川東南上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥頁巖發(fā)育特征

郭 炎, 林良彪*

(1.成都理工大學氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610059;2.成都理工大學沉積地質研究院，成都 610059)

具有一定厚度的泥頁巖是頁巖氣可能有利聚集的必備條件之一[1-2]，中國頁巖氣開發(fā)成功的地區(qū)，往往伴隨著累計厚度大于30 m的泥頁巖發(fā)育，最大泥頁巖發(fā)育厚度可達245 m。

四川盆地古生界海相地層頁巖氣勘探開發(fā)成果顯著，其中以龍馬溪組為典型代表[3]，然而同樣作為古生界海相地層的龍?zhí)督M卻并沒有引起足夠的重視。近些年來，有不少學者針對龍?zhí)督M地層進行過相關研究，研究的焦點主要集中在沉積相與巖相古地理演化以及烴源巖的評價上[4]。在沉積格局方面，晚二疊世龍?zhí)镀冢拇ㄅ璧氐幕境练e格局為：由南西至北東，沉積環(huán)境由陸相向海相過渡。大量學者針對這一時期的巖相古地理變化做過研究，但劃分的沉積相形式也不盡相同。在層序劃分方面，林良彪等[5]從層序地層方向著手，將川東地區(qū)龍?zhí)督M劃分為SQ1、SQ2、SQ3等3個三級層序及7個體系域，并據(jù)此編制了川東地區(qū)的巖相古地理圖。在烴源巖方面，龍?zhí)督M烴源巖有機質含量高，干酪根以Ⅱ型為主，熱演化程度基本上已達高-過成熟階段，生烴強度大[6-7]。王順玉等[8]在系統(tǒng)研究天然氣組成以及碳同位素、儲層瀝青、凝析油輕烴組成等地化參數(shù)，并將其與可能烴源巖的相關地化特征對比，后認為臥龍河嘉陵江組天然氣主要源自龍?zhí)督M煤系烴源巖。此外還有學者認為，普光、羅家寨、龍崗、元壩等氣田長興組-飛仙關組礁灘相儲層中的天然氣也主要來自龍?zhí)督M黑色泥頁巖[9]。

由此可見，前人研究多集中在烴源巖儲層和對沉積相的研究，而很少研究沉積相和泥頁巖組合與厚度之間的關系。因此在前人研究的基礎上，通過沉積相對巖性分布的影響，研究泥頁巖巖性組合特征和泥頁巖厚度特征，以期能為四川盆地東南部龍?zhí)督M泥頁巖的研究提供新的資料。

1 區(qū)域地質特征

1.1 地層發(fā)育概況

研究區(qū)位于四川盆地東南部(圖1)，包括川東高陡區(qū)和川南低陡區(qū)，其東為齊岳山大斷裂，西為華鎣山大斷裂，南北分別以婁山關斷褶帶及大巴山臺緣斷褶帶為界。

研究區(qū)沉積了從震旦系到第四系的大部分地層，其中二疊統(tǒng)龍?zhí)督M作為本次研究的重點層段，為一套碳質頁巖、暗色泥頁巖為主的海陸過渡相含煤巖系。龍?zhí)督M在四川盆地東南部埋藏深度普遍小于4 000 m。

圖1 四川盆地地質構造簡圖及研究區(qū)位置

1.2 區(qū)域構造特征

研究區(qū)經歷了多期復雜構造運動，區(qū)內褶皺變形強烈，川東為高陡褶皺帶，以NE-NNE高陡隔擋式褶皺為主，背斜緊湊，向斜寬緩，川南為低緩褶皺帶，NNE向褶皺,相對平緩，向南呈帚狀發(fā)散特征[10-13]。

研究區(qū)華鎣山大斷裂自加里東期以來十分活躍，走向NE-SW，兩盤下古生界地層存在差異，控制了后續(xù)的構造-沉積格局。齊岳山大斷裂，形成于加里東期裂，呈NE走向。另外研究區(qū)還發(fā)育有次級斷裂，控制局部構造的發(fā)育和變形。

2 層序地層特征

2.1 層序界面識別標志

層序界面識別是層序劃分與對比的前提，層序界面包括層序底界面、初始海泛面及最大海泛面，其中層序底界面的識別是劃分層序、確定層序類型的基礎[14-15]。根據(jù)研究區(qū)龍?zhí)督M野外剖面、巖心分析、測井資料和地震剖面等綜合分析，區(qū)內層序界面表現(xiàn)為升隆侵蝕不整合面、最大海泛面和巖性與巖相轉換面。

升隆侵蝕不整合面以地層缺失、地球化學突變等作為典型標志，位于具火山事件作用面的龍?zhí)督M底部，野外剖面觀察到的不整合面上表現(xiàn)為一套厚度很薄的黃灰色鋁土質泥巖、黏土巖、碳質頁巖，局部見煤系發(fā)育。造山升隆侵蝕不整合面與峨眉山玄武巖噴發(fā)有著密切關系，川滇地區(qū)形成的大面積玄武巖堆積，使得海域面積大規(guī)模退縮，造成川東地區(qū)大面積上升成陸。造山侵蝕不整合面具I型層序界面性質[圖2(a)、圖2(b)]。

圖2 層序界面野外露頭照片

I型層序界面之上發(fā)育低位體系域(LST),主要發(fā)育泥頁巖和鋁土質泥巖[圖2(c)]。最大海泛面是層序中最大海侵所能達到的位置而形成的界面[15]，在海相地層中可據(jù)此界面將層序劃分為海侵體系域(TST)[圖2(d)]和高位體系域(HST)[圖2(f)]，以黑色頁巖、薄層硅質巖、硅質灰?guī)r[圖2(e)]為特征。

巖性與巖相轉換面以沉積環(huán)境突變、巖性突變以及地球化學突變等為典型標志，此類界面在四川盆地東南部龍?zhí)督M廣泛發(fā)育，海相沉積可以見到的轉換有泥巖→灰?guī)r、灰?guī)r→泥巖、灰?guī)r→硅質巖，海陸交互相還可見砂巖→泥巖的轉化。此類界面主要見于龍?zhí)督M內部，結合測井曲線，可以確定具II型層序界面性質的界面。

圖3 層序地層格架地層對比

2.2 層序地層格架

根據(jù)層序地層學基本原理及工作方法，并依據(jù)中國南方震旦系-中三疊統(tǒng)層序劃分方案[16-17]，四川盆地東南部地區(qū)龍?zhí)督M分為4個層序界面，包括1個I型升隆侵蝕不整合界面和3個II型層序界面，I型不整合界面位于龍?zhí)督M底部、茅口組頂部，是中上二疊統(tǒng)的界線，II型層序界面2個位于龍?zhí)督M內部，1個為龍?zhí)督M頂部與長興組的分界面[18,19]。

依據(jù)各層序界面產位置，可將龍?zhí)督M由底至頂依次劃分為SQ1、SQ2、SQ3三級層序，SQ1層序由低位體系域、海侵體系域和高位體系域構成，而SQ2層序和SQ3層序則皆由海侵體系域和高位體系域構成。根據(jù)四川盆地東南部地區(qū)鉆井資料，獲得了層序地層格架，如圖3所示。

3 沉積相與巖性組合特征

3.1 沉積相

隨著川西南康滇古陸的上升擴大，四川盆地呈現(xiàn)南西高、北東低的古地理格局，自南西向北東由陸過渡為海，沉積相變明顯，從河流相→沼澤相→潮坪相→淺水陸棚相→深水陸棚相(圖4)[7]。受沉積相的控制，研究區(qū)自南西向北東，陸源碎屑不斷減少，水體不斷加深。

圖4 晚二疊世龍?zhí)镀诔练e相

3.2 巖性變化

在野外對龍?zhí)督M巖性進行了詳細觀測，發(fā)現(xiàn)巖性變化具有一定的規(guī)律，如圖5所示。

在濱岸沼澤亞相發(fā)育區(qū)，主要為粉砂淤泥質低能海岸環(huán)境，泥頁巖組合主要為泥包砂，以潮流作用為主，具有較寬闊的潮間帶[20]。例如，豐都縣南天湖鎮(zhèn)作坊溝一帶，巖性由粉砂巖、泥巖、煤層或煤線組成[圖5(a)]。泥頁巖厚度為0～110 m，與其他沉積相相比厚度最厚。

混積陸棚分為淺水和深水混積陸棚兩部分，平面上主要分布于四川盆地東南部地區(qū)北部及東部。淺水混積陸棚巖性以灰?guī)r和泥巖為主，同時可發(fā)育泥灰?guī)r或灰質泥巖，且發(fā)育少量的燧石結核灰?guī)r，如豐都縣南天湖鎮(zhèn)作坊溝一帶[圖5(c)]。深水混積陸棚沉積環(huán)境巖性以泥頁巖、硅質頁巖及硅質巖為主，間有薄層灰?guī)r發(fā)育?；旆e陸棚發(fā)育區(qū)內泥頁巖組合主要以泥包灰為主，泥頁巖厚度為0～50 m。

龍?zhí)督M盆地相發(fā)育于城口-鄂西地區(qū)，巖性主要為薄層硅質灰?guī)r、泥灰?guī)r夾泥巖，泥巖碳質含量較高，易污手。沿層面可見生物碎屑分布，如菊石[圖5(d)]等，指示深水沉積環(huán)境。

圖5 沉積亞相巖性變化

龍?zhí)督M巖性組合縱向變化較為明顯，受控于沉積環(huán)境。巖性組合上從泥包砂夾煤層→灰?guī)r夾泥頁巖→泥頁巖夾灰?guī)r，表現(xiàn)出煤層(線)逐漸減少，灰質和硅質含量逐漸增高的特點。

3.3 泥頁巖巖性組合特征

根據(jù)龍?zhí)督MSQ1、SQ2、SQ3段泥頁巖厚度，分別編制了SQ1、SQ2、SQ3段泥頁巖巖石組合分布圖(圖6)。

圖6 上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M巖性組合圖

SQ1段發(fā)育泥包灰、純泥以及泥包砂組合。泥包砂組合主要發(fā)育于研究區(qū)西南部的南充-合川一線以西。泥包灰組合主要見于南充-合川一線以東研究區(qū)東北部區(qū)域，純泥組合呈點狀散布于其間，分布較局限[圖6(a)]。

SQ2段發(fā)育泥包灰、純泥以及泥包砂組合。泥包砂組合主要分布于研究區(qū)西南部，分布范圍較廣。泥包灰主要發(fā)育于合川以東的研究區(qū)東北部。純泥組合發(fā)育較局限，散布于泥包灰組合及泥包砂組合區(qū)域，相對其兩者，其分布面積較小[圖6(b)]。

SQ3段發(fā)育泥包灰、純泥以及泥包砂組合。泥包砂組合發(fā)育于南充-永川一線以西的研究區(qū)西南部，分布范圍較前兩段有所減小。泥包灰組合分布于通江-合川以東的線狀狹長區(qū)域，純泥組合主要見于西門1井、女基井、建深1井以及梁平縣以北-大竹縣以東區(qū)域，分布局限[圖6(c)]。

4 泥頁巖厚度分布特征

龍?zhí)督MSQ1、SQ2、SQ3段泥頁巖有效厚度如(圖7)。

圖7 上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥頁巖厚度等值線圖

SQ1段泥頁巖厚度變化如[圖7(a)]所示。研究區(qū)西南部泥頁巖厚度較大，基本都在30 m以上，最厚處位于盤1井，為87.5 m，并以此為中心向外，厚度逐漸遞減。而在研究區(qū)東北部，區(qū)域上存在兩個高值，分別為天西2井71.5 m和天東3井49 m。東北部區(qū)域泥頁巖厚度主體在20 m以上，相對西南部而言，其分布范圍及高值區(qū)面積皆不及，較局限。

SQ2段泥頁巖厚度變化如[圖7(b)]所示。研究區(qū)西南部以資1井44 m-隆盛1井45 m一線為中心向外，泥頁巖厚度逐步遞減，其厚度基本分布在20 m以上。研究區(qū)東北部泥頁巖厚度在金雞1井52 m存在高值，其中厚度大于20 m的區(qū)域有限，大部分在20 m以下。

SQ3段泥頁巖厚度變化如[圖7(c)]所示。研究區(qū)西南部泥頁巖厚度高值在女基井45 m，且厚度沿女基井-資1井一線向周圍遞減，但大多數(shù)大于30 m。研究區(qū)東北部泥頁巖厚度總體較薄，僅川岳84井、華鎣溪口、梁6井附近區(qū)域泥頁巖厚度在20 m以上，且以川岳84井最厚40 m。

5 結論

(1)在野外剖面露頭研究的基礎上，識別地層及層序相關界面，厘定龍?zhí)督M的地層劃分，將川東龍?zhí)督M劃分為3個三級層序(即SQ1、SQ2、SQ3)，并建立川東龍?zhí)督M層序地層格架。

(2)四川盆地東南部龍?zhí)督M地層三級層序由底至頂依次劃分為：SQ1層序由低位體系域、海侵體系域和高位體系域構成；而SQ2層序和SQ3層序則皆由海侵體系域和高位體系域構成。

(3)四川盆地東南部泥頁巖組合及厚度受沉積環(huán)境影響。濱岸相主要泥頁巖組合為泥包砂，最厚。潮坪相主要泥頁巖組合為泥包砂，有效厚度僅次于濱岸相。混積陸棚相泥頁巖組合以泥包灰為主，較薄。

(4)四川盆地東南部泥頁巖厚度總體上表現(xiàn)為西南部厚、東北部薄的特點。SQ1段泥頁巖西南部泥頁巖厚度都在30 m以上，東北部厚度在20 m以上。SQ2段泥頁巖厚度西南部在20 m以上，東北部在20 m以下。SQ3段泥頁巖厚度西南部大多大于30 m，東北部厚度較薄。