筆石生物演化與地層年代標定在頁巖氣勘探開發(fā)中的重大意義

鄒才能 龔劍明 王紅巖 施振生

（ 1中國石油勘探開發(fā)研究院；2中國科學院學部工作局 ）

1 筆石化石

在古生代地層中，經?？梢园l(fā)現一類特殊的動物化石，其外形很像鉛筆在巖石層上書寫的痕跡，因此科學家把這類化石命名為“筆石”（Graptolite）。筆石狀化石是一類生活在古代海洋中的動物，被稱之為筆石動物，其命名最早由瑞典分類學家林奈于1735年創(chuàng)立的類化石屬“Graptolithus”演變而來[1]。

筆石動物最早出現在古生代寒武紀中期，群體性生活在海洋環(huán)境中。寒武紀時期筆石動物以底棲的樹形筆石類為主，演化速率相對較慢。從奧陶紀開始，筆石動物群的主體由漂浮生活的正筆石類組成，生存策略的改變導致其從此開始了快速演變的生命歷史。在奧陶紀生物大輻射時期，筆石動物達到鼎盛時期。在奧陶紀末期，地球第一次生物大滅絕事件發(fā)生，造成了海洋動物中約50%屬和80%種的消亡[2-4]。但眾多的化石證據表明，這次生物大滅絕并沒有打斷筆石動物的繁盛，它們依然廣泛繁盛于志留紀時期的海洋。到了泥盆紀中期，受到全球氣溫降低和海平面下降的影響，筆石動物迅速衰落，正筆石類大部分滅絕，僅剩下少量的單筆石和樹筆石類代表。在晚泥盆世至早石炭世之交，地球上發(fā)生了第二次生物大滅絕事件，導致海洋動物中約70%的物種慘遭滅絕[2-4]，其中筆石動物遭到重創(chuàng)。在遭受氣溫降低、海平面下降、火山爆發(fā)、地球嚴重缺氧等事件的影響后，筆石動物群體大量死亡，最終在兩三億年前的石炭紀徹底滅絕。

根據化石保存的狀態(tài)、筆石動物的骨骼構造和共生動物的類別，古生物學家推測一小部分筆石動物在海洋底棲固著生活，有固定的莖、根等構造；大部分筆石動物在海水中漂浮生活，用“線管”絲狀體附著在漂浮體上。筆石動物是小型濾食動物，單個個體很小，一般僅有1～2mm或者更小，群居聚集在一起建造共同的外骨骼，所分泌的筆石體（rhabdosome）的長度一般可達幾厘米，較大的可達70cm或更長。筆石動物包括有機質的軟體和硬體兩部分，其軟體部分在漫長的地質歷史中已分解殆盡，硬體部分主要是由膠原蛋白質構成。筆石動物死亡以后，就埋藏在沉積物里，形成碳質薄膜壓扁保存、黃鐵礦化半立體保存和三維立體孤立保存在黑色頁巖中。后兩種保存方式能夠將筆石的結構更為完整地保留下來，讓古生物學家對筆石動物進行更準確的研究[5]。

由于筆石種類多、分布廣、演化快而且特征明顯，同一物種可以在世界上各大洲發(fā)現，因此筆石被譽為奧陶紀、志留紀和泥盆紀早期地層對比研究中的標準化石[6]。

2 筆石生物的演化及沉積環(huán)境

根據進化論的觀點，環(huán)境的演變決定了生命的演化，筆石動物的演化和沉積過程與地質歷史時期的生活環(huán)境密不可分。海洋孕育了生物，同時海洋環(huán)境決定了筆石生物的演化過程。據統(tǒng)計，海洋生物圈全部活性物質更新周期平均為33天，全球大洋的水平均每半年通過浮游生物過濾一次[7-9]。不同筆石生物生活在不同海水環(huán)境中，海平面變化，以及海水深度、溫度、酸堿度、壓力、含氧量和含鹽量的變化直接影響了筆石生物的生活環(huán)境，促進筆石生物的演化。根據底棲生態(tài)群落、海侵與動物群分布關系、筆石形態(tài)功能分析等方法，可以恢復筆石組合的深度分帶規(guī)律[5]。作為一種海洋浮游生活的群體生物，在奧陶紀生物大輻射過程中，筆石動物的多樣性發(fā)生了急劇增長，不僅筆石種數激增，生態(tài)空間也得到極大擴展，從寒武紀末僅限于海底固著生活擴展到奧陶紀以后在海水表層中浮游生活，并從陸棚淺水擴展到斜坡乃至深水盆地。華南奧陶紀濱岸—陸棚—斜坡—盆地環(huán)境下的筆石多樣性統(tǒng)計分析表明，在大多數時期筆石生物多樣性在古陸邊緣的濱岸地帶相對較低，隨著水體加深和離岸趨遠而逐漸增高，在陸棚邊緣—上斜坡水域達到最高，進一步到深水盆地則又有所降低。海洋環(huán)境的不同直接導致了筆石生物的多樣性和豐富度，促使物種乃至動物群的快速演化和更替，成為指證地層年代和對比的標準化石[10-11]。

筆石的分布規(guī)律與沉積環(huán)境具有相關性，沉積環(huán)境的轉變導致筆石基本生存條件及遺體保存條件變化。眾多證據表明，在凱迪階沉積晚期開始，發(fā)生了一次全球性的冰川事件。由于位于現今北非的大陸冰蓋的凝聚，導致全球海平面持續(xù)下降，并在赫南特階沉積中期達到高潮，下降的幅度可達到50～100m，導致了奧陶紀末生物大滅絕事件的發(fā)生。在赫南特階沉積晚期，冰川快速融解，海平面上升，水溫上升，導致了涼水的赫南特階貝動物群的滅絕以及志留紀早期的大規(guī)模海侵[12-13]。海侵的結果形成了五峰組—龍馬溪組頁巖，沉積了較為豐富的筆石生物種類。在龍馬溪組底部深水陸棚相筆石頁巖中局部見較多硅質射蟲化石，隨著水體的變淺，其筆石含量具有自下而上逐漸減少的趨勢[14-15]。不同的沉積環(huán)境類型與筆石生物的生活環(huán)境密不可分，如深水相筆石到淺水相筆石的變化反映了沉積水體由深變淺；生物特征的演化反映出水體開放程度、水動力條件增強，生物競爭加??；化石的保存特征反映出腕足生物擾動、細菌分解及氧化性等條件；層面上筆石雜亂無序、聚集或分散式分布反映了水動力條件整體不強[16]。沉積環(huán)境影響筆石的生存與有機質保存，導致不同頁巖層段有機質富集情況不同，對于頁巖氣富集成藏具有重要意義。

3 筆石生物地層標定

精確的生物地層標定有助于探討生物演化規(guī)律，并可從宏觀演化的角度探索生物的起源、散布、演化、滅絕、復蘇和輻射。生物地層學也是研究古海洋生物群落和海洋環(huán)境的基礎，通過化石生物地層標定可幫助恢復重建生態(tài)群落及判斷海洋缺氧和富氧、黑色頁巖和紅色巖系、有冰和無冰、洋流的強化和弱化、上升洋流等海洋環(huán)境的變化及其范圍[17-18]。

從進化論的觀點來看，每一個類群都會隨著時間發(fā)展而產生新的物種，在每一個時間段中，也都會有獨特的物種類型和組合。不同時期的筆石動物具有不同的動物特征和物種組合方式。地球形成的46億年期間，地質學家通常以百萬年為基本單位來區(qū)分不同地質歷史時期，但通過筆石化石推測地層的精確度遠高于百萬年精度。古生物學家發(fā)現，筆石動物的演化速度非?？?，尤其是在奧陶紀和志留紀，每隔幾十萬年就會產生一大批新種，最快間隔10萬年就出現新的演化，因此，留下了豐富多彩的筆石動物化石。也正因如此，筆石可以被當作判斷地層年代的黃金卡尺。目前國際上奧陶紀和志留紀的地層年代劃分，主要就是依靠筆石生物地層學。借助筆石動物的這種生存特性，古生物學家就可以推測和重建筆石所在地層的古環(huán)境，比如海水深度、生態(tài)群落等。

中國的揚子流域在奧陶紀晚期和志留紀早期，廣泛分布著以五峰組和龍馬溪組為代表的黑色筆石頁巖，正好是該地區(qū)頁巖氣的主要生氣層。在揚子流域的大多數區(qū)域還夾含了一層厚僅30cm左右的殼相泥質灰?guī)r，稱為觀音橋層。五峰組厚度一般為3～5m，在個別地點相對較厚，但一般不超過10m；龍馬溪組下部真正的黑色頁巖地層一般也都不超過80m。五峰組至龍馬溪組是跨越奧陶系和志留系之間的界線地層，在揚子區(qū)的大多數地點發(fā)育連續(xù)完整，因而奧陶系赫南特階的全球標準層型剖面和點位（GSSP）落戶在湖北宜昌王家灣[19-20]。

當前頁巖油氣勘探、開發(fā)中最迫切需要尋找頁巖氣最有潛力的層位及其展布范圍。中國科學院南京地質古生物研究所的研究團隊按照筆石生物地層學的基本原理和方法，通過大量對比分析四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖中標志性的筆石化石，建立了揚子區(qū)五峰組（WF）、龍馬溪組（LM）和南江組（N）的筆石生物帶劃分方案（圖1），并標注熟悉的代碼和國際地層委員會公布的同位素地質年齡值，被中國石油天然氣集團有限公司、中國石油化工集團公司和中國地質調查局等相關油氣勘探部門所采用，并作為井下和露頭區(qū)五峰組、龍馬溪組進行精細地層劃分和區(qū)域對比的“時間標尺”，對頁巖氣有利層段及有利區(qū)的優(yōu)選具有重要指導作用[21-24]。

圖1 揚子區(qū)五峰組(WF)、龍馬溪組(LM)和南江組(N)的筆石生物帶劃分方案[21-24]Fig.1 Graptolite biozone division scheme of Wufeng(WF)、Lungmachi(LM) and Nanjiang(N) Formation in Yangzi area[21-24]

4 筆石研究在頁巖氣勘探開發(fā)的作用

圖2 五峰組—龍馬溪組筆石生物地層與頁巖氣儲層特征的對應關系Fig.2 Relationship between graptolite biostratigraphy and shale gas reservoir characteristics in Wufeng Formation and Lungmachi Formation

由于沉積環(huán)境不同，美國很多頁巖氣資源更多發(fā)現于泥盆紀和石炭紀地層中。這些地層盡管也發(fā)現存在少量筆石，但不是筆石起主導作用的烴源層。中國的頁巖氣主要產自奧陶紀到志留紀地層中，這段時期的黑色頁巖里正好包含大量的筆石。與美國相比，中國頁巖氣埋藏深、地層更古老、熱演化程度高、地質結構更加復雜，給中國頁巖氣勘探開發(fā)提出了挑戰(zhàn)[25]。近10年來，在陳旭院士的指導下，運用筆石生物地層學的方法進行劃分、對比和分析，對四川盆地及其周緣重要鉆井的巖心建立了揚子區(qū)五峰組到南江組的筆石生物帶劃分方案，并提出五峰組的WF2至WF3和龍馬溪組的LM1至LM5/LM6是頁巖氣產出的主要烴源巖層及儲層[26]。

五峰組—龍馬溪組底部筆石頁巖段是頁巖氣的富集高產段，該層段含有大量的筆石化石。筆石生物帶標定可為尋找優(yōu)質頁巖儲集層段、明確最佳靶體位置和目標提供關鍵依據，從而更好地指導頁巖氣勘探和開發(fā)(圖2)。筆石主要靠食菌、藻類等生物生活，這些生物的“勃發(fā)”能造成筆石生物繁盛，故高筆石豐度段常構成富有機質頁巖層段。成巖演化過程中，高筆石豐度頁巖中的筆石體和干酪根大量生烴，并產生大量微納米孔隙，從而形成優(yōu)質頁巖儲集層段[27]。研究表明筆石含量與頁巖TOC呈正相關，對上揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組分散有機質的貢獻率達到20%～93%[16]。高筆石豐度頁巖多形成于較深水還原環(huán)境，沉積物沉積速率低，水體中硅質海綿和放射蟲等生物繁盛，故頁巖中硅質含量高、頁理發(fā)育[28-29]。高硅質含量和密集的頁理造成頁巖脆性增大、儲集和水平滲流能力增強[30]，水平井水力壓裂改造后易形成復雜裂縫網絡，從而構成頁巖氣開發(fā)最佳靶體位置?？碧胶烷_發(fā)實踐證實，高筆石豐度的頁巖段硅質平均含量高達60%，平均孔隙度大于5%，含氣量大于6m3/t，納米級孔隙占頁巖總孔隙的90%以上，微裂縫密度是其他層段的2～3倍[31-32]。此外，筆石生物帶和頁巖氣生產數據對比分析顯示，深水相的五峰組—龍馬溪組底部頁巖具有較好的頁巖氣富集條件和勘探開發(fā)潛力[14，33]。

生物地層標定可以指導精準的頁巖氣鉆井層位，為勘探臨場判斷和圈定含油氣地層提供快速指導。迄今為止，中國已在四川盆地發(fā)現埋藏深、地層古老、地層壓力大、熱演化程度高、具萬億立方米級儲量規(guī)模的大型頁巖氣區(qū)，包括威遠、長寧、焦石壩、威榮4個五峰組—龍馬溪組頁巖氣田，探明地質儲量10454×108m3，累計生產頁巖氣超過300×108m3。預計到2020年中國頁巖氣年產量有望超過200×108m3，成為全球第二大頁巖氣產氣國[34-35]。筆石生物地層標定對中國南方海相頁巖氣地質選區(qū)評價、有利含氣層位優(yōu)選和水平井靶體位置確定具有重要指導意義。