上揚子地區下寒武統筇竹寺組頁巖沉積環境

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(華東) 深層油氣重點實驗室，山東 青島 266580； 2. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580； 3. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100083； 4. 中國石化 石油勘探開發研究院，北京100083；5. 中國地質大學(北京) 海洋學院，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域，北美頁巖油氣產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。我國富有機質頁巖分布廣、層位多；美國能源信息署(EIA,2013)、國土資源部油氣資源戰略研究中心(2012)和中國石油天然氣股份有限公司(2014)評價的我國頁巖氣技術可采資源量分別為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略接替領域。

近年來，中國頁巖氣的勘探和開發已取得了實質性的進展。上揚子地區作為頁巖氣勘探開發的主戰場，在上奧陶統—下志留統富有機質頁巖中，發現了涪陵、威遠和長寧頁巖氣田，2017年頁巖氣產量達90.61×108m3。除此之外，上揚子地區下寒武統頁巖同樣具有有機質豐度高、厚度大和分布范圍廣的特點。近年來，該地區也相繼獲得了一些頁巖氣發現：如在川西南地區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，加之下寒武統頁巖時代老、演化程度高，頁巖氣勘探開發一直未取得實質性突破。

沉積物的搬運沉積過程及環境條件控制著富有機質頁巖的形成，從而決定著頁巖氣儲層的發育[3-8]。下寒武統頁巖的沉積背景為海相克拉通盆地背景下的陸棚沉積，富有機質頁巖形成受控于氧化還原環境、古海洋生產力及熱水作用等多種因素[9-14]。本文綜合運用野外露頭、巖心、薄片、掃描電鏡及地球化學分析等手段對上揚子地區下寒武統筇竹寺組及與之相應層位頁巖進行巖石學的研究和地球化學分析。主要目的是深入剖析頁巖的沉積過程及沉積環境，建立上揚子地區下寒武統頁巖的沉積模式，明確富有機質頁巖發育的控制因素，進而為上揚子地區優質頁巖儲層的分布預測提供理論依據。

1 地質背景

上揚子地區以四川盆地為中心，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，包括四川盆地、滇齡北和湘鄂西地區等，面積約為3.5×105km2(圖1)。上揚子地區自南華紀開始進入板塊運動機制的克拉通盆地演化階段[15]，震旦紀—中奧陶世上揚子地塊處于拉張環境，震旦紀燈影組沉積期—早寒武世梅樹村組沉積期，上揚子地區發生3幕桐灣運動，表現為區域性隆升與剝蝕，早寒武世麥地坪組地層在資陽—長寧地區局部殘留。早寒武世筇竹寺組沉積期，受海平面快速上升影響，上揚子地區普遍發育磷質頁巖、磷質巖、云質磷質巖等較深水沉積物。早寒武世中期(滄浪鋪組沉積期)，上揚子克拉通隆凹格局逐漸開始消失，進入碳酸鹽臺地發育階段，從盆地西緣向東南依次發育碎屑濱岸、碳酸鹽潮坪、開闊臺地、臺緣斜坡和臺緣盆地相。近期在上揚子克拉通綿陽—長寧地區發現晚震旦世—早寒武世克拉通內裂陷，早寒武世梅樹村組沉積期—筇竹寺組沉積期為裂陷發展期，受填平補齊作用的影響，內部充填500～1 000 m的深水陸棚相泥質巖，是優質烴源巖，這一發現對古老克拉通盆地深層油氣勘探有重要指導意義[16-17]。

研究區下寒武統劃分為紐芬蘭統和黔東統，不同地區地層命名方案有所不同，劉忠寶等(2016)[7]結合前人生物地層、巖石地層及測井響應特征建立了上揚子地區主要地層分區及各組之間對應關系(表1)。本文延用該地層對比方案，川西南地區的筇竹寺組與黔中-黔北地區的牛蹄塘組、川北地區郭家壩組、黔南地區九門沖組和耙榔組-變馬沖組下部、鄂西-渝東地區水井沱組和石牌組下部地層對應。

2 巖相類型

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

2.1 頁巖

2.1.1 硅質頁巖

硅質頁巖石英含量較高，一般大于45%，在筇竹寺組下部較為發育(圖2a，圖3a)。硅質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頁巖類似[19]。硅質頁巖內部發育黃鐵礦，主要呈莓球狀和自形狀。硅質頁巖TOC較高一般介于5.0%～7.0%。

圖1 上揚子地區構造綱要圖[18]Fig.1 Tectonic outline map of the Upper Yangtze region[18]

表2 上揚子地區下寒武統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 上揚子地區下寒武統筇竹寺組頁巖野外露頭照片Fig.2 Outcrop photographs of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in the Upper Yangtze regiona.層狀硅質頁巖，渣拉溝組，渣拉溝剖面；b.粉砂質頁巖，牛蹄塘組，甕安永和剖面；c.粘土質頁巖，牛蹄塘組，甕安永和剖面；d.灰質頁巖，牛蹄塘組，甕安永和剖面；e.硅質巖，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 粉砂質頁巖

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

2.1.3 粘土質頁巖

粘土質頁巖主要分布在筇竹寺組上部，通常土礦物含量大于50%，發育水平層理、塊狀層理(圖2c，圖3c)。在粘土質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作用的影響，表現出順層分布的特征。粘土質頁巖TOC含量相對高一般介于1.0%～2.0%。

圖3 上揚子地區下寒武統筇竹寺組頁巖巖心照片Fig.3 Core photographs of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in the Upper Yangtze regiona.硅質頁巖，九門沖組，H1井，埋深2 391.15 m；b.粉砂質頁巖，可見粉砂紋層，筇竹寺組，J1井，埋深3 306.85 m；c.粘土質頁巖，筇竹寺組， J1井，埋深3 292.68；d.灰質頁巖，可見灰質結核，水井沱組，C1井，埋深2 253.40 m；e.白云質頁巖，見白云石紋層，埋深3 588.53 m

2.1.4 灰/云質頁巖

云質頁巖主要分布在牛蹄塘組下部含磷層系中，灰質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%，主要以膠結物的形式出現。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 磷質巖

磷質巖在揚子地區梅樹村階廣泛發育[20]，根據磷質巖的結構、構造和成分等特點，概括為3種主要的類型：顆粒狀磷質巖、白云質磷質巖和硅質磷質巖。

2.2.1 顆粒狀磷質巖

顆粒狀磷質巖多呈黑灰色，發育塊狀層理，平行層理，與白云質磷質巖或硅質磷質巖互層(圖5e，圖6a)。主要礦物為碳氟磷灰石、白云石和硅質。磷灰石呈粒狀結構，含量大于60%，粒徑介于0.05～0.3 mm。泥晶白云石和硅質通常以膠結物的形式產出，硅質膠結時間晚于白云石膠結，可見硅質礦物交代白云石和磷灰石顆粒的現象。顆粒狀磷質巖TOC含量相對低，一般介于0.2%～1.0%。

2.2.2 白云質磷質巖

白云質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。白云質磷質巖中白云石含量較高，通常介于20%～40%，以膠結物的形式充填在磷灰石等碎屑顆粒間(圖4f，圖5g)。白云質磷質巖TOC含量相對低，一般介于0.3%～1.3%。

2.2.3 硅質磷質巖

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

2.3 砂巖

2.3.1 泥質粉砂巖

該類巖相中粉砂顆粒含量介于70%～80%，泥質含量介于20%～30%。鏡下偶見生物擾動構造，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質。TOC含量相對低，一般介于0.2%～0.4%。

圖4 上揚子地區下寒武統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.硅質頁巖，可見硅質海綿骨針，單偏光，九門沖組，H1井，埋深2 409.05 m;b硅質頁巖內微晶自生石英特征，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.硅質磷質巖，可見磷灰石顆粒和硅質膠結，正交偏光，梅樹村組，J1井，埋深3 604.29 m； f.云質硅質巖，基底式白云石膠結，部分白云石和顆粒狀磷灰石被硅質交代，正交偏光，梅樹村組，J1井，埋深3 582.29 m；g.磷質白云巖，內部可見磷灰石顆粒，正交偏光，梅樹村組，J1井，埋深3 583.94m；h.泥質粉砂巖，單偏光，牛蹄塘組，甕安永和剖面；i.硅質巖，見大量硅質海綿骨針化石，單偏光，九門沖 組，H1井，埋深2 430.05 m

2.3.2 粉砂巖-細砂巖

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

2.4 碳酸鹽巖

2.4.1 磷質白云巖

磷質白云巖主要分布在梅樹村組含磷層系內部，通常與磷質巖、磷質頁巖互層。磷質白云巖常呈紋層狀，偶爾可見小型的交錯層理，波狀層理，及沖刷構造(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、微晶結構(圖4g)。白云石含量約為60%～75%，磷灰石含量約為5%～8%，硅質含量約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 上揚子地區下寒武統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.硅質頁巖內微晶自生石英特征，九門沖組，H1井，埋深2 376.89 m；b.粉砂質頁巖，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.顆粒狀磷質巖，梅樹村組，H1井，埋深3 616.09 m；f.硅質磷質巖，可見磷灰石顆粒和硅質膠結，梅樹村組，J1井，埋深3 604.29 m； g.云質磷質巖，見自生白云石顆粒，梅樹村組，J1井，埋深3 582.29 m； h.泥灰巖，見大量方解石顆粒，水井沱組，C1井，埋深2 253.60 m；i.硅質巖，九門沖組，H1井，埋深2 430.21 m

2.4.2 泥灰巖

泥灰巖主要分布在筇竹寺組中上部，通常與粘土質頁巖和粉砂質泥巖互層，單層厚度介于10～20 cm，發育塊狀層理。在泥灰巖發育層段的頁巖中通?？梢娀屹|結核(圖6c)，泥灰巖中碳酸鹽含量大于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 硅質巖

硅質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-隱晶質結構。塊狀或層狀硅質巖通常被準同生期形成的網絡狀石英/玉髓脈所分割形成的假角礫狀構造(圖5i，圖6e)。硅質巖內部可見硅質生物化石，主要為硅質海綿骨針(圖4i)。硅質巖TOC含量較低，介于0.2%～0.6%。

3 沉積相類型及沉積環境

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暴浪基面的沉積區域。在研究區主要發育磷質-云質-泥質和砂質-泥質-灰質兩種典型的沉積序列。

磷質-云質-泥質沉積序列主要分布在梅樹村期陸內裂陷槽內部含磷層系的上部，主要由磷質巖、白云巖和頁巖構成。磷質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、再搬運的特征。同時發育由風暴引起的沖刷充填構造，磷質巖侵蝕下部頁巖，可見向上變細的正粒序(圖7a)。頁巖層中亦可見到由云質磷質巖形成的低角度交錯層理、透鏡狀層理。

砂質-泥質-灰質沉積序列主要分布在筇竹寺組中下部，主要由頁巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖和粉砂巖構成。垂向上具有向上逐漸變粗再變細的序列，粉砂質泥巖和泥質粉砂巖發育水平層理、低角度交錯層理(圖7b)。此外，在該沉積序列中還可見到頁巖內部密集發育粉砂紋層，單個紋層厚度介于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，該沉積序列中常常發育灰巖互夾層，如丁山地區，自下而上表現為由粘土質頁巖、泥灰巖、泥質粉砂巖沉積。

3.1.2 深水陸棚沉積

深水陸棚指位于風暴浪基面以下的陸棚區域，在研究區主要發育泥質-磷質-云質沉積序列、硅質-泥質沉積序列、泥質沉積序列以及灰質-泥質沉積序列。

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

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

硅質-泥質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育該類沉積序列，由硅質巖、硅質頁巖和粘土質頁巖組成(圖7d)。硅質巖和硅質頁巖主要發育在底部，見水平層理，內部可見磷質結核。

泥質沉積序列主要分布在陸內裂陷槽內筇竹寺組中上部，主要由粘土質頁巖組成，夾少量粉砂質頁巖，局部可見黃鐵礦紋層和結核，發育水平層理?；屹|-泥質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牛蹄塘組上部，主要由粘土質頁巖、灰質泥巖和泥灰巖組成。整體上泥質沉積為主體，通常為粘土質頁巖、灰質頁巖內部夾薄層泥灰巖。該沉積序列向陸地方向過渡為淺水陸棚砂質-泥質-灰質沉積序列。

3.2 斜坡-盆地沉積體系

斜坡沉積主要發育在深水陸棚與盆地之間的過渡地區，主要分布在筇竹寺組下部，主要由硅質巖和硅質頁巖組成，黃鐵礦極其發育。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脈體切割形成的角礫狀硅質巖(圖6e)與硅質頁巖，為近距離斜坡帶垮塌沉積[21]。盆地沉積水體更深，與陸棚相區相比，沉積地層明顯減薄。上揚子地區東南與東北緣兩個地區發育盆地沉積，巖石類型主要為黑色硅質巖、硅質頁巖及黑色板巖。

3.3 沉積相分布規律

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

3.4 氧化還原條件

Mo，U和V被認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境的判識標志，通常V/Cr>2和Ni/Co>5代表貧氧/缺氧環境[22-24]。本次研究選取了V/Cr，Ni/Co和Mo幾個參數作為氧化還原環境的判定指標，分析上揚子地區筇竹寺組沉積時期氧化還原條件的差異。3個指標在反映氧化還原強度上表現出非常好的一致性。垂向上貧氧-缺氧環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-磷質-云質沉積序列、硅質-泥質沉積序列中；此外在盆地內資陽—長寧一線陸內裂陷槽內部發育泥質沉積序列也形成于短暫的缺氧-貧氧環境。淺水陸棚沉積普遍形成于氧化環境下，特別是厚層砂質-泥質沉積序列，而梅樹村組上部磷質-云質-泥質沉積序列主要形成于氧化與貧氧相互交替的環境中。同樣的現象在黃頁1井區深水陸棚硅質-泥質沉積序列中也可見到，反映了沉積時期海平面的波動導致的氧化還原條件的波動(圖8)。平面上，揚子板塊寒武紀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。長期以來學者對該段的成因存在不同的意見，一種觀點認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鹽；另一種觀點認為揚子臺地廣泛發育的熱液活動為這些元素富集的主要原因[25]。關于該時期底層海水的氧化還原條件也眾說紛紜，盡管學者的研究表明全球超過95%的海洋大約在520 Ma時期已經氧化，但在寒武紀開始(541 Ma±1 Ma)至寒武紀生命大爆發主幕(520 Ma)之間的沉積環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境，但仍有大量生物繁盛。從地球化學分析結果來看，上揚子地區早寒武世深水陸棚至斜坡-深水盆地處于還原的沉積環境中，近岸的淺水陸棚及濱海相則處于次氧化-氧化的沉積環境中。此外，氧化還原條件指標與TOC含量程非常好的正相關關系(表3)，表明氧化還原條件是控制下寒武統筇竹寺組頁巖有機質富集的重要條件。

圖9 上揚子地區下寒武統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 上揚子地區下寒武統筇竹寺組頁巖地球化學指標Table 3 Geochemical indicators of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in the Upper Yangtze region

3.5 古海洋生產力條件

高生產力是形成富有機質頁巖的物質基礎，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時的古生產力[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的對應關系的研究，可以反映當時的古生產力(表3)。陸內裂陷槽內部J1井梅樹村組深水陸棚磷質-云質-泥質沉積和筇竹寺組中上部泥質沉積具有相對高的生產力，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-泥質沉積序列對應的古海洋生產力較低。而盆外東南深水陸棚-斜坡沉積黃頁1井古生產力明顯升高，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，遠遠高于J1井。盡管個別異常高值的樣品可能存在富金屬層的影響，但是硅質巖和硅質頁巖中存在大量的小殼化石，也進一步印證了該段沉積具有較高的生產力。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物質的重要來源。上揚子海域古生產力總體表現為東南部高、西北部低的差異化特征。受海洋古生產力控制，四川盆地及周緣筇竹寺組有機質豐度變化較大，在H1井區TOC值介于5.47%～7.35%，平均值為6.27%，在盆地內J1井地區一般介于0.25%～2.13%，平均值為0.86%。

3.6 熱液(水)作用

現代海底熱水流體中富含有機成分，與優質烴源巖形成之間有著緊密的聯系[29-30]。華南揚子地塊是我國古熱水沉積作用最為發育的地區之一，華南下寒武統黑色巖系中賦存多個與熱水沉積作用相關的大型重晶石礦與Ni-Mo-U-V多金屬富集層[31]。Eu是稀土元素中可變價元素，有Eu2+和Eu3+兩種價態。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-泥質沉積序列中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井地區早寒武世期存在短熱液活，而在J1井區無Eu正異常特征，也表明熱液活動主要分布在上揚子地區東南緣。Wang等(2012)研究成果表明，在研究區臺-盆轉換帶處，在張性構造環境下，深部富硅熱流體會沿著深切基底的(同生)斷裂向上運移，最終在臺-盆轉換帶直接形成丘狀硅質巖、角礫化硅質巖、脈狀硅質巖，對于朝盆地方向分布的層狀硅質巖則有可能是熱液活動噴流出的富SiO2羽柱體(hydrothermal plume)發生沉降而沉淀形成的。熱液活動確實參與了海洋中生物的生命活動，從而認為熱液活動可以為海洋生物的發育提供物質基礎并提高古生產力。在貴州遵義地區寒武系底部硅質巖中可見大量的硅質海綿和高肌蟲及藻類組成的生物群，其中硅質海綿動物化石與其他地區同時期沉積的地層中化石豐度、個體大小有明顯的區別，可能與海底熱液活動有密切關系。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，促進有機質的保存。熱液活動為黔西北地區下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖提供了必要的物質基礎和保存條件，有利于形成富有機質的優質烴源巖。

4 筇竹寺組頁巖沉積模式

上揚子地區梅樹村組—筇竹寺組沉積早期，隨著資陽-長寧克拉通內裂陷、川東-黔北裂陷的快速發展以及海平面快速上升, 四川盆地及周邊出現深水沉積環境，發育淺水陸棚沉積、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▋攘严萆钏懪镏饕l育泥質-磷質-云質沉積序列，受周圍水下隆起阻隔作用，形成一個弱-半封閉海灣，表層水體營養豐富，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。川中-川東地區總體為水下高地，主要發育淺水陸棚灰色砂質頁巖和泥質粉砂巖沉積，TOC含量較低。鄂西-湘黔深水域為深水陸棚-斜坡區域，來自東南方向的上升洋流及海底熱液將SiO2，P，Ba等營養物質攜帶到該地區，使該海域古生產力提高，發育一套硅質-泥質沉積序列，富有機質頁巖厚度較大，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-長寧克拉通內裂陷強度減弱和海平面下降，川北—川中—黔北大部分地區轉為淺水陸棚，主要發育砂質-泥質沉積序列，四川盆地及周邊主體轉為淺水陸棚和濱岸沉積，陸源物質輸入量大，TOC降至0.5%以下。筇竹寺組沉積晚期由于小規模的海侵作用，在資陽-長寧克拉通內裂陷中可形成局部的深水陸棚沉積，主要以泥質沉積序列為主，受控于局部的封閉環境，TOC含量相對較高，介于1.3%～2.5%。渝東-湘鄂西深水區向東收縮, 受上升洋流控制, 古生產力保持高水平，TOC值一般超過4%。

圖10 上揚子地區下寒武統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，在筇竹寺組沉積時期富有機質頁巖主要分布在克拉通內裂陷早期和晚期海侵時期深水陸棚沉積，和鄂西-湘黔深水陸棚-斜坡沉積。富有機質頁巖的形成主要受貧氧-缺氧的水體環境、高古海洋生產力等因素共同控制。上揚子地區東南緣上升洋流及海底熱液對有機質的富集起到了積極的作用。

5 結論

通過對上揚子地區下寒武統頁巖露頭觀測、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分析認為，淺水陸棚沉積處于氧化、相對低的古海洋生產力條件下，發育磷質-云質-泥質沉積序列和砂質-泥質-灰質沉積序列，有機質含量普遍偏低；深水陸棚以及斜坡-盆地沉積處于貧氧-缺氧、高海洋生產力的條件下，發育富含有機質的泥質-磷質-云質沉積序列、硅質-泥質沉積序列、泥質沉積序列。海底熱液為海洋生物的發育提供物質基礎在提高古生產力的同時，加深了缺氧程度有利于有機質的保存。富有機質頁巖主要分布在克拉通內裂陷早期和晚期海侵時期深水陸棚沉積，和鄂西-湘黔深水陸棚-斜坡沉積。