川东—湘鄂西地区早寒武世烃源岩生成环境研究
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发布时间：2022-05-10 11:11
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时间：2023-10-08 17:43
腾格尔1，2 胡凯2 高长林1 高剑锋2
（1.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，无锡214151；2.南京大学地球科学系，南京210093）
摘要 本文基于环境控源理论，通过川东—湘鄂西地区下寒武统烃源岩的常量和微量元素的形态分析，结合碳、氧同位素与岩石学分析等，探讨了其发育环境及主控因素。元素的形态分析对古环境恢复提供了更多有效的信息。早寒武世初期，在大庸地区，烃源岩形成于上扬子东南缘被动*边缘台地与盆地过渡带即斜坡带上，在海平面上升和温暖潮湿古气候的宏观背景下，受热液活动、上升洋流和生物繁盛等共同引起的高古生产力和缺氧环境控制下，高生物生产力起着主导作用；城口地区处于上扬子被动*北缘，与大庸地区具类似的发育环境和主控因素；而咸丰地区属于内陆架，在龙山地区处于台内凹陷，总体水深位于深氧化-还原界面之下，烃源岩发育受高生产力、低能、滞留和还原环境控制，保存条件更为重要。
关键词 川东—湘鄂西 下寒武统烃源岩 发育环境 控制因素 形态分析
A Study of Formation Environment of Marine Hydrocarbon Source Rocks on Early Cambrian in the East of Upper Yangtze Plateform
Tenger1，2，HU Kai2，GAO Chang-lin1，GAO Jian-feng2
（1.Wuxi Research lnstitute of Petroleum Geology，SlNOPEC，Wuxi，214151；2.Department of Earth Science，Nanjing University，Nanjing，210093）
Abstract Based on environmental control theory on marine hydrocarbon source rocks，the chemical speciation of major and trace elements is analyzed.Through comprehensive research of inorganic and organic geochemistry，petrology，the formation environment of marine hydrocarbon source rocks on early Cambrian and its controlling factor are discussed.The chemical speciation analysis provide further primary geochemistry signal for reconstruct past environmental changes from sedimentary organic matter relative to whole rocks.In the early Cambrian，marine hydrocarbon source rocks is dominated by high paleo-proctivity and anoxic environment probably emphasize particularly on the former，on southern（Dayong area）and northern（Chengkou area）continental margin of upper Yangtze plate.These controlling factors are related to hydrothermal activity，ascending current，and biogenetic derivation with the global sea-level constant rising，seemly climate and tectonization.Xianfeng area is situated in the inner plateform depression，the formation of marine hydrocarbon source rocks e to high paleo-proctivity，lenitic，and recing environment，and preservative condition is crucial.
Key words Upper Yangtze marine hydrocarbon source rocks of lower Cambrian formation environmentcontrolling factor speciation analysis
古环境的重建不仅对了解、恢复各地质时期的岩相古地理和地壳地质历史的演变发挥着重要作用，还对指导包括石油、天然气在内的矿产资源勘查预测有着重大的实际意义，因此，在油气勘探领域中烃源岩沉积环境的研究自从20世纪50～60年代开始将查明有机质丰度与利用高价铁、低价铁和二价硫含量及其相应比值来分析所处氧化-还原环境相结合的方法用来评价烃源岩［1］以来，一直是国内外学者关注的领域，并大致经历了80年代以有机相研究为主，90年代至今以优质烃源岩、碳酸盐岩烃源岩发育环境及主控因素研究为特色的发展过程，更为深刻地认识到地质环境对海相烃源岩形成和评价的重要性，从不同的角度深入剖析了环境对海相有机质富集和油气源岩发育的控制作用，并建立了相关的沉积模式［2～11］，进而在烃源岩发育环境及主控因素等方面取得一定的共识：地质环境既控制有机质丰度，又影响有机质质量，是制约海相烃源岩发育程度和时空分布的重要因素，其中，在合适的区域性乃至全球性构造运动、气候变化、生物演化及地理环境等宏观背景下，生物生产力、底层水的氧含量、沉积速率和水动力条件等是沉积盆地中直接控制烃源岩形成的关键因素，也是重建烃源岩发育环境的重要参数。
经过漫长而复杂的地质历史演化过程，古代沉积环境已不复存在，现在我们面对的只是其所留下的残缺不全的“遗迹”——沉积岩。然而，任何沉积岩都是在地表特定的环境中堆积下来的，都印有沉积环境的标记，烃源岩也不例外，通过沉积岩一系列特征包括岩石、古生物和地球化学的研究，可以恢复其沉积时的环境。地球化学示踪是反映古环境的有效而敏感的手段之一，随着实验测试技术及精度的不断提高，微量元素、稳定同位素和有机地球化学等从常规分析向微量、微区与形态分析拓展，使得它们在环境和海洋学研究中优势更为突出，相关的判识指标日益多样化和定量化，这为把古海洋、古环境示踪原理及研究手段引入烃源岩研究中奠定了基础。本文尝试通过下寒武统烃源岩中常量、微量元素包括稀土元素的形态分析，结合碳、氧同位素和岩石学等特征，综合分析川东—湘鄂西地区早寒武世烃源岩发育环境，探讨海相烃源岩形成的主要控制因素。
1 样品采集及实验测试方法的选取
1.1 样品采集
本次研究中，以上扬子东南缘的大庸（军大坪）、咸丰（龙山）剖面和北缘的城口、南江等4个剖面为代表，对下寒武统海相烃源岩及其邻近层位进行了全岩微量元素、有机与无机碳、氧同位素的系统分析（78个样品），在此基础上，进一步选取25个泥质岩和碳酸盐岩样品进行了包括稀土元素在内的常量和微量元素的化学形态分析。
1.2 实验测试方法的选取
有机地球化学、全岩微量元素和碳、氧同位素组成是由中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所实验研究中心测定的，有机岩石学分析由中国地质大学（北京）伍大茂教授完成。常量和微量元素的形态分析，尤其是不同化学形态稀土元素的分析是本次尝试性的研究工作，是在引用现代环境研究中常用的“Tessier五步连续提取法”［12］基础上，在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室的高分辨电感耦合等离子质谱ICP-MS（ELEMENT2，Finnigan MAT）上完成的，针对南方下古生界海相烃源岩的基本地质特点，主要开展了过渡金属、Ba和稀土元素的碳酸盐结合态、有机物结合态（还原态）和残留态元素的提取和测定。
2 下寒武统烃源岩发育环境及主控因素
2.1 沉积岩石学特征
下寒武统烃源岩，在研究区范围内广泛发育，但在不同地区其有机质丰度和规模等明显呈现非均质性。在上扬子东南缘的大庸（张家界）地区军大坪剖面上，厚度大，底部为一套黑色页岩、炭质页岩，最底部可见磷酸盐结核，厚度达150m左右，中部为灰黑色含粉砂质条带泥岩、厚层状泥岩、炭质泥岩，厚度约80m，上部为厚层状灰黑色泥岩、泥灰岩夹薄层状、纹层状灰黑色灰岩，进入中上寒武统灰岩逐渐增多，以中厚层深灰色、灰色灰岩为主，夹有灰黑色含粉砂质炭质页岩、深灰色纹层状含粉砂质灰岩等，此套黑色岩系中产有大量V和Mo等多金属和重晶石及磷矿等矿产。在上扬子北缘的城口、南江剖面上，也有类似的分布，尤其底部的一套黑色页岩、炭质页岩厚度为50～100m，明显污手，其在城口地区产有大量P，Mn，Ba矿，在南江地区底部粉砂岩、粉砂质泥岩中也见有两层厚约1m的含磷层，呈米*。在咸丰地区的龙山剖面上，同样发育一套黑色页岩系，岩性主要为黑色炭质页岩、粉砂质页岩等，呈水平层理，富含黄铁矿，露头厚度280m左右，多夹有薄层粉砂岩，但缺少金属与非金属矿产。
2.2 有机碳含量及有机岩石学特征
根据研究区下寒武统的系统采样和有机地球化学分析（表1），底部一套黑色页岩或泥岩的有机碳含量普遍较高，平均达2%以上，但纵、横向分布特征上仍存在差异，同一剖面上，大庸地区军大坪剖面最为明显，底部黑色页岩 TOC 高达6%～17%，平均达12%，向上灰黑色泥岩降至0.71%～3.68%，平均达1.78%，其中含一薄层灰岩夹层TOC为0.09%。在城口地区也是类似分布，底部一个样品TOC高达6.25%，其紧邻上部两个样品为3.46%～3.70%，再向上变为0.78%～2.76%，平均为1.76%，相应部位在南江剖面上变化趋势是4.66%～3.05%，平均为1.43%。最近研究表明［13］，大庸地区下寒武统烃源岩在横向上沿上扬子东南边缘向西延伸至铜仁、南皋、三都一带均具有相似的有机质丰度和时空分布特征。而进入台内咸丰地区，TOC纵向分布相对稳定，总体变化在0.49%～0.86%之间，平均为0.71%，横向变化也较小，平均在1%左右。有机碳含量沿南北边缘高，向台内变低。据显微镜下观察，有机质总组分含量同样有相似的分布形式，即在有机碳含量高的地段，镜下观察到的总有机质组分含量也高，在大庸地区可以观察到菌藻类呈层状密集分布，低的地段可观察到的有机质含量也少。显微组分鉴定、有机质类型指数和干酪根碳同位素特征均显示，母质类型属于海相腐泥型（Ⅰ型），以水生菌藻类为主。此段详细内容可参阅文献［13～15］。
表1 下寒武统烃源岩有机地球化学特征一览表
注：横线上数据为范围，下为平均数。
2.3 微量元素及碳、氧同位素特征
2.3.1 微量元素特征
表2展示了下寒武统部分全岩和不同形态微量元素的丰度变化范围及平均值，总体上不同元素的含量变化范围较大，同一元素在不同地区也呈非均质性。以Ba元素为例，在大庸地区，底部黑色页岩段全岩Ba变化在2342～2840μg/g范围内，平均值为2590μg/g，富集系数高达17，有机态Ba也达38.93μg/g；而上部泥岩段全岩Ba变化在1604～1865μg/g范围内，平均值为1755μg/g，富集系数为5.3，有机态Ba平均为6.43μg/g。在城口地区，全岩Ba变化为1010～1815 μg/g，平均值为1329μg/g，富集系数为4.1，最高达6.01，有机态Ba平均达20.04μg/g。在咸丰地区，全岩Ba变化为971～1460μg/g，平均值为1303μg/g，富集系数为2.9，有机态Ba为1.92μg/g。从Ba元素的分布特征可看出，全岩Ba含量在区内变化不大，均有富集，显示不出三者有机质富集程度，与有机碳含量之间的相关性也不显著（图1a），而有机态 Ba 含量与有机碳含量相关性良好（γ=0.97），明显反映了3个剖面上同一层位（同时、不同地区）的有机质富集程度（图1b）。
图1 下寒武统Ba元素与有机碳含量之间的相关关系
a—全岩；b—有机结合态
海洋学研究中常用钡（Ba）丰度来表示生产力变化。近年研究表明［16］，Ba在海水中具似营养元素的地球化学行为，Ba积累率与有机碳通量、生物生产力呈正相关，Ba富集指示上层水体的高生产力。大量的重晶石在地中海底部淤泥中富集就是生产力提高的一个显著证据［17］。表层海水的高生产率和缺氧的底部水体是Ba富集的必要条件［18］。
表2 下寒武统部分全岩和不同形态微量元素含量
显然，海相沉积中Ba富集与烃源岩发育条件相似，二者时空分布上必然存在联系，利用 Ba丰度对古生产力的表征可进一步反映烃源岩发育程度［10］。基于此，上述Ba元素的分布特征表明，Ba的行为与生物有机质作用密切相关，Ba富集可视为其沉积时期生物生产力和有机质埋藏量高的一种旁证，也暗示着缺氧沉积环境的存在，V，Mo，Zn等过渡金属元素的高度富集也说明了这一点（表1）。值得指出的是，在上扬子东南缘军大坪剖面和北缘城口剖面上，什么因素使得Ba元素如此高度富集呢？结合当时的构造环境、产有大量磷锰矿和多种金属矿产考虑，应与富含营养盐和各种微量元素的热液活动和上升洋流密切相关，在当时研究区内海底扩张、陆缘坳陷形成［19］和海平面上升［20］等区域性乃至全球性地质背景下，处于低纬度热带—*带地区的上扬子被动*边缘上升洋流频繁［18，20］，沿着慈利-大庸等同生深大断裂热液活动强烈［18，20，21］，这些给生物异常繁盛提供了丰富的营养源，又共同造就了广泛的缺氧事件，进而沿着扬子南北被动*边缘形成了著名的金属、非金属成矿带和海相优质烃源岩及古代油气富集带。
2.3.2 稀土元素特征
从上述讨论情况来看，下寒武统烃源岩在大庸、城口地区形成于被动*边缘，与当时最大海侵期相对应，受控于由温暖潮湿气候、热液活动和上升洋流等引起的高古生产力和缺氧环境。如图2（a）所示，军大坪剖面上，底部黑色页岩的自生态（碳酸盐+有机结合态）稀土元素的分配模式也表明，其下寒武统沉积早期是一个深水环境，主要是dy-10样品的稀土元素模式表明中稀土富集，稀土元素的分异强烈，指示沉积速率缓慢［10］，且铈元素的显著亏损是海洋深水环境的典型稀土元素分布特征，而向上铈（δCe）元素的亏损消失（dy-17样品），表明环境转化成缺氧环境；进入中寒武统（dy-33 样品，TOC为1.22%），稀土元素的分异程度则明显减弱，呈平缓型分布模式，暗示着沉积速率加快［10］，形成了厚层状泥岩、泥灰岩和灰岩，但与Ba元素的富集程度结合考虑，当时的古生产力仍很高，有机质供应量充足，使得现今仍保存有较高的有机碳含量，发育成为好的烃源岩。
图2 军大坪、龙山剖面下寒武统烃源岩自生态稀土元素分布模式
与上述特征相比，咸丰地区的微量元素和碳、氧同位素特征（图2（b））均表明其形成于台内凹陷，受低能、缺氧的滞留或半封闭性环境影响。龙山剖面（图2（b）），下寒武统烃源岩底部和顶部两个样品（xf-01，xf-08样品）的稀土元素分布模式相同，且中稀土富集，铈元素基本呈正常型，表明与军大坪剖面沉积环境有变化相比，该区沉积环境相对稳定，沉积速率缓慢（低能、静水），且环境缺氧，使稀土元素有足够的时间分异，但铈元素未发生选择性分异，这些特征与其地质实际相符。
2.3.3 碳酸盐岩碳、氧同位素特征
碳同位素组成（δ13Ccarb）作为恢复古生产力指标已被众多研究所采用。缺氧条件下，富12C的有机质被大量埋藏，引起δ13Ccarb正偏移，偏移程度受生物量和有机碳含量变化控制，与有机碳的迅速埋藏量呈正相关，故δ13Ccarb正偏移可作为生产力增高的标志［22～24］。实际上，δ13Ccarb的正偏移和高有机质埋藏量都是古生产力和有机质保存条件的综合体现，有机质只有在供应量充足且利于保存条件下才能大量聚集和保存下来，进而引起有机碳与无机碳之间的“储库效应”，发生13C倾向于海水和碳酸盐岩中富集的同位素分馏。因此，δ13Ccarb作为有机质埋藏量的替代指标更为可靠［10］。
在上扬子东南缘军大坪剖面上，下寒武统中、上部均发育有碳酸盐岩，主要以薄层、纹层状夹层分布，其氧同位素组成为-7.29‰～-8.91‰，平均为-7.92‰，表明样品的蚀变程度弱，微量元素和碳同位素等参数基本反映原始的环境性质及演化。碳同位素组成为0.98‰～3.28‰，平均为1.80‰，较上寒武统的浅灰色厚层状灰岩偏重（δ13Ccarb平均为-0.48‰，δ18O平均为-10.52‰），说明底部水体缺氧，有机质埋藏量高，从而进一步验证了Ba及过渡金属富集的地质意义。
3 结论
识别泥质岩和碳酸盐岩古环境时，不同相态微量元素较全岩更具指示意义。过渡金属（如V，Mo），U，Ba和稀土等元素有机结合态（还原态）、碳酸盐态相对丰度和配分模式等能够提供古环境如氧化还原条件、古生产力等方面更多的原始信息，对有效识别海相烃源岩发育环境具有广阔的应用前景。
川东—湘鄂西地区下寒武统烃源岩，在大庸地区形成于上扬子东南缘被动*边缘台地与盆地过渡带即斜坡带上，在全球海平面持续上升和温暖潮湿古气候的宏观背景下，受热液活动、上升洋流和生物繁盛等共同引起的高古生产力和缺氧环境控制，高生物生产力起着主导作用；城口地区处于上扬子被动*北缘，与大庸地区具类似的发育环境和主控因素；而咸丰地区属于内陆架，在龙山地区处于台内凹陷，总体水深位于氧化-还原界面之下，烃源岩发育受高生产力、低能、滞留、还原环境控制，其中保存条件更为重要。
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