川南威遠—瀘州頁巖氣井區(qū)奧陶系頂部觀音橋組巖相和沉積環(huán)境*

梁萍萍 郭 偉 王 南 趙文韜 王紅巖 馬 譞 李 越

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083；2.中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦 四川瀘州 646000；3.現(xiàn)代古生物學和地層學國家重點實驗室，中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所生物演化與環(huán)境卓越創(chuàng)新中心 南京 210008）

華南板塊上揚子區(qū)奧陶紀—志留紀之交，陸表海遠岸區(qū)的地層序列由下而上分為五峰組頁巖—觀音橋組—龍馬溪組頁巖；奧陶系頂部赫南特階觀音橋組多為碳酸鹽巖地層單元，在露頭和巖心中均易于識別，該組頂部也是奧陶系—志留系分界的重要標志層（Chen et al.，2004）。五峰組和龍馬溪組下部黑色筆石頁巖有機碳含量高和熱演化程度適中，而成為優(yōu)質(zhì)頁巖氣開發(fā)層系（張金川等，2008；王世謙等，2009；蒲泊伶等，2010；黃文明等，2011；Liu et al.，2013；王超等，2018）。以往大多數(shù)研究文獻基于露頭剖面的實例論述奧陶系—志留系之交古生物學和古地理演化過程。威遠—瀘州地區(qū)的奧陶系—志留系之交的地層多埋深千米以下，海底地貌水深控制沉積單元的脆性礦物成分差異，且直接影響頁巖氣孔隙度指標和TOC儲集方式；優(yōu)質(zhì)儲層厚度變化大，縱橫分布非均質(zhì)性強，局部的滯留缺氧環(huán)境相應(yīng)造成了有機質(zhì)富集程度的平面分異。

有關(guān)威遠—瀘州井區(qū)觀音橋組化石組合面貌和沉積環(huán)境分析的研究尚屬空白。筆者 在9口井，即W2井、W4H10井、L2井、L4井、L5井、L6井、L7井、L8井 和L9井（井位見圖1）取樣觀音橋組巖心作微相描記，識別化石組成和海底沉積環(huán)境指標，為深層頁巖氣儲層參數(shù)體系評價、高產(chǎn)主控因素控制機制提供直觀的實證資料，有助于深層頁巖氣優(yōu)選區(qū)帶圈定和儲量論證。

圖1 威遠—瀘州頁巖氣井區(qū)觀音橋組微相分析的9口井位置圖Fig.1 Locations of the night wells for present microfacies analysis in Weiyuan-Luzhou shale gas well blocks

1 威遠—瀘州井區(qū)地質(zhì)背景

上揚子地區(qū)在晚奧陶世古陸環(huán)繞中形成半封閉海盆，奧陶紀—志留紀之交的地層序列提供了岡瓦納冰川事件形成前后海相生物群和環(huán)境演替、地球化學和古地理學劇變的實證。據(jù)戎嘉余等（2011）以及陳旭等（2017）展示奧陶紀—志留紀之交華夏古陸的擴展證據(jù)和機制及黔中古陸的海岸線變化，威遠—瀘州井區(qū)與重慶南部的綦江觀音橋村的觀音橋組標準剖面同屬其西北部為川中古陸，南部為滇黔桂古陸之間的遠岸陸表海區(qū)鈣質(zhì)—粉砂質(zhì)的海底沉積環(huán)境（Rong et al.，2020）。巖心觀察顯示威遠—瀘州地區(qū)奧陶系—志留系之交為連續(xù)海相層（王紅巖等，2015；He et al.，2021），觀音橋組與其之下的五峰組和之上的龍馬溪組之間無沉積缺失標志（戎嘉余等，2019）；Shi et al.（2021）綜合該區(qū)筆石生物地層學對比和物探資料，圈定海底地貌變化過程。威遠—瀘州井區(qū)屬樂山—龍女寺古隆起和黔中古陸所夾持的典型隔檔式褶皺變形區(qū)（梅慶華等，2014），深部儲層構(gòu)造形態(tài)與地表具有很好的對應(yīng)關(guān)系。威遠地區(qū)產(chǎn)頁巖氣的井位屬川西南古中斜坡低褶皺帶，而瀘州的井則屬川南古坳中隆低陡彎形帶，整體發(fā)育相對緊閉的背斜和寬緩的向斜構(gòu)造，具有復(fù)式褶皺特點；背斜區(qū)常發(fā)育次級的背斜構(gòu)造，區(qū)域性斷裂多集中在背斜的翼部或背斜與向斜的轉(zhuǎn)折部位，同時存在近東西向—北西西向擠壓和近南北向—北北東向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場為特征。

2 威遠—瀘州地區(qū)觀音橋組巖心的微相特征

通過觀察觀音橋組巖心并制作普通巖石薄片，以Dunham（1962）和Flügel（2004）的分類法定名碳酸鹽巖微相分類，描記生物碎屑顆粒類型和豐度，并綜合巖相學總體指標討論觀音橋組沉積時的海底環(huán)境。在露頭剖面工作時可大量采集剝離巖石而獲得可資鑒定屬種的大化石標本，但本研究因樣品采集量大小限制而不能獲取大量的大化石，本文所描述的僅為部分而非完全厚度的觀音橋組局部薄層樣品化石組合和巖相學特征，所有微相插圖照片均為單偏光。

2.1 W2井（井深2 571.79～2 572.64 m，厚度0.85 m）

巖心觀察：生屑破碎度高，粗生屑主要為腕足類和海百合碎片，略有分選性，少量粒徑可達厘米級；腕足類均為單瓣散落狀；以灰泥基質(zhì)為主。

微相鑒定：生屑泥粒狀灰?guī)r（圖2a、圖2b）。生屑破碎度高，粒徑多小于1 mm，局部豐度可達支撐；海百合碎片約30%，局部密集；三葉蟲碎片均屬薄殼型，含量約15%，腕足類碎片約10%，其余見微量海綿骨針和介形類；生屑顆粒略有硅化現(xiàn)象；基質(zhì)為灰泥和微量石英粉砂。

2.2 W4H10井（井深3 358.12～3 358.32 m，厚度0.2 m）

巖心觀察：層面上見少量完整單瓣腕足類殼體，生屑破碎度高，粗生屑主要為腕足類碎片，略有分選性，少量粒徑可達厘米級；以灰泥基質(zhì)為主。

微相鑒定：生屑粒泥狀灰?guī)r（圖2c、圖2d）?？傮w上基質(zhì)含量高于生屑含量，但局部生屑可密集達到支撐程度而形成粒泥狀灰?guī)r；生屑破碎程度高，粒徑多小于1 mm，海百合碎片約20%，薄殼型三葉蟲碎片約10%，腕足類碎片約10%，見微量海綿骨針，粒度毫米級的鈣質(zhì)海綿具有網(wǎng)格狀水管系統(tǒng)，這是首次在上揚子區(qū)觀音橋組中報道鈣質(zhì)海綿化石，因保存不完整，目前難以依據(jù)形態(tài)學作系統(tǒng)古生物學定名；灰泥基質(zhì)為主，在圖2c的下部見豐富的遺跡化石Chondrites（叢藻跡），微量無磨圓度和分選性的石英粉砂。

2.3 L2井（井深4 323.30～4 323.50 m，厚度0.2 m）

巖心觀察：深灰色灰泥為主，生屑縱向密度疏密相間，大致形成韻律層；生屑破碎度高，粗生屑主要為腕足類碎片，粒徑可達厘米級，均為單瓣散落狀，殼體順層排列；以灰泥基質(zhì)為主。

微相鑒定：含生屑泥狀灰?guī)r（圖2e、圖2f）?；夷酁橹?，生屑縱向密度疏密相間，大致形成韻律層；化石稀少且破碎程度高，生屑含量僅3%，粗生屑主要為薄殼型腕足類碎片，粒徑可達厘米級，均為單瓣散落狀，殼體順層排列；見毫米級腹足類Homotoma（鏈房螺）；微量三葉蟲碎片可能是鏡眼蟲類Dalmanitina（小達爾曼蟲）的復(fù)眼，目前常見于觀音橋組的具有多個復(fù)眼僅是小達爾曼蟲；微量海綿骨針；基質(zhì)為灰泥和微量石英粉砂。

圖2 W2井、W4H10井和L2井觀音橋組微相a.生屑泥粒狀灰?guī)r，W2井，2 571.33 m；b.生屑泥粒狀灰?guī)r，W2井，2 571.33 m；c.生屑粒泥狀灰?guī)r，W4H10井，3 358.12 m；d.生屑粒泥狀灰?guī)r，W4H10井，3 358.12 m；e.含生屑泥狀灰?guī)r，L2井，4 323.30 m；f.含生屑泥狀灰?guī)r，L2井，4 323.30 mFig.2 Microfacies of the Kuanyingchiao Formation from the wells of the W2，W4H10 and L2

2.4 L4井（井深3 843.17～3 843.31 m，厚0.14 m）

巖心觀察：深灰色粒泥狀灰?guī)r，層面上可見少量腕足類薄殼，長軸順層排列，無分選性；縱面上生屑密度略呈疏密相間，大致形成韻律層，破碎度高，砂級生屑顆粒局部密集可達支撐程度；灰泥中見豐富的直徑約1 mm的Chondrites（叢藻跡）。

微相鑒定：含石英砂生屑泥粒狀灰?guī)r（圖3a、圖3b）。粗生屑主要為腕足類碎片，粒徑可達厘米級，均為單瓣散落狀；海百合碎片含量約20%，微量海綿骨針，見粒度小于1 mm的鈣質(zhì)海綿碎片，見毫米級腹足類；局部含石英細砂顆粒略具分選性，局部含量約10%。

圖3 L4井、L5井、L6井觀音橋組微相a.含石英砂生屑泥粒狀灰?guī)r，L4井，3 843.37 m；b.含石英砂生屑泥粒狀灰?guī)r，L4井，3 843.37 m；c.鈣質(zhì)石英細砂巖，L5井，4 033.63 m；d.鈣質(zhì)石英細砂巖，L5井，4 033.63 m；e.生屑泥粒狀灰?guī)r，L6井，3 843.37 m；f.生屑泥粒狀灰?guī)r，L6井，3 843.37 m；Fig.3 Microfacies of the Kuanyingchiao Formation from the wells of the L4，L5 and L6

2.5 L5井（4 033.62～4 033.68 m，厚0.06 m）

巖心觀察：灰?guī)r強烈黃鐵礦化，滴鹽酸起泡，石英砂豐富，灰泥基質(zhì)；少量裂隙。

微相鑒定：鈣質(zhì)石英細砂巖（圖3c、圖3d）。生屑含量極微，主要是石英砂沉積，其含量可達50%，石英砂分選性差且磨圓度低，見鈣質(zhì)泥巖細礫屑，黃鐵礦晶粒非草莓狀，是次生的。

2.6 L6井（井深3 843.17～3 843.31 m，厚0.14 m）

巖心觀察：薄殼型腕足類碎片長軸順層排列，無分選性；縱面上生屑密度略呈疏密相間，大致形成韻律層，破碎度高，粗生屑主要為腕足類碎片，粒徑可達厘米級，均為單瓣散落狀；見毫米級腹足類。

微相鑒定：生屑泥粒狀灰?guī)r（圖3e、圖3f）。生屑含量約10%，化石豐富而破碎，但具有一定的分選性，腕足類碎片含量約15%，長軸可達毫米級，凸面朝上或朝下排列狀均能見到；三葉蟲和海百合碎片含量各約5%，微量腹足類、三葉蟲、鈣質(zhì)海綿碎片和骨針碎片（圖4b）?；夷嗷|(zhì)，含豐富的石英細砂。

2.7 L7井（3 455.80～3 456.00 m，厚0.20 m）

巖心觀察：薄殼型腕足類碎片長軸順層排列，無分選性；縱面上生屑密度略呈疏密相間，大致形成韻律層。

微相鑒定：生屑粒泥狀灰?guī)r（圖4a、圖4b）。粗生屑主要為厘米級單瓣散落狀保存的腕足類碎片，含量約10%，凸面朝上或朝下排列狀，生屑顆?？傮w無分選性，見少量毫米級腹足類，微量三葉蟲、鈣質(zhì)海綿、海百合莖碎片，局部生屑略豐富但未達到支撐程度；灰泥基質(zhì)為主，見黃鐵礦化條帶；石英粉砂含量高，磨圓度低。

2.8 L8井（井深3 841.52～3 841.70 m，厚0.18 m）

巖心觀察：生屑灰?guī)r中見腕足類單瓣密集保存薄層。

微相鑒定：生屑粒泥狀灰?guī)r（圖4c、圖4d）。腕足類碎片豐富，凸面朝上或朝下排列狀均能見到，其余小于毫米級的生屑為三葉蟲、海百合莖、腹足類，雙殼類、微量介形類和海綿骨針；生屑顆?？傮w無分選性但略顯順層排列，局部可達顆粒支撐；灰泥和少量鈣質(zhì)粉砂屑基質(zhì)可形成厚度毫米級的粒序紋層；灰泥基質(zhì)，含微量鈣質(zhì)粉砂屑。

2.9 L9井（井深3 753.80 m）

巖心觀察：局部灰?guī)r層腕足類碎片形成厘米厚度的介殼密集層，見蟲管遺跡化石Chondrites（叢藻跡）。

微相鑒定：生屑泥粒狀灰?guī)r（圖4e、圖4f）。腕足類碎片為主，含量約50%，粒徑可達毫米級；其余小于毫米級的生屑見三葉蟲、海百合莖、腹足類、介形類和海綿骨針，總體含量20%；生屑顆?？傮w高破碎程度，分選性中等，密集可達顆粒支撐；局部見含石英粉砂的黑色頁巖且具有很好磨圓度的細礫屑。灰泥基質(zhì)，含微量鈣質(zhì)粉砂屑，局部石英砂含量可達30%，石英顆粒分選性和磨圓度低。

3 威遠—瀘州井區(qū)觀音橋組生物群和沉積環(huán)境

Scotese and McKerrow（1990）、Boucot et al.（1995）以及Torsvik and Cocks（2013）發(fā)表的古地理圖都顯示華南板塊主體部分在赫南特期處于南緯30°到北緯30°之間的低緯度區(qū)。上奧陶統(tǒng)凱迪階五峰組黑色筆石頁巖形成于缺氧靜水海底；奧陶紀末赫南特期的短暫冰川事件（Brenchley，1984；Brenchley amd Cullen，1984；Brenchley et al.，1994；Ling et al.，2019）發(fā)生時，華南板塊上揚子區(qū)因冰期海平面下降而沉積觀音橋組殼相地層，巖相和生物相序列綜合顯示五峰組缺氧、觀音橋組有氧、龍馬溪組缺氧的完整旋回；冰期結(jié)束后的全球海進伴隨著海平面上升和缺氧海底沉積廣泛分布的龍馬溪組下部 黑 色 頁 巖（汪 嘯 風 等，1987；Chen et al.，2004；Fan et al.，2009；Harper et al.，2014；Ran et al.，2014）。上揚子區(qū)觀音橋組未見直接的冰漬巖沉積證據(jù)，海水應(yīng)該是偏涼而非達到有浮冰的寒冷程度，部分原產(chǎn)于高緯度涼水海區(qū)的腕足動物遷移到低緯度的華南板塊（Rong，1984；Rong et al.，2020），有關(guān)在觀音橋組出現(xiàn)的化石屬種描述的文獻偏重于坡度平緩海底上棲居的Hirnantia-Dalmanitina動物群中的腕足動物、三葉蟲，部分原產(chǎn)于高緯度涼水海區(qū)的腕足動物遷移到低緯度的華南板塊（Rong，1984；Rong et al.，2020），以及在黔中古陸近岸淺水區(qū)露頭剖面的單體四射珊瑚（何心一，1978）；Chen et al.（2004）基于華南189個剖面奧陶—志留紀之交的生物和巖石特征劃出5個時間段的環(huán)境背景，晚奧陶世—志留紀早期因赫南特期冰川造成海退，上揚子區(qū)存在不均一的區(qū)域構(gòu)造抬升—沉降綜合作用，間或出現(xiàn)暴露剝蝕區(qū)、水下隆起、滯流缺氧以及富氧底質(zhì)等多樣性環(huán)境，地層缺失量和巖相序列差異很大（冉波等，2016；趙建華等，2016）。Liu et al.（2016）通過重慶秀山大田壩和長寧雙河剖面對比分析近岸和遠岸海區(qū)的氧化條件差異。Yan et al.（2010）認為氣候環(huán)境聚變可能是導(dǎo)致大滅絕的主要控制因素，通過化學風化指數(shù)（Chemical Index of Alternation，CIA）測得五峰組與龍馬溪組沉積時期為濕熱環(huán)境，觀音橋組沉積期以干冷環(huán)境為主。

目前對上揚子區(qū)觀音橋組可資鑒定屬種的生物多樣性的記錄多為腕足動物、三葉蟲和黔中古陸近岸剖面的單體四射珊瑚。在威遠—瀘州黔中古陸之北的遠岸井區(qū)，觀音橋組除常見的Hirnantia腕足動物群、三葉蟲Dalmanitina等殼相化石外，薄片中還出現(xiàn)單體四射珊瑚、海百合、腹足類Homotoma、雙殼類、海綿動物碎片和蟲管遺跡化石Chondrites（叢藻跡），其化石組成增加了該層位的生物多樣性，也證明單體四射珊瑚分布可到達遠岸海區(qū)?；w粒沉積時具有弱水動力條件，富氧沉積環(huán)境有利于底棲動物生存特征，但未見床板珊瑚以及帶泡沫板的復(fù)體珊瑚和鈣藻等典型暖水區(qū)化石，生物碎屑豐度不高，鈣質(zhì)殼體對灰?guī)r生產(chǎn)力的貢獻量偏低。威遠—瀘州井區(qū)觀音橋組沉積厚度不超過1 m，這應(yīng)該反映出在岡瓦納冰川時期遠岸相觀音橋組海底水溫偏低抑制碳酸鈣生產(chǎn)力（李越等，2008）。

依據(jù)觀音橋組微相顯示的生屑和內(nèi)碎屑埋葬學特征可識別海底沉積環(huán)境的多樣性。在威遠—瀘州井區(qū)大部分井下的觀音橋組灰?guī)r與黔中古陸遠岸帶露頭地區(qū)剖面很相似，無白云巖，灰?guī)r中粘土礦物占有一定比例而基本顯示深灰色，按照底棲生態(tài)組合（Benthic Assemblage）定位屬BA2-BA3，即潮下帶（水深約20 m）至最大浪基面（水深約60 m）之間。

威遠井區(qū)：W2井為潮下帶—風暴浪基面深度之上的淺水生屑灘，中等水動力強度，腕足類—海百合為主的生態(tài)組合。W4H10井為潮下帶—風暴浪基面深度之上的生屑灘，屬腕足類—三葉蟲生態(tài)組合；中等水動力，石英細砂是風成搬運的，無火山碎屑顆粒沉積。

瀘州井區(qū)：L4井為潮下帶—風暴浪基面深度之上的生屑灘，腕足類豐度偏低，水深約45 m，中等—弱水動力，海底富氧，能提供原地造跡動物棲居的生態(tài)條件。L5井為非常特殊的觀音橋組沉積相，較強水動力背景下以粗顆粒為主的沉積區(qū)，部分棱角狀石英砂也可能是強烈風力搬運的迅速堆積，出現(xiàn)的小泥礫則更可能屬靠近更淺海底的風暴浪剝蝕區(qū)，屬于石英砂、陸源泥礫混合沉積淺灘。L6井為腕足類—三葉蟲—海百合生態(tài)組合，潮下帶中部中等水動力富氧海底。L7井為潮下帶—風暴浪基面之間，海底富氧環(huán)境下的三葉蟲—海百合組合，水動力弱的細生屑灘沉積，短暫中等水動力作用下薄殼型腕足類長軸順層排列。豐富的石英砂指示靠近古陸剝蝕區(qū)。L8井為潮下帶—風暴浪基面之間，海底富氧環(huán)境下細生屑灘沉積，從生屑和砂屑破碎程度高而推測是經(jīng)過中等強度水流搬運后沉積的；磨圓度好的石英細砂顆粒是遠距離水流搬運后的沉積。L9井為潮下帶—風暴浪基面之間，海底富氧環(huán)境下細生屑灘沉積，從生屑和砂屑破碎程度高而推測是經(jīng)過高強度水流搬運后沉積的；總體是高能水動力和弱水動力交互出現(xiàn)的淺海底富氧環(huán)境，特別有利于底棲動物棲居，弱水動力期間蟲管遺跡化石密集，可能是一種短暫棲居的機會造跡生態(tài)群落；磨圓度好的石英細砂顆粒是遠距離水流搬運后的沉積；細礫屑可能是原來五峰組頁巖被強水動力擊碎的再沉積，以往文獻中尚未報道過觀音橋組中的這類現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

威遠—瀘州地區(qū)奧陶系頂部觀音橋組微相分析進一步顯示了當時底棲生物的多樣性，缺乏典型的暖水型化石；部分底棲生物能在冰期低溫而含氧的海底環(huán)境中形成遺跡化石。平緩海底上的碳酸鹽巖生產(chǎn)力和生物豐度偏低，海底環(huán)境指標，特別是最大浪基面之上海底深度受一定水動力條件影響導(dǎo)致生屑密集程度有差異，水流能量大小控制生屑顆粒的埋葬學特征，但極少出現(xiàn)強水流分選后形成的顆粒灰?guī)r?？赏浦敃r陸源碎屑輸入量很低，大部分海底區(qū)域是清澈環(huán)境；石英砂等陸源碎屑顆粒豐富的沉積僅集中于局部海底。

致 謝作者對審稿人提出的修改意見深表致謝。