湖南早志留世沉积演化及页岩气勘探前景

肖 盼，郭建华，李 杰，王张虎，王玺凯（1.中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083）

湖南早志留世沉积演化及页岩气勘探前景

肖 盼1，2，郭建华1，2，李 杰1，2，王张虎1，2，王玺凯1，2
（1.中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083）

受加里东运动影响，湖南下志留统地层主要分布在湘西北和湘中湘南地区。随着构造运动、盆地演变和海平面下降，湖南早志留世岩相古地理也发生了巨大的变化。综合露头剖面、钻井岩心和岩石薄片的观察，结合数据分析和前人研究成果，在下志留统识别出比较典型的沉积相：湘西北主要发育陆棚、潮坪、三角洲等浅海相，湘中湘南主要为深水浊积岩相。文中恢复了下志留统沉积演化，分析了龙马溪组黑色页岩发育特征及其受控因素，建立了页岩沉积模式。

早志留世；沉积相；沉积演化；龙马溪组；黑色页岩；沉积模式

引言

前人对扬子区志留系沉积环境及岩相古地理做了相对全面系统的研究工作［1－4］，然而这类研究仅限于湖南的湘西北地区（隶属中扬子区），并且对湘西北的沉积环境粗略定为浅海相。早志留世湖南地区构造背景十分复杂，在扬子板块与华夏板块碰撞作用下形成了3个构造带，发育不同类型的沉积盆地。受构造运动、海平面升降等的影响，湖南沉积相类型复杂。下志留统龙马溪组发育一套黑色炭质页岩，平面上分布在湘西北，而湘中湘南不发育。本文将对湖南早志留世沉积相特征及沉积环境进行详细研究，以“鲁丹期”“埃隆期”和“特列奇期”作为志留系的编图单元。在此基础上，探讨黑色炭质页岩发育特征的影响因素。

1 构造背景与地层

华南由扬子板块、华夏板块和滇黔桂地块组成。晚奥陶世—早志留世是中国华南早古生代构造盆地演化最重要的转型期，该时期发生了具有全球性质的加里东运动。中、晚奥陶世至早志留世，华夏板块向西北方向强烈挤压。由于各块体在时空上的漂移速度、方向各异，华夏为逆冲载体［5－6］，加上全球性冰川事件［7］，在原克拉通的基底上形成江南雪峰山前陆隆起带。雪峰山西北侧的扬子陆块分别形成上、中、下扬子克拉通盆地，而雪峰山东南缘至华夏碰撞造山带之间的湘中、湘南区块隶属前陆盆地［6－8］。因此，志留纪湖南由3个构造区块组成，自北往南分别为扬子区、江南区和华夏区（图1）。

图1 湖南志留纪构造分区图（湖南省地质矿产局，1988）Fig.1 Tectonic division in Hunan during the Silurian

湖南地区的奥陶系主要分布在湘西北和湘中南地区。湘西北地区大致以吉首常德一线为界，湘中则分布在安化、洞口一带，两者为雪峰山分隔，生物、环境、岩性、构造等特征存在很大的差异。志留纪时期湖南地区的构造运动复杂，地层遭受强烈的剥蚀，基本缺失中上志留统。多年以来，地质学家对志留系地层进行了大量的研究工作，建立了较为准确的地层对比标准。按照沉积旋回特征，可将下志留统自下而上分为鲁丹阶、埃隆阶和特列奇阶。以笔石和牙形刺带为划分标准，志留系岩石地层单元如“龙马溪组”、“新滩组”和“小河坝组”等的顶底界限在各地区存在一定的差异（表1）［9－10］。

鲁丹期对应冰川消融后的海平面上升下降沉积期。该时期的岩石地层在湖南地区以“龙马溪组＋新滩组下段”为代表，沉积了龙马溪组的深水黑色泥页岩和新滩组下段的浅水黄绿色砂泥质岩，富含笔石；埃隆期为向上变浅的海退旋回，主要地层为“新滩组上段＋小河坝组下段”，岩性由灰绿黄灰色砂质页岩变为灰、黄色细、粉砂岩。含笔石，小河坝组出现少量的腕足类；特列奇期对应的岩石地层有“小河坝组上段＋马脚冲组＋溶溪组＋辣子壳组＋吴家院组下段”，岩性有小河坝组上段细、粉砂岩夹生物碎屑灰岩，以珊瑚为主（对应于川东南志留系石牛栏组的生物礁［11］），马脚冲组黄绿、灰绿色页岩、粉砂质页岩，溶溪组紫红色泥岩、粉砂质泥岩，辣子壳组灰绿色粉砂岩、细砂岩和吴家院组下段灰绿、黄绿色页岩。生物主要有笔石类、腕足类、腹足类、双壳类化石等。

表1 湖南志下留统地层划分对比表Tab le 1 C lassification of the Low er Silurian strata in Hunan

2 沉积环境分析

以野外露头岩性观察描述为基础，结合沉积岩石学、显微镜岩石学、化验报告以及总结前人［12］研究成果，湖南下志留统具有下列沉积相类型：深水陆棚相、浅水陆棚相、潮坪相、三角洲相、前陆盆地深水浊积岩相。

2.1 深水陆棚相

深水陆棚相对应浅海深水环境，主要发育于早志留世龙马溪期，平面上分布于湘西北的龙山、永顺地区。因受到黔中隆起、川中隆起等多个隆起的影响，湘西北具有低能、还原、滞留的环境特征，沉积一套黑色炭质硅质泥页岩［13－14］，总体为泥质结构（图2a、b）。泥质成分主要为高岭土类及碎屑杂基，含量40%～70%不等；炭质浸染状分布不均，部分呈碎屑状，茅坪镇煤炭湾炭质含量达50%，往雪峰山方向炭质含量减少，陆源碎屑增加，少量黄铁矿星点状分布；砂质主要为石英、长石，细粉砂为主，分布不均，见斑状聚集（图2b）。发育多期构造缝，将岩石切割成角砾状，宽窄不一、相互交叉，硅质充填为主，较宽的缝由硅质和方解石充填。以龙山茅坪镇煤炭湾剖面为例（图3a），龙马溪组厚约20m，发育水平层理。页岩层面上富含单笔石（图3b），底部可见细脉状黄铁矿，往上黄铁矿呈浸染状。在龙马溪上部，可见厚约30cm的结核层，结核直径约6cm。在石门江坪地区也发育深水陆棚相黑色薄层状含硅质炭质页岩，夹深灰色薄层状页岩。

图2 湖南地区下志留统常见岩石类型显微照片a、b湘西北龙马溪组黑色炭质页岩，发育构造缝；c龙山县新滩组粉砂岩；d龙山县新滩组细砂岩，含云母，顺层发育；e溆浦周家溪群杂砂岩，含大量的云母；f遂宁周家溪群杂砂岩，分选差Fig.2 Photomicrographs showing the rock types common in the Lower Silurian strata in Hunan

2.2 浅水陆棚相

相对深水陆棚相，浅水陆棚相陆源碎屑含量较高，岩性也有所变化，为一套灰色、灰绿色页岩、砂质页岩夹数薄层细砂岩（图3c），细粉砂炭质结构（图2c）。砂质主要为长石、石英、碳酸盐晶屑，少量云母等，云母顺层分布，呈短条状产出（图2d）；炭质均匀混杂少量泥质，黄铁矿呈星点状分布，局部斑状聚集。相对龙马溪组而言，泥质含量显著减少，约5%。页岩水平层理发育，夹层砂岩厚约3～8cm，可见交错层理（图3d）。黄铁矿含量逐渐减少，在龙山地区还可见零星黄铁矿，向南永顺等地却几乎没有，可见水体变浅。

2.3 潮坪相

潮坪相在下志留统断续发育，在温塘桃源一线，整个下志留统均发育潮坪相，往北淋溪河磺厂一带则在下志留统晚期才发育潮坪相。雪峰山隆起给湘西北的沉积提供了陆源碎屑物质，导致罗惹坪组沉积了大套的灰色砂质页岩、页岩、砂质泥岩，粉砂岩及细砂岩，见水平层理、沙纹层理、生物扰动以及透镜状构造［15］（图3e）等。温塘地区的岩心取自龙马溪组，为灰色页岩、砂质页岩，岩心观察可见一些小型生物扰动、生物钻孔（图3f）。此外，在湘西北龙山县的水田坝乡，志留系小河坝组见厚约20m的生物碎屑灰岩，含有大量的珊瑚化石（图3g）。与陈世悦［16］描述的小河坝组风暴沉积时代相同。

2.4 三角洲相

三角洲相发育在湘西北的龙山、永顺地区［17］。以龙山比洞剖面为例，三角洲相发育于下志留统的上部，相当于溶溪组上段及辣子壳组。下部为粉砂质泥岩夹泥岩，往上为粉砂质粘土质页岩夹页岩、粉砂岩及细砂岩（图3h）；中部以粉砂岩为主；上部则为厚层状的石英细砂岩，顶部为质纯细粒石英砂岩。从下往上砂质成分逐渐增多，颗粒变粗，反映了三角洲的反韵律特征。

图3 湖南地区下志留统岩相特征a黑色炭质页岩，深水陆棚相；b笔石页岩；c炭质页岩夹薄层砂岩，浅水陆棚相；d交错层理，发育在浅水陆棚砂岩夹层中；e透镜状构造，潮坪相；f砂质泥岩，发育生物钻孔，潮坪相；g生物碎屑灰岩，含大量的珊瑚，混积陆棚相；h石英砂岩，三角洲相；i石英杂砂岩，夹薄层黑色页岩，浊积岩相；j石英杂砂岩底部槽模构造Fig.3 Sedimentary facies types of the Lower Silurian strata in Hunan

2.5 前陆盆地深水浊积岩相

华夏板块向扬子板块挤压推覆，随之在江南区形成雪峰山隆起带。湘中湘南原型盆地类型为前陆盆地，比湘西北扬子克拉通盆地沉积水体更深，为深水浊积岩沉积区［18］。华夏古陆和雪峰山隆起为前陆盆地深水沉积区提供了大量的陆源碎屑物质，主要沉积一套石英杂砂岩，石英砂岩、长石石英粉砂岩、细粉砂岩、砂质板岩与板岩，夹少数薄层状黑色页岩（图3i）。湘中溆浦下志留统杂砂岩（图2e）和绥宁砂岩（图2f）显示，湘中地区砂岩以石英颗粒为主，含长石，见多期次石英脉，宽50～100μm。碎屑颗粒分选差，颗粒最大者不超过300μm。含有大量的杂基，成分以碎屑为主，为浊积岩沉积特征。野外实测剖面中，溆浦地区下志留统地层发育齐全，厚429m。以石英砂岩为主，夹砂质板岩，砂岩单层厚度30～80cm，石英杂砂岩底面发育槽模构造，槽模方向约310°，指示水流向自东南而西北（图3j），物源来自华夏古陆。在新化炉观两江河组底部还可见典型浊积岩沉积。

由于华夏和扬子两陆块的碰撞，华夏为逆冲推覆体，故抬升隆起较高，构成了倾向为北西方向的斜坡带。

图4 湖南下志留统地层沉积相对比简图Fig.4 Correlation of the sedimentary facies of the Lower Silurian strata in Hunan

3 沉积演化

依据前述沉积相分析结果，湘西北沉积相类型较多。相比而言，湘中湘南隶属深水前陆盆地，受华夏古陆物源的影响，发育一套厚层浊积岩沉积。在此，仅建立一条湘西北东西向的沉积相对比剖面（图4）。

31 鲁丹早期

鲁丹早期，冈瓦纳冰川消融引起湖南广泛而快速的海平面上升，湖南乃至整个华南处于海侵背景环境。雪峰山隆起的分隔形成了扬子克拉通盆地，加之黔中、川中等隆起的隔挡，湘西北沉积环境受海水限制，沉积一套富含有机质的黑色笔石页岩。湘西北龙山江坪地区龙马溪组发育一套富含笔石的黑色炭质页岩。有机质丰富，富含微粒黄铁矿，发育水平纹层，为深水陆棚相。往南至温塘、桃源地区，由于雪峰山隆起带扩大及碎屑岩的增加，砂质增多，为浅水陆棚沉积相。雪峰山东南侧的安化溆浦洞口一带形成长条状的海槽，主要为一套浊积岩复理石沉积，岩石轻微变质，由杂砂岩与页岩互层组成，具鲍马序列（图5a）。

图5 湖南早志留世岩相古地理Fig.5 Sedimentary facies and palaeogeographic map of Hunan during the Early Silurian

32 埃隆期

埃隆沉积期，中上扬子及周缘地区整体表现为收缩背景。华夏板块不断向西北方向推进，雪峰山一带隆起，在湖南东北地区岳阳平江等地与华夏古陆拼合，物源增多。碰撞造山带进一步隆起抬升，在靠近盆地一侧构成了倾向为西北方向的陆棚边缘斜坡带，为砂板互层韵律特征。浊积岩盆地位于湘中新化洞口一线与隆回城步一线之间，呈东北向展布，盆地中心较早期由东南向西北方向推进。浊积岩盆地内沉积巨厚，为灰绿色细砂岩、杂砂岩、石英砂岩，含少量泥质，分选差，约2000m。在雪峰山隆起的西北侧发育潮坪相，沿保靖温塘桃源茅草铺呈带状分布，主要由灰绿色、灰黄色粉砂质页岩、泥岩、泥质粉砂岩、粉细砂岩组成。往北至桑植石门地区相变为浅水陆棚，砂质含量明显比潮坪相减少，为灰色砂质页岩，夹薄层的细砂岩、粉砂岩。往扬子克拉通方向的龙山江坪一带为深水陆棚相，以砂质炭质页岩为主。由综合柱状图龙马溪组沉积厚度可知，受雪峰山隆起提供大量陆源碎屑物质的影响，田家坪温塘茅草铺一带的沉积厚度比北向的龙山淋溪河更厚，其中保靖田家坪还受黔中隆起物源的影响，沉积最厚，达856m（图5b）。

33 特列奇期

特列奇沉积期，随着海平面的下降以及造山带隆起的扩大，扬子克拉通盆地和浊积岩盆地沉积范围萎缩，沉积水体变浅，物源充足。龙山永顺地区沉积三角洲的石英砂岩、粉砂岩，沙泥互层。三角洲特征显著，野外可见前缘席状砂和平原分流河道透镜状砂体。往东南方向的石门地区，因区域性逐步抬升而转为潮坪相沉积为主的粉砂岩与泥岩。而湘中南地区，由于华夏陆块碰撞挤压产生的隆起面积不断增大，部分湘南地区已隆升为陆地，深水盆地浊积岩沉积区面积缩小，沉积盆地中心也逐渐向西北方向迁移，沉积厚层的杂砂岩，夹板岩，在雪峰山东南侧盆地边缘发育滨浅海岸砂岩（图5c）。

在加里东运动作用下，扬子陆块向华夏陆块俯冲之后，随之是华夏陆块不断向北西向的挤压，华南整体进入缓慢抬升阶段。华南的沉积盆地范围也在不断缩小，沉积范围主要局限在江南雪峰山隆起带的前后缘和南部钦防地区。在盆地沉积演化方面，扬子东南缘前陆盆地湘中湘南下志留统具有两个发展阶段：龙马溪早期的深海砂泥复理石沉积阶段和后期以滨浅海砂岩为主的快速充填阶段。扬子克拉通盆地的湘西北地区的沉积演化经历了龙马溪早期的黑色页岩沉积阶段和后期台坳隆升充填的砂泥岩砂岩沉积阶段［3］。而前陆隆起雪峰山一带分隔并控制了加里东晚期扬子克拉通盆地和前陆盆地的沉积演化。

4 页岩勘探潜力

41 页岩发育特征

下志留统龙马溪组为一套富有机质深灰黑色笔石页岩、炭质页岩、硅质页岩、粉砂质页岩夹泥质粉砂岩组合。有机碳含量1%～4%。高有机碳含量去要集中在龙山、永顺一带。红岩溪镇黑色炭质泥页岩厚1061m，页理极为发育，污手，TOC约为104%；石门江坪地区黑色炭质页岩中发育细微水平层理，含星点状黄铁矿，夹薄层粘土质页岩，富产笔石，厚6～10cm，TOC含量达169%［19］；龙山县茅坪镇煤碳湾龙马溪组与下伏奥陶系宝塔组龟裂纹灰岩呈角度不整合接触，不整合面为断层面，黑色炭质页岩页理非常发育，有黄铁矿脉呈零星状分布。往上炭质含量减少，为灰黑色中层砂质页岩。龙马溪组上部有约30cm厚的结核夹层，平均TOC含量达117%；永顺溪州新城马龙溪组与下伏宝塔组呈整合接触，主要发育黑色页岩，含硅质。局部见脆性的黑色硅质岩和硅质页岩，含有大量的笔石化石。其中富有机质页岩真厚度为2226～2863m［20］，具有自东向西逐渐增厚的趋势，TOC为2%左右。

平面上，龙马溪组在中上扬子的湘西北地区（江南雪峰西缘区）主要发育黑色、灰黑色炭质页岩与泥岩，与下伏地层不整合接触。水平层理发育，常见顺层发育的黄铁矿层，含大量的笔石，平均厚240m［21］，为浅海陆棚中的深水环境。这套页岩颜色总体较深，为灰黑黑色笔石页岩，含少量的砂质页岩，TOC含量一般在012%～386%，多数大于1%，平均达2%，具有形成页岩气藏的优越条件［22］；至湘中地区，本套地层逐渐相变为厚层块状细砂岩、粉砂岩夹薄层砂质页岩夹炭质页岩，与下伏地层为整合接触，沉积环境过渡为滨浅海（图6）。

42 页岩分布控制因素

影响龙马溪组黑色笔石岩系的时空展布格局主要有下列3个因素：

（1）大地构造演化。李志明［23］提出志留纪笔石页岩的沉积与华南构造古地理演化联系紧密的观点。Huff等［24］阐述了龙马溪黑色页岩中的钾质斑脱岩源于该阶段的碰撞背景，也就是说，这套黑色笔石页岩层系代表了华夏与扬子地块之间碰撞汇聚过程的沉积响应［25］。当华夏板块向扬子板块俯冲拼合，扬子盆地快速沉降，形成深水前陆盆地沉积中心。随着华夏板块的挤压推进，在江南区形成了雪峰山隆起带，其西北缘为扬子克拉通盆地，东南侧则为前陆盆地，由此，五峰组龙马溪组的黑色岩系也由东南向西北逐渐迁移。

（2）海平面升降。富含有机质黑色页岩出现的另一个重要的因素就是沉积水体的还原性。苏文博［26］运用层序地层学研究了奥陶－志留纪之交的五峰组龙马溪组黑色岩系对应了该阶段两次大规模的全球海平面升降旋回。早志留世初期冈瓦纳冰川消融，海平面快速上升形成的缺氧水体对应着黑色岩系的沉积过程。

（3）碎屑物质的供给。黑色页岩的形成除去与沉积水体的还原性相关外，还需具备非补偿性质。龙马溪组黑色页岩只分布在湘西北而在湘中湘南几乎不发育，最直接的因素就是碎屑物质的供给。湘西北克拉通盆地受到黔中隆起、川中隆起以及雪峰山隆起的影响，具有明显的封闭性，碎屑物质非常少，属于欠补偿水体。而湘中湘南之所以沉积一大套浊积岩，是因为华夏与扬子的碰撞造山带为其提供了大量的陆源碎屑物质。

图6 湖南龙马溪期沉积模式图Fig.6 Sedimentarymodel for the Longmaxi Formation in Hunan

5 结论

（1）通过野外调研、样品采集、室内分析研究以及总结前人研究成果，将湖南地区早志留世沉积相分为深水陆棚相、浅水陆棚相、潮坪相、三角洲相、浊积岩盆地相。

（2）早志留世华夏、扬子两板块的挤压碰撞形成江南区雪峰山隆起带，分隔湘西北的扬子克拉通盆地和湘中湘南的前陆盆地。随着两板块的挤压，两大沉积盆地的沉积特征存在较大差距。湘西北克拉通盆地以浅海相为主，沉积页岩、砂质页岩、泥质砂岩；湘中湘南则发育浊积岩盆地，以石英砂岩、杂砂岩夹薄层页岩。

（3）受构造运动、海平面升降、物源供给等影响，湖南志留系底部黑色页岩仅发育在湘西北的浅海环境。TOC含量012%～386%，高值区集中在龙山永顺一带。在空间分布上，往南东有机碳含量及烃源岩厚度明显减少，底部有机碳含量高，向上逐渐降低，有机碳含量大于1%的烃源岩厚约24m。

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Sedimentary evolution and shale gas exp loration potential of the Lower Silurian strata in Hunan

XiaoPan1，2，GUO Jianhua1，2，LIJie1，2，WANG Zhanghu1，2，WANG Xikai1，2
（1.Key Laboratory of Metallogenetic Prognosisof NonferrousMetallic Deposits，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China；2.School of Geosciences and InfoPhysics，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China）

The Lower Silurian strata are developed in the northwestern and centralsouthern parts in Hunan.The representative sedimentary facies may be classified into the shelf，tidalflat and delta facies in the northwestern part，and the deepwater turbidite facies in the centralsouthern parts in Hunan.Controlled by the tectonic movements，sealevel changes and sediment supply，the black shales in the basal part of the Silurian strata are restricted only in the shallowsea environments in the northwestern part of Hunan，where the shales，sandy shales and argillaceous sandstones are observed.The organic carbon contents generally vary between 0.12%and 3.86%，and maximum organic carbon contents occur in the LongshanYongshun zone.The organic carbon contents and the thickness of the source rocks sharply decrease toward the southeastern part of Hunan.

Early Silurian；sedimentary facies；sedimentary evolution；Longmaxi Formation；black shale；sedimentarymodel

TE1113

A

10093850（2017）01007909

20160915；改回日期：20161118

肖盼（1991－），女，硕士研究生，研究方向为油气地质、沉积储层、油气勘探。Email：xiaopan409＠163.com

中国地质科学院地质力学研究所研究项目《南方地区构造演化与页岩气分布调查》（12120115007301）