露头层序地层学在上扬子地区页岩气初期勘探中的应用以下寒武统牛蹄塘组为例

第２７卷　第４期２０１３年８月现　代　地　质ＧＥＯＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ２７　Ｎｏ４Ａｕｇ２０１３露头层序地层学在上扬子地区页岩气初期勘探中的应用：以下寒武统牛蹄塘组为例张俊鹏１，２，樊太亮１，２，张金川１，２，李一凡１，２，伍　岳１，２（１中国地质大学能源学院，北京　１０００８３；２中国地质大学海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京　１０００８３）　　收稿日期：２０１２０６１５；改回日期：２０１３０４２０；责任编辑：潘令枝。　　基金项目：国家重大科技专项项目（２００９ＧＹＸＱ１５－０４）。　　作者简介：张俊鹏，男，博士研究生，１９８８年出生，矿产普查与勘探专业，主要从事石油地质、页岩气勘探与开发方面研究。Ｅｍａｉｌ：ｖｉｐ７０７６６９６９９＠ｆｏｘｍａｉｌｃｏｍ。摘要：依据露头层序地层学的基本原理和基本工作方法及思路，对上扬子地区寒武系进行层序划分与对比，并在早寒武世三级层序内探讨沉积相平面展布与空间分布。早寒武世扬子地台被动大陆边缘一侧持续发生海侵，沉积体系域以海侵体系域ＴＳＴ和高位体系域ＨＳＴ为主，缺乏低位体系域ＬＳＴ。分别编制海侵期和高位期两幅不同时期的沉积模式图表现三级层序的沉积体系特征，并对目的层段牛蹄塘组黑色页岩作出评价，从而揭示出露头层序地层学在页岩气初期勘探中的重要应用价值。关键词：露头层序地层学；三级层序；沉积相分布；页岩气勘探中图分类号：Ｐ５３９２；ＴＥ１２１３　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　文章编号：１０００－８５２７（２０１３）０４－０９７８－０８ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＯｕｔｃｒｏｐＳｅｑｕｅｎｃｅＳｔｒａｔｉｇｒａｐｈｙｏｎｔｈｅＩｎｉｔｉａｌＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆＳｈａｌｅＧａｓｉｎＵｐｐｅｒＹａｎｇｔｚｅＲｅｇｉｏｎ：ＴａｋｉｎｇＮｉｕｔｉｔａｎｇＦｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＬｏｗｅｒＣａｍｂｒｉａｎａｓａｎＥｘａｍｐｌｅＺＨＡＮＧＪｕｎｐｅｎｇ１，２，ＦＡＮＴａｉｌｉａｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧＪｉｎｃｈｕａｎ１，２，ＬＩＹｉｆａｎ１，２，ＷＵＹｕｅ１，２（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭａｒｉｎｅＲｅｓｅｒｖｏｉｒＥｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄＨｙｄｒｏｃａｒｂｏｎＡｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ，ｗｉｔｈｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｓｅｑｕｅｎｃｅｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｙ，ｔｈｅｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔｏｆＣａｍｂｒｉａｎｓｅｑｕｅｎｃｅｉｎｔｈｅＵｐｐｅｒＹａｎｇｔｚｅｒｅｇｉｏｎｗｅｒｅｍａｄｅ，ａｎｄｔｈｅｐｌａｎｅａｎｄｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙｆａｃｉｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｉｎｔｈｒｅｅｏｒｄｅｒｓｅｑｕｅｎｃｅｓｉｎＥａｒｌｙＣａｍｂｒｉａｎ．ＤｕｒｉｎｇＥａｒｌｙＣａｍｂｒｉａｎ，ｔｒａｎｓｇｒｅｓｓｉｏｎｈａｐｐｅｎｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｏｎｔｈｅｐａｓｓｉｖｅｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌｍａｒｇｉｎａｌｓｉｄｅｏｆＹａｎｇｔｚｅｐｌａｔｆｏｒｍ，ｓｏｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｔｒａｃｔｓｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｄＴＳＴａｎｄＨＳＴ，ｍｉｓｓｉｎｇＬＳＴ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｗｏｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｏｆｔｗｏｓｔａｇｅｓ，ｉｅ．ｔｒａｎｓｇｒｅｓｓｉｏｎｓｔａｇｅａｎｄｈｉｇｈｓｔａｎｄｓｔａｇｅｗｅｒｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ，ｗｈｉｃｈｒｅｖｅａｌｅｄｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣａｍｂｒｉａｎｓｅｑｕｅｎｃｅ．ＴａｋｉｎｇｔｈｅｂｌａｃｋｓｈａｌｅｏｆＮｉｕｔｉｔａｎｇＦｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＬｏｗｅｒＣａｍｂｒｉａｎａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｓｈａｌｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒｗａｓｅｖａｌｕａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｅｑｕｅｎｃｅｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｙｏｆｏｕｔｃｒｏｐｓｗａｓｅｖａｌｕａｂｌｅｉｎｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆｓｈａｌｅｇａｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｕｔｃｒｏｐｓｅｑｕｅｎｃｅｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｙ；ｔｈｒｅｅｏｒｄｅｒｓｅｑｕｅｎｃｅ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙｆａｃｉｅｓ；ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆｓｈａｌｅｇａｓ０　引　言由于起步较晚，我国的页岩气勘探开发尚处于初期阶段。页岩气是指采自泥页岩（主要指烃源岩）且具有工业价值的烃类气体。因此，页岩气是以富有机质泥页岩为气源岩、储层以及封盖层，不间断供气、持续聚集而形成的连续聚集型天然气藏［１－２７］。２００９年，国土资源部油气资源战略研究中心启动了“我国重点地区页岩气资源潜力及有利区优选研究”项目，上扬子地区成为南方页岩气勘探的重点地区［１，２８－３５］。但由于该地区页岩气钻井和地震等物探资料较少，勘探初期的野外露头研究工作的开展显得非常重要。露头层序地层学作为层序地层学的一支，它来源于经典地层学，主要通过野外露头观察、岩性剖面的建立和古生物化石标定进行层序界面的识别并划分层序，并在层序内进行沉积体系特征和沉积相的研究。虽然还存在着复杂多样的问题，但这并未阻碍露头层序地层学的基本原理和工作方法的广泛应用。因此，从露头层序地层学入手，开展页岩气勘探初期的研究工作，并能取得预期成果。１　区域地质概况研究区位于上扬子地区，即图１所示的渝东南区和黔北区。在早寒武世早期和中期，即梅树村期、筇竹寺期和沧浪铺期，扬子台地基本上是一个浅水碎屑岩台地，其中仅分散着几个面积不大的浅水碳酸盐岩台地；到早寒武世晚期龙王庙期，扬子台地已基本上变成了浅水碳酸盐岩台地［３］。震旦纪与寒武纪之交的快速海侵所形成的台地淹没事件，形成了厚度数百米的海侵沉积岩系以及数次明显的快速海侵事件所造成的下寒武统特殊的层序组构样式［３，２０］。图１　研究区地理位置图Ｆｉｇ１　Ｌｏｃａｔｉｏｎｍａｐｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ笔者选取研究区北部（大庸、黔江、咸丰、永顺）和南部（吉首、南川、遵义、酉阳）等８个剖面，对上扬子地区寒武系进行层序划分、体系域特征分析，沉积相平面展布与空间分布－沉积模式［４］，并对目的层段黑色页岩作出评价。２　层　序２１　层序界面层序是一套相对整一的、成因上有联系的、以不整合和可以与之对比的整合为界的地层。显然，层序划分的关键是层序界面的识别。可用于确定层序的界面包括层序的底界面、初始海泛面和最大海泛面，其中最为重要的是层序底界面的识别［１６］。对研究区野外露头剖面的观察和分析显示，寒武系层序地层界面表现为不整合面、古岩溶作用面、岩相转换面、最大海泛面等。研究区寒武系底部的牛蹄塘组为一套深水黑色页岩系，厚度数十米，自北西向南东下部相变为深水硅质岩，在贵州中部一带为一套含磷岩系。牛蹄塘组底部的深水相岩石直接覆盖在灯影组白云岩之上，形成一个以快速加深为特征的淹没不整合面，即二者呈不整合接触关系（图２）［３，２０］。寒武系层序界面特征分述于表１。图２　研究区牛蹄塘组与灯影组不整合接触Ｆｉｇ２　ＰｈｏｔｏｓｓｈｏｗｉｎｇｔｈｅｕｎｃｏｎｆｏｒｍｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎＮｉｕｔｉｔａｎｇＦｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＤｅｎｇｙｉｎｇＦｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ９７９　第４期张俊鹏等：露头层序地层学在上扬子地区页岩气初期勘探中的应用：以下寒武统牛蹄塘组为例表１　研究区层序界面特征Ｔａｂｌｅ１　Ｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｓｅｑｕｅｎｃｅｂｏｕｎｄａｒｉｅｓｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ表现形式界面特征不整合面　　古风化壳、地层缺失古岩溶作用面溶蚀孔洞、铁泥质氧化壳岩相转换面　岩性突变最大海泛面　泥质条带灰岩、磷块岩２２　层序划分与对比识别一个层序需要研究至少一个大陆边缘的不同沉积相区，包括浅海、斜坡和盆地相的地层。图３　研究区北部寒武系地层格架Ｆｉｇ３　ＳｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｔｈｅＣａｍｂｒｉａｎｉｎｔｈｅｎｏｒｔｈｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ把握同一层序横向的相变和纵向准层序的叠置方式以及特殊层序界面（如碳酸盐台地因曝露水面而形成的古岩溶面、因沉积相的横向迁移而引起的纵向相变导致的岩相转换面等）有助于层序界面的识别。在识别层序界面的基础上，寒武系地层（为方便参考、对比相关区调资料，对于寒武系本文作者采取传统的地层划分方案）可划分为两个二级层序ＳＳ１和ＳＳ２以及１４个三级层序∈ＳＱ１—∈ＳＱ１４，其中ＳＳ１在地层年代上相当于寒武系下统，ＳＳ２相当于其中统和上统（图３、图４）。０８９现　代　地　质２０１３年　图４　研究区南部寒武系地层格架Ｆｉｇ４　ＳｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｔｈｅＣａｍｂｒｉａｎｉｎｔｈｅｓｏｕｔｈｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａＳＳ１二级层序相当于寒武系下统梅树村阶、筇竹寺阶、沧浪铺阶及龙王庙阶地层，由６个三级层序（∈ＳＱ１—∈ＳＱ６）组成，与下伏震旦系灯影组呈不整合接触。海侵期由三级层序∈ＳＱ１以及∈ＳＱ２构成（图３、图４）。早寒武世梅树村期至筇竹寺期，海平面上升，扬子台地向海一侧斜坡相区沉积广泛分布的含磷层，作为间断期饥饿沉积的记录。高位期由三级层序∈ＳＱ３—∈ＳＱ６构成（图３、图４）。北部地层沧浪铺阶，从西北到东南，由碳酸盐台地沉积逐渐变为陆源碎屑沉积、深水页岩沉积；至龙王庙期，则主要以碳酸盐台地沉积为主，部分地区仍出现少量页岩沉积。南部地层岩相变化类似，只在局部地区厚度有所差异。∈ＳＱ１层序主要由梅树村阶的沉积物构成，层序界面同寒武系第一个二级层序界面；海侵体系域主要表现为磷块岩沉积超覆在扬子板块克拉通边缘之上，高位体系域界面为磷块岩向黑色页１８９　第４期张俊鹏等：露头层序地层学在上扬子地区页岩气初期勘探中的应用：以下寒武统牛蹄塘组为例岩的岩相转换面［１６］。∈ＳＱ２层序相当于筇竹寺期的沉积物，主要沉积物依然表现为黑色页岩沉积；黑色页岩的顶面即为最大海进面，为海进体系域的顶面。高位体系域岩性向陆源碎屑沉积过渡，以向海方向加积为特征［１６］。∈ＳＱ３—∈ＳＱ４层序相当于沧浪铺期沉积物。层序底界为岩性转换面，层序由大陆架边缘体系域、海进体系域和高位体系域组成。∈ＳＱ５、∈ＳＱ６沉积层序相当于龙王庙期的沉积产物，高位体系域为碳酸盐台地边缘沉积，为一向上变浅的沉积序列。ＳＳ２二级层序由８个三级层序（∈ＳＱ７—∈１４）构成，对应中上寒武统，其中ＴＳＴ由三级层序∈ＳＱ７的ＴＳＴ构成，ＬＳＴ不发育。中寒武统高台组和敖溪组下伏的页岩段，为海平面上升阶段海侵体系域的沉积。上述页岩分布稳定，是海平面上升向最大值增加阶段的沉积物。当海平面上升到最大位置，在盆地方向则发育凝缩层，该段页岩的顶面即最大海泛面。尔后，海平面的上升速度减缓，向上与中寒武统石冷水组粉砂岩构成岩相转换面［１６］。ＨＳＴ由三级层序∈ＳＱ７的ＨＳＴ和∈ＳＱ８—∈１４构成。北部地层岩相变化不大，只在局部发生岩性的变化，并未出现沉积环境的突变。南部地层岩性和厚度变化较大，其中以中寒武统徐庄阶、上寒武统凤山阶变化较剧烈，层序在局部地区发育程度不一，部分地区有所缺失。∈ＳＱ７的ＴＳＴ沉积特征与二级层序ＳＳ２的ＴＳＴ是一致的。总体上看，由一套向上变浅的旋回组成，缺少低位体系域，海侵体系域为一套深水页岩，高位体系域为高台组白云质灰岩、敖溪组灰岩。∈ＳＱ８相当于高台组、黔东的敖溪组第二段沉积，海侵体系域在北部为白云质灰岩、灰岩，在南部为一套台缘浅滩相的白云岩。∈ＳＱ９、∈ＳＱ１０沉积层序由低位体系域、海进体