陸棚相黑色泥巖發(fā)育特征、沉積演化及頁(yè)巖氣勘探前景
——以甕安永和剖面牛蹄塘組為例

梁 超， 姜在興， 郭 嶺， 楊鐿婷

( 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院,北京 100083 )

0 引言

近年來(lái)，隨著全球能源的供需失衡及對(duì)清潔能源需求的不斷擴(kuò)大、天然氣價(jià)格的不斷上漲，頁(yè)巖氣在非常規(guī)天然氣中異軍突起，其勘探開(kāi)發(fā)正由北美向全球擴(kuò)展, 已成為全球非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的新亮點(diǎn)[1].中上揚(yáng)子地區(qū)古生代發(fā)育3套海相黑色泥巖[2-4]，筆者選取黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色泥巖為研究對(duì)象.近年來(lái)，人們研究黔北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組巖性特征、沉積環(huán)境、層序地層、成因等，認(rèn)為沉積環(huán)境是缺氧還原的環(huán)境[5].陳蘭[6]、袁宏等[7]從地球化學(xué)元素角度探討牛蹄塘組黑色泥巖的沉積環(huán)境及海平面變化.楊劍等[8]通過(guò)古地溫研究判定黔北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色巖系的受熱溫度介于60～250 ℃之間，同時(shí)認(rèn)為黑色頁(yè)巖的主要成因模式[9]：熱鹵水+火山噴發(fā)物+地外物質(zhì)模式；海底熱泉或其他陸源等未定型模式；同生沉積和表生熱液模式；海相熱水成因的多階段模式.未見(jiàn)就牛蹄塘組沉積環(huán)境對(duì)有機(jī)質(zhì)富集的影響，以及該層段黑色泥頁(yè)巖的頁(yè)巖氣勘探前景的研究，筆者通過(guò)“點(diǎn)—線(xiàn)—面”三位一體的方法并結(jié)合有關(guān)測(cè)試結(jié)果，揭示其沉積特征和沉積環(huán)境演化，分析陸棚環(huán)境對(duì)黑色泥巖沉積特征、分布特征、有機(jī)質(zhì)保存的影響及對(duì)頁(yè)巖氣勘探的指導(dǎo)意義.

1 頁(yè)巖發(fā)育環(huán)境

淺海陸棚位于近濱外側(cè)至大陸架坡折之間,其上限位于正常浪基面附近，下限水深以下至水深一般不大于200 m的陸棚坡折帶之間[10].根據(jù)陸棚的水深和水動(dòng)力條件,劃分為淺水陸棚和深水陸棚.淺水陸棚發(fā)育的寒武系牛蹄塘組，主要為一套黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等細(xì)粒沉積，沉積物顏色以黑色和灰色為主.

1.1 淺水陸棚

淺水陸棚處于濱外浪基面之下至風(fēng)暴浪基面之上的淺海陸棚區(qū),沉積物以砂泥為主，其次為碳酸鹽巖.由于水深較淺，水體動(dòng)蕩，常常間歇性地受到風(fēng)暴、潮流和海流的影響,砂質(zhì)沉積物常常被改造成席狀砂、灘壩.淺水陸棚是一高能沉積環(huán)境，根據(jù)沉積特征水體識(shí)別主要以砂質(zhì)沉積物為主的砂質(zhì)陸棚及以泥質(zhì)沉積為主的泥質(zhì)陸棚.在研究區(qū)內(nèi)，淺水陸棚主要沉積黑色泥巖、灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖(見(jiàn)圖1)，顏色以深灰色、灰色、黑色為主，發(fā)育塊狀層理、水平層理.

1.2 深水陸棚

深水陸棚處于陸棚靠大陸斜坡一側(cè)、風(fēng)暴浪基面以下的淺海區(qū).由于水深相對(duì)較深，能量低，水體安靜，沉積物常常以粒細(xì)的黑色巖系為典型特征.研究區(qū)深水陸棚主要發(fā)育于下寒武統(tǒng)牛蹄塘組底部，是一套以黑色泥巖、黑色炭質(zhì)頁(yè)巖、黑色硅質(zhì)巖為主的細(xì)粒沉積(見(jiàn)圖1)，發(fā)育水平層理.這套細(xì)粒黑色巖系具有分布廣、厚度大、質(zhì)純的特點(diǎn)，形成于較深水環(huán)境下的還原環(huán)境，富含有機(jī)質(zhì).

圖1 沙道溝剖面淺水陸棚(圖(a)～(b))和永和剖面深水陸棚(圖(c)～(d))泥頁(yè)巖特征

2 沉積環(huán)境演化

2.1 區(qū)域地質(zhì)概況

永和剖面位于貴州東部，大地構(gòu)造上位于上揚(yáng)子地臺(tái)南緣(見(jiàn)圖2)，其構(gòu)造演化與揚(yáng)子地臺(tái)的區(qū)域構(gòu)造演化具有一致性.

受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，黔北地區(qū)褶皺、斷裂構(gòu)造非常發(fā)育.褶皺以北東向或北北東向展布為主；古斷裂活化現(xiàn)象普遍，造成不同走向的斷裂切割關(guān)系復(fù)雜[11-12].根據(jù)黔北地區(qū)構(gòu)造變形特征，該區(qū)以擠壓變形為主，兼有走滑的性質(zhì).由于受不同時(shí)期構(gòu)造長(zhǎng)期的相互干擾和疊加，形成目前區(qū)內(nèi)所見(jiàn)褶皺、斷層發(fā)育、組合形態(tài)復(fù)雜的構(gòu)造景觀.

該區(qū)在震旦系沉積厚套白云巖系，覆蓋在白云巖之上的為下寒武牛蹄塘組或與之對(duì)應(yīng)的渣拉溝組,為一套黑色頁(yè)巖.此外，在該區(qū)西南部還沉積灰色—黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖.覆蓋于黑色頁(yè)巖之上的為明心寺組砂頁(yè)巖.目的層下寒武統(tǒng)牛蹄塘組主要出露于研究區(qū)東南部，西北部大多被剝蝕，出露較少.

圖2 黔北地區(qū)構(gòu)造綱要

圖3 甕安永和剖面綜合分析

2.2 垂向演化

永和剖面位于甕安縣城東部，該剖面目的層為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，剖面底部為震旦系燈影組白云巖，頂部為下寒武統(tǒng)明心寺組灰?guī)r，其剖面綜合分析結(jié)果見(jiàn)圖3.寒武系牛蹄塘組與震旦系分界線(xiàn)以白云巖向硅質(zhì)巖的轉(zhuǎn)換為界，燈影組發(fā)育淺灰-灰色白云巖，可見(jiàn)明顯的風(fēng)化作用導(dǎo)致的“刀砍紋”現(xiàn)象；牛蹄塘底部發(fā)育灰色-深灰色硅質(zhì)巖.

根據(jù)野外露頭資料，把牛蹄塘組地層劃分為1個(gè)三級(jí)層序，包括海侵體系域和高位體系域.

(1)海侵體系域.位于50～105 m層段，巖性以黑色泥巖為主，黑色薄層炭質(zhì)泥巖夾少量薄層粉砂質(zhì)泥巖，發(fā)育塊狀層理和水平層理，底部為一套硅質(zhì)巖沉積.海侵體系域主要為一套深水環(huán)境下的黑色泥巖沉積，此時(shí)可容空間的增大速度略大于沉積物的供給速率，形成一套退積的準(zhǔn)層序組.在剖面中薄層的粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，是由海平面的波動(dòng)造成的，即在三級(jí)旋回中海平面在總體上升的背景下出現(xiàn)短暫的下降，可以預(yù)見(jiàn)海平面上升是“階梯式”或者周期性上升的.在體系域的分界處，泥巖顏色為黑色，巖性較純，為薄層狀的黑色泥巖，把這種黑色質(zhì)純的泥巖當(dāng)做“密集段”沉積，即最大海泛面的位置.海侵體系域劃分2個(gè)退積準(zhǔn)層序組，發(fā)育黑色泥巖及黑色粉砂質(zhì)泥巖，為淺海深水陸棚沉積.

(2)高位體系域.位于10～50 m層段，底部以黑色泥巖為主，往上逐漸變化為深灰色泥巖，同時(shí)粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖含量逐漸增多，顏色變淺，在地層剖面上可以看到明顯的進(jìn)積序列，反映水體深度變淺的過(guò)程，即海平面的相對(duì)下降過(guò)程.總體來(lái)看，海侵體系域后期，伴隨相對(duì)海平面的下降，形成一套向上變粗的高位體系域沉積體，其又可細(xì)分為2個(gè)準(zhǔn)層序組.準(zhǔn)層序組1主要為深灰色泥巖和深灰色粉砂質(zhì)泥巖，向上粉砂質(zhì)含量相對(duì)增多，為淺海淺水陸棚沉積；準(zhǔn)層序組2主要為深灰色泥質(zhì)粉砂巖，深灰色粉砂質(zhì)泥巖和灰色粉砂質(zhì)泥巖，為淺海砂質(zhì)陸棚沉積.

2.3 連井(剖面)沉積相

在單井沉積劃分的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行層序地層格架內(nèi)的沉積相對(duì)比.由于該區(qū)資料有限，選擇北西-南東向和北東-南西向2個(gè)剖面，闡述研究區(qū)層序地層格架內(nèi)沉積相展布特征.

2.3.1 北東-南西向剖面

該剖面為北東-南西向連井(剖面)剖面，從西南向東北依次穿過(guò)開(kāi)陽(yáng)縣芭蕉寨剖面、甕安玉華剖面、余慶翁腳剖面、石阡縣客樓鎮(zhèn)剖面、江口縣德旺剖面、松桃林潮溝剖面和吉首默戎剖面(見(jiàn)圖4).

圖4 芭蕉寨-玉華-翁腳-客樓鎮(zhèn)-德旺-林潮溝-默戎剖面沉積相剖面

(1)海侵體系域.海侵體系域在西南部和北部偏西地區(qū)的剖面中發(fā)育相對(duì)較薄，最東部的吉首默戎厚度最大，西南的開(kāi)陽(yáng)縣芭蕉寨最薄，同時(shí)，沿該連井剖面方向偏北側(cè)的松桃林潮溝和江口縣德旺厚度較偏南側(cè)的永和薄.整體上海侵體系域以黑色泥巖、硅質(zhì)泥巖為主，松桃林潮溝海侵體系域中黑色粉砂質(zhì)泥巖厚度較大，離物源較近；西南部的開(kāi)陽(yáng)縣芭蕉寨還發(fā)育灰綠色粉砂質(zhì)泥巖、灰色粉砂質(zhì)泥巖，且所占比例很大，說(shuō)明芭蕉寨地區(qū)處在近物源方向.總體來(lái)看，海侵體系域時(shí)期整體為淺海沉積環(huán)境，根據(jù)黑色泥巖的厚度分布以及粉砂質(zhì)泥巖的厚度和在體系域中所占比例，該剖面的沉積中心位置在東南方向.

(2)高位體系域.高位體系域時(shí)期，隨著相對(duì)海平面的逐漸下降，在西南地區(qū)的芭蕉寨頂部沉積一套以泥質(zhì)粉砂巖為主的淺海陸棚砂質(zhì)沉積體，底部是以黑色粉砂質(zhì)泥巖為主的淺水陸棚沉積體；玉華地區(qū)沉積套黑色-灰黑色泥巖，隨著海平面的下降，向上泥巖顏色變淺；石阡客樓高位體系域底部沉積一套以灰黑色粉砂質(zhì)泥巖為主的淺水陸棚沉積，頂部發(fā)育以泥質(zhì)粉砂巖為主的砂質(zhì)陸棚沉積體，總體向上巖性粒度變粗，顏色變淺代表海平面的下降；林潮溝以黑色粉砂質(zhì)泥巖為主，此外還發(fā)育薄層泥質(zhì)粉砂巖，吉首地區(qū)發(fā)育以灰黑色粉砂質(zhì)泥巖和黑色泥巖為主的淺水陸棚沉積.總體來(lái)看，高位體系域時(shí)期，巖性呈現(xiàn)逆粒序、顏色向上變淺.發(fā)育以粉砂質(zhì)泥巖為主的淺水陸棚沉積，在芭蕉寨和石阡縣客樓鎮(zhèn)頂部還發(fā)育以泥質(zhì)粉砂巖為主的砂質(zhì)陸棚.

2.3.2 北西-南東向剖面

該剖面為北東-南西向連井剖面，從西南向東北依次穿過(guò)遵義松林剖面、湄潭梅子灣剖面、石阡縣客樓鎮(zhèn)剖面和鎮(zhèn)遠(yuǎn)清溪鎮(zhèn)剖面(見(jiàn)圖5).

圖5 松林-梅子灣-客樓鎮(zhèn)-鎮(zhèn)遠(yuǎn)清溪鎮(zhèn)剖面沉積相剖面

(1)海侵體系域.海侵體系域在西部偏西地區(qū)的剖面中發(fā)育相對(duì)較薄，向東部的石阡縣客樓鎮(zhèn)和鎮(zhèn)遠(yuǎn)清溪鎮(zhèn)厚度增加，最東部的清溪鎮(zhèn)厚度最大，自西向東水深加深，海平面上升.整體上海侵體系域以黑色泥巖、硅質(zhì)泥巖為主，東部的清溪鎮(zhèn)海侵體系域中黑色泥巖厚度較大，離物源較遠(yuǎn)；西部的遵義松林發(fā)育灰色粉砂質(zhì)泥巖，說(shuō)明松林地區(qū)處在近物源方向.總體來(lái)看，海侵體系域時(shí)期整體為淺海沉積環(huán)境，根據(jù)黑色泥巖的厚度分布以及粉砂質(zhì)泥巖的厚度和在體系域中所占比例，該剖面的沉積中心位置在東南方向.

(2)高位體系域.高位體系域時(shí)期，隨著相對(duì)海平面的逐漸下降，在西部地區(qū)的遵義松林剖面頂部沉積一套以灰色泥質(zhì)粉砂巖為主的淺海陸棚砂質(zhì)沉積體，底部是以黑色粉砂質(zhì)泥巖為主的淺水陸棚沉積體；石阡縣客樓鎮(zhèn)高位體系域底部沉積一套以灰黑色粉砂質(zhì)泥巖為主的淺水陸棚沉積，頂部發(fā)育以泥質(zhì)粉砂巖為主的砂質(zhì)陸棚沉積體，整體上巖性粒度變粗，顏色變淺代表海平面的下降；鎮(zhèn)遠(yuǎn)清溪鎮(zhèn)發(fā)育以灰黑色泥巖為主的淺水陸棚沉積.總體來(lái)看，高位體系域時(shí)期，巖性呈現(xiàn)逆粒序、顏色向上變淺.發(fā)育以粉砂質(zhì)泥巖為主的淺水陸棚沉積，在遵義松林和石阡縣客樓鎮(zhèn)頂部還發(fā)育以泥質(zhì)粉砂巖為主的砂質(zhì)陸棚.

海侵體系域地層厚度東南部相對(duì)較大，為該時(shí)期的沉降中心，黑色泥巖也是在東南部地區(qū)發(fā)育較厚，因此也是沉積中心所在處；高位體系域時(shí)期，地層厚度自東南厚度略有增大，說(shuō)明沉降中心向東南偏移，黑色和灰色泥巖總厚度也具有向東南增大的趨勢(shì)，因此沉積中心也向東南部有所遷移.此外，西南方向的開(kāi)陽(yáng)縣芭蕉寨粒度較粗，西南方向是近物源方向.

3 沉積相平面展布特征

3.1 地球化學(xué)元素

黃鐵礦在海盆中沉積具有規(guī)律性，隨著氧化還原作用的強(qiáng)弱，黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨還原性增強(qiáng)而增大[10,13-15].黃鐵礦是指示氧化還原條件的地化指標(biāo)，它與沉積環(huán)境的還原性有良好的相關(guān)性[10,15]，可以通過(guò)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化指示氧化還原條件，揭示水深變化.黔北地區(qū)黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)圖6(a).由圖6(a)可以看出，研究區(qū)黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)向工區(qū)東南部逐漸增加，表明向東南方向，水體還原性增強(qiáng)，水深加深.

伊利石是黏土礦物中較穩(wěn)定的繼承性礦物，其在黏土礦物中的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著搬運(yùn)距離的增加而增加[10,16-17].根據(jù)黔北地區(qū)伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試分析結(jié)果，黏土礦物中伊利石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有一定的趨勢(shì)性(見(jiàn)圖6(b)).總體來(lái)看，向工區(qū)東南部質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，在工區(qū)西部存在一個(gè)較小的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)凸體.因此，物源主要來(lái)自西北方向，在西部偏南方向存在凸起提供少量物源，導(dǎo)致西部出現(xiàn)伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高凸起.

圖6 黔北地區(qū)地球化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線(xiàn)分布特征

分析黃鐵礦及黏土礦物中伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，該區(qū)古地貌具有西北高、東南低的特點(diǎn)，水深向東南部加深，物源主要來(lái)自西北部，少量來(lái)自西南部.

3.2 沉積相展布

通過(guò)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)13條露頭剖面的各個(gè)體系域的地層厚度、黑色泥巖厚度、灰色粉砂質(zhì)泥巖厚度、灰色泥質(zhì)粉砂巖厚度，結(jié)合各種相標(biāo)志、單井相、露頭巖心相、剖面相及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，分析和劃分沉積相在平面上的展布.

(1)海侵體系域.海侵體系域沉積時(shí)期，水體相對(duì)較深，根據(jù)巖心相和露頭剖面特征，在單剖面沉積相劃分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行連井沉積體系劃分對(duì)比，由于海侵體系域主要發(fā)育黑色泥巖、少量灰色泥巖和灰色粉砂巖，結(jié)合黑色泥巖等厚圖和地層等厚圖等(見(jiàn)圖7)，作海侵體系域的沉積相圖(見(jiàn)圖8)，其沉積相類(lèi)型主要為砂質(zhì)陸棚、淺水陸棚沉積、深水陸沉積.砂質(zhì)陸棚主要出現(xiàn)在工區(qū)西部偏北方向；淺水陸棚出現(xiàn)于西北大部；深水陸棚分布于工區(qū)東南部，呈北西-南東走向.巖石類(lèi)型主要為黑色泥巖和灰色泥巖，在工區(qū)西南和西北發(fā)育少量粉砂質(zhì)泥巖.根據(jù)黑色泥巖等值線(xiàn)圖、地層厚度等值線(xiàn)圖，結(jié)合沉積體系平面展布可以看出,黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組海侵體系域沉積時(shí)期，沉積和沉降中心位于研究區(qū)的東南部，主要物源來(lái)自西北部.

(2)高位體系域.高位體系域時(shí)期，隨著相對(duì)海平面的下降，在工區(qū)陸棚砂體范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，淺水陸棚和深水陸棚向東南遷移，范圍縮小.由西北向東南方向依次為砂質(zhì)陸棚沉積、淺水陸棚沉積和深水陸棚沉積.砂質(zhì)陸棚主要出現(xiàn)在西部；淺水陸棚在工區(qū)內(nèi)大范圍分布，以北偏西為主；深水陸棚出現(xiàn)在工區(qū)東南部，水體仍然較深，根據(jù)黑色泥巖厚度等值線(xiàn)圖，高位體系域沉積時(shí)期，沉積中心仍然在工區(qū)的東南區(qū)域.

圖7 黔北地區(qū)地球化學(xué)元素厚度等值線(xiàn)分布特征

4 頁(yè)巖氣勘探前景

陸棚環(huán)境特別是深水陸棚，在該區(qū)地區(qū)牛蹄塘組發(fā)育厚套的黑色泥頁(yè)巖.牛蹄塘組沉積早期海平面處于較高位置，水體深度相對(duì)較深，主要發(fā)育厚套的細(xì)粒的沉積，黑色泥巖顏色深，質(zhì)純.由于水體安靜，水底為缺氧的還原環(huán)境，使有機(jī)質(zhì)被氧化而在水底大量保存，且有機(jī)質(zhì)成熟度較高.海侵體系域末期，隨著相對(duì)海平面的逐漸降低，形成一套以灰色泥巖、黑色泥巖和灰色粉砂質(zhì)泥巖為主的高位體系域沉積體，有利于形成頁(yè)巖氣聚集的黑色泥巖在海侵體系域時(shí)期，主要為深水陸棚沉積環(huán)境.根據(jù)頁(yè)巖氣成藏機(jī)理[18-21]，陸棚環(huán)境中深水陸棚是黑色泥巖發(fā)育的良好場(chǎng)所，在松桃林潮溝剖面中深水陸棚沉積一厚套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖.特別是深水陸棚環(huán)境沉積的黑色頁(yè)巖富含有機(jī)質(zhì)，孔隙大小為1～20 μm，微孔隙,縫寬為1～3 μm,長(zhǎng)為幾十微米不等(放大1 500倍)，且孔隙較多.根據(jù)全巖X線(xiàn)衍射分析、能譜分析及鏡下薄片觀察結(jié)果，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，林潮溝剖面樣品石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%.黑色頁(yè)巖具有較好的壓裂條件，有利于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)(見(jiàn)圖9).

圖8 沉積體系平面展布

圖9 松桃林潮溝剖面柱狀圖(左)及電鏡圖(右上，×1 500)、顯微組分(右下，×800)

5 結(jié)束語(yǔ)

陸棚環(huán)境特別是深水陸棚是黑色頁(yè)巖發(fā)育的有利環(huán)境.在永和剖面牛蹄塘組沉積時(shí)期，沉積環(huán)境主要為淺水陸棚和深水陸棚，在牛蹄塘組沉積早期主要發(fā)育深水陸棚沉積，隨著后期海平面的下降，水體變淺，發(fā)育淺水陸棚沉積.該區(qū)深水陸棚沉積的黑色頁(yè)巖粒度細(xì)、顏色深、巖性純且富含有機(jī)質(zhì).深水陸棚環(huán)境中黑色頁(yè)巖厚度較大，微觀上牛蹄塘組黑色頁(yè)巖富含有機(jī)質(zhì)且硅酸鹽含量較高易于壓裂.深水陸棚環(huán)境沉積的牛蹄塘組黑色頁(yè)巖為該區(qū)勘探重點(diǎn)區(qū)域.