四川盆地涪陵焦石壩地區(qū)黑色頁巖非均質(zhì)性特征及控制因素

劉 猛，劉 超，舒志恒，陸永潮，古 茜，譚淙文，徐 向

(1．中國石化 江漢油田分公司，湖北 潛江 433124； 2．中國地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，武漢 430074；3．中國石化 重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 408014)

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域構(gòu)造特征

焦石壩地區(qū)位于四川盆地川東南構(gòu)造區(qū)的川東褶皺帶、萬縣復(fù)向斜的南部與方斗山背斜帶西側(cè)的交會區(qū)域。焦石壩構(gòu)造位于包鸞—焦石壩背斜帶，焦頁A井井區(qū)即位于該構(gòu)造。焦石壩構(gòu)造為主體平緩、邊緣被大耳山西、石門、吊水巖、天臺場等斷層夾持所復(fù)雜化的斷背斜構(gòu)造。

1.2 焦石壩地區(qū)黑色頁巖

由于揚(yáng)子板塊和華夏陸塊會聚，以及揚(yáng)子與華北板塊的不斷俯沖碰撞，四川盆地晚奧陶世五峰期發(fā)生海侵，在上揚(yáng)子地區(qū)，尤其是沿川西南及川東南等地區(qū)，形成了五峰—龍馬溪早期相對滯留、缺氧、水體較深的深水陸棚沉積環(huán)境，從而發(fā)育了一套巨厚的黑色頁巖，其內(nèi)不但富含黃鐵礦，而且還見豐富的筆石與大量的硅質(zhì)放射蟲，及少量硅質(zhì)海綿骨針等生物共生。該套巖性橫向穩(wěn)定，是四川盆地主要的烴源巖系[1-3]。焦頁A井實(shí)鉆證實(shí)，該區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組一段厚度達(dá)89 m，巖性主要為硅質(zhì)頁巖，富含黃鐵礦和筆石，且富含有機(jī)質(zhì)，為一套重要的烴源巖，是該區(qū)頁巖氣勘探的主要目標(biāo)，自下而上可將其劃分為2個(gè)三級層序，9個(gè)小層[4](圖1)。

2 宏觀非均質(zhì)性

國內(nèi)外對黑色細(xì)粒沉積物的宏觀非均質(zhì)性研究比較少見，本次研究在建立高精度等時(shí)格架的基礎(chǔ)上，從黑色頁巖的頁理、砂質(zhì)條帶發(fā)育特征、黃鐵礦發(fā)育情況以及筆石發(fā)育特征等方面入手，分析不同沉積時(shí)期黑色頁巖的差異，闡明焦石壩黑色頁巖宏觀非均質(zhì)性的基本特征。其中，頁理總體呈現(xiàn)自下而上先減少后增加的趨勢；砂質(zhì)條帶與頁理呈負(fù)相關(guān)性，表現(xiàn)為先增加后減少；黃鐵礦總體呈現(xiàn)出自下而上逐漸減少的特征；筆石種類則顯示出海侵體系域以雙筆石科為主，早期高位和晚期高位體系域逐漸過渡至以單筆石科為主，筆石豐度則表現(xiàn)出從下至上逐漸減少的趨勢[2-5]。

2.1 頁理非均質(zhì)性

根據(jù)對頁理發(fā)育程度的統(tǒng)計(jì)，總體趨勢為自下而上先減少后增加(圖2)。在海侵體系域中頁理大量發(fā)育，在早期高位體系域中頁理比較發(fā)育，在晚期高位體系域中頁理大量發(fā)育，但是仍低于海侵體系域中頁理的發(fā)育程度。在層序Sq1中，頁理發(fā)育程度自下而上由比較發(fā)育減少到一般發(fā)育，大致在深度2 412.5 m處，其下部頁理比較發(fā)育，其上部分頁理一般發(fā)育。在層序Sq2的海侵體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss1和P2ss2中，頁理整體發(fā)育程度較高，且自下而上由比較發(fā)育增加到大量發(fā)育。在早期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss3中，頁理發(fā)育程度自下而上由比較發(fā)育增加到大量發(fā)育，但是其頁理整體發(fā)育程度仍低于準(zhǔn)層序組P2ss1和P2ss2中的頁理發(fā)育程度。在早期高位體系域內(nèi)的準(zhǔn)層序組P2ss4中，頁理發(fā)育程度整體為比較發(fā)育。在早期高位體系域內(nèi)的準(zhǔn)層序組P2ss5下部，頁理發(fā)育程度為一般發(fā)育，向上增加到大量發(fā)育，其頁理整體發(fā)育程度高于準(zhǔn)層序組P2ss3中的頁理發(fā)育程度。在早期高位體系域中的準(zhǔn)層序組P2ss5的頂?shù)撞?，頁理發(fā)育程度都較高，但是中間部位很少發(fā)育。在晚期高位體系域內(nèi)的準(zhǔn)層序組P2ss6中，頁理整體大量發(fā)育，只有在底部頁理一般發(fā)育。在晚期高位體系域內(nèi)的準(zhǔn)層序組P2ss7中，自下而上頁理發(fā)育程度由大量發(fā)育減少到一般發(fā)育。在晚期高位體系域內(nèi)的準(zhǔn)層序組P2ss8中，頁理整體為一般發(fā)育，在頂部少部分頁理發(fā)育不明顯[5-6]。

圖1 四川盆地焦石壩地區(qū)焦頁A井五峰組—龍馬溪組一段層序劃分

2.2 砂質(zhì)條帶發(fā)育非均質(zhì)性

砂質(zhì)條帶發(fā)育程度的總體趨勢為自下而上先增加后減少(圖2)。在海侵體系域內(nèi)，砂質(zhì)條帶很少發(fā)育。在早期高位體系域內(nèi)，砂質(zhì)條帶發(fā)育程度較高。在晚期高位體系域內(nèi)，砂質(zhì)條帶整體很少發(fā)育，僅在中部小范圍大量發(fā)育砂質(zhì)條帶。在海侵體系域內(nèi)部的2個(gè)準(zhǔn)層序組和早期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss3中，都很少發(fā)育砂質(zhì)條帶。到早期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss4中，開始明顯發(fā)育砂質(zhì)條帶，從一般發(fā)育增加到大量發(fā)育，后又減少到比較發(fā)育，總體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。在早期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss5的下部，砂質(zhì)條帶一般發(fā)育，局部比較發(fā)育，頂部又減少到很少發(fā)育。在早期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss5的中部，整體很少發(fā)育砂質(zhì)條帶，上部一般發(fā)育。在晚期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss6中，砂質(zhì)條帶很少發(fā)育。到晚期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss7中，開始出現(xiàn)大量發(fā)育的砂質(zhì)條帶，但是大量發(fā)育的地層厚度不大。在晚期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss8中，很少發(fā)育砂質(zhì)條帶[7-8]。

2.3 黃鐵礦發(fā)育非均質(zhì)性

根據(jù)對每個(gè)準(zhǔn)層序組黃鐵礦估計(jì)厚度的統(tǒng)計(jì)，黃鐵礦發(fā)育的總體趨勢為自下而上逐漸減少(圖3)。在海侵體系域內(nèi)，黃鐵礦含量最高，最大估計(jì)厚度可達(dá)15.8 cm。到早期高位體系域內(nèi)，黃鐵礦估計(jì)厚度減少到5～10 cm和1～5 cm。到晚期高位體系域，含量再少量增加后又減少。如表1所示，在海侵體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss1和P2ss2中，黃鐵礦發(fā)育的估計(jì)厚度達(dá)到了15.8 cm，相對于層序Sq2有了明顯的增加趨勢。在早期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss3中，黃鐵礦估計(jì)厚度為5.4cm，相對于海侵體系域中黃鐵礦估計(jì)厚度有明顯減少的趨勢。在早期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss4和P2ss5中，黃鐵礦估計(jì)厚度都在1～5 cm范圍內(nèi)：在準(zhǔn)層序組P2ss4中估計(jì)平均厚度為3.5 cm，在準(zhǔn)層序組P2ss5中估計(jì)平均厚度為1.3 cm。從黃鐵礦發(fā)育估計(jì)厚度上看，早期高位體系域內(nèi)部的P2ss3、P2ss4和P2ss5這3個(gè)準(zhǔn)層序組中，自下而上呈向上減少的趨勢。在晚期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss6中，底部黃鐵礦估計(jì)厚度為1.1 cm，上部為7.8 cm，厚度有增加的趨勢。在晚期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss7中，黃鐵礦估計(jì)厚度為1.1 cm，相對于準(zhǔn)層序組P2ss6中有減少的趨勢。在晚期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss8中，黃鐵礦估計(jì)厚度為0.9 cm，相對于準(zhǔn)層序組P2ss7中有減少的趨勢[9-10]。

表1 四川盆地焦石壩地區(qū)焦頁A井Sq2層序內(nèi)黃鐵礦估計(jì)厚度統(tǒng)計(jì)

圖2 四川盆地焦石壩地區(qū)黑色頁巖頁理及砂質(zhì)條帶非均質(zhì)性特征

圖3 四川盆地焦石壩地區(qū)黑色頁巖黃鐵礦非均質(zhì)性特征

2.4 筆石發(fā)育非均質(zhì)性

根據(jù)對筆石發(fā)育種類及數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，以尖筆石、雕筆石、直筆石、鋸筆石、單筆石、耙筆石、柵筆石、花瓣筆石各筆石種屬為統(tǒng)計(jì)依據(jù)，焦石壩地區(qū)黑色頁巖中尖筆石最為發(fā)育，其次為直筆石、單筆石、耙筆石，發(fā)育少量雕筆石、鋸筆石、柵筆石和花瓣筆石。在底部海侵體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P1ss1中，筆石種類以尖筆石最為發(fā)育，少量發(fā)育雕筆石、直筆石和單筆石。向上的準(zhǔn)層序組P2ss1和P2ss2中，仍以尖筆石豐度最高，雕筆石、直筆石、柵筆石和花瓣筆石較少，且分布不均勻。在早期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss3中，筆石的發(fā)育情況與下伏的海侵體系域準(zhǔn)層序組P2ss1和P2ss2中的類似，沒有明顯的變化，仍以尖筆石為主，雕筆石、直筆石和柵筆石較少，但花瓣筆石則沒有發(fā)育。早期高位體系域內(nèi)的準(zhǔn)層序組P2ss4中，筆石發(fā)育的明顯變化是直筆石的含量增加，由低豐度變?yōu)橹械?，但柵筆石也不發(fā)育了，整體仍以尖筆石含量最多，但與下伏的準(zhǔn)層序組相比有不太明顯的減少趨勢。在早期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss5中，尖筆石含量明顯變少，直筆石有變多的趨勢，但仍以尖筆石為主，雕筆石變少，單筆石明顯變多，耙筆石大量出現(xiàn)，但含量小于10%。在早期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss5中，尖筆石含量變化不大，直筆石、單筆石和耙筆石豐度中等，出現(xiàn)少量鋸筆石。在晚期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss6中，筆石發(fā)育情況與準(zhǔn)層序組P2ss5中基本一致。在晚期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss7中，尖筆石含量減少，但仍為大于5%的中等豐度，直筆石突然消失，鋸筆石、單筆石和耙筆石含量穩(wěn)定，與準(zhǔn)層序組P2ss5中基本一致。在晚期高位體系域內(nèi)部的準(zhǔn)層序組P2ss8中，尖筆石含量明顯變少，豐度變?yōu)榈偷?，鋸筆石、單筆石變化不大，耙筆石含量也減少至5%以下的低豐度[11-13](圖4)。

圖4 四川盆地焦石壩地區(qū)黑色頁巖筆石發(fā)育特征

3 微觀非均質(zhì)性

焦石壩地區(qū)黑色頁巖在有機(jī)碳含量及黏土礦物含量方面均表現(xiàn)出明顯的垂向非均質(zhì)性。其中，有機(jī)碳含量由下至上逐漸減小，在下部海侵體系域內(nèi)含量最高；黏土礦物含量由下至上逐漸增加，在晚期高位體系域內(nèi)含量最高[14]。

3.1 有機(jī)碳含量非均質(zhì)性

數(shù)據(jù)分析顯示，總體上有機(jī)碳含量由下至上具有逐漸減小的趨勢(圖5)。在下部海侵體系域的2個(gè)準(zhǔn)層序組中，有機(jī)碳含量較高，為1.29%～5.89%，平均3.77%；其次為早期高位體系域，為0.91%～3.99%，平均2.19%；最低為晚期高位體系域，為0.55%～3.26%，平均1.69%。

通過分析可以看出，S2初始值由下至上具有逐漸減小的趨勢，在下部海侵體系域時(shí)期為較高值，其中的變化趨勢可分為2部分。首先，在準(zhǔn)層序組P1ss1的底部S2有最高值，可達(dá)48.36 mg/g，向上至準(zhǔn)層序組P2ss1的中下部，S2初始值急劇減少到海侵體系域時(shí)期的最低值；其次，從準(zhǔn)層序組P2ss1的中下部向上至準(zhǔn)層序組P2ss2，S2初始值具有先增加再減少的趨勢。次為早期高位體系域時(shí)期，其中的變化趨勢也可分為2部分。首先，從準(zhǔn)層序組P2ss3的底部至準(zhǔn)層序組P2ss3的頂部，S2初始值具有先增加再減少的趨勢；其次，準(zhǔn)層序組P2ss3的頂部至準(zhǔn)層序組P2ss5的頂部，S2初始值具有齒狀緩慢減少的趨勢。最后為晚期高位體系域時(shí)期，其中在準(zhǔn)層序組P2ss6和P2ss7中，S2初始值均具有齒狀緩慢減少的趨勢，在準(zhǔn)層序組P2ss8的中下部，S2初始值有最低值。

有機(jī)碳?xì)堄嘀蹬c有機(jī)碳恢復(fù)值具有大致相同的變化趨勢，由下至上均逐漸減小。在海侵體系域時(shí)期為較高值，有機(jī)碳?xì)堄嘀蹬c有機(jī)碳恢復(fù)值的變化趨勢可分為2部分。首先，在準(zhǔn)層序組P1ss1的底部有機(jī)碳?xì)堄嘀蹬c有機(jī)碳恢復(fù)值有最高值，向上至準(zhǔn)層序組P2ss1的中下部具有緩慢減少的趨勢；其次，從準(zhǔn)層序組P2ss1的中下部至準(zhǔn)層序組P2ss2，有機(jī)碳?xì)堄嘀蹬c有機(jī)碳恢復(fù)值具有先增加再減少的趨勢。次為早期高位體系域時(shí)期，有機(jī)碳?xì)堄嘀蹬c有機(jī)碳恢復(fù)值的變化趨勢也可分為2部分。首先，從準(zhǔn)層序組P2ss3的底部至準(zhǔn)層序組P2ss3的頂部，有機(jī)碳?xì)堄嘀蹬c有機(jī)碳恢復(fù)值具有先增加再減少的趨勢；其次，準(zhǔn)層序組P2ss3的頂部至準(zhǔn)層序組P2ss5的頂部，有機(jī)碳?xì)堄嘀蹬c有機(jī)碳恢復(fù)值具有齒狀緩慢減少的趨勢，并在準(zhǔn)層序組P2ss5的底部有最低值。最后為晚期高位體系域時(shí)期，其中在準(zhǔn)層序組P2ss6中，有機(jī)碳?xì)堄嘀蹬c有機(jī)碳恢復(fù)值具有齒狀緩慢減少的趨勢，在準(zhǔn)層序組P2ss7的中下部有最高值，在準(zhǔn)層序組P2ss8的中下部有最低值。通過以上的分析可以得出，有機(jī)碳?xì)堄嘀蹬c有機(jī)碳恢復(fù)值的變化趨勢與S2初始值的變化趨勢有較高的一致性[14-15]。

圖5 四川盆地焦石壩地區(qū)黑色頁巖有機(jī)碳含量

3.2 黏土礦物發(fā)育非均質(zhì)性

通過對焦石壩地區(qū)黑色頁巖實(shí)測資料的系統(tǒng)分析可知，黏土礦物發(fā)育在垂向上具有明顯的非均質(zhì)性變化，總體上黏土總量由下至上具有逐漸增加的趨勢(圖6)。在上部晚期高位體系域的3個(gè)準(zhǔn)層序組中，黏土總量為較高值，平均值為53.24%，其中在準(zhǔn)層序組P2ss7的中下部有最高值，為62.6%，在準(zhǔn)層序組P2ss6的上部有最低值，為36.7%；次為早期高位體系域，平均值為41.14%，其中在準(zhǔn)層序組P2ss1的上部和中下部有最高值，為47%，在準(zhǔn)層序組P2ss4的中部有最低值，為33.3%；最后為海侵體系域，平均值為31%，其中在準(zhǔn)層序組P1ss1的上部有最高值，為49.1%，在準(zhǔn)層序組P1ss1的頂部有最低值，為16.6%。

黏土礦物主要包括伊利石、伊蒙混層和綠泥石。其中伊利石含量由下至上具有逐漸增加的趨勢：在晚期高位體系域時(shí)期有較高值，平均值為47.5%，在準(zhǔn)層序組P2ss7的中上部有最高值，為61%，在準(zhǔn)層序組P2ss6的上部有最低值，為27%；次為早期高位體系域時(shí)期，平均值為44.33%，在準(zhǔn)層序組P2ss1的中上部和準(zhǔn)層序組P2ss2的中上部有最高值，為68%，在準(zhǔn)層序組P2ss1的中部有最低值，為16%；最后為海侵體系域時(shí)期，平均值為23.75%，在準(zhǔn)層序組P1ss1的底部有最高值，為49%，在準(zhǔn)層序組P1ss1的頂部有最低值，為12%。伊蒙混層含量由下至上具有逐漸減小的趨勢：在海侵體系域時(shí)期為較高值，平均值為72.13%，在準(zhǔn)層序組P1ss2的中下部有最高值，為85%，在準(zhǔn)層序組P1ss1的底部和準(zhǔn)層序組P1ss2的上部有最低值，為43%；次為早期高位體系域時(shí)期，平均值為47.86%，在準(zhǔn)層序組P2ss1的中部有最高值，為80%，在準(zhǔn)層序組P2ss2的中上部有最低值，為25%；最后為晚期高位體系域時(shí)期，平均值為47.55%，在準(zhǔn)層序組P2ss8的上部有最高值，為69%，在準(zhǔn)層序組P2ss5的中下部有最低值，為32%。綠泥石含量由下至上具有先增加后減小的趨勢：在早期高位體系域時(shí)期為較高值，平均值為7.81%，在準(zhǔn)層序組P2ss4的下部有最高值，為20%，在準(zhǔn)層序組P2ss2的中部有最低值，為2%；次為晚期高位體系域時(shí)期，平均值為4.95%，在準(zhǔn)層序組P2ss5的下部有最高值，為13%，在準(zhǔn)層序組P2ss5的上部有最低值，為3%；最后為海侵體系域時(shí)期，平均值為3.74%，在準(zhǔn)層序組P1ss2的上部有最高值，為9%，在準(zhǔn)層序組P1ss2的中下部有最低值，為1%。

圖6 四川盆地焦石壩地區(qū)黑色頁巖黏土礦物

綜上所述，伊利石含量由下至上具有逐漸增加的趨勢，伊蒙混層含量由下至上具有逐漸減小的趨勢，綠泥石含量由下至上具有先增加后減小的趨勢。其中伊利石含量的變化趨勢與黏土總量的變化趨勢具有較高的一致性，伊蒙混層含量的變化趨勢則與黏土總量的變化趨勢相反[16-19]。

4 非均質(zhì)控制因素分析

前文中，生物沉積作用控制了筆石的發(fā)育情況，陸源碎屑控制了黏土礦物的含量，在此重點(diǎn)闡述等深流對焦石壩地區(qū)黑色頁巖非均質(zhì)性的控制作用。

等深流是由于地球旋轉(zhuǎn)而形成的溫鹽環(huán)流。這種環(huán)流平行海底等深線作穩(wěn)定低速流動(5～20 cm/s)，主要出現(xiàn)在陸隆區(qū)，亦稱為高流、水平流和平流等。由等深流沉積形成的巖石稱為等積巖。在焦石壩地區(qū)黑色頁巖早期高位體系域內(nèi)廣泛發(fā)育的砂質(zhì)條帶就屬于等深流沉積，主要證據(jù)如下：(1)研究區(qū)龍馬溪組一段早期高位體系域內(nèi)的巖心特征與現(xiàn)代海洋等深流沉積具有相似的沉積結(jié)構(gòu)；(2)野外剖面相應(yīng)層位也發(fā)現(xiàn)有同樣的等深流沉積結(jié)構(gòu)，在研究區(qū)鹿角剖面和漆遼剖面廣泛發(fā)育夾有薄砂體的等深流沉積，同時(shí)可見砂層表面的筆石化石具有一定的定向性；(3)焦頁1井巖心具有典型的等深流沉積序列，且相應(yīng)層段巖心中筆石具有明顯的定向性[20]。

5 結(jié)論

(1)焦石壩地區(qū)黑色頁巖頁理縫總體呈現(xiàn)自下而上先減少后增加的趨勢，砂質(zhì)條帶表現(xiàn)為先增加后減少，黃鐵礦總體呈現(xiàn)出自下而上逐漸減少的特征，筆石豐度則表現(xiàn)出從下至上逐漸減小的趨勢。

(2)焦石壩地區(qū)黑色頁巖有機(jī)碳含量由下至上具有逐漸減小的趨勢，在海侵體系域內(nèi)含量最高，黏土礦物含量的變化由下至上逐漸增加。

(3)生物、等深流和陸源3種沉積作用共同控制了焦石壩地區(qū)黑色頁巖非均質(zhì)性。

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