川南—黔北地区下志留统龙马溪组沉积相展布及演化

刘治成,李红佼,张 喜,方 坤,罗 鹏,祝海华

(1.四川省国土科学技术研究院,四川 成都 610041;2.自然资源部复杂构造区页岩气勘探开发工程技术创新中心,四川 成都 610041;3.西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都 610559)

随着我国页岩气勘探开发已经在重庆涪陵焦石坝地区取得重大突破,国内页岩气的开发热潮正如火如荼的展开,自然资源部也正在为新一轮的页岩气区块招投标征求意见。根据自然资源部的数据,四川盆地页岩气资源量约27.5×1012km2,占全国的21%。可采资源量4.42×1012km2,占全国的18%,位居全国第一,页岩气储量十分巨大,其中四川盆地页岩气最有利区位于盆地南部(张廷山等,2016;梁兴等,2011;刘树根等,2011;付小东等,2011;邹才能等,2010;翟刚毅等,2020;聂海宽等,2009;蒲泊伶等,2010;李延钧等,2011;刘伟等,2012;余谦等,2020;聂海宽等,2012;门玉澎等,2020;董大忠等,2010;汪正江等,2020)。但笔者在参与四川盆地页岩气区块勘探开发的考察调研过程中,发现推进四川页岩气大规模勘探开发还存在很多困难,其中之一是四川盆地除在焦石坝区块和长宁区块分别取得突破外,其他页岩气区块(特别是地方企业中标区块)勘探工作均未取得明显进展,以川南昭通区块为例,原因之一就是对层序地层格架及富有机质黑色页岩优势相带认识不清。鉴于此,笔者凭借近年来页岩气勘探研究的工作实践,根据地层与古生物、沉积构造、岩性特征等地质依据,结合有机碳含量地球化学测试分析结果,对川南—黔北地区下志留统龙马溪组沉积相进行了较为深入的研究,并建立研究区层序地层格架,为新一轮页岩气招投标提供地质依据,加快四川页岩气勘查开发工作。

1 研究区概况

川南—黔北地区位于四川、云南、贵州三省交界边缘(图1A)。下志留统龙马溪组代表下志留统最下部以黑色为主的海相含笔石页岩地层,与其下伏时限相当于晚奥陶世Katian晚期—Hirnantian期的五峰组地层为连续沉积、彼此呈整合接触的。龙马溪组与上覆的石牛栏组或黄葛溪组地层同样呈连续沉积、整合接触,常以较厚的壳相泥灰岩、灰岩或钙质砂岩的出现作为龙马溪组顶界,岩性界面较清楚。受盆地周边的褶皱和断裂的影响,川南—黔北地区西北部和南部龙马溪组地层受到不同程度的剥蚀或未沉积,发育不全。其中,西北部受川中古隆起影响,威201井以西以北,龙马溪组被剥蚀或未沉积;南部受黔中古隆起影响,在镇雄杉树—芒部海子沟一线以南被完全剥蚀或未沉积(图1B)。川南—黔北地区龙马溪组岩性在纵向上具有一定的渐变性,按垂向沉积特征可将龙马溪地层划分为上、下两段,总体上具有向上颜色逐渐变浅、碳质含量逐渐减少以及粉砂质和灰质含量逐渐增多的特征(图1C)。

图1 研究区示意图及滇黔北探区宝1井龙马溪组地层图Fig1 Schematic diagram of study area and stratigraphic map of Longmaxi Formation in Bao1Well in the northern study area of Yunnan and Guizhou

2 沉积相类型及特征

根据对川南—黔北地区龙马溪组野外露头剖面、钻井岩心以及镜下薄片的详细观察描述与研究,并结合区域构造、沉积背景及沉积相的识别标志等资料,研究认为研究区下志留统龙马溪组处于浅海陆棚沉积环境,其沉积相可划分为1种相、2种亚相以及9种微相(表1,图2,图3)。

表1 研究区龙马溪组沉积相划分类型Tab1 Types of sedimentary facies of Longmaxi Formation in study area

图2 大坪上剖面龙马溪组沉积微相划分Fig.2 Sedimentary microfacies of Longmaxi Formation in the upper Daping section

图3 宝1井龙马溪组沉积微相划分Fig.3 Sedimentary microfacies of Longmaxi Formation in Well Bao-1

2.1 浅水陆棚亚相

浅水陆棚位于过渡带外侧至风暴浪基面之上的浅海陆棚区,水体较浅,沉积物以暗色细粒的陆缘碎屑物质为主,见浅水沉积的碳酸盐岩薄层或透镜体。沉积区还间歇性地受到其他水流(风暴流、潮流和密度流等)的影响和改造,从而使沉积体发生分异,形成了相对高能的陆源碎屑砂或碳酸盐颗粒沉积物组成的风暴层以及低能的以泥页岩为主的砂泥质陆棚、灰泥质陆棚以及泥质陆棚等沉积体。暗色页岩常具细纹状水平层理、水平微波状层理的沉积构造;生物化石以笔石为主,见少量的腕足、珊瑚、三叶虫、棘皮类、双壳类等化石。浅水陆棚亚相主要发育在云南彝良—威信以南地区,以及川中古隆起边缘地区和黔中古隆起剥蚀区以北、四川高县—长宁—古蔺以南地区的龙马溪组上段。

2.1.1 风暴层微相

浅水陆棚中的风暴层微相岩性主要由成熟度较高的灰色、深灰色泥质粉砂岩、粉砂岩与细砂岩组成(图4A,图4B),或单独由碳酸盐岩、生物颗粒滩组成。常见波浪作用及流动成因的层理构造,如丘状交错层理、平行层理等(图4A,图4B),侵蚀充填构造较明显,粒序层较发育,但粒序层厚度不均匀。

2.1.2 泥质浅水陆棚和砂泥质浅水陆棚微相

泥质浅水陆棚和砂泥质浅水陆棚微相主要发育于水体能量相对较低的浅水陆棚海域,岩性主要为深灰色泥岩、粉砂质泥岩,局部夹泥质粉砂岩,发育反映低能静水环境的水平层理、缓波状层理、韵律层理等沉积构造(图4C,图4D),见少量的笔石和双壳类等化石(图4E、图4F)。垂向上连续沉积的厚度较大,常为几十米至一百多米。根据沉积物的岩性,可以区分出主要由泥岩和页岩构成的泥质浅水陆棚微相,以及主要由粉砂质泥岩和泥质粉砂岩构成的砂泥质浅水陆棚微相,其中的砂质颗粒或者是特大洪水期由河流携带入海的,或者是潮流、风暴流等从滨岸带改造来的。

2.1.3 灰泥质浅水陆棚微相

研究区内灰泥质浅水陆棚微相主要是由于海平面的频繁升降,造成了沉积环境相应的发生变化,从而在“清水”期间发生碳酸盐岩沉积,“浑水”期间则主要为细粒陆源碎屑物质沉积。随着海平面的频繁升降,形成深灰色、灰色含灰泥页岩、泥页岩夹灰色灰岩或泥灰岩薄层的现象(图4G)。另外也不排除成岩作用(如交代作用、化学剂生物化学作用)对灰质成因的影响。

图4 研究区龙马溪组浅水陆棚内各类沉积微相标志Fig.4 The types of the sedimentary microfacies marks in shallow shelf of Longmaxi Formation

2.1.4 灰质浅水陆棚微相

区内的灰质浅水陆棚微相岩性为中—薄层的灰色灰岩夹深灰色、灰黑色泥岩,但在局部地区岩性主要为厚层的泥质灰岩。反映了灰质浅水陆棚微相中的岩性变化,是由于沉积水体深度频繁变化造成的(图4H)。

2.2 深水陆棚亚相

深水陆棚处于浅海陆棚靠大陆斜坡一侧的、风暴浪基面以下的浅海区,环境能量相对较低,水体安静,沉积物主要由灰黑色—黑色泥岩、页岩、含粉砂页岩夹纹层状碳酸盐岩、粉砂岩薄层组成,黑色页岩常呈薄层状,具毫米级纹层状或片状页理构造,黄铁矿常呈星散状或纹层状分布,水平纹层发育。生物化石个体多,门类单调,几乎全为漂浮生活的笔石,局部地区见少量的放射虫和硅质海绵骨针,反映了安静贫氧的滞留水体沉积环境。依据沉积物的不同,又可将深水陆棚进一步划分为砂泥质深水陆棚、泥质深水陆棚、灰泥质深水陆棚和浊积砂等微相。龙马溪组沉积早期,研究区普遍处于深水陆棚亚相沉积。龙马溪组晚期,深水陆棚亚相分布范围开始向东向北收缩,主要分布于四川长宁—贵州习水—重庆綦江以北,四川沐川—自贡以南以东地区。

2.2.1 泥质深水陆棚微相

泥质深水陆棚微相处于深水陆棚水体能量最低的海域,以发育黑灰色、灰黑色、黑色泥页岩、碳质泥页岩(图5A)以及发育反映水体安静的水平层理为特征(图5B),矿物中常出现大量黄铁矿和碳等元素。

该微相除厘米级和毫米级纹层及页理发育,还普遍含黄铁矿晶粒,常呈星点状或纹层状(图5C);岩层中含大量的笔石化石(图5D),底栖生物化石较少,但遗迹化石较多(图5E、图5F)。其中,毫米级纹层发育,并出现大量黄铁矿和碳质的现象,反映了该沉积环境沉积作用极不活跃,结合分异度单一且丰度较高的Planolites,指示了低能、贫氧以及低速欠补偿的较深水的特征。它与砂泥质深水陆棚微相的主要区别在于泥页岩中几乎不含砂和粉砂。

图5 研究区龙马溪组深水陆棚各类沉积微相标志Fig.5 The types of the sedimentary microfacies marks of deep water shelf in Longmaxi Formation

2.2.2 砂泥质深水陆棚微相

砂泥质深水陆棚微相与泥质深水陆棚微相都处于能量相对较低深水陆棚海域,二者的主要区别为砂泥质深水陆棚微相水体能量略强,泥页岩中含有少量的粉砂,其岩性以灰黑色粉砂质泥岩、泥页岩为典型特征(图5G、图5H)。

2.2.3 浊积砂微相

浊积砂微相为浊流沉积的产物,岩性主要为夹于较深水灰黑色泥页岩中的钙质粉砂岩、泥质粉砂岩透镜体(图5I、J),在砂层中常具有流动成因的层理,缺少波浪作用形成的层理,有时可见各种印模,粒级递变现象较明显,往往具有不完整的鲍玛序列(图5J)。

2.2.4 灰泥质深水陆棚微相

研究区内的灰泥质深水陆棚微相主要为颜色相对较浅的灰色、深灰色灰岩呈薄层或透镜体状夹于灰黑色、黑色泥页岩中(图5K、图5L),可能为浊流沉积的产物。同时也不排除成岩作用(如交代作用、化学剂生物化学作用)对灰质成因的影响,造成岩性以灰质泥岩的形式产出。

3 层序地层特征

根据野外剖面和钻测井资料,结合前人研究成果(陈建强等,1998;李志明等,1997;张丛和聂瑞贞,2006;朱志军等,2010),在沉积相研究的基础上,笔者将川南—黔北地区下志留统龙马溪组划为两个三级层序,分别为SSQ1和SSQ2。但在研究区边缘,靠近川中古隆起和黔中古隆起地区,地层大多保存或发育不全。

川南—黔北地区下志留统龙马溪组总体属于海洋基底较平缓的浅海陆棚环境。受古地貌的影响,水体相对局限,早期为滞留环境,发育大量条带状或结核状黄铁矿,富含碳质,笔石分异度和遗迹化石分异度低。晚期随基底构造抬升,海平面下降,水体循环度、含氧量和笔石分异度开始增加,遗迹化石出现代表水动力较强的逃逸迹,岩性上表现为碳酸盐岩颗粒含量逐渐增加。沉积物受古隆起的影响,东西向变化不大(图6A),但南北方向变化明显(图6B)。

SSQ1层序相当于龙马溪组下段的中下部地层。层序的底界面为Ⅱ型岩性结构转换面。该层序由海侵体系域和高位体系域组成(图6A;图6B)。层序界面之上的TST为一套泥质深水陆棚的富含有机质的黑色页岩,自然伽马曲线与TOC含量最高,该套页岩也是区内龙马溪组最有利储层。HST为砂泥质深水陆棚或灰泥质深水陆棚的砂质泥岩、灰质泥岩和泥质粉砂岩,自然伽马曲线与TOC含量明显降低,碳酸盐岩颗粒含量开始增加。

SSQ2层序相当于龙马溪组下段的上部地层和龙马溪组上段。层序的底界面为Ⅱ型岩性结构转换面。该层序由海侵体系域和高位体系域组成(图6A;图6B)。TST为灰黑色泥页岩,粉砂质泥岩。HST为黄绿色页岩、泥质粉砂岩、泥灰岩,研究区南缘发育生屑灰岩。

图6 川南—黔北地区龙马溪期层序地层格架Fig.6 The stratigraphic framework of sedimentary sequences in Southern Sichuan-Northern Guizhou areas during the Longmaxi period

4 沉积古地理

SSQ1层序的TST时期代表了早志留世龙马溪期沉积早期,全球海平面开始上升,川南—黔北地区可容纳空间迅速增大,水体加深,处于浅海陆棚环境。但由于受构造运动的影响,该区被川中古隆起、雪峰古隆起以及黔中古隆起包围,导致海水循环不畅,形成了滞留—缺氧的泥质深水陆棚环境,沉积了一套富含有机质的黑色页岩。随着前陆隆起的持续抬升,在HST时期海平面相对下降,物源也发生变化,破坏了富含有机质的黑色页岩的沉积条件,开始沉积泥岩和砂质泥岩(图7a)。SSQ2层序的TST时期,由于此时仍处于全球海平面上升期,因此区内中部自贡—泸州—綦江一带仍为泥质深水陆棚环境,但开始向北、南、东南方向逐渐变浅。随着古隆起的持续抬升,到了HST时期,川南—黔北地区海平面开始下降,岩性上表现为砂质、灰质颗粒含量逐渐增多。随着黔中古隆起北缘向北扩展(戎嘉余等,2011),研究区南部四川筠连—古蔺以南局部地区在龙马溪组晚期开始沉积泥灰岩(图7b)。

图7 龙马溪组沉积相平面展布图Fig.7 The plane distribution of sedimentary facies in Longmaxi period SSQ1(a)and Longmaxi period SSQ2(b)

5 沉积微相与有机质丰度的关系

不同的沉积相代表了不同的沉积环境及在该环境中形成的沉积岩特征的综合,因此,不同的沉积微相常具有不同的水动力条件和不同的氧化还原条件,由此沉积物中有机质丰度也不同。通过分析研究区龙马溪组沉积期重点沉积微相与有机碳含量之间的关系发现(图8),在浅海陆棚相所有沉积微相中,泥质深水陆棚有机碳含量最高,大多处于1.5%以上(图8A),为页岩储层发育的最有利的沉积相带。砂泥质深水陆棚微相以及泥质浅水陆棚微相有机碳含量相对不高,TOC主要分布在0.6%～1.2%以及0.4%～1.0%(图8B、C),有机碳含量处在有利页岩层有机碳下限以下(TOC=2%),为非页岩储层发育相带,但可作为“一般泥页岩”的(0.5%＜TOC＜1.5%)发育相带。而砂泥质浅水陆棚、风暴层、灰泥质浅水陆棚以及灰质浅水陆棚等微相有机碳含量基本上都小于0.5%(图8D、G),为非页岩储层发育的相带。

图8 研究区龙马溪组重点沉积微相TOC分布散点图Fig.8 TOC distribution scatter plots of sedimentary microfacies of the Longmaxi Formation

以上研究表明,沉积相控制了有利页岩储层的区带展布,处于水体最深、水体能量最弱、还原条件最强的泥质深水陆棚微相是有利页岩储层发育的有利相带。

6 结论

(1)川南—黔北地区龙马溪组沉积相识别出一个浅海陆棚相,包括过渡带亚相,浅水陆棚亚相和深水陆棚亚相。浅水陆棚亚相包括风暴层,砂泥质浅水陆棚,泥质浅水陆棚,灰泥质浅水陆棚和灰质浅水陆棚等5个微相。深水陆棚亚相包括浊积砂、砂泥质深水陆棚、泥质深水陆棚、灰泥质深水陆棚等4个微相。

(2)川南—黔北地区龙马溪期划分出2个三级旋回,包括SSQ1和SSQ2,均由海侵体系域和高位体系域组成。反映了龙马溪组沉积时总体呈海平面下降的趋势。SSQ1的TST时期沉积了最有利储集层的黑色页岩。

(3)沉积相控制了有利页岩储层的区带展布,在浅海陆棚相所有沉积微相中,处于水体最深、水体能量最弱、还原条件最强的泥质深水陆棚有机碳含量最高,多大于1.5%,发育黑灰色、灰黑色、黑色泥页岩、碳质泥页岩以及发育反映水体安静的水平层理为特征,矿物中常出现大量黄铁矿和炭等元素为页岩储层发育的最有利的沉积微相。