黔北道真巴漁剖面五峰組—龍馬溪組頁巖地質(zhì)特征

杜 偉，彭勇民，龍勝祥，聶海寬，孫川翔，塔力哈爾·葉爾哈孜

（1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；4.中國地質(zhì)大學(xué)，北京100083）

頁巖氣是指主要以吸附態(tài)、游離態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)頁巖層中的天然氣，是“自生自儲(chǔ)”的天然氣資源[1-2]。目前四川盆地及其周緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)取得一系列突破，發(fā)現(xiàn)了涪陵、長寧以及威榮頁巖氣田[3-5]。近年來，針對這套頁巖的巖性組合、區(qū)域分布以及沉積環(huán)境變化等方面開展了深入的研究，多數(shù)學(xué)者也關(guān)注到了川東南地區(qū)、川南地區(qū)以及黔北地區(qū)的頁巖品質(zhì)和厚度的差異[6-7]。

四川盆地東南緣龍馬溪組自下而上可分為龍一段、龍二段和龍三段。其中龍一段為富有機(jī)質(zhì)頁巖段，龍二段為濁流成因的粉砂巖段，龍三段為貧有機(jī)質(zhì)層段。目前川東南地區(qū)頁巖氣鉆井多集中于涪陵、彭水、武隆、南川和丁山等保存條件相對較好的區(qū)域，水平井靶窗主要在龍一段底部硅質(zhì)頁巖層段或者五峰組硅質(zhì)頁巖層段，涪陵頁巖氣田在龍一段（89 m）也開始探索多層立體開發(fā)?？碧介_發(fā)實(shí)踐表明頁巖品質(zhì)、巖性類型及其組合特征影響了頁巖儲(chǔ)層甜點(diǎn)分布和水平井靶窗的優(yōu)選，在頁巖氣田產(chǎn)能建設(shè)過程中至關(guān)重要[8-10]。

目前，研究表明自四川盆地內(nèi)部到盆緣地區(qū)以及盆外地區(qū)，五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖存在明顯減薄的趨勢[11]，但是針對四川盆地外部特別是在黔北地區(qū)還沒有較為完整連續(xù)的鉆井取心或者野外露頭剖面證實(shí)這種減薄變差的趨勢。黔北道真地區(qū)地處四川盆地川東高陡構(gòu)造帶和武陵褶皺帶西北緣，位于武陵—湘鄂西褶斷帶上（圖1）[12]，緊臨四川盆地東南緣頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)主體區(qū)域。該次研究選取黔北道真巴漁地區(qū)一條完整的五峰組—龍馬溪組露頭剖面開展研究。該剖面因道路施工影響，五峰組以及龍馬溪組龍一段頂?shù)捉缦耷逦?，對于研究川東南地區(qū)盆內(nèi)—盆外五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積環(huán)境的差異有重要指示意義。

圖1 道真巴漁地區(qū)區(qū)域構(gòu)造及地理位置Fig.1 Regional structure and geographic location of Bayu village,Daozhen

該次研究基于全巖礦物組分分析、薄片鑒定、氬離子拋光掃描電鏡分析、能譜分析等實(shí)驗(yàn)手段，對該剖面巖性組合、礦物組分、古生物、沉積構(gòu)造開展精細(xì)解剖，并與盆緣的典型頁巖氣鉆井進(jìn)行對比，從而明確川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育特征及其縱向演化規(guī)律。

1 小層劃分

道真巴漁剖面位于貴州省道真縣玉溪鎮(zhèn)S207路邊的沙壩村水庫旁；長度約400 m。剖面出露上奧陶統(tǒng)澗草溝組（O3j）、五峰組（O3w）、下志留統(tǒng)龍馬溪組（S1l）龍一段和龍二段，根據(jù)巖性特征、構(gòu)造特征、風(fēng)化特征以及古生物發(fā)育特征，共劃分了48 個(gè)地質(zhì)分層（圖2）。

圖2 道真巴漁剖面五峰組—龍馬溪組實(shí)測剖面Fig.2 Measured profile of Wufeng-Longmaxi Formation in Bayu outcrop,Daozhen

該剖面五峰組頁巖段厚7.23 m，以黑色含黏土硅質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖為主。龍馬溪組一段厚99.85 m，巖性為黑色—灰黑色硅質(zhì)頁巖、灰黑色含黏土硅質(zhì)頁巖、灰色粉砂質(zhì)頁巖和灰黑色黏土質(zhì)頁巖。龍二段厚16.39 m，巖性為深灰色—灰色泥質(zhì)粉砂巖（圖3）。其中，上奧陶統(tǒng)五峰組與下伏澗草溝組界限基于巖性特征區(qū)分，五峰組與上覆下志留統(tǒng)龍馬溪組界限基于古生物特征區(qū)分，龍馬溪組一段與上覆龍二段濁流沉積粉砂巖基于巖性特征區(qū)分。

圖3 道真巴漁剖面地層界限特征Fig.3 Stratigraphic boundary characteristics of Bayu outcrop,Daozhen

該剖面1—6號地質(zhì)分層，總厚度7.23 m。1號地質(zhì)分層巖性為灰黑色含黏土硅質(zhì)頁巖，與下伏澗草溝組瘤狀灰?guī)r整合接觸（圖3a）。2 號分層為灰黑色含黏土硅質(zhì)頁巖。2 號地質(zhì)分層頁巖樣品發(fā)育奧陶系環(huán)繞叉筆石（圖4a），3—6號分層發(fā)育硅質(zhì)頁巖，局部風(fēng)化為棕色塊狀特征，單層厚度1～2 cm，4號分層出現(xiàn)太平洋擬直筆石（圖4b）。

7 號地質(zhì)分層與下伏6 號整合接觸，巖性為灰黑色硅質(zhì)頁巖，風(fēng)化為棕色磚塊狀特征，單層厚度3 cm，頁巖斷面見雕刻筆石（圖4c），為LM1（Normalograptus persculptus）筆石帶，是志留系筆石帶的典型標(biāo)志（圖3b）。該小層與下伏6 號分層為志留系與下伏奧陶系的界線。8—13 號分層為灰黑色硅質(zhì)頁巖，見少量的不連續(xù)粉砂質(zhì)紋層，少量方解石紋層狀。9號分層斷面見尖削尖筆石（圖4d），為LM2筆石帶。

14 號地質(zhì)分層巖性為灰黑色含黏土硅質(zhì)頁巖，單層厚度1～2 cm，顏色相對較淺，局部發(fā)育陸源碎屑紋層，見少量方解石紋層，發(fā)育網(wǎng)狀方解石脈，斷面見內(nèi)曲赫氏筆石（圖4e）、嬌細(xì)鉤筆石（圖4f），屬于LM4（Cystograptus vesiculosus）-LM5（Coronograptus cyphus）筆石帶。15—18 號地質(zhì)分層巖性為含黏土硅質(zhì)頁巖，風(fēng)化后呈深灰色，自下而上顏色逐漸變淺。

19號分層巖性為厚層狀深灰色含粉砂黏土質(zhì)頁巖，與下伏18 號分層相比，粉砂質(zhì)含量增多，風(fēng)化后呈灰黃色。20—24 號分層自下而上粉砂質(zhì)逐漸增多，沉積構(gòu)造發(fā)育少量毫米級粉砂質(zhì)層，少量球狀風(fēng)化；斷面筆石主要發(fā)育曲背冠筆石（圖4g），屬于LM5筆石帶。

25 號分層巖性為灰色紋層狀粉砂質(zhì)頁巖，與下伏24 號分層整合接觸，該層頁巖風(fēng)化后顏色灰黃色（圖3）。沉積構(gòu)造主要發(fā)育由粉砂質(zhì)、黃鐵礦、方解石構(gòu)成的密集毫米級紋層，紋層厚1～2 mm，紋層間距1～5 mm。斷面見三角半耙筆石（圖4h），對應(yīng)于LM6（Demirastrites trianglatus）筆石帶。

剖面30 號分層巖性為深灰色粉砂質(zhì)頁巖，與下伏29 號分層整合接觸。30—32 號分層陸源碎屑礦物層厚度增大，單層厚度2～3 mm，風(fēng)化后顏色呈黃色。沉積構(gòu)造主要發(fā)育由粉砂質(zhì)、黃鐵礦、方解石構(gòu)成的稀疏紋層，局部發(fā)育方解石紋層，順層結(jié)核狀黃鐵礦。

剖面33 號分層巖性為灰黑色黏土質(zhì)頁巖，與下伏32 號分層相比，該層顏色更深。沉積構(gòu)造見少量順層的結(jié)核狀黃鐵礦，斷面見林奈耙筆石，對應(yīng)于LM8-9 筆石帶（圖4i）。34—38 號分層主要為灰黑色黏土質(zhì)頁巖，新鮮面為灰黑色，風(fēng)化面為灰黃色。

40 號分層巖性為深灰色粉砂質(zhì)頁巖，下伏39 號分層相比，其粉砂質(zhì)含量增多，發(fā)育薄層粉砂巖。41—47 號分層順層發(fā)育2 cm 厚的方解石剪切縫。45 號分層斷面見賽氏具刺筆石（圖4j），對應(yīng)于LM8筆石帶。

圖4 道真巴漁剖面典型筆石帶發(fā)育特征Fig.4 Characteristics of typical graptolite zones in Bayu outcrop,Daozhen

48 號分層巖性為灰色粉砂巖，局部夾粉砂質(zhì)頁巖，與下伏47號深灰色粉砂質(zhì)頁巖整合接觸，局部風(fēng)化為灰黃色，沉積構(gòu)造見風(fēng)化球體1.5 m×0.9 m，球體順層分布。該地質(zhì)分層是龍馬溪組二段與龍一段界限（圖3c）。

2 巖性類型及其發(fā)育特征

道真巴漁剖面五峰組—龍馬溪組龍一段自下而上主要發(fā)育灰黑色含黏土硅質(zhì)頁巖、黑色硅質(zhì)頁巖、灰黑色黏土質(zhì)頁巖、深灰色含粉砂黏土質(zhì)頁巖以及灰色粉砂質(zhì)頁巖。

含黏土硅質(zhì)頁巖主要發(fā)育在五峰組底部和龍馬溪組一段中部，風(fēng)化后呈薄層狀（圖5a），其石英含量介于45%～50%，生物成因石英含量相對較高，粒徑均小于20 μm，見少量陸源碎屑石英顆粒（粒徑大于20 μm），黏土礦物含量超過30%（圖6a）。該類頁巖中有機(jī)質(zhì)含量（TOC）相對較高，2%～4%（表1），

表1 道真巴漁剖面樣品分析測試統(tǒng)計(jì)Table 1 Sample analysis and test statistics of Bayu outcrop,Daozhen

硅質(zhì)頁巖主要發(fā)育在五峰組上部和龍馬溪組底部，風(fēng)化后主要為厚層磚塊狀特征（圖5b）。硅質(zhì)頁巖中石英礦物含量均大于50%，局部硅質(zhì)生物條帶富集，TOC較高，均大于4%。該類巖性黏土礦物含量較低，均低于30%[13-14]（圖6b）。

黏土質(zhì)頁巖主要發(fā)育在龍馬溪組一段中下部，新鮮面呈灰黑色（圖5c），風(fēng)化面呈深灰色，其黏土礦物含量超過50%，陸源碎屑石英和碳酸鹽礦物是主要的碎屑顆粒，其TOC相對較高，普遍介于2 %～3%（圖6c）。

圖5 道真巴漁剖面五峰組—龍馬溪組一段典型頁巖特征Fig.5 Typical shale characteristics of Wufeng-Longmaxi Formation in Bayu outcrop,Daozhen

圖6 道真巴漁剖面五峰組—龍馬溪組頁巖類型及其特征Fig.6 Characteristics of shale in Wufeng-Longmaxi Formation in Bayu outcrop,Daozhen

粉砂質(zhì)頁巖主要發(fā)育在龍馬溪組一段中部，新鮮面呈深灰色，可見明顯的紋層狀特征（圖5d），其全巖礦物組分中石英礦物含量、黏土礦物含量均大于30 %，碳酸鹽礦物含量大于10 %，受到風(fēng)化作用影響，方解石和白云石顆粒內(nèi)可見溶蝕孔隙。該類頁巖中陸源碎屑顆粒順層分布，在露頭和鏡下均發(fā)育紋層狀特征（圖6d），TOC相對較低，普遍小于2%。

該剖面五峰組—龍馬溪組一段自下而上巖性主要為含黏土硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、含黏土硅質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖，這種巖性組合反映了該地區(qū)沉積環(huán)境的變化過程（圖7）。上奧陶統(tǒng)五峰組經(jīng)歷持續(xù)海侵和快速海退，全球海平面快速上升過程研究區(qū)沉積薄層含黏土硅質(zhì)頁巖和厚層硅質(zhì)頁巖，全球海平面快速下降過程，川東南地區(qū)沉積觀音橋段含介殼泥灰?guī)r[15-17]。川東南地區(qū)的觀音橋段屬于濁流沉積，厚度和發(fā)育區(qū)域變化較大。研究區(qū)未見觀音橋段含介殼泥灰?guī)r。下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積時(shí)期，全球海平面快速上升，四川盆地及周緣發(fā)育厚層硅質(zhì)頁巖，伴隨著全球海平面的緩慢下降，沉積水體逐漸變淺，陸源碎屑物質(zhì)供給逐漸增多，研究區(qū)沉積物逐漸過渡為含黏土硅質(zhì)頁巖、含粉砂黏土質(zhì)頁巖以及粉砂巖（圖8）。道真地區(qū)五峰組—龍一段巖性組合特征與盆緣彭水地區(qū)和盆內(nèi)焦石壩地區(qū)具有一定的相似性，均反映了沉積水體變化過程，但是在典型巖性發(fā)育規(guī)模與與盆緣和盆內(nèi)地區(qū)具有明顯的差異性（圖9）。

圖7 道真巴漁五峰組—龍馬溪組龍一段頁巖綜合柱狀圖Fig.7 Comprehensive histogram of Wufeng Formation and Long-1 Member of Longmaxi Formation in Bayu outcrop,Daozhen

圖8 川東南—黔北地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖分布特征對比剖面Fig.8 Profile comparison of development characteristics of organic rich shale in southeastern Sichuan and Northern Guizhou

圖9 道真巴漁剖面有機(jī)質(zhì)富集與礦物分布特征Fig.9 Characteristics of organic matter enrichment and mineral distribution in Bayu outcrop,Daozhen

從道真巴漁剖面樣品統(tǒng)計(jì)來看，硅質(zhì)頁巖TOC均大于4%，含黏土硅質(zhì)頁巖TOC介于3%～4%，黏土質(zhì)頁巖TOC介于2%～3%，粉砂質(zhì)頁巖TOC小于2%。該剖面優(yōu)質(zhì)頁巖（TOC大于2%）的巖性類型主要是含黏土硅質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖，總厚度26 m，低于盆緣彭水地區(qū)和盆內(nèi)焦石壩地區(qū)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)該剖面具有與川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖相似的有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律，TOC與石英礦物含量呈正相關(guān)關(guān)系，與黏土礦物含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明該地區(qū)硅質(zhì)頁巖中石英礦物也是以生物成因石英為主[2，4，7]。

道真地區(qū)五峰組下部發(fā)育較厚的含黏土硅質(zhì)頁巖，向盆緣彭水地區(qū)和盆內(nèi)焦石壩地區(qū)延伸，該套含黏土硅質(zhì)頁巖逐漸減薄。剖面中龍馬溪組硅質(zhì)頁巖厚度也小于盆緣彭水地區(qū)和盆內(nèi)焦石壩地區(qū)。從五峰組底部含黏土硅質(zhì)頁巖分布特征以及龍馬溪組硅質(zhì)頁巖分布特征來看，道真地區(qū)沉積環(huán)境與盆緣彭水地區(qū)和盆內(nèi)焦石壩地區(qū)相比整體較淺。

3 結(jié)論

黔北地區(qū)道真巴漁剖面上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段地層出露較好，地層界限清晰完整。受全球海平面變化的控制，該剖面五峰組—龍馬溪組一段自下而上發(fā)育含黏土硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、含黏土硅質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖，與盆緣彭水地區(qū)和盆內(nèi)焦石壩具有相似的縱向疊置特征。

巴漁剖面五峰組—龍馬溪組一段優(yōu)質(zhì)頁巖巖性主要是含黏土硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖，具有與盆緣彭水地區(qū)和盆內(nèi)焦石壩地區(qū)較為一致的有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律，TOC與石英礦物含量呈正相關(guān)關(guān)系，與黏土礦物含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

巴漁剖面五峰組—龍馬溪組一段優(yōu)質(zhì)頁巖總厚度26.1 m，低于盆緣彭水地區(qū)和盆內(nèi)焦石壩地區(qū)，反映道真地區(qū)在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積時(shí)期沉積水體深度相對較淺。