四川盆地北緣下寒武統(tǒng)頁巖生物標(biāo)志化合物特征及其地質(zhì)意義

韓雨樾，冉 波，李智武，劉樹根，葉玥豪，王 瀚，于曉璇

(成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610059)

隨著四川盆地威遠(yuǎn)、高石梯—磨溪等氣田展現(xiàn)出巨大的油氣勘探潛力，綿陽—長寧拉張槽成為了石油界的關(guān)注焦點[1-3]，該拉張槽內(nèi)沉積的下寒武統(tǒng)黑色頁巖是我國重要的海相烴源巖和頁巖氣勘探的重點目的層[3-4]。前人已對綿陽—長寧拉張槽開展了系統(tǒng)研究，但對其成因機(jī)理仍存在顯著爭議：(1)拉張成因，即綿陽—長寧拉張槽是興凱地裂運動拉張作用的結(jié)果[1-3]；(2)侵蝕成因，桐灣運動導(dǎo)致燈影組發(fā)生表生溶蝕使得筇竹寺組沉積時期發(fā)生欠補償沉積[5-6]。在地球物理與沉積學(xué)的雙重約束下前人得出截然不同的結(jié)論，究其原因在于未發(fā)現(xiàn)與構(gòu)造伸展作用密切相關(guān)的熱液或巖漿作用的證據(jù)。為深入探究綿陽—長寧拉張槽的形成機(jī)理，本文針對四川盆地北緣的下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖開展有機(jī)地球化學(xué)分析，基于分子化石層面約束綿陽—長寧拉張槽的成因。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地北緣米倉山地區(qū)出露良好的震旦—寒武系地層序列，由下至上包括：(1)震旦系的陡山沱組與燈影組；(2)下寒武統(tǒng)的寬川鋪組(川中地區(qū)又稱麥地坪組)、筇竹寺組(又稱牛蹄塘組)、滄浪鋪組和龍王廟組[6-7]。其中，本次研究的寬川鋪組的巖性主要為中—薄層碳酸鹽巖與泥巖互層；筇竹寺組下段主要為約25～50 m不等的富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖，上段粉砂質(zhì)含量逐漸增多[7-8]。震旦—寒武紀(jì)之交發(fā)生的桐灣運動使四川盆地北緣局部地區(qū)的寬川鋪組被隆升剝蝕，在筇竹寺組與燈影組之間形成了不整合[2-3]。本次研究挑選米倉山地區(qū)的大壩和福成剖面展開工作(圖1)。

2 樣品測試與結(jié)果

2.1 樣品測試

本次研究采集的6件樣品均為筇竹寺組下部的富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖段(圖2)，采集過程中只采集無明顯淋濾、風(fēng)化痕跡的新鮮樣品，采集完成后用塑料袋包裹，確保無二次污染。樣品在粉碎前去除邊緣可能受到風(fēng)化等作用影響的部分，并使用稀鹽酸淋洗以清理表面可能存在的污染物。為避免磨盤式粉碎機(jī)碎樣時熱效應(yīng)對有機(jī)質(zhì)的影響，本次實驗所用樣品均采用研缽人工粉碎。將樣品粉碎至200目以下后送至中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所實驗研究中心進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)分析，使用氣相色譜和氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS；儀器型號：Agilent 5973，HP 6890)對樣品生物標(biāo)志化合物進(jìn)行檢測，實驗流程詳見文獻(xiàn)[14]。

2.2 測試結(jié)果

本次研究的筇竹寺組黑色頁巖樣品的正構(gòu)烷烴總離子流分布形態(tài)以單峰型為主，主峰碳分布較為分散，分布于C20-C25(表1)?？傠x子流圖中正構(gòu)烷烴、類異戊二烯烷烴未見明顯缺失，但不可分辨的復(fù)雜有機(jī)混合物輕微升高(基線輕微抬升)，表明樣品受到輕微的微生物降解(圖3)[15-16]。樣品均不具有明顯的奇偶優(yōu)勢比，OEP平均為1.04，Pr/Ph普遍較低，介于0.12～0.52，平均為0.27，Pr/nC17與Ph/nC18變化較大，分別介于0.17～0.94與0.18～1.06(表1)。

圖1 揚子板塊早寒武世古地理[3，9-10]

圖2 四川盆地北緣寧強、大壩和福成剖面下寒武統(tǒng)的巖性柱狀圖樣品SZ-36至SZ-51引自文獻(xiàn)[8]，剖面位置見圖1。

樣品編號層位主峰碳OEPPr/nC17Ph/nC18Pr/Phγ-蠟烷指數(shù)4-甲基甾烷指數(shù)JG-1D-C1qC251.050.520.67 0.21 0.120.21JG-2D-C1qC251.070.68 0.81 0.12 0.150.26JG-3D-C1qC201.110.17 0.18 0.30 0.090.25FCG-3D-C1qC220.930.77 0.72 0.52 0.110.21FCG-3D-2-C1qC241.050.94 0.84 0.29 0.110.24FCG-3D-4-C1qC231.050.75 1.06 0.17 0.100.22

樣品的甾烷系列分布形態(tài)較為相似，規(guī)則甾烷C27、C28、C29三者在m/z=217圖譜中呈正“V”字形分布，均以規(guī)則甾烷C27為主峰，三者的相對含量呈現(xiàn)C27>C29>C28的關(guān)系。此外，樣品還檢測出一定量的4-甲基甾烷(圖3)，4-甲基甾烷指數(shù)(Σ4-甲基甾烷/ΣC29規(guī)則甾烷)介于0.21～0.26，平均為0.23(表1)。

研究區(qū)內(nèi)樣品的五環(huán)三萜烷分布差異不大，均以C30藿烷為主峰，而C31—C35升藿烷含量隨碳數(shù)增加逐漸降低，但樣品JG-2D和JG-23D的C35升藿烷含量出現(xiàn)異常陡增，可能由沉積環(huán)境改變造成[15,17]。樣品中普遍檢測出γ-蠟烷且分布穩(wěn)定，γ-蠟烷指數(shù)(γ-蠟烷/C30三萜烷)較為穩(wěn)定，介于0.09～0.15，平均為0.11(表1)。

3 討論

3.1 有機(jī)質(zhì)來源

前人研究表明，富有機(jī)質(zhì)的沉積物中脂類生物標(biāo)志化合物可以指示有機(jī)質(zhì)來源，但高演化程度會對沉積物中生物標(biāo)志化合物參數(shù)產(chǎn)生影響[12,15-16]，所以若僅分析單一生物標(biāo)志化合物參數(shù)，可能會造成結(jié)論的片面性[18]。因此，本文使用正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布、有機(jī)質(zhì)的奇偶優(yōu)勢比(OEP)、甾類化合物特征指標(biāo)共同約束有機(jī)質(zhì)母源的供給來源：(1)基于正構(gòu)烷烴分析，短鏈烷烴可能與藻類或細(xì)菌等低等浮游生物的供給有關(guān)，而長鏈烷烴則指示高等陸源植物的輸入；同時有機(jī)質(zhì)的奇偶優(yōu)勢比(OEP)不僅能指示有機(jī)質(zhì)成熟度，還可以反映有機(jī)質(zhì)來源，當(dāng)樣品不具有明顯的奇偶優(yōu)勢時，可認(rèn)為有機(jī)質(zhì)來源于低等生物或陸源植物所提供的蠟質(zhì)[15]。本次實驗所得總離子流圖主峰多分布在C24附近，樣品不具有奇偶優(yōu)勢比(OEP均值為1.04)，但這并不能說明有機(jī)質(zhì)來源于陸源高等植物，因為在早寒武世尚未出現(xiàn)高等陸源植物；其次樣品飽和烴總離子流(TIC)的分布形態(tài)與樣品OEP均易受成熟度影響，而研究區(qū)筇竹寺組黑色頁巖具有沉積時代老、演化程度高的特點，這會對上述2個參數(shù)產(chǎn)生一定的影響，因此研究區(qū)的筇竹寺組黑色頁巖中的有機(jī)質(zhì)主要由低等藻類供給[8]。(2)甾類化合物方面，首先本次實驗樣品中的規(guī)則甾烷C27、C28、C29三者在m/z=217圖譜中的分布關(guān)系表明，其相對含量基本呈現(xiàn)C27>C29>C28的關(guān)系，進(jìn)一步指示了筇竹寺組黑色頁巖中的有機(jī)質(zhì)主要來自紅藻、綠藻、硅藻及鞭毛藻等低等浮游植物的貢獻(xiàn)[11，16]；其次樣品中具有大量的4-甲基甾烷，明確指示沉積水體中存在微生物的活動，甲烷氧化菌是其生物前驅(qū)體[19-21]。基于上述脂類生物標(biāo)志化合物的解析，可判斷筇竹寺組黑色頁巖中有機(jī)質(zhì)母源可能由藻類等低等浮游生物和甲烷氧化菌等細(xì)菌共同提供。本次測試樣品雖未檢測到其他種屬細(xì)菌的分子化石，但并不能說明沒有其他種屬的細(xì)菌參與有機(jī)質(zhì)的富集過程，因為細(xì)菌作用(活動)的證據(jù)很難保存[12]。

圖3 四川盆地北緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組樣品正構(gòu)烷烴與類異戊二烯、甾類化合物、萜類化合物特征譜圖

前人研究已表明甲烷氧化菌與硫酸鹽還原菌均是典型的熱液噴口微生物，這些熱液噴口微生物對環(huán)境極為敏感，一旦熱液活動停止，與之相關(guān)的微生物群落結(jié)構(gòu)隨即會迅速消亡或轉(zhuǎn)變[22]，故可有效指示沉積環(huán)境是否存在明顯的熱液活動?；趽P子板塊的區(qū)域展布情況(圖1)，僅在2個克拉通內(nèi)裂陷區(qū)域的沉積水體中發(fā)現(xiàn)了甲烷氧化菌：(1)綿陽—長寧拉張槽北段的米倉山地區(qū)(福成剖面、大壩剖面)、中段磨溪—高石梯地區(qū)(MX21井、GS10井)[11]；(2)鄂西克拉通內(nèi)裂陷的南段(大庸剖面、桐林剖面)[12-13]。結(jié)合區(qū)域上筇竹寺組底部富集的Ni、Mo、Ba等熱液礦床(圖1)[23-25]，表明下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積時期揚子板塊內(nèi)裂陷地區(qū)具有明顯的熱液活動。來自于區(qū)域伸展運動產(chǎn)生的斷裂或裂縫使得深部熱液或巖漿得以釋放到水體中，而“先侵蝕、后沉積”這一沉積模式顯然無法為熱液活動提供通道。基于早寒武世揚子板塊北緣的正斷層較發(fā)育，這些伸展構(gòu)造作用有利于深部的熱液或巖漿沿著斷裂帶上涌，進(jìn)而為區(qū)域鋇礦床的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)[26]。同時，前人研究表明，上揚子地區(qū)下寒武統(tǒng)產(chǎn)出的鋇礦并非單一的熱液成因，其形成過程還伴有明顯的微生物硫酸鹽還原作用(BSR)[23]，進(jìn)一步指示了研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷裂可為熱液活動提供通道，促進(jìn)熱液微生物的發(fā)育。但從時間的縱向分布來看，北段米倉山地區(qū)寧強剖面的寬川鋪組樣品中卻未檢測出4-甲基甾烷[8]，這從另一側(cè)面表明筇竹寺組沉積時期應(yīng)是上揚子內(nèi)裂陷作用最強烈的階段。

3.2 古海洋環(huán)境分析

圖4 四川盆地北緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組樣品Pr/n C17—Ph/n C18關(guān)系圖版據(jù)文獻(xiàn)[16, 27],大庸剖面數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[12]，磨溪—高石梯數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[11]。

3.3 拉張槽水體模型構(gòu)建

自Rodinia超大陸裂解開始，揚子板塊北緣自新元古代起就一直處于伸展背景，震旦—寒武紀(jì)之交因受桐灣運動與興凱地裂運動的共同作用形成綿陽—長寧拉張槽[2, 7]，其形成過程可分為3個階段。

3.3.1 拉張初期(麥地坪組沉積時期)

桐灣運動使燈影組遭受隆升剝蝕是綿陽—長寧拉張槽形成的基礎(chǔ)，麥地坪組沉積時期綿陽—長寧拉張槽處于拉張較弱的初期，可見典型斜坡相的重力流砂質(zhì)白云巖[5]。

3.3.2 拉張高潮期(筇竹寺組沉積時期)

區(qū)域拉張作用的持續(xù)增強使得拉張槽內(nèi)的深度與寬度不斷擴(kuò)大，其沉積環(huán)境共受到3個方面的影響：(1)水體環(huán)境，從拉張初期的富氧淺水環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖跎钏h(huán)境；(2)熱液作用，強烈拉張作用所產(chǎn)生斷裂為深部的熱液提供了良好的上升通道；(3)生物作用，厭氧的熱液生物出現(xiàn)并加入海洋循環(huán)中。這三方面變化并非孤立，而是共同作用于拉張槽區(qū)域內(nèi)的沉積水體環(huán)境。

(2)富氧的淺部水體。淺部水體不僅可以受到充足光照并溶解大氣中的氧氣，而且更易接受到由于風(fēng)化、剝蝕以及河流作用搬運至古海洋的營養(yǎng)物質(zhì)，因此淺部水體為藻類等低等浮游生物的發(fā)育繁殖提供了有利條件。低等浮游生物與深部水體中的細(xì)菌死亡后，被黏土礦物吸附沉降到水體底部，成為底部水體沉積物中有機(jī)質(zhì)的主要來源之一(圖5)。因此深部水體發(fā)育的甲烷氧化菌不僅可為沉積物提供有機(jī)質(zhì)，更為重要的是在其生命代謝過程中能促進(jìn)淺層水體藻類等低等浮游生物的發(fā)育與繁殖，這可能是古海洋生產(chǎn)力提高的主要原因[35]。

3.3.3 拉張晚期(滄浪鋪—龍王廟組沉積時期)

早寒武世晚期揚子板塊與岡瓦納超大陸發(fā)生碰撞，揚子板塊北緣由伸展向擠壓轉(zhuǎn)換，同時板塊碰撞為綿陽—長寧拉張槽輸入大量來自岡瓦納大陸的陸源碎屑，致使拉張槽水體逐漸變淺，巖性由黑色頁巖向砂巖轉(zhuǎn)變；龍王廟組沉積時期，拉張作用基本停止，巖性以碳酸鹽巖為主，表明拉張槽停止發(fā)育，沉積相由淺水陸棚轉(zhuǎn)變?yōu)闇\海相(圖5)[3,7]。

4 結(jié)論

(1) 揚子板塊北緣下寒武統(tǒng)黑色頁巖的有機(jī)地球化學(xué)特征表明，研究區(qū)筇竹寺組黑色頁巖有機(jī)質(zhì)主要來源于低等浮游藻類與細(xì)菌的雙重供給。

(2)較低的Pr/Ph值、γ-蠟烷與4-甲基甾烷的產(chǎn)出表明，黑色頁巖沉積于鹽度較高的缺氧環(huán)境并存在水體分層現(xiàn)象，可以為藻類等低等浮游生物與厭氧的喜鹽微生物同時提供良好的發(fā)育環(huán)境。

圖5 早寒武世四川盆地綿陽—長寧拉張槽的古海洋環(huán)境示意

(3)4-甲基甾烷作為熱液噴口微生物甲烷氧化菌的分子化石，其產(chǎn)出為綿陽—長寧拉張槽的拉張成因提供了微生物分子化石證據(jù)。

(4)水體中的熱液噴口微生物不但是下寒武統(tǒng)黑色頁巖有機(jī)質(zhì)的重要來源，同時通過自身新陳代謝，可以促進(jìn)淺層水體中的低等浮游生物發(fā)育、繁殖，進(jìn)而提高古海洋的生產(chǎn)力。