摘 要 【目的】川南地區(qū)上奧陶統(tǒng)和下志留統(tǒng)黑色頁巖是頁巖氣勘探的主要目標，探究此套頁巖的巖相劃分、沉積環(huán)境以及沉積過程，可為頁巖氣勘探開發(fā)提供理論依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^巖心、光學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巖相進行劃分；利用氧化—還原指標（U/Th、V/Cr、V/（V+Ni）、Ni/Co）、海平面變化指標（Ce*）、水體滯留程度指標（Mo/TOC）、古氣候指標（Sr/Cu）、古鹽度指標（Sr/Ba）以及古生產(chǎn)力指標（Cu、生源Ba）對古環(huán)境進行分析，并基于巖心和薄片觀察、X射線熒光掃描以及礦物X衍射全巖分析對沉積過程進行識別?！窘Y(jié)果】五峰組—龍馬溪組頁巖識別出六種巖相：生物硅質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖、（長英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁巖、鈣質(zhì)粉砂頁巖、鈣質(zhì)頁巖以及長英質(zhì)粉砂頁巖。沉積環(huán)境自下而上經(jīng)歷五個階段的變化。五峰組—龍馬溪組頁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。【結(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，進一步導致不同巖相的有機質(zhì)含量、孔隙度、含氣量等儲層品質(zhì)因素存在顯著差異，后續(xù)仍需在頁巖巖相與儲層品質(zhì)等方面加強研究，為頁巖氣的勘探與開發(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

第一作者簡介 劉雨迪，男，2000年出生，碩士研究生，細粒沉積學，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 P618.13 文獻標志碼 A

0 引言

細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驗條件的限制，其沉積、成巖作用仍是地質(zhì)界的難題，且細粒物質(zhì)各組分的物質(zhì)來源、形成機制以及沉積過程極其復雜[1?3]。巖相及其沉積環(huán)境是研究細粒沉積巖的兩大基本問題[4?7]。巖相的發(fā)育、垂向變化，以及其沉積時的古氣候、古環(huán)境對于細粒沉積巖的研究有著至關(guān)重要的意義[8?9]。同時也為頁巖油氣勘探開發(fā)和尋找有利勘探目標提供理論支撐[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—龍馬溪組頁巖時的氣候、海平面、氧化還原性、水體封閉性、初級生產(chǎn)力等沉積環(huán)境要素發(fā)生頻繁變化，進一步控制著巖相的類型與特征，同時也導致了其垂向上的非均質(zhì)性。由于巖相的類型多樣，不同巖相的有機質(zhì)含量、含氣量存在顯著差異，在頁巖氣勘探與開發(fā)中受到重點關(guān)注[19?21]。因此，五峰組—龍馬溪組頁巖的形成及演化值得深入研究[19，22?23]。

本文綜合運用野外觀察、巖心描述、鏡下觀察、電鏡觀察、TOC含量測試及元素地球化學測試分析，對四川盆地川南五峰組—龍馬溪組頁巖進行研究，刻畫頁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，并建立頁巖沉積模式，從而為該區(qū)域下一步頁巖氣的勘探和開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

奧陶紀期間，華南克拉通是岡瓦納大陸西北緣構(gòu)造復雜地區(qū)的一個微大陸[24]。晚奧陶世，盆地受到周邊擠壓作用，使得上揚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]。且奧陶紀末和志留紀初，發(fā)生了兩次全球性的海侵[26]。

四川盆地位于我國西南部，屬于揚子板塊內(nèi)的次一級的克拉通盆地[27]，可進一步劃分為五個次級的構(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)造活動的影響，沉積了五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)黑色頁巖。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，被認為是冰期海平面短暫下降的結(jié)果[29]。在志留紀早期，全球冰川融化，海平面快速上升，導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—龍馬溪組頁巖礦物以石英、碳酸鹽礦物和黏土礦物為主，含鉀長石、斜長石、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，也包含無機礦物與有機組分的微觀信息[31]。關(guān)于頁巖巖相的劃分，前人已經(jīng)進行了大量研究，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，以長英質(zhì)（石英+長石）、鈣質(zhì)（方解石+白云石）和黏土礦物為三端元進行劃分，并綜合考慮生物作用及成巖作用，識別出六種頁巖巖相類型：生物硅質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖、（長英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁巖、鈣質(zhì)粉砂頁巖，長英質(zhì)粉砂頁巖以及鈣質(zhì)頁巖。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)頁巖

生物硅質(zhì)頁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，大多呈自形（圖3a2，a3）。前人研究中所繪制的Al-Fe-Mn三元圖證實研究區(qū)的石英并非來源于熱液，因為由黏土礦物轉(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]，由陸源搬運而來的石英則呈碎屑外形，而生物硅質(zhì)頁巖中大部分硅質(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，推測其生物硅質(zhì)頁巖中的硅質(zhì)來源為硅質(zhì)生物碎屑的部分溶解。

2.2.2 黏土質(zhì)頁巖

黏土質(zhì)頁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），其可能為再搬運的泥質(zhì)碎屑[35]。

2.2.3 （長英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁巖

（長英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁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），硬度相對較大，TOC平均含量為4.25%，是有機質(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，而是呈狹長的透鏡狀（圖3c2）。長英質(zhì)礦物與碳酸鹽礦物含量大致相當，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。有機質(zhì)與黏土混雜在一起，鏡下很難分辨，長石及云母在鏡下很少看到。

2.2.4 鈣質(zhì)粉砂頁巖

鈣質(zhì)粉砂頁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），硬度相對較大，TOC平均含量為3.50%。石英、長石、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)頁巖

鈣質(zhì)頁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 長英質(zhì)粉砂頁巖

長英質(zhì)粉砂頁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、長石、白云石含量較低，發(fā)育一套黏土質(zhì)頁巖，TOC含量較高。五峰組中部，方解石、白云石含量增多，石英、長石、黏土礦物含量降低，發(fā)育鈣質(zhì)粉砂頁巖與（長英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁巖，TOC含量較高。在五峰組及龍馬溪組的交界處，此時發(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，長石、方解石含量降低，發(fā)育一套鈣質(zhì)頁巖、長英質(zhì)粉砂頁巖以及少量生物硅質(zhì)頁巖，TOC含量逐漸降低。龍馬溪組中上部，石英含量較高，長石、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（長英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁巖、長英質(zhì)粉砂頁巖以及黏土質(zhì)頁巖，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，從而導致巖相的類型也發(fā)生相應的變化。

3 地球化學特征及古環(huán)境分析

3.1 地球化學特征

N222井五峰組—龍馬溪組22個頁巖樣品TOC介于1.49%～7.17%，平均為3.90%，五峰組頁巖的TOC含量波動幅度較大，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（表1）。

3.2 沉積環(huán)境判識

3.2.1 氧化—還原性

氧化還原條件是影響細粒沉積的重要因素，雖然V、Ni、U、Th等元素已經(jīng)被廣泛地運用于沉積水體氧化還原性的恢復，但是單個元素含量與沉積水體的氧化還原性之間的對應關(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指標。

1） U/Th比值法

U元素在水體氧化還原性的判識中最為常見，水體處于強還原狀態(tài)時U元素比較富集，以U4+化合物從海水析出并沉淀下來，而當水體中氧含量豐富，U元素很容易遷移，以U6+離子游離于水體，利用此種性質(zhì)可判識水體的氧化還原條件。Th元素是一種化學性質(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，因為當水體處于氧化狀態(tài)時，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，當水體處于還原狀態(tài)時，V5+會被還原為V4+的VO2+離子形成不溶的氫氧化物，易被有機質(zhì)顆粒吸附而沉淀下來，在硫化環(huán)境中，V4+可被進一步還原成V3+，形成固態(tài)氧化物V2O3或氫氧化物V（OH）3 沉淀[47?48]。當水體處于氧化狀態(tài)時，Cr元素以+6價的可溶鉻酸鹽陰離子CrO24 -的形式存在，當水體處于還原狀態(tài)時，Cr元素則以+3價的不溶鉻氫氧化物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。

當水體處于還原狀態(tài)時，沉積物中會富集V所形成的有機絡合物，在硫化還原條件下Ni的富集會更早，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—龍馬溪組頁巖時環(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，局部達到有氧條件，可能是由于水體硫化增強導致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

當水體處于缺氧且H2S存在的還原環(huán)境時，Ni會形成硫化物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，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

當海平面發(fā)生變化時，所沉積地層中的Ce異常值也會發(fā)生相應的變化，在氧化環(huán)境下Ce元素以+4價態(tài)存在，在水體中的溶解度較小，表現(xiàn)出水體的Ce負異常，沉積物則表現(xiàn)為Ce正異常或無明顯負異常；在還原環(huán)境下Ce元素以+3價態(tài)存在，溶解度增加，表現(xiàn)出沉積物的負異常[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負異常，指示在沉積五峰組—龍馬溪組頁巖時水體較深。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到最低點；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生物地球化學的循環(huán)造成制約，因此是影響沉積環(huán)境的一個重要因素。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則會被還原為+4價進入沉積物。因此水體在強滯留程度條件下，Mo/TOC比值通常較低。因為Mo再補給率低于沉積物對Mo的吸收率，而水體在較為開放的條件下，Mo/TOC比值相對較高，因為外界海水Mo補給較為充足[50?51]。從TOC與Mo的關(guān)系圖可以看出，研究區(qū)頁巖總體形成于中等—強滯留的環(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，屬于強滯留環(huán)境，隨后五峰組頂部Mo/TOC比值達到最低，滯留程度最強；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（圖5）。

3.2.4 古氣候條件判識

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，此時變?yōu)楦衫錃夂?，對應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

一般情況下，Sr比Ba化學性質(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，導致留在水體中的Sr含量更高，水體鹽度繼續(xù)增大達到過量的程度時，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

古生產(chǎn)力的高低可由頁巖中的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，因此并不能準確地反映初級生產(chǎn)力的強弱。Cu主要以與有機質(zhì)相關(guān)的有機金屬絡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，與古生產(chǎn)力及有機碳含量存在正比關(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的含量來判識古生產(chǎn)力的高低，就必須去除陸源Ba的影響，計算公式為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巖中的Ba/Ti 質(zhì)量分數(shù)比值，為0.007 7[40]。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖生物鋇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期古環(huán)境經(jīng)歷了五個階段（圖7）。階段Ⅰ：五峰組沉積早期，氣候?qū)儆跍貪駳夂?，海平面逐漸升高，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)力相對升高。階段Ⅱ：到五峰組中部，此時屬于干熱氣候，海平面逐漸下降，水體滯留程度逐漸增強，水體還原程度增強，水體鹽度較高，古生產(chǎn)力較低。階段Ⅲ：隨著時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，屬強滯留海盆，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，古氣候變?yōu)闇嘏瘽駶櫍Ｆ矫媛晕⒔档筒②呌诜€(wěn)定，水體封閉程度增強，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，識別了六種沉積作用類型：懸浮沉積、上升流、濁流、碎屑流、風暴流和重力滑塌。

4.1.1 懸浮沉積

懸浮沉積是五峰組—龍馬溪組頁巖主要的沉積過程。（長英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁巖和黏土質(zhì)頁巖礦物粒度較小，粗碎屑顆粒少見，有機質(zhì)、筆石含量較高且富含黃鐵礦，說明其沉積時水體較深，水動力條件較弱，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)中的一個重要過程，對氣候變化和海洋生產(chǎn)力有很大的影響，前人認為四川盆地生物硅質(zhì)頁巖是上升流的結(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通過?？寺\輸將水從海岸帶走，隨后下層溫度較低的、營養(yǎng)豐富的水被補充到表層，從而促進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[16]。在冰期，緯度溫度梯度更大，結(jié)合信風能增強溫鹽環(huán)流的強度，產(chǎn)生更強烈的上升流。在間冰期，兩極和赤道溫差相對較小，海洋環(huán)流較為緩慢，從而上升流強度較弱[57?58]。

4.1.3 濁流

龍馬溪組中上部的頁巖發(fā)育濁流沉積，在黑色頁巖中可見粉砂巖夾層，往往與頁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，且鏡下礦物顆粒無定向排列，明顯與懸浮沉積長軸礦物定向排列的特點不同，因此這些具塊狀層理的黏土質(zhì)頁巖可能為濁流沉積而成，且是在較短的時間內(nèi)沉積。濁流沉積時會將上部的富氧水體攜帶到海底，從而導致局部氧含量短暫提升，大量有機質(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質(zhì)降解的時間，但有機質(zhì)的原始供應和保存條件較差，導致最終TOC含量較低[59]。

4.1.4 碎屑流

威遠地區(qū)下部和長寧地區(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 風暴流

風暴流沉積主要發(fā)育于龍馬溪組底部，但這種作用相對較弱。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），可見丘狀交錯層理、平行層理以及水平層理等層理構(gòu)造，指示其為風暴成因。

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?，海侵導致盆地?nèi)大面積的水體變深，海平面上升，此時沉積水體由貧氧變?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)頁巖（圖9a）。到五峰組沉積中期時，氣候干熱，海平面逐漸下降，水體變淺，水體滯留程度增強，還原性增強，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)粉砂頁巖以及（長英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁巖（圖9b）。五峰組與龍馬溪組交界時期，氣溫經(jīng)歷了大范圍的波動，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，導致盆地內(nèi)水體變淺，水體古鹽度上升，滯留程度較高，屬強滯留海盆，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，導致海平面顯著上升，水體相對滯留程度弱，底部水體氧含量很低，是有利于有機質(zhì)保存的還原水體，水體古鹽度逐漸下降，頂層水體富氧且營養(yǎng)豐富，筆石、海藻、放射蟲等海洋生物大規(guī)模復蘇，古生產(chǎn)力水平高，主要發(fā)育由化學作用沉積的鈣質(zhì)頁巖，在懸浮沉積作用下發(fā)育的長英質(zhì)粉砂頁巖，以及上升流影響的生物硅質(zhì)頁巖（圖9d）。隨后龍馬溪組沉積中晚期氣候變?yōu)闇嘏瘽駶櫄夂颍Ｆ矫姹３址€(wěn)定略微下降，水體還原性減弱，受構(gòu)造運動的影響，水體封閉性增強，水體古鹽度逐漸下降，古生產(chǎn)力逐漸升高，此時沉積速率較快，且陸源供給的碎屑物質(zhì)逐漸變多，不利于有機質(zhì)的保存，TOC含量相對較低，此時沉積作用較為豐富，主要由化學作用沉積的鈣質(zhì)頁巖以及懸浮沉積的作用下發(fā)育（長英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁巖、長英質(zhì)粉砂頁巖和黏土質(zhì)頁巖，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，威遠和瀘州地區(qū)五峰組長英質(zhì)礦物含量較高，長寧地區(qū)則碳酸鹽礦物含量較高，且威遠和長寧脆性礦物含量更高，有利于壓裂。長寧地區(qū)的黑色頁巖形成環(huán)境缺氧程度強于威遠地區(qū)[61]?？傮w上瀘州和長寧地區(qū)頁巖有機質(zhì)豐度較高，威遠部分井位五峰組的有機質(zhì)豐度較低[61?62]。所識別的六種沉積作用在威遠、瀘州以及長寧地區(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、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對頁巖的有機質(zhì)富集產(chǎn)生一定的影響，因此恢復五峰組—龍馬溪組沉積期的古環(huán)境并且建立沉積模式對明確有機質(zhì)的富集機理顯得尤為重要。前人對于有機質(zhì)的富集模式提出了“生產(chǎn)力模式”和“保存條件模式”，前者強調(diào)高生產(chǎn)力水平下，有機質(zhì)的埋藏速率增加促進有機質(zhì)的積累；后者則認為受限盆地中的缺氧水體更利于有機質(zhì)的保存。而實際情況更加復雜，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，此時的還原性逐漸增強，水體封閉性較強，有機質(zhì)的含量主要受“保存條件模式”主導，大部分有機質(zhì)得以保留。進入赫南特冰期，冰川形成導致全球海平面下降，盡管底棲生物繁盛，但水體變?yōu)椴焕谟袡C質(zhì)保存的氧化環(huán)境，導致TOC含量較低。龍馬溪組沉積期，開始時仍受冰川作用控制，海平面處于最低點，此時古生產(chǎn)力雖較低，但還原的水體環(huán)境以及較強的封閉性對于有機質(zhì)來說是良好的保存條件，導致TOC含量較高。隨后氣候變暖導致冰川消融，海平面升高，溶解的冷水向赤道對流形成的上升流帶來豐富的營養(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)境破壞了有機質(zhì)的保存，導致TOC含量降低。綜上所述，五峰組—龍馬溪組頁巖有機質(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]。

除有機質(zhì)豐度外，影響儲層性質(zhì)的還有儲層脆性、孔隙類型、孔隙度、滲透率以及含氣性等因素。一般認為，頁巖脆性越好，造縫能力越強，改造效果越理想。石英、長石、方解石以及白云石含量越高，儲層的脆性越好[62，67]。N222井頁巖脆性均較好，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)頁巖以及鈣質(zhì)頁巖脆性礦物含量最高。王超等[19]對五峰組—龍馬溪組主要頁巖巖相儲層特征分析發(fā)現(xiàn)，硅質(zhì)類頁巖有機質(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）；混合類頁巖普遍發(fā)育有機質(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，含氣量相對較低，平均為1.16 m3/t（圖10）；黏土類頁巖孔隙結(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）。黏土類頁巖、混合類頁巖以及硅質(zhì)類頁巖不同巖相的儲層品質(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，在水動力條件較弱、封閉性較強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養(yǎng)物質(zhì)影響所沉積的（長英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁巖、長英質(zhì)粉砂頁巖以及生物硅質(zhì)頁巖，由于有機質(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層。

5 結(jié)論

（1） 根據(jù)五峰組—龍馬溪組頁巖礦物組成及含量、沉積構(gòu)造特征，研究區(qū)識別出六種頁巖巖相類型（生物硅質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖、（長英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁巖、鈣質(zhì)粉砂頁巖、鈣質(zhì)頁巖及長英質(zhì)粉砂頁巖）。

（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，水體封閉性弱，還原性強，鹽度較低，古生產(chǎn)力較高；在五峰組頂部發(fā)生冰川事件導致海平面下降，海平面較低時，水體封閉性強，還原性弱，鹽度較高，古生產(chǎn)力較低。

（3） 川南地區(qū)識別出六種沉積作用類型，即懸浮沉積、上升流、濁流、碎屑流、風暴流和重力滑塌。五峰組—龍馬溪組頁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)頁巖；五峰組頂部，由于水體變淺，發(fā)育少量風暴流沉積；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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