扬子陆块下古生界页岩发育特征与沉积模式

文章编号:1000⁃0550(2015)01⁃0021⁃15doi:10.14027/ki.cjxb.2015.01.003①国家重大科技专项(编号:2015ZX05068)、中国石油天然气集团公司重大科技项目(编号:2012F⁃47⁃02)与中国石油天然气股份公司科技项目(编号:2012B⁃0504)基金联合资助收稿日期:2014⁃02⁃24;收修改稿日期:2014⁃04⁃25扬子陆块下古生界页岩发育特征与沉积模式①徐政语1　蒋　恕2　熊绍云1　梁　兴3　王高成3　郭燕玲1　何　勇3　饶大骞3(1.中国石油勘探开发研究院杭州地质研究院　杭州　310023;2.犹他大学能源与地球科学研究院　盐湖城　UT84108;3.中国石油浙江油田分公司　杭州　310013)摘　要　为了深入探讨扬子陆块下古生界页岩发育与分布特征、建立沉积模式,系统收集与整理了扬子陆块下寒武统牛蹄塘组与上奥陶统—下志留统五峰—龙马溪组两套富有机质页岩大量数据,选取贵州省三都县渣拉沟及四川省筠连县昭104井两个典型剖面与井岩芯进行了系统观察与采样,对扬子陆块范围内两套富有机质页岩岩性与沉积相发育特征进行了系统分析。

研究表明,早古生代以来,扬子陆块受被动大陆边缘扩张与陆缘造山挠曲坳陷两类成盆环境影响[1⁃2],牛蹄塘组页岩沉积于被动大陆边缘扩张环境,缘于上升洋流与缺氧事件复合沉积模式,富有机质页岩以扬子陆块东南缘深水陆棚—斜坡相区最为发育、厚度最大、有机碳含量最高;五峰—龙马溪组页岩沉积于加里东期周缘前陆造山环境,缘于浅水陆棚—闭塞滞留海湾沉积模式,富有机质页岩以中上扬子陆块东南缘深水陆棚区最为发育、厚度最大、有机碳含量最高。

关键词　沉积模式　发育特征　富有机质页岩　下古生界　扬子陆块第一作者简介　徐政语　男　1964年出生　博士　高级工程师　构造地质学与石油地质学　E⁃mail:Xuzy_hz@pet⁃中图分类号　P512.2　P595　文献标志码　A0　引言受传统技术所限,以往油气勘探开发工作主要关注烃源岩周缘颗粒粒径相对较粗、物性(孔、渗等)相对较好的常规砂岩或碳酸盐岩类储层,忽略了颗粒粒径相对较细、物性相对较差的硅质岩或泥质岩类储层。

近年来随着全球常规油气资源份额的逐渐减少,一些储集非常规油气(煤层气,页岩油与页岩气,致密油与致密气)资源、颗粒粒径相对较细、物性相对较差的致密岩或有机岩类储层日渐成为当今勘探开发研究工作的热点领域。

许多学者便于区别,将以往研究的常规储层岩类称为粗粒沉积岩,将现今关注的颗粒粒径小于1/16mm 的硅质岩、泥页岩、黏土岩以及煤岩等非常规储层岩类称为细粒沉积岩,从而极大地丰富了沉积岩石学研究领域,拓展了储层研究范畴,发展了传统沉积学与储层地质学。

包括泥岩、页岩在内的细粒沉积学研究工作可以追溯至上世纪四十年代[3],初期主要注重宏观环境与岩相学研究,如海底水道与海底扇[4-5]、浊流与浊积岩[6]、潮汐流与潮汐岩[7]、淡水湖泊[8]与盐湖[9]环境中泥质岩类沉积、海洋环境中风尘沉积[10]等;至上世纪七十—八十年代逐渐拓展至沉积岩石学[11-12]与沉积建模方面研究,创建了包括深海悬浮沉积[13]、浊流与等深流沉积[14]、潮汐流沉积[15]等在内的多种模式,探讨了陆上湖泊环境中细粒岩沉积成因[16],进行了细粒沉积实验[17]与模拟[18-20]研究,分析了细粒岩沉积机理[21],注意到了富有机质岩细粒沉积建模研究[22];至九十年代逐渐关注到细粒岩沉积微观构造[23]与控制因素方面研究[24]。

本世纪以来随着非常规油气工业的快速发展,富有机质页岩沉积建模与机理研究备受关注[25],目前已建立有多种类型模式,主要包括有上升流模式[22]、大洋缺氧事件模式[22,26-27]、远洋悬浮沉积模式[28-29]、黑海模式[30]、陆缘斜坡—海盆模式[25]、浅水陆棚模式[31-32]、周缘前陆盆地沉积模式[33]以及内陆湖盆沉积模式[34-35]等,认为富有机质页岩沉积与发育需要满足三方面条件,即:①大量的有机物质供给;②快速的沉积速率;③贫氧或缺氧的水体环境。

从有机物富集、淀积与保存三方面限定了沉积环境。

有关扬子陆块下古生界页岩发育与分布特征研第33卷　第1期2015年2月沉积学报ACTA SEDIMENTOLOGICA SINICAVol.33　No.1Feb.2015究由来已久[36-41],近年来受南方页岩气勘探开发选区与先导试验区建设等方面工作影响,下古生界富有机质页岩发育与分布规律研究成为大家关注的热门话题[42-43];但针对其沉积机理及控制因素研究较少、且争论颇多,目前已提出的沉积学成因模式有上升流模式[44-45]、大洋缺氧事件模式[2,38,46]、滞流海盆模式[47]或称黑海滞流盆地模式[48]、上升洋流与缺氧事件复合模式[49]、深水陆棚—底栖藻席模式[48]以及边缘海盆与斜坡模式[50]等多种类型,笔者结合近年来在这一地区开展的野外地质调查成果与资料仅想在这方面做一初步分析与探讨。

1　富有机质页岩发育特征扬子陆块下古生界主要发育有下寒武统牛蹄塘组与上奥陶统—下志留统五峰—龙马溪组两套富有机质页岩,其中下寒武统牛蹄塘组(或称筇竹寺组)富有机质页岩主要为深灰—黑色页岩、碳质页岩、硅质页岩、粉砂质页岩和粉砂岩组合,有机碳(TOC)含量一般1%~4%;底段发育碳质页岩与硅质岩互层、TOC含量值达2%~11%,中上段过渡为页岩、粉砂质页岩夹薄层灰岩、粉砂岩,中段底部夹有多层1~20 cm厚的薄层斑脱岩(浅灰—灰白色黏土质火山灰沉积层),页岩单层厚0.5~40m,累计厚度50~100m,最厚可超过200m。

笔者观察到贵州三都剖面本套页岩自下而上颜色逐渐变浅,砂质灰质含量依次增加,硅质减少、有机质含量渐次降低;层理构造由底部薄层块状泥岩与硅质岩互层过渡至下段上部厚层块状泥页岩、炭质泥岩,过渡至中段页理发育的泥页岩夹薄层砂岩、至上段砂质页岩与薄层灰岩互层;沉积环境呈现由深海盆地向半深水陆棚斜坡、向浅水陆棚、台地环境过渡特征(图1)。

地层中放射性元素含量显示页岩下段U+K+Th元素总含量偏高、达70~ 100ppm,中上段偏低、仅15~45ppm(图1)。

据前人成果分析本套页岩生物群以底栖海绵类为主,包含刺胞、节肢、软体等动物以及宏体藻类等生物门类[51];底部夹含斑脱岩层测试的U⁃Pb年龄对应沉积时间早于518±5Ma[52],晚于556±5Ma[49],处在556±5 Ma~518±5Ma之间,与全球寒武纪地层发育时代542Ma基本一致。

上奥陶统—下志留统五峰—龙马溪组富有机质页岩为一套深灰—黑色笔石页岩、碳质页岩、硅质页岩、粉砂质页岩夹泥质粉砂岩组合,有机碳含量(TOC)一般1%~2%;底段富有机质页岩发育、炭质图1　贵州省三都县渣拉沟剖面下寒武统渣拉沟组页岩沉积相剖面图图中U+K+Th元素含量为笔者2013年9月下旬自带的伽马射线谱仪(型号GS⁃512)沿剖面现场采集数据。

Fig.1　Column showing Lower Cambrian Zhalagou Group shalesedimentary facies in Zhalagou section,Sandu countyof Guizhou province含量高,TOC含量达2%~5%,中、上段页岩夹有薄层灰岩、粉砂岩,单层厚1~10m,累计厚度20~40m,最厚可逾100m;下段夹有20~70余层斑脱岩层(蛋青—灰白色黏土质火山凝灰岩)[37,39],单层厚1~2 cm、个别层段厚度可达30cm。

昭104井本套页岩自下而上颜色逐渐变浅、砂质灰质含量增加、有机质含量降低;底部五峰组页岩夹有多层1~2cm厚的薄层斑脱岩(图2中照片),含有大量黄铁矿晶粒(图2中照片),发育有硅质放射虫,页理不发育、呈块状;向上至龙马溪组底部层理、页理逐渐清晰,向上至中上部又呈厚层块状、层理不发育。

本套页岩中下部笔石22　沉　积　学　报 第33卷　图2　四川省筠连县昭104井上奥陶—下志留统页岩沉积相地层剖面图Fig.2　Zhao104Well Wufeng⁃Longmaxi Group shale sedimentary facies of Upper Ordovician⁃LowerSilurian in Junlian county,Sichuan province丰富,可富集成黑色笔石页岩;放射性元素特征与牛蹄塘组类似,中下段U+K+Th元素含量明显偏高、曲线值达200~300API,上段含量降低、曲线值处在150API以下(图2)。

2　富有机质页岩分布特征2.1　牛蹄塘组富有机质页岩分布特征扬子陆块下古生界牛蹄塘组页岩以碳质页岩最为发育、分布范围最广,主要富集于陆块东南及北缘山前;陆块西缘隆起区页岩不发育、较薄,总体相变为粉—细砂岩夹泥页岩(图3,4)[53]。

平面上以陆块东南部浙西皖南、赣北鄂南、湘鄂西、黔东南、滇黔北、川南渝东地区以及陆块北缘苏北、鄂北、川北渝北地区页岩相对较厚,以江南隆起北缘及秦岭—大别—苏鲁造山带南缘邻近区域富有机质页岩累计厚度最大、达40~100m以上,陆块中部相对较薄、一般累计厚度小于60m,整体呈现“南北厚、中间薄”总趋势。

本套页岩有机碳含量特征总体类似,以陆块南、北山前富32　第1期 徐政语等:扬子陆块下古生界页岩发育特征与沉积模式有机质页岩发育区TOC值最高、一般≥2%;中部富有机质页岩发育区TOC值相对较低、一般1%~3%(图5)。

据近年来国土资源部、中石油、中石化、中海油以及相关省区单位在扬子陆块开展的大量页岩气调查与先导试验区钻采工作证实,牛蹄塘组富有机质页岩在陆块西南及东南部大体形成以川南珙县—滇北镇雄、黔东凯里—湘西张家界—湘北常德、浙西常山—皖南宁国为中心的三大富集区(图5)[42-43,54-57],三大区中心轴线总体构成与扬子陆块西南及东南边界相平行,自西向东呈现北北西、北东至北东东向延展的沉积与富集中心。

其中,以西区中心勘探程度最高、列首位,已建有中石油滇黔北昭通和川南威远、长宁三大页岩气先导试验区与富顺—永川页岩气中外合作开发区,钻揭本套页岩的直探深井8口、水平井3口、各类资料浅井6口,初步查明区内牛蹄塘组页岩发育、厚约200m(YQ2井)~520m(昭101井),有机质页岩富集段(TOC均值大于2%)累计厚度接近或超过200m的直探深井4口(YQ2井198.6m、威201井208.2m、昭103井206m、昭101井319m)、处在100~200m间的直探深井4口(威5、宁206、宝1、阳1井);目前该中心有2口直探深井经试采后已获得了日产过万方的产能(威201井1.35×104m3/d、威5井2.46×104m3/d),已初见页岩气工业气流。