陳科洛，張廷山，梁興，張朝，王高成

1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，成都 610500 2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500 3.中國(guó)石油浙江油田公司，杭州 310023

0 引言

近年來(lái)，非常規(guī)油氣的勘探和開(kāi)發(fā)日益受到重視，而非常規(guī)油氣中的頁(yè)巖氣因其勘探潛力巨大作為上揚(yáng)子地區(qū)的主要攻關(guān)方向。中國(guó)有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖類型多樣，主要包括陸相、海陸過(guò)渡相和海相三種類型[1-5]。海相頁(yè)巖中上奧陶統(tǒng)五峰組與下志留統(tǒng)龍馬溪組作為上揚(yáng)子地區(qū)的有利層位，已有不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了微觀孔隙特征及發(fā)育控制因素、地球化學(xué)特征等方面的探討[6-9]。張春明等[10]對(duì)川東南—黔北地區(qū)龍馬溪組沉積微相進(jìn)行研究后識(shí)別出泥質(zhì)深水陸棚、砂泥質(zhì)淺水陸棚、泥質(zhì)淺水陸棚、砂質(zhì)淺水陸棚、灰泥質(zhì)淺水陸棚、灰質(zhì)淺水陸棚、濁流沉積、臺(tái)地邊緣淺灘—生物礁濁流等八種沉積類型，泥質(zhì)深水陸棚為烴源巖形成的主要沉積環(huán)境。金之鈞等[11]提出有機(jī)質(zhì)孔作為頁(yè)巖氣富集的主要儲(chǔ)滲空間，高硅質(zhì)含量具有較好的可壓性，高壓力系數(shù)指出頁(yè)巖氣具有較高程度的富集。鄒才能等[12]將四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組與美國(guó)Fort Worth 盆地Barnett頁(yè)巖進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在有效厚度、有機(jī)質(zhì)豐度上具有一定的相似性，有機(jī)質(zhì)類型為I型干酪根，熱演化程度已達(dá)到高成熟—過(guò)成熟階段。

頁(yè)巖巖相與沉積環(huán)境是研究頁(yè)巖氣的兩大基本要素。不同頁(yè)巖巖相的礦物組成、有機(jī)質(zhì)豐度、古生物種屬等存在較大差異，同時(shí)巖相作為沉積環(huán)境的重要物質(zhì)表現(xiàn)，可以反映沉積環(huán)境特征并對(duì)沉積模式的建立、頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)及有利區(qū)域的識(shí)別與劃分起到重要作用。

1 地質(zhì)背景

早奧陶世晚期到志留紀(jì)早期，由于華夏板塊與揚(yáng)子板塊之間板塊相互擠壓產(chǎn)生匯聚作用，上揚(yáng)子地臺(tái)整體處于擠壓應(yīng)力環(huán)境，克拉通邊緣受擠壓普遍抬升，整體成為受限的沉積格局。受構(gòu)造擠壓及等效海侵的影響，上揚(yáng)子地臺(tái)晚奧陶世五峰組沉積了一套富含有機(jī)質(zhì)的黑色、暗色筆石相頁(yè)巖，分布廣泛，厚度范圍為幾米到幾十米[10-11]。受岡瓦納古陸冰期的影響，五峰組頂部為一套介殼泥灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖，厚度普遍為幾十厘米，稱為觀音橋段[13]。早志留世龍馬溪組沉積期，在揚(yáng)子克拉通上，構(gòu)造—古地理表現(xiàn)為形成古隆起的高峰階段，隆起邊緣主要發(fā)育潮坪—淺水陸棚、深水陸棚環(huán)境。按垂向沉積特征，龍馬溪組可以分為上下兩段：下段于龍馬溪早期沉積，以黑色硅質(zhì)、碳質(zhì)頁(yè)巖和灰黑色鈣質(zhì)泥巖組合為主，上段沉積于龍馬溪晚期，以灰綠、黃綠色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖組合為主[10]。滇黔北地區(qū)區(qū)域構(gòu)造上屬于揚(yáng)子地塊構(gòu)造域西南緣滇黔北坳陷[14]，中部為威信凹陷，北望四川盆地，西臨昭通凹陷，南毗滇東—黔中隆起區(qū)域[15](圖1)，其五峰組—龍馬溪組下段地層連續(xù)沉積并富含有機(jī)質(zhì)，為本次研究的目的層段。

Chenetal.[16]建立了華南上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)(蘭多維列統(tǒng))底部生物地層系統(tǒng)的筆石帶劃分原則，后來(lái)為便于學(xué)者間交流，又建立了相應(yīng)的筆石帶代碼[17]。伍坤宇等[18]據(jù)陳旭等提出的筆石帶劃分原則并通過(guò)筆石、腕足類生物化石鑒定種屬，建立了Y9井五峰組—龍馬溪組下段生物化石地層延限圖并發(fā)現(xiàn)：五峰組底部化石稀少且未發(fā)現(xiàn)化石帶種，頂部的觀音橋段地層以赫南特腕足動(dòng)物群化石的首現(xiàn)和消失作為分帶標(biāo)志，劃分出HF(赫南特動(dòng)物群)帶。龍馬溪組下段從下到上分別處于N.perculptus帶、A.ascensus帶和P.acuminatus帶。底部在N.perculptus帶雖未發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化石N.perculptus，但雕筆石屬的Glyptograptuscf.Venustus與N.perculptus帶具有相關(guān)性[19]，因此研究區(qū)以Glyptograptuscf.Venustus和Glyptograptuslungmaensis的首現(xiàn)作為N.perculptus帶與下伏HF帶的分界標(biāo)志，同時(shí)此界線也是五峰組與龍馬溪組的界線。N.perculptus帶之上的A.ascensus帶以標(biāo)準(zhǔn)的帶化石A.ascensus首現(xiàn)為開(kāi)始，并以該化石的消失和P.acuminatus的首現(xiàn)為該帶結(jié)束的標(biāo)志，該帶產(chǎn)出的筆石化石豐富，且種類分異度較高。最上部的P.acuminatus帶以帶化石P.acuminatus首現(xiàn)層位為底界，該帶內(nèi)未鑒定出其上覆筆石帶有關(guān)聯(lián)的弓筆石屬的任何分支種類，無(wú)法確定其上界[18](圖2)。

圖1 滇黔北坳陷構(gòu)造位置圖(A)及上揚(yáng)子地區(qū)構(gòu)造位置圖(B)(圖A據(jù)舒兵等，2016，有修改；圖B據(jù)徐政語(yǔ)等，2016，有修改)Fig.1 Location of Dianqianbei depression(A) and structure outline map of upper Yangtze area(B)( Figure(A) is after Shu, et al., 2016; Figure (B) is after Xu, et al., 2016)

2 頁(yè)巖巖相基本特征

與常規(guī)源儲(chǔ)分離的碎屑巖相比，頁(yè)巖通常為源儲(chǔ)一體的細(xì)粒碎屑沉積，以富含黏土、有機(jī)質(zhì)、發(fā)育層狀頁(yè)理為特征，其巖相的地質(zhì)特征體現(xiàn)在沉積巖石學(xué)、古生物學(xué)、元素地球化學(xué)等方面。不同環(huán)境下的單一巖相往往具有不同的地質(zhì)響應(yīng)，不同巖相類型與巖相組合在礦物組成、有機(jī)質(zhì)含量、古生物化石、測(cè)井響應(yīng)等方面也顯示出差異性。頁(yè)巖氣的“甜點(diǎn)區(qū)”往往發(fā)育特定的巖相類型與巖相組合。另外，具有相同或相似巖石學(xué)特征的頁(yè)巖可以形成于不同沉積環(huán)境體系中，但有機(jī)質(zhì)含量、古生物化石、測(cè)井響應(yīng)、微量元素指標(biāo)等會(huì)在不同環(huán)境中有較大差異，因此，頁(yè)巖巖相的合理劃分及不同巖相的精細(xì)描述是頁(yè)巖巖相表征的關(guān)鍵所在[20]。

2.1 巖相劃分方案

受資料掌握情況限制，國(guó)內(nèi)外對(duì)巖相的劃分具有各自不同的標(biāo)準(zhǔn)[21-24]。筆者認(rèn)為，頁(yè)巖巖相的劃分，應(yīng)針對(duì)特定的沉積環(huán)境，反映古水深、水動(dòng)力與水化學(xué)條件、物源供給、古地貌等環(huán)境要素和地層典型的巖石類型與巖石組合。

頁(yè)巖地層中黏土礦物的大量出現(xiàn)通常指示沉積時(shí)期相對(duì)深水的弱水動(dòng)力條件，石英、長(zhǎng)石等碎屑礦物的含量對(duì)分析陸源碎屑的輸入起到一定的指示意義，而沉積時(shí)期碳酸鹽礦物的發(fā)育又往往意味著水體鈣離子與碳酸根離子濃度較大并與相對(duì)淺水環(huán)境存在密切聯(lián)系。因此，以石英+長(zhǎng)石、方解石+白云石、黏土作為三端元組分的劃分方法能夠較好地反映頁(yè)巖地層中不同礦物類型及其比重關(guān)系，能夠代表有利的巖石類型及其組合并能從側(cè)面較為直觀地反映沉積水體條件從而對(duì)五峰組—龍馬溪組下段地層分析具有良好的指導(dǎo)意義[20](表1)。

依據(jù)滇黔北坳陷三口取芯井共50個(gè)全巖XRD資料點(diǎn)(Y9井16個(gè)、Y6井19個(gè)、Z4井15個(gè))的分布特征，建立了研究區(qū)五峰組—龍馬溪組下段頁(yè)巖巖相劃分圖(圖3)。

在X衍射分析基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料并對(duì)滇黔北坳陷5口井進(jìn)行巖芯觀察和薄片鑒定，共劃分出硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖六種巖相。

圖2 滇黔北坳陷Y9井五峰組—龍馬溪組下段筆石及腕足類生物化石地層延限圖(據(jù)伍坤宇等，2016，有修改；筆石帶代碼據(jù)陳旭等，2015)Fig.2 Kinds and distribution of Graptolites and Brachiopods fossils of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation of Y9 well in Dianqianbei depression(after Wu, et al., 2016; Graptolite code is after Chen, et al., 2015)

表1 海相頁(yè)巖巖相劃分方案(據(jù)王玉滿等，2016[20])

2.2 頁(yè)巖巖相類型

2.2.1 硅質(zhì)頁(yè)巖

呈灰黑色或黑色，滴酸不起泡。主要由石英、有機(jī)質(zhì)、黏土礦物和微晶方解石與白云石組成，局部可見(jiàn)黃鐵礦(圖4a)，發(fā)育水平層理(圖4b)，可見(jiàn)筆石(圖4c)和放射蟲(chóng)化石。石英+長(zhǎng)石含量介于50%～75%，方解石+白云石含量一般小于30%，黏土礦物含量介于10%～50%，紋理發(fā)育，暗色有機(jī)質(zhì)(含碳質(zhì))分布較均勻，與黏土礦物混合，形成暗色紋層。局部可見(jiàn)碎屑顆粒呈條帶狀順層富集，以石英碎屑為主，白云母碎屑次之，局部可見(jiàn)少量次圓狀碳酸鹽巖屑，形成淺色細(xì)紋層。石英粒徑為5～30 μm，表面光潔明亮，分選較好，磨圓呈次棱角—次圓狀。黃鐵礦粒徑相對(duì)較大，可達(dá)15～30 mm。有機(jī)質(zhì)豐富，以分散狀分布于黏土礦物和顆粒之間，局部呈層狀(圖5a)，TOC含量介于1.36%～6.27%，平均值為4.06%。

該類頁(yè)巖主要分布于滇黔北坳陷北部和東北部地區(qū)，富含硅質(zhì)和有機(jī)質(zhì)，微細(xì)沉積構(gòu)造發(fā)育表明沉積水動(dòng)力較弱，屬于海水弱分層的缺氧、還原環(huán)境，為深水陸棚沉積。

2.2.2 黏土質(zhì)頁(yè)巖

呈黑色，滴酸不起泡，致密堅(jiān)硬。主要由黏土礦物、有機(jī)質(zhì)(含碳質(zhì))(圖4d)和石英組成，多為塊狀構(gòu)造和均質(zhì)層理，偶見(jiàn)水平紋層，單層厚度多小于100 μm，筆石化石發(fā)育(圖4e)。石英+長(zhǎng)石含量介于25%～50%，方解石+白云石含量不足30%，黏土礦物含量介于50%～75%(伊利石含量占72%～85%，綠泥石含量占15%～28%)。石英表面光潔明亮，分選較好，磨圓呈次棱角—次圓狀。局部可見(jiàn)長(zhǎng)條狀順層裂縫，縫內(nèi)為脈狀石英充填(圖5b)。暗色有機(jī)質(zhì)(含碳質(zhì))豐富，分布較均勻，多與黏土礦物混合，或呈長(zhǎng)條狀順層排列，亦或呈斑點(diǎn)狀分布(圖5c)，TOC含量介于1.75%～6.15%，平均值為3.23%。

該類頁(yè)巖主要分布于滇黔北坳陷北部和東北部地區(qū)，富含黏土礦物和有機(jī)質(zhì)，與硅質(zhì)頁(yè)巖相比，石英含量明顯減少，但同樣缺乏生物擾動(dòng)構(gòu)造和微細(xì)層理的發(fā)育同樣指示弱水動(dòng)力沉積、缺氧、還原環(huán)境，為深水陸棚沉積。

2.2.3 鈣質(zhì)頁(yè)巖

呈黑色或灰黑色，滴酸微弱起泡，致密堅(jiān)硬，以鈣質(zhì)膠結(jié)為主且膠結(jié)程度良好，偶見(jiàn)裂縫發(fā)育。主要由粉—細(xì)晶方解石、細(xì)晶白云石、黏土礦物、有機(jī)質(zhì)與少量石英組成(圖5d)。石英+長(zhǎng)石含量小于33%，方解石+白云石含量介于50%～75%，黏土礦物含量為25%～50%(伊利石含量占73%～81%，綠泥石含量占19%～27%)。方解石和白云石呈分散狀分布于黏土礦物和有機(jī)質(zhì)之間，分選中等，磨圓呈次棱角—次圓狀。有機(jī)質(zhì)呈分散狀或不規(guī)則線狀與黏土礦物混合，TOC含量介于0.85%～2.03%，平均值為1.34%。

圖3 滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段頁(yè)巖巖相劃分(圖(A)據(jù)王玉滿等，2016)Fig.3 Lithofacies classification of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression(Figure (A) is after Wang, et al., 2016)

a.硅質(zhì)頁(yè)巖，可見(jiàn)黃鐵礦結(jié)核，Y9井，五峰組，2 204.26 m；b.硅質(zhì)頁(yè)巖，發(fā)育水平層理，Y9井，龍馬溪組，2 186.59 m；c.硅質(zhì)頁(yè)巖，可見(jiàn)筆石化石，Y9井，五峰組，2 202.72 m；d.黏土質(zhì)頁(yè)巖，含大量碳質(zhì)有機(jī)質(zhì)，Y9井，五峰組，2 205.50 m；e.黏土質(zhì)頁(yè)巖，見(jiàn)筆石化石，Y9井，龍馬溪組，2 196.07 m；f.黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖，呈灰色，發(fā)育水平層理，Z4井，龍馬溪組，2 027.05～2 028.37 m；g.黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖，呈深灰色，發(fā)育水平層理，Z4井，龍馬溪組，2 029.48～2 029.77 m；h.鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖，灰黑色泥巖與深灰色灰質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r呈不等厚薄互層，Y6井，龍馬溪組，1 197.54～1 205.80 m圖4 滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段巖芯照片F(xiàn)ig.4 Core pictures of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression

a.硅質(zhì)頁(yè)巖，石英呈條帶狀順層富集，Y8井，五峰組，2 513.04 m；b.黏土質(zhì)頁(yè)巖，富含暗色有機(jī)質(zhì)，見(jiàn)裂縫，縫內(nèi)為石英充填，Y8井，龍馬溪組，2 507.96 m；c.黏土質(zhì)頁(yè)巖，暗色有機(jī)質(zhì)呈斑點(diǎn)狀分布，Y9井，龍馬溪組，2 178.28 m；d.鈣質(zhì)頁(yè)巖，粉—細(xì)晶方解石和白云石呈分散狀分布于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物之間，Y9井，龍馬溪組，2 199.80 m；e.黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖，黏土礦物與有機(jī)質(zhì)混合，石英呈條帶狀順層富集，Y9井，龍馬溪組，2 163.07 m；f.黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖，粉晶方解石和白云石呈分散狀或條帶狀富集，C1井，龍馬溪組，1 788.11 m；g.黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖，暗色有機(jī)質(zhì)和黏土礦物豐富，見(jiàn)介殼化石，Y9井，五峰組，2 205.21 m；h.鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖，粉晶方解石、白云石和石英呈分散狀分布于黏土礦物和有機(jī)質(zhì)之間，Y9井，龍馬溪組，2 164.08 m；i.鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖，石英、粉晶方解石和白云石呈分散狀分布，見(jiàn)裂縫，裂縫內(nèi)被石英充填，Y9井，龍馬溪組，2 168.01 m圖5 滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段鏡下照片F(xiàn)ig.5 Microscope pictures of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression

該類頁(yè)巖主要分布于滇黔北坳陷北部和西部地區(qū)，黏土礦物和有機(jī)質(zhì)含量與硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖相比明顯偏低，屬于弱氧化—弱還原條件與相對(duì)淺水、較強(qiáng)水動(dòng)力環(huán)境，為淺水陸棚沉積。

2.2.4 黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖

呈黑色，滴酸不起泡，致密堅(jiān)硬，以硅質(zhì)膠結(jié)為主且膠結(jié)程度良好。主要由石英、黏土礦物和有機(jī)質(zhì)組成，水平紋層發(fā)育，單層厚度約10～30 μm(圖5e)。石英+長(zhǎng)石含量介于30%～50%，方解石+白云石含量小于33%，黏土礦物含量介于30%～50%(伊利石含量占90%以上，綠泥石含量小于10%)。黏土礦物分布較均勻，主要呈分散狀，或與暗色有機(jī)質(zhì)(含炭屑)混合，形成暗色紋層。石英呈條帶狀順層富集，局部可見(jiàn)少量次圓狀碳酸鹽巖屑和白云母碎屑，形成淺色細(xì)紋層。石英顆粒表面光潔明亮，分選較好，磨圓呈次棱角—次圓狀，粒徑為5～30 μm。有機(jī)質(zhì)較豐富，TOC值介于1.68%～6.21%，平均值為2.71%。

該類頁(yè)巖主要分布在滇黔北坳陷北部和東北部地區(qū)，為黏土質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖的過(guò)渡類型，屬于混合頁(yè)巖相。有機(jī)質(zhì)較為豐富，為深水陸棚沉積。

2.2.5 黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖

呈灰色或深灰色(圖4f，g)，滴酸極微弱起泡，致密堅(jiān)硬，以鈣質(zhì)膠結(jié)為主且膠結(jié)程度良好(圖5f)。主要由黏土礦物、有機(jī)質(zhì)、粉晶方解石與白云石和少量石英組成，發(fā)育水平層理，具泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部可見(jiàn)介殼化石(圖5g)。石英+長(zhǎng)石含量小于30%，方解石+白云石含量介于30%～50%，黏土礦物含量介于30%～50%(伊利石含量占76%～87%，綠泥石含量占13%～24%)。方解石和白云石部分呈分散狀分布于黏土礦物和有機(jī)質(zhì)之間，部分充填于裂縫之中，分選較好，磨圓為次棱角—次圓狀。有機(jī)質(zhì)較豐富，主要呈分散狀分布于黏土礦物和顆粒之間，TOC含量介于0.28%～5.90%，平均值為1.79%。

該類頁(yè)巖主要分布于滇黔北坳陷北部地區(qū)，為黏土質(zhì)頁(yè)巖和鈣質(zhì)頁(yè)巖的過(guò)渡類型，屬于混合頁(yè)巖相，有機(jī)質(zhì)含量介于黏土質(zhì)頁(yè)巖和鈣質(zhì)頁(yè)巖之間，為淺水陸棚和深水陸棚過(guò)渡沉積。

2.2.6 鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖

呈深灰色或灰黑色，滴酸極微弱起泡，以鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)為主且膠結(jié)良好，裂縫發(fā)育，巖芯上局部可見(jiàn)灰黑色泥巖與深灰色灰質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r呈不等厚薄互層(圖4h)。主要由石英、粉晶方解石與白云石、有機(jī)質(zhì)和少量黏土礦物組成。石英+長(zhǎng)石含量介于30%～50%，方解石+白云石含量介于30%～50%，黏土礦物含量小于33%(伊利石含量大于90%，綠泥石含量小于10%)。石英、方解石和白云石主要呈分散狀分布于有機(jī)質(zhì)中(圖5h)，局部充填于裂縫中(圖5i)，分選較差，磨圓呈次棱角狀。有機(jī)質(zhì)呈線狀或球粒狀分散分布，TOC含量介于0.28%～5.90%，平均值為1.85%。

該類頁(yè)巖主要分布于滇黔北坳陷北部地區(qū)，為鈣質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖的過(guò)渡類型，屬于混合頁(yè)巖相，有機(jī)質(zhì)含量介于鈣質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖之間，為淺水陸棚和深水陸棚過(guò)渡沉積。

3 沉積環(huán)境

生物地層學(xué)的方法是奧陶系與志留系解決黑色頁(yè)巖井下地層劃分與對(duì)比最為有效的手段之一[17]。不同的水下條件往往發(fā)育不同的生物組合，而生物化石的保存、巖相類型與水下環(huán)境密不可分，因此巖相與生物帶的匹配關(guān)系對(duì)沉積環(huán)境分析會(huì)起到指導(dǎo)性作用。

研究區(qū)五峰組地層厚度較薄，底部D.complexus帶、P.pacificus帶、N.extraodinarius帶巖相以黏土質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖三者組合為特征，反映深水陸棚環(huán)境；頂部觀音橋段HF(赫南特動(dòng)物群)帶主要發(fā)育鈣質(zhì)頁(yè)巖相，與淺水陸棚環(huán)境匹配；龍馬溪組下段整體以硅質(zhì)頁(yè)巖和黏土質(zhì)頁(yè)巖為主要巖相，鈣質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖為次要巖相，其中N.perculptus帶以鈣質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖二者組合為特征；A.ascensus帶主要發(fā)育黏土質(zhì)頁(yè)巖相；P.acuminatus帶以硅質(zhì)頁(yè)巖和黏土質(zhì)頁(yè)巖連續(xù)分布，黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖三者組合為特征，與深水陸棚環(huán)境匹配(表2)。

表2 巖相與生物帶縱向匹配關(guān)系

3.1 氧化還原條件

高豐度有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的形成取決于有機(jī)質(zhì)生成條件和保存環(huán)境。地球化學(xué)示蹤是追溯巖相與古環(huán)境的有利手段，其中微量元素指標(biāo)已被廣泛用于沉積環(huán)境分析，如Mo元素為氧化還原敏感元素[25-26]，V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co和U/Th可以作為沉積古環(huán)境的判別標(biāo)志[27-28]， V/(V+Ni)>0.50、V/Cr>4.25、Ni/Co>7.00、U/Th>1.25指示厭氧沉積環(huán)境；0.45

研究發(fā)現(xiàn)：Y9井V/(V+Ni)介于0.39～0.76，平均值為0.64；V/Cr介于1.69～7.15，平均值為4.40；Ni/Co介于3.89～10.38，平均值為7.91；U/Th介于0.52～2.41，平均值為1.57(表3)，其中Ni-Co、U-Th之間存在較為良好的線性相關(guān)性，V-Ni、V-Cr線性相關(guān)性較差，微量元素指標(biāo)豐度大小關(guān)系大致為：V>Ni>Cr>Mo>U>Th>Co。五峰組—龍馬溪組下段地層總體沉積于低能、滯留、局限的厭氧環(huán)境，平均水體溶氧量<0.1 mL/L(表4)，與深水陸棚環(huán)境匹配。由于赫南特期古海洋發(fā)生了劇烈動(dòng)蕩[18]，Mo、V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co和U/Th指標(biāo)數(shù)值在觀音橋段明顯降低。

表3 Y9井五峰組—龍馬溪組下段微量元素含量

圖6 Y9井五峰組—龍馬溪組下段氧化還原指標(biāo)與巖相分布Fig.6 Oxidation and reduction indexes and distribution of lithofacies in Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation on Well Y9

3.2 沉積模式

中奧陶世以后，由于加里東運(yùn)動(dòng)的影響，上揚(yáng)子地區(qū)古地理格局表現(xiàn)為隆起區(qū)的擴(kuò)大，海平面相對(duì)上升。晚奧陶世時(shí)期，雪峰隆起、川中隆起、黔中隆起已經(jīng)出露海平面，上揚(yáng)子地塊成為局限海盆，形成大面積缺氧、低能、欠補(bǔ)償環(huán)境[32]。到早志留世，古隆起進(jìn)入發(fā)育的高峰期，陸地邊緣被高度擠壓，造山運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，黔中隆起范圍不斷擴(kuò)大，與川中隆起、武陵隆起、雪峰隆起及苗嶺隆起基本相連，形成了滇黔桂地區(qū)最大的隆起帶，海域逐漸縮小變淺，沉積分異作用加劇，總體形成了五峰組—龍馬溪組地層細(xì)粒碎屑沉積[10]。

在區(qū)域上，華南海成為褶皺帶，產(chǎn)生強(qiáng)烈的向北西方向擠壓作用，華夏古陸急劇擴(kuò)大， 并與康滇古陸、滇黔桂古陸連成一片形成面積巨大的江南古陸，構(gòu)成研究區(qū)晚奧陶世—早志留世沉積充填的主要物源區(qū)，也是滇黔北地區(qū)差異升降、沉積相分異的原因[33]。

五峰早期快速海侵的發(fā)生[13]，使研究區(qū)大面積處于深水陸棚環(huán)境；晚期短暫的海退，海平面位置相對(duì)較低，形成局部地區(qū)觀音橋段淺水介殼泥灰?guī)r沉積。龍馬溪早期，黔中隆起持續(xù)隆升，古氣候階段由冰期過(guò)渡為間冰期，岡瓦納冰蓋融化、海平面急速上升，總體形成五峰期—龍馬溪早期黔中隆起、潮坪、淺水陸棚、深水陸棚由南向北呈環(huán)帶狀分布并以深水陸棚占主導(dǎo)的沉積格局。淺水陸棚為平均海平面以下、風(fēng)暴浪基面以上區(qū)域，處于常氧—貧氧環(huán)境，隆起帶為水下古地貌凸起區(qū)域，以機(jī)械沉積作用為主，沉積產(chǎn)物主要為泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖；向海延伸區(qū)以化學(xué)、生物沉積作用為主，沉積產(chǎn)物主要為頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖及鈣質(zhì)頁(yè)巖，其中鈣質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖為主要巖相。深水陸棚為風(fēng)暴浪基面以下區(qū)域，處于厭氧環(huán)境，以機(jī)械、生物沉積作用為主，沉積產(chǎn)物主要為頁(yè)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖，其中黏土質(zhì)頁(yè)巖與硅質(zhì)頁(yè)巖為主要巖相，局部發(fā)育黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖相(圖7)。

4 巖相與沉積環(huán)境對(duì)頁(yè)巖氣富存的影響

4.1 巖相對(duì)頁(yè)巖氣富存的影響

不同巖相往往具有不同的礦物組成、古生物種屬與有機(jī)質(zhì)含量。頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)往往大量吸附于黏土礦物表面[34]，也可以賦存于原生方解石、白云母的解理縫中[35]。王志峰等[21]指出五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖TOC含量與巖相類型存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。李延鈞等[36]依據(jù)有機(jī)質(zhì)含量的劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)四川盆地南部龍馬溪組巖石類型與礦物組分進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)并提出TOC含量大于4.0%的頁(yè)巖主要為碳質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖與含粉砂(含鈣)碳質(zhì)頁(yè)巖。牟傳龍等[37]提出黑色頁(yè)巖隨陸源碎屑、碳酸鹽礦物含量的增加，TOC含量隨之下降。

滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段TOC含量最高的代表性巖相為黏土質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖。黏土質(zhì)頁(yè)巖富含大量黏土礦物，而黏土礦物對(duì)甲烷氣體具有較強(qiáng)的吸附能力以及礦物間有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育為頁(yè)巖氣富集提供了有利的場(chǎng)所。古生代硅質(zhì)頁(yè)巖主要存在兩種成因：一為陸源碎屑成因，是指富含石英、長(zhǎng)石等礦物的松散沉積物由物源搬運(yùn)至水下沉積形成的一類頁(yè)巖，往往TOC含量較低；二為生物成因，是指微生物活動(dòng)參與沉積、成巖建造所形成的富含硅質(zhì)成分的一類頁(yè)巖。趙建華等[31]指出頁(yè)巖中生物成因的礦物主要來(lái)自生活在透光帶的浮游生物與海底的底棲生物，在古生代浮游生物形成的殼體往往富含硅質(zhì)成分，硅質(zhì)頁(yè)巖中的微晶石英可能是硅質(zhì)生物在成巖過(guò)程中轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物，往往TOC含量較高。研究區(qū)硅質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育放射蟲(chóng)等生物化石與高有機(jī)質(zhì)豐度的特點(diǎn)指示其應(yīng)屬于生物成因并在快速海侵的作用下形成于深水環(huán)境，高TOC含量為頁(yè)巖氣的形成與富集創(chuàng)造了有利的先決條件。

圖7 滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段沉積模式Fig.7 The sedimentary pattern of Wufeng Formation-Lower Longmaxi Formation in Dianqianbei depression

4.2 沉積環(huán)境對(duì)頁(yè)巖氣富存的影響

沉積環(huán)境是頁(yè)巖巖相發(fā)育與有機(jī)質(zhì)生成和保存的場(chǎng)所，不同沉積環(huán)境往往具有不同的有機(jī)質(zhì)豐度并發(fā)育不同的巖相類型與巖相組合。

低能、滯留、局限的缺氧環(huán)境是有機(jī)質(zhì)富集和保存的重要場(chǎng)所。付小東等[38]指出欠補(bǔ)償?shù)纳钏璧亍⑸钏懪?、臺(tái)內(nèi)凹陷等沉積環(huán)境是海相優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的有利場(chǎng)所，同時(shí)由于較少受到陸源碎屑的影響，水體相對(duì)較深，表層生物的大量繁殖易于形成硅質(zhì)頁(yè)巖或鈣質(zhì)頁(yè)巖，二者富含脆性礦物，有利于頁(yè)巖進(jìn)行水力壓裂。有機(jī)質(zhì)由植物光合作用產(chǎn)生，在常氧條件下易被氧化分解而難以保存。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組下段以深水陸棚環(huán)境占主導(dǎo)并處于厭氧條件，有機(jī)質(zhì)形成時(shí)水體較為平靜，少或無(wú)底棲生物擾動(dòng)，大部分有機(jī)質(zhì)得以保留。李雙建等[39]提出TOC含量是缺氧條件識(shí)別的有利指標(biāo)，川南及鄰區(qū)縱向上由下往上顯示出逐漸降低的趨勢(shì)，平面上由盆地中心向隆起區(qū)亦逐漸減少，二者較為直觀地說(shuō)明水體還原缺氧環(huán)境是有機(jī)質(zhì)保存的重要條件。

快速海侵對(duì)有機(jī)質(zhì)保存起到了重要作用。肖開(kāi)華等[40]指出海侵初期對(duì)陸源碎屑的注入起到一定程度的抑制作用。五峰早期與龍馬溪早期快速海侵的發(fā)生使海平面處于高位并以大面積厭氧的深水陸棚環(huán)境為主。同時(shí)高豐度黑色頁(yè)巖主要形成于海侵早期而不是海侵最高位，海侵后期由于海水循環(huán)，深層海水和表層海水的長(zhǎng)時(shí)間混合將表層的氧氣帶入深水，同時(shí)隨著陸源碎屑的輸入，厭氧環(huán)境遭到一定程度的破壞，有機(jī)質(zhì)保存條件變差[38]。低豐度有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖往往欠發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，不利于頁(yè)巖氣的形成與富集。

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)礦物組成及含量分析，識(shí)別出硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖六種巖相。硅質(zhì)頁(yè)巖與黏土質(zhì)頁(yè)巖TOC含量明顯高于其余四種巖相。

(2) 綜合各項(xiàng)氧化還原指標(biāo)表明：五峰期—龍馬溪早期深水陸棚處于低能、滯留、局限的厭氧條件。Ni-Co、U-Th之間存在較為良好的線性相關(guān)性，V-Ni、V-Cr線性相關(guān)性較差，Mo元素含量與四川盆地五峰組—龍馬溪組下段均值相當(dāng)。

(3) 滇黔北坳陷五峰組—龍馬溪組下段沉積整體處于被滇黔桂隆起帶所圍限的局限海域，形成黔中隆起、潮坪、淺水陸棚、深水陸棚整體由南向北呈環(huán)帶狀分布的格局。五峰早期和龍馬溪早期快速海侵的發(fā)生，使深水陸棚成為五峰組—龍馬溪組下段的主要沉積環(huán)境。

(4) 黏土質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖是研究區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度最高的兩種代表性巖相。黏土質(zhì)頁(yè)巖中大量的黏土礦物對(duì)甲烷氣體具有較強(qiáng)的吸附能力以及礦物間有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育為頁(yè)巖氣富集提供了有利的場(chǎng)所。生物成因的硅質(zhì)在快速海侵的作用下形成于深水環(huán)境，陸源碎屑輸入少，高TOC含量為頁(yè)巖氣的形成與富集創(chuàng)造了有利的先決條件。

(5) 不同的沉積環(huán)境往往發(fā)育不同的巖相類型與巖相組合。低能、滯留、局限的缺氧環(huán)境是有機(jī)質(zhì)富集和保存的重要場(chǎng)所，快速海侵對(duì)有機(jī)質(zhì)保存起到了重要作用。

致謝 感謝審稿專家對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)，李季林博士在寫作中給予的指導(dǎo)與幫助。