引用本文
王玉满, 李新景, 王皓, 蒋珊, 陈波, 马杰, 代兵. 四川盆地东部上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组斑脱岩发育特征及地质意义[J]. 石油勘探与开发, 2019,46(4): 653-665.
WANG Yuman, LI Xinjing, WANG Hao, JIANG Shan, CHEN Bo, MA Jie, DAI Bing. Developmental characteristics and geological significance of the bentonite in the Upper Ordovician Wufeng - Lower Silurian Longmaxi Formation in eastern Sichuan Basin, SW China[J]. Petroleum Exploration & Development, 2019,46(4): 653-665.  
Doi: 10.11698/PED.2019.04.03
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四川盆地东部上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组斑脱岩发育特征及地质意义
王玉满1, 李新景1, 王皓2, 蒋珊1, 陈波2, 马杰2, 代兵2
1. 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
2. 长江大学,武汉 430100

第一作者简介：王玉满（1968-）,男,湖北荆门人,博士,中国石油勘探开发研究院高级工程师,主要从事沉积储集层与非常规油气地质研究。地址：北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心,邮政编码：100083。E-mail: wangyuman@petrochina.com.cn

收稿日期: 2018-12-10
基金项目: 国家科技重大专项（2017ZX05035001）; 中国科学院A类战略性先导科技专项（XDA14010101）; 中国石油勘探与生产公司页岩气资源评价与战略选区课题（kt2017-10-02）
摘要

基于重庆石柱漆辽上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组剖面,系统研究四川盆地东部斑脱岩发育特征,并分析其地质意义和科学价值。研究得到5点认识：①石柱漆辽剖面共发现6个斑脱岩密集段,主要赋存于凯迪阶、鲁丹阶和埃隆阶的6个笔石带,大部分斑脱岩密集段显示出黏土矿物明显增加、自然伽马曲线出现峰值响应、火山灰与有机碳含量关系不明显等典型特征;②龙马溪组斑脱岩密集段在川东及邻区广泛分布,自然伽马曲线普遍显示尖峰特征,可以成为川东—鄂西地区 Coronograptus cyphus笔石带底界和鲁丹阶顶界划分的重要参考界面;③以斑脱岩密集段作为鲁丹阶和埃隆阶分层依据,以此确定鲁丹阶在川东坳陷区沉积厚度为10~40 m,但在宜昌上升区的腹部仅沉积 Coronograptus cyphus笔石带上段,厚度仅为3~7 m;④在宜昌上升区的腹部,五峰组—鲁丹阶缺失至少5.5个笔石带,鲁丹阶沉积时间不足0.4 Ma;⑤斑脱岩密集段是奥陶纪-志留纪之交扬子海盆强烈挠曲的重要沉积响应,反映川东坳陷存在拗陷初期、拗陷中晚期、前陆挠曲初期和前陆挠曲发展期等4个构造活动期次,优质页岩主要发育于拗陷初期—拗陷中晚期。图9表3参21

关键词: 四川盆地; 石柱漆辽地区; 下志留统; 龙马溪组; 斑脱岩; 宜昌上升; 隆后坳陷; 富有机质页岩
中图分类号:TE122 文献标志码:A 文章编号:1000-0747(2019)04-0653-13
Developmental characteristics and geological significance of the bentonite in the Upper Ordovician Wufeng - Lower Silurian Longmaxi Formation in eastern Sichuan Basin, SW China
WANG Yuman1, LI Xinjing1, WANG Hao2, JIANG Shan1, CHEN Bo2, MA Jie2, DAI Bing2
1. Research Institute of Petroleum Exploration & Development, PetroChina, Beijing 100083, China;
2. Yangtze University, Wuhan 430100, China
Abstract

Based on the Qiliao section of Upper Ordovician Wufeng Formation - Lower Silurian Longmaxi Formation in Shizhu, Chongqing city, the development of bentonite in eastern Sichuan Basin was examined systematically, and its geological significance and scientific value were analyzed. The main understandings are as follows: (1) Six bentonite dense layers were found in the Qiliao section, mainly occurring in 6 graptolitic belts of the Katian, Rhuddanian and Aeronian. Most of the bentonite dense layers showed obvious increase in clay, peak response of GR curve, and indistinct relationship between volcanic ash and total organic carbon (TOC). (2) The bentonite dense layers of Longmaxi Formation were widely distributed in eastern Sichuan Basin and its periphery, and generally showed GR peak, which can be an important reference interface for dividing the bottom boundary of the Coronograptus cyphus belt and the top boundary of the Rhuddanian in eastern Sichuan Basin and western Hubei province. (3) Taking the bentonite dense layers as the stratification basis of the Rhuddanian and Aeronian, it was determined that the sediment thickness of the Rhuddanian in the eastern Sichuan depression was generally 10-40 m, but only the upper part of the Coronograptus cyphus belt was deposited in the hinderland of Yichang Uplift, and the sedimentary thickness was only 3-7 m. (4) In the hinderland of the Yichang Uplift, at least five and a half graptolitic belts were missing in Wufeng Formation - Rhuddanian, and the deposition time of Rhuddanian was less than 0.4 Ma. (5) The bentonite dense layers were important sedimentary responses to the strong deflection of the Yangtze basin at the turn of the Ordovician-Silurian, which suggested that four tectonic activity periods existed in the eastern Sichuan depression, including the early stage of the depression, the middle-late stage of the depression, the early stage of the foreland flexure and the development stage of the foreland flexure. The high-quality shale was mainly developed from the early stage to the middle-late stage in the depression.

Keyword: Sichuan Basin; Qiliao Section; Lower Silurian; Longmaxi Formation; bentonite; Yichang Uplift; depression behind the uplift; organic-rich shale
0 引言

上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组为中国页岩气主力勘探层系[1], 具有富有机质页岩（TOC值大于2%, 下同）厚度大、分布广、笔石丰富[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]、斑脱岩发育[2, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]等显著特征。目前, 地质人员普遍以笔石、腕足等生物化石作为分层依据, 在此基础上开展地质研究和页岩气勘探评价[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]。近几年, 笔者在野外和现场研究工作中发现, 因岩层坚硬、表层风化严重、笔石出露少等原因, 能顺利找到目标笔石带的首现位置（即分层界面）比较困难。在四川盆地周缘半耙笔石带下部— 底部存在1层厚5~40 cm、区域分布稳定的斑脱岩, 笔者将其命名为埃隆阶半耙笔石带厚层斑脱岩[2, 5], 可以作为界定鲁丹阶顶界的重要参考界面[2, 5]。这说明, 具有等时性、大面积分布的斑脱岩层在黑色页岩精细划分与对比中具有重要的参考价值。

目前, 开展高频次斑脱岩层研究面临如下问题：①有效资料点少, 研究基础薄弱, 尚无完整的露头剖面或资料井系统揭示五峰组— 龙马溪组斑脱岩发育特征, 公开报道的斑脱岩主要分布于五峰组、鲁丹阶底部、埃隆阶底部等层段以及长宁双河、涪陵焦石坝等少数资料点[2, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14]; ②研究方法和应用途径有限, 重要认识存在争议, 大部分学者对斑脱岩的研究和应用局限在锆石定年、斑脱岩层区域对比、确定火山灰与有机质富集关系等方面[9, 10, 11, 12, 13, 14, 15], 研究成果存在定年数据误差大、地层对比方案复杂、对火山灰的施肥效应争议大等突出问题, 未充分反映斑脱岩的科学价值。

针对上述问题, 本文以川东地区石柱漆辽五峰组— 龙马溪组剖面为重点, 通过野外剖面详测以及岩石矿物、有机地球化学和元素地球化学等重要资料测试, 建立斑脱岩标准剖面, 并结合川东— 湘鄂西地区的重要露头和钻井资料, 研究重点斑脱岩层纵向和横向变化规律及其与区域构造活动、古环境演化和优质页岩形成的关系, 探索揭示斑脱岩层特有的地质意义。

1 石柱漆辽五峰组— 龙马溪组剖面基本地质特征
1.1 黑色页岩发育特征

石柱漆辽剖面位于扬子海盆中心区（见图1）。五峰组和龙马溪组发育齐全且连续沉积, 黑色页岩出露厚度超过130 m, 笔石丰富且带化石齐全, 自下而上连续沉积五峰组凯迪阶及龙马溪组赫南特阶、鲁丹阶、埃隆阶, 自然伽马（GR）响应值为150~480 cps, 大部分层段为180~300 cps（见图2）。

图1 四川盆地及周缘下志留统鲁丹阶沉积相与主要资料点分布图

图2 石柱漆辽五峰组— 龙马溪组剖面综合柱状图

五峰组厚10.6 m, 笔石丰富, 下部为灰黑色、黑色薄层状硅质页岩, 与临湘组整合接触; 中部为炭质页岩与薄层状硅质页岩互层夹5层斑脱岩; 上部为黑色薄— 中层状硅质页岩夹斑脱岩层; 顶部观音桥段为黑色含白云质硅质页岩, 厚0.89 m, 见赫南特介壳化石。GR值在五峰组中下部相对较低（150~200 cps）, 在上部显著增高, 并在观音桥段顶部— 龙马溪组底界附近出现自然伽马峰[2, 4, 5]（9层的峰值为274~481 cps）（见图2）。

龙马溪组厚度超过190 m。下段鲁丹阶厚37.05 m, 其底部为黑色薄— 中层状硅质页岩, 向上渐变为灰黑色中— 厚层状硅质页岩和厚层状黏土质硅质混合页岩, 中段出现多层斑脱岩, 见Cystograptus vesiculosus、Coronograptus cyphus等笔石化石（见图2）。GR值为177~300 cps, 自下而上呈缓慢下降趋势, 并在10~15、18等小层显尖峰特征（见图2）。

龙马溪组上段埃隆阶厚度超过150 m, 自下而上划分为黑色页岩（厚度超过90 m）、浅色粉砂岩（厚度超过10 m）和灰绿色黏土质页岩（厚度超过50 m）等3个岩性段。其中黑色页岩段为详测段, 主体为厚层状黏土质硅质混合页岩、黏土质页岩、炭质页岩和多个结核层组合, GR值为180~250 cps并在24、32、34、36、38等小层显尖峰特征（见图2）, 见Demirastrites triangularis、Lituigraptus convolutus等笔石带, 在Demirastrites triangularis笔石带下部见厚层斑脱岩（24层）。

1.2 有机地球化学特征

石柱地区五峰组— 龙马溪组黑色页岩主体为半深水— 深水陆棚沉积, 干酪根类型为Ⅰ — Ⅱ 1型, 干酪根δ 13C值为-30.9‰ ~-29.1‰ , 有机质丰度较高, TOC值为1.2%~11.2%（平均值为2.7%）, 自下而上呈缓慢减小趋势（见图2）。下部为TOC值大于2%的富有机质页岩集中段, 厚度为35 m, TOC值为1.9%~11.2%（平均3.7%), 峰值出现在观音桥段（5.4%~11.2%）和Normalograptus persculptus笔石带（5.0%~7.3%）, 相对低值段出现于五峰组中下部（平均2.6%）和鲁丹阶中上段（平均2.4%）（见图2）。中部— 上部有机质丰度普遍降低, 厚度为100 m, TOC值为0.8%~2.4%（平均1.7%）, 其中TOC值大于2%的页岩段出现在21~23层、26层、32~33层、36~37层（见图2）。

可见, 石柱地区富有机质页岩总厚度在85 m以上, 五峰组— Coronograptus cyphus笔石带中段为优质页岩段, 三矿物脆性指数（石英、白云石和黄铁矿占岩石矿物总量的百分比）大于50%、TOC值大于3%; Coronograptus cyphus笔石带上段— Demirastrites triangulatus笔石带为次优质页岩段, 三矿物脆性指数为40%~50%、TOC值为1.5%~3.0%[5]（见图2）。

2 川东及邻区五峰组— 龙马溪组斑脱岩发育特征
2.1 石柱漆辽剖面斑脱岩发育特征

石柱漆辽剖面黑色页岩段总体出露完整, 笔石带齐全, 剖面新鲜, 是观察斑脱岩发育特征的理想资料点。笔者在该剖面凯迪阶— 埃隆阶中部（厚约105 m）观察到单层厚度在0.5 cm以上的斑脱岩31层, 且不均匀地分布在6个笔石带18个小层段（见图2、表1）。

表1 石柱漆辽五峰组— 龙马溪组剖面斑脱岩发育特征

从斑脱岩发育频次和规模看（见表1、表2）, 火山灰主要赋存于Dicellograptus complexus笔石带中上部、Paraorthograptus pacificus笔石带顶部、Coronograptus cyphus笔石带底部和中上部、Demirastrites triangulatus笔石带下部和Lituigrapatus convolutus笔石带上部, 在其他笔石带和层段较少出现或未被发现。从百万年尺度斑脱岩发育规模看（见表2）, Dicellograptus complexus、Coronograptus cyphus、Demirastrites triangulatus、Lituigrapatus convolutus这4个笔石带斑脱岩发育速率较大, 分别为16.7 cm/Ma、24.9 cm/Ma、10.8 cm/Ma和24.0 cm/Ma, 即凯迪阶沉积初期、鲁丹阶沉积晚期— 埃隆阶沉积期是斑脱岩发育的主要时期, 与长宁地区的发育特征[2, 5]基本相似。但与川南不同的是, 该地区Coronograptus cyphus笔石带斑脱岩发育速率明显高于其他笔石带。

表2 石柱漆辽剖面主要笔石带及其斑脱岩发育特征

研究发现, 只有单层厚度在5 cm以上的斑脱岩层或累计厚度在5 cm以上的斑脱岩密集段才具有显著的地质意义[2, 5], 因此本文将这类斑脱岩层（或斑脱岩密集段）作为重点研究对象加以分析和研究, 并将页岩段厚度1 m内、斑脱岩累计厚度在5 cm以上的黑色页岩段或单层厚度在5 cm以上的斑脱岩层定义为斑脱岩密集段。依此标准, 石柱漆辽剖面共观察到6个斑脱岩密集段, 自下而上编号为①— ⑥（见图2— 图4）, 斑脱岩累计厚度为48 cm（单层厚度按平均值计算）, 占该剖面斑脱岩总厚度的76%。

图3 石柱漆辽剖面斑脱岩密集段露头照片（图中地质锤长33 cm, 箭头所指为斑脱岩层）
（a）Dicellograptus complexus笔石带, 密集段①, 厚约1.3 m, 炭质页岩与薄层状硅质页岩互层, 见5层斑脱岩; （b）Paraorthograptus pacificus笔石带, 密集段②, 厚约1.0 m, 薄层状硅质页岩夹2层斑脱岩; （c）Coronograptus cyphus笔石带底部, 密集段③, 厚0.3 m, 中层状硅质页岩夹2层斑脱岩; （d）Coronograptus cyphus笔石带上部, 密集段④, 厚1.5 m, 黏土质硅质混合页岩夹7层斑脱岩; （e）Demirastrites triangulatus笔石带下部, 密集段⑤, 半耙笔石带厚层斑脱岩, 厚8.0~10.0 cm; （f）Lituigrapatus convolutus笔石带上部, 密集段⑥, 厚10.0 cm, 铅灰色

图4 石柱漆辽剖面斑脱岩密集段（或上覆）黑色页岩薄片
（a）密集段①, 硅质页岩, 纹层欠发育; （b）密集段①, 见大量放射虫; （c）密集段②, 硅质页岩, 纹层不发育; （d）密集段②, 见大量放射虫呈星点状分布; （e）密集段③, 硅质页岩, 见水平细纹层; （f）密集段③, 见大量放射虫; （g）密集段④, 黏土质硅质混合页岩, 纹层发育; （h）密集段④, 纹层中亮色颗粒为石英、放射虫; （i）密集段⑤, 上覆黏土质页岩, 发育水平纹层; （j）密集段⑤, 纹层中亮色颗粒为石英、放射虫; （k）密集段⑥, 上覆黏土质页岩, 纹层发育; （l）密集段⑥, 纹层中亮色颗粒为石英、放射虫

密集段①位于Dicellograptus complexus笔石带中上部（5层顶部至6-1层中上部）, 厚约1.3 m（见图3a）, 炭质页岩与薄层状硅质页岩互层, 镜下纹层不发育, 见大量放射虫颗粒呈星点状分布（见图4a、图4b）, TOC值为1.92%~2.31%, GR值为154~172 cps, 矿物组成为石英73.3%~78.1%、长石0.9%~3.7%、黏土21.0%~23.0%（见图2、表1）。见5层斑脱岩, 累计厚度10 cm, 底部2层单层厚0.5~1.0 cm, 已风化为灰白色黏土岩; 中上部3层单层厚度为上层4~5 cm、中层2~3 cm、下层1~2 cm, 间距10~30 cm。斑脱岩GR值为209~218 cps, 矿物组成为石英含量6.9%、长石1.8%、方解石1.4%、黄铁矿18.9%、黏土71.0%（见图2、表1）, 主要元素为SiO2占41.57%、Al2O3占19.94%、Fe2O3+FeO占16.61%、MgO占1.56%、K2O占6.08%。

密集段②位于Paraorthograptus pacificus笔石带顶部（6层顶— 7层上部）, 厚约1 m, 薄层状硅质页岩（见图3b）, 镜下纹层不发育, 见大量放射虫颗粒呈星点状分布（见图4c、图4d）, TOC值为2.68%~5.55%, GR值为224~252 cps（显低幅度峰）, 矿物组成为石英占比63.9%~83.8%、长石占比2.0%~4.4%、黄铁矿占比1.0%~1.6%、黏土占比13.2%~30.1%。底部和上部见2层斑脱岩, 铅灰色, 下层厚3~4 cm, 上层厚2~3 cm, 累计厚度6 cm（见图2、表1）。

密集段③位于Coronograptus cyphus笔石带底部（12层顶部）, 厚0.3 m, 中层状硅质页岩（见图3c）, 黏土质增多, 镜下出现放射虫细纹层（见图4e、图4f）。TOC值为3.2%, GR值为217~231 cps（出现低幅度峰）, 矿物组成为石英56.7%、长石7.5%、黄铁矿1.7%、黏土34.1%。见2层斑脱岩, 间距25 cm, 累计厚度4 cm, 下层厚1~2 cm, 上层厚2~3 cm（见图2、表1）。

密集段④位于Coronograptus cyphus笔石带中上部（17层顶至18层下部）, 厚1.5 m, 厚层状黏土质硅质混合页岩, 黏土质增多（见图2、图3d）, 见大量单笔石, 镜下见水平纹层（见图4g、图4h）, GR值为208~226 cps（出现低幅度峰）, TOC值为1.63%~1.96%, 矿物组成为石英占47.7%~53.7%、长石15.3%~22.1%、黄铁矿0~1.4%、黏土28.5%~35.2%。自下而上见7层斑脱岩, 间距15~50 cm, 单层厚0.5~4.0 cm, 累计厚度9.9 cm（见图2、表1）。

密集段⑤位于Demirastrites triangulatus笔石带下部, 厚8~10 cm, 为埃隆阶半耙笔石带厚层斑脱岩, 单层, 铅灰色（见图2、图3e）, 区域分布稳定, 是重要的区域对比标志层[5], GR值为216~220 cps（显低幅度峰）（见图2、表1）。此斑脱岩层已发生蚀变, 矿物成分为石英1.8%、长石1.0%、黄铁矿67.5%、重晶石1.9%、黏土27.8%（见表1）。此斑脱岩上覆岩层为黏土质页岩, 发育水平纹层, 纹层中亮色颗粒多为石英、放射虫（见图4i、图4j）。

密集段⑥位于Lituigrapatus convolutus笔石带上部, 厚0.1 m, 单层, 铅灰色（见图2、图3f）, 为该笔石带首次发现的厚层斑脱岩, GR值为237 cps（显中等幅度峰）（见图2、表1）。此斑脱岩上覆岩层为黏土质页岩, 发育水平纹层, 纹层中亮色颗粒以石英、放射虫为主（见图4k、图4l）。

从上述6个密集段发育特征看, 大部分斑脱岩密集段显示出黏土质明显增加、GR曲线出现峰值响应、火山灰与有机碳总含量关系不明显等特征, 如：③— ⑥段均出现在黏土质显著增加、纹层发育的页岩段; ②— ⑥段GR值较其上下围岩增幅明显, GR峰值普遍为中— 低幅度（见图2）, 与黏土质显著增加特征基本吻合; ①— ⑥段为火山灰富集段, 但其黑色页岩（或上覆黑色页岩）有机碳总含量并未出现异常高值, 反而在大部分层段都低于3%。上述特征在邻区LY1井得到进一步证实（见图5）, ②— ④段均为高GR、高补偿中子孔隙度（ϕ CNL）响应特征, 其中④段的GR峰值异常尤其明显, 显示黏土矿物和放射性物质显著增加, 与石柱剖面相似; ①段出现在五峰组中下部, 同样显示高GR、高ϕ CNL、黏土含量较高等特征; ⑤段出现在Demirastrites triangulatus笔石带下部炭质页岩段底部, 显高TOC值、高黏土含量和高GR值, 为高GR段中的低谷响应, 与巫溪、保康等探区[2, 5]类似; ①— ④段黑色页岩的总有机碳含量并未出现升高趋势, 反而在大部分层段低于3%。可见, 大部分斑脱岩密集段的GR峰是黏土矿物显著增高和放射性物质大量增加的直接反映, 与总有机碳含量关系并不明显。这说明, 川东— 鄂西地区6个斑脱岩密集段的性质与长宁五峰组底部斑脱岩密集段（即台地-陆棚转换的构造界面[2, 5]）相似, 与赫南特阶GR峰（即冰期-间冰期转换界面）完全不同, 应属构造界面, 亦为奥陶纪-志留纪之交扬子地块在与周缘地块持续碰撞和拼合作用下发生板内挠曲变形的直接反应。

图5 LY1井五峰组— 龙马溪组综合柱状图

2.2 川东及邻区斑脱岩层区域分布特征

本文以斑脱岩密集段③— ⑤为重点, 通过对秀山大田坝、龙山红岩溪、来凤三胡、鹤峰官屋、恩施HY1井、利川毛坝、LY1井、石柱漆辽、巫溪白鹿、长宁双河、道真巴渔、武隆黄草等露头/井的斑脱岩发育特征及GR曲线对比, 进一步揭示川东及邻区龙马溪组斑脱岩层分布特征（见表3、图6、图7）。

表3 川东地区及周边露头/钻井龙马溪组斑脱岩密集段主要地质特征

图6 川东— 湘鄂西重点剖面斑脱岩密集段③和④露头照片及GR峰图
（a）武隆黄草露头密集段③照片; （b）武隆黄草露头密集段③GR峰图; （c）鹤峰官屋露头密集段④照片, 风化严重; （d）龙山红岩溪露头密集段④GR峰图

图7 秀山— 龙山— 利川— 石柱— 巫溪剖面五峰组— 龙马溪组重要界面对比图

斑脱岩密集段③在平面上广泛分布于川东、川南、黔北等地区, 在纵向上分布于Coronograptus cyphus笔石带下部— 底部, 普遍显中— 低幅度GR峰, 在湘鄂西地区则普遍缺失（见表3、图6、图7）。该密集段在川南长宁地区最厚, 向东、向北呈减薄趋势, 总厚度由长宁地区的1.5~2.0 m[2, 5]减薄至武隆— 道真地区的0.9~1.1 m、巫溪— 石柱— 利川地区的0.15~0.30 m, 在龙山— 鹤峰— 恩施地区则完全缺失, 斑脱岩单层最大厚度由长宁地区的8 cm[2, 5]减少到武隆— 道真地区的1~2 cm、巫溪— 石柱— 利川地区的2~3 m。根据总厚度和斑脱岩单层最大厚度自西南向东、向北减薄趋势判断, Coronograptus cyphus笔石带沉积初期的火山灰来源于扬子海盆西南缘或南缘。

斑脱岩密集段④在平面上主要分布于川东— 湘鄂西地区, 在纵向上分布于Coronograptus cyphus笔石带中— 上部, 普遍呈中高幅度GR峰（见表3、图6、图7）。该密集段在石柱、巫溪、利川、龙山、秀山等地区总厚度均超过1 m, 但在长宁、道真、綦江等地区则出露不明显或未被观察到, 斑脱岩层数由鹤峰地区的8层、石柱地区的7层减少至龙山— 秀山地区的3层以下, 由此判断, Coronograptus cyphus笔石带发育中晚期的火山灰可能来自于扬子地块东缘或东北缘, 与该笔石带发育早期的火山灰不同源。

斑脱岩密集段⑤为埃隆阶半耙笔石带厚层斑脱岩, 遍布于中上扬子广大地区, 分布面积可能不小于观音桥段, 其火山灰来自于扬子海盆西南缘[2, 5]。

3 地质意义

川东及邻区斑脱岩密集段具有分布广泛、测井响应普遍显GR峰等特征, 是重要的地层对比界面, 对揭示该地区构造活动和有机质富集规律具有重要意义。为此, 本文以斑脱岩发育特征和主要认识为基础, 通过关键界面界定, 研究川东— 鄂西地区龙马溪组主要层段的区域变化规律, 探索分析宜昌上升区龙马溪组的缺少状况, 揭示龙马溪组富有机质页岩发育特征。

3.1 龙马溪组主要层段界面确定

在五峰组— 龙马溪组地质编图和页岩气选区评价过程中, 五峰组顶、底界面特征清晰[1, 2, 4, 5], 地质认识基本清楚[1, 3, 8, 13, 17]; 龙马溪组一般发育8~9个笔石带, 大部分笔石带的首现位置（即界面）确定难度大, 导致对龙马溪组的层序划分和编图千差万别[1, 3, 8.13, 17]。

通过上述研究发现, 斑脱岩密集段③、④、⑤是划分和确定川东— 鄂西地区Coronograptus cyphus笔石带底界和鲁丹阶顶界的重要参考界面（见图5、图7）。密集段③一般出现于Coronograptus cyphus笔石带底部, 可作为Coronograptus cyphus笔石带底界划分的参考界面, 即将该GR峰下部的首个低谷作为Cystograptus vesiculosus笔石带与Coronograptus cyphus笔石带的划分界限（见图5、图7）。密集段④出现于Coronograptus cyphus笔石带中上部, 其GR峰在湘鄂西隆起的存在说明在宜昌上升区的腹部鲁丹阶已缺失至Coronograptus cyphus笔石带上部, 该GR峰的底界即为鲁丹阶底界（见图6c、图6d、图7）。密集段⑤是确定鲁丹阶顶界的重要参考界面, 一般将鲁丹阶顶界定于其下方的首个GR曲线低谷处[2, 5]。

以上述3个斑脱岩密集段作为鲁丹阶和埃隆阶分层依据, 并参考笔石分层, 对四川盆地及周缘鲁丹阶、埃隆阶黑色页岩分布进行系统编图（见图1、图8）。研究认为, 鲁丹阶在川南— 川东地区发育完整, 沉积时间达3.06 Ma, 沉积厚度为10~40 m。在湘鄂西隆起腹部仅沉积Coronograptus cyphus笔石带上段, 厚度仅3~7 m。Coronograptus cyphus笔石带是鲁丹阶沉积主体, 尽管沉积时间只有0.8 Ma（占比仅26%）, 但沉积厚度在石柱地区达31.25 m（占84.4%）。埃隆阶黑色页岩厚度远大于鲁丹阶, 在川南— 川东地区厚度为50~150 m（局部可达200 m）, 在巫溪— 中扬子北部坳陷区厚度为20~50 m, 在川中隆起东坡、黔中隆起北坡、湘鄂西地区厚度则降至10~20 m（见图8）。

图8 四川盆地及周缘下志留统埃隆阶沉积相图

3.2 对宜昌上升的新认识

宜昌上升是奥陶纪-志留纪之交紧邻川东坳陷东侧的大型水下隆起（即湘鄂西隆起, 见图1）, 对川东及邻区笔石页岩发育具有重要的控制作用[1, 4, 6, 7, 18, 19]。前人依据笔石分层确定宜昌上升腹部沉积间断发生在Paraorthograptus pacificus笔石带至Coronograptus cyphus笔石带之间, 共缺失5个笔石带[6, 7, 18, 19]。

根据石柱漆辽剖面、LY1井和利川毛坝剖面等资料（见图2、图5、表3）, 在宜昌上升的西部邻区, Coronograptus cyphus笔石带底部和中上部发育2个斑脱岩密集段（编号③、④）且在钻井GR曲线上显示双峰特征（见图5）, 两峰间距为6 m（LY1井）至13.9 m（石柱漆辽剖面）。在恩施、鹤峰、龙山等宜昌上升腹地, Coronograptus cyphus笔石带仅发育斑脱岩密集段④且在GR曲线上显示单峰特征（见图6c、图6d、图7）, 依据LY1井推算, 该笔石带缺失下部近6 m黑色页岩, 缺失量超过50%, 沉积间断时间则超过0.4 Ma。可见, 在宜昌上升腹地, 鲁丹阶缺失至少3.5个笔石带（Akidograptus ascensus笔石带至Coronograptus cyphus笔石带中上部）, 沉积时间不足0.4 Ma。

由此推算, 在宜昌上升腹部的整个隆升阶段, 缺失地层为赫南特阶— Coronograptus cyphus笔石带中上部, 恰好与石柱地区斑脱岩密集段②— ④的笔石带对应, 即缺失至少5.5个笔石带。表明斑脱岩密集段②和④沉积期分别是宜昌上升开始和结束的关键时间节点, 受华南南部和东部深部大地构造活动的制约, 这两组剧烈的火山喷发代表湘鄂西及周缘构造应力场可能发生两次急剧转变（早期为近南北向挤压作用, 晚期为近东西向拉张作用）, 进而导致该地区出现先隆升后快速沉降。目前关于密集段②— ④沉积时期的构造应力场转换机制还需要更多地质证据证实。

3.3 对优质页岩沉积的控制作用

高频次斑脱岩是反映扬子海盆挠曲活动强弱的重要沉积记录[2, 5]。根据石柱漆辽剖面斑脱岩密集段分布特征和川南、巫溪地区构造沉积响应[2, 5, 16, 20], 川东挠曲坳陷同样存在拗陷初期、拗陷中晚期、前陆挠曲初期和前陆挠曲发展期等4个构造活动期次（见图2）, 不同阶段的沉积要素发生明显变化, 进而建造成纵向上类型多样、有机质丰度差异显著的细粒沉积岩相组合（见图1— 图2、图8— 图9）。

图9 四川盆地及周缘下志留统鲁丹阶和埃隆阶有机质含量分布图

①拗陷初期。即台地向陆棚转换时期（主要为Dicellograptus complexus笔石带[2, 5]）, 持续时间仅0.6 Ma, 斑脱岩发育速率为16.7 cm/Ma（见表2）, 川东地区经历了由台地到浅水陆棚再到深水坳陷的快速转变, 海平面快速上升, 区内沉积物由泥灰岩、灰绿色黏土质页岩快速转为黑色笔石页岩, 厚度近5 m, TOC值由0.1%增加至1.7%, 黏土含量由51.2%快速下降至21.0%（见图2）。

②拗陷中晚期。即凯迪阶沉积中期（Paraorthograptus pacificus笔石带）— 鲁丹阶沉积晚期（斑脱岩密集段④底界）, 为大隆大坳形成期[5]（见图2）, 持续时间超过5.85 Ma, 区域构造运动和缓, 斑脱岩发育速率为0.8~3.2 cm/Ma。川东— 中扬子北部海盆为受湘鄂西、川中两大水下隆起围限、开口向北的隆后坳陷, 距离东南物源较远（见图1）, 黏土矿物含量为9.3%~42.6%（平均为28.4%）（见图2）。海平面处于高位, δ 13C值为-30.9‰ ~-29.6‰ 且以负漂移为主, V/（V+Ni）值为0.67~0.91（平均为0.81, 高于0.77的缺氧标准[16, 21]）, 显示海底为缺氧环境; S/C值为0.01~0.35（平均为0.11）, Mo含量为4.2~100.0 μ g/g（平均为31.0 μ g/g）, 显示海域为低盐度、弱封闭状态; P2O5/TiO2值为0.10~2.89（平均为0.28, 峰值出现于观音桥段）, Ba含量为481~1 885 μ g/g（平均为1 347 μ g/g）, 显示海水P、Ba等营养物质较丰富, 初始生产力较高（见图2）; 沉积速率缓慢, 一般为1.27~3.32 m/Ma（见表2）, 黑色页岩TOC值为1.9%~11.2%（平均为4.0%）, 硅质含量为48.6%~88.8%（平均为60.8%）（见图2）, 其中鲁丹阶TOC平均值为2.9%~5.0%（见图9a）。

③前陆挠曲初期。即斑脱岩密集段④底界至斑脱岩密集段⑤出现以前, 为拗陷— 前陆过渡期, 沉积时间约0.4 Ma（见图2）, 斑脱岩发育速率为10.8~24.9 cm/Ma。扬子地台东南部向下挠曲幅度逐渐加大, 沉降沉积中心自东南向西北开始迁移[1, 2, 5], 湘鄂西隆起已快速沉降为大川东坳陷的东南斜坡, 东南物源区的黏土质开始大量进入到川东坳陷区, 黏土含量平均值升高至37.4%。川东海平面由高水位下降至中高水位, δ 13C值主体显正漂移（-30.0‰ ~-29.3‰ ）, 海底总体为贫氧— 缺氧环境（见图2）, 沉积速率明显加快为20.47~33.75 m/Ma（见表2）, 黑色页岩TOC平均值下降至1.8%, 硅质含量平均值下降至46.5%（见图2）。

④前陆挠曲发展期。即斑脱岩密集段⑤出现以后, 为埃隆阶的主要沉积期, 斑脱岩发育速率上升至24.0 cm/Ma（见表2）, 反映扬子地台挠曲幅度剧增, 沉降沉积中心大规模自东南向西、向北迁移, 北部上升洋流趋于活跃, 较深水区迁移至川南— 川东坳陷中央、威远、巫溪和中扬子北部（见图8、图9b）, 黏土质大量进入至台盆区, 石柱地区黏土平均含量快速上升至43.5%（见图2）。在早期和中期, 川东海域主体为低— 正常盐度、弱— 半封闭状态, 受北部上升洋流影响, 营养物质Ba含量较高(平均2 477 μ g/g）（见图2、图

8）; 沉积明显加快, 速率为20.47~72.82 m/Ma（见表2）, TOC平均值降至1.5%~2.5%, 石柱地区TOC平均值降至1.7%（见图2、图9b）。

综上所述, 川东坳陷五峰组— 龙马溪组优质页岩集中发育于斑脱岩密集段④出现以前的拗陷初期— 拗陷中晚期, 缓慢沉积时间较川南长, 显示出湘鄂西隆起的长期隆升及其对东南物源区的阻隔作用对隆后坳陷富有机质页岩沉积具有重要的控制作用。在斑脱岩密集段④出现以后的前陆期, 随着湘鄂西隆起的消失, 来自东南物源区的大量黏土矿物直接进入川东坳陷腹部, 导致沉积速度显著加快, 有机质和硅质富集条件显著变差。

4 结论

石柱漆辽剖面点共发现6个斑脱岩密集段, 主要赋存于凯迪阶、鲁丹阶和埃隆阶的6个笔石带, 大部分斑脱岩密集段显示出黏土矿物明显增加、GR曲线出现峰值响应、火山灰与有机碳含量关系不明显等典型特征。该剖面斑脱岩密集段的发育特征及其测井响应在川东— 鄂西地区及邻区具有普遍性, 可以成为龙马溪组重要的地层对比界面。

以斑脱岩密集段作为鲁丹阶和埃隆阶分层的重要参考界面, 可弥补仅靠笔石带分层的不足。以此确定鲁丹阶在川东— 中扬子北部和川南坳陷为持续深水沉积, 沉积厚度为10~40 m, 但在湘鄂西隆起腹部仅沉积Coronograptus cyphus笔石带上段, 厚度仅3~7 m。

在宜昌上升腹部的整个隆升阶段, 缺失地层为Normalograptus extraordinarius笔石带至Coronograptus cyphus笔石带上部, 即缺失至少5.5个笔石带, 鲁丹阶沉积时间不足0.4 Ma。

川东坳陷在奥陶纪-志留纪之交历经拗陷初期、拗陷中晚期、前陆挠曲初期和前陆挠曲发展期等4个构造活动阶段, 优质页岩集中发育于斑脱岩密集段④出现以前的拗陷初期— 拗陷中晚期。湘鄂西隆起的长期隆升对隆后坳陷优质页岩沉积具有重要的控制作用。

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