湘西北地区五峰组—龙马溪组生物地层特征及勘探意义

张 兵，唐书恒，郗兆栋，蔺东林，叶亚培

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083；3.非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室，北京 100083）

0 引言

页岩气作为一种非常规天然气，在我国拥有良好的勘探开发前景，是我国天然气产业的重要组成部分［1］。近年来，随着页岩气勘探开发的持续推进，关于湘西北地区的天然气地质条件的研究引起业界的广泛关注。湘西北地区与黔中—雪峰隆起带西北侧接壤，是盆地构造演化活动强烈的地带［2］。奥陶纪—志留纪之交，研究区整体处于封闭、安静、缺氧的深水陆棚环境［3］，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩广泛发育，厚度大且有机质丰度高，页岩气富集成藏条件优越［4］。晚奥陶世，受广西运动的影响，华夏古陆阶段性向西北方向推进，在板块挤压应力作用下，局部断块的变形造成了湘西北局部区域为水下高地［5］，且导致区内五峰组—龙马溪组发生沉积间断，富有机质层段缺失或变薄［6］。因此，对湘西北地区五峰组—龙马溪组进行生物地层的精细划分和厚度厘定已成为湘西北地区页岩气开展富集高产目标评价和能否获得勘探成效的关键因素。众多学者根据五峰组—龙马溪组岩性特征，将其简单划分为五峰组和龙马溪组等上、下段，但这样划分存在区域上的横向穿时，且在单一岩性地层单元内难以进行纵向细分［7］。五峰组—龙马溪组富含丰富的笔石化石，笔石具有演化快、分布广、时间短等特点［8］，常被作为标准化石用来鉴定地质年代。陈旭等［9］依据多个地区笔石动物群特征将五峰组—龙马溪组黑色页岩序列划分为5 个阶、14 个笔石带，因部分地区取心井数量少，获得的笔石样品有限，仅依据笔石划分地层具有一定的局限性。聂海宽等［10］依据标准井中的笔石特征确定了笔石带类型与自然伽马测井曲线的对应关系，从而对地层进行精细划分，并推测页岩气富集的高产层段。

湘西北地区取心井数量较少，页岩中笔石化石也较少，不能依靠单一的笔石特征来划分地层。笔者基于研究区XY-3 井页岩中的笔石特征，结合自然伽马测井曲线进行对比研究，对五峰组—龙马溪组生物地层进行精细划分，建立生物笔石序列，在此基础上讨论各笔石带的有机质丰度、矿物组分、沉积环境，确定页岩气的有利富集层段，并与邻区长宁N211井、华蓥山、巫溪2 井富有机质层位进行对比，从而确定研究区的生物地层特征，以期为湘西北地区五峰组—龙马溪组页岩气勘探提供借鉴。

1 地质概况

晚奥陶世—早志留世，中上扬子地区受康滇古陆、黔中古隆起、川中古隆起和雪峰古隆起包围，形成了向北东向开口的浅海沉积的古地理格局［11-13］。研究区位于上扬子地台中部的湘鄂水下高地的西南缘（图1），目标井XY-3 五峰组深度为2 106.0～2 096.0 m，厚度为10.0 m，观音桥层段位于2101.1～2096.0 m，厚度为4.1 m，其中2 106.0～2 104.0 m 处的岩性为灰色泥质粉砂岩，底部与临湘组瘤状灰岩为分界，2 104.0～2 096.0 m 处的岩性为深灰色泥岩，部分岩心可见薄层状粉砂岩夹层，并在岩心表面见少许的笔石化石。龙马溪组位于2 096.0～2 084.0 m处，岩性主要为灰黑色泥岩，岩心表面可见黄铁矿集合体。2 084.0～2 039.0 m 处岩性为灰色泥岩，笔石化石呈无序叠加态分布。2 039.0～2 002.2 m 处岩性为深灰色泥岩。

图1 扬子板块五峰—龙马溪组岩相古地理图（a）及湘西北XY-3 五峰组—龙马溪组综合柱状图（b）（据文献［14］修改）Fig.1 Lithofacies paleogeographic map of Wufeng-Longmaxi Formation in Yangtze plate（a）and comprehensive histogram of Wufeng-Longmaxi Formation in well XY-3 in northwestern Hunan（b）

2 生物地层划分与对比

2.1 生物地层划分

陈旭等［15］通过对扬子区五峰组—龙马溪组黑色页岩中笔石动物群以及含笔石地层的研究，对照国际上通用的笔石带命名，将五峰组—龙马溪组黑色页岩序列进行了精细划分（图2），该序列在上扬子地区被广泛运用。基于此方法在研究区XY-3井五峰组识别出笔石类型包括Dicellograptus叉笔石属、Appendispinograptus刺笔石属、Normalogr正常笔石属。龙马溪组识别的笔石类型包括Akidograptus尖笔石属、Glyptograptus雕笔石属、Cystograptus囊状笔石属、Petalolithus花瓣笔石属、Streptograptus卷笔石属、Demirastrites半耙笔石属、Rastries耙笔石属（图3）。

图2 扬子地区五峰组—龙马溪组笔石分带图（据文献［16］修改）Fig.2 Graptolite zones of Wufeng-Longmaxi Formation in Yangtze region

图3 湘西北XY-3 井五峰组-龙马溪组典型笔石图版（a）Demirastrites decipiens，LM6，2 067.0 m；（b）Glyptograptus x，LM2，2 094.3 m；（c）Cystograptus vesiculousus，LM4，2 092.4 m；（d）Streptograptus Yin，LM6，2 065.2 m；（e）Rastries leiboensis Ye，LM7，2 027.5 m；（f）Petalolithus minor Elles，LM5，2 079.6 m；（g）Appendispinograptus supernus，WF3，2 101.6 m；（h）Normalogr extraordinarius，WF4，2 099.4 m；（i）Dicellograptus tumidus chen，WF2，2 105.6 m；（j）Akidograptus ascensus，LM2，2 095.4 mFig.3 Typical graptolite plate of Wufeng-Longmaxi Formation in well XY-3 in northwestern Hunan

研究区取心井数量较少，获得的笔石化石较少，无法基于笔石确定各个笔石带的顶底界，仅依据笔石精细划分研究区的生物地层比较困难。通过笔石特征结合自然伽马测井曲线进一步确定五峰组—龙马溪组各笔石带的顶底界的具体步骤为：①依据笔石的类型和特征确定该笔石对应的笔石带在研究区内是否缺失。②识别出聂海宽等［10］提出的自然伽马测井曲线上的某个局部峰，将其向上方向附近的极小值或极大值所对应的半幅值确定为该笔石带的顶、底位置。研究区XY-3 井地层可划分为4 个阶、8 个笔石带，其中4 个阶分别为凯迪阶（WF2—WF3）、赫南特阶（WF4—LM1）、鲁丹阶（LM2—LM5）及埃隆阶（LM6—LM7），缺失LM1笔石带。

2.1.1 凯迪阶WF2—WF3 笔石带

研究区XY-3 井2 105.6 m 处页岩断面上富集了笔石，笔石体由一对弯曲笔石枝组成，两笔石枝均向腹侧弯曲，微有靠拢的趋势，从笔石枝的始端至末端，两笔石枝距离增大，为典型的肿枝叉笔石Dicellograptus tumidus chen［图3（i）］。该笔石起始于WF2，研究区WF2 笔石带发育。临湘组瘤状灰岩顶面以上，自然伽马测井曲线局部A峰的极大值为100 API，为WF2 笔石带沉积时期对应的最大海泛面，即WF2 的底界，对应深度为2 106.0 m。在A 峰之上，对应沉积时期的海平面下降，岩性为粉砂质泥岩，测井曲线上GR值逐渐减小，降低至83 API时达到局部极小值B 峰，与A 峰之间的半幅值对应WF2 笔石带的顶界面，深度为2 104.7 m，也是WF3笔石带的底界面。

研究区XY-3 井2 101.6 m 处岩样中富集笔石，笔石体始端发育尾刺，胞管形态为栅笔石式，双枝呈上攀式生长，为典型Appendispinograptus supernus高层附刺笔石［图3（g）］，起始于WF3，在该时期海平面上升，水体变深，导致测井曲线的GR值到达第2 个局部峰值C 峰，GR值为216 API，深度约为2 101.1 m，与极小值D 峰（128 API）之间的半幅值对应着WF4 底界。

2.1.2 赫南特阶WF4—LM1 笔石带

研究区XY-3 井深度2 099.4 m 处可见少量笔石，笔石体始部稍宽，末端稍窄，两枝呈现上攀式生长，两侧胞管紧密排列，为典型的正常笔石Normalogr extraordinarius［图3（h）］，该笔石发育始于WF4带，该带在研究区较发育，沉积时期受赫南特冰期影响，全球海平面下降［17］，导致其测井曲线GR值在局部极大值（182 API）后开始下降，局部极大值与F峰之间的半幅值处对应的深度为2 096.0 m，该处为WF4 笔石带顶界。

研究区XY-3 井深度2 096 m 之上未发现LM1的雕刻正常笔石Normalograpyus persculptus等典型笔石。因四川盆地五峰组—龙马溪组分界面在测井曲线表现为GR值具有明显的局部高峰特征［10］，而研究区对应深度没有出现类似JY-1 井局部极高值E峰，因此可以得出，研究区XY-3 井LM1 缺失，其缺失的原因可能是受赫南特冰期影响，海平面降低，同时伴随着湘鄂水下高地的隆升，导致该时期研究区出露水面，造成沉积间断［17-18］。

2.1.3 鲁丹阶LM2—LM5 笔石带

研究区XY-3 井2 095.8 m 处富集笔石，笔石体末端呈现尖型，共同管两端的胞管排列整齐，形态为栅笔石式，为典型的尖笔石Akidograptus ascensus［图3（j）］，该笔石起始于LM2，可以作为LM2 沉积的标志。因鲁丹阶初期海平面上升［18］，水体变深，对应测井曲线上GR值逐渐升高，向上达到局部极大值G 峰（218 API），与F 峰之间的半幅值处的深度为2 092 m，为LM2—LM3 的顶界，也是LM4 的底界，该深度之上的页岩中未发现LM3 的典型笔石拟尖笔石属，但可见LM4 的典型笔石化石Cystograptus vesiculousus，因此可以推测研究区LM2—LM4 沉积期为一个连续的沉积过程，无法区分出LM2 和LM3。

研究区XY-3 井2 092.4 m 处可见笔石，笔石体始部发育长刺，尾部呈现尖形，中部较宽，两侧胞管整齐排列，为典型的囊状笔石Cystograptus vesicu‐lousus［图3（c）］，其发育起始于LM4，LM4 底界在测井曲线上表现为GR值达到极大值（218 API），随着水体的逐渐变浅，GR值向上逐渐减小，局部的极大值H 峰为173 API，与临近低峰之间的半幅值对应的深度为2 082.9 m，此处为LM4 的顶界，也是LM5 的底界。

研究区XY-3 井2 082.0 m 处可见少量笔石，笔石体形状呈花瓣式，为典型的花瓣笔石Petalolithus minor Elles［图3（f）］，该笔石首次出现在LM5，可作为LM5 底界的判定标志。在测井曲线上GR值整体波动较小，局部极大值I 峰为185 API，与临近低峰105 API 之间的半幅值处对应的深度为2 067.0 m，为LM5 的顶界，也是LM6 的底界。

2.1.4 埃隆阶LM6—LM8 笔石带

研究区XY-3 井深度2 067 m 处页岩中富集半耙笔石、卷笔石等。半耙笔石细小，整体向背侧弯曲，胞管孤立生长［图3（a）］。卷笔石始部向背侧弯曲，呈鱼钩状，末部伸直，胞管口部卷曲呈球形［图3（d）］，该笔石始现于LM6，研究区内LM6 广泛发育，而测井曲线上GR值在K 峰以上有缓慢增加的趋势，而在LM6 笔石带波动较小，局部极小值J 峰（107 API）与邻近的局部极大值所对应的半幅值处的深度为2 027.4 m，为LM6 的顶界，也是LM7 的底界。

研究区XY-3 井深度2 027.5 m 处页岩中发现耙笔石Rastr11 ies leiboensis Ye［图3（e）］。笔石体形状纤细、弯曲呈钩状，胞管呈直管状且孤立，倾角大且与轴部近于垂直，该笔石可以作为LM7 的首现标志，测井曲线上GR值在LM7 带整体变化不太，且上部没有找到相应的LM8 的典型笔石Stimulograptus cf.sedgwickii（Portlock），因此，可以把上部整体划分为LM7 带，对应的顶深为2 002.2 m。

综上所述，通过特征笔石与自然伽马曲线峰值进行对比分析，可将XY-3 井五峰组—龙马溪组划分为8 个笔石带，分别为WF2，WF3，WF4，LM2—LM3，LM4，LM5，LM6，LM7（图4，表1）。研究区不发育LM1 特征笔石，且对应区域在自然伽马曲线上没有出现类似于焦石坝地区JY-1的E 峰（307.4 API）的极大值峰，缺失LM1，以致WF4 与LM2 笔石带呈不整合接触。

图4 湘西北XY-3 井五峰-龙马溪组生物地层划分Fig.4 Biostratigraphic division of Wufeng-Longmaxi Formation in well XY-3 in northwestern Hunan

表1 湘西北XY-3 井五峰组—龙马溪组笔石带的划分Table 1 Division scheme of graptolite zones of Wufeng-Longmaxi Formation in well XY-3 in northwestern Hunan

2.2 生物地层的对比

将湘西北XY-3 井与焦石坝地区标准井JY-1进行对比，可以得出二者在笔石特征及自然伽马曲线特征上均较吻合（图5）。自然伽马测井曲线上WF2，WF3 处于高值峰，LM2—LM3 处于低值峰，LM4，LM5 处于高值峰，但与焦石坝地区JY1 相比，研究区XY-3 井的自然伽马曲线上GR值普遍偏低，JY-1 井位于焦石坝西北部，其WF2—LM4 主要为黑色炭质页岩，硅质含量高，含丰富的笔石化石［19-20］。焦石坝地区五峰组—龙马溪组呈完整的连续沉积，富有机质页岩沉积厚度大，导致JY1 井测井曲线上GR值相对较高。LM1 笔石带测井曲线上一般表现为GR值具有局部较大峰的特征［10］（E 峰GR值达307.4 API）。受广西运动的影响，湘鄂水下高地发生隆升，造成研究区五峰—龙马溪组沉积时水体变浅，有机质含量较低，测井曲线上GR值整体偏低。LM1 沉积时期研究区出露水面，导致缺失LM1 及局部极大E 峰。

图5 湘西北XY-3 井（a）与渝东JY-1 井（b）五峰组—龙马溪组划分的笔石带的划分和对比Fig.5 Division and comparison of graptolite zones of Wufeng-Longmaxi Formation in well XY-3 in northwestern Hunan（a）and well JY-1 in eastern Chongqing（b）

3 生物地层特征

3.1 矿物组分特征

通过硅质矿物（石英+长石）、碳酸盐矿物、黏土矿物等3 端元图解可以对湘西北地区各笔石带页岩矿物质量分数进行岩性分类［21］，并进一步评价各笔石带有机质丰度特征，可将其划分为低碳（＜1.0%）、中碳（1.0%～2.0%）、高碳（2.0%～4.0%）、富碳（＞4.0%）等4 个级别［22］。WF2—WF3 笔石带的硅质矿物质量分数为45%～88.5%，平均为67.9%，TOC 质量分数平均为1.46%，为中碳硅质页岩相。WF4 的硅质矿物质量分数为29.5%～62.8%，平均为43.46%，TOC 质量分数平均为0.89%，为低碳混合质页岩相。LM2—LM4 硅质矿物质量分数为39.4%～58.3%，TOC 质量分数平均为1.35%，为中碳硅质页岩相。LM5—LM7 硅质矿物质量分数为47.0%～69.9%，平均为49.8%，TOC 质量分数平均为0.26%，为低碳黏土质页岩。垂向上从五峰组—龙马溪组的硅质矿物和碳酸盐矿物含量均呈现减小趋势，黏土矿物含量呈增加趋势（图6）。XY-3 井的WF2—WF3，LM2—LM4 具有较好的生烃潜力，其有机质丰度相对较好，平均为1.41%，岩性主要为硅质页岩相，硅质矿物平均质量分数为59.8%，脆性指数平均为0.61，相对较高，岩体具有一定的可压裂性，孔隙度平均为1.50%，有利于页岩气富集，可以作为储集层。LM5—LM7 直接覆盖在富有机质层段之上，与LM2—LM4 呈整合接触，岩性为黏土质页岩相，孔隙度平均为0.75%，岩性致密，具有较好的封盖能力。因WF2—WF3，LM2—LM4 具有高TOC、高脆性、高孔隙度特征，且具有一定的生烃潜力和可压裂性，LM5—LM7 具有较好的封盖能力，因此研究区XY-3 井具有相对较好的生储盖组合（图7）。

图6 湘西北XY-3 井五峰组—龙马溪组页岩特性综合分析图Fig.6 Comprehensive analysis of shale characteristics of Wufeng-Longmaxi Formation in well XY-3 in northwestern Hunan

图7 湘西北XY-3 井页岩矿物组成的三端元图解Ⅰ.硅质页岩相；Ⅱ.混合质页岩相；Ⅲ.灰质页岩相；Ⅳ.黏土质页岩相Fig.7 Mineral composition diagram of shale in well XY-3 in northwestern Hunan

3.2 沉积环境

湘西北地区WF2—WF3 笔石带的w（U）/w（Th）为0.55～1.06，平均为0.81，表明WF2—WF3 沉积于贫氧化环境，硅质含量较高，TOC 的质量分数平均为1.46%，岩性为中碳硅质页岩相，并发育有深水相双列攀合笔石Dicellograptus tumidus chen、Appendispinograptus venustus等，该类笔石具有叉笔石式、栅笔石式、体积较大、双枝呈现上斜式或上攀式生长的特征，表明其沉积环境为相对较深的贫氧化环境（图8）。WF4 笔石带沉积时受湘鄂水下高地隆升的影响，水体较浅，发育浅水相笔石Normalogr ex‐traordinarius为主，碳酸盐含量增加，硅质含量降低，TOC 质量分数平均为0.89%，岩性为低碳混合质页岩相。页岩中w（U）/w（Th）为0.56～1.05，平均为0.72，表明沉积时水体相对较浅水，且为氧化环境（图9）。

图8 湘西北XY-3 井五峰组—龙马溪组U/Th 的氧化还原环境判别（据文献［23］修改）Fig.8 Discrimination of redox environment by U/Th of Wufeng-Longmaxi Formation in well XY-3 in northwestern Hunan

图9 湘西北XY-3 井五峰组—龙马溪组纵向演化模式Fig.9 Vertical evolution model of Wufeng-Longmaxi Formation in well XY-3 in northwestern Hunan

LM2—LM4 笔石带的w（U）/w（Th）为0.68～1.17，平均为0.97，指示LM2—LM4 沉积于贫氧化环境。岩石中硅质含量较高，TOC 质量分数平均为1.35%，岩性为中碳硅质页岩相，并发育双列攀合笔石Akidograptus ascensus、Cystograptus vesiculousus等，笔石枝呈现上攀式生长，胞管排列整齐，反映了沉积水体相对较深，且为贫氧化环境。

LM5—LM7 笔石带的w（U）/w（Th）为0.45～0.64，平均为0.50，表明其沉积环境为氧化环境。LM5—LM7 主要以黏土矿物为主，TOC 质量分数平均为0.26%，岩性为低碳黏土质页岩相，发育浅水相单枝笔石Demirastrites decipiens、Rastries leiboensis Ye等，笔石体由双枝转变单枝，胞管从直笔石式向卷笔石、半耙笔石式、耙笔石式转变［8］，表明沉积水体相对较浅，且为氧化环境。

4 勘探意义

上扬子地区上奥陶统五峰组—下兰多维列统龙马溪组笔石生物地层特征在长宁、华蓥山、巫溪等地区的研究较为深入。选择具有代表性的长宁N211 井、华蓥山、巫溪2 井等钻井，揭露其五峰组—龙马溪组富有机质页岩的有机质丰度、矿物组成、沉积环境等，并与湘西北地区的XY-3 井进行对比。XY-3 井五峰组—龙马溪组发育WF2—LM7 笔石带，缺失LM1 笔石带。有机质相对富集的层段为WF2—WF3 和LM2—LM4，厚度为17.9 m，岩性以硅质页岩为主，具有高脆性、相对高孔隙度的特征，沉积于偏氧化环境，TOC 质量分数平均为1.41%。

长宁页岩气田位于四川盆地南缘，邻近黔中古陆，区域内五峰组—龙马溪组黑色页岩发育。以典型井N211 井为例，发育WF1—LM8 笔石带，其页岩气有利富集层段为WF2—LM4，厚度为31.1 m，岩性主要为硅质页岩、炭质泥页岩、粉砂质页岩，其脆性矿物质量分数均大于55%，具有高硅-低黏土特征，沉积于深水还原环境，TOC 质量分数平均为3.59%［24-26］。华蓥山地区位于川中低隆起带东部边缘，区域内发育五峰组—龙马溪组黑色页岩，发育笔石带为WF2—LM9，总厚度为88.5 m，其富有机质层段为WF3—LM7，厚度为18.4 m，岩性以硅质页岩为主，含有部分泥岩，具有高硅-低黏土特征，沉积于深水环境，TOC 质量分数平均为4.3%［27］。渝东北巫溪地区位于四川盆地东北部外缘，临近外扬子海，区域内五峰组—龙马溪组笔石序列发育完整且连续，以巫溪2 井为例，发育WF2—LM9 笔石带，总厚度为126 m，其富有机质层段位于WF2—LM9下部，厚度为89.8 m，岩性以硅质页岩为主，脆性矿物质量分数为34.2%～84.9%，平均为66.4%，沉积于深水还原环境，TOC 质量分数平均为2.7%［28］。

湘西北地区XY-3 井的WF2—WF3，LM2—LM4笔石带作为页岩气的有利富集层段，岩性整体上具有高硅-低黏土-较高的TOC 含量等特征，但与长宁地区N211井、华蓥山、巫溪2 井相比，研究区XY-3井的WF2—WF3，LM2—LM4 厚度较薄，富有机质层段的页岩厚度仅为1.2 m。晚奥陶世，研究区受广西运动的影响，湘鄂水下高地发生隆升，沉积水体变浅，地层出露水面并遭受剥蚀，造成其缺失LM1，使富有机质页岩沉积厚度变薄。有机质的富集需要水体保持缺氧状态，以减少有机碳的氧化分解［29］，而WF2—WF3，LM2—LM4 沉积于含氧环境，不利于有机质的保存，导致其TOC 含量偏低。因此，受湘鄂水下高地隆升的影响范围内的五峰组—龙马溪组页岩气勘探存在一定的风险。湘鄂水下古隆起腹部的隆升最为剧烈，缺失的笔石带层更多，其周缘缺失的笔石带相对较少，如彭页1井。尽管彭页1 井紧邻湘鄂水下古隆起，但其未在古隆起腹部，仅缺失观音桥层，具有一定的勘探潜力。综上所述，在湘西北地区进行页岩气勘探时，可在湘鄂水下古隆起的周缘或边缘寻找有利目标区。

图10 长宁N211 井—华蓥山井—湘西北XY3 井—巫溪2 井连井剖面Fig.10 Cross section of well Changning N211-well Huayingshan-well XY-3 in northwestern Huna-well Wuxi 2

5 结论

（1）通过湘西北地区XY-3 井笔石带的生物类型、矿物组成特征研究及其自然伽马测井曲线特征，将五峰组—龙马溪组精细划分为8 个笔石带，分别为WF2，WF3，WF4，LM2—LM3，LM4，LM5，LM6，LM7，受湘鄂水下高地隆升的影响，缺失LM1。

（2）湘西北地区XY-3 井的WF2—WF3 和LM2—LM4 为中碳硅质页岩相，沉积于贫氧化环境；WF4为低碳混合质页岩相，沉积于氧化环境；LM5—LM7 为低碳黏土质页岩相，沉积于氧化环境。WF2—WF3，LM2—LM4 笔石带的TOC 质量分数平均为1.41%，脆性指数平均为0.61，孔隙度平均为1.5%，具有高TOC-高脆性-高孔隙度的特性，具有一定的生烃潜力和可压裂性，为页岩气勘探的有利层段。

（3）湘西北地区XY-3 井有利层段WF2—WF3和LM2—LM4 的总厚度为17.9 m，整体厚度与长宁、华蓥山、巫溪等相比均较薄，有机质丰度较低。整体上，湘鄂水下高地腹部范围内的五峰组—龙马溪组页岩气勘探存在一定风险，可在周缘地区部署井位。