四川自貢地區(qū)五峰組—龍馬溪組下段古地貌刻畫及其油氣意義

王 同，張克銀，熊 亮，史洪亮，董曉霞，魏力民，溫真桃，歐陽嘉穗，李 斌，王浩宇

(1.中國石化 西南油氣分公司，成都 610016； 2.中國石化 西南油氣分公司 博士后工作站，成都 610016；3.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500)

四川盆地龍馬溪組是中國非常規(guī)頁巖氣勘探開發(fā)的主力層系[1-3]。威遠(yuǎn)—自貢地區(qū)龍馬溪組頁巖氣資源豐富，目前提交探明儲(chǔ)量約2 300×108m3，已由勘探全面轉(zhuǎn)向頁巖氣開發(fā)，在此過程中仍需要深化地質(zhì)認(rèn)識(shí)[4-5]。

晚奧陶世—早志留世川南地區(qū)位于川中古隆起、黔中古隆起、康滇古陸形成的三隆夾一坳的半閉塞海灣沉積格局[6-10]。研究區(qū)——自貢地區(qū)位于川中古隆起南側(cè)。五峰組分為上、下2段：下段(O3w1)為凱迪期溫室效應(yīng)導(dǎo)致海平面上升而沉積的黑色筆石頁巖，厚0.25～13 m，發(fā)育2個(gè)筆石帶WF2、WF3(沉積時(shí)限為2.46 Ma)；上段(O3w2，即觀音橋段)為赫南特早期冰川作用影響導(dǎo)致海平面下降[11-12]而沉積的相對(duì)淺水的介殼泥質(zhì)灰?guī)r，厚0～3 m，發(fā)育赫南特貝(沉積時(shí)限0.73 Ma)。龍馬溪組分為上、下2段：下段(S1l1)為早志留世海平面迅速上升后沉積的黑色筆石頁巖，頂部粉砂質(zhì)條帶較多，厚35.5～46.6 m，包含8個(gè)筆石帶LM1—LM8(沉積時(shí)限5.94 Ma)；上段(S1l2)為灰色、灰綠色頁巖，粉砂質(zhì)條帶較多，筆石少見，厚367.6～432.37 m，僅有筆石帶LM9(沉積時(shí)限0.36 Ma)[13](圖1)。

目前針對(duì)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖開展了較多沉積、儲(chǔ)層研究[14-19]，但對(duì)觀音橋段介殼灰?guī)r的研究較少，且研究集中在盆緣露頭區(qū)。由于地震分辨率有限，無法識(shí)別厚度僅為0.2～3 m的觀音橋段，只能結(jié)合鉆井巖心、薄片、測井、地化等資料對(duì)其進(jìn)行有效識(shí)別，因此在盆內(nèi)研究還十分薄弱。樊雋軒等[20]認(rèn)為揚(yáng)子地區(qū)古地貌并非整體平坦，局部存在水下高地。王玉滿等[21]認(rèn)為局部水下高地對(duì)頁巖氣勘探前景有重要影響。筆者在自貢地區(qū)A1井發(fā)現(xiàn)了五峰組缺失筆石帶WF3、WF4的地層及觀音橋段赫南特動(dòng)物群，但未見明顯侵蝕現(xiàn)象，不整合面上下地球化學(xué)特征中的主量及微量元素均表現(xiàn)為明顯的差異富集(圖2)。梁峰等[22]發(fā)現(xiàn)A205井同樣具有觀音橋段缺失的地質(zhì)現(xiàn)象，五峰組與龍馬溪組界面處具有明顯的侵蝕證據(jù)，呈假整合接觸，并推測A205井區(qū)存在古隆起，但并未對(duì)古隆起的存在依據(jù)、平面展布特征及對(duì)自貢地區(qū)頁巖厚度的影響進(jìn)行詳細(xì)論證。筆者通過巖心—測井—地震資料相結(jié)合，刻畫自貢地區(qū)五峰組—龍馬溪組下段古地貌，并明確了古地貌對(duì)優(yōu)質(zhì)頁巖沉積厚度的控制作用，以期為頁巖氣有利勘探區(qū)的優(yōu)選提供參考依據(jù)。

圖1 四川自貢地區(qū)位置及地層柱狀圖Fig.1 Location and stratigraphic section of Zigong area, Sichuan Province

圖2 四川自貢地區(qū)A1井龍馬溪組/五峰組不整合面特征a.LM1尖筆石, A1井, 第6回次, 75/79 (龍馬溪組)；b.WF2共軛雙筆石, A1井, 第6回次, 76/79 (五峰組)Fig.2 Unconformity between Wufeng and Longmaxi formations in well A1, Zigong area, Sichuan Province

1 觀音橋段缺失原因

錄井剖面中地層缺失的原因主要有3種：(1)斷層導(dǎo)致地層缺失；(2)沉積后遭受隆升剝蝕；(3)未接受沉積。根據(jù)巖心觀察及鉆錄井報(bào)告，結(jié)合地震解釋成果，A1井龍馬溪組/五峰組界面附近未見斷層、擦痕，可以排除由于地層錯(cuò)斷導(dǎo)致觀音橋段缺失的可能。通過自貢地區(qū)各井筆石帶的沉積厚度與年齡的標(biāo)定[23]，計(jì)算各筆石帶的沉積速率(圖3)。五峰組—龍馬溪組WF2—LM6筆石帶沉積速率介于0.9～7.2 m/Ma，平均值為3.6 m/Ma。通常深海沉積速率為1～5 m/Ma，半深海沉積速率為10～100 m/Ma[24]，五峰組—龍馬溪組WF2—LM6筆石帶為典型的深水陸棚饑餓沉積。穩(wěn)定的構(gòu)造背景是形成低沉積速率古環(huán)境的重要因素。中凱迪期—埃隆期受構(gòu)造活動(dòng)影響小，川中隆起、揚(yáng)子?xùn)|南緣處于構(gòu)造穩(wěn)定期，不存在構(gòu)造抬升，物源供給極少，沉積速率低，因此排除觀音橋段沉積后遭受隆升剝蝕的可能。相對(duì)海平面升降和古地貌才是影響地層發(fā)育的主要因素。

通過全球古氣候及地化資料分析，觀音橋段對(duì)應(yīng)的赫南特期為冰期，全球海平面下降。五峰組—龍馬溪組海相頁巖干酪根組分以腐泥型為主，有機(jī)質(zhì)碳同位素(δ13Corg)的相對(duì)輕重可以反映相對(duì)海平面升降[25]。為了驗(yàn)證自貢地區(qū)海平面變化與全球海平面變化的一致性，對(duì)自貢地區(qū)相序發(fā)育較全的A23井觀音橋段附近的有機(jī)質(zhì)碳同位素進(jìn)行系統(tǒng)采樣分析，同時(shí)與永川地區(qū)B2井、渝東地區(qū)YC1井[26]對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在五峰組—龍馬溪組之間的觀音橋段總體表現(xiàn)為明顯的正向偏移(圖4)。反映整個(gè)上揚(yáng)子地區(qū)均受全球冰期影響，相對(duì)海平面下降。

上述分析明確了自貢地區(qū)A1井及A205井觀音橋段的缺失是由于海平面下降導(dǎo)致古地貌高點(diǎn)暴露出海平面并未接受沉積。同時(shí)，五峰組黑色頁巖也可能遭受了一定程度的剝蝕。

圖3 四川自貢地區(qū)五峰組—龍馬溪組沉積速率A202井?dāng)?shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[17]。Fig.3 Deposition rate of Wufeng-Longmaxi formations in Zigong area, Sichuan Province

圖4 四川自貢地區(qū)五峰組—龍馬溪組有機(jī)質(zhì)碳同位素對(duì)比Fig.4 Organic carbon isotope correlation of Wufeng-Longmaxi formations in Zigong area, Sichuan Province

2 古地貌刻畫

觀音橋段缺失、五峰組減薄都與相對(duì)海平面升降和古地貌有直接關(guān)系，因此可以利用殘余厚度法恢復(fù)自貢地區(qū)古地貌。自貢地區(qū)觀音橋段巖性主要為灰黑色泥微晶介殼灰?guī)r，赫南特貝富集。A205井觀音橋段缺失，在筆石缺帶的界面處可見泥礫，反映五峰組頁巖遭受一定程度的剝蝕形成不整合面(圖5a)。通過筆石首現(xiàn)面可判斷在A1井第6回次75—76塊巖心斷面具有LM1/WF2尖筆石與共軛雙筆石之間的筆石缺帶特征，未見WF3—WF4五峰組黑色頁巖及富含赫南特貝的觀音橋段介殼灰?guī)r(圖2)。A23井薄片可見明顯的赫南特期腕足類化石(圖5b)，A29、A11井(圖5c)均可見明顯的赫南特貝灰?guī)r。A201井五峰組觀音橋段厚度相對(duì)較大(3 m)，測井特征較為明顯，自然伽馬、電阻率、密度等曲線均表現(xiàn)為箱型低值，明顯區(qū)別于上覆地層的指狀高值和下伏地層的齒狀低值，巖性掃描測井碳酸鹽礦物含量明顯增加。當(dāng)厚度小于1.5 m時(shí)，測井特征識(shí)別巖性具有一定的難度，自然伽馬、電阻率、密度等曲線均表現(xiàn)為指狀相對(duì)低值，與下伏地層測井齒狀低值特征并無明顯差異，巖性掃描測井響應(yīng)特征也并不明顯。巖電特征響應(yīng)均反映了水體突然變淺，灰質(zhì)含量增加，與赫南特期全球性海平面大幅下降的沉積背景一致。

在理清縱向地層演化序列的基礎(chǔ)上，通過自貢地區(qū)由西至東的連井剖面A201—A29—A35—A1—A205—A204—A206橫向厚度變化對(duì)比分析，五峰組、觀音橋段、龍馬溪組底部高伽馬段優(yōu)質(zhì)頁巖由西至東，沉積厚度呈厚—薄—厚變化特征(圖6)。龍馬溪組與五峰組黑色頁巖間的不整合面不易識(shí)別，僅能通過筆石斷帶進(jìn)行區(qū)分。在A1井和A205井受冰期海平面下降的影響觀音橋段缺失，未見富含赫南特貝的介殼灰?guī)r，通過WF2的共軛筆石識(shí)別出0.25～0.5 m厚的薄層五峰組黑色頁巖。相對(duì)海平面升降對(duì)于五峰組及觀音橋段橫向厚度變化具有明顯的控制作用，沉積厚度的減薄反映了A1井和A205井區(qū)必然存在局部低隆。

自貢低隆影響了自貢地區(qū)的可容納空間及相對(duì)古水深度，由于地震分辨率無法達(dá)到識(shí)別觀音橋段的精度，因此僅能通過鉆井、巖心進(jìn)行厚度標(biāo)定。五峰組及觀音橋段厚度展布可以在一定程度上反映自貢低隆的平面特征。由北西至南東東，五峰組及觀音橋段厚度均表現(xiàn)為厚—薄—厚的特征，A1和A205井區(qū)為水下低隆的核部，該低隆呈北東—南西向展布，向北西及南東過渡到低隆兩側(cè)(圖7)。除此之外，地震研究發(fā)現(xiàn)，志留系龍馬溪組上段—韓家店組為陸源碎屑大量注入的填平補(bǔ)齊的過程，對(duì)志留系頂部拉平處理，可以在一定程度上反映自貢低隆的特征。從過自貢低隆的地震剖面可見，龍馬溪組存在地層多期超覆現(xiàn)象(圖8)。五峰組上覆的龍馬溪組底部高伽馬段優(yōu)質(zhì)頁巖厚度由北西至南東也同樣表現(xiàn)出厚—薄—厚的特征，盡管自貢低隆位置具有一定程度的偏移，但也反映其對(duì)于沉積厚度依然具有一定的繼承性影響(圖9)。

圖5 四川自貢地區(qū)龍馬溪組/五峰組不整合面及觀音橋段特征Fig.5 Unconformity between Wufeng and Longmaxi formations and characteristics of Guanyinqiao Member in Zigong area, Sichuan Province

圖6 四川自貢地區(qū)五峰組地層對(duì)比Fig.6 Stratigraphic correlation of Wufeng Formation in Zigong area, Sichuan Province

圖7 四川自貢地區(qū)五峰組及觀音橋段厚度等值線Fig.7 Thickness isolines of Wufeng Formation and Guanyinqiao Member in Zigong area, Sichuan Province

3 自貢低隆沉積演化模式

通過對(duì)五峰組、觀音橋段及龍馬溪組底部高伽馬段時(shí)空分布關(guān)系的研究，總結(jié)自貢低隆沉積演化模式。五峰組下段黑色頁巖沉積期，受凱迪期溫巖，含大量筆石、放射蟲類，自貢低隆區(qū)形成S1l/O3w1室效應(yīng)影響，全球海平面上升造成洋底缺氧，發(fā)育黑色頁巖，含大量筆石、放射蟲類，僅受可容空間影響沉積厚度略有差異，自貢低隆區(qū)厚度最薄0.25～0.5 m，向東西兩側(cè)逐漸增厚至0.4～13 m。五峰組觀音橋段沉積期，受赫南特期冰室效應(yīng)影響，海平面迅速下降，海水溫度降低、鹽度升高，海洋環(huán)境遭受破壞，生物大量滅絕，為洋底提供了充足的有機(jī)質(zhì)。沉積黑色筆石頁巖逐漸相變?yōu)楸佑^音橋段冷水灰?guī)r，富含赫南特貝。相對(duì)海平面大幅下降造成自貢低隆區(qū)暴露出海面，并未沉積觀音橋段介殼灰?guī)r，五峰組黑色頁巖遭受一定程度的剝蝕，殘留厚度較薄。自貢低隆東西兩側(cè)正常發(fā)育觀音橋段，厚0.1～3 m。龍馬溪組下段底部沉積期，赫南特末期—魯?shù)て诒w迅速消融，導(dǎo)致海洋洋流減弱，緯向氣候分帶不明顯，深海部分相對(duì)較暖，含氧量較低，易形成滯流。少數(shù)穿越生物滅絕期物種大量繁殖發(fā)育，而冷水生物大量滅絕。發(fā)育黑色碳質(zhì)頁頁巖內(nèi)部的平行不整合面。該沉積期受自貢低隆古地貌的繼承性影響，沉積厚度由北西至南東表現(xiàn)為厚—薄—厚的特征(圖10)。

圖8 四川自貢地區(qū)地震剖面超覆特征Fig.8 Overlap features on seismic profile in Zigong area, Sichuan Province

圖9 四川自貢地區(qū)龍馬溪組高伽馬段厚度等值線Fig.9 Thickness isolines of high gamma ray value section of Longmaxi Formation in Zigong area, Sichuan Province

圖10 四川自貢低隆五峰組—龍馬溪組下段沉積模式Fig.10 Sedimentary model of Zigong low uplift in Wufeng Formation and Lower Member of Longmaxi Formation deposition period, Sichuan Province

4 油氣地質(zhì)意義

運(yùn)用殘余厚度法對(duì)五峰組觀音橋段古地貌進(jìn)行刻畫，明確了五峰組—龍馬溪組下段沉積期自貢地區(qū)存在以A1井—A205井為核部的北東—南西向展布的自貢低隆。黑色頁巖厚度是頁巖氣高產(chǎn)富集的重要影響因素之一，奧陶紀(jì)—志留紀(jì)之交為黑色優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育的主要時(shí)期，自貢低隆對(duì)黑色頁巖厚度具有明顯的控制作用。五峰組—龍馬溪組高伽馬段厚度存在以自貢低隆區(qū)A1井—A205井為中心向四周增厚的趨勢，因此自貢低隆區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚度明顯小于兩側(cè)低洼區(qū)，自貢低隆區(qū)兩側(cè)的低洼區(qū)域?yàn)橛欣碧絽^(qū)。

5 結(jié)論

(1)五峰組—龍馬溪組下段沉積期，自貢地區(qū)存在以A1井—A205井為核部的北東—南西向展布的低隆，稱為“自貢低隆”。

(2)建立了五峰組—龍馬溪組下段自貢低隆沉積演化模式，自貢低隆對(duì)黑色頁巖的沉積厚度具有一定的影響，五峰組及龍馬溪組高伽馬段厚度存在以自貢低隆區(qū)A1井—A205井為中心向四周增厚的趨勢。

(3)自貢低隆兩側(cè)的低洼區(qū)域五峰組及龍馬溪組高伽馬段厚度較大，為有利勘探區(qū)，反映古地貌對(duì)優(yōu)質(zhì)頁巖沉積厚度具有控制作用。在頁巖氣有利勘探區(qū)的優(yōu)選過程中，應(yīng)重視頁巖氣勘探區(qū)古地貌的刻畫。