海相頁巖綜合層序地層劃分及垂向分布特征——以川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組為例

王冠平，朱彤，王紅亮，吳靖，杜偉，馮動(dòng)軍, 王濡岳

1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)頁巖氣勘查與評(píng)價(jià)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 4.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

0 引言

隨著美國的Barnet頁巖，Marcellus頁巖和Woodford頁巖等頁巖氣藏勘探和開發(fā)的重大成[1-3]，對(duì)層序地層的研究由砂巖和碳酸鹽巖逐漸轉(zhuǎn)向富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積的頁巖。海相頁巖是細(xì)粒沉積巖的一種，細(xì)粒沉積巖是由“細(xì)粒物質(zhì)”組成的、粒徑<62 μm沉積巖。成分主要包含黏土礦物、粉砂、碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)等，其中，頁理發(fā)育的稱為頁巖，頁理不發(fā)育的稱為泥質(zhì)巖[4-6]。細(xì)粒沉積巖的“看似均質(zhì)性”的特征導(dǎo)致其層序地層學(xué)研究受限。深水體系也成為最難用層序地層學(xué)術(shù)語解釋的沉積體系之一[7]。姜在興等[6-7]提出以“成因控層”理論指導(dǎo)，將細(xì)粒沉積組分與層序主控因素相結(jié)合進(jìn)行層序地層劃分。在海相細(xì)粒沉積層序地層研究中，國外研究人員利用測(cè)井曲線，鉆井巖芯的巖性組合及變化以及地球化學(xué)參數(shù)等分別對(duì)頁巖進(jìn)行層序地層界面識(shí)別及層序劃分[8-9]。Zecchinetal.[9]認(rèn)為米尺度地層的相序變化需要根據(jù)沉積、微古生物、礦物以及成巖特征來定義一套標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分由相對(duì)海平面升降引起的相序演變。國內(nèi)學(xué)者們多利用筆石的等時(shí)性及反映水深等特點(diǎn)進(jìn)行生物地層劃分，其后結(jié)合巖芯、測(cè)井、地球化學(xué)等資料進(jìn)行層序地層劃分[10-11]。亦有學(xué)者根據(jù)露頭剖面的精細(xì)分析建立層序地層格架[12]。因此，針對(duì)深水細(xì)粒沉積巖統(tǒng)一的層序地層學(xué)研究方法并未系統(tǒng)建立。

我國對(duì)海相頁巖的層序地層學(xué)研究主要集中在上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)的五峰組—龍馬溪組黑色頁巖[12-16]。李一凡等[12]將渝東南地區(qū)的志留系劃分了8 個(gè)三級(jí)層序，對(duì)龍馬溪組龍一段劃為一個(gè)三級(jí)層序，劃出了海侵體系域和高位體系域；王玉滿等[10]對(duì)龍馬溪組頁巖劃分為SQ1和SQ2兩個(gè)三級(jí)層序，且Chenetal.[16]進(jìn)一步將龍馬溪組下段層序細(xì)分為海侵體系域、早期高位體系域和晚期高位體系域。王同等[13]認(rèn)為五峰組為一個(gè)三級(jí)層序，龍馬溪組由2個(gè)三級(jí)層序組成，并將每個(gè)三級(jí)層序進(jìn)一步劃分為海侵體系域和海退體系域；郭旭升[14]在五峰組—龍馬溪組龍一段識(shí)別出兩個(gè)三級(jí)層序，其中五峰組為一個(gè)三級(jí)層序，進(jìn)一步劃分出海侵體系域(五峰組下部黑色頁巖)和高位體系域(五峰組上部觀音橋段)；龍馬溪組龍一段作為一個(gè)三級(jí)層序，進(jìn)一步劃分出海侵體系域、早期高位和晚期高位體系域；張靖宇等[15]則進(jìn)一步在龍一段中的早期高位體系域、晚期高位體系域分別識(shí)別出3個(gè)準(zhǔn)層序組?？梢?，上述學(xué)者對(duì)海相頁巖的層序劃分與界面識(shí)別還存在分歧，并且由于選擇資料的不同，導(dǎo)致考慮的影響層序劃分的主控因素有很大差異，最終劃分的方案也不同。因此，上述學(xué)者在選擇資料有所單一或者對(duì)頁巖中沉積層序的旋回性重視不夠，需要結(jié)合各種重要指示參數(shù)，詳細(xì)的綜合分析，更加細(xì)化分析旋回性的變化，進(jìn)行層序界面的識(shí)別和層序的劃分。

因此，本文擬通過對(duì)巖性變化的巖芯、測(cè)井資料、實(shí)測(cè)的各種地球化學(xué)參數(shù)以及古生物筆石數(shù)據(jù)等綜合分析，更加細(xì)化分析旋回性的變化，結(jié)合層序地層學(xué)理論進(jìn)行了層序界面的識(shí)別和層序的劃分，建立了海相頁巖中層序的格架以及標(biāo)準(zhǔn)化層序劃分的半量化指標(biāo)。以川東南五峰組—龍馬溪組下部黑色頁巖為例，分析了層序格架內(nèi)黑色頁巖在奧陶—志留時(shí)期的沉積環(huán)境和沉積過程以及海相頁巖中最大海泛面的識(shí)別與沉積特征，系統(tǒng)總結(jié)了層序地層的垂向演化模式，以期對(duì)研究區(qū)“甜點(diǎn)”的預(yù)測(cè)提供一定的指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

四川盆地位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的西北部，介于龍門山大巴山臺(tái)緣坳陷與滇黔川鄂臺(tái)褶帶之間，盆地呈北東向菱形四邊形展布，是中生代發(fā)育起來的大型內(nèi)陸盆地，也是一個(gè)周邊被構(gòu)造活化了的克拉通盆地，其形成時(shí)間為晚三疊世至新生代。晚奧陶世—早志留世，由于受到了廣西運(yùn)動(dòng)的影響，在四川盆地周圍形成了一系列古隆起，包括處于盆地西部的川中古隆起、盆地東部的雪峰古隆起和盆地南部的黔中隆起[17]；川東南地區(qū)位于揚(yáng)子板塊中南部、黔中隆起北的北部坳陷，雪峰山古陸的西部，川中古陸的東部。晚奧陶世，盆地受周邊擠壓作用，黔中古隆起及川中古隆起繼續(xù)隆升，圍限了上揚(yáng)子海域，使其成為局限海盆，川東南地區(qū)為海盆的邊緣；到了早志留世，為古隆起發(fā)育的高峰階段，此時(shí)一個(gè)局限陸棚陸地邊緣處于高度擠壓狀態(tài)，造山運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，造成川中隆起、雪峰隆起的范圍不斷擴(kuò)大，使得四川盆地的川東南地區(qū)沉積環(huán)境為有古隆起帶包圍起來的陸棚環(huán)境(圖1)。因此，在整個(gè)晚奧陶世—早志留世時(shí)期，四川盆地川東南地區(qū)為淺水—深水陸棚沉積環(huán)境，區(qū)域上沉積了一套厚度較大的海相黑色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖。

圖1 四川盆地以及研究區(qū)巖相古地理圖(修改自郭旭升[14])Fig.1 Paleogeographic facies map of Sichuan Basin and research area(modified from Guo[14])

2 層序劃分方法

Vailetal.[18]認(rèn)為三級(jí)層序0.5～5 Ma、四級(jí)層序0.05～5 Ma、五級(jí)程序0.01～0.05 Ma。根據(jù)川東南五峰組—龍馬溪組頁巖中的古生物——筆石[19-20]，可以大致確定時(shí)間上的跨度為10 Ma，因此以時(shí)間為基礎(chǔ)的劃分應(yīng)該基于三級(jí)層序以及內(nèi)部的初始海泛面，最大海泛面等層序界面的劃分，對(duì)于內(nèi)部的體系域的劃分應(yīng)該是四級(jí)識(shí)別。細(xì)粒的海相頁巖層內(nèi)部三級(jí)及以上高頻層序的劃分是近年的研究熱點(diǎn)和爭(zhēng)議問題[21]。三級(jí)層序的界面是由三級(jí)海平面變化控制的，理論上地層厚度應(yīng)當(dāng)足以在地震剖面上識(shí)別，發(fā)育一套完整的體系域系統(tǒng)[22]。但是由于是在細(xì)粒沉積的頁巖中，地震資料的辨識(shí)度不高(圖2)，除邊界外，僅在目的層段內(nèi)部觀察到一道強(qiáng)振幅、中連續(xù)、中—高頻地震道，一道弱振幅、中連續(xù)、低頻地震道，無法識(shí)別地震相來確定層序邊界。因此，需要結(jié)合各種測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，巖芯觀察，地球化學(xué)參數(shù)來劃分三級(jí)層序以及識(shí)別次一級(jí)的層序界面[23]。Readetal.[24]已在碳酸鹽巖中發(fā)現(xiàn)了更小尺度的類似基本層序的沉積旋回，認(rèn)為是Milankovitch氣候旋回引起的全球海平面高頻變化的結(jié)果。

對(duì)于變化微弱、沉積相對(duì)連續(xù)的海相頁巖來說，本文將采用多種測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、實(shí)測(cè)巖芯的地球化學(xué)數(shù)據(jù)、野外觀察的露頭剖面以及巖芯的照片、古生物筆石的鑒定數(shù)據(jù)等綜合考慮；根據(jù)海侵—海退所產(chǎn)生的地層疊加樣式變化、氧化還原環(huán)境的變化、地球化學(xué)特征特別是TH/U與TOC的旋回性變化、具有全球?qū)Ρ鹊牡葧r(shí)性事件如古生物的絕滅和爆發(fā)以及冰期的變化等因素來進(jìn)行頁巖層序界面的識(shí)別和地層層序格架建立。由于三級(jí)海平面變化受區(qū)域性的巖相古地理的影響較大，在分析縱向上分布特征時(shí)，還需要考慮古陸的抬升隆起。

圖2 JY-1井目的層段地震反射特征Fig.2 Seismic reflection characteristics of the target segment from Well JY-1

3 層序界面識(shí)別

前人[25-26]認(rèn)為初始海泛面作為層序的界面，以一個(gè)海平面升降周期中形成的海侵—海退旋回地層作為一個(gè)層序更符合自然變化的節(jié)律。川東南地區(qū)的五峰組—龍馬溪組的這套海相頁巖更適合以初始海泛面為層序邊界，劃分海侵—海退的層序地層。

對(duì)于三級(jí)層序的層序界面，需要結(jié)合巖相組合、古生物特征、測(cè)井特征、地球化學(xué)參數(shù)特征特別是TH/U、TH、U和TOC的疊置樣式來綜合分析。

3.1 巖性特征

巖性是沉積最直觀的反應(yīng)，這里頁巖的巖性特征為巖相組合轉(zhuǎn)換面，是一種極為重要的界面標(biāo)志[23]。對(duì)于三級(jí)層序來說，巖性的突變面、漸變面是一種反映海平面變化的重要物理界面，包括地層的組與組之間的巖性界面、段與段之間的巖性界面。具體如下：川東南地區(qū)奧陶系的下部為澗草溝組或者臨湘組，主要巖性為上部發(fā)育灰色瘤狀灰?guī)r，中、下部為灰色泥灰?guī)r、灰?guī)r。上部五峰組為灰色炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖。通過巖芯照片(圖3)可以看出，存在一個(gè)巖相組合轉(zhuǎn)換面，有漸變面，有突變面。這個(gè)巖相界面為明顯的三級(jí)層序的界面SB1，為組與組之間的巖性界面。龍馬溪組底部的黑色硅質(zhì)頁巖，與下部的五峰組觀音橋?qū)拥慕闅せ規(guī)r，灰質(zhì)泥巖成整合接觸。這個(gè)巖相轉(zhuǎn)換面為層序邊界SB2，為組與組之間的巖性界面。SB3的邊界處紋層突然增多；龍馬溪組龍一段頂界SB4位于龍馬溪組內(nèi)部，為龍一段和龍二段的分界，為段與段之間的巖性界面，分界處龍一段發(fā)育低有機(jī)質(zhì)的黏土質(zhì)頁巖，龍二段發(fā)育含有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)粉砂巖(圖3)。

巖性對(duì)于層序劃分十分重要，但僅區(qū)分了組與組，段與段的層序邊界。對(duì)于細(xì)粒沉積頁巖來說，內(nèi)部的各種成分是連續(xù)變化的，以碎屑巖定義的巖性來說明大套頁巖中的變化不足以反應(yīng)相對(duì)海平面升降所體現(xiàn)頁巖中的細(xì)微變化(圖4)：薄片a、c均被命名為紋層狀粉砂質(zhì)炭質(zhì)頁巖，龍馬溪組龍一段下部c的礦物成分分布要比a較均勻，c的水平紋層發(fā)育，a為波狀不平行紋層發(fā)育；b、d均被命名為粉砂質(zhì)炭質(zhì)頁巖，保存有生物碎片及三射骨針的d要比b的沉積水體要深，d的粉末狀黃鐵礦均勻分布，b的粉末狀黃鐵礦分布不均；因此，a、c反應(yīng)的沉積水體的深度和沉積環(huán)境要比b、d反應(yīng)的深度淺，沉積環(huán)境氧化性強(qiáng)。所以識(shí)別層序邊界時(shí)還需要結(jié)合古生物界定時(shí)間概念，結(jié)合測(cè)井特征對(duì)巖石物理屬性進(jìn)行更進(jìn)一步的劃分。

3.2 古生物—筆石特征

地層中的古生物及其分布規(guī)律不僅反應(yīng)水體沉積環(huán)境的變化，而且標(biāo)志性古生物的出現(xiàn)具有等時(shí)性的特點(diǎn)，可進(jìn)行細(xì)化體系域的等時(shí)對(duì)比。川東南五峰組—龍馬溪組的古生物筆石較為發(fā)育，根據(jù)不同種類筆石反映的沉積環(huán)境不同以及所建立的時(shí)間序列，對(duì)層序的劃分具有十分重要的意義。LM1—LM9筆石帶共發(fā)育9.49 Ma，筆石帶識(shí)別最小為LM9的0.27 Ma，可知，層序可劃分為一個(gè)二級(jí)層序，幾個(gè)三級(jí)層序，以及多個(gè)四級(jí)層序；因此，以識(shí)別三級(jí)層序邊界為主要框架，以四級(jí)的體系域劃分為主要階段是最為合適的。

圖3 川東南五峰組—龍馬溪組龍一段層序邊界巖性響應(yīng)特征Fig.3 Lithologic response characteristics of the sequence boundary of the Wufeng Formation-Longmaxi Formation in southeastern Sichuan Basin

圖4 紋層狀粉砂質(zhì)炭質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)炭質(zhì)頁巖的薄片特征a.粉砂為8%的黏土質(zhì)頁巖,深度2 335.3 m,JY-1; b.粉砂為35%的粉砂質(zhì)炭質(zhì)頁巖,深度2 341.45 m,JY-1; c.礦物分布較均勻的紋層狀粉砂質(zhì)炭質(zhì)頁巖,深度2 396.02 m,JY-1; d.保存生物碎片的粉砂質(zhì)炭質(zhì)頁巖,深度2 408.07 m,JY-1Fig.4 Laminar characteristics of laminar silty carbonaceous shale and silty carbonaceous shale

三級(jí)層序的界面特征包括界面上下體系域內(nèi)發(fā)育筆石的種類不同，以及生存的海水深淺的環(huán)境不同。此外，發(fā)生的生物大絕滅和大爆發(fā)也可以從界面處得到反映。根據(jù)前人[20-21]對(duì)于五峰組—龍馬溪組龍一段古生物筆石的研究得出從下到上可以識(shí)別出WF1—LM9共13層筆石帶，筆石形態(tài)和種屬有較大差異。例如：五峰組觀音橋?qū)影l(fā)育有赫南特貝的介殼灰?guī)r，為淺水沉積，赫南特貝的形態(tài)與LM1—LM4筆石有很大差異，LM1—LM4筆石段為深水沉積環(huán)境[27]。在加拿大Anticostil Island，腕足和三葉蟲發(fā)生絕滅，到N.persculptus帶，出現(xiàn)了與奧陶紀(jì)牙形石動(dòng)物群差異明顯的志留紀(jì)牙形石筆石[28]。從晚奧陶赫南特階晚期，全球冰川開始消融，海平面迅速上升，一直持續(xù)到魯?shù)るA中期，即LM4筆石帶，為深水陸棚沉積。LM5筆石帶處開始新一輪的海退，LM5、LM6筆石帶的筆石多樣性開始增多，分支開始增多，說明水體進(jìn)一步變淺。經(jīng)過研究得出(圖5)，層序邊界SB1處，開始見到WF1—WF2筆石帶，在SQ3—HST發(fā)育有觀音橋?qū)拥暮漳咸刎?；?jù)何衛(wèi)紅[28]研究揚(yáng)子海盆晚奧陶世晚期至志留紀(jì)初期古生物筆石得出，在Tangyagraptus typicus亞帶下部，即WF3-3b階段，是海平面上升的最大時(shí)期；在層序邊界SB2處，是赫南特貝與LM1—LM2的分界線，層序SQ2海侵的最大海泛面在LM4這個(gè)筆石階段；層序邊界SB3則發(fā)育LM6—LM7筆石帶，層序邊界SB4位于LM9筆石帶階段。但由于LM7、LM8、LM9發(fā)育時(shí)水體相對(duì)較淺，不同地區(qū)由于沉積演變的不同，受陸地的影響較大，可能發(fā)生筆石的穿時(shí)性；并且，筆石帶發(fā)育時(shí)間不同，筆石帶的邊界也很難在巖芯上確定，層序邊界僅能通過穿越某個(gè)筆石帶來界定時(shí)間概念。所以在劃分和識(shí)別界面時(shí)，將筆石作為一種重要的參數(shù)，并還需要結(jié)合其他參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。

圖5 川東南地區(qū)古生物筆石特征(圖版[20]、筆石形態(tài)[21]、巖芯照片來自JY-1井和YZ-1井)Fig.5 Paleographitic zone feature characteristics from southeastern Sichuan Basin

3.3 測(cè)井識(shí)別特征

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)是識(shí)別高精度層序地層界面的一種重要的參數(shù)，利用測(cè)井曲線可以較好的識(shí)別三級(jí)層序界面[21]，頁巖由于顆粒較小，特征比較明顯的主要有GR曲線、測(cè)井TH/U曲線、DEN曲線、LLD和LLS曲線以及經(jīng)過鏡像處理的SP曲線等。五峰組—龍馬溪組這套頁巖在川東南地區(qū)有很好的GR曲線以及TH/U曲線的測(cè)井響應(yīng)(圖6)。三級(jí)層序的界面識(shí)別特征有：1)GR、KTH曲線的突變處和最值處，曲線上下的疊置樣式和升降趨勢(shì)發(fā)生變化。如臨湘組和五峰組之間GR曲線的坎值變化。2)測(cè)井TH/U曲線位于高值，界面之下，曲線趨勢(shì)逐漸升高；界面之上，曲線趨勢(shì)逐漸降低。并且可以根據(jù)變化的旋回性識(shí)別準(zhǔn)層序組。3)LLD和LLS曲線的突變處，漸變處，代表了巖性成分的細(xì)微變化，其上下的曲線變化樣式發(fā)生了變化。4)SP、AC和DEN曲線的突變和漸變處，以及鏡像SP的曲率變化處，其上下的疊置樣式發(fā)生了變化。具體如下：層序邊界SB1在臨湘組到五峰組的分界處。GR、KTH曲線有一個(gè)明顯的突變，出現(xiàn)了一個(gè)坎值。其上測(cè)井TH/U曲線降低，也反映相對(duì)海平面突然加深，進(jìn)入五峰組時(shí)期，有一次明顯的海侵過程；LLD和LLS曲線也出現(xiàn)了突變，由極高變?yōu)闃O低又升高；經(jīng)過鏡像處理的自然電位曲線SP出現(xiàn)了由臨湘組的交叉到五峰組的急劇分開的突變；密度曲線DEN則突然降低，反映了巖石密度突然降低。在層序界面SB2處，為五峰組和龍馬溪組的分界處，五峰組上段的觀音橋?qū)恿顚有蜻吔鏢B2的識(shí)別更具有全球?qū)Ρ鹊囊饬x。GR出現(xiàn)了高尖值，可達(dá)310，KTH出現(xiàn)了低值，差值大于200，體現(xiàn)了此處的放射性主要來源于生物筆石中的鈾，間接地證明了此處的生物大絕滅事件；測(cè)井TH/U曲線位于最低處，一部分是由于冰期的影響，另一部分是因?yàn)橛忠淮慰焖俸Ｇ值挠绊?，呈現(xiàn)的是厭氧環(huán)境。LLD和LLS電阻率曲線則突變?yōu)榈椭颠M(jìn)入龍溪組后，又急劇的變高。密度曲線DEN在觀音橋?qū)佑猩叩内厔?shì)，進(jìn)入龍馬溪后突然降低(圖6)。由于觀音橋?qū)訛?.09～0.70 m，自然電位曲線不太明顯，但鏡像曲線的曲率有減小的趨勢(shì)。觀音橋冰期之后，有一次快速的海侵，且這次海侵規(guī)模較大。層序邊界SB3在龍一段的上部， GR曲線有明顯的急劇增加的趨勢(shì)，表明經(jīng)歷了又一次海侵過程。測(cè)井TH/U值降低，小于2，LLD和LLS電阻率曲線則從含粉砂質(zhì)頁巖的高值變?yōu)榛液谏ね临|(zhì)頁巖的低值，聲波AC是從低值逐漸變?yōu)榱烁咧?，測(cè)井TH/U曲線在SQ3中整體較SQ1、SQ2大，均值大于2，說明SQ3的海侵幅度較SQ1和SQ2的海侵幅度較小。

圖6 川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段巖性及測(cè)井特征Fig.6 Lithology and logging characteristics from the first section of the Wufeng Formation-Longmaxi Formation, southeastern Sichuan Basin

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)從巖石物理屬性上來區(qū)分階段性以期達(dá)到對(duì)某個(gè)時(shí)間單元內(nèi)沉積過程的分辨，但由于古地理格局的影響，不同的巖石物理屬性可能屬于同一個(gè)時(shí)間單元，相同的沉積環(huán)境沉積而成。因此，在劃分層序時(shí)，還需要考慮沉積環(huán)境的變化。

3.4 地球化學(xué)特征

層序劃分需要的沉積地球化學(xué)參數(shù)主要包括反映高有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)沉積速率的總有機(jī)碳含量TOC[29]、反映生烴潛力的(S1+S2)/TOC[23]、反映氧化還原環(huán)境的TH/U、V/V+Ni和V/Cr、反映鹽度的SR/Ba以及反映沉積速率的Ce/Tm等[1,8,30]，其中以TOC、TH/U、TH以及U變化最為明顯，如圖7。三級(jí)層序的邊界以及體系域的邊界包括：1)根據(jù)TOC發(fā)育的旋回性變化來識(shí)別，層序界面之下，從下到上逐漸減小，界面之上，從下到上逐漸增大，可以劃分出準(zhǔn)層序。層序界面一般位于較小值處，海退末期，此時(shí)，海平面最低，受陸源物質(zhì)影響最大，TOC值偏小如層序邊界SB1、SB3處以及SB4；對(duì)于SB2是由于澗草溝組為灰?guī)r沉積，五峰組為頁巖沉積；海侵的最大海泛面不一定位于TOC的最大值處，有遠(yuǎn)端相，近端相以及中間相[29]，如MFS1；2)根據(jù)TH/U、TH以及U曲線突變處以及極值點(diǎn)、曲線上下的疊置樣式發(fā)生了變化來識(shí)別；U的富集表明缺氧的沉積環(huán)境和較低的沉積速率，而TH、K的富集則代表沉積物的快速沉積和較高的陸源碎屑供給量[8]。層序邊界是在海退的末期，一般位于TH/U曲線的高值點(diǎn)，TH曲線的高值點(diǎn)，U曲線的低值點(diǎn)如層序邊界SB1、SB3處以及SB4，對(duì)于SB2是由于冰期的影響，沉積速率極低；而最大海泛面則位于TH/U的低值點(diǎn)，U曲線的高值點(diǎn)，反映缺氧環(huán)境和較低的沉積速率。

由于地球化學(xué)參數(shù)主要以反應(yīng)沉積氧化還原環(huán)境以及沉積速率來響應(yīng)相對(duì)海平面的變化，對(duì)于界面的識(shí)別需要對(duì)體系域內(nèi)特征進(jìn)行趨勢(shì)研究來界定界面。舉例分析如下(圖6)：在層序SQ2的海侵時(shí)期，TOC迅速升高，發(fā)育了兩期；TH/U值則為整體小于1，屬于缺氧、水體比較深的還原沉積環(huán)境，有利于有機(jī)物的富集。TH曲線也有兩期明顯的向上逐漸增加的趨勢(shì)，說明兩次沉積物的快速沉積；而U曲線僅在兩個(gè)期次之間有個(gè)極小值，說明了兩期次之間的沉積速率較低，從而推斷SQ2的海侵體系域有兩個(gè)準(zhǔn)層序，反映了SQ1海侵體系域的兩個(gè)階段。在TOC第二期旋回的結(jié)束半幅點(diǎn)位置，即TOC=4，為SQ2層序的最大海泛面，TH/U值小于1，具有較高的U和較低TH值。最大海泛面之上，TH/U值開始大于1，(S1+S2)/TOC則開始趨于0，界面周圍發(fā)育黃鐵礦紋層以及結(jié)核，指示深水還原環(huán)境。

圖7 川東南地區(qū)JY1井地球化學(xué)特征Fig.7 Geochemical features of the JY1 Well in southeastern Sichuan Basin

前面針對(duì)巖性，古生物，測(cè)井進(jìn)行界面的厘定后，對(duì)三級(jí)層序邊界以及體系域內(nèi)特征需要借助地化指標(biāo)的旋回性較強(qiáng)反映沉積環(huán)境的因素來推斷相對(duì)海平面的變化，進(jìn)而確定準(zhǔn)層序。

4 層序發(fā)育特征

綜合運(yùn)用巖芯露頭、生物筆石、測(cè)井曲線和地化參數(shù)等資料確定界面的識(shí)別標(biāo)志(表1)，最終識(shí)別出了四個(gè)具有等時(shí)意義的層序邊界，自下而上為SB1、SB2、SB3、SB4；識(shí)別出了三個(gè)最大海泛面MFS0、MSF1、MSF2以及SFS界面。將五峰組——龍馬溪組下段劃分為三個(gè)三級(jí)層序和7個(gè)體系域，五峰組為一個(gè)三級(jí)層序SQ1，包括下部的海侵體系域(TST)和觀音橋?qū)拥母呶惑w系域(HST)；龍馬溪組龍一段劃為兩個(gè)三級(jí)層序SQ2、SQ3，SQ2包括海侵體系域(TST)、早期高位體系域(EHST)、晚期高位體系域(LHST)，SQ3包括海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)。

4.1 SQ1層序

SQ1層序?yàn)槲宸褰M時(shí)期，包括五峰組下部的海侵體系域和上部的觀音橋高位體系域。五峰組海侵體系域沉積了黑色的富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖，TOC大于4%，均值可達(dá)4.6%(圖7)，石英含量較多，均值為58%(圖8)；GR曲線為漏斗退積型，反映了相對(duì)海平面的緩慢海侵過程；在Tangyagraptus typicus亞帶下部，即WF3-3b階段，是海平面上升的最大時(shí)期。TH/U小于2反應(yīng)了沉積環(huán)境為較深水的還原靜水環(huán)境，不斷降低的TH/U是由于缺氧的沉積環(huán)境，代表水深越來越大，相對(duì)海平面越來越深。根據(jù)TH/U以及TH、U的變化趨勢(shì)，可以將海侵分為兩個(gè)階段，存在兩個(gè)準(zhǔn)層序。在海侵的末期，TH的值達(dá)到最小值，U值達(dá)到最高，沉積速率達(dá)到最低，水深和相對(duì)海平面達(dá)到最大值，形成了SQ1的最大海泛面。

表1綜合層序地層劃分以及劃分結(jié)果

Table1Comprehensivesequencestratigraphydivisionandresults

圖8 硅質(zhì)礦物、黏土礦物以及碳酸鹽礦物隨深度變化的關(guān)系圖Fig.8 Relationship between siliceous, clay， and carbonate minerals with depth

高位體系域?yàn)橛^音橋?qū)拥慕闅せ規(guī)r，灰質(zhì)泥巖，穩(wěn)定發(fā)育，為淺水陸棚相沉積環(huán)境。GR曲線迅速上升頂為峰值的下半幅點(diǎn)處；因南極冰蓋突然的聚集和擴(kuò)張，導(dǎo)致全球海平面下降，幅度可達(dá)50～100 m[31]，從而導(dǎo)致了一次全球性的生物大絕滅事件，發(fā)育了冷水型的“赫南特貝”動(dòng)物群，因此這一時(shí)期也稱為赫南特冰期[32]。在加拿大Anticostil 島嶼上，腕足和三葉蟲發(fā)生絕滅，到N.persculptus帶，出現(xiàn)了與奧陶紀(jì)牙形石動(dòng)物群差異明顯的志留紀(jì)牙形石筆石；在加拿大其他地區(qū)，此次海退表現(xiàn)為地層缺失[28]。

4.2 SQ2層序

龍馬溪組龍一段SQ2的海侵體系域?yàn)楹谏母挥袡C(jī)質(zhì)的硅質(zhì)頁巖，石英含量較多，大小為48%，黏土較少，大小為28%(圖8)；GR曲線為指狀—箱型退積型，為快速持續(xù)海侵的過程；LLD和LLS電阻率曲線呈現(xiàn)波浪起伏多期次的變化，反映了多期次的持續(xù)海侵過程；TOC迅速升高，發(fā)育了兩期，均值可達(dá)4.1%，最小值為1.3%，最大值為5.5%；TH/U值則為整體小于1，屬于還原沉積環(huán)境，有利于有機(jī)物和黃鐵礦的富集，生烴潛力較大。存在兩個(gè)準(zhǔn)層序，反映了SQ1海侵體系域的兩個(gè)階段。最大海泛面之上，TH/U值開始大于1，(S1+S2)/TOC則開始趨于0，界面周圍發(fā)育黃鐵礦紋層以及結(jié)核，指示深水還原環(huán)境(圖7)。

在SQ2-EHST中，黏土含量逐漸增多，均值為39%，石英含量逐漸減少，均值為40%(圖8)，TOC大于3%，小于4%(圖7)，為黑灰色高有機(jī)質(zhì)的硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖；GR曲線為橄欖形的退積—進(jìn)積型，為緩慢速海侵—海退的過程，反映了早期高位的海平面先緩慢升高后降低的特點(diǎn)；TOC均值為3%，通過TH曲線和U曲線分為兩個(gè)準(zhǔn)層序，TH/U值整體在1～2之間，仍為較深水的還原環(huán)境，該時(shí)期為深水陸棚沉積向淺水陸棚沉積過渡的時(shí)期，為半深水陸棚沉積，該時(shí)期海平面開始下降。

進(jìn)入SQ2-LHST中，TOC小于2%，泥質(zhì)、粉砂質(zhì)等淺水物質(zhì)逐漸增多，為灰色粉砂黏土質(zhì)頁巖，黏土含量為42%，石英含量進(jìn)一步減少(圖8)。GR曲線箱型進(jìn)積型，為持續(xù)海退的過程。TOC均值為1.6%，從下到上沉積有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定分布，中間有微凸起；TH/U在TH/U=2處震蕩分布，大部分大于2，趨勢(shì)為先逐級(jí)減少，后逐漸回升；一個(gè)上升半旋回，一個(gè)下降半旋回，中間為次一級(jí)的海泛面，反映了LHST中有兩個(gè)準(zhǔn)層序(圖7)，整體趨勢(shì)為水體不斷變淺，沉積為淺水沉積環(huán)境。

4.3 SQ3層序

層序SQ3中的TST為灰色的黏土質(zhì)頁巖和含粉砂質(zhì)頁巖交互層，說明此次海侵導(dǎo)致逐漸加深水體相對(duì)SQ2中的海侵的水體較淺。GR曲線表現(xiàn)齒形退積—進(jìn)積交互型，為快速海侵—海退的過程；發(fā)育少部分LM6筆石帶以及全部的LM7筆石帶；TOC曲線快速上升，均值為2.2%，TH/U曲線從極高值迅速下降，轉(zhuǎn)變?yōu)樨氀跞踹€原環(huán)境的深水陸棚沉積；又可以通過TH曲線和U曲線分出兩個(gè)準(zhǔn)層序。在MFS2處，TH/U曲線都達(dá)到較低值，TOC達(dá)到最大值3.3%(圖7)。

進(jìn)入SQ3-HST ，黏土含量較多，大于50%，石英含量較少，小于30%，為灰色低有機(jī)質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖(圖8)。發(fā)育大部分LM8和少部分LM9筆石帶。淺水的古生物種類和形態(tài)逐漸增多。LM7、LM8、LM9筆石頁巖段為碳質(zhì)頁巖漸變?yōu)轲ね临|(zhì)頁巖，在華鎣山地區(qū)LM9已最后演變?yōu)榱诵『訅谓M的較淺水碎屑巖[27]，進(jìn)一步說明SQ3層序的海侵規(guī)模應(yīng)該比SQ2的規(guī)模較小。TH/U的值均大于2，為淺水沉積的富氧的氧化環(huán)境；TOC逐漸下降，水體不斷變淺，沉積物的沉積速度迅速加快，沉積物源中心逐漸轉(zhuǎn)向陸地，陸源碎屑大量進(jìn)入。

4.4 連井層序

五峰組時(shí)期，川中古陸開始隆起，海水從川東北和川西南進(jìn)入四川盆地地區(qū)，YY-1井和廟壩的SQ1-TST較厚，隨著冰期的到來，海水固化，海退出現(xiàn)(圖9)。進(jìn)入下志留統(tǒng)，川中隆起，黔中隆起以及雪峰山隆起逐漸將川東南地區(qū)包圍起來，形成局部淺海環(huán)境。冰期結(jié)束，海水快速從川東北流向川東南地區(qū)，SQ2-TST以及SQ2-EHST的頁巖厚度川東南的北部大于南部，東部大于西部，巫溪田壩—JY-1—NY-1—YY-1厚度逐漸減薄，縱向上從TST的硅質(zhì)深水陸棚變?yōu)槟噘|(zhì)半深水陸棚沉積。晚期高位由于古陸的影響，YY-1的厚度遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離古陸的NY-1、JY-1以及更加靠近海洋深水區(qū)的巫溪田壩。在層序SQ3-TST處又發(fā)育了一次海侵，但此次海侵規(guī)模較小，整體水體較淺，在HST時(shí)期，由于海退進(jìn)一步進(jìn)行，受古地理格局影響，NY-1和JY-1厚度較大，YY-1地區(qū)受古陸影響較大，繼續(xù)抬升，厚度較?。晃紫飰斡捎谑锹额^剖面，難以確定后期剝蝕的厚度；在SQ3-HST中不同地區(qū)的水體深度不同，區(qū)域差別較大(圖9)。

圖9 川東南地區(qū)連井剖面Fig.9 Well profile for southeastern Sichuan Basin

5 層序主控因素及演化發(fā)育模式

5.1 海退—海侵事件及冰期氣候?qū)有虬l(fā)育的影響

前人研究[28]確認(rèn)在奧陶時(shí)期，在四川盆地的臨湘組以及同時(shí)代的澗草溝組之上，五峰組細(xì)粒沉積頁巖下，廣泛存在著一個(gè)起伏不平的古風(fēng)化剝蝕面和殘積物，記錄了一次較大規(guī)模的一次海退，具體在川陜交界地區(qū)和陜東一帶。此次海退事件時(shí)限為Ashgilian初期，被命名為臨湘海退事件。五峰組時(shí)期有一次全球性的海侵事件，大致在Ashgilian中期至末期[33]。這次海侵為全球性的正常海侵，相對(duì)海平面和全球海平面都逐漸升高，水體逐漸加深，發(fā)育海侵體系域。

在奧陶紀(jì)的末期有一次冰期，在此期間，沉積了特別有名的觀音橋?qū)?。觀音橋?qū)拥某霈F(xiàn)與岡瓦納大陸冰期最強(qiáng)時(shí)期相對(duì)應(yīng)，意味著奧陶紀(jì)—志留紀(jì)之交全球性的可對(duì)性標(biāo)志層。觀音橋冰期，導(dǎo)致了全球冰成型的海平面劇烈變化，引起了五峰組海退事件的發(fā)生。這是事件型海退，相對(duì)海平面迅速降低，全球海平面也開始降低，發(fā)育了高位體系域。根據(jù)伊利石/黏土的實(shí)測(cè)曲線(圖7)，可以看出觀音橋時(shí)期為低值，為寒冷冰期，在SQ2-TST時(shí)期開始升高，反映全球氣候開始回暖，在SQ2-EHST以及以后時(shí)期都保持在高值波動(dòng)，為溫暖濕潤的氣候條件。

在早志留紀(jì)的初期，氣候回溫，導(dǎo)致了冰蓋的消融，從而產(chǎn)生了龍馬溪組底部的快速事件型海侵。龍馬溪組底部的Glyptograptuspersculptus筆石帶的出現(xiàn)為早志留新生動(dòng)物群的開始，筆石帶的底部為初始海泛面，在全球有良好的標(biāo)志性的對(duì)比[33]，反映了這次海侵為全球性的海侵事件，相對(duì)海平面和全球海平面都迅速上升，發(fā)育典型的冰期后的海侵體系域。

在早志留系的龍一段的上部，TOC突然增高，TH/U突然降低，水體和巖性變化不及SQ1和SQ2的變化較大，水深相對(duì)不深，TOC增高幅度不及前兩次海侵；同時(shí)，抬升運(yùn)動(dòng)的加劇，形成了局限的海灣環(huán)境，受構(gòu)造因素變化較大，說明本次海侵規(guī)模較小，為正常海侵，反映了相對(duì)海平面逐漸升高，但全球海平面變化不大。在后期，巖性逐漸從黏土巖向粉砂巖，碎屑巖過度，反映了相對(duì)海平面逐漸變淺，逐漸向陸相沉積過渡，發(fā)育高位體系域。

5.2 層序地層演化模式

筆者在對(duì)研究區(qū)運(yùn)用綜合層序劃分方法進(jìn)行層序界面識(shí)別、研究層序發(fā)育特征以及沉積環(huán)境的基礎(chǔ)上提出了研究區(qū)SQ1層序—SQ3層序的層序地層演化模式。

SQ1層序：五峰組海侵體系域(SQ1-TST)為溫暖潮濕的硅質(zhì)深水陸棚沉積(圖10A)，WF2—WF3筆石大量發(fā)育，海平面迅速上升，沉積了富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖；同時(shí)由于火山運(yùn)動(dòng)影響，從而使得該時(shí)期沉積物中夾有斑脫巖層。該時(shí)期為強(qiáng)還原的厭氧環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)頁巖的保存；并且發(fā)育有上升的洋流，提高了生產(chǎn)力[34]，這些是形成優(yōu)質(zhì)烴源巖的主要因素。而進(jìn)入五峰組高位體系域(SQ1-HST)時(shí)期，沉積了觀音橋組的介殼灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖(圖10B)。由于全球冰期的影響，形成大面積的冰蓋，海平面迅速下降，并且由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，整個(gè)揚(yáng)子海處于半封閉的狀態(tài)，海水滯流，對(duì)流被破壞，形成了寒冷冰期的淺水陸棚貧氧的沉積環(huán)境；冰期造成了大量古生物的死亡，特別是赫南特貝動(dòng)物群的滅絕。

圖10 SQ1層序地層縱向演化模式Fig.10 Vertical evolution of SQ1 sequence stratigraphy

圖11 SQ2層序地層縱向演化模式Fig.11 Vertical evolution of SQ2 sequence stratigraphy

SQ2層序體系域(SQ2-TST)位于龍一段底部(圖11A)。此時(shí)，由于冰期結(jié)束，全球氣溫回暖，冰川開始融化，造成相對(duì)海平面迅速上升，是氣候回暖的硅質(zhì)深水陸棚沉積；LM1—LM4筆石的古生物大量出現(xiàn)，沉積環(huán)境為局限海盆的強(qiáng)還原厭氧環(huán)境，沉積了具有自生石英的富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖，有微弱的水平層理；火山活動(dòng)影響的斑脫巖層在這個(gè)時(shí)期也有發(fā)育。相對(duì)海平面的快速上升造成的缺氧環(huán)境是使有機(jī)質(zhì)得以保存的主要因素。進(jìn)入早期高位體系域時(shí)期(SQ2-EHST)(圖11B)，短時(shí)期相對(duì)海平面上升速度減少，之后緩慢下降，呈波浪起伏狀，整體趨勢(shì)下降。沉積環(huán)境為厭氧—貧氧的泥質(zhì)半深水陸棚沉積，是深水陸棚向淺水陸棚的過渡，沉積了高有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖。發(fā)育的古生物筆石LM5筆石的多樣性、分異度開始增加。在晚期高位體系域(SQ2-LHST)(圖11C)里，相對(duì)海平面繼續(xù)下降，為溫暖濕潤的淺水陸棚沉積，沉積環(huán)境是弱氧化弱還原的貧氧—富氧環(huán)境。由于抬升作用的繼續(xù)加強(qiáng)，局限海盆的格局進(jìn)一步強(qiáng)化，由于牽引流的作用，陸源碎屑開始進(jìn)入海盆，成為物源的一部分，沉積了低有機(jī)質(zhì)粉砂黏土質(zhì)頁巖，發(fā)育LM6的筆石古生物。

SQ3層序位于龍一段的上部，海侵體系域(SQ3-TST)(圖12A)時(shí)期，相對(duì)海平面快速上升，是泥質(zhì)深水陸棚沉積。沉積環(huán)境為弱還原的貧氧環(huán)境，主要發(fā)育LM7筆石帶，筆石分支分叉明顯。古陸抬升作用進(jìn)一步加強(qiáng)，導(dǎo)致本次海侵規(guī)模小于層序SQ1和SQ2的規(guī)模，古陸邊緣更加陡峭，陸源物質(zhì)進(jìn)一步進(jìn)入海盆，出現(xiàn)濁流沉積，沉積了中有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖和含粉砂質(zhì)頁巖交互層，紋層明顯。進(jìn)入高位體系域(SQ3-HST)(圖12B)，沉積微相變?yōu)槟噘|(zhì)淺水陸棚沉積，是強(qiáng)氧化的富氧環(huán)境。相對(duì)海平面逐漸下降，發(fā)育LM8筆石帶等淺水生物，濁流沉積規(guī)模進(jìn)一步變大，沉積了低有機(jī)質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖。

圖12 SQ3層序地層縱向演化模式Fig.12 Vertical evolution of SQ3 sequence stratigraphy

6 結(jié)論

(1) 建立了以巖性界面直觀反映物理特征，以測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)反映地層疊加樣式，以古生物限定時(shí)間概念，以地球化學(xué)參數(shù)TH/U反映氧化還原環(huán)境和TOC反映有機(jī)質(zhì)旋回性等的多參數(shù)的層序邊界識(shí)別特征以及體系域特征。

(2) 從五峰組—龍馬溪組龍一段識(shí)別出了3個(gè)三級(jí)層序，4個(gè)層序邊界。五峰組為一個(gè)三級(jí)層序SQ1，包括下部的海侵體系域(TST)和觀音橋?qū)拥母呶惑w系域(HST)；龍馬溪組龍一段劃為兩個(gè)三級(jí)層序SQ2、SQ3，SQ2包括海侵體系域(TST)、早期高位體系域(EHST)、晚期高位體系域(LHST)；SQ3包括海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)。明確了各層序及其內(nèi)部體系域的發(fā)育特征及沉積環(huán)境。

(3) 通過沉積微相的沉積環(huán)境、洋流的運(yùn)動(dòng)特征、古生物筆石特征以及相對(duì)海平面變化特征等研究建立了較為系統(tǒng)的以體系域?yàn)閱卧宸褰M—龍馬溪組黑色頁巖層序地層垂向演化模式。體系域SQ1-TST、SQ2-TST以及SQ2-EHST為有機(jī)質(zhì)富集的重點(diǎn)層位，應(yīng)為“甜點(diǎn)”的重點(diǎn)勘探地區(qū)。