貴州織金地區(qū)龍?zhí)督M沉積環(huán)境及其對頁巖發(fā)育的控制

曹文杰，何金先*，楊甜甜，王 健，師 帥，邢慧通

(1.中國礦業(yè)大學(xué)，煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 22116)

0 引言

織金地區(qū)位于貴州西部織納煤田，晚二疊世時期，該區(qū)廣泛發(fā)育一套由海陸過渡相沉積而成的煤系泥頁巖[1-3]。前人對黔西古生代的沉積環(huán)境做了大量的研究，在龍?zhí)督M的沉積演化與模式[4-6]、構(gòu)造特征[7]、煤層氣儲層及煤層氣系統(tǒng)[8-12]以及煤層地化特征[12-16]等方面取得較大成果，但缺乏對龍?zhí)督M富泥頁巖與沉積環(huán)境關(guān)系的研究。隨著頁巖氣儲層特征研究的深入[17-23]，關(guān)于織金地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M沉積環(huán)境對泥頁巖發(fā)育的控制研究顯得尤為必要。本文基于區(qū)域地質(zhì)資料，以鉆井巖心特征觀察、測井單井和連井剖面分析為基礎(chǔ)，對織金地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M沉積環(huán)境與泥頁巖發(fā)育進(jìn)行探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

織金地區(qū)位于黔中隆起西南，由NS向遵義—惠水?dāng)嗔眩琋W向紫云—六盤水?dāng)嗔?、NE向師宗—貴陽斷裂和EW向六盤水—甕安斷裂交叉控制[4]。晉寧運動和澄江運動形成的中元古界梵凈山群和不整合其上的新元古界板溪群淺變質(zhì)巖系共同構(gòu)成了區(qū)內(nèi)剛性較大的構(gòu)造基底[4，15]。導(dǎo)致區(qū)內(nèi)以北東向短軸式寬緩皺褶為主(圖1)。

圖1 織金地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖[24]Figure 1 Geological structure map of Zhijin area

該區(qū)位于穩(wěn)定克拉通盆地邊緣，周期性的海退、海侵反復(fù)出現(xiàn)，故形成了上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M海陸交互相陸源碎屑巖夾碳酸鹽含煤沉積體系。根據(jù)鉆孔、露頭揭露的巖性、巖相和含煤性可分為上、下兩段[4]。下段自龍?zhí)督M底界至標(biāo)7頂，主要由細(xì)砂巖、泥巖組成，發(fā)育潟湖-潮坪沉積，夾灰?guī)r1～10層，煤層厚度較大但不穩(wěn)定，且灰分、硫分較高，富含動植物化石。上段自標(biāo)七頂界至標(biāo)四底部，發(fā)育三角洲沉積，巖性以粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖組成，其垂向上具有明顯的旋回特征，夾0～5層灰?guī)r，含煤性較好，是主要的成煤環(huán)境，煤層厚度達(dá)且穩(wěn)定，本段由東向西增厚[11，15]，富含植物化石，動物化石較少。

2 沉積環(huán)境

2.1 巖石學(xué)特征

鉆井資料位于織金及周邊地區(qū)，巖心揭露龍?zhí)督M巖性主要是泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、菱鐵質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等細(xì)粒沉積物。泥巖顏色主要有灰黑色、黑色、黃色，有機(jī)質(zhì)越多，其顏色越暗，同時在地層中可見大量植物化石，煤層發(fā)育較多，反映當(dāng)時處于厭氧的還原環(huán)境，多為潟湖、沼澤沉積。且在剖面當(dāng)中發(fā)現(xiàn)菱鐵礦的出現(xiàn)，菱鐵礦的局部富集以及單質(zhì)硫的析出更是反映了當(dāng)時經(jīng)歷的還原性的沉積環(huán)境(圖2)。

2.2 沉積相標(biāo)志

沉積構(gòu)造主要可見水平層理、平行層理、波狀層理、塊狀層理、交錯層理等層理構(gòu)造，分別反映了不同的水動力條件與沉積環(huán)境。

1)水平層理。多在織金地區(qū)龍?zhí)督M泥巖之中出現(xiàn)，特點為紋層呈直線狀互相平行，并且平行于層面，反應(yīng)較為穩(wěn)定的水動力環(huán)境，是低能或者靜水環(huán)境標(biāo)志[25]，如海(湖)深水地帶、分流間洼地、沼澤、天然堤等環(huán)境(圖3a)。

2)平行層理。多出現(xiàn)于織金地區(qū)龍?zhí)督M細(xì)砂巖中，外貌與水平層理相似，反映平行層理一般出現(xiàn)在急流及能量高的環(huán)境，如河流、海灘等環(huán)境中(圖3b)。

3)塊狀層理?？梢娪诳椊鸬貐^(qū)龍?zhí)督M泥巖、粉砂巖和各類砂巖中，層內(nèi)物質(zhì)均勻、組分和結(jié)構(gòu)上無差異、不顯細(xì)層構(gòu)造的層理(圖3c)。

4)波狀層理?？梢娪诳椊鸬貐^(qū)龍?zhí)督M砂泥互層中，細(xì)層界面呈波狀起伏，或薄的泥紋層與砂紋層呈波狀互層，該類層理多出現(xiàn)于潮汐環(huán)境之中(圖3d)。

5)槽狀層理。出現(xiàn)于分流河道沉積中，自下而上粒度變細(xì)，且沉積構(gòu)造具有槽狀過渡為波狀、水平層理的趨勢(圖3e)。

6)包卷層理。位于上、下紋層之間的呈波狀、不規(guī)則的明顯褶曲，巖性為細(xì)砂巖或粉砂巖，常見于濁流沉積中，也可出現(xiàn)于潮坪、邊灘等環(huán)境中(圖3f)。

2.3 測井相標(biāo)志

通過對織金地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M含煤地層鉆孔測井曲線形態(tài)進(jìn)行綜合歸納分析，區(qū)內(nèi)測井曲線形態(tài)主要包括漏斗形、指形、鐘形、箱形等：

1)漏斗形。曲線頂部突變，自然伽馬曲線為低值，視電阻率曲線為高值，反應(yīng)水動力條件向上部增強(qiáng)，顆粒變粗的特征(圖4a)，常見于河口壩微相。

(a.砂泥互層；b.炭質(zhì)泥巖；c.斷層面上的方解石脈；d.含植物化石泥巖；e.泥巖中硫的析出；f.煤)圖2 織金地區(qū)龍?zhí)督M鉆井巖心特征Figure 2 Longtan Formation borehole core features in Zhijin area

(a.水平層理；b.平行層理；c.塊狀層理；d.波狀層理；e.槽狀層理；f.包卷層理)圖3 織金及周邊地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M沉積構(gòu)造Figure 3 Upper Permian Longtan Formation sedimentary structures in Zhijin area and periphery

2)指形。曲線呈指狀，頂、底為突變接觸，曲線幅度高。代表強(qiáng)能量下的堆積，如泥坪等，受煤層高電阻、低伽馬的影響常見于泥炭坪(圖4b)。

3)鐘形。曲線底部呈突變接觸，視電阻率曲線由下向上幅度逐漸變低，自然伽馬曲線由下向上幅度逐漸變高(圖4c)。它反映出沉積環(huán)境從高能變?yōu)榈湍?，水動力逐漸減弱的特征，多個鐘形曲線可疊加成為圣誕樹形，多出現(xiàn)于分流河道、水下分流河道微相，也可出現(xiàn)于受砂質(zhì)影響較大的天然堤微相中。

4)箱形。曲線頂、底呈突變接觸，幅度變化不大。自然伽馬曲線為低值，視電阻率曲線為高值，反映物源豐富和較為穩(wěn)定的水動力條件，沉積過程能量一致，是河道砂壩的曲線特征(圖4d)，多出現(xiàn)在砂體厚度較大且沉積較連續(xù)的環(huán)境中，如分流河道、水下分流河道微相。

2.4 單井相分析

Z17井位于納雍縣曙光鄉(xiāng)西北部、百興鎮(zhèn)西部，區(qū)域構(gòu)造位置上位于比德向斜中部，鉆孔深1 370m，鉆遇地層上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖組(1 342m～)、龍?zhí)督M(990～1 342m)、長興組(938～990m)，揭露龍?zhí)督M煤系地層351.4m，發(fā)育泥頁巖累計>187m(表1、圖5)。泥頁巖主要包括細(xì)砂巖、粉砂巖中發(fā)育的泥質(zhì)條帶，粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層。Z17井縱向相上根據(jù)沉積環(huán)境可劃分為兩個部分，即龍?zhí)督M上段和下段。

表1 Z17井龍?zhí)督M巖性統(tǒng)計表

龍?zhí)督M下段：發(fā)育障壁海岸相，潟湖、潮坪交替發(fā)育(圖5)，自峨眉山玄武巖頂部至區(qū)域海退沉積體系轉(zhuǎn)換面，深度為1 230.9～1 342m，巖性以粉砂巖、泥巖及煤層為主，巖性組合類型以粉砂巖夾煤層、泥巖夾煤層為主。發(fā)育波狀層理、水平層理、小型交錯層理，含黃鐵礦結(jié)核及菱鐵礦，含腕足動物。

圖5 Z17井上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M綜合柱狀圖Figure 5 Well Z17 upper Permian Longtan Formation comprehensive stratigraphic column

化石，反映了能量較低的沉積環(huán)境。煤層夾矸或煤層本身含化石并具較高的Sr/Ba、B/Ga比值，具有海相地化特征，該段為局限臺地上的潟湖、沼澤沉積[10]。根據(jù)Elderfield等[26]定義Ceanom表示Ce異常，并用來判定古缺氧環(huán)境的理論，區(qū)內(nèi)潟湖泥頁巖樣品的Ceanom平均值為-0.05，反映為還原環(huán)境；且V/(V+Ni)平均值為1.89，反映為水體分層強(qiáng)烈的還原環(huán)境[12，17]。

(a.漏斗形(視電阻率)；b.指形(視電阻率)；c.鐘形(視電阻率)；d.箱形(自然伽馬、視電阻率))圖4 織金地區(qū)龍?zhí)督M測井曲線圖Figure 4 Longtan Formation well logging traces in Zhijin area

龍?zhí)督M上段：該段表現(xiàn)為明顯潮控三角洲特征(圖5)，自沉積體系轉(zhuǎn)換面，至龍?zhí)督M頂界7號煤頂部，深度1 078.4～1 230.9m，巖性以粉砂巖、暗色泥巖互層夾粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層為主，中厚層砂巖測井曲線為典型的箱狀特征，部分呈現(xiàn)鐘形特征，發(fā)育交錯層理、平行層理，厚層粉砂巖發(fā)育波狀層理，夾泥質(zhì)條帶，植物化石豐富，整體沉積環(huán)境能量較高。粉砂巖、泥巖互層在該段較發(fā)育，主要發(fā)育波狀層理、水平層理以及脈狀、透鏡狀層理，測井曲線呈鋸齒狀，代表較高的泥質(zhì)含量。通過對三角洲相泥頁巖樣品的地球化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計[12]，認(rèn)為龍?zhí)督M上段三角洲相處于弱還原-弱氧化的環(huán)境。

2.5 連井相分析

在單孔沉積相劃分的基礎(chǔ)上，選取Z17、Z1、Z2、Z4、Z9等5口鉆孔，做東西向剖面并結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行連井沉積相研究(圖6)，由沉積剖面可知，織金地區(qū)沉積環(huán)境為海陸過渡相沉積，包括三角洲沉積和潟湖-潮坪沉積，前者包括分水下分流河道、分流間灣和泥炭沼澤等；后者主要包括泥炭坪、泥坪、泥炭沼澤、局限臺地等。

圖6 織金地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M沉積相連井剖面圖Figure 6 Upper Permian Longtan Formation sedimentary facies cross well section

龍?zhí)督M下段。剖面涵蓋地區(qū)主要為潮坪沉積環(huán)境，巖性以灰黑色炭質(zhì)泥巖，灰色細(xì)砂巖和灰色粉砂巖為主，發(fā)育多套薄煤層，為泥坪沉積而成；中部織金巖背后地區(qū)發(fā)育2～5層灰色灰?guī)r，其受海水的影響愈發(fā)強(qiáng)烈；東部為局限臺地上的潟湖、沼澤沉積。

龍?zhí)督M上段。龍?zhí)督M晚期河流作用增強(qiáng)，以三角洲平原和三角洲前緣沉積環(huán)境為主，巖性主要以灰色—灰黑色炭質(zhì)泥巖、灰色細(xì)砂巖和灰色粉砂巖為主，煤層層數(shù)較多且厚度較大，為水下分流間灣或分流間灣沉積轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗵空訚啥?；在龍?zhí)督M與長興組分界處，即標(biāo)四灰?guī)r，越往東其灰?guī)r層沉積越厚，逐漸由潮控三角洲轉(zhuǎn)變?yōu)榫窒夼_地上的潟湖、沼澤沉積。

2.6 沉積相平面分布特征

在單井、連井剖面分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆井巖心、古生物、元素地球化學(xué)特征分析和各層段厚度以及砂巖厚度等，對織金地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M的沉積相平面展布進(jìn)行分析，繪制出龍?zhí)督M早、晚兩個階段的沉積模式圖。

龍?zhí)督M沉積早期(圖7a)。沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，衛(wèi)城-坪土一線以西主要發(fā)育潟湖-潮坪相沉積，以深灰色泥巖和灰色粉砂巖、細(xì)砂巖為主；以東地區(qū)發(fā)育局限臺地相。納雍西北地區(qū)靠近物源區(qū)，巖性為灰色—深灰色細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖不等厚互層，夾黑色煤、灰黑色炭質(zhì)泥巖、灰黑色泥巖，沉積粒度變粗，發(fā)育為三角洲相的砂巖沉積，但沉積規(guī)模較小。

龍?zhí)督M沉積晚期(圖7b)。海平面整體向東退去，最大海泛面減小，西部源自康滇古陸的河道向東遷移，三角洲進(jìn)一步擴(kuò)大至龍場—浦場一線地區(qū)，通過對區(qū)內(nèi)鉆孔資料進(jìn)行砂地比、砂厚的統(tǒng)計分析，大致確定了龍?zhí)督M上段河道分布在陽長、新場、三塘、珠藏一帶(圖8)；而淺水區(qū)發(fā)育的潟湖-潮坪相縮小，且有向東退去的趨勢。

(a.龍?zhí)督M早期；b.龍?zhí)督M晚期)圖7 織金地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M沉積古地理圖Figure 7 Paleogeographic map of upper Permian Longtan Formation sedimentation in Zhijin area

3 沉積環(huán)境對頁巖發(fā)育的控制

3.1 泥頁巖平面、縱向展布特征

沉積環(huán)境是泥頁巖堆積的最終場所，為了探究泥頁巖沉積與沉積環(huán)境的關(guān)系，統(tǒng)計了區(qū)內(nèi)23孔鉆井龍?zhí)督M泥頁巖(含泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖)的累計厚度，并繪制泥頁巖厚度等值線圖(圖8)。

圖8 織金地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥頁巖厚度等值線圖Figure 8 Contour map of shale thickness of upper PermianLongtan Formation in Zhijin area

研究區(qū)東部和中部偏北，即陽長、新場、三塘和織金巖背后地區(qū)為泥頁巖厚度高值區(qū)；中西部地區(qū)，即珠藏、浦場、坪土為泥頁巖累計厚度較低地區(qū)；總體上，泥頁巖厚度有自東向西增大、局部(中北部)厚度較大的特點。

縱向上，龍?zhí)督M下段泥頁巖以粉砂巖夾泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和煤層的形式，中間可夾薄層細(xì)砂巖，具有潮坪沉積的特點。龍?zhí)督M上段泥頁巖主要以泥巖夾煤層、中厚層粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖互層或粉砂巖夾薄層泥巖的形式沉積，自上而下沉積粒序變細(xì)，具有三角洲沉積的特征。

3.2 沉積環(huán)境對泥頁巖發(fā)育的控制

織金地區(qū)中東部積累了50m左右的泥頁巖，即珠藏、坪土和浦場一帶。這是由于龍?zhí)对缙诔练e在古坡度平緩的砂質(zhì)海岸帶[4]，為潟湖-潮坪相沉積，因而成為泥頁巖聚集的理想場所。因此總體上該區(qū)的沉積環(huán)境有利于泥頁巖的發(fā)育。隨著沉積環(huán)境的慢慢轉(zhuǎn)變，在陽長、新場、三塘和織金巖背后地區(qū)為泥頁巖厚度高值區(qū)。Tenger等[27]研究認(rèn)為稀土元素的分異程度與沉積物的沉降速度又很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，織金地區(qū)龍?zhí)督M上段具有較快的泥頁巖沉降速度[4]。這是由于在龍?zhí)督M晚期，海水東退至初始海泛面，海平面上升速度較小，此時為泥炭等提供充足的聚集空間，加之河流作用加強(qiáng)，溫暖、濕潤的氣候條件帶來大量的陸源碎屑物，充注于海陸之間地區(qū)，導(dǎo)致三角洲分流間灣、泥炭沼澤等成為泥頁巖聚集的有利沉積場所。

4 結(jié)論

1)織金地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤系泥頁巖屬于海陸過渡相沉積，按巖性、巖相和含煤性可劃分為龍?zhí)督M上段和下段，其中下段為潟湖-潮坪沉積，上段為三角洲相沉積。

2)泥頁巖發(fā)育具有西部和中北部厚度較大、中東部厚度較小的特點，前者主要位于陽長、新場和織金巖背后等地區(qū)，后者主要位于珠藏、坪土以東地區(qū)。

3)海平面的升降，直接導(dǎo)致沉積環(huán)境的變化。龍?zhí)督M沉積早期泥頁巖主要沉積于潟湖中，龍?zhí)督M沉積晚期泥頁巖主要沉積于分流間灣和泥炭沼澤環(huán)境中，以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層的形式沉積。