贵州织金地区龙潭组沉积环境及其对页岩发育的控制

曹文杰，何金先*，杨甜甜，王 健，师 帅，邢慧通

(1.中国矿业大学，煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 22116)

0 引言

织金地区位于贵州西部织纳煤田，晚二叠世时期，该区广泛发育一套由海陆过渡相沉积而成的煤系泥页岩[1-3]。前人对黔西古生代的沉积环境做了大量的研究，在龙潭组的沉积演化与模式[4-6]、构造特征[7]、煤层气储层及煤层气系统[8-12]以及煤层地化特征[12-16]等方面取得较大成果，但缺乏对龙潭组富泥页岩与沉积环境关系的研究。随着页岩气储层特征研究的深入[17-23]，关于织金地区上二叠统龙潭组沉积环境对泥页岩发育的控制研究显得尤为必要。本文基于区域地质资料，以钻井岩心特征观察、测井单井和连井剖面分析为基础，对织金地区上二叠统龙潭组沉积环境与泥页岩发育进行探讨。

1 区域地质背景

织金地区位于黔中隆起西南，由NS向遵义—惠水断裂，NW向紫云—六盘水断裂、NE向师宗—贵阳断裂和EW向六盘水—瓮安断裂交叉控制[4]。晋宁运动和澄江运动形成的中元古界梵净山群和不整合其上的新元古界板溪群浅变质岩系共同构成了区内刚性较大的构造基底[4，15]。导致区内以北东向短轴式宽缓皱褶为主(图1)。

图1 织金地区地质构造图[24]Figure 1 Geological structure map of Zhijin area

该区位于稳定克拉通盆地边缘，周期性的海退、海侵反复出现，故形成了上二叠统龙潭组海陆交互相陆源碎屑岩夹碳酸盐含煤沉积体系。根据钻孔、露头揭露的岩性、岩相和含煤性可分为上、下两段[4]。下段自龙潭组底界至标7顶，主要由细砂岩、泥岩组成，发育潟湖-潮坪沉积，夹灰岩1～10层，煤层厚度较大但不稳定，且灰分、硫分较高，富含动植物化石。上段自标七顶界至标四底部，发育三角洲沉积，岩性以粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩组成，其垂向上具有明显的旋回特征，夹0～5层灰岩，含煤性较好，是主要的成煤环境，煤层厚度达且稳定，本段由东向西增厚[11，15]，富含植物化石，动物化石较少。

2 沉积环境

2.1 岩石学特征

钻井资料位于织金及周边地区，岩心揭露龙潭组岩性主要是泥岩、炭质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、菱铁质粉砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等细粒沉积物。泥岩颜色主要有灰黑色、黑色、黄色，有机质越多，其颜色越暗，同时在地层中可见大量植物化石，煤层发育较多，反映当时处于厌氧的还原环境，多为潟湖、沼泽沉积。且在剖面当中发现菱铁矿的出现，菱铁矿的局部富集以及单质硫的析出更是反映了当时经历的还原性的沉积环境(图2)。

2.2 沉积相标志

沉积构造主要可见水平层理、平行层理、波状层理、块状层理、交错层理等层理构造，分别反映了不同的水动力条件与沉积环境。

1)水平层理。多在织金地区龙潭组泥岩之中出现，特点为纹层呈直线状互相平行，并且平行于层面，反应较为稳定的水动力环境，是低能或者静水环境标志[25]，如海(湖)深水地带、分流间洼地、沼泽、天然堤等环境(图3a)。

2)平行层理。多出现于织金地区龙潭组细砂岩中，外貌与水平层理相似，反映平行层理一般出现在急流及能量高的环境，如河流、海滩等环境中(图3b)。

3)块状层理。可见于织金地区龙潭组泥岩、粉砂岩和各类砂岩中，层内物质均匀、组分和结构上无差异、不显细层构造的层理(图3c)。

4)波状层理。可见于织金地区龙潭组砂泥互层中，细层界面呈波状起伏，或薄的泥纹层与砂纹层呈波状互层，该类层理多出现于潮汐环境之中(图3d)。

5)槽状层理。出现于分流河道沉积中，自下而上粒度变细，且沉积构造具有槽状过渡为波状、水平层理的趋势(图3e)。

6)包卷层理。位于上、下纹层之间的呈波状、不规则的明显褶曲，岩性为细砂岩或粉砂岩，常见于浊流沉积中，也可出现于潮坪、边滩等环境中(图3f)。

2.3 测井相标志

通过对织金地区上二叠统龙潭组含煤地层钻孔测井曲线形态进行综合归纳分析，区内测井曲线形态主要包括漏斗形、指形、钟形、箱形等：

1)漏斗形。曲线顶部突变，自然伽马曲线为低值，视电阻率曲线为高值，反应水动力条件向上部增强，颗粒变粗的特征(图4a)，常见于河口坝微相。

(a.砂泥互层；b.炭质泥岩；c.断层面上的方解石脉；d.含植物化石泥岩；e.泥岩中硫的析出；f.煤)图2 织金地区龙潭组钻井岩心特征Figure 2 Longtan Formation borehole core features in Zhijin area

(a.水平层理；b.平行层理；c.块状层理；d.波状层理；e.槽状层理；f.包卷层理)图3 织金及周边地区上二叠统龙潭组沉积构造Figure 3 Upper Permian Longtan Formation sedimentary structures in Zhijin area and periphery

2)指形。曲线呈指状，顶、底为突变接触，曲线幅度高。代表强能量下的堆积，如泥坪等，受煤层高电阻、低伽马的影响常见于泥炭坪(图4b)。

3)钟形。曲线底部呈突变接触，视电阻率曲线由下向上幅度逐渐变低，自然伽马曲线由下向上幅度逐渐变高(图4c)。它反映出沉积环境从高能变为低能，水动力逐渐减弱的特征，多个钟形曲线可叠加成为圣诞树形，多出现于分流河道、水下分流河道微相，也可出现于受砂质影响较大的天然堤微相中。

4)箱形。曲线顶、底呈突变接触，幅度变化不大。自然伽马曲线为低值，视电阻率曲线为高值，反映物源丰富和较为稳定的水动力条件，沉积过程能量一致，是河道砂坝的曲线特征(图4d)，多出现在砂体厚度较大且沉积较连续的环境中，如分流河道、水下分流河道微相。

2.4 单井相分析

Z17井位于纳雍县曙光乡西北部、百兴镇西部，区域构造位置上位于比德向斜中部，钻孔深1 370m，钻遇地层上二叠统峨眉山玄武岩组(1 342m～)、龙潭组(990～1 342m)、长兴组(938～990m)，揭露龙潭组煤系地层351.4m，发育泥页岩累计>187m(表1、图5)。泥页岩主要包括细砂岩、粉砂岩中发育的泥质条带，粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤层。Z17井纵向相上根据沉积环境可划分为两个部分，即龙潭组上段和下段。

表1 Z17井龙潭组岩性统计表

龙潭组下段：发育障壁海岸相，潟湖、潮坪交替发育(图5)，自峨眉山玄武岩顶部至区域海退沉积体系转换面，深度为1 230.9～1 342m，岩性以粉砂岩、泥岩及煤层为主，岩性组合类型以粉砂岩夹煤层、泥岩夹煤层为主。发育波状层理、水平层理、小型交错层理，含黄铁矿结核及菱铁矿，含腕足动物。

图5 Z17井上二叠统龙潭组综合柱状图Figure 5 Well Z17 upper Permian Longtan Formation comprehensive stratigraphic column

化石，反映了能量较低的沉积环境。煤层夹矸或煤层本身含化石并具较高的Sr/Ba、B/Ga比值，具有海相地化特征，该段为局限台地上的潟湖、沼泽沉积[10]。根据Elderfield等[26]定义Ceanom表示Ce异常，并用来判定古缺氧环境的理论，区内潟湖泥页岩样品的Ceanom平均值为-0.05，反映为还原环境；且V/(V+Ni)平均值为1.89，反映为水体分层强烈的还原环境[12，17]。

(a.漏斗形(视电阻率)；b.指形(视电阻率)；c.钟形(视电阻率)；d.箱形(自然伽马、视电阻率))图4 织金地区龙潭组测井曲线图Figure 4 Longtan Formation well logging traces in Zhijin area

龙潭组上段：该段表现为明显潮控三角洲特征(图5)，自沉积体系转换面，至龙潭组顶界7号煤顶部，深度1 078.4～1 230.9m，岩性以粉砂岩、暗色泥岩互层夹粉砂质泥岩、炭质泥岩及煤层为主，中厚层砂岩测井曲线为典型的箱状特征，部分呈现钟形特征，发育交错层理、平行层理，厚层粉砂岩发育波状层理，夹泥质条带，植物化石丰富，整体沉积环境能量较高。粉砂岩、泥岩互层在该段较发育，主要发育波状层理、水平层理以及脉状、透镜状层理，测井曲线呈锯齿状，代表较高的泥质含量。通过对三角洲相泥页岩样品的地球化学指标统计[12]，认为龙潭组上段三角洲相处于弱还原-弱氧化的环境。

2.5 连井相分析

在单孔沉积相划分的基础上，选取Z17、Z1、Z2、Z4、Z9等5口钻孔，做东西向剖面并结合地质资料进行连井沉积相研究(图6)，由沉积剖面可知，织金地区沉积环境为海陆过渡相沉积，包括三角洲沉积和潟湖-潮坪沉积，前者包括分水下分流河道、分流间湾和泥炭沼泽等；后者主要包括泥炭坪、泥坪、泥炭沼泽、局限台地等。

图6 织金地区上二叠统龙潭组沉积相连井剖面图Figure 6 Upper Permian Longtan Formation sedimentary facies cross well section

龙潭组下段。剖面涵盖地区主要为潮坪沉积环境，岩性以灰黑色炭质泥岩，灰色细砂岩和灰色粉砂岩为主，发育多套薄煤层，为泥坪沉积而成；中部织金岩背后地区发育2～5层灰色灰岩，其受海水的影响愈发强烈；东部为局限台地上的潟湖、沼泽沉积。

龙潭组上段。龙潭组晚期河流作用增强，以三角洲平原和三角洲前缘沉积环境为主，岩性主要以灰色—灰黑色炭质泥岩、灰色细砂岩和灰色粉砂岩为主，煤层层数较多且厚度较大，为水下分流间湾或分流间湾沉积转变为泥炭沼泽而成；在龙潭组与长兴组分界处，即标四灰岩，越往东其灰岩层沉积越厚，逐渐由潮控三角洲转变为局限台地上的潟湖、沼泽沉积。

2.6 沉积相平面分布特征

在单井、连井剖面分析的基础上，结合钻井岩心、古生物、元素地球化学特征分析和各层段厚度以及砂岩厚度等，对织金地区上二叠统龙潭组的沉积相平面展布进行分析，绘制出龙潭组早、晚两个阶段的沉积模式图。

龙潭组沉积早期(图7a)。沉积环境较为稳定，卫城-坪土一线以西主要发育潟湖-潮坪相沉积，以深灰色泥岩和灰色粉砂岩、细砂岩为主；以东地区发育局限台地相。纳雍西北地区靠近物源区，岩性为灰色—深灰色细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩不等厚互层，夹黑色煤、灰黑色炭质泥岩、灰黑色泥岩，沉积粒度变粗，发育为三角洲相的砂岩沉积，但沉积规模较小。

龙潭组沉积晚期(图7b)。海平面整体向东退去，最大海泛面减小，西部源自康滇古陆的河道向东迁移，三角洲进一步扩大至龙场—浦场一线地区，通过对区内钻孔资料进行砂地比、砂厚的统计分析，大致确定了龙潭组上段河道分布在阳长、新场、三塘、珠藏一带(图8)；而浅水区发育的潟湖-潮坪相缩小，且有向东退去的趋势。

(a.龙潭组早期；b.龙潭组晚期)图7 织金地区上二叠统龙潭组沉积古地理图Figure 7 Paleogeographic map of upper Permian Longtan Formation sedimentation in Zhijin area

3 沉积环境对页岩发育的控制

3.1 泥页岩平面、纵向展布特征

沉积环境是泥页岩堆积的最终场所，为了探究泥页岩沉积与沉积环境的关系，统计了区内23孔钻井龙潭组泥页岩(含泥岩、炭质泥岩、粉砂质泥岩)的累计厚度，并绘制泥页岩厚度等值线图(图8)。

图8 织金地区上二叠统龙潭组泥页岩厚度等值线图Figure 8 Contour map of shale thickness of upper PermianLongtan Formation in Zhijin area

研究区东部和中部偏北，即阳长、新场、三塘和织金岩背后地区为泥页岩厚度高值区；中西部地区，即珠藏、浦场、坪土为泥页岩累计厚度较低地区；总体上，泥页岩厚度有自东向西增大、局部(中北部)厚度较大的特点。

纵向上，龙潭组下段泥页岩以粉砂岩夹泥岩、粉砂质泥岩和煤层的形式，中间可夹薄层细砂岩，具有潮坪沉积的特点。龙潭组上段泥页岩主要以泥岩夹煤层、中厚层粉砂质泥岩和粉砂岩互层或粉砂岩夹薄层泥岩的形式沉积，自上而下沉积粒序变细，具有三角洲沉积的特征。

3.2 沉积环境对泥页岩发育的控制

织金地区中东部积累了50m左右的泥页岩，即珠藏、坪土和浦场一带。这是由于龙潭早期沉积在古坡度平缓的砂质海岸带[4]，为潟湖-潮坪相沉积，因而成为泥页岩聚集的理想场所。因此总体上该区的沉积环境有利于泥页岩的发育。随着沉积环境的慢慢转变，在阳长、新场、三塘和织金岩背后地区为泥页岩厚度高值区。Tenger等[27]研究认为稀土元素的分异程度与沉积物的沉降速度又很强的关联性，织金地区龙潭组上段具有较快的泥页岩沉降速度[4]。这是由于在龙潭组晚期，海水东退至初始海泛面，海平面上升速度较小，此时为泥炭等提供充足的聚集空间，加之河流作用加强，温暖、湿润的气候条件带来大量的陆源碎屑物，充注于海陆之间地区，导致三角洲分流间湾、泥炭沼泽等成为泥页岩聚集的有利沉积场所。

4 结论

1)织金地区上二叠统龙潭组煤系泥页岩属于海陆过渡相沉积，按岩性、岩相和含煤性可划分为龙潭组上段和下段，其中下段为潟湖-潮坪沉积，上段为三角洲相沉积。

2)泥页岩发育具有西部和中北部厚度较大、中东部厚度较小的特点，前者主要位于阳长、新场和织金岩背后等地区，后者主要位于珠藏、坪土以东地区。

3)海平面的升降，直接导致沉积环境的变化。龙潭组沉积早期泥页岩主要沉积于潟湖中，龙潭组沉积晚期泥页岩主要沉积于分流间湾和泥炭沼泽环境中，以泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩互层的形式沉积。