梁 超， 姜在興， 郭 嶺， 楊鐿婷

( 中國地質大學(北京) 能源學院,北京 100083 )

0 引言

近年來，隨著全球能源的供需失衡及對清潔能源需求的不斷擴大、天然氣價格的不斷上漲，頁巖氣在非常規(guī)天然氣中異軍突起，其勘探開發(fā)正由北美向全球擴展, 已成為全球非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的新亮點[1].中上揚子地區(qū)古生代發(fā)育3套海相黑色泥巖[2-4]，筆者選取黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色泥巖為研究對象.近年來，人們研究黔北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組巖性特征、沉積環(huán)境、層序地層、成因等，認為沉積環(huán)境是缺氧還原的環(huán)境[5].陳蘭[6]、袁宏等[7]從地球化學元素角度探討牛蹄塘組黑色泥巖的沉積環(huán)境及海平面變化.楊劍等[8]通過古地溫研究判定黔北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色巖系的受熱溫度介于60～250 ℃之間，同時認為黑色頁巖的主要成因模式[9]：熱鹵水+火山噴發(fā)物+地外物質模式；海底熱泉或其他陸源等未定型模式；同生沉積和表生熱液模式；海相熱水成因的多階段模式.未見就牛蹄塘組沉積環(huán)境對有機質富集的影響，以及該層段黑色泥頁巖的頁巖氣勘探前景的研究，筆者通過“點—線—面”三位一體的方法并結合有關測試結果，揭示其沉積特征和沉積環(huán)境演化，分析陸棚環(huán)境對黑色泥巖沉積特征、分布特征、有機質保存的影響及對頁巖氣勘探的指導意義.

1 頁巖發(fā)育環(huán)境

淺海陸棚位于近濱外側至大陸架坡折之間,其上限位于正常浪基面附近，下限水深以下至水深一般不大于200 m的陸棚坡折帶之間[10].根據(jù)陸棚的水深和水動力條件,劃分為淺水陸棚和深水陸棚.淺水陸棚發(fā)育的寒武系牛蹄塘組，主要為一套黑色泥巖、粉砂質泥巖等細粒沉積，沉積物顏色以黑色和灰色為主.

1.1 淺水陸棚

淺水陸棚處于濱外浪基面之下至風暴浪基面之上的淺海陸棚區(qū),沉積物以砂泥為主，其次為碳酸鹽巖.由于水深較淺，水體動蕩，常常間歇性地受到風暴、潮流和海流的影響,砂質沉積物常常被改造成席狀砂、灘壩.淺水陸棚是一高能沉積環(huán)境，根據(jù)沉積特征水體識別主要以砂質沉積物為主的砂質陸棚及以泥質沉積為主的泥質陸棚.在研究區(qū)內，淺水陸棚主要沉積黑色泥巖、灰色泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖(見圖1)，顏色以深灰色、灰色、黑色為主，發(fā)育塊狀層理、水平層理.

1.2 深水陸棚

深水陸棚處于陸棚靠大陸斜坡一側、風暴浪基面以下的淺海區(qū).由于水深相對較深，能量低，水體安靜，沉積物常常以粒細的黑色巖系為典型特征.研究區(qū)深水陸棚主要發(fā)育于下寒武統(tǒng)牛蹄塘組底部，是一套以黑色泥巖、黑色炭質頁巖、黑色硅質巖為主的細粒沉積(見圖1)，發(fā)育水平層理.這套細粒黑色巖系具有分布廣、厚度大、質純的特點，形成于較深水環(huán)境下的還原環(huán)境，富含有機質.

圖1 沙道溝剖面淺水陸棚(圖(a)～(b))和永和剖面深水陸棚(圖(c)～(d))泥頁巖特征

2 沉積環(huán)境演化

2.1 區(qū)域地質概況

永和剖面位于貴州東部，大地構造上位于上揚子地臺南緣(見圖2)，其構造演化與揚子地臺的區(qū)域構造演化具有一致性.

受多期構造運動的影響，黔北地區(qū)褶皺、斷裂構造非常發(fā)育.褶皺以北東向或北北東向展布為主；古斷裂活化現(xiàn)象普遍，造成不同走向的斷裂切割關系復雜[11-12].根據(jù)黔北地區(qū)構造變形特征，該區(qū)以擠壓變形為主，兼有走滑的性質.由于受不同時期構造長期的相互干擾和疊加，形成目前區(qū)內所見褶皺、斷層發(fā)育、組合形態(tài)復雜的構造景觀.

該區(qū)在震旦系沉積厚套白云巖系，覆蓋在白云巖之上的為下寒武牛蹄塘組或與之對應的渣拉溝組,為一套黑色頁巖.此外，在該區(qū)西南部還沉積灰色—黑色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖和粉砂巖.覆蓋于黑色頁巖之上的為明心寺組砂頁巖.目的層下寒武統(tǒng)牛蹄塘組主要出露于研究區(qū)東南部，西北部大多被剝蝕，出露較少.

圖2 黔北地區(qū)構造綱要

圖3 甕安永和剖面綜合分析

2.2 垂向演化

永和剖面位于甕安縣城東部，該剖面目的層為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，剖面底部為震旦系燈影組白云巖，頂部為下寒武統(tǒng)明心寺組灰?guī)r，其剖面綜合分析結果見圖3.寒武系牛蹄塘組與震旦系分界線以白云巖向硅質巖的轉換為界，燈影組發(fā)育淺灰-灰色白云巖，可見明顯的風化作用導致的“刀砍紋”現(xiàn)象；牛蹄塘底部發(fā)育灰色-深灰色硅質巖.

根據(jù)野外露頭資料，把牛蹄塘組地層劃分為1個三級層序，包括海侵體系域和高位體系域.

(1)海侵體系域.位于50～105 m層段，巖性以黑色泥巖為主，黑色薄層炭質泥巖夾少量薄層粉砂質泥巖，發(fā)育塊狀層理和水平層理，底部為一套硅質巖沉積.海侵體系域主要為一套深水環(huán)境下的黑色泥巖沉積，此時可容空間的增大速度略大于沉積物的供給速率，形成一套退積的準層序組.在剖面中薄層的粉砂質泥巖和泥質粉砂巖，是由海平面的波動造成的，即在三級旋回中海平面在總體上升的背景下出現(xiàn)短暫的下降，可以預見海平面上升是“階梯式”或者周期性上升的.在體系域的分界處，泥巖顏色為黑色，巖性較純，為薄層狀的黑色泥巖，把這種黑色質純的泥巖當做“密集段”沉積，即最大海泛面的位置.海侵體系域劃分2個退積準層序組，發(fā)育黑色泥巖及黑色粉砂質泥巖，為淺海深水陸棚沉積.

(2)高位體系域.位于10～50 m層段，底部以黑色泥巖為主，往上逐漸變化為深灰色泥巖，同時粉砂巖和泥質粉砂巖含量逐漸增多，顏色變淺，在地層剖面上可以看到明顯的進積序列，反映水體深度變淺的過程，即海平面的相對下降過程.總體來看，海侵體系域后期，伴隨相對海平面的下降，形成一套向上變粗的高位體系域沉積體，其又可細分為2個準層序組.準層序組1主要為深灰色泥巖和深灰色粉砂質泥巖，向上粉砂質含量相對增多，為淺海淺水陸棚沉積；準層序組2主要為深灰色泥質粉砂巖，深灰色粉砂質泥巖和灰色粉砂質泥巖，為淺海砂質陸棚沉積.

2.3 連井(剖面)沉積相

在單井沉積劃分的基礎上，對研究區(qū)進行層序地層格架內的沉積相對比.由于該區(qū)資料有限，選擇北西-南東向和北東-南西向2個剖面，闡述研究區(qū)層序地層格架內沉積相展布特征.

2.3.1 北東-南西向剖面

該剖面為北東-南西向連井(剖面)剖面，從西南向東北依次穿過開陽縣芭蕉寨剖面、甕安玉華剖面、余慶翁腳剖面、石阡縣客樓鎮(zhèn)剖面、江口縣德旺剖面、松桃林潮溝剖面和吉首默戎剖面(見圖4).

圖4 芭蕉寨-玉華-翁腳-客樓鎮(zhèn)-德旺-林潮溝-默戎剖面沉積相剖面

(1)海侵體系域.海侵體系域在西南部和北部偏西地區(qū)的剖面中發(fā)育相對較薄，最東部的吉首默戎厚度最大，西南的開陽縣芭蕉寨最薄，同時，沿該連井剖面方向偏北側的松桃林潮溝和江口縣德旺厚度較偏南側的永和薄.整體上海侵體系域以黑色泥巖、硅質泥巖為主，松桃林潮溝海侵體系域中黑色粉砂質泥巖厚度較大，離物源較近；西南部的開陽縣芭蕉寨還發(fā)育灰綠色粉砂質泥巖、灰色粉砂質泥巖，且所占比例很大，說明芭蕉寨地區(qū)處在近物源方向.總體來看，海侵體系域時期整體為淺海沉積環(huán)境，根據(jù)黑色泥巖的厚度分布以及粉砂質泥巖的厚度和在體系域中所占比例，該剖面的沉積中心位置在東南方向.

(2)高位體系域.高位體系域時期，隨著相對海平面的逐漸下降，在西南地區(qū)的芭蕉寨頂部沉積一套以泥質粉砂巖為主的淺海陸棚砂質沉積體，底部是以黑色粉砂質泥巖為主的淺水陸棚沉積體；玉華地區(qū)沉積套黑色-灰黑色泥巖，隨著海平面的下降，向上泥巖顏色變淺；石阡客樓高位體系域底部沉積一套以灰黑色粉砂質泥巖為主的淺水陸棚沉積，頂部發(fā)育以泥質粉砂巖為主的砂質陸棚沉積體，總體向上巖性粒度變粗，顏色變淺代表海平面的下降；林潮溝以黑色粉砂質泥巖為主，此外還發(fā)育薄層泥質粉砂巖，吉首地區(qū)發(fā)育以灰黑色粉砂質泥巖和黑色泥巖為主的淺水陸棚沉積.總體來看，高位體系域時期，巖性呈現(xiàn)逆粒序、顏色向上變淺.發(fā)育以粉砂質泥巖為主的淺水陸棚沉積，在芭蕉寨和石阡縣客樓鎮(zhèn)頂部還發(fā)育以泥質粉砂巖為主的砂質陸棚.

2.3.2 北西-南東向剖面

該剖面為北東-南西向連井剖面，從西南向東北依次穿過遵義松林剖面、湄潭梅子灣剖面、石阡縣客樓鎮(zhèn)剖面和鎮(zhèn)遠清溪鎮(zhèn)剖面(見圖5).

圖5 松林-梅子灣-客樓鎮(zhèn)-鎮(zhèn)遠清溪鎮(zhèn)剖面沉積相剖面

(1)海侵體系域.海侵體系域在西部偏西地區(qū)的剖面中發(fā)育相對較薄，向東部的石阡縣客樓鎮(zhèn)和鎮(zhèn)遠清溪鎮(zhèn)厚度增加，最東部的清溪鎮(zhèn)厚度最大，自西向東水深加深，海平面上升.整體上海侵體系域以黑色泥巖、硅質泥巖為主，東部的清溪鎮(zhèn)海侵體系域中黑色泥巖厚度較大，離物源較遠；西部的遵義松林發(fā)育灰色粉砂質泥巖，說明松林地區(qū)處在近物源方向.總體來看，海侵體系域時期整體為淺海沉積環(huán)境，根據(jù)黑色泥巖的厚度分布以及粉砂質泥巖的厚度和在體系域中所占比例，該剖面的沉積中心位置在東南方向.

(2)高位體系域.高位體系域時期，隨著相對海平面的逐漸下降，在西部地區(qū)的遵義松林剖面頂部沉積一套以灰色泥質粉砂巖為主的淺海陸棚砂質沉積體，底部是以黑色粉砂質泥巖為主的淺水陸棚沉積體；石阡縣客樓鎮(zhèn)高位體系域底部沉積一套以灰黑色粉砂質泥巖為主的淺水陸棚沉積，頂部發(fā)育以泥質粉砂巖為主的砂質陸棚沉積體，整體上巖性粒度變粗，顏色變淺代表海平面的下降；鎮(zhèn)遠清溪鎮(zhèn)發(fā)育以灰黑色泥巖為主的淺水陸棚沉積.總體來看，高位體系域時期，巖性呈現(xiàn)逆粒序、顏色向上變淺.發(fā)育以粉砂質泥巖為主的淺水陸棚沉積，在遵義松林和石阡縣客樓鎮(zhèn)頂部還發(fā)育以泥質粉砂巖為主的砂質陸棚.

海侵體系域地層厚度東南部相對較大，為該時期的沉降中心，黑色泥巖也是在東南部地區(qū)發(fā)育較厚，因此也是沉積中心所在處；高位體系域時期，地層厚度自東南厚度略有增大，說明沉降中心向東南偏移，黑色和灰色泥巖總厚度也具有向東南增大的趨勢，因此沉積中心也向東南部有所遷移.此外，西南方向的開陽縣芭蕉寨粒度較粗，西南方向是近物源方向.

3 沉積相平面展布特征

3.1 地球化學元素

黃鐵礦在海盆中沉積具有規(guī)律性，隨著氧化還原作用的強弱，黃鐵礦質量分數(shù)隨還原性增強而增大[10,13-15].黃鐵礦是指示氧化還原條件的地化指標，它與沉積環(huán)境的還原性有良好的相關性[10,15]，可以通過其質量分數(shù)變化指示氧化還原條件，揭示水深變化.黔北地區(qū)黃鐵礦質量分數(shù)見圖6(a).由圖6(a)可以看出，研究區(qū)黃鐵礦質量分數(shù)向工區(qū)東南部逐漸增加，表明向東南方向，水體還原性增強，水深加深.

伊利石是黏土礦物中較穩(wěn)定的繼承性礦物，其在黏土礦物中的相對質量分數(shù)隨著搬運距離的增加而增加[10,16-17].根據(jù)黔北地區(qū)伊利石質量分數(shù)測試分析結果，黏土礦物中伊利石的質量分數(shù)具有一定的趨勢性(見圖6(b)).總體來看，向工區(qū)東南部質量分數(shù)增加，在工區(qū)西部存在一個較小的高質量分數(shù)凸體.因此，物源主要來自西北方向，在西部偏南方向存在凸起提供少量物源，導致西部出現(xiàn)伊利石質量分數(shù)的高凸起.

圖6 黔北地區(qū)地球化學元素質量分數(shù)等值線分布特征

分析黃鐵礦及黏土礦物中伊利石質量分數(shù)的變化，該區(qū)古地貌具有西北高、東南低的特點，水深向東南部加深，物源主要來自西北部，少量來自西南部.

3.2 沉積相展布

通過統(tǒng)計研究區(qū)內13條露頭剖面的各個體系域的地層厚度、黑色泥巖厚度、灰色粉砂質泥巖厚度、灰色泥質粉砂巖厚度，結合各種相標志、單井相、露頭巖心相、剖面相及統(tǒng)計分析結果，分析和劃分沉積相在平面上的展布.

(1)海侵體系域.海侵體系域沉積時期，水體相對較深，根據(jù)巖心相和露頭剖面特征，在單剖面沉積相劃分的基礎上，進行連井沉積體系劃分對比，由于海侵體系域主要發(fā)育黑色泥巖、少量灰色泥巖和灰色粉砂巖，結合黑色泥巖等厚圖和地層等厚圖等(見圖7)，作海侵體系域的沉積相圖(見圖8)，其沉積相類型主要為砂質陸棚、淺水陸棚沉積、深水陸沉積.砂質陸棚主要出現(xiàn)在工區(qū)西部偏北方向；淺水陸棚出現(xiàn)于西北大部；深水陸棚分布于工區(qū)東南部，呈北西-南東走向.巖石類型主要為黑色泥巖和灰色泥巖，在工區(qū)西南和西北發(fā)育少量粉砂質泥巖.根據(jù)黑色泥巖等值線圖、地層厚度等值線圖，結合沉積體系平面展布可以看出,黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組海侵體系域沉積時期，沉積和沉降中心位于研究區(qū)的東南部，主要物源來自西北部.

(2)高位體系域.高位體系域時期，隨著相對海平面的下降，在工區(qū)陸棚砂體范圍進一步擴大，淺水陸棚和深水陸棚向東南遷移，范圍縮小.由西北向東南方向依次為砂質陸棚沉積、淺水陸棚沉積和深水陸棚沉積.砂質陸棚主要出現(xiàn)在西部；淺水陸棚在工區(qū)內大范圍分布，以北偏西為主；深水陸棚出現(xiàn)在工區(qū)東南部，水體仍然較深，根據(jù)黑色泥巖厚度等值線圖，高位體系域沉積時期，沉積中心仍然在工區(qū)的東南區(qū)域.

圖7 黔北地區(qū)地球化學元素厚度等值線分布特征

4 頁巖氣勘探前景

陸棚環(huán)境特別是深水陸棚，在該區(qū)地區(qū)牛蹄塘組發(fā)育厚套的黑色泥頁巖.牛蹄塘組沉積早期海平面處于較高位置，水體深度相對較深，主要發(fā)育厚套的細粒的沉積，黑色泥巖顏色深，質純.由于水體安靜，水底為缺氧的還原環(huán)境，使有機質被氧化而在水底大量保存，且有機質成熟度較高.海侵體系域末期，隨著相對海平面的逐漸降低，形成一套以灰色泥巖、黑色泥巖和灰色粉砂質泥巖為主的高位體系域沉積體，有利于形成頁巖氣聚集的黑色泥巖在海侵體系域時期，主要為深水陸棚沉積環(huán)境.根據(jù)頁巖氣成藏機理[18-21]，陸棚環(huán)境中深水陸棚是黑色泥巖發(fā)育的良好場所，在松桃林潮溝剖面中深水陸棚沉積一厚套富有機質頁巖.特別是深水陸棚環(huán)境沉積的黑色頁巖富含有機質，孔隙大小為1～20 μm，微孔隙,縫寬為1～3 μm,長為幾十微米不等(放大1 500倍)，且孔隙較多.根據(jù)全巖X線衍射分析、能譜分析及鏡下薄片觀察結果，石英質量分數(shù)較高，林潮溝剖面樣品石英質量分數(shù)為60%.黑色頁巖具有較好的壓裂條件，有利于頁巖氣開發(fā)(見圖9).

圖8 沉積體系平面展布

圖9 松桃林潮溝剖面柱狀圖(左)及電鏡圖(右上，×1 500)、顯微組分(右下，×800)

5 結束語

陸棚環(huán)境特別是深水陸棚是黑色頁巖發(fā)育的有利環(huán)境.在永和剖面牛蹄塘組沉積時期，沉積環(huán)境主要為淺水陸棚和深水陸棚，在牛蹄塘組沉積早期主要發(fā)育深水陸棚沉積，隨著后期海平面的下降，水體變淺，發(fā)育淺水陸棚沉積.該區(qū)深水陸棚沉積的黑色頁巖粒度細、顏色深、巖性純且富含有機質.深水陸棚環(huán)境中黑色頁巖厚度較大，微觀上牛蹄塘組黑色頁巖富含有機質且硅酸鹽含量較高易于壓裂.深水陸棚環(huán)境沉積的牛蹄塘組黑色頁巖為該區(qū)勘探重點區(qū)域.