页岩地球化学特征及沉积环境分析——以川南长宁地区五峰组—龙马溪组为例

卢畅 ，陈雷 ，杨扬 ，周昊 ，谭秀成 ，李雪松

（1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学研究分室，四川 成都 610500；3.天然气地质四川省重点实验室，四川 成都 610500；4.四川长宁天然气开发有限责任公司，四川 成都 610051）

中国具有丰富的页岩气资源，四川盆地是中国页岩气勘探开发的前沿地区[1-6]。长宁地区位于四川盆地南部，该地区五峰组—龙马溪组页岩为典型的海相页岩，页岩沉积厚度大、分布范围广、纹层发育、富含有机质[7-10]。

上奥陶统五峰组（O3w）到下志留统龙马溪组（S1l）页岩沉积时期，在全球范围内发生了一系列重大地质事件，晚奥陶世生物大灭绝[11-12]、赫南特冰川事件[13-14]、碳氮同位素漂移[15-16]及全球黑色页岩广泛沉积等[17-18]。川南长宁地区五峰组—龙马溪组页岩沉积于该时期，研究其沉积环境演化具有重要意义。对于页岩气，沉积环境不仅在宏观上控制了富有机质页岩的形成及空间展布，更在微观上决定了富有机质页岩的矿物成分、地球化学特征、储集空间特征等[19]。本文对长宁地区五峰组—龙马溪组页岩的81个样品进行了主量元素与微量元素测定，其中，X1井22个样品，X2井24个样品，X3井35个样品。主量元素与微量元素分别采用X射线衍射（XRD）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析技术进行测定，测定结果误差小于5%。同时，本文研究了五峰组—龙马溪组页岩的地球化学特征和沉积环境，研究成果对长宁区块页岩油气的勘探预测起到重要作用。

1 地质背景

长宁地区位于四川盆地南部，北邻川南低缓背斜构造带，南接黔西北宽缓背斜褶皱带（见图1）[10]。晚奥陶世至早志留世时期，四川盆地的东南缘受构造作用抬升而隆起，从开阔海洋环境向局限海洋环境转变，形成了一套总有机碳质量分数（TOC）较高、地层厚度较大的海相泥页岩[18-19]。研究区在五峰组—龙马溪组沉积早期，由于海底大面积缺氧，有机质和生物硅质能够有效保存，该地区沉积了一套分布稳定的深色富笔石页岩[20]。

图1 研究区构造位置

研究区上奥陶统五峰组（O3w）厚度为3～10 m，碳质含量较高，富含笔石、放射虫等生物。五峰组顶部观音桥段发育介壳灰岩，厚度较小，介于0.5～1.0 m。下志留统龙马溪组岩性为一套黑色碳质页岩和粉砂质页岩组合，可见大量笔石。龙马溪组分为龙一段（S1l1）和龙二段（S1l2），其中，龙一段又分为龙一 1 亚段（S1l11）和龙一2亚段（S1l12）。龙一1亚段富含有机质，又细分为1小 层 （S1l11-1）、2 小 层 （S1l11-2）、3 小 层 （S1l11-3）、4 小 层（S1l11-4）（见图2）。

图2 长宁地区五峰组—龙马溪组地层综合柱状图

2 地球化学特征

2.1 主量元素

长宁地区五峰组—龙马溪组页岩主要由SiO2，Al2O3，CaO等组成，各层位的主量元素质量分数（w）均不相同（见表1）。 w（SiO2）介于 5.72%～75.64%，平均53.48%；w（Al2O3）介于 1.79%～25.58%，平均 11.47%；w（CaO）介于0.48%～32.86%，平均8.60%。除此之外，研究区五峰组—龙马溪组页岩还有Fe2O3，MgO，K2O，平均质量分数均小于10.0%，以及少量的Na2O，MnO2，TiO2，P2O5，平均质量分数均小于 1.0%。

表1 长宁地区五峰组—龙马溪组页岩主量元素质量分数 %

研究区五峰组 w（CaO）高于龙马溪组，w（Al2O3）及w（SiO2）低于龙马溪组。 垂向上，龙马溪组 w（Al2O3）总体呈向上增加的趋势，表明龙马溪组沉积早期到后期的陆源碎屑输入量逐渐增加。

2.2 微量元素

长宁地区五峰组—龙马溪组页岩微量元素有Ba，Zr，Zn，Sr等，各层位微量元素质量分数不同（见表2）。五峰组页岩 w（Ba），w（Zr），w（Zn），w（Sr）均较高，平均质量分数分别为 1 484.1，187.3，219.6，400.5 μg/g。 龙马溪组页岩 w（Ba），w（Zn），w（Sr），w（V）均较高，平均质量分数分别为 1 723.3，219.6，177.6，166.8 μg/g。

表2 长宁地区五峰组—龙马溪组页岩微量元素质量分数 μg·g-1

为了研究微量元素的富集规律，本文对研究区所有样品的微量元素进行PAAS（后太古宙澳大利亚页岩）标准化处理（见图3）。图中不同颜色代表研究区不同样品，质量分数比为研究区页岩与PAAS的微量元素质量分数比值。由图3可以看出，五峰组页岩的Mo，Pb，U元素较为富集，龙马溪组页岩的Mo，Ba，U元素较为富集。

图3 长宁地区五峰组—龙马溪组页岩微量元素PAAS标准化蜘蛛网图

3 沉积环境分析

3.1 氧化还原条件

目前有许多指标可以表征页岩沉积时的水体氧化还原条件[21-22]。大量研究发现，w（V）/w（Cr），w（V）/（w（V）+w（Ni）），w（U）/w（Th）这 3 个指标可以表征长宁地区五峰组—龙马溪组页岩沉积时的水体氧化还原条件（见表3）[21-22]。 五峰组页岩的 w（V）/w（Cr）平均为 4.01，w（V）/（w（V）+w（Ni））平均为 0.66，w（U）/w（Th）平均为0.97，表明五峰组时期为贫氧—厌氧环境，有利于有机质富集（见表4）。

表3 长宁地区五峰组—龙马溪组氧化还原条件判别标准

表4 长宁地区五峰组—龙马溪组各层位元素指标

龙马溪组 w（V）/w（Cr），w（U）/w（Th）从底部到顶部均呈现减小趋势，从 S1l11-1到 S1l12，w（V）/w（Cr）平均值从 6.55 逐渐减小至 1.79，w（U）/w（Th）平均值从 3.49逐渐减小至 0.32，w（V）/（w（V）+w（Ni））平均值无较大变化，介于0.66～0.73（见表4）。因此，从整体上看，龙马溪组页岩在S1l11-1—S1l12沉积时期的沉积环境为缺氧环境，垂向上从极度缺氧的厌氧环境向贫氧环境演变，含氧量逐渐上升。厌氧环境与贫氧环境的过渡时期在S1l11-2沉积末期与S1l11-3沉积初期，到S1l12沉积时期已接近氧化环境。

3.2 水体滞留程度

水体滞留程度与海平面升降息息相关，影响沉积环境的氧化还原条件，也是海水微量元素供给的主要影响因素之一[23]，缺氧环境有利于有机质的富集与保存[24]。五峰组页岩沉积时期，盆地为贫氧—厌氧环境，沉积物中Mo和U相对缺乏。

图4为长宁地区五峰组—龙马溪组页岩Mo-U协变模式。图中红色虚线表示海水中Mo与U的浓度比值（SW=7.9），3条黑色虚线分别表示Mo与U的浓度比值是海水的0.1，0.3，3.0倍。

图4 长宁地区五峰组—龙马溪组页岩Mo-U协变模式

五峰组页岩样品点分布表明，此时盆地环境封闭，水体滞留在盆地内，与外界交换较少，与黑海相似，属于强滞留环境（见图4）。

龙马溪组底部S1l11-1—S1l11-2为极度缺氧的厌氧环境，在还原性极强的条件下，Mo和U更易在沉积物中富集。整体看，S1l11-1—S1l11-2沉积时期与五峰组沉积时期不同，样品点分布在SW线附近，协变图中表现的不是弱滞留环境和非滞留环境。S1l11-3—S1l12为贫氧环境，此时含氧量上升，有机质保存与富集的有利条件变弱，沉积物中w（Mo）及 w（U）较低，样品点落在非滞留环境，S1l11-3—S1l11-4为缺氧—厌氧静海相，S1l12为贫氧—缺氧环境（见图4）。

龙马溪组页岩的Mo-U协变模式无法直接与协变图中某个现代海盆直接对应。前人研究发现，这种情况与Oklahoma盆地Woodford页岩的Mo-U协变模式类似[24-26]，该模式出现在半滞留环境中，因此推断研究区在龙马溪组页岩沉积时期为半滞留环境。

3.3 古气候

地表岩石的化学风化程度主要受温度和湿度的影响，炎热潮湿的环境会促进岩石化学风化作用，寒冷干燥的环境不利于化学风化作用，物理破碎等作用起到主导作用。化学风化指数（CIA）可以定量反映沉积岩物源区的化学风化作用的强度。研究发现：CIA＞80时，表明沉积物沉积时的古气候炎热潮湿，岩石化学风化作用较为严重；CIA介于65～80时，表明沉积物沉积时的古气候温暖湿润，岩石化学风化作用中等；CIA介于50～65时，表明沉积物沉积时的古气候寒冷干燥，岩石化学风化作用较弱[27]。

长宁地区五峰组—龙马溪组页岩化学风化指数见表5。由表可知：各层位化学风化指数稳定，介于64.60～76.04，平均 69.75～72.70，表明该时期长宁地区古气候是温暖湿润的。随着龙马溪组化学风化指数由底部至顶部逐渐增大，古气候也逐渐向温度更高、湿度更大的方向演变。温暖湿润的古气候为生物发育创造了环境条件，生物繁盛使得龙马溪组页岩沉积时期具有较高的初级生产力，同时也为研究区富有机质页岩沉积奠定了物质基础。

表5 五峰组—龙马溪组页岩化学风化指数

4 沉积环境演化模式

长宁地区五峰组—龙马溪组页岩沉积时期是上扬子构造沉积环境演化的重要时期，沉积环境在氧化还原条件和水体滞留程度方面都发生了变化。

五峰组页岩沉积时期，沉积环境为贫氧—厌氧的强滞留环境（见图5）。此时水体交换频率低，盆地较为封闭，与外界陆源碎屑物质交换较少。由于频繁短暂的火山喷发活动[28]，气候温暖湿润，生物繁盛，可见硅质放射虫、棘皮、笔石等[29]，大量生物带来的高生产力为有机质富集提供了物质基础。

图5 长宁地区X1井五峰组—龙马溪组沉积环境演化模式

龙马溪组页岩沉积时期，研究区处于一个半滞留环境（见图5）。龙马溪组底部的还原条件较五峰组好，厌氧的强还原环境为有机质富集保存提供了较好的环境基础。龙马溪组页岩沉积时期，沉积环境处于温室效应中，此时发育的动物群稳定[29]。因此，沉积时期的古气候温暖湿润，古生物丰富，初级生产力高。

5 结论

1）长宁地区五峰组—龙马溪组页岩主要由SiO2，Al2O3，CaO等组成。页岩微量元素PAAS标准化处理后发现，五峰组页岩的Mo，Pb，U元素较为富集，龙马溪组页岩的Mo，Ba，U元素较为富集。

2）五峰组页岩沉积时期，长宁地区处于贫氧的缺氧环境。龙马溪组页岩在S1l11-1—S1l12沉积时期为缺氧环境，垂向上从极度缺氧的厌氧环境向贫氧环境演变，含氧量逐渐上升，到S1l12沉积时期接近氧化环境。

3）五峰组页岩沉积时期为强滞留环境，龙马溪组页岩沉积时期为半滞留环境。

4）长宁地区古气候温暖湿润，随着龙马溪组化学风化指数由底部至顶部逐渐增大，古气候也逐渐向温度更高、湿度更大的方向演变。