0 引言
震旦纪—二叠纪，中上扬子地区发育乐山—龙女寺古隆起［图1（a）］［15］，分布面积达6.25×104 km2。乐山—龙女寺古隆起为同沉积兼剥蚀古隆起［16］，其开始形成于早寒武世，定型于二叠纪前，形状呈大型鼻状。乐山—龙女寺古隆起经历了多期演化。震旦纪灯影期—寒武纪筇竹寺期，四川盆地内部发育高石梯—磨溪古隆起［17］、资阳—威远古隆起和德阳—安岳古裂陷［18-19］。寒武纪末，德阳—安岳古裂陷发生填平补齐［20］，高石梯—磨溪古隆起和资阳—威远古隆起相连形成乐山—龙女寺古隆起［21］。奥陶纪，川南地区西北部发育乐山—龙女寺古隆起，古地貌表现为西北隆、中部高、东南洼的特征［22-24］。乐山—龙女寺古隆起影响着川南地区震旦系—寒武系烃源岩及优质储层的形成［22］，控制着油气聚集和大气区分布［25-27］。
川南地区五峰组—龙马溪组黑色页岩分布面积达5×104 km2，埋深在4 500 m以浅的优质页岩可工作面积超过2×104 km2，地质资源量超过10×1012 m3。目前，川南地区五峰组—龙马溪组页岩气勘探已取得重大突破，已在长宁、威远、焦石坝、渝西、泸州、昭通等地区获得万亿方探明储量，2021年页岩气年产量达到111.7×108 m3。乐山—龙女寺古隆起对五峰组—龙马溪组页岩气的形成、分布和聚集具有重要控制作用。然而，由于资料限制，乐山—龙女寺古隆起的研究目前仍存在以下问题：①五峰组—龙马溪组沉积时期，川南地区古地貌特征不清楚；②乐山—龙女寺古隆起上覆五峰组—龙马溪组含气页岩分布特征不明确；③乐山—龙女寺古隆起不同地貌单元页岩矿物组成、有机质特征差异性及其成因不清楚。针对以上问题，本文基于二维和三维地震资料精细解释和钻井资料分析，系统论述川南地区五峰组—龙马溪组沉积时期的古地貌特征，分析不同地貌单元含气页岩特征的差异性，并探讨其成因机理。
1 地质背景
扬子台地五峰组—龙马溪组黑色页岩形成于华南盆地消亡和华南造山带形成时期。中奥陶世之前，中上扬子地区为一大型被动大陆边缘，以碳酸盐沉积为主。晚奥陶世—早志留世，华夏地块与扬子地块相互碰撞，上扬子地区进入前陆盆地演化阶段［32-33］，陆源碎屑沉积占主导地位。该时期，上扬子地区西北部为乐山—龙女寺古隆起，南部为黔中隆起、雪峰隆起和武夷—云开隆起，中间为中上扬子隆后滞流海盆，以浅海深水盆地沉积为主［图1（a）］。该时期川南地区处于半闭塞滞流状态，水体上下对流受限，水体多呈缺氧还原状态。由于华夏地块向北西方向挤压作用增强，扬子地块不断抬升，乐山—龙女寺古隆起隆升幅度也逐渐扩大。研究区位于中上扬子地区西南部［图1（b）］，其北部位于乐山—龙女寺古隆起南缘，南部位于泸州市以南，西部位于屏山以东，东部位于重庆以西，分布面积约为3×104 km2。
晚奥陶世—早志留世，川南地区沉积了一套以黑色页岩为主的五峰组—龙马溪组。五峰组除顶部1~2 m为富含赫南特贝动物群化石的介壳灰岩或泥灰岩（观音桥层）外［34］，其他部位均为富含笔石化石的页岩（笔石页岩段），中间夹有薄层火山灰沉积层［图1（c）］。龙马溪组分为龙一段和龙二段：龙一段主要为黑色、灰黑色薄层状页岩或块状页岩，页理和裂缝发育［31，35］；龙二段主要为灰绿色、黄绿色页岩及砂质页岩，局部夹有粉砂岩或泥质灰岩。根据岩性和电性特征，龙一段细分为龙一1亚段和龙一2亚段，龙一1亚段进一步细分为龙一1 1、龙一1 2、龙一1 3和龙一1 4小层［29，36］。五峰组—龙一1亚段是川南地区页岩气富集段和开发层段，因此也称为含气页岩段。
川南地区五峰组—龙马溪组共发育13个笔石带，岩性段与笔石带可以对比［28］。其中，五峰组笔石页岩段对应于笔石带WF1-3，观音桥层对应于笔石带WF4；龙马溪组龙一1 1小层对应于笔石带LM1，龙一1 2小层对应于笔石带LM2-3，龙一1 3小层对应于笔石带LM4，龙一1 4小层对应于笔石带LM5，龙一2亚段对应于笔石带LM6-8，龙二段对应于笔石带LM9。
2 研究方法
2.1 古地貌恢复
采用地球物理方法，借助研究区14条品质相对较好的过井二维地震测线和威远地区282 km2三维地震测线，开展川南地区五峰组—龙马溪组沉积时期的古地貌恢复。首先，利用关键井合成地震记录标定，确定龙马溪组顶界面和五峰组底界面。然后，开展龙马溪组顶界面层拉平，并追踪五峰组—龙马溪组底界面上超点的分布，明确五峰组底界的古地貌形态、地形坡折分布、地貌单元划分，并计算古斜坡延伸规模、地形坡降和地形起伏高度。最后，观察五峰组和龙马溪组内部地震反射同相轴与五峰组底界面接触关系，确定地层形成过程及沉积古水深等。
为进一步明确研究区古地貌特征，开展了系统的沉积相分析。研究内容主要包括沉积相带划分、页岩层理类型及有机质特征等。以此为基础，进一步明确古地貌单元及分布。
2.2 地层展布
通过连井地层对比和地层等厚图的编制，开展川南地区五峰组—龙马溪组的分布研究： ①选取11口标准井（测井资料、录井资料和岩心资料均齐全），系统开展测井相识别、岩性地层划分和笔石带研究，明确笔石带组成及划分；②以标准井为基准，开展连井地层划分和对比，明确各笔石带的分布；③以标准井标定全区120口评价井，开展各笔石带页岩等厚图编制，明确页岩分布范围及厚度特征。
2.3 含气页岩特征
在每一个地貌单元上，选取典型页岩样品，系统开展颗粒粒度、矿物组成及TOC含量分析。本文研究共选取样品55块，开展实验分析共235样次。其中，氩离子抛光片扫描电镜分析35样次，XRD全岩分析共155样次，TOC含量测试共45样次。氩离子抛光片场发射扫描电镜分析在中国石油勘探开发研究院实验研究中心开展，TOC含量测定和X射线衍射全岩分析在国家能源页岩气研发（实验）中心进行。
3 古地貌特征
3.1 形态特征
晚奥陶世—早志留世，川南地区五峰组—龙马溪组形成于乐山—龙女寺古隆起的东南斜坡之上。该斜坡顶端始于乐山—龙女寺古隆起核部，底部结束于泸州地区，由西北向东南，地势逐渐变低。自乐山—龙女寺古隆起核部至东南斜坡最底端（图2），该斜坡延伸距离达85 km，由北向南发育三大地形坡折。在过自201井—安8井二维地震测线上［图2（a）］，斜坡自安8井延伸至自201井附近，延伸距离达85 km。威210井右侧发育地形坡折1。自201井至安8井之间地震反射同相轴具有明显的双向上超特征，上超点延伸至安8井位置，表明该斜坡在形成过程中具有同沉积隆起的性质［23］。上超点之下，地层表现为平行整合接触，未见任何削截现象。在过泸207井—威206井—威231井二维地震测线上［图2（b）］，斜坡延伸距离达70 km，发育地形坡折1和地形坡折2。五峰组—龙马溪组整体上超尖灭于斜坡之上，五峰组下伏地层与斜坡整体呈平行整合接触。
在过荣201井—足201井二维地震测线上［图2（c）］，斜坡延伸距离达60 km，发育地形坡折1、地形坡折2和地形坡折3。五峰组—龙马溪组整体上超尖灭于斜坡之上，五峰组下伏地层与斜坡整体呈平行整合接触。
三维地震测线同样显示（图3），东南斜坡形成于五峰组—龙马溪组接受沉积之前，为一同沉积水下斜坡五峰组与斜坡下伏的宝塔组多为平行整合接触，而斜坡上覆的五峰组—龙马溪组由南向北逐渐超覆于古斜坡之上。
3.2 地貌单元划分
图4 乐山—龙女寺古隆起东南斜坡不同古地貌单元平面分布Fig.4 Distribution of various paleogeomorphic units on the southeastern slope of the Leshan-Longnüsi paleo-uplift |
表1 乐山—龙女寺古隆起东南斜坡古地貌单元特征Table 1 Characteristics of various paleogeomorphic units on the southeastern slope of the Leshan-Longnüsi paleo-uplift |
| 地貌单元 | 分布位置 | 地形坡降/（m/km） | 宽度/km | 含气页岩厚度/m |
|---|---|---|---|---|
| 水下高地 | 低潮线至地形坡折1 | <0.25 | 10~40 | 0~10 |
| 水下斜坡 | 地形坡折1至地形坡折2 | 0.5~1 | 5~30 | 10~30 |
| 水下平原 | 地形坡折2至地形坡折3 | <0.1 | 40~90 | 30~40 |
| 水下洼地 | 地形坡折3以深 | 0.3~0.7 | 8~25 | 40~47 |
3.3 沉积相类型及划分
川南地区五峰组—龙马溪组主要发育陆棚相，根据地形坡折划分为浅水陆棚和深水陆棚2个亚相，深水陆棚亚相细分为深水斜坡、深水平原和深水洼地3个微相。
图6 乐山—龙女寺古隆起东南斜坡五峰组—龙马溪组不同沉积相带薄片照片显示页岩粒度（a）浅水陆棚亚相，自203井，3 000.65 m，正交光；（b）深水斜坡微相，威201井，1 540.98 m，正交光； （c）深水平原微相，泸208井，3 840.77 m，正交光；（d）深水洼地微相，泸202井，4 450.5 m，正交光 Fig.6 Thin section photos showing grain size of different sedimentary facies of the Wufeng-Longmaxi shale on the southeastern slope of the Leshan-Longnüsi paleo-uplift |
图7 乐山—龙女寺古隆起东南斜坡五峰组—龙马溪组不同沉积相带大薄片照片显示典型层理类型（a）砂泥互层型水平层理，浅水陆棚亚相，威202井，2 573.8 m，正交光；（b）砂泥递变型水平层理，深水斜坡微相，威201井，1 540.98 m，正交光；（c）书页型水平层理，深水平原微相，自201井，3 668.8 m，正交光；（d）深水洼地微相，泸202井，4 450.5 m，正交光 Fig.7 Enlarged thin section photos showing bedding types of different sedimentary facies of the Wufeng-Longmaxi shale on the southeastern slope of the Leshan-Longnüsi paleo-uplift |
4 含气页岩分布特征
4.1 单井和连井剖面特征
乐山—龙女寺古隆起东南斜坡水下高地和水下斜坡位置龙马溪组常缺失笔石带LM1⁃4，而水下洼地和水下平原位置笔石带发育完整。在过黄204井—王家1井连井剖面上（图8），水下高地和水下斜坡位置的足201井和王家1井，笔石带LM1⁃4缺失；而水下洼地和水下平原位置的黄204井和荣201井，龙马溪组笔石带发育完整。
乐山—龙女寺古隆起东南斜坡五峰组—龙马溪组含气页岩由东南向西北逐渐上超尖灭。在过自201井—威210井连井对比剖面上（图9），自201井和威201H40-4井五峰组和龙马溪组13个笔石带发育完整，而威203井和威210井笔石带LM1⁃3缺失，由自201井至威210井，地层逐渐上超尖灭。
4.2 页岩等厚图特征
乐山—龙女寺古隆起东南斜坡五峰组—龙马溪组含气页岩厚度由东南向西北逐渐减薄，地形坡折带两侧页岩厚度变化速率明显差异［图10（a）］。五峰组页岩厚度最大值位于自210井—自213井—荣201井一线［图10（b）］，由南向北页岩厚度逐渐减薄，自207井以北五峰组缺失。LM1段最大厚度位于自210井—荣232井—荣231井一线［图10（c）］，向北逐渐减薄，自215井—足206井一线以北LM1段缺失。LM2-3段最大厚度位于自204井—自201井—威233井—足203井一线［图10（d）］，向北快速减薄，自213井以北LM2-3段缺失。LM4段［图10（e）］和LM5段［图10（f）］也存在明显的厚度变化，由南向北逐渐减薄。
5 含气页岩物质组成特征
5.1 颗粒组成
图11 SEM照片展示乐山—龙女寺古隆起东南斜坡不同地貌单元含气页岩粒度（a）水下高地，威210井，3 228.7 m；（b）水下斜坡，威206井，3 753.86 m；（c）水下平原，泸207井，3 456.75 m；（d）水下洼地，泸202井，4 319.85 m Fig.11 SEM photos showing the gas-bearing shale grain size in various paleogeomorphic units on the southeastern slope of the Leshan-Longnüsi paleo-uplift |
表2 乐山—龙女寺古隆起东南斜坡不同古地貌单元含气页岩组成Table 2 Composition of gas-bearing shale in different paleogeomorphic units on the southeastern slope of the Leshan-Longnüsi paleo-uplift |
| 地貌单元 | 颗粒组成 | 平均粒径/μm | 矿物组成 | TOC/% |
|---|---|---|---|---|
| 水下高地 | 细粉砂>90% | 12.6~17.5 | 碳酸盐矿物30%~40%，硅质<55%，黏土矿物<35% | 1.9~4.2，平均3.4 |
| 水下斜坡 | 细粉砂75%~90% | 6.75~14 | 碳酸盐矿物20%~30%，硅质<55%，黏土矿物<35% | 1.3~11.2，平均2.6 |
| 水下平原 | 细粉砂50%~75% | 7.6~13.83 | 碳酸盐矿物10%~20%，硅质<55%，黏土矿物<35% | 0.9~7.8，平均2.4 |
| 水下洼地 | 细粒泥>50% | <3.9 | 硅质含量>55%，黏土矿物<35% | 1.1~5.3，平均2.3 |
水下高地含气页岩主要由细粉砂组成，细粉砂颗粒含量>90%，颗粒平均粒径为12.6~17.5 μm。水下斜坡含气页岩主要由细粉砂组成，细粉砂含量为75%~90%，颗粒平均粒径为6.75~14 μm。水下平原含气页岩主要由细粉砂和细粒泥组成，细粉砂含量为50%~75%，颗粒平均粒径为7.6~13.83 μm。水下洼地页岩主要由细粒泥组成，含量超过50%，颗粒平均粒径<3.9 μm。
5.2 矿物组成
川南地区五峰组—龙马溪组含气页岩主要由硅质、碳酸盐矿物（方解石、白云石）、黏土矿物、黄铁矿、长石等组成。黏土矿物主要为伊利石、绿泥石和伊/蒙混层，长石主要为斜长石。
水下高地含气页岩主要由碳酸盐矿物、硅质和黏土矿物组成，碳酸盐矿物含量为30%~40%（表2）。水下斜坡含气页岩主要由硅质、碳酸盐矿物、黏土矿物和黄铁矿等组成，碳酸盐矿物含量为20%~30%。水下平原含气页岩主要由硅质、碳酸盐矿物和黏土矿物组成，碳酸盐矿物含量为10%~20%。水下洼地含气页岩主要由硅质组成，含量>55%，含少量碳酸盐矿物和黏土矿物。
由水下高地至水下洼地，含气页岩的硅质含量逐渐增加、碳酸盐矿物含量逐渐降低、黏土矿物含量先降低再升高。以过威232井—阳101井连井剖面含气页岩为例（图12），页岩硅质含量由水下高地位置（威231井）的41.3%上升至水下洼地位置（古202-H1井）的64.9%，碳酸盐矿物含量由22.9%降至5.6%，黏土矿物含量由34.1%降至18.4%再升至37.5%。
5.3 TOC含量
川南地区五峰组—龙马溪组含气页岩TOC含量为0.9%~11.2%（表2）。其中，水下高地含气页岩TOC含量为1.9%~4.2%，平均值为3.4%。水下斜坡含气页岩TOC含量为1.3%~11.2%，平均值为2.6%。水下平原含气页岩TOC含量为0.9%~7.8%，平均值为2.4%。水下洼地含气页岩TOC含量为1.1%~5.3%，平均值为2.3%。
由水下高地至水下洼地，含气页岩TOC含量逐渐降低。以笔石带LM4段为例（图13），页岩TOC含量为2.0%~3.4%。其中，水下斜坡上部（威232井）含气页岩TOC含量平均值为3.4%，水下斜坡下部（威206井）平均值为3.2%，水下平原位置（荣232井）平均值为2.9%，而水下洼地位置（泸208井和泸209井）平均值分别为2.6%和2.0%。
6 含气页岩组成差异性成因
6.1 黏土矿物含量
沉积盆地中，黏土矿物大多数来源于陆源风化产物，水体中SiO2和Al2O3胶体凝聚、长石转化及火山碎屑物质蚀变形成的黏土矿物含量占比较小［37］。因此，黏土矿物的含量可以反映物源。川南地区五峰组—龙马溪组黑色页岩黏土矿物主要来源于乐山—龙女寺古隆起核部，其含量和分布可以反映物源的远近。因此，由水下高地至水下斜坡方向，黑色页岩中黏土矿物含量逐渐降低，颗粒粒度变细。
川南地区五峰组—龙马溪组黑色页岩的黏土矿物含量还受到浊流作用的影响［37］。在水下斜坡、水下平原和水下洼地等位置，由于大量浊流沉积的存在，造成黑色页岩中黏土矿物含量明显增加。泸州地区页岩黏土矿物含量平均值比威远地区高8%，其成因多与浊流沉积有关。
6.2 硅质含量
黑色页岩中，硅质主要有陆源碎屑成因、海底火山及热液成因、生物成因和黏土矿物转化成因等。不同成因的硅质其分布规律及形成主控因素存在差异。陆源碎屑成因硅质的含量及分布主要受物源影响，越靠近源区，硅质含量越高；海底火山及热液成因硅质的含量及分布主要受热源控制，越靠近热源，硅质含量越高；生物成因硅质含量与分布主要受水深等控制，在远离陆源碎屑供给的深水陆棚区，随着水深增大，生物成因硅质含量增大［37］。
6.3 碳酸盐矿物含量
黑色页岩中，碳酸盐矿物主要有陆源成因、生物成因、原生化学沉淀和成岩转化成因。陆源碳酸盐矿物与物源区远近有关，越靠近物源区，表层沉积物中碳酸盐矿物含量越高［40-41］。生物成因和原生化学沉淀成因主要受水体深度控制，水体越深，碳酸盐矿物含量越低，水体越浅，碳酸盐矿物含量越高。南海西部表层沉积物中碳酸盐矿物含量在水深400 m以内随着水深增大不断增加，水深400~600 m，碳酸盐矿物平均含量最高（含量超过40%）；当水深大于1 300 m时，随着水深增大，碳酸盐矿物含量降低，在水深4 000~4 300 m时碳酸盐矿物含量仅为3.73%~5.89%［42］。成岩转化方解石的形成与裂缝发育及地下水活动有关。
川南地区五峰组—龙马溪组含气页岩碳酸盐矿物主要来源于陆源成因，少部分为原生化学沉淀成因［43］，因此，随着水深增大，页岩中碳酸盐矿物含量降低，颗粒粒度变细。由水下高地至水下斜坡、水下平原和水下洼地，五峰组—龙一段页岩中碳酸盐矿物含量逐渐降低。其中，水下高地页岩碳酸盐矿物含量最高，平均值超过20%。
6.4 TOC含量
不同地貌单元由于沉积微环境存在差异，水体的初级生产力存在巨大差异。同时，不同地貌单元的古水深也存在较大变化，有机质在沉降过程中遭受的氧化作用时间不同，也会造成有机质保存量差异。晚奥陶世—早志留世，川南地区古水体呈分层状态，水体上下对流困难［46-47］，因此，水体中的N、P注入营养元素对表层水体生产力十分关键。南斜坡上部由于水体浅、物源近，水体中营养元素含量高，故水体初级生产力高；南斜坡下部由于水体深、物源远，水体中营养元素含量低，故水体初级生产力低。同时南斜坡上部水体浅，有机质遭受氧化的时间短，有利于有机质保存；而下部水深大，有机质遭受氧化的时间长，不利于有机质保存。另外，高初级生产力会进一步导致水体缺氧，更有利于有机质的富集保存。因此，在水体整体处于贫氧—缺氧的状态下［48］，南斜坡上部页岩TOC含量高，而下部页岩TOC含量低。
7 结论
（1）川南地区五峰组—龙马溪组是在乐山—龙女寺古隆起东南斜坡背景上沉积的，该斜坡为同沉积水下斜坡，由威远地区向东南伸展至泸州地区，延伸距离达85 km，地形坡降为0~1 m/km。
（2）川南地区五峰组—龙马溪组沉积期乐山—龙女寺古隆起东南斜坡存在三大地形坡折，发育水下高地、水下斜坡、水下平原和水下洼地4种地貌单元。
（3）川南地区五峰组—龙马溪组由东南向西北逐层上超于乐山—龙女寺古隆起东南斜坡之上，东南部泸州地区五峰组和龙马溪组均发育完整，而西北部威远和自贡地区龙马溪组常缺失笔石带LM1⁃4。
（4）川南地区乐山—龙女寺古隆起东南斜坡不同地貌单元上覆含气页岩的粒度、矿物组成和TOC含量差异，由水下高地至水下洼地，页岩颗粒的粒度逐渐变细，TOC含量逐渐降低，碳酸盐矿物含量逐渐降低，硅质含量逐渐增加，黏土矿物含量先降低再增加。
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