鄒才能 龔劍明 王紅巖 施振生

（ 1中國石油勘探開發(fā)研究院；2中國科學(xué)院學(xué)部工作局 ）

1 筆石化石

在古生代地層中，經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)一類特殊的動物化石，其外形很像鉛筆在巖石層上書寫的痕跡，因此科學(xué)家把這類化石命名為“筆石”（Graptolite）。筆石狀化石是一類生活在古代海洋中的動物，被稱之為筆石動物，其命名最早由瑞典分類學(xué)家林奈于1735年創(chuàng)立的類化石屬“Graptolithus”演變而來[1]。

筆石動物最早出現(xiàn)在古生代寒武紀(jì)中期，群體性生活在海洋環(huán)境中。寒武紀(jì)時期筆石動物以底棲的樹形筆石類為主，演化速率相對較慢。從奧陶紀(jì)開始，筆石動物群的主體由漂浮生活的正筆石類組成，生存策略的改變導(dǎo)致其從此開始了快速演變的生命歷史。在奧陶紀(jì)生物大輻射時期，筆石動物達(dá)到鼎盛時期。在奧陶紀(jì)末期，地球第一次生物大滅絕事件發(fā)生，造成了海洋動物中約50%屬和80%種的消亡[2-4]。但眾多的化石證據(jù)表明，這次生物大滅絕并沒有打斷筆石動物的繁盛，它們依然廣泛繁盛于志留紀(jì)時期的海洋。到了泥盆紀(jì)中期，受到全球氣溫降低和海平面下降的影響，筆石動物迅速衰落，正筆石類大部分滅絕，僅剩下少量的單筆石和樹筆石類代表。在晚泥盆世至早石炭世之交，地球上發(fā)生了第二次生物大滅絕事件，導(dǎo)致海洋動物中約70%的物種慘遭滅絕[2-4]，其中筆石動物遭到重創(chuàng)。在遭受氣溫降低、海平面下降、火山爆發(fā)、地球嚴(yán)重缺氧等事件的影響后，筆石動物群體大量死亡，最終在兩三億年前的石炭紀(jì)徹底滅絕。

根據(jù)化石保存的狀態(tài)、筆石動物的骨骼構(gòu)造和共生動物的類別，古生物學(xué)家推測一小部分筆石動物在海洋底棲固著生活，有固定的莖、根等構(gòu)造；大部分筆石動物在海水中漂浮生活，用“線管”絲狀體附著在漂浮體上。筆石動物是小型濾食動物，單個個體很小，一般僅有1～2mm或者更小，群居聚集在一起建造共同的外骨骼，所分泌的筆石體（rhabdosome）的長度一般可達(dá)幾厘米，較大的可達(dá)70cm或更長。筆石動物包括有機質(zhì)的軟體和硬體兩部分，其軟體部分在漫長的地質(zhì)歷史中已分解殆盡，硬體部分主要是由膠原蛋白質(zhì)構(gòu)成。筆石動物死亡以后，就埋藏在沉積物里，形成碳質(zhì)薄膜壓扁保存、黃鐵礦化半立體保存和三維立體孤立保存在黑色頁巖中。后兩種保存方式能夠?qū)⒐P石的結(jié)構(gòu)更為完整地保留下來，讓古生物學(xué)家對筆石動物進行更準(zhǔn)確的研究[5]。

由于筆石種類多、分布廣、演化快而且特征明顯，同一物種可以在世界上各大洲發(fā)現(xiàn)，因此筆石被譽為奧陶紀(jì)、志留紀(jì)和泥盆紀(jì)早期地層對比研究中的標(biāo)準(zhǔn)化石[6]。

2 筆石生物的演化及沉積環(huán)境

根據(jù)進化論的觀點，環(huán)境的演變決定了生命的演化，筆石動物的演化和沉積過程與地質(zhì)歷史時期的生活環(huán)境密不可分。海洋孕育了生物，同時海洋環(huán)境決定了筆石生物的演化過程。據(jù)統(tǒng)計，海洋生物圈全部活性物質(zhì)更新周期平均為33天，全球大洋的水平均每半年通過浮游生物過濾一次[7-9]。不同筆石生物生活在不同海水環(huán)境中，海平面變化，以及海水深度、溫度、酸堿度、壓力、含氧量和含鹽量的變化直接影響了筆石生物的生活環(huán)境，促進筆石生物的演化。根據(jù)底棲生態(tài)群落、海侵與動物群分布關(guān)系、筆石形態(tài)功能分析等方法，可以恢復(fù)筆石組合的深度分帶規(guī)律[5]。作為一種海洋浮游生活的群體生物，在奧陶紀(jì)生物大輻射過程中，筆石動物的多樣性發(fā)生了急劇增長，不僅筆石種數(shù)激增，生態(tài)空間也得到極大擴展，從寒武紀(jì)末僅限于海底固著生活擴展到奧陶紀(jì)以后在海水表層中浮游生活，并從陸棚淺水?dāng)U展到斜坡乃至深水盆地。華南奧陶紀(jì)濱岸—陸棚—斜坡—盆地環(huán)境下的筆石多樣性統(tǒng)計分析表明，在大多數(shù)時期筆石生物多樣性在古陸邊緣的濱岸地帶相對較低，隨著水體加深和離岸趨遠(yuǎn)而逐漸增高，在陸棚邊緣—上斜坡水域達(dá)到最高，進一步到深水盆地則又有所降低。海洋環(huán)境的不同直接導(dǎo)致了筆石生物的多樣性和豐富度，促使物種乃至動物群的快速演化和更替，成為指證地層年代和對比的標(biāo)準(zhǔn)化石[10-11]。

筆石的分布規(guī)律與沉積環(huán)境具有相關(guān)性，沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致筆石基本生存條件及遺體保存條件變化。眾多證據(jù)表明，在凱迪階沉積晚期開始，發(fā)生了一次全球性的冰川事件。由于位于現(xiàn)今北非的大陸冰蓋的凝聚，導(dǎo)致全球海平面持續(xù)下降，并在赫南特階沉積中期達(dá)到高潮，下降的幅度可達(dá)到50～100m，導(dǎo)致了奧陶紀(jì)末生物大滅絕事件的發(fā)生。在赫南特階沉積晚期，冰川快速融解，海平面上升，水溫上升，導(dǎo)致了涼水的赫南特階貝動物群的滅絕以及志留紀(jì)早期的大規(guī)模海侵[12-13]。海侵的結(jié)果形成了五峰組—龍馬溪組頁巖，沉積了較為豐富的筆石生物種類。在龍馬溪組底部深水陸棚相筆石頁巖中局部見較多硅質(zhì)射蟲化石，隨著水體的變淺，其筆石含量具有自下而上逐漸減少的趨勢[14-15]。不同的沉積環(huán)境類型與筆石生物的生活環(huán)境密不可分，如深水相筆石到淺水相筆石的變化反映了沉積水體由深變淺；生物特征的演化反映出水體開放程度、水動力條件增強，生物競爭加??；化石的保存特征反映出腕足生物擾動、細(xì)菌分解及氧化性等條件；層面上筆石雜亂無序、聚集或分散式分布反映了水動力條件整體不強[16]。沉積環(huán)境影響筆石的生存與有機質(zhì)保存，導(dǎo)致不同頁巖層段有機質(zhì)富集情況不同，對于頁巖氣富集成藏具有重要意義。

3 筆石生物地層標(biāo)定

精確的生物地層標(biāo)定有助于探討生物演化規(guī)律，并可從宏觀演化的角度探索生物的起源、散布、演化、滅絕、復(fù)蘇和輻射。生物地層學(xué)也是研究古海洋生物群落和海洋環(huán)境的基礎(chǔ)，通過化石生物地層標(biāo)定可幫助恢復(fù)重建生態(tài)群落及判斷海洋缺氧和富氧、黑色頁巖和紅色巖系、有冰和無冰、洋流的強化和弱化、上升洋流等海洋環(huán)境的變化及其范圍[17-18]。

從進化論的觀點來看，每一個類群都會隨著時間發(fā)展而產(chǎn)生新的物種，在每一個時間段中，也都會有獨特的物種類型和組合。不同時期的筆石動物具有不同的動物特征和物種組合方式。地球形成的46億年期間，地質(zhì)學(xué)家通常以百萬年為基本單位來區(qū)分不同地質(zhì)歷史時期，但通過筆石化石推測地層的精確度遠(yuǎn)高于百萬年精度。古生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，筆石動物的演化速度非?？欤绕涫窃趭W陶紀(jì)和志留紀(jì)，每隔幾十萬年就會產(chǎn)生一大批新種，最快間隔10萬年就出現(xiàn)新的演化，因此，留下了豐富多彩的筆石動物化石。也正因如此，筆石可以被當(dāng)作判斷地層年代的黃金卡尺。目前國際上奧陶紀(jì)和志留紀(jì)的地層年代劃分，主要就是依靠筆石生物地層學(xué)。借助筆石動物的這種生存特性，古生物學(xué)家就可以推測和重建筆石所在地層的古環(huán)境，比如海水深度、生態(tài)群落等。

中國的揚子流域在奧陶紀(jì)晚期和志留紀(jì)早期，廣泛分布著以五峰組和龍馬溪組為代表的黑色筆石頁巖，正好是該地區(qū)頁巖氣的主要生氣層。在揚子流域的大多數(shù)區(qū)域還夾含了一層厚僅30cm左右的殼相泥質(zhì)灰?guī)r，稱為觀音橋?qū)印Ｎ宸褰M厚度一般為3～5m，在個別地點相對較厚，但一般不超過10m；龍馬溪組下部真正的黑色頁巖地層一般也都不超過80m。五峰組至龍馬溪組是跨越奧陶系和志留系之間的界線地層，在揚子區(qū)的大多數(shù)地點發(fā)育連續(xù)完整，因而奧陶系赫南特階的全球標(biāo)準(zhǔn)層型剖面和點位（GSSP）落戶在湖北宜昌王家灣[19-20]。

當(dāng)前頁巖油氣勘探、開發(fā)中最迫切需要尋找頁巖氣最有潛力的層位及其展布范圍。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的研究團隊按照筆石生物地層學(xué)的基本原理和方法，通過大量對比分析四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖中標(biāo)志性的筆石化石，建立了揚子區(qū)五峰組（WF）、龍馬溪組（LM）和南江組（N）的筆石生物帶劃分方案（圖1），并標(biāo)注熟悉的代碼和國際地層委員會公布的同位素地質(zhì)年齡值，被中國石油天然氣集團有限公司、中國石油化工集團公司和中國地質(zhì)調(diào)查局等相關(guān)油氣勘探部門所采用，并作為井下和露頭區(qū)五峰組、龍馬溪組進行精細(xì)地層劃分和區(qū)域?qū)Ρ鹊摹皶r間標(biāo)尺”，對頁巖氣有利層段及有利區(qū)的優(yōu)選具有重要指導(dǎo)作用[21-24]。

圖1 揚子區(qū)五峰組(WF)、龍馬溪組(LM)和南江組(N)的筆石生物帶劃分方案[21-24]Fig.1 Graptolite biozone division scheme of Wufeng(WF)、Lungmachi(LM) and Nanjiang(N) Formation in Yangzi area[21-24]

4 筆石研究在頁巖氣勘探開發(fā)的作用

圖2 五峰組—龍馬溪組筆石生物地層與頁巖氣儲層特征的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Relationship between graptolite biostratigraphy and shale gas reservoir characteristics in Wufeng Formation and Lungmachi Formation

由于沉積環(huán)境不同，美國很多頁巖氣資源更多發(fā)現(xiàn)于泥盆紀(jì)和石炭紀(jì)地層中。這些地層盡管也發(fā)現(xiàn)存在少量筆石，但不是筆石起主導(dǎo)作用的烴源層。中國的頁巖氣主要產(chǎn)自奧陶紀(jì)到志留紀(jì)地層中，這段時期的黑色頁巖里正好包含大量的筆石。與美國相比，中國頁巖氣埋藏深、地層更古老、熱演化程度高、地質(zhì)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，給中國頁巖氣勘探開發(fā)提出了挑戰(zhàn)[25]。近10年來，在陳旭院士的指導(dǎo)下，運用筆石生物地層學(xué)的方法進行劃分、對比和分析，對四川盆地及其周緣重要鉆井的巖心建立了揚子區(qū)五峰組到南江組的筆石生物帶劃分方案，并提出五峰組的WF2至WF3和龍馬溪組的LM1至LM5/LM6是頁巖氣產(chǎn)出的主要烴源巖層及儲層[26]。

五峰組—龍馬溪組底部筆石頁巖段是頁巖氣的富集高產(chǎn)段，該層段含有大量的筆石化石。筆石生物帶標(biāo)定可為尋找優(yōu)質(zhì)頁巖儲集層段、明確最佳靶體位置和目標(biāo)提供關(guān)鍵依據(jù)，從而更好地指導(dǎo)頁巖氣勘探和開發(fā)(圖2)。筆石主要靠食菌、藻類等生物生活，這些生物的“勃發(fā)”能造成筆石生物繁盛，故高筆石豐度段常構(gòu)成富有機質(zhì)頁巖層段。成巖演化過程中，高筆石豐度頁巖中的筆石體和干酪根大量生烴，并產(chǎn)生大量微納米孔隙，從而形成優(yōu)質(zhì)頁巖儲集層段[27]。研究表明筆石含量與頁巖TOC呈正相關(guān)，對上揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組分散有機質(zhì)的貢獻(xiàn)率達(dá)到20%～93%[16]。高筆石豐度頁巖多形成于較深水還原環(huán)境，沉積物沉積速率低，水體中硅質(zhì)海綿和放射蟲等生物繁盛，故頁巖中硅質(zhì)含量高、頁理發(fā)育[28-29]。高硅質(zhì)含量和密集的頁理造成頁巖脆性增大、儲集和水平滲流能力增強[30]，水平井水力壓裂改造后易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成頁巖氣開發(fā)最佳靶體位置。勘探和開發(fā)實踐證實，高筆石豐度的頁巖段硅質(zhì)平均含量高達(dá)60%，平均孔隙度大于5%，含氣量大于6m3/t，納米級孔隙占頁巖總孔隙的90%以上，微裂縫密度是其他層段的2～3倍[31-32]。此外，筆石生物帶和頁巖氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比分析顯示，深水相的五峰組—龍馬溪組底部頁巖具有較好的頁巖氣富集條件和勘探開發(fā)潛力[14，33]。

生物地層標(biāo)定可以指導(dǎo)精準(zhǔn)的頁巖氣鉆井層位，為勘探臨場判斷和圈定含油氣地層提供快速指導(dǎo)。迄今為止，中國已在四川盆地發(fā)現(xiàn)埋藏深、地層古老、地層壓力大、熱演化程度高、具萬億立方米級儲量規(guī)模的大型頁巖氣區(qū)，包括威遠(yuǎn)、長寧、焦石壩、威榮4個五峰組—龍馬溪組頁巖氣田，探明地質(zhì)儲量10454×108m3，累計生產(chǎn)頁巖氣超過300×108m3。預(yù)計到2020年中國頁巖氣年產(chǎn)量有望超過200×108m3，成為全球第二大頁巖氣產(chǎn)氣國[34-35]。筆石生物地層標(biāo)定對中國南方海相頁巖氣地質(zhì)選區(qū)評價、有利含氣層位優(yōu)選和水平井靶體位置確定具有重要指導(dǎo)意義。