黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖沉積環(huán)境及有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理

連夢(mèng)利，劉達(dá)東，林瑞欽，王奕松，石富倫，蔡俊瀅，范青青，張子亞，趙福平，陳祎，杜威

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，102249；2.自然資源部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)非常規(guī)天然氣評(píng)價(jià)與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng)，550004；3.貴州省油氣勘查開發(fā)工程研究院，貴州 貴陽(yáng)，550004)

奧陶系—志留系的五峰組—龍馬溪組是我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣勘探的優(yōu)選層位，其烴源巖分布幾乎遍及揚(yáng)子區(qū)[1]，具有有機(jī)碳含量高、成熟度高、孔隙微裂縫發(fā)育、脆性礦物含量高和含氣量高等特點(diǎn)[2-4]。由于該頁(yè)巖地層連續(xù)，生物化石豐富且地表出露良好，五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖也成為國(guó)際上探討奧陶紀(jì)—志留紀(jì)之交海洋環(huán)境演化的重要研究對(duì)象[5]。

黔北地區(qū)位于四川盆地東南緣，構(gòu)造上屬于揚(yáng)子克拉通。近年來(lái)，黔北地區(qū)勘探發(fā)現(xiàn)了安頁(yè)1井、真頁(yè)1井等高產(chǎn)頁(yè)巖氣井，表明其五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣具有巨大的資源潛力。海相頁(yè)巖氣的成藏與富集主要受烴源巖、儲(chǔ)層和保存條件控制，優(yōu)質(zhì)的烴源巖是頁(yè)巖氣成藏與富集的先決條件，因此，系統(tǒng)開展黔北地區(qū)烴源巖研究對(duì)于黔北地區(qū)頁(yè)巖氣的勘探選區(qū)具有重要意義。

黑色頁(yè)巖的發(fā)育大多處于地質(zhì)歷史上的特殊時(shí)期，不僅記錄了古海洋、古生物以及古氣候等環(huán)境演變的特點(diǎn)，更是多種油氣資源和金屬礦床的載體[6]。海相有效烴源巖作為一種特殊的富有機(jī)質(zhì)層段，其有機(jī)質(zhì)富集往往是多種因素共同作用的結(jié)果，如海洋初級(jí)生產(chǎn)力水平、水體氧化還原條件、有機(jī)質(zhì)沉積速率、陸源碎屑的注入，甚至構(gòu)造活動(dòng)和氣候變化等環(huán)境因素都會(huì)對(duì)頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)富集產(chǎn)生一定影響[5]，這些因素可體現(xiàn)在化學(xué)元素、同位素等無(wú)機(jī)參數(shù)組合上，這就為從古環(huán)境角度研究烴源巖的有效性開辟了一條新途徑[7-10]。前人針對(duì)四川盆地內(nèi)部的五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理開展了大量研究[2-5]，普遍認(rèn)為氧化還原條件、古生產(chǎn)力條件對(duì)有機(jī)質(zhì)富集的控制作用較強(qiáng)，同時(shí)陸源碎屑在有機(jī)質(zhì)富集過(guò)程中在不同的條件下具有不同的影響，海底熱液活動(dòng)十分微弱。揚(yáng)子地區(qū)的大量研究表明，五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)段處于水體局限程度較高的滯留環(huán)境，在晚奧陶世—早志留世之交出現(xiàn)了全球冰期，發(fā)生了大規(guī)模的海進(jìn)和海退，對(duì)氧化還原條件和古生產(chǎn)力條件產(chǎn)生了一定影響。黔北地區(qū)處于四川盆地邊緣、揚(yáng)子地區(qū)內(nèi)部，在晚奧陶世到早志留世時(shí)期，構(gòu)造背景基本與盆內(nèi)一致，但影響氧化還原條件、古生產(chǎn)力條件、陸源碎屑輸入的因素較多，不同地區(qū)具有不同的表現(xiàn)，對(duì)有機(jī)質(zhì)富集的影響作用也不同[4,11-12]，而盆外低勘探區(qū)的有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理研究相對(duì)較少，這制約了盆外復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁(yè)巖氣的高效勘探開發(fā)。

本文作者以黔北地區(qū)斑竹向斜BZ-1 井、安場(chǎng)向斜AY-1 井五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖為研究對(duì)象，開展系統(tǒng)的古沉積環(huán)境分析，揭示不同的古沉積環(huán)境條件，如古氧化還原、古生產(chǎn)力及陸源輸入等對(duì)有機(jī)質(zhì)富集的影響，通過(guò)相關(guān)性分析，揭示黔北地區(qū)五峰—龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集的控制因素，該成果為黔北地區(qū)富有機(jī)質(zhì)烴源巖的勘探評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

五峰組—龍馬溪組沉積時(shí)期，中上揚(yáng)子地區(qū)盆山格局發(fā)生了重大變化，該時(shí)期陸塊邊緣處于擠壓、褶皺造山過(guò)程，揚(yáng)子南緣的黔中隆起、苗嶺—雪峰隆起基本相連形成了橫跨滇黔桂的隆起帶，與川中隆起一起出露在海平面之上，使得其圍限的海域變?yōu)榫窒藓Ｓ?，形成了大面積低能、欠補(bǔ)償、缺氧的沉積環(huán)境[6,13-14]。

研究區(qū)屬于揚(yáng)子臺(tái)地，位于武陵—湘鄂西褶皺帶南段，屬侏羅山式褶皺帶。五峰組沉積時(shí)期，由于雪峰隆起、黔中隆起進(jìn)一步加劇，海平面下降，沉積盆地向北收縮，研究區(qū)東部、南部大部分地區(qū)隆升成陸，形成南高北低的古地理格局，在北部前陸槽狀盆地中沉積了一套缺氧環(huán)境的富有機(jī)質(zhì)泥(頁(yè))巖，含大量筆石化石，夾多層薄層硅質(zhì)巖和凝灰?guī)r，沉積厚度較為穩(wěn)定，一般為5～7 m，靠近古隆起漸變薄。在綏陽(yáng)枧壩—桐梓水壩塘存在一南北向坳陷槽，沉積厚度達(dá)12～17 m；龍馬溪時(shí)期仍為滯流環(huán)境，但海平面漸上升，陸源物質(zhì)補(bǔ)給增加，沉積的富有機(jī)質(zhì)泥(頁(yè))巖砂質(zhì)含量升高，巖中筆石含量增加、種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沉積厚度一般為15～30 m，近陸變薄(圖1)[15-16]。

圖1 研究區(qū)沉積古地理圖及地層柱狀圖Fig.1 Paleogeographic map of study area and stratigraphic column of study section

2 巖石學(xué)特征

黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組礦物組分如圖2所示。五峰組沉積時(shí)期，頁(yè)巖礦物以石英為主，向上質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低(圖2)，到龍馬溪組沉積時(shí)期，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加(圖2和圖3(a))，與陳尚斌等[3]研究的盆內(nèi)情況總體相似，石英、長(zhǎng)石等碎屑顆粒以次棱角狀為主，磨圓較差[17]。五峰組巖性為黑色薄層狀炭質(zhì)頁(yè)巖，夾薄層硅質(zhì)頁(yè)巖(圖3(b))，含多層薄層凝灰?guī)r，筆石發(fā)育(圖3(c))，黔北地區(qū)主要為深水陸棚相和淺水陸棚相。觀音橋段巖性為灰黑色中層狀生物屑泥質(zhì)灰?guī)r(圖3(d))，含雙殼、腕足類化石。龍馬溪組主要發(fā)育黑色炭質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖，發(fā)育有紋層狀構(gòu)造(圖3(e))，含細(xì)粒黃鐵礦(圖3(f))，層中化石豐富，主要為筆石化石，主要種屬有雕筆石(圖3(g))、單筆石、靶筆石、卷筆石(圖3(h))、絲筆石(圖3(i))等，向上整體表現(xiàn)出砂質(zhì)含量增加筆石減少的特征，沉積相類型為深水陸棚相和淺水陸棚相。

圖2 黔北五峰組—龍馬溪組BZ-1井和AY-1井頁(yè)巖礦物組分特征Fig.2 Mineral composition characteristics of Wufeng—Longmaxi Formation shale in the northern Guizhou area

圖3 黔北五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖石學(xué)特征Fig.3 Petrological characteristics of Wufeng—Longmaxi Formation shale in northern Guizhou area

3 樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

3.1 樣品采集

樣品采自黔北地區(qū)斑竹向斜BZ-1 井、安場(chǎng)向斜AY-1 井，采樣層段為五峰組和龍馬溪組，巖性為黑色硅質(zhì)、炭質(zhì)頁(yè)巖互層，見大量正筆石，含藻類及放射蟲化石，層面常發(fā)育星點(diǎn)狀黃鐵礦。從五峰組底部黑色頁(yè)巖段開始，基本按照1～2 m間隔向淺部進(jìn)行密集連續(xù)取樣，對(duì)龍馬溪組巖性變化不大的層段進(jìn)行代表性樣品采樣，共采集樣品28 塊。去除4 個(gè)黃鐵礦聚集程度高的樣品，對(duì)24塊頁(yè)巖樣品進(jìn)行礦物組分測(cè)試。為了避免火山沉積、古流體侵入等作用的影響，避開了火山灰沉積段與方解石脈段，對(duì)22 個(gè)頁(yè)巖樣品(BZ-1 井12塊和AY-1井10塊)開展總有機(jī)碳、主量元素、微量元素及稀土元素測(cè)試。

3.2 分析方法

樣品經(jīng)去離子水多次超聲波洗凈和烘干后，用瑪瑙研缽人工磨碎至粒徑＜75 μm 和粒徑＜178 μm，用于化學(xué)分析。粒徑＜178 μm的樣品用于總有機(jī)碳(TOC)分析，粒徑＜75 μm的樣品用于主、微量元素分析?？傆袡C(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC))測(cè)定在中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用美國(guó)LECO CS230 碳硫分析儀完成。主量元素、微量元素及稀土元素分析在中國(guó)科學(xué)院廣州地化所進(jìn)行，采用PerkinElmer NexION 350X 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)試。

主量元素測(cè)試采用堿熔玻璃片法，將樣品放入高溫爐中920 ℃煅燒去除有機(jī)質(zhì)。稱取約0.5 g煅燒后的樣品，加入8 倍樣品質(zhì)量的Li2B4O7，混合均勻，加入1 滴2% LiBr-1%NH4I 混合助溶劑于XRF專用鉑金坩堝中，倒入混合樣品，115 ℃熔融制成玻璃片，在PerkinElmer NexION 350X 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)試。微量元素測(cè)試用酸溶法，將烘干恒質(zhì)量的樣品粉末放入700 ℃的高溫爐中煅燒3 h 去除有機(jī)質(zhì)。稱取0.37～0.45 mg 燒失后的樣品放入干凈的聚四氟乙烯密閉溶樣瓶中，滴入HNO3、HF和HClO4溶解樣品。溶解稀釋后的樣品在PerkinElmer NexION 350X 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)試。樣品在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)用標(biāo)樣AGV-2，BCR-2和GSP-1進(jìn)行校正。

4 測(cè)試結(jié)果

BZ-1 井五峰組—龍馬溪組泥頁(yè)巖的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))是SiO2(63.64%)和Al2O3(12.1%)，其次為TFe2O3(4.45%)、K2O(3.95%)、CaO(2.64%) 和MgO(2.29%)。AY-1 井五峰組—龍馬溪組泥頁(yè)巖的主要成分是SiO2和Al2O3，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為69.3% 和9.3%，其次為CaO(2.85%)、TFe2O3(2.56%)、K2O(2.47%) 和 MgO(1.30%)，MnO、Na2O、P2O5和TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不足1%。主微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1和表2所示。

表1 黔北地區(qū)BZ-1井五峰組—龍馬溪組w(TOC)及主微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fractions of w(TOC) and major and trace elements in Wufeng—Longmaxi Formation of well BZ-1 in northern Guizhou area

5 古沉積環(huán)境

5.1 古氧化還原條件

Mo 元素在缺氧環(huán)境中更易富集，ALGEO等[18-19]采用Mo 富集系數(shù)-U 富集系數(shù)協(xié)變模式圖來(lái)分析水體氧化還原特征和水體滯留程度。微量元素富集系數(shù)(XEF)采用下式計(jì)算：

式中：w(X)/w( Al )為樣品中某微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值；[w(X)/w( Al )]PAAS為上地殼中某微量元素與Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值。由黔北地區(qū)的Mo 富集系數(shù)-U 富集系數(shù)協(xié)變模式圖(圖4)可以看出：黔北地區(qū)五峰龍組—龍馬溪組樣品的Mo富集系數(shù)與U富集系數(shù)的比值隨著富集系數(shù)增加具有升高的趨勢(shì)，處于非滯留環(huán)境中。五峰組上部和龍馬溪組下部Mo富集系數(shù)和U富集系數(shù)較高，處于缺氧相到靜水相之間。五峰組上部和龍馬溪組下部Mo 富集系數(shù)和U 富集系數(shù)相對(duì)較低，處于常氧相和缺氧相之間。

圖4 黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組Mo富集系數(shù)-U富集系數(shù)協(xié)變模式圖(根據(jù)文獻(xiàn)[18]修改)Fig.4 Mo enrichment coefficient-U enrichment coefficient covariant pattern of Wufeng—Longmaxi Formation in Northern Guizhou area(Modified according to Ref.[18])

由于微量元素會(huì)受到陸源組分的影響，簡(jiǎn)單地利用微量元素絕對(duì)含量來(lái)判斷水體的氧化還原條件并不準(zhǔn)確。因此，微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值經(jīng)常被用來(lái)示蹤氧化還原環(huán)境。V和Ni為鐵族元素，易吸附于膠體和黏土礦物而沉淀富集，細(xì)粒沉積物中V 和Ni 對(duì)水體的氧化還原條件十分敏感。當(dāng)w(V)/[w(V)+w(Ni)]小于0.46 時(shí)，為氧化環(huán)境；當(dāng)w(V)/[w(V)+w(Ni)]介于0.46～0.54 之間時(shí)，為過(guò)渡環(huán)境；當(dāng)w(V)/[w(V)+w(Ni)]大于0.54 時(shí)，為還原環(huán)境[20]。Cr 一般與沉積物中陸源碎屑相結(jié)合，可以替換黏土礦物中的Al。相反，V 一般以四價(jià)態(tài)的形式與有機(jī)質(zhì)結(jié)合，并聚集在還原條件下的沉積物中[21-23]。因此，w(V)/w(Cr)常用來(lái)作為古氧化還原參數(shù)。當(dāng)w(V)/w(Cr)小于2.00 時(shí)，為氧化環(huán)境；當(dāng)w(V)/w(Cr)介于2.00～4.25 之間時(shí)，為貧氧環(huán)境；當(dāng)w(V)/w(Cr)大于4.25 時(shí)，為厭氧環(huán)境[24-26]。Ni 元素主要靠有機(jī)質(zhì)輸送到沉積物中。當(dāng)有機(jī)質(zhì)降解時(shí)，Ni 被釋放出來(lái)，并可在硫酸鹽還原環(huán)境下被黃鐵礦捕獲而固定在沉積物中。由于沉積及埋藏后Ni 元素不易遷移，沉積巖中基本保存了Ni 沉積時(shí)的初始含量，因此，Ni 是有機(jī)質(zhì)通量的理想指示。此外，w(Ni)/w(Co)可以作為古氧相的判別指標(biāo)，w(Ni)/w(Co)越高說(shuō)明沉積環(huán)境還原性更強(qiáng)。當(dāng)w(Ni)/w(Co)＜5 時(shí)，為氧化環(huán)境；當(dāng)5＜w(Ni)/w(Co)＜7 時(shí)，為貧氧環(huán)境；當(dāng)w(Ni)/w(Co)＞7時(shí)，為還原環(huán)境[24-26]。

BZ-1井和AY-1井古氧化還原參數(shù)指示，黔北地區(qū)五峰組整體處于過(guò)渡-還原環(huán)境(圖5、圖6和圖7)，但由于五峰組沉積時(shí)期處于構(gòu)造活動(dòng)的變化期，導(dǎo)致五峰組沉積的前后期氧化還原條件有所差別，五峰組下部還原性相對(duì)較差，到五峰組上部還原性變好。在五峰組與龍馬溪組之交的赫南特期，全球氣候變冷，海平面急劇下降，觀音橋?qū)釉诖藭r(shí)期沉積，為富氧環(huán)境[27]。冰期結(jié)束之后海平面急劇上升，沉積環(huán)境的還原性變強(qiáng)，龍馬溪組下部處于強(qiáng)還原環(huán)境。龍馬溪組上段與五峰組下段類似，表現(xiàn)為弱氧化-過(guò)渡環(huán)境(圖5、圖6和圖7)。李艷芳等[19]研究認(rèn)為，四川盆地五峰組在沉積歷史時(shí)期氧化還原條件變化較大，以貧氧-厭氧環(huán)境為主，龍馬溪組底部水體為含有一定量H2S的靜海相環(huán)境，之后在龍馬溪組中上部處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的富氧環(huán)境。與本文研究結(jié)果基本一致，說(shuō)明黔北地區(qū)五峰龍馬溪組沉積的氧化還原環(huán)境與盆內(nèi)的相似。

圖5 黔北地區(qū)BZ-1井五峰組—龍馬溪組井綜合柱狀圖Fig.5 Comprehensive stratigraphic column of Wufeng—Longmaxi Formation in Well BZ-1 from Northern Guizhou area

圖6 黔北地區(qū)AY-1井五峰組—龍馬溪組綜合柱狀圖Fig.6 Comprehensive stratigraphic column of Wufeng—Longmaxi Formation in Well AY-1 from Northern Guizhou area

圖7 黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組w(V)/[w(V)+w(Ni)]-w(V)/w(Cr)和w(V)/[w(V)+w(Ni)]-w(Ni)/w(Co)圖Fig.7 w(V)/[w(V)+w(Ni)]-w(V)/w(Cr) and w(V)/[w(V)+w(Ni)]-w(Ni)/w(Co) diagram of Wufeng—Longmaxi Formation in Northern Guizhou area

五峰組—龍馬溪組TOC 和氧化還原指標(biāo)和相關(guān)性圖表明(圖8)，BZ-1 井和AY-1 井w(TOC)與w(Ni)/w(Co)，w(V)/w(Cr)和w(V)/[w(V)+w(Ni)]等存在良好的正相關(guān)關(guān)系，表明缺氧、還原環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存。在缺氧、還原環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)的分解速率較低，透光層繁盛的生物群落在死亡后能夠在沉積物中以有機(jī)質(zhì)的形式有效保存。在五峰組—龍馬溪組沉積時(shí)期，水體基本處于缺氧、還原環(huán)境，為富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖的形成提供了良好條件。

圖8 五峰組—龍馬溪組w(TOC)和古氧化還原指標(biāo)相關(guān)圖Fig.8 Correlation between redox condition and w(TOC) of Wufeng—Longmaxi Formation

5.2 古生產(chǎn)力

古生產(chǎn)力即海洋的初級(jí)生產(chǎn)力，是指地質(zhì)歷史時(shí)期海洋單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)[28]。由于有機(jī)質(zhì)分解作用耗氧形成強(qiáng)還原環(huán)境，從而導(dǎo)致硫酸鋇晶體的沉淀，因此，硫酸鋇晶體沉淀的質(zhì)量越多，反應(yīng)有機(jī)質(zhì)輸入越大。因此，用生源Ba(Babio)來(lái)估算海洋初級(jí)生產(chǎn)力的變化。由假設(shè)沉積物中所有的鋁都是來(lái)自鋁硅酸鹽，計(jì)算生源Ba常用的公式為[29]

式中：w(Babio)為生源鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w(Batotal)為樣品中Ba 的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w(Ba)/w(Alalusilicate)用于估計(jì)陸殼Ba 的豐度，采用w(Ba)/w(Alalusilicate)=0.007 5來(lái)計(jì)算生源鋇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[29-30]。

磷(P)元素是生物代謝過(guò)程中重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是許多海洋生物骨骼的組成部分，可隨著生物體死亡后進(jìn)入沉積物中[27]，Al 標(biāo)準(zhǔn)化后的w(P)與古生產(chǎn)力之間具有良好的相關(guān)性，因此，被廣泛應(yīng)用于判別古生產(chǎn)力強(qiáng)弱。海洋痕量金屬元素的分布受控于參與的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[31-34]，還能通過(guò)影響水體/沉積物的氧化還原狀態(tài)來(lái)間接控制金屬元素的分布[35-36]，高的Ni 含量指示高的有機(jī)碳輸入，反映較高的古生物生產(chǎn)力[37]。

李艷芳等[4,38-39]研究認(rèn)為，當(dāng)w(Babio)在200～1 000 μg/g 之間時(shí)，沉積環(huán)境具有中等生產(chǎn)力水平。由圖5和圖6可以看出：黔北地區(qū)BZ1 井及AY1井w(Babio)指標(biāo)指示五峰組—龍馬溪沉積時(shí)期總體具有中等生產(chǎn)力水平。韋恒葉[29]認(rèn)為，在缺氧環(huán)境中，沉積物表面和(或)底部水體普遍發(fā)生硫酸鹽還原反應(yīng)，而硫酸鋇是硫酸鹽的潛在來(lái)源，當(dāng)硫酸鹽供應(yīng)不足時(shí)，硫酸鋇會(huì)發(fā)生部分溶解，造成鋇含量減少，從而引起w(Babio)異常，導(dǎo)致估算的生產(chǎn)力偏低，由于五峰組—龍馬溪組處于缺氧環(huán)境中，因此，該時(shí)期生產(chǎn)力水平應(yīng)比w(Babio)定量估算水平更高。如圖9所示，五峰組下部古生產(chǎn)力相對(duì)較低，五峰組上部和龍馬溪組下部具有較高的古生產(chǎn)力水平。龍馬溪組上部古生產(chǎn)力相對(duì)較低。由于觀音橋段缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，但根據(jù)何龍等[27]對(duì)揚(yáng)子地區(qū)古生產(chǎn)力研究，推測(cè)其具有高的古生產(chǎn)力水平。這是由于氣候變冷溫度下降，使極地高緯度地區(qū)的富氧冷水形成深水流向低緯度地區(qū)運(yùn)移，到達(dá)赤道地區(qū)后形成上升流，同時(shí)帶來(lái)豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致了生物生產(chǎn)力的增加。

圖9 黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組w(P)/w(Al)-w(Ni)圖Fig.9 w(P)/w(Al)-w(Ni) diagram of Wufeng—Longmaxi Formation in northern Guizhou area

五峰組—龍馬溪組w(TOC)與古生產(chǎn)力指標(biāo)相關(guān)性圖(圖10)表明，w(TOC)與古生產(chǎn)力指標(biāo)w(P)/w(Al)和w(Zn)存在一定的正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性系數(shù)R2較低。w(TOC)和w(Babio)之間的相關(guān)性較弱，這可能是由于以BaSO4晶體存在的Ba 生物元素在還原條件的水體下容易造成BaSO4晶體大量流失，而不能準(zhǔn)確反映生產(chǎn)力的變化[40]?？偟膩?lái)說(shuō)，高的生產(chǎn)力有利于有機(jī)質(zhì)的形成，為有機(jī)質(zhì)的富集提供了豐富的物質(zhì)來(lái)源，但控制作用沒(méi)有氧化還原的控制作用強(qiáng)。

圖10 五峰組—龍馬溪組古生產(chǎn)力指標(biāo)和w(TOC)相關(guān)性Fig.10 Correlation between paleoproductivity and w(TOC) of Wufeng—Longmaxi Formation

5.3 陸源碎屑輸入

陸源碎屑的輸入可對(duì)頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)的富集產(chǎn)生多方面的影響，如作為稀釋劑直接降低了有機(jī)質(zhì)的含量，或裹挾陸源有機(jī)質(zhì)進(jìn)入海底，增加沉積物中有機(jī)質(zhì)的豐度，還可通過(guò)影響埋藏速率破壞有機(jī)質(zhì)在海底沉積物中的保存[35]。Al 和Ti 是陸殼的主要成分，可用于評(píng)價(jià)注入海底的陸源碎屑水平，因此，常用w(Ti)/w(Al)評(píng)估陸源碎屑對(duì)有機(jī)質(zhì)富集造成的影響[41]。

BZ-1 井和AY-1 井w(Ti)/w(Al)在五峰組沉積后期到赫南特冰期結(jié)束后一段時(shí)期相對(duì)較高(圖5和圖6)，表明黔北地區(qū)在這個(gè)時(shí)期陸源碎屑輸入相對(duì)較多。這是由于五峰組后期開始，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)逐漸強(qiáng)烈，提供了大量的陸源碎屑物質(zhì)，加上赫南特冰期海平面下降，部分原海底物質(zhì)出露被風(fēng)化，冰期結(jié)束后被裹挾進(jìn)入海底，導(dǎo)致這一時(shí)期碎屑物質(zhì)輸入較其他時(shí)期高，當(dāng)海平面回升到一定高值后，水體環(huán)境趨于穩(wěn)定，陸源碎屑開始呈緩慢下降趨勢(shì)，但總體變化量不大，輸入比較穩(wěn)定。在龍馬溪沉積后期，全球海平面下降，從BZ1井w(Ti)/w(Al)變化可以看出，在龍馬溪沉積后期w(Ti)/w(Al)存在一個(gè)上升的趨勢(shì)，陸源碎屑輸入增多。

五峰組—龍馬溪組w(TOC)與陸源碎屑輸入指標(biāo)w(Ti)/w(Al)相關(guān)性圖(圖11)表明，兩者基本無(wú)相關(guān)性，表明陸源碎屑輸入對(duì)五峰組—龍馬溪組有機(jī)質(zhì)富集影響較小，陸源碎屑輸入條件不是控制研究區(qū)有機(jī)質(zhì)富集的關(guān)鍵控制因素。

圖11 五峰組—龍馬溪組w(Ti)/w(Al)和w(TOC)相關(guān)性圖Fig.11 Correlation between w(Ti)/w(Al) and w(TOC) of Wufeng—Longmaxi Formation

5.4 黔北五峰—龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集模式

富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的形成與多種因素有關(guān)，從全球尺度來(lái)看，主要包括板塊活動(dòng)、冰期活動(dòng)周期等；從盆地尺度來(lái)看，生物生產(chǎn)力、沉積速率以及底層水氧含量等為關(guān)鍵變量[42]。前人將富有機(jī)質(zhì)黑色巖系發(fā)育的因素歸結(jié)為2種模式，即“保存模式”和“生產(chǎn)力模式”[43]?！氨４婺Ｊ健笔侵父挥袡C(jī)質(zhì)頁(yè)巖的形成主要受控于有機(jī)質(zhì)的后期保存條件，包括氣候、古氧化還原條件等一系列因素的影響。“生產(chǎn)力模式”則主要強(qiáng)調(diào)有機(jī)質(zhì)富集主要受有機(jī)質(zhì)原始來(lái)源控制，如深部物源的加入，由此帶來(lái)的微量元素和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)使水體中生物更加繁盛，有機(jī)質(zhì)含量相應(yīng)較高。

根據(jù)黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖的w(TOC)與古氧化還原、古生產(chǎn)力以及陸源碎屑輸入的相關(guān)性分析表明，黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的形成主要受控于氧化還原條件的影響，同時(shí)，古生產(chǎn)力水平對(duì)有機(jī)質(zhì)富集具有一定的影響，而陸源碎屑輸入的影響較小。因此黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的發(fā)育主要受有機(jī)質(zhì)保存條件的影響，屬于“保存模式”。根據(jù)黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組不同沉積階段特征，建立了以下模式：

1) 五峰組沉積早期，華夏板塊與揚(yáng)子板塊還未完全拼合，揚(yáng)子板塊東南緣存在寬闊的大洋，此時(shí)揚(yáng)子陸表海和外海連通[44]。因此還原條件相對(duì)較弱，有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)較低(圖12(a))。

2) 五峰組沉積后期，隨著板塊拼合運(yùn)動(dòng)的不斷加強(qiáng)，雪峰隆起、川中隆起和黔中隆起露出水面，形成了三隆加一凹的構(gòu)造格局[45]。水體與外海連通性較差，沉積物以泥質(zhì)為主，缺乏生物擾動(dòng)[46]，形成了缺氧的沉積環(huán)境。此外，多次火山活動(dòng)為浮游生物提供了豐富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，古生產(chǎn)力水平升高。因此，五峰組沉積后期的泥巖有機(jī)質(zhì)豐度較高(圖12(b))。

3) 觀音橋時(shí)期全球海平面下降，雙殼、腕足類等冷水動(dòng)物群繁殖，導(dǎo)致水體為氧化環(huán)境，盡管該時(shí)期古生產(chǎn)力水平較高，但氧化環(huán)境不利于有機(jī)質(zhì)的保存(圖12(c))。

4) 赫南特冰期結(jié)束后，海平面快速回升，此時(shí)揚(yáng)子板塊的構(gòu)造格局仍與五峰組晚期相近，為相對(duì)封閉局限海盆，高的海平面與局限海盆的構(gòu)造背景，形成了海底大面積缺氧環(huán)境，為有機(jī)質(zhì)有效保存提供了良好的空間[44]。同時(shí)，強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成了陸源碎屑輸入的增加，陸源碎屑一方面作為稀釋劑直接降低了有機(jī)質(zhì)的含量，另一方面也可裹挾陸源有機(jī)質(zhì)進(jìn)入海底，增加沉積物中有機(jī)質(zhì)的豐度，陸源碎屑與TOC 在該時(shí)期都相對(duì)升高，表明陸源碎屑在該時(shí)期對(duì)有機(jī)質(zhì)富集的促進(jìn)作用大于破壞作用。另外，底層水體的強(qiáng)還原環(huán)境導(dǎo)致微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的化學(xué)降解作用被抑制，同時(shí)陸源碎屑攜帶的SiO2和P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致水體營(yíng)養(yǎng)程度增加，表層浮游生物爆發(fā)，此時(shí)生產(chǎn)力達(dá)到峰值。因此龍馬溪組沉積早期，在強(qiáng)還原條件下，高的古生產(chǎn)力共同促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的富集(圖12(d))。

5) 龍馬溪組沉積后期，隨著陸源碎屑輸入的不斷增加，沉積水體不斷變淺，水動(dòng)力條件增強(qiáng)，剖面區(qū)沉積相由深水陸棚沉積逐漸轉(zhuǎn)為淺水陸棚沉積[47-50]，形成較多粉砂質(zhì)頁(yè)巖和黏土質(zhì)頁(yè)巖，沉積物的貧氧/缺氧環(huán)境受到破壞，同時(shí)，低的古生產(chǎn)力水平也影響了有機(jī)質(zhì)的積累，共同導(dǎo)致了低的有機(jī)質(zhì)豐度(圖12(e))。

圖12 黔北地區(qū)凱迪—埃隆階有機(jī)質(zhì)富集模式Fig.12 Organic matter enrichment model in Katian—Aeronian period in Northern Guizhou area

5.5 盆外與盆內(nèi)五峰—龍馬溪組沉積環(huán)境演化差異

本文通過(guò)對(duì)黔北地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，五峰組的沉積環(huán)境演化可分為2 個(gè)階段。五峰組沉積早期(凱迪階)，海域相對(duì)連通，黔北地區(qū)較盆內(nèi)地區(qū)受海水交換作用強(qiáng)，沒(méi)有形成強(qiáng)的缺氧還原環(huán)境，因此，五峰組沉積初期有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)較低；五峰組沉積后期，水體連通性變差，陸源碎屑輸入減少，形成了一套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖。五峰組沉積厚度總體上和盆內(nèi)相近，均為4～6 m。

龍馬溪組沉積早期(魯?shù)るA)，筆石、浮游生物等生物爆發(fā)，古生產(chǎn)力增強(qiáng)，且盆內(nèi)盆外都處于局限海盆地區(qū)，水體還原性較強(qiáng)，但盆內(nèi)地區(qū)遠(yuǎn)離物源區(qū)，且水動(dòng)力條件較差，因此，陸源碎屑輸入量低；盆外地區(qū)水體相對(duì)較淺，靠近物源區(qū)，陸源輸入較盆內(nèi)高。黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度多數(shù)在10～15 m之間，較盆地地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度(20～25 m)要薄。

龍馬溪組沉積后期(魯?shù)るA晚期到埃隆階)，揚(yáng)子地區(qū)海平面整體下降，由于黔北地區(qū)水體深度較盆內(nèi)淺，因此水體還原性差，不利于有機(jī)質(zhì)的保存，且陸源碎屑輸入較多，不利于有機(jī)質(zhì)的富集。黔北地區(qū)由泥頁(yè)巖沉積轉(zhuǎn)變?yōu)榛規(guī)r等碳酸鹽巖沉積(石牛欄組和韓家店組)。陳旭等[51-52]通過(guò)對(duì)黔北地區(qū)龍馬溪組筆石帶研究表明，黔北地區(qū)龍馬溪組筆石帶僅到LM6(Demirastrites triangulatus)就結(jié)束，缺失LM7至LM9筆石帶，證實(shí)了從盆內(nèi)到盆外水體逐漸變淺的過(guò)程。

6 結(jié)論

1) 黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖的發(fā)育主要受氧化還原條件影響，同時(shí)，古生產(chǎn)力水平有一定的影響，與碎屑輸入條件關(guān)系較小，這與四川盆地內(nèi)部五峰組—龍馬溪組有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制相似。

2) 五峰組沉積早期，黔北地區(qū)還原性較弱且古生產(chǎn)力水平較低，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)較低；五峰組沉積后期，板塊拼合形成了封閉、缺氧的沉積環(huán)境，另外，較高的古生產(chǎn)力水平使得有機(jī)質(zhì)較富集。觀音橋段沉積時(shí)期，盡管有較高的古生產(chǎn)力水平，但氧化環(huán)境不利于有機(jī)質(zhì)的保存。龍馬溪組沉積早期，繼承了五峰組沉積后期的構(gòu)造格局，在相對(duì)封閉的條件下，形成了厚層的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖。龍馬溪組沉積后期，缺氧條件被破壞，另外，古生產(chǎn)力水平也相對(duì)較低，導(dǎo)致了有機(jī)質(zhì)豐度較低。