中下扬子地区志留系页岩沉积古环境与有机质富集机理研究取得新进展

黑色页岩是重要的非常规油气储层和微量金属富集层，它犹如一册厚重的地质历史书籍，忠实记录了古海洋环境演变、沉积古地理变迁和重大地质事件发生发展等内容。因此，长期以来一直是地学研究的热点。中下扬子与上扬子同属扬子地台，有着相似的构造演化和古地理演化过程，在晚奥陶世-早志留世，同时沉积了一套五峰组—龙马溪组富有机质页岩。目前，上扬子地区五峰组-龙马溪组已成为我国重要的页岩气规模开发层系，然而，中下扬子地区页岩气勘探却成效甚微。

页岩中有机质含量决定了烃源岩的生烃潜力、储集性能和含气量，是页岩气富集的重要控制因素之一。页岩沉积古环境的差异性造成了有机质富集的时空非均质性。因此，开展沉积古环境的详细研究不仅可以揭示有机质富集机理，而且有助于理解重大地质事件与海洋沉积环境协同演化关系，对促进页岩气勘探开发具有重要理论指导意义。

近期，中国地质调查局油气资源调查中心李世臻与合作者选取中下扬子两口钻井作为研究对象，系统开展了岩石学、矿物学、地球化学研究，在沉积古环境和有机质富集机理方面取得了重要认识。

1.定量阐述了中下扬子地区志留系页岩沉积古环境特征。应用多地球化学指标，指出古氧化还原条件、古生产力、陆源碎屑输入、古气候纵向上变化显著（图1）。富有机质页岩沉积于缺氧环境，少数形成于硫化环境，古生产力较高，陆源碎屑输入随气候变暖逐渐增加，总体盆地环境受限，龙马溪组沉积没有显示受到上升流的影响。

图1 下扬子地区TD2井志留系页岩古氧化还原条件、古生产力、陆源输入和古气候垂向分布特征

2.明确了有机质富集的控制因素，建立了不同阶段的有机质富集模式。TOC含量与氧化还原指标（DOP_T、V_EF、Mo_EF）和古生产力指标（Cu_EF、Ni_EF）呈正相关，与陆源输入指标（Al、K、Ti）呈负相关。相关系数表明，影响有机质积累的主要因素是氧化还原条件和古生产力，其次是陆源输入（图2）。建立了中扬子地区六个沉积阶段的有机质富集保存模式（图3）。有机物富集主要受三个因素的影响：海平面变化引起的氧化还原条件，冰川融化和火山活动引起的高古生产力，以及广西运动和气候变化引起的陆源输入。

图2 中扬子地区EFD1井TOC与各指标相关性

图3 晚奥陶世—早志留世五峰组—龙马溪组沉积演化模式

3. 探讨了湘鄂水下高地隆升过程及其对有机质富集的影响。通过精细的地球化学对比（图4），推断湘鄂水下高地在龙马溪组沉积早期（鲁丹早期）发生了剧烈隆升（图3），虽然处于全球海平面迅速上升的背景下，但研究区海平面上升的幅度小于湘鄂水下高地隆升的幅度，造成该区海平面相对下降，形成了进积的地层层序。同时指出，在龙马溪组沉积中期，湘鄂水下高地可能间歇性露出水面，短暂接受剥蚀，为周缘提供了物源。这些因素造成富有机质页岩厚度减薄、陆源碎屑输入增加、有机质相对不富集，进一步制约了该区龙马溪组页岩气的勘探。

图4 中扬子EFD1井与涪陵JY1井地球化学指标对比

研究成果得到了地质调查项目（DD20190561, DD20221653）、自然资源部杰出青年科技人才项目（12110600000018003918）、国家科技重大专项（2016ZX05034）等联合资助。研究成果近期发表于国际期刊《International Journal of Coal Geology》和《Geoenergy Science and Engineering》上。

论文相关信息：

Shizhen Li, Zhi Zhou, Haikuan Nie, Mu Liu, Fanyang Meng, Bin Shen, Xiaotao Zhang, Siyu Wei, Zhaodong Xi, Shousong Zhang. 2023. Organic matter accumulation mechanisms in the Wufeng-Longmaxi shales in western Hubei Province, China and paleogeographic implications for the uplift of the Hunan-Hubei Submarine high. International Journal of Coal Geology, 270, 104223. https://doi.org/10.1016/j.coal.2023.104223.

Shizhen Li, Xufeng Liu, Chao Cen, Shengchao Yang, Enzhao Xiao, Xiaotao Zhang, Weihui He, Lixiang Liu. 2023. Sedimentary paleoenvironment and organic matter accumulation model of the Lower Silurian Gaojiabian Formation shales in the Lower Yangtze region, South China. Geoenergy Science and Engineering, 221, 211347. https://doi.org/10.1016/j.geoen.2022.211347.