溫思宇，張 兵，，姚永君，馬 愷，王 艷，楊 凱

（1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059；2.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；3.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，成都 610059；4.中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦，重慶 400000）

0 引言

四川盆地是由盆地周邊的褶皺和斷裂圍限而成的一個(gè)大型構(gòu)造沉積盆地，其形成演化受到特提斯構(gòu)造域與太平洋構(gòu)造域的控制［1］。二疊紀(jì)是古特提斯洋閉合、新特提斯洋開(kāi)啟的關(guān)鍵時(shí)期，板塊運(yùn)動(dòng)活躍，其構(gòu)造變化的背景造成了火山的頻繁活動(dòng)［2］。峨眉山玄武巖噴發(fā)于吳家坪組沉積早期，川東地區(qū)位于其覆蓋范圍的外緣，以往研究認(rèn)為，吳家坪組沉積期正處于一個(gè)缺氧事件的發(fā)展時(shí)期［3-5］。彭毅峰［6］在對(duì)川東地區(qū)二疊紀(jì)生物大滅絕的研究中發(fā)現(xiàn)，吳家坪組沉積期底棲有孔蟲(chóng)相對(duì)于茅口組沉積期底棲有孔蟲(chóng)所需的氧氣量更小，這種變化可能是二疊紀(jì)晚期的缺氧事件所導(dǎo)致的。近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)川東地區(qū)吳家坪組的研究主要集中于層序地層劃分、巖相古地理演化以及烴源巖的評(píng)價(jià)上，對(duì)于川東地區(qū)吳家坪組沉積與晚二疊世大洋缺氧事件之間的聯(lián)系的研究尚且不足。即使有少量相關(guān)研究，也局限于古生物的演化，并未對(duì)不同礦物與缺氧事件之間的耦合關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析。

川東地區(qū)吳家坪組頁(yè)巖含有大量黃鐵礦，尤其草莓狀黃鐵礦含量較高。黃鐵礦廣泛分布于頁(yè)巖儲(chǔ)層中，受到形成過(guò)程中水體氧化還原條件及后期作用的限制，呈現(xiàn)出不同的形態(tài)特征［7］，尤其是草莓狀黃鐵礦，其粒徑、形狀等特征是反演古沉積環(huán)境的重要依據(jù)［8-9］。草莓狀黃鐵礦形態(tài)的差異反映了其形成過(guò)程中水體物理化學(xué)條件與后期環(huán)境的不同，目前已被廣泛應(yīng)用于研究古海洋環(huán)境的變化［10-12］。Sweeney 等［13］比較了不同環(huán)境中黃鐵礦的形態(tài)大小和特征，指出黃鐵礦的生長(zhǎng)與古代沉積環(huán)境的氧化還原條件密切相關(guān)。一些學(xué)者利用草莓狀黃鐵礦的平均粒徑（MD）及最大粒徑（MFD）來(lái)判別古環(huán)境，建立了通過(guò)沉積巖中草莓狀黃鐵礦粒徑的分布規(guī)律來(lái)反演古海洋氧化還原環(huán)境的模型［10，14-15］。因此，黃鐵礦基于自身對(duì)于氧化還原條件的敏感性，必然會(huì)對(duì)晚二疊世大洋缺氧事件表現(xiàn)出一定的響應(yīng)特征。

本次研究結(jié)合沉積地球化學(xué)數(shù)據(jù)分析，還原川東地區(qū)吳家坪組沉積期的水體氧化還原條件，分析吳家坪組沉積期水體環(huán)境的過(guò)渡性特點(diǎn)，揭示黃鐵礦形態(tài)-大洋缺氧事件-峨眉山玄武巖噴發(fā)的耦合關(guān)系，并建立草莓狀黃鐵礦對(duì)缺氧事件的響應(yīng)模式，以期從不同角度對(duì)晚二疊世大洋缺氧事件的影響范圍及后果進(jìn)行補(bǔ)充分析。

1 地質(zhì)概況

四川盆地是隸屬于華南板塊的一個(gè)疊合盆地，位于特提斯東段構(gòu)造域中帶［2-3，16］。二疊紀(jì)時(shí)期古特提斯板塊向勞亞大陸持續(xù)匯聚，受此影響，產(chǎn)生了一系列地質(zhì)事件和海平面變化［17］。二疊世末發(fā)生東吳運(yùn)動(dòng)，這一時(shí)期由地幔柱活動(dòng)引起的地殼大規(guī)模抬升和大火成巖省形成，改變了四川盆地晚二疊世沉積地貌的格局，沉積分異也隨之加劇。峨眉山玄武巖噴發(fā)后的熱冷卻沉降使得噴發(fā)區(qū)外圍沉積了一套下部為海-陸過(guò)渡相的含煤泥質(zhì)巖與砂巖（龍?zhí)督M/吳家坪組）［18］，上部為灰?guī)r、生物灰?guī)r夾泥灰?guī)r與硅質(zhì)巖（長(zhǎng)興組/大隆組）的沉積組合。川東地區(qū)構(gòu)造上位于揚(yáng)子板塊西北部，為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元［19］（圖1a）。吳家坪組在該地區(qū)連續(xù)分布，下伏茅口組地層，上覆長(zhǎng)興組地層，由FT1 井測(cè)得其厚度為101 m，巖性主要為泥質(zhì)頁(yè)巖。根據(jù)巖性可將二疊系吳家坪組分為3 段：吳一段厚度為37.5 m，頂部發(fā)育一套較厚的灰?guī)r，下部為灰黑色黏土質(zhì)頁(yè)巖，底部見(jiàn)一套玄武巖及一套鋁土巖，中上部質(zhì)地較易碎，整體為開(kāi)闊臺(tái)地沉積；吳二段厚度為28.5 m，頂部為泥質(zhì)灰?guī)r，底部為黑色頁(yè)巖，整體為深水陸棚沉積；吳三段厚度為35 m，頁(yè)巖與灰?guī)r互層，整體為淺水陸棚沉積（圖1b）。

圖1 川東地區(qū)構(gòu)造圖（a）及FT1 井二疊系吳家坪組單井柱狀圖（b）（據(jù)文獻(xiàn)［20-21］修改）Fig.1 Structural map of eastern Sichuan Basin（a）and stratigraphic column of Permian Wujiaping Formation of well FT1（b）

2 巖石學(xué)特征

川東地區(qū)二疊系吳家坪組沉積時(shí)期海平面變化明顯，沉積過(guò)程復(fù)雜。為了研究這一時(shí)期川東地區(qū)FT1 井的礦物組成，共取FT1 井吳家坪組頁(yè)巖樣品25 塊，進(jìn)行X 射線衍射全巖-黏土礦物組分測(cè)試。結(jié)果表明，脆性礦物（石英、長(zhǎng)石、方解石和白云石）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.2%～52.4%，平均為30.1%，其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.2%～31.3%，平均為18.4%，方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～20.3%，平均為7.0%；其他礦物（黃鐵礦、菱鐵礦和石膏）的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%。吳家坪組頁(yè)巖樣品富含黏土礦物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.3%～69.6%，平均為60.3%（表1）。根據(jù)FT1 井25 個(gè)全巖X射線衍射資料，將FT1 井吳家坪組巖石類型主要?jiǎng)澐譃殁}質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖3 種［22］（圖2）。

圖2 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組頁(yè)巖巖相劃分三角圖Fig.2 Ternary diagram of shale lithofacies division of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖巖心夾多套灰?guī)r巖層，灰?guī)r中發(fā)育順層裂縫，由方解石填充，鏡下可見(jiàn)黃鐵礦顆粒及石英、方解石充填的孔洞（圖3a）和草莓狀黃鐵礦充填的生物骨針（圖3b）。主要基質(zhì)為黏土礦物、長(zhǎng)石、碎屑石英及碳酸鹽巖，黃鐵礦呈集合體分散分布。石英+長(zhǎng)石礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～50%，方解石+白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～50%，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～35%。

圖3 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組不同頁(yè)巖巖相的巖心及鏡下特征Fig.3 Core and microscopic characteristics of different shale lithofacies of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

硅質(zhì)頁(yè)巖巖心夾凝灰?guī)r層，中部發(fā)育一條4 cm左右的裂縫，上部發(fā)育水平微裂縫，均由方解石充填。發(fā)育多層黃鐵礦薄層，可見(jiàn)透鏡狀黃鐵礦，且含有少量介殼化石；鏡下觀察，可見(jiàn)黃鐵礦顆粒及陸源石英大量分布，硅化后的生物骨架、生屑分布均勻，略具定向性，個(gè)別生屑被硅化；生屑間由大量黏土礦物和黑色炭質(zhì)礦物混合填隙，零星見(jiàn)陸源粉砂。石英+長(zhǎng)石的礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～72%，方解石+白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～24%，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～21%（圖3c—3g）。

黏土質(zhì)頁(yè)巖巖心觀察可見(jiàn)黃鐵礦較發(fā)育，裂縫較多，方解石充填，具黑色環(huán)邊（圖3h）；鏡下可見(jiàn)有機(jī)質(zhì)發(fā)育，常見(jiàn)植物碎屑，為石英膠結(jié)，黃鐵礦零星分布，孔隙不發(fā)育（圖3i）。石英+長(zhǎng)石的礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～29%，方解石+白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～11%，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59%～70%。

3 地球化學(xué)特征

對(duì)川東地區(qū)FT1 井吳家坪組25 塊頁(yè)巖樣品進(jìn)行的主、微量元素測(cè)試，由成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用Quanta250 FEG（美國(guó)FEⅠ公司）在24 ℃恒溫、35%恒濕條件下完成的。測(cè)試過(guò)程中使用能譜LL 儀（ⅠNCAx-max20）進(jìn)行元素分析以保證實(shí)驗(yàn)中礦物識(shí)別的準(zhǔn)確度。主量元素以SiO2最為豐富，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.57%～86.75%，平均為49.51%；其次為Al2O3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.16%～22.89%，平均為13.67%；CaO，F(xiàn)e2O3，K2O，F(xiàn)eO，MgO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.33%～7.28%，0.11%～50.11%，0.15%～3.79%，0.47%～2.89%和0.10%～6.20%，平均分別為11.24%，4.82%，1.55%，1.24%和1.02%；其余主量元素氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于1.0%?？傮w上，Al2O3含量較高。富集系數(shù)（EF）可以反映沉積物中元素的富集程度［23］，通過(guò)分析Mo 和U 的富集系數(shù)均值可發(fā)現(xiàn)，Mo（EF=2.55）和U（EF=2）均相對(duì)富集，表明樣品中可能存在有機(jī)質(zhì)或黏土礦物（表2）。

表2 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組頁(yè)巖地球化學(xué)元素Table 2 Geochemical elements of Permian Wujiaping Formation shale of well FT1 in eastern Sichuan Basin%

U/Th，Ni/Co 和V/Cr 等值被廣泛用于指示水體的氧化還原狀態(tài)，值越小反映水體的氧化程度越高，值越大反映水體的還原程度越強(qiáng)［23-25］。通常，U/Th ＞1.25，Ni/Co ＞7.00［26］指示缺氧沉積環(huán)境；0.50 ＜U/Th ＜1.25，5.00 ＜Ni/Co ＜7.00 指示貧氧沉積環(huán)境；U/Th ＜0.75，Ni/Co ＜5.00 指示富氧沉積環(huán)境。本次研究利用這些比值來(lái)判別研究區(qū)吳家坪組頁(yè)巖沉積時(shí)期水體的氧化還原性質(zhì)，并與黃鐵礦粒徑判別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。FT1 井樣品的測(cè)試結(jié)果顯示：U/Th值為0.23～2.96，平均為1.11；Ni/Co 值為1.18～15.77，平均為6.70。以上比值顯示川東地區(qū)吳家坪組頁(yè)巖沉積時(shí)期整體處于貧氧環(huán)境，且U/Th，Ni/Co 和V/Cr 的值整體上呈現(xiàn)出隨深度變小而逐漸增大的趨勢(shì)，反映出川東地區(qū)吳家坪組沉積時(shí)期水體由貧氧條件向缺氧條件過(guò)渡的特征，而這種氧化還原條件的變化很可能是由一次較大規(guī)模的缺氧事件所導(dǎo)致的（圖4）。

圖4 川東地區(qū)FT1 井吳二疊系家坪組頁(yè)巖元素比值與深度的關(guān)系Fig.4 Vertical distribution of shale element ratio of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

4 對(duì)大洋缺氧事件的指示意義

4.1 黃鐵礦形態(tài)及粒徑分布

通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）對(duì)研究區(qū)吳家坪組頁(yè)巖樣品中草莓狀黃鐵礦球粒的直徑進(jìn)行觀察、測(cè)量和記錄，結(jié)果顯示，川東地區(qū)吳家坪組頁(yè)巖中的黃鐵礦形態(tài)主要有草莓狀、柱狀、部分重結(jié)晶和不規(guī)則團(tuán)塊狀。其中草莓狀黃鐵礦含量相對(duì)較高，常呈帶狀分布；柱狀黃鐵礦一般由草莓狀黃鐵礦通過(guò)重結(jié)晶作用形成；部分重結(jié)晶黃鐵礦是在黃鐵礦邊緣發(fā)育一些絮狀物，往往是由富流體的成巖作用或低程度的變質(zhì)作用引起；不規(guī)則團(tuán)塊狀黃鐵礦具有棱角發(fā)育的邊緣；部分草莓狀黃鐵礦微晶顆粒間可見(jiàn)自生石英發(fā)育，也可見(jiàn)有機(jī)質(zhì)充填，偶見(jiàn)粒間孔（圖5）。

圖5 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組掃描電鏡下黃鐵礦形態(tài)Fig.5 Pyrite morphology under scanning electron microscope of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

對(duì)川東地區(qū)吳家坪組頁(yè)巖中的草莓狀黃鐵礦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到其平均粒徑（MFD）均值為5.18～10.75 μm，高于硫化（缺氧）海洋環(huán)境中的草莓狀黃鐵礦粒徑平均值（5.0±1.7 μm），并隨深度的減小而逐漸接近這一平均值，由此推測(cè)吳家坪組頁(yè)巖形成于由貧氧環(huán)境逐漸向缺氧環(huán)境轉(zhuǎn)化的過(guò)渡環(huán)境中（表3）。

表3 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組頁(yè)巖黃鐵礦粒徑相關(guān)參數(shù)Table 3 Parameters related to framboidal pyrite particle size of Permian Wujiaping Formation shale of well FT1 in eastern Sichuan Basin

Wilkin 等［10］制作了草莓狀黃鐵礦平均粒徑對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的二元圖解（圖6a）以及草莓狀黃鐵礦平均粒徑對(duì)偏態(tài)系數(shù)的圖解（圖6b），并在平均粒徑對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的二元圖解上劃分出硫化環(huán)境與貧氧—氧化環(huán)境。綜合利用這2 種圖解來(lái)判別研究區(qū)吳家坪組頁(yè)巖沉積時(shí)期水體的氧化還原性質(zhì)，樣品點(diǎn)均落在貧氧—氧化區(qū)域，進(jìn)一步說(shuō)明吳家坪組頁(yè)巖整體形成于貧氧—氧化環(huán)境。同時(shí)，圖中部分樣品點(diǎn)十分接近缺氧環(huán)境與貧氧—氧化環(huán)境的分界線，為吳家坪組頁(yè)巖黃鐵礦形成于貧氧—氧化環(huán)境向缺氧環(huán)境過(guò)渡時(shí)期提供了證據(jù)。

圖6 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組頁(yè)巖草莓狀黃鐵礦粒徑研究交會(huì)圖（據(jù)文獻(xiàn)［10］修改）Fig.6 Cross plots of particle size of framboidal pyrite of Permian Wujiaping Formation shale of well FT1 in eastern Sichuan Basin

4.2 黃鐵礦形態(tài)對(duì)缺氧事件的響應(yīng)

川東地區(qū)二疊紀(jì)有孔蟲(chóng)的研究［27］顯示，茅口組沉積期水體為氧化環(huán)境而吳家坪組沉積期整體顯示為貧氧環(huán)境，這與本次研究中的粒徑統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果及地化數(shù)據(jù)分析結(jié)果相符。雖然吳家坪組沉積期整體顯示貧氧—氧化環(huán)境，但隨取樣深度由大至小所指向的氧化還原環(huán)境明顯由貧氧階段過(guò)渡到缺氧階段，結(jié)合地化數(shù)據(jù)分析，顯示吳家坪組沉積晚期水體已接近缺氧甚至已經(jīng)進(jìn)入缺氧環(huán)境。由于大隆組沉積期為典型的靜海深水缺氧環(huán)境［27］，這一情況與茅口組—吳家坪組—長(zhǎng)興/大隆組的地層變化所對(duì)應(yīng)的氧化—貧氧—缺氧的環(huán)境變化一致。

華南地區(qū)在二疊紀(jì)處于特提斯構(gòu)造域東部，其周緣被古特提斯洋東段及古太平洋所圍限。受峨眉地幔柱活動(dòng)的影響，大約在吳家坪組沉積早期峨眉山玄武巖全面噴出地表，長(zhǎng)興組沉積期這一火山活動(dòng)結(jié)束［28-30］?；鹕絿姲l(fā)釋放的氣體導(dǎo)致海洋缺氧，且其變化節(jié)點(diǎn)與茅口組—吳家坪組—長(zhǎng)興/大隆組地層所反映出的水體含氧量變化具有同步性，從而得出草莓狀黃鐵礦形態(tài)對(duì)峨眉山玄武巖噴發(fā)的響應(yīng)模式（圖7）。茅口組沉積晚期，巖漿上拱使四川盆地形成位于海平面之上的穹窿，此時(shí)水體處于氧化環(huán)境；吳家坪組沉積早期，峨眉山玄武巖全面噴出地表，穹窿中心為陸相噴發(fā)，周邊海域?yàn)樗聡姲l(fā)，此時(shí)大量二氧化碳隨巖漿噴出，溶于水體，使得水體中浮游生物繁殖加快，耗氧量增加，造成水體含氧量的持續(xù)下降，形成吳家坪組沉積期水體的貧氧—氧化環(huán)境，草莓狀黃鐵礦粒徑較大且分布范圍較廣；隨著火山活動(dòng)的持續(xù)，CO2不斷涌出，浮游生物大量繁殖，水體缺氧程度不斷加劇，至大隆/長(zhǎng)興組沉積期峨眉山玄武巖巖漿活動(dòng)已至尾聲，此時(shí)水體已完全處于缺氧甚至硫化環(huán)境，草莓狀黃鐵礦粒徑較小且分布范圍較窄。

圖7 川東地區(qū)二疊系吳家坪組草莓狀黃鐵礦的形成機(jī)制（a，b）及其對(duì)缺氧事件的響應(yīng)模式（c）Fig.7 Formation mechanism of framboidal pyrite（a，b）and its response model to anoxic events（c）of Permian Wujiaping Formation in eastern Sichuan Basin

4.3 地質(zhì)意義

二疊紀(jì)—三疊紀(jì)發(fā)生了著名的前樂(lè)平世生物滅絕事件，峨眉山大火成巖省的噴發(fā)及其伴隨的海洋缺氧目前被認(rèn)為是造成這一事件的首要原因［31］。研究川東地區(qū)吳家坪組頁(yè)巖黃鐵礦對(duì)這一缺氧事件的響應(yīng)特征有利于精確晚二疊世大洋缺氧事件的波及范圍，完善峨眉山大火成巖省的噴發(fā)與海底缺氧事件的響應(yīng)機(jī)制，可為研究礦物與環(huán)境變化之間的耦合作用提供參考。黃鐵礦作為泥頁(yè)巖中廣泛發(fā)育的一種礦物類型，與頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)豐度存在正相關(guān)關(guān)系［32］，可為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育機(jī)理研究與優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供依據(jù)，在儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)中占有重要位置［33-34］。雖然頁(yè)巖中黃鐵礦對(duì)油氣富集的作用仍待深化研究，但分析其對(duì)環(huán)境的各種響應(yīng)特征在頁(yè)巖油氣富集規(guī)律分析方面仍具有重要意義。

5 結(jié)論

（1）川東地區(qū)二疊系吳家坪組頁(yè)巖礦物組成較為復(fù)雜，富含黏土礦物，黃鐵礦發(fā)育，巖石類型主要有鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖3 種。

（2）巖心樣品的地化分析表明川東地區(qū)吳家坪組頁(yè)巖主要沉積于貧氧環(huán)境，U/Th，Ni/Co 及V/Cr等值隨取樣深度的增加而減小，水體缺氧程度逐漸增大，揭示吳家坪組沉積期研究區(qū)正處于一個(gè)缺氧事件的發(fā)展期。

（3）吳家坪組沉積時(shí)期草莓狀黃鐵礦的平均粒徑隨深度增大而增大，與地化數(shù)據(jù)分析對(duì)比，這種變化是由二疊紀(jì)晚期大洋缺氧事件對(duì)川東地區(qū)吳家坪組頁(yè)巖黃鐵礦的影響所導(dǎo)致。

（4）由峨眉山玄武巖噴發(fā)所導(dǎo)致的缺氧事件涉及茅口組沉積晚期—吳家坪組沉積期—大隆/長(zhǎng)興組沉積期，在此沉積階段川東地區(qū)水體缺氧程度不斷加劇，至大隆/長(zhǎng)興組沉積時(shí)期已完全處于缺氧甚至硫化環(huán)境。