重庆市武隆区黄莺乡五峰组—龙马溪组剖面沉积特征及地质意义

何希鹏，高玉巧，马 军，张培先，何贵松，周頔娜，刘娜娜，孙 斌

（中国石化华东油气分公司,江苏南京210019）

四川盆地内的涪陵、威远、长宁、昭通、威荣、永川等地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩因其静态指标优越、埋藏深度适中、富集条件有利和大型水力压裂等工程工艺技术适应性好，实现了我国南方海相页岩气大规模商业开发，促进了我国页岩气产业的快速发展，有力支撑了我国天然气供给和绿色低碳能源转型[1-9]。四川盆地外的武隆地区由于受多期复杂的构造活动影响，页岩气资源禀赋较差，单井产能较低[10-15]，尚处于勘探评价阶段，目前实施的少量页岩气探井难以揭示该区页岩气成藏特征及富集高产规律，补充一批典型的露头剖面，对控制页岩的沉积演化、储层特征及静态参数展布规律具有重要意义。

基于重庆市武隆区黄莺乡剖面观察和实测，对黄莺乡剖面五峰组—龙马溪组底部岩性、地层、古生物、沉积等特征进行研究，划分黄莺乡剖面地层序列和沉积环境。通过剖面连续取样，开展薄片、地化、物性、矿物组成、孔隙微观结构、微量元素等测试分析，研究页岩静态指标与沉积环境的关系，建立沉积环境演化模式，明确沉积环境对页岩品质的控制作用，以期为四川盆地外残留向斜五峰组—龙马溪组页岩气勘探开发提供参考。

1 地质背景

黄莺乡剖面位于重庆市武隆区黄莺乡双河村（建设西路S203 道旁），构造位置处于利川—武隆复向斜武隆向斜团堡次凹南翼。武隆向斜位于四川盆地与雪峰隆起西缘之间的“槽—档”过渡带，核部平缓而开阔，两翼地层倾角变陡，约为25°～35°，北翼倾角陡于南翼，呈不对称向斜，轴面倾向北西，走向呈近东西向（图1），面积约为1 200 km2。向斜核部出露地层以侏罗系—三叠系为主，由南向北依次出露二叠系、志留系、奥陶系、寒武系。上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组为该区页岩气勘探主要目的层，五峰组厚度介于5～9 m，岩性以黑色页岩为主；龙马溪组厚度介于400～450 m，上部为黄灰色、深灰色、灰黑色泥质粉砂岩、粉砂质页岩、页岩，中部为深灰色、灰黑色泥质粉砂岩，下部为灰黑色、黑色页岩。

图1 渝东南地区构造分布Fig.1 Tectonic distribution in southeastern Chongqing

2 地层发育特征

黄莺乡剖面出露地层从底到顶依次为上奥陶统临湘组（未见底）、五峰组、下志留统龙马溪组一段（未见顶）地层。重点研究层位地层出露完好，临湘组与五峰组、观音桥段与龙马溪组界线可清晰识别。地层产状340°至350°∠27～30°，测量厚度为60 m，真厚度为32.7 m（图2）。整体构造简单，层理、节理、高角度裂缝发育，五峰组—龙马溪组发育典型的黑色笔石页岩和深灰色介壳泥质灰岩，页岩段笔石丰富，介壳泥质灰岩段见典型的赫南特贝，并可观察到灰色—灰白色斑脱岩，与黑色页岩互层（图3）。

图2 重庆市武隆区黄莺乡五峰组—龙马溪组剖面Fig.2 Outcrop of Wufeng-Longmaxi Formation in Huangying Town

2.1 地层界线

剖面底部为上奥陶统临湘组灰色瘤状灰岩，与五峰组呈整合接触，接触面发育1 cm 厚的灰白色斑脱岩（图3a）。五峰组与上覆下志留统龙马溪组为连续沉积，整合接触，两者以五峰组顶部沉积的一套厚度为0.32 m 的观音桥段深灰色介壳泥质灰岩为界线（图3b），其上为龙马溪组，其下为五峰组。这一界线在四川盆地及周缘地区的钻井岩心上也能观察到。

图3 重庆市武隆区黄莺乡剖面地层界线Fig.3 Stratigraphic boundary of Huangying section,Wulong,Chongqing

2.2 地层特征

在黄莺乡剖面岩性、层理构造、裂缝、生物化石等特征详细描述的基础上，利用手持伽马仪开展了伽马数据采集，对剖面密集采样，开展系统分析测试工作，依据获取的地层描述、自然伽马、分析测试等资料，开展了黄莺乡剖面精细地层划分（图4），自上而下描述如下。

图4 重庆市武隆区黄莺乡剖面五峰组—龙马溪组实测综合柱状图Fig.4 Comprehensive histogram of Wufeng-Longmaxi Formation in Huangying section,Wulong,Chongqing

龙马溪组一段（未见顶）

12 层：黑色硅质页岩，风化后呈黄绿色，页岩污手，页理发育；含个体较大正常笔石（Normalograptus angustus）等笔石化石，笔石带为LM5，化石含量普遍介于10%～25%；见星散状黄铁矿。

厚6 m

11层：黑色含粉砂页岩，页岩污手，页理较发育；含栅笔石（Clinoclimacograptus）等笔石化石，笔石带为LM5，笔石个体较大，化石含量介于10%～30%；硅质含量相对较低，顶部见一层钙质页岩；系鲁丹阶海侵晚期沉积物，海平面开始下降，水体逐渐变浅，但总体仍处于深水陆棚亚相沉积环境。

厚2.9 m

10 层：黑色硅质页岩，页理非常发育；笔石较发育，可见正常笔石（Normalograptus angustus）、栅笔石（Clinoclimacograptus）等化石，个体较大，笔石带为LM5；见广泛分布的星散状黄铁矿，层内节理不发育。为鲁丹阶海侵中期沉积物，处于深水陆棚亚相。

厚8.7 m

9 层：黑色中厚层状硅质页岩，页理、节理较发育；化石含量介于5 %～15 %，见雕刻笔石（Persculptograptus persculptus），笔石带为LM3—LM5；黄铁矿呈透镜状、星点状、纹层状分布，见薄层灰褐色斑脱岩。

厚4.6 m

8层：黑色中层状硅质页岩，见多层滑脱，页理、节理发育，中部见1 条微断层，断距小于1 m，可见三组高角度裂缝，方解石、黄铁矿半充填—全充填；笔石含量一般介于10 %～40 %，见尖笔石（Akidograptus ascensus），笔石带为LM3—LM5；黄铁矿呈透镜状、星点状、纹层状分布，见薄层灰褐色斑脱岩；为冰川期后鲁丹阶海侵早期沉积物，处于深水陆棚亚相。

厚9.2 m

7层：黑色中薄层硅质页岩，页理发育，发育两组裂缝；见雕刻笔石（Persculptograptus persculptus），笔石带为LM1—LM2，笔石含量极为丰富，达到25%～75%，表明经历奥陶纪末赫南特期短暂冰川作用后，笔石开始爆发式复苏并加速演变；局部见硅质结核，黄铁矿呈星散状分布。

厚1.4 m

——整合——

五峰组

6 层：观音桥段深灰色介壳泥质灰岩，滴稀盐酸起泡明显，见赫南特贝化石（Hirnantia）。

厚0.32 m

5 层：黑色中薄层状硅质页岩，单层厚度为10～30 cm，页理发育；黄铁矿呈星散状分布，高角度裂缝发育，发育3组方向，未见钻井岩心的典型揉皱现象；笔石含量较高，介于25 %～40 %，见扁平叉笔石（Dicellograptus complanatusLapworth），该层笔石带为WF2—WF3；夹10层厚度为1～3 cm的斑脱岩。

厚3.88 m

4层：黑色硅质页岩，发育顺层滑动构造，裂缝发育，以低角度缝为主，方解石充填。

厚0.44 m

3层：黑色中薄层硅质页岩，页理发育；笔石含量较高，介于10%～25%，见扁平叉笔石（Dicellograptus complanatusLapworth），笔石带为WF2—WF3；层间夹4层厚度为1～3 cm的斑脱岩。

厚1.31 m

2层：黑色薄层硅质页岩，页理发育；笔石含量较高，介于5%～15%，笔石带为WF2—WF3；层间夹2层厚度为1～3 cm的斑脱岩。

厚0.92 m

——整合——

临湘组

1层：灰色中厚层状微晶灰岩，夹瘤状灰岩，地表溶蚀作用较强，呈小沟槽状，未见底。

黄莺乡剖面五峰组主体处于凯迪阶深水陆棚亚相，发育扁平叉笔石（Dicellograptus complanatusLapworth），笔石含量介于15 %～40 %，笔石带为WF2—WF3。龙马溪组一段出露地层处于鲁丹阶深水陆棚亚相，岩性为灰黑色硅质页岩，笔石含量极为丰富，见直管笔石（Rectograptus）、矛状栅笔石（Climacograptus hastatus）、雕刻笔石（Persculptograptus persculptus）、尖笔石（Akidograptus ascensus）等典型笔石，笔石带为LM1—LM5。

黄莺乡剖面五峰组—龙马溪组一段出露地层的岩性、电性特征与武隆向斜LY1、LY2 井的①—⑤小层基本一致，厚度有一定差异（图5）。五峰组主体为黑色页岩，顶部发育0.2～0.32 m 厚观音桥段灰质泥岩—泥质灰岩；龙马溪组一段②—⑤小层岩性以硅质页岩为主，整体伽马值较高，其中②小层和④小层发育两个异常高伽马尖峰。厚度上表现出①—⑤小层由南向北有变厚趋势，说明北部更靠近深水陆棚沉积中心，厚度更大。

图5 重庆市武隆区黄莺乡剖面五峰组—龙马溪组优质页岩元素地球化学剖面Fig.5 Geochemical profile of high-quality shale elements of Wufeng-Longmaxi Formation of Huangying section,Wulong,Chongqing

3 沉积环境及演化

渝东南地区五峰—龙马溪组沉积环境处于水体呈弱分层的缺氧环境，随深度变浅，沉积环境由还原向次还原、次氧化过渡，笔石存在深度分带现象[16-22]。根据黄莺乡剖面岩性组合、笔石发育特征、元素地球化学、有机地球化学等资料，讨论沉积环境变化规律。

3.1 凯迪期

凯迪期，受川中古隆起、黔中古隆起和江南雪峰隆起的影响，四川盆地及周缘大部分地区形成局限的深水缺氧沉积环境，沉积了五峰组中—薄层黑色硅质页岩，局部见黄铁矿。黄莺乡剖面凯迪阶黑色页岩厚度为6.5 m，笔石化石保存较为完整，呈无序状态分布于页岩中，表明为静水环境。凯迪阶黑色硅质页岩的V/(V+Ni)比值为0.88～0.97，平均为0.92，整体大于0.46（表1、图6），说明WF2—WF3 笔石带所处为厌氧的还原静水深水陆棚环境，有利于沉积有机质的保存。Al/Ti比值高，说明表层水体富营养，利于藻类、放射虫、笔石等古生物繁殖[23]，古生产力高。剖面样品Al/(Al+Fe+Mn)比值为0.54～1.00，平均为0.87，表明主要为生物成因硅。在硅质页岩中间夹16 层0.2～3 cm 薄层斑脱岩，表明构造活动剧烈，火山运动频繁[24-26]，火山灰带来的营养成分可提高古海洋生产力。上述因素的共同作用，导致凯迪阶黑色页岩有机质丰度较高，TOC（总有机碳含量）为3.82%～7.38%，平均为4.88%。

表1 重庆市武隆区黄莺乡剖面五峰—龙马溪组元素分析及沉积环境统计Table 1 Elemental analysis and sedimentary environment statistics of Wufeng-Longmaxi Formation in Huangying section,Wulong,Chongqing

3.2 赫南特期

赫南特期，受全球冰期和广西运动的影响，海平面大幅降低，在四川盆地及周缘沉积了观音桥段介壳泥质灰岩、灰质泥岩(钙质含量大于20 %，TOC小于1%)，平面上分布不连续[20]，黄莺乡剖面观音桥段厚度约为0.32 m，武隆向斜钻井揭示厚度为0.37～0.60 m。海平面下降导致沉积环境由深水陆棚亚相转变为浅水陆棚亚相，笔石发生生物大灭绝，冷水型赫南特动物群开始繁盛。

3.3 鲁丹期

鲁丹期，气温回暖，海水快速上升，形成与凯迪期范围大致相同的深水陆棚亚相沉积环境[23]，沉积了一套厚层黑色富有机质富笔石页岩，V/(V+Ni)比值为0.71～0.97，平均为0.90（见表1、图6），表明处于强还原沉积环境，利于笔石和藻类等古生物保存。但各小层特征存在一定差异，反应沉积微相存在一定差异。②—⑤小层岩性由黑色硅质页岩逐渐变为灰黑色页岩，笔石带由LM2 持续演化到LM5，含量逐渐减少，TOC含量由5.43%逐渐减小至3.58%，说明海平面逐渐下降，水体逐渐变浅。

图6 渝东南地区凯迪阶—鲁丹阶沉积演化模式（据本文参考文献[15]，有修改）Fig.6 Sedimentary evolution mode of Kaidian-Rudan in southeastern Chongqing(modified by references[15])

渝东南地区凯迪阶至鲁丹阶水体深度逐渐变浅，不同地区沉积环境和沉积演化有一定的差异，造成地层的岩性、厚度、元素组成有较大差异[15]。凯迪期，武隆地区处于深水陆棚沉积环境，沉积速率较慢，为2.64 m/Ma，黑色页岩厚度介于5～7 m。赫南特期，受海平面下降及局部隆升影响，沉积环境发生较大变化，武隆地区发育水下低隆（图7），沉积了0.2～0.4 m 厚浅水陆棚观音桥段介壳泥质灰岩。鲁丹期，再次海侵形成深水陆棚沉积环境，笔石种类发生较大变化，沉积速率加快，为6.5～7.0 m/Ma，形成的黑色页岩厚度为28～30 m。

从沉积建造来看，由西北的焦石坝向东南的南川、武隆、彭水地区，虽然同处于深水陆棚亚相，但受水体深度和沉积古地形的影响，优质页岩厚度逐渐减薄[12-14,27]。焦石坝地区处于深水陆棚沉积中心（图7），优质页岩厚度介于35～45 m[28]；南川地区处于深水陆棚中心外侧，优质页岩厚度介于31～35 m；武隆地区优质页岩厚度介于32～35 m，厚度较焦石坝地区减薄，但有机质丰度、石英含量更高，为生烃中心。

图7 重庆市武隆地区五峰—龙马溪组优质页岩静态指标对比剖面Fig.7 Comparative outcrop section of static indicators of high-quality shale in Wufeng-Longmaxi Formation in Wulong,Chongqing

4 地质意义

黄莺乡剖面揭示武隆地区五峰—龙马溪组沉积时期处于深水陆棚生烃中心，古生物繁盛，古生产力高，水体相对安静、强还原环境，有利于页岩缓慢堆积及有机质的富集和保存，从而沉积了一套厚度为31～35 m、TOC为3.5%～4.5%的富有机质页岩。在深水陆棚环境下形成的这套富有机质页岩同时具备生烃能力强、储层物性好、含气量高等特性，控制了页岩气成藏的物质基础。

1）页岩气静态指标

为了精细反映五峰组—龙马溪组页岩气静态指标随沉积环境变化的规律，对黄莺乡剖面进行连续取样，取样间隔为0.5 m，共采集样品29 件。除风化严重或被覆盖层段，所有样品均为通过剥离地表风化层后采集的新鲜岩石。

测试结果揭示，黄莺乡剖面五峰组—龙马溪组TOC为1.74 %～7.38 %,平均为3.95 %；孔隙度为4.41%～7.49%，平均为5.95%；石英含量为6.10%～82.00 %，平均为61.02 %，黏土含量为8.20 %～45.90 %，平均为28.70 %；Ro（有机质成熟度）为2.37%～3.06%，平均为2.60%（表2）。

表2 重庆市武隆区黄莺乡剖面各小层页岩气地质参数统计Table 2 Geological parameters of shale gas in Huangying section,Wulong,Chongqing

2）平面分布特征

整体来看，武隆地区处于深水陆棚相生烃中心，优质页岩厚度大（31～35 m），地化指标优越（TOC介于3.56%～4.55%），页岩生烃强度大，具备良好的页岩气富集物质基础；储层物性好，孔隙度为3.25 %～5.59%；页岩脆性矿物含量高，可压性好，石英含量为54.01%～62.56%（表3）。从平面分布特征上看，武隆地区优质页岩静态指标介于南川和焦石坝之间，武隆向斜西部的团堡次凹优于东部的火炉次凹（图8）。

表3 重庆市武隆向斜优质页岩段评价参数对比Table 3 Comparison of evaluation parameters of highquality shale section in Wulong Syncline,Chongqing

图8 重庆市武隆地区五峰—龙马溪组优质页岩静态指标分布Fig.8 Static index distribution of high-quality shale in Wufeng-Longmaxi Formation in Wulong,Chongqing

3）页岩气勘探潜力

总体来看，武隆向斜处于深水陆棚相沉积中心，优质页岩厚度大（31～35 m），静态指标优越（TOC介于3.56%～4.55%，孔隙度介于3.25%～5.59%），页岩生烃强度大，具备良好的页岩气富集物质基础。武隆地区①—④小层为深水陆棚亚相细粒沉积，水体较深，上层海水营养丰富，笔石、放射虫、浮游藻类等生物化石含量多，古生产力高，沉积有机质丰富，为成烃中心，TOC大于4.0%；矿物组成以硅质为主，生物成因硅质含量高，黏土含量适中，储层可改造性较好，因此，①—④小层是页岩气勘探开发甜点段。该向斜已完钻的3 口探井，测试日产气量达到（4.6～9.2）×104m3，实现了盆外残留向斜区常压页岩气的勘探突破，证实该区具有较好的勘探开发潜力，目前正在开展降本增效攻关试验，力争实现商业开发。

5 结论

1）重庆武隆区黄莺乡剖面出露五峰—龙马溪组下部地层识别出3 个阶8 个笔石带（WF2—LM5 笔石带），笔石种类、含量、保存特征等与沉积环境密切相关。凯迪阶、鲁丹阶总体为强还原的深水陆棚沉积环境，形成了厚层黑色硅质页岩，笔石丰富，有机质丰度高；两者之间的赫南特阶形成了富含赫南特贝的观音桥段深灰色介壳泥质灰岩，指示武隆地区发育水下低隆，沉积环境转变为浅水陆棚。

2）黄莺乡剖面揭示武隆地区五峰组—龙马溪组①—④小层的页岩气成藏物质基础和富集条件较好，是页岩气勘探开发甜点段。

3）武隆向斜处于深水陆棚相成烃中心，优质页岩厚度大，静态指标优越，页岩生烃强度大，具备较好的页岩气富集物质基础，进一步开展降本增效攻关试验，将能实现盆外常压页岩气商业开发。