湘中、湘东南拗陷泥页岩层系岩相古地理特征

钱 劲, 马若龙, 步少峰, 徐昉昊

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

湘中、湘东南拗陷泥页岩层系岩相古地理特征

钱 劲, 马若龙, 步少峰, 徐昉昊

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

综合运用现代沉积学及地层学理论，结合湘中拗陷和湘东南拗陷构造演化背景，分析中泥盆统至上二叠统泥页岩层系沉积环境，恢复湘中、湘东南拗陷泥页岩层系岩相古地理，指示泥页岩发育的有利区带。研究结果表明，台盆相与滨海沼泽相是湘中、湘东南拗陷最有利于泥页岩沉积的相带。湘中拗陷内重要的泥页岩层系棋梓桥组、佘田桥组主要沉积于台地海盆中，分布于海侵体系域上部与高水位体系域下部，沉积中心位于涟源凹陷和邵阳凹陷中部的凹槽台地相区。湘东南拗陷内重要的泥页岩层龙潭组、大隆组则主要形成于滨海沼泽环境中，分布于海退体系域，沉积中心位于桂阳-耒阳一线。

湘中拗陷；湘东南拗陷；页岩气；泥页岩层系；岩相古地理

页岩气是一种富集在富含有机质的页岩中的非常规天然气。中国页岩层系分布广泛，页岩气的开发利用前景十分诱人。目前，中国页岩气勘探尚处在起步阶段。对页岩气资源潜力估算、富集条件评价及页岩气开发试验还处在探索中。通过对湘中、湘东南泥页岩层系岩相古地理特征的研究，可以总结泥页岩沉积的有利相带以及发育、展布规律，进而指示湘中、湘东南拗陷内泥页岩层系发育的有利层段及有利区带，为勘探页岩油气奠定基础[1-3]。

1 区域地质概况

1.1 构造区划

研究区包括现行政区划上的湖南省大部，可以划分为湘中、湘东南2个拗陷，区内地貌复杂多样，尤以山地最为发育。湖南省位于华南板块中段，在构造区划上，湘中、湘东南属华南加里东褶皱带，两者通过构造过渡带连接，通称江南复背斜或江南古陆，湖南称雪峰古陆。

湘中拗陷位于中扬子湘中地区，地理坐标为东经110°15′～113°，北纬26°～28°20′，包括现行政区划上湖南省中部的娄底、邵阳、永州市，其面积约25 000 km2。从构造区带上看，湘中拗陷位于华南褶皱系的北部，东部以衡山凸起为边界，西南部受雪峰隆起限制，向南则与桂中拗陷接壤[3]。区域内共发育3个凹陷带，分别为涟源凹陷、零陵凹陷、邵阳凹陷；2个隆起带，分别为龙山凸起和关帝庙凸起[3]，并可进一步划分为8个三级构造单元。

湘东南拗陷在行政区划上位于湖南省郴州市永兴县、耒阳市、安仁县、桂阳县以及衡阳市常宁县境内，坐标位置为东经110°～113°20′、北纬25°～26°30′，区块总面积约15 000 km2。根据燕山-喜马拉雅期构造演化格局，主要由衡山隆起、九嶷山隆起、桂汝隆起、安仁隆起以及4个隆起之间的桂耒凹陷5个二级构造单元组成。桂耒凹陷又细分为常桂复式向斜、永耒复式向斜2个三级构造单元[4]。

1.2 地质背景

湘中拗陷：基底为古生界变质岩系，是一个以碳酸盐沉积为主，并夹碎屑岩的准地台型沉积拗陷区[5]。早古生代时期，湘中地区属于扬子地台东南缘的延伸部分，其沉积演化与扬子地台沉积演化背景相一致。寒武纪发育广海型碎屑岩缓陆架沉积，奥陶纪以台地碎屑相沉积为主。早古生代后，湘中拗陷主要经历了2次构造演化过程。一是晚古生代至中三叠世的准台地演化过程；二是印支期后(包括印支期)的陆相板内沉积演化过程[6,7]。海西-印支早期湘中拗陷陆表海沉积表现为典型的准台地相沉积，以台地升降运动作为主要的活动方式，沉积了巨厚的海相地层，这也是湘中拗陷海相泥页岩的主要沉积时期。中三叠世，受太平洋板块的强烈俯冲影响，湘中拗陷随华南陆表海一起上升成陆，形成典型的地台相沉积。之后主要受印支构造运动、燕山构造运动及喜马拉雅构造运动影响。

湘东南拗陷：位于扬子板块与华夏板块之间，经历了加里东期以前南华洋大陆边缘演化阶段、海西—印支期华南板块及板内裂陷演化阶段、燕山-喜马拉雅期板内再活化演化阶段。研究区早古生代的地质历史基本上是以大幅度下降为主的频繁的升降运动及相应的沉积作用占绝对优势，物质来源丰富，沉积速率快，沉积物厚度巨大。志留纪末的加里东运动在区域上表现为强烈的褶皱作用，使全区隆起成山，接受剥蚀。海西—印支期地壳开始下降，来自西南方向的海侵波及研究区，晚古生代至中生代早三叠世一直是较稳定的浅海—滨海地区，海水平静，气候温湿，生物繁盛，地壳运动表现为以大幅度下降为主的频繁的升降运动，海相沉积发育，形成厚度较大、岩相较稳定的台地型碳酸盐岩建造、含煤建造等。燕山-喜马拉雅期板块再次活化，形成陆相沉积[4]。

2 泥页岩层系发育特征

研究区内主要发育3套泥页岩层系，分别为中上泥盆统泥页岩层系、石炭系测水组泥页岩层系及上二叠统泥页岩层系(表1)。3套泥页岩层系的发育与构造背景、沉积环境密切相关。

2.1 湘中拗陷

湘中拗陷是发育于下古生界浅变质岩系基底之上的沉积拗陷区[8]。中上泥盆统的泥页岩层系直接发育于加里东期形成的褶皱基底之上，海西-印支早期典型地台升降运动为石炭系-二叠系泥页岩层广泛发育创造了条件。

中泥盆统棋梓桥组及上泥盆统佘田桥组分别对应于海侵体系域上部以及高水位体系域下部。主要的沉积相区为台地相及台盆相区。其中台地相区泥页岩层系不发育，主要分布一套白云质云灰岩和深灰色中厚层状灰岩。而近岸海盆区泥页岩层系发育，最典型的岩石类型为深灰色泥页岩和粉砂质泥岩。涟源凹陷内泥页岩发育最好，最大累计厚度达到1 km，位于涟源市张家冲剖面附近。西北方向累计厚度较大。棋梓桥组、佘田桥组泥页岩构成了湘中拗陷最重要的泥页岩层系。

表1 湘中、湘东南拗陷地层简表

下石炭统测水组泥页岩分布于涟源凹陷和邵阳凹陷的大部分地区。由于晚石炭世海水的迅速退出，测水组沉积环境变为海陆交互相的成煤环境。其页岩层系发育于海陆交互环境的滨岸潟湖或三角洲沼泽相沉积。典型的岩石类型既包括沉积在海相环境中的深灰色灰岩，也包括体现海陆交互环境的泥质灰岩、泥灰岩、泥页岩等，同时煤岩也很发育。涟源凹陷内泥页岩发育最好，最大累计厚度>100 m，位于黄冈煤矿、七星街剖面一带。

龙潭组煤系地层也是由于海水的迅速退出形成的一套海陆交互相地层，但由于构造剥蚀强烈等原因，龙潭组在湘中拗陷内分布较局限，只存在于一些向斜中。泥页岩层系主要发育于滨海沼泽环境中。典型的岩石类型包括灰黑色炭质泥页岩、硅质泥页岩等，并常见薄煤层。在涟源凹陷内，泥页岩发育最好，累计厚度>250 m，累计厚度最大处位于湘冷1井、湘中1井一带。该凹陷西北方向累计厚度较大。

湘中拗陷泥页岩主要发育于涟源凹陷内，整体呈现出北西厚、南东薄的特征。棋梓桥组、佘田桥组是本区最发育的一套泥页岩系。

2.2 湘东南拗陷

湘东南拗陷元古界及下古生界主要为类复理石建造，总厚度>7.1 km，构成加里东褶皱基底。上古生界及中生界下三叠统主要为浅海相碳酸盐岩建造，总厚度>5.7 km，构成海西—印支构造层，并以跳马涧组为底界面不整合于加里东褶皱基底之上。受构造-沉积格局差异影响，使得泥页岩厚度、分布变化较快。

棋梓桥组与佘田桥组：中晚泥盆世裂陷槽盆地不断发育，棋梓桥组与佘田桥组主要为碳酸盐台地相沉积，泥页岩不发育。桂阳-耒阳一线泥岩累计厚度只有20 m左右。部分地区发育台盆相沉积，泥岩厚度>20 m。

测水组：测水期古港运动影响加剧，再次出现区域性的整体抬升，海水迅速退出。海陆交互相的成煤环境取代陆表海沉积环境成为本区主要沉积环境，形成了一个以还原为主的滨海湾湖泊沼泽环境，促成湘东南在测水期成为一个聚煤中心。测水组岩性以黑色泥页岩、粉砂质泥岩为主，泥页岩厚度自北向南递减。桂耒凹陷内泥岩累计厚度可达到50 m左右。

上二叠统：早二叠世开始，湘东南拗陷区域发生大规模海退，海水迅速退出；至龙潭早期，海水已全部退出。龙潭组、大隆组沉积于海陆交汇环境，形成了一套海陆混生生物化石砂质页岩含煤沉积，岩性以黑色碳质页岩为主，见许多煤系。其中尤以龙潭组最为发育，泥页岩厚度自北往南逐渐变薄之后又逐渐变厚，在耒阳附近厚度达到最大，累计厚度>450 m。

湘东南拗陷泥页岩主要发育在桂阳-耒阳一线，多受海陆交互环境影响，形成多套的煤系地层。龙潭组、大隆组是本区的主要泥页岩系。

3 岩相古地理特征

研究区内的构造及其演化阶段控制了岩相古地理环境及沉积体系[7,9]。海域沉积往往可以从宏观上控制区域内的海进海退，进而影响在不同时期水体的深浅以及沉积相的展布，最终决定不同沉积历史时期岩性特征及发育程度等微观特征[3,10]。加里东运动末期，研究区内形成了“一隆两拗”的沉积格局[11]，即零陵-株洲中央隆起分隔开了湘中拗陷与湘东南拗陷。湘中拗陷可进一步划分为新化—涟源斜坡、邵阳—城步凹陷、新宁—邵东凸起、水东江—东安凹陷。湘东南拗陷大致呈现出北高南低的古地理特征。

海西期-印支期早期，研究区整体相对宁静，构造运动并不强烈，陆表海沉积最为发育[12]。这一时期，海进与海退交替出现，以海水进退为主要依据，可分为4套沉积旋回[13]。每套沉积旋回都包括低水位体系域、海侵体系域、高水位体系域、海退体系域。在沉积旋回的每个过程中，不同沉积相区的沉积环境、沉积作用有所区别。具体而言，当高水位体系域时，由于水浅、阳光充足、受潮汐与波浪的影响较强，高能的台坪、潮坪沉积物以灰质为主，反映在岩石类型上多为泥质含量低的碳酸盐岩；而水体较深、处于低能环境的海盆区，沉积物则多为泥灰质。另一方面，当处于海退体系域时，水体变浅，陆相影响加剧，细粒与粗粒碎屑往往十分发育，反映在岩石类型上则以粉砂岩夹砂质泥岩为主[14,15]。

3.1 第一次旋回(D2t-D3x)

中泥盆世，海水侵入研究区，海平面持续上升。在填积前期拗陷的过程中，发育了一套滨海相碎屑岩。海侵在棋梓桥期达到高潮。从佘田桥晚期开始，海水逐渐从研究区退出，这一海退过程持续到锡矿山期末；同时湘中地区抬升，海岸线向湘东南方向迁移。根据沉积环境、岩石类型的变化，可将本次旋回分为3个阶段。

第一阶段(D2t)：跳马涧期是沉积旋回的开始阶段。跳马涧期初，海水开始自南向北侵入研究区。同时，由于拉张断陷差异沉降运动的加剧，前期凹陷连为一体，仅有白马山岛、衡山岛孤立其中，沉积范围大规模扩大。湘中地区受拉张断陷影响强烈，主要发育台坪相、潟湖相与潮坪相，陆表海沉积初步形成。湘东南地区则受罗霄古陆影响，东部大规模发育三角洲沉积，呈现出海陆交互的特征。总的来说，跳马涧组沉积是之后的大规模海侵的基础[11]。

第二阶段(D2q1-D3x1)：棋梓桥期，海相沉积作用不断加强，仅在湘中拗陷北部小范围发育三角洲沉积。晚期，研究区持续受拉张作用影响，出现了北东向的拉长裂陷盆地，尤以湘中地区最为发育，沿城步-新化、龙山-娄底、塔山-花桥-湄水桥出现了处于深水低能环境的台盆相沉积，这些台盆大都受同期断陷控制。台盆相外侧水体能量增强，主要发育台坪相与潮坪相沉积。在湘东南地区，台盆发育弱于湘中地区，只在新田、常宁(南)一带出现。因此，在棋梓桥期，湘东南地区仍以潮坪台坪相沉积为主，主要沉积一套浅水碳酸盐岩(图1)。

佘田桥期的沉积格局完全继承了棋梓桥期的特征。拉长断陷持续发育，拗陷区裂陷台盆向北、向西扩展。伴随着裂陷的发育与台地的抬升，两者之间的坡度越来越大，形成浊流沉积。浊流携带大量泥砂注入深水盆地，在本区首次出现了浊流台盆相。泥页岩沉积往往以台盆为沉积中心，沿台盆大范围分布(图2)。在湘中拗陷，佘田桥期台盆内物源供给充分，开始进入饱和沉积阶段，台盆相沉积厚度较棋梓桥期明显增大，最大厚度可达1 km。同时，台地海盆相沉积在平面分布上存在与先期沉积的继承关系，发育位置与棋梓桥期3个台凹位置基本重叠，但分布范围有所增大。另一方面，由于佘田桥期台地海盆相沉积的扩展，碳酸盐台坪相及潮坪相沉积减弱，分布面积及沉积厚度都受到影响，沉积厚度仅400 m左右[11]。在湘东南拗陷，台地海盆相依然不占主导地位，分布于区域西缘。区域大部分仍被潮坪相沉积覆盖，典型的岩石类型为灰岩与泥灰岩。

第三阶段(D3x2)：研究区西部雪峰古陆抬升加剧，大量陆源碎屑物质开始进入研究区内，台盆逐渐被填平，台盆相消失，海岸线向东迁移。在湘中地区，沉积了一套碎屑岩为主的地层。同时，湘中拗陷北部再次发育三角洲沉积与潟湖沉积。在湘东南地区，发育一套碎屑岩-碳酸盐岩沉积。其中，南部为细碎屑岩、泥质岩、泥质灰岩及泥灰岩；北部则为中粗粒碎屑岩和泥质岩、泥质灰岩沉积。

图1 湘中、湘东南拗陷棋梓桥组岩相古地理图

图2 湘中、湘东南拗陷佘田桥组岩相古地理图

D3x1沉积时期，位于研究区西北部的雪峰古陆再次抬升剥蚀，大量陆源物质注入海盆，这使得本区海岸线开始向东迁移；同时，碎屑岩的分布范围明显扩大，以发育一套灰岩及泥灰岩为特征。

3.2 第二次旋回(C1-C2)

从石炭纪早期开始，本区进入第二次沉积旋回。本次旋回以早石炭世海水由西南部侵入研究区为起始标志。岩关期，海平面上升下降频繁交替更迭，受此影响，形成了一套砂泥岩与灰岩互层沉积。至测水期，由于古港运动，地层开始抬升，海水迅速退出，测水期成为泥页岩沉积的主要时期之一。古港运动虽使研究区整体抬升，但东北区域的抬升强于西南区域。这一特点使湘中拗陷与湘东南拗陷泥页岩沉积环境出现分异。

在湘东南拗陷，东部发育潮上带沉积，之后向南过渡，至桂阳一带以潮下带发育为主。在测水组下段，以桂阳为中心，出现了一套海陆交互相含煤沉积。在湘中拗陷，东部大范围发育河沼、湖沼成煤环境，西部大范围发育海湾沼泽成煤环境，反映了水体自东北向西南退出的特征。至梓门桥期，海水再次北进，水下台地消失，主要发育酸盐潮坪与低能台坪相沉积(图3)。

3.3 第三次旋回(P1-P2l)

从早二叠世初开始，海水开始逐渐退出本区。至龙潭期，由于东吴运动的影响，地层隆升加剧，海水自北向南迅速退出[16]。在湘中地区，白马山-龙山一线以北全部隆起为陆地，仅在南侧发育大陆相区的河湖相沉积。同时，由于湘中地区发生缓慢的沉降运动，导致沿白马山-龙山一线以北的剥蚀区开始发育湖沼相及沼泽相沉积。至龙潭组海相沉积时，海水开始由南向北侵入本区，在整个湘中地区出现了一套具有海相特征的泥页岩沉积。在湘东南地区，由于罗霄古陆、九嶷古陆抬升影响，形成了滨海盆相沉积环境，煤系地层发育。此为湘东南地区最重要的龙潭组煤系泥页岩，聚煤中心位于永耒向斜及南部的嘉禾向斜(图4)。

图3 湘中、湘东南拗陷测水组岩相古地理

图4 湘中、湘东南拗陷龙潭组岩相古地理图

3.4 第四次旋回(P2dn-T3)

大隆期，受到地壳持续沉降的影响，龙潭晚期的浅海相泥页岩沉积发生剧变，在研究区内出现了一套碳酸盐潮坪-硅质岩台盆的沉积[11]。由于差异沉降，西北部沉降幅度小，南部沉降幅度大，所以西北部发育碳酸盐潮坪相，东北部则发育碳酸盐台坪相，再由北向南依次发育台盆相的盆坡亚相和盆洼亚相。以产头足类化石为特征。

至嘉陵江期，印支运动萌动，地壳迅速回返上升，并发育一套肉红色含云质灰岩或白云岩相潮坪沉积。从中三叠世开始，由于受印支运动波及，全区开始持续上升，海水退出，海相沉积发育史彻底结束。

综上所述，湘中拗陷的主力泥页岩层系为棋梓桥组、佘田桥组，主要发育于海侵体系域上部及高水位体系域下部；聚集区域受拉长断陷控制，发育于台盆内，分布于现今城步-新化、龙山-娄底、塔山-花桥-湄水桥一带。湘中拗陷测水组、龙潭组煤系地层也是重要的页岩气勘探层位。湘东南拗陷泥页岩主要发育在桂阳-耒阳一线，多受海陆交互环境影响，形成多套煤系地层。龙潭组、大隆组是本区的主要泥页岩系。

4 结 论

a.湘中拗陷与湘东南拗陷海相泥页岩层系主要形成于海西-印支运动早期，海相泥页岩层系的形成与这一时期海平面变化密切相关。至印支期后，海相泥页岩沉积结束，泥页岩层系发育受沉积环境、构造演化控制，古地貌与古沉积环境的不同造成了两区内泥页岩层系发育层位与厚度的分异。最有利于泥页岩沉积的相带主要为台盆相及滨海沼泽相。

b.湘中拗陷内的主力泥页岩层系为棋梓桥组、佘田桥组，主要沉积于台地海盆中，发育于海侵体系域上部与高水位体系域下部，沉积中心位于涟源凹陷和邵阳凹陷中部的凹槽台地相区。湘东南拗陷内的主力泥页岩层为龙潭组、大隆组，主要形成于滨海沼泽环境中，发育于海退体系域，沉积中心位于桂阳-耒阳一线。

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Lithofacies-paleogeographicalcharacteristicsofmarineshaleseriesofstratainXiangzhongandXiangdongnandepressions,Hunan,China

QIAN Jin, MA Ruo-long, BU Shao-feng, XU Fang-hao

StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

By using the theory of modern sedimentology and stratigraphy and according to the tectonic evolution of the Xiangzhong and Xiangdongnan depressions, this paper analyzes the depositional environments of the shale or mudstone series of strata from Middle Devonian to Upper Permian, reconstructs the lithofacies and paleogeography of the Xiangzhong and Xiangdongnan depressions, and predicts the favorable regions. The study results show that the platform basin and littoral swamp are the most favorable facies for the deposition of shale and mudstone. Qiziqiao Formation and Shetianqiao Formation, the significant shale and mudstone series of strata in Xiangzhong depression, mainly deposit in the platform basin and are distributed over the upper part of transgressive system tract and the lower part of high stand system tract. The deposition center is located in the Lianyuan sag and the groove platform facies in the centre of the Shaoyang sag. The key Longtan Formation and Dalong Formation shale and mudstone series of strata in Xiangdongnan depression mainly deposit in the littoral swamp and are distributed over the regressive system tract. The deposition center is located in Guiyang-Leiyang.

Xiangzhong depression; Xiangdongnan depression; shale gas; mud shale series of strata; lithofacies and paleogeography

10.3969/j.issn.1671-9727.2013.06.08

1671-9727(2013)06-0688-08

TE121.11

A

2013-06-03

国土资源部油气专项(2009GYXQ15-06)

钱劲(1989-),男,硕士研究生,研究方向：储层评价与油气成藏, E-mail:qqjj891229@sina.com。