趙建華,金之鈞,林暢松,劉光祥,劉可禹,劉忠寶,張鈺瑩

[1. 中國石油大學(xué)(華東) 深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580； 2. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580； 3. 頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 4. 中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；5. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 海洋學(xué)院，北京 100083]

起源于美國的頁巖革命深刻改變了油氣勘探理念、極大地拓展了油氣勘探領(lǐng)域，北美頁巖油氣產(chǎn)量的快速增長深刻改變了世界油氣供需格局。我國石油和天然氣的對外依存度分別超過60%和30%，油氣資源保障是我國面臨的重要安全問題之一。我國富有機(jī)質(zhì)頁巖分布廣、層位多；美國能源信息署(EIA,2013)、國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心(2012)和中國石油天然氣股份有限公司(2014)評價(jià)的我國頁巖氣技術(shù)可采資源量分別為36.1×108,25.08×108和12.85×108m3，且我國的頁巖氣可采資源量明顯高于致密砂巖氣和煤層氣[1]。這些均表明，我國頁巖氣勘探潛力巨大，是油氣資源的重要戰(zhàn)略接替領(lǐng)域。

近年來，中國頁巖氣的勘探和開發(fā)已取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。上揚(yáng)子地區(qū)作為頁巖氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場，在上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖中，發(fā)現(xiàn)了涪陵、威遠(yuǎn)和長寧頁巖氣田，2017年頁巖氣產(chǎn)量達(dá)90.61×108m3。除此之外，上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖同樣具有有機(jī)質(zhì)豐度高、厚度大和分布范圍廣的特點(diǎn)。近年來，該地區(qū)也相繼獲得了一些頁巖氣發(fā)現(xiàn)：如在川西南地區(qū)W201井和J1井的筇竹寺組、黔南H1井的九門沖組、黔東南T1井的牛蹄塘組，壓裂測試均獲得頁巖氣流，寒武系頁巖也展現(xiàn)出了良好的勘探前景[2]，但目前研究程度較志留系龍馬溪組頁巖低，加之下寒武統(tǒng)頁巖時(shí)代老、演化程度高，頁巖氣勘探開發(fā)一直未取得實(shí)質(zhì)性突破。

沉積物的搬運(yùn)沉積過程及環(huán)境條件控制著富有機(jī)質(zhì)頁巖的形成，從而決定著頁巖氣儲層的發(fā)育[3-8]。下寒武統(tǒng)頁巖的沉積背景為海相克拉通盆地背景下的陸棚沉積，富有機(jī)質(zhì)頁巖形成受控于氧化還原環(huán)境、古海洋生產(chǎn)力及熱水作用等多種因素[9-14]。本文綜合運(yùn)用野外露頭、巖心、薄片、掃描電鏡及地球化學(xué)分析等手段對上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組及與之相應(yīng)層位頁巖進(jìn)行巖石學(xué)的研究和地球化學(xué)分析。主要目的是深入剖析頁巖的沉積過程及沉積環(huán)境，建立上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖的沉積模式，明確富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育的控制因素，進(jìn)而為上揚(yáng)子地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的分布預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

上揚(yáng)子地區(qū)以四川盆地為中心，是指南秦嶺南緣斷裂以南、斑都-紫云-羅甸斷裂以北、龍門山斷裂系以東、雪峰山以西的廣大地區(qū)，包括四川盆地、滇齡北和湘鄂西地區(qū)等，面積約為3.5×105km2(圖1)。上揚(yáng)子地區(qū)自南華紀(jì)開始進(jìn)入板塊運(yùn)動機(jī)制的克拉通盆地演化階段[15]，震旦紀(jì)—中奧陶世上揚(yáng)子地塊處于拉張環(huán)境，震旦紀(jì)燈影組沉積期—早寒武世梅樹村組沉積期，上揚(yáng)子地區(qū)發(fā)生3幕桐灣運(yùn)動，表現(xiàn)為區(qū)域性隆升與剝蝕，早寒武世麥地坪組地層在資陽—長寧地區(qū)局部殘留。早寒武世筇竹寺組沉積期，受海平面快速上升影響，上揚(yáng)子地區(qū)普遍發(fā)育磷質(zhì)頁巖、磷質(zhì)巖、云質(zhì)磷質(zhì)巖等較深水沉積物。早寒武世中期(滄浪鋪組沉積期)，上揚(yáng)子克拉通隆凹格局逐漸開始消失，進(jìn)入碳酸鹽臺地發(fā)育階段，從盆地西緣向東南依次發(fā)育碎屑濱岸、碳酸鹽潮坪、開闊臺地、臺緣斜坡和臺緣盆地相。近期在上揚(yáng)子克拉通綿陽—長寧地區(qū)發(fā)現(xiàn)晚震旦世—早寒武世克拉通內(nèi)裂陷，早寒武世梅樹村組沉積期—筇竹寺組沉積期為裂陷發(fā)展期，受填平補(bǔ)齊作用的影響，內(nèi)部充填500～1 000 m的深水陸棚相泥質(zhì)巖，是優(yōu)質(zhì)烴源巖，這一發(fā)現(xiàn)對古老克拉通盆地深層油氣勘探有重要指導(dǎo)意義[16-17]。

研究區(qū)下寒武統(tǒng)劃分為紐芬蘭統(tǒng)和黔東統(tǒng)，不同地區(qū)地層命名方案有所不同，劉忠寶等(2016)[7]結(jié)合前人生物地層、巖石地層及測井響應(yīng)特征建立了上揚(yáng)子地區(qū)主要地層分區(qū)及各組之間對應(yīng)關(guān)系(表1)。本文延用該地層對比方案，川西南地區(qū)的筇竹寺組與黔中-黔北地區(qū)的牛蹄塘組、川北地區(qū)郭家壩組、黔南地區(qū)九門沖組和耙榔組-變馬沖組下部、鄂西-渝東地區(qū)水井沱組和石牌組下部地層對應(yīng)。

2 巖相類型

本次研究基于上揚(yáng)子地區(qū)4條野外剖面和5口鉆井巖心筇竹寺組巖石的觀察描述，結(jié)合80余片薄片的觀察、20余樣品掃描電鏡觀察，根據(jù)巖石組構(gòu)、結(jié)構(gòu)及礦物組成(表2)，劃分出5大類12小類巖相。

2.1 頁巖

2.1.1 硅質(zhì)頁巖

硅質(zhì)頁巖石英含量較高，一般大于45%，在筇竹寺組下部較為發(fā)育(圖2a，圖3a)。硅質(zhì)頁巖中微晶石英含量較高，占石英總量的60%～70%，可見海綿骨針化石(圖4a)。微晶石英呈聚集體的形式分布在碎屑石英、長石等碎屑顆粒之間及粘土礦物之間(圖4b，圖5a)。硅質(zhì)頁巖中微晶石英主要為成巖過程中形成，與巴奈特頁巖和龍馬溪組硅質(zhì)頁巖類似[19]。硅質(zhì)頁巖內(nèi)部發(fā)育黃鐵礦，主要呈莓球狀和自形狀。硅質(zhì)頁巖TOC較高一般介于5.0%～7.0%。

圖1 上揚(yáng)子地區(qū)構(gòu)造綱要圖[18]Fig.1 Tectonic outline map of the Upper Yangtze region[18]

表2 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖平均礦物組成及TOC含量Table 2 Mean mineral composition and TOC content of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in the Upper Yangtze region

圖2 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖野外露頭照片F(xiàn)ig.2 Outcrop photographs of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in the Upper Yangtze regiona.層狀硅質(zhì)頁巖，渣拉溝組，渣拉溝剖面；b.粉砂質(zhì)頁巖，牛蹄塘組，甕安永和剖面；c.粘土質(zhì)頁巖，牛蹄塘組，甕安永和剖面；d.灰質(zhì)頁巖，牛蹄塘組，甕安永和剖面；e.硅質(zhì)巖，留茶坡組，渣拉溝剖面；f.粉砂巖，牛蹄塘組，金沙巖孔剖面

2.1.2 粉砂質(zhì)頁巖

粉砂質(zhì)頁巖在筇竹寺組中部較為發(fā)育，灰白色粉砂紋層非常發(fā)育，可見水平層理、透鏡狀層理(圖2b，圖3b)。石英含量介于35%～45%，主要由陸源粉砂構(gòu)成。薄片上可見亮色粉砂紋層與暗色含有機(jī)質(zhì)泥巖相間，粉砂紋層內(nèi)部常常發(fā)育方解石膠結(jié)，含有少量長石，分選較差，磨圓中等，次棱角-次圓狀(圖4c，圖5b)。粉砂質(zhì)頁巖TOC含量相對低，一般介于0.4%～0.7%。

2.1.3 粘土質(zhì)頁巖

粘土質(zhì)頁巖主要分布在筇竹寺組上部，通常土礦物含量大于50%，發(fā)育水平層理、塊狀層理(圖2c，圖3c)。在粘土質(zhì)頁巖中石英或長石顆粒粒度一般為粉砂級或粘土級(圖4d，圖5c，圖5d)。粘土質(zhì)頁巖中粘土礦物主要為伊利石、伊蒙混層及少量綠泥石，成巖過程中受到壓實(shí)作用的影響，表現(xiàn)出順層分布的特征。粘土質(zhì)頁巖TOC含量相對高一般介于1.0%～2.0%。

圖3 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖巖心照片F(xiàn)ig.3 Core photographs of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in the Upper Yangtze regiona.硅質(zhì)頁巖，九門沖組，H1井，埋深2 391.15 m；b.粉砂質(zhì)頁巖，可見粉砂紋層，筇竹寺組，J1井，埋深3 306.85 m；c.粘土質(zhì)頁巖，筇竹寺組， J1井，埋深3 292.68；d.灰質(zhì)頁巖，可見灰質(zhì)結(jié)核，水井沱組，C1井，埋深2 253.40 m；e.白云質(zhì)頁巖，見白云石紋層，埋深3 588.53 m

2.1.4 灰/云質(zhì)頁巖

云質(zhì)頁巖主要分布在牛蹄塘組下部含磷層系中，灰質(zhì)頁巖分布在筇竹寺組中上部(圖2d，圖3d)。該類巖相碳酸鹽礦物含量較高，白云石或方解石平均大于25%，主要以膠結(jié)物的形式出現(xiàn)。粘土礦物含量平均大于20%，石英含量約為20%，TOC含量相對較低，一般介于0.5%～1.0%。

2.2 磷質(zhì)巖

磷質(zhì)巖在揚(yáng)子地區(qū)梅樹村階廣泛發(fā)育[20]，根據(jù)磷質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和成分等特點(diǎn)，概括為3種主要的類型：顆粒狀磷質(zhì)巖、白云質(zhì)磷質(zhì)巖和硅質(zhì)磷質(zhì)巖。

2.2.1 顆粒狀磷質(zhì)巖

顆粒狀磷質(zhì)巖多呈黑灰色，發(fā)育塊狀層理，平行層理，與白云質(zhì)磷質(zhì)巖或硅質(zhì)磷質(zhì)巖互層(圖5e，圖6a)。主要礦物為碳氟磷灰石、白云石和硅質(zhì)。磷灰石呈粒狀結(jié)構(gòu)，含量大于60%，粒徑介于0.05～0.3 mm。泥晶白云石和硅質(zhì)通常以膠結(jié)物的形式產(chǎn)出，硅質(zhì)膠結(jié)時(shí)間晚于白云石膠結(jié)，可見硅質(zhì)礦物交代白云石和磷灰石顆粒的現(xiàn)象。顆粒狀磷質(zhì)巖TOC含量相對低，一般介于0.2%～1.0%。

2.2.2 白云質(zhì)磷質(zhì)巖

白云質(zhì)磷塊巖分布于含磷巖系的底部，呈灰-灰黑色，碎屑礦物主要以條帶狀、柱狀、粒狀的磷灰石為主，少量生物屑磷灰石。白云質(zhì)磷質(zhì)巖中白云石含量較高，通常介于20%～40%，以膠結(jié)物的形式充填在磷灰石等碎屑顆粒間(圖4f，圖5g)。白云質(zhì)磷質(zhì)巖TOC含量相對低，一般介于0.3%～1.3%。

2.2.3 硅質(zhì)磷質(zhì)巖

硅質(zhì)磷質(zhì)巖分布于白云質(zhì)磷塊巖頂部,與白云質(zhì)磷塊巖交替沉積，呈灰黑色-灰色。主要由顆粒狀磷灰石、硅質(zhì)礦物、少量白云石、黃鐵礦和粘土類礦物組成。硅質(zhì)主要以交代的形式出現(xiàn)，大部分白云石基質(zhì)和磷灰石顆粒被硅質(zhì)交代(圖4e，圖5f)。硅質(zhì)磷質(zhì)巖TOC含量低，一般介于0.2%～0.6%。

2.3 砂巖

2.3.1 泥質(zhì)粉砂巖

該類巖相中粉砂顆粒含量介于70%～80%，泥質(zhì)含量介于20%～30%。鏡下偶見生物擾動構(gòu)造，粉砂顆粒呈次棱狀-次圓狀，分選中等(圖4h，圖6d)。巖石中可見星散狀黃鐵礦和少量有機(jī)質(zhì)。TOC含量相對低，一般介于0.2%～0.4%。

圖4 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖微觀特征Fig.4 Microscopic features of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in the Upper Yangtze regiona.硅質(zhì)頁巖，可見硅質(zhì)海綿骨針，單偏光，九門沖組，H1井，埋深2 409.05 m;b硅質(zhì)頁巖內(nèi)微晶自生石英特征，SEM，九門沖組，H1井，埋深2 409.05 m；c.粉砂質(zhì)頁巖，可見粉砂紋層，單偏光，筇竹寺組，J1井，埋深3 309.02 m；d.粘土質(zhì)頁巖，可見層狀分布的粘土片狀體，單偏光，筇竹寺組，J1井，3 294.60 m；e.硅質(zhì)磷質(zhì)巖，可見磷灰石顆粒和硅質(zhì)膠結(jié)，正交偏光，梅樹村組，J1井，埋深3 604.29 m； f.云質(zhì)硅質(zhì)巖，基底式白云石膠結(jié)，部分白云石和顆粒狀磷灰石被硅質(zhì)交代，正交偏光，梅樹村組，J1井，埋深3 582.29 m；g.磷質(zhì)白云巖，內(nèi)部可見磷灰石顆粒，正交偏光，梅樹村組，J1井，埋深3 583.94m；h.泥質(zhì)粉砂巖，單偏光，牛蹄塘組，甕安永和剖面；i.硅質(zhì)巖，見大量硅質(zhì)海綿骨針化石，單偏光，九門沖 組，H1井，埋深2 430.05 m

2.3.2 粉砂巖-細(xì)砂巖

粉砂巖-細(xì)砂巖主要分布在筇竹寺組中部，由粉砂及少量細(xì)砂構(gòu)成，次棱狀-圓狀，分選中等，結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度均較低，單層厚度薄。發(fā)育平行層理、低角度交錯(cuò)層理，與暗色泥巖互層(圖6b)。交錯(cuò)層理砂巖內(nèi)部可見侵蝕界面，粉砂巖-細(xì)砂巖內(nèi)部生物化石極少發(fā)。

2.4 碳酸鹽巖

2.4.1 磷質(zhì)白云巖

磷質(zhì)白云巖主要分布在梅樹村組含磷層系內(nèi)部，通常與磷質(zhì)巖、磷質(zhì)頁巖互層。磷質(zhì)白云巖常呈紋層狀，偶爾可見小型的交錯(cuò)層理，波狀層理，及沖刷構(gòu)造(圖6f)，反映了相對動蕩的水動力條件。礦物成分主要由白云石和顆粒狀磷灰石組成，白云石具有泥晶、微晶結(jié)構(gòu)(圖4g)。白云石含量約為60%～75%，磷灰石含量約為5%～8%，硅質(zhì)含量約8%～10%，其次含少量方解石和粘土礦物。TOC含量極低，一般介于0.1%～0.2%。

圖5 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖掃描電鏡圖像Fig.5 SEM images of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in the Upper Yangtze regiona.硅質(zhì)頁巖內(nèi)微晶自生石英特征，九門沖組，H1井，埋深2 376.89 m；b.粉砂質(zhì)頁巖，石英和長石顆粒是主要的組分，筇竹寺組，J1井，埋深3 308.3 m；c，d.粘土質(zhì)頁巖，粘土礦物含量高，可見自形-半自形黃鐵礦，筇竹寺組，J1井，埋深3 290.45m； e.顆粒狀磷質(zhì)巖，梅樹村組，H1井，埋深3 616.09 m；f.硅質(zhì)磷質(zhì)巖，可見磷灰石顆粒和硅質(zhì)膠結(jié)，梅樹村組，J1井，埋深3 604.29 m； g.云質(zhì)磷質(zhì)巖，見自生白云石顆粒，梅樹村組，J1井，埋深3 582.29 m； h.泥灰?guī)r，見大量方解石顆粒，水井沱組，C1井，埋深2 253.60 m；i.硅質(zhì)巖，九門沖組，H1井，埋深2 430.21 m

2.4.2 泥灰?guī)r

泥灰?guī)r主要分布在筇竹寺組中上部，通常與粘土質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)泥巖互層，單層厚度介于10～20 cm，發(fā)育塊狀層理。在泥灰?guī)r發(fā)育層段的頁巖中通?？梢娀屹|(zhì)結(jié)核(圖6c)，泥灰?guī)r中碳酸鹽含量大于50%，主要為方解石，含少量白云石(圖5h)。TOC含量相對低，一般介于0.2%～0.5%。

2.5 硅質(zhì)巖

硅質(zhì)巖主要分布在梅樹村段或筇竹寺組底部，石英含量大于80%，巖石為深灰-灰黑色，具無定形-隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。塊狀或?qū)訝罟栀|(zhì)巖通常被準(zhǔn)同生期形成的網(wǎng)絡(luò)狀石英/玉髓脈所分割形成的假角礫狀構(gòu)造(圖5i，圖6e)。硅質(zhì)巖內(nèi)部可見硅質(zhì)生物化石，主要為硅質(zhì)海綿骨針(圖4i)。硅質(zhì)巖TOC含量較低，介于0.2%～0.6%。

3 沉積相類型及沉積環(huán)境

3.1 陸棚沉積體系

3.1.1 淺水陸棚沉積

淺水陸棚指位于正常浪基面至風(fēng)暴浪基面的沉積區(qū)域。在研究區(qū)主要發(fā)育磷質(zhì)-云質(zhì)-泥質(zhì)和砂質(zhì)-泥質(zhì)-灰質(zhì)兩種典型的沉積序列。

磷質(zhì)-云質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列主要分布在梅樹村期陸內(nèi)裂陷槽內(nèi)部含磷層系的上部，主要由磷質(zhì)巖、白云巖和頁巖構(gòu)成。磷質(zhì)巖主要由顆粒狀磷灰石組成，陸源碎屑較少，顆粒狀磷灰石分選較好，反映了沖刷、篩選、再搬運(yùn)的特征。同時(shí)發(fā)育由風(fēng)暴引起的沖刷充填構(gòu)造，磷質(zhì)巖侵蝕下部頁巖，可見向上變細(xì)的正粒序(圖7a)。頁巖層中亦可見到由云質(zhì)磷質(zhì)巖形成的低角度交錯(cuò)層理、透鏡狀層理。

砂質(zhì)-泥質(zhì)-灰質(zhì)沉積序列主要分布在筇竹寺組中下部，主要由頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖構(gòu)成。垂向上具有向上逐漸變粗再變細(xì)的序列，粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖發(fā)育水平層理、低角度交錯(cuò)層理(圖7b)。此外，在該沉積序列中還可見到頁巖內(nèi)部密集發(fā)育粉砂紋層，單個(gè)紋層厚度介于1～5 mm，紋層密度具有由疏變密，局部過渡到粉砂巖，然后再逐漸變疏的特征。該沉積序列反映了海平面升降變化對沉積物組成和沉積構(gòu)造的控制作用。在碳酸鹽巖古陸(或水下隆起)向盆地之間的過渡的淺水陸棚地區(qū)，該沉積序列中常常發(fā)育灰?guī)r互夾層，如丁山地區(qū)，自下而上表現(xiàn)為由粘土質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖沉積。

3.1.2 深水陸棚沉積

深水陸棚指位于風(fēng)暴浪基面以下的陸棚區(qū)域，在研究區(qū)主要發(fā)育泥質(zhì)-磷質(zhì)-云質(zhì)沉積序列、硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列、泥質(zhì)沉積序列以及灰質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列。

泥質(zhì)-磷質(zhì)-云質(zhì)沉積序列主要分布在梅樹村組陸內(nèi)裂陷槽內(nèi)部含磷層系的下部，主要由頁巖、磷質(zhì)巖和少量白云巖組成(圖7c)。與淺水陸棚磷質(zhì)-云質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列相比，深水陸棚沉積序列中頁巖占主導(dǎo)地位，白云巖含量少。該沉積序列具有富磷、富硅，富碳的特點(diǎn)，主要發(fā)育塊狀層理和水平層理。在磷質(zhì)巖內(nèi)可見云質(zhì)磷質(zhì)巖紋層，磷結(jié)核、黃鐵礦結(jié)核，局部白云石含量升高，可過渡為磷質(zhì)白云巖。

圖7 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖典型沉積序列Fig.7 Typical sedimentary sequences of the Lower Cambrian shales in the Upper Yangtze regiona.淺水陸棚磷質(zhì)-云質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列，梅樹村組，J1井；b.淺水陸棚砂質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列，筇竹寺組，J1井；c.深水陸棚泥質(zhì)-磷質(zhì)- 云質(zhì)沉積序列，梅樹村組，J1井；d.深水陸棚硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列，九門沖組，H1井

硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列主要分布在四川盆地外東南部，如H1井九門沖組上部、金沙巖孔和甕安永和剖面牛蹄塘組下部均發(fā)育該類沉積序列，由硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖和粘土質(zhì)頁巖組成(圖7d)。硅質(zhì)巖和硅質(zhì)頁巖主要發(fā)育在底部，見水平層理，內(nèi)部可見磷質(zhì)結(jié)核。

泥質(zhì)沉積序列主要分布在陸內(nèi)裂陷槽內(nèi)筇竹寺組中上部，主要由粘土質(zhì)頁巖組成，夾少量粉砂質(zhì)頁巖，局部可見黃鐵礦紋層和結(jié)核，發(fā)育水平層理?；屹|(zhì)-泥質(zhì)沉積序列主要分布在宜昌古隆起周緣及四川盆地外東南部地區(qū)牛蹄塘組上部，主要由粘土質(zhì)頁巖、灰質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r組成。整體上泥質(zhì)沉積為主體，通常為粘土質(zhì)頁巖、灰質(zhì)頁巖內(nèi)部夾薄層泥灰?guī)r。該沉積序列向陸地方向過渡為淺水陸棚砂質(zhì)-泥質(zhì)-灰質(zhì)沉積序列。

3.2 斜坡-盆地沉積體系

斜坡沉積主要發(fā)育在深水陸棚與盆地之間的過渡地區(qū)，主要分布在筇竹寺組下部，主要由硅質(zhì)巖和硅質(zhì)頁巖組成，黃鐵礦極其發(fā)育。斜坡沉積由于受到上升流及熱液的影響，H1井九門沖組底部可見被硅質(zhì)脈體切割形成的角礫狀硅質(zhì)巖(圖6e)與硅質(zhì)頁巖，為近距離斜坡帶垮塌沉積[21]。盆地沉積水體更深，與陸棚相區(qū)相比，沉積地層明顯減薄。上揚(yáng)子地區(qū)東南與東北緣兩個(gè)地區(qū)發(fā)育盆地沉積，巖石類型主要為黑色硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖及黑色板巖。

3.3 沉積相分布規(guī)律

早寒武世梅樹村沉積期，上揚(yáng)子地區(qū)海水由東南方向快速侵入，在碳酸鹽巖臺地的沉積基礎(chǔ)上形成了一套海侵沉積序列。平面上自西向東依次發(fā)育碳酸鹽巖臺地—淺水陸棚—深水陸棚—斜坡—盆地相沉積(圖8，圖9)。在四川盆地內(nèi)部資陽—長寧一線陸內(nèi)裂陷槽內(nèi)部發(fā)育厚度較大的深水陸棚泥質(zhì)-磷質(zhì)-云質(zhì)沉積序列，其東、西兩側(cè)地層由于水體深度變淺，發(fā)育淺水陸棚砂質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列。四川盆地之外東南部黔中、黔北及鄂西-渝東等大部分地區(qū)、城口—秭歸以北地區(qū)主要為深水陸棚-斜坡-深水盆地沉積，主要發(fā)育黑色硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列和硅質(zhì)沉積序列，厚度相對較薄。早寒武世筇竹寺沉積期，整體上沉積水體由深變淺，以快速海侵緩慢海退沉積為特征，沉積物以砂泥質(zhì)沉積為主(圖9)。平面上上揚(yáng)子地區(qū)沉積體系的分布繼承了梅樹村時(shí)期的特征，四川盆地內(nèi)部資陽—長寧一線陸內(nèi)裂陷槽內(nèi)以及川盆地之外東南部鄂渝黔大部分地區(qū)(圖9)繼承性的發(fā)育深水陸棚沉積，發(fā)育黑色硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列和硅質(zhì)沉積序列，為早寒武世筇竹寺早期的兩個(gè)沉積中心。在四川盆地西部及川東及川北地區(qū)發(fā)育淺水陸棚沉積，以砂質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列為主，在石柱—利川地區(qū)發(fā)育砂質(zhì)-泥質(zhì)-灰質(zhì)沉積序列。

3.4 氧化還原條件

Mo，U和V被認(rèn)為是氧化還原敏感元素，過渡金屬含量及Th/U，V/(V+Ni)，V/Cr 和Ni/Co比值可以作為古缺氧環(huán)境的判識標(biāo)志，通常V/Cr>2和Ni/Co>5代表貧氧/缺氧環(huán)境[22-24]。本次研究選取了V/Cr，Ni/Co和Mo幾個(gè)參數(shù)作為氧化還原環(huán)境的判定指標(biāo)，分析上揚(yáng)子地區(qū)筇竹寺組沉積時(shí)期氧化還原條件的差異。3個(gè)指標(biāo)在反映氧化還原強(qiáng)度上表現(xiàn)出非常好的一致性。垂向上貧氧-缺氧環(huán)境主要集中在梅樹村組和筇竹寺組下部深水陸棚-斜坡沉積的泥質(zhì)-磷質(zhì)-云質(zhì)沉積序列、硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列中；此外在盆地內(nèi)資陽—長寧一線陸內(nèi)裂陷槽內(nèi)部發(fā)育泥質(zhì)沉積序列也形成于短暫的缺氧-貧氧環(huán)境。淺水陸棚沉積普遍形成于氧化環(huán)境下，特別是厚層砂質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列，而梅樹村組上部磷質(zhì)-云質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列主要形成于氧化與貧氧相互交替的環(huán)境中。同樣的現(xiàn)象在黃頁1井區(qū)深水陸棚硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列中也可見到，反映了沉積時(shí)期海平面的波動導(dǎo)致的氧化還原條件的波動(圖8)。平面上，揚(yáng)子板塊寒武紀(jì)早期不同沉積相帶的氧化還原條件有很大差異，淺水陸棚-斜坡沉積物中Mo和U含量變化顯著，在金頁1井區(qū)頁巖Mo含量介于(2.0～57.1)×10-6，平均為9.53×10-6，U含量介于(2.02～18.3)×10-6，平均為8.30×10-6，而到了深水陸棚-斜坡相帶的H1井附近，頁巖Mo含量介于(42.4～117)×10-6，平均為84.29×10-6，U含量介于(25.3～112)×10-6，平均為53.32×10-6。長期以來學(xué)者對該段的成因存在不同的意見，一種觀點(diǎn)認(rèn)為黑色巖系中含量極高的微量元素可能來自上升流帶來的高濃度營養(yǎng)鹽；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為揚(yáng)子臺地廣泛發(fā)育的熱液活動為這些元素富集的主要原因[25]。關(guān)于該時(shí)期底層海水的氧化還原條件也眾說紛紜，盡管學(xué)者的研究表明全球超過95%的海洋大約在520 Ma時(shí)期已經(jīng)氧化，但在寒武紀(jì)開始(541 Ma±1 Ma)至寒武紀(jì)生命大爆發(fā)主幕(520 Ma)之間的沉積環(huán)境仍然存在許多爭議[26]，盡管黑色巖系代表的是一種缺氧滯留的還原環(huán)境，但仍有大量生物繁盛。從地球化學(xué)分析結(jié)果來看，上揚(yáng)子地區(qū)早寒武世深水陸棚至斜坡-深水盆地處于還原的沉積環(huán)境中，近岸的淺水陸棚及濱海相則處于次氧化-氧化的沉積環(huán)境中。此外，氧化還原條件指標(biāo)與TOC含量程非常好的正相關(guān)關(guān)系(表3)，表明氧化還原條件是控制下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)富集的重要條件。

圖9 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積相平面分布Fig.9 Plan view distribution of sedimentary facies of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in the Upper Yangtze region

表3 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖地球化學(xué)指標(biāo)Table 3 Geochemical indicators of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in the Upper Yangtze region

3.5 古海洋生產(chǎn)力條件

高生產(chǎn)力是形成富有機(jī)質(zhì)頁巖的物質(zhì)基礎(chǔ)，特定元素(Ba，Cu，Ni，Zn等)作為組成生物體的重要微量元素，在沉積巖中的含量來反映當(dāng)時(shí)的古生產(chǎn)力[27-28]。通過對典型井樣品的Cu+Ni+Zn，Babio(生物Ba)的含量研究及其與TOC的對應(yīng)關(guān)系的研究，可以反映當(dāng)時(shí)的古生產(chǎn)力(表3)。陸內(nèi)裂陷槽內(nèi)部J1井梅樹村組深水陸棚磷質(zhì)-云質(zhì)-泥質(zhì)沉積和筇竹寺組中上部泥質(zhì)沉積具有相對高的生產(chǎn)力，Ni+Cu+Zn值通常大于120×10-6, Ba含量大于100×10-6, 而淺水陸棚砂質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列對應(yīng)的古海洋生產(chǎn)力較低。而盆外東南深水陸棚-斜坡沉積黃頁1井古生產(chǎn)力明顯升高，Ni+Cu+Zn值介于(179.40～3 470.00)×10-6，生物Ba含量介于(1 495.07～10 321.00)×10-6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于J1井。盡管個(gè)別異常高值的樣品可能存在富金屬層的影響，但是硅質(zhì)巖和硅質(zhì)頁巖中存在大量的小殼化石，也進(jìn)一步印證了該段沉積具有較高的生產(chǎn)力。這也說明了來自于東南方向的上升洋流是川東南海域營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源。上揚(yáng)子海域古生產(chǎn)力總體表現(xiàn)為東南部高、西北部低的差異化特征。受海洋古生產(chǎn)力控制，四川盆地及周緣筇竹寺組有機(jī)質(zhì)豐度變化較大，在H1井區(qū)TOC值介于5.47%～7.35%，平均值為6.27%，在盆地內(nèi)J1井地區(qū)一般介于0.25%～2.13%，平均值為0.86%。

3.6 熱液(水)作用

現(xiàn)代海底熱水流體中富含有機(jī)成分，與優(yōu)質(zhì)烴源巖形成之間有著緊密的聯(lián)系[29-30]。華南揚(yáng)子地塊是我國古熱水沉積作用最為發(fā)育的地區(qū)之一，華南下寒武統(tǒng)黑色巖系中賦存多個(gè)與熱水沉積作用相關(guān)的大型重晶石礦與Ni-Mo-U-V多金屬富集層[31]。Eu是稀土元素中可變價(jià)元素，有Eu2+和Eu3+兩種價(jià)態(tài)。在正常海水中，Eu2+很少見，主要以Eu3+的形式存在，一般無明顯的虧損，而在海洋熱液中Eu3+通常被還原成Eu2+，因此熱液沉積中通常富集Eu而呈正異常[32]。H1井底部硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列中Eu/Eu*大于1，并且微量元素普遍含量相對較高，Ba和U等元素相對富集(表3)，說明黃頁 1井地區(qū)早寒武世期存在短熱液活，而在J1井區(qū)無Eu正異常特征，也表明熱液活動主要分布在上揚(yáng)子地區(qū)東南緣。Wang等(2012)研究成果表明，在研究區(qū)臺-盆轉(zhuǎn)換帶處，在張性構(gòu)造環(huán)境下，深部富硅熱流體會沿著深切基底的(同生)斷裂向上運(yùn)移，最終在臺-盆轉(zhuǎn)換帶直接形成丘狀硅質(zhì)巖、角礫化硅質(zhì)巖、脈狀硅質(zhì)巖，對于朝盆地方向分布的層狀硅質(zhì)巖則有可能是熱液活動噴流出的富SiO2羽柱體(hydrothermal plume)發(fā)生沉降而沉淀形成的。熱液活動確實(shí)參與了海洋中生物的生命活動，從而認(rèn)為熱液活動可以為海洋生物的發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)并提高古生產(chǎn)力。在貴州遵義地區(qū)寒武系底部硅質(zhì)巖中可見大量的硅質(zhì)海綿和高肌蟲及藻類組成的生物群，其中硅質(zhì)海綿動物化石與其他地區(qū)同時(shí)期沉積的地層中化石豐度、個(gè)體大小有明顯的區(qū)別，可能與海底熱液活動有密切關(guān)系。此外，底部還原性的熱液流體可以增加牛蹄塘組底部的缺氧程度，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的保存。熱液活動為黔西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)和保存條件，有利于形成富有機(jī)質(zhì)的優(yōu)質(zhì)烴源巖。

4 筇竹寺組頁巖沉積模式

上揚(yáng)子地區(qū)梅樹村組—筇竹寺組沉積早期，隨著資陽-長寧克拉通內(nèi)裂陷、川東-黔北裂陷的快速發(fā)展以及海平面快速上升, 四川盆地及周邊出現(xiàn)深水沉積環(huán)境，發(fā)育淺水陸棚沉積、深水陸棚沉積以及斜坡和盆地沉積體系。川西深水陸棚、川中-川東淺水陸棚和湘鄂西深水陸棚-斜坡的沉積格局(圖10)?？死▋?nèi)裂陷深水陸棚主要發(fā)育泥質(zhì)-磷質(zhì)-云質(zhì)沉積序列，受周圍水下隆起阻隔作用，形成一個(gè)弱-半封閉海灣，表層水體營養(yǎng)豐富，在J1井可見藻類、海綿、骨針等浮游生物，代表相對高的古海洋生產(chǎn)。川中-川東地區(qū)總體為水下高地，主要發(fā)育淺水陸棚灰色砂質(zhì)頁巖和泥質(zhì)粉砂巖沉積，TOC含量較低。鄂西-湘黔深水域?yàn)樯钏懪?斜坡區(qū)域，來自東南方向的上升洋流及海底熱液將SiO2，P，Ba等營養(yǎng)物質(zhì)攜帶到該地區(qū)，使該海域古生產(chǎn)力提高，發(fā)育一套硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列，富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度較大，且TOC含量通常超過5%。筇竹寺組沉積中、晚期隨著康滇古陸的隆升、資陽-長寧克拉通內(nèi)裂陷強(qiáng)度減弱和海平面下降，川北—川中—黔北大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為淺水陸棚，主要發(fā)育砂質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列，四川盆地及周邊主體轉(zhuǎn)為淺水陸棚和濱岸沉積，陸源物質(zhì)輸入量大，TOC降至0.5%以下。筇竹寺組沉積晚期由于小規(guī)模的海侵作用，在資陽-長寧克拉通內(nèi)裂陷中可形成局部的深水陸棚沉積，主要以泥質(zhì)沉積序列為主，受控于局部的封閉環(huán)境，TOC含量相對較高，介于1.3%～2.5%。渝東-湘鄂西深水區(qū)向東收縮, 受上升洋流控制, 古生產(chǎn)力保持高水平，TOC值一般超過4%。

圖10 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖沉積模式Fig.10 Sedimentary models of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in the Upper Yangtze regiona.筇竹寺組沉積期;b.梅樹村組沉積期

綜上可知，在筇竹寺組沉積時(shí)期富有機(jī)質(zhì)頁巖主要分布在克拉通內(nèi)裂陷早期和晚期海侵時(shí)期深水陸棚沉積，和鄂西-湘黔深水陸棚-斜坡沉積。富有機(jī)質(zhì)頁巖的形成主要受貧氧-缺氧的水體環(huán)境、高古海洋生產(chǎn)力等因素共同控制。上揚(yáng)子地區(qū)東南緣上升洋流及海底熱液對有機(jī)質(zhì)的富集起到了積極的作用。

5 結(jié)論

通過對上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖露頭觀測、巖心描述、薄片觀察、掃描電鏡觀察以及主微量元素地球化學(xué)分析認(rèn)為，淺水陸棚沉積處于氧化、相對低的古海洋生產(chǎn)力條件下，發(fā)育磷質(zhì)-云質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列和砂質(zhì)-泥質(zhì)-灰質(zhì)沉積序列，有機(jī)質(zhì)含量普遍偏低；深水陸棚以及斜坡-盆地沉積處于貧氧-缺氧、高海洋生產(chǎn)力的條件下，發(fā)育富含有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)-磷質(zhì)-云質(zhì)沉積序列、硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列、泥質(zhì)沉積序列。海底熱液為海洋生物的發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)在提高古生產(chǎn)力的同時(shí)，加深了缺氧程度有利于有機(jī)質(zhì)的保存。富有機(jī)質(zhì)頁巖主要分布在克拉通內(nèi)裂陷早期和晚期海侵時(shí)期深水陸棚沉積，和鄂西-湘黔深水陸棚-斜坡沉積。