天然气地球科学, 2021, 32(9): 1308-1323 doi: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.04.002

天然气地质学

中上扬子地区下寒武统筇竹寺组结核体发育特征及沉积环境意义

王玉满,1, 沈均均2, 邱振1, 李新景1, 张磊夫1, 张琴1, 王灿辉2

1.中国石油勘探开发研究院,北京 100083

2.长江大学,湖北 武汉 430100

Characteristics and environmental significance of concretion in the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in the Middle-Upper Yangtze area

WANG Yuman,1, SHEN Junjun2, QIU Zhen1, LI Xinjing1, ZHANG Leifu1, ZHANG Qin1, WANG Canhui2

1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083,China

2.Yangtze University,Wuhan 430100,China

收稿日期: 2021-03-05   修回日期: 2021-03-31   网络出版日期: 2021-09-13

基金资助: 中国石油勘探与生产分公司课题.  kt2018-01-06

Received: 2021-03-05   Revised: 2021-03-31   Online: 2021-09-13

作者简介 About authors

王玉满(1968-),男,湖北荆门人,高级工程师,博士,主要从事沉积储层与非常规油气地质研究.E-mail:wangyuman@petrochina.com.cn. , E-mail:wangyuman@petrochina.com.cn

摘要

以四川盆地及周缘露头和钻井资料为基础,系统研究了下寒武统筇竹寺组结核体发育特征及沉积环境意义,得到3点认识:①筇竹寺组结核体产出层位与岩相特征区域差异大。在川东—鄂西—湘黔和川南坳陷区,结核体主要发育于SQ1段,并以钙质硅质混合页岩相、硅质页岩相、云质页岩相和白云岩相为主,黏土含量普遍在25%以下且明显低于围岩,TOC含量为下部核体高、上部核体低。在川中—川北坳陷区,结核体在SQ1段和SQ2段均发育,且以钙质页岩相和泥灰岩相为主,钙质明显高于围岩,黏土质较围岩显著降低,TOC含量普遍在1.50%以下。结核体内岩石矿物成分差异明显,钙质、硅质等脆性矿物主要富集于结核体中心区,黏土质和有机质则富集于结核体边缘,GR值大多表现为在核体中央区为相对低值响应、在核体边缘响应值明显升高的显著特征。②结核层普遍赋存于TOC含量在0.7%以上的炭质页岩、粉砂质页岩和硅质页岩中,在SQ1段TOC>2.0%的炭质页岩和硅质页岩中尤其发育,在TOC>0.2%深灰色粉砂质页岩中也偶尔产出,显示结核体与深色页岩(尤其优质页岩)具有共生关系。③结核体为扬子海盆裂陷活动的重要沉积响应,根据筇竹寺组结核体分布特征及其与黑色页岩的配置关系,将筇竹寺期扬子海盆的裂陷活动划分为发展期(SQ1时期)、调整期(SQ2时期)和萎缩期(SQ3时期)3个期次。受SQ1时期大规模裂陷作用和上升洋流活动共同控制,扬子海盆结核体和富有机质页岩广泛发育于筇竹寺组下部。在裂陷调整期和萎缩期,随着裂陷活动减弱和萎缩,构造活动以区域抬升为主,水体变浅,洋流活动向东南方向退却,结核体和富有机质页岩仅在少部分裂陷区呈小规模沉积。

关键词: 中上扬子地区 ; 下寒武统 ; 筇竹寺组 ; 结核体 ; 裂陷期 ; 快速沉积 ; 富有机质页岩

Abstract

Based on the outcrop and drilling data of the Sichuan Basin and its periphery, this paper reveals the concretion developmental characteristics of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation and its significance to the environment. Three preliminary conclusions are drawn: (1) The regional difference between the exposure layer and the lithofacies characteristics of the concretion in the Qiongzhusi Formation is large. In the eastern Sichuan, western Hubei, western Hunan, northern Guozhou and southern Sichuan Depression area, the concretion develops in the section of SQ1, and is mainly composed of calcareous siliceous mixed shale facies, siliceous shale facies, dolomitic shale facies and dolomitite facies. The clay content is generally less than 25% and is significantly less than the surrounding rock, and the TOC is generally higher in the lower concretion layers and less in the upper concretion layers. In the central Sichuan and northern Sichuan depression areas, the concretion appears in the sections of SQ1and SQ2, and is dominated by calcareous shale facies and marlstone facies. The calcic content is obviously higher than that of surrounding rock, and the clay content is less than that of surrounding rock, and the TOC is less than 1.50%. Because mineral composition difference is high, most of the GR curves of the concretions showed trough response characteristics, reflecting the central region enriched with calcium or siliceous, and the edge enriched with clay and organic matter. (2) The concretion layer generally occurs in carbonaceous shale, silty shale and siliceous shale with a TOC over 0.7%, and especially develops in carbonaceous shale and siliceous shale of SQ1, and occasionally appears in grey silty shale with a TOC over 0.2%, showing that the concretion layer is basically symbiotic with grey shale (especially with high-quality shale). (3) The concretion is a kind of important sedimentary response of faulted depression in marine basin. According to the distribution characteristics of concretion and black shale in the Qiongzhusi Formation, the depression process of Yangtze platform can be divided into three periods including development period(SQ1), adjustment period(SQ2) and abortion period(SQ3). In the period of SQ1, controlled by massive rifting and upwelling in Yangtze platform, the concretion and organic rich shale widely develop in the Lower Qiongzhusi Formation. In the periods of SQ1 and SQ2, while rifting activity of Yangtze platform decreases and shrinks, and while sea level falls and upwelling recedes to the southeast, the concretion and organic rich shale just appear in the local depression area.

Keywords: Middle-Upper Yangtze area ; Lower Cambrian ; Qiongzhusi Formation ; Concretion ; Depression stage ; Rapid sediment ; Organic rich shale

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本文引用格式

王玉满, 沈均均, 邱振, 李新景, 张磊夫, 张琴, 王灿辉. 中上扬子地区下寒武统筇竹寺组结核体发育特征及沉积环境意义. 天然气地球科学[J], 2021, 32(9): 1308-1323 doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2021.04.002

WANG Yuman, SHEN Junjun, QIU Zhen, LI Xinjing, ZHANG Leifu, ZHANG Qin, WANG Canhui. Characteristics and environmental significance of concretion in the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in the Middle-Upper Yangtze area. Natural Gas Geoscience[J], 2021, 32(9): 1308-1323 doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2021.04.002

0 引言

下寒武统筇竹寺组(在中扬子地区为水井沱组,在黔北为牛蹄塘组,下同)为中国南方页岩气重要勘探层系1-5,在其暗色页岩段发现含有大量类型丰富的结核体6-10。结核体是海相页岩中十分常见且又复杂的一类沉积构造,在揭示构造活动、古地理、古环境、古气候、古物源和成岩作用等方面具有重要意义9-12,但有关筇竹寺组结核体的发育特征及其沉积环境意义的研究成果总体较少,且不系统。比较而言,下志留统龙马溪组结核体的研究工作较为系统,且有专文报道11-12,该层系结核体的存在揭示了龙马溪组沉积晚期(即前陆期)扬子海盆构造活动、沉积环境及其特定的岩相组合11-13,这对开展筇竹寺组结核体发育特征及其沉积环境研究具有参考价值。

中上扬子地区筇竹寺组普遍具有岩性三分性,自下而上可划分为SQ1 、SQ2和SQ3 共3个三级层序1-37-8,在SQ1和SQ2黑色页岩段常见钙质结核体。关于下寒武统结核体,张先进等9、庞谦等10通过对峡东、川北筇竹寺组结核体宏观和微观特征及岩石学研究,探究了其成因机制,并初步形成了钙质结核体总体为由深水沉积提供物源、在成岩早期微生物降解带沉淀形成的基本认识。近几年来,随着勘探和研究工作的不断深入,笔者发现,在四川盆地盆内裂陷槽和川北、鄂西、渝东、湘黔等裂陷区筇竹寺组黑色页岩段(主要为SQ1,其次为SQ2)广泛出现孤立分散状或断续顺层状分布、尺寸变化较大的结核体(以钙质或云质结核体为主)。受有效资料点少和研究程度低等因素制约,目前关于筇竹寺组结核体发育特征及其对优质页岩沉积环境的指示意义,尚未形成系统认识。

为此,本文以中上扬子地区筇竹寺组主要裂陷区重点露头和钻井资料为基础(图1图2表1),通过自然伽马(GR)、岩石矿物、薄片、有机地球化学等地质资料测试与分析,系统研究筇竹寺组结核体发育特征,并结合围岩岩相、地球化学、电性等地质特征分析,探索揭示结核体(层)对优质页岩沉积环境的指示意义。

图1

图1   长阳白竹岭水井沱组综合柱状图

GR为自然伽马,露头剖面GR值为HD-2000手持式伽马仪测试结果,单位cps为计数率/秒,下同

Fig.1   Stratigraphic comprehensive column of Shuijingtuo Formation in Baizhuling section, Changyang area


图2

图2   中上扬子地区下寒武统筇竹寺组SQ1沉积相与重要资料点分布

Fig.2   Sedimentary facies and important data points of SQ1 of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Middle⁃Upper Yangtze region


表1   中上扬子地区筇竹寺组结核体地质参数

Table 1  Geologic parameters of concretion in Qiongzhusi Formation in the Middle-Upper Yangtze area

层序结核体围岩

层号

/井深

出露形态单体尺度大小/cm

岩性

特征

GRTOC/%岩石矿物含量岩相地质参数
长阳白竹岭剖面SQ13层

孤立透镜状、

椭球状

数厘米—数十厘米

钙质硅

质混合

页岩相

278~

387 cps

7.06石英 20.5 %、钾长石3.2%、斜长石3.0%、方解石47.6%、白云石6.5%、黄铁矿5.2%、石膏0.9%、黏土13.1%炭质页岩GR 330~552 cps,TOC 7.5%~9.1%,岩石矿物组成为石英38.2%~60.3%、长石4.8%~9.6%、方解石0~6.1%、白云石0~14.3%、黄铁矿7.1%~7.8%、黏土24.1%~25.0%
4层

断续透镜状,

局部呈层状

长轴100~200,

短轴10~30

硅质页

岩相

356 cps7.66石英 69.4 %、长石4.2%、黄铁矿3.7%、石膏0.9%、黏土21.8%炭质页岩GR 330~402 cps,TOC 5.3%~9.1%,岩石矿物含量为石英44.4%~60.3%、长石4.5%~4.8%、方解石0~10.4%、白云石0~8.2%、黄铁矿5.0%~7.8%、石膏0.7%~1.2%、黏土25.9%~26.8%
6层和8层

断续透镜状,

局部呈层状

长轴50~100,

短轴15~30

云质页

岩相

6层202~209 cps, 8层147~186 cps,1.23石英6.3%、长石0.3%、方解石16 %、白云石64.9%、黄铁矿6.5%、黏土5.1%硅质页岩GR 203~250 cps,TOC 3.3%~5.9%,岩石矿物组成为石英49.4%~64.4%、长石5.5%~7.3%、方解石0~10.4%、白云石0~8.2%、黄铁矿1.2%~7.7%、石膏0~2.1%、黏土21.7%~37.2%
10层层状为主,局部呈断续透镜状

长轴100~200,

短轴15~30

云质页

岩相

153~

156 cps

2.11石英23%、长石2.1%、方解石7.4 %、白云石52%、黄铁矿4.9%、黏土10.6%硅质页岩
鹤峰白果坪剖面SQ12层

孤立透镜状、

椭球状

长轴120~150,

短轴40~50

钙质硅

质混合

页岩相

480~

498 cps

硅质页岩GR 502~583 cps,TOC 5.2%~6.4%,岩石矿物组成为石英48.4%~50.9%、长石7%~12.1%、方解石0~9.5%、黄铁矿0~6.0%、石膏0~1.0%、黏土28.1%~37.0%
镇远青溪剖面SQ14层断续透镜状, 局部呈层状

长轴190~230,

短轴30~40

云质页

岩相

645~

745 cps

3.62石英8.7%、长石8.5%、方解石5.3%、白云石21.3%、钡解石31%、菱碱土矿20%、石膏1%、黏土4.2%含炭质硅质页岩GR 900~1134 cps,TOC 2.05%~13.06%,岩石矿物组成为石英56.7%~78.5%、长石1.5%~9.5%、方解石0~2.2%、白云石1.6%~7.3%、黄铁矿1.6%~3.4%、重晶石0~1.7%、石膏0~7.2%、黏土7.1%~14.2%
6层

长轴290,

短轴50

云质页

岩相

368~

484 cps

4.17石英2.7%、长石2.2%、方解石18.9%、白云石69.1%、黄铁矿1.4%、重晶石1.2%、石膏0.4%、黏土4.1%炭质页岩GR 516~792 cps,TOC 2.05%~7.11%,岩石矿物组成为石英65.3%~78.5%、长石1.5%~6.8%、方解石0~2.2%、白云石0~1.6%、黄铁矿0~1.6%、石膏0~13.4%、黏土7.1%~14.5%
9层

长轴180~330,

短轴25~35

泥质白

云石

363~

387 cps

2.81石英6.7%、长石2.9%、白云石80.0%、钡解石1.2%、黄铁矿2.8%、重晶石1.2%、石膏0.5%、黏土5.9%炭质页岩GR 406~455 cps,TOC 5.53%~6.53%,岩石矿物组成为石英51.8%~53.2%、长石2.9%~6.8%、石膏7.4%~18.7%、黏土21.8%~32.0%
11层

长轴>190,

短轴25~30

云质页

岩相

239~

252 cps

0.85石英6.1%、长石1.8%、方解石20.2%、白云石55.5%、黄铁矿11.0%、石膏0.4%、黏土5.0%炭质页岩GR 265~466 cps,TOC 4.19%~5.53%,岩石矿物组成为石英48.7%~51.8%、长石8.8%~9.3%、石膏2.3%~7.4%、黏土32.0%~39.7%
15层

长轴>200,

短轴30

云质

页岩

150~

171 cps

1.81石英17.4%、长石4.0%、白云石53.0%、黄铁矿6.9%、石膏0.3%、黏土18.4%含炭质黏土质页岩GR 177~257 cps,TOC 0.66%~2.55%,岩石矿物组成为石英41.4%~46.6%、长石6.6%~7.3%、黄铁矿0~4.7%、石膏0~4.3%、黏土41.4%~47.7%

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1 结核体发育特征

近几年来,笔者围绕德阳—长宁、川北—鄂西北、鄂西—渝东—湘黔三大裂陷区开展了大面积野外地质考察以及重点井解剖,在长阳白竹岭、鹤峰白果坪、镇远青溪、松桃响水洞、古丈默戎、旺苍国华、遵义松林、N206井、W201井等资料点均发现结核体(资料点分布见图2表1),厚度一般为2~50 cm。为了解结核体基本特征,笔者重点对8个资料点结核体出现的层位、尺度、岩相和电性特征及其上下围岩特征进行描述(表1图1图5)。

图3

图3   四川盆地及周缘筇竹寺组SQ1段结核体照片

(a)长阳白竹岭3层结核体,呈分散状分布于炭质页岩中,单体呈透镜状、饼状;(b)长阳白竹岭3层结核体,镜下显泥晶结构,亮色颗粒主要为方解石、白云石和石英,暗色为有机质和黏土;(c)长阳白竹岭8层结核体,以断续层状分布于硅质页岩中,单体呈透镜状;(d)长阳白竹岭8层云质结核体,镜下纹层不发育,见骨针类化石;(e)镇远青溪6层云质结核体,断续分布于硅质页岩中,单体呈透镜状;(f)镇远青溪6层云质结核体,镜下以粉晶白云石为主,显晶粒结构,晶粒直径约22~45 μm;(g) W201井2 808.15~2 808.32 m结核体,含钙质,呈椭球状,尺寸为6 cm×10 cm;(h) W201井2 751.21~2 751.58 m结核体,含钙质,呈椭球状,尺寸为10 cm×20 cm;(i)N206井1 865.02~1 865.24 m结核体,含钙质,呈椭球状,尺寸为10 cm×18 cm

Fig.3   Concretion photographs of SQ1 of Qiongzhusi Formation in Sichuan Basin and its periphery


图4

图4   旺苍国华剖面筇竹寺组SQ2段结核体照片

(a)14~17层钙质结核层,位于深灰色粉砂质页岩中,椭球状、饼状(箭头所指);(b)14层近照,核体呈椭球状、饼状,尺寸为短轴5~25 cm、长轴10~40 cm;(c)14~17层结核薄片(×2倍),粉—细晶灰岩,主要为方解石;(d)14~17层结核薄片(×20倍),细晶、粉晶方解石呈它形,均匀分布,晶间充填黏土矿物;(e) 21层钙质结核体,位于灰黑色粉砂质页岩中,核体呈孤立椭球状(箭头所指);(f)21层结核体薄片,主要为含粉砂粉晶灰岩

Fig.4   Concretion photographs of SQ2 of Qiongzhusi Formation in Guohua section, Wangcang area


图5

图5   旺苍国华剖面筇竹寺组SQ2段综合柱状图

Fig.5   Stratigraphic comprehensive column of SQ2 of Qiongzhusi Formation in Guohua section, Wangcang area


表1   中上扬子地区筇竹寺组结核体地质参数(续表)

Table 1  Geologic parameters of concretion in Qiongzhusi Formation in the Middle-Upper Yangtze area(continued)

层序结核体围岩
层号 /井深出露形态单体尺度大小/cm岩性特征GRTOC/%岩石矿物百分含量岩相地质参数
松桃响水洞剖面SQ16层断续透镜状

长轴80~100,

短轴30~40

含钙质硅质页岩相炭质页岩GR 664~780 cps,TOC 5.88%~9.78%,岩石矿物组成为石英40.9%~51.3%、长石15.4%~20.4%、方解石1.9%~4.7%、白云石3.8%~8.5%、黄铁矿8.7%~11.8%、石膏0.5%~0.6%、黏土10.8%~21.8%
古丈默戎剖面SQ114层孤立椭球状

小者2~5,

大者10~20

硅质岩(燧石),黑色540 cps硅质页岩GR 337~505 cps,TOC 5.50%~7.67%,岩石矿物组成为石英47.0%~62.8%、长石11.8%~14.9%、白云石7.1%~10.7%、黄铁矿7.7%~11.5%、石膏0.5%~0.6%、黏土10.0%~15.4%
旺苍国华剖面SQ214-17层椭球状、饼状,顺层产出,较少切割层理,同层内大小相对均匀

短轴5~25、

长轴10~40

粉—细晶灰岩,浅灰色89~92 cps0.09~0.11石英9.8%~10.6%、长石10.5%~13.0%、方解石76.4%~79.7%粉砂质页岩GR 95~110 cps,TOC 0.20%~0.25%,岩石矿物组成为石英35.8%~36.1%、长石26.9%~28.5%、方解石4.7%~9.1%、黄铁矿2.4%~4.9%、黏土23.0%~28.6%
21-30层下部呈孤立的椭球状,上部多呈断续层状分布,单个为椭球状、饼状下部核体大小为短轴4~15、 长轴10~25,上部核体尺寸为短轴10~25、 长轴15~45泥灰岩、钙质页岩140~159 cps0.32石英15%~26%、长石13.6%~17.5%、方解石37.4~60.3%、黄铁矿2.6%~9.1%、黏土2.0%~16.5%粉砂质页岩GR 155~209 cps,TOC 0.73%~1.24%,岩石矿物组成为石英38.2%~44.3%、长石22.2%~25.7%、方解石2.3%~3.9%、黄铁矿2.9%~6.0%、黏土24.9%~30.9%
N206井SQ11 865.02~1 865.24 m呈椭球状

截面尺寸为

10×18

钙质页岩灰黑色炭质页岩GR 206~212 API,TOC 2.07%~2.15%,岩石矿物组成为石英33.0%~44.2%、长石6.9%~10.7%、方解石5.6%~6.7%、黄铁矿4.6%~5.9%、黏土38.7%~43.7%
W201井SQ12 808.15~2 808.32 m呈椭球状

截面尺寸为

6×10

钙质页岩279 API灰黑色炭质页岩GR 271~280 API,TOC 2.44%~3.02%,岩石矿物组成为石英49.5%~50.3 %、长石16.4%~19.5%、方解石2.5%~5.2%、白云石2.5%~3.7%、黄铁矿5.8%~6.7%、黏土18.5%~19.4%
2 751.21~2 751.58 m呈椭球状

截面尺寸为

10×20

钙质页岩188~210 API粉砂质页岩GR 180~215 API,TOC 1.25%~1.41%,岩石矿物组成为石英46.3%~50.0%、长石13.8%~23.1%、方解石3.2%~4.8%、白云石1.2%~3.2%、黄铁矿3.8%~4.2%、黏土18.3%~28.1%

注:露头剖面GR值为HD⁃2000手持式伽马仪测试结果,单位为cps;钻井GR值来源于测井资料,单位为API

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1.1 发育层位与岩相特征

在四川盆地及周缘裂陷区,结核体主要出现于筇竹寺组SQ1段,其次是SQ2段,在SQ3段未发现(表1图1图5),厚度(短轴长)变化大,大多显示中—低自然伽马响应特征。

在长阳白竹岭剖面点,结核层产出于SQ1段底部17.5 m的富有机质页岩段,自下而上分别出现于3层、4层、6层、8层和10层(图1表1图3)。3层结核体呈分散透镜状、椭球状产出,尺度变化大,小者数厘米,大者数十厘米[图3(a)],上下为TOC含量介于7.5%~9.1%之间的炭质页岩围限且呈突变接触,岩相主体为钙质硅质混合页岩相,中心区钙质含量高[镜下显泥晶结构,见图3(b)],断面细腻,颜色较深,显示水平层理,向边部黏土质增加,颜色变黑。实验测试显示,结核体岩石矿物组成为石英20.5%、钾长石3.2%、斜长石3.0%、方解石47.6%、白云石6.5%、黄铁矿5.2%、石膏0.9%、黏土13.1%,TOC含量7.06%(表1);GR值为278~387 cps且自核部向边缘增大,反映黏土质和有机质自核部向边缘增多的变化特征。4层为硅质结核体层,核体多呈透镜状(长轴100~200 cm、短轴10~30 cm)且顺层断续分布,局部呈层状,上下为炭质页岩(GR值为900~1 134 cps,TOC含量为2.05%~13.06%)围限且呈突变接触,岩相主体为硅质页岩,不含钙质,断面细腻,灰黑色,GR值为356 cps,岩石矿物百分含量与围岩相近,TOC含量为7.66%(表1)。6层、8层和10层为云质结核层,核体多为断续透镜状且顺层分布,局部呈层状,上下为TOC含量介于3.3%~5.9%之间的硅质页岩围限[图3(c)],白云石含量为52.0%~64.9%;其中6层和8层核体镜下纹层不发育,见骨针化石[图3(d)],6层GR值为202~209 cps、8层的为147~186 cps(图1),TOC含量为1.23%;10层主要呈层状,局部呈断续透镜状产出,GR值显低谷响应(153~156 cps)(图1),TOC含量为2.11%(表1)。总体看来,长阳白竹岭剖面结核体为深水相沉积物,岩相复杂多样(包括钙质硅质混合页岩相、硅质页岩相和云质页岩相),与围岩在岩石结构、岩相特征、矿物组成、TOC、GR响应等方面存在差异,尤其上部3层结核体与围岩差异显著;另外,结核体地质特征自下而上发生显著变化,产出特征由孤立椭球状→顺层断续透镜状→层状为主,矿物成分由富钙质、硅质和有机质向富白云质、贫有机质转变,TOC含量由7.0%以上下降至1.23%~2.11%,GR响应由高幅度值变为低谷响应(与龙马溪组结核体GR响应11基本相似)。

在鹤峰白果坪剖面点,发现1层钙质结核体,出露于SQ1段下部,呈孤立的透镜状、椭球状产出,尺度为长轴120~150 cm、短轴40~50 cm,岩相主体为深水相钙质硅质混合页岩,含钙质,灰黑色,GR值为480~498 cps,上下为硅质页岩围限(表1)。与结核体相比,围岩地球化学、岩矿等地质参数变化不大(表1)。

在镇远青溪剖面点,SQ1下段覆盖严重,在其中段和上段共发现5层云质结核层,小层编号分别为4层、6层、9层、11层和15层(表1)。4层核体多呈透镜状且顺层断续分布,局部呈层状,上下为高伽马含炭质硅质页岩(GR值为900~1 134 cps,TOC含量为2.05%~13.06%)围限且呈突变接触,尺度为长轴190~230 cm、短轴30~40 cm,岩相主体为云质页岩(白云石含量为21.3%),灰色,GR值为645~745 cps,TOC含量为3.62% (表1)。6层结核体以断续层状分布于含炭质硅质页岩中,单体呈透镜状,GR值为368~484 cps,TOC含量为4.17%,镜下以粉晶白云石为主,显晶粒结构;围岩是GR值为 516~792 cps、TOC含量为2.05%~7.11%的含炭质硅质页岩,与结核体矿物成分差异明显[表1图3(e),图3(f)]。9层结核体为断续顺层分布,单体多呈透镜状、面包状、长条状,岩相为粉晶白云石,GR值为363~387 cps,TOC含量为2.81%;围岩主体为炭质页岩,GR值为406~455 cps,TOC含量为5.53%~6.53%,不含钙质(表1)。与9层相似,11层结核体同样为断续顺层分布,单体多呈透镜状、长条状,尺度为长轴超过190 cm、短轴为25~30 cm,岩相为云质页岩,GR值为239~252 cps,TOC含量为0.85%,白云石含量为55.5%;围岩为黑色炭质页岩,黏土质明显增高,GR值为265~466 cps,TOC含量为4.19%~5.53%,黏土含量为32.0%~39.7% (表1)。15层结核层主体呈长条状,尺度为长轴大于200 cm、短轴为30 cm,岩相为云质页岩,GR值为150~171 cps,TOC含量为1.81%,白云石含量为53.0%;围岩为含炭质黏土质页岩,黏土质显著增高,GR值为177~257 cps,TOC含量为0.66%~2.55%,黏土含量为41.4%~47.7% (表1)。该剖面点结核体发育特征与长阳白竹岭6层、8层和10层具有相似性,主体为云岩、云质页岩且多含重晶石(含量一般为0~1.2%),产出特征主要呈断续透镜状至层状,并与TOC>2%的富有机质页岩(即围岩)共生,显示出结核体与优质页岩组合的形成与上升洋流有关。

在松桃响水洞剖面SQ1底部(6层),发现1层结核层(表1),核体呈透镜状产出,与围岩突变接触,尺度为长轴80~100 cm、短轴30~40 cm,岩相主体为含钙质硅质页岩相,灰黑色。据野外露头GR检测,结核体的响应值为540 cps,低于围岩的664~780 cps。围岩主体为炭质页岩,TOC含量为5.88%~9.78%表1)。

在古丈默戎剖面SQ1段中部(14层),发现众多大小不一、呈分散状分布的结核体(表1),核体呈椭球状产出,与围岩突变接触,尺度为小者2~5 cm、大者10~20 cm,岩相主体为硅质岩(燧石),黑色,GR响应值为234~283 cps。围岩主体为硅质页岩,GR值为337~505 cps,TOC含量为5.50%~7.67%(表1)。

在长宁N206井区SQ1下部(埋深为1 865.02~1 865.24 m),发现钙质结核体[表1图3(i)],核体呈椭球状产出,与围岩突变接触,岩心截面尺寸为10 cm×18 cm,岩相主体为钙质页岩,滴酸起泡,深灰色。围岩主体为灰黑色炭质页岩,GR值为206~212 API,TOC含量为2.07%~2.15%(表1)。

在威远W201井区SQ1下部(埋深为2 808.15~2 808.32 m)和上部(埋深为2 751.21~2751.58 m),发现2层钙质结核体[表1图3(g),图3(h)],核体呈椭球状产出,与围岩突变接触, GR响应值分别为下部核体279 API、上部核体188~210 API。下部围岩主体为灰黑色炭质页岩,GR值为271~280 API,TOC含量为2.44%~3.02%(表1)。上部围岩为粉砂质页岩,GR值为180~215 API,TOC含量为1.25%~1.41%(表1)。

在川北旺苍国华剖面SQ1底部和SQ2段,均有结核体产出。SQ1下部高伽马页岩段发育多层(椭)球状体,但受护坡覆盖无法勘测。SQ2中段出露较好,是勘测的重点层段。经勘测发现,SQ2中部45 m(距底255~300 m)为结核体集中发育段(图4图5),共发现分散状和断续层状结核层10余层,主要分布于14~17层和21~30层。14~17层结核体全部为椭球状、饼状钙质结核体,尺度为短轴5~25 cm、长轴10~40 cm,具有顺层产出、较少切割层理和同层内大小相对均匀等特点,显示差异压实特征,岩相主要为浅灰色粉—细晶灰岩,断面显均质层理,GR为低值响应(一般为89~92 cps),TOC含量为0.09%~0.11%,方解石含量为76.4%~79.7%(表1);与结核体相比,围岩为深灰色粉砂质页岩,富含石英、长石、黏土等陆源碎屑,GR值为95~110 cps,TOC含量为0.20%~0.25%(表1),显示沉积区水体较浅,距离物源区较近,陆源碎屑输入量大。21~30层结核体以泥灰岩、钙质页岩为主,断面多为均质层理,镜下见大量粉晶方解石,GR为中低幅度值响应(一般为140~159 cps,与龙马溪组结核体相近),TOC含量为0.32%,方解石含量下降至37.4%~60.3%,下部(21~23层)呈孤立的(椭)球状产出,个体较小,上部(24~30层)产出特征多呈断续层状分布,单个为椭球状、饼状,个体较大[表1图4(e),图4(f),图5];围岩为灰黑色粉砂质页岩,富含石英、长石、黏土等陆源碎屑,GR为中等幅度值响应(一般为155~209 cps),TOC含量为0.73%~1.24%[表1图4(e),图5],显示沉积区水体显著加深(为半深水陆棚沉积),陆源碎屑输入量较大,与龙马溪组结核体沉积环境11-12相似。

从上述8个资料点分析情况看,筇竹寺组结核体产出层位与岩相特征区域差异大。在川东—鄂西—湘黔和川南坳陷区,结核体主要发育于SQ1段深水相富含有机质的炭质页岩和硅质页岩中,并以钙质硅质混合页岩相、硅质页岩相、云质页岩相和白云岩相为主(其中上部结核体多为云质页岩相和白云岩相),含海绵骨针化石,黏土含量普遍在25%以下且明显低于围岩,TOC自下而上与围岩变化趋势一致,显示下部核体高、上部核体低。在川中—川北坳陷区,结核体发育于SQ1段、SQ2段的粉砂质页岩中,且以钙质页岩相和泥灰岩相为主,钙质(主要为方解石)明显高于围岩,黏土质较围岩显著降低,TOC含量总体较低(0.09%~1.50%)。受结核体内岩石矿物成分差异影响,GR值大多表现为在核体中央区为相对低值响应、在核体边缘响应值明显升高的显著特征(即GR曲线出现相对低谷响应特征,见图1图5),这反映了钙质、硅质等脆性矿物主要富集于结核体中心区,黏土质和有机质则富集于结核体边缘的分异特征。与龙马溪组结核体基本特征相似,筇竹寺组大部分结核层与围岩在岩相、沉积构造、地球化学等地质特征方面存在明显差异,显示其所在页岩段岩相组合趋于复杂。

1.2 空间分布特征

为了解筇竹寺组结核体区域展布规律,笔者以上述资料点为基础,补充一部分重点钻井和露头剖面,建立了鄂西—湘西—黔北—川南GR曲线大剖面(图6),以深入了解结核层在四川盆地及周缘主要裂陷区的分布特征,下面分段进行描述。

图6

图6   鄂西—湘西—黔北—川南筇竹寺组裂陷区结核体发育剖面

Fig.6   Concretion development section of Qiongzhusi Formation across rift from western Hubei, western Hunan, northern Guizhou to southern Sichuan


SQ1段结核体在GR曲线上大多呈相对低谷响应,产出层数较多,一般少至1层,多至10 层以上,且分布广泛(几乎出现于所有裂陷区),但分布不均匀。在邻近古陆(物源区)较近的裂陷区,结核体出现的层数多(一般在2层以上)、集中发育段厚(一般在10 m以上),如长阳白竹岭、镇远青溪、W201、旺苍国华等资料点(图1图6表1)。在远离古陆(物源区)的深陷区和半深陷区,结核体出现的层数总体较少,一般在2层以下,如古丈默戎(1层)、遵义松林(1层)、湄潭梅子湾(无)等。另外,在盆地中央和边缘的浅水区不发育结核体,如秭归九曲垴。

SQ2段结核体在GR曲线上普遍显低谷响应,分布范围局限,主要出现于川北、川中等紧邻古陆(物源区)边缘的裂陷区,如旺苍国华、威远W201等资料点(图5),但在黔北—渝东南、湘鄂西和川南地区消失或较少出现(图1图6)。该段结核层纵向上主要分布于SQ2黑色页岩段(即海侵体系域)。

筇竹寺组结核层普遍赋存于TOC含量在0.7%以上的炭质页岩、粉砂质页岩和硅质页岩中(在SQ1段主要赋存于TOC>2.0%的炭质页岩和硅质页岩中),在TOC>0.2%深灰色粉砂质页岩中偶尔产出,说明结核层与深色页岩(尤其优质页岩)具有共生关系(即主体为深水沉积产物)。因此,在中上扬子地区筇竹寺组地质评价工作中,将结核层与黑色页岩相结合,对开展优质页岩分布研究具有重要的参考价值。

2 沉积环境意义

前人研究认为,海(或湖)相页岩中的结核体多为同生结核(结核体与沉积物同期形成)14-19,其中钙质结核主要为深水相同生结核、浅水相差异压实结核等2种成因类型,前者为深水沉积物在成岩早期还原菌降解有机质而形成14-18,即在成岩早期的微生物降解带(埋深一般数十米到数百米)17-18,硫酸盐还原菌降解有机质并产生HCO3-,Mg2+和Ca2+与HCO3-结合,进而产生钙质沉淀(即形成结核),后者为浅湖(或浅海)碳酸盐在同生胶结过程中受到上覆和下伏泥质沉积物持续差异压实作用下形成19;硅质结核多为同沉积结核,即富硅软泥在同生—成岩初期经差异压实和硅质沉淀而形成9。筇竹寺组结核体多具水平纹层或均质层理,与围岩相互不切割层理且呈突变接触,较少具圈层结构,因此为同沉积或早期成岩过程中形成。

研究证实,龙马溪组结核体主体为深水相同生结核,且主要形成于早志留世埃隆期Demirastrites triangulatus笔石带厚层斑脱岩出现以后,与扬子海盆北部上升洋流大规模活动同期出现,且主要分布于台盆中央区(如川南、川东坳陷)的炭质页岩和黏土质页岩(TOC含量介于0.8%~2.4%之间)中12-13,其分布和形成环境具有邻近古陆(即物源区)、长于深水区、发育于前陆期(即扬子海盆活动期)的显著特征11-12,即龙马溪组结核体的发育需具备3个沉积要素:①处于奥陶纪—志留纪之交的扬子海盆活动期,华南板块与扬子板块碰撞、拼合作用强烈,导致物源输入稳定性变差(陆源碎屑和古陆周缘浅水区碳酸盐物质供给常常发生阵发性、短暂性改变,由黏土质输入为主转变为以碳酸盐、石英等脆性物质输入为主),确保短期内水体和沉积物中Ca2+、Mg2+、石英富集;②水体较深(深水—半深水陆棚,水深超过60 m11)且较安静,在海底形成还原环境,有机质较富集,具有硫酸盐细菌还原有机质的物质基础;③邻近古陆,陆源碎屑输入量大,沉积速率较快(沉积速率远高于五峰组和鲁丹阶,一般为16.20~51.56 m/Ma,平均为31.18 m/Ma),确保结核体层Ca2+、Mg2+、石英、有机质等沉积物快速进入埋深数十米至数百米的微生物降解带17-18,有利于硫酸盐细菌还原有机质,促进钙质、硅质在短期内规模沉淀(即结核快速生长)。

筇竹寺组SQ1段和SQ2高TOC(大于0.7%)页岩段结核体的岩相特征及其形成和分布环境与四川盆地龙马溪组前陆沉积期(即早志留世埃隆期)11-13基本相似。这说明,筇竹寺组黑色页岩段中结核体主要形成于海盆活动期(即裂陷活动期),主体系深水相同生结核,为深水—半深水陆棚相较快沉积(沉积速率与龙马溪组基本接近,应介于16.00~55.00 m/Ma之间,平均为32.00 m/Ma左右)的产物,因此是反映扬子海盆裂陷活动频次和强度、物源输入稳定性变化的重要标志。

川北筇竹寺组低TOC(小于0.5%)粉砂质页岩中结核体尽管形成规模较小,但其发育特征和形成背景与松辽盆地嫩江组(坳陷调整期浅湖相沉积层序)白云岩结核19具有相似性,钙质含量高(平均高于75%),推测为浅水相差异压实型结核,是裂陷活动由发展期转入调整期、沉积水体由深变浅、碳酸盐阵发性显著增高的重要标志。

可见,上述深水型和浅水型2种结核均与筇竹寺组沉积期海盆活动强度变化和碳酸盐物质供给阵发性、短暂性改变相对应;在邻近古陆(即物源区)的坳陷区,结核体出现层数越多,说明海盆裂陷活动频率越高,裂陷强度较大,陆源输入阵发性改变的频次越高。

根据筇竹寺组结核体纵向和区域发育特征,并结合黑色页岩纵向分布和上扬子克拉通内裂陷研究成果20-21,笔者将筇竹寺期扬子海盆的构造活动划分为裂陷发展期(SQ1时期)、裂陷调整期(SQ2时期)和裂陷萎缩期(SQ3时期)3个期次(图1),并针对3个阶段开展岩相古地理编图(图2图7图8),揭示不同阶段的沉积要素变化特征和优质页岩分布规律。

图7

图7   中上扬子地区早寒武世筇竹寺期裂陷调整期(SQ2时期)沉积相

Fig.7   Sedimentary facies of rift adjustment stage(SQ2 stage) of the Early Cambrian Qiongzhusi Period in Middle-Upper Yangtze region


图8

图8   中上扬子地区早寒武世筇竹寺期裂陷萎缩期(SQ3时期)沉积相

Fig.8   Sedimentary facies of rift atrophy stage(SQ3 stage ) of the Early Cambrian Qiongzhusi Period in Middle-Upper Yangtze region


(1)裂陷发展期。即SQ1时期,扬子地台在经历麦地坪时期局部裂陷后快速进入全域大规模拉张裂陷阶段,裂陷活动频次高且强度大,导致钙质矿物输入发生多次间歇性增高并出现大量结核体生长。经过多频次、高强度裂陷改造,在台盆区形成德阳—长宁20-21、川北—鄂西北、川东—鄂西—湘黔三大深水坳陷,受滇中、康定、摩天岭、汉南和鄂中等周缘古陆围限,在扬子海盆形成了开口向东南和东北的弱封闭海湾(图2)。根据长阳地区SQ1下段结核发育层数(超过5层)判断,鄂西地区在SQ1早期至少发生5次以上高强度裂陷活动,导致海洋环境发生巨变,如:δ13C值发生大幅度负漂移,一般为-32.52‰~-31.56‰,显示海平面飙升至高水位;S/C值大多介于0.03~0.54之间,仅在硅质层和结核层出现异常(介于1.05~2.40之间),反映古水体主体处于低—正常盐度、弱—半封闭状态(图1);在裂陷强烈活动期(即结核体形成期),鄂中古陆周缘浅水区高浓度碳酸盐物质间歇性进入该海域,促进了多层钙质结核体的规模生长(图1)。由于扬子海盆封闭性突然变弱,上升洋流自东南、东北2个方向大规模涌入台盆区,并控制渝东、湘鄂西、黔北、滇东—川南南区和川北—鄂西北等裂陷区,面积超过25×104 km2图2)。在洋流控制区,海水中P、Ba、Si等营养物质含量丰富,古生产力高,黑色页岩有机质丰度高,以长阳海域为例,P2O5/TiO2值一般为0.26~1.95,局部达到13.57~105.69,Ba含量一般为761~6 988 μg/g(平均为2 114 μg/g,并出现异常高值现象),硅质含量为38.0%~82.1%(平均为54.4%)(图1),沉积速率高于五峰组和鲁丹阶下段(一般低于10 m/Ma),主体介于16.00~55.00 m/Ma之间,沉积厚度近40 m的炭质页岩、硅质页岩和结核体组合,TOC值一般为0.96%(结核体)~9.06%(黑色页岩),平均为4.33%。可见,上升洋流、优质页岩和钙质结核体是台盆裂陷活动期的典型产物。

(2)裂陷调整期。即SQ2时期,鄂西、渝东、湘西—黔北、川南等主要裂陷区的拉张活动趋弱,周围古隆起开始扩张,海平面下降,但在川中、川北等坳陷区仍出现较大规模的裂陷活动并伴有结核体生长。台盆三大裂陷区由深水陆棚转入半深水—浅水陆棚,海域封闭性增强,上升洋流已退至海盆东南缘和东北缘(图7)。在鄂西海域,裂陷活动明显趋弱,δ13C值正漂移至-30.57‰~-30.11‰,显示海平面大幅度下降并处于中等水位,S/C值大幅度上升至0.47~1.37(平均为0.81),显示古水体以高盐度和强封闭状态为主,P2O5/TiO2值下降为0.18~0.56(平均为0.27),Ba含量下降至784~1 848 μg/g(平均为1 337 μg/g),硅质含量为9.2%~37.9%(平均为27.2%),显示初始生产力已出现明显下降(图1);有机质丰度普遍降低,TOC含量一般为0.76%~4.20%,平均为2.15%(11个样品),其中中部10 m可能为TOC>2%的富有机质页岩集中段,上部因水体变浅TOC含量平均值在1%左右。在川北(如旺苍、南江),区域拉张活动再次增强并出现第2幕裂陷活动,但规模总体较SQ1时期小,陆源钙质输入出现多次间断性增高(含量高达60.3%~79.7%,图5),海平面再次上升至中高水位,P2O5/TiO2值保持在0.30~0.32,Ba含量为456~571 μg/g,硅质含量为37.1%~44.3%,显示初始生产力仍出现较高水平,TOC含量平均值为1.00%(旺苍)~3.00%(城口),并发育多层结核体。

(3)裂陷萎缩期。即SQ3时期,扬子海盆中部和西部地区拉张活动基本停止,上扬子地区整体抬升东倾,古地理格局为西高东低,海平面大幅度下降至中低水位,深水区退至湘西—黔东北,来自西北、西部等隆起区的碎屑物质大量输入台盆区(图8)。在川中和鄂西海域,δ13C值呈小幅度正漂移,一般为-30.2‰~-29.8‰,显示海平面下降至中低水位,长石、钙质等陆源物质大量输入,有机质丰度普遍降至1%以下,结核体基本不发育(图1)。

综上所述,受SQ1时期大规模裂陷作用和上升洋流活动共同控制,扬子海盆富有机质页岩和结核体广泛发育于筇竹寺组下部(图9),即:在裂陷发展期,在多期次区域拉张应力场作用下,台盆区发生大面积裂陷并伴随物源供给发生短暂性改变,导致扬子地台东南缘与华南洋快速连通,海平面飙升至高位(在长阳海域水深超过200 m),上升洋流大规模涌入台盆坳陷区,并带来P、Ba、Si等丰富的营养物质,促进表层海水藻类、海绵、骨针等浮游生物大量繁殖,在海底则出现有利于有机质保存的缺氧环境,沉积厚度介于40~100 m之间的富有机质页岩和结核体组合。在裂陷调整期和萎缩期,随着裂陷活动减弱和萎缩,构造活动以区域抬升为主,水体变浅,洋流活动向东南方向退却,富有机质页岩和结核体组合在台盆区主体沉积结束,仅在少部分裂陷区出现小规模沉积。

图9

图9   秭归—长阳—湘西北水井沱组沉积演化剖面

Fig.9   Sedimentary evolution of Shuijingtuo Formation from Zigui,Changyang to northwestern Hunan


3 结论

筇竹寺组结核体产出层位与岩相特征区域差异大。在川东—鄂西—湘黔和川南坳陷区,结核体主要发育于SQ1段,并以钙质硅质混合页岩相、硅质页岩相、云质页岩相和白云岩相为主,黏土含量普遍在25%以下且明显低于围岩,TOC含量为下部核体高、上部核体低。在川中—川北坳陷区,结核体在SQ1段和SQ2段均发育,且以钙质页岩相和泥灰岩相为主,钙质明显高于围岩,黏土质较围岩显著降低,TOC含量普遍在1.50%以下。结核体内岩石矿物成分差异明显,钙质、硅质等脆性矿物主要富集于结核体中心区,黏土质和有机质则富集于结核体边缘,GR值大多表现为在核体中央区为相对低值响应、在核体边缘响应值明显升高的显著特征,显示其所在页岩段岩相组合趋于复杂。

结核层普遍赋存于TOC在0.7%以上的炭质页岩、粉砂质页岩和硅质页岩中,在SQ1段TOC>2.0%的炭质页岩和硅质页岩中尤其发育,在TOC>0.2%深灰色粉砂质页岩中也偶尔产出,并以深水相同生结核为主、浅水相差异压实结核为辅,显示结核体与深色页岩(尤其优质页岩)具有共生关系。

筇竹寺组结核体为海盆构造活动期的重要沉积响应,是反映扬子海盆裂陷活动频次和强度、物源输入稳定性变化的重要标志,常与上升洋流活动同期出现。在邻近古陆(即物源区)的坳陷区,结核体出现层数越多,说明海盆裂陷活动频率越高,裂陷强度越大,物源输入阵发性改变的频次越高。

根据筇竹寺组结核体分布特征及其与黑色页岩的配置关系,将筇竹寺期扬子海盆的构造活动划分裂陷发展期(SQ1时期)、裂陷调整期(SQ2时期)和裂陷萎缩期(SQ3时期)3个期次。受SQ1时期大规模裂陷作用和上升洋流活动共同控制,扬子海盆结核体和富有机质页岩广泛发育于筇竹寺组下部。在裂陷调整期和萎缩期,随着裂陷活动减弱和萎缩,构造活动以区域抬升为主,水体变浅,洋流活动向东南方向退却,结核体和富有机质页岩仅在少部分裂陷区出现小规模沉积。

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