摘 要 【目的】川南地區(qū)上奧陶統(tǒng)和下志留統(tǒng)黑色頁(yè)巖是頁(yè)巖氣勘探的主要目標(biāo),探究此套頁(yè)巖的巖相劃分、沉積環(huán)境以及沉積過程,可為頁(yè)巖氣勘探開發(fā)提供理論依據(jù)?!痉椒ā客ㄟ^巖心、光學(xué)顯微鏡以及掃描電鏡的觀察與分析,根據(jù)礦物組成及含量、沉積構(gòu)造特征,并綜合考慮生物作用及成巖作用對(duì)巖相進(jìn)行劃分;利用氧化—還原指標(biāo)(U/Th、V/Cr、V/(V+Ni)、Ni/Co)、海平面變化指標(biāo)(Ce*)、水體滯留程度指標(biāo)(Mo/TOC)、古氣候指標(biāo)(Sr/Cu)、古鹽度指標(biāo)(Sr/Ba)以及古生產(chǎn)力指標(biāo)(Cu、生源Ba)對(duì)古環(huán)境進(jìn)行分析,并基于巖心和薄片觀察、X射線熒光掃描以及礦物X衍射全巖分析對(duì)沉積過程進(jìn)行識(shí)別?!窘Y(jié)果】五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖識(shí)別出六種巖相:生物硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、(長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì))粉砂頁(yè)巖、鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖以及長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖。沉積環(huán)境自下而上經(jīng)歷五個(gè)階段的變化。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主要是在低能條件下懸浮沉積形成,也在五峰組中部和龍馬溪組下部發(fā)育上升流沉積,五峰組頂部發(fā)育少量風(fēng)暴流沉積,在龍馬溪組上部也見有重力滑塌、碎屑流、和濁流沉積?!窘Y(jié)論】沉積環(huán)境的頻繁變化以及沉積過程的多樣性控制了巖相的類型與特征,進(jìn)一步導(dǎo)致不同巖相的有機(jī)質(zhì)含量、孔隙度、含氣量等儲(chǔ)層品質(zhì)因素存在顯著差異,后續(xù)仍需在頁(yè)巖巖相與儲(chǔ)層品質(zhì)等方面加強(qiáng)研究,為頁(yè)巖氣的勘探與開發(fā)提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞 五峰組—龍馬溪組;巖相特征;古環(huán)境;沉積過程;沉積模式
第一作者簡(jiǎn)介 劉雨迪,男,2000年出生,碩士研究生,細(xì)粒沉積學(xué),E-mail: s21010026@s.upc.edu.cn
通信作者 梁超,男,教授,E-mail: liangchao0318@163.com
中圖分類號(hào) P618.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A
0 引言
細(xì)粒沉積巖約占沉積巖的三分之二,但由于粒度小、觀察難度大以及受超微觀實(shí)驗(yàn)條件的限制,其沉積、成巖作用仍是地質(zhì)界的難題,且細(xì)粒物質(zhì)各組分的物質(zhì)來源、形成機(jī)制以及沉積過程極其復(fù)雜[1?3]。巖相及其沉積環(huán)境是研究細(xì)粒沉積巖的兩大基本問題[4?7]。巖相的發(fā)育、垂向變化,以及其沉積時(shí)的古氣候、古環(huán)境對(duì)于細(xì)粒沉積巖的研究有著至關(guān)重要的意義[8?9]。同時(shí)也為頁(yè)巖油氣勘探開發(fā)和尋找有利勘探目標(biāo)提供理論支撐[2,10?13]。
在五峰組到龍馬溪組沉積期間,全球發(fā)生了包括火山噴發(fā)、冰期事件、生物大滅絕等一系列的地質(zhì)事件[14?18]。受多種地質(zhì)事件的綜合影響,沉積五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖時(shí)的氣候、海平面、氧化還原性、水體封閉性、初級(jí)生產(chǎn)力等沉積環(huán)境要素發(fā)生頻繁變化,進(jìn)一步控制著巖相的類型與特征,同時(shí)也導(dǎo)致了其垂向上的非均質(zhì)性。由于巖相的類型多樣,不同巖相的有機(jī)質(zhì)含量、含氣量存在顯著差異,在頁(yè)巖氣勘探與開發(fā)中受到重點(diǎn)關(guān)注[19?21]。因此,五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的形成及演化值得深入研究[19,22?23]。
本文綜合運(yùn)用野外觀察、巖心描述、鏡下觀察、電鏡觀察、TOC含量測(cè)試及元素地球化學(xué)測(cè)試分析,對(duì)四川盆地川南五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖進(jìn)行研究,刻畫頁(yè)巖的巖相類型和沉積特征,分析古氣候、古鹽度、古水深和古生產(chǎn)力等古沉積環(huán)境要素及其演化規(guī)律,并建立頁(yè)巖沉積模式,從而為該區(qū)域下一步頁(yè)巖氣的勘探和開發(fā)提供理論依據(jù)。
1 地質(zhì)概況
奧陶紀(jì)期間,華南克拉通是岡瓦納大陸西北緣構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)的一個(gè)微大陸[24]。晚奧陶世,盆地受到周邊擠壓作用,使得上揚(yáng)子海域被圍限成局限海盆(圖1a);到早志留世,川中隆起的范圍不斷擴(kuò)大,使得四川盆地成為古隆起帶包圍的局限陸棚環(huán)境[25]。且奧陶紀(jì)末和志留紀(jì)初,發(fā)生了兩次全球性的海侵[26]。
四川盆地位于我國(guó)西南部,屬于揚(yáng)子板塊內(nèi)的次一級(jí)的克拉通盆地[27],可進(jìn)一步劃分為五個(gè)次級(jí)的構(gòu)造單元,包括川北低緩構(gòu)造區(qū)、川中低緩構(gòu)造區(qū)、川東高陡構(gòu)造帶、川西低陡構(gòu)造區(qū)以及川南中低緩構(gòu)造帶[28],研究區(qū)位于川南中低緩構(gòu)造帶(圖1b)。
受海侵以及構(gòu)造活動(dòng)的影響,沉積了五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖。上奧陶統(tǒng)五峰組主要由黑色硅質(zhì)泥巖組成,并含有豐富的筆石、放射蟲和海綿骨針等化石。晚奧陶世,觀音橋段主要沉積生物介殼灰?guī)r,被認(rèn)為是冰期海平面短暫下降的結(jié)果[29]。在志留紀(jì)早期,全球冰川融化,海平面快速上升,導(dǎo)致龍馬溪組主要沉積黑色硅質(zhì)泥巖、灰色粉砂巖夾層泥巖以及灰色黏土質(zhì)泥巖(圖1c)。
2 巖相類型及特征
2.1 礦物組成
五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖礦物以石英、碳酸鹽礦物和黏土礦物為主,含鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、黃鐵礦等(圖2)。石英含量介于9.70%~72.80%,平均為33.88%,由陸源石英、生物成因石英以及成巖自生石英構(gòu)成[30];斜長(zhǎng)石含量介于1.40%~9.60%,平均為4.09%;方解石含量介于7.2%~38%,平均為25.10%,呈碎屑顆?;蚣y層狀的形式存在;白云石含量介于3.60%~42.60%,平均為10.43%;黏土礦物含量介于5.70%~51.20%,平均為24.73%,主要由伊利石、伊蒙混層及綠泥石組成;黃鐵礦含量介于0.70%~7.00%,平均為2.68%,以自形狀或草莓狀黃鐵礦的形式存在。
2.2 巖相類型
巖相是一定沉積環(huán)境中形成的巖石或巖石組合,既包含了巖石類型、顏色、結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造等宏觀信息,也包含無機(jī)礦物與有機(jī)組分的微觀信息[31]。關(guān)于頁(yè)巖巖相的劃分,前人已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,合理的巖相劃分能夠反映地層主要的、典型的巖石類型[32]。本文通過巖心觀察、鏡下觀察以及掃描電鏡分析,根據(jù)礦物組成及含量、沉積構(gòu)造特征,以長(zhǎng)英質(zhì)(石英+長(zhǎng)石)、鈣質(zhì)(方解石+白云石)和黏土礦物為三端元進(jìn)行劃分,并綜合考慮生物作用及成巖作用,識(shí)別出六種頁(yè)巖巖相類型:生物硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、(長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì))粉砂頁(yè)巖、鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖,長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖以及鈣質(zhì)頁(yè)巖。除此之外,還發(fā)育少量凝灰?guī)r和生物介殼灰?guī)r。
2.2.1 生物硅質(zhì)頁(yè)巖
生物硅質(zhì)頁(yè)巖主要分布在五峰組的中部以及龍馬溪組下部,呈層狀分布,厚度一般介于0.2~1.0 cm,少量厚幾百微米,上下界面呈現(xiàn)突變接觸(圖3a1)。巖心顏色多為黑色—灰黑色,硬度普遍比較大,TOC平均含量為3.31%。生物硅質(zhì)頁(yè)巖中SiO2含量高,放射蟲、海綿骨針等化石豐富(圖3a3),由于方解石在放射蟲的空腔內(nèi)有充足的空間生長(zhǎng),大多呈自形(圖3a2,a3)。前人研究中所繪制的Al-Fe-Mn三元圖證實(shí)研究區(qū)的石英并非來源于熱液,因?yàn)橛绅ね恋V物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的SiO2大多形成分散在黏土基質(zhì)中的粒狀微晶石英[33?34],由陸源搬運(yùn)而來的石英則呈碎屑外形,而生物硅質(zhì)頁(yè)巖中大部分硅質(zhì)呈隱晶質(zhì)充填在放射蟲化石中(圖3a2),故排除其黏土轉(zhuǎn)化及陸源成因。且放射蟲、海綿等硅質(zhì)生物化石豐富,并結(jié)合其所在層位具較高的古生產(chǎn)力,推測(cè)其生物硅質(zhì)頁(yè)巖中的硅質(zhì)來源為硅質(zhì)生物碎屑的部分溶解。
2.2.2 黏土質(zhì)頁(yè)巖
黏土質(zhì)頁(yè)巖主要分布在五峰組的底部以及龍馬溪組的上部,發(fā)育水平層理和塊狀層理,巖心呈黑色—灰黑色(圖3b1),硬度相對(duì)較小,TOC平均含量為3.66%。黏土礦物平均含量大于50%(圖3b3),主要為伊利石,其次為伊蒙混層及少量綠泥石,有少量石英、長(zhǎng)石或碳酸鹽礦物漂浮在黏土礦物中(圖3b2),顆粒粒度一般小于62.5 μm。部分可見黏土透鏡體(圖3b2),其可能為再搬運(yùn)的泥質(zhì)碎屑[35]。
2.2.3 (長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì))粉砂頁(yè)巖
(長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì))粉砂頁(yè)巖主要分布在龍馬溪組中部,發(fā)育平行層理,透鏡狀層理以及韻律性層理,巖心呈灰黑色—深灰色(圖3c1),硬度相對(duì)較大,TOC平均含量為4.25%,是有機(jī)質(zhì)含量最豐富的巖相。薄片觀察可見粉砂質(zhì)(亮紋層)與泥質(zhì)(暗紋層)相間(圖3c2,c3),其粉砂質(zhì)紋層并不完全平行,而是呈狹長(zhǎng)的透鏡狀(圖3c2)。長(zhǎng)英質(zhì)礦物與碳酸鹽礦物含量大致相當(dāng),均超過30%,分別為38.27% 和33.64%,碎屑顆粒分選較差,磨圓中等,呈次棱角—次圓狀。有機(jī)質(zhì)與黏土混雜在一起,鏡下很難分辨,長(zhǎng)石及云母在鏡下很少看到。
2.2.4 鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖
鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖主要分布在五峰組中部,通常不顯層理,巖心呈灰黑色(圖3d1),硬度相對(duì)較大,TOC平均含量為3.50%。石英、長(zhǎng)石、方解石均表現(xiàn)出碎屑外形,以方解石為主(圖3d2,d3),平均含量為54.56%,其次為石英顆粒,平均含量為18.23%,碎屑顆粒分選較好,磨圓中等,多呈次棱角—次圓狀,粒徑一般介于10~50 μm。黏土礦物平均含量為23.07%。
2.2.5 鈣質(zhì)頁(yè)巖
鈣質(zhì)頁(yè)巖主要分布在龍馬溪組下部,紋層十分明顯,巖心呈灰黑色夾白色方解石紋層,在手標(biāo)本上可以見到灰質(zhì)斷口,TOC含量較高,平均為5.35%。鏡下可觀察到紋層十分發(fā)育(圖3e1),為順層分布的亮晶方解石紋層和暗色的黏土層的紋層組合(圖3e2,e3),方解石平均含量可達(dá)30.5%,其亮晶方解石為成巖作用形成。石英懸浮在黏土紋層中,平均含量為37.4%,黏土礦物含量較低。
2.2.6 長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖
長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖主要分布在龍馬溪組的下部和上部,層狀或塊狀分布,巖心呈黑色或灰黑色(圖3f1),硬度較大,TOC平均含量為3.96%。鏡下觀察礦物以石英及長(zhǎng)石為主(圖3f2,f3),石英平均含量為42%,礦物分布均勻,磨圓中等,呈次棱角—次圓狀,粒度大多介于20~50 μm,方解石含量較少,平均為11.8%,黏土礦物含量較高,平均為43.40%。
2.3 巖相垂向序列
以N222井為例,分析了巖相的垂向演變(圖4)。五峰組沉積早期,黏土礦物、方解石含量較高,石英、長(zhǎng)石、白云石含量較低,發(fā)育一套黏土質(zhì)頁(yè)巖,TOC含量較高。五峰組中部,方解石、白云石含量增多,石英、長(zhǎng)石、黏土礦物含量降低,發(fā)育鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖與(長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì))粉砂頁(yè)巖,TOC含量較高。在五峰組及龍馬溪組的交界處,此時(shí)發(fā)生冰期事件,發(fā)育一套生物介殼灰?guī)r,TOC含量較低。龍馬溪組沉積早期,石英、黏土礦物含量升高,長(zhǎng)石、方解石含量降低,發(fā)育一套鈣質(zhì)頁(yè)巖、長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖以及少量生物硅質(zhì)頁(yè)巖,TOC含量逐漸降低。龍馬溪組中上部,石英含量較高,長(zhǎng)石、黏土礦物含量逐漸升高,方解石、白云石含量逐漸降低,發(fā)育(長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì))粉砂頁(yè)巖、長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖以及黏土質(zhì)頁(yè)巖,TOC含量降低并保持穩(wěn)定。巖相序列演變隨著氣候、海平面的升降以及沉積環(huán)境發(fā)生變化,TOC含量以及各種礦物含量均隨之變化,從而導(dǎo)致巖相的類型也發(fā)生相應(yīng)的變化。
3 地球化學(xué)特征及古環(huán)境分析
3.1 地球化學(xué)特征
N222井五峰組—龍馬溪組22個(gè)頁(yè)巖樣品TOC介于1.49%~7.17%,平均為3.90%,五峰組頁(yè)巖的TOC含量波動(dòng)幅度較大,龍馬溪組TOC含量則較為穩(wěn)定。微量元素分析顯示,Cr元素含量介于19.3~87.0 μg/g,平均為48.65 μg/g;Co元素含量介于3.03~22.40 μg/g,平均為10.21 μg/g;V元素含量介于42.7~402.0 μg/g,平均為145.45 μg/g;Ni元素含量介于35~188 μg/g,平均為81.79 μg/g;Zn元素含量介于26.10~214.00 μg/g,平均為101.15 μg/g。這些微量元素及其比值被廣泛地用于古環(huán)境的判識(shí)(表1)。
3.2 沉積環(huán)境判識(shí)
3.2.1 氧化—還原性
氧化還原條件是影響細(xì)粒沉積的重要因素,雖然V、Ni、U、Th等元素已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用于沉積水體氧化還原性的恢復(fù),但是單個(gè)元素含量與沉積水體的氧化還原性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在不確定性。因此,選取U/Th、V/Cr、V/(V+Ni)、Ni/Co作為水體氧化還原性的有效判識(shí)指標(biāo)。
1) U/Th比值法
U元素在水體氧化還原性的判識(shí)中最為常見,水體處于強(qiáng)還原狀態(tài)時(shí)U元素比較富集,以U4+化合物從海水析出并沉淀下來,而當(dāng)水體中氧含量豐富,U元素很容易遷移,以U6+離子游離于水體,利用此種性質(zhì)可判識(shí)水體的氧化還原條件。Th元素是一種化學(xué)性質(zhì)不活潑的惰性元素,通常不受氧化還原條件的影響,利用U/Th 比值的可以判識(shí)沉積水體的氧化還原性[45?46]。研究區(qū)U/Th比值變化幅度較大,介于0.278~2.823(圖5),在五峰組下部U/Th比值介于0.75~1.25,表明沉積水體貧氧,中部變?yōu)槿毖醯倪€原環(huán)境,頂部U/Th比值小于0.75,表明迅速演變成氧化環(huán)境;在龍馬溪組下部,U/Th比值大于1.25,沉積水體屬于缺氧還原環(huán)境,中上部逐漸變?yōu)楦谎醐h(huán)境。
2) V/Cr及V/(V+Ni)
比值法V/Cr的比值也可用于氧化還原條件的判識(shí),因?yàn)楫?dāng)水體處于氧化狀態(tài)時(shí),V元素通常以V5+的形式存在于釩酸鹽(HVO24 -、H2VO4 -)中,且常常被鐵和錳的氫氧化物吸附而發(fā)生遷移,當(dāng)水體處于還原狀態(tài)時(shí),V5+會(huì)被還原為V4+的VO2+離子形成不溶的氫氧化物,易被有機(jī)質(zhì)顆粒吸附而沉淀下來,在硫化環(huán)境中,V4+可被進(jìn)一步還原成V3+,形成固態(tài)氧化物V2O3或氫氧化物V(OH)3 沉淀[47?48]。當(dāng)水體處于氧化狀態(tài)時(shí),Cr元素以+6價(jià)的可溶鉻酸鹽陰離子CrO24 -的形式存在,當(dāng)水體處于還原狀態(tài)時(shí),Cr元素則以+3價(jià)的不溶鉻氫氧化物Cr(OH)2+的形式存在[46?47]。研究區(qū)V/Cr比值介于1.46~5.54(圖5),平均為3.27,指示其沉積水體總體為貧氧環(huán)境。在五峰組下部沉積環(huán)境從氧化迅速演化為還原環(huán)境,中部變?yōu)樨氀醯某练e環(huán)境,到五峰組頂部時(shí)沉積環(huán)境變?yōu)檠趸h(huán)境;在龍馬溪組下部,V/Cr比值大于4.25,沉積環(huán)境屬于還原環(huán)境,中上部沉積環(huán)境逐漸變?yōu)檠趸h(huán)境。
當(dāng)水體處于還原狀態(tài)時(shí),沉積物中會(huì)富集V所形成的有機(jī)絡(luò)合物,在硫化還原條件下Ni的富集會(huì)更早,因此可以用V/(V+Ni)的比值來指示沉積水體的氧化還原環(huán)境[36?37]。研究區(qū)V/(V+Ni)比值介于0.40~0.74(圖5),平均為0.63,指示沉積五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖時(shí)環(huán)境總體為厭氧亞還原環(huán)境。在五峰組下部,V/(V+Ni)比值介于0.60~0.84,沉積水體屬于缺氧還原環(huán)境,中部水體還原性減弱,局部達(dá)到有氧條件,可能是由于水體硫化增強(qiáng)導(dǎo)致V/(V+Ni)比值偏低,頂部比值介于0.46~0.60,屬于貧氧環(huán)境;在龍馬溪組,V/(V+Ni)比值介于0.60~0.84,屬于缺氧還原環(huán)境。
3) Ni/Co比值法
當(dāng)水體處于缺氧且H2S存在的還原環(huán)境時(shí),Ni會(huì)形成硫化物NiS的形式賦存在沉積物中,Co則以固溶體的形態(tài)存在于自生黃鐵礦中,但如果水體的氧含量比較充足時(shí),Ni則以Ni2+離子和NiCO3等形式存在,Co也以離子的形式存在且易溶于水[36,45?46]。研究區(qū)Ni/Co比值變化較大(圖5),介于3.58~15.63,平均為8.74,表明其沉積水體總體屬于還原環(huán)境。在五峰組下部,沉積水體屬于貧氧環(huán)境,中部沉積水體演變?yōu)檫€原環(huán)境,頂部Ni/Co比值降低,屬于有氧—貧氧環(huán)境;在龍馬溪組下部,Ni/Co比值大于7,屬于缺氧還原環(huán)境,中上部沉積環(huán)境逐漸變?yōu)檠趸h(huán)境。
3.2.2 海平面變化
當(dāng)海平面發(fā)生變化時(shí),所沉積地層中的Ce異常值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,在氧化環(huán)境下Ce元素以+4價(jià)態(tài)存在,在水體中的溶解度較小,表現(xiàn)出水體的Ce負(fù)異常,沉積物則表現(xiàn)為Ce正異常或無明顯負(fù)異常;在還原環(huán)境下Ce元素以+3價(jià)態(tài)存在,溶解度增加,表現(xiàn)出沉積物的負(fù)異常[49]。水體中的溶解氧濃度隨深度的增加而降低,因而垂向上Ce異常值的變化也可指示海平面的升降變化,前人總結(jié)出Ce異常值的計(jì)算公式為Ce*=lg[3CeN(/ 2LaN+NdN)][38]。研究區(qū)Ce*值變化范圍較小,介于0.72~0.87(圖5),平均為0.81,小于1,顯示為Ce負(fù)異常,指示在沉積五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖時(shí)水體較深。垂向變化表明在五峰組下部,海平面升高,中部緩慢降低,隨后到五峰組頂部,海平面顯著降低并達(dá)到最低點(diǎn);龍馬溪組下部海平面逐漸升高,至龍馬溪組中部后海平面略微降低并趨于穩(wěn)定。
3.2.3 水體滯留程度
沉積盆地的水體滯留程度通過影響水體交換流通從而對(duì)生物地球化學(xué)的循環(huán)造成制約,因此是影響沉積環(huán)境的一個(gè)重要因素。由于四川盆地被周圍的古隆起所圍限,因此盆地的水體滯留程度直接受水平面高低的影響[29,39]。在氧化環(huán)境中,Mo元素以鉬氧離子MoO24 -的形式存在,在還原環(huán)境中,Mo則會(huì)被還原為+4價(jià)進(jìn)入沉積物。因此水體在強(qiáng)滯留程度條件下,Mo/TOC比值通常較低。因?yàn)镸o再補(bǔ)給率低于沉積物對(duì)Mo的吸收率,而水體在較為開放的條件下,Mo/TOC比值相對(duì)較高,因?yàn)橥饨绾K甅o補(bǔ)給較為充足[50?51]。從TOC與Mo的關(guān)系圖可以看出,研究區(qū)頁(yè)巖總體形成于中等—強(qiáng)滯留的環(huán)境(圖6)。五峰組下部滯留程度顯著降低,水體處于中等滯留程度,中部Mo/TOC比值降低,屬于強(qiáng)滯留環(huán)境,隨后五峰組頂部Mo/TOC比值達(dá)到最低,滯留程度最強(qiáng);龍馬溪組下部,滯留程度顯著降低,水體逐漸開放,中上部Mo/TOC比值降低,滯留程度逐漸增強(qiáng)(圖5)。
3.2.4 古氣候條件判識(shí)
喜干型元素Sr和喜濕型Cu的含量變化與古氣候有密切關(guān)系,因此Sr/Cu比值的變化可以用來指示古氣候的變化[42?43]。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中的Sr/Cu 比值變化范圍較大(圖5),介于0.59~16.03,平均為5.93。五峰組下部屬溫濕氣候,中部演變?yōu)楦蔁釟夂?,頂部Sr/Cu比值明顯降低,此時(shí)變?yōu)楦衫錃夂?,?duì)應(yīng)五峰組與龍馬溪組交界處的赫南特冰期;龍馬溪組下部Sr/Cu比值升高,大于5,表明此時(shí)氣候較為干熱,中上部Sr/Cu比值逐漸降低,表明氣候也逐漸向溫濕轉(zhuǎn)變。
3.2.5 古鹽度判識(shí)
一般情況下,Sr比Ba化學(xué)性質(zhì)更活潑,從而更容易發(fā)生流失、遷移。在水體礦化度較低的沉積環(huán)境中,Sr和Ba均以重碳酸鹽的形式賦存,Ba在水體鹽度升高時(shí)由于其溶解度較小,以碳酸鋇的形式先沉淀,水體中的部分Ba被沉淀,導(dǎo)致留在水體中的Sr含量更高,水體鹽度繼續(xù)增大達(dá)到過量的程度時(shí),Sr也以SrSO4的形式逐漸沉淀[44]。因此,記錄在沉積物中的Sr豐度和Sr/Ba比值與古鹽度呈正比關(guān)系,可作為古鹽度的判別標(biāo)志[44,53]。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組Sr/Ba比值變化不大(圖5),介于0.04~0.74,平均為0.25。五峰組下部水體鹽度較低,中部Sr/Ba比值有部分明顯增大,達(dá)到0.74,表明此階段水體古鹽度較高,五峰組頂部水體古鹽度較低,隨后略微升高;龍馬溪組開始,水體古鹽度持續(xù)緩慢下降并趨于穩(wěn)定。
3.2.6 古生產(chǎn)力判識(shí)
古生產(chǎn)力的高低可由頁(yè)巖中的TOC含量直接反映,因此可以用TOC含量初步表征古生產(chǎn)力。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組TOC含量變化范圍較大,介于1.49%~7.17%,平均為3.97%。但頁(yè)巖中TOC含量除受古生產(chǎn)力因素控制外,還受水體介質(zhì)條件、沉積速率等多方面因素的影響,因此并不能準(zhǔn)確地反映初級(jí)生產(chǎn)力的強(qiáng)弱。Cu主要以與有機(jī)質(zhì)相關(guān)的有機(jī)金屬絡(luò)合物的形式輸送到沉積物中,并在還原條件下保留在沉積物中,因此Cu 含量可用于評(píng)估古生產(chǎn)力[41]。
Ba含量變化也被廣泛用于古生產(chǎn)力的判識(shí),與古生產(chǎn)力及有機(jī)碳含量存在正比關(guān)系[54]。沉積物中的Ba主要有兩種來源,陸源輸入和生物成因,其中生物成因的Ba與古生產(chǎn)力之間有直接決定關(guān)系,因此若想通過Ba的含量來判識(shí)古生產(chǎn)力的高低,就必須去除陸源Ba的影響,計(jì)算公式為Babio=Batotal-Titotal×(Ba/Ti)PASS,公式中的Batotal 為樣品Ba 總含量,Titotal表示樣品Ti總含量,(Ba/Ti)PASS取自晚太古代澳大利亞平均頁(yè)巖中的Ba/Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值,為0.007 7[40]。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖生物鋇Babio 值變化較大,介于(454.993~1 978.982)×10-6(圖5),平均為1 079.665×10-6。五峰組中部以及龍馬溪組底部Babio 值明顯偏低,曾發(fā)生兩幕生物滅絕事件[18],大量生物在此次事件中滅絕,從而導(dǎo)致古生產(chǎn)力低下。
3.3 沉積環(huán)境演化
綜上所述,奧陶系五峰組到志留系龍馬溪組時(shí)期古環(huán)境經(jīng)歷了五個(gè)階段(圖7)。階段Ⅰ:五峰組沉積早期,氣候?qū)儆跍貪駳夂颍F矫嬷饾u升高,沉積水體屬貧氧—缺氧環(huán)境,水體的滯留程度減弱,水體鹽度略微下降,古生產(chǎn)力相對(duì)升高。階段Ⅱ:到五峰組中部,此時(shí)屬于干熱氣候,海平面逐漸下降,水體滯留程度逐漸增強(qiáng),水體還原程度增強(qiáng),水體鹽度較高,古生產(chǎn)力較低。階段Ⅲ:隨著時(shí)間推移到五峰組頂部,冰川作用造成全球迅速降溫,盆地內(nèi)變?yōu)楹涓稍锏臍夂?,水體變淺,水體滯留程度較高,屬?gòu)?qiáng)滯留海盆,沉積水體由還原條件變?yōu)檠趸瘲l件,水體古鹽度較高,此時(shí)古生產(chǎn)力較低。階段Ⅳ:龍馬溪組早期,冰期結(jié)束氣溫回升,氣候再次變?yōu)楦蔁釛l件,發(fā)生廣泛海侵,海平面長(zhǎng)期保持在高位,水體滯留程度較弱,沉積水體是缺氧的還原環(huán)境,沉積速率較穩(wěn)定,水體古鹽度降低,古生產(chǎn)力顯著升高。階段Ⅴ:到龍馬溪組中上部時(shí),古氣候變?yōu)闇嘏瘽駶?rùn),海平面略微降低并趨于穩(wěn)定,水體封閉程度增強(qiáng),還原性逐漸減弱并最終變?yōu)楦谎醯难趸h(huán)境,水體古鹽度逐漸降低并趨于穩(wěn)定,古生產(chǎn)力逐漸升高。
4 沉積作用類型及沉積模式
4.1 沉積作用類型
基于詳細(xì)的巖心和薄片觀察、X射線熒光掃描以及礦物X衍射全巖分析,識(shí)別了六種沉積作用類型:懸浮沉積、上升流、濁流、碎屑流、風(fēng)暴流和重力滑塌。
4.1.1 懸浮沉積
懸浮沉積是五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主要的沉積過程。(長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì))粉砂頁(yè)巖和黏土質(zhì)頁(yè)巖礦物粒度較小,粗碎屑顆粒少見,有機(jī)質(zhì)、筆石含量較高且富含黃鐵礦,說明其沉積時(shí)水體較深,水動(dòng)力條件較弱,沉積速率較慢,一般為懸浮沉積的結(jié)果(圖8a)。
4.1.2 上升流
海洋上升流是海洋循環(huán)中的一個(gè)重要過程,對(duì)氣候變化和海洋生產(chǎn)力有很大的影響,前人認(rèn)為四川盆地生物硅質(zhì)頁(yè)巖是上升流的結(jié)果(圖8b)[55?56]。上升流主要發(fā)生在現(xiàn)代海洋的狹窄區(qū)域,沿低緯度或中緯度大陸的西海岸垂直于赤道,與海岸平行的表層風(fēng)通過??寺\(yùn)輸將水從海岸帶走,隨后下層溫度較低的、營(yíng)養(yǎng)豐富的水被補(bǔ)充到表層,從而促進(jìn)表層海水中的放射蟲、海綿等生物更加繁盛,使得原始海洋古生產(chǎn)力增強(qiáng)[16]。在冰期,緯度溫度梯度更大,結(jié)合信風(fēng)能增強(qiáng)溫鹽環(huán)流的強(qiáng)度,產(chǎn)生更強(qiáng)烈的上升流。在間冰期,兩極和赤道溫差相對(duì)較小,海洋環(huán)流較為緩慢,從而上升流強(qiáng)度較弱[57?58]。
4.1.3 濁流
龍馬溪組中上部的頁(yè)巖發(fā)育濁流沉積,在黑色頁(yè)巖中可見粉砂巖夾層,往往與頁(yè)巖有明顯的突變接觸,具槽模構(gòu)造和正粒序結(jié)構(gòu)(圖8c)。底部發(fā)育的波狀層理和水平層理,到頂部發(fā)育的塊狀層理,這一沉積序列符合鮑馬序列的C、D、E段。頂部的塊狀層理段有低TOC含量的特點(diǎn),且鏡下礦物顆粒無定向排列,明顯與懸浮沉積長(zhǎng)軸礦物定向排列的特點(diǎn)不同,因此這些具塊狀層理的黏土質(zhì)頁(yè)巖可能為濁流沉積而成,且是在較短的時(shí)間內(nèi)沉積。濁流沉積時(shí)會(huì)將上部的富氧水體攜帶到海底,從而導(dǎo)致局部氧含量短暫提升,大量有機(jī)質(zhì)被氧化,這是濁流沉積TOC含量偏低的主要原因之一[20]。此外,盡管較快的沉積速率縮短了有機(jī)質(zhì)降解的時(shí)間,但有機(jī)質(zhì)的原始供應(yīng)和保存條件較差,導(dǎo)致最終TOC含量較低[59]。
4.1.4 碎屑流
威遠(yuǎn)地區(qū)下部和長(zhǎng)寧地區(qū)中上部發(fā)育碎屑流沉積,厚度介于10~50 cm,結(jié)構(gòu)和成分混雜,雜基含量較高,巖相之間呈突變接觸,無分選,不具正粒序結(jié)構(gòu),可見高角度的侵蝕面及懸浮的泥巖撕裂屑(圖8d)。
4.1.5 風(fēng)暴流
風(fēng)暴流沉積主要發(fā)育于龍馬溪組底部,但這種作用相對(duì)較弱。與下伏泥巖接觸底面呈突變接觸,常具底沖刷面結(jié)構(gòu)[60],夾疑似生物逃逸的粉砂巖(圖8e),可見丘狀交錯(cuò)層理、平行層理以及水平層理等層理構(gòu)造,指示其為風(fēng)暴成因。
4.1.6 重力滑塌
龍馬溪組上部可見重力滑塌變形構(gòu)造(圖8f),沉積層內(nèi)發(fā)生變形,揉皺,巖性混雜,與上下層位呈突變接觸。巖層顏色稍淺且TOC含量較低,由于水體變淺以及陸源碎屑輸入使得粉砂質(zhì)含量增多。一般是伴隨快速沉積而產(chǎn)生,是水下滑坡的良好標(biāo)志。
4.2 沉積模式
綜合巖相及沉積作用類型、構(gòu)造演化以及沉積環(huán)境演化建立了五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的沉積模式(圖9)。五峰組沉積早期,古氣候?qū)儆跍貪駳夂?,海侵?dǎo)致盆地內(nèi)大面積的水體變深,海平面上升,此時(shí)沉積水體由貧氧變?yōu)樨氀酢毖?,水體封閉性減弱,水體鹽度略微下降,古生產(chǎn)力升高,TOC含量逐漸降低,主要在懸浮沉積作用下沉積黏土質(zhì)頁(yè)巖(圖9a)。到五峰組沉積中期時(shí),氣候干熱,海平面逐漸下降,水體變淺,水體滯留程度增強(qiáng),還原性增強(qiáng),古鹽度較高,古生產(chǎn)力先下降后上升,TOC含量逐漸升高,主要在懸浮作用下沉積鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖以及(長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì))粉砂頁(yè)巖(圖9b)。五峰組與龍馬溪組交界時(shí)期,氣溫經(jīng)歷了大范圍的波動(dòng),氣溫快速下降,發(fā)生冰期事件,但也存在短暫干熱氣候的間冰期,冰期海平面急劇下降,導(dǎo)致盆地內(nèi)水體變淺,水體古鹽度上升,滯留程度較高,屬?gòu)?qiáng)滯留海盆,沉積水體演變?yōu)檠趸h(huán)境,古生產(chǎn)力變低,TOC含量先下降后快速上升,主要發(fā)育生物介殼灰?guī)r,也可見風(fēng)暴流沉積的粉砂質(zhì)層(圖9c)。龍馬溪組沉積早期,氣候迅速演變?yōu)楦蔁釟夂?,岡瓦納冰蓋消融,導(dǎo)致海平面顯著上升,水體相對(duì)滯留程度弱,底部水體氧含量很低,是有利于有機(jī)質(zhì)保存的還原水體,水體古鹽度逐漸下降,頂層水體富氧且營(yíng)養(yǎng)豐富,筆石、海藻、放射蟲等海洋生物大規(guī)模復(fù)蘇,古生產(chǎn)力水平高,主要發(fā)育由化學(xué)作用沉積的鈣質(zhì)頁(yè)巖,在懸浮沉積作用下發(fā)育的長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖,以及上升流影響的生物硅質(zhì)頁(yè)巖(圖9d)。隨后龍馬溪組沉積中晚期氣候變?yōu)闇嘏瘽駶?rùn)氣候,海平面保持穩(wěn)定略微下降,水體還原性減弱,受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,水體封閉性增強(qiáng),水體古鹽度逐漸下降,古生產(chǎn)力逐漸升高,此時(shí)沉積速率較快,且陸源供給的碎屑物質(zhì)逐漸變多,不利于有機(jī)質(zhì)的保存,TOC含量相對(duì)較低,此時(shí)沉積作用較為豐富,主要由化學(xué)作用沉積的鈣質(zhì)頁(yè)巖以及懸浮沉積的作用下發(fā)育(長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì))粉砂頁(yè)巖、長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖和黏土質(zhì)頁(yè)巖,可見濁流沉積的粉砂巖夾層、碎屑流產(chǎn)生的泥巖撕裂屑以及重力滑塌作用導(dǎo)致的滑塌變形構(gòu)造(圖9e)。不同地區(qū)垂向上巖相序列的發(fā)育也不相同,威遠(yuǎn)和瀘州地區(qū)五峰組長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量較高,長(zhǎng)寧地區(qū)則碳酸鹽礦物含量較高,且威遠(yuǎn)和長(zhǎng)寧脆性礦物含量更高,有利于壓裂。長(zhǎng)寧地區(qū)的黑色頁(yè)巖形成環(huán)境缺氧程度強(qiáng)于威遠(yuǎn)地區(qū)[61]??傮w上瀘州和長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度較高,威遠(yuǎn)部分井位五峰組的有機(jī)質(zhì)豐度較低[61?62]。所識(shí)別的六種沉積作用在威遠(yuǎn)、瀘州以及長(zhǎng)寧地區(qū)均存在,只是發(fā)育程度以及發(fā)育位置有所差異。
由于構(gòu)造活動(dòng)、氧化還原條件、古生產(chǎn)力條件、氣候變化以及沉積作用等因素都會(huì)對(duì)頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)富集產(chǎn)生一定的影響,因此恢復(fù)五峰組—龍馬溪組沉積期的古環(huán)境并且建立沉積模式對(duì)明確有機(jī)質(zhì)的富集機(jī)理顯得尤為重要。前人對(duì)于有機(jī)質(zhì)的富集模式提出了“生產(chǎn)力模式”和“保存條件模式”,前者強(qiáng)調(diào)高生產(chǎn)力水平下,有機(jī)質(zhì)的埋藏速率增加促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的積累;后者則認(rèn)為受限盆地中的缺氧水體更利于有機(jī)質(zhì)的保存。而實(shí)際情況更加復(fù)雜,往往是兩種模式共同作用的結(jié)果[63?64]。五峰組下部,雖然古生產(chǎn)力逐漸升高,但TOC含量卻逐漸下降,其原因可能是海平面上升,逐漸開放的水體不利于有機(jī)質(zhì)的保存。五峰組中部,古生產(chǎn)力逐漸升高,TOC含量也隨之升高,此時(shí)的還原性逐漸增強(qiáng),水體封閉性較強(qiáng),有機(jī)質(zhì)的含量主要受“保存條件模式”主導(dǎo),大部分有機(jī)質(zhì)得以保留。進(jìn)入赫南特冰期,冰川形成導(dǎo)致全球海平面下降,盡管底棲生物繁盛,但水體變?yōu)椴焕谟袡C(jī)質(zhì)保存的氧化環(huán)境,導(dǎo)致TOC含量較低。龍馬溪組沉積期,開始時(shí)仍受冰川作用控制,海平面處于最低點(diǎn),此時(shí)古生產(chǎn)力雖較低,但還原的水體環(huán)境以及較強(qiáng)的封閉性對(duì)于有機(jī)質(zhì)來說是良好的保存條件,導(dǎo)致TOC含量較高。隨后氣候變暖導(dǎo)致冰川消融,海平面升高,溶解的冷水向赤道對(duì)流形成的上升流帶來豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),生產(chǎn)力逐步升高,但陸源碎屑的增加以及逐漸開放的水體環(huán)境破壞了有機(jī)質(zhì)的保存,導(dǎo)致TOC含量降低。綜上所述,五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)的富集受構(gòu)造條件、海平面升降、氧化還原條件、古生產(chǎn)力條件、氣候變化以及沉積作用等因素共同控制[65?66]。
除有機(jī)質(zhì)豐度外,影響儲(chǔ)層性質(zhì)的還有儲(chǔ)層脆性、孔隙類型、孔隙度、滲透率以及含氣性等因素。一般認(rèn)為,頁(yè)巖脆性越好,造縫能力越強(qiáng),改造效果越理想。石英、長(zhǎng)石、方解石以及白云石含量越高,儲(chǔ)層的脆性越好[62,67]。N222井頁(yè)巖脆性均較好,平均脆性礦物含量為72.59%。不同巖相的脆性礦物含量不同,其中生物硅質(zhì)頁(yè)巖以及鈣質(zhì)頁(yè)巖脆性礦物含量最高。王超等[19]對(duì)五峰組—龍馬溪組主要頁(yè)巖巖相儲(chǔ)層特征分析發(fā)現(xiàn),硅質(zhì)類頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙非常發(fā)育,連通性好,孔隙度平均為3.77%,滲透率平均為1.57×10-3 μm2,含氣量較高,平均為1.61 m3/t(圖10);混合類頁(yè)巖普遍發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙、黏土礦物晶間孔以及碎屑顆粒原生粒間孔,孔隙度平均為3.39%,滲透率平均為2.16×10-3 μm2,含氣量相對(duì)較低,平均為1.16 m3/t(圖10);黏土類頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)以黏土礦物粒間孔為主,孔隙度較低,平均為3.05%,滲透率平均為2.31×10-3 μm2。含氣量最低,僅為0.66 m3/t(圖10)。黏土類頁(yè)巖、混合類頁(yè)巖以及硅質(zhì)類頁(yè)巖不同巖相的儲(chǔ)層品質(zhì)差異較大,而巖相又受到沉積作用以及沉積環(huán)境的控制。綜合考慮,在水動(dòng)力條件較弱、封閉性較強(qiáng)且缺氧還原的水體中懸浮沉積,以及受上升流帶來的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)影響所沉積的(長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì))粉砂頁(yè)巖、長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖以及生物硅質(zhì)頁(yè)巖,由于有機(jī)質(zhì)豐度較高,脆性礦物含量較高,孔隙度、滲透率以及含氣性也較高,因此可以作為良好的儲(chǔ)層。
5 結(jié)論
(1) 根據(jù)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖礦物組成及含量、沉積構(gòu)造特征,研究區(qū)識(shí)別出六種頁(yè)巖巖相類型(生物硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、(長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì))粉砂頁(yè)巖、鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖及長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖)。
(2) 五峰組—龍馬溪組沉積期間,沉積環(huán)境頻繁變化,自下而上經(jīng)歷五個(gè)階段。古氣候經(jīng)歷了從五峰組底部溫濕到中部干熱再到頂部干冷,隨后從龍馬溪組下部的干熱到中上部的溫濕的演變。在五峰組下部以及龍馬溪組下部經(jīng)歷了兩次大規(guī)模的海侵使得海平面升高,海平面較高時(shí),水體封閉性弱,還原性強(qiáng),鹽度較低,古生產(chǎn)力較高;在五峰組頂部發(fā)生冰川事件導(dǎo)致海平面下降,海平面較低時(shí),水體封閉性強(qiáng),還原性弱,鹽度較高,古生產(chǎn)力較低。
(3) 川南地區(qū)識(shí)別出六種沉積作用類型,即懸浮沉積、上升流、濁流、碎屑流、風(fēng)暴流和重力滑塌。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主要是在低能條件下懸浮沉積,五峰組中部及龍馬溪組下部受上升流影響,古生產(chǎn)力升高,發(fā)育生物硅質(zhì)頁(yè)巖;五峰組頂部,由于水體變淺,發(fā)育少量風(fēng)暴流沉積;龍馬溪組上部,由于水體變淺以及陸源輸入的增加,發(fā)育重力滑塌、碎屑流以及濁流。
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