四川盆地YS112井五峰組—龍一段有機質(zhì)富集機制研究*

閆嘉啟 胡晨林 田繼軍石浩程 段文剛 張喜淳

（1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院 烏魯木齊 830017；2.新疆大學(xué)，新疆中亞造山帶大陸動力學(xué)與成礦預(yù)測自治區(qū)重點實驗室 烏魯木齊 830017）

四川盆地奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組黑色頁巖，其厚度穩(wěn)定、有機質(zhì)豐度高，為一套優(yōu)質(zhì)的海相烴源巖，是頁巖氣勘探開采的重要層系（騰格爾等，2006；嚴德天等，2008；李艷芳等，2015；翟剛毅等，2017；Hu et al.，2019；邱振等，2020；袁余洋等，2020）。有機質(zhì)含量是影響頁巖生烴能力的重要因素，且有機質(zhì)含量與含氣量具有良好的正相關(guān)性（林俊峰等，2017）。因此，明確五峰組—龍馬溪組黑色頁巖有機質(zhì)富集機制，可為頁巖氣勘探開發(fā)提供一定的地質(zhì)依據(jù)。國內(nèi)外眾多學(xué)者認為生產(chǎn)力水平、氧化還原條件、相對海平面的變化、氣候演化、物源條件的變化、構(gòu)造運動、火山作用等是制約海相頁巖中有機質(zhì)富集的重要因素（Yan et al.，2012；林俊峰等，2017；何龍等，2019；郭偉等，2021）。但對有機質(zhì)富集機理還存在爭議，一部分學(xué)者認為，保存條件（包括水體氧化還原條件及沉積速率）是控制有機質(zhì)富集的主要因素（Demaison and Moore，1980；Ingall et al.，1993；Canfield，1994）。另一部分學(xué)者認為，有機質(zhì)富集主要受海洋淺表層生物初級生產(chǎn)力控制（Pedersen and Calvert，1990；Sageman et al.，2003；Gallego-Torres et al.，2007；嚴德天等，2009；何龍等，2019）。還有一部分學(xué)者認為，有機質(zhì)富集是由受這兩種因素共同控制的結(jié)果（Ross and Bustin，2009；Fu et al.，2014；李艷芳等，2015；張琴等，2018）。然而，現(xiàn)在關(guān)于四川盆地頁巖中有機質(zhì)的富集機制問題尚未達成一致。嚴德天等（2008）指出揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色富有機質(zhì)頁巖的形成是由于較高初級生產(chǎn)生力、高埋藏率以及黏土礦物在有機質(zhì)富集保存中的賦存駐留作用共同疊加形成的結(jié)果；陳代釗等（2011）認為陸源營養(yǎng)輸入增加引發(fā)生物產(chǎn)率増加，造成了有機質(zhì)的富集和保存；張春明等（2012）認為缺氧環(huán)境和較緩慢的沉積速率是造成有機質(zhì)富集的主要因素；吳藍宇等（2018）認為火山活動提供大量營養(yǎng)物質(zhì)促進海洋生物大量繁殖，提高海洋生產(chǎn)力，同時火山作用產(chǎn)生的缺氧硫化環(huán)境有利于有機質(zhì)的保存；李季林等（2019）認為有機質(zhì)含量受生物輸入影響，筆石對有機質(zhì)的富集影響程度較大。本文通過對黑色頁巖的巖心、筆石、礦物組分和地球化學(xué)指標結(jié)合Ce和有機碳同位素特征來探討五峰組—龍一段有機質(zhì)富集機制，為下一步該地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)提供一定的地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

四川盆地地處我國西南部，西鄰松潘—甘孜褶皺帶，北鄰秦嶺海盆，為揚子板塊內(nèi)部一個次級克拉通盆地（聶海寬等，2017；何龍等，2019；葛祥英，2020）（圖1a）。早奧陶世揚子地區(qū)整體處于陸表海環(huán)境下，沉積大套碳酸鹽巖。中奧陶世后，由于揚子板塊與華夏板塊的匯聚作用，揚子板塊進入前陸盆地構(gòu)造演化階段（尹福光等，2001；萬方等，2003）。晚奧陶世—早志留世時期，華夏板塊向揚子板塊進行俯沖擠壓，同時北部的被動大陸邊緣也向華北板塊俯沖，秦嶺洋開始收縮匯聚，使周緣古陸隆起抬升，形成半封閉、滯留、低能、欠補償?shù)木窒藓Ｅ瑁ɡ钇G芳等，2015；何龍等，2019；葛祥英，2020），整體上為半深水—深水陸棚沉積環(huán)境（董大忠等，2010；張海全等，2013；李皎等，2015；徐政語等，2015；王鵬萬等，2018）。

研究區(qū)YS112井位于四川盆地南部，距宜賓市100 km。地處四川盆地與云貴高原結(jié)合部，構(gòu)造上位于四川盆地南部川南低陡褶帶南緣羅場復(fù)向斜南緣帚狀構(gòu)造帶末端，南與滇北坳陷相鄰（陳超，2018），構(gòu)造作用相對較弱，構(gòu)造形態(tài)相對簡單（圖1b）。垂向上依次發(fā)育寶塔組、五峰組、龍馬溪組和石牛欄組。寶塔組主要是一套灰色、深灰色灰?guī)r，頂部發(fā)育一套灰色瘤狀灰?guī)r與上覆五峰組分界明顯（圖2）。五峰組主要發(fā)育一套厚4.7 m的黑色頁巖，筆石含量豐富，底部發(fā)育一套厚約20 cm的深灰色灰質(zhì)泥巖，頂部發(fā)育一套厚約40 cm的灰色介殼灰?guī)r，其中可見腕足類化石Hirnantia生物群（李艷芳等，2015），電阻率曲線呈平緩狀，從上至下逐漸降低。龍馬溪組厚度較大分為兩段，龍一段是一套富有機質(zhì)高成熟的黑色頁巖（陸揚博等，2017；郭旭升等，2019），富含筆石、黃鐵礦等；龍二段為灰黑色灰質(zhì)泥巖、灰黑色灰質(zhì)頁巖、深灰色泥灰?guī)r夾灰質(zhì)粉砂巖。

圖2 YS112井五峰組—龍馬溪組地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram of Wufeng-Longmaxi formations in YS112 well

2 樣品采集和分析方法

2.1 樣品采集

樣品采于四川省宜賓市珙縣石碑鄉(xiāng)YS112井上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍一段，本次研究共采集80件樣品。其中，自下而上按20 cm間隔，選取五峰組—龍一段樣品，在五峰組—龍馬溪組界限處按5 cm間隔選取。每件樣品逐層劈開，系統(tǒng)收集和鑒定筆石化石，然后進行總有機碳（TOC）、偏光顯微鏡、掃描電鏡、有機碳同位素、X-射線衍射和微量元素測試。

2.2 分析方法

根據(jù)巖性變化，選擇其中28件樣品進行地球化學(xué)分析。所有測試均在中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院廊坊分院完成。有機碳和有機碳同位素測試采用酸溶法對樣品進行預(yù)處理，有機碳測試使用Leco碳硫測定儀進行測試，分析精度為±2‰，有機碳同位素使用同位素比值質(zhì)譜儀（MAT253）進行測試，微量—稀土元素分析采用電感耦合等離子體法使用ICP-MS完成，相對誤差小于2%。X-衍射使用RINT-TTR3型X射線衍射儀進行分析。

3 宏觀特征

3.1 巖石學(xué)特征

五峰組—龍馬溪組巖性主要為灰色、灰黑色富有機質(zhì)的細粒沉積巖（王秀平等，2019）。通過巖心、偏光顯微鏡下觀察、X-衍射分析及掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，五峰組以黑色頁巖為主，五峰組中—下部主要為富碳含黏土硅質(zhì)頁巖，以泥質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，碎屑顆粒呈定向排列，炭質(zhì)多呈定向排列分布在粉砂質(zhì)顆粒之間，有機質(zhì)含量較高，方解石受有機質(zhì)暈染的影響形成溶蝕邊（圖4a）?？梢婞S鐵礦礦脈沿層理分布（圖3a）。五峰組上部發(fā)育泥晶生屑灰?guī)r，可見泥晶結(jié)構(gòu)，生物碎屑分散于泥質(zhì)基質(zhì)中（圖4b～圖4d），頂部見五峰組標志層深灰色介殼灰?guī)r（圖3b）與上覆龍馬溪組區(qū)分。龍一段主要巖性為黑色頁巖，富含黃鐵礦（圖3c、圖3d），可見水平層理（圖3e，圖4e、圖4f），指示龍一段底部頁巖是在相對安靜的深水環(huán)境下緩慢沉積形成的。巖心可見沖刷痕跡（圖3f），巖性為粉砂巖。濁流一般小于10 cm，上下均為正常沉積的黑色頁巖（圖3f），指示在龍一段沉積時期發(fā)育濁流沉積，龍二段主要發(fā)育低碳含黏土粉砂質(zhì)頁巖（圖4e、圖4f）。

圖3 YS112井五峰組—龍一段取心段照片F(xiàn)ig.3 Coring section photo of Wufeng Formation to Longyi member in YS112 well

圖4 YS112井五峰組—龍一段取心段薄片照片F(xiàn)ig.4 Thin section of coring section from Wufeng Formation to Longyi member in YS112 well

對YS112井五峰組—龍馬溪組進行全巖和黏土礦物分析的結(jié)果表明：礦物組分以黏土礦物、石英和碳酸鹽類礦物為主，其次為長石，另外還可見到少量黃鐵礦、絹云母、炭質(zhì)等礦物。其中黏土礦物平均含量介于8.50%～49.8%，均值為33.63%；石英含量介于12.9%～36.4%，均值為28.82%；長石含量介于6.08%～24.95%，均值為13.09%；碳酸鹽礦物含量較高，其中白云石含量介于1.07%～42.29%，均值為8.55%；方解石含量介于5.07%～27.35%，均值為12.42%；黃鐵礦在五峰組—龍馬溪組中均有分布，含量為1.8%～5.90%，均值為3.06%。隨深度增加，五峰組—龍馬溪組黏土礦物含量逐漸減少，石英含量逐漸增加，整體上脆性礦物含量較高。黏土礦物主要以伊利石、高嶺石、伊/蒙混層為主，含有少量綠泥石。

掃描電鏡下可見大量粉砂級碎屑顆粒，分散于泥質(zhì)基質(zhì)中（圖5a、圖5c）；粉砂質(zhì)碎屑含量介于29.95%～47.12%，碎屑物質(zhì)主要以石英和長石為主，受后期溶蝕作用的影響，長石邊緣多蝕變?yōu)橐晾▓D5e、圖5h）；可見伊/蒙混層礦物，呈葉片狀與黃鐵礦共生（圖5g）；綠泥石含量很少，呈片狀，多與鉀長石、伊利石等混雜共生（圖5e）；黃鐵礦大量發(fā)育，多見草莓狀黃鐵礦集合體與黏土礦物和有機質(zhì)伴生（圖5b、圖5d、圖5g），指示當時整體處于深水缺氧的還原環(huán)境下；云母礦物多呈片狀充填與孔隙及裂縫中（圖5e），碳酸鹽巖礦物含量較少，多以自生礦物充填在礦物孔隙當中，局部可見方解石膠結(jié)（圖5f）；YS112井五峰組—龍馬溪組中有大量發(fā)育的生物溶孔（圖5i），指示YS112井五峰組—龍馬溪組有大量生物活動，當時為水體較深的沉積環(huán)境。

圖5 YS112井掃描電鏡顯微照片F(xiàn)ig.5 SEM micrograph of YS112 well

3.2 古生物特征

筆石是已經(jīng)滅絕的海洋生物，具有一定的深度分帶（陳旭等，2017；陳清等，2018）存在于中寒武世—早石炭世的地層中，在奧陶紀和志留紀最為繁盛（陳旭等，2015），多以漂浮生活為主，廣泛分布在黑色富有機質(zhì)頁巖中（聶海寬等，2017）。晚奧陶世發(fā)生的赫南特期冰川事件導(dǎo)致的生物大滅絕（Delabroye and Vecoli，2010；伍坤宇，2015）和早志留紀冰川消融導(dǎo)致的生物復(fù)蘇（Finney et al.，2010；Yan et al.，2012；伍坤宇，2015）加速了筆石動物群的演替，造成五峰組—龍馬溪組筆石種類、豐度相差較大。

陳旭等（2015）以筆石和腕足動物為基礎(chǔ)建立上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)生物地層系統(tǒng)（圖6），五峰組—龍馬溪組依次跨越凱迪階、赫南特階、魯?shù)るA、埃隆階和特列奇階5個階，相應(yīng)13個筆石帶。

圖6 中國南方五峰組—龍馬溪組生物地層劃分表（據(jù)陳旭等，2015）Fig.6 Biostratigraphic classification of the Wufeng-Longmaxi formations in southern China（according to Chen et al.，2015）

YS112井五峰組分為上、下兩段，五一段為一套黑色筆石頁巖段，其中發(fā)現(xiàn)Glyptograptusxiushanesis Mu（圖7a），指示當時處于深水環(huán)境中；在五二段頂部可見一套薄層介殼灰?guī)r（圖7b）與上覆龍馬溪組的明顯界限。龍馬溪組可分為上、下兩段，其中龍一段為黑色筆石頁巖段，龍二段粉砂質(zhì)條帶逐漸增多，可見Glyptograptus x（圖7c）、Pristiograptus gregarius（圖7d）、Rastrites leiboensis Ye（圖7e）及Demirastitesdecipiens（圖7f），指示在龍一段至龍二段沉積時期處于一個水體變淺的環(huán)境中。

圖7 YS112井巖心筆石圖版Fig.7 Graptolite chart of core in YS112 well

整體上，YS112井五峰組—龍馬溪組龍一段生物屬種多，富含筆石、放射蟲、海綿骨針等，上部屬種相對單一，以筆石為主；其自下而上可劃分11個筆石帶，整體呈現(xiàn)“雙列式為主—過渡帶—單列式為主”的特征（圖8）。

圖8 YS112井五峰組—龍一段含氣頁巖段生物地層柱狀圖及巖心照片F(xiàn)ig.8 Biostratigraphic histogram and core photos of gas bearing shale member from Wufeng Formation to Longyi member in YS112 well

4 分析結(jié)果

4.1 有機碳（TOC）含量特征

TOC含量是頁巖氣聚集成藏的重要控制因素（郗兆棟等，2018），生烴潛力和含氣量等與TOC含量呈正相關(guān)關(guān)系，TOC含量越高，越有利于頁巖氣的成藏和富集（郗兆棟等，2016，2017；左兆喜等，2017）。五峰組—龍一段TOC含量介于0.65%～6.65%，均值為1.81%；在不同層位TOC差異較大，其中五峰組TOC含量介于1.04%～5.37%，均值為4.32%，整體上屬于富有機質(zhì)頁巖，垂向上TOC含量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；龍一段TOC含量介于0.52%～6.65%，均值為1.47%，TOC含量差異較大，其中龍一1亞段TOC含量介于1.91%～6.65%，均值為3.71%，整體上屬于富有機質(zhì)頁巖，垂向上TOC含量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。龍一2亞段TOC含量介于0.52%～1.01%。平均為0.72%，TOC含量較低（表1）。

表1 YS112井五峰組—龍馬溪組有機碳（TOC）特征Tabel 1 TOC characteristics of Wufeng-Longmaxi Formations in YS112 well

4.2 氧化還原特征

沉積環(huán)境控制巖石類型、礦物組成、有機質(zhì)類型及豐度等，進而影響頁巖油氣藏（Bowker，2007）。氧化還原環(huán)境是影響海洋生物分布、演化和有機質(zhì)富集的重要因素（何龍，2020）。過渡元素Ni、Co、V、Cr、U和Th等對氧化還原環(huán)境條件下變化敏感，是確定古海洋氧化還原條件的重要指標（Zhou et al.，2011；張琴等，2018）。泥頁巖中等細粒沉積物的Ni/Co、V/Cr、U/Th的比值，被廣泛用于氧化還原環(huán)境的判別中（Wojcik-Tabol，2015；何龍，2020）。通常在沉積盆地中，V/Cr＜2指示氧化環(huán)境，2＜V/Cr＜4.25指示貧氧環(huán)境，V/Cr＞4.25指示強烈缺氧環(huán)境；U/Th＜0.75指示氧化環(huán)境，0.75＜U/Th＜1.25指示貧氧環(huán)境，U/Th＞1.25指示強烈缺氧環(huán)境；Ni/Co＜5指示氧化環(huán)境，5＜Ni/Co＜7指示貧氧環(huán)境；Ni/Co＞7指示強烈缺氧環(huán)境（Jones and Manning，1994）。由表2可知，研究區(qū)五峰組黑色頁巖段的Ni/Co、V/Cr、U/Th的均值分別為6.96、3.02、1.05，指示貧氧—厭氧環(huán)境；在五峰組底部Ni/Co、V/Cr、U/Th值分別為4.06、1.32、0.52，指示富氧環(huán)境；隨后逐漸向缺氧環(huán)境過渡，在五峰組頂部Ni/Co、V/Cr、U/Th值分別為10.00、4.59、1.56，指示缺氧環(huán)境；在龍馬溪組龍一1亞段黑色頁巖中，Ni/Co、V/Cr、U/Th均值分別為5.47、2.22、0.85，指示貧氧環(huán)境；其中在龍一11小層Ni/Co、V/Cr、U/Th值分別為6.81、2.01、2.10，指示缺氧—貧氧環(huán)境；隨后逐漸向富氧環(huán)境過渡，在龍一—龍一小層黑色頁巖段的Ni/Co、V/Cr、U/Th值分別為7.21、2.79、1.39，指示貧氧—缺氧環(huán)境；在龍馬溪組龍一—龍一小層黑色頁巖段的Ni/Co、V/Cr、U/Th平均值分別為2.82、1.28、0.19，指示富氧環(huán)境。綜上所述，研究區(qū)五峰組—龍一小層黑色頁巖發(fā)育時處于長期缺氧—貧氧的還原性水體環(huán)境中，龍一—龍一小層黑色頁巖發(fā)育時處于富氧的氧化性水體環(huán)境中。

表2 YS112井五峰組—龍馬溪組氧化還原特征Tabel 2 Redox characteristics of Wufeng-Longmaxi Formations in YS112 well

4.3 海平面變化特征

Ce是氧化還原敏感元素，且其在研究海平面升降變化中應(yīng)用越來越多。Ce在垂向上的持續(xù)變化可以恢復(fù)地質(zhì)歷史時期中的區(qū)域海平面的連續(xù)變化（Wilde et al.，1996；張琴等，2018）。Wilde et al.（1996）認為通過Ce異常與海水不同深度的溶解氧濃度的相關(guān)性，來識別海平面變化。Ce的存在形式主要受氧化還原條件的控制，在氧化條件下，Ce4+在海水中的溶解度很低，因此海水中Ce相對虧損呈現(xiàn)負異常（δCe＜1），而在沉積物中則為正異?；驘o明顯負異常；在缺氧還原條件下，沉積物中的Ce以Ce3+形式釋放到水體中，因此海水中Ce相對富集呈現(xiàn)正異常（δCe＞1），而在沉積物中表現(xiàn)為負異常。隨著海水深度增加，溶氧量隨之減小，相應(yīng)的Ce異常也發(fā)生規(guī)律性變化，從而指示海平面的變化（Wilde et al.，1996；張琴等，2018；何龍等，2019）。五峰組—龍一段具有明顯的Ce負異常，δCe介于0.75～0.90，均值為0.86，為負異常，反映當時整體上處于缺氧環(huán)境下。δCe發(fā)生兩次較大規(guī)模的異常值變化，五峰組δCe介于0.77～0.90，均值為0.84，為缺氧環(huán)境，發(fā)生大規(guī)模海退，其中在五峰組與龍馬溪組界線處，δCe負異常明顯，對應(yīng)的海平面下降到最低，這恰好響應(yīng)了跨越奧陶—志留紀之交的赫南特冰期；冰期結(jié)束后，在龍馬溪期δCe開始迅速增大，穩(wěn)定在0.86～0.88之間，反應(yīng)海平面逐漸上升，為龍馬溪組海進，之后海平面緩慢下降（圖9）。本次研究與前人從不同的角度研究的五峰組海退事件相吻合（戎嘉余等，1984；蘇文博等，1999；陳旭等，2000），證實了利用Ce異常在反映五峰組—龍一段海平面變化上的可靠性。

圖9 YS112井δCe異常與海平面變化圖解Fig.9 VerticalδCe distribution and corresponding sea level of YS112 well

4.4 碳同位素特征

碳同位素可以用于古氣候的恢復(fù)（何龍，2020）。由表3可知，YS112井五峰組—龍一段δ13Corg介于-30.08‰～-24.32‰，均值為-26.82‰，屬于正常海相頁巖碳同位素值，但總體上偏低。其中五峰組δ13Corg介于-30.08‰～-24.32‰，均值為-27.98‰，在五峰組底部δ13Corg為-28.37‰，隨后向上先發(fā)生負向偏移，然后在五峰組末期發(fā)生一次正向偏移δ13Corg值由-30.08‰，升高為-24.32‰。進入龍一段迅速發(fā)生負向偏移，δ13Corg平均為-26.63‰，隨后δ13Corg值趨于穩(wěn)定，期間發(fā)生多次小規(guī)模正向偏移，但整體為負偏移。

表3 YS112井五峰組—龍馬溪組δ13Corg特征Tabel 3 Wufeng-Longmaxi formations in YS112 wellδ13Corg features

5 討 論

5.1 有機質(zhì)富集主控因素

YS112井五峰組—龍一段黑色頁巖，其厚度穩(wěn)定、有機質(zhì)豐度高，為一套優(yōu)質(zhì)的海相烴源巖。國內(nèi)外眾多學(xué)者認為生產(chǎn)力水平、氧化還原條件、相對海平面的變化、氣候演化、物源條件的變化、火山作用、構(gòu)造運動等是制約海相頁巖中有機質(zhì)富集的重要 因 素（Arthur and Sageman，1994；嚴 德 天 等，2008；Yan et al.，2015；Zhai et al.，2018；何龍等，2019）。

（1）有機質(zhì)含量（TOC）與氧化還原、古生產(chǎn)力條件的關(guān)系

缺氧或貧氧的還原性環(huán)境有助于有機質(zhì)的富集，是使有機質(zhì)得以保存在海洋沉積物的關(guān)鍵因素（李艷芳等，2015；何龍等，2019）；富有機質(zhì)黑色頁巖發(fā)育在長期缺氧或貧氧的還原性環(huán)境中（Melchin et al.，2013）。其中五峰組上部—龍馬溪組龍一小層有機碳（TOC）含量大于3%的優(yōu)質(zhì)烴源巖，形成于缺氧—貧氧的還原環(huán)境中。龍一—龍一小層有機碳（TOC）含量小于2%的烴源巖，形成于貧氧—富氧的氧化環(huán)境中，五峰組—龍一段黑色頁巖中的Ni/Co、U/Th、V/Cr值與TOC具有明顯的正相關(guān)性（R2=0.81、R2=0.89、R2=0.66）（圖10a、圖10b、圖10c），指示缺氧或貧氧的還原性水體環(huán)境對有機質(zhì)的保存和聚集起到關(guān)鍵作用。五峰組—龍一段沉積時期海洋表層具有較高的初級生產(chǎn)力，垂向上變化不大（陳超，2018），Ba生物與TOC無明顯正相關(guān)性（R2=0.10）（圖10d），證明高生產(chǎn)力能為五峰組—龍一段泥頁巖提供充足的有機質(zhì)，但不能保證有機質(zhì)后期的富集保存，其不是主導(dǎo)有機質(zhì)含量變化的主要因素，而缺氧—貧氧還原環(huán)境是有機質(zhì)保存的主要因素。

圖10 Ni/Co、U/Th、V/Cr、Ba生物與TOC之間的相關(guān)性圖（Ba生物數(shù)據(jù)據(jù)陳超，2018）Fig.10 Correlation between Ni/Co，U/TH，V/Cr，Babio and TOC（Babio data according to Chen，2018）

（2）有機質(zhì)含量（TOC）與筆石及礦物組成的關(guān)系

通過對筆石和礦物組成分析發(fā)現(xiàn)，五峰組—龍一段筆石含量介于2.11%～46.11%，均值為18.00%，垂向上筆石豐度呈減少趨勢，由46.11%減少到2.11%，垂向上筆石分異程度和豐度變化較大，筆石豐度和TOC含量之間呈明顯的正相關(guān)性（R2=0.64）（圖11a）；另一方面，五峰組—龍一段沉積時期礦物組成變化較大，黃鐵礦含量呈逐漸減少的趨勢，與TOC含量之間呈正相關(guān)關(guān)系（R2=0.59）（圖11d），黏土礦物含量在垂向上呈逐漸增大的趨勢，與TOC含量呈負相關(guān)關(guān)系（R2=0.43）（圖11b），石英含量變化不大，五峰組—龍一1 3小層與TOC含量呈正相關(guān)關(guān)系（R2=0.41），這部分石英主要為生物成因形成的有機硅（Jin et al.，2015；金之鈞等，2016；Zhao et al.，2017；陸揚博，2020），龍一1

4—龍一2 4小層與TOC含量相關(guān)性較差（R2=0.15）（圖11c），這部分石英主要為陸源碎屑物帶來的陸源碎屑硅（孫川翔等，2019；陸揚博，2020）。筆石、黃鐵礦和生物成因石英促進有機質(zhì)富集，黏土礦物抑制有機質(zhì)富集。

圖11 筆石豐度、礦物組分與TOC含量的的相關(guān)性圖Fig.11 Correlation between graptolite abundance，mineral composition and TOCcontent

（3）有機質(zhì)含量（TOC）與δCe及δ13Corg的關(guān)系

通過對δCe、δ13Corg分析發(fā)現(xiàn)，海平面變化和古氣候變化是通過影響沉積環(huán)境和有機質(zhì)來源進而控制有機質(zhì)富集的關(guān)鍵因素。TOC含量在垂向上隨δCe、δ13Corg的變化而變化（圖12），寶塔組大量發(fā)育瘤狀灰?guī)r，有機質(zhì)含量普遍低于1.0%（邱振等，2020），生物有機質(zhì)供給少和富氧環(huán)境是造成五峰組早期TOC含量為1.04%的主要原因。由于受加里東構(gòu)造影響，華夏板塊和揚子板塊碰撞擠壓，晚奧陶世在楊子地區(qū)發(fā)生構(gòu)造抬升，造成五峰組沉積時期海平面上升（何龍等，2019；邱振等，2020），δCe最高為0.90，當時海水深度約為100～200 m（戎嘉余等，2019），形成“三隆圍一坳”的半封閉、低能、滯留缺氧的局限海盆環(huán)境（李艷芳等，2015；賈敏，2019；何龍等，2019）；五峰組沉積時期溫度約為34℃（Finnegan et al.，2011），處于溫暖潮濕氣候條件下（何龍等，2019；何龍，2020；郭偉等，2021），五峰組—龍馬溪組沉積時期盆地內(nèi)具有較高的初級生產(chǎn)力（何龍等，2019；郭偉等，2021）。而在高生產(chǎn)力水平下，海洋浮游植物的固碳加速，有機物在缺氧水體中大量積累和掩埋（Yan et al.，2008，2009），造成五峰組沉積時期TOC含量較高，導(dǎo)致碳庫中12C的大量移除，引起大氣CO2含量的下降（Yan et al.，2009），造成沉積物δ13Corg發(fā)生正向偏移，氣溫下降（Zhang et al.，2011），在五峰組沉積末期為寒冷干旱的氣候條件，產(chǎn)生冰期，造成大量海洋生物滅絕，造成大約85%的物種消亡（Harper et al.，2014；戎嘉余，2014；沈樹忠等，2017）四射珊瑚、橫板珊瑚、腕足類、三葉蟲和苔蘚類、牙形石類、筆石類及浮游藻類等大量死亡（Harper et al.，2014）。δCe降為0.77，水深約60 m（戎嘉余等，2019），但當時底層仍處于缺氧硫化環(huán)境，造成五峰組沉積末期TOC含量較高。

圖12 YS112井五峰組—龍馬溪組龍一段氧化還原指標和有機碳（TOC）、鈰同位素（δCe）碳同位素（δ13Corg）含量相關(guān)性圖Fig.12 Redox indices，organic carbon（TOC）and cerium isotopes of the first member of the Wufeng-Longmaxi formations in YS112 well（δCe）carbon isotope（δ13Corg）

龍一段沉積時期，δCe發(fā)生正向偏移，δ13Corg發(fā)生負向偏移，氣候變暖冰川消融，發(fā)生大規(guī)模海侵運動（賈敏，2019），造成揚子地區(qū)海平面上升，轉(zhuǎn)換為流通性較好、滯留程度減弱的水體環(huán)境，海平面上升引起海水分層明顯，造成底層水體缺氧（蘇博文等，2007；李雙建等，2008），同時由于極地冰川消融，帶來豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，筆石等浮游生物再次繁盛，不斷沉降的生物遺體持續(xù)消耗底層水溶解氧形成厭氧環(huán)境，并且還原海水中硫酸根產(chǎn)生H2S最終形成厭氧硫化的環(huán)境（邱振等，2020），大量有機質(zhì)在龍一1亞段富集；進入龍一2亞段，海平面下降，陸源碎屑增加，大量陸源碎屑的注入，使底層缺氧硫化環(huán)境被破壞，有機質(zhì)保存遭到破壞（李雙建等，2008；嚴德天等，2009；李艷芳等，2015；張琴等，2018；何龍等，2019），致使TOC含量降低。

5.2 有機質(zhì)富集模式

雖然已經(jīng)明確缺氧還原環(huán)境是五峰組—龍一段黑色頁巖有機質(zhì)富集的主控因素，但五峰組—龍一段黑色頁巖缺氧沉積環(huán)境形成機制卻不同（Li et al.，2017；Zhang et al.，2018）。在五峰組沉積時期，在黑色頁巖中發(fā)現(xiàn)大量鉀質(zhì)斑脫巖夾層，表明當時發(fā)育大規(guī)?；鹕竭\動（陸揚博等，2017；吳藍宇等，2018；邱振等，2019）?；鹕交覕y帶的鐵、硅等營養(yǎng)物質(zhì)，為淺層海水提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，加之溫暖濕潤的氣候環(huán)境，致使筆石（圖5a）和浮游生物（圖4b）繁盛，海洋淺層生產(chǎn)力旺盛；另外由于受廣西運動影響，揚子板塊受華夏板塊俯沖擠壓，使周緣古陸和水下隆起抬升，海平面相對上升，水體逐漸加深（Delabroye and Vecoli，2010；Melchin et al.，2013；何龍等，2019），沉積環(huán)境由早期的開闊臺地轉(zhuǎn)變?yōu)榫窒夼璧?，為溝通性及循環(huán)性較差的強滯留水體環(huán)境（賈敏，2019；何龍，2020），導(dǎo)致海水分層，形成準貧氧—缺氧層，使有機質(zhì)得到較好的保存，表現(xiàn)出較高的TOC值（圖13a）。但進入五峰期后期，由于冰期造成的大量生物滅絕，提供大量有機質(zhì)，使有機碳埋藏增加，使底層海水積累了大量H2S，且部分H2S隨著海水的垂向交換滲入上層水體，毒害浮游生物的生活環(huán)境，導(dǎo)致初級生產(chǎn)力下降，但此時底層海水仍以缺氧硫化的環(huán)境為主，所以有機質(zhì)得到了較好的保存，表現(xiàn)出較高的TOC值（圖13b）。

圖13 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組有機質(zhì)富集模式Fig.13 Organic matter enrichment model of Wufeng-Longmaxi formations in the study area

在龍馬溪組沉積早期，氣候回暖溫度上升，造成冰川消融，揚子地區(qū)發(fā)育廣泛海侵（Chen et al.，2004；Johnson，2006；Munnecke et al.，2010），海平面上升引起海水分層明顯，造成底層水體缺氧，水動力環(huán)境較弱（蘇文博等，2007；李雙建等，2008），形成貧氧—缺氧層。龍一段沉積時期，可見水平層理（圖3e），發(fā)育大量草莓狀黃鐵礦（圖3c、圖3d）。同時由極地冰川溶解，帶來豐富的營養(yǎng)物質(zhì)（何龍，2020），筆石（圖5b～圖5i）動物再次繁盛，不斷沉降的生物遺體持續(xù)消耗底層水溶解氧形成厭氧環(huán)境，并且還原海水中硫酸根產(chǎn)生H2S最終形成厭氧硫化的環(huán)境（陸揚博等，2017；陳超，2018；王藍宇等，2018），有利于有機質(zhì)的保存，具有相對較高的TOC含量（圖13c）。在龍一2亞段沉積時期巖石砂質(zhì)含量增多（圖3f，圖4f），可見透鏡狀和交錯層理（胡晨林等，2014），陸源碎屑物輸入增強，導(dǎo)致貧氧—缺氧環(huán)境遭到破壞，不利于有機質(zhì)的保存，具有較低的TOC值（圖13d）。

綜上所述，缺氧還原環(huán)境是控制五峰組—龍馬溪組頁巖有機質(zhì)富集的主要因素。五峰組富有機質(zhì)頁巖主要在強滯留缺氧環(huán)境下，由火山作用帶來大量的營養(yǎng)物質(zhì)及溫暖濕潤氣候條件下，在較高海洋生產(chǎn)力條件下形成的。五峰組后期富有機質(zhì)頁巖主要由于冰川作用造成大量生物滅絕，提供大量有機物質(zhì)，在缺氧硫化環(huán)境下形成的。龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖主要是在高水位海域形成的底部靜海相缺氧環(huán)境下，受極地冰川溶解，帶來豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，在海洋表層的較高的生產(chǎn)力條件下形成的。五峰組—龍馬溪組龍一段黑色頁巖的有機質(zhì)富集是奧陶紀—志留紀的構(gòu)造條件、火山作用、氣候條件、氧化還原條件、海平面變化、物源條件、有機質(zhì)供給共同控制著的結(jié)果。

6 結(jié) 論

（1）氧化還原指標Ni/Co、V/Cr、U/Th表明五峰組—龍馬溪組龍一段主要以貧氧還原環(huán)境為主，在五峰組早期為富氧氧化環(huán)境，五峰組頂部為缺氧還原環(huán)境，在龍馬溪組龍一1亞段以貧氧還原環(huán)境為主，在龍一2亞段以富氧氧化環(huán)境為主。

（2）缺氧還原環(huán)境是控制五峰組—龍一段有機質(zhì)的主要因素；筆石豐度、黃鐵礦含量和生物成因石英與TOC呈正相關(guān)關(guān)系，黏土礦物含量與TOC含量呈負相關(guān)關(guān)系，筆石、黃鐵礦、生物成因石英促進有機質(zhì)富集，黏土礦物抑制有機質(zhì)富集。

（3）構(gòu)造運動和氣候條件是五峰組—龍一段頁巖有機質(zhì)富集的驅(qū)動因素；海平面變化、碎屑物質(zhì)及生產(chǎn)力水平是五峰組—龍一段富有機質(zhì)黑色頁巖發(fā)育的誘因，五峰組—龍一段富有機質(zhì)頁巖形成于火山活動頻發(fā)、高生產(chǎn)力水平、底部水體缺氧以及溫暖濕潤的氣候背景下。

（4）五峰組和龍一段有機質(zhì)富集機制存在差異；五峰組有機質(zhì)富集主要是由有機碳埋藏造成底層水體缺氧硫化所控制；龍一1亞段有機質(zhì)的富集主要是由冰川消融海平面上升造成底部水體缺氧所控制。