基于礦物巖石學和地球化學分析的頁巖古環(huán)境演化與有機質(zhì)富集關系
——以川西地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組為例

楊麗亞，沈均均，陳孔全，王玉滿，計玉冰，王燦輝，王鵬萬，孟江輝

( 1. 長江大學 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100；2. 長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4. 中國石油浙江油田分公司，浙江 杭州 310023；5.中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州 310023 )

0 引言

沉積環(huán)境控制海相頁巖有機質(zhì)的形成及富集[1-3]，研究富有機質(zhì)頁巖沉積環(huán)境，能夠為優(yōu)質(zhì)頁巖分布預測、甜點層段優(yōu)選提供科學依據(jù)[4-6]。川西地區(qū)早寒武世頁巖是以海相克拉通盆地為背景的陸棚沉積[1,7]，全球海平面上升和廣泛的海侵促進整個揚子板塊黑色頁巖的沉積[8-9]，其中筇竹寺組沉積期生物演化、氣候、海洋環(huán)境發(fā)生變化，大范圍的碳酸鹽臺地被深水泥質(zhì)陸棚取代，處于淺水—深水陸棚相沉積環(huán)境。該時期頁巖具有有機質(zhì)含量高、厚度大、分布范圍廣的特征[10]，具有良好的勘探前景，但對川西地區(qū)筇竹寺組富有機質(zhì)頁巖控制因素存在不同認識。WANG S F等[8]、張鈺瑩等[11]認為，缺氧的還原環(huán)境決定川西陸棚區(qū)富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育，以敏感元素(U、Mo和V)及傳統(tǒng)元素比值(U/Th、Ni/Co、V/Cr等)指標進行判別，元素隨水體還原程度的增加而富集；也有研究[12-13]認為，較高的古生產(chǎn)力水平影響有機質(zhì)的富集，以有機質(zhì)含量、P含量、過剩Ba等作為判別指標；還有研究[14]認為，低的陸源輸入對有機質(zhì)的稀釋作用小，利于有機質(zhì)的富集，通常以Ti/A1、Th/A1和Zr/AI為指標反映其變化情況；另外，深水斜坡區(qū)存在的上升洋流或熱液活動帶來的營養(yǎng)物質(zhì)促使表層海水的古生產(chǎn)力水平較高，底層水體易形成富有機質(zhì)頁巖[12]。川西地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組有機質(zhì)含量在中上揚子地區(qū)處于較低水平，遠低于黔北斜坡區(qū)和鄂西海槽區(qū)的，有關原因缺少相應的對比和解釋[15]。

以川西地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖為研究對象，利用巖心、巖石薄片、全巖X線衍射、有機地球化學和元素地球化學等分析資料，分析頁巖巖相發(fā)育特征，恢復研究區(qū)沉積古環(huán)境，與黔北斜坡區(qū)進行對比，討論古環(huán)境演化與有機質(zhì)富集的關系，建立頁巖沉積演化模式，為川西地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組優(yōu)質(zhì)頁巖的分布預測提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地寒武系構(gòu)造運動頻繁，構(gòu)造環(huán)境復雜[16]。南華紀早期，發(fā)生羅迪尼亞大陸裂解，在全球性伸展拉張構(gòu)造背景下，上揚子古陸西部形成裂谷盆地；震旦紀—早寒武世，在繼承性負地貌構(gòu)造單元基礎上，受拉張控制作用影響，形成綿陽—長寧裂陷槽[17](見圖1)。其中，陡山沱組沉積期，在繼承裂谷古地貌的基礎上，川北地區(qū)先形成裂陷槽的雛形；燈影組一段至二段沉積期，海平面相對上升，受碳酸鹽巖沉積不均勻作用影響，裂陷槽擴大地形高差；燈影組三段—四段沉積期，受強拉張作用影響，裂陷槽快速發(fā)展，內(nèi)部水體加深，沉積深水的瘤狀泥質(zhì)泥晶灰?guī)r；麥地坪組沉積期，再次發(fā)生強拉張活動，使裂陷槽南北向貫穿四川盆地，沉積厚度較大的富含硅磷地層；筇竹寺組沉積期，海平面快速上升，上揚子地區(qū)發(fā)生整體沉降，裂陷槽逐漸進入填平補齊階段，影響范圍內(nèi)地層沉積厚度較大，沉積體系由碳酸鹽巖沉積演變?yōu)殛懺此樾紟r沉積；至滄浪鋪組沉積期，裂陷槽被碎屑物質(zhì)填平補齊，構(gòu)造演化結(jié)束[17]。裂陷槽主要分布于四川省綿陽—樂至—內(nèi)江—長寧一帶，呈近南北向展布，具有“西緩東陡”的特征，東至川中古隆，東南至靠近被動大陸邊緣的黔北斜坡區(qū)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況(據(jù)文獻[1，18]修改)Fig.1 Geological survey in the study area(modified by references[1,18])

上揚子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組主要存在川西裂陷槽和黔北斜坡兩個厚度中心[15]。川西地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積厚度變化大，整體以裂陷槽為核心，沿裂陷槽方向沉積厚度逐漸增大，大部分地區(qū)厚度約為200 m。由裂陷槽至黔北斜坡方向，烴源巖沉積厚度逐漸減小，有機質(zhì)豐度逐漸增高[12]。研究區(qū)位于川西地區(qū)，筇竹寺組出露完整，無缺失，由底部至頂部依次發(fā)育上震旦統(tǒng)燈影組，下寒武統(tǒng)麥地坪組、筇竹寺組和滄浪鋪組。燈影組為灰色、淺灰色云巖及硅質(zhì)團塊云巖，與上覆麥地坪組呈不整合接觸。麥地坪組按巖性可分為兩段，下段為深灰色硅磷白云巖夾黑色泥頁巖，上段為云質(zhì)頁巖和磷質(zhì)泥巖。筇竹寺組在樂山、峨眉山、峨邊、漢源、甘洛等地區(qū)與麥地坪組呈平行不整合接觸，在其他地區(qū)與燈影組呈不整合接觸，與上覆滄浪鋪組砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖呈整合接觸，縱向上發(fā)育兩套富有機質(zhì)頁巖，自下而上可劃分為三段(見圖2-3)：筇竹寺組一段(筇一段)以灰黑色炭質(zhì)頁巖為主，底部出現(xiàn)最高GR(693.09 API)，由底部向頂部逐漸降低，平均為241.87 API；筇竹寺組二段(筇二段)下部為深灰色粉砂質(zhì)頁巖，GR介于52.88～245.20 API，平均為150.86 API，表現(xiàn)為低平的箱型曲線，筇二段上部為灰黑色炭質(zhì)頁巖，出現(xiàn)兩個GR峰值，GR介于125.38～399.26 API，平均為223.27 API；筇竹寺組三段(筇三段)以灰色泥質(zhì)粉砂巖為主，GR急劇降低，介于49.32～214.85 API，平均為144.74 API。黔北斜坡區(qū)筇竹寺組也劃分為三段：筇一段與筇二段以灰黑色生物硅質(zhì)頁巖為主，GR平均分別為435.70、158.61 API，遠高于川西地區(qū)的；筇三段以灰綠色黏土質(zhì)頁巖和含鈣質(zhì)粉砂巖為主，GR平均為151.37 API，表現(xiàn)為低平的箱型曲線。

圖2 研究區(qū)筇竹寺組頁巖巖石類型劃分Fig.2 Classification of shale rock types of Qiongzhusi Formation in the study area

圖3 研究區(qū)裂陷槽至黔北斜坡方向威201井—寧206井—金淺1井—垛丁關露頭筇竹寺組連井對比(據(jù)文獻[18]修改)Fig.3 Comparison of wells Wei 201-Ning 206-Jinqian 1 and Duodingguan Outcrop of Qiongzhusi Formation in the study area from the rift trough to the slope(modified by reference[18])

2 樣品采集與分析

采集筇竹寺組192件樣品，其中73件樣品來自威201井，68件樣品來自寧206井，51件樣品來自貴州省甕安縣垛丁關露頭。金淺1井筇竹寺組47件樣品數(shù)據(jù)參考文獻[18]。頁巖樣品分析測試由東方礦產(chǎn)開發(fā)技術研究所完成。參照GB/T 19145—2022《沉積巖中總有機碳測定》，采用CS230碳/硫分析儀進行有機質(zhì)含量測試；參照SY/T 5163—2018《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》，采用XL20042174X衍射儀(D453)進行X線衍射分析；參照SY/T 5368—2016《巖石薄片鑒定》，采用Axio偏光顯微鏡(34074)進行薄片鑒定分析；參照GB/T 20260—2006《海底沉積物化學分析方法》和GB/T 14506.3—2010《硅酸鹽巖石化學分析方法第3部分：二氧化硅量測定》，采用儀器ELAN 9000型電感耦合等離子質(zhì)譜儀和美國熱電公司IRIS Intrepid Ⅱ XSP型ICP-OES進行元素分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 巖相特征

根據(jù)硅質(zhì)礦物(石英、長石)—碳酸鹽巖礦物—黏土礦物三端元圖對研究區(qū)頁巖進行分類[19](見圖2)，結(jié)合全巖X線衍射結(jié)果、薄片鑒定、巖心觀察、自然伽馬曲線對筇竹寺組不同巖相特征進行對比[20]。

3.1.1 筇一段

川西地區(qū)筇一段以硅質(zhì)頁巖相沉積為主(見圖2)，黃鐵礦大量發(fā)育，以條帶或結(jié)核體形式產(chǎn)出(見圖4(a))；手標本中未明顯觀察到砂質(zhì)紋層，鏡下薄片可觀察到弱紋層發(fā)育(見圖4(b-c))。硅質(zhì)礦物(石英、長石)質(zhì)量分數(shù)較高，平均為67.77%，其中石英質(zhì)量分數(shù)平均為47.08%(見圖2-3)，鏡下觀察可見石英顆粒多呈生物成因的次圓狀和陸源成因的次棱角狀[21](見圖4(d))；長石質(zhì)量分數(shù)(平均為20.69%)遠高于過渡帶的(平均為4.71%)和斜坡區(qū)的(平均為5.10%)，說明受陸源碎屑輸入的影響較大，是研究區(qū)深水環(huán)境生物硅和陸源硅同時存在的主要原因。黏土礦物質(zhì)量分數(shù)為14.30%～33.80%，平均為21.44%。碳酸鹽質(zhì)量分數(shù)低，平均為5.86%，以方解石和白云石膠結(jié)物的形式存在。w(TOC)介于1.57%～7.10%，平均為3.24%，為川西地區(qū)筇竹寺組最高。為便于區(qū)分，將這種特征的巖相統(tǒng)稱為炭質(zhì)頁巖。

黔北斜坡區(qū)筇一段以生物硅質(zhì)頁巖為主[22-23]，硅質(zhì)礦物質(zhì)量分數(shù)平均為82.10%，其中長石質(zhì)量分數(shù)平均為5.10%，陸源輸入明顯較弱(見圖2-3)；鏡下觀察放射蟲、海綿骨針等硅質(zhì)生物大量發(fā)育(見圖4(e-f))。w(TOC)為黔北斜坡區(qū)筇竹寺組最高，平均為5.13%，明顯高于川西地區(qū)的。

圖4 研究區(qū)筇一段巖心及鏡下薄片特征Fig.4 Characteristics of core and thin section of the first member of Qiongzhusi Formation in the study area

3.1.2 筇二段

川西地區(qū)筇二段以硅質(zhì)頁巖相沉積為主(見圖2)，根據(jù)巖相特征可將筇二段分為中下部和上部兩部分。筇二段中下部黃鐵礦不發(fā)育，手標本及鏡下觀察可見水平砂質(zhì)紋層大量發(fā)育(見圖5(a-c))，石英質(zhì)量分數(shù)較低，平均為39.10%；黏土礦物和長石質(zhì)量分數(shù)較高，平均分別為30.04%和23.09%；w(TOC)平均為1.22%。將筇二段中下部巖相定義為粉砂質(zhì)頁巖(見圖2-3)。筇二段上部出現(xiàn)筇竹寺組第二套富有機質(zhì)頁巖，鏡下透光性差，與中下部相比，黃鐵礦發(fā)育規(guī)模升高(見圖5(d))；石英顆粒多呈陸源成因的次棱角狀和生物成因的次圓狀(見圖5(e))；長石質(zhì)量分數(shù)平均為30.57%，遠高于過渡帶的(平均為7.14%)和斜坡區(qū)的(平均為12.90%)，陸源影響較大；黏土礦物質(zhì)量分數(shù)較低，平均為21.83%。w(TOC)平均為2.32%，低于筇一段的，高于筇二段中下部的。筇二段上部巖相發(fā)育特征與筇一段的相似，同樣將其統(tǒng)稱為炭質(zhì)頁巖。原因與筇二段上部處于海平面下降時期，拉張裂陷作用使局部地區(qū)保持一定深度的水體有關。

黔北斜坡區(qū)筇二段硅質(zhì)礦物質(zhì)量分數(shù)平均為75.10%，其中長石質(zhì)量分數(shù)平均為12.90%，陸源輸入較弱(見圖2-3)；鏡下觀察透光性較差，見放射蟲、海綿骨針等硅質(zhì)生物(見圖5(f))，水體較深且水動力環(huán)境相對穩(wěn)定，w(TOC)平均為3.82%，高于川西地區(qū)的，巖性主要為黑色生物硅質(zhì)頁巖(見圖3)。

圖5 研究區(qū)筇二段巖心及鏡下薄片特征Fig.5 Characteristics of core and thin section of the second member of Qiongzhusi Formation in the study area

3.1.3 筇三段

筇三段以硅質(zhì)頁巖相和黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖相為主(見圖2)。川西地區(qū)筇三段黃鐵礦不發(fā)育(見圖6(a))，鏡下觀察見細粉砂條帶，透光性好(見圖6(b-c))。該時期海平面持續(xù)降低，水體持續(xù)變淺，陸源碎屑巖輸入增強，砂質(zhì)含量持續(xù)升高(見圖6(a))；基質(zhì)主體轉(zhuǎn)為石英、長石、方解石等陸源碎屑顆粒，粒徑變大，磨圓度變差(以棱角狀和次棱角狀為主)，生物硅不發(fā)育；黏土礦物含量自筇二段上部向上逐漸增多(見圖3)，將其定義為泥質(zhì)粉砂巖。w(TOC)為川西地區(qū)筇竹寺組最低，平均為0.45%，低于黔北斜坡區(qū)筇三段的(w(TOC)為0.75%)。

圖6 研究區(qū)筇三段巖心及鏡下特征Fig.6 Characteristics of core and thin section of the third member of Qiongzhusi Formation in the study area

3.2 地球化學特征

3.2.1 陸源輸入

元素Al、K、Rb以鋁硅酸鹽礦物的形式經(jīng)河流或風力作用搬運至沉積盆地，化學性質(zhì)穩(wěn)定，通常用來表征沉積巖的陸源輸入[12,24]。陸源輸入一般表現(xiàn)為碎屑流形式，主要受相對海平面的控制，在海侵過程中向陸地方向移動，在海退過程中向盆地內(nèi)部移動[25]。研究區(qū)筇一段沉積期，海平面上升，具有較高的K/Al(平均為0.43)、Rb/Al(平均為1.54×10-3)和較低的w(Al2O3)(平均為13.11×10-2)，表明該時期陸源輸入較低，與其在形成過程中始終處于較深的水體環(huán)境有關；筇二段中下部沉積期，具有較低的K/Al(平均為0.34)、Rb/Al(平均為1.28×10-3)和較高的w(Al2O3)(平均為13.99×10-2)，表明該時期陸源輸入較高，與海平面下降有關；筇二段上部沉積期，K/Al(平均為0.37)、Rb/Al(平均為1.34×10-3)和w(Al2O3)(平均為13.83×10-2)在筇一段的和筇二段中下部的之間，陸源輸入中等，與拉張裂陷作用造成的水體加深有關；筇三段沉積期，K/Al、Rb/Al呈降低趨勢，指示陸源輸入持續(xù)增多，與海平面持續(xù)下降、拉張裂陷作用不活躍有關(見圖7)。

圖7 研究區(qū)威201井筇竹寺組地球化學特征及沉積環(huán)境Fig.7 Geochemical characteristics and sedimentary environment of Qiongzhusi Formation of well Wei 201 in the study area

陸源輸入對有機質(zhì)富集具有較大影響[26]。研究區(qū)w(TOC)與K/Al、Rb/Al呈正相關關系，與w(Al2O3)呈負相關關系(見圖8(a-c))，陸源輸入自筇一段→筇二段中下部→筇二段上部→筇三段表現(xiàn)為先升高再降低后升高的趨勢，w(TOC)相應表現(xiàn)為先降低再升高后降低的趨勢。

3.2.2 古氧化還原

氧化還原敏感元素U、Th、Mo及現(xiàn)代海洋沉積物的Corg/P常用于海洋氧化還原條件的判別[27-29]。通常U、Mo的含量與缺氧程度呈正相關關系，在氧化環(huán)境中，U、Mo以高價態(tài)溶解于水，導致沉積物的濃度較低；在還原環(huán)境中，U、Mo以低價態(tài)自生礦物形式沉淀并富集于沉積物[30]。利用U/Th和剔除陸源影響的富集系數(shù)(UEF)作為判斷指標，其中U/Th在厭氧環(huán)境中大于1.25，在貧氧環(huán)境中介于0.75～1.25，在富氧環(huán)境中小于0.75[31]。此外，在氧化條件下，元素P通過吸附于氧化鐵而保留在沉積物中；在還原條件下，在鐵氧氫氧化物的還原性溶解或有機質(zhì)礦化過程中，P從沉積物中釋放到水體。ALGEO T J認為，在厭氧環(huán)境下Corg/P多大于100，在貧氧環(huán)境中介于50～100，在富氧環(huán)境中小于50[32]。

川西地區(qū)筇一段沉積期，高U/Th(1.54～4.86，平均為2.25)、高Corg/P(平均為81.42)和高富集系數(shù)UEF(平均為9.08)、MoEF(平均為42.85)，指示為厭氧—貧氧環(huán)境；筇二段中下部沉積期，U/Th(平均為0.71)、Corg/P(平均為29.46)和UEF(平均為3.91)、MoEF(平均為15.71)降低明顯，指示以富氧環(huán)境為主；筇二段上部沉積期，U/Th(平均為1.26)、Corg/P(平均為48.81)和UEF(平均為7.33)、MoEF(平均為33.88)在筇一段的和筇二段中下部的之間，指示為貧氧環(huán)境；筇三段沉積期，U/Th(平均為0.70)、Corg/P(平均為28.59)和UEF(平均為3.56)、MoEF(平均為10.62)持續(xù)降低，底水還原程度減弱，指示為富氧環(huán)境(見圖7)。黔北斜坡區(qū)筇一段的U/Th平均為4.36，筇二段的U/Th平均為2.76，高于川西地區(qū)的，指示筇一段和筇二段處于底水缺氧的還原環(huán)境[33]。

圖8 研究區(qū)威201井筇竹寺組地球化學相關關系Fig.8 Geochemical relativity of Qiongzhusi Formation in well Wei 201 in the study area

w(TOC)與U/Th、Corg/P、UEF、MoEF存在較高的正相關關系(見圖8(d-f))，表明氧化還原條件對有機質(zhì)富集具有控制作用。研究區(qū)筇一段沉積期，海平面處于上升期和下降早期，以厭氧—貧氧環(huán)境為主，w(TOC)處于較高水平；進入筇二段沉積期，海平面持續(xù)下降，缺氧環(huán)境被破壞，逐漸過渡為富氧環(huán)境，w(TOC)逐漸降低；筇二段上部沉積期，由于拉張裂陷作用導致局部地區(qū)水體加深，以貧氧環(huán)境為主，w(TOC)有所升高；筇三段沉積期，進入拉張穩(wěn)定期，逐漸過渡為穩(wěn)定的富氧環(huán)境，w(TOC)最低。

3.2.3 水體滯留程度

盆地水體的滯留程度對有機質(zhì)富集和保存具有重要影響，w(Mo)/w(TOC)可用于判斷缺氧海盆的水體滯留程度[34]。元素Mo一般在氧化環(huán)境中不富集，在還原環(huán)境中有利于有機質(zhì)保存及其自身富集，僅限于判別具有一定水體限制的缺氧環(huán)境[35]。在沉積水體為非滯留的相對開放環(huán)境中，元素Mo得到補充，海水Mo濃度增高，沉積物w(Mo)/w(TOC)也增高；在滯留的缺氧海盆中，元素Mo補給較慢，海水Mo濃度降低，沉積物w(Mo)/w(TOC)也相應降低[34,36]。

研究區(qū)缺氧環(huán)境下的w(Mo)/w(TOC)基本落點為4.50～25.00，平均為11.84。其中，筇一段w(Mo)/w(TOC)平均為12.69；筇二段上部w(Mo)/w(TOC)平均為10.47，處于半滯留環(huán)境；筇二段中下部與筇三段處于富氧環(huán)境，不考慮。推斷筇竹寺組沉積期研究區(qū)屬于半滯留海盆(見圖9(a))，筇一段w(Mo)/w(TOC)高于筇二段上部的，顯示水體滯留程度弱于筇二段上部的。

在水體缺氧環(huán)境下，元素Mo和U易遷移并促進在沉積物中的富集，MoEF—UEF協(xié)變模式也可用于判斷水體滯留程度[37]。在水體非滯留環(huán)境中，相對貧氧的弱還原環(huán)境里元素U的富集優(yōu)先于Mo的富集，MoEF/UEF約為正常海水的(n(Mo)/n(U)=7.9)0.1～0.3倍，隨還原程度的增強，元素Mo的富集速率超過U，MoEF/UEF增加到正常海水的1～3倍；在水體弱滯留環(huán)境中，厭氧的環(huán)境促進元素Mo的富集，MoEF/UEF為正常海水的3～10倍；在水體強滯留環(huán)境中，水體封閉性增強，元素Mo、U補給減弱，且缺氧環(huán)境下Mo的吸收消耗速率大于U，致使MoEF/UEF為正常海水的1倍以下[36]。

川西地區(qū)MoEF/UEF為正常海水的1～3倍(見圖9(b))，隨兩種元素富集系數(shù)的增加，MoEF/UEF保持恒定，并且低于元素Mo受錳、鐵顆粒載體吸附作用影響的比值(正常海水的3～10倍)，表明研究區(qū)處于水體半滯留環(huán)境[37]。因此，川西地區(qū)筇竹寺組處于水體半滯留環(huán)境，與w(Mo)/w(TOC)的分析結(jié)果相吻合。

圖9 研究區(qū)威201井筇竹寺組w(Mo)—w(TOC)和MoEF—UEF關系(據(jù)文獻[37]修改)Fig.9 The relationship between w(Mo)-w(TOC) and MoEF-UEF of Qiongzhusi Formation in well Wei 201 in the study area(modified by reference[37])

水體滯留程度與構(gòu)造運動和海平面升降密切相關，進而影響水體營養(yǎng)物質(zhì)交換，對有機質(zhì)富集具有重要意義[38]。研究區(qū)筇竹寺組水體滯留以半滯留環(huán)境為主，筇一段海平面處于較高水平，水體滯留程度相對較弱；筇二段海平面明顯下降，水體滯留程度加強，與外海的營養(yǎng)物質(zhì)的交換能力較筇一段的減弱，有機質(zhì)含量降低。

3.2.4 上升洋流

上升洋流一般為缺氧但富含營養(yǎng)物和硅質(zhì)的海流，促使表層水域的生物高度繁殖，而營養(yǎng)通量的增強和有機質(zhì)的降解大量消耗氧氣，形成高有機質(zhì)生產(chǎn)率，促進有機質(zhì)的聚集及保存[25]。SWEERE T等認為，元素Co和Mn顯示相似的分布模式，但不同環(huán)境之間存在強烈差異[39]。上升洋流系統(tǒng)中，來自深部海洋水體供應的營養(yǎng)成分中典型缺乏Co和Mn，Co和Mn的富集受到營養(yǎng)供應不足的限制；滯留盆地環(huán)境中，Co和Mn的供應受控于富Co、Mn的河水流入，不可能發(fā)展到自生富集受供應限制的階段。因此，可以通過(Al-CoEFMnEF)地球化學替代指標區(qū)分上升洋流系統(tǒng)和滯留環(huán)境系統(tǒng)，其中富集系數(shù)CoEF、MnEF可消除碎屑貢獻和稀釋的影響。一般認為，CoEFMnEF>2.0為滯留環(huán)境，CoEFMnEF<0.5為開放/上升洋流環(huán)境，CoEFMnEF在0.5～2.0之間為不穩(wěn)定季節(jié)性上升洋流環(huán)境。

川西地區(qū)樣品大多處于0.5～2.0的不穩(wěn)定季節(jié)性上升洋流區(qū)域(見圖10(a))，黔北斜坡區(qū)樣品大多落入小于0.5的開放/上升洋流區(qū)域(見圖10(b))，表明黔北斜坡區(qū)上升洋流異?；钴S，進入川西地區(qū)后洋流活躍程度減弱。這主要是因為川西地區(qū)遠離被動大陸邊緣并受到黔中潛隆的隔擋[14]，使川西地區(qū)與深水區(qū)海水溝通不暢，導致川西地區(qū)有機質(zhì)含量低于黔北斜坡區(qū)的，說明上升洋流對川西地區(qū)有機質(zhì)含量的影響遠低于黔北斜坡區(qū)的。

圖10 川西地區(qū)及黔北斜坡區(qū)Al—CoEFMnEF關系(據(jù)文獻[39]修改)Fig.10 Al-CoEFMnEF relationship in Western Sichuan Area and Northern Guizhou Slope Area(modified by reference[39])

3.2.5 古生產(chǎn)力

頁巖有機質(zhì)的富集需要海水保持較高的生產(chǎn)力水平，以提供豐富的有機質(zhì)來源，利用過剩鋇(Baxs)、Ba/Al和古生產(chǎn)力替代系數(shù)反映古生產(chǎn)力的變化[40-41]。通常認為過剩鋇的含量和生產(chǎn)力呈正相關關系，但水體的氧化還原環(huán)境影響過剩鋇的含量。在氧化條件下，BaSO4處于飽和狀態(tài)，鋇可以很好保存；在還原條件下，硫酸鹽可以被硫化細菌還原，BaSO4被分解，使鋇的生產(chǎn)力表征失真[42]。因此，用Ba表示古生產(chǎn)力水平時，需要考慮氧化還原條件影響。元素Cu、Ni和Zn在氧化水體中一般隨有機質(zhì)沉降或吸附于鐵錳氫氧化物而落到海底，由于解吸附作用而進入水體，還原條件下主要形成各自的硫化物并保存于沉積物[31]。元素Cu、Ni、Zn的地球化學替代指標更為可靠，陳慧等構(gòu)建包含過量銅(Cuxs)、過量鎳(Nixs)和過量鋅(Znxs)的古生產(chǎn)力替代系數(shù)[43]。

筇一段沉積期，以厭氧環(huán)境為主，Baxs(平均為9.83×10-4)、Ba/Al(平均為2.10×10-2)、古生產(chǎn)力替代系數(shù)(平均為84.76)較高，表明古生產(chǎn)力水平較高；筇二段中下部沉積期，以富氧環(huán)境為主，Baxs(平均為4.86×10-4)、Ba/Al(平均為1.31×10-2)、古生產(chǎn)力替代系數(shù)(平均為26.96)較低，表明古生產(chǎn)力水平低；筇二段上部沉積期，以厭氧—貧氧環(huán)境為主，Baxs(平均為7.66×10-4)、Ba/Al(平均為1.67×10-2)、古生產(chǎn)力替代系數(shù)(平均為95.00)明顯升高，表明古生產(chǎn)力水平較高；筇三段沉積期，以富氧環(huán)境為主，Baxs(平均為5.56×10-4)、Ba/Al(平均為1.43×10-2)和古生產(chǎn)力替代系數(shù)(平均為82.69)呈降低趨勢，表明古生產(chǎn)力水平降低(見圖7)。黔北斜坡區(qū)筇竹寺組Baxs平均為41.57×10-4[44]，說明黔北斜坡區(qū)的古生產(chǎn)力水平遠高于川西地區(qū)的，與異?；钴S的上升洋流作用密切相關。

古生產(chǎn)力水平對有機質(zhì)富集起到關鍵作用，研究區(qū)w(TOC)與Baxs、Ba/Al、古生產(chǎn)力替代系數(shù)存在較高的正相關關系(見圖8(h-j))，自筇一段→筇二段中下部→筇二段上部→筇三段，隨古生產(chǎn)力水平先降低再升高后降低，w(TOC)表現(xiàn)為先降低再升高后降低的趨勢。此外，古生產(chǎn)力的變化與水體滯留程度、上升洋流作用具有較好的相關關系，水體滯留程度較強的筇二段上部Baxs(平均為7.66×10-4)和Ba/Al(平均為1.67×10-2)低于滯留程度較弱的筇一段的(Baxs平均為9.83×10-4、Ba/Al平均為2.10×10-2)，上升洋流不太活躍的川西地區(qū)古生產(chǎn)力水平低于上升洋流異?；钴S的黔北斜坡區(qū)。

3.3 有機質(zhì)富集模式

筇一段沉積期，川西地區(qū)以炭質(zhì)頁巖沉積為主(見圖11(a))。該時期處于海平面快速上升期及下降早期，沉積水體相對較深，海洋出現(xiàn)水體分層，底部水體由于氧循環(huán)不足而出現(xiàn)厭氧—貧氧環(huán)境，揚子海盆遠離物源區(qū)，造成陸源輸入較低，碎屑粒度小，水體相對安靜，表層水體營養(yǎng)物質(zhì)豐富，古生產(chǎn)力較高。w(Mo)/w(TOC)和MoEF/UEF顯示處于水體半滯留環(huán)境，上升洋流影響作用較小，可能與遠離被動大陸邊緣及黔中水下隆起限制水體流通有關，與外海的營養(yǎng)物質(zhì)交換能力較弱。黔北斜坡區(qū)多次上涌的富營養(yǎng)元素洋流促使表層水域的生物繁衍，且陸源輸入(長石)遠低于川西地區(qū)的(見圖3)，使川西地區(qū)古生產(chǎn)力水平低于黔北斜坡區(qū)的，是川西地區(qū)有機質(zhì)含量在整個中上揚子地區(qū)處于較低水平的主要原因(見圖11(a))。

圖11 川西地區(qū)及黔北斜坡區(qū)早寒武世筇竹寺組頁巖形成演化模式Fig.11 Formation and evolution model of Early Cambrian Qiongzhusi Formation shale in the Western Sichuan Area and North Guizhou Slope Area

筇二段沉積期，根據(jù)構(gòu)造活動特征，可分為兩個階段：筇二段早中期，海平面持續(xù)下降，拉張裂陷活動較弱，沉積水體變淺，發(fā)育粉砂質(zhì)頁巖；海水中溶解氧含量增加，水體底部的缺氧環(huán)境遭到破壞，以富氧環(huán)境為主；較低的K/Al、Rb/Al和較高的w(Al2O3)顯示陸源輸入較大，巖石中次棱角狀石英顆粒大量發(fā)育；同時，古生產(chǎn)力水平較低，表層水營養(yǎng)物質(zhì)匱乏；富氧的水體環(huán)境、高的陸源輸入和低的古生產(chǎn)力水平不利于有機質(zhì)富集，因此w(TOC)在筇竹寺組中較低(見圖11(b))。筇二段晚期，陸源輸入持續(xù)增多，且w(Mo)/w(TOC)顯示水體滯留程度強于筇一段的，水體營養(yǎng)物質(zhì)交換弱于筇一段的，海平面進一步下降，但拉張裂陷作用加強，導致裂陷槽水體加深，水體環(huán)境為貧氧，使有機質(zhì)得以大量保存，有機質(zhì)含量低于筇一段的，高于筇二段早中期的。研究區(qū)上升洋流作用弱于黔北斜坡區(qū)的，陸源輸入較高，有機質(zhì)含量相對較低(見圖11(c))。

筇三段沉積期，沉積水體較淺，沉積環(huán)境轉(zhuǎn)為富氧環(huán)境，生物的繁盛程度弱于以往的，海洋生產(chǎn)力逐步下降，有機質(zhì)保存和生產(chǎn)力條件變差，陸源輸入持續(xù)增加，有機質(zhì)含量最低。

4 結(jié)論

(1)川西地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組以硅質(zhì)頁巖相為主，筇一段及筇二段上部富有機質(zhì)頁巖層主要為生物硅和陸源硅，砂質(zhì)紋層弱發(fā)育，黃鐵礦發(fā)育規(guī)模較大，為炭質(zhì)頁巖；筇二段中下部(粉砂質(zhì)頁巖)及筇三段(泥質(zhì)粉砂巖)硅質(zhì)成因主要為陸源硅，黏土質(zhì)含量增多，黃鐵礦發(fā)育規(guī)?？s小，砂質(zhì)紋層發(fā)育規(guī)模增大。黔北斜坡區(qū)筇一段及筇二段鏡下觀察放射蟲、海綿骨針等硅質(zhì)生物大量發(fā)育，以生物成因的硅質(zhì)頁巖相為主。

(2)研究區(qū)筇一段及筇二段上部硅質(zhì)頁巖w(TOC)較高，筇二段中下部及筇三段硅質(zhì)頁巖w(TOC)較低，w(TOC)表現(xiàn)為筇一段(平均為3.24%)>筇二段上部(平均為2.32%)>筇二段中下部(平均為1.22%)>筇三段(平均為0.45%)的特征；黔北斜坡區(qū)筇一段w(TOC)平均為5.13%，筇二段w(TOC)平均為3.82%，遠高于川西地區(qū)的。

(3)研究區(qū)筇竹寺組富有機質(zhì)頁巖的形成主要受陸源輸入、氧化還原條件、古生產(chǎn)力水平、水體滯留程度和上升洋流作用的綜合控制，其中上升洋流作用是造成有機質(zhì)含量在中上揚子地區(qū)處于較低水平的主要原因，陸源輸入是次要原因。川西地區(qū)筇一段及筇二段上部低的陸源輸入、缺氧的底水環(huán)境、高的古生產(chǎn)力水平、半滯留的水體性質(zhì)有利于有機質(zhì)富集；遠離被動大陸邊緣的川西地區(qū)洋流活躍程度較弱，處于不穩(wěn)定季節(jié)性洋流作用區(qū)，黔北斜坡區(qū)的上升洋流極為活躍，同時川西地區(qū)陸源輸入遠高于黔北斜坡區(qū)的，導致川西地區(qū)有機質(zhì)含量明顯低于黔北斜坡區(qū)的。