时间跨度长等特征（，）。黑色页岩有机质富集有高生产力和强保存 种解释模式。高生产力模式包括“上升洋流”模式（，）、“氧含量最低值区（）”模 式（，）和“近 岸 透 光 带 缺 氧（）”模 式（，）。强保存模式包括“受限盆地”模式（，）、“改进的受限盆地”模式（，）、“不规则底形”模式（，；，）、“水洼扩张”模式（，）、“海侵 化 学 跃 层”模 式（，）和“近 岸 海 侵（）”模 式（，；，）。本质上，高生产力模式强调高初级生产力是有机质富集的根本原因。有机质在降解过程中造成溶解氧消耗量增加，从而导致底层水体缺氧。该模式认为高有机质含量造成了水体缺氧，而不是缺氧造成有机质含量升高 古地理学报 年 月（，）。相反，强保存模式认为，在初级生产力不高的情况下，水体缺氧也可造成有机质富集（，）。在水体分层的情况下，由于水体上下对流受阻，溶解氧很难补给到底层水体，从而导致底层水体缺氧。志留纪早期全球古地理；川南地区早志留世扬子陆表海古地理；上奥陶统下志留统黑色页岩分布图 四川盆地及周缘五峰组龙马溪组页岩沉积古地理背景（据 ，；，；有修改）（，；，）海平面快速上升常造成黑色页岩的形成和有机质的富集。一方面，海平面上升会造成浮游生物勃发，从而造成水体缺氧和有机质富集（，；，）；另一方面，海平面上升会造成底层缺氧水体向浅水区扩张，从而造成富有机质页岩大面积分布（，）。海平面上升期，富有机质页岩常发育于最大海泛面（）附近或海侵体系域底部（）。型富有机质页岩记录了随着海平面上升、水深增大，盆地边缘沉积条件逐渐变得与深水盆地相似，而 型富有机质页岩仅限于盆地位置或局部地形低洼地区（，；，），海平面波动形成不同的总有机碳（）含量叠置样式。一些学者认为，高位体系域早期紧临凝缩段位置页岩 含量通常最高（，）。等（）、（）则认为，含量最大值通常出现在凝缩段下部的海侵体系域中。上奥陶统下志留统黑色页岩在全球广泛分布（，；，；，）。川南地区五峰组龙马溪组作为该套黑色页岩的重要组成部分之一（图 ），其形成分布与该时期全球海平面升降密切相关（，；，）。该套页岩具有高 含量、高含气量、高孔隙度、高石英含量、层理和裂缝发育等特征，是目前中国南方页岩气勘探开发的关键层段（董 大 忠 等，；，；，）。然而，关于该黑色页岩的特征、分布模式和成因机制，目前认识仍相对较薄弱。本研究借助钻井和露头资料，通过系统的层序地层学、矿物学和地球化学分析，明确了该套页岩的特征和分布，并初步探讨其形成机理。地质背景华南板块包括扬子板块和华夏板块，川南地区位于扬子地块东南部（图 ）。晚奥陶世，华南板块仍附着于冈瓦纳大陆的边缘。扬子地块是前寒武纪华南板块的重要组成部分，早古生代与塔里木板块和华北板块分离。五峰组龙马溪组形成于华南盆地消亡和华南造山带形成时期（，；，；，）。寒武纪末期，由于广西造山运动的影响，华夏地块和扬子地块发生会聚，扬子板块东南和江南盆地相继抬升（，；，；，），第 卷第 期施振生等：川南地区上奥陶统下志留统五峰组龙马溪组快速海进页岩特征及有机质分布扬子地区进入被动大陆边缘发展阶段（，）。早奥陶世至中奥陶世，扬子地区主要发育碳酸盐岩台地沉积（，；，）。从晚奥陶世开始，扬子地区碳酸盐岩碎屑岩混合沉积广泛发育。奥陶纪志留纪转折期，全球海平面大幅波动（，；，）。早志留世，伴随着华夏板块扩张和华南大部分地区的隆升，华南古陆和海洋分布发生重大变化（图 ）。区域构造作用形成古陆和水下高地，上扬子地区变成半封闭的海洋（，；，）。由于古陆和水下高地的阻隔，上扬子地区水体整体处于缺氧停 滞 状 态（，；，；，）。四川盆地及周缘五峰组龙马溪组分布广泛，总厚度超过 （图 ）。页岩分为五峰组、观音桥层和龙马溪组（图 ）。五峰组与下伏宝塔组呈平行不整合接触，与上覆观音桥层呈平行整合接触（图 ）（，），龙马溪组与观音桥层呈平行整合接触。龙马溪组分为龙一段和龙二段，龙一段细分为龙一亚段和龙一亚段，龙一亚段进一步分为龙一至龙一个小层（，）。基于地震、测井、笔石带和沉积构造综合分析认为，五峰组龙马溪组沉积时期发生 次二级海平面升 降 旋 回和 次 三 级 海 平 面 升 降 旋 回（，）。龙一亚段具有 含量高、层理和微裂缝发育特点（董大忠等，；施振生等，），是页岩气勘探开发的“甜点”段（，）。方法和样品 样品采集本次研究共观察 井岩心 、井岩心 、井岩心 、井岩心 、井岩心 、井岩心 、井岩心 、井岩心 及长宁双河剖面取心 （具体井位见图 ），研究层位为五峰组龙马溪组底部。研究样品取自 井、井、井、井、井、井、井、井和长宁双河剖面岩心（图 ），取样层位为五峰组龙马 溪 组 底 部。所 有 岩 心 均 开 展 了 总 有 机 碳（）含量、衍射全岩（）和偏光显微镜分析。另外，井岩心开展了 块氩离子抛光片 成像分析，长宁双河剖面开展 块氩离子抛光片 成像分析和主微量元素分析，井岩心开展 块氩离子抛光片 成像分析。氩离子抛光 片 尺 寸 为 。含 量、和主微量分析测试在西南油气田分公司实验研究中心进行，氩离子抛光片 成像分析在中国石油勘探开发研究院实验研究中心进行。有机地化和岩石学分析利用 硫碳分析仪进行 含量分析，实验前先用盐酸去除样品中无机碳成分，有机碳含量通过高温燃烧称重直接测得。利用日本理学 型 射线衍射仪进行 实验，采用 靶（单色），旋转角度 ，管压 ，管流 。定量分析采用步进扫描，扫描速度 ，采样间隔 。按照标准（）沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物 射线衍射分析方法对矿物成分进行定量分析。氩离子抛光片成像分析为了获得高精度和大视域的矿物和有机质图像，采用了氩离子抛光片制作、图像采集和拼接、矿物和有机质分析等研究步骤和方法。氩离子抛光片尺寸为 ，图像采集选用携带冷排放的 场发射扫描电镜，并配备有低到高的二次电子探针和 射线能谱仪（）。扫描电镜放大倍数为 倍（单张照片最大分辨率为 ）。图像采集区域垂直于纹层面，累积采集面积 。图像采集完成后，选用微软公司 软件进行矿物成分和有机质分析。主量和微量元素分析主量元素主要通过 光谱仪测定，分析误差不大于 。先将页岩样品研磨至 目，放置干燥箱中 烘 干，然 后 称 量 样 品，加 入 溶 剂（）充分混合后，将样品移入坩埚中，并在 的高温下溶解。然后，将溶剂均匀涂到玻璃板上，通过 光谱仪测定其元素成分。通过电感耦合等离子体质谱（）测定微量元素浓度。先将 样品用 高温干 古地理学报 年 月 ：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：图 川南地区五峰组龙马溪组地层综合柱状图（据 ，；有修改）（，）燥，然 后 用 试 剂 溶 解，然 后 再 干 燥。然 后 再 用 净化样品，直到获得澄清的溶液。将溶液稀释至?浓度，并在 电感耦合等离子体源质谱仪（）上开展分析，测量微量元素组成。结果 快速海进页岩垂向分布测井、录井、矿物成分、地球化学和古生物资料等综合分析表明，五峰组龙马溪组发育 个二级层序、个三级层序（图 ）。二级层序划分为海 第 卷第 期施振生等：川南地区上奥陶统下志留统五峰组龙马溪组快速海进页岩特征及有机质分布 宝塔组，五峰组，观音桥层，层序边界，海进体系域，高位体系域，最大海泛面；笔石带划分据陈旭等，；同位素年龄数据来自 ，图 川南地区五峰组龙马溪组快速海进页岩纵向分布 进（）和高位（）个体系域，对应于笔石带 至 下部，对应于 上部至 ，中部为最大海泛期（）。三级层序 对应于五峰组和观音桥层，可划分为 和 ，对应于笔石带 ，对应于笔石带 ；三级层序 对应于笔石带 ，可划分为 和 ，对应于笔石带 ，对应于笔石带 ；三级层序 对应于笔石带 ，可划分为 和 ，对应于笔石带 下部，对应于笔石带 上部；三级层序 对应于笔石带 ，可划分为 和 ，对应于笔石带 下部，对应于笔石带 上部；三级层序 对应于笔石带 。快速海进页岩分布于龙马溪组最底部，对应于笔石带 （图 ）。二级层序 可细分为早期海进、快速海进和晚期海进 个阶段，快速海进页岩形成于快速海进的阶段（，）。该套页岩是现阶段川南页岩气勘探开发的“甜点”，具有高石英含量、高孔隙度、高渗透率、高有机碳含量、高水平渗透率与垂直渗透率之比的特征（，）。快速海进页岩平面分布快速海进页岩在川南地区大面积分布。该套页岩直接覆盖于笔石带 之上，并被笔石带 、和 覆盖。在连井地层对比剖 面 井 井 上（图 ），井 至 井之间均有快速海进页岩分布，其完全覆盖于笔石带 之上，其上被笔石带 、和 逐渐超覆。在地震剖面 和 上（图 ），快速海进页岩与上覆层段 、和 一起形成连续的强波峰反射，整条剖面均可进行追踪对比，而下伏层段分布局限，仅局部可以追踪对比。快速海进页岩厚度为 ，由古隆起核部向中心逐渐增大（，）。在连井地层对比剖面 井 井上（图 ），页岩厚度由古隆起核部的 增至盆地中心的 ，自 古地理学报 年 月图 过 井 井连井剖面显示川南地区五峰组龙马溪组快速海进页岩分布 图 地震剖面展示川南地区五峰组龙马溪组快速海进页岩分布模式（地震剖面位置见图 ）（）第 卷第 期施振生等：川南地区上奥陶统下志留统五峰组龙马溪组快速海进页岩特征及有机质分布图 过 井 井连井剖面显示川南地区五峰组龙马溪组快速海进页岩分布 井厚度最大（）。在过 井 井连井地 层 对 比 剖 面 上（图 ），页 岩 厚 度 ，大安 井厚度最大（）。快速海进页岩的矿物组成快速海进页岩纹层和层理发育（图 ），主要矿物成分有石英