陳強路，儲呈林，胡 廣，陳 躍，黃繼文，姜海健

(1.中國石化油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126； 3.西南石油大學，成都 610500)

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塔里木盆地柯坪地區(qū)寒武系玉爾吐斯組沉積環(huán)境分析

陳強路1,2，儲呈林1，胡 廣3，陳 躍2，黃繼文2，姜海健1,2

(1.中國石化油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126； 3.西南石油大學，成都 610500)

塔里木盆地柯坪地區(qū)出露的寒武系底部玉爾吐斯組為層狀硅質巖—黑色泥頁巖—白云巖沉積組合。在露頭實測的基礎上，通過層序地層、巖石學、成烴生物組合及地球化學研究，剖析其沉積環(huán)境，為盆地內部早寒武世早期巖相古地理和烴源巖預測提供依據(jù)。玉爾吐斯組下部層狀硅質巖與中部黑色泥頁巖構成三級層序SQ1，受控于早寒武世早期海侵和上升流作用，準層序為退積式疊置；上部中薄層白云巖與肖爾布拉克組下部白云巖構成另一三級層序SQ2，是海退背景下進積型沉積組合。2個三級層序的沉積環(huán)境經(jīng)歷了淺水陸棚—深水陸棚—淺水陸棚的演變，其中SQ1黑色泥頁巖段為深水陸棚缺氧環(huán)境沉積，是烴源巖發(fā)育的有利相帶。

沉積環(huán)境；玉爾吐斯組；寒武系；柯坪地區(qū)；塔里木盆地

玉爾吐斯組是塔里木盆地寒武紀第一套沉積層，也是已證實的烴源巖發(fā)育層，但通過地震資料還不能進行有效識別，目前也僅有星火1井鉆揭。因此，玉爾吐斯組的沉積與分布是制約寒武系鹽下油氣區(qū)帶評價的重要因素。位于塔里木盆地西北部的柯坪隆起古生代是盆地的一部分，出露的地層與塔里木盆地內部具有很好的可比性，是研究盆地內部古生界地層特征和預測生、儲、蓋分布的重要窗口[1]?？缕郝额^寒武系底部玉爾吐斯組為層狀硅質巖—黑色泥頁巖—白云巖沉積組合，前人針對該套黑色泥頁巖和硅質巖開展了元素地球化學研究，并討論了早寒武世的構造背景[2-6]。筆者在露頭實測的基礎上，進行了層序地層、巖石學、成烴生物組合及元素地球化學研究，進一步探討玉爾吐斯組沉積環(huán)境，以期對塔里木盆地寒武紀早期巖相古地理研究和烴源巖分布預測有新的啟示。

1 地層及沉積特征

1.1 巖石地層特征

玉爾吐斯組與下伏震旦系奇格布拉克組為平行不整合接觸，上覆肖爾布拉克組。該組是將原肖爾布拉克組底部的含有大量小殼化石的層段劃分出來新建的地層單位；分布于柯坪隆起奇格布拉克、尤爾美那克、蘇蓋特布拉克及肖爾布拉克一帶，不同剖面厚度變化較大[7](圖1)。

肖爾布拉克東剖面(N40°59′11.82″，E79°59′46.28″)玉爾吐斯組頂?shù)捉缇€清楚，并有探槽開挖。該剖面玉爾吐斯組視厚48.7 m，整體可劃分為3個巖性段(圖1)，下段為含磷結核硅質巖、磷塊巖夾薄層或透鏡狀白云質灰?guī)r、白云巖組合(圖2a，b)；中段為厚16.8 m的黑色泥頁巖，其中中部為厚約2 m的灰黑色薄層硅質巖與黑色頁巖互層，頁巖發(fā)育頁理(圖2c)；上段為灰色薄層—中層粉晶白云巖、瘤狀白云巖夾泥巖(圖2d)。

1.2 層序界面與層序地層

玉爾吐斯組與肖爾布拉克組下部白云巖段可劃分為2個三級層序(圖1)。層序界面SB1為寒武系與震旦系之間的平行不整合面，界面之下為上震旦統(tǒng)奇格布拉克組厚層狀白云巖，部分地區(qū)奇格布拉克組頂面喀斯特化；界面之上巖性突變，底部為8 cm厚的紫紅色磷塊巖及中薄層的含磷結核的硅質巖，其次為泥頁巖(圖2a)。SB2為第二巖性段和第三巖性段的分界面，是巖性突變面，也是沉積間斷面，界面之下為黑色泥頁巖風化的黃色古土壤層，是沉積間斷和暴露標志層；界面之上為灰色薄層白云巖，表明沉積環(huán)境發(fā)生了明顯變化(圖2d)。SB3為肖爾布拉克組下部薄層深灰色泥質白云巖與淺灰色厚層白云巖巖性變化界面，玉爾吐斯組上段薄層白云巖與肖爾布拉克組下部白云巖是持續(xù)海退過程的連續(xù)沉積。

SQ1層序TST準層序組由磷塊巖、含磷硅質巖、硅質巖及深灰色薄層硅質巖與黑色薄層泥巖組成；HST準層序組由黑色泥頁巖夾黑色薄層硅質巖及黑色泥質巖組成，層厚向上減薄，頂部頁巖發(fā)育頁理。巖性由下向上的變化指示沉積水體明顯加深，準層序的疊置方式為退積式。

SQ2層序TST準層序組由深灰色中層—薄層狀灰質白云巖、中薄層粉—細晶白云巖組成；HST準層序組由灰白色白云巖組成。從TST向HST，相對海平面下降，沉積水體逐漸變淺，準層序的疊置方式呈進積型。

2 沉積環(huán)境分析

2.1 沉積構造、巖石學特征指示的沉積環(huán)境

磷塊巖、硅質巖分布于玉爾吐斯組下段，沉積構造為單一的水平層理。底部為紫紅色薄層磷塊巖，層面上見扁餅狀、球粒狀、塊狀磷結核，直徑0.5～5 cm不等(圖2b)；其上為肉紅色薄層—中層狀硅質巖夾灰白色薄層或透鏡狀白云質灰?guī)r、白云巖組合。磷塊巖、硅質巖巖石學特征見表1。

礫屑磷塊巖：礦物成分主要為膠磷礦，其次為石英、泥質和少量氧化鐵。結構組分以礫屑為主，由碎屑狀(砂屑)和凝膠狀膠磷礦組成，其次為砂屑(膠磷礦)和球粒。填隙物為石英和磷灰石，其次為膠磷礦和泥質。溶孔發(fā)育，主要為粒內溶孔，其次為粒間溶孔，少量球粒鑄?？?，有些溶孔為微孔狀，孔徑小于0.03 mm(圖2e)。

圖1 塔里木盆地柯坪地區(qū)玉爾吐斯組剖面位置(a)和層序地層特征(b)

圖2 塔里木盆地柯坪地區(qū)玉爾吐斯組沉積特征

表1 塔里木盆地柯坪地區(qū)玉爾吐斯組磷塊巖、硅質巖巖石學特征

含磷隱晶硅質巖：礦物成分為石英，隱晶狀，見少量氧化鐵質、磷質和泥質。氧化鐵呈浸染狀分布。磷質為膠磷礦及磷灰石，呈結核狀或斑塊狀分布于基質中。泥質呈斑點狀、球粒狀聚集，使巖石局部呈斑點狀或球粒狀結構。溶孔多呈微孔狀分布，孔徑小于0.03 mm(圖2f)。

隱晶硅質巖：礦物成分主要為石英，隱晶狀，其次為少量呈斑點狀、球粒狀聚集的泥質、氧化鐵質，并相對富集呈帶狀。

含氧化鐵質含磷結核隱晶硅質巖：礦物成分為石英，隱晶狀，其次為膠磷礦、磷灰石、氧化鐵和泥質。磷質礦物以膠磷礦為主，內部結構以凝膠狀為主。氧化鐵和泥質呈斑點狀、團塊狀分布于硅質基質中。溶孔主要分布于磷結核中，少量分布于基質中。

含泥質斑點隱晶硅質巖：礦物成分主要為硅質，隱晶狀，其次見泥質、氧化鐵和磷結核。泥質呈斑點狀星散分布于基質中。氧化鐵呈斑點狀、團塊狀分布，少量充填于裂縫中。

玉爾吐斯組下段磷塊巖和含磷硅質巖可以指示沉積環(huán)境?，F(xiàn)代海相沉積磷塊巖根據(jù)產(chǎn)出位置可分為大陸邊緣型和海山型[7]，前者主要產(chǎn)于大陸架淺海區(qū)，水深一般在數(shù)百米，很少超過500 m，形成于氧化—次氧化條件，且多與海洋上升流關系密切，常與不同類型陸源、鈣質和硅質沉積物伴生[8]。全球上震旦統(tǒng)—下寒武統(tǒng)廣泛發(fā)育磷塊巖礦床，成磷事件與Roidinia超大陸裂離、全球從“冰期”進入溫暖期生物迅速發(fā)展、分異和輻射的古生態(tài)系統(tǒng)更迭以及古海洋水體地球化學特征的變化有關，由上升洋流攜帶磷等營養(yǎng)物質導致磷質生物大量繁衍，生物死亡后的沉積成巖作用是磷塊巖形成的重要成因，受海侵和海平面變化控制，多形成碳酸鹽巖—磷塊巖—黑色泥巖沉積組合[9-16]。臺地淺灘、潮坪—潟湖、淺海海灣是有利的沉積環(huán)境[17-19]。而沉積硅質巖可能與源自海底熱泉的富硅熱水隨上返洋流溫度降低呈過飽和沉淀有關[20]?？缕河駹柾滤菇M磷塊巖、硅質巖沉積層序中暗紫色具礫屑結構的磷塊巖與同色調的硅質巖不等厚互層，磷塊巖和硅質巖中均有少量氧化鐵和泥質呈斑點狀、團塊狀分布于基質中，說明其形成于氧化界面附近或沉積經(jīng)歷了二次搬運，礫屑結構的磷塊巖發(fā)育表明水動力作用較強，沉積硅質巖的發(fā)育也表明與熱流體影響有關。由玉爾吐斯組磷塊巖、硅質巖的沉積構造和巖石學特征，推斷其形成環(huán)境與現(xiàn)代海相磷塊巖形成分布及寒武紀的成磷事件具有類似性，位于受熱流體影響的淺海陸棚環(huán)境，由硅質巖、泥質白云巖不等厚互層向上過渡為黑色頁巖與硅質巖互層，指示了沉積水體加深的沉積環(huán)境。

2.2 泥頁巖中成烴生物組合特征指示的沉積環(huán)境

浮游藻類和底棲宏觀藻類是重要的成烴生物，而且可以指示烴源巖發(fā)育的沉積環(huán)境[21-23]。選擇蘇蓋特布拉克和肖爾布拉克東2個剖面泥頁巖中成烴生物進行了研究。蘇蓋特布拉克剖面玉爾吐斯組黑色泥頁巖厚14.5 m，巖性主要為黑色泥頁巖夾薄層硅質巖和灰?guī)r，18件樣品成烴生物形態(tài)學研究表明，主要有底棲藻類殘片和浮游藻類(光面球藻、小刺球藻、球狀甲藻、團藻和紋層狀藍藻藻席)。此外還發(fā)現(xiàn)海綿骨針及少量的生物介殼殘片。泥頁巖中成烴生物組合底部以底棲藻為主，僅含有少量浮游藻類；中部底棲藻類減少，浮游藻類明顯增多；上部浮游藻類占有更大的比例。肖爾布拉克東剖面泥頁巖中成烴生物主要為底棲藻類，可見大量的底棲紅藻碎片和紅藻囊果，浮游藻類的數(shù)量相對較少。對比2個剖面，泥頁巖中成烴生物組合均整體呈現(xiàn)底棲藻類占優(yōu)勢，浮游藻類相對較低，但由下至上浮游藻類有增加的趨勢。相比較而言，蘇蓋特布拉克剖面浮游藻類更多，暗示了平面上沉積環(huán)境的差異性。

藻類發(fā)育在光合作用帶，浮游藻類大部分生活在水體表層，一般不受水體深度的限制。底棲藻類一般發(fā)育在低潮線以下30～60 m，紅藻和褐藻生活水深可達200 m[24]。2個剖面泥頁巖段中下部均以底棲藻為主，向上浮游藻有增加的趨勢，浮游藻個體較小，從藻類的生態(tài)位來看，玉爾吐斯組泥頁巖的沉積環(huán)境應屬淺海陸棚環(huán)境。蘇蓋特布拉克剖面中原地堆積的海綿骨針說明熱水生物的存在，也暗含了沉積環(huán)境與熱水活動相關[21]。

2.3 硅質巖、泥頁巖元素地球化學特征指示的沉積環(huán)境

海相熱水沉積硅質巖具有稀土元素REE總量降低，HREE相對富集和Ce虧損明顯的特征，可以作為海相沉積環(huán)境恢復中的判識指標[25-27]。沉積巖的微量元素總量、微量元素組成特征分析是研究沉積環(huán)境的重要手段[28-32]?？缕旱貐^(qū)玉爾吐斯組中段黑色泥頁巖及薄層黑色硅質巖稀土元素、泥頁巖微量元素分析結果如表2和表3所示。

玉爾吐斯組中段的黑色薄層硅質巖與黑色泥頁巖夾層或互層出現(xiàn)，3個硅質巖樣品ΣLREE在(10.813～32.922)×10-6之間，ΣLREE/ΣHREE值為3.082～5.224，平均為3.928，具有LREE(La至Eu) 相對富集，HREE(Gd至Lu) 相對虧損的特點。硅質巖稀土元素與北美頁巖標準化后具有∑REE低，Ce為負異常，Eu表現(xiàn)為弱正異常，模式曲線具弱向左傾的特點，呈重稀土元素富集趨勢，與柯坪東二溝剖面同層位黑色泥頁巖稀土元素配分模式表現(xiàn)出相似的變化趨勢[2](圖3)。說明玉爾吐斯組硅質巖沉積時受到了海底熱液活動的影響[3-4,27-29]。

在黑色頁巖中富集的元素有Ni、Co、Cu、Zn、U、V、Mo和Cr等，其中Mo、U、V 、Cr等是氧化還原條件敏感元素，利用這些元素在沉積物或沉積巖中的含量或比值，可以重建氧化還原狀態(tài)。Jones等[33]提出了古氧相指標(U/Th>1.25，V/Cr>4.2，Ni/Co>7指示缺氧環(huán)境；U/Th=1.25～0.75，V/Cr=4.25～2.00，Ni/Co=7.00～5.00指示貧氧環(huán)境；U/Th < 0.75，V/Cr <2.00，Ni/Co <5.00指示富氧環(huán)境)。玉爾吐斯組黑色頁巖U/Th值在8.68～52.24之間，均值高達24.5；V/Cr值除TDE-8號樣品為1.61外，其余6個樣品均在2.33～5.24之間，均值為3.57；Ni/Co值在5.18～18.68之間，均值為10.52。根據(jù)Hatch等[34]對北美堪薩斯州上賓西法尼亞系黑色頁巖的研究，V/(V+Ni)值在0.84～0.89反映水體分層，底層水體中出現(xiàn)H2S的厭氧環(huán)境；比值在0.54～0.82為水體分層不強烈的厭氧環(huán)境；比值在0.46～0.60為水體分層弱的貧氧環(huán)境。玉爾吐斯組黑色頁巖7個樣品V/(V+Ni)值在0.77～0.99，均值為0.89，由此綜合判斷其沉積環(huán)境為水體分層的厭氧條件。

表2 塔里木盆地柯坪地區(qū)玉爾吐斯組硅質巖樣品稀土元素分析結果[25]

注：分析單位為中國石化油氣成藏重點實驗室。

表3 塔里木盆地柯坪地區(qū)玉爾吐斯組黑色頁巖樣品微量元素分析結果[28]

注：分析單位為中國石化油氣成藏重點實驗室。

圖3 塔里木盆地柯坪地區(qū)玉爾吐斯組硅質巖稀土元素配分模式DE-7，DE-11，DE-12，DE-13為東二溝黑色泥頁巖樣品，據(jù)文獻[5]。

微量元素Rb和主量元素K在海水中的遷移和富集均與黏土相關[35]，Rb比K更容易被黏土吸附而遷移距離遠，Rb/K值可以代表遷移距離及水體深度的變化，其值越大，指示水體深度越深[36-37]。玉爾吐斯組7件黑色頁巖樣品Rb/K值在16.34～50.45之間，均值為27.85。對比塔里木東北地區(qū)南雅爾當剖面黑土凹組(5個泥巖樣品)Rb/K值在37.28～50.48之間，均值為44.98。黑土凹組是富含筆石的黑色泥頁巖，為半深海相深水沉積。從Rb/K值指標來看，玉爾吐斯組黑色頁巖比黑土凹組沉積古水深要淺。

2.4 玉爾吐斯組沉積環(huán)境討論

在肖爾布拉克剖面發(fā)現(xiàn)了“黑煙囪”侵入至薄層含磷硅質巖以下，而柯坪地區(qū)下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組存在臺緣微生物礁、斜坡—深水沉積，可能暗含了前寒武紀—早寒武世初弱伸展—熱流體作用的影響。這樣的構造背景對早寒武世早期的沉積有重要的制約作用，玉爾吐斯組沉積明顯受熱液作用影響。

玉爾吐斯組與上覆的寒武系肖爾布拉克組白云巖連續(xù)沉積，中部泥巖段含豐富的底棲藻類殘片，藻類發(fā)育于光合作用帶，從相序連續(xù)性和生物特征分析其沉積環(huán)境不可能為深海盆地。硅質巖—泥巖組合、硅質巖—磷塊巖—泥巖組合既可沉積于深水陸棚環(huán)境，又可沉積于大陸斜坡環(huán)境，但兩者的沉積構造有明顯差異：前者沉積作用表現(xiàn)單一，地層形態(tài)為席狀；而大陸斜坡環(huán)境中非重力流與重力流相互作用，側向加積、退積、進積、垂向加積作用發(fā)育，多發(fā)育楔狀沉積體[38-40]。玉爾吐斯組薄層—中層硅質巖—泥頁巖—白云巖的巖性組合序列及單一的水平層理的沉積構造，說明其形成于陸棚環(huán)境，而泥頁段為沉積水體不斷加深的深水陸棚環(huán)境，元素地球化學分析表明玉爾吐斯組沉積期古海洋生產(chǎn)力較高[2]，為水體分層的厭氧條件。

3 結論

(1)柯坪地區(qū)寒武系玉爾吐斯組為層狀硅質巖—黑色泥頁巖—中薄層白云巖3個巖性段組合。其中下部層狀硅質巖與中部黑色泥頁巖構成層序SQ1，準層序疊置方式為退積式；上部中薄層白云巖與肖爾布拉克組下部白云巖構成另一層序SQ2，為進積型沉積組合。層序界面SB1為寒武系與震旦系之間的平行不整合面，SB2為中部黑色泥頁巖段與上部中薄層白云巖段間的沉積間斷和暴露面，SB1、SB2均為巖性突變面。

(2) 沉積巖性組合序列、沉積構造、成烴生物組合等指示玉爾吐斯組的沉積環(huán)境為淺海陸棚環(huán)境，與3個巖性段對應沉積環(huán)境經(jīng)歷了淺水陸棚—深水陸棚—淺水陸棚的變化。SQ1層序受控于早寒武世早期海侵和熱液作用，黑色泥頁巖段為沉積水體不斷加深的缺氧深水陸棚環(huán)境。

致謝：感謝中國石化無錫石油地質研究所錢一雄教授對研究提出的中肯意見。

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(編輯 韓 彧)

Sedimentary characteristics and depositional environment of Yuertusi Formation in Keping area, Tarim Basin

Chen Qianglu1,2, Chu Chenglin1, Hu Guang3, Chen Yue2, Huang Jiwen2, Jiang Haijian1,2

(1.SINOPECKeyLaboratoryofPetroleumAccumulationMechanisms,Wuxi,Jiangsu214126,China; 2.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China; 3.SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

The Lower Cambrian Yuertusi Formation in the Keping area of the Tarim Basin consists of bedded cherts, black shales and dolostones. Its sedimentary environment was studied based on sequence stratigraphy, lithology, hydrocarbon-forming organisms and geochemical features of outcrops, which provided evidences for the prediction of lithofacies palaeogeography and source rock during the Early Cambrian. The lower bedded cherts and middle black shales formed one third-order sequence SQ1, which was controlled by transgression and upwelling in the Early Cambrian and represented a regressive cycle. The upper thin-middle bedded dolostones of Yuertusi Formation and the lower thick dolostones of Xiaoerbulake Formation formed another third-order sequence SQ2, which represented a transgressive cycle. The sedimentary environment of these two sequences evolved from shallow to deep and then again to shallow shelves. The black shales of SQ1 represented an anoxic sedimentary environment of deep shelf, which was favorable for source rock development.

sedimentary environment; Yuertusi Formation; Cambrian; Keping area; Tarim Basin

1001-6112(2017)03-0311-07

10.11781/sysydz201703311

2016-11-25；

2017-03-07。

陳強路(1969—)，男，博士，高級工程師，從事沉積學及油氣儲層研究。E-mail:chenql.syky@sinopec.com。

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2012CB214801)及中國石化科技部項目(P12004)聯(lián)合資助。

TE122.2

A