鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石細碎屑巖非常規(guī)沉積作用

賀 萍,王青春,谷海艷,申方樂

1.河北地質大學 地球科學學院,河北 石家莊 050031;2.河北地質大學 保定理工學院,河北 保定 071000; 3.河北地質大學華信學院,河北 新樂 050799

0 引言

沉積巖的分類主要依據(jù)沉積物來源及沉積作用方式,分為外源沉積巖類和內源沉積巖類[1],但“細粒沉積物” 通常被描述為“粒徑小于62 μm 的黏土級和粉砂級物質,其成分主要包含黏土礦物、粉砂、碳酸鹽、有機質等[2-4]”,其中即有外源沉積物(如粉砂),又含內源沉積物(如碳酸鹽)。組成細碎屑巖的粉砂級細碎屑,尤其是黏土級細碎屑和黏土礦物,主要是在弱水動力或靜水環(huán)境中經(jīng)緩慢垂向沉降作用形成的。然而,現(xiàn)代研究表明,大多數(shù)直徑<10 μm的黏土顆粒是以絮凝物形式沉積的,絮凝過程有助于大量泥質沉積物在海洋環(huán)境中的長距離搬運[5,6];直徑>10 μm 的黏土顆粒則主要以單顆粒形式沉降[7],而“細粒沉積物” 中的碳酸鹽、有機質等,還應該有化學和生物化學沉淀作用的參與。

由此可見,將細碎屑巖定義為“細粒沉積物” 形成的沉積巖,其中的“碳酸鹽、有機質等” 容易引起理解上的混亂,尤其是對于初學者。論文以鄂西南地區(qū)上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)五峰—龍馬溪組富筆石細碎屑巖為研究對象,其中述及的細碎屑巖,屬于陸源碎屑巖亞類,主要是指粒徑小于62 μm 的細碎屑顆粒經(jīng)搬運、沉積和成巖作用過程而形成的沉積巖。細碎屑巖中的細碎屑顆粒含量大于50%,主要包括粉砂級細碎屑、黏土級細碎屑以及黏土礦物,常形成粉砂巖、泥巖、頁巖等。本文中細碎屑巖的組成物質,僅僅是前人“細粒沉積物”[2-4]中的一部分。

1 區(qū)域地質背景

鄂西南地區(qū)屬于中揚子地塊湘鄂西沖斷褶皺帶宜都—鶴峰復背斜帶和花果坪復向斜帶,西與四川盆地毗鄰,北靠秦嶺—大別山造山帶,東接江南—雪峰滑脫推覆隆起帶。研究區(qū)主要構造線呈北東—北北東向展布,主要斷裂走向與褶皺軸線基本一致(圖1)。

圖1 研究區(qū)構造位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of tectonic location in the study area

研究區(qū)古生界地層發(fā)育比較齊全,中上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)主要包括牯牛潭組、廟坡組和寶塔組,形成于開闊臺地環(huán)境;五峰—龍馬溪組、新灘組和羅惹坪組,形成于淺海環(huán)境。其中五峰—龍馬溪組是本文的研究對象,形成于晚奧陶世—早志留世,以深色富筆石泥巖、頁巖等細碎屑巖為主,與下伏地層寶塔組和上覆地層新灘組均整合接觸。

2 細碎屑巖特征

野外地質調查表明,鄂西南地區(qū)五峰組發(fā)育程度低,地層厚度較小,故而將五峰組和龍馬溪組合稱為五峰—龍馬溪組。

2.1 巖性特征

鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石細碎屑巖特征鮮明。五峰組主要發(fā)育在研究區(qū)西部,以褐色、褐黑色粉砂質泥巖夾薄層頁巖為主,筆石含量較低,厚度一般<20 m,向中、東部逐漸減薄直至尖滅;龍馬溪組全區(qū)均發(fā)育,西部厚度較大,可達80 m 左右,向中、東部也具減薄趨勢。龍馬溪組可進一步劃分為下、中、上三段,均含筆石化石。其下段以灰黑色、黑色碳質含粉砂泥巖、碳質粉砂質泥巖和碳質頁巖為主,泥巖致密堅硬,頁巖頁理發(fā)育,厚度較大,富含大量筆石化石(圖2a);中段以棕灰色含粉砂泥巖、頁巖為主,巖石質地松軟,厚度較小,可見少量筆石化石;上段以灰黑色、深灰色碳質含粉砂泥巖、碳質頁巖為主,也含較多筆石化石,但與下段相比,筆石含量和巖石硬度均較低(圖2b)。

圖2 鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石細碎屑巖Fig.2 Graptolite-rich fine-grained clastic rocks of Wufeng-Longmaxi Formation in southwestern Hubei Province

巖礦鑒定以及有機地化分析表明,鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石泥巖和頁巖中,硅質碎屑含量在16%～87%之間,平均57%;黏土礦物含量在3%～47%之間,平均20.7%;碳質含量6%～25%;TOC主要介于1.0%～2.5%,屬于好的泥質烴源巖級別;鏡質體反射率主要介于2.0%～3.0%,非常有利于天然氣的生成。由此可見,研究區(qū)富筆石細碎屑巖具備生烴潛力較大、脆性組分(硅質碎屑) 含量較高的特征。

2.2 巖石定名的分歧

目前能源結構在不斷變化,頁巖氣作為較清潔能源,其勘探和開發(fā)工作如火如荼。普遍認為,頁巖氣儲層的脆性礦物含量高,有利于頁巖氣開發(fā)過程中壓裂工程的實施。因而,前人多將筆石頁巖中硅質碎屑、長英質碎屑等脆性物質直接簡化成“硅質” 應用到巖石定名中,如“硅質” 筆石頁巖、“硅質” 泥巖等。鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石泥巖、頁巖的礦物組成特征、硅質碎屑含量與前人研究基本一致[8-11],但在巖石定名方面,采取了不同的定名方法。

沉積巖中通常所說的“硅質” 和“硅質碎屑”是截然不同的概念。“硅質” 主要源于地殼深部流體、特殊的含硅生物或硅質溶液,多以化學或生物化學沉淀方式形成;而“硅質碎屑” 則主要為陸源物質,是流體搬運碎屑物質經(jīng)機械沉積作用形成的。如圖3a所示,研究區(qū)細碎屑巖的物質組成中,“硅質” 明顯呈孤立的“顆?！?狀態(tài),分布均勻,粒度多為粉砂級,分選中等,結構成熟度較低,且經(jīng)過了一定的磨蝕作用,呈次棱角—次圓狀,是機械搬運和沉積作用的結果,可描述為“粉砂級硅質碎屑”,在巖石定名中應體現(xiàn)為“含粉砂” 或“粉砂質”。當然,鄂西南地區(qū)五峰—龍馬溪組細碎屑巖中的“硅質” 并不能完全排除化學沉淀作用的貢獻。如圖3b 所示,其中的“硅質” 雖然也呈“顆粒” 狀態(tài),但部分“硅質” 外形不規(guī)則,粒度相差較大,分布不均,局部呈“嵌生晶” 特征,不過數(shù)量占比較小,其成因有待進一步深入研究。

圖3 鄂西南五峰—龍馬溪組細碎屑巖中的硅質碎屑顆粒特征Fig.3 Characteristics of siliceous clastic particles in fine-grained clastic rocks of Wufeng-Longmaxi Formation in southwestern Hubei Province

3 細碎屑巖沉積環(huán)境分析

前人研究表明,鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石細碎屑巖的沉積環(huán)境主要為陸棚環(huán)境,包括淺水陸棚和深水陸棚[8-11],可進一步分為粉砂質陸棚、泥質陸棚和砂泥混合陸棚。但馬文辛等(2012) 研究鄂西渝東志留系沉積儲層特征時,在陸棚環(huán)境中提到了“濁積成因” 的貢獻[12]。李斌等(2017) 研究湖南保靖地區(qū)下志留統(tǒng)沉積地層時同樣也提到了 “濁流” 和“濁積巖”[13]。

3.1 特殊沉積現(xiàn)象

鄂西南五峰—龍馬溪組細碎屑巖以黑色、灰黑色、黑灰色含粉砂(或粉砂質) 泥頁巖、泥頁巖為主,碳質含量較高,富含筆石類等生物化石,其沉積環(huán)境具備缺氧條件。缺氧環(huán)境的形成,很可能是水體深度較大導致的,如深海、深湖環(huán)境等;另一種可能就是水體能量較弱導致的,如潟湖、沼澤環(huán)境等;或二者共同作用的結果。

鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石細碎屑巖,具有以下幾點特殊之處:

(1) 細碎屑巖中的筆石化石以耙筆石、叉筆石、柵筆石、直筆石等營浮游生活方式的筆石類型為主,筆石化石多出現(xiàn)在粉砂含量較少的泥頁巖及其層面上,且筆石體(膜) 化石完整(圖2)。

(2) 掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),細碎屑巖中含有大量的草莓粒狀和晶粒狀黃鐵礦(圖4a、4b)。

(3) 巖礦鑒定表明,細碎屑巖中粉砂級碎屑顆粒以石英為主,磨圓程度較低 (圖3a、圖4c、4d),且發(fā)育微水平層理、微平行層理(圖4c) 和微粒序層理(圖4d) 等流體搬運作用形成的沉積構造。

(4) 細碎屑巖宏觀上表現(xiàn)為含粉砂(或粉砂質)泥巖與頁巖互層,形成韻律層理,泥巖因含粉砂而質地較為堅硬,頁巖粉砂含量低或不含粉砂而質地較為松軟;泥巖、頁巖厚度一般在1～20 cm 不等,常常呈較厚層泥巖夾較薄層頁巖,或較厚層頁巖夾較薄層泥巖的特征。

圖4 鄂西南五峰—龍馬溪組細碎屑巖微觀特征Fig.4 Microscopic characteristics of fine-grained clastic rocks in Wufeng-Longmaxi Formation in southwestern Hubei Province

3.2 沉積環(huán)境探討

從沉積特征來看,鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石細碎屑巖中,保存較完整的浮游型筆石類化石和黃鐵礦大量出現(xiàn),均代表著水體較深的低能沉積環(huán)境。但是也有矛盾之處:首先是筆石類型,前人研究認為不同筆石動物群組合可指示不同沉積環(huán)境[14-17],耙筆石類為淺水相筆石,柵筆石為深水相筆石,而研究區(qū)目的層細碎屑巖中,這兩種代表不同水深環(huán)境的筆石都出現(xiàn)了,且化石保存完整;其次是在細碎屑巖中磨圓程度較低的石英顆粒大量出現(xiàn),且發(fā)育微平行層理和微粒序層理,這是事件性快速沉積作用的特征;第三就是筆石類化石出現(xiàn)的特殊位置—主要富集在砂質、粉砂質含量較少的泥頁巖及其層面上。深水低能沉積環(huán)境,或者簡單的粉砂質陸棚、泥質陸棚及砂泥混合陸棚沉積環(huán)境,都很難圓滿的解釋這些特殊的沉積現(xiàn)象。

據(jù)此,論文借鑒(泥質) 重力流[13,18]、水下碎屑流[19]等理論,認為鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石細碎屑巖主要形成于陸棚沉積環(huán)境,但在具體沉積過程中,水下沉積物重力流也發(fā)揮了作用,至少在含粉砂泥巖、粉砂質泥巖等長英質碎屑顆粒含量較高的細碎屑巖形成過程中,水下沉積物重力流貢獻較大,甚至長英質顆粒含量較低的泥巖、頁巖的形成過程中,泥質重力流也有參與[18]。

4 富筆石細碎屑巖理想沉積模式

中奧陶世—志留紀末期的加里東運動,導致了揚子板塊與華夏板塊的匯聚碰撞及洋盆的消亡,揚子地區(qū)開始逐漸接受碎屑巖沉積[20]。強烈的擠壓運動及志留紀冰期—冰后期之交的氣候迅速回暖導致的海平面上升,使揚子地區(qū)形成了被邊緣隆起所限制的淺海盆地環(huán)境[17,20]。

結合區(qū)域地質特征、前人成果及前文分析,認為鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石細碎屑巖的形成環(huán)境為陸棚相,早期為深水陸棚亞相,晚期為淺水陸棚亞相,可發(fā)育砂質陸棚、泥質陸棚、砂泥混合陸棚及水下重力流等多種沉積微相(如圖5 及表1 所示)。鑒于邊緣隆起區(qū)向水下延伸而形成的水下隆起以及陸上水系季節(jié)性能量變化的影響,不同地區(qū)的具體沉積環(huán)境會有所差異。

圖5 鄂西南上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)富筆石細碎屑巖理想沉積模式圖Fig.5 Ideal sedimentary model of graptolite-rich fine clastic rocks from Upper Ordovician to Lower Silurian in southwestern Hubei Province

表1 鄂西南上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)富筆石細碎屑巖沉積相類型簡表Table 1 Sedimentary facies types of graptolite-rich fine clastic rocks from Upper Ordovician to Lower Silurian in southwestern Hubei Province

富筆石細碎屑巖的形成是在正常陸棚沉積作用與水下重力流(包括泥質水下重力流、粉砂質水下重力流、異重流、濁流) 沉積作用共同作用的結果。國際頁巖氣開發(fā)實踐證明,目前儲量巨大的頁巖氣田儲層均以海相碎屑巖為主[13,21,22]。中國四川盆地及周邊地區(qū)的頁巖氣勘探開發(fā)也說明,筆石類生物的殘留有機碳是五峰—龍馬溪組黑色頁巖總有機碳的重要貢獻者之一[12,15,23]。研究區(qū)正常陸棚沉積作用,使得筆石等生物形成的有機碳得以有效保留;水下重力流沉積作用形成的砂級、粉砂級碎屑顆粒的大量出現(xiàn),提高了細碎屑巖的硬度、脆性及孔隙度。正常陸棚沉積與事件性重力流沉積作用的有效組合,是形成海相頁巖油氣及致密砂巖油氣等非常規(guī)能源礦產(chǎn)的重要前提。

5 結論

(1) 本文明確了“細碎屑巖” 的概念。細碎屑巖是指粒徑小于62 μm 的細碎屑顆粒經(jīng)沉積、成巖作用過程而形成的沉積巖,其中的細碎屑顆粒含量大于50%,主要包括粉砂級細碎屑和黏土級細碎屑以及黏土礦物,可形成粉砂巖、泥巖、頁巖等。

(2) 鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石細碎屑巖,含大量筆石類生物化石的同時,還含有較多的、磨圓較差的“粉砂級” 石英“碎屑顆粒”,屬于機械搬運和沉積作用的產(chǎn)物,因而巖石定名中用“硅質” 加以體現(xiàn)不夠確切,描述為“含粉砂”、“粉砂質” 更為合適。

(3) 細碎屑巖中豐富的筆石類化石,主要富集于石英碎屑顆粒含量較低的泥頁巖及其層面上,亦可見大量草莓狀黃鐵礦等;同時,含粉砂泥頁巖和粉砂質泥頁巖中可見微平行層理、微粒序層理、韻律層理等流體搬運作用形成的沉積構造。

(4) 受區(qū)域地質背景影響,鄂西南五峰—龍馬溪組陸棚環(huán)境的水下重力流比較發(fā)育,包括泥質水下重力流、粉砂質水下重力流、異重流、濁流等多種類型。

(5) 鄂西南五峰—龍馬溪組富筆石細碎屑巖形成于陸棚環(huán)境,包括深水陸棚和淺水陸棚,是正常陸棚沉積與事件性水下重力流沉積共同作用的結果。正常陸棚沉積與事件性水下重力流沉積作用的有效組合,對于非常規(guī)油氣資源具有重要意義。