鄭海峰，宋換新，楊振瑞，唐 永，曠紅偉，柳永清

(1.長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2.長江大學(xué) 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100； 3.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037)

0 引 言

新元古代成冰紀(jì)是“雪球地球”事件時期，該時期整個地球發(fā)生過幾次全球性的冰川作用[1]，甚至中、低緯度和赤道地區(qū)都曾被冰雪所覆蓋。成冰紀(jì)全球可對比的最大規(guī)模冰期有Sturtian冰期(680～715 Ma)和Marinoan冰期(635～660 Ma)[2-4]。中國揚(yáng)子地塊南華系(成冰系)也廣泛發(fā)育這兩個冰期及其沉積地層組合，即古城組/長安組(Sturtian冰期)和南沱組(Marinoan冰期)[5-6]。兩個冰期沉積之間的間冰期沉積即為大塘坡組/湘錳組(大塘坡組在湖南石門地區(qū)楊家坪剖面稱為湘錳組)。大塘坡組也是中國主要的含錳礦巖系，大型錳礦主要分布在黔湘渝及湖北長陽地區(qū)。不同學(xué)者對該含錳礦巖系的沉積及地球化學(xué)特征[7-8]、錳礦成因及控礦因素[9-10]和油氣資源潛力[11-12]等進(jìn)行了研究；最近幾年，不同專家運(yùn)用多尺度的三維地質(zhì)建模[13]對構(gòu)造環(huán)境[14]、礦床地質(zhì)特征、礦床潛力[15]等進(jìn)行了預(yù)測和分析。

湖北神農(nóng)架地區(qū)南華系地層發(fā)育完整，剖面出露良好，但是長期以來對其研究一直比較薄弱。近年來，官開萍等對神農(nóng)架地區(qū)南華系地層進(jìn)行了系統(tǒng)分析，認(rèn)為該區(qū)南華系地層較鄂西峽東地區(qū)更完整，可作為區(qū)域地層對比的參照標(biāo)準(zhǔn)[16]。Ye等在神農(nóng)架宋洛地區(qū)南沱組(曠紅偉等修正為大塘坡組[17-18])首次發(fā)現(xiàn)光合作用的宏體藻類[19]。曠紅偉等研究了神農(nóng)架地區(qū)南華系沉積地層序列，也指出它們與揚(yáng)子地塊其他地區(qū)可以對比[17-18]。但目前對于神農(nóng)架地區(qū)南華系大塘坡組系統(tǒng)地層及古環(huán)境研究還沒有報道。本文在湖北神農(nóng)架地區(qū)南華系大塘坡組野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,利用剖面樣品元素分析資料對大塘坡組的古環(huán)境進(jìn)行研究，并探討了古環(huán)境與優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育之間的關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

湖北神農(nóng)架地區(qū)地處揚(yáng)子地塊北緣，西北部接南秦嶺造山帶。在長期的地質(zhì)發(fā)展演化過程中，該地區(qū)經(jīng)歷了多期次、多階段的變形變質(zhì)作用和巖漿活動的改造，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜[20]。南華紀(jì)在華南地塊整體伸展的構(gòu)造活動背景下，揚(yáng)子地塊形成了廣泛的拉張環(huán)境。揚(yáng)子地塊東南緣、北緣和西緣發(fā)育主裂谷系[21]，在揚(yáng)子地塊內(nèi)部發(fā)育支裂谷(圖1)，共同控制了各級裂谷盆地的形成與發(fā)育。揚(yáng)子地塊內(nèi)部在康滇、上揚(yáng)子、江南、鄂中等古隆起區(qū)之間發(fā)育康滇裂谷、鄂西海槽等支裂谷及其分支，相應(yīng)的裂谷盆地和次級斷陷盆地發(fā)育。自揚(yáng)子地塊北緣的鄂西地區(qū)，到東南緣湘黔渝毗鄰地區(qū)，南華系沉積主要受到鄂西海槽及其分支大斷裂的控制，自揚(yáng)子地塊北緣至東南緣，發(fā)育陸架→斜坡→盆地環(huán)境，水體逐漸加深[17]。神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組屬于海平面上升的產(chǎn)物，主體屬于大陸邊緣的構(gòu)造環(huán)境，初步研究認(rèn)為神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組沉積相為陸架潮坪相[17]。神農(nóng)架地區(qū)新元古界地層發(fā)育完整，自下而上分別為蓮沱組、古城組、大塘坡組、南沱組、陡山沱組。

底圖引自文獻(xiàn)[21]圖1 南華裂谷盆地早期大地構(gòu)造格架Fig.1 Tectonic Framework of Nanhua Rift Basin at Early Stage

大塘坡組在神農(nóng)架地區(qū)西南部的高橋河、大九湖剖面及其中部的宋洛剖面均出露完整，特征也比較典型,連續(xù)剖面頂、底界面清楚[圖2(a)～(d)]，并且在區(qū)域上可以廣泛對比[17-18，22-23]。但是整體而言，神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組地層厚度較薄，一般不超過15 m。高橋河剖面大塘坡組地層厚8.46 m，巖性主要為灰黑色碳質(zhì)泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，底部見薄層(約16 cm)含錳白云巖[19]；大九湖剖面大塘坡組地層厚9.00 m，巖性為灰黑色碳質(zhì)粉砂質(zhì)泥頁巖夾少量薄層泥質(zhì)粉砂巖；宋洛剖面大塘坡組地層厚11.5 m，巖性主要為碳質(zhì)粉砂質(zhì)泥頁巖夾薄層粉砂巖[圖2(e)]，其中上部粉砂巖薄層含量相對較高，下部藻類化石十分發(fā)育[圖2(f)～(i)]，主要為底棲葉片狀、管狀、盤狀宏體藻類化石[19]。

2 樣品采集與分析方法

在神農(nóng)架地區(qū)大九湖剖面和宋洛剖面分別采集暗色粉砂質(zhì)泥頁巖樣品6件。大九湖剖面大塘坡組巖性沒有出現(xiàn)大的突變，樣品編號在剖面上由底至頂分別為D-S0～D-S5;宋洛剖面同樣巖性變化不大，樣品編號在剖面上由底至頂分別為S-S0～S-S5。樣品在剖面上基本均勻分布，且樣品新鮮，巖性均一。

樣品總有機(jī)碳(TOC)、巖石熱解和全巖元素地球化學(xué)分析在長江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。主量元素分析采用ICP-AES方法，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)低于8%。其測試流程為：準(zhǔn)確稱取30 mg粉末樣品置于10 mL石墨堝中，加入130 mg(比例約為1∶4)無水偏硼酸鋰，混勻；將坩堝置于1 000 ℃高溫爐中熔融15 min，取出坩堝將熔融物倒入5%王水中超聲提取至完全溶解，將溶液移入25 mL比色管中，準(zhǔn)確加入25 μL濃度為1 mg·mL-1鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液，用5%王水稀釋至刻度，搖勻備用。微量、稀土元素分析采用ICP-MS方法，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差低于10%。其測試流程為：取定量的粉末于溶樣器中，加入氫氟酸、硝酸；在190 ℃中保溫48 h，取出烘干，加入鹽酸至完全溶解，取出溶液待測[7]。主量、微量元素分析結(jié)果見表1、2。

圖(g)～(i)引自文獻(xiàn)[19]圖2 神農(nóng)架地區(qū)南華系大塘坡組地層、巖性及古生物特征Fig.2 Stratum, Lithology and Paleontology Characteristics of Datangpo Formation of Nanhua System in Shennongjia Area

3 結(jié)果分析與討論

3.1 古鹽度判別

元素地球化學(xué)方法在古環(huán)境研究中得到了廣泛應(yīng)用。其中，CaO/(CaO+Fe)、Sr/Ba、Rb/K、K/Na值是常用的古鹽度定性判別指標(biāo)[24-27]。研究表明，CaO/(CaO+Fe)值小于0.2表示沉積水體為低鹽度，CaO/(CaO+Fe)值大于0.5表示為高鹽度[24]，兩者之間為中鹽度。研究區(qū)兩條剖面垂向上樣品CaO/(CaO+Fe)值變化不大，表明大塘坡組沉積期的水體鹽度相對穩(wěn)定(圖3)。其中，大九湖剖面6個樣品CaO/(CaO+Fe)平均值為0.25，其中4個樣品大于0.2；宋洛剖面6個樣品CaO/(CaO+Fe)平均值為0.14，其中5個樣品小于0.2[圖4(a)]。上述特征表明神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組沉積水體總體為中—低鹽度，相對而言大九湖剖面沉積水體鹽度更高。

Sr和Ba含量隨著水體鹽度增大，Ba會首先以BaSO4形式沉淀，當(dāng)鹽度達(dá)到一定程度，Sr會以SrSO4形式加速沉淀，因此，Sr/Ba值能夠用來預(yù)測沉積水體鹽度，但是在咸化的陸相環(huán)境中和沉積巖中碳酸鹽巖含量對這一指標(biāo)有一定的影響[29-30]。通常Sr/Ba值小于0.5表明沉積水體為淡—微咸水，Sr/Ba值大于1表明為咸水，介于兩者之間為半咸水[25]。神農(nóng)架地區(qū)兩條剖面所有樣品Sr/Ba值都小于0.5，其中宋洛剖面大塘坡組6個樣品Sr/Ba平均值為0.02，大九湖剖面大塘坡組6個樣品Sr/Ba平均值為0.01，表明兩條剖面大塘坡組都為淡—微咸水沉積環(huán)境[圖4(b)]。

注：w(·)為元素或化合物含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；D-S平均值表示大九湖剖面樣品D-S0～D-S5所對應(yīng)的各參數(shù)平均值；S-S平均值表示宋洛剖面樣品S-S0～S-S5所對應(yīng)的各參數(shù)平均值。

表2 微量元素分析結(jié)果Tab.2 Analysis Results of Trace Elements

注：Ceanom為Ce異常指數(shù)；Ceanom值引自文獻(xiàn)[28]。

圖3 總有機(jī)碳、CaO/(CaO+Fe)、V/(V+Ni)、Ni/Co、CIA和ICV值垂向變化Fig.3 Variable Changes of TOC, CaO/(CaO+Fe), V/(V+Ni), Ni/Co, CIA and ICV

圖4 CaO/(CaO+Fe)值與Sr/Ba值分布Fig.4 Distribution Diagrams of CaO/(CaO+Fe) and Sr/Ba

研究表明，Rb/K值大于0.06表明沉積地層為海相沉積，Rb/K值小于0.004為淡水陸相沉積[26]。大九湖剖面樣品Rb/K值為26.94～28.28，平均值為27.70；宋洛剖面樣品Rb/K值為28.90～31.58，平均值為30.04。兩者Rb/K值均遠(yuǎn)大于0.06，表明神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組為海相沉積。另外，水體鹽度越高，K和Na就越容易被黏土礦物吸附，且K相對于Na的吸附量也越大[31]，因此，K/Na值越大說明水體鹽度越高[25]。大九湖剖面樣品K/Na值為6.31～66.76，平均值為30.31；宋洛剖面樣品K/Na值為4.27～7.76，平均值為6.35。大九湖剖面樣品K/Na平均值遠(yuǎn)大于宋洛剖面樣品，同樣表明大九湖剖面大塘坡組沉積水體鹽度可能更高。

綜上所述，神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組沉積期，沉積水體鹽度總體為中—低鹽度，但大九湖剖面沉積水體鹽度更高，表明其可能沉積于相對局限的濱—淺海環(huán)境。

3.2 古水體氧化-還原性判別

利用地層樣品元素地球化學(xué)分析資料還可以判斷古沉積水體的氧化-還原性。研究表明，V、Cr、Ni、Co等元素在氧化環(huán)境下易溶解，在還原環(huán)境下則容易富集于沉積地層之中，相關(guān)元素含量比值可以作為沉積水體氧化-還原性判別依據(jù)[32-35]。

V/(V+Ni)值可用于判斷沉積物沉積時底層水體氧化-還原性[36-37]。一般來說，V/(V+Ni)值大于0.77，表示還原性水體環(huán)境；V/(V+Ni)值小于0.60，表示氧化性水體環(huán)境；介于兩者之間表示弱氧化—弱還原的水體環(huán)境[36]。神農(nóng)架地區(qū)兩條剖面所有樣品V/(V+Ni)值為0.50～0.92，平均值為0.69，且在兩條剖面垂向上變化不大(圖3)，表明兩條剖面大塘坡組沉積期都為弱氧化—弱還原的水體環(huán)境。

在沉積物中沒有鎂鐵質(zhì)碎屑時，Ni/Co值可以區(qū)分沉積水體的氧化-還原性[38-39]。通常Ni/Co值小于5為氧化性水體環(huán)境，Ni/Co值大于7為還原性水體環(huán)境，Ni/Co值介于兩者之間為弱氧化—弱還原的水體環(huán)境。神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組地層樣品中沒有發(fā)現(xiàn)含有明顯的含鐵鎂質(zhì)礦物。神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組12個樣品Ni/Co值為1.18～26.67，平均值為9.37。該比值區(qū)間分布范圍較廣，根據(jù)所有樣品的Ni/Co平均值判斷，大塘坡組沉積時主體屬于還原性水體環(huán)境。研究區(qū)兩條剖面沉積水體還原性表現(xiàn)出了明顯的差異(圖3)，宋洛剖面沉積水體還原性更強(qiáng)，且其沉積水體還原性還表現(xiàn)出由弱到強(qiáng)再到弱的變化趨勢。

沉積體系中的Ce異常指數(shù)(Ceanom)也可用來反映水體的氧化-還原性[40]。通常Ceanom值小于-0.1表示Ce虧損，反映沉積水體為氧化環(huán)境；Ceanom值大于-0.1表示Ce富集，反映沉積水體為還原環(huán)境[36]。研究區(qū)兩條剖面所有樣品的Ceanom值在-0.1左右波動(表2)，表明神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組沉積水體氧化-還原性有一定的波動，但整體為弱氧化—弱還原的水體環(huán)境。

通過對V/(V+Ni)、Ni/Co、Ceanom值的分析(圖3)表明，神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組沉積期古水體整體屬于弱氧化—弱還原的水體環(huán)境，部分區(qū)域沉積水體的氧化-還原性有一定的波動。

3.3 古氣候判別

化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)可用來確定沉積巖物源區(qū)風(fēng)化程度，根據(jù)風(fēng)化程度變化能夠判斷沉積物源區(qū)的氣候環(huán)境[41-43]。通常情況下，CIA值為60～80表示溫暖濕潤氣候下的中等風(fēng)化；CIA值為80～100反映炎熱潮濕氣候下的強(qiáng)烈風(fēng)化作用；CIA值小于60表示寒冷干燥氣候下未風(fēng)化。研究區(qū)兩條剖面大塘坡組樣品CIA值(60～70)(表1)明顯大于下伏古城組和上覆南沱組冰磧巖CIA值(50～60)[16]，這表明大塘坡組沉積于間冰期的溫暖濕潤氣候環(huán)境。ICV值可以用來確定沉積物成分的成熟度，ICV值越高，沉積物成分成熟度越低。泥質(zhì)巖成熟度與構(gòu)造活動相關(guān)，構(gòu)造活動區(qū)泥質(zhì)巖成分成熟度低，穩(wěn)定區(qū)和風(fēng)化作用強(qiáng)的泥質(zhì)巖沉積區(qū)成熟度高[38]。研究區(qū)大塘坡組樣品ICV值為0.82～1.90，大多數(shù)在1左右，且相對較低，說明研究區(qū)處于構(gòu)造相對穩(wěn)定區(qū)域。神農(nóng)架地區(qū)樣品CIA、ICV值分布都較集中，波動不大，表明神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組沉積期屬于溫暖濕潤氣候環(huán)境下物源區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定的沉積(圖3)。

微量元素Sr含量和Sr/Cu值常用于古氣候判別。地層樣品Sr含量低表明為溫暖濕潤氣候，而Sr含量高表明為干旱氣候。Sr/Cu值小于5.0表明為溫暖濕潤氣候，Sr/Cu值大于5.0則表明為干旱氣候[43]。神農(nóng)架地區(qū)兩條剖面大塘坡組樣品Sr含量平均值分別為16.08×10-6和35.37×10-6，Sr/Cu平均值分別為0.59和1.05，較低的Sr含量、Sr/Cu值與貴州松桃剖面大塘坡組具有可比性(表3)，表明神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組沉積期為溫暖濕潤氣候環(huán)境。

Sr/Ba、Rb/Sr值越低表示為溫暖濕潤氣候，Rb/Sr值越高表示為干燥寒冷的氣候，而Sr/Ba值越高則表示為干燥炎熱的環(huán)境[44]。大九湖剖面和宋洛剖面大塘坡組樣品Sr/Ba平均值分別為0.01和0.02，松桃剖面大塘坡組樣品Sr/Ba平均值為0.07(表3)，并且3條剖面樣品Rb/Sr平均值較低，分布范圍變化較小，同樣表明神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組沉積期為溫暖濕潤的氣候。

Mg/Ca值高表示為干旱氣候，Mg/Ca值低表示為溫暖濕潤氣候[45]。大九湖剖面和宋洛剖面大塘坡組Mg/Ca平均值分別為2.58和4.22，對比貴州松桃剖面大塘坡組樣品數(shù)據(jù)(Mg/Ca平均值為8.01，表3)，表明神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組沉積期為溫暖濕潤氣候。

4 古氣候、古環(huán)境與油氣形成的關(guān)系

隨著中、上揚(yáng)子地塊油氣勘探領(lǐng)域不斷向深層拓展，南華系大塘坡組高有機(jī)質(zhì)豐度的暗色泥頁巖受到了研究者的重視[46-47]。謝增業(yè)等研究認(rèn)為，四川盆地東南緣南華系大塘坡組烴源巖可為該盆地早期古隆起、古斜坡等提供充足的油氣供給，可能成為盆地深層、超深層天然氣勘探的氣源[12]。

神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組有機(jī)地球化學(xué)研究表明，大九湖剖面樣品總有機(jī)碳為0.61%～1.87%，平均值為1.12%，宋洛剖面樣品總有機(jī)碳為0.34%～5.05%，平均值為3.19%，這兩條剖面有機(jī)質(zhì)豐度很高，分別屬于有效和優(yōu)質(zhì)烴源巖。由此可見，神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組烴源巖同樣也能夠?yàn)橛蜌獠匦纬商峁┏渥愕臒N源。宋洛剖面樣品總有機(jī)碳平均值明顯大于大九湖剖面，并且宋洛剖面沉積水體的還原性明顯高于大九湖剖面(圖3)。

表3 不同剖面大塘坡組泥頁巖微量元素判別指標(biāo)分布Tab.3 Distribution of Discrimination Indexes of Trace Element for Mud Shale of Datangpo Formation in Different Sections

注：松桃剖面數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[46]。

Ba含量通常用來評估有機(jī)質(zhì)的古生產(chǎn)力水平[30]。神農(nóng)架地區(qū)大九湖剖面和宋洛剖面大塘坡組樣品Ba含量平均值分別為1 447.37×10-6和2 219.65×10-6(表2)，兩條剖面的大塘坡組樣品Ba含量都非常高。Cu主要靠有機(jī)質(zhì)輸送到沉積物中沉積，因此，常被作為有機(jī)質(zhì)通量的理想元素[30]。大九湖剖面、宋洛剖面大塘坡組樣品Cu含量平均值分別為44.03×10-6和64.24×10-6，同樣較高。元素地球化學(xué)分析表明神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組有機(jī)質(zhì)的古生產(chǎn)力非常強(qiáng)，大量有機(jī)質(zhì)可以進(jìn)入沉積地層，為優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育提供豐富的有機(jī)質(zhì)來源。

前寒武紀(jì)地層中的沉積有機(jī)質(zhì)來源于菌藻類，能進(jìn)行光合作用的原核生物藍(lán)藻(藍(lán)細(xì)菌)最早在2.5～2.7 Ga就已經(jīng)出現(xiàn)[48-49]，而多細(xì)胞藻類(例如紅藻、褐藻等)也在1.0～1.2 Ga或更早就已經(jīng)出現(xiàn)[50-52]。神農(nóng)架地區(qū)南華系大塘坡組發(fā)現(xiàn)了大量的底棲葉片狀、管狀、盤狀宏體藻類化石，表明大量光合作用的底棲宏體藻類也可能是研究區(qū)沉積有機(jī)質(zhì)的重要來源。大塘坡組屬于間冰期沉積，溫暖濕潤的氣候條件促使藻類快速繁殖，同時，冰川在消退期間，大陸架可以接收河流帶來的大量營養(yǎng)物質(zhì)，沒有冰層覆蓋，水體相對較淺，陽光充足的環(huán)境為藻類快速生長提供了良好的外在條件。并且，研究區(qū)大塘坡組沉積水體主要為中—低鹽度的正常海水，同樣有利于藻類的大量繁殖，充分的有機(jī)質(zhì)供給保證了部分未被氧化的有機(jī)物能夠沉積在大塘坡組泥頁巖中。

由此可見，大塘坡組溫暖濕潤氣候是導(dǎo)致這一時期藻類大量繁殖的前提條件；適宜的鹽度、充足的陽光、豐富的礦物為藻類的繁殖提供了便利；通過Cu與Ba含量分析，發(fā)現(xiàn)極高的古生產(chǎn)力使得大量的有機(jī)質(zhì)能夠埋藏于地層中，偏還原的水體環(huán)境是有機(jī)質(zhì)能夠保存在烴源巖中的關(guān)鍵因素。上述有利條件使得大塘坡組成為優(yōu)質(zhì)烴源巖和油氣勘探的潛在層位。

5 結(jié) 語

(1)通過對湖北神農(nóng)架地區(qū)南華系大塘坡組元素地球化學(xué)CaO/(CaO+Fe)、Sr/Ba、Rb/K、K/Na值研究表明，大塘坡組沉積期水體鹽度整體為中—低鹽度。

(2)通過對V/(V+Ni)、Ni/Co、Ceanom值的分析表明，神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組沉積水體為弱氧化—弱還原的水體環(huán)境。

(3)通過CIA、ICV、Sr/Cu、Mg/Ca、Sr/Ba、Rb/Sr值和Sr含量判斷，神農(nóng)架地區(qū)大塘坡組處于溫暖濕潤氣候環(huán)境。

(4)結(jié)合總有機(jī)碳和古生物的研究，良好的氣候和水體條件有利于藻類的繁殖，充足的有機(jī)質(zhì)供給為大塘坡組優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ),其中還原性強(qiáng)是宋洛剖面樣品總有機(jī)碳高的主要原因。