康滇古陸兩側五峰組—龍馬溪組沉積演化差異

關鍵詞 康滇古陸；五峰組—龍馬溪組；地球化學；沉積環境；構造背景

第一作者簡介 張茜，女，1983年出生，博士，高級工程師，沉積學儲層礦物巖石學、油氣地質學，E-mail： 76517507@qq.com

通信作者 張海全，男，高級工程師，油氣地質學，E-mail： zhq433@126.com

中圖分類號 P595 文獻標志碼 A

0引言

奧陶系—志留系的五峰組—龍馬溪組是我國南方海相頁巖氣勘探的優選層位，其烴源巖分布幾乎遍及揚子區，且四川盆地已經取得該層位的頁巖氣突破，多口井獲得工業氣流[1?3]。為進一步擴大頁巖氣勘探開發范圍，四川盆地周緣的構造復雜區已成為目前工作的重點[4?5]。

前期勘探發現，位于康滇古陸兩側的川西南構造復雜區頁巖氣地質條件較好，廣泛分布五峰組—龍馬溪組黑色有機質泥巖，西側的鹽源盆地已獲得較好的油氣顯示，東側的昭通地區已獲得頁巖氣突破[6?7]，證實研究區雖然構造復雜，但仍具備較大的頁巖氣勘探潛力。但是受控于構造改造強、研究程度低等因素制約，一些關鍵的基礎地質問題仍未解決。選取康滇古陸東西兩側的五峰組—龍馬溪組為研究對象，通過全面的地質調查及系統的巖石礦物學及地球化學分析，對比研究古陸兩側的沉積環境差異，建立其沉積構造演化模式。以期為盆地周緣構造復雜區的油氣資源評價提供有價值的參考和指導。

1地質背景

研究區大地構造位置隸屬于中上揚子克拉通西緣，康滇古陸兩側，屬滇中推覆沖斷帶及滇東北沖斷帶上，行政區劃包括四川省涼山州和云南省昭通市地區[4，7]。研究區在新元古代以來的構造演化過程發育多條規模宏大且現今仍然強烈活動的重要斷裂帶，多條斷裂縱橫切割，形成斷塊構造區[7]。康滇古陸屬揚子地臺西南緣二級構造單元，是顯生宙以來長期出露的地區，也是研究區最重要的物源提供區[8]。中奧陶世以后，由于地幔物質上涌，康滇地塊構造隆升成穹，一直持續到二疊紀[8?9]。因此，在五峰組—龍馬溪組沉積期，康滇古陸呈持續抬升擴大趨勢，整體受熱水沉積影響較大。

古陸東側昭通地區地層出露完整，奧陶系上統五峰組和觀音橋段普遍發育。五峰組—龍馬溪組時期，水體自康滇古陸和黔中隆起往北東方向加深，總體屬于局限海陸棚相沉積環境[10]（圖1）。五峰組厚度較小，一般介于5～30 m，龍馬溪組厚度較大，可達幾百米，富有質頁巖厚度巨大，最具代表性的XD2井富有機質頁巖（TOCgt;1%）厚度大于100 m。古陸西側鹽源盆地屬揚子地臺西緣沉積區，西鄰廣海，東側因金河—箐河斷裂逆沖推覆陸棚相直接與康滇隆起接觸而缺失淺水的邊緣相沉積，沉積相與古陸展布并不配套，推測地層曾發生旋轉或抬升剝蝕（圖1）向西至深海盆地在陸棚區受沉積基底的不均一沉降作用，存在多個水下隆起區，總體屬于開闊海陸棚相沉積環境[6]。古陸西側龍馬溪組巖性以高硅質泥巖而明顯區別于古陸東側的高鈣質泥巖，且厚度明顯較東側薄，總厚不超過100 m，富有機質頁巖厚度小于60 m。同時，古陸西側缺失五峰組沉積，龍馬溪組底部與中奧陶寶塔組灰巖呈平行不整合接觸（DCZ剖面寶塔組頂部可見紫紅色瘤狀灰巖，CYD2井寶塔組頂部見溶蝕角礫巖，SH剖面可見風化殼存在）（圖2a）。兩側均發育筆石（圖2b），黃鐵礦呈帶狀、脈狀及點狀分布于巖石（圖2c）。

為對比研究古陸兩側五峰組—龍馬溪組黑色泥巖的沉積環境與構造背景，除詳細的野外地質調查外，還選擇深水陸棚相富有機質頁巖較發育的鹽源盆地BZT剖面及昭通地區XD2井進行了系統的地球化學測試。其中BZT剖面龍馬溪組總厚約90 m，與下伏寶塔組灰巖及上覆稗子灰質白云巖均為平行不整合接觸，黑色泥巖段主要發育在剖面中下段，厚約60 m，上段巖性為淺灰色粉砂質泥巖、灰質泥巖，生烴潛力較差。XD2井五峰組—龍馬溪組總厚超300 m，與下伏寶塔組灰巖及上覆石牛欄組灰巖均為整合接觸。黑色泥巖段主要集中在五峰組及龍馬溪組下段160 m處，中上段巖性主要為淺灰色鈣質粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，為淺水相快速沉積產物，生烴潛力較差，未采樣。本次采集BZT 剖面66 件泥巖和泥灰巖樣品，XD2井44件鈣質泥巖樣品，進行TOC及X射線衍射礦物成分分析。此外，在BZT剖面和XD2井分別采集25件和26件黑色泥巖樣品，開展主微量元素分析。采樣位置以及TOC和礦物成分含量分布見圖3。

2 樣品測試及結果

2.1樣品采集及實驗測試方法

在無污染條件下，選擇新鮮樣品磨碎至粒徑小于0.2 mm，采用非散射紅外線檢測法用于TOC測定。將新鮮樣品磨制到200目，用于主微量元素及全巖礦物成分X 衍射分析。TOC 測定引用GB/T19145—2003《沉積巖中總有機碳的測定》，使用德國耶拿multiN/C3100 總碳分析儀進行檢測，誤差小于1%。主量元素分析采用荷蘭帕納科Axios mAx PW4400/40 X射線熒光光譜儀進行檢測，相對標準偏差小于1%。微量元素采用電感耦合等離子體質譜儀（ICPMS）分析，儀器型號為X-seriesⅡ美國ThermoFisher，相對標準偏差小于5%。全巖礦物成分X衍射測試使用ZJ207 Bruker D8 advance型X射線衍射儀，測定標準遵循SY/T5163—2010。部分測定流程參考文獻[11]。

2.2礦物成分特征

古陸兩側TOC及礦物成分含量如圖3所示，東側XD2井TOC含量介于0.16%～7.0%，平均值為1.86%，其中富有機質頁巖段（TOCgt;1%）主要在五峰組及龍馬溪組下段鈣質泥巖段，總厚約160 m，上部粉砂質泥巖段TOC含量降低，小于1.0%。薄片鑒定結果顯示，五峰組及龍馬溪組下段泥巖主要由泥質、碎屑組分和碳酸鹽礦物組成，碎屑顆粒主要為石英，少量為長石，呈棱角狀零散分布在泥質中。碳酸鹽礦物主要是方解石及少量白云石，呈半自形—自形粒狀。部分有機質，主要呈黑色團塊狀混在泥質中。少量黃鐵礦，呈黑色粒狀零散分布在泥質中，部分聚集在局部呈團塊狀（圖2d）。全巖X衍射分析結果顯示，古陸兩側礦物成分均以石英、碳酸鹽礦物和黏土礦物為主（圖3c，d）。石英含量介于17%～65%，平均值為37%；碳酸鹽礦物含量介于6%～62%，平均值為27%，多呈泥晶團塊狀，部分是以脈體形式分布在巖石中；部分白云石（2%～10%），呈粒狀零散分布在泥晶方解石及泥質組分之中。黏土含量較高，介于9%～58%，平均值為35%，混在碳酸鹽礦物之間。部分有機質（約4%），見少量細小的云母片。黃鐵礦廣泛發育，平均含量為2%，脈狀、粒狀分布，龍馬溪組底部樣品鏡下可見放射蟲及草莓狀黃鐵礦（圖2e）。

西側BZT 剖面龍馬溪組黑色泥巖TOC介于0.06%～5.63%，平均值為2.02%，其中中下段硅質巖及硅質泥巖段為富有機質頁巖段，厚度約為50 m（圖3a），上部泥灰巖段、粉砂巖段TOC含量降低，小于0.5%。薄片結果顯示，龍馬溪組泥巖主要是由碎屑組分、泥質和碳酸鹽礦物組成，石英含量較高，呈粒狀不均勻分布，見大量硅質放射蟲化石（圖2f，g），生物成因硅大量發育[5]，其余硅質呈顯微晶—隱晶質硅質不均勻分布，部分呈球粒狀或殘余生屑狀不均勻分布。泥質主要包括黏土礦物和長英質細碎屑，不均勻分布。炭質呈炭屑狀或浸染狀，無固定形態。全巖X衍射分析結果中，石英含量較高，特別是在龍馬溪組中下段，石英含量大多高于80%，少數樣品達100%。黏土含量較低，介于2%～22.7%，平均值為9.6%；碳酸鹽礦物在泥巖中含量低，主要在灰巖透鏡體，灰巖夾層及上半段的泥灰巖中發育，平均值為32%。黃鐵礦廣泛發育，平均含量為2.9%。筆石發育，鏡下可見草莓狀黃鐵礦。

在礦物成分三角圖（圖3c，d）中，東側XD2井五峰組與龍馬溪組樣品類似，樣品點主要投入混合巖相區，西側BZT剖面龍馬溪組巖性主要為硅質巖相。古陸西側黏土礦物及碳酸鹽礦物含量明顯低于東側，但石英+長石含量明顯高于東側。兩側富有機質頁巖巖性差異較大，指示其沉積環境明顯不同。

2.3主微量元素特征

主量元素成分見表1，相對于大陸上地殼（UCC）[12]，古陸西側BZT 剖面SiO₂、MnO 含量較富集，說明受上升洋流及熱液沉積影響較大[13?14]。而古陸東側XD2井則CaO、MgO明顯富集，其他元素均較虧損。微量及稀土元素含量見表2，相對于后太古宙澳大利亞頁巖（PAAS）[12]古陸兩側Mo、U較為富集，同時古陸東側Sc、Zr、Th等親石元素及稀土元素總量（ΣREE）明顯較西側富集，說明古陸東側離物源更近[15?16]。

一些非遷移性微量元素，如 Zr、Hf、Th、Sc、Y、REE等在沉積盆地演化過程中含量變化很小[16]，能很好地保留成巖物質來源的相關信息，可作為物源屬性及源區構造背景判別的理想對象[15，23]。在物源屬性判別圖解ΣREE-La/Yb中[16]（圖5a），BZT剖面樣品點大多落在沉積巖—鈣質泥巖區與花崗巖區，少部分落在沉積巖—鈣質泥巖、花崗巖及玄武巖重疊區域，而XD2井五峰組樣品點大多落入沉積巖區，龍馬溪組樣品點則大多落在花崗巖與沉積巖交匯區域。在La/Sc-Co/Th圖解[24]（圖5b）中，BZT剖面樣品主要分布于長英質火成巖區及靠近花崗巖區，部分有向長英質—中基性巖混合物源區偏移的趨勢；而XD2井五峰組和龍馬溪組樣品呈現相同趨勢，大多落在長英質火成巖及花崗巖之間。由此可以看出，古陸西側物源較為復雜，以酸性長英質火成巖為主，并有少量中基性巖的混入；而古陸東側物源較為單一，主要為長英質火成巖。

構造背景判別圖解Sc/Cr-La/Y[15，25]（圖5c），顯示BZT剖面樣品投點雖較為分散，但多數落入被動大陸邊緣及大陸島弧及其附近區域。在La-Th-Sc[16]（圖5d）也呈現相同趨勢，所有樣品點分散落入活動大陸邊緣、被動大陸邊緣及大陸島弧區域。而XD2井五峰組及龍馬溪組樣品點較為集中，主要落入被動大陸邊緣區。

綜上，對比古陸東側，西側源巖成分及構造背景均較為復雜，有活動大陸邊緣及島弧環境屬性，可能與西側洋殼與揚子陸殼的碰撞相關，也可能與大洋島弧提供物源相關；而古陸東側的昭通地區在盆地內部，屬于前陸盆地克拉通內部，構造相對穩定，為被動大陸邊緣環境。

3.2盆地屬性及水體氧化還原性研究

沉積水體的氧化還原性是指水體溶氧量特征及其相關變化引起的各種巖石、生物和地球化學等特征的綜合，通常缺氧還原的水體環境更有利于有機質的保存而與烴源巖的形成密切相關[1，26]。研究表明，氧化還原敏感性元素如V、Cr、Th、Co、Ni、Mo、U及穩定而又靈敏的稀土元素（REE）已被廣泛應用于水體氧化還原性的研究中[27]。然而這些元素的變化受控于復雜的地質化學過程，應該使用多種指標的綜合考量才能得到較為準確的規律。

大量研究證實，中上揚子地區五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖沉積于貧氧缺氧環境[27?28]。綜合各種參數，優選采用V/Cr、U/Th、Ni/Co這三種相對較穩定且準確的比值參數來對比古陸兩側環境的變化[29]。如圖6所示，兩側V/Cr、U/Th、Ni/Co均呈現相似趨勢，XD2井五峰組上部及龍馬溪組底部水體呈現厭氧環境，往上水體呈氧化環境；而西側BZT剖面龍馬溪組整體處于厭氧—貧氧環境，晚期氧化性增強。XD2井在龍馬溪組沉積期水體呈貧氧—弱氧化環境，但依然形成富有機質頁巖，推測此時有機質富集以高古生產力或其他為主控因素而非保存條件。而古陸西側富有機質頁巖的形成，則以缺氧環境有利于有機質的保存為主控因素。

在沉積盆地重建時，U、Mo因其獨特的地球化學特征及其相關參數Mo/TOC和U-Mo協變圖被廣泛應用于盆地屬性及局限性的研究[19，28]。U和Mo性質相近，在缺氧還原性水體易在沉積物中富集，但是，U的沉積明顯早于Mo沉積[18]，U在較淺水體及弱還原環境下就開始沉積[30?31]，而Mo則需要更深的水體及強還原性，或存在H2S才開始沉積[18，32]。在與上升洋流有關的沉積盆地，金屬元素在缺氧—硫化水體中的富集往往得益于顆粒傳輸機制（particulate shuttle）的增強[28?29，33]。在硫化沉積盆地且發生顆粒傳輸時，沉積物Mo濃度通常遠高于未發生顆粒傳輸區域。而在非硫化但是缺氧還原的沉積盆地，U的濃度往往大于Mo，且沒有顆粒傳輸[28]。在U-Mo協變模式圖中（圖7a），古陸西側BZT剖面樣品點大多落入顆粒傳輸區，且與弱滯留環境的Cariaco盆地相近，表明西側龍馬溪沉積期受上升洋流影響較大，沉積水體弱局限且硫化還原。這與鹽源盆地沉積相吻合，BZT剖面區為一沉降中心（圖1），水體相對較深，推測為一構造形成的深水洼地。古陸東側XD2井大部分點樣品點投入弱氧化盆地區，Mo_EF大于U_EF，大多數的Mo_EF/U_EF 值點在1×SW 至3×SW 區，在缺氧靜水環境下，Mo_EF/U_EF更靠近3×SW線，但仍在此區域，并沒有隨著U、Mo的富集出現明顯富集或降低。這種U-Mo協變模式可解釋為：在非滯留海盆中，Mo的濃度較高，Mo/U會持續增高。而在強滯留海盆中，Mo易絡合轉入沉積物后使Mo/U降低；古陸東側的昭通地區是個半滯留海盆，Mo在海水中的濃度較低，這就使得Mo/U不會像開放海盆那樣持續增高，而且弱連通的海盆又可以使得海水得到一定的Mo、U補給，不會像強滯留海盆那樣使Mo/U 值降低[34?35]。Algeo etal.[18]也指出這種U-Mo協變模式在半滯留沉積盆地中比較常見。此外，XD2井龍馬溪組Mo-U呈現明顯的正相關，也說明其水體硫化性較弱[18]，五峰組則正相關較弱，說明其硫化程度較龍馬溪組強[18]（圖7b）。

研究表明，強滯留局限性質的黑海，Mo/TOC值較低為4.5，半局限性質的挪威Framvaren 峽灣，Mo/TOC值增大至9，局限性較弱的委內瑞拉中北部Cariaco盆地，Mo/TOC值為25，而開放性水體的加拿大Saanich 海灣，Mo/TOC 為45[29，34]。值得注意的是，Mo/TOC這一參數僅在非氧化性水體下適用[29]。BZT剖面龍馬溪組下段Mo/TOC值介于10～15，與半局限性較強的Framvaren海峽灣相近，中段Mo/TOC約為5，局限性增強，上部值約為20，局限性較弱，為相對開放環境（圖8）。而東側XD2井的龍馬溪組下半段Mo/TOC值介于10～15，為半局限性盆地，而五峰組與龍馬溪組不同，Mo/TOC值小于5，為強局限盆地。五峰組沉積期受到冰期事件影響，全球海平面下降，再因構造隆升擠壓，水體被隆起分割，形成強滯留環境。而龍馬溪組早期，大規模海進，海水漫過障壁，使得海盆與大洋的連通性加強，成為半滯留海盆。到中晚期，相對海平面下降，與大洋連通性更好，水體呈氧化狀態。

通常，寒冷、干燥環境下的初級風化作用CIA值介于50～65，溫暖、濕潤環境下的中等風化作用CIA值介于65～85，炎熱、潮濕環境下的強烈風化作用CIA 值介于85～100[38]。BZT 剖面CIA 值介于50.07～70.09，平均值為63.97，說明龍馬溪組沉積期整體受化學風化程度較低，反映氣候可能較為寒冷、干燥（表1、圖9b）。XD2井CIA值介于46.63～76.18，平均值為66.33，說明龍馬溪組沉積期整體受中度化學風化作用，反映氣候為溫暖、濕潤的環境。晚奧陶期短暫的冰期寒冷氣候向早志留期溫暖氣候的轉化在古陸東側已漸顯端倪，相較于古陸東側，古陸西側受廣海影響，氣候仍較為干冷。較低的CIA值表明古陸西側在龍馬溪期構造活動性較強，風化作用以物理風化作用為主，化學風化作用較弱，而古陸東側化學風化作用較西側強。同時，A-CN-K圖顯示兩側樣品點的分布均較為分散（圖9b），說明物源在沉積過程中處于不穩定的氣候和構造條件[6，37]。此外，化學風化趨勢線均落在花崗巖與長英質火成巖之間，顯示物源主要為長英質火成巖與花崗巖，這與前面得到的結論一致。

3.4古陸兩側沉積構造演化模式

晚奧陶世一早志留世之交，受岡瓦納大陸冰川事件波及全球，中上揚子地區存在短暫的赫南特冰期[39?41]，氣溫驟降，生物大量滅絕，沉積了觀音橋段介殼灰巖[27，40?41]，古陸東側昭通地區存在該沉積響應，而古陸西側鹽源盆地則受構造隆升或碰撞影響，中奧陶寶塔組晚期就已抬升成陸缺失五峰組沉積。繼而早志留世，四川盆地內氣候回暖，冰雪消融，海平面上漲，使得底層水體滯留還原沉積了深水陸棚相龍馬溪組富有機質頁巖[42]。古陸西側卻依然繼承了奧陶紀晚期全球寒冷干旱的古氣候，氣候回暖較慢，受區域構造擠壓抬升沉降及上升洋流的影響，沉積了龍馬溪組高硅質富有機質頁巖[6]。兩側沉積構造演化模式如下（圖10）。

晚奧陶五峰組期：該期構造活動加劇，使得東側昭通地區圍陷于持續擴大的康滇古陸、川中隆起及黔中隆起之間成為強滯留的、半局限淺海沉積環境。而古陸西側則抬升成陸，未見沉積。強烈的構造活動帶來大量的陸源碎屑物質注入古陸東側海盆，為海盆提供了大量營養物質，初級古生產力旺盛。同時厭氧水體利于有機質的保存，TOC較高。

五峰組期觀音橋段：受全球冰期事件影響，古陸東側昭通地區相對海平面下降，重新形成循環通暢的淺水碳酸鹽巖沉積環境。冰期特征生物赫南特貝及其他種類底棲生物大量繁盛。由于氣候急劇變冷及海體營養鹽缺乏導致浮游生物相對較少，初級古生產力較低，表現出較低的TOC值。而古陸西側仍為隆起區，沒有沉積。

龍馬溪組早期：冰期結束，氣候回暖，發生大規模海侵，古陸東側圍陷作用仍在持續，水體加深分層，形成厭氧—硫化的底層海水環境，底棲生物由于不能適應硫化環境和氣候的突變而發生大面積滅絕，還原性海水環境有利于有機質的保存。加之海底熱液帶來大量的營養物質，藻類繁盛，造成龍馬溪組初期海洋初級高古生產力，因此TOC呈現峰值。而古陸西側則由于強烈的構造運動，使得區域構造突然沉降，形成厭氧—硫化的深水環境，加之廣海頻繁的上升洋流作用，火山沉積及熱水沉積的影響，形成黑色硅質頁巖沉積。喜硅生物（如放射蟲、海綿古針等）大量繁殖，形成較高的初級古生產力。由于生物復蘇過程較為緩慢，且龍馬溪組初期水體較深底層水體硫化不適宜生物生存，所以龍馬溪早期初級古生產力相對較低，而龍馬溪中期生產力更高。

龍馬溪組中期：為古生產力旺盛期。隨著古陸的進一步擴大，東側昭通地區形成貧氧—氧化環境，陸源碎屑的輸入提供了浮游生物所需的大量營養物質，導致海洋初級生產力更高，雖然貧氧—弱氧化的水體環境并不利于有機質保存，但是有利于喜鈣生物水體的大量繁殖，造成極高古生產力而形成富有機質頁巖；古陸西側的鹽源盆地構造快速抬升擠壓，造成區域持續的水體加深及生產力的提高，使得TOC值較高。

龍馬溪組晚期：古陸東側構造相對穩定，由于退海水體緩慢變淺，陸源碎屑持續增多稀釋有機質，呈現較低的TOC值。古陸西側構造快速隆升，由于海退水體變淺，形成開放盆地環境，貧氧厭氧的環境遭破壞，浮游生物的減少，初級古生產力降低，陸源碎屑大量涌入使得TOC值較低。

4 結論

（1） 古陸兩側均發育富有機質黑色泥巖，但沉積環境明顯不同。東側昭通地區屬于局限海陸棚相沉積環境，富有機質泥頁巖以硅質鈣質巖系為主。西側鹽源盆地屬于開闊海陸棚相沉積環境，富有機質頁巖主要為硅質巖系。

（2） 古陸西側鹽源盆地中奧陶寶塔組晚期構造抬升成陸，未見五峰組沉積，兩側在龍馬溪期均有較高比例的陸源物質持續輸入，而東側XD2井則離物源更近，且源巖成分較為單一，以長英質火成巖為主。西側物源則較為復雜，以長英質物源及花崗巖為主，并有少量中基性巖的混入，反映古陸西側構造背景更復雜，有活動大陸邊緣及島弧環境屬性，可能與西側洋殼與揚子陸殼的碰撞相關。而古陸東側屬前陸盆地克拉通內部，構造相對穩定，為被動大陸邊緣環境。

（3） 古陸西側龍馬溪組沉積期整體受化學風化程度較低，反映氣候可能較為寒冷、干燥，東側則受中度化學風化作用，氣候為溫暖、濕潤的環境。整體而言，古陸東側化學風化作用強于古陸西側，氣候也較西側溫暖。

（4） 古陸西側BZT剖面沉積期構造運動更為劇烈，龍馬溪期經歷快速隆升和沉降，沉積水體更深，為還原—硫化性水體，同時受更多上升洋流及熱水沉積的影響，喜硅水體生物大量發育，富有機質頁巖的形成得益于良好的保存環境。而古陸東側XD2井區域構造相對平穩，以總體抬升為主，沉積水體較淺，以貧氧—弱氧化環境為主，喜鈣水體生物大量發育，富有機質頁巖的形成則得益于溫暖氣候下生物的繁盛，帶來較高的古生產力。

致謝 感謝審稿專家和編輯部老師提出的寶貴意見。