引用本文
王红岩, 施振生, 孙莎莎. 四川盆地及周缘奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩生物地层及其储集层特征[J]. 石油勘探与开发, 2021,48(5): 879-890.
WANG Hongyan, SHI Zhensheng, SUN Shasha. Biostratigraphy and reservoir characteristics of the Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi shale in the Sichuan Basin and surrounding areas, China[J]. Petroleum Exploration & Development, 2021,48(5): 879-890.  
Doi: 10.11698/PED.2021.05.01
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四川盆地及周缘奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩生物地层及其储集层特征
王红岩1,2, 施振生1,2, 孙莎莎1,2
1.中国石油勘探开发研究院,北京 100083
2.国家能源页岩气研发（实验）中心,河北廊坊 065007
联系作者简介：施振生（1976-）,男,安徽枞阳人,博士,中国石油勘探开发研究院高级工程师,主要从事碎屑岩沉积储集层研究。地址：北京市海淀区学院路20号北厂区1号楼,中国石油勘探开发研究院页岩气研究所,邮政编码：100083。E-mail: 19777027@qq.com.

第一作者简介：王红岩（1971-）,男,江苏徐州人,博士,中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师,主要从事页岩气等非常规油气勘探开发与基础理论研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号北厂区1号楼,中国石油勘探开发研究院页岩气研究所,邮政编码：100083。E-mail：wanghongyan69@petrochina.com.cn

收稿日期: 2020-12-24 修回日期: 2021-07-28
基金项目: 国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2017ZX05035-001）
摘要

通过单剖面笔石鉴定、笔石带划分、等值线图编制及页岩矿物成分、 TOC和纹层特征分析,系统研究四川盆地及周缘奥陶系五峰组—志留系龙马溪组生物地层及其储集层特征。结果表明,四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组发育笔石带WF1—WF4和LM1—LM9,不同笔石带可用岩性和电性特征标定。不同笔石带页岩分布呈现西南和东北2大沉积中心,且矿物成分、 TOC和纹层类型存在差异。笔石带WF2下部和WF4发育含（贫）有机质块状层理混合页岩,笔石带WF1—WF2上部及WF3发育含有机质水平层理混合页岩,笔石带LM1—LM4发育富（含）有机质水平层理硅质页岩,LM5—LM9发育贫有机质水平层理混合页岩。页岩矿物成分、 TOC及层理类型受控于古气候、古水体氧化-还原条件和古沉积速率。笔石带WF1—WF2下部,水体由于温暖富氧,故块状层理发育、硅质含量和 TOC值低。笔石带WF4水体由于较凉、富氧,故块状层理发育、钙质含量高、 TOC值低。笔石带WF2上部、WF3、LM1—LM4水体由于贫氧、沉积速率低,故富有机质硅质页岩水平层理发育,粉砂纹层含量高。笔石带LM5—LM9水体由于富氧、沉积速率过高,故 TOC值和硅质含量低、粉砂纹层含量高。图6表2参38

关键词: 笔石带; 页岩; 储集层特征; 奥陶系五峰组; 志留系龙马溪组; 生物地层; 四川盆地
中图分类号:TE122.1 文献标志码:A 文章编号:1000-0747(2021)05-0879-12
Biostratigraphy and reservoir characteristics of the Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi shale in the Sichuan Basin and surrounding areas, China
WANG Hongyan1,2, SHI Zhensheng1,2, SUN Shasha1,2
1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China
2. National Energy Shale Gas R&D (Experiment) Center, Langfang 065007, China
Abstract

Through graptolite identification in profiles, graptolite zone division, contour map compilation, and analysis of mineral composition, TOC content, lamina distribution features of shale samples, the biostratigraphic and reservoir characteristics of Ordovician Wufeng Formation-Silurian Longmaxi Formation in the Sichuan Basin and surrounding areas are sorted out. There are 4 graptolite zones (WF1 to WF4) in Wufeng Formation and 9 (LM1 to LM9) in Longmaxi Formation, and the different graptolite zones can be calibrated by lithology and electrical property. The shale layers of these graptolite zones have two depocenters in the southwest and northeast, and differ somewhat in mineral composition, TOC, and lamina types. Among them, the graptolite zones of lower WF2 and WF4 are organic matter lean massive hybrid shale, the upper part of WF1-WF2 and WF3 have horizontal bedding hybrid shale with organic matter, the LM1-LM4 mainly consist of organic-rich siliceous shale with horizontal bedding, and the LM5-LM9 graptolite zones consist of organic-lean hybrid shale with horizontal bedding. The mineral composition, TOC and lamina types of shale depend on the paleo-climate, paleo-water oxidation-reduction conditions, and paleo-sedimentation rate during its deposition. Deposited in oxygen-rich warm water, the lower parts of WF1 and WF2 graptolite zones have massive bedding, lower TOC and silicon content. Deposited in cooler and oxygen rich water, the WF4 has massive bedding, high calcium content and low TOC. Deposited in anoxic water at low rate, the upper part of WF2, WF3, and LM1-LM4 are composed of organic rich siliceous shale with horizontal bedding and high proportion of silt laminae. Deposited in oxygen rich water at a high rate, the graptolite zones LM5-LM9 have low contents of organic matter and silicon and high proportions of silt lamina.

Keyword: graptolite zone; shale; reservoir characteristics; Ordovician Wufeng Formation; Silurian Longmaxi Formation; Upper Yangtze area; Sichuan Basin
0 引言

生物地层划分、分布及储集层品质研究是确定优质页岩储集层段的关键。晚奥陶世至早志留世海洋中, 笔石生物大量繁盛, 因其种类多、分布广、演化快等特征而成为四川盆地及周缘生物地层研究的标准化石[1]。过去几十年内, 针对上扬子地区奥陶系五峰组— 志留系龙马溪组的笔石带划分[2, 3]、不同笔石带的分布[3]、笔石带形成的沉积环境及古地理背景[4]、笔石的页岩气意义[5]、五峰组— 龙马溪组的岩性地层划分对比[6, 7]、笔石带形成的古水体氧化— 还原条件[8]等方面开展了系统研究。前人认为, 上扬子地区五峰组— 龙马溪组可划分为龙一段和龙二段, 其中龙一段可进一步划分为2个亚段和4个生产小层[6]。五峰组— 龙马溪组主要发育13个笔石带, 其中五峰组发育4个笔石带, 龙马溪组发育9个笔石带。笔石地层主要形成于贫氧— 厌氧的水体环境, 气候相对温暖潮湿[8]。笔石页岩主要分布于重庆— 川滇、马边— 西昌、大巴山前缘等地区[3]。

然而, 四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组生物地层研究仍存在以下3个问题：①五峰组— 龙马溪组不同笔石带的笔石详细组成、页岩岩性和电性特征、页岩平面分布; ②五峰组— 龙马溪组不同笔石带的矿物成分、总有机碳含量（TOC）和纹层特征; ③五峰组沉积期— 龙马溪组沉积期不同笔石带页岩储集层品质差异性机理。这3个问题的解决, 不仅是全区年代地层划分对比的关键, 更是确定页岩气勘探开发优质页岩段基础。本文重点分析四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组笔石带组成、页岩岩性和电性特征、页岩平面分布, 并初步探讨不同笔石带页岩形成背景、成因及储层特征差异性成因。

1 地质背景

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组发育（见图1）。五峰组下部为大套黑色页岩, 夹多层薄层火山灰沉积层; 上部为灰岩或泥灰岩, 赫南特贝动物群化石丰富[9]。龙马溪组下部为黑色、灰黑色薄层状页岩或块状页岩, 纹层结构和裂缝发育[10, 11]; 上部为灰绿色、黄绿色页岩及砂质页岩, 有时夹粉砂岩或泥质灰岩, 由下至上砂质含量增加, 自下而上构成向上变粗沉积序列。

图1 四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组展布及资料点分布

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组形成于华夏地块与扬子地块相互碰撞阶段[12]。中奥陶世之后, 扬子板块进入前陆盆地构造演化阶段, 四川盆地及周缘为扬子前陆盆地之隆后盆地的一部分。志留纪早期, 南东方向挤压作用增强, 四川盆地及周缘不断抬升, 川中古隆升逐渐扩大, 海域缩小海水变浅, 沉积分异作用加剧。该时期上扬子地区夹持在川中古隆起和黔中— 雪峰古隆起之间, 形成了半闭塞滞流海盆。

2 资料及研究方法

本次研究共观察岩心井17口、露头7条、钻井笔石地层划分及对比72口, 研究层位为五峰组— 龙马溪组。对17口典型井岩心和4条露头剖面开展了系统的笔石化石鉴定和笔石带划分、岩性描述、TOC测定、X-衍射全岩分析及主量和微量元素分析。72口钻井主要开展钻井、测井及笔石地层划分对比分析。钻井资料集中分布于W202井区、Z205井区、L202井区、长宁、Y103井区、涪陵和巫溪地区, 钻井资料包括测井数据、岩心录井数据和TOC分析数据。露头剖面主要分布于长宁、巫溪和咸丰地区, 资料类型主要有岩性描述资料、笔石化石资料、TOC、主量和微量元素分析数据。

研究分4步开展：①通过17口典型井岩心的笔石鉴定及笔石带划分, 建立研究区的生物地层格架; ②通过17口典型井笔石带的测井及岩性标定, 建立各笔石带的测井及岩性识别图版; ③借助测井及岩性识别图版, 建立72口井的生物地层格架, 并以笔石带为单元编制地层等厚图; ④探讨各笔石带的岩石学特征、TOC、纹层及微裂缝特征, 并明确笔石带对页岩储集层特征的控制。

3 笔石地层特征及分布
3.1 笔石带类型及特征

中上扬子地区五峰组— 龙马溪组共发育13个笔石带, 其中五峰组发育4个笔石带, 龙马溪组发育9个笔石带。由下至上, 奥陶系凯迪阶五峰组发育笔石带Dicellograptus complanatus（WF1）、Dicellograptus complexus（WF2）和Paraorthograptus pacificus（WF3）[2, 3]。笔石带WF3可进一步细分为Lower Subzone, Tangyagraptus typicusSubzone和Diceratograptus mirusSubzone。赫南特阶五峰组发育笔石带Metabolograptus extraordinariusZone（WF4）, 赫南特阶龙马溪组发育笔石带Metabolograptus persculptus（LM1）。龙马溪组鲁丹阶由下至上发育笔石带Akidograptus ascensus（LM2）, Parakidograptus acuminatus（LM3）, Cystograptus vesiculosus（LM4）和 Coronograptus cyphus（LM5）。埃隆阶发育笔石带Demirastrites triangulatus（LM6）、Lituigraptus convolutus（LM7）和Stimulograptus sedgwickii（LM8）。特列奇阶发育笔石带Spirograptus guerichi（LM9）。

四川盆地及周缘奥陶系五峰组大部分地区发育笔石带WF1— WF3, 川南地区笔石带缺失WF1, 奥陶系龙马溪组发育笔石带LM1, 不同笔石带特征分子组成存在明显差异（见图2）。笔石带Dicellograptus complexus（WF2）特征分子主要有Appendispinograptus longispinus（见图2a）、Dicellograptus ornatus（见图2b、图2c）、Dicellograptus complexus和Amplexograptus latus（见图2e）等。笔石带Paraorthograptus pacificus（WF3）特征分子有Paraorthograptus pacificus（见图2f、图2h）、Rectograptus abbreviatus、Dicellograptus minor（见图2g）和Tangyagraptus typicus（见图2d、图2i）等。笔石带Metabolograptus extraordinarius（WF4）特征分子主要为Metabolograptus extraordinarius等。该时期由于全球气候变凉, 笔石大量死亡, 富含腕足类、壳类的赫南特贝动物群大面积发育[13, 14, 15, 16]（见图2j— 图2l）。笔石带Metabolograptus persculptus（LM1）特征分子主要有Avitograptus ex gr. avitus（见图3a）、Avitograptus avitus（见图3b）等。四川盆地及周缘17口典型井岩心和4条露头剖面都发育完整的笔石带WF4和笔石带LM1, 且岩心之间未见任何侵蚀或沉积间断现象, 与前人研究一致[13], 表明观音桥层和龙马溪组应为连续沉积。

图2 四川盆地及周缘五峰组笔石及腕足类化石特征
（a）Appendispinograptus longispinus, JY1井, WF2; （b）Dicellograptus ornatus, 湖北省宜昌市分乡五峰组, WF2; （c）Dicellograptus ornatus, 湖北省宜昌市分乡五峰组, WF2; （d）Tangyagraptus gracilis, WF3, 湖北省宜昌市分乡五峰组; （e）Amplexograptus latus, JY1井, WF2; （f）Paraorthograptus pacificus, YJ1井, WF3; （g）Dicellograptus turgidus, 贵州省松桃县陆地坪五峰组, WF3; （h）Paraorthograptus pacificus, 贵州省松桃县陆地坪五峰组, WF3; （i）Tangyagraptus typicus, YJ1井, WF3; （j）Strophomenid, W202井, 观音桥层; （k）Mucronaspis（Songxites）sp., W202井, 观音桥层; （l）含腕足类, Z201井, 观音桥层

图3 四川盆地及周缘龙马溪组笔石带组成及特征
（a）Avitograptus ex gr. Avitus（Davies）, W202井, LM1-2; （b）Avitograptus avitus, WX2井, LM2— LM3; （c）Dimorphograptus nankingensis, JY8井, LM4; （d）Pseudorthograptus sp., JY1井, LM4; （e）Dimorphograptus nankingensis, JY8井, LM4; （f）Cystograptus vesiculosus, JY8井; （g）Cystograptus vesiculosus, W204井, LM4; （h）Coronograptus cf. cyphus, JY1井, LM5; （i）Coronograptus cyphus, W202井, LM5; （j）Rastrites guizhouensis, JY1井, LM6; （k）Coronograptus cf. gregarius, JY8井, LM6; （l）Glyptograptus cf. tamaricus, JY1井, LM6; （m）Coronograptus cf. gregarius, JY8井, LM6

龙马溪组笔石带LM2— LM9发育, 不同笔石带特征笔石分子组成存在明显差异（见图3、图4）。笔石带Akidograptus ascensus（LM2）特征分子包括A.ascensus、P.praematurus、N.anjiensis、N.bicaudatus、Neodiplograptus modestus、Atavograptus atavus等。笔石带Parakidograptus acuminatus（LM3）特征分子包括Parakidograptus acuminatus、Cystograptus ancestralis、Hirsutograptus sinitzini、Agetograptus primus和Hirsutograptus comanits等。笔石带Cystograptus vesiculosus（LM4）特征分子包括Dimorphograptus nankingensis（见图3c、图3e）、Pseudorthograptus sp.（见图3d）、Cystograptus vesiculosus（见图3f、图3g）等。笔石带Coronograptus cyphus（LM5）特征分子包括Coronograptus cf. cyphus（见图3h）、Coronograptus cyphus（见图3i）等。笔石带Demirastrites triangulatus（LM6）特征分子包括Rastrites guizhouensis（见图3j）、Pernerograptus difformis、Coronograptus cf. gregarius（见图3k、图3m）、Coronograptus gregarius、Glyptograptus cf. tamaricus（见图3l）、Campograptus communis、Falcatograptus falcatus和Demirastrite triangulatus等。笔石带Lituigraptus convolutus带（LM7）特征分子包括Lituigraptus convolutus（见图4b、图4d、图4e）、Cephalograptus cometa（见图4a）和Torquigraptus decipiens（见图4f）等。笔石带Stimulograptus sedgwickii（LM8）特征分子包括Clinoclimacograptus retroversus、Pseudoretiolites daironi和Stimulograptus cf. sedgwickii（见图4c）等。笔石带Spirograptus guerichi（LM9）特征分子有Oktavites sp.（见图4g）、Stimulograptus sedgwickii（见图4h）、Spirograputs guerichi（见图4i、图4j）和Torquigraptus planus（见图4k）等。

图4 四川盆地及周缘龙马溪组笔石带组成及特征
（a）Cephalograptus cometa, JY1井, LM7; （b）Lituigraptus convolutus, JY1井, LM7; （c）Stimulograptus cf. sedgwickii, W204井, LM8; （d）Lituigraptus convolutes, W202井, LM7; （e）Lituigraptus convolutus, W204井, LM7; （f）Torquigraptus decipiens, YJ1井, LM7; （g）Oktavites sp., WX2井, LM9; （h）Stimulograptus sedgwickii, WX2井, LM9; （i）Spirograputs guerichi, WX2井, LM9; （j）Spirograptus gurichi, W202井, LM9; （k）Torquigraptus planus, WX2井, LM9

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组不同笔石带岩性和电性组合特征, 全区可以对比（见表1）。其中, 笔石带WF1— WF3对应着五峰组下部的笔石页岩段, WF4对应于观音桥段。笔石带LM1— LM5对应于龙马溪组龙一1亚段, 笔石带LM1对应于龙一11小层, 笔石带LM2— LM3对应于龙一12小层, 笔石带LM4对应于龙一13小层, 笔石带LM5对应于龙一14小层, 笔石带LM6— LM8对应于龙一2亚段, 笔石带LM9对应于龙二段。

表1 四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组不同笔石带岩相组合及测井相特征
3.2 笔石地层分布

五峰组— 龙马溪组沉积时期, 四川盆地及周缘东南部为滇中— 雪峰古隆起, 西北部为川中古隆起, 黑色页岩分布于两大古隆起之间。该时期存在西南和东北两大沉积区, 西南沉积区笔石带厚度较薄, 东北沉积区笔石带厚度较大。两大沉积区内部, 厚度均由东南向西北先增厚再减薄, 五峰组厚度小, 龙马溪组厚度大, 沉积中心主要分布于盆地内部, 纵向具有明显继承性（见图5）。

图5 四川盆地及周缘龙马溪组各笔石带地层展布

笔石带WF1— WF4页岩厚1.5~13.0 m, 沉积中心位于N201井一线, 沉积中心区页岩厚6~12 m。笔石带LM1页岩厚1~4 m, 西南区和东北区分界线位于WJ1井— R201井— 江津— 綦江一线（见图5a）。西南沉积区沉积中心位于长宁地区, LM1笔石带页岩厚度大于3 m; 东北区沉积中心位于忠县— 巫溪地区, LM1笔石带页岩厚度大于4 m, 涪陵地区位于沉积中心区的斜坡位置。笔石带LM2— LM3页岩厚2~10 m, 西南区和东北区分界线位于H12井— 重庆— NY1井一线（见图5b）。西南区沉积中心位于长宁— R201井区, 页岩厚4~8 m; 东北区沉积中心位于忠县— 巫溪地区, 笔石带LM2— LM3页岩厚度大于8 m, 涪陵地区位于沉积中心区的斜坡位置。笔石带LM4页岩厚4~12 m, 西南区和东北区分界线位于H12— 重庆— NY1井一线（见图5c）。西南区沉积中心位于长宁地区, 笔石带LM4页岩厚度大于6 m, 泸洲地区位于斜坡位置; 东北区沉积中心位于忠县— 巫溪地区, 笔石带LM4页岩厚度大于8 m, 涪陵地区仍位于沉积中心区的斜坡位置。笔石带LM5页岩厚4~24 m, 西南区和东北区分界线位于H12井— 重庆— NY1井一线（见图5d）。西南区沉积中心位于长宁— 赤水地区, 笔石带LM5页岩厚度为10~16 m; 第2个沉积中心位于忠县— 巫溪地区, 厚度为12~24 m, 涪陵地区位于沉积中心区的斜坡位置。

笔石带LM6— LM8页岩厚度为20~160 m, 盆内也发育西南和东北两大沉积区, 分界线位于WJ1井— 綦江一线（见图5e）。西南区沉积中心位于长宁地区, 页岩厚度为40~100 m; 东北区沉积中心位于忠县— 巫溪地区, 笔石带LM6— LM8页岩厚度为80~160 m。笔石带LM9页岩厚度为50~500 m, 西南区和东北区分界线位于达县— 涪陵井一线（见图5f）。西南区沉积中心位于Z202井区— YS1井区— 江津地区, 其可进一步细分为Z202井区、YS1井区和江津地区3个次一级沉积中心, 厚度均大于400 m。东北区沉积中心位于建深1井区, 厚度大于250 m。

4 不同笔石带页岩储集层特征
4.1 矿物组成及TOC特征

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组样品全岩X-衍射测试结果表明, L203井黑色页岩主要矿物成分有石英（平均含量48.8%）、碳酸盐矿物（平均含量20.3%）和黏土矿物（平均含量22.8%）, 次要矿物有斜长石（平均含量2.5%）和黄铁矿（平均含量2.7%）（见表2）。不同笔石带内部黑色页岩各矿物组成存在明显差异, 总体上, 笔石带LM1— LM4页岩石英含量均大于50%。同样, L203井样品TOC测试结果表明, 黑色页岩TOC值为0.6%~5.8%, 平均值2.3%, 总体上, 笔石带LM1— LM4页岩TOC值均大于2%。

表2 四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组各笔石带矿物组成及TOC

以石英、碳酸盐和黏土矿物为3端元对黑色页岩进行划分。当某种矿物成分的质量分数大于50%, 即以该成分名作为岩性名; 若3种主要成分质量分数均不足50%, 即称为混合岩[17]。硅质页岩的石英质量分数大于50%, 钙质页岩的碳酸盐矿物质量分数大于50%, 黏土质页岩的黏土矿物质量分数大于50%, 混合页岩中3类矿物质量分数均不足50%。以TOC值4%和2%为界[18], 可进一步将黑色页岩划分为富有机质页岩、含有机质页岩和贫有机质页岩。富有机质页岩TOC值大于4%, 含有机质页岩TOC值为2%~4%, 贫有机质页岩TOC值小于2%。结果显示, 四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组黑色页岩主要为硅质页岩和混合页岩。其中, 笔石带LM1— LM5主要发育富有机质硅质页岩和含有机质硅质页岩, 而其他笔石带主要发育含有机质或贫有机质混合页岩。

4.2 纹层、微裂缝及孔隙特征

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组主要发育块状层理和水平层理两大类层理[10, 19], 以及顺层缝和非顺层缝两类裂缝[11]。由下至上, 不同笔石带页岩层理类型和裂缝密度均具有特殊性。五峰组由下至上依次发育生物扰动型块状层理、递变型水平层理和均质型块状层理（见图6）。生物扰动型块状层理发育于笔石带WF2下部, 由下至上, 生物扰动强度减弱。该笔石带裂缝密度低, 以少量顺层缝为主。递变型水平层理发育于笔石带WF2上部及WF3, 由下至上, 单个递变层厚度逐渐增大。与笔石带WF2下部页岩相比, 笔石带WF2上部和WF3页岩裂缝密度明显增加, 顺层缝和非顺层缝均较发育。均质型块状层理发育于笔石带WF4页岩。均质型块状层理页岩内部, 双壳类等生物碎屑富集, 代表了典型的赫南特阶生物类型组合。笔石带WF4页岩内部, 裂缝密度低, 顺层缝和非顺层缝均不发育。龙马溪组由下至上依次发育条带状粉砂型水平层理、砂泥递变型水平层理和砂泥互层型水平层理。笔石带LM1页岩发育条带状粉砂型水平层理, 页岩中常发育大量顺层缝和非顺层缝, 相互交织构成网状。笔石带LM2页岩发育砂泥递变型水平层理, 页岩中顺层缝密度相对较大, 非顺层缝密度相对较低。笔石带LM3及以上页岩发育砂泥互层型水平层理, 页岩裂缝密度进一步减少, 只发育少量顺层缝。不同笔石带砂泥互层型水平层理特征存在差异性。笔石带LM3页岩内部, 砂泥互层型水平层理主要表现为砂泥薄互层, 粉砂纹层与泥纹层厚度之比为1/3~1/2。笔石带LM4页岩内部, 砂泥互层型水平层理主要表现为砂泥等厚互层, 粉砂纹层与泥纹层厚度之比为1/2~1。笔石带LM5及以上页岩, 砂泥互层型水平层理主要表现为厚砂薄泥型, 粉砂纹层与泥纹层厚度之比大于1。

图6 四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组层理类型及纵向分布

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组黑色页岩发育有机孔、无机孔和微裂缝[19], 无机孔主要为石英晶间孔, 以及碳酸盐矿物和少量长石溶蚀而成的溶蚀孔隙。五峰组笔石带WF2— WF3页岩面孔率为1.3%~2.1%, 笔石带WF4页岩面孔率为0.7%。龙马溪组不同笔石带页岩孔隙由下至上, 面孔率逐渐降低。其中, 笔石带LM1页岩面孔率为1.7%~3.3%, 笔石带LM2— LM3页岩面孔率为0.3%~1.2%, 笔石带LM4页岩面孔率为0.2%~0.7%, 笔石带LM5页岩面孔率为0.1%~0.5%, 而笔石带LM6— LM8和笔石带LM9的页岩面孔率不足0.1%。随着总面孔率的降低, 有机孔、无机孔和微裂缝的面孔率也相应降低。

5 讨论
5.1 不同笔石带页岩形成背景及成因

不同笔石带页岩形成的古气候、古水体盐度、古水体氧化— 还原条件和古沉积速率均存在差异。古气候方面, 四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组经历了温暖湿润— 寒冷干燥— 温暖湿润— 寒冷干燥的演化过程[15, 20, 21, 22]。笔石带WF2— WF3沉积时期, 古气候温暖湿润, 笔石带WF4（观音桥段）沉积时期古气候寒冷干燥。笔石带LM1沉积时期, 古气候再次变为温暖湿润, 笔石带LM2— LM3沉积时期古气温最高, 然后有所相对降低。五峰组— 龙马溪组沉积时期古水体盐度整体较低, 但不同时期存在差异。笔石带WF2— WF3沉积时期, 古盐度相对较高, 然后逐渐降低再升高, 笔石带WF2— WF3沉积时期达到最大值, 笔石带LM1沉积时期再次降到最低, 然后又逐渐升高。古氧化-还原条件方面, 笔石带WF2— WF3沉积时期水体为氧化— 弱氧化环境, 然后逐渐过渡为缺氧/硫化; 笔石带WF4沉积时期再次进入富氧— 欠氧环境, 笔石带LM1沉积时期古水体为缺氧环境, 然后逐渐进入贫氧及氧化环境[8, 23, 24, 25]。古沉积速率方面, 五峰组— 龙马溪组由下至上沉积速率逐渐增大。五峰组厚1.5~13.0 m, 沉积持续时间3.19 Ma, 沉积速率0.5~4.1 m/Ma。笔石带LM1厚1.0~4.5 m, 沉积持续时间0.6 Ma, 沉积速率1.7~7.5 m/Ma。笔石带LM2— LM3厚2~10 m, 沉积持续时间1.36 Ma, 沉积速率1.5~7.4 m/Ma。笔石带LM4厚2.0~14.5 m, 沉积持续时间0.9 Ma, 沉积速率2.2~16.1 m/Ma。笔石带LM5厚4~25 m, 沉积持续时间0.8 Ma, 沉积速率为5.0~31.2 m/Ma。笔石带LM6— 8厚20~160 m, 沉积持续时间2.28 Ma, 沉积速率为8.8~70.2 m/Ma。笔石带LM9厚50~510 m, 沉积持续时间0.36 Ma, 沉积速率为138.9~1 416.7 m/Ma。

晚奥陶世至早志留世, 四川盆地及周缘处于古赤道附近, 为一半封闭的陆表海[4]。古气候变化造成降雨量变化, 从而导致古水体盐度变化[16]。笔石带WF2— WF3沉积时期, 由于气候温暖潮湿, 降雨量增多, 从而水体逐渐淡化。笔石带WF4沉积时期, 由于气候变得寒冷干燥, 降雨量减少, 从而导致水体盐度升高。笔石带LM1沉积时期, 由于气候再次变得温暖潮湿, 降雨量增加, 从而导致古水体盐度再一次降低。笔石带LM2及其之后沉积时期, 随着古气候逐渐变得寒冷干燥、降雨量减少, 古水体盐度又逐渐升高。古气候变化还影响着古水体氧化-还原条件。温暖潮湿的古气候造成大量低密度的温暖淡水注入, 表层水体与底层水体上下对流困难, 底层水体还原性增强; 寒冷干燥的气候条件造成表层水体密度增大, 水体上下对流加强, 底层水体含氧量增加[8]。

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组沉积速率的变化与该地区周缘板块构造活动密切相关。中奥陶世末期, 华夏陆块和扬子陆块发生汇聚作用, 中上扬子地区形成前陆盆地。志留纪早期, 中上扬子地区一直处于挤压收缩的构造背景。早志留世, 伴随来自于南东方向挤压作用的增强, 四川盆地及周缘作为扬子前陆盆地隆后盆地的一部分, 一直不断抬升, 川中古隆起逐渐扩大, 海域缩小变浅, 沉积分异作用加剧。晚奥陶世卡迪阶至鲁丹阶, 周缘板块构造活动相对较弱, 故陆源碎屑供给较少, 盆内沉积以内源为主, 笔石带WF2— WF3至LM5沉积速率低。早志留世埃隆阶之后, 由于周缘板块构造活动增强, 陆源碎屑供给增加, 从而造成笔石带LM6— LM8和LM9黏土矿物含量显著增加, 沉积物沉积速率增大。

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组沉积速率的改变, 不仅导致不同笔石带页岩厚度及矿物组分差异, 而且形成特殊的地层分布模式。笔石带WF2— WF3至笔石带LM5沉积时期, 页岩相对较薄, 矿物组分以硅质、碳酸盐矿物为主, 黏土矿物含量低, 沉积中心区位于半深水— 深水陆棚环境, 相对浅水区未见过路不留或短期暴露标志。笔石带LM6— LM9沉积时期, 页岩相对较厚, 矿物组分虽仍以硅质、碳酸盐矿物为主, 但黏土矿物含量明显增加。该时期沉积中心区虽仍位于半深水— 深水陆棚沉积环境, 但相对浅水区可见少量过路不留标志。这种分布模式与沉积物成因密切相关。五峰组— 龙马溪组页岩硅质主要为生物成因[26, 27], 碳酸盐矿物主要为生物化学或化学成因[28], 黏土矿物主要为陆源碎屑成因[29]。笔石带WF2— WF3至笔石带LM5沉积时期, 细粒物质主要为源内成因, 半深水— 深水陆棚相由于水体清洁, 故页岩厚度大, 相对浅水区页岩由于陆源碎屑含量高, 故页岩厚度较薄。笔石带LM6— LM9沉积时期, 细粒沉积仍以源内成因为主, 但源外供给增加, 半深水— 深水陆棚相由于可容空间较大, 故页岩厚度大, 相对浅水区由于可容空间较小, 故页岩厚度较薄, 局部形成过路不留或短期暴露标志。

5.2 不同笔石带储集层特征差异性成因

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组矿物成分以石英、碳酸盐和黏土等矿物为主, 其中笔石带LM1— LM4页岩石英含量大于50%, 而其他笔石带页岩石英含量均低于50%。笔石带LM1— LM4页岩的高硅质含量与该时期极低的陆源碎屑供给速率及温暖潮湿的气候条件密切相关。笔石带LM1— LM4页岩的硅质多为生物成因硅[26, 27], 硅质生物多为硅质海绵和放射虫等生物[30]。前人研究表明, 硅质海绵和放射虫等生物多生活于清洁的水体环境, 大量陆源碎屑供给容易造成其窒息死亡[31, 32]。在气候相对温暖潮湿的季节, 可能来源于陆源淡水或上升流中的大量营养成分容易导致硅质生物的勃发性生长[33], 从而造成周期性的硅质沉积[34]。笔石带LM1— LM4页岩形成时期, 其沉积速率仅为1.7~16.1 m/Ma, 沉积速率极低, 陆源碎屑供给少, 从而有利于硅质生物的生长。而其它笔石带页岩形成时期, 由于陆源碎屑供给过多, 不利于硅质生物的生存, 从而硅质含量降低。

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组笔石带LM1— LM4页岩的TOC值高, 普遍大于2%, 而其他笔石带页岩的TOC值常小于2%。笔石带LM1— LM4页岩形成时期, 气候温暖湿润, 从而有利于浮游藻类、疑源类等浮游生物的大量生长发育, 从而初级生产力大幅度提高, 且厌氧— 缺氧的水体有利于有机质大量保存[35]。同时, 该时期极低的沉积速率不会造成有限有机质的稀释, 故笔石带LM1— LM4页岩TOC值高。其他笔石带页岩段由于水体多处于氧化状态, 气候相对寒冷干燥, 不利于有机质的生成和保存, 且高沉积速率会进一步降低页岩有机质丰度, 从而TOC值相对较低。

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组不同笔石带页岩的纹层类型差异明显, 其形成与该时期的水体氧化-还原条件及沉积速率密切相关。笔石带WF2下部页岩形成时期, 盆地水体处于低能富氧的状态[8], 沉积物沉积速率极低, 大量生物因此在此长时期殖居[36], 从而形成具有强烈生物扰动的生物扰动型块状层理。笔石带WF4页岩形成时期, 全球气候变凉, 水体中含氧量增高, 水动力增强, 介壳等生物大量生长, 强水动力及生物活动对底层沉积物强烈改造, 从而形成均质型块状层理。笔石带WF2上部及WF3页岩形成时期, 由于水体闭塞[27], 陆源碎屑供给严重不足, 气候季节性变化形成正粒序层或反粒序层, 从而形成递变型的水平层理。笔石带LM1及以上页岩形成时期, 海洋环境相对开阔, 水体以平流为主, 故形成不同平行层理。同时, 随着物源供给增加, 依次形成条带状粉砂型水平层理、砂泥递变型水平层理和砂泥互层型水平层理, 砂/泥值和砂质层单层厚度增加[37]。四川盆地五峰组— 龙马溪组笔石带LM1— LM4页岩由于高TOC值、高硅质含量、高含气性及高孔隙度, 目前已成为页岩气勘探开发的“ 甜点” [38], 其形成是稳定的构造背景、低陆源碎屑物质供给、温暖潮湿相互作用的产物。四川盆地及周缘下寒武统筇竹寺组及中下扬子地区五峰组— 龙马溪组黑色页岩也广泛分布[3], 势必将成为下步页岩气勘探的重要领域, 优质页岩段的形成及分布可能也受构造背景、古气候及陆源碎屑供给的控制。

6 结论

四川盆地及周缘五峰组— 龙马溪组发育笔石带WF1— WF3、WF4和LM1— LM9, 不同笔石带页岩岩性和电性组合差异可用岩性和电性特征标定。不同笔石带页岩分布呈现西南和东北2大沉积中心、页岩集中于滇中— 雪峰和川中古隆起之间的特征。

不同笔石带页岩矿物成分、TOC和纹层类型存在差异。笔石带WF2下部和WF4发育含（贫）有机质块状层理混合页岩, 笔石带WF2上部及WF3发育含有机质水平层理混合页岩, 笔石带LM1— LM4发育富（含）有机质水平层理硅质页岩, LM5— LM 9发育贫有机质水平层理混合页岩。

页岩矿物成分、TOC及层理类型受控于古气候、古水体氧化-还原条件和古沉积速率。笔石带WF2下部, 水体由于温暖富氧, 故块状层理发育、硅质含量和TOC值低。笔石带WF4水体由于较凉、富氧, 故块状层理发育、钙质含量高、TOC值低。笔石带WF2上部、WF3、LM1— LM4水体由于贫氧、沉积速率低, 故富有机质硅质页岩水平层理发育, 粉砂纹层含量高。笔石带LM5— LM9水体由于富氧、沉积速率过高, 故TOC和硅质含量低、粉砂纹层含量高。

致谢：本文中所涉及到的笔石属种名均由中国科学院南京地质古生物研究所陈旭院士鉴定, 中国石油勘探开发研究院郭伟、赵群和梁峰提供了部分笔石照片, 写作过程中得到了陈旭院士和邹才能院士的悉心指导, 在此一并表示感谢。

(编辑 黄昌武)

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