鄂西宜昌地区埃迪卡拉系陡山沱组页岩沉积环境及其页岩气地质意义

陈孝红，张国涛，胡　亚

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉430205）

鄂西宜昌地区埃迪卡拉系陡山沱组页岩沉积环境及其页岩气地质意义

陈孝红，张国涛，胡亚

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉430205）

基于鄂西宜昌黄陵隆起周缘不同古地理部位埃迪卡拉系陡山沱组剖面的野外调查，岩石矿物和碳同位素样品的成分分析，页岩地球化学分析和物性实验结果，系统研究宜昌地区埃迪卡拉系陡山沱组二段页岩地层格架与分布、形成环境、地球化学和页岩气储集层特征。结果表明峡东宜昌地区在埃迪卡拉系陡山沱组二段下部页岩沉积于氧化环境，而中上部黑色页岩沉积形成于还原环境，碳酸盐是甲烷泄漏的结果。陡山沱组二段暗色泥页岩地层厚度超过50 m，有机碳含量（TOC）普遍大于1%，局部地区超过2%，有机质类型以I型和Ⅱ1型为主，成熟度（Ro）变化于1.58%～2.38%之间，平均1.98%；矿物成分主要为碎屑矿物。与美国和中国页岩气主产区的页岩指标相比较，宜昌地区陡山沱组二段泥页岩具有形成页岩气良好地质条件。

页岩气；沉积环境；埃迪卡拉系；陡山沱组；宜昌地区

Chen X H，Zhang G T，Hu Y.

Geology and Mineral Resources of South China，2016，32（2）：106-116.

埃迪卡拉系（震旦系）是地球演化历史上生物演化和环境（古气候、古地理、古海洋地球化学、构造演化）的重大变革时期。由于海水分层或海洋硫化事件的存在［1］，使这一时期从浅水台地至陆棚盆地均不同程度地发育黑色岩系。随着南方页岩气勘探开发的不断深入，埃迪卡拉系陡山沱组页岩的地质特征日益受到页岩气资源调查评价学者的重视，并在页岩总有机碳含量和成熟度分布、矿物成分以及孔隙结构和类型等方面取得了不少成果［2-7］。

宜昌地区埃迪卡拉系呈环带状围绕黄陵隆起周缘分布，与上覆寒武系、下伏南华系连续出露，是我国南方埃迪卡拉系多重划分对比的典型地区。随着南方页岩气勘探工作的不断深入，特别是湖北宜昌秭地1#有关埃迪卡拉系陡山沱组页岩气显示的发现，更引起了人们对区内埃迪卡拉系陡山沱组内部黑色页岩段地层含气性特征调查评价的极大兴趣。中国地质调查局武汉地质调查中心自2013年以来在区内部署开展了大量以埃迪卡拉系陡山沱组页岩为勘探目的层系的页岩气基础地质调查工作，获得了对宜昌地区这一暗色页岩形成环境、有机地球化学特征和生烃能力、储集特征和含气性等方面的第一手资料。本文是上述调查研究的成果之一，目的是以宜昌黄陵隆起为中心，以不同构造古地理部位的宜昌樟村坪、晓峰、黄牛岩、泗溪以及秭归青林口剖面为代表（图1），从陡山沱组地层格架、页岩分布和形成环境研究入手，开展页岩地球化学特征和储集层特征的综合研究，以获得鄂西宜昌地区埃迪卡拉系陡山沱组页岩的有利含气层段及其区域分布特点，为进一步聚焦鄂西埃迪卡拉系陡山沱组页岩气资源潜力评价方向和工作重点提供依据。

文中有关页岩的全岩氧化物、微量和稀土元素含量分析由国土资源部中南岩矿检测中心完成，页岩地球化学特征（包括总有机碳含量、有机质成熟度）和储层特征（包括全岩和粘土矿物成分分析和页岩微孔扫描观察）参数等均由中石油杭州石油地质研究所完成。

图1　宜昌地区地质简图与剖面位置（据文献［10］修改）Fig.1 Generalized geological map ofthe Yichangarea（modified from［10］）

1　页岩地层划分对比与时空分布

由于埃迪卡拉纪尚处于后生多细胞动物分异发展的早期阶段，不仅生物门类有限，而且由于生物内骨骼缺乏，化石保存条件苛刻，因此地层中的古生物化石记录有限，难以像显生宙那样依据典型剖面上详细的生物序列所确定的年代地层系统开展页岩地层的区域划分和对比，因此，地层中反映海平面变化和环境演变的重要地质事件，如层序间断（转换）面、碳同位素组成的异常位置就日益显示出在埃迪卡拉系多重地层划分对比中的作用［8-10］。为此，陈孝红等［10］以生物地层研究为基础，以层序地层界面和碳同位素组成的强烈负异常为标志对埃迪卡拉系陡山沱组内部进行年代地层单位划分，同时建议以宜昌泗溪陡山沱组二段顶部碳同位素的强烈负偏离的出现为标志，将陡山沱组划分为上、下两个部分，对应厘定后埃迪卡拉系的下统和中统。并依据层序界面和碳同位素组成变化的关系，将埃迪卡拉系下统和中统进一步两分为两个阶，自下而上称为第一、二、三和第四阶。其中下统下部（或第一阶）对应于盖帽白云岩，下统上部（或第二阶）以产微化石Tianzhushania为特色。中统下部（或第三阶）对应于陡山沱组二段顶部碳同位素负偏离地层或Varanger冰期，为化石贫乏层段。中统上部（或第四阶）对应于陡山沱组第三段，以产微化石Tanariumconoideum-T.anozos组合为特点。陡山沱组第四段和上部灯影组蛤蟆井段以及灯影组石板滩段分别构成埃迪卡拉系上统的两个阶，其中第四段产庙河生物群，灯影组石板滩段下部产复杂埃迪卡拉型动物化石，上部发育管状动物化石（图2）。

根据上述厘定的埃迪卡拉系陡山沱组地层划分对比方案，宜昌地区埃迪卡拉系陡山沱组页岩主要分布下统上部（第二阶）和上统下部（第五阶）二个层位上。在岩石地层上，两者分别对应于陡山沱组第二段和陡山沱组第四段。在区域上，下部页岩层系分布相对较广，厚50～115 m，但以黄陵西翼和南翼的秭归庙河至宜九龙湾一带炭质页岩最为发育。东部和北部地区下部页岩层系相对较薄，且主要见于陡山沱组二段上部。上部页岩层系呈槽状，分布在宜昌黄牛岩、白果园至武山磷矿一带，以湖北兴山杨道河一带最厚，达31.33 m。其西北部巴东石龙坡厚4 m，东南部宜昌泗溪一带厚度不超过2 m。由于上部页岩层系厚度不大，地理分布有限，尚不具备形成页岩气藏的条件，因此本文暂不涉及。

2　页岩沉积环境分析

与其它时代的页岩一样，陡山沱组页岩同样具有色深、富含有机质和黄铁矿，水平层理发育等页岩的一般特点，但不同的是，陡山沱组页岩广泛分布在扬子浅水碳酸盐台地内部，具有特殊的形成条件。为此，本文结合页岩层序划分，从陡山沱组碳、氧同位素组成变化特点以及陡山沱组二段页岩的稀土和微量元素含量变化来分析页岩的沉积环境特点。

2.1碳同位素组成变化及其环境意义

华南不同古地理部位埃迪卡拉纪陡山沱组稳定碳同位素组成结果分析显示，从陆架到盆地不同剖面之间的碳同位素组成存在明显差异。其中台内盆地和斜坡相区，整个陡山沱组碳酸盐的δ13C值都具有明显偏负特征，而在台地相区，陡山沱组的δ13C值在总体偏正背景下出现多次明显的负异常［8，11］。宜昌地区埃迪卡拉纪陡山沱组碳同位素组成特点总体上具有台地相区特点，在总体明显偏正的背景下出现有陡山沱组底部盖帽白云岩段，陡山沱组二段下部、上部和顶部以及陡山沱组三段上部5次碳同位素负异常（图2），这在一定程度上反映宜昌地区陡山沱组页岩沉积时期盆地有机碳储库的存在和氧化界面的纵向变化特点［11］，这一点也从碳同位素组成变化旋回与层序地层划分结果接近上得到证实。由于SN1的出现还与天然气水合物渗漏有关［12］，而SN4与SN1具有相似的成因［10］，因此，也不排除SN4分布地层间隔内曾发生过甲烷泄漏事件的可能。层序划分和沉积相分析显示SN3和SN5分别发生在快速海平面下降的LDSS顶部，和台地边缘崩塌作用强烈，宜昌地区陡山沱组沉积构造古地理格局发生重大转折的UDSS时期（图2），而快速的海平面下降、台地边缘斜坡的滑塌作用等均可以导致海底天然气水合物释放，进而出现具有δ13C强烈负偏特点碳酸盐的沉积［13-14］，因此，宜昌地区陡山沱组SN3和SN5的出现同样不排除盆地内部天然气水合物渗漏或甲烷释放的可能。对比陡山沱组碳同位素组成变化和页岩的分布不难看出，宜昌地区埃迪卡拉系陡山沱组页岩主要分布在区域内间歇性或大规模海底天然气水合物释放之前的陡山沱组二段中、下部。换言之，陡山沱组二段中、下部沉积时期区域内存在一个巨大有机碳储库，蕴藏有丰富的天然气水合物。

图2　宜昌地区埃迪卡拉系陡山沱组划分对比（据文献［10］修改）Fig.2 The Subdivision and correlation of the Ediacara DushantuoFormation in Yichang area（modified from ref.［10］）

2.2页岩全岩氧化物、微量和稀土元素含量特征及其环境意义

为检验碳酸盐碳同位素指示的环境意义，本文选择秭归青林口剖面开展了同期地层中页岩全岩氧化物和稀土元素含量的分析测试（表1，表2），以进一步确定陡山沱组二段页岩气形成时期的古气候和古环境变化特征。

根据秭归青林口陡山沱组二段页岩全岩氧化物含量，按照Nesbitt and Young［15-16］和Yang et al.［17］给出的地层风化指数（CIA）计算公式，获得陡山沱组二段页岩CIA指数变化特点（图3）。结果显示，峡东地区LDSS和MDSS界线附近以及SN4发育时期的古气候特点与更新世冰碛岩形成时期的气候特点相似，CIA在50～55之间，证明当时为寒冷干燥气候条件。LDSS的海平面下降以及SN4的出现与气候变冷和冰川活动有关，而SN2，SN3的出现则与气候变暖，海平面上升相连。

上述陡山沱组二段气候变化所引起的海平面变化与利用同期页岩中U，Th含量的比值所确定的海平面变化结果一致，与同期页岩中稀土元素组成含量变化铈异常δCe（δCe=lg［3CeN/（2LaN+NdN）］，下标N指后太古代澳大利亚平均页岩（PAAS）标准化后的值，所反映的海洋氧化—还原环境结果相印证（图3）。按照U/Th值＞1.25，指示缺氧环境，U/Th值＜0.75指示氧化环境［18］，δCe＜0.1指示缺氧环境［19-20］以及SN2，SN3和SN4所在地层附近U/Th和δCe值可以发现，SN2，SN3出现在LDSS 和MDSS最大海平面时期的缺氧环境中，而SN4则发育在海平面下降之后相对稳定的缺氧环境中，沉积环境相对较为局限。进一步的研究结果发现，秭归青林口陡山沱组二段页岩北美页岩组合样标准化稀土配分曲线图上看 （图4），主要表现为轻微的Ce亏损和Eu富集、无明显REE异常的相对平坦的配分模式。这种页岩稀土元素的配分模式与典型的淡水（如河流水）REE配分模式接近［21-24］，暗示陡山沱组二段页岩的形成与冰川消融所引起的淡水注入有关。

3　页岩地球化学特征

3.1生物和有机质类型

陡山沱组沉积时期是多细胞生物出现和分异发展的重要时期，目前在宜昌地区陡山沱组发现的生物总体以大型具刺疑源类极度繁盛为特征，此外，伴生有丰富球状、丝状蓝菌类以及少量的多细胞藻类。单长安等［7］获得黄陵东翼X1井2个样品的干酪根类型全为Ι型，宜昌三斗坪镇花鸡坡剖面4个泥页岩样品全为Ⅱ1型，与地层中保存的生物类型反应的有机质类型结果一致。

3.2有机碳含量与有机质成熟度

秭归青林口剖面陡山沱组二段黑色页岩TOC值在0.48%～4.42%之间，平均值为2.65%，主要集中在2%～4%之间，其中TOC值大于1.0%的样品占总数的88%（表3）。宜昌黄牛岩剖面陡山沱组二段黑色页岩TOC值在0.49%～2.73%之间，平均值为1.40，主要集中在0.5%～2.0%之间，其中TOC值大于1.0%的样品占总数的63.6%。有机碳含量测试结果显示黄陵西部页岩较南部具有相对较高的有机碳含量。

宜昌黄牛岩陡山沱组二段5个样品的沥青反射率Rb在1.84%～3.05%之间（表3）。按照沥青反射率Rb与有机质反射率Ro之间换算公式Ro=0.668Rb+0.346换算，上述测试结果对应于有机质反射率Ro变化于1.58%～2.38%之间，平均为1.98%，与单长安等［7］在宜昌花鸡坡获得的陡山沱组二段有机质成熟度Ro在1.44%～2.62%之间的结果可以对比。在北美地区商业性开发的页岩层系Ro（1.1%～3.0%）分布范围内（表5），证明区内陡山沱组页岩有机质成熟度适合页岩气形成。

4　页岩储集层特征

4.1矿物组成

宜昌地区陡山沱组页岩的矿物组成以长英质矿物和碳酸盐矿物为主，脆性矿物发育，但成分的非均质性明显（表4）。所测试的两个剖面中，位于黄陵南翼的黄牛岩剖面上，陡山沱组第二段页岩样品中的矿物组成以长英质矿物和碳酸盐矿物为主，含少量粘土矿物和黄铁矿。其中石英含量在17.97%～43.92%，碳酸岩含量较高，多大于30%，分布在32.85%～66.92%，粘土矿物含量分布在7.35%～36.68%。青林口陡二段样品泥页岩中的矿物组成虽同样以长英质和碳酸盐矿物为主，但长英质矿物的含量相对较高，多在40%～60%，碳酸盐的含量变化比较大，少则不足20%，多则超过60%。粘土矿物含量较少，部分样品中甚至未检测出粘土矿物。另外，也未检测出黄铁矿。

表1　秭归青林口埃迪卡拉系陡山沱组页岩全岩氧化物含量分析结果Table1 Major element contents of the Ediacara Dushantuo Formation in Qinglinkou Section，Zigui，Hubei Province

4.2微观孔隙与比表面积

经中石油杭州石油地质研究所利用扫描电镜对黄牛岩和秭归青林口剖面泥页岩样品进行了系统观察分析，发现黄牛岩陡山沱组二段页岩具有较低的基质孔隙度，岩石颗粒较细，孔隙类型以溶蚀孔和微裂缝为主，发育少量晶间孔。储集空间以微小孔为主，相互联通性较差。青林口陡山沱组二段页岩颗粒较为致密，储集空间不发育，孔隙类型以微孔、晶间孔为主，局部晶间孔隙被黄铁矿颗粒充填。

本次研究对秭归青林口陡山沱组下部和中部的三个样品进行了比表面测定，结果发现，含有粘土矿物，但有机质含量较低的QLK-1样的比表面积值中等（表4）。没有检测出粘土矿，但有机质含量相对较高的QLK-3和QLK-6样品中，总有机碳最高的QLK-3样的比表面积最高，这在一定程度上暗示，宜昌地区陡山沱组二段页岩的吸附性受粘土矿物和有机质的双重影响。

图4　秭归青林口陡山沱组二段页岩标准化稀土配分曲线图Fig.4 Variation ofREE distribution patterns in the DoushantuoFormation member 2 shale ofQinglinkou sectionin Zigui，Hubei Province

表3　宜昌地区陡山沱组页岩TOC，Rb测试结果Table 3 TOC，Rb contents of the Ediacara Dushantuo Formation in Yichang area，Hubei Province

5　资源潜力分析与结论

综上所述，宜昌地区埃迪卡拉系陡山沱组页岩沉积形成于气候剧烈变动时期的台地内部。由于气候剧烈变动导致盆地内部发生了天然气水合物释放，进而促进了盆地缺氧和富有机质页岩的形成，因此区内埃迪卡拉系陡山沱组黑色页岩具有厚度大（局部连续厚度超过70 m，单层超过30 m）、有机质丰度相对较高（TOC含量平均值普遍大于1%，局部地区超过3%）、脆性矿物含量高而粘土矿物含量低等特征。据此，并结合该区陡山沱组页岩热演化程度合适（Ro，1.58%～2.38%，平均1.98%），且具有低孔隙度、特低渗透率等特征。本文认为宜昌地区陡山沱组页岩的地质特征完全可以与美国商业开采区页岩气藏以及我国四川盆地页岩气勘探示范区块（涪陵区块、长宁区块、威远区块、富顺永川区块以及昭通区块）页岩气储层特征相媲美（表5）。据此，并结合陡山沱组二段页岩的上覆地层和下伏地层为大套的泥岩、粉砂质泥岩和白云岩，保存条件较好，可以确定宜昌地区的陡山沱组二段页岩应该是宜昌地区重要的页岩气勘探目的层系。本文研究所涉及到的秭归青林口和黄牛岩剖面及其东南白垩纪地层覆盖区在构造上位于中扬子中部川东北—大冶对冲干涉带宜昌稳定带内，构造稳定，岩层产状平缓，震旦系页岩埋深适中，是宜昌地区埃迪卡拉系陡山沱组页岩气勘探的目标区。

表4　宜昌地区陡山沱组二段泥页岩矿物组成和比表面积Table 4 Mineral composition and specific surface area of the Dushantuo Formation Member 2 in Yichang area，Hubei Province

表5　宜昌地区埃迪卡拉系陡山沱组与国内外已有页岩气藏储层比较Table 5 comparison of the Ediacara Dushantuo Formation with the shale gas reservoir in China and abroad

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CHEN Xiao-Hong，ZHANG Guo-Tao，HU Ya

（Wuhan center of China Geological Survey，Wuhan 430205，Hubei，China）

Deposit Environment of the Ediacaran Doushantuo Formation in Yichang Area，Western Hubei Province，China and Its Geological Significance for Shale Gas.

Based on the systematic investigation in the field geological sections，together with the result of organic geochemistry experiment，physical analysis and the component analysis of the rock mineral and carbonate isotopic samples，the characteristics of sedimentary environments，the scale of development，geochemistry and reservoir of the Ediacaran Doushantuo Formation shale in the different position of the Huangling anticline in Yichang were systematically studied.The results show that the black shale in the lower and upper of the Doushantuo Formation Member 2 were deposited separately in an oxic and a reduced environment，and the carbonate interval bed in the middle of the Doushantuo Formation Member2 were the result of destabilization of me thane hydrates during deglaciation and concomitant flooding of interior basins.The thickness of Doushantuo Foramtion black mud shale is more than 50 m，the total organic content is generally over1.0%，the main organic typeisI-Ⅱ1，the average value of organic material maturity（Ro）is 2.45%，and the black mud shale is mainly composed of detrital minerals.Compared with the indicators of the main shale gas production areas in the USAand China，Ediacaran Doushantuo Formation member 2 mud black shale in Yichang area has the good geological conditions for producing shale gas.

shale gas；deposit environment；Ediacaran；Doushantuo formation；Yichang area，Western Hubei Province

中图分类法：P534.31；P618.130.2A

1007-3701（2016）02-106-11

10.3969/j.issn.1007-3701.2016.02.002

2016-3-21；

2016-6-12.

中国地质调查局“中南地区页岩气形成地质背景和富集条件综合评价”项目（12120114053801）和“中扬子地区页岩气新层系调查评价”项目（12120115005601）联合资助.

陈孝红（1964—），男，研究员，主要从事地层和古生物研究；E-mail：yccxiaohong@163.com.