盧暢 ，陳雷 ，楊揚(yáng) ，周昊 ，譚秀成 ，李雪松

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)研究分室，四川 成都 610500；3.天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；4.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051）

中國(guó)具有豐富的頁(yè)巖氣資源，四川盆地是中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的前沿地區(qū)[1-6]。長(zhǎng)寧地區(qū)位于四川盆地南部，該地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖為典型的海相頁(yè)巖，頁(yè)巖沉積厚度大、分布范圍廣、紋層發(fā)育、富含有機(jī)質(zhì)[7-10]。

上奧陶統(tǒng)五峰組（O3w）到下志留統(tǒng)龍馬溪組（S1l）頁(yè)巖沉積時(shí)期，在全球范圍內(nèi)發(fā)生了一系列重大地質(zhì)事件，晚奧陶世生物大滅絕[11-12]、赫南特冰川事件[13-14]、碳氮同位素漂移[15-16]及全球黑色頁(yè)巖廣泛沉積等[17-18]。川南長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖沉積于該時(shí)期，研究其沉積環(huán)境演化具有重要意義。對(duì)于頁(yè)巖氣，沉積環(huán)境不僅在宏觀上控制了富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的形成及空間展布，更在微觀上決定了富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的礦物成分、地球化學(xué)特征、儲(chǔ)集空間特征等[19]。本文對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的81個(gè)樣品進(jìn)行了主量元素與微量元素測(cè)定，其中，X1井22個(gè)樣品，X2井24個(gè)樣品，X3井35個(gè)樣品。主量元素與微量元素分別采用X射線衍射（XRD）和電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果誤差小于5%。同時(shí)，本文研究了五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的地球化學(xué)特征和沉積環(huán)境，研究成果對(duì)長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖油氣的勘探預(yù)測(cè)起到重要作用。

1 地質(zhì)背景

長(zhǎng)寧地區(qū)位于四川盆地南部，北鄰川南低緩背斜構(gòu)造帶，南接黔西北寬緩背斜褶皺帶（見(jiàn)圖1）[10]。晚奧陶世至早志留世時(shí)期，四川盆地的東南緣受構(gòu)造作用抬升而隆起，從開(kāi)闊海洋環(huán)境向局限海洋環(huán)境轉(zhuǎn)變，形成了一套總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）較高、地層厚度較大的海相泥頁(yè)巖[18-19]。研究區(qū)在五峰組—龍馬溪組沉積早期，由于海底大面積缺氧，有機(jī)質(zhì)和生物硅質(zhì)能夠有效保存，該地區(qū)沉積了一套分布穩(wěn)定的深色富筆石頁(yè)巖[20]。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

研究區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組（O3w）厚度為3～10 m，碳質(zhì)含量較高，富含筆石、放射蟲(chóng)等生物。五峰組頂部觀音橋段發(fā)育介殼灰?guī)r，厚度較小，介于0.5～1.0 m。下志留統(tǒng)龍馬溪組巖性為一套黑色碳質(zhì)頁(yè)巖和粉砂質(zhì)頁(yè)巖組合，可見(jiàn)大量筆石。龍馬溪組分為龍一段（S1l1）和龍二段（S1l2），其中，龍一段又分為龍一 1 亞段（S1l11）和龍一2亞段（S1l12）。龍一1亞段富含有機(jī)質(zhì)，又細(xì)分為1小 層 （S1l11-1）、2 小 層 （S1l11-2）、3 小 層 （S1l11-3）、4 小 層（S1l11-4）（見(jiàn)圖2）。

圖2 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層綜合柱狀圖

2 地球化學(xué)特征

2.1 主量元素

長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主要由SiO2，Al2O3，CaO等組成，各層位的主量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）均不相同（見(jiàn)表1）。 w（SiO2）介于 5.72%～75.64%，平均53.48%；w（Al2O3）介于 1.79%～25.58%，平均 11.47%；w（CaO）介于0.48%～32.86%，平均8.60%。除此之外，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖還有Fe2O3，MgO，K2O，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于10.0%，以及少量的Na2O，MnO2，TiO2，P2O5，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于 1.0%。

表1 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

研究區(qū)五峰組 w（CaO）高于龍馬溪組，w（Al2O3）及w（SiO2）低于龍馬溪組。 垂向上，龍馬溪組 w（Al2O3）總體呈向上增加的趨勢(shì)，表明龍馬溪組沉積早期到后期的陸源碎屑輸入量逐漸增加。

2.2 微量元素

長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖微量元素有Ba，Zr，Zn，Sr等，各層位微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同（見(jiàn)表2）。五峰組頁(yè)巖 w（Ba），w（Zr），w（Zn），w（Sr）均較高，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 1 484.1，187.3，219.6，400.5 μg/g。 龍馬溪組頁(yè)巖 w（Ba），w（Zn），w（Sr），w（V）均較高，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 1 723.3，219.6，177.6，166.8 μg/g。

表2 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) μg·g-1

為了研究微量元素的富集規(guī)律，本文對(duì)研究區(qū)所有樣品的微量元素進(jìn)行PAAS（后太古宙澳大利亞頁(yè)巖）標(biāo)準(zhǔn)化處理（見(jiàn)圖3）。圖中不同顏色代表研究區(qū)不同樣品，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為研究區(qū)頁(yè)巖與PAAS的微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值。由圖3可以看出，五峰組頁(yè)巖的Mo，Pb，U元素較為富集，龍馬溪組頁(yè)巖的Mo，Ba，U元素較為富集。

圖3 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖微量元素PAAS標(biāo)準(zhǔn)化蜘蛛網(wǎng)圖

3 沉積環(huán)境分析

3.1 氧化還原條件

目前有許多指標(biāo)可以表征頁(yè)巖沉積時(shí)的水體氧化還原條件[21-22]。大量研究發(fā)現(xiàn)，w（V）/w（Cr），w（V）/（w（V）+w（Ni）），w（U）/w（Th）這 3 個(gè)指標(biāo)可以表征長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖沉積時(shí)的水體氧化還原條件（見(jiàn)表3）[21-22]。 五峰組頁(yè)巖的 w（V）/w（Cr）平均為 4.01，w（V）/（w（V）+w（Ni））平均為 0.66，w（U）/w（Th）平均為0.97，表明五峰組時(shí)期為貧氧—厭氧環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)富集（見(jiàn)表4）。

表3 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組氧化還原條件判別標(biāo)準(zhǔn)

表4 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組各層位元素指標(biāo)

龍馬溪組 w（V）/w（Cr），w（U）/w（Th）從底部到頂部均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，從 S1l11-1到 S1l12，w（V）/w（Cr）平均值從 6.55 逐漸減小至 1.79，w（U）/w（Th）平均值從 3.49逐漸減小至 0.32，w（V）/（w（V）+w（Ni））平均值無(wú)較大變化，介于0.66～0.73（見(jiàn)表4）。因此，從整體上看，龍馬溪組頁(yè)巖在S1l11-1—S1l12沉積時(shí)期的沉積環(huán)境為缺氧環(huán)境，垂向上從極度缺氧的厭氧環(huán)境向貧氧環(huán)境演變，含氧量逐漸上升。厭氧環(huán)境與貧氧環(huán)境的過(guò)渡時(shí)期在S1l11-2沉積末期與S1l11-3沉積初期，到S1l12沉積時(shí)期已接近氧化環(huán)境。

3.2 水體滯留程度

水體滯留程度與海平面升降息息相關(guān)，影響沉積環(huán)境的氧化還原條件，也是海水微量元素供給的主要影響因素之一[23]，缺氧環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的富集與保存[24]。五峰組頁(yè)巖沉積時(shí)期，盆地為貧氧—厭氧環(huán)境，沉積物中Mo和U相對(duì)缺乏。

圖4為長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖Mo-U協(xié)變模式。圖中紅色虛線表示海水中Mo與U的濃度比值（SW=7.9），3條黑色虛線分別表示Mo與U的濃度比值是海水的0.1，0.3，3.0倍。

圖4 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖Mo-U協(xié)變模式

五峰組頁(yè)巖樣品點(diǎn)分布表明，此時(shí)盆地環(huán)境封閉，水體滯留在盆地內(nèi)，與外界交換較少，與黑海相似，屬于強(qiáng)滯留環(huán)境（見(jiàn)圖4）。

龍馬溪組底部S1l11-1—S1l11-2為極度缺氧的厭氧環(huán)境，在還原性極強(qiáng)的條件下，Mo和U更易在沉積物中富集。整體看，S1l11-1—S1l11-2沉積時(shí)期與五峰組沉積時(shí)期不同，樣品點(diǎn)分布在SW線附近，協(xié)變圖中表現(xiàn)的不是弱滯留環(huán)境和非滯留環(huán)境。S1l11-3—S1l12為貧氧環(huán)境，此時(shí)含氧量上升，有機(jī)質(zhì)保存與富集的有利條件變?nèi)?，沉積物中w（Mo）及 w（U）較低，樣品點(diǎn)落在非滯留環(huán)境，S1l11-3—S1l11-4為缺氧—厭氧靜海相，S1l12為貧氧—缺氧環(huán)境（見(jiàn)圖4）。

龍馬溪組頁(yè)巖的Mo-U協(xié)變模式無(wú)法直接與協(xié)變圖中某個(gè)現(xiàn)代海盆直接對(duì)應(yīng)。前人研究發(fā)現(xiàn)，這種情況與Oklahoma盆地Woodford頁(yè)巖的Mo-U協(xié)變模式類(lèi)似[24-26]，該模式出現(xiàn)在半滯留環(huán)境中，因此推斷研究區(qū)在龍馬溪組頁(yè)巖沉積時(shí)期為半滯留環(huán)境。

3.3 古氣候

地表巖石的化學(xué)風(fēng)化程度主要受溫度和濕度的影響，炎熱潮濕的環(huán)境會(huì)促進(jìn)巖石化學(xué)風(fēng)化作用，寒冷干燥的環(huán)境不利于化學(xué)風(fēng)化作用，物理破碎等作用起到主導(dǎo)作用?；瘜W(xué)風(fēng)化指數(shù)（CIA）可以定量反映沉積巖物源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化作用的強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)：CIA＞80時(shí)，表明沉積物沉積時(shí)的古氣候炎熱潮濕，巖石化學(xué)風(fēng)化作用較為嚴(yán)重；CIA介于65～80時(shí)，表明沉積物沉積時(shí)的古氣候溫暖濕潤(rùn)，巖石化學(xué)風(fēng)化作用中等；CIA介于50～65時(shí)，表明沉積物沉積時(shí)的古氣候寒冷干燥，巖石化學(xué)風(fēng)化作用較弱[27]。

長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖化學(xué)風(fēng)化指數(shù)見(jiàn)表5。由表可知：各層位化學(xué)風(fēng)化指數(shù)穩(wěn)定，介于64.60～76.04，平均 69.75～72.70，表明該時(shí)期長(zhǎng)寧地區(qū)古氣候是溫暖濕潤(rùn)的。隨著龍馬溪組化學(xué)風(fēng)化指數(shù)由底部至頂部逐漸增大，古氣候也逐漸向溫度更高、濕度更大的方向演變。溫暖濕潤(rùn)的古氣候?yàn)樯锇l(fā)育創(chuàng)造了環(huán)境條件，生物繁盛使得龍馬溪組頁(yè)巖沉積時(shí)期具有較高的初級(jí)生產(chǎn)力，同時(shí)也為研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

表5 五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖化學(xué)風(fēng)化指數(shù)

4 沉積環(huán)境演化模式

長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖沉積時(shí)期是上揚(yáng)子構(gòu)造沉積環(huán)境演化的重要時(shí)期，沉積環(huán)境在氧化還原條件和水體滯留程度方面都發(fā)生了變化。

五峰組頁(yè)巖沉積時(shí)期，沉積環(huán)境為貧氧—厭氧的強(qiáng)滯留環(huán)境（見(jiàn)圖5）。此時(shí)水體交換頻率低，盆地較為封閉，與外界陸源碎屑物質(zhì)交換較少。由于頻繁短暫的火山噴發(fā)活動(dòng)[28]，氣候溫暖濕潤(rùn)，生物繁盛，可見(jiàn)硅質(zhì)放射蟲(chóng)、棘皮、筆石等[29]，大量生物帶來(lái)的高生產(chǎn)力為有機(jī)質(zhì)富集提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖5 長(zhǎng)寧地區(qū)X1井五峰組—龍馬溪組沉積環(huán)境演化模式

龍馬溪組頁(yè)巖沉積時(shí)期，研究區(qū)處于一個(gè)半滯留環(huán)境（見(jiàn)圖5）。龍馬溪組底部的還原條件較五峰組好，厭氧的強(qiáng)還原環(huán)境為有機(jī)質(zhì)富集保存提供了較好的環(huán)境基礎(chǔ)。龍馬溪組頁(yè)巖沉積時(shí)期，沉積環(huán)境處于溫室效應(yīng)中，此時(shí)發(fā)育的動(dòng)物群穩(wěn)定[29]。因此，沉積時(shí)期的古氣候溫暖濕潤(rùn)，古生物豐富，初級(jí)生產(chǎn)力高。

5 結(jié)論

1）長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主要由SiO2，Al2O3，CaO等組成。頁(yè)巖微量元素PAAS標(biāo)準(zhǔn)化處理后發(fā)現(xiàn)，五峰組頁(yè)巖的Mo，Pb，U元素較為富集，龍馬溪組頁(yè)巖的Mo，Ba，U元素較為富集。

2）五峰組頁(yè)巖沉積時(shí)期，長(zhǎng)寧地區(qū)處于貧氧的缺氧環(huán)境。龍馬溪組頁(yè)巖在S1l11-1—S1l12沉積時(shí)期為缺氧環(huán)境，垂向上從極度缺氧的厭氧環(huán)境向貧氧環(huán)境演變，含氧量逐漸上升，到S1l12沉積時(shí)期接近氧化環(huán)境。

3）五峰組頁(yè)巖沉積時(shí)期為強(qiáng)滯留環(huán)境，龍馬溪組頁(yè)巖沉積時(shí)期為半滯留環(huán)境。

4）長(zhǎng)寧地區(qū)古氣候溫暖濕潤(rùn)，隨著龍馬溪組化學(xué)風(fēng)化指數(shù)由底部至頂部逐漸增大，古氣候也逐漸向溫度更高、濕度更大的方向演變。