川東北下寒武統(tǒng)筇竹寺組稀土元素特征及其地質(zhì)意義
——以南江楊壩剖面為例

曹婷婷，徐思煌，王 約

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126； 2.中國石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126； 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，武漢 430074； 4.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550003)

針對四川盆地及其周緣開展的頁巖氣勘探評價(jià)研究，使勘探家逐漸認(rèn)識到下古生界海相高演化優(yōu)質(zhì)烴源巖層系是形成頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來隨著頁巖氣開發(fā)力度的加大，針對志留系龍馬溪組開展了大量與頁巖氣富集相關(guān)的研究，而對下部的下寒武統(tǒng)地層研究程度有限。目前，四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組已發(fā)現(xiàn)良好的頁巖氣顯示[1-7]，針對其開展的研究主要集中在烴源巖評價(jià)、礦物成分分析、儲層表征等生、儲能力的鑒別，而對該套地層形成發(fā)育的物質(zhì)來源、母巖特征、沉積構(gòu)造背景等未作深入探討[8-10]。

稀土元素是指化學(xué)性質(zhì)相似、穩(wěn)定性較好、在地殼巖石中廣泛分布的一組元素組合。在地質(zhì)沉積過程中，由于在海水中停留時(shí)間短，能夠整體快速進(jìn)入細(xì)粒沉積物，較好地保留沉積物來源區(qū)的物源特征及古沉積環(huán)境信息[11-18]。同時(shí)，稀土元素之間由于分餾差異，因此也常常用于示蹤沉積盆地的構(gòu)造面貌、沉積環(huán)境以及原巖母質(zhì)類型。

以四川南江楊壩剖面下寒武統(tǒng)為研究對象，重點(diǎn)開展稀土元素地球化學(xué)特征分析，并結(jié)合微量元素示蹤，對筇竹寺組的物源屬性、沉積—構(gòu)造背景進(jìn)行全面討論，以期為筇竹寺組的頁巖氣勘探開發(fā)選區(qū)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)南江楊壩剖面位于四川盆地東北部，地處揚(yáng)子地臺北緣，在區(qū)域構(gòu)造上位于米倉山南緣與大巴山斷褶帶北側(cè)交界區(qū)，西部與旺蒼—廣元一帶相接，南至巴中—達(dá)縣一帶[19](圖1)。區(qū)內(nèi)寒武系地層出露較完整，其中筇竹寺組位于下寒武統(tǒng)下部，厚約470 m，其底部以黑色碳質(zhì)頁巖為主；中部以深灰—灰黑色的泥質(zhì)粉砂巖為主，夾有灰白色薄層粉砂巖；上部為薄層鈣質(zhì)泥巖，部分發(fā)育薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r。前人研究認(rèn)為，司上—萬源隆起導(dǎo)致研究區(qū)強(qiáng)烈沉降，同時(shí)伴隨大規(guī)模海侵，沉積了淺海陸棚相環(huán)境的筇竹寺組優(yōu)質(zhì)烴源巖[20-21]。

2 樣品與測試

18塊研究樣品取自川東北南江楊壩鎮(zhèn)下寒武統(tǒng)筇竹寺組露頭剖面。樣品采集過程中，盡可能采集未經(jīng)風(fēng)化的新鮮樣品，其中底部樣品6塊(樣號1～6，以碳質(zhì)頁巖為主)，中部樣品8塊(樣號7～14，以泥質(zhì)粉砂巖為主)，上部樣品4塊(樣號15～18，以鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r為主)(圖1)。

樣品粉碎至200目后，再進(jìn)行各類分析測試。稀土及微量元素的測試是在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，分析儀器為Agilent7500a ICP-MS等離子體質(zhì)譜儀。詳細(xì)的樣品制備與分析流程見參考文獻(xiàn)[22]，總有機(jī)碳含量分析是在中國石化無錫石油地質(zhì)研究所采用LECO CS-200儀器完成的。

3 稀土元素地球化學(xué)特征

3.1 稀土元素含量及特征

研究區(qū)筇竹寺組樣品中稀土元素含量及參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1和表2。整體來看，樣品中稀土元素總量(∑REE)分布在(107.79～172.61)×10-6之間，均值為143.19×10-6，總體上較接近大陸上地殼的平均稀土元素總量值(146.4×10-6)。同時(shí)，輕、重稀土元素含量分布不均，其中輕稀土元素含量分布在(98.04～158.69)×10-6之間，重稀土元素含量介于(9.75～18.39)×10-6之間，輕、重稀土元素比值(∑LREE/∑HREE)處于6.99～11.40之間，均值為8.70，總體上反映研究區(qū)筇竹寺組輕稀土元素相對富集，重稀土元素相對虧損，也說明沉積物具有明顯的陸源碎屑物質(zhì)來源的屬性[23]。

圖1 川東北楊壩剖面地理位置及巖性柱狀圖Fig.1 Location of Yangba section in northeastern Sichuan and lithological column

同時(shí)由于巖性的差異，也造成了在筇竹寺組底部、中部、頂部樣品中輕、重稀土元素富集程度不同：底部黑色碳質(zhì)頁巖中，稀土元素總量分布在(107.79～172.61)×10-6之間，均值為136.21×10-6，∑LREE/∑HREE均值為10.01；中部粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖中，稀土元素總量分布在(118.23～168.57)×10-6之間，均值為146.67×10-6，∑LREE/∑HREE均值為8.39；上部泥質(zhì)粉砂巖中，稀土元素總量分布在(134.18～155.14)×10-6之間，均值為146.72×10-6，∑LREE/∑HREE均值為7.36。相比較而言，底部黑色碳質(zhì)頁巖中盡管稀土元素總量相對較低，但輕、重稀土元素富集程度差異較大，其中在底部層系輕稀土元素較為富集，重稀土元素較為虧損，這是由于黏土礦物對輕稀土元素具有較強(qiáng)的吸附能力[24]，也反映了底部黏土含量較高的特征。

表1川東北楊壩剖面筇竹寺組稀土元素含量
Table1REEcontentsofQiongzhusiFormation,Yangbasection,northeasternSichuan10-6

樣號LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu130.755.36.6522.93.830.853.430.513.170.641.840.271.900.32229.953.76.5623.04.240.863.630.553.330.701.890.271.880.29330.358.57.2025.04.520.933.930.613.590.742.100.302.010.33425.745.25.3517.93.150.742.660.422.510.531.510.241.620.26530.054.76.8424.34.660.983.860.563.220.611.690.261.760.26637.773.58.9631.95.491.144.250.623.590.742.030.312.040.34729.159.07.0526.15.071.104.420.683.820.752.060.301.940.30827.656.57.1726.75.641.135.050.754.290.832.100.332.050.30927.053.06.4223.14.491.004.020.613.580.731.970.301.950.301034.669.58.4631.56.201.345.390.84.510.872.420.362.260.361132.062.37.9829.05.691.275.240.794.620.922.400.342.270.341224.848.16.0421.84.260.913.680.573.290.671.850.271.710.281333.666.98.4630.86.081.175.260.854.911.012.780.402.720.421432.163.97.7427.95.411.075.000.774.690.922.500.392.600.381531.561.27.8429.05.921.295.430.844.981.012.740.412.570.411628.957.17.2627.15.441.105.080.784.790.942.520.372.530.381726.252.46.7925.65.191.205.020.774.610.912.500.352.290.351833.461.57.5727.05.101.064.870.774.670.982.710.422.780.43球粒隕石[25]0.30.80.120.60.190.070.260.050.320.070.210.030.210.03NASC[29]32.073.07.9033.05.701.245.200.855.801.043.400.503.100.48PAAS[30]38.080.08.9032.05.601.104.700.774.401.002.900.402.800.43

表2 川東北楊壩剖面筇竹寺組地球化學(xué)參數(shù)分布特征Table 2 Geochemical parameters of Qiongzhusi Formation,Yangba section,northeastern Sichuan

注：稀土元素總量∑REE=La+Ce+Pr+Nd+Sm+Eu+Gd+Tb+Dy+Ho+Er+Tm+Yb+Lu；輕稀土元素含量∑LREE= La+Ce+Pr+Nd+Sm+Eu；重稀土元素含量∑HREE= Gd+Tb+Dy+Ho+Er+Tm+Yb+Lu；(La/Sm)N、(La/Yb)N和(Gd/Yb)N為經(jīng)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的比值；δCe=2CeN/(La+ Pr)N，δEu= 2EuN/(Sm+ Gd)N，此處的N代表經(jīng)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的比值；Ceanom= lg[3×Cen/(2×Lan+Ndn)]，此處Cen、Lan和Ndn為經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

3.2 稀土元素配分模式

稀土元素在地殼中明顯呈現(xiàn)偶數(shù)元素豐度高于相鄰奇數(shù)元素的現(xiàn)象，因此需要選定一種參照物(一般以球粒隕石為標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以便消除樣品中的奇偶效應(yīng)。筆者采用Boynton等[25]提出的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)值，對筇竹寺組樣品中稀土元素含量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。從分段特征來看(圖2b～d)：筇竹寺組底部、中部和頂部樣品中稀土元素配分模式曲線極為相似，尤其是頂部樣品曲線形態(tài)幾乎一致；整體來看(圖2a)，筇竹寺組樣品稀土元素配分模式曲線較為類似，曲線形態(tài)未發(fā)生明顯變化，表明樣品中元素的分布特征類型和沉積物來源一致，可以利用稀土元素特征更進(jìn)一步判斷物源區(qū)性質(zhì)。

由圖2可見，稀土元素配分曲線統(tǒng)一呈現(xiàn)右傾，表明輕稀土元素富集，重稀土元素嚴(yán)重虧損；反映輕、重稀土元素之間分異的參數(shù)(La/Yb)N(表2)在筇竹寺組處在7.70～12.46之間，平均為9.61，表明樣品中輕、重稀土元素分異程度大。這種分異現(xiàn)象隨著巖性的差異也各有不同。其中，在底部黑色碳質(zhì)頁巖、中部泥質(zhì)粉砂巖及上部泥質(zhì)灰?guī)r中參數(shù)(La/Yb)N平均值分別為11.07、9.35和7.94。表明底部碳質(zhì)頁巖中黏土礦物含量高，對輕稀土元素吸附能力更大，造成輕、重稀土元素分異程度大。

La—Eu段輕稀土元素斜率較大，Gd—Lu段重稀土元素部分較為平坦，指示輕稀土元素之間分餾程度的(La/Sm)N和重稀土元素之間分餾程度的(Gd/Yb)N在筇竹寺組樣品中平均分別為3.86和1.67，表明筇竹寺組樣品中輕稀土元素分餾程度高，重稀土元素分餾程度不高。

此外，所有樣品在銪元素(Eu)處呈“V”字形，表明Eu虧損，呈負(fù)異常(δEu平均為0.68)；同時(shí)Ce輕微虧損(δCe平均為0.92)。

4 稀土元素特征指示的地質(zhì)意義

稀土元素沉降速率快，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能保存大量的原始地球化學(xué)特征，而在外力的作用下又會發(fā)生富集和虧損。一般來說，受成巖作用影響，稀土元素的配分模式會發(fā)生變化，造成Ce富集、Eu虧損，削弱REE對原始沉積環(huán)境的指示意義[26-27]，并導(dǎo)致δCe、δEu與REE呈良好的相關(guān)性。

在對研究樣品分析后發(fā)現(xiàn)(圖3)，無論從整體上還是分段來看，δCe與REE、δEu的相關(guān)性均很低，其中整體上δCe與REE的相關(guān)系數(shù)約為0.45，而δEu與δCe相關(guān)系數(shù)則為0.27，說明這三者之間都不具相關(guān)特征，反映成巖作用對該組樣品的稀土元素配分基本無影響。因此，本文可以利用稀土元素來指示沉積環(huán)境及判斷物質(zhì)來源。

圖2 川東北楊壩剖面筇竹寺組樣品稀土元素配分模式Fig.2 REE distribution in Qiongzhusi Formation,Yangba section,northeastern Sichuan

圖3 川東北楊壩剖面筇竹寺組樣品中δCe與∑REE、δEu相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation of δCe vs.∑REE and δEu of Qiongzhusi Formation,Yangba section,northeastern Sichuan

4.1 物質(zhì)來源分析

前文稀土元素分布特征已經(jīng)揭示了筇竹寺組從底部到頂部沉積物來源穩(wěn)定，且存在陸源碎屑的供給。而稀土元素能夠快速沉積并賦存在沉積物的碎屑顆粒中，能夠很好地保留母巖的地球化學(xué)信息，因此常用來定性識別沉積物的來源特征[28]。

一般認(rèn)為，澳大利亞太古宇頁巖(PAAS)與北美頁巖(NASC)中稀土元素的平均含量基本代表了大陸上地殼稀土元素的的平均含量[29]，筇竹寺組樣品中稀土元素經(jīng)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的配分模式曲線呈現(xiàn)出的輕稀土元素富集、重稀土含量穩(wěn)定和明顯負(fù)Eu異常等特征，與太古宇頁巖和北美頁巖的變化趨勢相似(圖4)，因而判斷筇竹寺組的沉積物來源于上地殼。

此外，可以利用La/Yb與∑REE交會圖，通過識別某些巖石的成因特征，以判別沉積物來源及物源區(qū)特征[30]。圖5顯示筇竹寺組樣品點(diǎn)集中分布在沉積巖與花崗巖的交會區(qū)，因此筇竹寺組的物質(zhì)來源以沉積巖和花崗巖為主。

圖4 川東北楊壩剖面筇竹寺組頁巖段稀土元素與澳大利亞太古宇頁巖(PAAS)及北美頁巖(NASC)經(jīng)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的配分模式Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns of Qiongzhusi shale in Yangba section in northeastern Sichuan, compared with NASC and PAAS

圖5 川東北楊壩剖面筇竹寺組La/Yb與∑REE交會圖底圖來源于文獻(xiàn)[30]，有修改。Fig.5 ∑REE vs.La/Yb of Qiongzhusi Formation, Yangba section,northeastern Sichuan

4.2 物源區(qū)構(gòu)造背景

大地構(gòu)造背景和構(gòu)造演化會影響沉積物源的組成，導(dǎo)致稀土元素分布存在差異[31-32]。利用La—Th—Sc三角圖可以識別沉積物源的構(gòu)造背景，研究區(qū)筇竹寺組樣品投點(diǎn)介于大陸島弧與大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境之間(圖6)。根據(jù)被動(dòng)大陸邊緣與主動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景下沉積物中稀土元素特征[33]，研究區(qū)筇竹寺組輕稀土元素富集、Eu虧損(δEu介于0.63～0.78之間，平均為0.68)，與被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景下形成的稀土元素特征類似。上述結(jié)果一致說明筇竹寺組沉積在被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境中。

圖6 川東北楊壩剖面筇竹寺組La-Th-Sc構(gòu)造背景判別底圖來源于文獻(xiàn)[31]，有修改。Fig.6 Tectonic setting discrimination of La-Th-Sc of Qiongzhusi Formation,Yangba section,northeastern Sichuan

4.3 沉積環(huán)境分析

ELDERFIELD H等[34]提出在北美頁巖稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，利用Ceanom(Ceanom= lg[3×Cen/(2×Lan+Ndn)])來指示水體的氧化還原環(huán)境。當(dāng)Ceanom>-0.10，表示Ce富集，反映還原環(huán)境；反之則表示Ce虧損，沉積水體為氧化環(huán)境[35]。根據(jù)該公式計(jì)算得到的筇竹寺組巖樣中Ceanom普遍大于-0.10(表2)。除此之外，還可以利用元素Ce在不同氧化條件下的價(jià)態(tài)變化來指示水體的氧化還原環(huán)境[25,36]。一般說來，在還原環(huán)境中Ce多以Ce3+的形式存在，在氧化環(huán)境中則易被氧化為Ce4+。因此反映這種價(jià)態(tài)變化的δCe小于1時(shí)，反映Ce負(fù)異常，水體處于缺氧的環(huán)境中；而當(dāng)δCe>1時(shí)，反映Ce正異常。筇竹寺組巖樣經(jīng)過球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后，計(jì)算得到的δCe結(jié)果為0.88～0.96，平均為0.92(表2)?？傮w說明，無論是Ceanom還是δCe，均指示筇竹寺組整體上發(fā)育在水體缺氧的環(huán)境中。

為了進(jìn)一步弄清筇竹寺組從底部到頂部的差異，筆者利用對氧化條件較為敏感的微量元素V和Cr[37]，根據(jù)其比值來深入探討筇竹寺組從底部至頂部沉積時(shí)期環(huán)境的變化(圖7)。筇竹寺組從底部到頂部，V/Cr與δCe均略有差異(表2)。其中，底部V/Cr普遍較高，在2.3～8.8之間，平均為4.6，指示厭氧環(huán)境；中部V/Cr處于1.82～5.0之間，平均為2.8，屬于貧氧環(huán)境；至頂部V/Cr處于2.0～3.0之間，平均為2.4，同樣屬于貧氧環(huán)境。而從δCe來看，底部的值偏低，處于0.88～0.93之間，平均為0.90；至中上部δCe有所偏高，平均值分別為0.94和0.92，較之底部含氧量有所增加，還原性降低。這一特征正好與早寒武世沉積時(shí)海平面由深到淺的變化相對應(yīng)[38]，同時(shí)也與筇竹寺組底部有機(jī)質(zhì)豐度高，而中上部TOC含量很低的變化趨勢相一致。

圖7 川東北楊壩剖面筇竹寺組δCe，V/Cr和TOC含量縱向變化Fig.7 Vertical variation of δCe,V/Cr and TOC content of Qiongzhusi Formation,Yangba section,northeastern Sichuan

5 結(jié)論與討論

(1)稀土元素分布特征顯示：筇竹寺組總體上具有ΣREE高、輕稀土富集、重稀土元素虧損的特征；由于巖性的差異，研究區(qū)筇竹寺組從底部到頂部，輕、重稀土元素富集程度、分異程度存在差異，尤其是底部碳質(zhì)頁巖中黏土礦物含量高，輕、重稀土元素分異程度最大，更加富集輕稀土元素。

(2)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的REE 配分模式圖在筇竹寺組整體上呈左側(cè)傾斜、右側(cè)寬緩，同時(shí)呈現(xiàn)Eu負(fù)異常及Ce無異常的特征，從底部到頂部層位樣品中配分模式基本一致，反映了筇竹寺組整體上沉積物母質(zhì)來源一致。

(3)稀土元素La/Yb與∑REE交會圖及Eu負(fù)異常特征揭示，筇竹寺組沉積物源來自以被動(dòng)大陸邊緣為構(gòu)造背景的地區(qū)，其中母巖類型為沉積巖和花崗巖的混合；反映沉積水體介質(zhì)氧化還原條件的δCe與V/Cr參數(shù)指示筇竹寺組整體發(fā)育在缺氧的還原環(huán)境中，其中底部碳質(zhì)頁巖發(fā)育時(shí)沉積水介質(zhì)呈厭氧的環(huán)境，中部—上部地層沉積時(shí)含氧量有所增加，屬于貧氧—微弱氧化的環(huán)境。

(4)筇竹寺組整體沉積物源形成背景相似，巖性差異不大，但由于在后期沉積過程中水體介質(zhì)的差異，導(dǎo)致筇竹寺組從底部到頂部有機(jī)質(zhì)豐度差異較大，反映了不同水介質(zhì)環(huán)境對沉積物中有機(jī)質(zhì)的保存作用差異較大。因此，在沉積物源相似的情況下，沉積物的沉積環(huán)境是影響其烴源巖質(zhì)量的關(guān)鍵因素。