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鄂西地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組觀音橋段成因及其頁巖氣地質(zhì)意義

2023-09-04 15:59:39沈均均楊麗亞王玉滿計玉冰李輝王鵬萬蔡全升孟江輝
關(guān)鍵詞:巖相

沈均均 楊麗亞 王玉滿 計玉冰 李輝 王鵬萬 蔡全升 孟江輝

摘要:上奧陶統(tǒng)五峰組觀音橋段一直存在著深水和淺水成因的爭論。據(jù)此本文通過巖心、露頭、巖礦測試、有機(jī)地化和元素分析等資料,對觀音橋段基本的地質(zhì)特征和沉積古環(huán)境進(jìn)行分析,并與上、下圍巖進(jìn)行對比,探討其成因模式及頁巖氣地質(zhì)意義。結(jié)果表明:赫南特冰期全球海平面驟降,鄂西地區(qū)具有陸源輸入量低、上升洋流活躍、滯留程度中等和海洋生產(chǎn)力高的特點,而水體氧化還原條件在不同地區(qū)差異明顯,這種差異受海平面變化和沉積前古地貌共同控制,進(jìn)而影響著觀音橋段的巖性展布;在隆后凹陷區(qū),底水氧化還原狀態(tài)受海平面下降影響相對較弱,以貧氧環(huán)境為主,有機(jī)質(zhì)和浮游生物的保存條件較好,巖性以富有機(jī)質(zhì)深水硅質(zhì)頁巖沉積為主,與上、下圍巖巖性基本一致,體積壓裂可以穿越該段同時對兩套富氣頁巖進(jìn)行產(chǎn)層改造,為勘探開發(fā)有利區(qū)域;而在隆起區(qū)周緣,海平面下降導(dǎo)致水體變淺明顯,底水以富氧環(huán)境為主,保存條件變差,巖性以貧有機(jī)質(zhì)的淺水介殼灰?guī)r或泥質(zhì)灰?guī)r沉積為主,對上、下圍巖產(chǎn)生明顯的隔斷,體積壓裂難以穿越該段,產(chǎn)層改造效果差,為次級有利區(qū)。

關(guān)鍵詞:中揚子; 鄂西地區(qū); 觀音橋段; 巖相; 沉積古環(huán)境; 勘探選區(qū)

中圖分類號:TE 121 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

引用格式:沈均均,楊麗亞,王玉滿,等.鄂西地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組觀音橋段成因及其頁巖氣地質(zhì)意義[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2023,47(2):13-23.

SHEN Junjun,YANG Liya, WANG Yuman, et al. Genesis of Guanyinqiao bed of the Upper Ordovician Wufeng Formation and its geological significance of shale gas in western Hubei [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2023,47(2):13-23.

Genesis of Guanyinqiao bed of the Upper Ordovician Wufeng Formation and its geological significance of shale gas in western Hubei

SHEN Junjun1, YANG Liya2, WANG Yuman3, JI Yubing4, LI Hui5, WANG Pengwan6, CAI Quansheng7, MENG Jianghui1

(1.Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas of Yangtze University, Wuhan 430100, China; 2.Exploration and Development Research Institute of SINOPEC Zhongyuan Oilfield Branch, Puyang 457001, China;3.Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083, China; 4.Zhejiang Oilfield Exploration & Development Institute, PetroChina, Hangzhou 310023, China; 5.China Oilfield Services limited Production Optimization, Tianjin 300459, China; 6.Hangzhou Research Institute of Petroleum Geology, PetroChina, Hangzhou 310023, China; 7.School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan 430100, China)

Abstract: There has always debated whether the Guanyinqiao interval of the Upper Ordovician Wufeng Formation is of deep or shallow water origin. Based on data such as core, outcrop, rock, mineral tests, organic geochemistry, and elemental analysis, this study analyzed the basic geological characteristics and sedimentary paleo-environment of the Guanyinqiao interval, and compared them with those of the upper and lower surrounding rocks to discuss the genetic model and geological significance of shale gas. The results show that the global sea level dropped sharply during the Hirnantian glaciation. The western Hubei region has the characteristics of low terrigenous input, active upwelling currents, moderate retention and high marine productivity. The redox conditions of water column in the western Hubei are obviously different in different regions, which is controlled by sea level changes and paleo-geomorphology, and further affects the lithology of the Guanyinqiao interval. The depositional environment of the bottom water is mainly reductive environment in the depression, and its redox state has a relatively weak relationship with the declining sea level. The preservation conditions of organic matter and plankton are better. The lithology of the Guanyinqiao interval was mainly organic rich deep-water siliceous shale, which is basically consistent with the lithology of the upper and lower surrounding rocks. Volume fracturing can simultaneously transform two sets of gas-rich shale through the Guanyinqiao interval, which is a favorable area for exploration and development. In the uplift, the drop of sea level leads to the obvious shallower water, and the bottom water is dominated by oxygen-rich environment, with poor preservation condition. The lithology of the Guanyinqiao interval was mainly composed of the shallow-water shell limestone and argillaceous limestone deposits with poor organic matter, which produces obvious partition to the upper and lower surrounding rocks. It is difficult to cross the Guanyinqiao interval by volume fracturing in the uplift, and the production zone reconstruction effect is poor, so the uplift area is a secondary favorable area.

Keywords: Middle Yangtze; western Hubei; Guanyinqiao bed; lithofacies; paleoenvironment; exploration district

奧陶—志留紀(jì)之交的赫南特期是晚奧陶世末一段不到200萬年的沉積期,雖然時限較短,但卻發(fā)生了一系列重要的地質(zhì)事件[1-4]。目前普遍認(rèn)為赫南特期的冰川事件所造成的海水溫度降低和海平面下降是導(dǎo)致全球性生物集群滅絕的主要原因[5-6]。中、上揚子地區(qū)奧陶—志留紀(jì)之交地層廣泛發(fā)育,以黑色筆石頁巖沉積為主,包括五峰組上段(O3w)和龍馬溪組下段(S1l),兩層之間為五峰組觀音橋段(O3g),巖性以介殼相泥灰?guī)r沉積為主,厚度較薄,常作為區(qū)域上一套地層劃分的重要標(biāo)志層[7-10]。前期針對赫南特階觀音橋段的古生物學(xué)、地層學(xué)和巖相古地理做了大量的研究,大部分學(xué)者認(rèn)為觀音橋段為淺水沉積產(chǎn)物,其形成與冰期作用所導(dǎo)致的海平面急劇下降密切相關(guān)[10];也有一部分學(xué)者認(rèn)為觀音橋段與上、下圍巖均為連續(xù)的深水沉積產(chǎn)物,屬深水異地沉積,底流作用是觀音橋段發(fā)育主要原因,強(qiáng)烈的底流作用導(dǎo)致部分地區(qū)觀音橋段地層的缺失[9,11-12]。由此可見針對觀音橋段成因的認(rèn)識還存在著較大的爭議。鄂西荊門—宜昌地區(qū)橫跨水下古隆起周緣→隆后凹陷區(qū),區(qū)內(nèi)露頭和鉆井資料豐富[13],五峰組—龍馬溪組黑色筆石頁巖沉積相對完整,且觀音橋段未有缺失[14-16],這對開展盆內(nèi)與盆緣觀音橋段成因?qū)Ρ确治?,解決“深水異地”和“淺水介殼相”爭論提供良好的條件。因此筆者以鄂西地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組觀音橋段為研究對象,主要采集湘鄂西水下古隆起周緣秭歸新灘,隆后凹陷區(qū)的宜探3井、宜探1井和宜頁2井觀音橋段及其圍巖樣品進(jìn)行沉積學(xué)、地球化學(xué)和巖相特征的綜合分析與對比,系統(tǒng)探討從隆起區(qū)周緣→隆后凹陷區(qū)觀音橋段沉積環(huán)境變化特征,并與圍巖進(jìn)行對比,進(jìn)而明確不同區(qū)帶觀音橋段成因,建立沉積模式,為鄂西地區(qū)頁巖氣開發(fā)階段水平井箱體的選取及壓裂方案優(yōu)化提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)在地理上位于湖北省西部,包括南漳、荊門和宜昌地區(qū),現(xiàn)今構(gòu)造上位于揚子地臺中部的宜昌斜坡和當(dāng)陽復(fù)向斜內(nèi)(圖1(a)、(b))。進(jìn)入晚奧陶世,廣西運動進(jìn)入強(qiáng)烈期,華夏板塊與揚子板塊的碰撞擠壓作用強(qiáng)烈,在揚子地塊周緣及內(nèi)部形成一系列的古隆起和水下高地(圖1(a))[16-17],隨著構(gòu)造擠壓作用的持續(xù)增強(qiáng),被動大陸邊緣開始轉(zhuǎn)變?yōu)榍瓣懪璧兀练e水體加深,揚子地區(qū)形成大面積低能、欠補(bǔ)償和缺氧的沉積環(huán)境,沉積黑色筆石頁巖[18-19]。

區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組地層發(fā)育良好,未有缺失,由底至頂依次發(fā)育有上奧陶統(tǒng)臨湘組、五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組(圖1(c))。臨湘組為一套淺水臺地相灰色-灰白色瘤狀灰?guī)r,與上覆五峰組巖性易于區(qū)分;五峰組—龍馬溪組為一套半深水—深水陸棚相硅質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖及黏土質(zhì)頁巖沉積為主的黑色巖系,富含黃鐵礦條帶、團(tuán)塊或結(jié)核,筆石發(fā)育[19-20];五峰組—龍馬溪組黑色巖系之間的觀音橋段巖性較為復(fù)雜,淺灰色—灰色薄層狀介殼泥灰?guī)r、白云質(zhì)粉—細(xì)砂巖及黑色鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖(含介殼)均可見,劇烈風(fēng)化后一般呈褐黃色,且厚度整體較薄,在研究區(qū)內(nèi)一般不超過30 cm[6-7,20]。

2 觀音橋段基本地質(zhì)特征

依據(jù)巖心、露頭、微觀鏡下特征、全巖X衍射數(shù)據(jù)和粒度概率曲線特征對研究區(qū)隆起區(qū)周緣和隆后凹陷區(qū)觀音橋段總有機(jī)碳TOC(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、礦物巖石學(xué)特征和沉積水動力進(jìn)行分析,并與上下圍巖進(jìn)行對比,以揭示其基本特征及變化規(guī)律。

2.1 有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

研究區(qū)觀音橋段TOC在不同地區(qū)差異明顯,隆起區(qū)周緣TOC整體較低,分布在0.38%~0.63%,平均為0.49%,明顯低于下伏五峰組(1.1%~4.6%,平均為2.2%)和上覆龍馬溪組(2.4%~5.8%,平均為3.6%)(圖2、表1,GYQ對應(yīng)觀音橋段,王家灣數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[21]);進(jìn)入隆后凹陷區(qū)后,觀音橋段TOC分布在2.1%~4.2%,平均為3.0%,較隆起區(qū)周緣升高明顯,與下伏五峰組(1.9%~5.5%,平均為3.7%)和上覆龍馬溪組(2.2%~5.5%,平均為4.1%)差異不大,屬于連續(xù)的深水沉積環(huán)境,為富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積段(圖2、表1)。

2.2 巖相特征

研究區(qū)觀音橋段巖相特征在不同地區(qū)差異明顯,隆起區(qū)周緣以灰色介殼灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r沉積為主,巖石手標(biāo)本上可見密集出現(xiàn)的赫南特期腕足類和三葉蟲化石,保存較為完整,常呈疊堆的方式保存(圖3(a)、(b)),近岸特征明顯[5,10];鏡下可見大量的腕足類、三葉蟲以及少量珊瑚碎屑,生屑大小不等,介于0.1~1 mm(圖3(c)),而其上、下圍巖均以黑色硅質(zhì)巖和硅質(zhì)頁巖沉積為主,石英體積分?jǐn)?shù)較高,分布在59.1%~77.7%,平均為68.5%(圖4),以次圓狀微晶顆粒為主,表現(xiàn)為生物成因的硅質(zhì)放射蟲[15]。該區(qū)觀音橋段與上、下圍巖巖相的差異性反映出這一時期沉積環(huán)境不連續(xù),存在著較大的突變。

隆后凹陷區(qū)以灰黑色硅質(zhì)頁巖沉積為主,石英體積分?jǐn)?shù)較高,平均為67.8%,主要為生物成因硅質(zhì)[7,9],黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均為13.3%)和碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均為9.4%)均較低(圖4),巖石手標(biāo)本在觀音橋段層理面上可見大量的無序排列的Normalograptus persculptus筆石,赫南特貝類化石稀疏出現(xiàn),且排列雜亂(圖3(d)),說明底域環(huán)境水動力條件較弱[5,10]。部分層段赫南特貝生物化石不發(fā)育,但可見到大量非膠結(jié)成因的灰白色鈣質(zhì)集合體(圖3(e)、(h)),在這些介殼間或鈣質(zhì)集合體間均為黑色硅質(zhì)頁巖;鏡下觀察可見鈣質(zhì)生物碎屑(圖3(f))和不等粒雜砂巖(圖3(g)、(i)),兩者均表現(xiàn)為基底式膠結(jié),雜基以泥質(zhì)為主,由于富含有機(jī)質(zhì)導(dǎo)致透光性較差,其中在不等粒雜砂巖中粉砂、細(xì)砂、中砂及粗砂均可見,多呈次圓狀,不同粒徑碎屑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不大,其上、下圍巖巖相與隆起區(qū)周緣一致,仍為生物硅質(zhì)頁巖沉積[15],石英體積分?jǐn)?shù)平均為60.7%(圖4)。由此推測隆后凹陷區(qū)觀音橋段并未對上、下巖層產(chǎn)生隔斷,為連續(xù)的深水沉積環(huán)境,其內(nèi)部的生物和陸源碎屑顆??赡苡晒怕∑鹬芫壍臏\水區(qū)域搬運而來[11-12]。

2.3 沉積水動力學(xué)特征

隆起區(qū)周緣觀音橋段以生屑灰?guī)r和介殼灰?guī)r沉積為主,大量的研究已經(jīng)證實其形成于淺水、高能的沉積環(huán)境中,為原地沉積產(chǎn)物[10];隆后凹陷區(qū)觀音橋段以生物成因硅質(zhì)頁巖沉積為主,內(nèi)部混有鈣質(zhì)生屑和不等粒雜砂巖,粒度概率累積曲線表現(xiàn)為“懸浮1段式”,跳躍總體和懸浮總體緩慢過渡,無明顯的轉(zhuǎn)折點(圖5),碎屑顆粒粗、細(xì)混雜,分選較差,為單一的懸浮搬運,具有明顯的重力流沉積特征[22],進(jìn)一步證實其內(nèi)部混入的鈣質(zhì)或陸源碎屑顆粒為一次事件沉積產(chǎn)物,由重力流從隆起區(qū)周緣搬運而來,并非原地沉積。

3 觀音橋段沉積古環(huán)境

3.1 古氧化還原條件

Algeo等[23]研究指出,Jones and Manning[24]所建立起來的雙元素比值(如w(U)/w(Th)、w(V)/w(Cr)和w(Ni)/w(Co))由于其代理指標(biāo)內(nèi)在的可變性,無法準(zhǔn)確的指示水體氧化還原程度,而C-S-Fe-P系統(tǒng)(如w(TOC)/w(S),w(Fe)/w(Al),w(Corg)/w(P)等)和微量元素富集系數(shù)(如Co-EF,Mo-EF,U-EF等)作為氧化還原代理要優(yōu)于雙元素比值,將兩者結(jié)合來指示水體氧化還原條件會更加可靠。據(jù)此本文綜合U-EF、Mo-EF和w(Corg)/w(P)等指標(biāo)來反映區(qū)內(nèi)觀音橋段及其上、下圍巖水體氧化還原條件。厭氧環(huán)境中w(Corg)/w(P)大于100,貧氧環(huán)境中w(Corg)/w(P)介于50~100,富氧環(huán)境中w(Corg)/w(P)小于50[23]。隆起區(qū)周緣觀音橋段w(Corg)/w(P)、w(UEF)和w(MoEF)(均值分別為23.0、14.2和21.9)均處在較低的水平,指示水體以富氧環(huán)境為主,其上、下圍巖均值分別為238.9、15.7和57.6,與之相比明顯升高(圖2、表1),指示水體以厭氧環(huán)境為主,兩者沉積水體環(huán)境差異明顯,存在著突變;隆后凹陷區(qū)觀音橋段w(Corg)/w(P)、w(UEF)和w(MoEF)(均值分別為88.1、29.7和135.3)明顯高于隆起區(qū)周緣,指示水體以貧氧環(huán)境為主,其上、下圍巖沉積水體以厭氧環(huán)境為主(均值分別為230.0、11.8和108.9)(圖2、表1),與之相比還原條件有所增強(qiáng)。赫南特冰期全球海平面大幅下降導(dǎo)致?lián)P子地區(qū)發(fā)生大規(guī)模海退時,鄂西地區(qū)隆后凹陷區(qū)觀音橋段受此影響相對較弱,仍然可以維持住相對較深的水體環(huán)境,與上、下圍巖沉積環(huán)境保持一致,而隆起區(qū)周緣沉積水體受此影響較大,觀音橋段以富氧的淺水環(huán)境為主,對上、下圍巖產(chǎn)生明顯的隔斷,沉積環(huán)境不連續(xù)。

以上分析表明,研究區(qū)隆起區(qū)周緣觀音橋段為利于腕足類-三葉蟲底棲生物群繁盛的淺水富氧沉積環(huán)境,與上、下圍巖深水厭氧環(huán)境差異明顯;而在隆后凹陷區(qū)觀音橋段及上、下圍巖為連續(xù)的深水還原沉積環(huán)境,利于有機(jī)質(zhì)和硅質(zhì)生物的保存。

3.2 陸源輸入

Al和Ti是陸殼的主要成分,Al主要以鋁硅酸鹽的形式如長石、黏土礦物等進(jìn)入海底沉積物,Ti則是多種重礦物如鈦鐵礦和金紅石的主要成分,因此Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)和w(Ti)/w(Al)常被用來評估陸源輸入[25]。隆起區(qū)周緣觀音橋段Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均為4.1%)低,w(Ti)/w(Al) ×102較高(平均為6.1),與上、下圍巖差異不大(均值分別為4.7%和6.3)(圖2、表1);隆后凹陷區(qū)觀音橋段Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均為10.1%)較低,w(Ti)/w(Al)×102高(平均為21.1),其上、下圍巖也具有較低的Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均為9.3%)和較高的w(Ti)/w(Al)×102(平均為6.2)(圖2、表1)。上述數(shù)據(jù)反映出隆起區(qū)周緣和隆后凹陷區(qū)在奧陶—志留紀(jì)之交陸源輸入均處于較低水平,赫南特冰期雖然導(dǎo)致海平面下降至最低位,陸架大規(guī)模暴露,但由于冰期化學(xué)風(fēng)化作用較弱,陸源輸入量始終維持在較低的水平,而在冰期前、后海平面始終處于高位,構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定,陸源輸入量一直較低[4,14]。

陸源碎屑的輸入可對有機(jī)質(zhì)的富集產(chǎn)生多方面影響[17,26]:①陸源碎屑輸入會對有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生稀釋作用,降低其含量;②可通過影響埋藏速率破壞有機(jī)質(zhì)在海底沉積物中的保存;③伴隨著陸源輸入的硫酸鹽在還原過程中會消耗部分有機(jī)質(zhì)。鄂西地區(qū)在奧陶—志留紀(jì)之交,陸源碎屑輸入量一直較低,利于沉積物中有機(jī)質(zhì)的富集。

3.3 古生產(chǎn)力水平

海相沉積物中Ni和P質(zhì)量分?jǐn)?shù)是目前運用較為廣泛的古生產(chǎn)力代用指標(biāo),由于大部分沉積巖中元素既有生物來源又有陸源輸入,因此常用鋁歸一化(w(Ni)/w(Al)和w(P)/w(Al))去除陸源影響后的結(jié)果來表示古生產(chǎn)力[17,19]。隆起區(qū)周緣觀音橋段w(Ni)/w(Al)×104(平均為54.5)和w(P)/w(Al)×104(平均為194.4)均處于高值水平,反映具有高的古生產(chǎn)力水平,其上、下圍巖均值分別為20.0、79.9,雖然也處于較高的水平,但明顯低于觀音橋段(圖2、表1),即古生產(chǎn)力水平低于觀音橋段;隆后凹陷區(qū)觀音橋段w(Ni)/w(Al)×104(平均為27.3)和w(P)/w(Al)×104(平均為169.5)與隆起區(qū)周緣相比未表現(xiàn)出較大差異,但較上、下圍巖有所升高(均值分別為27.3和93.8)(圖2、表1)。

以上分析表明,隆起區(qū)周緣和隆后凹陷區(qū)在觀音橋段沉積期均具有較高的海洋生產(chǎn)力,且高于上、下圍巖,赫南特冰期異常活躍的上升洋流可能是產(chǎn)生這種特征的主要原因[3],上升洋流大規(guī)模驅(qū)動深部的海水上涌,帶來大量的營養(yǎng)物質(zhì),從而提高表層海水古生產(chǎn)力水平,利于有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)。

3.4 水體滯留程度

3.4.1 w(Mo)/w(TOC)對水體滯留程度的指示

氧化還原敏感元素Mo和TOC的比值是評估現(xiàn)代和古代海洋水體滯留程度的有效指標(biāo),w(Mo)/w(TOC)越低,顯示水體滯留程度越強(qiáng),反之則水體滯留程度越弱,但該方法只適用于具有一定水體限制的缺氧環(huán)境[27]。隆起區(qū)周緣觀音橋段水體以富氧環(huán)境為主,Mo的富集主要受控于氧化還原條件,因此不能用來判斷水體滯留程度,這一時期(赫南特冰期最強(qiáng)期)海平面急劇下降至最低位,陸架大規(guī)模暴露,導(dǎo)致周緣古陸和水下古隆起對揚子海盆的圍限作用處于最強(qiáng)時期,但同時上升洋流大規(guī)模發(fā)育,從外海帶來大量營養(yǎng)物質(zhì)涌入揚子地區(qū)從而減弱這種圍限作用,觀音橋段高的古生產(chǎn)力水平也印證這種作用的存在,因此這一時期的水體滯留程度不強(qiáng),其上、下圍巖形成于厭氧環(huán)境中,w(Mo)/w(TOC)平均為9.9,與現(xiàn)代挪威Framvaren海灣分層缺氧海盆相似(平均為9.0),總體顯示出半滯留海盆特征(圖6、表1,4個現(xiàn)代海盆w(Mo)/w(TOC)來源于文獻(xiàn)[27],王家灣數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[21]);隆后凹陷區(qū)觀音橋段形成于貧氧環(huán)境,w(Mo)/w(TOC)介于8.7~33.0,平均為20.9,顯示出中等滯留海盆特征,其上、下圍巖形成于厭氧環(huán)境中,w(Mo)/w(TOC)平均為12.7,與隆起區(qū)周緣分布相似,顯示出中等滯留海盆特征,但滯留程度較觀音橋段有所增強(qiáng)(圖6、表1)。

3.4.2 U-Mo協(xié)變模式對水體滯留程度的判識

Algeo和Tribovillard[28]通過對現(xiàn)代海盆的研究發(fā)現(xiàn)在非滯留環(huán)境中,貧氧條件下,U的富集要早于Mo,w(MoEF)/w(UEF)為正常海水的10%~30%,隨著還原程度的增強(qiáng),Mo的富集速率超過U,w(MoEF)/w(UEF)為正常海水的1~3倍;在厭氧弱滯留環(huán)境中,Mo元素不斷得到補(bǔ)充,w(MoEF)/w(UEF)為正常海水3~10倍;在強(qiáng)滯留環(huán)境中,Mo補(bǔ)給緩慢,w(MoEF)/w(UEF)一般為海水的1倍以下。整體來看,研究區(qū)觀音橋段及上、下圍巖w(MoEF)/w(UEF)為正常海水的0.3~3倍,隨著富集系數(shù)的增加,w(MoEF)/w(UEF)基本維持穩(wěn)定,這與開放海盆w(MoEF)/w(UEF)持續(xù)增加明顯不同,而在較高的富集系數(shù)時,也未表現(xiàn)出隨著富集系數(shù)的增加,w(MoEF)/w(UEF)呈降低的趨勢,表明其也不屬于強(qiáng)滯留環(huán)境(圖7、表1,線條顯示w(MoEF)/w(UEF)等于海水質(zhì)量濃度(ρSW),數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[28],王家灣數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[21])。Algeo等[29]和Li等[30]認(rèn)為這種MoEF-UEF變化模式可能出現(xiàn)在半滯留海盆中:在這一海盆環(huán)境中Mo濃度較低且U、Mo補(bǔ)給受限,w(MoEF)/w(UEF)不會像非滯留海盆那樣持續(xù)增加,也不會像強(qiáng)滯留環(huán)境那樣海水中的Mo轉(zhuǎn)入沉積物后,得不到及時補(bǔ)充使w(MoEF)/w(UEF)降低。

綜合沉積古地理背景、w(Mo)/w(TOC)和UEF-MoEF協(xié)變模式認(rèn)為研究區(qū)在奧陶—志留紀(jì)之交為半滯留的海盆,觀音橋段沉積期海盆水體滯留程度要弱于上、下圍巖。

4 觀音橋段成因

晚奧陶世火山活動頻發(fā),其噴發(fā)產(chǎn)生大量的SO2氣體會在平流層形成氣溶膠,從而阻擋太陽熱能,引起全球性氣溫降低,進(jìn)入冰期[31]。觀音橋段沉積于赫南特冰期最強(qiáng)時期,該時期內(nèi)氣候急劇變冷導(dǎo)致化學(xué)風(fēng)化作用減弱,陸源輸入較低[21],同時極地冰川大規(guī)模形成致使海平面大幅度下降,放射蟲和筆石等浮游類生物大規(guī)模滅絕,而涼水型赫南特貝動物群全球廣布[1,7]。揚子地區(qū)在這一時期發(fā)生大規(guī)模海退,同時因橫向構(gòu)造擠壓作用,形成眾多古隆起和水下高地,使揚子海成為一個障壁性的海盆[1],此時來自岡瓦納大陸西岸的上升洋流極為活躍[10],攜帶豐富的營養(yǎng)物質(zhì)大規(guī)模涌入揚子海盆[14],大幅改善水體的循環(huán)性能(w(Mo)/w(TOC)平均為20.9,中等滯留),導(dǎo)致古生產(chǎn)力整體處于較高水平。研究區(qū)在隆起區(qū)周緣觀音橋段w(Corg)/w(P)(平均為23.0)、w(UEF)(平均為14.2)和w(MoEF)(平均為21.9)均處于較低水平,顯示以淺水富氧沉積環(huán)境為主,不利于有機(jī)質(zhì)和大規(guī)模死亡的浮游生物保存,因此雖然w(Ni)/w(Al)×104(平均為54.5)和w(P)/w(Al)×104(平均為194.4)顯示出其具有較高的海洋生產(chǎn)力,但有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均僅為0.49%,仍然處于較低水平,巖性以貧有機(jī)質(zhì)的介殼灰?guī)r、含生物碎屑泥質(zhì)灰?guī)r為主(圖8);隆后凹陷區(qū)受冰期影響相對較弱,仍然可以維持住相對較高的海平面,觀音橋段w(Corg)/w(P)(平均為88.1)、w(UEF)(平均為29.7)和w(MoEF)(平均為135.3)較隆起區(qū)周緣升高明顯,顯示以深水貧氧的沉積環(huán)境為主,利于有機(jī)質(zhì)和浮游生物的保存,同時活躍的洋流作用導(dǎo)致表層海水w(Ni)/w(Al)×104(平均為27.3)和w(P)/w(Al)×104(平均為169.5)處于較高水平,反映出古生產(chǎn)力水平較高,利于有機(jī)質(zhì)生產(chǎn),因此有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,平均可達(dá)3.0%,巖性以富有機(jī)質(zhì)生物成因硅質(zhì)頁巖為主,其內(nèi)部混入的鈣質(zhì)生屑和陸源碎屑顆粒(粗、細(xì)混雜,分選較差)為一次事件沉積的產(chǎn)物,主要是由重力流(火山爆發(fā)所觸發(fā))從古隆起或水下高地周緣異地懸浮搬運而來(圖8),并非原地沉積。

綜上所述,研究區(qū)觀音橋段既有“淺水介殼灰?guī)r相”沉積,又有“深水硅質(zhì)頁巖相”沉積,兩者同時存在,海平面變化和沉積前古地貌背景決定水體氧化還原條件在平面上分布的差異性,進(jìn)而控制著不同類型巖相的展布。

5 觀音橋段頁巖氣地質(zhì)意義

觀音橋段形成于赫南特冰期,在揚子地區(qū)廣泛分布,是劃分上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組界限的一套重要標(biāo)志層[7, 32],其巖相在平面上的變化特征對頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選和水平井箱體的確定具有重要指導(dǎo)意義。

鄂西地區(qū)觀音橋段上、下圍巖均表現(xiàn)出有機(jī)質(zhì)豐度高(1.3%~7.2%,平均為3.6%)、脆性礦物體積分?jǐn)?shù)高(石英體積分?jǐn)?shù)平均為53.6%,長石體積分?jǐn)?shù)平均為5.8%)、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)少(平均為28.3%)、物性好(孔隙度平均為3.3%)和含氣量高(平均為3.2 m3/t)的特點[9,15],與四川盆地長寧和焦石壩成熟頁巖氣產(chǎn)區(qū)相比,差異并不明顯。但其優(yōu)質(zhì)頁巖厚度(約為17 m)遠(yuǎn)低于兩者(33~46 m),該差距與下伏五峰組地層無關(guān)(優(yōu)質(zhì)頁巖厚度均約在7 m),主要是由上覆龍馬溪組厚度差異產(chǎn)生。這種差異主要是由于華夏古陸由東南向西北方向與揚子地臺持續(xù)碰撞拼合,導(dǎo)致頁巖沉積中心隨之向西北方向遷移所致[20]。

中揚子鄂西地區(qū)所處的巖相古地理背景決定其五峰組—龍馬溪組頁巖氣資源規(guī)模要低于上揚子四川盆地及周緣地區(qū),要想實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開發(fā),必須對水平井箱體進(jìn)行優(yōu)選。在隆后凹陷區(qū)內(nèi),觀音橋段以生物硅質(zhì)頁巖相沉積為主,厚度在15~20 cm,與上、下圍巖巖相保持一致,為連續(xù)的深水沉積環(huán)境,若水平井選擇在LM1筆石帶穿行(赫南特GR尖峰),預(yù)計體積壓裂可以穿越觀音橋段,改造后的產(chǎn)層既包括上覆龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段,又能兼顧下伏五峰組,達(dá)到開發(fā)最優(yōu)化效果;而在隆起區(qū)周緣,觀音橋段巖性以介殼灰?guī)r或泥質(zhì)灰?guī)r沉積為主,厚度一般在18~30 cm,對上、下圍巖產(chǎn)生明顯隔斷,體積壓裂很難穿越[7],不能同時對上覆龍馬溪組和下伏五峰組產(chǎn)層有效利用。因此隆后凹陷區(qū)為頁巖氣勘探開發(fā)的最有利區(qū),隆起區(qū)周緣次之。

6 結(jié) 論

(1)中揚子鄂西地區(qū)觀音橋段同時存在著“淺水介殼相”和“深水硅質(zhì)頁巖相”2種類型的沉積。隆起區(qū)周緣受赫南特冰期海平面下降影響較大,水體明顯變淺,底水以富氧環(huán)境為主,雖然冰期具有陸源輸入量低、水體滯留程度中等和古生產(chǎn)力水平高(洋流活動導(dǎo)致)的特點,但利于有機(jī)質(zhì)和浮游生物(筆石和放射蟲等)保存的缺氧環(huán)境不存在,因此在該區(qū)觀音橋段以淺水介殼灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r沉積為主,富含赫南特冰期生物群,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(平均為0.49%),與上、下圍巖深水富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖相差異明顯,沉積環(huán)境存在著明顯的突變;隆后凹陷區(qū)水體雖有一定的變淺,但仍然維持在相對較高的海平面,底水以貧氧環(huán)境為主,同時異?;钴S的上升洋流導(dǎo)致表層海水古生產(chǎn)力水平高,兩者的疊加使得該區(qū)觀音橋段以深水硅質(zhì)頁巖相沉積為主,內(nèi)部富含筆石和放射蟲,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(平均為3%),與上、下圍巖巖相保持一致,沉積環(huán)境連續(xù),其內(nèi)部混入的鈣質(zhì)生屑和陸源碎屑為異地沉積,由火山活動所觸發(fā)的重力流從古隆起周緣淺水區(qū)域搬運而來。

(2)鄂西地區(qū)五峰組—龍馬溪組資源規(guī)模低于四川盆地及周緣,觀音橋段巖相發(fā)育和分布對該區(qū)頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選尤為重要。隆后凹陷區(qū)內(nèi)觀音橋段以灰黑色硅質(zhì)頁巖沉積為主,巖相與上、下圍巖基本相似,體積壓裂可以穿越該段,同時對下伏五峰組和上覆龍馬溪組進(jìn)行頁巖氣資源開發(fā),為勘探開發(fā)最有利區(qū)域;而在隆起區(qū)周緣為介殼灰?guī)r沉積,其對上、下黑色硅質(zhì)頁巖產(chǎn)生明顯的隔斷,體積壓裂很難穿越該段,同時對兩套富氣頁巖進(jìn)行產(chǎn)層改造難度大,頁巖氣開發(fā)效果較差,為次級有利區(qū)。

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(編輯 李 娟)

收稿日期:2022-11-22

基金項目:非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金項目(UOG2022-36);國家科技重大專項(2017ZX05035001-002);湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊計劃項目(T201905)

第一作者及通信作者:沈均均(1983-),男,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師,研究方向為沉積儲層及非常規(guī)油氣資源調(diào)查與評價。E-mail:shenhema@163.com。

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