頁巖地球化學特征及沉積環(huán)境分析
——以川南長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組為例

盧暢 ，陳雷 ，楊揚 ，周昊 ，譚秀成 ，李雪松

（1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2.中國石油天然氣集團有限公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室西南石油大學研究分室，四川 成都 610500；3.天然氣地質四川省重點實驗室，四川 成都 610500；4.四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610051）

中國具有豐富的頁巖氣資源，四川盆地是中國頁巖氣勘探開發(fā)的前沿地區(qū)[1-6]。長寧地區(qū)位于四川盆地南部，該地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖為典型的海相頁巖，頁巖沉積厚度大、分布范圍廣、紋層發(fā)育、富含有機質[7-10]。

上奧陶統(tǒng)五峰組（O3w）到下志留統(tǒng)龍馬溪組（S1l）頁巖沉積時期，在全球范圍內發(fā)生了一系列重大地質事件，晚奧陶世生物大滅絕[11-12]、赫南特冰川事件[13-14]、碳氮同位素漂移[15-16]及全球黑色頁巖廣泛沉積等[17-18]。川南長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖沉積于該時期，研究其沉積環(huán)境演化具有重要意義。對于頁巖氣，沉積環(huán)境不僅在宏觀上控制了富有機質頁巖的形成及空間展布，更在微觀上決定了富有機質頁巖的礦物成分、地球化學特征、儲集空間特征等[19]。本文對長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖的81個樣品進行了主量元素與微量元素測定，其中，X1井22個樣品，X2井24個樣品，X3井35個樣品。主量元素與微量元素分別采用X射線衍射（XRD）和電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）分析技術進行測定，測定結果誤差小于5%。同時，本文研究了五峰組—龍馬溪組頁巖的地球化學特征和沉積環(huán)境，研究成果對長寧區(qū)塊頁巖油氣的勘探預測起到重要作用。

1 地質背景

長寧地區(qū)位于四川盆地南部，北鄰川南低緩背斜構造帶，南接黔西北寬緩背斜褶皺帶（見圖1）[10]。晚奧陶世至早志留世時期，四川盆地的東南緣受構造作用抬升而隆起，從開闊海洋環(huán)境向局限海洋環(huán)境轉變，形成了一套總有機碳質量分數(shù)（TOC）較高、地層厚度較大的海相泥頁巖[18-19]。研究區(qū)在五峰組—龍馬溪組沉積早期，由于海底大面積缺氧，有機質和生物硅質能夠有效保存，該地區(qū)沉積了一套分布穩(wěn)定的深色富筆石頁巖[20]。

圖1 研究區(qū)構造位置

研究區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組（O3w）厚度為3～10 m，碳質含量較高，富含筆石、放射蟲等生物。五峰組頂部觀音橋段發(fā)育介殼灰?guī)r，厚度較小，介于0.5～1.0 m。下志留統(tǒng)龍馬溪組巖性為一套黑色碳質頁巖和粉砂質頁巖組合，可見大量筆石。龍馬溪組分為龍一段（S1l1）和龍二段（S1l2），其中，龍一段又分為龍一 1 亞段（S1l11）和龍一2亞段（S1l12）。龍一1亞段富含有機質，又細分為1小 層 （S1l11-1）、2 小 層 （S1l11-2）、3 小 層 （S1l11-3）、4 小 層（S1l11-4）（見圖2）。

圖2 長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層綜合柱狀圖

2 地球化學特征

2.1 主量元素

長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖主要由SiO2，Al2O3，CaO等組成，各層位的主量元素質量分數(shù)（w）均不相同（見表1）。 w（SiO2）介于 5.72%～75.64%，平均53.48%；w（Al2O3）介于 1.79%～25.58%，平均 11.47%；w（CaO）介于0.48%～32.86%，平均8.60%。除此之外，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖還有Fe2O3，MgO，K2O，平均質量分數(shù)均小于10.0%，以及少量的Na2O，MnO2，TiO2，P2O5，平均質量分數(shù)均小于 1.0%。

表1 長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖主量元素質量分數(shù) %

研究區(qū)五峰組 w（CaO）高于龍馬溪組，w（Al2O3）及w（SiO2）低于龍馬溪組。 垂向上，龍馬溪組 w（Al2O3）總體呈向上增加的趨勢，表明龍馬溪組沉積早期到后期的陸源碎屑輸入量逐漸增加。

2.2 微量元素

長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖微量元素有Ba，Zr，Zn，Sr等，各層位微量元素質量分數(shù)不同（見表2）。五峰組頁巖 w（Ba），w（Zr），w（Zn），w（Sr）均較高，平均質量分數(shù)分別為 1 484.1，187.3，219.6，400.5 μg/g。 龍馬溪組頁巖 w（Ba），w（Zn），w（Sr），w（V）均較高，平均質量分數(shù)分別為 1 723.3，219.6，177.6，166.8 μg/g。

表2 長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖微量元素質量分數(shù) μg·g-1

為了研究微量元素的富集規(guī)律，本文對研究區(qū)所有樣品的微量元素進行PAAS（后太古宙澳大利亞頁巖）標準化處理（見圖3）。圖中不同顏色代表研究區(qū)不同樣品，質量分數(shù)比為研究區(qū)頁巖與PAAS的微量元素質量分數(shù)比值。由圖3可以看出，五峰組頁巖的Mo，Pb，U元素較為富集，龍馬溪組頁巖的Mo，Ba，U元素較為富集。

圖3 長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖微量元素PAAS標準化蜘蛛網圖

3 沉積環(huán)境分析

3.1 氧化還原條件

目前有許多指標可以表征頁巖沉積時的水體氧化還原條件[21-22]。大量研究發(fā)現(xiàn)，w（V）/w（Cr），w（V）/（w（V）+w（Ni）），w（U）/w（Th）這 3 個指標可以表征長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖沉積時的水體氧化還原條件（見表3）[21-22]。 五峰組頁巖的 w（V）/w（Cr）平均為 4.01，w（V）/（w（V）+w（Ni））平均為 0.66，w（U）/w（Th）平均為0.97，表明五峰組時期為貧氧—厭氧環(huán)境，有利于有機質富集（見表4）。

表3 長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組氧化還原條件判別標準

表4 長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組各層位元素指標

龍馬溪組 w（V）/w（Cr），w（U）/w（Th）從底部到頂部均呈現(xiàn)減小趨勢，從 S1l11-1到 S1l12，w（V）/w（Cr）平均值從 6.55 逐漸減小至 1.79，w（U）/w（Th）平均值從 3.49逐漸減小至 0.32，w（V）/（w（V）+w（Ni））平均值無較大變化，介于0.66～0.73（見表4）。因此，從整體上看，龍馬溪組頁巖在S1l11-1—S1l12沉積時期的沉積環(huán)境為缺氧環(huán)境，垂向上從極度缺氧的厭氧環(huán)境向貧氧環(huán)境演變，含氧量逐漸上升。厭氧環(huán)境與貧氧環(huán)境的過渡時期在S1l11-2沉積末期與S1l11-3沉積初期，到S1l12沉積時期已接近氧化環(huán)境。

3.2 水體滯留程度

水體滯留程度與海平面升降息息相關，影響沉積環(huán)境的氧化還原條件，也是海水微量元素供給的主要影響因素之一[23]，缺氧環(huán)境有利于有機質的富集與保存[24]。五峰組頁巖沉積時期，盆地為貧氧—厭氧環(huán)境，沉積物中Mo和U相對缺乏。

圖4為長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖Mo-U協(xié)變模式。圖中紅色虛線表示海水中Mo與U的濃度比值（SW=7.9），3條黑色虛線分別表示Mo與U的濃度比值是海水的0.1，0.3，3.0倍。

圖4 長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖Mo-U協(xié)變模式

五峰組頁巖樣品點分布表明，此時盆地環(huán)境封閉，水體滯留在盆地內，與外界交換較少，與黑海相似，屬于強滯留環(huán)境（見圖4）。

龍馬溪組底部S1l11-1—S1l11-2為極度缺氧的厭氧環(huán)境，在還原性極強的條件下，Mo和U更易在沉積物中富集。整體看，S1l11-1—S1l11-2沉積時期與五峰組沉積時期不同，樣品點分布在SW線附近，協(xié)變圖中表現(xiàn)的不是弱滯留環(huán)境和非滯留環(huán)境。S1l11-3—S1l12為貧氧環(huán)境，此時含氧量上升，有機質保存與富集的有利條件變弱，沉積物中w（Mo）及 w（U）較低，樣品點落在非滯留環(huán)境，S1l11-3—S1l11-4為缺氧—厭氧靜海相，S1l12為貧氧—缺氧環(huán)境（見圖4）。

龍馬溪組頁巖的Mo-U協(xié)變模式無法直接與協(xié)變圖中某個現(xiàn)代海盆直接對應。前人研究發(fā)現(xiàn)，這種情況與Oklahoma盆地Woodford頁巖的Mo-U協(xié)變模式類似[24-26]，該模式出現(xiàn)在半滯留環(huán)境中，因此推斷研究區(qū)在龍馬溪組頁巖沉積時期為半滯留環(huán)境。

3.3 古氣候

地表巖石的化學風化程度主要受溫度和濕度的影響，炎熱潮濕的環(huán)境會促進巖石化學風化作用，寒冷干燥的環(huán)境不利于化學風化作用，物理破碎等作用起到主導作用。化學風化指數(shù)（CIA）可以定量反映沉積巖物源區(qū)的化學風化作用的強度。研究發(fā)現(xiàn)：CIA＞80時，表明沉積物沉積時的古氣候炎熱潮濕，巖石化學風化作用較為嚴重；CIA介于65～80時，表明沉積物沉積時的古氣候溫暖濕潤，巖石化學風化作用中等；CIA介于50～65時，表明沉積物沉積時的古氣候寒冷干燥，巖石化學風化作用較弱[27]。

長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖化學風化指數(shù)見表5。由表可知：各層位化學風化指數(shù)穩(wěn)定，介于64.60～76.04，平均 69.75～72.70，表明該時期長寧地區(qū)古氣候是溫暖濕潤的。隨著龍馬溪組化學風化指數(shù)由底部至頂部逐漸增大，古氣候也逐漸向溫度更高、濕度更大的方向演變。溫暖濕潤的古氣候為生物發(fā)育創(chuàng)造了環(huán)境條件，生物繁盛使得龍馬溪組頁巖沉積時期具有較高的初級生產力，同時也為研究區(qū)富有機質頁巖沉積奠定了物質基礎。

表5 五峰組—龍馬溪組頁巖化學風化指數(shù)

4 沉積環(huán)境演化模式

長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖沉積時期是上揚子構造沉積環(huán)境演化的重要時期，沉積環(huán)境在氧化還原條件和水體滯留程度方面都發(fā)生了變化。

五峰組頁巖沉積時期，沉積環(huán)境為貧氧—厭氧的強滯留環(huán)境（見圖5）。此時水體交換頻率低，盆地較為封閉，與外界陸源碎屑物質交換較少。由于頻繁短暫的火山噴發(fā)活動[28]，氣候溫暖濕潤，生物繁盛，可見硅質放射蟲、棘皮、筆石等[29]，大量生物帶來的高生產力為有機質富集提供了物質基礎。

圖5 長寧地區(qū)X1井五峰組—龍馬溪組沉積環(huán)境演化模式

龍馬溪組頁巖沉積時期，研究區(qū)處于一個半滯留環(huán)境（見圖5）。龍馬溪組底部的還原條件較五峰組好，厭氧的強還原環(huán)境為有機質富集保存提供了較好的環(huán)境基礎。龍馬溪組頁巖沉積時期，沉積環(huán)境處于溫室效應中，此時發(fā)育的動物群穩(wěn)定[29]。因此，沉積時期的古氣候溫暖濕潤，古生物豐富，初級生產力高。

5 結論

1）長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖主要由SiO2，Al2O3，CaO等組成。頁巖微量元素PAAS標準化處理后發(fā)現(xiàn)，五峰組頁巖的Mo，Pb，U元素較為富集，龍馬溪組頁巖的Mo，Ba，U元素較為富集。

2）五峰組頁巖沉積時期，長寧地區(qū)處于貧氧的缺氧環(huán)境。龍馬溪組頁巖在S1l11-1—S1l12沉積時期為缺氧環(huán)境，垂向上從極度缺氧的厭氧環(huán)境向貧氧環(huán)境演變，含氧量逐漸上升，到S1l12沉積時期接近氧化環(huán)境。

3）五峰組頁巖沉積時期為強滯留環(huán)境，龍馬溪組頁巖沉積時期為半滯留環(huán)境。

4）長寧地區(qū)古氣候溫暖濕潤，隨著龍馬溪組化學風化指數(shù)由底部至頂部逐漸增大，古氣候也逐漸向溫度更高、濕度更大的方向演變。