四川盆地五峰組黑色頁巖放射性元素含量特征及其地質(zhì)意義

邊瑞康， 劉忠寶， 張培先， 杜偉， 劉珠江， 聶海寬， 喬輝

(1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102206； 2.中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102206； 3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院， 北京 102206； 4.中國石化華東油氣分公司， 南京 210019； 5.中國石化勘探分公司， 成都 610041)

四川盆地及周緣地區(qū)五峰組廣泛分布，但整體厚度不大，一般2～15 m[1-5]。在川東涪陵-武隆、川南長寧-永川的沉積中心地區(qū)，五峰組厚度為4～8 m，主體由中下部富含筆石、放射蟲的黑色頁巖段和頂部薄層含介殼灰?guī)r、灰質(zhì)泥頁巖的觀音橋段組成，與上覆下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖一起成為目前中國海相頁巖氣勘探開發(fā)的主力層段[6-11]。

五峰組黑色頁巖與龍一1亞段黑色頁巖均具有高總有機(jī)碳(total organic carbon，TOC)、高硅質(zhì)含量、低黏土含量的特征，甚至在川東地區(qū)其TOC和硅質(zhì)含量更高、黏土含量更低，且硅質(zhì)放射蟲大量發(fā)育，因此許多學(xué)者認(rèn)為其為深海產(chǎn)物[12-14]。雖然近年來基本取得共識，認(rèn)為五峰組黑色頁巖為深水陸棚亞相沉積，但許多學(xué)者仍認(rèn)為其整體沉積水深應(yīng)大于龍一1亞段[4,15]。而川東、川南等地區(qū)頁巖氣鉆井中鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)等放射性元素測井特征并不支持這一觀點(diǎn)。放射性元素的含量特征能較好地反映沉積環(huán)境，如U元素能反映水體深度[16-19]。陳中紅等[17]利用東營凹陷牛38井鈾含量建立了水深函數(shù)，并據(jù)此分析了沙三中的相對水深和古環(huán)境變化特征。萬錦峰等[18]在上述水深函數(shù)基礎(chǔ)之上，結(jié)合氧化-還原評價(jià)提出了預(yù)測古水深的半定量計(jì)算方法，并據(jù)此分析了塔河油田4區(qū)巴楚組不同層段的沉積環(huán)境特征。Th、K含量能反映以黏土礦物為主的陸源碎屑物源的多少和黏土礦物類型[20-22]。寧波等[20]認(rèn)為地層中的泥質(zhì)含量與Th或K含量具有較好的線性關(guān)系，給出了利用Th含量計(jì)算泥質(zhì)體積含量的公式，并據(jù)此分析了延安地區(qū)儲層中黏土礦物含量的分布特征。此外，Th/U也能反映水體氧化還原環(huán)境等[16,18,21]。加之放射性元素測井技術(shù)成熟，測點(diǎn)密度高，不受取心影響，因此在頁巖氣鉆井中被廣泛應(yīng)用，具有資料齊全、可對比性好的優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)對涪陵地區(qū)五峰組黑色頁巖段與龍一1亞段放射性元素含量特征進(jìn)行分析與對比，并探討五峰組黑色頁巖特殊沉積環(huán)境的成因。同時(shí)，對四川盆地不同地區(qū)五峰組黑色頁巖段放射性元素含量的分析與對比，明確黑色頁巖縱向和橫向變化規(guī)律，從而為五峰組空間演化特征的研究提供依據(jù)。

1 涪陵地區(qū)五峰組頁巖段與龍一1亞段差異性對比

涪陵地區(qū)在五峰組黑色頁巖段和龍一1亞段沉積時(shí)期均為沉積中心位置(圖1)，兩者的頁巖條件均好于盆地其他地區(qū)，因此該地區(qū)最為適合開展兩個(gè)層段間的對比研究。

涪陵地區(qū)五峰組和龍一1亞段黑色頁巖發(fā)育穩(wěn)定，多口鉆井顯示每套頁巖的厚度差異不大，TOC大致相當(dāng)，放射性測井曲線在形態(tài)和數(shù)值方面具有非常高的相似性。以JY1井為例，五峰組為TOC>4%的連續(xù)層段，厚度4.4 m，頂部觀音橋段厚度0.1 m，整個(gè)五峰組為涪陵頁巖氣田的①號開發(fā)小層(圖2)。五峰組上覆龍一1亞段根據(jù)TOC含量可分為上、下兩個(gè)部分，下部為TOC>4%的連續(xù)層段，厚度12.0 m，對應(yīng)②～③號開發(fā)小層(圖2)；上部為TOC介于2%～4%的連續(xù)層段，厚度21.5 m，對應(yīng)④～⑤號開發(fā)小層(圖2)。在沉積微相劃分上，五峰組頁巖和龍一1亞段下部為硅質(zhì)深水陸棚微相，龍一1亞段上部為硅質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相。選取涪陵地區(qū)6口重點(diǎn)鉆井(JY1井、JY2井、JY4井、JY6井、JY8井、TY1井，位置如圖1所示)，開展五峰組頁巖段放射性元素特征分析，并與龍一1亞段上、下兩個(gè)部分開展對比。

圖1 四川盆地及周緣地區(qū)五峰組黑色頁巖分布(據(jù)文獻(xiàn)[4]修改)Fig.1 Distribution of black shale of Wufeng Formation in Sichuan Basin and its surrounding areas(modified according to ref.[4])

1.1 放射性元素含量特征對比

放射性元素含量統(tǒng)計(jì)分析表明，涪陵地區(qū)五峰組頁巖段、龍一1亞段下部、龍一1亞段上部U含量平均值分別為11.70 ×10-6、18.41 ×10-6、10.59 ×10-6[表1、圖3(a)]，五峰組頁巖段略高于龍一1亞段上部而遠(yuǎn)低于龍一1亞段下部。U含量的最大值也具有相同的對比特征[表1、圖3(a)]。因此，從U含量的對比來看，五峰組頁巖段的平均水深和最大水深都應(yīng)具有略大于龍一1亞段上部而小于龍一1亞段下部的特征。

陳中紅等[17]利用U含量測井曲線建立了相對水深的計(jì)算公式[式(1)]，雖然式(1)計(jì)算所得并非實(shí)際水深而是相對水深，但能夠較好反映水體的變化趨勢和對比特征。本次研究也應(yīng)用式(1)對涪陵地區(qū)五峰組頁巖段、龍一1亞段下部、龍一1亞段上部的相對水深進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，涪陵地區(qū)3個(gè)層段的平均相對水深分別為159.39、288.69、119.40(表1)，同樣表現(xiàn)為五峰組頁巖段略大于龍一1亞段上部而小于龍一1亞段下部的特征。

(1)

式(1)中：D為水深函數(shù)的方差；w(U)i為i點(diǎn)的鈾含量；n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

Th/U能反映沉積水體的氧化還原環(huán)境，一般水深越大，含氧量越低，還原性越強(qiáng)，Th/U<2一般表示強(qiáng)還原環(huán)境[16]。統(tǒng)計(jì)顯示，涪陵地區(qū)五峰組頁巖段、龍一1亞段下部、龍一1亞段上部Th/U平均值分別為1.17、0.74、1.68(表1)，均為小于2的強(qiáng)還原環(huán)境，數(shù)值上同樣表現(xiàn)為五峰組頁巖段還原性高于龍一1亞段上部，低于龍一1亞段下部的特點(diǎn)。

1.2 五峰組黑色頁巖沉積環(huán)境分析

U含量、計(jì)算得到的相對水深、Th/U等指標(biāo)均顯示涪陵地區(qū)五峰組頁巖段具有略大于龍一1亞段上部而小于龍一1亞段下部的水深特征。但頁巖巖心實(shí)驗(yàn)分析卻顯示涪陵地區(qū)五峰組頁巖段具有與龍一1亞段下部相當(dāng)甚至略高的TOC和硅質(zhì)礦物含量(圖2、圖4)。更高的TOC和硅質(zhì)礦物含量一般代表著更大的水深，造成這種“矛盾”現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要由涪陵地區(qū)五峰組特殊的沉積環(huán)境造成。

五峰組沉積時(shí)期，受廣西運(yùn)動影響，揚(yáng)子地區(qū)整體上由早期的廣海漸變?yōu)橛纱ㄖ泄抨?、黔中古陸、江南雪峰古陸三面圍限的局限滯留海盆[23-27]。古陸形成時(shí)期較晚，海拔不高，物源以先期形成的臨湘組等下伏碳酸鹽物質(zhì)為主，碎屑巖物源相對較少。五峰組頁巖沉積時(shí)期，極地冰蓋規(guī)模尚小或暫無冰蓋形成，全球氣候溫暖，緯向氣候分帶不明顯，一方面沒有冰蓋融化形成的冷水，無法形成底層富含氧的冷水環(huán)流進(jìn)入華南地區(qū)，同時(shí)臺地上的海盆，深度不超過200 m，即便有來自高緯度的深層水也無法進(jìn)入，造成五峰組頁巖沉積時(shí)期水體溫暖并缺氧，水體中含氧最低值的深度面較其他時(shí)期高，水下還原環(huán)境空間較大[28]；另一方面，由于氣候分帶不明顯，風(fēng)力和波浪運(yùn)動都很小，攜帶物源能力減弱，物源供應(yīng)少，加之缺乏碎屑巖物源，因此五峰組頁巖整體陸源碎屑注入量較少。五峰組頁巖段、龍一1亞段下部、龍一1亞段上部的Th含量平均值分別為11.11 ×10-6、12.55 ×10-6、16.39 ×10-6，K含量平均值分別為2.07%、2.24%、2.83%，五峰組頁巖段兩項(xiàng)指標(biāo)的含量均低于龍一1亞段下部和龍一1亞段上部，證實(shí)了涪陵地區(qū)五峰組黑色頁巖沉積時(shí)期陸源碎屑注入量相對較少。

概括而言，涪陵地區(qū)五峰組黑色頁巖沉積時(shí)期，具有閉塞的水體條件、較強(qiáng)的還原環(huán)境和較少的陸源碎屑注入量，加之溫暖、濕潤的氣候條件，十分適合藻類和硅質(zhì)生物的發(fā)育和保存，適合程度甚至超過了水深更大的龍一1亞段下部，從而形成了與其相當(dāng)甚至略高的TOC和硅質(zhì)礦物含量。

2 四川盆地五峰組黑色頁巖橫向變化 特征

2.1 放射性元素含量橫向變化特征

四川盆地五峰組頁巖的厚度、品質(zhì)、礦物組成等特征在不同地區(qū)存在一定的差異性[29-31]，如涪陵、長寧、永川、威遠(yuǎn)四個(gè)頁巖氣主要富集區(qū)，五峰組頁巖的平均TOC、硅質(zhì)礦物、黏土礦物等具有不同的含量特征(圖5)。通過對各個(gè)地區(qū)典型鉆井五峰組頁巖放射性元素含量及變化特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這種區(qū)域差異性同樣體現(xiàn)在放射性元素含量的不同及變化特征上(圖6)。

四川盆地五峰組頁巖段根據(jù)巖性可大致分為上下兩個(gè)部分，下部主要為黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖和硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖，上部主要為含黏土硅質(zhì)頁巖和硅質(zhì)巖(圖6)。部分地區(qū)存在一定特殊性，如威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組頁巖主要為黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖和黏土質(zhì)灰質(zhì)混合頁巖，不發(fā)育硅質(zhì)含量較高的含黏土硅質(zhì)頁巖和硅質(zhì)巖。為了方便對比，根據(jù)黏土含量特點(diǎn)也將威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組頁巖劃分為上下兩個(gè)部分。對五峰組頁巖上下兩個(gè)部分的放射線元素進(jìn)行分析，整體來看，五峰組下部黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖、硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖的U含量低于上部的含黏土硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖，而Th/U、Th和K含量則相反(圖6、圖7)。放射性元素含量由下向上的變化趨勢反映了頁巖沉積環(huán)境的總體變化為水體逐漸加深，陸源碎屑含量逐漸降低的特點(diǎn)。但受原始沉積古地貌及沉積期間構(gòu)造活動差異性的影響，不同地區(qū)沉積環(huán)境變化趨勢存在特殊性。

A1為硅質(zhì)巖；A2為含黏土硅質(zhì)頁巖；A3為含灰硅質(zhì)頁巖；A4為黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖；A5為灰質(zhì)硅質(zhì)頁巖；B1為黏土巖；B2為含灰黏土質(zhì)頁巖；B3為含硅黏土質(zhì)頁巖；B4為灰質(zhì)黏土質(zhì)頁巖；B5為硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖；C1為灰?guī)r；C2為含硅灰?guī)r；C3為含黏土灰?guī)r；C4為硅質(zhì)灰?guī)r；C5為黏土質(zhì)灰?guī)r；D1為硅質(zhì)黏土質(zhì)混合 頁巖；D2為硅質(zhì)灰質(zhì)混合頁巖；D3為黏土質(zhì)灰質(zhì)混合頁巖圖4 涪陵地區(qū)五峰組-龍一1亞段頁巖類型 識別圖版Fig.4 Shale type identification chart of Wufeng sub member in Fuling area

圖5 四川盆地重點(diǎn)地區(qū)五峰組頁巖TOC、硅質(zhì)、 黏土含量對比(長寧數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[31])Fig.5 Comparison of TOC, siliceous and clay contents in shale of Wufeng Formation in key areas of Sichuan Basin (Changning data according to ref.[31])

圖7 四川盆地重點(diǎn)地區(qū)五峰組頁巖放射性元素含量對比Fig.7 Comparison of radioactive element content in shale of Wufeng Formation in key areas of Sichuan Basin

五峰組頁巖下部含量對比發(fā)現(xiàn)，永川地區(qū)U含量最低，其次為威遠(yuǎn)、長寧，涪陵地區(qū)含量最高[圖7(a)]，表明在沉積早期永川地區(qū)水體最淺、其次為威遠(yuǎn)、長寧，涪陵地區(qū)水體最深。而在Th含量方面，永川地區(qū)含量最高，其次為長寧、涪陵，威遠(yuǎn)地區(qū)含量最低[圖7(c)]；在K含量方面，永川地區(qū)最高，其次為涪陵、長寧，威遠(yuǎn)地區(qū)含量最低[圖7(d)]；Th和K綜合來看，永川地區(qū)最高，其次為長寧、涪陵，威遠(yuǎn)地區(qū)最低[圖7(e)]。表明該時(shí)期永川地區(qū)陸源碎屑注入量最大，其次為長寧、涪陵，威遠(yuǎn)地區(qū)陸源碎屑注入量最少。該含量特征基本上反映了水深越大陸源碎屑注入量越少的一般規(guī)律，但較為特殊的是威遠(yuǎn)地區(qū)，雖然U含量低于涪陵和長寧地區(qū)，但Th和K含量同樣低于這兩個(gè)地區(qū)，表明威遠(yuǎn)地區(qū)雖然水體較淺，但陸源碎屑注入量同樣較少，與該地區(qū)頁巖黏土含量較低而碳酸鹽巖含量較高的巖性特征相符合，反映了威遠(yuǎn)地區(qū)水體較淺、物源不多、更為封閉而適合碳酸鹽礦物發(fā)育的特殊環(huán)境特征。

進(jìn)入五峰組頁巖沉積后期，U含量最低為威遠(yuǎn)，其次為永川、涪陵，最高為長寧[圖7(a)]，表明在沉積后期威遠(yuǎn)地區(qū)水體最淺，其次為永川、涪陵，長寧地區(qū)水體最深。從水體變化趨勢可以看出，威遠(yuǎn)地區(qū)水體加深最少，長寧地區(qū)水體加深最大，涪陵和永川變化居中。這一變化特征揭示了五峰組頁巖后期的構(gòu)造沉降運(yùn)動為長寧地區(qū)最強(qiáng)烈，其次為涪陵和永川，威遠(yuǎn)地區(qū)構(gòu)造沉降最弱。在Th和K含量方面，均為長寧含量最高，其次為涪陵、永川，威遠(yuǎn)含量最低[圖7(c)～圖7(e)]，表明該時(shí)期長寧地區(qū)陸源碎屑注入量最大，其次為涪陵、永川，威遠(yuǎn)地區(qū)陸源碎屑注入量仍然最少。與五峰組早期相比，永川地區(qū)陸源碎屑注入量迅速減少，僅高于威遠(yuǎn)地區(qū)，低于長寧和涪陵地區(qū)。

2.2 五峰組黑色頁巖沉積環(huán)境橫向變化成因分析

一般認(rèn)為，水深越大的地區(qū)距離物源越遠(yuǎn)，陸源碎屑注入量越少，五峰組頁巖早期基本符合這一規(guī)律，五峰組頁巖后期則與之不符。要解釋這一現(xiàn)象，可從五峰組的區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動特點(diǎn)及其造成的古地貌形態(tài)給出一定的推斷。五峰組沉積時(shí)期，揚(yáng)子地臺受華夏板塊進(jìn)一步擠壓，在撓曲作用下發(fā)生古陸持續(xù)抬升、坳陷持續(xù)沉降的整體變形特征[25]。在五峰組頁巖沉積早期，四川盆地形成靠近川中古陸的永川、威遠(yuǎn)地區(qū)水體最淺，靠近黔中古陸的長寧地區(qū)水體居中，靠近江南雪峰古陸及其影響的湘鄂西水下低隆的涪陵地區(qū)水體最深的基本古地貌特征。但不同地區(qū)距離古陸的距離有所不同，如永川和長寧地區(qū)，其距離古陸較近，且靠近古陸一側(cè)地形傾角大，易造成陸源碎屑的沉積。涪陵和威遠(yuǎn)地區(qū)距離古陸較遠(yuǎn)，與古陸之間地形相對平坦，陸源碎屑沉積相對較少。

五峰組頁巖沉積后期，隨著撓曲作用的進(jìn)一步加強(qiáng)，古地貌發(fā)生了相對變化，雖然整體發(fā)生沉降，但沉降幅度不一。其中長寧地區(qū)沉降幅度最大，此時(shí)水體深度已超過涪陵地區(qū)，成為新的沉積中心。但長寧地區(qū)陸源碎屑含量也最高，表明長寧地區(qū)與古陸之間的距離進(jìn)一步縮小，靠近古陸一側(cè)地形傾角變得更大。在四川盆地南側(cè)周緣地區(qū),五峰組的下部一般發(fā)育一系列小型階梯狀斷層和小型褶皺,其上部頁巖產(chǎn)狀正常,研究認(rèn)為其為頁巖在處于軟沉積物階段時(shí),由于壓實(shí)差異、重力滑動或滑塌等因素引發(fā)變形而形成的同生變形構(gòu)造[32]。該構(gòu)造特點(diǎn)說明，五峰組沉積后期,受黔中古陸迅速抬升影響[24,33-34],古陸面積持續(xù)增大，陸源碎屑物源增多，川南周緣地區(qū)地形持續(xù)變陡，陸源碎屑更易進(jìn)入海洋發(fā)生沉積，古地貌的變化抵消了水體加深的部分影響，造成長寧地區(qū)陸源碎屑注入量較五峰組沉積早期降低幅度較少的現(xiàn)象。同時(shí)處于陡坡帶已形成的軟沉積物在地形傾角增大情況下引發(fā)變形而形成同生變形構(gòu)造。與此同時(shí)，盆地東側(cè)的江南雪峰古陸也發(fā)生抬升，并在川東盆緣帶與古陸之間形成了多個(gè)水下低隆[4,33]，但由于古陸距離涪陵地區(qū)相對較遠(yuǎn)，地形傾角不大，水下低隆未出露水面形成有效物源，因此涪陵地區(qū)陸源碎屑注入量減少幅度大于長寧地區(qū)。永川地區(qū)在五峰組頁巖沉積后期水體深度大幅增加，超過了威遠(yuǎn)地區(qū)，陸源碎屑注入量大幅減少，但仍高于威遠(yuǎn)地區(qū)。說明永川地區(qū)的沉降幅度大于威遠(yuǎn)地區(qū)，且靠近永川并提供物源的部分川中古陸也一并沉降至水面以下，失去物源供給能力，但總體上的物源供給能力仍稍大于威遠(yuǎn)地區(qū)。

3 結(jié)論

(1)涪陵地區(qū)五峰組黑色頁巖段與龍一1亞段的U含量、Th/U，以及計(jì)算得到的平均相對水深，表明五峰組黑色頁巖段具有略大于龍一1亞段上部而小于龍一1亞段下部的水深特征。Th、K含量則表明五峰組黑色頁巖段具有小于龍一1亞段下部和上部陸源碎屑注入量。沉積環(huán)境分析認(rèn)為，涪陵地區(qū)五峰組閉塞的水體條件、較強(qiáng)的還原環(huán)境和較少的陸源碎屑注入量，加之溫暖、濕潤的氣候條件，藻類和硅質(zhì)生物發(fā)育和保存的適合程度超過了水深更大的龍一1亞段下部，從而形成了與其相當(dāng)甚至略高的TOC和硅質(zhì)礦物含量。

(2)對四川盆地重點(diǎn)地區(qū)五峰組頁巖段上下兩個(gè)部分的放射線元素含量進(jìn)行分析與對比，整體來看，放射性元素含量由下向上的變化趨勢反映了全盆地水體逐漸加深，陸源碎屑注入量逐漸減少的沉積環(huán)境變化特征。但不同地區(qū)的變化趨勢并不完全一致。結(jié)合放射性元素、巖性、區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動和微觀構(gòu)造變形特征，認(rèn)為五峰組沉積時(shí)期揚(yáng)子地臺受到華夏板塊的進(jìn)一步擠壓，在不均衡撓曲作用之下，不同地區(qū)發(fā)生差異化沉降-抬升作用，且幅度不盡相同，造成不同地區(qū)水體深度、陸源碎屑注入量不同，從而形成五峰組黑色頁巖空間上和時(shí)間上的演化差異。