貴州紫云地區(qū)早石炭世黑色巖系地球化學(xué)特征及油氣地質(zhì)意義

何 犇，盧樹藩，代雅然，符宏斌，羅香建，劉國(guó)棟

(1.貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.自然資源部基巖區(qū)礦產(chǎn)資源勘查工程技術(shù)創(chuàng)新中心，貴州 貴陽(yáng) 550081)

黑色巖系主要形成于缺氧海相沉積環(huán)境中，往往與地球演化過(guò)程中大洋缺氧事件有關(guān)，是地質(zhì)歷史時(shí)期演化過(guò)程中重要的沉積產(chǎn)物(高振敏 等，1997)，同時(shí)，黑色巖系也是重要的頁(yè)巖氣目標(biāo)層位。近年來(lái)，頁(yè)巖氣勘探取得一系列重大突破(安亞運(yùn) 等，2015；盧樹藩 等，2016；苑坤 等，2017)，使得黑色巖系受到廣泛關(guān)注。

貴州西南地區(qū)打屋壩組為一套沉積于早石炭世的海相黑色巖系。近年來(lái)，該套黑色巖系的能源資源潛力逐漸被眾學(xué)者關(guān)注。有學(xué)者對(duì)黔西南地區(qū)早石炭世打屋壩組頁(yè)巖氣地質(zhì)條件、成藏條件及勘探前景進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)(蘇慧敏 等，2017；李治 等，2017；張海全 等，2016；張海全 等，2017；陳榕 等，2019)，并在貴州西南地區(qū)取得了一系列單井突破(安亞運(yùn) 等，2015；盧樹藩 等，2016；苑坤 等，2017)。此外，貴州紫云地區(qū)的黔紫頁(yè)1井(QZY1井)，目的地層為打屋壩組，該井氣測(cè)和含氣性較好，但目前對(duì)該地區(qū)打屋壩組元素地球化學(xué)研究略顯不足。雖然已取得了勘探突破，但其黑色頁(yè)巖沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律尚不清楚，制約了該地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)。因此，本次筆者通過(guò)對(duì)貴州紫云地區(qū)打屋壩組黑色巖系開展有機(jī)、元素地球化學(xué)研究，試圖揭示其沉積環(huán)境、海平面變化及有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律，為下一步頁(yè)巖氣勘探開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置位于江南復(fù)合造山帶之右江裂谷-前陸盆地區(qū)與黔南坳陷區(qū)的接觸帶(圖1)。加里東期為華南板塊穩(wěn)定發(fā)育期，該時(shí)期黔南、黔西南等地呈南東低北西高的地勢(shì)；海西期為伸展裂陷發(fā)育期，在強(qiáng)烈的拉張應(yīng)力背景下，泥盆紀(jì)開始形成北西向展布的裂陷，裂陷底部開始沉積黑色巖系，早石炭紀(jì)延續(xù)，晚石炭世之后黑色巖系不發(fā)育，以碳酸鹽巖沉積為主(張海全 等，2016，2017)。而伴隨早泥盆世伸展裂陷開始形成，海水從廣西侵入到貴州裂陷內(nèi)，至早泥盆世中期，海水開始漫上上揚(yáng)子臺(tái)地，泥盆紀(jì)和石炭紀(jì)海面升降頻繁，赫章、普定、清鎮(zhèn)、黃平、丹寨一線以北、以東常因?yàn)楹Ｆ矫嫦陆刀┞兜乇?，該線以南、以西為連續(xù)沉積區(qū)，裂陷盆地內(nèi)部除深水原地的泥質(zhì)、硅質(zhì)和碳酸鹽沉積物外，還發(fā)育有以鈣質(zhì)濁流為主的沉積物(何犇，2019)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)1∶5萬(wàn)紫云幅修改)Fig.1 Geological sketch map in the study area(modified after 1∶50000 Ziyun map)1—研究區(qū)；2—三疊系；3—二疊系；4—石炭系；5—泥盆系；6—地質(zhì)界線；7—剖面位置；8—斷層

本次研究剖面位于紫云縣羅崗鄉(xiāng)，實(shí)測(cè)剖面露頭資料顯示，目標(biāo)地層打屋壩組底部整合于睦化組灰色薄-中厚層狀泥質(zhì)生物屑灰?guī)r之上，頂部整合于南丹組灰色中厚層泥質(zhì)泥晶灰?guī)r之下。根據(jù)巖性組合特征不同可將打屋壩組分為兩個(gè)巖性段。第一段以黑色泥頁(yè)巖為主，夾深色泥質(zhì)灰?guī)r、砂屑灰?guī)r，黑色泥頁(yè)巖占整體80%左右，水平層理發(fā)育，沉積厚度為160 m；第二段巖性為黑色泥頁(yè)巖與砂屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、生物屑灰?guī)r交替出現(xiàn)，沉積厚度為108 m。該剖面打屋壩組自下而上巖石鈣質(zhì)、砂質(zhì)成分有所增加，整套地層中常見滑塌滑移沉積構(gòu)造，說(shuō)明在打屋壩組沉積時(shí)期總體為海退過(guò)程，且在紫云羅崗一帶地形具有一定坡度。

2 樣品采集與分析方法

樣品采于貴州紫云縣羅崗鄉(xiāng)打屋壩組實(shí)測(cè)剖面，剖面總厚315 m，其中打屋壩組厚268 m。采集新鮮且具代表性巖石樣品26件進(jìn)行有機(jī)質(zhì)豐度分析、6件進(jìn)行有機(jī)質(zhì)熱演化分析、19件進(jìn)行微量元素分析、13件進(jìn)行稀土元素分析，以上樣品前處理及測(cè)試均由重慶泛嘉晟禾工程技術(shù)檢查有限公司實(shí)驗(yàn)室完成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 稀土元素特征

圖2 貴州紫云地區(qū)石炭系打屋壩組稀土元素 北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖Fig.2 Map of NASC-normalized REE distribution patterns for the early Carboniferous Dawuba formation in Ziyun area，Guizhou

表1 中國(guó)南方黑色頁(yè)巖成熟階段劃分標(biāo)準(zhǔn)(據(jù)中石化研究院，2005)Table 1 Mature stage classification standard of black shale in south area of China(after RIPP，2005)

表2 貴州紫云地區(qū)早石炭世打屋壩組稀土元素分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)(×10-6)①Table 2 REE analyses and relevant parameters for the early Carboniferous Dawuba formation in Ziyun area of Guizhou province(×10-6)

3.2 微量元素特征

表3 貴州紫云地區(qū)早石炭世打屋壩組微量元素分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)(×10-6)Table 3 Analytical results and related parameters of trace elements in Dawuba formation of early Carboniferous in Ziyun area of Guizhou province(×10-6)

3.3 有機(jī)地球化學(xué)特征

表4 貴州紫云地區(qū)早石炭世打屋壩組有機(jī)地球化學(xué)分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)(×10-6)Table 4 Analytical results and related parameters of organic geochemistry in Dawuba Formation of Early Carboniferous in Ziyun area of Guizhou province(×10-6)

4 討論

4.1 古氧化還原環(huán)境

此外，蘇慧敏 等(2017)對(duì)研究區(qū)東側(cè)惠水地區(qū)打屋壩組進(jìn)行沉積環(huán)境分析，認(rèn)為惠水地區(qū)打屋壩組沉積環(huán)境為弱氧化-弱還原環(huán)境；張海全 等(2016—2017)對(duì)研究區(qū)東側(cè)長(zhǎng)順地區(qū)的長(zhǎng)頁(yè)1井進(jìn)行了古環(huán)境分析，通過(guò)對(duì)δCe變化值和V/(Ni+V)變化值進(jìn)行研究，認(rèn)為長(zhǎng)順地區(qū)打屋壩組沉積環(huán)境為還原環(huán)境；何犇(2019)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了沉積相劃分，認(rèn)為研究區(qū)早石炭世自北東向南西水體逐漸加深，打屋壩組沉積相劃分為槽盆邊緣斜坡相→槽盆相。

綜上所述，可推斷紫云-惠水-長(zhǎng)順地區(qū)早石炭世打屋壩組沉積環(huán)境為還原環(huán)境-弱氧化環(huán)境，沉積相為槽盆邊緣斜坡相→槽盆相。

4.2 海平面變化及有機(jī)質(zhì)富集控制因素

ΣREE隨著海平面上升而呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)(徐曉春 等，2009)，結(jié)合Ce和Eu兩種變價(jià)元素對(duì)氧化-還原環(huán)境的敏感性，通常情況下，δCe值越小，δEu、ΣREE值越大，則海平面升高，水體越深；反之，δCe值越大，δEu、ΣREE值越小，則海平面下降，水體越淺(蘇慧敏 等，2017)。有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于上層海水中的浮游生物，當(dāng)生物體死亡后掉落到海底，由于缺氧使得有機(jī)物的降解受阻，使得其更有效的保存。因此，有機(jī)碳(TOC)含量與溶解氧含量密切相關(guān)，水體較深的環(huán)境下TOC明顯偏高，還原環(huán)境是有機(jī)質(zhì)富集的主控因素之一(李德亮 等，2009)。一般來(lái)說(shuō)，水體越深，則TOC值越高，有機(jī)質(zhì)越富集；反之，水體越淺，則TOC值越低，則越不利于有機(jī)質(zhì)保存。因此，水體的氧化-還原環(huán)境、δCe、δEu、TOC、ΣREE值以及巖性的變化都會(huì)受到水體深度和海平面升降的影響。從圖3中可知，研究區(qū)TOC、ΣREE、δEu等值的垂向變化曲線呈正相關(guān)，而三者與δCe值的垂向變化曲線呈負(fù)相關(guān)。

圖3 貴州紫云地區(qū)早石炭世打屋壩組巖性特征及元素地球化學(xué)參數(shù)垂向分布圖Fig.3 Vertical distribution of lithologic characteristics and element geochemical parameters of early Carboniferous Dawuba formation in Ziyun area of Guizhou province1—泥質(zhì)生物屑灰?guī)r；2—生物屑灰?guī)r；3—泥質(zhì)灰?guī)r；4—砂屑灰?guī)r；5—碳質(zhì)泥巖

在剖面下部(樣品4H1-15H1)，巖性以碳質(zhì)泥巖為主，夾少許泥灰?guī)r，從下往上δEu、ΣREE值逐漸減小，δCe值逐漸增大，整體表現(xiàn)為海退，TOC值總體表現(xiàn)逐漸降低，而在樣品8H1-14H1間波動(dòng)明顯，TOC出現(xiàn)高值，推測(cè)在此處出現(xiàn)了小規(guī)模的海進(jìn)。

在剖面中下部(樣品19H1-23H1)，該部分底部巖性為碳質(zhì)泥巖夾砂屑灰?guī)r，其上為黑色頁(yè)巖，二者為漸變過(guò)渡接觸關(guān)系，從下往上鈣質(zhì)和砂質(zhì)含量減少，δEu、ΣREE、TOC值逐漸增大，δCe值逐漸減小，變化曲線總體表現(xiàn)為海進(jìn)。

在剖面中、上部(樣品24H1-45H1)，該部分下部巖性為碳質(zhì)泥巖，上部巖性為泥灰?guī)r、砂屑灰?guī)r夾碳質(zhì)泥巖，不同巖性間呈漸變過(guò)渡接觸關(guān)系，從下往上鈣質(zhì)、砂質(zhì)含量漸增，δEu、ΣREE、TOC值逐漸減小，δCe值逐漸增大，變化曲線總體表現(xiàn)為海退，樣品35H1-36H1間δEu、ΣREE、TOC出現(xiàn)較高值，δCe出現(xiàn)較低值，推測(cè)在此處出現(xiàn)了小規(guī)模的海進(jìn)。

因此，研究區(qū)早石炭世打屋壩組垂向上自下而上主要經(jīng)歷了海退-海進(jìn)-海退的過(guò)程，其中打屋壩組第一段沉積時(shí)期海平面波動(dòng)較為頻繁，總體經(jīng)歷了海退-海進(jìn)，有機(jī)質(zhì)較為富集；打屋壩組第二段沉積時(shí)期海平面波動(dòng)較弱，總體經(jīng)歷了持續(xù)海退，區(qū)域巖性上逐漸過(guò)渡為南丹組灰?guī)r，不利于有機(jī)質(zhì)富集。

4.3 物源分析及構(gòu)造背景

研究區(qū)打屋壩組泥頁(yè)巖稀土元素總量較高，Ce、Eu異常不明顯，LREE/HREE值較大，表現(xiàn)為較強(qiáng)的輕、重稀土元素分異現(xiàn)象，北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化后的曲線呈右傾狀態(tài)，整體表現(xiàn)為正常海水沉積物特點(diǎn)(李勝榮 等，1995)。稀土元素中Eu異常的變化可判斷母巖的物質(zhì)來(lái)源(蘇慧敏 等，2017；張海全 等，2017；劉英俊 等，1987；楊國(guó)臣 等，2010；李雙建 等，2008；何德軍 等，2013)，研究區(qū)打屋壩組LREE相對(duì)富集，HREE相對(duì)穩(wěn)定，δEu平均值為0.85<1，表現(xiàn)為弱負(fù)異常特征，與上地殼的稀土元素的分布模式相同(蘇慧敏 等，2017；張海全 等，2017；Mclennan S M，1989、1995；陳道公 等，1994；歐麗華 等，2016)，表明上地殼是研究區(qū)早石炭世打屋壩組的主要物源。結(jié)合ω(La)N/ω(Yb)N與ω(ΣREE)關(guān)系圖(圖4)，樣品點(diǎn)主要集中在花崗巖與沉積巖混合區(qū)，推測(cè)研究區(qū)打屋壩組母巖主要為花崗巖與沉積巖的混合。結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造背景，早石炭世上揚(yáng)子地區(qū)為剝蝕區(qū)，推測(cè)研究區(qū)早石炭世打屋壩組母巖中的花崗巖和沉積巖來(lái)源于東北側(cè)的雪峰山隆起區(qū)和北側(cè)的黔中隆起區(qū)。

圖4 貴州紫云地區(qū)早石炭世打屋壩組黑色頁(yè)巖 ω(ΣREE)-ω(La)N/ω(Yb)N圖解(Allegre C T，1978)Fig.4 ω(ΣREE)-ω(La)N/ω(Yb)N diagrams of blcak shale for the early Carboniferous Dawuba formation in Ziyun area of Guizhou province(after Allegre CT，1978)

4.4 油氣地質(zhì)意義

5 結(jié)論

(2)通過(guò)分析研究區(qū)打屋壩組泥頁(yè)巖稀土元素地球化學(xué)參數(shù)及TOC變化值的垂向變化，認(rèn)為δCe值越小，δEu、ΣREE值越大，則海平面升高，水體越深，TOC值越高，有機(jī)質(zhì)越富集，反之亦然。同時(shí)結(jié)合打屋壩組巖性的垂向變化，研究區(qū)早石炭世打屋壩組垂向上自下而上主要經(jīng)歷了海退-海進(jìn)-海退的過(guò)程，其中打屋壩組第一段沉積時(shí)期海平面波動(dòng)較為頻繁，總體經(jīng)歷了海退-海進(jìn)，有機(jī)質(zhì)較為富集；打屋壩組第二段沉積時(shí)期海平面波動(dòng)較弱，總體經(jīng)歷了持續(xù)海退，不利于有機(jī)質(zhì)富集。

(3)通過(guò)對(duì)ω(La)N/ω(Yb)N與ω(ΣREE)關(guān)系圖和δCe、δEu值進(jìn)行分析，認(rèn)為研究區(qū)早石炭世打屋壩組母巖主要為花崗巖與沉積巖的混合。結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造背景，推測(cè)研究區(qū)內(nèi)打屋壩組母巖中的花崗巖和沉積巖來(lái)源于北東側(cè)的雪峰山隆起區(qū)和北側(cè)的黔中隆起區(qū)，沉積于被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境。

(4)結(jié)合研究區(qū)打屋壩組泥頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)和黔紫頁(yè)1井含氣性、氣測(cè)錄井資料，認(rèn)為研究區(qū)早石炭世打屋壩組一段為優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段，具備良好的頁(yè)巖氣地質(zhì)條件和勘探開發(fā)潛力。研究區(qū)南西部(側(cè))更有利于有機(jī)質(zhì)富集，可作為下一步頁(yè)巖氣勘探工作方向。