孟志勇

(中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，湖北 武漢 430223)

四川盆地涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段縱向非均質(zhì)性及其發(fā)育主控因素

孟志勇

(中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，湖北 武漢 430223)

四川盆地涪陵地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組發(fā)育一套富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，勘探證實(shí)為一套優(yōu)質(zhì)含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層。該套頁(yè)巖具較強(qiáng)的縱向非均質(zhì)性，直接影響了儲(chǔ)層含氣量及儲(chǔ)層可改造性。研究首先建立了頁(yè)巖等時(shí)層序地層對(duì)比格架；在等時(shí)地層格架中，分析了頁(yè)巖儲(chǔ)層在巖礦組成、黃鐵礦含量、沉積構(gòu)造、有機(jī)質(zhì)豐度等方面的非均質(zhì)性特征。在海侵期，頁(yè)巖中主要發(fā)育自生硅質(zhì)和沉積成因的自生黃鐵礦，頁(yè)理發(fā)育，有機(jī)碳含量高，與硅質(zhì)之間呈現(xiàn)特殊的正相關(guān)耦合關(guān)系。早期高位域時(shí)期，頁(yè)巖中主要包含陸源粉砂，發(fā)育小型波紋層理和透鏡狀層理；粘土質(zhì)含量較海侵期有所增加，有機(jī)碳含量中等；兼有沉積成因的自生黃鐵礦和后期次生成因的黃鐵礦。晚期高位域時(shí)期，粘土質(zhì)含量進(jìn)一步增加；粉砂質(zhì)含量減少；有機(jī)碳含量低；兼有沉積成因的自生黃鐵礦和后期次生黃鐵礦。從沉積作用、古海洋生產(chǎn)力和氧化還原環(huán)境等方面探討了非均質(zhì)性的影響因素，明確其主要受控于陸源供給速率、古生產(chǎn)力、水體氧化還原性和古洋流等因素。

頁(yè)巖非均質(zhì)性;頁(yè)巖氣;五峰組;龍馬溪組;涪陵地區(qū)；四川盆地

奧陶紀(jì)末五峰組-早志留世龍馬溪組沉積早期，涪陵地區(qū)整體處于相對(duì)安靜的深水陸棚沉積環(huán)境，發(fā)育了一套暗色富碳、富硅、富筆石頁(yè)巖[1-2]，厚95 m左右，該套頁(yè)巖儲(chǔ)層縱向具較強(qiáng)的非均質(zhì)性，在巖礦組成、有機(jī)質(zhì)豐度等方面具明顯的縱向差異性，結(jié)合頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)需要，根據(jù)影響頁(yè)巖氣富集及高產(chǎn)的主要地質(zhì)參數(shù)縱向差異性，整個(gè)含氣頁(yè)巖段可劃分為9個(gè)小層(圖1)。

從涪陵頁(yè)巖氣田實(shí)際開(kāi)發(fā)效果來(lái)看，下部①—⑤小層為最優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖，有機(jī)質(zhì)豐度高，物性條件好，含氣量高，脆性指數(shù)高，后期的壓裂效果好，試氣產(chǎn)量高(平均達(dá)36×104m3/d)，為開(kāi)發(fā)井水平段最佳穿越層段，而水平段穿越上部⑥—⑨小層開(kāi)發(fā)井的開(kāi)發(fā)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于穿越①—⑤小層的開(kāi)發(fā)井。頁(yè)巖自身的非均質(zhì)性對(duì)于頁(yè)巖自身的品質(zhì)及可改造性均產(chǎn)生了較大的影響，對(duì)后期頁(yè)巖氣的富集及高產(chǎn)起到了關(guān)鍵性的控制作用[3]，因此，厘清頁(yè)巖儲(chǔ)層的縱向非均質(zhì)性特征及其發(fā)育主控因素，可有效指導(dǎo)國(guó)內(nèi)海相頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)研究工作。

圖1 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段生物年代地層綜合柱狀圖Fig.1 Generalized biostratigraphic column of the gas shales in the Wufeng-Longmaxi Fms,Fuling area

本次研究首先確立了等時(shí)地層對(duì)比格架，在等時(shí)地層格架中開(kāi)展了頁(yè)巖儲(chǔ)層縱向非均質(zhì)性特征及其發(fā)育主控因素研究，探討了陸源供給速率、古生產(chǎn)力、水體氧化還原性、古洋流等因素對(duì)頁(yè)巖縱向非均質(zhì)性的影響。

1 含氣頁(yè)巖段層序地層格架

涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段主體為深水陸棚沉積，發(fā)育一套富碳、富硅、富筆石的暗色頁(yè)巖，該地區(qū)筆石縱向分帶研究結(jié)果表明：五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段共發(fā)育10個(gè)筆石帶，先后經(jīng)歷了凱迪階、赫南特階、魯?shù)るA及埃隆階早期，歷時(shí)約8.88 Ma，可劃分為2個(gè)三級(jí)層序、3個(gè)四級(jí)層序。第一個(gè)三級(jí)層序?qū)?yīng)于五峰組，從區(qū)域上來(lái)看，屬奧陶系的第6個(gè)三級(jí)層序(OSQ6)，其底界為五峰組與澗草溝組灰?guī)r的巖性巖相轉(zhuǎn)換面，頂界為五峰組觀音橋段富含介殼的灰云質(zhì)泥巖與上覆的富碳富硅頁(yè)巖的巖性巖相轉(zhuǎn)換面為界。在湘鄂西地區(qū)五峰與龍馬溪組界面處為一平行不整合面，普遍缺失觀音橋段地層，該期三級(jí)層序最大海泛面位于五峰組觀音橋段底界面附近。第二個(gè)三級(jí)層序?qū)?yīng)于龍馬溪組龍一段，從區(qū)域上來(lái)看，屬志留系第一個(gè)三級(jí)層序(SSQ1)，層序上界面為龍一段富碳富硅頁(yè)巖與上覆龍二段濁積砂段的巖性巖相轉(zhuǎn)換面，SSQ1總體來(lái)看存在兩期次級(jí)海平面升降旋回，最大海泛面位于④小層中上部，次級(jí)海泛面位于⑧小層上部(圖1)。

由于第一個(gè)三級(jí)層序的高位域時(shí)期沉積地層較薄，觀音橋段在區(qū)域上地層厚度整體介于20～40 cm，因此涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段整體上可粗略的劃分為3個(gè)沉積階段：①—④小層為海侵體系域；⑤—⑧小層為早期高位域；⑨小層為晚期高位域。

2 含氣頁(yè)巖段縱向非均質(zhì)性特征

涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段巖礦、有機(jī)質(zhì)豐度等諸多地質(zhì)參數(shù)縱向上均具備明顯的差異性和分段性特征。

2.1 巖礦縱向非均質(zhì)性特征

從全巖分析結(jié)果來(lái)看，整個(gè)含氣頁(yè)巖段自下而上粘土礦物含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，硅質(zhì)含量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)(圖1，圖2a)。其中海侵期(①—④小層)的的硅質(zhì)含量最高，介于40%～60%，粘土含量介于30%～40%；其次為早期高位域時(shí)期(⑤—⑧小層)，硅質(zhì)含量介于30%～50% ，粘土含量介于40%～50%；晚期高位域時(shí)期(⑨小層)硅質(zhì)含量最低，介于20%～40%，粘土含量介于55%～60%。

薄片鑒定結(jié)果表明硅質(zhì)成因在縱向上具備差異性特征，其中海侵期(①—④小層)發(fā)育放射蟲(chóng)、硅質(zhì)海綿骨針等硅質(zhì)骨骼類生物化石(圖3a)，同時(shí)發(fā)育少量陸源粉砂；早期高位域時(shí)期(⑤—⑧小層)主要以陸源粉砂為主，少見(jiàn)硅質(zhì)骨骼類生物化石，與海侵期相比硅質(zhì)(包括生物成因硅質(zhì)與陸源粉砂)含量略有降低，粘土含量有所增加(圖1，圖3b)；晚期高位域時(shí)期(⑨小層)硅質(zhì)仍以陸源粉砂為主，但硅質(zhì)含量在整個(gè)含氣頁(yè)巖段中最低，粘土含量明顯增加(圖1，圖3c)。

為了較好的表征含氣頁(yè)巖段自生硅質(zhì)含量的縱向變化特征，我們選取各段樣品開(kāi)展了微體古生物實(shí)驗(yàn)分析，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程分7個(gè)步驟完成：①首先把巖石樣品破碎成厘米級(jí)的碎塊；②每件樣品稱取50～100 g不等干樣品；把樣品裝入有網(wǎng)孔的塑料袋里，并用1%～4%的HF酸處理24 h。把HF酸處理后得到的殘余物(小巖石顆粒)儲(chǔ)存在封閉且有水的燒杯里1～2個(gè)星期，連續(xù)重復(fù)上述步驟，直到樣品全部溶解完；③加濃的HCl酸熱溶液處理，去除放射蟲(chóng)表面金屬氧化物玷污，至放射蟲(chóng)用肉眼看呈白色；用抗絮凝劑(焦磷酸鈉)溶液(20 g/L)，加熱至80～100 ℃，去除放射蟲(chóng)表面的粘土物質(zhì)；④使用63 μm和350 μm孔徑的篩子，輕柔地篩洗清潔后的放射蟲(chóng)；⑤把清洗后的放射蟲(chóng)倒在裝有濾紙的漏斗上過(guò)濾，在涼干前用丙酮或乙醇等揮發(fā)性溶劑淋洗；⑥在顯微鏡下對(duì)酸處理后的殘余物里的放射蟲(chóng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和挑選。取1/n樣品均勻撒在玻璃板上，在Olympus BX50生物顯微鏡下逐行鑒定和統(tǒng)計(jì)；⑦每板樣品中每個(gè)屬種的個(gè)體數(shù)量m及所有屬種的個(gè)體總數(shù)量M。該樣品放射蟲(chóng)的豐度即為nM/樣品重量，單位為個(gè)/g。

圖2 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段硅質(zhì)及生物成因硅質(zhì)含量縱向分布Fig.2 Vertical distribution of the total silica content and biogenic silica content of the gas shales in the Wufeng-Longmaxi Fms, Fuling areaa.硅質(zhì)含量(生物硅+陸源硅)縱向分布；b.生物成因硅質(zhì)含量縱向分布

圖3 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段薄片照片F(xiàn)ig.3 Thin section photos of the gas shales in the Wufeng-Longmaxi Fms in Fulin areaa.海侵期，發(fā)育硅質(zhì)骨骼類生物化石，含少量陸源粉砂，箭頭所指為硅質(zhì)骨骼類生物放射蟲(chóng)化石；b.早期高位，發(fā)育陸源粉砂和粘土質(zhì)； c.晚期高位，發(fā)育粘土礦物，陸源粉砂含量低

根據(jù)放射蟲(chóng)和硅質(zhì)海綿骨針的實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果，不難看出生物成因硅質(zhì)縱向具備明顯的差異性特征，生物成因硅質(zhì)主要發(fā)育于海侵期，早期高位和晚期高位時(shí)期發(fā)育程度明顯降低(圖2b)。

2.2 黃鐵礦縱向非均質(zhì)性特征

2.2.1 發(fā)育程度

五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段沉積時(shí)期，涪陵地區(qū)主體為安靜的深水陸棚沉積環(huán)境，地層中黃鐵礦較為發(fā)育，全巖X-衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含氣頁(yè)巖段黃鐵礦發(fā)育程度在縱向上具備較大的差異性，總體上自上而下黃鐵礦發(fā)育程度逐漸增加，具備“三段式”特征。

海侵期頁(yè)巖地層中黃鐵礦發(fā)育程度最高，黃鐵礦含量一般介于4.0%～6.5%(重量比)，早期高位域時(shí)期發(fā)育程度有所降低，黃鐵礦含量一般介于2%～4%；晚期高位域時(shí)期黃鐵礦發(fā)育程度最低一般介于1.0%～2.5%。

2.2.2 產(chǎn)狀及成因變化特征

巖心觀察結(jié)果顯示海侵期巖心肉眼難以識(shí)別出黃鐵礦，借助于放大鏡可觀察到部分星散狀黃鐵礦；早期高位和晚期高位頁(yè)巖巖心上發(fā)育團(tuán)塊狀和紋層狀黃鐵礦,但相比較而言，早期高位巖心團(tuán)塊狀黃鐵礦較晚期高位更為發(fā)育。掃描電鏡觀察結(jié)果表明整個(gè)含氣頁(yè)巖段發(fā)育草莓狀黃鐵礦，縱向上自下而下草莓狀黃鐵礦逐漸趨于發(fā)育，他形晶為主，含少量自形晶，粒徑多集中在5 μm左右。

根據(jù)成因，黃鐵礦可分為原生黃鐵礦和次生黃鐵礦，原生黃鐵礦形成于沉積物沉積時(shí)期，主要形成于硫化還原或富鐵還原環(huán)境，具有較高的生長(zhǎng)速率，形成的黃鐵礦快速沉降到海底，由于海底缺乏單質(zhì)硫的供給，使得他們不能進(jìn)一步生長(zhǎng)，從而具備較小的直徑[2-3]；次生黃鐵礦形成于水巖界面之下的還原環(huán)境，與沉積水體的沉積環(huán)境無(wú)關(guān)，具備較慢的生長(zhǎng)速率和較長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間，從而個(gè)體較大[4-5]。

Wilkin等[3]提出硫化還原(原生黃鐵礦)和氧化環(huán)境(次生黃鐵礦)沉積的草莓狀黃鐵礦的平均粒徑分別為5.0μm±1.7μm和7.7μm±4.1μm，在研究分析了現(xiàn)代海洋沉積物和沉積巖中草莓狀黃鐵礦之后，他們認(rèn)為硫化環(huán)境或還原環(huán)境下形成的草莓狀黃鐵礦(原生)僅有4%的草莓狀黃鐵礦顆粒粒徑會(huì)大于10 μm，而氧化環(huán)境下水巖界面之下形成的草莓狀黃鐵礦有10%～50%粒徑超過(guò)10 μm。

Wignall等[4]認(rèn)為草莓狀黃鐵礦的最大黃鐵礦直徑(MFD)可以較好的區(qū)分草莓狀黃鐵礦的成因(硫化還原環(huán)境形成的原生黃鐵礦或氧化環(huán)境水巖界面之下形成的次生黃鐵礦)，一般硫化還原環(huán)境下形成的草莓狀黃鐵礦的MFD一般小于20小于μm，而氧化-次氧化環(huán)境水巖界面下形成的草莓狀黃鐵礦一般大于20 μm[4-8]。

圖4為根據(jù)涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段草莓狀黃鐵礦粒徑概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果編制的Box-whisker圖，圖中長(zhǎng)條盒子包括了Q=25%到Q=75%(Q為分布百分?jǐn)?shù)的概率)的粒徑范圍，草莓狀黃鐵礦粒徑主要集中在3～6 μm要集范圍內(nèi)，盒子中的紅色實(shí)線代表了Q=50%中值粒徑，多集中在4～5集中范圍內(nèi)。圖中長(zhǎng)實(shí)線代表了所有粒徑的分布范圍，也表示了最小和最大的粒徑值，圖中顯示草莓狀黃鐵礦最大粒徑多小于20μm顯示。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段草莓狀黃鐵礦主要為還原環(huán)境條件下的原生黃鐵礦。

結(jié)合全巖分析結(jié)果不難看出，涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段黃鐵礦在發(fā)育程度及成因上均具備縱向差異性特征，其中海侵期黃鐵礦最為發(fā)育，以還原條件下原生黃鐵礦為主；早期高位域時(shí)期黃鐵礦發(fā)育程度有所降低，兼有原生和次生成因；晚期高位域時(shí)期黃鐵礦發(fā)育程度最低，兼有原生和次生成因。

2.3 沉積構(gòu)造縱向非均質(zhì)性特征

1) 海侵期(①—④小層)

巖心觀察結(jié)果表明涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段海侵期頁(yè)巖巖心發(fā)育頁(yè)理，巖心出筒后常斷裂成千層餅狀，見(jiàn)灰白色粉砂質(zhì)細(xì)紋層，紋層寬0.1 mm左右。

2) 早期高位域(⑤—⑧小層)

早期高位域時(shí)期，發(fā)育灰白色粉砂質(zhì)粗紋層，紋層寬0.1～1 mm，發(fā)育小型波狀、透鏡狀砂紋層理，另外筆石化石見(jiàn)微弱定向型排列特征，表明該時(shí)期沉積水體具備一定的水動(dòng)力條件。

圖4 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段黃鐵礦粒徑Box-whisker圖Fig.4 Box-Whisker diagram of grain sizes of pyrites in the gas shales of the Wufeng-Longmaxi Fms,Fuling area

3) 晚期高位域(⑨小層)

晚期高位域時(shí)期，主體為灰黑色含炭質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖，夾泥質(zhì)粉砂巖條帶和泥質(zhì)碎屑灰?guī)r條帶，另在薄片下可觀察到泥巖碎屑呈透鏡狀順層分布，表明該時(shí)期沉積水體具備了一定的水動(dòng)力條件。

2.4 有機(jī)質(zhì)豐度縱向非均質(zhì)性特征

實(shí)測(cè)TOC的分析結(jié)果表明：涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段TOC自下而上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，具備明顯的三段式特征，其中海侵期TOC介于2.0%～5.0%，平均為3.5%，TOC在整個(gè)含氣頁(yè)巖段中最高，其次為早期高位域時(shí)期，TOC一般介于1.5%～3.0%，平均為2.0%；晚期高位域時(shí)期，TOC一般為1%左右，在整個(gè)含氣頁(yè)巖段中TOC最低。

總體來(lái)看，涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段發(fā)育了一套富碳、富硅頁(yè)巖，頁(yè)巖原生品質(zhì)(巖礦、沉積構(gòu)造、有機(jī)質(zhì)豐度等)在縱向上具備較強(qiáng)非均質(zhì)性特征，均表現(xiàn)出較為明顯的“三段式”特征，而頁(yè)巖原生品質(zhì)的縱向非均質(zhì)性直接控制了頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力、含氣性及可改造性，從而對(duì)頁(yè)巖氣的富集、高產(chǎn)產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響，因此，厘清頁(yè)巖縱向非均質(zhì)性形成機(jī)理，對(duì)于鄰區(qū)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)地質(zhì)評(píng)價(jià)工作具備良好的指導(dǎo)和借鑒作用。

2.5 宏觀非均質(zhì)性耦合關(guān)系

涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段沉積時(shí)期總體可劃分為海侵期、早期高位和晚期高位3個(gè)時(shí)期，頁(yè)巖縱向上具備較強(qiáng)的非均質(zhì)性特征。海侵期，有機(jī)質(zhì)豐度高、硅質(zhì)含量高(生物成因硅質(zhì)為主，含部分陸源粉砂)、粘土礦物含量低，頁(yè)理發(fā)育、沉積成因的自生黃鐵礦發(fā)育程度高，TOC與硅質(zhì)含量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.78，總體來(lái)看，海侵期發(fā)育了一套富碳、富硅、富頁(yè)理、富黃鐵礦的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖。

早期高位域時(shí)期，有機(jī)質(zhì)發(fā)育程度降低，硅質(zhì)含量有所降低(以陸源粉砂為主)，發(fā)育粉砂質(zhì)紋層，沉積成因的自生黃鐵礦發(fā)育程度有所降低，TOC與硅質(zhì)含量之間不具備相關(guān)性。

晚期高位域時(shí)期，有機(jī)質(zhì)發(fā)育程度低，硅質(zhì)含量較早期高位域時(shí)期略有降低，發(fā)育頁(yè)理，沉積成因的自生黃鐵礦發(fā)育程度在整個(gè)含氣頁(yè)巖段中最低，TOC與硅質(zhì)含量之間不具備相關(guān)性。

3 頁(yè)巖縱向非均質(zhì)性發(fā)育主控因素

本次研究我們重點(diǎn)從古生產(chǎn)力、沉積環(huán)境和沉積作用入手對(duì)頁(yè)巖縱向非均質(zhì)性的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，建立了涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段的縱向沉積演化模式，明確了含氣頁(yè)巖段縱向非均質(zhì)性的發(fā)育主控因素。

3.1 沉積作用

3.1.1 沉積速率

根據(jù)涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段筆石帶的劃分對(duì)比結(jié)果(圖1)，對(duì)比地質(zhì)年代數(shù)據(jù)，我們粗略地計(jì)算了涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段的沉積速率，從縱向上來(lái)看，海侵期對(duì)應(yīng)Dicellograptus sichuanensis帶(四川叉筆石帶)到Pristiograptus leei—Petalolithus帶(李氏鋸筆石-花瓣筆石帶)，大體相當(dāng)于Katian(凱迪階)— Rhuddanian(魯?shù)るA)[9]，沉積時(shí)限約為6.85 Ma，沉積速率約為5.84 m/Ma，早期高位和晚期高位域時(shí)期對(duì)應(yīng)Demirastrites convolutes(盤(pán)旋半耙筆石帶)—Oktavites commanis(通常奧氏筆石帶)，大體相當(dāng)于Aeronian(埃隆介)早期，沉積時(shí)限約2.03 Ma，沉積速率約為29.56 m/Ma。從沉積速率上來(lái)看，海侵期沉積速率明顯低于高位域時(shí)期。

3.1.2 陸源供給量

從主量元素分析結(jié)果來(lái)看，陸源元素Al和Ti自下而上呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)(圖5)，反映了陸源供給量自下而上呈現(xiàn)了逐漸加快的趨勢(shì)。海侵期，受海平面上升的影響，河流入海量受到抑制，陸源供給量低，供給量少；早期高位域時(shí)期，河流入海量得到一定恢復(fù)，陸源供給速量有所升高，供給量較海侵期有所增加，晚期高位域時(shí)期，河流入海量進(jìn)一步增加，陸源細(xì)粒沉積物供給量進(jìn)一步增加?？傮w來(lái)看，陸源供給量的縱向變化特征與沉積速率的縱向變化特征相互吻合。

3.1.3 底流沉積作用

深水環(huán)境中的沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制及沉積體系與陸相和淺水環(huán)境有較大不同，重力流和底流是深水環(huán)境中主導(dǎo)性的沉積機(jī)制，底流的含義比較寬泛，包含溫鹽差異底流，風(fēng)力驅(qū)動(dòng)環(huán)流，海灣流、內(nèi)波內(nèi)潮汐等多種成因所導(dǎo)致的深水流體[10]。其中最為典型的是等深流沉積，等深流是底流的一種重要類型，水體深部或底部由于地球自轉(zhuǎn)而導(dǎo)致溫鹽差異環(huán)流[11]，流線與海底深度等值線近似平行(即順斜坡走向)，通常稱之為“等深流”。

涪陵地區(qū)早期高位域時(shí)期具備典型的等深流沉積特征，巖心發(fā)育小型波紋層理和透鏡狀層理，筆石化石呈現(xiàn)定向排列等，底流(等深流)沉積作用在早期高位域沉積時(shí)期起到了主導(dǎo)性作用。

圖5 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段陸源元素縱向分布Fig.5 Vertical distribution of terrigenous Al2O3 and TiO2 in the gas shales of the Wufeng-Longmaxi Fms,Fuling area

3.2 古海洋生產(chǎn)力

許多研究者認(rèn)為在海相沉積中水體的生物生產(chǎn)力是控制沉積物中有機(jī)碳豐度的最重要因素[12-14]，海洋表層生產(chǎn)力是指在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積的表層海水中,由于生物光合作用所進(jìn)行的無(wú)機(jī)碳向有機(jī)碳所轉(zhuǎn)變的量，其生產(chǎn)是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[15]。目前表征古海洋生產(chǎn)力的替代指標(biāo)包括地球化學(xué)指標(biāo)、生物沉積物指標(biāo)和古生物指標(biāo)等[16]。

3.2.1 地球化學(xué)指標(biāo)

Piper等[17]對(duì)Carico盆地的沉積物和Meade Peak的頁(yè)巖研究后認(rèn)為Cu，Ni，Zn在剔除陸源的影響后(即進(jìn)行Ti或者Al校正，校正公式為:Xxs=Xtotal-Titotal×XPASS/TiPASS)可以很好地表征還原環(huán)境下古海洋生產(chǎn)力的變化。從涪陵地區(qū)Cuxs，Nixs，Znxs的分析結(jié)果來(lái)看，五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段的古海洋生產(chǎn)力具備由海侵體系域較高，向早期高位體系域和晚期高位體系與逐漸降低的趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)與有機(jī)碳含量之間具有較為一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖6)。

3.2.2 生物成因硅指標(biāo)

近年來(lái)研究表明，越來(lái)越多的證據(jù)表明，硅質(zhì)骨骼類生物在全球碳循環(huán)系統(tǒng)中起到了較大的作用，可表征古海洋生產(chǎn)力的演化特征[18-22]，通過(guò)對(duì)涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段生物成因硅(包括放射蟲(chóng)和硅質(zhì)海綿)的定量統(tǒng)計(jì)，五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段硅質(zhì)骨骼類生物生產(chǎn)力與同步分析的的地球化學(xué)生產(chǎn)力(TOC)指標(biāo)具有基本一致的變化特征(硅質(zhì)含量與TOC之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.78)，即海侵體系域時(shí)期古海洋生產(chǎn)力高，高位域時(shí)期古海洋生產(chǎn)力降低。

從上述研究不難看出，古海洋生產(chǎn)力對(duì)涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段的有機(jī)碳和生物成因硅質(zhì)的同步富集具備重要的控制作用，較高的古海洋生產(chǎn)力利于硅質(zhì)骨骼類生物化石(放射蟲(chóng)和硅質(zhì)海綿)的發(fā)育，硅質(zhì)骨骼類生物的發(fā)育也為有機(jī)碳的富集提供了重要的來(lái)源。

3.3 氧化-還原環(huán)境

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于古水體的氧化還原性研究，主要借助于地球化學(xué)，另外對(duì)沉積成因的自生黃鐵礦的發(fā)育程度也是研究古水體氧化-還原環(huán)境的重要輔助手段。

3.3.1 地球化學(xué)指標(biāo)

Hatch等對(duì)北美堪薩斯州上賓西法尼亞系黑色頁(yè)巖的研究表明：w(V)/w(V+Ni)值能有效反映環(huán)境氧化-還原條件[23]，高的w(V)/w(V+Ni)值(0.84～0.89)反映水體分層，底層水體中出現(xiàn)H2S的厭氧環(huán)境； 中等比值(0.54～0.82)為水體分層不強(qiáng)烈的厭氧環(huán)境(水體溶氧量<0.1 mL/L)；低值時(shí)(0.45～0.60)為水體分層弱的貧氧環(huán)境(水體溶氧量0.1～1 mL/L)，當(dāng)該比值小于0.45時(shí)為富氧環(huán)境(水體溶氧量>1 mL/L)。

Jones等指出在判別古氧相時(shí)微量元素比值V/Cr，Ni/Co和U/Th最可靠[24]。V/Cr比值大于4.25為厭氧環(huán)境，V/Cr比值在2.00～4.25為貧氧環(huán)境，V/Cr比值小于2.00為富氧環(huán)境。Ni/Co比值大于7.00為厭氧環(huán)境，Ni/Co比值在5.00～7.00為貧氧環(huán)境，Ni/Co比值小于5.00為富氧環(huán)境。U/Th比值大于1.25為厭氧環(huán)境，U/Th比值在0.75～0.25為貧氧環(huán)境，U/Th比值小于0.75為富氧環(huán)境。

從涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段微量元素分析結(jié)果來(lái)看，古水體的氧化-還原性的縱向上具備明顯的階段式變化特征，其中海侵期水體還原性強(qiáng)，為貧氧-厭氧的還原-強(qiáng)還原環(huán)境，高位域時(shí)期水體還原性減弱，為弱氧化-還原環(huán)境(圖7)。

圖6 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段古海洋生產(chǎn)力演化Fig.6 Calibrated contents of Cu,Ni,and Zn in the gas shales, showing productivity of paleo-ocean during deposition of the Wufeng-Longmaxi Fms in Fuling area

圖7 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段古海洋水體氧化還原性縱向演化Fig.7 V/(V+Ni),Ni/Co and V/Cr in the gas shales, showing redox conditions of paleo-ocean water during the deposition of the Wufeng-Longmaxi Fms in Fuling area

3.3.2 沉積成因自生黃鐵礦

前面已經(jīng)闡述了涪陵地區(qū)五峰-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段黃鐵礦的發(fā)育特征，其中海侵期沉積成因的原生黃鐵礦最為發(fā)育，高位域時(shí)期的沉積成因原生黃鐵礦發(fā)育程度有所降低，從沉積成因的原生黃鐵礦發(fā)育程度來(lái)看，反映了古水體的還原性的縱向演化特征與地球化學(xué)元素所反映的特征一致：均表現(xiàn)為海侵期古水體還原性強(qiáng)，高位域時(shí)期古水體還原性有所減弱。

3.4 頁(yè)巖縱向非均質(zhì)性主控因素綜合分析

從前述分析可以看出古生產(chǎn)力、古水體氧化還原性、陸源供給量(海平面升降)、底流沉積作用是導(dǎo)致涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖縱向非均質(zhì)性的主要控制因素。

3.4.1 海侵期(①—④小層)

海侵期，受海平面上升的影響，陸源沉積物供給量低(主要以粘土為主)，沉積速率低，海洋表層具備蓬勃的古生產(chǎn)力，海底發(fā)育強(qiáng)還原性沉積環(huán)境，總體來(lái)看，海侵期為生物主控沉積階段。蓬勃的古生產(chǎn)力使得水體中發(fā)育大量的浮游類生物(包括硅質(zhì)骨骼類生物)，為有機(jī)質(zhì)的和自生硅質(zhì)的富集提供了重要來(lái)源，同時(shí)硅質(zhì)骨骼類生物的發(fā)育在提供自生硅質(zhì)的同時(shí)，也成為沉積有機(jī)碳的重要來(lái)源，從而導(dǎo)致了該時(shí)期頁(yè)巖有機(jī)碳含量與硅質(zhì)含量之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)耦合關(guān)系；另外較低的陸源供給速率和安靜的水體利于頁(yè)理的發(fā)育，最終導(dǎo)致了涪陵地區(qū)在該時(shí)期發(fā)育了一套富碳、富硅、富黃鐵礦、富頁(yè)理的頁(yè)巖。

3.4.2 早期高位域(⑤—⑧小層)

早期高位域時(shí)期，海平面由最高點(diǎn)開(kāi)始緩慢下降，陸源輸入量開(kāi)始增加，但此時(shí)陸源供給沉積物仍以細(xì)粒粘土質(zhì)為主，同時(shí)由于該時(shí)期古生產(chǎn)力有所降低，生物化學(xué)沉積作用明顯降低，因此，該時(shí)期底流沉積作用起到了主導(dǎo)作用。受底流沉積作用的影響，陸源粉砂質(zhì)含量有所增加，地層沉積速率加快；同時(shí)受底流沉積作用的影響，深層水動(dòng)力活動(dòng)明顯增加，深層水體含氧量也隨之顯著增加，由海侵期的強(qiáng)還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿踹€原沉積環(huán)境，因此該時(shí)期沉積成因的自生黃鐵礦含量較海侵期有所降低，有機(jī)質(zhì)豐度和硅質(zhì)含量(包括陸源粉砂和生物成因硅質(zhì))較海侵期均有所降低。

3.4.3 晚期高位域(⑨小層)

晚期高位域時(shí)期，陸源輸入量進(jìn)一步增加，以細(xì)粒粘土質(zhì)為主，表層水體古生產(chǎn)力進(jìn)入衰落期，因此該時(shí)期為陸源主控沉積階段。該時(shí)期，由于涪陵地區(qū)處于深水沉積環(huán)境，陸源粉砂供給量低，加上古生產(chǎn)力低下，無(wú)生物成因硅質(zhì)補(bǔ)充，因此頁(yè)巖地層中粘土礦物含量較早期高位域時(shí)期有明顯增加，硅質(zhì)含量明顯降低。從古水體的氧化還原性來(lái)看，底層水體的含氧量與早期高位域時(shí)期大體相當(dāng)，仍為弱還原沉積環(huán)境，但是表層水體古生產(chǎn)力的顯著降低直接導(dǎo)致了有機(jī)質(zhì)供給量顯著降低，從而造成了該時(shí)期沉積頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度較此前顯著下降。

4 結(jié)論

1) 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁(yè)巖段巖礦、沉積構(gòu)造、地化等方面縱向具備較強(qiáng)的非均質(zhì)性特征，海侵期(①—④小層)發(fā)育自生硅質(zhì)，頁(yè)理發(fā)育，TOC含量高，TOC與硅質(zhì)之間呈現(xiàn)特殊的正相關(guān)耦合關(guān)系，主要發(fā)育沉積成因的自生黃鐵礦；早期高位域時(shí)期(⑤—⑧小層)發(fā)育陸源粉砂，發(fā)育小型波紋層理、透鏡狀層理，粘土質(zhì)含量較海侵期有所增加，TOC含量中等，兼有沉積成因的自生黃鐵礦和后期次生黃鐵礦；晚期高位域時(shí)期(⑨小層)，粘土質(zhì)含量進(jìn)一步增加，粉砂質(zhì)含量減少，TOC含量低，兼有沉積成因的自生黃鐵礦和后期次生黃鐵礦。

2) 海平面升降、陸源輸入量、古生產(chǎn)力、底流沉積作用、底層水體的氧化還原環(huán)境共同控制了頁(yè)巖縱向非均質(zhì)性的發(fā)育特征，海侵期(①—④小層)，受海平面上升的影響，陸源輸入量減少，沉積速率低，表層水體蓬勃的古生產(chǎn)力使得生物化學(xué)沉積作用成為該時(shí)期的主導(dǎo)，加上當(dāng)時(shí)底層水體強(qiáng)還原的沉積環(huán)境，使得海侵期發(fā)育了一套富碳、富硅、富頁(yè)理、富黃鐵礦(沉積成因的自生黃鐵礦)的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖。早期高位(⑤—⑧小層)海平面由最高點(diǎn)開(kāi)始緩慢下降，陸源輸入量有所增加，但由于研究區(qū)處于深水陸棚沉積區(qū)，陸源供給物仍以粘土質(zhì)為主，該時(shí)期表層海水的古生產(chǎn)力有所下降，而底流沉積作用明顯，成為了該時(shí)期的主導(dǎo)，底流沉積作用的存在導(dǎo)致底層水體的還原性較海侵期弱，同時(shí)導(dǎo)致沉積速率加快，因此，早期高位域時(shí)期硅質(zhì)以陸源粉砂為主，發(fā)育小型波紋層理和透鏡狀層理，與海侵期相比，硅質(zhì)含量有所降低，TOC有所下降，沉積成因的自生黃鐵礦含量亦有所降低。晚期高位域時(shí)期(⑨小層)，海平面進(jìn)一步下降，陸源輸入量進(jìn)一步增加，但由于所處的深水沉積位置，陸源輸入沉積物仍以細(xì)粒粘土質(zhì)為主，該時(shí)期表層水體的古生產(chǎn)力進(jìn)入衰落期，底層水體為弱氧化-還原性沉積環(huán)境，因此，該時(shí)期為陸源主控沉積階段，粘土礦物含量在整個(gè)含氣頁(yè)巖段中最高，硅質(zhì)以陸源粉砂為主；在整個(gè)含氣頁(yè)巖段中最低，TOC含量亦為最低，發(fā)育原生和次生成因黃鐵礦，沉積成因的自生黃鐵礦發(fā)育程度較海侵期有所降低。

[1] 王志剛.涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)重大突破與啟示[J].石油與天然氣地質(zhì)，2015，36(1)：1-6. Wang Zhigang.Breakthrough of Fuling shale gas exploration and development and its inspiration[J].Oil & Gas Geology，2015，36(1)：1-6.

[2] 張金川，聶海寬，徐波，等.四川盆地頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件[J].天然氣工業(yè)，2008，28(2)：151-156. Zhang Jinchuan,Niehaikuan,Xu Bo,et al.Geological condition of shale gas accumulation in Sichuan basin[J].Natural Gas Industry,2008,28(2):151-156.

[3] 朱彤,王烽,俞凌杰，等.四川盆地頁(yè)巖氣富集控制因素及類型[J].石油與天然氣地質(zhì)，2016,37(2):399-407. Zhu Tong,Wang Feng,Yu Lingjie,et al.Controlling factors and types of shale gas enrichment in the Sichuan Basin[J].Oil & Gas Geology,2016,37(2):399-407.

[4] Wikin R T,Arthur M A,Dean W E.History of water-column anoxia in the Black Sea indicated by pyrite framboid size distributions[J].Earth and Planetary Science Letters,1997,148(3/4):517-525.

[5] Wikin R T,Barnes H L,Brantley S L.The size distribution of framboidal pyrite in modern sediments：An indicator of redox conditions[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1996,60(20):3897-3912.

[6] Wignall P B,Newton R,Brookfield M E.Pyrite framboid diameter as a measure of oxygen deficiency in ancient mudrocks[J].American Journal of Science,1998,298(7):537-552.

[7] Winkin R T,Arthur M A.Variations in pyrite texture sulfur isotope composition and iron systematics in the Black Sea:Evidence for Late Pleistocene to Holocene excursions of the O2-H2S redox transition[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2001,65(9):1399-1416.

[8] Nielsen J K,Shen Y.Evidence for sulfidic deep water during the Late Permian in East Greenland Basin[J].Geology,2004,32(12):1037-1040.

[9] 穆恩之，李積金，葛梅鈺，等.中國(guó)筆石[M].北京：科學(xué)出版社，2002,4-8. Muenzhi,Lijijin,Gemeiyu,et al.Chinese graptolite[M].Beijing:The Science Publishing Company,2002：4-8.

[10] Shanmugam G.Deep-marine tidal bottom currents and their reworked sands in modern and ancient submarine canyons[J].Marine and Petroleum Geology,2003,20:471-491.

[11] Shanmugam G.50 years of the turbidite paradigm(1950s～1990s)deep-water processes and facies models—a critical perspective[J].Marine and Petroleum Geology,2000,17:285-342.

[12] Huerta-Diaz M A,Morse J W.A quantitative method for determination of trace metal concentrations in sedimentary pyrite[J].MarineChemistry,1990,29:119-144.

[13] Huerta-Diaz M A,Morse J W.Pyritisation of trace metals in anoxic marine sediments[J].Geochmica et Cosmochimica Acta,1992,56:2681-2702.

[14] Morse J W,Luther Ⅲ G W.Chemical influences on trace metal-sulfide interactions in anoxis sediments[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1999,63:3373-3378.

[15] 蘇紀(jì)蘭，李炎，王啟.我國(guó)21世紀(jì)初海洋科學(xué)研究中的若干重要問(wèn)題[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2001,16(5):658-663. Su Jilan,Li Yan,Wang Qi.Some important research topics for China sciences in the early 21st century[J].Advance In Earth Science,2001,16(5):658-663.

[16] 黃永建，王成善，汪云亮.古海洋生產(chǎn)力指標(biāo)研究進(jìn)展[J].地學(xué)前緣,2005,12(2):163-168. Huang yongjian,Wang Chengshan,Wang Yunliang.Progress in the study of proxies of paleocean productivity[J].Earth Science Frontiers,2005,12(2):163-168.

[17] Piper D Z,Perkins R B.A modern vs.Permian black shale-the hydrography,primary productivity and water-column chemistry of deposition[J].Chemical Geoology,2004,206:177-197.

[18] 賈國(guó)東，翦知湣，彭平安，等.南海南部17962柱狀樣生物硅沉積記錄及其古海洋意義[J].地球化學(xué)，2009,29(3)：293-296. Jia Guodong,Jian Zhimin,Peng Pingan,et al.Biogenic silica records in core 17962 from southern south China sea and their relation to paleocenographical events[J].Geochimica,2009,29(3):293-296.

[19] Dickens G R,Barron J A.A rapidly deposited pennate diatom ooze in Upper Miocene-Lower Pliocene sediment beneath the North Pacific Polar front[J].MarineMicropaleontology,1997,31:177-182.

[20] 李建如，王汝建，李保華.南海南部12Ma以來(lái)的蛋白石堆積速率與古生產(chǎn)力變化[J].科學(xué)通報(bào)，2002,47(3):235-237. Li Jianru,Wang Rujian,Li Baohua.The opal accumulation and paleo productivity change since 12Main southern south China sea[J].Chinese Science Bulletin,2002,47(3):235-237.

[21] Barcena M A,Cacho I,Abrabtes F,et al.Palaeoproductivity at the Antarctic continental margin:opal and barium records for the last 400ka[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,1998,139:195-211.

[22] 胡廣，劉文匯，騰格爾，等.塔里木盆地下寒武統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖成烴生物組合的構(gòu)造-沉積環(huán)境控制因素[J].石油與天然氣地質(zhì)，2014，35(5):685-695. Hu Guang,Liu Wenhui,Tengger,et al.Tectonic-sedimentary constrains for hydrocarbon generating organism assemblage in the Lower Cambrian argillaceous source rocks,Tarim Basin[J].Oil & Gas Geology，2014，35(5)：685-695.

[23] Hatch J R,Leventhal J S.Relationship between inferred redox potential of the depositional environment and geochemistry of the Upper Pennsylvanian(Missourian)Stark Shale Member of the Dennis Limestone,Wabaunsee County Kansas,USA[J].Chemical Geology,1992,99:65-82.

[24] Bryn Jones David A C.Manning Comparison of geochemical indices used for the interpretation of palaeoredox conditions in ancient mudstones[J].Chemical Geology,1994,111:111-129.

(編輯 張亞雄)

Vertical heterogeneity and its controlling factors of the gas shale in the Wufeng-Longmaxi Fms in Fuling area,the Sichuan Basin

Meng Zhiyong

(Exploration and Production Research Institute,SINOPEC Jianghan Oilfield Company,Wuhan,Hubei 430223,China)

The organic shales in the Lower Silurian Longmaxi Fm in Fuling area,the Sichuan Basin are proved to be shale gas reservoirs of high quality.Nevertheless,they have relatively strong vertical heterogeneity,directly influencing its gas content and reservoir fracability.An isochronal sequence stratigraphic framework is first established.Then,the heterogeneities of the shale are analyzed in respects of petrological and mineralogical compositions,the content of pyrite,sedimentary structures and organic matter abundance within this framework.The shales deposited during TST are characterized by authigenic siliceous minerals and pyrites of sedimentary origin,obvious lamellation,highTOCand special positive relationship betweenTOCand siliceous mineral content.The shales deposited in the early HST feature in the occurrence of terrigenous silts,small wavy lamination and lenticular bedding,higher clay content than that of TST,moderateTOC,and the existence of both authigenic and secondary pyrites.The shales deposited during the late HST feature in even higher clay content but lower silt content,lowTOCand the existence of both authigenic and secondary pyrites.The factors influencing shale heterogeneity are discussed in respects of sedimentology,paleo-marine productivity and redox conditions and they mainly include the influx rate of terrestrial deposits,paleo-marine productivity,redox conditions and paleo-current.

shale heterogeneity,shale gas,Wufeng Formaiton,Longmaxi Formation,Fuling area,Sichuan Basin

2016-07-08;

2016-11-02。

孟志勇(1979—)，男，工程師，頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)。E-mail:910167606@qq.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05060)。

0253-9985(2016)06-0838-09

10.11743/ogg20160605

TE122.2

A