张 娣,刘 伟,周业鑫,牟必鑫,周 志,郝景宇,赵安坤,陆俊泽,余 谦
(1.中国地质调查局成都地质调查中心,四川 成都 610081;2.自然资源部沉积盆地与油气资源重点实验室,四川 成都 610081;3.四川省煤田地质工程勘察设计研究院,四川 成都 610072;4.中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100083;5.中国石油化工股份有限公司勘探分公司,四川 成都 610041)
笔石是一类已绝灭的海相群体动物,不仅具有高度的地层对比价值,又是一类指相化石,代表了较为平静海水的特殊沉积环境(穆恩之,1950,1957)。其种类多、分布广、演化迅速而且特征明显,因此成为奥陶纪—志留纪碎屑岩相地层对比研究中的标准化石,被用作确定地层年代的“黄金标尺”(陈旭等,2015)。扬子区五峰组—龙马溪组笔石带划分方案(陈旭等,2015)被中石油、中石化、地调等产业部门广泛应用,WF1—LM9的13个笔石带(图1)代表了扬子地区目前最完整、连续的笔石生物地层序列,并可高效、准确地应用于钻井施工现场,在勘探中对黑色页岩的层位起到了精准的定位作用(陈旭等,2021)。在四川盆地及周缘地区,罗超等(2017)、王红岩等(2015,2017,2018)、何贵松等(2019)、梁峰等(2016,2017,2018,2019)对笔石生物地层进行了详细划分和对比,在笔石生物地层格架下探讨了优质页岩的沉积特征、成因机制、富集规律、沉积模式、保存条件、选区评价等,越来越多的成果陆续被发表(邹才能等,2015,2019;Liu et al.,2017;Wang et al.,2020;王玉满等,2015,2017,2018;聂海宽等,2016,2017,2019,2020a,2020b;Nie et al.,2020;陈孝红等,2018;童川川等,2018;Sun et al.,2019;周志等,2020;熊强青等,2020;武学进等,2020),对这套优质页岩的认识达到了新高度。邹才能等(2015,2019)、聂海宽等(2016)提出,WF2—LM4笔石页岩段是页岩气的富集高产段。这些研究成果对扬子区奥陶纪—志留纪间的页岩气地层对比和勘探开发起到了重要指导作用,为页岩气区块的资源潜力评估提供了重要依据。
图1 扬子区奥陶纪—志留纪之交笔石带序列(陈旭等,2015)Fig.1 Subdivision of the Ordovician-Silurian graptolite biozones in the Yangtze region
高精度生物地层研究,特别是以笔石带的带化石与特征分子一起组成的生物化石组合,可以较准确地确定地层。以笔石带为基础的生物地层对比,反映出来的地质问题具有重要的参考意义。扬子区西南缘地质构造复杂,生物地层研究程度较低。本文通过对扬子西南缘的沉积、生物地层研究,探讨笔石带的分布与沉积环境、优质页岩的关系,以期为预测该地区页岩气勘探开发的富集高产层段提供基础资料。
扬子区西南缘奥陶纪末—志留纪初地层主要出露于康滇古陆东缘的二郎山—西昌一线以东,包括泸定、汉源—荥经、甘洛—越西、马边—美姑—昭觉、绥江—雷波—永善—大关、布拖—金阳—普格等地区,构造范围隶属上扬子地区,北部以雅安北部的龙门山断裂带为界,西南部至丽江滇中推覆冲断带,南部至滇东北冲断带。其沉积构造演化与扬子地区基本一致,是在Rodinia裂解、特提斯形成演化的全球构造背景下发育起来的,埃迪卡拉纪—早古生代经历了局限台地、陆棚、缓坡、镶边台地和局限滞留浅海盆地沉积模式,晚古生代—中生代早期主要为海相碳酸盐台地沉积,中新生代为陆相沉积(刘宝珺等,1993)。奥陶纪末期,相当于五峰组的连续黑色页岩已经相变为更为近岸浅水的灰岩与白云质泥岩互层的大渡河组、白云质灰岩和粉砂岩为主的铁足菲克组、碳酸盐岩沉积为主的大箐组和薄层粉砂岩夹砂质白云岩的新沟组。大渡河组、铁足菲克组大部分、大箐组上部应为五峰组同期异相沉积(唐鹏等,2017)。
本文以陈旭等(2015)提出的扬子区五峰组(WF)和龙马溪组(LM)笔石生物地层作为当前黑色页岩地层划分和对比的“标尺”(图1)。剖面点采用1∶500的比例尺进行实测并以10~30cm间距连续采样,钻井岩心以5~25cm间距进行连续采样或观察并进行详细鉴定。笔石化石均在徕卡LEICA M125体式镜下拍照。
笔者等对天全大井坪剖面、轿顶山剖面、甘洛岩润剖面、云永地3井、布托A井、金阳新寨子、云永地2井、新地2井(张娣等,2019)、绥江B井等资料点(图2)进行了详细的生物地层划分,建立了纵向近南北向的天全—汉源—甘洛—永善—大关地区和横向近东西向的布拖—金阳—永善—绥江地区奥陶纪末—志留纪初生物地层剖面格架,对比了各剖面和钻井奥陶纪末—志留纪初笔石带分布,在建立准确的等时地层对比框架的基础上,对沉积环境、优质页岩差异性等方面进行分析和讨论。
图2 研究区奥陶纪—志留纪之交古地理格局Fig.2 Paleogeographic frame from Ordovician to Silurian in the study area
四川泸定冷碛佛耳岩、鸳鸯岩(大井坪)等二郎山地区,大地构造位置介于康滇地轴北东边缘和龙门山台缘坳陷南部之间的过渡地带,岩性组合特征与扬子区区别明显,地层序列已自成体系。金淳泰等(1989)将其相当于五峰组、观音桥组、龙马溪组的地层命名为新沟组、二郎山组、鸳鸯岩组。新沟组为深灰色薄层粉砂岩夹砂质白云岩,上部产Yinograptussp.、Dicellograptus ornatus Chen、Parakidograptus sp.
等笔石及牙形石,其层位与五峰组WF3的Tangyagraptus typicus带相当。二郎山组为深灰色钙质粉晶白云岩夹薄页岩,产笔石和牙形石,层位相当于綦江上奥陶统顶部的观音桥组,但岩性已有变化,几乎不含腕足类化石(金淳泰等,1989)。鸳鸯岩组底部为黑色薄层硅质岩夹薄砂岩,产LM1—LM4笔石带的重要分子和单笔石类化石,相当于龙马溪组,其地层沉积厚度巨大,在康滇古陆与川中古隆起之间可能存在水道与巴颜喀拉海相通(刘伟等,2010),因其上部露头不佳,本文仅划分出WF3—LM6笔石带。
汉源轿顶山剖面位于四川省雅安市汉源县尖子山北西400m,地层发育连续完整,仅龙马溪组上部出露不佳。五峰组同期地层以含锰碳酸盐岩为主,间夹黑色笔石页岩,与扬子区的五峰组在岩性上差异明显,因此,建立了大渡河组这一新的岩石地层单元,该剖面为大渡河组的命名剖面(胡正国,1980;穆恩之等,1981;冯洪真,1991)。大渡河组实际为扬子区五峰组的同期异相沉积(冯洪真,1991;唐鹏2017)。对轿顶山剖面1.9m左右的灰质白云岩及其下薄层黑色碳质泥岩(图3a)进行详细的生物地层划分,发现凯迪阶WF2—WF3的特征分子Appendispinograptus supernus(Elles and Wood)(图4a)、Appendispinograptus venustus(Hsü)(图4b)、Appendispinograptus ex gr.longispinus(T.S.Hall)、Dicellograptus ornatus Elles and Wood,灰质白云岩经牙形刺鉴定为Protopanderodus insculptus带,时代为凯迪中—晚期。其上南郑组(观音桥组?)主要沉积深灰色中厚层钙质粉砂岩,含生物骨屑灰岩透镜体,具有典型的Hirnantia动物群分子(冯洪真,1991;牟传龙等,2015),划分出赫南特阶上部的LM1 Metabolograptus persculptus带(图4c)。龙马溪组黑色笔石页岩识别出鲁丹阶的LM2—LM3 Akidograptus ascensus带—Parakidograptus acuminatus带(图4d)、LM4 Cystograptus vesiculosus带(图4e)、LM5 Coronograptus cyphus带(图4f),埃隆阶的LM6 Demirastrites triangulatus带(图4g),之上为坡积物所掩盖。
图3 研究区奥陶纪—志留纪之交岩石地层接触关系及岩石类型Fig.3 The contact relationship and rock types from Ordovician to Silurian in the study area
甘洛岩润剖面位于甘洛县城东北2km处,地层倒转但发育连续完整(图3b),风化较严重,TOC数据仅供参考。通过对甘洛岩润剖面进行详细测制和笔石生物鉴定,自下而上识别出WF2—LM6。甘洛岩润剖面五峰组及其下大箐组连续发育,见五峰组特征分子Dicellograptus sp.(图4h),Dicellograptus ornatus Elles and Wood,Rectograptus abbreviatus(Elles and Wood)(图4i)及WF3带化石Paraorthograptus pacificus(图4j)。因露头不佳未发现典型观音桥组沉积,本文以大量爆发式正常笔石属的出现作为观音桥组与龙马溪组的界线。何心一(2009)曾报道甘洛田坝地区上奥陶统赫南特阶观音桥组中发现四射珊瑚Borelasma,Crassilasma和Streptelasma等属。值得指出的是,甘洛剖面浮游笔石与典型的底栖树形笔石一起埋藏,这对于解释古生态环境和古地理位置都具有重要的意义(图4k)。
金阳新寨子剖面位于金阳县北西方向天地坝镇新寨子村,与金阳县城直线距离约3.70km。剖面出露较好,关键地层界限清楚,笔石丰富。下部临湘组小瘤状灰岩特征明显,其上岩性由灰黑色薄层状透镜体状硅质灰岩夹笔石页岩逐渐过渡为中厚层含钙质碳质泥岩夹薄层碳质泥岩(图3c),笔石丰富,见WF1带化石Dicellograptus cf.complanatus(Lapworth)(图4n)、WF3带化石Paraorthograptus pacificus(Ruedemann)和WF2—3笔石带特征分子Appendispinograptus supernus(Elles and Wood)(图4l)、Dicellograptus ornatus Elles and Wood、Appendispinograptus cf.Leptothecalis(Ge)(图4m)、Rectograptus uniformis(Mu and Lee)(图4o)等,观音桥组岩性为灰色泥微晶生屑砂屑灰岩(图3d),肉眼可见海百合茎碎片丰富(图3e)。龙马溪组下部主要岩性为灰黑色钙质碳质泥岩,夹数层含生屑泥质灰岩。因上部露头不佳,本文划分出WF1—LM6笔石带。
布托A井位于四川省凉山彝族自治州布拖县火烈乡,处于龙恩河断裂和瓦都断裂两条逆冲断层组成的对冲构造内的宽缓褶皱带。该井五峰组下部为硅质页岩,中部夹多套钙质粉砂质泥岩,顶部为微晶生屑灰岩;观音桥组主要岩性为灰-深灰色色中层状含生屑灰岩,生物碎屑以腕足类为主;龙马溪组为黑色、深灰色、黄灰色炭质、钙质、砂质页岩及粉砂岩:划分出WF2—LM6笔石带。
新地2井位于云南省昭通市大关县木杆镇漂坝村,区域构造位置处于滇东北冲断褶皱带大关木杆向斜。该井临湘组为浅灰色瘤状灰岩;五峰组为灰黑色钙质含碳—碳质泥岩夹灰黑色薄层硅质岩,含多层斑脱岩;观音桥组为含腕足介壳及海百合茎碎屑泥灰岩,见Hirnantia动物群;龙马溪组为黑色笔石页岩,岩性以灰黑色钙质含碳—碳质泥岩为主。通过详细的生物地层划分,可识别出WF1—LM8连续笔石带和组合(张娣,2019)。
云永地2井位于云南省永善县溪洛渡镇玉笋村,完钻井深1456.74m。奥陶系—志留系地层由下至上分别为:五峰组为灰黑色含硅质碳质泥页岩与含钙质碳质泥页岩间互,与下伏临湘组呈整合接触;观音桥组为深灰色含Hirnantia动物群泥质灰岩;龙马溪组灰黑色碳质页岩与灰黑色含钙质碳质泥岩互层,笔石丰富。通过详细的笔石鉴定,建立了WF2—LM8完整的笔石带序列(图4p—u),但受后期构造运动影响,裂缝发育,含气性极差,现场岩心浸水实验基本看不见气泡。
图4 研究区奥陶纪—志留纪之交部分典型笔石化石Fig.4 Typical graptolites from Ordovician to Silurian in the study area
绥江B井为位于云南省昭通市绥江县。五峰组为灰黑色含硅质碳质泥页岩与含钙质碳质泥页岩间互;观音桥组为深灰色含生物碎屑灰岩,非常薄,只有0.05m左右,需细致观察才可识别,见Paromalomena polonica(Temple),为赫南特贝动物群的重要分子。龙马溪组岩性以灰黑色碳质泥岩、灰黑色含钙质碳质泥岩为主,笔石丰富。绥江B井从五峰组到龙马溪组具有WF2—LM8下部完整的笔石带序列,其笔石带与新地2井有许多相似之处。
云永地3井位于云南省永善县莲峰镇大荡村,完钻井深1501.27m。五峰组为灰黑色含碳钙质泥岩,夹少量深灰色泥灰岩,深灰色泥晶灰岩,偶夹灰黑色钙质泥岩条带。见WF3带化石Paraorthograptus pacificus(Ruedemann)和WF2—WF4特征分子Appendispinograptus supernus(Elles and Wood),Dicellograptus minor Toghill,以底部深灰—灰黑色含碳钙质泥岩与下伏地层临湘组顶部深灰色泥微晶灰岩为界。观音桥组为灰—深灰色含泥—泥质生屑砂屑灰岩(图3f),中部0.34m段含丰富腕足介壳。龙马溪组底部为厚层状黑色钙质碳质泥岩,其上为灰—深灰色含粉砂钙质泥岩与浅灰—灰色钙质粉砂岩组成的毫米-厘米级韵律层,可识别出出LM2—LM5笔石带,见Normalograptus angustus(Perner),Normalograptus ajjeri(Legrand),Cystograptus vesiculosus(Nicholson),Cystograptus penna(Hopkinson),Dimorphograptus nanjingensis Sun,Coronograptus annellus Li
等分子。向上逐渐过渡为灰色含钙泥岩夹浅灰色微-粉晶灰岩、含泥砾微-粉晶灰岩。云永地3井位于古隆起边缘,具有向上变浅的沉积序列特征。本井的有机碳含量整体较低,仅在龙马溪底部明显升高,TOC最大值为3.86%,微含气,现场解析含气量最高为1.16m3/t,受断层的影响作用较小,有利于页岩气保存。
根据上述剖面和钻井资料点笔石鉴定结果,并与陈旭等(2015,2021)建立的扬子区笔石带划分标准进行对比如表1,表2所示。笔石带的分布与对比可以看出,五峰组内的WF2和WF3笔石带广泛分布,而赫南特阶的WF4和LM1的笔石动物群在云永地2井、新地2井、轿顶山等地分布,但这些地点地层连续完整,应当有这两个带的层位。龙马溪组的LM2—LM6笔石带,特别是LM2—LM4笔石带遍及全区,而LM6以上的笔石带,特别是LM7带之上,分布局限。因此,扬子西南缘五峰组和龙马溪组笔石带的分布基本特征和上扬子地区总体格局是一致的,其中WF2—LM4笔石带是分布最广泛的“甜点层段”(邹才能等,2015,2019;聂海宽等,2016),是页岩气产出的主要烃源岩层及储层。从上述笔石带的分布来看,扬子西南缘同样具有扬子地台含页岩气层位的基础条件。
表1 布拖—金阳—永善—绥江地区笔石带对比Table 1 Comparison of graptolite biozonesamong Butuo,Jinyang,Yongshan and Suijiang areas
表2 天全—汉源—甘洛—永善—大关地区笔石带对比Table 2 Comparison of graptolite biozones among Tianquan,Hanyuan,Ganluo,Yongshan and Daguan
五峰组—龙马溪组笔石带对比总体规律同上扬子其他地区一致。由于邻近古陆边缘,笔石带分布与对比的不均匀性,展示了各剖面点之间沉积环境的差异,优质页岩沉积时限也表现出了区域不均一性。
5.1.1 东西向的差异性
通过布拖—金阳—永善—绥江地区生物地层剖面格架对比(图5),西部的布拖—金阳地区凯迪阶WF2—WF4笔石带以钙质碳质页岩、硅质灰岩为主,局部层位钙质含量较高,显著特征为碳酸盐岩和碎屑岩的混合沉积,且碎屑岩内部多含有钙质成分,沉积构造仍以水平层理为主,较深水陆棚相相比,水体深度相对较浅,钙质成分较多,仍属浅海陆棚范围(牟传龙等,2015),为灰泥质浅水陆棚沉积。龙马溪组底部LM1—LM6笔石带为碳质泥岩、碳质钙质泥岩为主,应为深水陆棚环境,优质页岩(TOC≥2%)沉积上界一般不高于LM4带。优质页岩厚度明显减薄,约10~30m。向上钙质、粉砂质含量逐渐增加,LM5笔石带、LM6笔石带岩石地层明显增厚,有机质含量显著降低,其上地层为灰质、粉砂质所代替,LM7—LM8笔石带不发育。
东部永善—绥江地区云永地2井、新地2井、绥江B井等地区,五峰组WF2—WF4笔石带以钙质碳质泥岩、含碳质泥灰岩,偶夹灰岩透镜体或灰岩薄层,为灰泥质浅水陆棚沉积。龙马溪组LM1—LM8笔石带下段黑色页岩总体有机质含量相对较高,笔石及放射虫生物均较发育,整体属于深水陆棚沉积环境。优质页岩沉积上界由LM4笔石带逐步上延至LM6—LM7笔石带(图5),优质页岩厚度增加至60~80m。
通过东西向对比,WF2—LM4笔石带沉积环境表现出了较强的稳定性。自西向东优质页岩表现出缓慢增厚的趋势(图5),表明沉积水体缓慢加深。WF2—LM4笔石带总体上继承了沉积基底宽缓的古地貌差异。LM5—LM6笔石带沉积环境表现出了相带分异,自西向东沉积厚度逐渐减薄,西部钙泥质及粉砂逐渐成为优势组分,而有机质含量快速降低,但东部永善—绥江地区LM5—LM6笔石带仍发育优质页岩。
5.1.2 南北向的差异性
通过天全—汉源—甘洛—大关地区生物地层格架剖面对比(图6),其中北部的天全大井坪地区,凯迪期新沟组WF2—WF4笔石带发育浅水陆棚沉积,岩性为含白云质粉砂岩夹砂质白云岩。鲁丹期鸳鸯岩组LM2—LM6笔石带厚度达上百米,为含碳硅质钙质泥页岩,发育深水陆棚沉积。
轿顶山地区凯迪期大渡河组发育WF2—WF3笔石带特征分子,主体为灰质白云岩,并含锰、钴矿,岩石中含大量蓝绿藻、红藻和绿藻,并具大量隐藻组构(曲红军,1988),为藻礁相沉积(牟传龙等,2015)。龙马溪组LM2—LM6笔石带为黑色碳质页岩,页理发育,笔石丰富,有机质含量较高,为深水陆棚沉积,但岩石地层明显减薄。
甘洛岩润剖面凯迪期识别出WF2—WF3笔石带的特征分子和WF3的带化石,主要为含碳硅质钙质泥页岩沉积,为灰泥质浅水陆棚沉积。龙马溪组下部LM2—LM5笔石带总体为含碳粉砂质泥页岩、含碳钙质泥页岩,并夹灰岩透镜体或灰岩薄层,LM2—LM5笔石带厚度稍薄,有机质发育,为深水陆棚沉积。LM6笔石带及以上则以贫有机质的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥灰岩为主,笔石相对减少,种属趋于单一。
南部的云永地3井位于相对更靠近黔中古隆起一侧。凯迪期WF2—WF3笔石带为灰黑色含碳钙质泥岩,夹少量深灰色灰岩,呈灰岩与泥岩互层,灰岩厚度明显增加,为灰泥质浅水陆棚沉积。龙马溪组LM2—LM4笔石带为厚层状黑色钙质碳质泥岩,发育深水陆棚沉积。向上逐渐过渡为浅灰色微—粉晶灰岩(LM5笔石带),呈向上变浅的沉积特征。LM5及以上笔石带沉积浅灰色钙质泥岩夹钙质粉砂岩,已不具备深水陆棚面貌。笔石带顶界只达LM5带,未见LM6及以上笔石带的特征分子。优质页岩在云永地3井明显减薄。
通过南北向对比,WF2—LM4笔石带沉积环境相对稳定,自北向南优质页岩受沉积基底古地貌起伏变化的影响,变化较大。LM5—LM6笔石带沉积环境表现出浅水陆棚特征,代表了受川中隆起、黔中古隆起影响的相带分异。
通过上述剖面和钻井笔石带对比表明,上扬子地区五峰组—龙马溪组优质页岩的顶界具有明显的穿时性,由更靠近古陆的云永地3井(LM2—LM3笔石带),向永善、绥江、长宁、焦石坝地区(LM5—LM6笔石带),直至威远、巫溪(LM6—LM7笔石带)等地笔石带顶界逐步升高。越靠近古陆边缘,优质页岩顶界越低;越靠近水体深的地区,笔石带顶界越高。总体来看,五峰组—龙马溪组优质页岩在靠近古隆起或古陆一侧沉积时限为WF2—LM4笔石带,远离古陆或古隆起一侧(进入局限海或水体较深、沉积坳陷区)优质页岩沉积时限为WF2—LM6笔石带甚至更高,呈逐渐变长的趋势。
综上所述,甘洛—布拖—金阳—云永地3井及其周缘地区,分别为靠近康滇古陆和黔中隆起的边缘地区,沉积水体明显变浅。优质页岩沉积上界不高于LM4笔石带,深水陆棚亚相持续时间为至LM2—LM4(或更短),优质页岩厚度一般10~30m。云永地3井优质页岩仅为3m。在“二元富集理论”指导下(郭旭升,2014),甘洛—布拖—金阳—云永地3井等靠近康滇古陆或黔中古隆起的边缘地区,优质页岩厚度不大,物质基础较差。
扬子西南缘永善—绥江云永地2井、新地2井及绥江B井等地区,尽管深水陆棚沉积时限长,优质页岩厚度大,划分为沉积有利区无疑,但是勘探效果却呈现巨大差异。云永地2井、绥江B井基本不含气,新地2井现场解析含气量大于2m3/t的优质页岩厚度达38m,距新地2井200m左右部署实施的云大页1井直井地层含气性测试获得了5280m3/d的工业气流(余谦等,2020)。
扬子西南缘天全—汉源—甘洛新区中,优质页岩沉积上界由LM4带逐步上延至LM5笔石带甚至更高。天全大井坪优质页岩厚度增厚至上百米(图6),轿顶山地区优质页岩厚度依然有20m以上,且受特殊的古地貌、沉积环境和古构造影响(曲红军,1988,1992),有机质含量高,具备了页岩气沉积有利区的地质条件。
通过精细的生物划分建立地层格架,结合优质页岩厚度变化,可以得出以下启示:
(1)笔石生物地层对比揭示了优质页岩在区域上的沉积时限差异。大关云永地3井、甘洛、布拖、金阳靠近古陆边缘,优质页岩沉积时限短,厚度普遍较小。永善—绥江地区的云永地2井、绥江B井与新地2井,沉积环境接近,优质页岩沉积时限长,厚度可观,指示了黑色页岩沉积有利区。
(2)笔石生物地层对比揭示了页岩气选区评价的关键控制因素。古陆边缘页岩气沉积物质基础稍差,远离古陆的沉积有利区,云永地2井、绥江B井与新地2井、云大页1井,勘探效果出现巨大差异,说明物质基础不是唯一决定因素。
(3)笔石生物地层对比为工作程度较低的新区天全—汉源地区提供了选区依据。天全大井坪、汉源轿顶山一带WF2—LM5笔石带优质页岩发育,轿顶山地区岩石地层厚度明显减薄,天全大井坪地区却明显增厚,可能仍具有良好的勘探潜力。
致谢:本文笔石化石鉴定均为笔者在陈旭院士指导下完成,在此对陈老师致以最诚挚的谢意!