四川盆地南部地区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组发育富有机质黑色页岩,是我国页岩气勘探和开发的重点对象。目前为止,对黑色页岩中脆性矿物的成因、来源以及对孔隙的影响研究较为薄弱,对细粒沉积岩的沉积过程研究也不够深入,成为制约页岩气勘探和开发的瓶颈。本文通过野外露头剖面实测、岩心观察、分析测试及室内综合研究,对川南地区五峰组-龙马溪组黑色页岩矿物学、岩石学、沉积学以及储层地质学特征进行了详细研究。利用X射线衍射、偏光显微镜、硅氧同位素、主微量元素等分析测试手段分析了研究区五峰组-龙马溪组黑色页岩矿物学特征。研究区五峰组-龙马溪组黑色页岩矿物成分复杂,包括石英、粘土矿物、方解石、白云石、长石、黄铁矿等。其中,石英来源可分为陆源碎屑石英和生物石英。富陆源碎屑石英页岩δ 3OSi偏负,δ 3OSi 值为-0.34‰～-0.64‰,δ 18O 值为 18.09‰～19.43‰。富生物石英页岩δ 30Si值偏正,为-0.09‰～0.31‰,δ18O值相对较高,为18.75‰～22.14‰。碳酸盐矿物的成因包括内碎屑、生物碎屑、成岩期自生成因和微生物成因。微生物成因的白云石与硫酸盐还原菌密切相关,发育粒内孔,孔隙直径2微米左右,与实验室培养的硫酸盐还原菌菌体大小相近,推测孔隙为白云石形成时硫酸盐还原菌菌体所占据的空间,细菌死亡后成为孔隙。此外,富微生物成因白云石的黑色页岩与相邻页岩相比具有较高盐度,有利于促进微生物白云石的形成。根据矿物成分和成因,提出以陆源碎屑石英+长石、生物石英、碳酸盐矿物和粘土矿物为“四端元”、采用二级命名法对研究区五峰组-龙马溪组黑色页岩进行分类命名,识别出四大类、十小类岩相:碳酸盐细粒岩类(碳酸盐细粒岩、泥质碳酸盐细粒岩和粉砂质碳酸盐细粒岩)、生物硅细粒岩类(生物硅细粒岩和粘土质生物硅细粒岩)、粘土细粒岩类(生物硅质粘土细粒岩和粘土细粒岩)和混合细粒岩类(粘土混合细粒岩、碳酸盐混合细粒岩和生物硅混合细粒岩)。通过野外露头剖面、岩心和镜下观察,从宏观和微观角度识别了五峰组-龙马溪组黑色页岩的主要沉积构造。研究区五峰-龙马溪组黑色页岩沉积构造类型丰富,主要发育块状构造、水平层理、粒序层理、波状层理、透镜状构造和截切构造。块状构造在各岩相中均有发育;透镜状构造主要发育于生物硅细粒岩和生物硅混合细粒岩中;水平层理发育于生物硅细粒岩类、混合细粒岩类和碳酸盐细粒岩类,在粘土细粒岩类中少见;粒序层理发育于粘土细粒岩、生物硅质粘土细粒岩、泥质混合细粒岩和粉砂质碳酸盐细粒岩中,纹层界面模糊,为正粒序;波状层理发育于粉砂质碳酸盐细粒岩中;截切构造偶见,仅在B1井中发现。本文利用氩离子抛光、场发射扫描电镜、氮气吸附、压汞和CT扫描等分析测试手段,定性和定量表征了研究区五峰组-龙马溪组黑色页岩储集空间特征,分析了脆性矿物对页岩孔隙的影响。研究区五峰组-龙马溪组黑色页岩发育粒内孔隙、粒间孔隙、有机质孔隙和裂缝。粒内孔隙发育于草莓状黄铁矿、粘土矿物、方解石和白云石颗粒内部,多为次生孔隙。粒间孔隙在石英、长石、方解石、白云石以及粘土矿物絮凝颗粒间都有发育,其中在石英颗粒边缘最为发育。裂缝类型主要包括构造缝、页理缝、微裂缝和有机质收缩缝。有机质孔隙和碳酸盐矿物粒内孔隙是页岩介孔的主要来源,而有机质孔隙和与石英相关的粒间孔隙是页岩宏孔的主要来源。由于碳酸盐矿物在较小孔隙中沉淀需要达到更高的浓度,因此较小的碳酸盐矿物粒内孔更容易保存下来。首次在研究区五峰组-龙马溪组黑色页岩中识别出重力流成因的粉砂质碳酸盐细粒岩,主要由粉砂级陆源碎屑石英和粉晶白云石组成,可见粒序层理,为低密度浊流沉积。在粉砂质碳酸盐细粒岩中,陆源碎屑石英颗粒直径50-110微米,呈棱角-次棱角状,其含量在研究区五峰组-龙马溪组黑色页岩中最高。受后期成岩作用影响,大部分粉晶白云石颗粒边缘不清晰。与上覆和下伏黑色页岩相比,低密度浊流成因的粉砂质碳酸盐细粒岩游离气含量和总含气量有明显的升高。综合分析认为有机碳含量、岩相、沉积环境和成岩作用是影响研究区五峰组-龙马溪组黑色页岩储层的主要因素。当黑色页岩有机质含量相近时,无机孔隙对页岩含气性的影响要大于有机质孔隙。生物硅细粒岩、粘土质生物硅细粒岩和生物硅混合细粒岩有机碳含量高,储层物性好,含气性较好,游离气含量高,是研究区最有利的储层,其次为低密度浊流成因的粉砂质碳酸盐细粒岩。对研究区五峰组-龙马溪组黑色页岩孔隙影响较大的成岩作用包括压实作用、胶结作用和溶蚀作用,碳酸盐矿物胶结作用对研究区内五峰组-龙马溪组黑色页岩中的宏孔起破坏性作用,而溶蚀作用则使碳酸盐矿物粒内溶蚀孔隙(主要为介孔)发育。