塔里木盆地早寒武世風(fēng)化—熱液耦合過程及其地質(zhì)意義

何濤華，李文浩，楊二強(qiáng)，盧雙舫，潘文慶，張寶收，應(yīng)俊鋒，朱鵬飛，王秀哲

(1.中國石油大學(xué)(華東)深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580； 2.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580； 3.中國石油塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

塔北輪探1井在8.2 km埋深處獲得高產(chǎn)油氣流(產(chǎn)油133.46 m3/d，產(chǎn)氣4.87×104m3/d)，再次印證塔里木盆地是一個(gè)具有豐富深層—超深層油氣資源的含油氣盆地，也是中國唯一大規(guī)模生產(chǎn)海相原油的克拉通盆地[1-5]。塔里木盆地下古生界海相原油主要來自寒武系—下奧陶統(tǒng)(C-—O1)和中上奧陶統(tǒng)(O2-3)兩套烴源巖[4,6-10]，但未明確烴源巖的具體來源或發(fā)育環(huán)境，并非C-—O1和O2-3都能成為烴源巖，如廣泛發(fā)育的下寒武統(tǒng)白云巖、中寒武統(tǒng)膏鹽巖和中上奧陶統(tǒng)灰?guī)r難以達(dá)到烴源巖標(biāo)準(zhǔn)[11-12]。根據(jù)250口探井的C-—O1烴源巖資料，采用BasinMod軟件計(jì)算不同地質(zhì)歷史時(shí)期烴源巖的成熟度，加里東運(yùn)動(dòng)期C-—O1烴源巖成熟度達(dá)到過成熟階段(Ro>2.0%)，不再具有生油的可能；志留紀(jì)之后，構(gòu)造活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致C-—O1烴源巖早期生成的原油幾乎全部遭到破壞，其中志留系大面積分布的瀝青砂顯示下古生界生成的原油至少損失133億t[8,13]。此外，O2-3烴源巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較低(w(TOC)<0.5%)，雖然也存在部分總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的O2-3烴源巖，但這類烴源巖累計(jì)厚度有限且分布范圍小，不足以形成大規(guī)模有效烴源巖，如塔西北地區(qū)的O2-3薩爾干組黑色頁巖(厚度為6.0～13.4 m)、塔中地區(qū)和北部坳陷的中奧陶統(tǒng)一間房組暗色泥巖(厚度小于10.0 m)，以及塔北、塔中和巴楚地區(qū)的上奧陶統(tǒng)良里塔格組富有機(jī)質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r(厚度小于25.0 m)[6,8,14]。因此，明確研究區(qū)主力烴源巖及其發(fā)育環(huán)境，對(duì)研究區(qū)下一步油氣勘探開發(fā)具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。

探井和野外露頭剖面數(shù)量的增加，以及探井深度的擴(kuò)大(輪探1井完鉆于8 884.0 m)表明，塔西北阿克蘇地區(qū)下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組(C-1y)烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度相對(duì)較低，塔西北、塔北和塔東地區(qū)也有該地層的存在。地震解釋表明，該地層幾乎分布于整個(gè)盆地，厚度最高為100.0 m；總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)極高(w(TOC)>5.0 %)，烴源巖厚度普遍大于20.0 m。此外，塔中、塔北重大油氣田主要分布于該套烴源巖周緣，推斷烴源巖是研究區(qū)豐富海相油氣資源的主要貢獻(xiàn)者[3,5,8,11]。人們對(duì)該套烴源巖的發(fā)育機(jī)制存在較大爭(zhēng)議，如塔西北露頭C-1y被認(rèn)為沉積于局限淺水陸棚、開闊陸棚、潮間—潮下帶至外緩坡中下部或深水盆地等環(huán)境[15-18]，而井下C-1y被認(rèn)為發(fā)育于半局限—局限蒸發(fā)臺(tái)地、潮坪或?yàn)I岸等環(huán)境[19-20]。這些結(jié)果影響塔里木盆地下古生界富有機(jī)質(zhì)烴源巖的分布預(yù)測(cè)及深層油氣勘探。

早寒武世處于全球氣候由冰室氣候向溫室氣候轉(zhuǎn)變過渡時(shí)期，風(fēng)化作用逐漸增強(qiáng)，受冰川融化的影響，全球海平面上升；同時(shí)，海底火山/熱液活動(dòng)強(qiáng)烈[21]。其中，陸源風(fēng)化和海底火山/熱液活動(dòng)是海洋生物營(yíng)養(yǎng)元素的重要來源，是生烴母質(zhì)相關(guān)生物勃發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)，促進(jìn)富有機(jī)質(zhì)烴源巖的形成[21-23]。以塔里木盆地西北地區(qū)的什艾日克(SARK)剖面和肖爾布拉克(XEBLK)剖面C-1y為研究對(duì)象，利用總有機(jī)碳、熱解、干酪根碳同位素、主量元素、微量元素、稀土元素及硅同位素等測(cè)試分析，研究塔里木盆地早寒武世風(fēng)化作用、熱液活動(dòng)及其對(duì)有機(jī)質(zhì)富集的影響，探討C-1y優(yōu)質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律，建立風(fēng)化—熱液耦合作用下的有機(jī)質(zhì)富集模式，為塔里木盆地深層油氣勘探提供參考；此外，風(fēng)化—熱液耦合模式可對(duì)無機(jī)礦產(chǎn)資源(磷礦、鋇礦等)勘探、早寒武世生命演化研究提供思路。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

塔里木盆地位于中國西北部，面積為5.6×105km2，古生界海相組合埋深大，主要埋深為6～12 km。塔里木板塊形成于晚元古宙，于早震旦紀(jì)發(fā)生裂解；柯坪地區(qū)隆起抬升，造成寒武系與埃迪卡拉系之間存在沉積間斷。隨早古生代地殼拉伸作用加強(qiáng)，南天山洋開始裂陷，阿克蘇及塔北地區(qū)開始下沉，C-1y沉積時(shí)期發(fā)生大規(guī)模海侵，形成一套厚度為20.0～40.0 m的海相地層，柯坪地區(qū)SARK剖面露頭、塔北的星火1、旗探1及輪探1井揭示地層的存在[3,24]。臺(tái)盆區(qū)海相地層分布較廣，自下而上主要發(fā)育下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組(C-1y)、肖爾布拉克組(C-1x)、吾松格爾組(C-1w)，中寒武統(tǒng)沙依里克組(C-2s)、阿瓦塔格組(C-2a)，上寒武統(tǒng)丘里塔格組(C-3q)，中下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組(O1p)、鷹山組(O1-2y)、一間房組(O2yj)，上奧陶統(tǒng)恰爾巴克組(O3q)、良里塔格組(O3l)、桑塔木組(O3s)。其中，C-1y在塔東地區(qū)被命名為西山布拉克組，O1-2y和O2yj在塔東地區(qū)被命名為黑土凹組，O2yj和O3q在塔西北地區(qū)被命名為薩爾干組。

受新元古代“柯坪運(yùn)動(dòng)”的影響，區(qū)域性地殼上升運(yùn)動(dòng)造成上震旦統(tǒng)奇格布拉克組頂部遭受不同程度剝蝕，剝蝕幅度自西向東加大，反映C-1y發(fā)育時(shí)期的古地貌呈東高西低趨勢(shì)，柯坪地區(qū)東部為C-1y發(fā)育時(shí)期的風(fēng)化物源方向[8]。塔里木盆地震旦紀(jì)—寒武紀(jì)玄武巖在盆地東北緣和西北緣廣泛出露，后期發(fā)育三次大規(guī)模地質(zhì)熱事件(奧陶紀(jì)、二疊紀(jì)和白堊紀(jì))。此外，寒武系在塔北、塔中、巴楚和塔東地區(qū)出現(xiàn)熱液活動(dòng)的痕跡，反映C-1y沉積時(shí)期可能受到下伏巖漿房產(chǎn)生的熱液影響[2]。為綜合研究風(fēng)化—熱液對(duì)C-1y烴源巖有機(jī)質(zhì)富集的影響，剖面選定在典型風(fēng)化—熱液疊合的塔里木盆地西北緣阿克蘇地區(qū)(見圖1)。該地區(qū)野外露頭顯示，C-1y巖性組合自下而上可分為三段，即底部的硅質(zhì)頁巖系，頻繁夾雜薄層頁巖、磷結(jié)核與重晶石；中部的黑色頁巖，夾薄層硅質(zhì)頁巖與一層灰?guī)r；頂部主要為白云巖。

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)

C-1y在塔西北阿克蘇地區(qū)出露完整，研究樣品主要采自阿克蘇地區(qū)西南部30 km處的XEBLK剖面和SARK剖面(見圖1)，在連續(xù)厚度不足16.0 m的C-1y黑色頁巖系剖面共整理42個(gè)樣品(見圖1)。所采樣品為受現(xiàn)代風(fēng)化溶蝕作用影響較弱的新鮮巖樣，并用瑪瑙研缽研磨至80和200目粉末，以備TOC、熱解、干酪根碳同位素、主量元素、微量元素及稀土元素測(cè)試分析。由于樣品類型多樣、空間覆蓋均勻、測(cè)試方法齊全，分析主要以測(cè)試結(jié)果為主，在連續(xù)剖面綜合分析時(shí)結(jié)合收集資料進(jìn)行驗(yàn)證。用于實(shí)驗(yàn)的23個(gè)樣品包括SARK剖面C-1y中部的黑色頁巖及薄夾層硅質(zhì)頁巖(BS)樣品12塊、底部的厚層硅質(zhì)頁巖(SR)6塊，XEBLK剖面C-1y底部的SR樣品5塊。實(shí)驗(yàn)過程包括：

圖1 塔西北地質(zhì)概況及取樣位置(據(jù)文獻(xiàn)[22]修改)

(1)TOC測(cè)試。首先采用體積分?jǐn)?shù)為10%的HCl處理實(shí)驗(yàn)樣品，去除無機(jī)碳；然后用LECO CS-600碳硫分析儀進(jìn)行檢測(cè)。

(2)熱解實(shí)驗(yàn)。取烘干的80目粉末樣品100 mg，置于Rock-Eval VI分析儀進(jìn)行檢測(cè)，獲取相應(yīng)熱解參數(shù)。

(3)采用玻片法分析主量元素。首先，將500 mg烘干的200目巖石樣品粉末置于溫度為1 000 ℃的馬沸爐高溫煅燒12 h，除去有機(jī)質(zhì)和殘留的水分；然后，稱取殘樣質(zhì)量并計(jì)算燒失量，再將殘余樣品與8倍于殘余樣品質(zhì)量的四硼酸鋰均勻混合，并倒入溫度為1 100 ℃的鉑金坩堝中高溫煅燒至熔融，制成玻璃片；最后，在Thermo fisher ARL 9900 X線熒光光譜儀上進(jìn)行檢測(cè)。

(4)采用酸溶法分析微量元素。首先，將50 mg干燥粉末樣品(200目)與1.0 mL HF置于Teflon罐中混合，在溫度為120 ℃的熱板上加熱至濕鹽態(tài)，以除去大部分Si；然后，添加1.5 mL體積分?jǐn)?shù)為100%的HF與1.0 mL體積分?jǐn)?shù)為100%的HNO3，置于溫度為190 ℃的爐中烘烤72 h，再添加1.0 mL體積分?jǐn)?shù)為100%的HNO3并轉(zhuǎn)移到溫度為160 ℃的熱板上加熱至濕鹽態(tài)，去除殘樣中的過剩Si；之后，添加3.0 mL體積分?jǐn)?shù)為30%的稀HNO3，并置于溫度為120 ℃的熱板上加熱12 h，待Teflon罐冷卻后添加足夠的去離子水稀釋定容至50 mL，以備測(cè)試用；最后，用Aurora M90儀器測(cè)試微量元素。

(5)稀土元素測(cè)試。主要采用ELEMENT XR等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行測(cè)試。

(6)干酪根碳同位素。首先，將80 g干燥粉末樣品(>80目)用索氏抽提抽72 h；然后，將抽提的樣品用體積分?jǐn)?shù)為100%的HCl和HF處理，分別去除樣品中的碳酸鹽和硅酸鹽；之后，用去離子水清洗至中性(pH≈7.0)，得到干酪根粉末；最后，用EA-MAT 253 PLUS聯(lián)用儀檢測(cè)干酪根碳同位素，檢測(cè)誤差小于5%。

此外，選取TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的2塊頁巖和2塊硅質(zhì)頁巖，以及來自塔中、塔北和塔西南的3個(gè)典型油樣(分別來自塔中12、英買2和瑪4井)，進(jìn)行芳基類異戊二烯烴的測(cè)試和鑒定，測(cè)試過程見文獻(xiàn)[22]。該化合物系列特征離子為m/z=133，隨碳數(shù)的增加，m/z=134離子強(qiáng)度相對(duì)增加，且C10～C31系列碳數(shù)中C12、C17、C23、C28出現(xiàn)相對(duì)豐度低值，指示烷基側(cè)鏈具有類異戊二烯烴的骨架結(jié)構(gòu)特征。

3 結(jié)果與討論

3.1 生烴潛力

TOC、有機(jī)質(zhì)類型、成熟度，氯仿瀝青“A”、氫指數(shù)及生烴潛量(S1+S2)等地球化學(xué)指標(biāo)可以有效指示烴源巖的生烴潛力[25-26]。對(duì)于高—過成熟的古老烴源巖，由于發(fā)生大量生、排烴，造成烴源巖內(nèi)富氫組分大量損失，使部分地球化學(xué)指標(biāo)失去指示生烴潛力的功能，尤其是氯仿瀝青“A”、氫指數(shù)和生烴潛量(S1+S2)明顯降低。TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在生、排烴過程中變化相對(duì)較小，在高—過成熟階段仍能反映烴源巖的古生烴潛力[27-28]。因此，主要根據(jù)TOC、有機(jī)質(zhì)類型和成熟度探討研究區(qū)烴源巖的生烴潛力。

XEBLK剖面SR的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍偏低，主要分布在0.01%～0.50%之間，平均為0.23%，為非烴源巖級(jí)別；同時(shí)期發(fā)育的鄰近SARK剖面SR的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，主要分布在0.93%～3.37%，平均為1.65%，為好烴源巖級(jí)別。SARK剖面BS的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較高，主要分布在6.55%～13.17%之間，平均為9.89%，為非常好的烴源巖(見圖2)。這種明顯的有機(jī)質(zhì)富集差異可能與沉積時(shí)期海洋古生產(chǎn)力和保存條件密切相關(guān)。

圖2 C-1y黑色頁巖系生烴潛力

干酪根碳同位素測(cè)試結(jié)果較輕，變化范圍為-36.67‰～-34.77‰，平均為-35.57‰，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，可能與較高的古生產(chǎn)力有關(guān)；因?yàn)楦∮沃参镌诠夂献饔眠^程中優(yōu)先俘獲富含12C的無機(jī)碳并將其轉(zhuǎn)化成自身有機(jī)質(zhì)，生物死亡后殘留有機(jī)質(zhì)碳同位素較輕[29]。

裂解烴S2潛量較低，普遍低于0.50 mg/g，使熱解峰溫Tmax偏高，最高為560 ℃，平均為493 ℃，指示Tmax不適合表征成熟度。采用相對(duì)可靠的瀝青質(zhì)反射率轉(zhuǎn)化的等效成熟度(EqRo)，探討研究區(qū)烴源巖的成熟度。塔西北C-1y烴源巖EqRo約為1.3%，表明成熟度處于成熟—高成熟階段，而非過成熟階段，與文獻(xiàn)[30]C-1y烴源巖(星火1井)EqRo約為1.5%一致，表明該地層至今處于生烴階段(EqRo=0.7%～2.0%)?，F(xiàn)今生烴潛量(S1+S2)普遍較低，分布在0.01～2.52 mg/g之間，平均為0.38 mg/g，可能與較強(qiáng)的生、排烴過程有關(guān)。此外，塔北最新探井(輪探1井)揭示，埋深約為8.7 km的C-1y烴源巖連續(xù)厚度約為26.0 m[3]，其EqRo約為1.7%。

塔西北及塔北的C-1y發(fā)育一套富有機(jī)質(zhì)烴源巖，有機(jī)質(zhì)豐度高，類型好，分布面積廣，厚度大，已經(jīng)歷大量生、排烴階段，是研究區(qū)豐富的重要油氣資源。

3.2 風(fēng)化作用

3.2.1 強(qiáng)度表征

目前，用于表征風(fēng)化作用強(qiáng)度的指標(biāo)有帕克風(fēng)化指數(shù)(WIP)[31]、化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)[32]、斜長(zhǎng)石蝕變指數(shù)(PIA)[33]、鎂質(zhì)指數(shù)(MgI)[34]和鎂質(zhì)蝕變指數(shù)(MIA)等[35]。各參數(shù)有自身應(yīng)用條件，一般不建議同時(shí)使用，如WIP主要用來表征硅酸鹽巖的風(fēng)化程度，MIA主要用來表征玄武巖的風(fēng)化程度，MgI主要用來評(píng)價(jià)鎂鐵質(zhì)巖石中含Mg礦物的風(fēng)化程度。主量元素測(cè)試結(jié)果表明，沉積物硅質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較高(w(SiO2)≈90%)，WIP是探討目的層風(fēng)化作用的最佳選擇[31]。此外，由于Ti元素主要來自陸源，在重礦物中相對(duì)富集，通常以風(fēng)成路徑(aeolian pathways)輸入海洋，由此建立的陸源碎屑輸入指數(shù)(TI)也能反映物理風(fēng)化作用強(qiáng)度[36-37]。

相對(duì)較高的WIP指示相對(duì)較強(qiáng)的物理風(fēng)化作用，往往伴隨陸源風(fēng)成輸入較高[31]；相對(duì)較低的WIP指示意義相反。XEBLK剖面SR的WIP主要分布在0.79%～4.69%之間，平均為2.67%；SARK剖面SR的WIP主要分布在2.29%～3.23%之間，平均為2.61%；SARK剖面BS的WIP主要分布在24.33%～50.68%之間，平均為34.94%，表明SR發(fā)育時(shí)期的物理風(fēng)化作用強(qiáng)度比BS發(fā)育時(shí)期的更弱。與此類似，研究區(qū)頁巖TI分布與WIP分布一致，SR發(fā)育時(shí)期TI普遍偏低，分布在1.00%～7.00%之間，平均為3.22%；BS發(fā)育時(shí)期TI主要分布在18.60%～25.89%之間，平均為22.39%，表明研究區(qū)黑色頁巖系沉積時(shí)期物理風(fēng)化作用相對(duì)較強(qiáng)。

3.2.2 物質(zhì)基礎(chǔ)

根據(jù)C-1y黑色頁巖系地球化學(xué)特征(見圖3)，WIP與Fe元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系(見圖3(a))，且總鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍低于澳大利亞太古代頁巖(PAAS)及上地殼(UCC)的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5.00%～7.22%)[37]，指示該元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能主要受陸源輸入的影響，而不是受熱液的控制。Fe是海洋浮游生物生長(zhǎng)必不可缺的元素，尤其在浮游植物光合作用、呼吸作用、蛋白質(zhì)合成等新陳代謝過程中具有不可替代的作用，因此Fe元素的供應(yīng)控制大部分海域的生物產(chǎn)率[22,38]。研究區(qū)Fe元素的輸入，促進(jìn)表層水體Fe元素的富集及浮游生物的大量繁殖，為沉積物中有機(jī)質(zhì)的富集提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)(見圖3(c))。大量陸源輸入稀釋古生產(chǎn)力，導(dǎo)致沉積物有機(jī)質(zhì)偏低[39]；研究區(qū)陸源輸入的相對(duì)增加有利于有機(jī)質(zhì)的富集(見圖3(d))，原因是陸源碎屑為水體中溶解有機(jī)質(zhì)提供吸附介質(zhì)，有利于有機(jī)質(zhì)的沉降，最終使有機(jī)質(zhì)聚集。

圖3 C-1y黑色頁巖系地球化學(xué)特征

與Ti元素相反，Al元素主要富集在以高嶺石、蒙脫石為主的細(xì)粒鋁硅酸鹽組分中，在溫暖潮濕氣候條件下經(jīng)歷強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化作用而大量發(fā)育，并主要以河流形式輸入海洋。由于不受氧化還原及成巖作用的影響，w(Al)/w(Ti)可以用來反映氣候條件，其中較高的w(Al)/w(Ti)指示潮濕氣候，陸源輸入以河流輸入為主；較低的w(Al)/w(Ti)指示干旱氣候，陸源輸入以風(fēng)成輸入為主。富有機(jī)質(zhì)的BS主要發(fā)育于偏干旱氣候條件，貧有機(jī)質(zhì)的SR主要發(fā)育于潮濕氣候條件(見圖3(h))。這與成巖校正的化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)判識(shí)結(jié)果一致(以CIA<60%為主，氣候整體處于半干旱—半濕潤(rùn)環(huán)境)[39-40]，即在相對(duì)干旱的氣候條件下，較強(qiáng)的物理風(fēng)化作用攜帶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促成表層浮游生物的勃發(fā)，有限的陸源輸入加強(qiáng)溶解有機(jī)質(zhì)的吸附和沉降，為富有機(jī)質(zhì)烴源巖的發(fā)育奠定良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.3 熱液活動(dòng)

3.3.1 證據(jù)

無論是深海高溫噴流、中低溫?cái)U(kuò)散流，還是淺海中低溫?zé)嵋夯顒?dòng)，直接向海水注入大量富含各種元素(Si和Ba等)的熱液及還原性氣體(H2S)，通過擴(kuò)散作用影響沉積物元素富集[40]。張春宇等總結(jié)富Si元素地層的硅質(zhì)來源，認(rèn)為Si元素主要來自大陸風(fēng)化硅酸鹽和硅鋁酸鹽、火山噴發(fā)或海底熱液活動(dòng)攜帶的深層硅，或來自繁盛的硅質(zhì)浮游生物，如放射蟲、海綿骨針和硅藻等[41]。C-1y發(fā)育時(shí)期風(fēng)化作用較弱，陸源輸入較低，鏡下觀察未發(fā)現(xiàn)陸源碎屑硅，因此可排除大陸風(fēng)化的貢獻(xiàn)；此外，在該地層中幾乎未發(fā)現(xiàn)豐富的硅質(zhì)浮游生物化石，說明生物來源的可能性也較小。

元素Al和Ti與陸源輸入相關(guān)，w(Al)/w(Al+Fe+Mn)與w(Fe)/w(Ti)隨時(shí)間變化較小，可用于熱液作用的評(píng)估[42]。熱液普遍虧損Al和Ti，且隨熱液沉積混入程度越高，w(Al)/w(Al+Fe+Mn)越低，w(Fe)/w(Ti)越高；當(dāng)w(Al)/w(Al+Fe+Mn)<0.60或w(Fe)/w(Ti)>15.00時(shí)，指示沉積物含有熱液來源[42-44]。由圖3(f)可知，隨熱液活動(dòng)強(qiáng)度的增加，硅質(zhì)頁巖更加發(fā)育；當(dāng)熱液活動(dòng)強(qiáng)度減弱時(shí)，黑色頁巖更加發(fā)育。

元素Eu和Ce的異常常被用于反映熱液沉積。無論是BS還是SR，沉積時(shí)期存在明顯的Eu正異常(Eu/Eu*>1)和Ce負(fù)異常(Ce/Ce*<1)[21-22]。其中，Eu正異常有兩種類型，一種為海底熱液沉積，另一種為未分異的安山質(zhì)島弧巖漿輸入。由于未有C-1y巖漿巖發(fā)育的報(bào)道，Eu正異常指示熱液成因：海底Eu3+被還原成Eu2+，之后Eu2+極易被熱液噴發(fā)的熱液礦物顆粒吸附，使沉積物中Eu大量富集。對(duì)不同沉積環(huán)境的硅質(zhì)沉積物進(jìn)行Ce異常分析，Ce負(fù)異常主要出現(xiàn)于大洋盆地及洋中脊環(huán)境，Ce正異常主要出現(xiàn)于陸相沉積環(huán)境。測(cè)試結(jié)果顯示Ce/Ce*為0.38～0.61，平均為0.48，反映C-1y沉積時(shí)期可能受海底熱液活動(dòng)的影響。此外，Al-Fe-Mn熱液判識(shí)三角圖(見圖4)及w(Th)/w(U)-w(Y)/w(Ho)交會(huì)圖(見圖5(d))指示熱液成因[42,45]，PAAS標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式(見圖5(a-b))的輕稀土富集也指示熱液沉積[46-48]。在下伏震旦系白云巖中可見被大量硅質(zhì)脈充填的熱液向海底滲漏的通道；SR底部發(fā)育層狀硅質(zhì)巖和重晶石，包裹體測(cè)試顯示富硅、富鋇兩類低溫—高鹽熱液事件，其中富硅熱液沉積時(shí)溫度為70～107 ℃，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.0%～26.0%；富鋇熱液沉積時(shí)溫度為190～198 ℃，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0%～19.0%；同期海水中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3.2%[41,49]。因此，研究區(qū)C-1y烴源巖中豐富的硅主要來源于海底熱液活動(dòng)。

圖4 C-1y黑色頁巖系A(chǔ)l-Fe-Mn熱液判識(shí)三角圖

圖5 C-1y黑色頁巖系稀土元素分布特征

3.3.2 與古海洋生產(chǎn)力關(guān)系

熱液活動(dòng)攜帶大量Zn、Ba、Cu等營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)入水體，造成表層水體生物勃發(fā)[18]。研究區(qū)檢測(cè)到這些元素的富集，其中Zn、Ba、Cu最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.491×10-3、85.425×10-3和0.500×10-3，與PAAS對(duì)應(yīng)的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，分別富集65、131和10倍(PAAS中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.085×10-3、Ba的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.650×10-3、Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.050×10-3)[37]，反映明顯的熱液活動(dòng)貢獻(xiàn)。硅質(zhì)頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)未隨這些元素(Zn、Ba、Cu等)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而相應(yīng)增加，而是表現(xiàn)明顯相反的變化(以w(TOC)<1.00%為主)，表明熱液活動(dòng)帶來的過量營(yíng)養(yǎng)元素并未促進(jìn)生物勃發(fā)。這可能與陸源營(yíng)養(yǎng)元素Fe的輸入不足有關(guān)，導(dǎo)致浮游生物生存環(huán)境相對(duì)缺Fe，抑制古海洋生產(chǎn)力的提高[18]。

此外，SR含有豐富的Si，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78.31%～92.81%，平均為89.15%，反映硅質(zhì)頁巖可能是熱液活動(dòng)的產(chǎn)物；BS的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯較低，為20.29%～75.84%，平均為51.67%，與PAAS的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(62.80%)相近，反映硅質(zhì)頁巖發(fā)育受熱液活動(dòng)影響較小。由圖3(g)可知，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明過量的熱液SiO2沉積速率較快，稀釋古海洋生產(chǎn)力，導(dǎo)致沉積物有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)更低。

3.3.3 誘發(fā)硫化缺氧環(huán)境

海底熱液活動(dòng)往往伴隨深部還原性氣體(H2S、CH4和H2)的釋放，造成氧化還原敏感元素(V、Ni、Mo和U等)的相對(duì)富集[50-51]。當(dāng)海底熱液成因H2S過多時(shí)，向淺層透光水域擴(kuò)散，使深水動(dòng)植物中毒。如二疊紀(jì)—三疊紀(jì)海洋大量發(fā)育的硫細(xì)菌指示，該時(shí)期生物大量滅絕的原因是H2S中毒；現(xiàn)代黑海水深約60 m處發(fā)育大量以H2S為食的硫細(xì)菌，使60 m以下水體的動(dòng)植物稀缺[52-53]。在C-1y烴源巖中檢測(cè)到豐富的芳基類異戊二烯烴(見圖6)，主要指示生活在透光厭氧帶的綠硫菌生源[52,54]。C-1y烴源巖沉積時(shí)期也發(fā)育透光厭氧帶。在營(yíng)養(yǎng)供給充足時(shí)，該透光厭氧帶以上浮游生物繁盛，以下為缺氧環(huán)境，致使表層水體浮游生物死亡，尸體在沉降過程中有效保存下來。

圖6 芳基類異戊二烯烴鑒定及生源棲息環(huán)境

圖7 C-1y黑色頁巖系沉積環(huán)境

熱液活動(dòng)對(duì)有機(jī)質(zhì)的富集具有兩面性：一方面，熱液活動(dòng)攜帶的還原性氣體(如H2S等)誘發(fā)硫化缺氧環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存；另一方面，當(dāng)熱液活動(dòng)較強(qiáng)時(shí)，攜帶的豐富SiO2對(duì)古海洋生產(chǎn)力起較強(qiáng)的稀釋作用，不利于烴源巖有機(jī)質(zhì)的富集。

4 風(fēng)化—熱液耦合過程及沉積模式

震旦紀(jì)—寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折時(shí)期(尤其是早寒武世)，全球海陸環(huán)境發(fā)生重大變化，最典型的是海洋頻繁的熱液活動(dòng)與陸地的巨大風(fēng)化不整合，同時(shí)還發(fā)生生物大爆炸(后生動(dòng)物崛起)[49]。由SARK剖面C-1y黑色頁巖系地球化學(xué)特征(見圖8，其中三角形數(shù)據(jù)來自于文獻(xiàn)[5,21])可知，塔西北C-1y硅質(zhì)泥巖與黑色頁巖有機(jī)質(zhì)富集主要受風(fēng)化作用與熱液活動(dòng)的共同約束，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與帕克風(fēng)化指數(shù)WIP，以及相關(guān)營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布形態(tài)一致，而與w(SiO2)和w(Al)/w(Al+Fe+Mn)熱液強(qiáng)弱指標(biāo)分布形態(tài)相反，建立研究區(qū)早寒武世風(fēng)化—熱液耦合作用下的有機(jī)質(zhì)富集模式[22](見圖9)。

圖8 SARK剖面C-1y黑色頁巖系地球化學(xué)特征

圖9 早寒武世風(fēng)化—熱液耦合作用下的有機(jī)質(zhì)富集模式

早寒武世，全球處于大冰期之后的冰川快速消融期，海平面快速上升，大氣圈CO2體積分?jǐn)?shù)較高，O2體積分?jǐn)?shù)較低；海底裂谷盆地或裂陷地槽發(fā)育，不存在大規(guī)模碰撞造山帶[58]。此時(shí)，塔里木盆地位于赤道附近(約北緯15°)，并與澳大利亞之間發(fā)育洋中脊及轉(zhuǎn)換斷層，氣候整體以半濕潤(rùn)—半干旱為主，風(fēng)化作用較強(qiáng)，以物理風(fēng)化為主[59]。風(fēng)化作用侵蝕大量陸地巖石，一方面將硅酸鹽巖轉(zhuǎn)化成碳酸鹽巖，消耗大量CO2；另一方面將巖石中的Fe等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)攜帶至海洋表層，使表層透光帶浮游植物勃發(fā)，通過光合作用轉(zhuǎn)化并以生物有機(jī)質(zhì)的形式固定大量CO2。此時(shí)，海洋發(fā)生頻繁的熱液活動(dòng)，伴隨大量深地營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(Si、Ba、Zn、Cu等)和H2S釋放進(jìn)入海洋，前者與陸源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)協(xié)同促進(jìn)浮游生物進(jìn)一步勃發(fā)而消耗CO2，后者誘發(fā)深層水體硫化缺氧環(huán)境及淺層水體的透光厭氧帶，避免生物有機(jī)體沉降通過水柱過程被氧化降解，從而有效保存大量有機(jī)碳。當(dāng)海洋熱液活動(dòng)強(qiáng)烈而風(fēng)化作用較弱時(shí)，雖然熱液營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)極度豐富，但風(fēng)化來源生物生長(zhǎng)必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(如Fe元素)供給不足，導(dǎo)致沉積水體營(yíng)養(yǎng)元素失衡，抑制浮游生物的勃發(fā)，降低有機(jī)質(zhì)輸入量；同時(shí)，過量的熱液硅輸入(SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高超過90%)及其快速沉積稀釋有限的古海洋生產(chǎn)力，使C-1y下段硅質(zhì)頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較低，主要分布在0.23%～1.65%之間。當(dāng)海洋熱液活動(dòng)較弱而風(fēng)化作用強(qiáng)烈時(shí)，熱液營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)雖然有限但依然相對(duì)充足，與風(fēng)化來源生物生長(zhǎng)必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)協(xié)同誘發(fā)浮游生物的繁盛，極大增加生物有機(jī)質(zhì)來源。同時(shí)，熱液硅來源有限，沉積速率較低，大量陸源輸入為水體中可溶有機(jī)質(zhì)提供充分的吸附質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的吸附和沉降，該過程受到熱液成因的硫化缺氧環(huán)境保護(hù)，使C-1y中段泥頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大量富集(平均為9.89%)。因此，早寒武世風(fēng)化—熱液耦合過程促進(jìn)富有機(jī)質(zhì)烴源巖的形成，為塔里木盆地豐富的油氣資源奠定重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

從碳循環(huán)角度，風(fēng)化—熱液耦合作用通過有機(jī)和無機(jī)兩種固碳方式單向不斷地增大大氣中的CO2的消耗，同時(shí)不斷通過光合作用提升大氣中的O2體積分?jǐn)?shù)。O2體積分?jǐn)?shù)的不斷增加促使單向消耗O2生物的發(fā)育，即后生動(dòng)物的崛起[60]。早寒武世大規(guī)模、頻繁的風(fēng)化—熱液耦合過程可能是寒武系生物大爆炸的關(guān)鍵因素之一。從無機(jī)礦產(chǎn)資源角度，風(fēng)化—熱液耦合作用通過化學(xué)溶蝕和沉淀作用，促進(jìn)Ba、P等成礦元素大量富集。早寒武世風(fēng)化—熱液現(xiàn)象在全球普遍發(fā)育，風(fēng)化—熱液過程對(duì)于國內(nèi)外相應(yīng)地層油氣勘探、無機(jī)礦產(chǎn)勘察及生命演化研究具有一定的啟示作用。

5 地質(zhì)意義

早寒武世塔里木盆地風(fēng)化—熱液耦合過程誘發(fā)特殊生物標(biāo)志化合物(芳基類異戊二烯烴)的形成。原油中該化合物系列單體碳同位素主要分布在-25‰～-14‰之間，普遍約為-18‰，整體明顯偏重，指示綠硫菌來源。截至目前，塔里木盆地下古生界烴源巖中有且僅有C-1y黑色頁巖系(泥質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖)檢測(cè)到該化合物系列，早寒武世風(fēng)化—熱液耦合過程誘發(fā)的芳基類異戊二烯烴指示綠硫菌生源。雖然下古生界原油含有豐富的芳基類異戊二烯烴系列化合物，但在所有寒武系—奧陶系烴源巖中未檢測(cè)到化合物，研究區(qū)必然發(fā)育一類包含化合物的烴源巖，且對(duì)現(xiàn)今豐富油氣資源做出重要貢獻(xiàn)[61-62]。根據(jù)該化合物的質(zhì)量色譜圖(見圖10)對(duì)比，風(fēng)化—熱液耦合過程誘發(fā)的烴源巖與塔中、塔北和塔西南原油具有良好的親緣關(guān)系[63]。最新探井(星火1、旗探1、輪探1井等)及地震解釋結(jié)果[61,64]表明，C-1y烴源巖在塔北地區(qū)分布較廣，盛產(chǎn)油氣的塔中、塔北隆起主要分布于烴源巖沉積中心周緣(見圖11)。透光厭氧環(huán)境下發(fā)育的烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，分布廣，為研究區(qū)豐富油氣資源做出重要貢獻(xiàn)。

圖10 基于芳基類異戊二烯烴的油源對(duì)比

圖11 塔里木盆地下寒武統(tǒng)烴源巖等厚圖(據(jù)文獻(xiàn)[61,63]修改)

6 結(jié)論

(1)塔里木盆地早寒武世風(fēng)化—熱液耦合過程促進(jìn)下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖的發(fā)育。其中，風(fēng)化作用一方面帶來大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)浮游生物的勃發(fā)；另一方面提供豐富的吸附介質(zhì)，促進(jìn)海洋有機(jī)質(zhì)沉積。熱液活動(dòng)一方面帶來豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)浮游生物的繁盛；另一方面攜帶大量還原性氣體(如H2S)，誘發(fā)巨厚的硫化缺氧水體，避免有機(jī)質(zhì)沉降過程中被巨厚水柱氧化而消耗，為有機(jī)質(zhì)沉降和保存提供重要保障。

(2)強(qiáng)風(fēng)化與弱熱液活動(dòng)耦合促進(jìn)塔西北C-1y烴源巖有機(jī)質(zhì)高度富集，總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為13.17%；耦合背景下發(fā)育的特殊、穩(wěn)定生物標(biāo)志化合物(芳基類異戊二烯烴)的油源對(duì)比顯示，烴源巖為研究區(qū)豐富的海相油氣資源做出重要貢獻(xiàn)。

(3)風(fēng)化—熱液耦合過程通過礦物風(fēng)化和光合作用增加CO2的固定，促進(jìn)大氣O2體積分?jǐn)?shù)的提升；在油氣領(lǐng)域促進(jìn)下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)烴源巖的形成，為下古生界深層—超深層油氣資源提供重要物質(zhì)基礎(chǔ)；在生命演化領(lǐng)域促進(jìn)寒武紀(jì)生命大爆發(fā)，在無機(jī)礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域有利于熱液、風(fēng)化礦產(chǎn)資源的富集。

致謝：長(zhǎng)江大學(xué)朱翠山老師在芳基類異戊二烯烴鑒定方面提供技術(shù)答疑；中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院楊海軍教授級(jí)高級(jí)工程師、南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院楊濤副教授、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所吳亞生副研究員在新疆采集野外露頭樣品、沉積、古生物、古海洋及油源對(duì)比方面提供地質(zhì)背景信息和幫助。