近年来随着“鄂宜页1井”高产气井的突破,寒武系水井沱组(第2统第3阶)已成为中扬子区页岩气勘查开发新的主力层系。本文旨在前人研究的基础上,通过对水井沱组中主要生物类型、古生物组合面貌及其时空分布的简要总结,为鄂西地区的页岩气勘探提供对比借鉴。宜昌地区寒武纪地层发育完整,广泛出露于宜昌、秭归、长阳、兴山等地,古生物化石较为丰富,是开展寒武纪地层及古生物研究的经典地区之一。埃迪卡拉纪—寒武纪过渡时期的地质记录中保存了寒武纪大爆发和后生动物多样化事件的化石证据,从寒武系纽芬兰统到第二统,自下而上发现了岩家河生物群、水井沱生物群(包括清江生物群)、石牌生物群和京山布尔吉斯页岩型生物群等,它们化石类群多样,浮游生物和底栖生物丰富,而在长阳发现的清江生物群更是具有典型布尔吉斯页岩型动物群特异埋藏化石库的特点,出现了大量高保真度的软躯体类群,代表了远离海岸的较深水环境,为寒武纪大爆发研究打开了一个新的窗口。从岩性、生物类型以及构造运动来看,宜昌地区水井沱组发育一套以黑色页岩或钙质页岩夹碳质灰岩为主的黑色岩系,其中海绵化石在黑色岩系中呈现出较高的丰度和多样性,显示当时深水低氧的沉积环境。同时繁盛的微体生物表明当时海洋具备较高的初级生产力,为有机质的埋藏富集以及页岩气的形成奠定了良好的物质基础;加上黄陵背斜刚性基底的影响,并未引起储层变形和破坏。因此,宜昌地区水井沱组黑色岩系具有很高的勘探开发潜力。

中-上扬子地区下寒武统筇竹寺阶黑色泥页岩具有很高的总有机碳丰度(TOC含量)和生烃潜力而被认为是继上奥陶—下志留统五峰组—龙马溪组页岩气取得突破之后最有潜力的后备勘探层系。其优质烃源岩主要分布于绵阳-长宁裂陷槽、湘鄂西裂陷槽、川东-黔北深水陆棚相和斜坡-盆地相。优质烃源岩层段受沉积相带控制主要分布于筇竹寺阶下部,其TOC具有不对称单峰型分布样式;若受到热水沉积影响,则出现两个TOC峰值;在深水陆棚和斜坡-盆地相中-上部则发育多个稳定分布的TOC峰值。烃源岩生烃史数值模拟、流体包裹体分析、超低浓度U-Pb定年和页岩气组分与同位素组成成因分析综合结果表明,中-上扬子地区下寒武统筇竹寺阶黑色泥页岩存在两种成烃演化模型:(1)以湘鄂西和川东地区为代表,筇竹寺阶烃源岩经历一期生油和原油/干酪根裂解生气过程,加里东晚期(430 Ma)第一次生油,温度95.7~105.2 ℃;海西晚期(270 Ma)原油开始裂解成气,温度144.7 ℃左右;燕山早期湿气二次裂解,温度215.3 ℃;成气时限270~130 Ma;燕山晚期至今(130~0 Ma)页岩气泄漏。(2)以陕南、川南、川中和川西南等地区为代表,筇竹寺阶烃源岩经历了两期生油和原油/干酪根裂解生气过程;第一期生油时间421.5 Ma,温度115.8~128.9 ℃;第二期生油时间262.4~256.4 Ma,温度137.1~150.0 ℃;海西晚期((259.4±3.0) Ma)裂陷槽筇竹寺组原油在140 ℃左右开始裂解成气;燕山中—晚期(175~133 Ma)湿气二次裂解,温度220 ℃左右;至今由于保存条件较好仍处于聚集和调整过程之中。不同成烃演化模型的出现主要是受区域构造沉积演化控制的。研究区下寒武统筇竹寺阶泥页岩气主要为有机成因的“油型气”,是干酪根裂解气和原油裂解气混合气;黔北地区和渝东南地区内因断层发育,早期生成的页岩气受到地表水和大气的冲洗,使得页岩气组分和同位素发生变化,富氮、δ¹³C₁值降低。

通过对鄂西宜昌地区鄂阳页1井(EYY1)寒武系底部岩家河组和水井沱组下部的总有机碳(TOC)、总无机碳(TIC)、微量元素(Ba、U、Th)和稀土元素分析,并结合前人对中上扬子地区7个位于不同沉积环境区寒武系剖面的研究结果和已有数据报道,讨论了寒武系水井沱组富有机质页岩中过剩钡(Ba_过剩)的成因、来源及其对海洋古生产力水平的指示。结果表明,中上扬子地区寒武系富有机质页岩普遍富集Ba_过剩,而且从浅水内陆棚到深水外陆棚——大陆斜坡,再到热水沉积区,寒武系页岩的Ba_过剩富集程度趋于增加,反映了与古陆物源区的距离远近以及古地理背景对Ba_过剩富集的控制。寒武系富有机质页岩中所富集的Ba_过剩有热液成因和生物成因两种来源,Ba_过剩-Eu异常图版可用于推测其主要来源:黔北—湘西北地区所处的热水沉积区内Ba_过剩含量极高(>10 000 μg/g),具有显著的正Eu异常,且Ba_过剩与Eu异常值具有正相关性,指示Ba_过剩主要为热液成因,其含量变化反映了热液活动的强度;鄂西地区和黔南地区Ba_过剩含量相对较高(5 000~10 000 μg/g),四川盆地西部Ba_过剩含量相对较低(<1 000 μg/g),而且都不具备正Eu异常,指示Ba_过剩为生物成因,其含量变化与古生产力水平有关。与中上扬子其他地区寒武系页岩的TOC含量、U/Th值及Ba_过剩富集程度的综合对比表明,宜昌地区较高的古生产力水平和强还原条件为有机质的来源和保存提供了物质基础和有利条件,共同决定了寒武系水井沱组页岩有机质的富集。

通过对鄂西宜昌地区寒武系岩家河组—水井沱组页岩进行高分辨率样品采集,利用总有机碳(TOC)含量、主量元素分析、氦孔隙度等定量分析和透反射光显微镜、阴极发光显微镜等定性分析相结合的方法,研究了水井沱组黑色岩系生物成因硅的纵向变化特征及其与页岩气富集的关系。结果表明:寒武系底部岩家河组和水井沱组上部贫有机质层段过剩硅含量低,未见明显生物碎屑痕迹,几乎不含或含少量自生成因石英,而水井沱组富有机质层段存在较多生物成因硅,具有明显的分段性(一段、二段)且硅质来源明显不同。富有机质层段底部(一段)过剩硅含量高,为4.44%~24.97%,平均值为16.76%,受钙质夹层的影响波动较大,生物成因硅占比高,受陆源碎屑影响小。生物碎屑类型主要为硅质海绵骨针,还有少量絮状硅质聚集体,骨针腔体和硅质聚集体粒间孔中可见有机质。而富有机质层段中上部(二段)过剩硅含量相对一段明显降低,为7.13%~20.47%,平均值为13.66%,受陆源碎屑影响更大。生物碎屑类型主要为放射虫、纺锤状硅质聚集体和海绵骨针,可见有机质与这些生物成因硅和陆源碎屑共生在一起。在整个富有机质层段,TOC含量与总硅含量无明显关系但与过剩硅呈明显正相关性,且镜下发现似藻类孢囊中块状有机质内杂乱分布大量微晶石英,早期成岩作用阶段形成的生物成因硅不仅因为与藻类等的共生关系确保了较高生产力,同时因其在适宜的沉积环境下自身较强的硬度形成支撑格架为有机质提供了赋存空间,揭示了宜昌地区水井沱组富有机质层段生物成因硅的发育有利于有机质的富集。一段TOC含量明显高于二段但孔隙度略低,这可能与生物成因硅在这两段的差异相对应,生物成因硅与陆源碎屑一定比例共生形成的刚性格架可能对孔隙的发育和保存起保护和支撑作用。宜昌地区寒武系水井沱组富有机质层段硅质来源可能是引起页岩含气性差异的主要因素。