石柱復向斜五峰組—龍馬溪組筆石頁巖特征淺析

張 翔,陳 波,郭志輝

[1.長江大學(武漢)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北武漢430100; 2.長江大學(武漢)地球科學學院,湖北武漢430100]

石柱復向斜五峰組—龍馬溪組筆石頁巖特征淺析

張 翔1,陳 波1,郭志輝2

[1.長江大學(武漢)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北武漢430100; 2.長江大學(武漢)地球科學學院,湖北武漢430100]

為了探討石柱復向斜及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組筆石與頁巖有機質(zhì)的關(guān)系,基于前人研究成果,結(jié)合研究區(qū)3處野外露頭剖面(武隆黃鶯、利川毛壩和石柱漆遼)觀測及樣品分析,對筆石頁巖的總有機碳含量、反射率特征和保存特征進行了綜合分析。結(jié)果表明,C元素含量與筆石的豐度有著必然聯(lián)系,筆石豐度大的地層,總有機碳含量也較高;通過公式可將筆石反射率轉(zhuǎn)換為等效鏡質(zhì)組反射率,從而有效指示成熟度;有機質(zhì)壓扁薄膜狀態(tài)、立體—半立體黃鐵礦化是筆石的兩種保存狀態(tài),受陸源物質(zhì)影響程度不同,其對有機質(zhì)和孔隙的貢獻也有所差異,前者有機質(zhì)豐富,利于頁巖氣的成烴和保存,后者陸源碎屑多,有機質(zhì)較少,且填充礦化現(xiàn)象嚴重,孔隙貢獻率非常低,對頁巖氣形成不利。

五峰組—龍馬溪組;筆石體;成熟度;有機質(zhì);保存狀態(tài)

鄂西—渝東地區(qū)志留系頁巖氣勘探在涪陵取得突破后,五峰組—龍馬溪組成為頁巖氣勘探與研究的熱點,石柱復向斜及其周緣地區(qū)鄰近涪陵地區(qū),也是勘探的重點區(qū)塊。前人對石柱復向斜上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相碎屑巖進行過一定的研究,馬永生等指出中國南方志留系為一套碎屑巖沉積,鄂西—渝東地區(qū)主要為陸棚和潮坪相沉積環(huán)境上發(fā)育的黑色碳質(zhì)頁巖、深灰色泥巖及灰綠色粉砂巖[1];馬文辛等認為鄂西—渝東地區(qū)的龍馬溪組主要發(fā)育黑色碳質(zhì)筆石頁巖相、深灰色(灰色)泥巖相和含粉砂泥巖相[2]。但目前大多研究均針對海相碳酸鹽巖開展,只是將海相碎屑巖沉積的志留系作為區(qū)域性烴源巖和蓋層來認識,對志留系筆石與頁巖的成因關(guān)系研究不足[3]。

筆石頁巖相以含豐富的筆石為特征,其對應于半封閉的海盆、海灣等古地理環(huán)境。這些環(huán)境有利于形成滯留的水體,底棲生物由于缺氧而大量死亡,生活在上層水體的筆石死亡沉入水底后在無水流攪動和底棲生物破壞的環(huán)境中大量保存下來[3]。黑色筆石頁巖是良好的烴源巖,具有豐富的有機質(zhì),對油氣生成非常有利。

1 筆石綱的概況

中國筆石屬種特別豐富,共有2286種,從上寒武統(tǒng)至下石炭統(tǒng)均有分布,尤其在奧陶系和志留系最為繁盛。由于筆石演化快、分布廣、時間短,因此常作為標準化石來鑒定地質(zhì)年代[3]。

1.1 筆石的分類及演化

筆石綱是原始海生動物,屬于半索動物門,一般以漂浮和底棲生活為主。穆恩之將筆石綱分為樹筆石目、管筆石目、腔筆石目、莖筆石目和正筆石目[4]。研究區(qū)野外露頭發(fā)現(xiàn)以下幾種筆石化石:正筆石目的叉筆石亞科、正筆石目的柵筆石亞科、正筆石目的尖筆石科、正筆石目的弓筆石亞科。

筆石的演化包括以下幾方面:筆石體的簡化、生長方向的轉(zhuǎn)變、體壁的局部增厚等[4]。穆恩之又提出了筆石體的復雜化[5]。具體來說,原始的正筆石由樹形筆石演化而來,分枝由多到少;筆石枝生長方向為下垂式—下斜式—平伸式—上斜式—攀合式發(fā)展;胞管也從直管式向內(nèi)彎曲、褶曲到外彎曲轉(zhuǎn)變。

1.2 筆石的化學成分

前人根據(jù)筆石體的顏色分析樹形筆石中有葡糖胺(幾丁質(zhì)的指示物)的存在,一致認為筆石體壁是幾丁質(zhì)[6-8]。近年來并未證實有葡糖胺的痕跡,卻發(fā)現(xiàn)了氨基酸[9],認為其骨骼是硬蛋白質(zhì)或似骨膠(collagen-like)物質(zhì)[10]。目前,中國對筆石的研究多以筆石形態(tài)描述和筆石地層學為主,研究筆石體壁化學成分的文獻資料甚少。

劉鵬舉選取吉林省長白山地區(qū)新廠期上斜正筆石式樹形筆石4個樣本的16個不同構(gòu)造點進行分析,同時對保存筆石化石的圍巖做了測試分析,發(fā)現(xiàn)筆石體壁的化學成分和圍巖化學成分相似,都含有Mg、Ca、Al、Fe、Si、K等6種元素;筆石壁上也含有S元素;Fe元素在筆石體壁上含量最高,圍巖中含量最低;Ca元素在筆石體壁和圍巖中都不穩(wěn)定。馬施民對川南龍馬溪組筆石體壁的能譜分析表明,筆石體軸部或翼部C元素含量較高,接近100％,而圍巖中C元素含量為零[11]。

2 地質(zhì)背景及樣品采集

石柱復向斜位于重慶市萬州區(qū)及湖北省利川市境內(nèi),區(qū)域構(gòu)造上屬于四川盆地東緣的上揚子川東褶皺帶,夾于齊岳山和方斗山復背斜之間,面積約為4300km2[12](圖1)。研究區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組為一套穩(wěn)定的黑色碳質(zhì)筆石頁巖,厚度很薄,一般小于20m,下志留統(tǒng)龍馬溪組為一套黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。

本次研究實測了武隆黃鶯、利川毛壩和石柱漆遼3個剖面,剖面測量厚度和取樣數(shù)分別為32.4m和147件、51.56m和51件、20.1m和80件。3個實測剖面下部以黑色—灰黑色泥頁巖為主,發(fā)育大量的柵筆石、單筆石和細小顆粒的黃鐵礦,局部可見黃鐵礦的結(jié)核;往上逐漸出現(xiàn)灰黑色泥頁巖與粉砂質(zhì)泥巖的互層,筆石類型逐漸增多,出現(xiàn)耙筆石;向上砂質(zhì)成分逐漸增多,最后出現(xiàn)大套濁積砂體。

3 筆石頁巖相有機質(zhì)特征

研究區(qū)黑色頁巖層面上有大量筆石類有機質(zhì),研究發(fā)現(xiàn)筆石的豐度與總有機碳含量(TOC)有很好的正相關(guān)性。分別選取利川毛壩剖面的99件樣品、石柱漆遼剖面76件樣品、武隆黃鶯剖面32件樣品進行TOC測試,結(jié)果也映證了兩者之間的關(guān)系。

3.1 筆石豐度與TOC關(guān)系

圖2為利川毛壩剖面上發(fā)現(xiàn)的幾種不同的筆石組合形態(tài)。在離利川毛壩實測剖面底部11m處出現(xiàn)少量耙筆石,筆石豐度及分異低;在離底部13.5m處發(fā)現(xiàn)大量柵筆石,柵筆石生活的水體深度較大;在離底部14.4m處發(fā)現(xiàn)大量耙筆石;在離底部24.6m處出現(xiàn)柵筆石和耙筆石的組合,筆石豐度較小,水體可能不太深;在離底部25.8m處只有少量耙筆石,水體可能不太深;離底部32m處出現(xiàn)弓筆石和耙筆石的組合,筆石豐度一般,水體整體較淺。

利川毛壩剖面樣品分析測試發(fā)現(xiàn),筆石豐度大的地方TOC較高,反之則較低。TOC最高值對應于剖面12～14m處(圖3),該段正是筆石豐度最高的位置。

在武隆黃鶯剖面距剖面底部1.2m處的五峰組內(nèi),發(fā)育大量代表深水環(huán)境的柵筆石(圖4a),表明在奧陶紀末的冰期大絕滅之后,柵筆石率先出現(xiàn)并大量繁殖,對新物種的出現(xiàn)有一定的抑制作用,故其豐度大且分異度低;距剖面底部16.5m處的龍馬溪組下段出現(xiàn)尖筆石(圖4b),尖筆石多出現(xiàn)在水體較深環(huán)境。在石柱漆遼剖面距剖面底部12m處發(fā)現(xiàn)大量柵筆石與耙筆石的組合,反映水體可能較深(圖4c)。剖面樣品TOC測試結(jié)果也證實筆石豐度與TOC正相關(guān),筆石豐度高的位置樣品TOC含量高(圖5)。

3.2 筆石反射率指示成熟度

中國早古生代烴源巖分布廣泛,缺乏鏡質(zhì)組,加之成熟度較高,一些傳統(tǒng)的成熟度指標無法應用[13],如瀝青、動物殼屑體反射率等的應用受到明顯限制[14-15]。鏡質(zhì)組反射率是判斷有機質(zhì)成熟度的常用指標,但筆石不含鏡質(zhì)組,因此無法建立直接對應關(guān)系[16-17]。研究表明,筆石反射率可在一定程度上指示成熟度,可對筆石進行反射率測試,然后通過公式換算得到等效的鏡質(zhì)組反射率。

本文收集了研究區(qū)的13塊樣品(表1)進行了筆石反射率測試,根據(jù)Bertrand公式:lgRG= 0.04+1.1lgRo'(其中,RG為筆石反射率;Ro'為等效鏡質(zhì)組反射率),可以換算出等效鏡質(zhì)組反射率。

表1 五峰組—龍馬溪組黑色頁巖筆石反射率測試表Table 1 Testing of graptolite reflectance in Wufeng Formation-Longmaix Formation

由表1中可知,毛壩剖面等效鏡質(zhì)組反射率平均為2.68％。黃鶯剖面等效鏡質(zhì)組反射率平均為2.53％,表明通過筆石反射率測試能有效指示成熟度[18]。

3.3 筆石保存特征

研究區(qū)筆石大致以兩種方式保存于泥頁巖中,即:有機質(zhì)壓扁薄膜狀態(tài)、立體—半立體黃鐵礦化狀態(tài)[19-21]。古生物不同保存狀態(tài)反映了不同的沉積環(huán)境,進而反映目的層段的總有機碳含量。

有機質(zhì)壓扁薄膜保存是研究區(qū)最為常見的保存方式,主要是由于浮游生活的筆石本身沒有硬體結(jié)構(gòu),此外筆石本身的有機質(zhì)在壓實作用下形成形態(tài)穩(wěn)定的干酪根聚合體一般為二維結(jié)構(gòu)[14]。此種保存方式主要形成于封閉缺氧、還原的深水陸棚環(huán)境,沉積時期有機質(zhì)含量高,水體安靜,沉積速率低,有機質(zhì)被大量保存下來;同時水體較深,受陸源物質(zhì)影響小,含鐵礦物少,筆石很難被礦化,呈薄膜狀態(tài)保存下來。

立體—半立體黃鐵礦化保存狀態(tài)在研究區(qū)不常見。其指生物遺體發(fā)生一定的腐爛,沉積物提供充足的含鐵礦物來源交代充填生物體。此種保存方式只保留了生物化石的外觀形態(tài),內(nèi)部結(jié)構(gòu)不復存在。主要形成于水體不深的弱還原淺水陸棚環(huán)境,陸源碎屑物質(zhì)帶來了大量的含鐵物質(zhì);筆石降解產(chǎn)生的H2S吸附周圍環(huán)境的含鐵物質(zhì),導致筆石降解產(chǎn)生的孔隙被含鐵物質(zhì)充填,呈立體—半立體黃鐵礦化保存下來[22]。該保存方式對有機質(zhì)的貢獻較少。

生物化石內(nèi)孔隙主要指生物遺體化石中未被礦物充填的孔隙[23],也是頁巖氣保存的一種有效孔隙。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖中筆石發(fā)育,以有機質(zhì)壓扁薄膜方式保存下來。資料顯示立體—半立體黃鐵礦化保存狀態(tài)充填礦化嚴重,孔隙貢獻率非常低。

4 結(jié) 論

(1)3條剖面樣品實測發(fā)現(xiàn),筆石豐度大的地方,總有機碳含量較高,反之相對較低。

(2)根據(jù)筆石反射率可換算出等效鏡質(zhì)組反射率,有效指示成熟度。

(3)研究區(qū)筆石以有機質(zhì)壓扁薄膜和立體—半立體黃鐵礦化兩種方式保存于泥頁巖中。前者反映深水還原環(huán)境,沉積物有機質(zhì)含量較高;后者反映淺水弱還原環(huán)境,陸源碎屑多,對有機質(zhì)貢獻較低,且填充礦化現(xiàn)象嚴重,孔隙貢獻率非常低。

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Study of Relationship between Graptolite and Shale Gas Origin of Wufeng Formation—Longmaxi Formation in Shizhu Syncline

Zhang Xiang1,Chen Bo1,Guo Zhihui2
(1.Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas,Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China; 2.College of Geosciences,Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China)

This paper is focused on the relationship between graptolite and shale gas origin of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Shizhu Syincline and its surrounding area.Based on the previous research results and combined with observation of three outcrops(Huangyin profile in Wulong,Maoba profile in Lichuan and Qiliao profile in Shizhu)and analysis of samples,it makes a comprehensive analysis of total organic content,reflectivity characteristics and preservation characteristics of graptolite shale.The results indicate that the content of C element is inevitably related to graptolite abundance.The formation with high graptolite abundance has a high content of organic carbon.The formula can turn graptolite reflectivity into vitrinite reflectivity,thus effectively indicating the degree of maturity.Graptolite has two states of existence-organic matter flattening film form and stereo-half stereo pyritization.The different influences of terrigenous material lead to the different contributions to organic matter and pores.The former is rich in organic matter and in favor of formation and preservation of shale gas.The latter has more terrigenous debris but less organic matter,with serious filling and mineralization.The porous contribution is low and unfavorable to formation of shale gas.

Wufeng Formation—Longmaxi Formation;graptolite;maturity;organic matter;state of preservation

TE122

:A

張翔(1991年生),男,在讀碩士,研究方向為礦物學、巖石學和礦床學。郵箱:956479297@ qq.com。