趙建華,金之鈞,林暢松,劉光祥,劉可禹,劉忠寶,張鈺瑩

[1. 中國(guó)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(guó)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(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 4. 中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083；5. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 海洋學(xué)院，北京 100083]

起源于美國(guó)的頁(yè)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(yè)巖油氣產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)深刻改變了世界油氣供需格局。我國(guó)石油和天然氣的對(duì)外依存度分別超過(guò)60%和30%，油氣資源保障是我國(guó)面臨的重要安全問(wèn)題之一。我國(guó)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖分布廣、層位多；美國(guó)能源信息署(EIA,2013)、國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心(2012)和中國(guó)石油天然氣股份有限公司(2014)評(píng)價(jià)的我國(guó)頁(yè)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(guó)的頁(yè)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(guó)頁(yè)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(lái)，中國(guó)頁(yè)巖氣的勘探和開(kāi)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(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)，在上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中，發(fā)現(xiàn)了涪陵、威遠(yuǎn)和長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田，2017年頁(yè)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(yè)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(lái)，該地區(qū)也相繼獲得了一些頁(yè)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(mén)沖組、黔東南T1井的牛蹄塘組，壓裂測(cè)試均獲得頁(yè)巖氣流，寒武系頁(yè)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(yè)巖低，加之下寒武統(tǒng)頁(yè)巖時(shí)代老、演化程度高，頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)一直未取得實(shí)質(zhì)性突破。

沉積物的搬運(yùn)沉積過(guò)程及環(huán)境條件控制著富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的形成，從而決定著頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的發(fā)育[3-8]。下寒武統(tǒng)頁(yè)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(yè)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(duì)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(yè)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(yè)巖的沉積過(guò)程及沉積環(huán)境，建立上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖的沉積模式，明確富有機(jī)質(zhì)頁(yè)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(yè)巖儲(chǔ)層的分布預(yù)測(cè)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(mén)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(kāi)始進(jìn)入板塊運(yùn)動(dòng)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(shù)村組沉積期，上揚(yáng)子地區(qū)發(fā)生3幕桐灣運(yùn)動(dòng)，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(yáng)—長(zhǎng)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(yè)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(kāi)始消失，進(jìn)入碳酸鹽臺(tái)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(kāi)闊臺(tái)地、臺(tái)緣斜坡和臺(tái)緣盆地相。近期在上揚(yáng)子克拉通綿陽(yáng)—長(zhǎng)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(shù)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(duì)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(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系(表1)。本文延用該地層對(duì)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(mén)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(duì)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(yè)巖

2.1.1 硅質(zhì)頁(yè)巖

硅質(zhì)頁(yè)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(yè)巖中微晶石英含量較高，占石英總量的60%～70%，可見(jiàn)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(zhǎng)石等碎屑顆粒之間及粘土礦物之間(圖4b，圖5a)。硅質(zhì)頁(yè)巖中微晶石英主要為成巖過(guò)程中形成，與巴奈特頁(yè)巖和龍馬溪組硅質(zhì)頁(yè)巖類似[19]。硅質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)部發(fā)育黃鐵礦，主要呈莓球狀和自形狀。硅質(zhì)頁(yè)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(yè)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(yè)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(yè)巖，渣拉溝組，渣拉溝剖面；b.粉砂質(zhì)頁(yè)巖，牛蹄塘組，甕安永和剖面；c.粘土質(zhì)頁(yè)巖，牛蹄塘組，甕安永和剖面；d.灰質(zhì)頁(yè)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(yè)巖

粉砂質(zhì)頁(yè)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(jiàn)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(jiàn)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(zhǎng)石，分選較差，磨圓中等，次棱角-次圓狀(圖4c，圖5b)。粉砂質(zhì)頁(yè)巖TOC含量相對(duì)低，一般介于0.4%～0.7%。

2.1.3 粘土質(zhì)頁(yè)巖

粘土質(zhì)頁(yè)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(yè)巖中石英或長(zhǎng)石顆粒粒度一般為粉砂級(jí)或粘土級(jí)(圖4d，圖5c，圖5d)。粘土質(zhì)頁(yè)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(guò)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(yè)巖TOC含量相對(duì)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(yè)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(yè)巖，九門(mén)沖組，H1井，埋深2 391.15 m；b.粉砂質(zhì)頁(yè)巖，可見(jiàn)粉砂紋層，筇竹寺組，J1井，埋深3 306.85 m；c.粘土質(zhì)頁(yè)巖，筇竹寺組， J1井，埋深3 292.68；d.灰質(zhì)頁(yè)巖，可見(jiàn)灰質(zhì)結(jié)核，水井沱組，C1井，埋深2 253.40 m；e.白云質(zhì)頁(yè)巖，見(jiàn)白云石紋層，埋深3 588.53 m

2.1.4 灰/云質(zhì)頁(yè)巖

云質(zhì)頁(yè)巖主要分布在牛蹄塘組下部含磷層系中，灰質(zhì)頁(yè)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(duì)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(shù)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(jiàn)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(duì)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(duì)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(jiàn)生物擾動(dòng)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(jiàn)星散狀黃鐵礦和少量有機(jī)質(zhì)。TOC含量相對(duì)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(yè)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(yè)巖，可見(jiàn)硅質(zhì)海綿骨針，單偏光，九門(mén)沖組，H1井，埋深2 409.05 m;b硅質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)微晶自生石英特征，SEM，九門(mén)沖組，H1井，埋深2 409.05 m；c.粉砂質(zhì)頁(yè)巖，可見(jiàn)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(yè)巖，可見(jiàn)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(jiàn)磷灰石顆粒和硅質(zhì)膠結(jié)，正交偏光，梅樹(shù)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(shù)村組，J1井，埋深3 582.29 m；g.磷質(zhì)白云巖，內(nèi)部可見(jiàn)磷灰石顆粒，正交偏光，梅樹(shù)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(jiàn)大量硅質(zhì)海綿骨針化石，單偏光，九門(mén)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(jiàn)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(shù)村組含磷層系內(nèi)部，通常與磷質(zhì)巖、磷質(zhì)頁(yè)巖互層。磷質(zhì)白云巖常呈紋層狀，偶爾可見(jiàn)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(duì)動(dòng)蕩的水動(dòng)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(yè)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(yè)巖內(nèi)微晶自生石英特征，九門(mén)沖組，H1井，埋深2 376.89 m；b.粉砂質(zhì)頁(yè)巖，石英和長(zhǎng)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(yè)巖，粘土礦物含量高，可見(jiàn)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(shù)村組，H1井，埋深3 616.09 m；f.硅質(zhì)磷質(zhì)巖，可見(jiàn)磷灰石顆粒和硅質(zhì)膠結(jié)，梅樹(shù)村組，J1井，埋深3 604.29 m； g.云質(zhì)磷質(zhì)巖，見(jiàn)自生白云石顆粒，梅樹(shù)村組，J1井，埋深3 582.29 m； h.泥灰?guī)r，見(jiàn)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(mén)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(yè)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(yè)巖中通?？梢?jiàn)灰質(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(duì)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(shù)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(wú)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(jiàn)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(shù)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(yè)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(yè)巖，可見(jiàn)向上變細(xì)的正粒序(圖7a)。頁(yè)巖層中亦可見(jiàn)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(yè)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(jiàn)到頁(yè)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(guò)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(duì)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(guò)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(yè)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(shù)村組陸內(nèi)裂陷槽內(nèi)部含磷層系的下部，主要由頁(yè)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(yè)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(jiàn)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(guò)渡為磷質(zhì)白云巖。

圖7 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)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(shù)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(shù)村組，J1井；d.深水陸棚硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列，九門(mén)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(mén)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(yè)巖和粘土質(zhì)頁(yè)巖組成(圖7d)。硅質(zhì)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖主要發(fā)育在底部，見(jiàn)水平層理，內(nèi)部可見(jiàn)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(yè)巖組成，夾少量粉砂質(zhì)頁(yè)巖，局部可見(jiàn)黃鐵礦紋層和結(jié)核，發(fā)育水平層理。灰質(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(yè)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(yè)巖、灰質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)部夾薄層泥灰?guī)r。該沉積序列向陸地方向過(guò)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(guò)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(yè)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(mén)沖組底部可見(jiàn)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(yè)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(yè)巖及黑色板巖。

3.3 沉積相分布規(guī)律

早寒武世梅樹(shù)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(tái)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(tái)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(yáng)—長(zhǎng)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(duì)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(shù)村時(shí)期的特征，四川盆地內(nèi)部資陽(yáng)—長(zhǎng)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(guò)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(shí)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(shù)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(yáng)—長(zhǎng)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(shù)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(yè)1井區(qū)深水陸棚硅質(zhì)-泥質(zhì)沉積序列中也可見(jiàn)到，反映了沉積時(shí)期海平面的波動(dòng)導(dǎo)致的氧化還原條件的波動(dòng)(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(yè)1井區(qū)頁(yè)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(yè)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(zhǎng)期以來(lái)學(xué)者對(duì)該段的成因存在不同的意見(jiàn)，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(lái)自上升流帶來(lái)的高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為揚(yáng)子臺(tái)地廣泛發(fā)育的熱液活動(dòng)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(shuō)紛紜，盡管學(xué)者的研究表明全球超過(guò)95%的海洋大約在520 Ma時(shí)期已經(jīng)氧化，但在寒武紀(jì)開(kāi)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(zhēng)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(lái)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(yè)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(yè)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(yè)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(lái)反映當(dāng)時(shí)的古生產(chǎn)力[27-28]。通過(guò)對(duì)典型井樣品的Cu+Ni+Zn，Babio(生物Ba)的含量研究及其與TOC的對(duì)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(shù)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(duì)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(duì)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(yè)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(yè)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(shuō)明了來(lái)自于東南方向的上升洋流是川東南海域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要來(lái)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(guó)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(jiàn)，主要以Eu3+的形式存在，一般無(wú)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(duì)較高，Ba和U等元素相對(duì)富集(表3)，說(shuō)明黃頁(yè) 1井地區(qū)早寒武世期存在短熱液活，而在J1井區(qū)無(wú)Eu正異常特征，也表明熱液活動(dòng)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(tái)-盆轉(zhuǎn)換帶處，在張性構(gòu)造環(huán)境下，深部富硅熱流體會(huì)沿著深切基底的(同生)斷裂向上運(yùn)移，最終在臺(tái)-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(duì)于朝盆地方向分布的層狀硅質(zhì)巖則有可能是熱液活動(dòng)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(dòng)確實(shí)參與了海洋中生物的生命活動(dòng)，從而認(rèn)為熱液活動(dòng)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(jiàn)大量的硅質(zhì)海綿和高肌蟲(chóng)及藻類組成的生物群，其中硅質(zhì)海綿動(dòng)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(dòng)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(dòng)為黔西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁(yè)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(yè)巖沉積模式

上揚(yáng)子地區(qū)梅樹(shù)村組—筇竹寺組沉積早期，隨著資陽(yáng)-長(zhǎng)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)。克拉通內(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?chē)侣∑鹱韪糇饔茫纬梢粋€(gè)弱-半封閉海灣，表層水體營(yíng)養(yǎng)豐富，在J1井可見(jiàn)藻類、海綿、骨針等浮游生物，代表相對(duì)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(yè)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(lái)自東南方向的上升洋流及海底熱液將SiO2，P，Ba等營(yíng)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(yè)巖厚度較大，且TOC含量通常超過(guò)5%。筇竹寺組沉積中、晚期隨著康滇古陸的隆升、資陽(yáng)-長(zhǎng)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(yáng)-長(zhǎng)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(duì)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(guò)4%。

圖10 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁(yè)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(shù)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(yè)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(yè)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(duì)有機(jī)質(zhì)的富集起到了積極的作用。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖露頭觀測(cè)、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(duì)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(yè)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。