滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段頁巖巖相與沉積環(huán)境

陳科洛，張廷山，梁興，張朝，王高成

1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學，成都 610500 2.西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500 3.中國石油浙江油田公司，杭州 310023

0 引言

近年來，非常規(guī)油氣的勘探和開發(fā)日益受到重視，而非常規(guī)油氣中的頁巖氣因其勘探潛力巨大作為上揚子地區(qū)的主要攻關方向。中國有機質頁巖類型多樣，主要包括陸相、海陸過渡相和海相三種類型[1-5]。海相頁巖中上奧陶統(tǒng)五峰組與下志留統(tǒng)龍馬溪組作為上揚子地區(qū)的有利層位，已有不少學者對其進行了微觀孔隙特征及發(fā)育控制因素、地球化學特征等方面的探討[6-9]。張春明等[10]對川東南—黔北地區(qū)龍馬溪組沉積微相進行研究后識別出泥質深水陸棚、砂泥質淺水陸棚、泥質淺水陸棚、砂質淺水陸棚、灰泥質淺水陸棚、灰質淺水陸棚、濁流沉積、臺地邊緣淺灘—生物礁濁流等八種沉積類型，泥質深水陸棚為烴源巖形成的主要沉積環(huán)境。金之鈞等[11]提出有機質孔作為頁巖氣富集的主要儲滲空間，高硅質含量具有較好的可壓性，高壓力系數指出頁巖氣具有較高程度的富集。鄒才能等[12]將四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組與美國Fort Worth 盆地Barnett頁巖進行了對比，發(fā)現在有效厚度、有機質豐度上具有一定的相似性，有機質類型為I型干酪根，熱演化程度已達到高成熟—過成熟階段。

頁巖巖相與沉積環(huán)境是研究頁巖氣的兩大基本要素。不同頁巖巖相的礦物組成、有機質豐度、古生物種屬等存在較大差異，同時巖相作為沉積環(huán)境的重要物質表現，可以反映沉積環(huán)境特征并對沉積模式的建立、頁巖氣評價及有利區(qū)域的識別與劃分起到重要作用。

1 地質背景

早奧陶世晚期到志留紀早期，由于華夏板塊與揚子板塊之間板塊相互擠壓產生匯聚作用，上揚子地臺整體處于擠壓應力環(huán)境，克拉通邊緣受擠壓普遍抬升，整體成為受限的沉積格局。受構造擠壓及等效海侵的影響，上揚子地臺晚奧陶世五峰組沉積了一套富含有機質的黑色、暗色筆石相頁巖，分布廣泛，厚度范圍為幾米到幾十米[10-11]。受岡瓦納古陸冰期的影響，五峰組頂部為一套介殼泥灰?guī)r、灰質泥巖，厚度普遍為幾十厘米，稱為觀音橋段[13]。早志留世龍馬溪組沉積期，在揚子克拉通上，構造—古地理表現為形成古隆起的高峰階段，隆起邊緣主要發(fā)育潮坪—淺水陸棚、深水陸棚環(huán)境。按垂向沉積特征，龍馬溪組可以分為上下兩段：下段于龍馬溪早期沉積，以黑色硅質、碳質頁巖和灰黑色鈣質泥巖組合為主，上段沉積于龍馬溪晚期，以灰綠、黃綠色泥巖、泥質粉砂巖和粉砂巖組合為主[10]。滇黔北地區(qū)區(qū)域構造上屬于揚子地塊構造域西南緣滇黔北坳陷[14]，中部為威信凹陷，北望四川盆地，西臨昭通凹陷，南毗滇東—黔中隆起區(qū)域[15](圖1)，其五峰組—龍馬溪組下段地層連續(xù)沉積并富含有機質，為本次研究的目的層段。

Chenetal.[16]建立了華南上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)(蘭多維列統(tǒng))底部生物地層系統(tǒng)的筆石帶劃分原則，后來為便于學者間交流，又建立了相應的筆石帶代碼[17]。伍坤宇等[18]據陳旭等提出的筆石帶劃分原則并通過筆石、腕足類生物化石鑒定種屬，建立了Y9井五峰組—龍馬溪組下段生物化石地層延限圖并發(fā)現：五峰組底部化石稀少且未發(fā)現化石帶種，頂部的觀音橋段地層以赫南特腕足動物群化石的首現和消失作為分帶標志，劃分出HF(赫南特動物群)帶。龍馬溪組下段從下到上分別處于N.perculptus帶、A.ascensus帶和P.acuminatus帶。底部在N.perculptus帶雖未發(fā)現標準化石N.perculptus，但雕筆石屬的Glyptograptuscf.Venustus與N.perculptus帶具有相關性[19]，因此研究區(qū)以Glyptograptuscf.Venustus和Glyptograptuslungmaensis的首現作為N.perculptus帶與下伏HF帶的分界標志，同時此界線也是五峰組與龍馬溪組的界線。N.perculptus帶之上的A.ascensus帶以標準的帶化石A.ascensus首現為開始，并以該化石的消失和P.acuminatus的首現為該帶結束的標志，該帶產出的筆石化石豐富，且種類分異度較高。最上部的P.acuminatus帶以帶化石P.acuminatus首現層位為底界，該帶內未鑒定出其上覆筆石帶有關聯的弓筆石屬的任何分支種類，無法確定其上界[18](圖2)。

圖1 滇黔北坳陷構造位置圖(A)及上揚子地區(qū)構造位置圖(B)(圖A據舒兵等，2016，有修改；圖B據徐政語等，2016，有修改)Fig.1 Location of Dianqianbei depression(A) and structure outline map of upper Yangtze area(B)( Figure(A) is after Shu, et al., 2016; Figure (B) is after Xu, et al., 2016)

2 頁巖巖相基本特征

與常規(guī)源儲分離的碎屑巖相比，頁巖通常為源儲一體的細粒碎屑沉積，以富含黏土、有機質、發(fā)育層狀頁理為特征，其巖相的地質特征體現在沉積巖石學、古生物學、元素地球化學等方面。不同環(huán)境下的單一巖相往往具有不同的地質響應，不同巖相類型與巖相組合在礦物組成、有機質含量、古生物化石、測井響應等方面也顯示出差異性。頁巖氣的“甜點區(qū)”往往發(fā)育特定的巖相類型與巖相組合。另外，具有相同或相似巖石學特征的頁巖可以形成于不同沉積環(huán)境體系中，但有機質含量、古生物化石、測井響應、微量元素指標等會在不同環(huán)境中有較大差異，因此，頁巖巖相的合理劃分及不同巖相的精細描述是頁巖巖相表征的關鍵所在[20]。

2.1 巖相劃分方案

受資料掌握情況限制，國內外對巖相的劃分具有各自不同的標準[21-24]。筆者認為，頁巖巖相的劃分，應針對特定的沉積環(huán)境，反映古水深、水動力與水化學條件、物源供給、古地貌等環(huán)境要素和地層典型的巖石類型與巖石組合。

頁巖地層中黏土礦物的大量出現通常指示沉積時期相對深水的弱水動力條件，石英、長石等碎屑礦物的含量對分析陸源碎屑的輸入起到一定的指示意義，而沉積時期碳酸鹽礦物的發(fā)育又往往意味著水體鈣離子與碳酸根離子濃度較大并與相對淺水環(huán)境存在密切聯系。因此，以石英+長石、方解石+白云石、黏土作為三端元組分的劃分方法能夠較好地反映頁巖地層中不同礦物類型及其比重關系，能夠代表有利的巖石類型及其組合并能從側面較為直觀地反映沉積水體條件從而對五峰組—龍馬溪組下段地層分析具有良好的指導意義[20](表1)。

依據滇黔北坳陷三口取芯井共50個全巖XRD資料點(Y9井16個、Y6井19個、Z4井15個)的分布特征，建立了研究區(qū)五峰組—龍馬溪組下段頁巖巖相劃分圖(圖3)。

在X衍射分析基礎上，結合區(qū)域地質資料并對滇黔北坳陷5口井進行巖芯觀察和薄片鑒定，共劃分出硅質頁巖、黏土質頁巖、鈣質頁巖、黏土質硅質混合頁巖、黏土質鈣質混合頁巖、鈣質硅質混合頁巖六種巖相。

圖2 滇黔北坳陷Y9井五峰組—龍馬溪組下段筆石及腕足類生物化石地層延限圖(據伍坤宇等，2016，有修改；筆石帶代碼據陳旭等，2015)Fig.2 Kinds and distribution of Graptolites and Brachiopods fossils of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation of Y9 well in Dianqianbei depression(after Wu, et al., 2016; Graptolite code is after Chen, et al., 2015)

表1 海相頁巖巖相劃分方案(據王玉滿等，2016[20])

2.2 頁巖巖相類型

2.2.1 硅質頁巖

呈灰黑色或黑色，滴酸不起泡。主要由石英、有機質、黏土礦物和微晶方解石與白云石組成，局部可見黃鐵礦(圖4a)，發(fā)育水平層理(圖4b)，可見筆石(圖4c)和放射蟲化石。石英+長石含量介于50%～75%，方解石+白云石含量一般小于30%，黏土礦物含量介于10%～50%，紋理發(fā)育，暗色有機質(含碳質)分布較均勻，與黏土礦物混合，形成暗色紋層。局部可見碎屑顆粒呈條帶狀順層富集，以石英碎屑為主，白云母碎屑次之，局部可見少量次圓狀碳酸鹽巖屑，形成淺色細紋層。石英粒徑為5～30 μm，表面光潔明亮，分選較好，磨圓呈次棱角—次圓狀。黃鐵礦粒徑相對較大，可達15～30 mm。有機質豐富，以分散狀分布于黏土礦物和顆粒之間，局部呈層狀(圖5a)，TOC含量介于1.36%～6.27%，平均值為4.06%。

該類頁巖主要分布于滇黔北坳陷北部和東北部地區(qū)，富含硅質和有機質，微細沉積構造發(fā)育表明沉積水動力較弱，屬于海水弱分層的缺氧、還原環(huán)境，為深水陸棚沉積。

2.2.2 黏土質頁巖

呈黑色，滴酸不起泡，致密堅硬。主要由黏土礦物、有機質(含碳質)(圖4d)和石英組成，多為塊狀構造和均質層理，偶見水平紋層，單層厚度多小于100 μm，筆石化石發(fā)育(圖4e)。石英+長石含量介于25%～50%，方解石+白云石含量不足30%，黏土礦物含量介于50%～75%(伊利石含量占72%～85%，綠泥石含量占15%～28%)。石英表面光潔明亮，分選較好，磨圓呈次棱角—次圓狀。局部可見長條狀順層裂縫，縫內為脈狀石英充填(圖5b)。暗色有機質(含碳質)豐富，分布較均勻，多與黏土礦物混合，或呈長條狀順層排列，亦或呈斑點狀分布(圖5c)，TOC含量介于1.75%～6.15%，平均值為3.23%。

該類頁巖主要分布于滇黔北坳陷北部和東北部地區(qū)，富含黏土礦物和有機質，與硅質頁巖相比，石英含量明顯減少，但同樣缺乏生物擾動構造和微細層理的發(fā)育同樣指示弱水動力沉積、缺氧、還原環(huán)境，為深水陸棚沉積。

2.2.3 鈣質頁巖

呈黑色或灰黑色，滴酸微弱起泡，致密堅硬，以鈣質膠結為主且膠結程度良好，偶見裂縫發(fā)育。主要由粉—細晶方解石、細晶白云石、黏土礦物、有機質與少量石英組成(圖5d)。石英+長石含量小于33%，方解石+白云石含量介于50%～75%，黏土礦物含量為25%～50%(伊利石含量占73%～81%，綠泥石含量占19%～27%)。方解石和白云石呈分散狀分布于黏土礦物和有機質之間，分選中等，磨圓呈次棱角—次圓狀。有機質呈分散狀或不規(guī)則線狀與黏土礦物混合，TOC含量介于0.85%～2.03%，平均值為1.34%。

圖3 滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段頁巖巖相劃分(圖(A)據王玉滿等，2016)Fig.3 Lithofacies classification of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression(Figure (A) is after Wang, et al., 2016)

a.硅質頁巖，可見黃鐵礦結核，Y9井，五峰組，2 204.26 m；b.硅質頁巖，發(fā)育水平層理，Y9井，龍馬溪組，2 186.59 m；c.硅質頁巖，可見筆石化石，Y9井，五峰組，2 202.72 m；d.黏土質頁巖，含大量碳質有機質，Y9井，五峰組，2 205.50 m；e.黏土質頁巖，見筆石化石，Y9井，龍馬溪組，2 196.07 m；f.黏土質鈣質混合頁巖，呈灰色，發(fā)育水平層理，Z4井，龍馬溪組，2 027.05～2 028.37 m；g.黏土質鈣質混合頁巖，呈深灰色，發(fā)育水平層理，Z4井，龍馬溪組，2 029.48～2 029.77 m；h.鈣質硅質混合頁巖，灰黑色泥巖與深灰色灰質泥巖、泥灰?guī)r呈不等厚薄互層，Y6井，龍馬溪組，1 197.54～1 205.80 m圖4 滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段巖芯照片Fig.4 Core pictures of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression

a.硅質頁巖，石英呈條帶狀順層富集，Y8井，五峰組，2 513.04 m；b.黏土質頁巖，富含暗色有機質，見裂縫，縫內為石英充填，Y8井，龍馬溪組，2 507.96 m；c.黏土質頁巖，暗色有機質呈斑點狀分布，Y9井，龍馬溪組，2 178.28 m；d.鈣質頁巖，粉—細晶方解石和白云石呈分散狀分布于有機質和黏土礦物之間，Y9井，龍馬溪組，2 199.80 m；e.黏土質硅質混合頁巖，黏土礦物與有機質混合，石英呈條帶狀順層富集，Y9井，龍馬溪組，2 163.07 m；f.黏土質鈣質混合頁巖，粉晶方解石和白云石呈分散狀或條帶狀富集，C1井，龍馬溪組，1 788.11 m；g.黏土質鈣質混合頁巖，暗色有機質和黏土礦物豐富，見介殼化石，Y9井，五峰組，2 205.21 m；h.鈣質硅質混合頁巖，粉晶方解石、白云石和石英呈分散狀分布于黏土礦物和有機質之間，Y9井，龍馬溪組，2 164.08 m；i.鈣質硅質混合頁巖，石英、粉晶方解石和白云石呈分散狀分布，見裂縫，裂縫內被石英充填，Y9井，龍馬溪組，2 168.01 m圖5 滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段鏡下照片Fig.5 Microscope pictures of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression

該類頁巖主要分布于滇黔北坳陷北部和西部地區(qū)，黏土礦物和有機質含量與硅質頁巖、黏土質頁巖相比明顯偏低，屬于弱氧化—弱還原條件與相對淺水、較強水動力環(huán)境，為淺水陸棚沉積。

2.2.4 黏土質硅質混合頁巖

呈黑色，滴酸不起泡，致密堅硬，以硅質膠結為主且膠結程度良好。主要由石英、黏土礦物和有機質組成，水平紋層發(fā)育，單層厚度約10～30 μm(圖5e)。石英+長石含量介于30%～50%，方解石+白云石含量小于33%，黏土礦物含量介于30%～50%(伊利石含量占90%以上，綠泥石含量小于10%)。黏土礦物分布較均勻，主要呈分散狀，或與暗色有機質(含炭屑)混合，形成暗色紋層。石英呈條帶狀順層富集，局部可見少量次圓狀碳酸鹽巖屑和白云母碎屑，形成淺色細紋層。石英顆粒表面光潔明亮，分選較好，磨圓呈次棱角—次圓狀，粒徑為5～30 μm。有機質較豐富，TOC值介于1.68%～6.21%，平均值為2.71%。

該類頁巖主要分布在滇黔北坳陷北部和東北部地區(qū)，為黏土質頁巖和硅質頁巖的過渡類型，屬于混合頁巖相。有機質較為豐富，為深水陸棚沉積。

2.2.5 黏土質鈣質混合頁巖

呈灰色或深灰色(圖4f，g)，滴酸極微弱起泡，致密堅硬，以鈣質膠結為主且膠結程度良好(圖5f)。主要由黏土礦物、有機質、粉晶方解石與白云石和少量石英組成，發(fā)育水平層理，具泥質結構，局部可見介殼化石(圖5g)。石英+長石含量小于30%，方解石+白云石含量介于30%～50%，黏土礦物含量介于30%～50%(伊利石含量占76%～87%，綠泥石含量占13%～24%)。方解石和白云石部分呈分散狀分布于黏土礦物和有機質之間，部分充填于裂縫之中，分選較好，磨圓為次棱角—次圓狀。有機質較豐富，主要呈分散狀分布于黏土礦物和顆粒之間，TOC含量介于0.28%～5.90%，平均值為1.79%。

該類頁巖主要分布于滇黔北坳陷北部地區(qū)，為黏土質頁巖和鈣質頁巖的過渡類型，屬于混合頁巖相，有機質含量介于黏土質頁巖和鈣質頁巖之間，為淺水陸棚和深水陸棚過渡沉積。

2.2.6 鈣質硅質混合頁巖

呈深灰色或灰黑色，滴酸極微弱起泡，以鈣質、硅質膠結為主且膠結良好，裂縫發(fā)育，巖芯上局部可見灰黑色泥巖與深灰色灰質泥巖、泥灰?guī)r呈不等厚薄互層(圖4h)。主要由石英、粉晶方解石與白云石、有機質和少量黏土礦物組成。石英+長石含量介于30%～50%，方解石+白云石含量介于30%～50%，黏土礦物含量小于33%(伊利石含量大于90%，綠泥石含量小于10%)。石英、方解石和白云石主要呈分散狀分布于有機質中(圖5h)，局部充填于裂縫中(圖5i)，分選較差，磨圓呈次棱角狀。有機質呈線狀或球粒狀分散分布，TOC含量介于0.28%～5.90%，平均值為1.85%。

該類頁巖主要分布于滇黔北坳陷北部地區(qū)，為鈣質頁巖和硅質頁巖的過渡類型，屬于混合頁巖相，有機質含量介于鈣質頁巖和硅質頁巖之間，為淺水陸棚和深水陸棚過渡沉積。

3 沉積環(huán)境

生物地層學的方法是奧陶系與志留系解決黑色頁巖井下地層劃分與對比最為有效的手段之一[17]。不同的水下條件往往發(fā)育不同的生物組合，而生物化石的保存、巖相類型與水下環(huán)境密不可分，因此巖相與生物帶的匹配關系對沉積環(huán)境分析會起到指導性作用。

研究區(qū)五峰組地層厚度較薄，底部D.complexus帶、P.pacificus帶、N.extraodinarius帶巖相以黏土質頁巖、硅質頁巖、黏土質鈣質混合頁巖三者組合為特征，反映深水陸棚環(huán)境；頂部觀音橋段HF(赫南特動物群)帶主要發(fā)育鈣質頁巖相，與淺水陸棚環(huán)境匹配；龍馬溪組下段整體以硅質頁巖和黏土質頁巖為主要巖相，鈣質頁巖、黏土質硅質混合頁巖、黏土質鈣質混合頁巖、鈣質硅質混合頁巖為次要巖相，其中N.perculptus帶以鈣質頁巖、黏土質鈣質混合頁巖二者組合為特征；A.ascensus帶主要發(fā)育黏土質頁巖相；P.acuminatus帶以硅質頁巖和黏土質頁巖連續(xù)分布，黏土質鈣質混合頁巖、黏土質硅質混合頁巖、鈣質硅質混合頁巖三者組合為特征，與深水陸棚環(huán)境匹配(表2)。

表2 巖相與生物帶縱向匹配關系

3.1 氧化還原條件

高豐度有機質頁巖的形成取決于有機質生成條件和保存環(huán)境。地球化學示蹤是追溯巖相與古環(huán)境的有利手段，其中微量元素指標已被廣泛用于沉積環(huán)境分析，如Mo元素為氧化還原敏感元素[25-26]，V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co和U/Th可以作為沉積古環(huán)境的判別標志[27-28]， V/(V+Ni)>0.50、V/Cr>4.25、Ni/Co>7.00、U/Th>1.25指示厭氧沉積環(huán)境；0.45

研究發(fā)現：Y9井V/(V+Ni)介于0.39～0.76，平均值為0.64；V/Cr介于1.69～7.15，平均值為4.40；Ni/Co介于3.89～10.38，平均值為7.91；U/Th介于0.52～2.41，平均值為1.57(表3)，其中Ni-Co、U-Th之間存在較為良好的線性相關性，V-Ni、V-Cr線性相關性較差，微量元素指標豐度大小關系大致為：V>Ni>Cr>Mo>U>Th>Co。五峰組—龍馬溪組下段地層總體沉積于低能、滯留、局限的厭氧環(huán)境，平均水體溶氧量<0.1 mL/L(表4)，與深水陸棚環(huán)境匹配。由于赫南特期古海洋發(fā)生了劇烈動蕩[18]，Mo、V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co和U/Th指標數值在觀音橋段明顯降低。

表3 Y9井五峰組—龍馬溪組下段微量元素含量

圖6 Y9井五峰組—龍馬溪組下段氧化還原指標與巖相分布Fig.6 Oxidation and reduction indexes and distribution of lithofacies in Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation on Well Y9

3.2 沉積模式

中奧陶世以后，由于加里東運動的影響，上揚子地區(qū)古地理格局表現為隆起區(qū)的擴大，海平面相對上升。晚奧陶世時期，雪峰隆起、川中隆起、黔中隆起已經出露海平面，上揚子地塊成為局限海盆，形成大面積缺氧、低能、欠補償環(huán)境[32]。到早志留世，古隆起進入發(fā)育的高峰期，陸地邊緣被高度擠壓，造山運動強烈，黔中隆起范圍不斷擴大，與川中隆起、武陵隆起、雪峰隆起及苗嶺隆起基本相連，形成了滇黔桂地區(qū)最大的隆起帶，海域逐漸縮小變淺，沉積分異作用加劇，總體形成了五峰組—龍馬溪組地層細粒碎屑沉積[10]。

在區(qū)域上，華南海成為褶皺帶，產生強烈的向北西方向擠壓作用，華夏古陸急劇擴大， 并與康滇古陸、滇黔桂古陸連成一片形成面積巨大的江南古陸，構成研究區(qū)晚奧陶世—早志留世沉積充填的主要物源區(qū)，也是滇黔北地區(qū)差異升降、沉積相分異的原因[33]。

五峰早期快速海侵的發(fā)生[13]，使研究區(qū)大面積處于深水陸棚環(huán)境；晚期短暫的海退，海平面位置相對較低，形成局部地區(qū)觀音橋段淺水介殼泥灰?guī)r沉積。龍馬溪早期，黔中隆起持續(xù)隆升，古氣候階段由冰期過渡為間冰期，岡瓦納冰蓋融化、海平面急速上升，總體形成五峰期—龍馬溪早期黔中隆起、潮坪、淺水陸棚、深水陸棚由南向北呈環(huán)帶狀分布并以深水陸棚占主導的沉積格局。淺水陸棚為平均海平面以下、風暴浪基面以上區(qū)域，處于常氧—貧氧環(huán)境，隆起帶為水下古地貌凸起區(qū)域，以機械沉積作用為主，沉積產物主要為泥質砂巖和砂質泥巖；向海延伸區(qū)以化學、生物沉積作用為主，沉積產物主要為頁巖、硅質頁巖及鈣質頁巖，其中鈣質頁巖、鈣質硅質混合頁巖、黏土質鈣質混合頁巖為主要巖相。深水陸棚為風暴浪基面以下區(qū)域，處于厭氧環(huán)境，以機械、生物沉積作用為主，沉積產物主要為頁巖和硅質頁巖，其中黏土質頁巖與硅質頁巖為主要巖相，局部發(fā)育黏土質硅質混合頁巖相(圖7)。

4 巖相與沉積環(huán)境對頁巖氣富存的影響

4.1 巖相對頁巖氣富存的影響

不同巖相往往具有不同的礦物組成、古生物種屬與有機質含量。頁巖有機質往往大量吸附于黏土礦物表面[34]，也可以賦存于原生方解石、白云母的解理縫中[35]。王志峰等[21]指出五峰組—龍馬溪組頁巖TOC含量與巖相類型存在一定的對應關系。李延鈞等[36]依據有機質含量的劃分標準對四川盆地南部龍馬溪組巖石類型與礦物組分進行了分類統(tǒng)計并提出TOC含量大于4.0%的頁巖主要為碳質硅質頁巖與含粉砂(含鈣)碳質頁巖。牟傳龍等[37]提出黑色頁巖隨陸源碎屑、碳酸鹽礦物含量的增加，TOC含量隨之下降。

滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段TOC含量最高的代表性巖相為黏土質頁巖和硅質頁巖。黏土質頁巖富含大量黏土礦物，而黏土礦物對甲烷氣體具有較強的吸附能力以及礦物間有機質孔隙的發(fā)育為頁巖氣富集提供了有利的場所。古生代硅質頁巖主要存在兩種成因：一為陸源碎屑成因，是指富含石英、長石等礦物的松散沉積物由物源搬運至水下沉積形成的一類頁巖，往往TOC含量較低；二為生物成因，是指微生物活動參與沉積、成巖建造所形成的富含硅質成分的一類頁巖。趙建華等[31]指出頁巖中生物成因的礦物主要來自生活在透光帶的浮游生物與海底的底棲生物，在古生代浮游生物形成的殼體往往富含硅質成分，硅質頁巖中的微晶石英可能是硅質生物在成巖過程中轉化的產物，往往TOC含量較高。研究區(qū)硅質頁巖發(fā)育放射蟲等生物化石與高有機質豐度的特點指示其應屬于生物成因并在快速海侵的作用下形成于深水環(huán)境，高TOC含量為頁巖氣的形成與富集創(chuàng)造了有利的先決條件。

圖7 滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段沉積模式Fig.7 The sedimentary pattern of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression

4.2 沉積環(huán)境對頁巖氣富存的影響

沉積環(huán)境是頁巖巖相發(fā)育與有機質生成和保存的場所，不同沉積環(huán)境往往具有不同的有機質豐度并發(fā)育不同的巖相類型與巖相組合。

低能、滯留、局限的缺氧環(huán)境是有機質富集和保存的重要場所。付小東等[38]指出欠補償的深水盆地、深水陸棚、臺內凹陷等沉積環(huán)境是海相優(yōu)質烴源巖形成的有利場所，同時由于較少受到陸源碎屑的影響，水體相對較深，表層生物的大量繁殖易于形成硅質頁巖或鈣質頁巖，二者富含脆性礦物，有利于頁巖進行水力壓裂。有機質由植物光合作用產生，在常氧條件下易被氧化分解而難以保存。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組下段以深水陸棚環(huán)境占主導并處于厭氧條件，有機質形成時水體較為平靜，少或無底棲生物擾動，大部分有機質得以保留。李雙建等[39]提出TOC含量是缺氧條件識別的有利指標，川南及鄰區(qū)縱向上由下往上顯示出逐漸降低的趨勢，平面上由盆地中心向隆起區(qū)亦逐漸減少，二者較為直觀地說明水體還原缺氧環(huán)境是有機質保存的重要條件。

快速海侵對有機質保存起到了重要作用。肖開華等[40]指出海侵初期對陸源碎屑的注入起到一定程度的抑制作用。五峰早期與龍馬溪早期快速海侵的發(fā)生使海平面處于高位并以大面積厭氧的深水陸棚環(huán)境為主。同時高豐度黑色頁巖主要形成于海侵早期而不是海侵最高位，海侵后期由于海水循環(huán)，深層海水和表層海水的長時間混合將表層的氧氣帶入深水，同時隨著陸源碎屑的輸入，厭氧環(huán)境遭到一定程度的破壞，有機質保存條件變差[38]。低豐度有機質頁巖往往欠發(fā)育有機質孔隙，不利于頁巖氣的形成與富集。

5 結論

(1) 根據礦物組成及含量分析，識別出硅質頁巖、黏土質頁巖、鈣質頁巖、黏土質硅質混合頁巖、黏土質鈣質混合頁巖、鈣質硅質混合頁巖六種巖相。硅質頁巖與黏土質頁巖TOC含量明顯高于其余四種巖相。

(2) 綜合各項氧化還原指標表明：五峰期—龍馬溪早期深水陸棚處于低能、滯留、局限的厭氧條件。Ni-Co、U-Th之間存在較為良好的線性相關性，V-Ni、V-Cr線性相關性較差，Mo元素含量與四川盆地五峰組—龍馬溪組下段均值相當。

(3) 滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段沉積整體處于被滇黔桂隆起帶所圍限的局限海域，形成黔中隆起、潮坪、淺水陸棚、深水陸棚整體由南向北呈環(huán)帶狀分布的格局。五峰早期和龍馬溪早期快速海侵的發(fā)生，使深水陸棚成為五峰組—龍馬溪組下段的主要沉積環(huán)境。

(4) 黏土質頁巖和硅質頁巖是研究區(qū)有機質豐度最高的兩種代表性巖相。黏土質頁巖中大量的黏土礦物對甲烷氣體具有較強的吸附能力以及礦物間有機質孔隙的發(fā)育為頁巖氣富集提供了有利的場所。生物成因的硅質在快速海侵的作用下形成于深水環(huán)境，陸源碎屑輸入少，高TOC含量為頁巖氣的形成與富集創(chuàng)造了有利的先決條件。

(5) 不同的沉積環(huán)境往往發(fā)育不同的巖相類型與巖相組合。低能、滯留、局限的缺氧環(huán)境是有機質富集和保存的重要場所，快速海侵對有機質保存起到了重要作用。

致謝 感謝審稿專家對本文提出的寶貴意見，李季林博士在寫作中給予的指導與幫助。