陈雷, 谭秀成, 郑健, 陈鑫, 杨扬, 熊敏, 王高翔, 计玉冰. (2023). 上扬子地区龙马溪组黑色富有机质页岩的浅水超覆沉积模式* [J]. 古地理学报, 25(3): 614-627.
CHEN Lei, TAN Xiucheng, ZHENG Jian, CHEN Xin, YANG Yang, XIONG Min, WANG Gaoxiang, JI Yubing. (2023). Shallow-water onlap sedimentary mode of black organic-rich shale in the Longmaxi Formation,Upper Yangtze area[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(3): 614-627.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.03.039
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上扬子地区龙马溪组黑色富有机质页岩的浅水超覆沉积模式*
陈雷1,2, 谭秀成1,2,3, 郑健4, 陈鑫1,2, 杨扬4, 熊敏1,2, 王高翔1,5, 计玉冰6
1 天然气地质四川省重点实验室,西南石油大学,四川成都 610500
2 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学研究分室,四川成都 610500
3 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,西南石油大学,四川成都 610500
4 四川长宁天然气开发有限责任公司,四川成都 610051
5 中国石油西南油气田分公司页岩气研究院,四川成都 610056
6 中国石油浙江油田公司,浙江杭州 310023

第一作者简介 陈雷,男,1985年生,副教授,硕士生导师,主要从事非常规油气地质和层序地层学研究。E-mail: cl211@126.com。

收稿日期:2022-07-09 修回日期:2022-11-13
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41602147)和中国石油—西南石油大学创新联合体科技合作项目(编号: 2020CX020000)资助
摘要

细粒沉积作用决定着页岩储集层的物质基础,对优质页岩的形成具有重要作用。文中以上扬子地区龙马溪组黑色页岩为研究对象,通过岩心、露头、薄片、地震资料等分析,对该套黑色页岩的沉积发育模式进行研究。结果表明: (1)研究区龙马溪组黑色富有机质页岩段发育粉砂岩与页岩互层,见生物扰动、交错纹层、波状纹层、粒序纹层、泥砾定向排列、底部侵蚀面等沉积构造,具明显的浅水沉积特征; (2)黑色页岩内部发育多期受波浪作用影响而形成的页岩—粉砂质页岩—粉砂岩反粒序沉积旋回,显示出波浪作用对龙马溪组黑色页岩的形成具有重要影响; (3)风暴作用对于龙马溪组黑色页岩的形成具有一定的影响,表现为在不规则侵蚀面之上形成粉砂岩—黑色页岩正粒序沉积旋回; (4)从地震剖面以及连井剖面对比可以看出,随着海平面的不断上升,页岩总体上具有向古隆起边缘不断超覆迁移的特征。推测上扬子地区龙马溪组黑色页岩形成于水体较浅且受限的沉积环境,易受波浪以及风暴作用的影响,具有随着海平面上升而不断超覆迁移的特征。研究区龙马溪组富有机质黑色页岩的浅水超覆模式对于上扬子地区富有机质页岩的勘探具有重要的指导意义。

关键词: 黑色页岩; 浅水沉积; 超覆; 龙马溪组; 上扬子地区
中图分类号:P618.13 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)03-0614-14
Shallow-water onlap sedimentary mode of black organic-rich shale in the Longmaxi Formation,Upper Yangtze area
CHEN Lei1,2, TAN Xiucheng1,2,3, ZHENG Jian4, CHEN Xin1,2, YANG Yang4, XIONG Min1,2, WANG Gaoxiang1,5, JI Yubing6
1 Natural Gas Geology Key Laboratory of Sichuan Province,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500, China
2 Research Branch of Southwest Petroleum University,Key Laboratory of Carbonate Reservoirs,CNPC,Chengdu 610500, China
3 State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China
4 Sichuan Changning Gas Development Co.,Ltd.,Chengdu 610051,China
5 Shale Gas Research Institute,PetroChina Southwest Oil and Gas Company,Chengdu 610056,China
6 PetroChina Zhejiang Oilfield Company,Hangzhou 310023,China

About the first author CHEN Lei,born in 1985,is an associate professor at Southwest Petroleum University. He is mainly engaged in researches on unconventional petroleum geology and sequence stratigraphy. E-mail: cl211@126.com.

Fund:Financially supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41602147)and Science and Technology Cooperation Project of the CNPC-SWPU Innovation Alliance(No.2020CX020000)
Abstract

Fine-grained sedimentation determines the material basis of shale and plays an important role in the formation of high-quality shale. Based on the comprehensive analysis of drilling cores,outcrops,thin sections and seismic data,the sedimentary mode of the black shale from the Longmaxi Formation in the Upper Yangtze area was studied. The results show that(1)siltstone interbedded with shale,bioturbation,cross bedding,wavy laminae,graded laminae,orientation of mud gravel and basal erosion occurred in the black organic-rich shale of the Longmaxi Formation,which reveals obvious shallow water sedimentary characteristics. (2)The reverse graded deposition sequence of shale-silty shale-siltstone under wave action is developed in the black shale,reflecting that wave action has an important influence on the formation of black shale in the Longmaxi Formation. (3)The storm has a certain impact on the formation of black shale in the Longmaxi Formation,which shows the normal graded deposition sequence of siltstone to black shale formed on the irregular erosion surface. (4)A comparison of the seismic profile and regional stratigraphic well profile shows that the black shale of the Longmaxi Formation presents obvious onlap to the margin of the paleo-uplift with the rise in sea level. These results reflect that the black shale of the Longmaxi Formation in the Upper Yangtze area formed in limited shallow water,which is vulnerable to waves and storms. The continuous onlap of shale occurred with the rise in sea level. The shallow-water onlap sedimentary mode of the organic-rich shale in the Longmaxi Formation has significant guidance for the exploration of organic-rich shale in the Upper Yangtze area.

Key words: black shale; shallow-water deposit; onlap; Longmaxi Formation; Upper Yangtze area
1 概述

作为非常规油气地质学理论体系框架的重要组成, 细粒沉积学受到了越来越多的学者关注(邹才能等, 2019)。细粒沉积学的研究对于非常规油气的规模发展具有重要意义, 目前细粒沉积学的研究重点集中于细粒沉积岩研究方法、页岩沉积实验室物理模拟和富有机质页岩沉积模式等方面(邹才能等, 2019)。

传统观点普遍认为, 富有机质页岩(TOC>2%)形成于水体较深(普遍大于风暴浪基面)、安静、缺氧的沉积环境中, 形成方式为细粒物质的悬浮沉降(Vine and Tourtelot, 1970; Gustafson and Williams, 1981; Jacobs et al., 1985, 1987; Crusius et al., 1996)。但随着研究的逐步深入, 富有机质页岩的这一深水环境形成理论受到了极大挑战, 一些学者认为富有机质页岩的沉积过程可能复杂得多(Schieber et al., 2007; Lazar et al., 2015; Ilgen et al., 2017)。不整合面之上富有机质页岩的大量发现, 揭示了浅水环境(浪基面以上)同样可以形成富有机质页岩(Grabau and O'Connell, 1917; Smith et al., 2019; 金值民等, 2020); 而富有机质页岩中生物扰动、波纹层理、侵蚀面、正常粒序纹层等沉积构造的大量发现(McCollum, 1988; Wilson and Schieber, 2015; Birgenheier et al., 2017), 更进一步表明浅水环境可作为富有机质页岩的沉积环境。Conant和 Swanson(1961)通过对比研究发现, 美国阿巴拉契亚盆地志留系Chattanooga富有机质页岩的沉积水体深度不超过30 m, 具明显的浅水沉积特征。Birgenheier等(2017)认为美国Uinta盆地的Mancos页岩为近滨受波浪作用影响而沉积的浅水富有机质页岩, 可见波纹层理、侵蚀面、正常粒序纹层。Schieber(1998)、Smith等(2019)研究发现, 美国Appalachian盆地泥盆系Marcellus-Dunkirk黑色富有机质页岩的沉积环境主要为浅水(风暴浪基面之上), 而非深水。金值民等(2020)通过对塔里木盆地西北部寒武系玉尔吐斯组富有机质页岩的研究, 提出了富有机质页岩的浅水超覆沉积模式。

龙马溪组页岩形成于奥陶纪末期的全球冰盖事件之后。观音桥段沉积时期, 整个上扬子地区发生了1次大规模的海退事件, 海平面下降幅度50~100 m(戎嘉余和詹仁斌, 1999), 导致该地区最大水深范围介于10~30 m之间(周名魁等, 1993), 之后的早志留世龙马溪组沉积时期海平面快速上升。在如此大幅度的海平面下降—上升转换时期, 将龙马溪组底部黑色页岩归于深水陆棚环境中形成显然与实际的地质背景不符。关于龙马溪组黑色页岩的形成水深前人有不同的观点, 如马永生等(2009)认为龙马溪组富有机质页岩形成于浅海深水盆地(水深100~150 m), 陈旭(1990)通过笔石分带推测上扬子地区兰多维列世的龙马溪组黑色页岩发育深度大部分不超过60 m, 牟传龙等(2016)则认为上扬子地区龙马溪组沉积时期既发育水深小于风暴浪基面的浅水陆棚沉积, 也发育水深大于风暴浪基面的深水陆棚沉积。基于此, 笔者依据岩心、野外露头、钻井、薄片以及地震等资料, 对上扬子地区龙马溪组黑色页岩的沉积模式进行研究, 以期对龙马溪组富有机质页岩的沉积模式有一个较为准确的认识。

2 区域地质背景

奥陶纪—志留纪之交, 全球海平面变化、全球冰盖事件、区域构造运动、火山喷发等多期全球和区域地质事件的叠加, 造成五峰组沉积时期发生了多期的海进—海退变化(Sheehan, 1973; Hambrey, 1985; Long, 2007; Yan et al., 2009; Munnecke et al., 2010; Rong et al., 2010; Han et al., 2021)。早志留世, 随着奥陶纪末期的冰盖事件结束, 海平面不断上升, 在全球范围内发育了一套黑色富有机质页岩(Lü ning et al., 2000; Loydell et al., 2013; Alkhafaji et al., 2015; Sen and Kozlu, 2020)。在上扬子地区, 随着华南板块不断由东南向西北推进, 在奥陶纪—志留纪之交逐渐形成了一个被川中隆起、康滇古陆、黔中雪峰隆起等夹持的半局限浅海盆地(图1), 相对滞留的环境造成整个上扬子地区沉积了大套的龙马溪组黑色页岩(梁狄刚等, 2009; 陈旭等, 2010, 2012, 2014)。该套黑色页岩厚度介于40~100 m之间, 主要分布于川南—川东南—川东北地区, 以川南的泸州—宜宾一带和川东南的涪陵—丁山一带最为发育(郭彤楼和张汉荣, 2014)。

图1 中、上扬子地区奥陶纪—志留纪“三隆一坳” 盆地格局(据孙莎莎等, 2018)及五峰组—龙马溪组地层序列(据陈旭等, 2015; Feng et al., 2022)Fig.1 Basin pattern of “three uplifts-one depression” during the Ordovician-Silurian (after Sun et al., 2018), and stratigraphic sequence of the Wufeng-Longmaxi Formations(after Chen et al., 2015; Feng et al., 2022) in Upper and Middle Yangtze area

在上扬子地区, 上奥陶统五峰组与下志留统龙马溪组呈不整合接触。五峰组通常由下部黑色富笔石页岩段和上部沉积灰黑色介壳灰岩的“观音桥段” 组成, 一般将其分为五一段和五二段(图1)。龙马溪组以沉积大套黑色页岩和发育大量笔石为特征, 一般将其分为龙一段和龙二段, 而龙一段又可分为龙一1亚段和龙一2亚段(图1)。作为页岩气主力生产层段的龙一1亚段又可进一步划分出4个小层(图1)。

3 岩石学特征及其沉积序列

对于龙马溪组富有机质黑色页岩, 前人普遍认为其沉积于深水陆棚环境, 形成时水体深度较大、安静、缺氧(邹才能等, 2015, 2021, 2022; 郭彤楼, 2016; 聂海宽等, 2017; 邱振和邹才能, 2020)。但是笔者通过对上扬子地区野外剖面和岩心的观察以及镜下薄片的分析, 发现在龙马溪组富有机质页岩层段中存在的部分沉积现象并不能用深水环境来解释。

3.1 野外剖面特征

宏观尺度上, 野外露头剖面可显示出不同于岩心的更大尺度沉积充填特征, 更能反映沉积时期的水体条件。在川东南的红花园剖面中, 龙马溪组底部黑色页岩段总体显示为从下至上粒度变粗的序列, 底部为水平层理发育的黑色页岩, 中部发育大型交错层理以及透镜状层理, 其中透镜状层理横向延伸规模可达2.5 m, 顶部发育具水平层理的黑色页岩(图2)。整体向上变粗的沉积序列和大型交错层理以及透镜状层理等沉积构造现象, 指示龙马溪组黑色页岩沉积时期该地区水体较浅、水动力较强, 总体应为受波浪影响的沉积水体范围。

图2 上扬子地区红花园剖面龙马溪组黑色页岩段沉积特征Fig.2 Sedimentary characteristics of the Longmaxi Formation shale in Honghuayuan outcrop, Upper Yangtze area

3.2 岩心宏观特征

前人研究认为, 川南的泸州—宜宾、川东南涪陵地区以及川东北巴中—达州一带为龙马溪组页岩沉积中心, 黑色页岩沉积厚度最大(王社教等, 2009; 张海全等, 2010, 2013; 周恳恳等, 2014; 孙莎莎等, 2018)。本次研究在川南泸州—宜宾地区的N1井龙马溪组底部(龙一段)富有机质页岩的2个层段(3116.95~3117.24 m, 3105.04~3105.40 m)和川东北地区的X1井龙马溪组黑色页岩段(1967.49~1967.74 m, 1944.13~1944.30 m), 发现了深水陆棚沉积作用难以形成的沉积现象(图3-A, 3-B)。

图3 上扬子地区龙马溪组富有机质页岩段典型沉积现象的岩心特征
A—可见1个正粒序沉积旋回和2个反粒序沉积旋回, 页岩内部可见大量生物扰动构造, 3116.95~3117.24 m, N1井; B—可见透镜状纹层、交错纹层、平行纹层发育, 3105.04~3105.40 m, N1井; C—见多个反粒序沉积旋回, 可见侵蚀面, 粉砂岩与粉砂质页岩呈不规则突变接触, 下部砂泥互层, 1967.49~1967.74 m, X1井; D—粉砂岩与页岩互层, 可见透镜状纹层、波状纹层以及交错纹层, 1944.13~1944.30 m, X1井Fig.3 Drilling cores showing typical sedimentary characteristics in organic-rich shale section of the Longmaxi Formation in the Upper Yangtze area

在3116.95~3117.24 m段黑色页岩中, 岩性和沉积序列具有明显的变化, 发育3个沉积旋回(图3-A):旋回①底部为黑色富有机质页岩, 向上粒度逐渐变粗, 形成一个由细变粗的反粒序沉积旋回; 旋回②为灰黑色粉砂质页岩, 内部可见大量的生物扰动构造, 顶部可见一些波状砂质纹层, 整体呈现出一个由粗变细的正粒序沉积旋回; 旋回③为下部由深灰色粉砂岩组成、上部逐渐过渡为黑色页岩的正粒序沉积旋回, 粉砂岩中平行纹层和交错纹层发育, 与下伏的粉砂质页岩呈突变接触。该页岩层段发育的1个反粒序和2个正粒序沉积旋回, 指示黑色页岩沉积时期水体环境变化较快; 中部层段的大量生物扰动构造, 指示其沉积水体具有较高的含氧量, 水体深度相对较浅; 波状砂质纹层以及上部的交错纹层, 均指示当时的沉积水体动力较强; 顶部粉砂岩截切下伏泥质粉砂岩, 指示出水动力突然增强, 可能是风暴或者波浪对下部地层的侵蚀造成的。

N1井3105.04~3105.40 m段同样显示出特有的沉积现象。该段发育5个沉积旋回(图3-B):旋回①主要由下部纹层发育的页岩和上部的泥质粉砂岩组成, 总体显示出一个向上粒度变粗的沉积序列, 指示沉积水体的变浅; 旋回②底部为粉砂岩, 向上逐渐变为黑色页岩, 总体显示出向上水体变深的沉积序列, 内部发育透镜状砂质纹层; 旋回③为粉砂条带, 与下伏页岩呈不规则接触, 指示发生了1次水体能量的增强及其对下伏页岩产生侵蚀; 旋回④底部为泥质粉砂岩, 上部为粉砂岩, 内部可见交错纹层发育, 指示当时沉积水动力较强; 旋回⑤为黑色页岩沉积。该岩心段的多期反粒序旋回、粉砂质透镜体、交错纹层、不规则侵蚀面等现象, 均指示页岩沉积时水体深度浅、沉积物明显受到了波浪以及风暴的影响。

在川东北地区的X1井龙马溪组黑色页岩段, 同样发育有非深水陆棚的典型沉积现象(图3-C, 3-D)。该井1967.49~1967.74 m取心段可见5个沉积旋回(图3-C): 旋回①下部为黑色页岩, 上部为泥质粉砂岩; 旋回②下部为薄层黑色页岩, 上部逐渐变为灰色粉砂岩, 呈现出下细上粗的反粒序沉积特征; 旋回③主要为深灰色粉砂质页岩, 与下伏粉砂岩呈不规则突变接触, 内部可见透镜状纹层; 旋回④为灰色粉砂岩, 块状构造, 与下伏粉砂质页岩呈截变不规则接触; 旋回⑤为黑色页岩, 底部与下伏的粉砂岩呈整合接触。整体来看, 该段沉积物整体颗粒较粗, 呈现为多期反粒序旋回, 未发现重力流沉积特征, 且反粒序沉积旋回以及内部的页岩与粉砂岩互层、页岩与粉砂岩的突变接触、透镜状纹层等均指示出该段沉积时期水体较浅、水动力较强, 因此很可能为波浪作用形成。在该井的1944.13~1944.30 m段能够看到明显的页岩与粉砂岩互层内部纹层产状变化较大, 同时可见大量波状粉砂质纹层、交错纹层、透镜状纹层等沉积构造(图3-D), 指示该段沉积时期水体总体较浅、波浪对其有明显的影响。

基于N1井和X1井的典型岩心特征, 认为上扬子地区龙马溪黑色页岩内部发育的粒序纹层、生物扰动构造、交错纹层、透镜状纹层、不规则侵蚀面、页岩与粉砂岩互层等沉积构造, 表明龙马溪组黑色页岩沉积时期水体总体较浅、波浪作用和风暴作用参与了黑色页岩的沉积过程。

3.3 微观特征

除了宏观岩心和野外剖面显示出龙马溪组黑色页岩具有浅水沉积的特征外, 在镜下微观尺度上同样可以观察到指示沉积水体较浅的证据, 如大量的反粒序纹层(图4-A, 4-F)、生物扰动构造(图4-B)、交错纹层(图4-C)、透镜状纹层(图4-D)、波状纹层(图4-E)等均有发现。由于反粒序纹层往往是在浅海环境中受波浪作用的影响而形成, 生物扰动构造指示沉积水体的含氧量较高、水体深度不大, 交错纹层、透镜状纹层以及波状纹层也通常是在浅海环境中受波浪作用而容易形成, 因此综合镜下微观沉积构造特征, 推测龙马溪组黑色页岩形成时期总体应为浅海环境, 易受波浪作用的影响。

图4 上扬子地区N2井龙马溪组富有机质页岩段典型沉积现象镜下薄片特征
A—反粒序纹层发育, 2454.03 m; B—可见生物扰动和粉砂透镜体, 2454.08 m; C—交错纹层发育, 2454.18 m; D—透镜状纹层, 2454.19 m; E—波状纹层, 2461.02 m; F—多个反粒序纹层构成1个大的反粒序纹层, 2461.14 m。所有照片均为单偏光Fig.4 Thin section showing typical sedimentary characteristics in organic-rich shale section of the Longmaxi Formation in Upper Yangtze area

从岩心、野外剖面以及薄片分析可以看出, 龙马溪组黑色页岩沉积时期的水体总体较浅, 易受波浪以及风暴作用的影响, 因此其形成时期的水体深度主体处于正常浪基面附近。

3.4 垂向沉积序列特征

笔者以川南长宁地区N2井龙马溪组富有机质页岩层段为例, 发现该段共发育2段明显的浅水沉积序列(图5; 图6)。

图5 上扬子地区N2井2461.54~2460.96 m段龙马溪组富有机质页岩沉积序列Fig.5 Organic-rich shale sedimentary sequence of the Longmaxi Formation in 2461.54~2460.96 m of N2 well in Upper Yangtze area

图6 上扬子地区N2井2454.25~2453.93 m段龙马溪组富有机质页岩沉积序列Fig.6 Sedimentary sequence of the Longmaxi Formation organic-rich shale in 2454.25~2453.93 m of N2 Well in Upper Yangtze area

1)N2井2461.54~2460.96 m段。底部为纹层发育的黑色页岩沉积(①层), 向上随着波浪作用的增强, 形成明显的粉砂岩截切页岩现象, 之上粒度逐渐变粗(②层中下部), 整体形成一个向上变粗的反粒序沉积旋回。再向上, 随着能量的逐步降低, 沉积物逐渐变为平行纹层发育的黑色页岩(③层)。第④层为泥质粉砂岩, 内部发育平行纹层, 可见生物扰动构造和泥砾, 表明其沉积水体较浅、含氧量较高、水动力较强。⑤层和⑥层显示出页岩受到了风暴作用影响, 底部具有明显的不规则侵蚀面, 之上的泥质粉砂岩发育大量波状交错纹层, 再向上水体能量降低形成正常的页岩沉积(⑥层)(图5)。可以看出, ①-③层构成了一个波浪作用增强形成的页岩—粉砂岩反粒序沉积序列(①-②层下部)及波浪作用减弱形成的粉砂岩—页岩的正粒序沉积序列(②层上部-③层), ⑤-⑥层则为受风暴沉积作用影响形成的沉积序列。

2)N2井2454.25~2453.93 m段。底部为平行纹层发育的黑色页岩沉积(①层)。向上由于水动力增强, 形成明显的不规则侵蚀面, 岩性转变为粉砂质泥岩, 整体显示出向上粒度逐渐变粗的反粒序特征(②层), 内部可见交错纹层, 定向排列的次棱角状—次圆状泥砾发育, 大量生物扰动构造发育, 为水体较浅、遭受波浪作用所形成。进入第③层, 水动力进一步增强, 与下伏粉砂质泥岩呈突变接触, 岩性为粉砂岩, 发育交错纹层和平行纹层。①-③层构成了一个典型的受波浪作用形成的页岩—粉砂质泥岩—粉砂岩沉积序列。进入第④层又进入下一个沉积序列, 开始沉积正常黑色页岩(图6)。

4 地震剖面特征及其横向对比
4.1 地震剖面特征

陈旭等(2010, 2012, 2014, 2017)指出, 广西运动的阶段性及其方向性导致华夏古陆不断向西北方向抬升迁移, 造成龙马溪组黑色页岩整体不断向川西北方向迁移, 龙马溪组底界面具有不等时性, 然而目前大量学者却常将黑色页岩当成一个整体或者是同时期内形成的沉积体来看待(王玉满等, 2015, 2017; 何治亮等, 2016; 邱振等, 2017)。从横跨川中隆起的地震剖面(图7)可以明显地看出, 整个龙马溪组沉积时期的沉积物具有不断向隆起地区超覆迁移的沉积特征, 表明龙马溪组页岩沉积具有明显的时间差异, 其是随着海平面不断上升逐渐多期超覆形成的不等时沉积体系。

图7 上扬子地区龙马溪组页岩沉积在地震剖面上的响应特征(剖面位置见图1)Fig.7 Response characteristics of the Longmaxi Formation shale deposits on seismic profile in Upper Yangtze area (see Fig.1 for section location)

在川南的长宁—泸州一带, 也可以看到大量龙马溪组页岩不断超覆的沉积现象(图8)。这种大量超覆一方面显示出随着海平面的不断上升, 龙马溪组黑色页岩为多期超覆、不断迁移而形成的不等时体系, 另一方面表明在龙马溪组黑色页岩沉积时期, 整个上扬子地区水下微地貌具有明显的隆洼相间的特征。图8-D为泸州地区的一个典型的地震剖面, 在该剖面中可以看出微隆起周缘龙马溪组沉积不断向隆起超覆。虽然陈旭等(2001)、梁峰等(2017)、聂海宽等(2017)、王同等(2018)、施振生等(2020)认为在湘鄂西地区、威远地区、丁山地区、华蓥山地区等存在较大的水下隆起, 其对黑色页岩沉积与保存具有一定控制作用, 但是对于其如何影响黑色页岩沉积叠置方式及沉积模式, 目前尚未有过多的研究。笔者通过大量地震剖面分析发现, 整个上扬子地区的水下地貌形态可能比前人认为的(聂海宽等, 2017; 梁峰等, 2019; 郭伟等, 2022)更为复杂, 微地貌具有明显的隆洼相间格局, 从而导致龙马溪组黑色页岩随着海平面不断上升而逐步超覆沉积于隆起边缘, 并具有迁移特征。

图8 上扬子地区龙马溪组典型地震剖面反射特征(剖面位置见图1)Fig.8 Typical seismic profiles showing reflection characteristics of the Longmaxi Formation in Upper Yangtze area (see Fig.1 for section location)

4.2 区域横向对比特征

在早志留世Llandovery期的晚期, 全球海平面上升达到最大值(Leggett et al., 1981; Johnson et al., 1991; Ross and Ross, 1996; Loydell, 1998), 大致对应于龙马溪组LM6-LM7笔石带(陈旭等, 2015)。Llandovery期是志留系龙马溪组黑色页岩最为发育时期, 大致对应于龙一1亚段和龙一2亚段。通过旋回对比可以明显看出, 该时期龙马溪组黑色页岩在整个上扬子地区具有厚薄相间的特征(图9), 指示上扬子地区水下地貌的隆洼差异性; 向着水下微地貌高地地区(黑色页岩减薄区)黑色页岩沉积具有明显的超覆特征(图9), 说明了整个龙马溪组黑色页岩沉积具有明显的时间差异, 其是多期叠置超覆形成的。

图9 上扬子地区龙马溪组富有机质页岩层段对比剖面图(剖面位置见图1)
注: 龙一1亚段不同的颜色代表不同的旋回地层, 同一颜色代表同一时期形成的旋回地层Fig.9 Correlation section of the Longmaxi Formation organic-rich shale in Upper Yangtze area(see Fig.1 for section location)

5 沉积模式

通过地震、钻井、岩心、野外露头等分析发现, 上扬子地区龙马溪组富有机质页岩的沉积具有明显的浅水超覆特征。

奥陶纪末期, 受全球冰盖事件影响, 海平面大幅下降(何卫红等, 2002, 2003; 严德天等, 2008, 2009; 孙莎莎等, 2018; 赵明胜和王约, 2018), 加之都匀运动的挤压作用, 在整体为“三隆夹一洼” 的大区域沉积格局中, 上扬子地区在挤压作用下形成一系列隆洼相间的水下微古地貌格局, 最大水深范围处于10~30 m之间(周名魁等, 1993)。进入早志留世, 上扬子地区基本继承了奥陶纪末期的地貌格局, 构造挤压持续进行, 海平面快速上升, 龙马溪组富有机质页岩开始沉积(图10)。随着海平面不断上升, 黑色页岩逐渐向大的古陆隆起区不断迁移超覆(图10)。早志留世早期, 由于上扬子地区整体水深较浅, 水下微地貌具有隆洼相间的格局, 导致龙马溪组沉积初期黑色富有机质页岩主体形成于相对地势低洼地区; 随着水体深度因海平面上升而加大, 龙马溪组页岩以不断超覆的形式向古陆隆起方向迁移, 逐渐在向隆起区方向形成叠置迁移的黑色页岩, 其中斜坡上的地貌洼地中沉积较厚的黑色页岩; 当海平面上升到最大之后, 整个地区黑色富有机质页岩沉积范围达到最大, 不断叠置迁移的页岩连片构成一整套黑色富有机质页岩(图10), 即为目前主力的富有机质页岩勘探层段。然而由于水下微地貌的差异, 不同单元黑色页岩沉积厚度并不相同。富有机质黑色页岩的不断超覆导致龙马溪组黑色页岩具有不等时沉积的特征, 早期黑色页岩主要发育于盆地中心, 之后黑色页岩不断向斜坡部位迁移发育, 从而导致龙马溪组黑色富有机质页岩的沉积具有时空变化, 并对页岩气勘探中优质页岩的找寻产生影响, 后期页岩气有利区的找寻应重点关注斜坡及其周缘地区。

图10 上扬子地区龙马溪组富有机质页岩沉积模式Fig.10 Sedimentary model of the Longmaxi organic-rich shale in the Upper Yangtze area

6 结论

1)上扬子地区龙马溪组黑色页岩发育多种沉积构造, 宏观—微观尺度上可见生物扰动、交错纹层、波状纹层、粒序纹层、泥砾定向排列、不规则侵蚀面、粉砂岩与页岩互层等, 指示龙马溪组黑色富有机质页岩形成于浅水沉积环境。

2)龙马溪组黑色富有机质页岩段发育明显受波浪作用以及风暴作用影响而形成的沉积序列, 其中波浪作用导致富有机质页岩内部形成页岩—粉砂质页岩—粉砂岩反粒序沉积旋回, 而风暴作用的影响表现为不规则侵蚀面之上发育粉砂岩—黑色页岩正粒序沉积旋回。

3)龙马溪组黑色页岩的沉积发育模式为: 早志留世, 上扬子地区整体处于“三隆夹一洼” 的背景下, 页岩沉积区的水体整体较浅, 波浪作用和风暴作用参与了富有机质页岩的沉积过程; 由于水下地貌具有隆洼相间的微地貌格局, 因此随着海平面的不断上升, 龙马溪组黑色富有机质页岩表现出不断向隆起区超覆迁移的特征, 导致龙马溪组黑色页岩的沉积具有不等时性和时空差异性。

(责任编辑 张西娟; 英文审校 刘贺娟)

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