層序格架中富有機質頁巖發育模式及差異分布：以上揚子下寒武統為例

劉忠寶，杜 偉，高 波，胡宗全，張鈺瑩，吳 靖，馮動軍

1. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100083 2. 中國石化頁巖油氣勘探開發重點實驗室，北京 100083 3. 中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083 4. 中國石油大學(華東)非常規油氣與新能源研究院，山東 青島 266580

0 引言

近年來，隨著非常規頁巖油氣勘探開發的快速發展，關于頁巖的相關研究已成為國內外石油地質領域的熱點[1-4]。查明目的層系中富有機質頁巖段的時空分布特征，是頁巖油氣選區評價及勘探部署過程中的首要任務。因此，與常規油氣勘探類似，地層劃分與對比研究同樣是非常規頁巖油氣勘探中不可或缺、非常重要的一項基礎工作。目前，采用層序地層學理論方法開展頁巖層系的地層劃分與對比研究已得到國內外學者的普遍認可，人們已認識到巖相、凝縮段、非頁巖相的旋回性(以濁流沉積形式存在的外來碳酸鹽巖和富含生物的紋層)、沉積旋回疊加樣式的確定是建立頁巖層序地層格架的關鍵，自然伽馬能譜測井可作為地層劃分的重要依據[5-9]。但由于海相盆地中頁巖沉積對海平面變化的響應標志很弱，一般為大套的連續沉積，內部無明顯侵蝕作用面，層序界面識別困難，且海平面下降同樣的深度，對于盆地不同部位而言，相對水深變化幅度差異明顯，導致頁巖層系橫向等時對比難度大。目前頁巖層序地層學與沉積學的精細研究已成為非常規油氣地質領域中的難點問題。

上揚子地區下寒武統沉積發育了一套海相富有機質的暗色頁巖，其厚度大，分布廣，是我國南方頁巖氣勘探的重要層系之一[10-13]。目前已在川西南威遠和井研--犍為下寒武統筇竹寺組、黔南黃平下寒武統九門沖組、黔東南岑鞏下寒武統牛蹄塘組等多個地區獲得頁巖氣流，充分揭示上揚子地區下寒武統良好的頁巖氣勘探潛力。但下寒武統地層序列的時空變化極為復雜，巖石地層名稱復雜多變[14]；雖已開展了大量野外露頭剖面的生物地層學和巖石地層學方面的研究[15-16]，但不同地層分區各組之間橫向對比關系仍未形成統一的共識，查明不同地區富有機質頁巖段的等時對比關系及其成因分布已成為制約研究區頁巖氣勘探選區的關鍵地質問題。為此，本文通過典型地表露頭觀測、新鉆井巖心觀察描述及巖礦測試分析，以高分辨率層序地學理論為指導，再建立等時層序地層格架，結合區域構造-古地貌特征，建立層序格架中富有機質頁巖發育模式，并以此為指導，綜合頁巖總有機碳質量分數(ω(TOC))及頁巖厚度等關鍵參數，明確不同地區富有機質頁巖(ω(TOC)>0.5%)的分布規律。本次研究對發展頁巖層序地層研究方法及指導研究區頁巖氣勘探選區評價具有重要的理論與現實意義。

1 層序地層格架

我國南方上揚子地區[17](圖1)下寒武統巖石地層分區多、名稱復雜多樣(表1)，以地表露頭為基礎，已開展了大量生物地層學與巖石地層學研究[14-16]；縱向上劃分為4個階及頂部龍王廟階(碳酸鹽巖段)的對比已基本達成共識，但不同地層分區梅樹村階至滄浪鋪階各個組之間的橫向對比關系尚未形成統一的認識。目前不同地區頁巖氣井實際鉆探結果也顯示，富有機質頁巖段的發育差異較大，急需建立高精度的等時地層對比格架，明確不同地區地層的橫向對比關系，準確預測富有機質頁巖段的時空分布規律。前人雖開展過一些層序地層劃分與對比研究[18-23]，但主要以地表露頭資料為主，鉆井資料較少，且一般僅局限在某一個或兩個地層分區開展對比，范圍相對有限。為此，本文選取上揚子不同地層分區的典型露頭及鉆井，通過露頭剖面與巖心觀察、常規鉆(測)井、自然伽馬能譜測井及巖礦測試資料的綜合分析，在層序劃分依據與標志識別的基礎上，以不同級次沉積旋回劃分及疊加組合樣式識別為核心，將露頭與鉆井研究相結合，明確層序劃分方案，建立等時地層對比格架。

圖1 研究區平面位置圖Fig.1 Sketch map of the study area

表1上揚子地區下寒武統地層分區及劃分對比表

Table1StratigraphicaldivisionandcorrelationinLowerCambrian,UpperYangtze

1.1 層序劃分依據與標志

研究區下寒武統頁巖層系為一套內部無明顯侵蝕面和區域性標志層的連續沉積，且底界與下伏震旦系燈影組接觸關系極為復雜，不同地區地層厚度差異可達600 m以上，地層等時對比難度大。本次研究通過典型地表露頭剖面及鉆井巖性特征、測井響應特征、巖礦及地球化學測試、地層厚度變化及區域構造與沉積背景等多種地質因素的綜合分析，主要識別出6個層序劃分依據與標志：

1)下寒武統頂部碳酸鹽巖段區域性對比標志層。研究區早寒武世龍王廟階普遍發育一套穩定的淺水碳酸鹽巖臺地相沉積(圖2)，即龍王廟組、清虛洞組、石龍洞組等，地層厚度較穩定，以100～200 m為主，可作為下寒武統頂界區域性標志層進行橫向對比。

圖2 底板巖溶古地貌、頂部區域性標志層與內部局部標志層發育特征Fig.2 Characteristics of karst on the bottom, regional marker bed at the top and internal marker bed

2)底板震旦系頂面下寒武統沉積前古地貌對頁巖沉積的控制作用。受桐灣運動差異的影響[24]，不同地區震旦系燈影組碳酸鹽巖頂面發育多種類型的巖溶古地貌(巖溶高地、殘丘、斜坡、谷地、洼地等)，對后期早寒武世頁巖的沉積具有重要的控制作用(圖2)。一般情況下，谷地與洼地區先接受沉積，沉積水體深，可容納空間大，頁巖沉積厚度大；高地與殘丘區沉積晚，沉積水體相對淺，可容納空間小，頁巖沉積厚度小。

3)內部發育局部淺水碳酸鹽巖標志層。川東南L1井2 390～2 408 m巖孔剖面明心寺組上部(實測厚度40 m)、黔北大方FS1井1 225 ～1 283 m均發育一套灰色、深灰色低能泥晶灰巖與泥灰巖沉積，橫向上可追蹤對比(圖2)。

4)巖-電組合特征的旋回性變化。充分利用鉆(測)井資料，分析巖性-電性組合特征，有助于更好地分析大套頁巖層系沉積韻律的細微差異，從而精確劃分其縱向旋回性的變化，以進行橫向對比分析。川西南J1井、黔南H1井下寒武統下部均發育一套高自然伽馬的黑色富有機質頁巖沉積，且其頂、底部的巖性與電性突變接觸特征明顯(圖3)。

5)古生物化石標志。從生物地層角度來看，寒武紀主要以小殼化石和三葉蟲化石組合帶為特征，其中：早寒武世梅樹村階(相當于梅樹村組—筇竹寺組下部)以Anabarites-Protohertzina-Arthrochites、Siphogonuchites-Paragloborilus和Lapworthella-Tannuolina-Sinoscachites小殼化石為特征；筇竹寺階(筇竹寺組中上部)以Parabadiella-Mianxiandiscus、Eoredlichia-Wutinggaspis三葉蟲組合帶為標志；滄浪鋪階(滄浪鋪組)以Yunnanaspis-Yiliangella三葉蟲組合帶為標志[25]。巖石薄片鏡下古生物鑒定顯示，川西南J1井筇竹寺組下部和黔南H1井九門沖組下部均發育小殼化石(圖3)，可作為地層等時對比標志。

6)地球化學標志。相對海平面的升降能夠控制沉積環境的變化，使沉積水體介質發生變化，造成不同層序地球化學(包括有機與無機)特征的差異，因此，地球化學特征(化學元素組成、含量及分布變化)可以揭示頁巖沉積原始氧化與還原環境的相對變化[26]。如V/Cr、Ni/Co、Th/U、ω(TOC)等均可反映氧化-還原環境的變化。J1井與H1井下寒武統下部層序均表現為極低的Th/U值(圖3)，反映其均形成于強還原、缺氧的沉積環境。

1.2 旋回疊加組合樣式

層序地層是研究旋回式、成因上有聯系的，以不整合面或者與其可以對比的整合面為界的等時地層格架。大套頁巖層系多為連續沉積，基本不發育不整合面，因此頁巖層系中層序界面的厘定是較為困難的。但地層沉積過程中記錄的不同級次的旋回性變化，可以通過鉆井巖性剖面、測井曲線及地球化學等資料進行識別(實際可操作性強)。因此，本文在上述層序劃分依據與標志識別的基礎上，重點通過典型鉆井巖心觀察描述、全巖礦物、巖相組合類型、總有機碳含量及測井響應特征等資料的綜合分析，開展了下寒武統頁巖層系沉積旋回及疊加組合樣式的識別研究，主要識別出5種類型的沉積旋回疊加組合樣式，其特征分析如下。

GR.自然伽馬；Rs. 淺側向電阻率。圖3 巖性-電性組合特征及古生物化石識別對比標志Fig.3 Rock-electrical combination characteristics and identification mark of palaeobios comparison

1)對稱退積-進積型

以上升半旋回和下降半旋回近對稱發育為特征，代表基準面快速下降之后又快速上升的沉積形式，反映水體淺--深--淺的沉積過程。沉積巖相組合主要為含磷云巖、泥質云巖-碳質頁巖-含磷泥質云巖夾碳質頁巖(圖4a)或粉砂質頁巖、泥質粉砂巖-(含粉砂)碳質頁巖-粉砂質頁巖、泥質粉砂巖。主要發育于四川盆地西南部筇竹寺組。

2)非對稱退積-進積型

以下降半旋回遠遠大于上升半旋回的不對稱性發育為特征，反映沉積水體快速上升、緩慢(或持續)下降的沉積過程。沉積巖相組合主要為碳質頁巖-黏土質頁巖與粉砂質泥巖、泥質粉砂巖互層(圖4b)。該旋回疊加樣式組合在研究區筇竹寺組、牛蹄塘組及水井沱組普遍發育。

3)退積-退積型

以兩個或兩個以上的上升半旋回縱向疊置發育為特征，一般反映沉積水體不斷上升，持續處于較深水沉積環境。沉積巖相組合主要為硅質巖-硅質頁巖-碳質頁巖，或僅為硅質頁巖與碳質頁巖其中一種巖相(圖4c)，旋回水進界面以高GR值、高ω(TOC)值及低Th/U值為標志。該旋回疊加樣式組合主要發育在鄂西--渝東水井沱組下部及川東南、黔北--黔中牛蹄塘組下部。

4)進積-進積型

以兩個或兩個以上的下降半旋回縱向疊置發育為特征，通常反映沉積水體不斷下降、水體持續變淺的沉積環境。沉積巖相組合主要為泥巖與泥質粉砂巖、粉砂巖互層(圖4d)，自下而上泥巖層厚度變小，泥質粉砂巖與粉砂巖層厚度變大、且砂質粒度變粗。該旋回疊加樣式組合在研究區滄浪鋪組、金頂山組、天河板組及其相當地層中普遍發育。

圖4 沉積旋回疊加組合樣式Fig.4 Superimposed style of depositional cycle

5)持續加積型

持續加積型沉積是在沉積速率等于可容空間變化速率的情況下形成的，自下而上水體深度、巖性特征基本保持不變，沉積巖相組合主要為泥巖夾薄層粉砂質泥巖(圖4e)，自然伽馬曲線平直特征清晰。通常代表了淺海陸架邊緣的沉積響應。該旋回疊加樣式組合主要發育在鄂西--渝東及黔南地區，如H1井杷榔--變馬沖組、C1井石牌組沉積多為該類型沉積。

1.3 層序劃分與對比

在層序劃分依據與標志識別的基礎上，以不同級次沉積旋回劃分及疊加組合樣式識別為核心，結合研究區下寒武統發育的實際特點，開展了不同地區典型露頭與單井高分辨率層序地層分析，明確了下寒武統層序劃分方案。研究結果表明，下寒武統整體為1個二級層序(沉積時間約32 Ma)，以快速海侵-緩慢海退為沉積特征，巖性序列自下而上以灰黑色、黑色頁巖-深灰色含粉砂質頁巖-灰色粉細砂巖(局部碳酸鹽巖與砂泥巖互層)-淺灰色、灰色碳酸鹽巖(灰巖或白云巖及含膏云巖)為主，最多可劃分為8個三級層序，自下而上依次命名為SQ1至SQ8(圖5)。

1)層序SQ1--SQ2：主要發育于梅樹村期--筇竹寺早期，以快速海侵的退積型沉積為主，常規測井曲線以高自然伽馬、高電阻率為特征。在川西南資陽--長寧一線地區，巖性以富磷質的云巖、泥質云巖、云質泥巖與碳質頁巖互層沉積為特征；在鄂西--渝東、黔南及其以東地區，巖性以硅質巖、硅質頁巖、碳質頁巖沉積為主，局部含磷塊巖。

2)層序SQ3--SQ5：發育于筇竹寺中晚期，除層序SQ3下部發育退積型薄層碳質頁巖、含碳黏土質頁巖沉積外，主體以進積或加積型沉積為主，常規測井曲線以平直狀低自然伽馬、中--低電阻率為特征。在川北南江、川西南地區，巖性以泥質粉砂巖沉積為主，局部夾薄層碳質頁巖；在川東南、黔北、鄂西--渝東及黔南地區，巖性以深灰色黏土質頁巖夾泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、灰質泥巖沉積為主。

3)層序SQ6--SQ7：發育于滄浪鋪期，以持續海退期的進積型沉積為主，常規測井曲線以微齒狀中低自然伽馬為特征。在川西南地區，巖性以石英砂巖、粉--細砂巖與泥頁巖互層為主，與下部層序相比顏色明顯變淺；在鄂西--渝東、黔北等地區，巖性以淺灰色、灰色黏土質頁巖夾薄層粉砂質泥巖或泥質灰巖為主。

4)層序SQ8：發育于龍王廟期，常規測井曲線以低自然伽馬為特征，為一套區域上穩定的淺水碳酸鹽巖臺地相沉積，巖性以白云巖、石灰巖、云質灰巖、泥質灰巖沉積為主，局部為石膏巖與碳酸鹽巖互層沉積。

圖5 上揚子地區下寒武統層序地層劃分方案Fig.5 Sequence stratigraphic classification method of the Lower Cambrian in the Upper Yangtze region

依據上述層序地層劃分方案，以先進行四川盆地內部對比、外部對比，再進行四川盆地內部與外部對比的原則，最終建立研究區下寒武統等時層序地層格架(3個長期旋回分別對應于梅樹村階、筇竹寺階、滄浪鋪階--龍王廟階)。研究表明：研究區下寒武統下部層序SQ1與SQ2沉積存在穿時性，不同地區缺失程度及沉積特征差異明顯。在四川盆地內部，層序SQ1與SQ2僅發育于資陽--長寧一線地區，巖性以含磷云巖、泥質云巖夾碳質頁巖沉積為主，位于沉積中心的S1井、S2井厚度最大可達200 m，向東、西兩側逐漸減薄或尖滅(圖6)；在四川盆地外部，黔中--黔南的部分地區缺失層序SQ1，其他大部分地區層序SQ1與SQ2基本發育齊全，巖性以硅質頁巖與碳質頁巖沉積為主(圖7)。結合早寒武世區域構造-沉積背景及層序對比綜合研究，認為早寒武世最大海泛面發育于層序SQ3內部，其高自然伽馬尖峰特征明顯，以薄層碳質頁巖及含碳質頁巖沉積為特征，區域上可對比性好。層序SQ4--SQ5整體上沉積水體進一步變淺，縱向上自下而上砂質含量增高，平面上由川西南--川東南--黔中--黔南地區砂質含量逐漸降低，由泥質粉砂巖、粉砂質頁巖互層過渡為黏土質頁巖夾含粉砂質頁巖或灰質頁巖(圖6)。層序SQ6--SQ7沉積水體繼續變淺，砂質粒度變粗，局部發育碳酸鹽巖夾層，砂質、泥質與灰質混合沉積特征明顯，沉積厚度趨于穩定，橫向可對比性較好。進入層序SQ8，除局部地區仍為頁巖沉積外，整體過渡為厚度穩定的淺水碳酸鹽巖臺地相沉積。

2 富有機質頁巖發育模式及差異分布

2.1 層序格架中富有機質頁巖沉積發育模式

在建立層序地層格架的基礎上，進一步結合巖石類型、頁巖總有機碳含量、沉積序列及構造古地貌特征[28-29]的綜合分析，建立了研究區下寒武統層序格架中富有機質頁巖的沉積發育模式(圖8)。研究表明，受震旦系燈影組碳酸鹽巖頂面巖溶古地貌及海侵作用的控制，早寒武世整體為快速海侵-緩慢海退沉積序列，富有機質頁巖主要發育于不同級次的海侵(退積)-海退(進積)作用早期，沉積厚度與古地貌高低、海侵規模及持續時間密切相關。早寒武世筇竹寺早期不同地區古地貌高差大，快速海侵后形成了深水、閉塞的缺氧沉積環境，在四川盆地西南部裂陷區及盆地之外的東南部低洼區發育厚度較大的退積型富有機質頁巖沉積體，而古地貌高部位則發育厚度相對小的退積型黏土質頁巖沉積體。經早期沉積充填后，進入筇竹寺中晚期，不同地區古地貌高差變小，再次快速海侵，雖海侵范圍變大，但時間較短，富有機質頁巖沉積厚度較小，以退積或加積型粉砂質頁巖及黏土質頁巖沉積為主。值得注意的是，在四川盆地西南部資陽--長寧一線地區，早寒武世發育4套富有機質頁巖段，均具有由中心向東、西兩側減薄至殲滅的特點，結合該區震旦紀--早寒武世存在拉張裂陷槽的地質認識[28-30]，筆者認為這4套富有機質頁巖的發育主要受基底斷裂早寒武世的多幕塹壘式活動控制。J1井筇竹寺組上部富有機質頁巖段巖心觀察中發現了垮塌濁流砂巖沉積(圖8中巖心照片)，進一步證實了拉張裂陷活動的存在。局部地層差異沉降形成裂陷區后，發生強迫性海侵，水體變深，形成閉塞缺氧環境，沉積富有機質頁巖。滄浪鋪期--龍王廟期，持續海退，不同地區水深差異較小，最終進入穩定的淺水碳酸鹽巖沉積環境。

2.2 富有機質頁巖差異分布

在非常規頁巖氣勘探研究中，建立等時層序地層格架的目的，除了查明不同地區的地層對比關系外，更為重要的是明確富有機質頁巖的時空分布規律。為此，本文通過典型地表露頭剖面、常規鉆井、頁巖氣鉆井及室內頁巖總有機碳含量測試資料的綜合分析，以富有機質頁巖沉積發育模式為指導，以層序為單元開展富有機質頁巖(ω(TOC)>0.5%，厚度>20 m)分布的精細編圖。研究結果表明，研究區下寒武統富有機質頁巖主要發育于層序SQ1至SQ5，且不同地區各層序富有機質頁巖的分布存在差異(圖9)。四川盆地內部富有機質頁巖段主要分布在資陽--長寧一線近南北向展布的區域，受基底斷裂早寒武世的多幕塹壘式活動控制，縱向上共發育4套富有機質頁巖段，其依次發育于層序SQ1--SQ2、SQ3、SQ4、SQ5內。其中層序SQ1--SQ2內頁巖段，巖石類型混雜，以磷質云巖、泥質云巖夾碳質頁巖為主，有機質分布不均。層序SQ3--SQ5內3套富有機質頁巖品質較好，ω(TOC)以0.5～2.5%為主，普遍具有多層、薄層的特點，累計厚度以60～150 m為主。四川盆地之外的鄂西--渝東、黔北及黔東南等地區層序SQ1--SQ2發育連續沉積的大套富有機質頁巖段，厚度多大于100 m，頁巖品質好，以硅質頁巖和碳質頁巖為主，ω(TOC)以1.5～8.5%為主；而川北南江、川東北城口--建始--宜昌--房縣之間的大部分地區以層序SQ3發育富有機質頁巖為主，但與前者相比，厚度略小，20～60 m不等；此外，東南部三都渣拉溝--洞口月溪一線及以東地區、東北部任河、廟婭等地區早寒武世長期處于深水饑餓欠補償盆地相沉積環境，雖各層序富有機質頁巖厚度不大，但累計(層序SQ1--SQ8)厚度可達150～200 m，自下而上頁巖ω(TOC)逐漸降低，且局部層段已發生輕微變質作用形成黑色、灰黑色板巖。綜上所述，上揚子不同地區下寒武統富有機質頁巖的分布在縱向上和平面上均存在差異，今后的頁巖氣勘探與開發應予以考慮，進行有針對性的勘探部署及開發方案制定。

巖性圖例同圖4。圖8 上揚子地區早寒武世層序格架中富有機質頁巖的沉積發育模式Fig.8 Sedimentary model of organic-rich shale in the sequence stratigraphic framework of the Lower Cambrian in the Upper Yangtze region

3 結論

1)提出震旦系燈影組頂界面巖溶古地貌、頂部龍王廟期區域性碳酸鹽巖層、內部局部碳酸鹽巖層、巖-電性組合特征、古生物化石及地球化學特征6個層序劃分依據與標志，識別出對稱退積-進積型、非對稱退積-進積型、退積-退積型、進積-進積型、持續加積型5種沉積旋回疊加組合樣式，將下寒武統最多劃分為8個三級層序，建立了等時層序地層格架及富有機質頁巖的沉積發育模式。

2)提出富有機質頁巖主要發育于不同級次的海侵-海退作用早期，不同地區富有機質頁巖時空分布特征存在差異：四川盆地內部富有機質頁巖主要分布在資陽--長寧一線近南北向帶狀展布的區域，受基底斷裂早寒武世的多幕塹壘式活動的控制，共發育4套富有機質頁巖段；四川盆地之外的鄂西--渝東、黔北、黔南及宜昌等地區受早寒武世早期上升洋流作用控制，以下部層序發育大套富有機質頁巖段為特征。今后進行頁巖氣勘探與開發部署應考慮不同地區富有機質頁巖的時空分布特點。

致謝：中國石化西南分公司、中國石化華東分公司、中國石化江漢油田等相關領導及同事在資料上給予了大力支持，在此表示感謝！

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