鄂西來鳳-咸豐地區(qū)五峰組-龍馬溪組巖石學 特征及其成因

王秀平,牟傳龍,肖朝暉,陳 堯,王啟宇

(1.國土資源部 沉積盆地與油氣資源重點實驗室,四川 成都 610081; 2.成都地質調查中心,四川 成都 610081; 3.湖北省頁巖氣開發(fā)有限公司,湖北 武漢 430060)

華南地區(qū)奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組黑色-暗色含筆石頁巖,已被公認為是“下組合”海相地層中的優(yōu)質烴源巖之一,建南氣田志留系天然氣來源于志留系龍馬溪組炭質頁巖[1],該層段也為當前頁巖氣勘探開發(fā)的重點層系[2]。中揚子區(qū)作為中國南方主要含油氣區(qū)域之一[3],湘鄂西地區(qū)是其海相頁巖氣勘探開發(fā)的重點地區(qū)[4-5],其五峰組-龍馬溪組的富有機質泥頁巖發(fā)育,厚度穩(wěn)定、有機質豐度較高、熱演化和埋深適中,為頁巖氣勘探的有利層系[6-15]。相對于包括四川盆地的上揚子地區(qū),中揚子地區(qū)的頁巖氣勘探與研究程度較低,隨著涪陵氣田的發(fā)現(xiàn)和投產,才逐漸引起廣泛關注。研究成果主要集中在通過初步摸底頁巖氣基本地質條件的基礎上,對中揚子區(qū)內頁巖氣有利區(qū)及資源潛力進行評價,表明鄂西地區(qū)五峰組-龍馬溪組,具有與北美和四川盆地頁巖氣高產層相似的構造和地質條件,具備形成頁巖氣聚集的有利條件和良好的頁巖氣勘探前景[16-23]。其中,巖石學及巖相特征是頁巖氣地質評價和選層、選區(qū)的基礎[24],優(yōu)勢巖相的分析可以為頁巖有利勘探目標的預測提供依據(jù),是四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖氣地質調查及現(xiàn)今廣泛研究的重要內容[24-27]。而在中揚子地區(qū),針對五峰組-龍馬溪組頁巖氣礦物、巖石學特征的詳細研究尚未進行。湖北省來鳳-咸豐地區(qū)為頁巖氣重點勘探區(qū)塊[20],為了弄清其頁巖氣勘探前景,此次研究以湖北省來鳳-咸豐地區(qū)奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組為目的層,通過詳細分析其巖石學特征,探討其富有機質頁巖發(fā)育的影響因素,為其頁巖氣評價提供基礎。

1 區(qū)域地質背景

涵蓋研究區(qū)的湘鄂西地區(qū),位于中揚子地區(qū)的西部[28],西與四川盆地毗鄰,北靠秦嶺-大別造山帶,東接江南-雪峰滑脫推覆隆起帶[4]。湘鄂西地區(qū)經(jīng)晉寧運動形成穩(wěn)定地臺后,經(jīng)歷了加里東期、海西期、印支期、燕山期及喜馬拉雅期等重大構造運動改造,先后經(jīng)歷了克拉通盆地、前陸盆地和斷陷盆地等多個構造演化階段。根據(jù)區(qū)域構造特征、現(xiàn)今構造形跡以及前人研究成果,湘鄂西地區(qū)自南東向北西進一步分為桑植-石門復向斜帶、宜都-鶴峰復背斜帶、花果坪復向斜帶、中央復背斜帶與利川復向斜帶[28-30],研究區(qū)主要位于宜都-鶴峰復背斜帶(圖1)。

中國南方晚奧陶世—早志留世沉積形成于華南盆地消亡和南華造山帶形成階段[31],晚陶世開始,由于受到廣西運動的影響,雪峰山隆起快速隆升為古陸,在中揚子地區(qū)形成湘鄂西水下隆起/高地[32-34]。早志留世龍馬溪期是繼晚奧陶世以來中上揚子地區(qū)盆、山格局發(fā)生重大轉變的時期,受加里東構造運動影響,陸塊邊緣處于擠壓、褶皺造山過程,是形成古隆起的高峰階段[3]。中揚子地區(qū)古生界海相層系與上揚子地區(qū)具有相似的油氣地質基本條件[35],中奧陶世末期,揚子板塊進入前陸盆地構造演化階段,晚奧陶世—早志留世自南東方向的擠壓作用增強,伴隨揚子周邊地區(qū)古陸上隆,華南海盆不斷向西遷移,使得揚子海處于半封閉的狀態(tài),海域自南東向北西逐漸遷移[15]。湖北省來鳳-咸豐地區(qū)位于湖北省西南角處,西鄰重慶市黔江區(qū)(圖1),在晚奧陶世五峰組—早志留世龍馬溪組沉積期,湖北省全部處于淺海陸棚沉積環(huán)境中[17]。

四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組劃分為龍一段、龍二段與龍三段,其中龍一段為一套富有機質高成熟度高脆性的黑色頁巖,富含微粒黃鐵礦和筆石[34,36]。五峰組和龍一段為我國頁巖氣勘探開發(fā)的重要層段[34]。鄂西地區(qū)與四川盆地腹地相比,沉積地層發(fā)育齊全、層序完全可對比[37]。根據(jù)地層中巖石組分的發(fā)育特征,將研究區(qū)志留系下統(tǒng)劃分為龍馬溪組、新灘組與羅惹坪組,其中龍馬溪組相當于四川盆地龍馬溪組的龍一段,新灘組相當于龍二段與龍三段,上覆地層為志留系下統(tǒng)羅惹坪組。根據(jù)研究區(qū)五峰組-龍馬溪組的發(fā)育情況,結合該地區(qū)的頁巖氣勘探程度,共選取了6條露頭剖面和來地1井、來地2井及來頁2井進行觀測(圖1c),并借助偏光顯微鏡、X-射線衍射、場發(fā)射掃描電鏡和有機碳含量(TOC)分析等對五峰組-龍馬溪組的巖石學和礦物學特征進行研究。

2 礦物組分特征

研究區(qū)奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組為細粒沉積巖,受碎屑沉積巖粘土級和粉砂級粒度及黑色有機質暈染的影響,常規(guī)偏光顯微鏡對巖石學特征的分析較籠統(tǒng)且局限,因此首先借用X-射線衍射與掃描電鏡的手段確定巖石的礦物組分特征,作為對其巖石類型劃分的基礎。

圖1 研究區(qū)位置及區(qū)域構造特征(圖1a據(jù)聶海寬等修改[38];圖1b據(jù)李海等[28])Fig.1 Location and regional tectonic characteristics of the study area(Fig.1a modified from NieHaikuan et al[38];Fig.1b from Li Hai et al[28])a.區(qū)域沉積背景;b.構造背景;c.研究區(qū)及其剖面、鉆井位置

來鳳-咸豐地區(qū)五峰組-龍馬溪組全巖和粘土礦物成分分析結果表明(共65件樣品),礦物組分以石英和粘土礦物為主,其次為長石、碳酸鹽礦物和黃鐵礦,其中石英含量介于5%～66%,平均為40.92%,粘土礦物含量為16%～73.8%,平均36.62%,鉀長石和斜長石均發(fā)育,其平均含量分別為3.58%與10.93%,總體上脆性礦物含量高。來地1井礦物組分分析結果表明(共45件樣品),碳酸鹽礦物分布不均勻且含量較低,白云石相對較發(fā)育,最高達19%,方解石和白云石平均為2.23%與3.17%,白云石以鐵白云石為主,

含量較低,對有機質的發(fā)育影響較小。黃鐵礦在五峰組-龍馬溪組中均有分布,含量為0.7%～9.6%,平均為2.98%。且在下伏奧陶系臨湘組與上覆志留系新灘組中也均有發(fā)育,含量與之相差不大。粘土礦物以伊利石和伊/蒙混層為主,平均相對含量為58.2%與29.5%,并含少量綠泥石。

掃描電鏡下發(fā)育大量的粉砂級碎屑顆粒,分散狀分布于泥質基底中(圖2a),含量主要介于30%～50%,粒徑多小于0.1 mm,石英、斜長石和鉀長石為主,受后期溶蝕作用的影響,石英與長石均具有不規(guī)則的溶蝕邊緣和粒內溶蝕孔隙(圖2b,c),長石多呈現(xiàn)蝕變?yōu)橐晾奶卣?。粘土礦物主要發(fā)育沉積成因的絮狀體(圖2d)和充填原生孔隙的片狀結合體(圖2e,f),伊/蒙混層礦物通常位于顆粒邊緣,呈葉片狀或鱗片狀,并出現(xiàn)纖細的絲狀物,似“花瓣狀”(圖2g),綠泥石含量很少,呈厚度較大的片狀或薄板狀,多與伊利石等混雜共生。粘土礦物中常見泥級的石英碎屑,以及次生粘土礦物多與硅質共生的特征(圖2f)。硅質呈晶粒狀和片晶狀兩種類型,其中自生硅質多呈晶形較好的晶粒狀,晶粒大小多介于1～5 μm,充填粒間孔(圖2h);片晶狀的硅質膠結物主要為次生成因的類型,形成于粘土礦物轉化和硅質的再膠結過程中,結構較均勻。黃鐵礦廣泛發(fā)育,見莓粒狀集合體,多與粘土礦物共生(圖2e),單晶均小于1 μm,集合體小于10 μm,晶間多發(fā)育片狀有機質。碳酸鹽礦物含量較少,且分布不均勻,局部見連晶狀膠結物的特征,較均勻致密。有機質多呈塊狀和條帶狀(圖2e),分布在碎屑顆粒間及與粘土礦物共生,含量總體較少,生烴孔發(fā)育。研究區(qū)五峰組-龍馬溪組中廣泛發(fā)育紅藻有機質,呈蜂窩狀,發(fā)育大量的微孔,大小主要介于3～5 μm,最大的可達10 μm,具有局部富集的特征(圖2i)。紅藻吸收藍光,可以生活在較深水區(qū)[39],指示研究區(qū)五峰組-龍馬溪組沉積水體較深。

圖2 來鳳-咸豐地區(qū)五峰組-龍馬溪組暗色巖系礦物組分特征Fig.2 Mineralogical characteristics of black rocks in Wufeng-Longmaxi Formations in Laifeng-Xianfeng areaa.粉砂質泥質結構,DMPP7-D1,大面坡剖面;b.鉀長石,邊緣蝕變成粘土礦物,粒內發(fā)育溶蝕孔隙,KZSP18-C1,卡子上剖面;c.石英粉砂顆粒,局部發(fā)生溶蝕,并被粘土礦物充填孔隙,DMPP7-D1,大面坡剖面;d.凝絮狀粘土礦物,HJTP16-D1,胡家臺剖面;e.條帶狀有機質(紅色箭頭)與片狀粘土礦物(綠色箭頭)及黃鐵礦(藍色箭頭)共生,KZSP14-D1,卡子上剖面;f.片狀粘土礦物,片晶間發(fā)育硅質(紅色箭頭),HJTP15-D4,胡家臺剖 面;g.“花瓣狀”伊/蒙混層,HJTP16-D1,胡家臺剖面;h.自生石英,LD1-B2,埋深647m,來地1井;i.蜂窩狀紅藻有機質，HJTP4-D1,胡家臺剖面

3 巖石類型及特征

以礦物組分特征為基礎,借用偏光顯微鏡對研究區(qū)五峰組-龍馬溪組的巖石類型進行劃分。以富有機質的粉砂巖和泥頁巖為主,主要包括含炭(含)泥質粉砂巖、炭質粉砂質頁巖、含炭粉砂質頁巖與含炭含粉砂頁巖,總體呈含炭或炭質泥質粉砂巖夾含泥(質)粉砂巖的特征。相對四川盆地內五峰組-龍馬溪組的巖石類型[40-42],其陸源碎屑顆粒含量較高,有機質含量總體較低且分布不均勻。

其中,炭質粉砂質頁巖(圖3a,b)主要分布在五峰組及龍馬溪組底部,泥質結構為主,基質支撐-過渡支撐,具顯微定向構造,呈黑褐色、黑色。主要由泥質組成,其次為粉砂級碎屑顆粒。碎屑顆粒的粒徑均小于0.05 mm,次棱角-次圓狀,含量約30%～40%,石英為主,多呈顯微條帶狀局部富集。泥質含量約50%～65%,粘土礦物發(fā)育且具有明顯的重結晶作用,呈顯微鱗片狀,含量約占全部基質的60%～70%。炭質呈浸染狀,分布在顆粒間多與泥質共生,含量約20%～40%。見少量的白云母發(fā)育,呈短細條狀,長度均小于0.05 mm。碳酸鹽礦物包括方解石和白云石,含量較少且受有機質暈染的影響,主要以泥晶結構為主,少量半自形-自形的鐵白云石晶粒發(fā)育,星點狀分布。

含炭粉砂質頁巖(圖3c)發(fā)育較少,主要分布在局部地區(qū)的龍馬溪組頂部,泥質結構,具顯微定向構造,呈黑褐色、褐色為主。巖石主要由泥質組成,含量約50%～60%,以局部發(fā)生重結晶作用的粘土礦物為主,呈顯微鱗片狀。碎屑顆粒的粒徑多小于0.05 mm,次棱角-次圓狀為主,局部呈點接觸,含量約25%～35%。炭質多與泥質共生,浸染狀為主,含量約15%～25%。白云母呈細長條狀,分散狀分布,含量約2%,呈一定的定向分布。碳酸鹽礦物發(fā)育總體較少,局部呈現(xiàn)沿裂縫充填或呈條帶狀分布的特征,泥晶為主,少量的半自形-自形的白云石。

含炭泥質粉砂巖、含炭含泥粉砂巖(圖3d)較發(fā)育,主要分布在龍馬溪組的中下部,沉積厚度較大,多大于15 m。粉砂狀結構,過渡支撐為主,顆粒間具有點接觸和少量的線接觸,多呈黑褐色、褐色。碎屑顆粒含量為60%～70%,次棱角狀-次圓狀,粒徑小于0.05 mm,石英為主。顆粒間填隙物含量為30%～40%,主要為泥質,其次為炭質。粘土礦物多發(fā)育重結晶作用,呈顯微鱗片狀,含量約20%～30%;炭質呈浸染狀、粒狀,不均勻分布,含量約10%～20%。短細條狀白云母少量發(fā)育,近定向分布,含量約3%～5%。碳酸鹽礦物含量較少,多小于10%,包括方解石和(鐵)白云石,泥晶結構為主,星點狀分布,見少量半自形-自形的白云石晶粒。黃鐵礦少量,粒狀為主,少量正方形、菱形。

含炭含粉砂頁巖(圖3e)主要分布在局部地區(qū)龍馬溪組的頂部,泥質結構,顯微定向構造發(fā)育。泥質含量約70%,主要為粘土礦物,呈顯微鱗片狀。炭質不均勻分布,呈浸染狀、粒狀、條帶狀,含量約10%～20%。碎屑顆粒小于0.03 mm,次棱角-次圓狀,局部呈斑塊狀富集,含量約15%～25%,石英為主?？梢姅?shù)條不規(guī)則裂隙,寬度小于0.03 mm,被硅質充填或未被充填。細長條狀的白云母含量較少,遠遠低于粉砂巖中的含量。碳酸鹽礦物含量較少,多小于10%。

含泥(質)粉砂巖(圖3f)呈粉砂狀結構,過渡支撐,以褐色、淺褐色為主,主要分布在龍馬溪組的中上部。碎屑顆粒含量可達80%以上,以石英為主,次棱角狀-次圓狀,粒徑小于0.06 mm,顆粒多呈點接觸?；|以粘土礦物為主,炭質少量。受明顯的重結晶作用的影響,粘土礦物多呈顯微鱗片狀,呈現(xiàn)以淀雜基結構為主的特征,含量約占全部基質的80%～90%;炭質呈浸染狀、粒狀、條帶狀,含量均小于10%,多以小于5%為主,越靠近龍馬溪組的下部,有機質含量越高。細長條狀的白云母常見,順層分布的特征,局部富集,最高含量可達5%。碳酸鹽礦物含量也較少,主要為后期交代、充填的產物,多小于10%。

圖3 來鳳-咸豐地區(qū)五峰組-龍馬溪組巖石類型特征Fig.3 Rock type characteristics of Wufeng-Longmaxi Formations in Laifeng-Xianfeng areaa.炭質粉砂質頁巖,LD1-A40,埋深944.77 m,正交偏光,來地1井;b.炭質粉砂質頁巖,LD1-A8,埋深908.96 m,單偏光,來地1井;c.含炭粉砂質頁巖,LD1-A41,埋深946.36 m,單偏光,來地1井;d.含炭含泥粉砂巖,HJTP15-B1,單偏光,胡家臺剖面;e.含炭含粉砂頁巖,HJTP16-B1,單偏光,胡家臺剖面;f.含泥粉砂巖,LD1-A1,埋深901.53 m,正交偏光,來地1井;g.含云含炭含泥粉砂巖,HJTP17-B1,單偏光,胡家臺剖面;h.含硅質放射蟲炭質頁巖,HJTP11-B1,正交偏光,胡家臺剖面;i.普通頁巖,DMPP6-B1,單偏光,大面坡剖面

另外,富有機質層段還發(fā)育少量的含云含炭含泥粉砂巖與含硅質放射蟲炭質頁巖,其中含云含炭含泥粉砂巖(圖3g)主要分布在龍馬溪組的中下部,即富有機質層段的中部,指示沉積水體短暫性變淺的特征。粉砂狀結構,基質支撐,呈褐色、褐黃色。碎屑顆粒含量為55%～65%,呈次棱角狀-圓狀,粒徑小于0.06 mm,石英為主。填隙物主要為泥質,其次為白云石,炭質少量。泥質主要為粘土礦物,含量占全部基質的50%;白云石呈不規(guī)則狀分布在碎屑間孔隙處,含量約占全部基質的40%;炭質呈浸染狀、粒狀,含量約10%。

含硅質放射蟲炭質頁巖(圖3h)主要分布在五峰組-龍馬溪組的下部黑色層段,指示沉積水體較深的特征。有機質含量較高,泥質結構,基底支撐,發(fā)育近似球形的硅質放射蟲,形狀多不規(guī)則,大小均小于0.2 mm,含量約15%,放射蟲體腔多被顯微硅質完全充填,或被有機質或瀝青質充填。碎屑顆粒以石英為主,次棱角狀-次圓狀,呈漂浮狀不均勻分布于基質中,粒徑小于0.03 mm,含量均小于10%,并發(fā)育被碳酸鹽礦物交代的特征。含少量的碳酸鹽礦物,包括方解石和白云石,呈交代碎屑顆粒和少量半自形-自形晶粒狀發(fā)育,星點狀分布,含量小于10%。極少量的短細條狀白云母分散狀分布,長度均小于0.05 mm,定向性較差?；|含量可達85%以上,泥質為主,炭質與泥質共生,呈浸染狀。

由龍馬溪組向新灘組,巖性由含炭含粉砂頁巖快速過渡為普通頁巖,二者具有明顯的巖相相變面。志留系新灘組底部的普通頁巖(圖3i)呈明顯的泥質結構,顯微定向構造特征發(fā)育,泥質含量可達90%以上,粘土礦物為主,呈顯微鱗片狀,結構較均勻、致密。

4 黑色巖系空間發(fā)育特征

4.1 垂向發(fā)育特征

由來地1井、來地2井和來頁2井的巖心分析,由底向上五峰組-龍馬溪組依次可劃分為4個巖性段,分別為①炭質(含)粉砂質頁巖段、②含炭含泥(質)粉砂巖段、③含泥粉砂巖段及④含炭粉砂質頁巖段,此4個巖性段與上覆地層志留系新灘組普通頁巖及泥質粉砂巖的發(fā)育,充分反映了研究區(qū)五峰組-新灘組沉積水體呈深—淺的變化特征。其中,①炭質粉砂質頁巖段,粉砂含量較少,有機質含量較高,局部含少量的含生物硅質炭質(粉砂質)頁巖,相對于下伏臨湘組泥晶灰?guī)r,為水體較深的產物;向上過渡為②含炭含泥(質)粉砂巖段,局部夾少量的含云含泥粉砂巖,有機質含量減少,粉砂含量增多,指示沉積水體變淺的特征;隨著沉積水體的逐漸變淺,有機質含量明顯減少,呈現(xiàn)為③含泥粉砂巖段,粉砂含量增多,多呈顆粒支撐,細小的白云母分布較廣泛,含量應在5%以上,有機質含量很少,鏡下多呈棕色,指示五峰組-龍馬溪組沉積最淺的時期;龍馬溪組的頂部為④含炭粉砂質頁巖段,泥質含量增加,粉砂質泥質結構,有機質含量增加,鏡下多呈深棕色或棕黑色,指示沉積水體再次加深

的特征。至新灘組有機質含量很低的普通頁巖與泥質粉砂巖,指示沉積水體相對龍馬溪組的頂部明顯變淺的特征。

由上述分析可知,研究區(qū)五峰組-龍馬溪組中,不同巖石類型的礦物組分具有一定的差別(表1)。石英含量主要介于30%～40%,石英含量最高的為沉積于五峰組-龍馬溪組底部的炭質(含)粉砂質頁巖與中上部的含泥粉砂巖,而此二者的有機碳含量相差大,分別為有機碳含量最高和最低的巖石類型;長石含量后者幾乎是前者的2倍,粘土礦物含量后者比前者少約10%,由此可見二者石英礦物的成因應不同?？紤]到炭質(含)粉砂質頁巖上部的含炭含泥(質)粉砂巖組成了研究區(qū)五峰組-龍馬溪組主要的富有機質層段,且隨著有機碳含量的降低,石英含量減少的特征,及四川盆地石英礦物與有機碳含量的正相關性[42],說明炭質(含)粉砂質頁巖中石英具有一定的生物成因。碳酸鹽礦物包括方解石和白云石,且白云石以鐵白云石為主,由底向上總體呈現(xiàn)減少的特征,且粉砂巖中含量較頁巖中高,結合碳酸鹽礦物多呈交代石英、長石及充填粒間孔呈星點狀分布特征,說明研究區(qū)五峰組-龍馬溪組碳酸鹽礦物應主要為后期成巖作用的產物。龍馬溪組頂部的含炭(含)粉砂質頁巖的粘土礦物含量最高,與其上覆地層新灘組的普通頁巖粘土礦物含量相當,且總體上二者礦物組分相差不大,而前者的黃鐵礦和有機碳含量較高,由此推斷志留系龍馬溪組有機質的富集應受到了缺氧沉積環(huán)境的控制。位于五峰組-龍馬溪組中下部的含炭含泥(質)粉砂巖其沉積厚度最大,且TOC主要介于1.0%～2.0%,與位于頂部的含炭(含)粉砂質頁巖的有機碳含量相似,前者代表龍馬溪組沉積水體開始逐漸變淺的沉積物,沉積環(huán)境仍一定程度上保留了前期較深水缺氧的特征,后者代表龍馬溪組經(jīng)歷了較長時間的相對淺水沉積后,沉積水體再次逐漸加深的沉積物,沉積環(huán)境相對中下部含炭含泥(質)粉砂巖的還原性可能會較差,有機質的富集可能應主要受控于古生產力。

表1 來鳳-咸豐地區(qū)五峰組-龍馬溪組不同巖石類型的礦物組分特征Table 1 Mineralogical characteristics of different rock types of Wufeng-Longmaxi Formations in Laifeng-Xianfeng area

4.2 平面發(fā)育特征

來鳳-咸豐地區(qū)五峰組-龍馬溪組巖石類型的垂向發(fā)育特征在平面上可進行有效的對比(圖4),對比的標志層為富有機質的炭質(含)粉砂質頁巖段(①)、位于暗色粉砂巖和頁巖之間的含泥粉砂巖(③),以及各層段的相互配置關系。來鳳-咸豐地區(qū)五峰組-龍馬溪組的巖性特征可與四川盆地焦石壩地區(qū)焦頁1井進行有效對比(圖4)。同時,借鑒四川盆地五峰組-龍馬溪組層序地層的劃分標準[34],研究區(qū)奧陶系五峰組-志留系新灘組可劃分為一個三級層序。其中,底部的炭質(含)粉砂質頁巖段(①)為海侵體系域的產物(TST);位于龍馬溪組中部的含炭含泥(質)粉砂巖段(②)與含泥粉砂巖段(③),沉積厚度較大,代表沉積水體逐漸變淺的早期高位體系域(EHST);而龍馬溪組頂部的含炭粉砂質頁巖段(④),代表晚期高位體系域(LHST),泥質和有機質含量均明顯增加,至新灘組含粉砂頁巖,應為另一個三級層序的沉積物。焦頁1井龍一段屬于為淺海陸棚相中的深水陸棚亞相[43],而研究區(qū)相對層位的龍馬溪組根據(jù)其巖石學、沉積構造特征,表現(xiàn)為底部的炭質(含)粉砂質頁巖段(①)為深水陸棚亞相,其上3個巖性段均為淺水陸棚亞相的產物。聶海寬等[38]通過對湘鄂西地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖研究,表明該區(qū)五峰組和龍馬溪組頁巖明顯含有較高的灰質,反映了其具有比焦頁1井相應層位沉積水體較淺的特征。同時,越靠近研究區(qū)的東南部其粉砂含量越高,部分地區(qū)龍馬溪組的中上部和上部出現(xiàn)細砂級碎屑顆粒,且其底部的炭質(含)粉砂質頁巖段沉積厚度相對較薄,多以小于5 m為主,有機質含量總體呈現(xiàn)由北向南逐漸減少的特征。這很可能是受研究區(qū)東南方向處雪峰山隆起的影響,越靠近隆起區(qū)其陸源碎屑含量越高,造成其沉積環(huán)境的氧化性增強,有機質含量較低。

5 富有機質暗色巖系成因初探

中上揚子地區(qū)奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組作為富有機質的暗色巖系,研究者普遍認為其是有利的頁巖氣發(fā)育層段。研究區(qū)五峰組-龍馬溪組的暗色巖系為炭質(含)粉砂質頁巖段(①)與含炭含泥(質)粉砂巖段(②)以及含炭粉砂質頁巖段(④),與已經(jīng)取得頁巖氣突破的四川盆地下古生界五峰組-龍馬溪組相比[26,34,42,44-45],其礦物組分相差不大,而粉砂巖較發(fā)育,有機質含量及富有機質層段的厚度卻明顯低于四川盆地內的相應地層。通過前面的分析,研究區(qū)五峰組-龍馬溪組有機質的發(fā)育特征明顯受沉積環(huán)境和巖相的控制,因此,從巖石類型、礦物組分特征出發(fā),結合元素地球化學特征,可以為探索研究區(qū)五峰組-龍馬溪組富有機質暗色巖系的發(fā)育和成因提供依據(jù)。

5.1 有機質及礦物組分發(fā)育特征

利用有機碳含量(TOC)對富有機質黑色巖系及礦物組分的成因分析,作為常用的手段已經(jīng)取得了有效的成果[42]。來鳳-咸豐地區(qū)五峰組-龍馬溪組暗色巖系的TOC最大為6.55%,最小0.47%,主要介于1.0%～2.0%,相對于四川盆地相應層系,有機質豐度較差。其中TOC>1.0%的樣品占總樣品的72.6%,TOC>2.0%的樣品占總樣品的16.8%,而大于4.0%的樣品僅占總樣品的0.03%。垂向上,TOC由下向上總體減小,TOC>2.0%的樣品僅位于底部的炭質(含)粉砂質頁巖(圖4),則研究區(qū)五峰組-龍馬溪組的有機碳含量較低。

根據(jù)來鳳-咸豐地區(qū)五峰組-龍馬溪組暗色巖系的發(fā)育特征,以頁巖氣評價過程中有機碳含量的劃分標準[46-47]為參考,將研究區(qū)五峰組-龍馬溪組有機碳含量劃分為4類(表2)。

總的來看,隨著有機質含量的減少,長石含量逐漸增加,研究區(qū)五峰組-龍馬溪組長石全部表現(xiàn)為陸源碎屑顆粒,說明陸源碎屑顆粒與有機質含量呈明顯的負相關性。TOC>2.0%的樣品石英含量最高,而有TOC<2.0%的樣品,石英隨著有機質含量的降低而增加,說明隨著碎屑粉砂含量的逐漸增加有機質逐漸減少的特征,同時指出有機質含量較高的炭質粉砂質泥巖中,石英具有一定的生物成因類型。明顯地,隨著碳酸鹽礦物含量的增加,有機碳含量降低,且方解石含量總體相差不大,而白云石含量與有機碳含量呈明顯的負相關性。另外,粘土礦物含量越高,有機碳含量越高,進一步說明黑色巖系中泥頁巖更有利于有機質的發(fā)育,粉砂級碎屑顆粒含量越高則有機質含量越低。中國南海濱岸至深?，F(xiàn)代沉積物就具有從陸源碎屑到鈣質沉積、硅質沉積和深海粘土沉積的完整序列[48],說明在正常海水沉積環(huán)境中,沉積水體越深粘土礦物含量越高,指示了研究區(qū)五峰組-龍馬溪組沉積水體越深有機質越富集。

表2 來鳳-咸豐地區(qū)奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組礦物組分與TOC的關系Table 2 Relationship between mineral composition and TOC of Wufeng-Longmaxi Formations in Laifeng-Xianfeng area

TOC樣品數(shù)/個礦物含量/%石英長石方解石白云石黃鐵礦粘土礦物>2%1733.5～663.2～13.70～20.40～7.20～4.320.4～46.446.49.483.692.812.1235.41%～2%5726.9～575～18.80～23.90～15.20～1025.3～5538.612.73.53.143.438.60.5%～1%2330～468～22.80～9.60～15.11～8.318.8～5038.816.73.385.213.232.8<0.5%1415.9～49.311～25.40～17.41.0～22.71～5.114.7～60.240.920.23.86.32.020.9

由上可知,研究區(qū)五峰組-龍馬溪組硅質具有生物成因的類型,主要發(fā)育在其底部,礦物組分中石英含量較高且長石含量較低的巖石類型為生物硅質較發(fā)育類型,有利于有機質的富集。長石作為全部是陸源碎屑成因的類型,且具有斜長石含量較高的特征,以及研究區(qū)五峰組-龍馬溪組廣泛發(fā)育少量片狀白云母的特征,說明較高的陸源碎屑物質的輸入應是造成其有機質發(fā)育較少,且富有機質頁巖厚度較小的原因之一。

5.2 元素地球化學證據(jù)

有利于頁巖氣成藏的主控因素和基本要素之一為有機質的富集,有機質的富集主要與高生物產率和缺氧的環(huán)境的疊加有關[49],前者的高生產力提供有機質,后者則作為保存條件,二者同時作為形成優(yōu)質烴源巖的必要條件,主要是受沉積環(huán)境的控制[50]。通過對來地1井和來地2井的古生產力和缺氧還原環(huán)境分析,研究區(qū)五峰組-龍馬溪組總體上呈富氧的特征(圖5),僅底部TOC>2.0%的層段,呈缺氧-貧氧,厚度小于10 m。其中,指示沉積環(huán)境氧化還原特征的V/Cr，Ni/Co，U/Th與Ce/La這4個指標呈相似的特征(表3),均指示出①炭質(含)粉砂質頁巖段為缺氧-貧氧的特征,其還原性數(shù)值最高;而③含泥粉砂巖均表現(xiàn)為富氧的特征,其還原性數(shù)值最低。有機碳含量相似的②含炭含泥(質)粉砂巖段與④含炭(含)粉砂質頁巖段,表現(xiàn)為龍馬溪組下段的還原性相對較好,且志留系新灘組的還原性總體比龍馬溪組差。總的來看,五峰組-龍馬溪組由底向上呈缺氧-貧氧-富氧的演化特征,①炭質(含)粉砂質頁巖段為缺氧-貧氧的特征,②含炭含泥(質)粉砂巖呈貧氧-富氧的變化特征,有機質含量最低且陸源碎屑粉砂含量最高的③含泥粉砂巖為富氧的特征,龍馬溪組頂部含一定有機質的④含炭(含)粉砂質頁巖也表現(xiàn)為富氧的特征。由來地1井中反映古生產力的P，Ba等指標分布特征可知,五峰組-龍馬溪組總體上富磷礦物較發(fā)育,反映了沉積水體中具有較高的生物產率。Ba元素與有機碳含量呈明顯的正相關性,表明古生產力對有機碳含量的影響較大。尤其是④含炭(含)粉砂質頁巖段表現(xiàn)為富氧的沉積環(huán)境,而其有機質含量相對③含泥粉砂巖段較高,應主要是受控于較高的古生產力的影響。由此可見,較高的古生產力和缺氧的還原環(huán)境控制有機碳的富集,前者是富有機質頁巖發(fā)育的充分條件,而后者是必要條件。

5.3 綜合討論分析

通過對四川盆地南部及其周緣地區(qū)奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組富有機質頁巖沉積相與頁巖氣地質條件關系的分析[51],認為該地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣富集的主要因素為:① 局限滯留的缺氧還原環(huán)境造成有機質的富集和保存;② 快速海侵形成分層水體利于有機質的富集;③ 適宜的沉積速率不僅利于有機質的保存,也有效的控制了有機質的稀釋率;④ 較高的生物產率控制有機質的豐度;⑤ 沉積環(huán)境控制巖石類型及礦物組分特征,造成龍馬溪組富有機質頁巖段以硅質型頁巖為主,利于頁巖氣的勘探、開發(fā)。相對于四川盆地五峰組-龍馬溪組,來鳳-咸豐地區(qū)該層位中富有機質頁巖的沉積厚度較薄,有機質含量較低,由此,主要從研究區(qū)頁巖氣富集的主要因素與川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組進行對比分析。

1) 局限滯留的缺氧還原環(huán)境發(fā)育時間短

由研究區(qū)五峰組-龍馬溪組的地球化學特征可知,沉積環(huán)境主要呈富氧的特征,有利于有機質富集和保存的缺氧-貧氧的還原環(huán)境僅分布于五峰組-龍馬溪組的底部(圖5,表3)。莓粒狀黃鐵礦的發(fā)育可以指示缺氧的還原環(huán)境[52-55],在來地1井五峰組-龍馬溪組底部最富有機質的(TOC>2.0%)層段,TOC與黃鐵礦含量為高負相關性,相關系數(shù)達-0.80。中部及上部,二者為弱正相關,相關系數(shù)為0.34。這可能是由于研究區(qū)五峰組-龍馬溪組還原環(huán)境中形成的莓粒狀黃鐵礦相對較少,黃鐵礦主要以晶粒狀為主,為后期成巖作用的產物。另外,有機碳含量能獨立用于缺氧條件的識別[50],研究區(qū)五峰組-龍馬溪組有機碳含量在平面上和垂向上均呈不均勻分布,垂向上由下向上總體呈現(xiàn)降低再增加的趨勢,與氧化還原元素指標反映的沉積環(huán)境變化相似;平面上,由四川盆地沉積中心向隆起區(qū)亦逐漸降低,更直觀地說明缺氧的還原環(huán)境利于有機質的富集與保存。

圖5 來鳳-咸豐地區(qū)來地1井奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組氧化還原條件與古生產力特征Fig.5 Characteristics of redox conditions andpaleoproductivity of the Ordovician Wufeng-Longmaxi Formations in Well LD1

序號樣品數(shù)巖性TOC/%V/(V+Ni)V/CrNi/CoU/ThCe/La備注3普通頁巖0.2～0.590.66～0.691.39～1.512.31～3.670.17～0.241.80～2.00.30.681.443.070.21.93新灘組④8含炭(含)粉砂質頁巖0.88～1.950.61～0.71.44～1.83.18～5.310.23～0.441.64～2.101.310.631.654.370.331.95龍馬溪組頂部③11含泥粉砂巖0.33～0.960.56～0.721.4～1.82.81～4.390.21～0.531.86～2.430.60.681.583.470.32.12龍馬溪組中上部②14含炭含泥(質)粉砂巖0.47～1.960.52～0.711.35～2.763.17～6.080.26～0.771.93～2.291.210.641.894.040.472.09龍馬溪組中下部①8炭質(含)粉砂質頁巖1.83～4.180.63～0.861.26～10.553.83～13.230.13～1.071.77～2.512.720.723.276.660.482.18龍馬溪組底部

同四川盆地一樣,硅質巖在龍馬溪組不發(fā)育,磷元素與有機碳含量沒有明顯的正相關的趨勢(圖5),表明研究區(qū)五峰組-龍馬溪組沉積時上升洋流并不發(fā)育[50,56],對有機質的富集貢獻不大[56]。總的來說,還原環(huán)境控制著五峰組-龍馬溪組有機質的豐度,而研究區(qū)目的層中缺氧-貧氧的還原環(huán)境僅發(fā)育在其底部,發(fā)育時間較短(<2 Ma),造成其富有機質頁巖沉積厚度較薄,不利于頁巖氣的富集。

2) 海平面變化速度快造成海侵初期的富有機質頁巖發(fā)育較薄

富有機質頁巖多發(fā)育在海侵體系域中,海侵初期對陸源碎屑物質的抑制作用是造成有機質富集的重要因素之一[50,57-60]。由于研究區(qū)位于四川盆地與外海相連的東北方向處,受雪峰隆起形成的湘鄂西水下隆起/高地[32-34]的影響,研究區(qū)五峰組-龍馬溪組體系域間的轉變較快,快速的海侵海退,造成海侵初期的頁巖沉積厚度較薄,而海侵后期和高位體系域中的富陸源碎屑物質的粉砂巖含量較高,不利于有機質的富集。

四川盆地志留系龍馬溪組快速海侵形成分層水體造成有機質的富集與碳酸鹽礦物的缺乏[51,61-62]。由礦物組分分析可知,研究區(qū)五峰組-龍馬溪組的碳酸鹽礦物含量相差不大,介于1.86%～8.97%,平均為4.53%,其中碳酸鹽礦物和方解石含量最高的為③含泥粉砂巖段,最低的為頂部的④含炭(含)粉砂質頁巖,而①炭質(含)粉砂質頁巖段、②含炭含泥(質)粉砂巖段與③含泥粉砂巖段總體呈現(xiàn)隨著海平面的降低,碳酸鹽礦物含量逐漸減少的特征,可能指示了在海侵的中晚期和高位體系域中,隨著海平面的降低造成地層水逐漸與上層溫暖水體混合,并未再發(fā)育明顯的分層水體的特征,不僅造成有機質的稀釋,同時造成沉積水體呈富氧的特征,使得有機質的保存條件變差,造成有機碳含量大量減少。即②含炭含泥(質)粉砂巖段呈貧氧-富氧的變化特征,有機質含量最低且陸源碎屑粉砂含量最高的③含泥粉砂巖為富氧的特征。

3) 較小的沉積速率不利于有機質的保存

沉積速率影響巖石礦物組分的豐度,適當?shù)某练e速率是有機質富集的有利條件[61-63]。最有利于有機質保存的沉積速率應在20～80 m/Ma,古水體深度范圍為30～400 m[48,64]。根據(jù)陳旭院士等[65]建立的揚子區(qū)奧陶紀-志留紀之交筆石帶序列(圖6),對比來地1井奧陶系五峰組和志留系龍馬溪組黑色頁巖地層的劃分與對比。奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組的沉積時間約8.62 Ma,其中奧陶系晚期的沉積時間約為3.79 Ma,志留系龍馬溪組的沉積時間約4.83 Ma。研究區(qū)五峰組-龍馬溪組的沉積厚度介于40～70 m,其平均視沉積速率主要為5 ～8 m/Ma。龍馬溪組早期沉積的①炭質(含)粉砂質頁巖段、②含炭含泥(質)粉砂巖段的沉積時間約為7.62 Ma,其沉積厚度主要約為10～30 m,因此同四川盆地一樣,五峰組-龍馬溪組早期沉積速率較慢[66]。王同等[67]研究認為川南地區(qū)龍馬溪組下段的黑色筆石頁巖段,厚79.3～94.5 m,其沉積速率為13.35～14.2 m/Ma,較有利于有機質的保存。由此推斷,研究區(qū)龍馬溪組早期以粉砂巖為主的沉積物,相對川南地區(qū)較為豐富的筆石頁巖,在成巖過程中,抗壓實能力不會弱于后者,而沉積厚度不及后者的二分之一,因此,其沉積速率則應遠遠小于川南地區(qū)的沉積速率,不利于有機質的保存。龍馬溪組頂部④含炭(含)粉砂質頁巖段的沉積時間約0.5 Ma或更短,沉積厚度約10 m,其沉積速率應在10 m/Ma及以上,較有利于有機質的保存,由此形成了在較富氧的環(huán)境下的富有機質層段。富有機質頁巖發(fā)育于陸源碎屑輸入量大量減少的環(huán)境中[66],而龍馬溪組中期,相對淺水的沉積環(huán)境,陸源碎屑沉積物的顯著增加造成對有機質的稀釋,使有機質含量降低。因此,五峰組-龍馬溪組在水體適中的陸棚環(huán)境中,早期較小的沉積速率不利于有機質的富集與保存,造成有機質含量較低。

圖6 揚子區(qū)五峰組和龍馬溪組筆石分帶[65]Fig.6 Zonation of the Ordovician-Silurian graptolites in the Yangtze region[65]

4) 較高的生物產率一定程度上控制了有機質的豐度

由上分析可知,研究區(qū)五峰組-龍馬溪組古生產力對有機碳含量的影響較大。而磷元素與有機碳含量之間相關性不是很明顯,且五峰組-新灘組磷元素的豐度相差不大,主要介于310～680 μg/g,說明整體上沉積水體中的生物生產率相差不大,有機碳含量的差異可能主要是有機質沉積后受后期氧化環(huán)境的改造所致。高生產力可以促進水體缺氧形成還原環(huán)境[68-69],然而研究區(qū)五峰組-龍馬溪組的沉積速率很低,即使在沉積期具有較高的生產力,在如此低的沉積速率下很難形成封閉還原環(huán)境,自身無法形成缺氧的水體環(huán)境,造成其有機質被大量消耗。進一步得出,較低的沉積速率嚴重控制了其有機質的保存,是造成研究區(qū)五峰組-龍馬溪組有機碳含量較低的根本因素。

5) 沉積相控制巖相類型及礦物組分影響頁巖氣的地質特征

由巖相的分析發(fā)現(xiàn),僅發(fā)育于深水陸棚環(huán)境的炭質(含)粉砂質頁巖的有機碳含量較高,沉積水體較深,其碳酸鹽礦物含量較低、硅質含量較高,利于頁巖氣的富集成藏與勘探、開發(fā)。深水陸棚相頁巖高TOC，高硅質含量具良好耦合關系,深水陸棚沉積環(huán)境為高有機質豐度優(yōu)質頁巖的形成提供了良好的基礎條件。含炭含泥(質)粉砂巖與含炭粉砂質頁巖主要發(fā)育于淺水陸棚環(huán)境中,其有機碳含量也相對較高,且隨著碎屑顆粒與碳酸鹽礦物含量的增高,有機碳含量逐漸降低,前者與有機碳含量的相關性更敏感,說明陸源碎屑提供量大的較富氧的沉積環(huán)境不利于有機質的保存,碳酸鹽礦物的增加可能只起到稀釋有機質豐度的作用。由此可見,沉積環(huán)境影響巖相的類型及展布,進而影響有機質的展布特征。研究區(qū)五峰組-龍馬溪組深水陸棚相僅發(fā)育于其底部,且受海平面快速降低的影響其沉積厚度較小,難以形成頁巖氣富集的有效厚度。

研究區(qū)五峰組-龍馬溪組其局限滯留的缺氧還原環(huán)境發(fā)育時間短,并且受海平面快速變化的影響造成海侵初期的富有機質頁巖發(fā)育較薄,造成有利于頁巖氣富集的深水陸棚相發(fā)育較少,同時較小的沉積速率不利于有機質的保存,使得五峰組-龍馬溪組在較高的生物產率條件下,有機碳含量較低,古生產力僅在一定程度上控制了有機質的豐度,沉積環(huán)境的變化,最終造成研究區(qū)五峰組-龍馬溪組富有機質頁巖的沉積厚度和有機質的豐度相對四川盆地明顯較差。總的來看,距離物源區(qū)較近且沉積水體較淺的沉積環(huán)境,應是造成研究區(qū)五峰組-龍馬溪組富有機質頁巖發(fā)育較少的根本性因素。

另外,王玉滿等[70]指出晚奧陶世的觀音橋段巖相是判斷五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲集層質量優(yōu)劣的重要標志,在觀音橋組缺失區(qū),頁巖一般缺失“甜點”儲集層、有效厚度薄且有機質豐度低。陳旭等[32]、樊雋軒等[33]、聶海寬等[38]、王玉滿等[70]等均指出研究區(qū)屬于受“宜昌上升”影響的湘鄂西水下隆起區(qū),缺失觀音橋組,這可能是造成研究區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣地質特征相對四川盆地較差的另一重要原因。同時,聶海寬等[38]提出湘鄂西水下高地/隆起可能與江南-雪峰古隆起相連,導致在湘鄂西地區(qū)五峰組頁巖沉積厚度較薄,頁巖氣地質條件較差。

6 結論

1) 來鳳-咸豐地區(qū)奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組礦物組分以石英和粘土礦物為主,其次為長石、碳酸鹽礦物和黃鐵礦,總體上脆性礦物含量高。粘土礦物以伊利石和伊/蒙混層為主,含少量的綠泥石。

2) 巖石類型以含有機質的粉砂巖、泥頁巖為主,主要包括含炭(含)泥質粉砂巖、炭質粉砂質頁巖、含炭粉砂質頁巖與含炭含粉砂頁巖。由底向上,研究區(qū)五峰組-龍馬溪組可劃分為四個巖性段:① 炭質(含)粉砂質頁巖段、② 含炭含泥(質)粉砂巖段、③ 含泥粉砂巖段及④ 含炭粉砂質頁巖段,并可與四川盆地五峰組-龍馬溪組有效對比。

3) 來鳳-咸豐地區(qū)五峰組-龍馬溪組的TOC值主要介于1.0%～2.0%,相對于四川盆地相應層系,有機質豐度較低。對比分析四川盆地相應層系頁巖氣富集的主要因素,認為來鳳-咸豐地區(qū)五峰組-龍馬溪組其局限滯留的缺氧還原環(huán)境發(fā)育時間短,受海平面快速變化的影響造成海侵初期的富有機質頁巖發(fā)育較薄,造成有利于頁巖氣富集的深水陸棚相發(fā)育較少;同時較小的沉積速率不利于有機質的保存,使得五峰組-龍馬溪組在較高的生物產率條件下,有機碳含量較低,古生產力僅在一定程度上控制了有機質的豐度;沉積環(huán)境的變化,最終造成研究區(qū)五峰組-龍馬溪組富有機質頁巖的沉積厚度和有機質的豐度相對四川盆地明顯較差。