四川盆地涪陵焦石坝地区黑色页岩非均质性特征及控制因素

刘 猛，刘 超，舒志恒，陆永潮，古 茜，谭淙文，徐 向

(1．中国石化 江汉油田分公司，湖北 潜江 433124； 2．中国地质大学 资源学院，武汉 430074；3．中国石化 重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆 408014)

1 研究区概况

1.1 区域构造特征

焦石坝地区位于四川盆地川东南构造区的川东褶皱带、万县复向斜的南部与方斗山背斜带西侧的交会区域。焦石坝构造位于包鸾—焦石坝背斜带，焦页A井井区即位于该构造。焦石坝构造为主体平缓、边缘被大耳山西、石门、吊水岩、天台场等断层夹持所复杂化的断背斜构造。

1.2 焦石坝地区黑色页岩

由于扬子板块和华夏陆块会聚，以及扬子与华北板块的不断俯冲碰撞，四川盆地晚奥陶世五峰期发生海侵，在上扬子地区，尤其是沿川西南及川东南等地区，形成了五峰—龙马溪早期相对滞留、缺氧、水体较深的深水陆棚沉积环境，从而发育了一套巨厚的黑色页岩，其内不但富含黄铁矿，而且还见丰富的笔石与大量的硅质放射虫，及少量硅质海绵骨针等生物共生。该套岩性横向稳定，是四川盆地主要的烃源岩系[1-3]。焦页A井实钻证实，该区内五峰组—龙马溪组一段厚度达89 m，岩性主要为硅质页岩，富含黄铁矿和笔石，且富含有机质，为一套重要的烃源岩，是该区页岩气勘探的主要目标，自下而上可将其划分为2个三级层序，9个小层[4](图1)。

2 宏观非均质性

国内外对黑色细粒沉积物的宏观非均质性研究比较少见，本次研究在建立高精度等时格架的基础上，从黑色页岩的页理、砂质条带发育特征、黄铁矿发育情况以及笔石发育特征等方面入手，分析不同沉积时期黑色页岩的差异，阐明焦石坝黑色页岩宏观非均质性的基本特征。其中，页理总体呈现自下而上先减少后增加的趋势；砂质条带与页理呈负相关性，表现为先增加后减少；黄铁矿总体呈现出自下而上逐渐减少的特征；笔石种类则显示出海侵体系域以双笔石科为主，早期高位和晚期高位体系域逐渐过渡至以单笔石科为主，笔石丰度则表现出从下至上逐渐减少的趋势[2-5]。

2.1 页理非均质性

根据对页理发育程度的统计，总体趋势为自下而上先减少后增加(图2)。在海侵体系域中页理大量发育，在早期高位体系域中页理比较发育，在晚期高位体系域中页理大量发育，但是仍低于海侵体系域中页理的发育程度。在层序Sq1中，页理发育程度自下而上由比较发育减少到一般发育，大致在深度2 412.5 m处，其下部页理比较发育，其上部分页理一般发育。在层序Sq2的海侵体系域内部的准层序组P2ss1和P2ss2中，页理整体发育程度较高，且自下而上由比较发育增加到大量发育。在早期高位体系域内部的准层序组P2ss3中，页理发育程度自下而上由比较发育增加到大量发育，但是其页理整体发育程度仍低于准层序组P2ss1和P2ss2中的页理发育程度。在早期高位体系域内的准层序组P2ss4中，页理发育程度整体为比较发育。在早期高位体系域内的准层序组P2ss5下部，页理发育程度为一般发育，向上增加到大量发育，其页理整体发育程度高于准层序组P2ss3中的页理发育程度。在早期高位体系域中的准层序组P2ss5的顶底部，页理发育程度都较高，但是中间部位很少发育。在晚期高位体系域内的准层序组P2ss6中，页理整体大量发育，只有在底部页理一般发育。在晚期高位体系域内的准层序组P2ss7中，自下而上页理发育程度由大量发育减少到一般发育。在晚期高位体系域内的准层序组P2ss8中，页理整体为一般发育，在顶部少部分页理发育不明显[5-6]。

图1 四川盆地焦石坝地区焦页A井五峰组—龙马溪组一段层序划分

2.2 砂质条带发育非均质性

砂质条带发育程度的总体趋势为自下而上先增加后减少(图2)。在海侵体系域内，砂质条带很少发育。在早期高位体系域内，砂质条带发育程度较高。在晚期高位体系域内，砂质条带整体很少发育，仅在中部小范围大量发育砂质条带。在海侵体系域内部的2个准层序组和早期高位体系域内部的准层序组P2ss3中，都很少发育砂质条带。到早期高位体系域内部的准层序组P2ss4中，开始明显发育砂质条带，从一般发育增加到大量发育，后又减少到比较发育，总体呈现先增加后减少的趋势。在早期高位体系域内部的准层序组P2ss5的下部，砂质条带一般发育，局部比较发育，顶部又减少到很少发育。在早期高位体系域内部的准层序组P2ss5的中部，整体很少发育砂质条带，上部一般发育。在晚期高位体系域内部的准层序组P2ss6中，砂质条带很少发育。到晚期高位体系域内部的准层序组P2ss7中，开始出现大量发育的砂质条带，但是大量发育的地层厚度不大。在晚期高位体系域内部的准层序组P2ss8中，很少发育砂质条带[7-8]。

2.3 黄铁矿发育非均质性

根据对每个准层序组黄铁矿估计厚度的统计，黄铁矿发育的总体趋势为自下而上逐渐减少(图3)。在海侵体系域内，黄铁矿含量最高，最大估计厚度可达15.8 cm。到早期高位体系域内，黄铁矿估计厚度减少到5～10 cm和1～5 cm。到晚期高位体系域，含量再少量增加后又减少。如表1所示，在海侵体系域内部的准层序组P2ss1和P2ss2中，黄铁矿发育的估计厚度达到了15.8 cm，相对于层序Sq2有了明显的增加趋势。在早期高位体系域内部的准层序组P2ss3中，黄铁矿估计厚度为5.4cm，相对于海侵体系域中黄铁矿估计厚度有明显减少的趋势。在早期高位体系域内部的准层序组P2ss4和P2ss5中，黄铁矿估计厚度都在1～5 cm范围内：在准层序组P2ss4中估计平均厚度为3.5 cm，在准层序组P2ss5中估计平均厚度为1.3 cm。从黄铁矿发育估计厚度上看，早期高位体系域内部的P2ss3、P2ss4和P2ss5这3个准层序组中，自下而上呈向上减少的趋势。在晚期高位体系域内部的准层序组P2ss6中，底部黄铁矿估计厚度为1.1 cm，上部为7.8 cm，厚度有增加的趋势。在晚期高位体系域内部的准层序组P2ss7中，黄铁矿估计厚度为1.1 cm，相对于准层序组P2ss6中有减少的趋势。在晚期高位体系域内部的准层序组P2ss8中，黄铁矿估计厚度为0.9 cm，相对于准层序组P2ss7中有减少的趋势[9-10]。

表1 四川盆地焦石坝地区焦页A井Sq2层序内黄铁矿估计厚度统计

图2 四川盆地焦石坝地区黑色页岩页理及砂质条带非均质性特征

图3 四川盆地焦石坝地区黑色页岩黄铁矿非均质性特征

2.4 笔石发育非均质性

根据对笔石发育种类及数量的统计，以尖笔石、雕笔石、直笔石、锯笔石、单笔石、耙笔石、栅笔石、花瓣笔石各笔石种属为统计依据，焦石坝地区黑色页岩中尖笔石最为发育，其次为直笔石、单笔石、耙笔石，发育少量雕笔石、锯笔石、栅笔石和花瓣笔石。在底部海侵体系域内部的准层序组P1ss1中，笔石种类以尖笔石最为发育，少量发育雕笔石、直笔石和单笔石。向上的准层序组P2ss1和P2ss2中，仍以尖笔石丰度最高，雕笔石、直笔石、栅笔石和花瓣笔石较少，且分布不均匀。在早期高位体系域内部的准层序组P2ss3中，笔石的发育情况与下伏的海侵体系域准层序组P2ss1和P2ss2中的类似，没有明显的变化，仍以尖笔石为主，雕笔石、直笔石和栅笔石较少，但花瓣笔石则没有发育。早期高位体系域内的准层序组P2ss4中，笔石发育的明显变化是直笔石的含量增加，由低丰度变为中等，但栅笔石也不发育了，整体仍以尖笔石含量最多，但与下伏的准层序组相比有不太明显的减少趋势。在早期高位体系域内部的准层序组P2ss5中，尖笔石含量明显变少，直笔石有变多的趋势，但仍以尖笔石为主，雕笔石变少，单笔石明显变多，耙笔石大量出现，但含量小于10%。在早期高位体系域内部的准层序组P2ss5中，尖笔石含量变化不大，直笔石、单笔石和耙笔石丰度中等，出现少量锯笔石。在晚期高位体系域内部的准层序组P2ss6中，笔石发育情况与准层序组P2ss5中基本一致。在晚期高位体系域内部的准层序组P2ss7中，尖笔石含量减少，但仍为大于5%的中等丰度，直笔石突然消失，锯笔石、单笔石和耙笔石含量稳定，与准层序组P2ss5中基本一致。在晚期高位体系域内部的准层序组P2ss8中，尖笔石含量明显变少，丰度变为低等，锯笔石、单笔石变化不大，耙笔石含量也减少至5%以下的低丰度[11-13](图4)。

图4 四川盆地焦石坝地区黑色页岩笔石发育特征

3 微观非均质性

焦石坝地区黑色页岩在有机碳含量及黏土矿物含量方面均表现出明显的垂向非均质性。其中，有机碳含量由下至上逐渐减小，在下部海侵体系域内含量最高；黏土矿物含量由下至上逐渐增加，在晚期高位体系域内含量最高[14]。

3.1 有机碳含量非均质性

数据分析显示，总体上有机碳含量由下至上具有逐渐减小的趋势(图5)。在下部海侵体系域的2个准层序组中，有机碳含量较高，为1.29%～5.89%，平均3.77%；其次为早期高位体系域，为0.91%～3.99%，平均2.19%；最低为晚期高位体系域，为0.55%～3.26%，平均1.69%。

通过分析可以看出，S2初始值由下至上具有逐渐减小的趋势，在下部海侵体系域时期为较高值，其中的变化趋势可分为2部分。首先，在准层序组P1ss1的底部S2有最高值，可达48.36 mg/g，向上至准层序组P2ss1的中下部，S2初始值急剧减少到海侵体系域时期的最低值；其次，从准层序组P2ss1的中下部向上至准层序组P2ss2，S2初始值具有先增加再减少的趋势。次为早期高位体系域时期，其中的变化趋势也可分为2部分。首先，从准层序组P2ss3的底部至准层序组P2ss3的顶部，S2初始值具有先增加再减少的趋势；其次，准层序组P2ss3的顶部至准层序组P2ss5的顶部，S2初始值具有齿状缓慢减少的趋势。最后为晚期高位体系域时期，其中在准层序组P2ss6和P2ss7中，S2初始值均具有齿状缓慢减少的趋势，在准层序组P2ss8的中下部，S2初始值有最低值。

有机碳残余值与有机碳恢复值具有大致相同的变化趋势，由下至上均逐渐减小。在海侵体系域时期为较高值，有机碳残余值与有机碳恢复值的变化趋势可分为2部分。首先，在准层序组P1ss1的底部有机碳残余值与有机碳恢复值有最高值，向上至准层序组P2ss1的中下部具有缓慢减少的趋势；其次，从准层序组P2ss1的中下部至准层序组P2ss2，有机碳残余值与有机碳恢复值具有先增加再减少的趋势。次为早期高位体系域时期，有机碳残余值与有机碳恢复值的变化趋势也可分为2部分。首先，从准层序组P2ss3的底部至准层序组P2ss3的顶部，有机碳残余值与有机碳恢复值具有先增加再减少的趋势；其次，准层序组P2ss3的顶部至准层序组P2ss5的顶部，有机碳残余值与有机碳恢复值具有齿状缓慢减少的趋势，并在准层序组P2ss5的底部有最低值。最后为晚期高位体系域时期，其中在准层序组P2ss6中，有机碳残余值与有机碳恢复值具有齿状缓慢减少的趋势，在准层序组P2ss7的中下部有最高值，在准层序组P2ss8的中下部有最低值。通过以上的分析可以得出，有机碳残余值与有机碳恢复值的变化趋势与S2初始值的变化趋势有较高的一致性[14-15]。

图5 四川盆地焦石坝地区黑色页岩有机碳含量

3.2 黏土矿物发育非均质性

通过对焦石坝地区黑色页岩实测资料的系统分析可知，黏土矿物发育在垂向上具有明显的非均质性变化，总体上黏土总量由下至上具有逐渐增加的趋势(图6)。在上部晚期高位体系域的3个准层序组中，黏土总量为较高值，平均值为53.24%，其中在准层序组P2ss7的中下部有最高值，为62.6%，在准层序组P2ss6的上部有最低值，为36.7%；次为早期高位体系域，平均值为41.14%，其中在准层序组P2ss1的上部和中下部有最高值，为47%，在准层序组P2ss4的中部有最低值，为33.3%；最后为海侵体系域，平均值为31%，其中在准层序组P1ss1的上部有最高值，为49.1%，在准层序组P1ss1的顶部有最低值，为16.6%。

黏土矿物主要包括伊利石、伊蒙混层和绿泥石。其中伊利石含量由下至上具有逐渐增加的趋势：在晚期高位体系域时期有较高值，平均值为47.5%，在准层序组P2ss7的中上部有最高值，为61%，在准层序组P2ss6的上部有最低值，为27%；次为早期高位体系域时期，平均值为44.33%，在准层序组P2ss1的中上部和准层序组P2ss2的中上部有最高值，为68%，在准层序组P2ss1的中部有最低值，为16%；最后为海侵体系域时期，平均值为23.75%，在准层序组P1ss1的底部有最高值，为49%，在准层序组P1ss1的顶部有最低值，为12%。伊蒙混层含量由下至上具有逐渐减小的趋势：在海侵体系域时期为较高值，平均值为72.13%，在准层序组P1ss2的中下部有最高值，为85%，在准层序组P1ss1的底部和准层序组P1ss2的上部有最低值，为43%；次为早期高位体系域时期，平均值为47.86%，在准层序组P2ss1的中部有最高值，为80%，在准层序组P2ss2的中上部有最低值，为25%；最后为晚期高位体系域时期，平均值为47.55%，在准层序组P2ss8的上部有最高值，为69%，在准层序组P2ss5的中下部有最低值，为32%。绿泥石含量由下至上具有先增加后减小的趋势：在早期高位体系域时期为较高值，平均值为7.81%，在准层序组P2ss4的下部有最高值，为20%，在准层序组P2ss2的中部有最低值，为2%；次为晚期高位体系域时期，平均值为4.95%，在准层序组P2ss5的下部有最高值，为13%，在准层序组P2ss5的上部有最低值，为3%；最后为海侵体系域时期，平均值为3.74%，在准层序组P1ss2的上部有最高值，为9%，在准层序组P1ss2的中下部有最低值，为1%。

图6 四川盆地焦石坝地区黑色页岩黏土矿物

综上所述，伊利石含量由下至上具有逐渐增加的趋势，伊蒙混层含量由下至上具有逐渐减小的趋势，绿泥石含量由下至上具有先增加后减小的趋势。其中伊利石含量的变化趋势与黏土总量的变化趋势具有较高的一致性，伊蒙混层含量的变化趋势则与黏土总量的变化趋势相反[16-19]。

4 非均质控制因素分析

前文中，生物沉积作用控制了笔石的发育情况，陆源碎屑控制了黏土矿物的含量，在此重点阐述等深流对焦石坝地区黑色页岩非均质性的控制作用。

等深流是由于地球旋转而形成的温盐环流。这种环流平行海底等深线作稳定低速流动(5～20 cm/s)，主要出现在陆隆区，亦称为高流、水平流和平流等。由等深流沉积形成的岩石称为等积岩。在焦石坝地区黑色页岩早期高位体系域内广泛发育的砂质条带就属于等深流沉积，主要证据如下：(1)研究区龙马溪组一段早期高位体系域内的岩心特征与现代海洋等深流沉积具有相似的沉积结构；(2)野外剖面相应层位也发现有同样的等深流沉积结构，在研究区鹿角剖面和漆辽剖面广泛发育夹有薄砂体的等深流沉积，同时可见砂层表面的笔石化石具有一定的定向性；(3)焦页1井岩心具有典型的等深流沉积序列，且相应层段岩心中笔石具有明显的定向性[20]。

5 结论

(1)焦石坝地区黑色页岩页理缝总体呈现自下而上先减少后增加的趋势，砂质条带表现为先增加后减少，黄铁矿总体呈现出自下而上逐渐减少的特征，笔石丰度则表现出从下至上逐渐减小的趋势。

(2)焦石坝地区黑色页岩有机碳含量由下至上具有逐渐减小的趋势，在海侵体系域内含量最高，黏土矿物含量的变化由下至上逐渐增加。

(3)生物、等深流和陆源3种沉积作用共同控制了焦石坝地区黑色页岩非均质性。

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