貴州習(xí)水騎龍村奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組剖面

劉樹根，冉 波，葉玥豪，王世玉，楊 迪，羅 超，韓雨樾，宋金民，張 旋

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川成都610059；2.西華大學(xué)，四川成都610039；3.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安710075；4.中國石油西南油氣田分公司，四川成都610041）

1 區(qū)域概況

習(xí)水騎龍村五峰組—龍馬溪組剖面位于貴州省習(xí)水縣溫水鎮(zhèn)境內(nèi)，離習(xí)水縣城約55 km，交通便利，正習(xí)高速與江習(xí)高速均可到達(dá)（圖1a）。構(gòu)造上位于四川盆地東南邊緣，黔中隆起北緣，剖面起點(diǎn)全球定位系統(tǒng)（GPS）:28°27'36.2″，103°38'34.3″（圖1b）。受黔中隆起構(gòu)造作用影響，該地區(qū)的斷裂主要有近東西向斷裂、北北西—南南東向斷裂和北東—南西向斷裂，局部地區(qū)還發(fā)育一些近南北向斷裂[1-3]。該剖面出露完整，是貴州—重慶地區(qū)五峰組—龍馬溪組出露最完整的連續(xù)剖面之一，古生物發(fā)育齊全，是研究古生物地層和無機(jī)地球化學(xué)的典型剖面。

圖1 習(xí)水騎龍村剖面所屬地區(qū)區(qū)域特征Fig.1 Regional characteristics of Qilong Village outcrop in Xishui

2 地層及巖性特征

2.1 五峰組—龍馬溪組地層特征

龍馬溪組源于LEE and CHAO（1924年）在峽東所創(chuàng)的“龍馬頁巖”及稍后尹贊勛（1943年）的“龍馬溪頁巖”[4]。按照LEE and CHAO（1924年）的劃分，其“龍馬（溪）頁巖”整合在“雷（艾）家山灰?guī)r”即現(xiàn)今的寶塔—臨湘組之上。這實(shí)際上包括了后來被SUN（1931年）稱之為“五峰頁巖”的奧陶系頂部地層[5]。但此后穆恩之（1954年）文中所稱的“龍馬溪群”實(shí)際上已經(jīng)是將五峰組分解出來之后的劃分，也就是現(xiàn)在許多學(xué)者使用的“龍馬溪組”的范疇[6]。習(xí)水騎龍村剖面是川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組出露最完整的連續(xù)剖面（圖2、圖3），我們對該剖面五峰組—龍馬溪組進(jìn)行大比例尺的精細(xì)測量，從上至下詳細(xì)分層如下：

圖2 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組綜合柱狀圖Fig.2 Borehole histogram of Wufeng-Longmaxi Formation in Qilong Village outcrop,Xishui

1）石牛欄組（19 層）：厚17.9 m，中淺灰含鈣泥巖夾數(shù)層薄—微層中深灰色白云質(zhì)灰?guī)r，泥∶灰=2∶3（圖3a）。

2）龍馬溪組上段：①18 層，厚24.7 m，中淺灰含鈣泥巖夾數(shù)層薄—微層中深灰色白云質(zhì)灰?guī)r，可見水平層理，泥晶灰?guī)r與鈣質(zhì)泥巖比為1:3（圖3b、圖4a）；②17 層，厚12.5 m，中淺灰含鈣泥巖夾數(shù)層薄—微層中深灰色白云質(zhì)灰?guī)r，條帶數(shù)量增加，與泥巖比例為10:1，見垂直層面的節(jié)理（圖4b）；③16 層，厚11.9 m，中淺灰含鈣泥巖夾數(shù)層薄—微層中深灰色白云質(zhì)灰?guī)r；④15 層，厚14.1 m，中—深灰色含鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖，夾不連續(xù)的透鏡狀泥質(zhì)灰?guī)r條帶（圖4c）；⑤14 層，厚44.8 m，中深灰色含鈣粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖，見少量灰質(zhì)白云巖透鏡體，見筆石化石Pernerograptus revolutus，Rastrites hybridus，pristiograptuscf.leptotheca，Pseudoclimacograptussp.（圖3c、圖4d—圖4f）；⑥13 層，厚4.3 m，中深灰色含鈣粉砂質(zhì)泥巖夾黑色粉砂質(zhì)泥巖，見筆石化石Pseudoclimacograptussp.，Monograptussp.，Hedrograptussp.，Oktavitessp.，Rastritessp.（圖3d）；⑦12 層，厚7.2 m，中深灰色含鈣泥質(zhì)粉砂巖，見水平層理，少見垂直層面的方解石脈，見筆石化石Monograptussp.，Climacograptussp.，Hedrograptussp.，Rastritessp.，Pristiograptussp.。

3）龍馬溪組下段：①11 層，厚3.5 m，黑色含鈣泥質(zhì)粉砂巖，見明顯水平層理，見球形風(fēng)化和兩組垂直層面的節(jié)理，見筆石Hedrograptussp.，Oktavitessp.，Rastritessp.，Pristiograptussp.；②10 層，厚0.7 m，黃灰色與黑色含鈣泥質(zhì)粉砂巖互層，偶見灰色灰質(zhì)條帶，水平層理發(fā)育，見筆石Hedrograptussp.，Oktavitessp.，Pristiograptussp.；③9 層，厚11.1 m，黑色含鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，發(fā)育多組節(jié)理，節(jié)理部分被方解石脈充填，見筆石Hedrograptussp.，Oktavitessp.，Rastritessp.，Pristiograptussp.，Glyptograptussp.，Diplograptussp.；④8 層，厚14.5 m，黑色中—薄層含鈣粉砂質(zhì)泥巖，見串珠狀黃鐵礦結(jié)核與節(jié)理，見筆石Pristiograptus leeiHsii，Climacograptussp.；⑤7 層，厚2.4 m，黑色含鈣泥質(zhì)粉砂巖，見明顯的水平層理，球形風(fēng)化和節(jié)理（圖3e、圖4g）；⑥6 層，厚12.6 m，黑色中—薄層含粉砂質(zhì)頁巖，見筆石Pristiograptussp.，Climacograptussp.，Minutus Carruthers，Dimorphograptussp.；⑦5 層，厚4.6 m，黑色中—薄層碳質(zhì)頁巖，見筆石Orthograptus guizhouensisChen et Lin，Glyptograptus persclptus-sinuatusChen et Lin，Glyptograptussp.，Pristiograptussp.等（圖3f、圖3h）。

圖4 習(xí)水騎龍村剖面上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)鏡下典型沉積構(gòu)造Fig.4 Microscopic typical sedimentary structures of Upper Ordovician-Lower Silurian in Qilong Village outcrop,Xishui

4）五峰組觀音橋段（4 層）：厚0.4 m，深灰色中層含泥質(zhì)生屑灰?guī)r，產(chǎn)腕足和雙殼等[7-8]，Hirnantia magnaRong，Tetraphulerellasp.，Rafinesquinasp.，Dalmanellasp.（圖3f、圖3g）。

5）五峰組黑色頁巖段：①3 層，厚1.2 m，黑色薄層含硅質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖，見筆石Paraorthograptuscf.typicusMu，Dicellograptussp.，D.complanatus asiaticusChen（圖3g）；②2層，厚1.4 m，黑色中—薄層碳質(zhì)頁巖，筆石較上層明顯增多，見筆石Tangyagraptus typicusMu，Dicellograptus excavtusMu，Glyptograptassp.；③1 層，厚0.7 m，黑色中層鈣質(zhì)泥巖，產(chǎn)少量筆石Orthograptus abbreviatesE，Dicellograptus ornatus brevispinusChen等。

6）澗草溝組（0 層）：層厚2.6 m，主要巖性為灰色中—厚狀瘤狀泥質(zhì)灰?guī)r，頂部為灰色中層狀鈣質(zhì)粉砂巖，產(chǎn)三葉蟲化石Claymenesumcf.granulosa，Hammatocnemissp.；腕足Austinellasp.（圖3h）。

圖3 習(xí)水騎龍村剖面上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)野外地層特征Fig.3 Stratigraphic characteristics of Upper Ordovician-Lower Silurian in Qilong Village outcrop,Xishui

CHEN 等（2000年）通過對五峰組—龍馬溪組筆石分布特征的研究，建立的生物地層序列，已經(jīng)逐漸成為國際間同期地層劃分和對比的標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。五峰組—龍馬溪組筆石頁巖地層自下而上可劃分為5 階13 個筆石帶，5 階分別為凱迪階、赫南特階、魯?shù)るA、埃隆階和特列奇階[11-12]。五峰組時期的凱迪階黑色頁巖的底界以Foliomena-Nankinolithus帶，或者Dicellograptus complexus帶的出現(xiàn)為標(biāo)志[11]；赫蘭特階（觀音橋段）以Normalograptus extraordinarius筆石帶的首次出現(xiàn)作為界線標(biāo)志，以赫南特貝動物群（Hirnantia Fauna）為特征。按照最新劃分，龍馬溪組由下部黑色筆石相頁巖和上部的灰綠色—黃綠色混合相泥質(zhì)粉砂巖組成，包含Metabolograpyus.Persculptus，Akidograptus ascensus，Parakidograptus acuminatus，Cystograptus vesiculosus，Coronograptus cyphus，Demirastrites Pectinatus-Monograptus argenfeus，Demirastrites triangularis，Lifuigraptus convolutus及Stimulograptus sedgwickii8個化石帶[13-14]。

基于巖石薄片尺度對騎龍村剖面的五峰組—龍馬溪組進(jìn)行系統(tǒng)巖相學(xué)分析表明，不同層位具有不同的巖相特征：①龍馬溪組上段沉積構(gòu)造、紋層類型較為發(fā)育，該層段主要包括不明顯紋層粉砂巖（ILS），不平行紋層頁巖（NLM），粒序?qū)永眄搸r（GRM）；②龍馬溪組下段巖性相對單一，紋層類型單一，主要巖石類型為不明顯紋層頁巖（ILM），平行紋層頁巖（PLM）；③五峰組主要巖石類型為不明顯紋層頁巖（ILM）以及少量透鏡狀紋層頁巖（LEM）?，F(xiàn)將各巖石類型成因機(jī)制分述如下。

透鏡狀紋層頁巖（LEM，圖5a），紋層多呈透鏡狀，單一紋層厚度變化范圍較大，從5 mm 到2 cm，紋層中部厚度較大，向兩側(cè)減薄并尖滅，紋層通常具有侵蝕界線。透鏡狀頁巖沉積在水體較淺的環(huán)境，由間歇性侵蝕水流搬運(yùn)泥質(zhì)沉積物最終經(jīng)成巖作用形成。

不明顯紋層頁巖（ILM，圖5b、圖5d），不明顯層狀頁巖（ILM）的顏色主要為黑色或深灰色，內(nèi)部礦物顆粒通常懸浮在基質(zhì)中，顆粒分布通常均勻，無明顯的沉積或紋層構(gòu)造，并且存在少量的陸源不穩(wěn)定礦物（如長石）。這些現(xiàn)象表明不明顯紋層頁巖是由深水環(huán)境和少量大陸輸入背景下，由懸浮沉降物連續(xù)緩慢沉積形成。

不明顯紋層粉砂巖（ILS，圖5c、圖5p），通常由粒度介于39～62.5 mm 的碎屑顆粒組成，礦物主要為方解石、白云石、黏土及石英。巖石內(nèi)部礦物分布均勻，結(jié)構(gòu)均一，未見明顯的沉積構(gòu)造或紋層。不明顯層狀粉砂巖(ILS)的出現(xiàn)表明碎屑物質(zhì)顯著增加，這種沉積環(huán)境通常具有相對較淺的沉積水體且水動力條件較強(qiáng)。

平行紋層頁巖（PLM，圖5e、圖5f），通常具有明顯的紋層構(gòu)造，可以觀察到非侵蝕形成的紋層界線，紋層通常連續(xù)性較好，單一紋層厚度非常薄。紋層邊界主要形成于平靜的沉積環(huán)境中，如遠(yuǎn)離海岸的弱底流。這些特征表明平行層狀頁巖（PLM）主要成因?yàn)橄鄬ζ届o的水體環(huán)境中的幕式懸浮沉積，而不是連續(xù)懸浮沉積。

不平行紋層頁巖（NLM，圖5g—圖5l、圖5n、圖5o），紋層多為楔狀紋層，連續(xù)性較差且相互不平行，單一紋層厚度變化范圍較大，介于極薄至中等厚度之間?？梢杂^察到侵蝕性水動力條件下形成的紋層界線，多與波紋、充填及交錯層理伴生。這些特征表明，不平行層狀頁巖相（NLM）形成于淺水區(qū)的高能和低能條件頻繁交替的沉積環(huán)境中。

粒序?qū)永眄搸r（GRM，圖5m），紋層通常具有相對規(guī)整的形狀，連續(xù)性較好，紋層內(nèi)部呈現(xiàn)正粒序，紋層通常具有侵蝕界線。從較粗到較細(xì)的粒度變化通常解釋為間歇性低密度流產(chǎn)生的階段性沉積，具有一定強(qiáng)度的水動力條件。

圖5 習(xí)水騎龍村剖面上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)紋層類型特征Fig.5 Laminar type characteristics of Upper Ordovician-Lower Silurian in Qilong Village outcrop,Xishui

騎龍村剖面從底部到頂部，沉積構(gòu)造具有明顯的階段性變化趨勢，這也直接反映了上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)沉積環(huán)境的階段性變化過程。不明顯紋層頁巖（ILM）在五峰組大量出現(xiàn)，從五峰組到觀音橋段陸源沉積輸入逐漸增加，達(dá)到第一次碎屑輸入的峰值，相應(yīng)的巖相變?yōu)椴幻黠@紋層粉砂巖（ILS）。隨后在龍馬溪組下段，則大量出現(xiàn)了不明顯紋層頁巖（ILM）以及平行紋層頁巖（PLM），表明沉積水體深度再次增加，水動力條件減弱。值得注意的是，龍馬溪組上段再次出現(xiàn)大量的沉積構(gòu)造，包括波紋痕（RML）、切割和填充構(gòu)造（CFL）、卷曲層理（COL）和交叉層理（CRL），所有這些沉積特征都反映了碎屑物質(zhì)輸入的增加，并在龍馬溪組上部達(dá)到第二個峰值，然后逐漸減少。

基于本次的沉積學(xué)分析，騎龍村剖面的五峰組—龍馬溪組可分為4段：①五峰組下段黑色頁巖為深水陸棚亞相；②五峰組上段觀音橋段介殼灰?guī)r為淺水陸棚亞相；③龍馬溪組下段頁巖為深水陸棚亞相；④龍馬溪組上段泥灰?guī)r段為淺水陸棚亞相。

2.2 五峰組—龍馬溪組礦物組分特征

通過對習(xí)水騎龍村剖面的44個樣品進(jìn)行X 衍射分析，獲得其碳酸鹽、黏土、石英（包括長石、黃鐵礦、磷酸鹽）的組成。其中五峰組下段黑色頁巖段5件樣品，五峰組觀音橋段6 件樣品，龍馬溪組下段黑色頁巖段15 件樣品，龍馬溪組上段非黑色頁巖段18 件樣品。通過分析，發(fā)現(xiàn)騎龍村剖面從底到頂，石英含量逐漸減少，由五峰組下段的58%減少到龍馬溪組上段的22 %；黏土礦物逐漸增加，五峰組下段為36.5%，龍馬溪組下段黑色頁巖段為43%，龍馬溪組上段非黑色頁巖段為65%；碳酸鹽巖礦物逐漸增加，普遍都存在黃鐵礦及其他礦物（圖6）。這說明騎龍村剖面從底到頂，巖石脆性逐漸減弱，而塑性礦物逐漸增強(qiáng)，同時反映了物源的變化和沉積的連續(xù)性與漸變性。與Barnett、Ohio 等深水泥巖進(jìn)行三角圖投點(diǎn)對比（圖7），揭示五峰組下段黑色頁巖相石英、長石含量最多，其次為黏土，碳酸鹽礦物極少，主要集中在深水泥巖相的分布范圍；龍馬溪組黑色頁巖段石英、長石含量相對五峰組黑色頁巖段較少，黏土礦物相對增加；而龍馬溪組上段黏土礦物含量最多，石英、長石等脆性礦物相對最少。因此，五峰組下段黑色頁巖脆性好，龍馬溪組下段黑色頁巖段次之，而龍馬溪組上段粉砂質(zhì)泥巖脆性較差。

圖6 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組X衍射全巖分析礦物含量對比Fig.6 Comparison of mineral content in whole rock analysis by X-ray diffraction of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

圖7 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組黑色頁巖礦物學(xué)三元圖解（Bossier等頁巖數(shù)據(jù)來自Hyden，2009年）Fig.7 Ternary diagram of black shale mineralogy of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui（shale data of Bossier,et al,from Hyden）

3 有機(jī)地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)質(zhì)類型

通過對習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組樣品的分析測試，得出其有機(jī)碳同位素主要集中在-29.52 ‰～-27.41 ‰，推測干酪根類型為腐泥型（I）—腐殖腐泥型（Ⅱ1）。習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組干酪根顯微組分構(gòu)成特征研究表明，顯微組分中以腐泥組占優(yōu)為主要特征，接近或者超過50%；其次為鏡質(zhì)組組分；殼質(zhì)組和惰質(zhì)組組分含量較低，殼質(zhì)組最低。用表征干酪根各組分（腐泥組、殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組）的相對百分含量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算而得的干酪根類型指數(shù)（TI）是表征烴源巖類型的定量參數(shù)：TI≥80 %為Ⅰ腐泥型干酪根；80 %≥TI≥40%為Ⅱ1腐殖腐泥型干酪根；40%≥TI≥0 為Ⅱ2腐泥腐殖型干酪根；TI≤0 為Ⅲ腐殖型干酪根[15]。干酪根類型指數(shù)計(jì)算表明，習(xí)水騎龍村剖面龍馬溪組頁巖主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，表明該區(qū)龍馬溪組有機(jī)母源以低等水生生物為主，多見筆石。

3.2 有機(jī)質(zhì)豐度

通過對習(xí)水騎龍村五峰組—龍馬溪組剖面48個樣品進(jìn)行有機(jī)碳測試，樣品TOC分布在0.31 %～6.69 %，平均值為2.48 %；黑色頁巖TOC值比較高，高值主要集中在五峰組黑色頁巖段和龍馬溪組底段黑色頁巖段，五峰組TOC值最大，龍馬溪組黑色頁巖段次之，龍馬溪組非黑色頁巖段最?。▓D8、圖9）?？梢姡宸褰M黑色頁巖段與龍馬溪組黑色頁巖段有機(jī)質(zhì)豐度高，為研究的重點(diǎn)層段。同時生烴潛力值與此一致，其最大值為0.4 mg/g，且從剖面底部往頂部逐漸降低。

圖8 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組TOC值頻率分布Fig.8 TOC histograph of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

4 無機(jī)地球化學(xué)特征

4.1 初級生產(chǎn)力

Ba 是目前應(yīng)用最廣泛最成熟的古生產(chǎn)力指標(biāo)，因?yàn)锽a 為一種惰性元素，沉積物中Ba 主要是以重晶石形式保存，在成巖過程中其礦物成分保持穩(wěn)定[16-18]，因此Ba 可作為很好的古生產(chǎn)力指標(biāo)。騎龍村五峰組—龍馬溪組數(shù)據(jù)反映海洋古生產(chǎn)力的情況見圖9。騎龍村剖面黑色頁巖中的鋇有生源鋇和陸源鋇，生源鋇占總鋇約54.8 %。當(dāng)然不同樣品之間生源鋇的含量存在差異，總體從剖面底到頂略有降低。五峰組生源鋇含量介于339.2～692.0 mg/L，平均含量445.0 mg/L，展示出古生產(chǎn)力相對較低（焦石壩生源鋇平均含量995.86 mg/L）；龍馬溪組下段生源鋇的含量介于177.1～802.0 mg/L，平均含量377.92 mg/L，同樣展現(xiàn)出古生產(chǎn)力較低；龍馬溪組上段生源鋇的含量介于226.0～581 mg/L，平均含量344.9 mg/L，同樣展現(xiàn)出古生產(chǎn)力較低。通過生源鋇含量顯示五峰組具有相對較高的生產(chǎn)力，向上具逐漸降低的趨勢（圖9）。TOC與古生產(chǎn)力之間具有一定的相關(guān)性，古生產(chǎn)力在一定程度上控制了沉積物質(zhì)中有機(jī)質(zhì)的含量。

沉積物中自生Mo 與有機(jī)質(zhì)有很好的相關(guān)性[19-20]。U/Mo 的比值能很好地反應(yīng)自生Mo 的存在，因此U/Mo 可以作為判斷有機(jī)質(zhì)埋藏效率的指標(biāo)[21-22]，U/Mo 的比值越小，指示有機(jī)質(zhì)的埋藏效率越高。騎龍村五峰—龍馬溪剖面U/Mo的比值為0.26～3.1，平均為0.79，剖面上展示出從底到頂U(kuò)/Mo 比值逐漸增加的趨勢（圖9），有機(jī)質(zhì)的埋藏效率在五峰組和龍馬溪組下段相對較高，U/Mo 與TOC成負(fù)相關(guān)性。Ti 作為物源判斷的重要指標(biāo)，含量在0.10 %～0.51%，平均0.36%，整體含量較低，但在剖面上從底到頂逐漸增加（圖9）。這說明從五峰組至龍馬溪組陸源物源輸入逐漸增加。

圖9 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組黑色頁巖地球生物特征Fig.9 Biogeochemical characteristics of black shale of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

4.2 氧化還原環(huán)境

V、Mo、U、S 和Ni 的含量一般與還原條件呈正相關(guān)，前人通過這些元素的特性建立了一系列（V/Cr、V/Sc、Ni/Co、V/(V+Ni)、U/Th）氧化還原的判別標(biāo)準(zhǔn)[23-24]（表1）。

表1 缺氧環(huán)境的基本特征及綜合判識[23-24]Table 1 Basic characteristics and comprehensive identification of anoxic environment[23-24]

五峰組的Mo 元素的值介于1.03～78.44 mg/L，平均79.47 mg/L；龍馬溪組下段Mo 元素介于10.11～100.6 mg/L，平均36.67 mg/L；龍馬溪上段Mo 元素介于0.98～4.78 mg/L，平均2.72 mg/L。同樣Mo 在五峰組—龍馬溪組下段富集，在龍馬溪組上段明顯降低（圖10）。五峰組U/Th 的比值介于0.22～2.11，平均值1.17；龍馬溪組下段U/Th 的比值介于0.39～3.06，平均0.94；龍馬溪組上段U/Th的比值介于0.18～0.49，平均0.26；五峰組U/Th 的比值表現(xiàn)出高值，龍馬溪組U/Th 的比值變化范圍較大，在龍馬溪組下段U/Th 的比值也展現(xiàn)出高值，但向上比值逐漸降低，龍馬溪組上段展現(xiàn)出低值。

五峰組Ni/Co 的值介于11.01～2.11，平均19.75；龍馬溪組下段的Ni/Co 的值介于2.85～17.83，平均7.17；龍馬溪組上段的Ni/Co 的值介于2.55～4.14，平均3.16。五峰組、龍馬溪組下段和龍馬溪組上段Ni/Co 的值存在較大差異，五峰組和龍馬溪組下段大多數(shù)樣品Ni/Co 的平均值大于7，表明五峰組和龍馬溪組下段黑色頁巖屬于缺氧環(huán)境；龍馬溪組上段Ni/Co 的值較小，普遍小于5（圖10、圖11），在縱向上從底到頂逐漸降低，表明龍馬溪組黑色頁巖所屬沉積環(huán)境變化較大，從缺氧到氧化環(huán)境都存在，在縱向上龍馬溪組下段主要為缺氧—貧氧環(huán)境，龍馬溪組上段主要為氧化環(huán)境。

V/Cr 和V/（V+Ni）多數(shù)大于1.6 和0.6（圖9）；V/Cr值顯示五峰組下段處于缺氧環(huán)境，龍馬溪組下段黑色頁巖段主要處于貧氧—缺氧環(huán)境，龍馬溪組上段非黑色頁巖段處于氧化環(huán)境；而觀音橋段V/Sc 均較低（圖11）；V/Cr 多數(shù)小于2；V/（V+Ni）多分布于0.60左右；指示該時期以氧化或貧氧環(huán)境為主（圖10）。

圖10 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組微量元素比值縱向變化特征Fig.10 Longitudinal variation of trace element ratio of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

整體而言，剖面從底到頂，U/Th 值表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢，V/Sc、V/Cr 值都表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢，反映了五峰組—龍馬溪組下段—龍馬溪組上段的沉積環(huán)境為缺氧—貧氧—氧化環(huán)境（圖11）。

圖11 騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組氧化還原條件判別Fig.11 Discriminant of redox conditions of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

5 黑色頁巖孔隙特征

5.1 孔隙類型

通過掃描電鏡觀察，習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組頁巖主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、裂縫、粒間孔和粒內(nèi)孔。

本次研究采用LOUCKS 等（2009年）提出的頁巖孔隙類型的分類標(biāo)準(zhǔn)[25]：①有機(jī)質(zhì)孔，主要形成在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部；②粒內(nèi)孔，主要形成在礦物顆粒內(nèi)部；③粒間孔，主要形成于顆?；蚓w之間。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)對五峰組—龍馬溪組頁巖中孔隙的類型和大小進(jìn)行系統(tǒng)描述。

1）有機(jī)質(zhì)孔

頁巖中的有機(jī)質(zhì)伴隨著埋深的增加，溫度升高有機(jī)質(zhì)達(dá)到成熟，頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙多見于生氣窗（成熟度大于1.3 %）[26-29]。騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組頁巖的有機(jī)質(zhì)成熟度平均為1.6%，表明具有形成大量有機(jī)質(zhì)孔的條件。通過掃描電鏡觀察，騎龍村剖面有機(jī)質(zhì)主要分布在剛性顆粒之間，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育，孔隙形態(tài)以不規(guī)則的、泡沫狀為主（圖12d—圖12f）。有機(jī)質(zhì)孔主要分布在10～60 nm，而且主要峰值介于15～45 nm（圖13）。

2）粒內(nèi)孔

粒內(nèi)孔主要存在于碎屑顆粒內(nèi)部的孔隙[30]，碎屑顆粒主要為礦物、晶粒、生物和草莓狀黃鐵礦。這些孔隙并非是原生的孔隙，大部分可能是成巖過程中形成的，主要包括:①碳酸鹽巖和長石屬于不穩(wěn)定礦物在成巖作用過程中溶蝕形成粒內(nèi)孔（圖12a、圖12b）；②在草莓狀黃鐵礦內(nèi)部黃鐵礦晶體間的孔隙（圖10c）。粒內(nèi)孔主要分布小于1 000 nm，而且主要峰值介于20～400 nm（圖13a、圖13b）。

圖12 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組頁巖粒內(nèi)孔的主要形態(tài)特征Fig.12 Main morphological characteristics of inner pores in shale grains of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

3）粒間孔

粒間孔主要發(fā)育在頁巖內(nèi)部剛性顆粒（石英、長石、碳酸鹽礦物）和黏土礦物之間，和部分黏土礦物之間（圖14），其孔隙形態(tài)不規(guī)則，孔隙以扁平狀和長條狀為主。在埋藏過程中，韌性的礦物顆粒會發(fā)生彎曲，這樣直接會關(guān)閉粒間孔的空間并堵塞孔喉?？傊?，粒間孔獨(dú)立，連通性較差；粉砂質(zhì)頁巖中的粒間孔隙孔徑相對較大，碎屑可能支撐形成呈不規(guī)則狀；富有機(jī)質(zhì)頁巖中的粒間孔孔徑相對較小，主要為碎屑顆粒之間相對獨(dú)立的孔隙，呈三角狀與不規(guī)則狀；粒間孔的大小分布區(qū)間明顯要比粒內(nèi)孔要廣泛，其大小介于190～4 500 nm，而且主要峰值介于190～1 600 nm（圖13 d）。

圖13 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組頁巖中孔隙大小分布Fig.13 Pore size distribution in shale of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

圖14 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組頁巖粒間孔的主要形態(tài)特征Fig.14 Main morphological characteristics of intergranular pores in shale of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

4）微裂縫

微裂縫是頁巖孔隙重要的組成部分，裂縫不僅可以為氣體的儲存提供空間，還可以為氣體的流通充當(dāng)一定的通道。騎龍村五峰組—龍馬溪組黑色頁巖中的微裂縫主要有4種形成機(jī)制：①黏土礦物在一定條件下的脫水縮合形成（圖15a）；②不同礦物之間的縫隙（圖15d）；③受到一些外力作用，在礦物顆粒內(nèi)部（圖15c）；④晶間也可以形成微裂縫（圖15b）。

圖15 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組剖面黑色頁巖中的微裂縫Fig.15 Microscopic cracks in black shale of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

通過對習(xí)水騎龍村剖面20個樣品掃描電鏡的統(tǒng)計(jì)（圖16），五峰組—龍馬溪組黑色頁巖孔隙特征在縱向上總體表現(xiàn)為向上孔隙度增加，下段孔隙直徑相對較小，向上孔隙直徑增大。有機(jī)質(zhì)孔隙主要集中在五峰組和龍馬溪組下段，而粒內(nèi)孔主要集中在觀音橋段，為生物碎屑溶蝕孔，其孔隙可以達(dá)到40 μm。

圖16 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組微觀孔隙縱向上的變化特征Fig.16 Longitudinal variation characteristics of microscopic pores of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

通過對五峰組—龍馬溪組掃描電鏡照片孔隙分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在五峰組硅質(zhì)頁巖中，在統(tǒng)計(jì)的兩個樣品中測量的1 328 個孔隙，孔徑小于1 μm 的孔隙占78.3%。在龍馬溪組下部4 個碳質(zhì)泥巖樣品統(tǒng)計(jì)的3 950 個孔隙中，孔徑小于1 μm 的孔隙占58.3%；在龍馬溪組上段粉砂巖中，在兩個樣品統(tǒng)計(jì)的5 610 個孔隙中，孔徑小于1 μm 的孔隙占49.2%。這些測量結(jié)果表明，孔徑小于1 μm 的孔隙數(shù)量隨地層向上減小，孔徑大于1 μm 的孔隙數(shù)量隨地層向上增加。在黑色碳質(zhì)泥巖中，孔隙以直徑500 nm～1 μm最常見（圖17）。因此，五峰組—龍馬溪組小孔徑孔隙占比隨地層向上遞減，大孔徑孔隙占比隨地層向上遞增。

圖17 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組微觀孔隙縱向變化特征Fig.17 Longitudinal variation characteristics of micro pores of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

5.2 孔隙結(jié)構(gòu)

根據(jù)習(xí)水騎龍村剖面15塊樣品的氮?dú)馕健摳綄?shí)驗(yàn)曲線（圖18），曲線形態(tài)主要分為兩類樣品：①樣品TZ-1H、TZ-2H、TZ-4H、TZ-5H、TZ-6H、TZ-10D（圖18）：脫附曲線在相對壓力小于0.4 范圍內(nèi)很小，幾乎與吸附曲線重合，在相對壓力為0.4～0.5 出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，吸附體積大，此類曲線對應(yīng)的孔隙以兩端開放的管狀孔和平行壁的狹縫狀孔為主，含有少量的墨水瓶孔；②樣品TZ-3H、TZ-16D、TZ-8H、TZ-10H、TZ-18D、TZ-19D、TZ-22D、TZ-12D（圖19）：曲線形態(tài)與一類相似，但拐點(diǎn)比一類變的輕緩，且在相對壓力接近1時吸附與脫附曲線陡然增加，吸附體積比一類大大減少，此類曲線對應(yīng)的孔隙部分是平行壁的狹縫狀孔，部分是錐形或雙錐形管狀孔。

圖18 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組頁巖氮?dú)夥ㄎ健摳綄?shí)驗(yàn)曲線Fig.18 Nitrogen adsorption-desorption experimental curve of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

從習(xí)水騎龍村的五峰組—龍馬溪組剖面的比表面圖解（圖19）可以看出：

圖19 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組頁巖孔隙直徑與孔隙比表面、孔隙大小對比Fig.19 Pore diameter is compared with pore specific surface and pore size of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

1）從孔隙的大小分布來看，不同巖性的孔隙大小分布都呈現(xiàn)出明顯的三段式：小于6 nm，6～11 nm，11～1 000 nm。灰?guī)r中存在較大的孔隙，最大的孔隙為973 nm，而頁巖最大孔隙僅有120 nm。

2）從孔隙大小所占總孔隙的比例來看，除了生物碎屑灰?guī)r的3H 樣品之外，不同TOC值頁巖所表現(xiàn)出來的孔隙大小的比例有明顯的規(guī)律性，TOC為0.35%的12H 樣品表現(xiàn)出小于6 nm 和11～1 000 nm兩個峰值，而隨著TOC含量的增加，介于11～1 000 nm的孔隙所占比例明顯降低，直到TOC為5.13%的1H樣品時，小于6 nm 的孔隙所占比例超過了40 %，占絕對多數(shù)，而介于11～1 000 nm 的孔隙降低到10 %以下。

3）孔隙的比表面來看，所有的巖性都表現(xiàn)出典型的單峰態(tài)分布，小于6 nm 的孔隙所占比表面均占絕對多數(shù)，平均值超過了50%。而相對較大的孔隙所占比表面卻很少，這也進(jìn)一步表明了在這3種巖性中的小孔比表面是整個比表面的主要貢獻(xiàn)者。

通過對習(xí)水騎龍村五峰組—龍馬溪組15塊樣品進(jìn)行氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)，分析得出：多層吸附（BET）比表面積為10.75～30.101 m2/g，平均為20.459 m2/g。孔徑計(jì)算方法（BJH）總孔體積為0.006 0～0.026 0 mL/g，平均為0.018 3 mL/g。根據(jù)國際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會（IUPAC）的孔隙分類方案，ROUQUEROL 等（1999年）提出將孔隙直徑小于2 nm 的稱為微孔隙，介于2～50 nm 的為介孔隙，大于50 nm 的為宏孔隙[31]。習(xí)水騎龍村剖面的頁巖孔隙直徑主要集中在2～50 nm，介孔比率平均占86.6%。

6 吸附氣特征

6.1 習(xí)水騎龍村剖面樣品的吸附氣量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過習(xí)水騎龍村剖面10 塊樣品進(jìn)行分析測試，當(dāng)壓力接近12 MPa 時吸附量最大，可達(dá)到2.8 m3/t，Langmuir 體積（VL）最小為1.62 m3/t，最大為2.8 m3/t，平均值為2.13 m3/t（圖20）。僅對五峰組—龍馬溪組黑色頁巖而言，TOC值越大，相應(yīng)的吸附量也越大，反映出有機(jī)質(zhì)含量決定了頁巖的生烴能力、孔隙空間的大小和吸附能力，對富有機(jī)質(zhì)頁巖的含氣量起決定性的作用。

圖20 習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組頁巖樣品吸附量隨壓力變化Fig.20 Samples'adsorption capacity varies with pressure of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

6.2 吸附氣量與TOC和孔隙直徑的相關(guān)性

對習(xí)水騎龍村五峰組—龍馬溪組剖面進(jìn)行掃描電鏡分析，得到孔徑的分布規(guī)律，對比習(xí)水騎龍村五峰組—龍馬溪組吸附氣量與TOC、孔隙直徑分布特征對比（圖21），在五峰組下段黑色頁巖段與龍馬溪組下段黑色頁巖段，屬深水陸棚沉積，TOC值比較高，同時吸附氣量也較大，而微觀孔隙直徑較?。积堮R溪組上段非黑色頁巖段，屬淺水陸棚沉積，TOC值比較低，同時吸附氣量也較小，而微觀孔隙直徑較大?？傊?，該剖面從底到頂，吸附氣量隨TOC值的減小而減小，而微觀孔隙直徑逐漸增大。

圖21 騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組頁巖吸附氣量與TOC、微觀孔隙直徑大小的關(guān)系Fig.21 Relation between adsorbed gas,TOC and micro pore diameter of Wufeng-Longmaxi Formations in Qilong Village outcrop,Xishui

7 結(jié)論

通過對習(xí)水騎龍村剖面實(shí)測、薄片鑒定、掃描電鏡和氮?dú)馕降确椒▽ξ宸褰M—龍馬溪組開展了地層及巖性特征、孔隙結(jié)構(gòu)、地球化學(xué)等方面的研究，取得以下認(rèn)識：

1）騎龍村五峰組—龍馬溪組剖面完整，與上下地層整合接觸，發(fā)育完整的12 個筆石帶，無地層缺失，從底至頂發(fā)育的主要巖性為黑色碳質(zhì)頁巖、生物碎屑灰?guī)r、黑色粉砂質(zhì)泥巖、中灰—灰色泥質(zhì)粉砂巖和灰色泥晶灰?guī)r。

2）騎龍村五峰組—龍馬溪組剖面主要發(fā)育6種巖相類型，主要包括不明顯紋層頁巖，平行紋層頁巖，不平行紋層頁巖，不明顯紋層粉砂巖，粒序?qū)永眄搸r，透鏡狀紋層頁巖。

3）騎龍村五峰組—龍馬溪組剖面從底到頂?shù)V物含量變化大，石英含量逐漸減少，由五峰組下段的65%減少到龍馬溪組上段的22%；而黏土礦物逐漸增加，五峰組下段為36.5 %到龍馬溪組上段非黑色頁巖段為65%。總體表現(xiàn)為從底到頂脆性礦物含量較低，頁巖易壓裂性降低。

4）騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，有機(jī)質(zhì)豐度介于0.31 %～6.69%，平均值為2.48%，其高TOC優(yōu)質(zhì)頁巖主要分布在五峰組和龍馬溪組下段，達(dá)到高—過成熟階段。

5）騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組整體生物鋇含量不高，表明其古生產(chǎn)力相對較低，優(yōu)質(zhì)黑色頁巖沉積環(huán)境為缺氧—貧氧條件，其有機(jī)質(zhì)埋藏效率高有利于有機(jī)質(zhì)的保存。

6）習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組頁巖主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、裂縫、粒間孔和粒內(nèi)孔，其有機(jī)質(zhì)孔主要分布在龍馬溪組下段和五峰組，龍馬溪組上段有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育?？v向上表現(xiàn)為小孔徑孔隙占比隨地層向上遞減，大孔徑孔隙占比隨地層向上遞增。

7）習(xí)水騎龍村剖面五峰組—龍馬溪組吸附量最小為1.62 m3/t，最大為2.8 m3/t，平均值為2.13 m3/t，總體表現(xiàn)為TOC值越大，相應(yīng)的吸附能力也越強(qiáng)，反映出有機(jī)質(zhì)含量決定了頁巖的生烴能力、孔隙空間的大小和吸附能力，對富有機(jī)質(zhì)頁巖的含氣量起決定性的作用。