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四川盆地YS112井五峰組—龍一段有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制研究*

2022-03-30 01:51閆嘉啟胡晨林田繼軍石浩程段文剛張喜淳
地質(zhì)科學(xué) 2022年2期
關(guān)鍵詞:海平面礦物頁(yè)巖

閆嘉啟 胡晨林 田繼軍石浩程 段文剛 張喜淳

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院 烏魯木齊 830017;2.新疆大學(xué),新疆中亞造山帶大陸動(dòng)力學(xué)與成礦預(yù)測(cè)自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830017)

四川盆地奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組黑色頁(yè)巖,其厚度穩(wěn)定、有機(jī)質(zhì)豐度高,為一套優(yōu)質(zhì)的海相烴源巖,是頁(yè)巖氣勘探開(kāi)采的重要層系(騰格爾等,2006;嚴(yán)德天等,2008;李艷芳等,2015;翟剛毅等,2017;Hu et al.,2019;邱振等,2020;袁余洋等,2020)。有機(jī)質(zhì)含量是影響頁(yè)巖生烴能力的重要因素,且有機(jī)質(zhì)含量與含氣量具有良好的正相關(guān)性(林俊峰等,2017)。因此,明確五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制,可為頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供一定的地質(zhì)依據(jù)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者認(rèn)為生產(chǎn)力水平、氧化還原條件、相對(duì)海平面的變化、氣候演化、物源條件的變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、火山作用等是制約海相頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)富集的重要因素(Yan et al.,2012;林俊峰等,2017;何龍等,2019;郭偉等,2021)。但對(duì)有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理還存在爭(zhēng)議,一部分學(xué)者認(rèn)為,保存條件(包括水體氧化還原條件及沉積速率)是控制有機(jī)質(zhì)富集的主要因素(Demaison and Moore,1980;Ingall et al.,1993;Canfield,1994)。另一部分學(xué)者認(rèn)為,有機(jī)質(zhì)富集主要受海洋淺表層生物初級(jí)生產(chǎn)力控制(Pedersen and Calvert,1990;Sageman et al.,2003;Gallego-Torres et al.,2007;嚴(yán)德天等,2009;何龍等,2019)。還有一部分學(xué)者認(rèn)為,有機(jī)質(zhì)富集是由受這兩種因素共同控制的結(jié)果(Ross and Bustin,2009;Fu et al.,2014;李艷芳等,2015;張琴等,2018)。然而,現(xiàn)在關(guān)于四川盆地頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)的富集機(jī)制問(wèn)題尚未達(dá)成一致。嚴(yán)德天等(2008)指出揚(yáng)子地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的形成是由于較高初級(jí)生產(chǎn)生力、高埋藏率以及黏土礦物在有機(jī)質(zhì)富集保存中的賦存駐留作用共同疊加形成的結(jié)果;陳代釗等(2011)認(rèn)為陸源營(yíng)養(yǎng)輸入增加引發(fā)生物產(chǎn)率増加,造成了有機(jī)質(zhì)的富集和保存;張春明等(2012)認(rèn)為缺氧環(huán)境和較緩慢的沉積速率是造成有機(jī)質(zhì)富集的主要因素;吳藍(lán)宇等(2018)認(rèn)為火山活動(dòng)提供大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)海洋生物大量繁殖,提高海洋生產(chǎn)力,同時(shí)火山作用產(chǎn)生的缺氧硫化環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存;李季林等(2019)認(rèn)為有機(jī)質(zhì)含量受生物輸入影響,筆石對(duì)有機(jī)質(zhì)的富集影響程度較大。本文通過(guò)對(duì)黑色頁(yè)巖的巖心、筆石、礦物組分和地球化學(xué)指標(biāo)結(jié)合Ce和有機(jī)碳同位素特征來(lái)探討五峰組—龍一段有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制,為下一步該地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供一定的地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

四川盆地地處我國(guó)西南部,西鄰松潘—甘孜褶皺帶,北鄰秦嶺海盆,為揚(yáng)子板塊內(nèi)部一個(gè)次級(jí)克拉通盆地(聶海寬等,2017;何龍等,2019;葛祥英,2020)(圖1a)。早奧陶世揚(yáng)子地區(qū)整體處于陸表海環(huán)境下,沉積大套碳酸鹽巖。中奧陶世后,由于揚(yáng)子板塊與華夏板塊的匯聚作用,揚(yáng)子板塊進(jìn)入前陸盆地構(gòu)造演化階段(尹福光等,2001;萬(wàn)方等,2003)。晚奧陶世—早志留世時(shí)期,華夏板塊向揚(yáng)子板塊進(jìn)行俯沖擠壓,同時(shí)北部的被動(dòng)大陸邊緣也向華北板塊俯沖,秦嶺洋開(kāi)始收縮匯聚,使周緣古陸隆起抬升,形成半封閉、滯留、低能、欠補(bǔ)償?shù)木窒藓E瑁ɡ钇G芳等,2015;何龍等,2019;葛祥英,2020),整體上為半深水—深水陸棚沉積環(huán)境(董大忠等,2010;張海全等,2013;李皎等,2015;徐政語(yǔ)等,2015;王鵬萬(wàn)等,2018)。

研究區(qū)YS112井位于四川盆地南部,距宜賓市100 km。地處四川盆地與云貴高原結(jié)合部,構(gòu)造上位于四川盆地南部川南低陡褶帶南緣羅場(chǎng)復(fù)向斜南緣帚狀構(gòu)造帶末端,南與滇北坳陷相鄰(陳超,2018),構(gòu)造作用相對(duì)較弱,構(gòu)造形態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單(圖1b)。垂向上依次發(fā)育寶塔組、五峰組、龍馬溪組和石牛欄組。寶塔組主要是一套灰色、深灰色灰?guī)r,頂部發(fā)育一套灰色瘤狀灰?guī)r與上覆五峰組分界明顯(圖2)。五峰組主要發(fā)育一套厚4.7 m的黑色頁(yè)巖,筆石含量豐富,底部發(fā)育一套厚約20 cm的深灰色灰質(zhì)泥巖,頂部發(fā)育一套厚約40 cm的灰色介殼灰?guī)r,其中可見(jiàn)腕足類化石Hirnantia生物群(李艷芳等,2015),電阻率曲線呈平緩狀,從上至下逐漸降低。龍馬溪組厚度較大分為兩段,龍一段是一套富有機(jī)質(zhì)高成熟的黑色頁(yè)巖(陸揚(yáng)博等,2017;郭旭升等,2019),富含筆石、黃鐵礦等;龍二段為灰黑色灰質(zhì)泥巖、灰黑色灰質(zhì)頁(yè)巖、深灰色泥灰?guī)r夾灰質(zhì)粉砂巖。

圖2 YS112井五峰組—龍馬溪組地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram of Wufeng-Longmaxi formations in YS112 well

2 樣品采集和分析方法

2.1 樣品采集

樣品采于四川省宜賓市珙縣石碑鄉(xiāng)YS112井上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍一段,本次研究共采集80件樣品。其中,自下而上按20 cm間隔,選取五峰組—龍一段樣品,在五峰組—龍馬溪組界限處按5 cm間隔選取。每件樣品逐層劈開(kāi),系統(tǒng)收集和鑒定筆石化石,然后進(jìn)行總有機(jī)碳(TOC)、偏光顯微鏡、掃描電鏡、有機(jī)碳同位素、X-射線衍射和微量元素測(cè)試。

2.2 分析方法

根據(jù)巖性變化,選擇其中28件樣品進(jìn)行地球化學(xué)分析。所有測(cè)試均在中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院完成。有機(jī)碳和有機(jī)碳同位素測(cè)試采用酸溶法對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理,有機(jī)碳測(cè)試使用Leco碳硫測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試,分析精度為±2‰,有機(jī)碳同位素使用同位素比值質(zhì)譜儀(MAT253)進(jìn)行測(cè)試,微量—稀土元素分析采用電感耦合等離子體法使用ICP-MS完成,相對(duì)誤差小于2%。X-衍射使用RINT-TTR3型X射線衍射儀進(jìn)行分析。

3 宏觀特征

3.1 巖石學(xué)特征

五峰組—龍馬溪組巖性主要為灰色、灰黑色富有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒沉積巖(王秀平等,2019)。通過(guò)巖心、偏光顯微鏡下觀察、X-衍射分析及掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),五峰組以黑色頁(yè)巖為主,五峰組中—下部主要為富碳含黏土硅質(zhì)頁(yè)巖,以泥質(zhì)結(jié)構(gòu)為主,碎屑顆粒呈定向排列,炭質(zhì)多呈定向排列分布在粉砂質(zhì)顆粒之間,有機(jī)質(zhì)含量較高,方解石受有機(jī)質(zhì)暈染的影響形成溶蝕邊(圖4a)??梢?jiàn)黃鐵礦礦脈沿層理分布(圖3a)。五峰組上部發(fā)育泥晶生屑灰?guī)r,可見(jiàn)泥晶結(jié)構(gòu),生物碎屑分散于泥質(zhì)基質(zhì)中(圖4b~圖4d),頂部見(jiàn)五峰組標(biāo)志層深灰色介殼灰?guī)r(圖3b)與上覆龍馬溪組區(qū)分。龍一段主要巖性為黑色頁(yè)巖,富含黃鐵礦(圖3c、圖3d),可見(jiàn)水平層理(圖3e,圖4e、圖4f),指示龍一段底部頁(yè)巖是在相對(duì)安靜的深水環(huán)境下緩慢沉積形成的。巖心可見(jiàn)沖刷痕跡(圖3f),巖性為粉砂巖。濁流一般小于10 cm,上下均為正常沉積的黑色頁(yè)巖(圖3f),指示在龍一段沉積時(shí)期發(fā)育濁流沉積,龍二段主要發(fā)育低碳含黏土粉砂質(zhì)頁(yè)巖(圖4e、圖4f)。

圖3 YS112井五峰組—龍一段取心段照片F(xiàn)ig.3 Coring section photo of Wufeng Formation to Longyi member in YS112 well

圖4 YS112井五峰組—龍一段取心段薄片照片F(xiàn)ig.4 Thin section of coring section from Wufeng Formation to Longyi member in YS112 well

對(duì)YS112井五峰組—龍馬溪組進(jìn)行全巖和黏土礦物分析的結(jié)果表明:礦物組分以黏土礦物、石英和碳酸鹽類礦物為主,其次為長(zhǎng)石,另外還可見(jiàn)到少量黃鐵礦、絹云母、炭質(zhì)等礦物。其中黏土礦物平均含量介于8.50%~49.8%,均值為33.63%;石英含量介于12.9%~36.4%,均值為28.82%;長(zhǎng)石含量介于6.08%~24.95%,均值為13.09%;碳酸鹽礦物含量較高,其中白云石含量介于1.07%~42.29%,均值為8.55%;方解石含量介于5.07%~27.35%,均值為12.42%;黃鐵礦在五峰組—龍馬溪組中均有分布,含量為1.8%~5.90%,均值為3.06%。隨深度增加,五峰組—龍馬溪組黏土礦物含量逐漸減少,石英含量逐漸增加,整體上脆性礦物含量較高。黏土礦物主要以伊利石、高嶺石、伊/蒙混層為主,含有少量綠泥石。

掃描電鏡下可見(jiàn)大量粉砂級(jí)碎屑顆粒,分散于泥質(zhì)基質(zhì)中(圖5a、圖5c);粉砂質(zhì)碎屑含量介于29.95%~47.12%,碎屑物質(zhì)主要以石英和長(zhǎng)石為主,受后期溶蝕作用的影響,長(zhǎng)石邊緣多蝕變?yōu)橐晾▓D5e、圖5h);可見(jiàn)伊/蒙混層礦物,呈葉片狀與黃鐵礦共生(圖5g);綠泥石含量很少,呈片狀,多與鉀長(zhǎng)石、伊利石等混雜共生(圖5e);黃鐵礦大量發(fā)育,多見(jiàn)草莓狀黃鐵礦集合體與黏土礦物和有機(jī)質(zhì)伴生(圖5b、圖5d、圖5g),指示當(dāng)時(shí)整體處于深水缺氧的還原環(huán)境下;云母礦物多呈片狀充填與孔隙及裂縫中(圖5e),碳酸鹽巖礦物含量較少,多以自生礦物充填在礦物孔隙當(dāng)中,局部可見(jiàn)方解石膠結(jié)(圖5f);YS112井五峰組—龍馬溪組中有大量發(fā)育的生物溶孔(圖5i),指示YS112井五峰組—龍馬溪組有大量生物活動(dòng),當(dāng)時(shí)為水體較深的沉積環(huán)境。

圖5 YS112井掃描電鏡顯微照片F(xiàn)ig.5 SEM micrograph of YS112 well

3.2 古生物特征

筆石是已經(jīng)滅絕的海洋生物,具有一定的深度分帶(陳旭等,2017;陳清等,2018)存在于中寒武世—早石炭世的地層中,在奧陶紀(jì)和志留紀(jì)最為繁盛(陳旭等,2015),多以漂浮生活為主,廣泛分布在黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中(聶海寬等,2017)。晚奧陶世發(fā)生的赫南特期冰川事件導(dǎo)致的生物大滅絕(Delabroye and Vecoli,2010;伍坤宇,2015)和早志留紀(jì)冰川消融導(dǎo)致的生物復(fù)蘇(Finney et al.,2010;Yan et al.,2012;伍坤宇,2015)加速了筆石動(dòng)物群的演替,造成五峰組—龍馬溪組筆石種類、豐度相差較大。

陳旭等(2015)以筆石和腕足動(dòng)物為基礎(chǔ)建立上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)生物地層系統(tǒng)(圖6),五峰組—龍馬溪組依次跨越凱迪階、赫南特階、魯?shù)るA、埃隆階和特列奇階5個(gè)階,相應(yīng)13個(gè)筆石帶。

圖6 中國(guó)南方五峰組—龍馬溪組生物地層劃分表(據(jù)陳旭等,2015)Fig.6 Biostratigraphic classification of the Wufeng-Longmaxi formations in southern China(according to Chen et al.,2015)

YS112井五峰組分為上、下兩段,五一段為一套黑色筆石頁(yè)巖段,其中發(fā)現(xiàn)Glyptograptusxiushanesis Mu(圖7a),指示當(dāng)時(shí)處于深水環(huán)境中;在五二段頂部可見(jiàn)一套薄層介殼灰?guī)r(圖7b)與上覆龍馬溪組的明顯界限。龍馬溪組可分為上、下兩段,其中龍一段為黑色筆石頁(yè)巖段,龍二段粉砂質(zhì)條帶逐漸增多,可見(jiàn)Glyptograptus x(圖7c)、Pristiograptus gregarius(圖7d)、Rastrites leiboensis Ye(圖7e)及Demirastitesdecipiens(圖7f),指示在龍一段至龍二段沉積時(shí)期處于一個(gè)水體變淺的環(huán)境中。

圖7 YS112井巖心筆石圖版Fig.7 Graptolite chart of core in YS112 well

整體上,YS112井五峰組—龍馬溪組龍一段生物屬種多,富含筆石、放射蟲(chóng)、海綿骨針等,上部屬種相對(duì)單一,以筆石為主;其自下而上可劃分11個(gè)筆石帶,整體呈現(xiàn)“雙列式為主—過(guò)渡帶—單列式為主”的特征(圖8)。

圖8 YS112井五峰組—龍一段含氣頁(yè)巖段生物地層柱狀圖及巖心照片F(xiàn)ig.8 Biostratigraphic histogram and core photos of gas bearing shale member from Wufeng Formation to Longyi member in YS112 well

4 分析結(jié)果

4.1 有機(jī)碳(TOC)含量特征

TOC含量是頁(yè)巖氣聚集成藏的重要控制因素(郗兆棟等,2018),生烴潛力和含氣量等與TOC含量呈正相關(guān)關(guān)系,TOC含量越高,越有利于頁(yè)巖氣的成藏和富集(郗兆棟等,2016,2017;左兆喜等,2017)。五峰組—龍一段TOC含量介于0.65%~6.65%,均值為1.81%;在不同層位TOC差異較大,其中五峰組TOC含量介于1.04%~5.37%,均值為4.32%,整體上屬于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖,垂向上TOC含量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì);龍一段TOC含量介于0.52%~6.65%,均值為1.47%,TOC含量差異較大,其中龍一1亞段TOC含量介于1.91%~6.65%,均值為3.71%,整體上屬于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖,垂向上TOC含量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。龍一2亞段TOC含量介于0.52%~1.01%。平均為0.72%,TOC含量較低(表1)。

表1 YS112井五峰組—龍馬溪組有機(jī)碳(TOC)特征Tabel 1 TOC characteristics of Wufeng-Longmaxi Formations in YS112 well

4.2 氧化還原特征

沉積環(huán)境控制巖石類型、礦物組成、有機(jī)質(zhì)類型及豐度等,進(jìn)而影響頁(yè)巖油氣藏(Bowker,2007)。氧化還原環(huán)境是影響海洋生物分布、演化和有機(jī)質(zhì)富集的重要因素(何龍,2020)。過(guò)渡元素Ni、Co、V、Cr、U和Th等對(duì)氧化還原環(huán)境條件下變化敏感,是確定古海洋氧化還原條件的重要指標(biāo)(Zhou et al.,2011;張琴等,2018)。泥頁(yè)巖中等細(xì)粒沉積物的Ni/Co、V/Cr、U/Th的比值,被廣泛用于氧化還原環(huán)境的判別中(Wojcik-Tabol,2015;何龍,2020)。通常在沉積盆地中,V/Cr<2指示氧化環(huán)境,2<V/Cr<4.25指示貧氧環(huán)境,V/Cr>4.25指示強(qiáng)烈缺氧環(huán)境;U/Th<0.75指示氧化環(huán)境,0.75<U/Th<1.25指示貧氧環(huán)境,U/Th>1.25指示強(qiáng)烈缺氧環(huán)境;Ni/Co<5指示氧化環(huán)境,5<Ni/Co<7指示貧氧環(huán)境;Ni/Co>7指示強(qiáng)烈缺氧環(huán)境(Jones and Manning,1994)。由表2可知,研究區(qū)五峰組黑色頁(yè)巖段的Ni/Co、V/Cr、U/Th的均值分別為6.96、3.02、1.05,指示貧氧—厭氧環(huán)境;在五峰組底部Ni/Co、V/Cr、U/Th值分別為4.06、1.32、0.52,指示富氧環(huán)境;隨后逐漸向缺氧環(huán)境過(guò)渡,在五峰組頂部Ni/Co、V/Cr、U/Th值分別為10.00、4.59、1.56,指示缺氧環(huán)境;在龍馬溪組龍一1亞段黑色頁(yè)巖中,Ni/Co、V/Cr、U/Th均值分別為5.47、2.22、0.85,指示貧氧環(huán)境;其中在龍一11小層Ni/Co、V/Cr、U/Th值分別為6.81、2.01、2.10,指示缺氧—貧氧環(huán)境;隨后逐漸向富氧環(huán)境過(guò)渡,在龍一—龍一小層黑色頁(yè)巖段的Ni/Co、V/Cr、U/Th值分別為7.21、2.79、1.39,指示貧氧—缺氧環(huán)境;在龍馬溪組龍一—龍一小層黑色頁(yè)巖段的Ni/Co、V/Cr、U/Th平均值分別為2.82、1.28、0.19,指示富氧環(huán)境。綜上所述,研究區(qū)五峰組—龍一小層黑色頁(yè)巖發(fā)育時(shí)處于長(zhǎng)期缺氧—貧氧的還原性水體環(huán)境中,龍一—龍一小層黑色頁(yè)巖發(fā)育時(shí)處于富氧的氧化性水體環(huán)境中。

表2 YS112井五峰組—龍馬溪組氧化還原特征Tabel 2 Redox characteristics of Wufeng-Longmaxi Formations in YS112 well

4.3 海平面變化特征

Ce是氧化還原敏感元素,且其在研究海平面升降變化中應(yīng)用越來(lái)越多。Ce在垂向上的持續(xù)變化可以恢復(fù)地質(zhì)歷史時(shí)期中的區(qū)域海平面的連續(xù)變化(Wilde et al.,1996;張琴等,2018)。Wilde et al.(1996)認(rèn)為通過(guò)Ce異常與海水不同深度的溶解氧濃度的相關(guān)性,來(lái)識(shí)別海平面變化。Ce的存在形式主要受氧化還原條件的控制,在氧化條件下,Ce4+在海水中的溶解度很低,因此海水中Ce相對(duì)虧損呈現(xiàn)負(fù)異常(δCe<1),而在沉積物中則為正異?;驘o(wú)明顯負(fù)異常;在缺氧還原條件下,沉積物中的Ce以Ce3+形式釋放到水體中,因此海水中Ce相對(duì)富集呈現(xiàn)正異常(δCe>1),而在沉積物中表現(xiàn)為負(fù)異常。隨著海水深度增加,溶氧量隨之減小,相應(yīng)的Ce異常也發(fā)生規(guī)律性變化,從而指示海平面的變化(Wilde et al.,1996;張琴等,2018;何龍等,2019)。五峰組—龍一段具有明顯的Ce負(fù)異常,δCe介于0.75~0.90,均值為0.86,為負(fù)異常,反映當(dāng)時(shí)整體上處于缺氧環(huán)境下。δCe發(fā)生兩次較大規(guī)模的異常值變化,五峰組δCe介于0.77~0.90,均值為0.84,為缺氧環(huán)境,發(fā)生大規(guī)模海退,其中在五峰組與龍馬溪組界線處,δCe負(fù)異常明顯,對(duì)應(yīng)的海平面下降到最低,這恰好響應(yīng)了跨越奧陶—志留紀(jì)之交的赫南特冰期;冰期結(jié)束后,在龍馬溪期δCe開(kāi)始迅速增大,穩(wěn)定在0.86~0.88之間,反應(yīng)海平面逐漸上升,為龍馬溪組海進(jìn),之后海平面緩慢下降(圖9)。本次研究與前人從不同的角度研究的五峰組海退事件相吻合(戎嘉余等,1984;蘇文博等,1999;陳旭等,2000),證實(shí)了利用Ce異常在反映五峰組—龍一段海平面變化上的可靠性。

圖9 YS112井δCe異常與海平面變化圖解Fig.9 VerticalδCe distribution and corresponding sea level of YS112 well

4.4 碳同位素特征

碳同位素可以用于古氣候的恢復(fù)(何龍,2020)。由表3可知,YS112井五峰組—龍一段δ13Corg介于-30.08‰~-24.32‰,均值為-26.82‰,屬于正常海相頁(yè)巖碳同位素值,但總體上偏低。其中五峰組δ13Corg介于-30.08‰~-24.32‰,均值為-27.98‰,在五峰組底部δ13Corg為-28.37‰,隨后向上先發(fā)生負(fù)向偏移,然后在五峰組末期發(fā)生一次正向偏移δ13Corg值由-30.08‰,升高為-24.32‰。進(jìn)入龍一段迅速發(fā)生負(fù)向偏移,δ13Corg平均為-26.63‰,隨后δ13Corg值趨于穩(wěn)定,期間發(fā)生多次小規(guī)模正向偏移,但整體為負(fù)偏移。

表3 YS112井五峰組—龍馬溪組δ13Corg特征Tabel 3 Wufeng-Longmaxi formations in YS112 wellδ13Corg features

5 討 論

5.1 有機(jī)質(zhì)富集主控因素

YS112井五峰組—龍一段黑色頁(yè)巖,其厚度穩(wěn)定、有機(jī)質(zhì)豐度高,為一套優(yōu)質(zhì)的海相烴源巖。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者認(rèn)為生產(chǎn)力水平、氧化還原條件、相對(duì)海平面的變化、氣候演化、物源條件的變化、火山作用、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等是制約海相頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)富集的重要 因 素(Arthur and Sageman,1994;嚴(yán) 德 天 等,2008;Yan et al.,2015;Zhai et al.,2018;何龍等,2019)。

(1)有機(jī)質(zhì)含量(TOC)與氧化還原、古生產(chǎn)力條件的關(guān)系

缺氧或貧氧的還原性環(huán)境有助于有機(jī)質(zhì)的富集,是使有機(jī)質(zhì)得以保存在海洋沉積物的關(guān)鍵因素(李艷芳等,2015;何龍等,2019);富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖發(fā)育在長(zhǎng)期缺氧或貧氧的還原性環(huán)境中(Melchin et al.,2013)。其中五峰組上部—龍馬溪組龍一小層有機(jī)碳(TOC)含量大于3%的優(yōu)質(zhì)烴源巖,形成于缺氧—貧氧的還原環(huán)境中。龍一—龍一小層有機(jī)碳(TOC)含量小于2%的烴源巖,形成于貧氧—富氧的氧化環(huán)境中,五峰組—龍一段黑色頁(yè)巖中的Ni/Co、U/Th、V/Cr值與TOC具有明顯的正相關(guān)性(R2=0.81、R2=0.89、R2=0.66)(圖10a、圖10b、圖10c),指示缺氧或貧氧的還原性水體環(huán)境對(duì)有機(jī)質(zhì)的保存和聚集起到關(guān)鍵作用。五峰組—龍一段沉積時(shí)期海洋表層具有較高的初級(jí)生產(chǎn)力,垂向上變化不大(陳超,2018),Ba生物與TOC無(wú)明顯正相關(guān)性(R2=0.10)(圖10d),證明高生產(chǎn)力能為五峰組—龍一段泥頁(yè)巖提供充足的有機(jī)質(zhì),但不能保證有機(jī)質(zhì)后期的富集保存,其不是主導(dǎo)有機(jī)質(zhì)含量變化的主要因素,而缺氧—貧氧還原環(huán)境是有機(jī)質(zhì)保存的主要因素。

圖10 Ni/Co、U/Th、V/Cr、Ba生物與TOC之間的相關(guān)性圖(Ba生物數(shù)據(jù)據(jù)陳超,2018)Fig.10 Correlation between Ni/Co,U/TH,V/Cr,Babio and TOC(Babio data according to Chen,2018)

(2)有機(jī)質(zhì)含量(TOC)與筆石及礦物組成的關(guān)系

通過(guò)對(duì)筆石和礦物組成分析發(fā)現(xiàn),五峰組—龍一段筆石含量介于2.11%~46.11%,均值為18.00%,垂向上筆石豐度呈減少趨勢(shì),由46.11%減少到2.11%,垂向上筆石分異程度和豐度變化較大,筆石豐度和TOC含量之間呈明顯的正相關(guān)性(R2=0.64)(圖11a);另一方面,五峰組—龍一段沉積時(shí)期礦物組成變化較大,黃鐵礦含量呈逐漸減少的趨勢(shì),與TOC含量之間呈正相關(guān)關(guān)系(R2=0.59)(圖11d),黏土礦物含量在垂向上呈逐漸增大的趨勢(shì),與TOC含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.43)(圖11b),石英含量變化不大,五峰組—龍一1 3小層與TOC含量呈正相關(guān)關(guān)系(R2=0.41),這部分石英主要為生物成因形成的有機(jī)硅(Jin et al.,2015;金之鈞等,2016;Zhao et al.,2017;陸揚(yáng)博,2020),龍一1

4—龍一2 4小層與TOC含量相關(guān)性較差(R2=0.15)(圖11c),這部分石英主要為陸源碎屑物帶來(lái)的陸源碎屑硅(孫川翔等,2019;陸揚(yáng)博,2020)。筆石、黃鐵礦和生物成因石英促進(jìn)有機(jī)質(zhì)富集,黏土礦物抑制有機(jī)質(zhì)富集。

圖11 筆石豐度、礦物組分與TOC含量的的相關(guān)性圖Fig.11 Correlation between graptolite abundance,mineral composition and TOCcontent

(3)有機(jī)質(zhì)含量(TOC)與δCe及δ13Corg的關(guān)系

通過(guò)對(duì)δCe、δ13Corg分析發(fā)現(xiàn),海平面變化和古氣候變化是通過(guò)影響沉積環(huán)境和有機(jī)質(zhì)來(lái)源進(jìn)而控制有機(jī)質(zhì)富集的關(guān)鍵因素。TOC含量在垂向上隨δCe、δ13Corg的變化而變化(圖12),寶塔組大量發(fā)育瘤狀灰?guī)r,有機(jī)質(zhì)含量普遍低于1.0%(邱振等,2020),生物有機(jī)質(zhì)供給少和富氧環(huán)境是造成五峰組早期TOC含量為1.04%的主要原因。由于受加里東構(gòu)造影響,華夏板塊和揚(yáng)子板塊碰撞擠壓,晚奧陶世在楊子地區(qū)發(fā)生構(gòu)造抬升,造成五峰組沉積時(shí)期海平面上升(何龍等,2019;邱振等,2020),δCe最高為0.90,當(dāng)時(shí)海水深度約為100~200 m(戎嘉余等,2019),形成“三隆圍一坳”的半封閉、低能、滯留缺氧的局限海盆環(huán)境(李艷芳等,2015;賈敏,2019;何龍等,2019);五峰組沉積時(shí)期溫度約為34℃(Finnegan et al.,2011),處于溫暖潮濕氣候條件下(何龍等,2019;何龍,2020;郭偉等,2021),五峰組—龍馬溪組沉積時(shí)期盆地內(nèi)具有較高的初級(jí)生產(chǎn)力(何龍等,2019;郭偉等,2021)。而在高生產(chǎn)力水平下,海洋浮游植物的固碳加速,有機(jī)物在缺氧水體中大量積累和掩埋(Yan et al.,2008,2009),造成五峰組沉積時(shí)期TOC含量較高,導(dǎo)致碳庫(kù)中12C的大量移除,引起大氣CO2含量的下降(Yan et al.,2009),造成沉積物δ13Corg發(fā)生正向偏移,氣溫下降(Zhang et al.,2011),在五峰組沉積末期為寒冷干旱的氣候條件,產(chǎn)生冰期,造成大量海洋生物滅絕,造成大約85%的物種消亡(Harper et al.,2014;戎嘉余,2014;沈樹(shù)忠等,2017)四射珊瑚、橫板珊瑚、腕足類、三葉蟲(chóng)和苔蘚類、牙形石類、筆石類及浮游藻類等大量死亡(Harper et al.,2014)。δCe降為0.77,水深約60 m(戎嘉余等,2019),但當(dāng)時(shí)底層仍處于缺氧硫化環(huán)境,造成五峰組沉積末期TOC含量較高。

圖12 YS112井五峰組—龍馬溪組龍一段氧化還原指標(biāo)和有機(jī)碳(TOC)、鈰同位素(δCe)碳同位素(δ13Corg)含量相關(guān)性圖Fig.12 Redox indices,organic carbon(TOC)and cerium isotopes of the first member of the Wufeng-Longmaxi formations in YS112 well(δCe)carbon isotope(δ13Corg)

龍一段沉積時(shí)期,δCe發(fā)生正向偏移,δ13Corg發(fā)生負(fù)向偏移,氣候變暖冰川消融,發(fā)生大規(guī)模海侵運(yùn)動(dòng)(賈敏,2019),造成揚(yáng)子地區(qū)海平面上升,轉(zhuǎn)換為流通性較好、滯留程度減弱的水體環(huán)境,海平面上升引起海水分層明顯,造成底層水體缺氧(蘇博文等,2007;李雙建等,2008),同時(shí)由于極地冰川消融,帶來(lái)豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),筆石等浮游生物再次繁盛,不斷沉降的生物遺體持續(xù)消耗底層水溶解氧形成厭氧環(huán)境,并且還原海水中硫酸根產(chǎn)生H2S最終形成厭氧硫化的環(huán)境(邱振等,2020),大量有機(jī)質(zhì)在龍一1亞段富集;進(jìn)入龍一2亞段,海平面下降,陸源碎屑增加,大量陸源碎屑的注入,使底層缺氧硫化環(huán)境被破壞,有機(jī)質(zhì)保存遭到破壞(李雙建等,2008;嚴(yán)德天等,2009;李艷芳等,2015;張琴等,2018;何龍等,2019),致使TOC含量降低。

5.2 有機(jī)質(zhì)富集模式

雖然已經(jīng)明確缺氧還原環(huán)境是五峰組—龍一段黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集的主控因素,但五峰組—龍一段黑色頁(yè)巖缺氧沉積環(huán)境形成機(jī)制卻不同(Li et al.,2017;Zhang et al.,2018)。在五峰組沉積時(shí)期,在黑色頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)大量鉀質(zhì)斑脫巖夾層,表明當(dāng)時(shí)發(fā)育大規(guī)模火山運(yùn)動(dòng)(陸揚(yáng)博等,2017;吳藍(lán)宇等,2018;邱振等,2019)?;鹕交覕y帶的鐵、硅等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),為淺層海水提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),加之溫暖濕潤(rùn)的氣候環(huán)境,致使筆石(圖5a)和浮游生物(圖4b)繁盛,海洋淺層生產(chǎn)力旺盛;另外由于受廣西運(yùn)動(dòng)影響,揚(yáng)子板塊受華夏板塊俯沖擠壓,使周緣古陸和水下隆起抬升,海平面相對(duì)上升,水體逐漸加深(Delabroye and Vecoli,2010;Melchin et al.,2013;何龍等,2019),沉積環(huán)境由早期的開(kāi)闊臺(tái)地轉(zhuǎn)變?yōu)榫窒夼璧兀瑸闇贤ㄐ约把h(huán)性較差的強(qiáng)滯留水體環(huán)境(賈敏,2019;何龍,2020),導(dǎo)致海水分層,形成準(zhǔn)貧氧—缺氧層,使有機(jī)質(zhì)得到較好的保存,表現(xiàn)出較高的TOC值(圖13a)。但進(jìn)入五峰期后期,由于冰期造成的大量生物滅絕,提供大量有機(jī)質(zhì),使有機(jī)碳埋藏增加,使底層海水積累了大量H2S,且部分H2S隨著海水的垂向交換滲入上層水體,毒害浮游生物的生活環(huán)境,導(dǎo)致初級(jí)生產(chǎn)力下降,但此時(shí)底層海水仍以缺氧硫化的環(huán)境為主,所以有機(jī)質(zhì)得到了較好的保存,表現(xiàn)出較高的TOC值(圖13b)。

圖13 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組有機(jī)質(zhì)富集模式Fig.13 Organic matter enrichment model of Wufeng-Longmaxi formations in the study area

在龍馬溪組沉積早期,氣候回暖溫度上升,造成冰川消融,揚(yáng)子地區(qū)發(fā)育廣泛海侵(Chen et al.,2004;Johnson,2006;Munnecke et al.,2010),海平面上升引起海水分層明顯,造成底層水體缺氧,水動(dòng)力環(huán)境較弱(蘇文博等,2007;李雙建等,2008),形成貧氧—缺氧層。龍一段沉積時(shí)期,可見(jiàn)水平層理(圖3e),發(fā)育大量草莓狀黃鐵礦(圖3c、圖3d)。同時(shí)由極地冰川溶解,帶來(lái)豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(何龍,2020),筆石(圖5b~圖5i)動(dòng)物再次繁盛,不斷沉降的生物遺體持續(xù)消耗底層水溶解氧形成厭氧環(huán)境,并且還原海水中硫酸根產(chǎn)生H2S最終形成厭氧硫化的環(huán)境(陸揚(yáng)博等,2017;陳超,2018;王藍(lán)宇等,2018),有利于有機(jī)質(zhì)的保存,具有相對(duì)較高的TOC含量(圖13c)。在龍一2亞段沉積時(shí)期巖石砂質(zhì)含量增多(圖3f,圖4f),可見(jiàn)透鏡狀和交錯(cuò)層理(胡晨林等,2014),陸源碎屑物輸入增強(qiáng),導(dǎo)致貧氧—缺氧環(huán)境遭到破壞,不利于有機(jī)質(zhì)的保存,具有較低的TOC值(圖13d)。

綜上所述,缺氧還原環(huán)境是控制五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集的主要因素。五峰組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要在強(qiáng)滯留缺氧環(huán)境下,由火山作用帶來(lái)大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及溫暖濕潤(rùn)氣候條件下,在較高海洋生產(chǎn)力條件下形成的。五峰組后期富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要由于冰川作用造成大量生物滅絕,提供大量有機(jī)物質(zhì),在缺氧硫化環(huán)境下形成的。龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要是在高水位海域形成的底部靜海相缺氧環(huán)境下,受極地冰川溶解,帶來(lái)豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),在海洋表層的較高的生產(chǎn)力條件下形成的。五峰組—龍馬溪組龍一段黑色頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)富集是奧陶紀(jì)—志留紀(jì)的構(gòu)造條件、火山作用、氣候條件、氧化還原條件、海平面變化、物源條件、有機(jī)質(zhì)供給共同控制著的結(jié)果。

6 結(jié) 論

(1)氧化還原指標(biāo)Ni/Co、V/Cr、U/Th表明五峰組—龍馬溪組龍一段主要以貧氧還原環(huán)境為主,在五峰組早期為富氧氧化環(huán)境,五峰組頂部為缺氧還原環(huán)境,在龍馬溪組龍一1亞段以貧氧還原環(huán)境為主,在龍一2亞段以富氧氧化環(huán)境為主。

(2)缺氧還原環(huán)境是控制五峰組—龍一段有機(jī)質(zhì)的主要因素;筆石豐度、黃鐵礦含量和生物成因石英與TOC呈正相關(guān)關(guān)系,黏土礦物含量與TOC含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,筆石、黃鐵礦、生物成因石英促進(jìn)有機(jī)質(zhì)富集,黏土礦物抑制有機(jī)質(zhì)富集。

(3)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候條件是五峰組—龍一段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集的驅(qū)動(dòng)因素;海平面變化、碎屑物質(zhì)及生產(chǎn)力水平是五峰組—龍一段富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖發(fā)育的誘因,五峰組—龍一段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖形成于火山活動(dòng)頻發(fā)、高生產(chǎn)力水平、底部水體缺氧以及溫暖濕潤(rùn)的氣候背景下。

(4)五峰組和龍一段有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制存在差異;五峰組有機(jī)質(zhì)富集主要是由有機(jī)碳埋藏造成底層水體缺氧硫化所控制;龍一1亞段有機(jī)質(zhì)的富集主要是由冰川消融海平面上升造成底部水體缺氧所控制。

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