川東地區(qū)二疊系吳家坪組頁巖中黃鐵礦形態(tài)及其對大洋缺氧事件的指示意義

溫思宇，張 兵，，姚永君，馬 愷，王 艷，楊 凱

（1.成都理工大學沉積地質研究院，成都 610059；2.成都理工大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610059；3.成都理工大學地球物理學院，成都 610059；4.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦，重慶 400000）

0 引言

四川盆地是由盆地周邊的褶皺和斷裂圍限而成的一個大型構造沉積盆地，其形成演化受到特提斯構造域與太平洋構造域的控制［1］。二疊紀是古特提斯洋閉合、新特提斯洋開啟的關鍵時期，板塊運動活躍，其構造變化的背景造成了火山的頻繁活動［2］。峨眉山玄武巖噴發(fā)于吳家坪組沉積早期，川東地區(qū)位于其覆蓋范圍的外緣，以往研究認為，吳家坪組沉積期正處于一個缺氧事件的發(fā)展時期［3-5］。彭毅峰［6］在對川東地區(qū)二疊紀生物大滅絕的研究中發(fā)現(xiàn)，吳家坪組沉積期底棲有孔蟲相對于茅口組沉積期底棲有孔蟲所需的氧氣量更小，這種變化可能是二疊紀晚期的缺氧事件所導致的。近年來，學者們對川東地區(qū)吳家坪組的研究主要集中于層序地層劃分、巖相古地理演化以及烴源巖的評價上，對于川東地區(qū)吳家坪組沉積與晚二疊世大洋缺氧事件之間的聯(lián)系的研究尚且不足。即使有少量相關研究，也局限于古生物的演化，并未對不同礦物與缺氧事件之間的耦合關系進行詳細分析。

川東地區(qū)吳家坪組頁巖含有大量黃鐵礦，尤其草莓狀黃鐵礦含量較高。黃鐵礦廣泛分布于頁巖儲層中，受到形成過程中水體氧化還原條件及后期作用的限制，呈現(xiàn)出不同的形態(tài)特征［7］，尤其是草莓狀黃鐵礦，其粒徑、形狀等特征是反演古沉積環(huán)境的重要依據(jù)［8-9］。草莓狀黃鐵礦形態(tài)的差異反映了其形成過程中水體物理化學條件與后期環(huán)境的不同，目前已被廣泛應用于研究古海洋環(huán)境的變化［10-12］。Sweeney 等［13］比較了不同環(huán)境中黃鐵礦的形態(tài)大小和特征，指出黃鐵礦的生長與古代沉積環(huán)境的氧化還原條件密切相關。一些學者利用草莓狀黃鐵礦的平均粒徑（MD）及最大粒徑（MFD）來判別古環(huán)境，建立了通過沉積巖中草莓狀黃鐵礦粒徑的分布規(guī)律來反演古海洋氧化還原環(huán)境的模型［10，14-15］。因此，黃鐵礦基于自身對于氧化還原條件的敏感性，必然會對晚二疊世大洋缺氧事件表現(xiàn)出一定的響應特征。

本次研究結合沉積地球化學數(shù)據(jù)分析，還原川東地區(qū)吳家坪組沉積期的水體氧化還原條件，分析吳家坪組沉積期水體環(huán)境的過渡性特點，揭示黃鐵礦形態(tài)-大洋缺氧事件-峨眉山玄武巖噴發(fā)的耦合關系，并建立草莓狀黃鐵礦對缺氧事件的響應模式，以期從不同角度對晚二疊世大洋缺氧事件的影響范圍及后果進行補充分析。

1 地質概況

四川盆地是隸屬于華南板塊的一個疊合盆地，位于特提斯東段構造域中帶［2-3，16］。二疊紀時期古特提斯板塊向勞亞大陸持續(xù)匯聚，受此影響，產生了一系列地質事件和海平面變化［17］。二疊世末發(fā)生東吳運動，這一時期由地幔柱活動引起的地殼大規(guī)模抬升和大火成巖省形成，改變了四川盆地晚二疊世沉積地貌的格局，沉積分異也隨之加劇。峨眉山玄武巖噴發(fā)后的熱冷卻沉降使得噴發(fā)區(qū)外圍沉積了一套下部為海-陸過渡相的含煤泥質巖與砂巖（龍?zhí)督M/吳家坪組）［18］，上部為灰?guī)r、生物灰?guī)r夾泥灰?guī)r與硅質巖（長興組/大隆組）的沉積組合。川東地區(qū)構造上位于揚子板塊西北部，為揚子準地臺的一個次級構造單元［19］（圖1a）。吳家坪組在該地區(qū)連續(xù)分布，下伏茅口組地層，上覆長興組地層，由FT1 井測得其厚度為101 m，巖性主要為泥質頁巖。根據(jù)巖性可將二疊系吳家坪組分為3 段：吳一段厚度為37.5 m，頂部發(fā)育一套較厚的灰?guī)r，下部為灰黑色黏土質頁巖，底部見一套玄武巖及一套鋁土巖，中上部質地較易碎，整體為開闊臺地沉積；吳二段厚度為28.5 m，頂部為泥質灰?guī)r，底部為黑色頁巖，整體為深水陸棚沉積；吳三段厚度為35 m，頁巖與灰?guī)r互層，整體為淺水陸棚沉積（圖1b）。

圖1 川東地區(qū)構造圖（a）及FT1 井二疊系吳家坪組單井柱狀圖（b）（據(jù)文獻［20-21］修改）Fig.1 Structural map of eastern Sichuan Basin（a）and stratigraphic column of Permian Wujiaping Formation of well FT1（b）

2 巖石學特征

川東地區(qū)二疊系吳家坪組沉積時期海平面變化明顯，沉積過程復雜。為了研究這一時期川東地區(qū)FT1 井的礦物組成，共取FT1 井吳家坪組頁巖樣品25 塊，進行X 射線衍射全巖-黏土礦物組分測試。結果表明，脆性礦物（石英、長石、方解石和白云石）質量分數(shù)為9.2%～52.4%，平均為30.1%，其中石英質量分數(shù)為6.2%～31.3%，平均為18.4%，方解石質量分數(shù)為0.3%～20.3%，平均為7.0%；其他礦物（黃鐵礦、菱鐵礦和石膏）的平均質量分數(shù)小于5%。吳家坪組頁巖樣品富含黏土礦物，質量分數(shù)為6.3%～69.6%，平均為60.3%（表1）。根據(jù)FT1 井25 個全巖X射線衍射資料，將FT1 井吳家坪組巖石類型主要劃分為鈣質硅質混合頁巖、硅質頁巖、黏土質頁巖3 種［22］（圖2）。

圖2 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組頁巖巖相劃分三角圖Fig.2 Ternary diagram of shale lithofacies division of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

鈣質硅質混合頁巖巖心夾多套灰?guī)r巖層，灰?guī)r中發(fā)育順層裂縫，由方解石填充，鏡下可見黃鐵礦顆粒及石英、方解石充填的孔洞（圖3a）和草莓狀黃鐵礦充填的生物骨針（圖3b）。主要基質為黏土礦物、長石、碎屑石英及碳酸鹽巖，黃鐵礦呈集合體分散分布。石英+長石礦物的質量分數(shù)為30%～50%，方解石+白云石的質量分數(shù)為25%～50%，黏土質量分數(shù)為10%～35%。

圖3 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組不同頁巖巖相的巖心及鏡下特征Fig.3 Core and microscopic characteristics of different shale lithofacies of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

硅質頁巖巖心夾凝灰?guī)r層，中部發(fā)育一條4 cm左右的裂縫，上部發(fā)育水平微裂縫，均由方解石充填。發(fā)育多層黃鐵礦薄層，可見透鏡狀黃鐵礦，且含有少量介殼化石；鏡下觀察，可見黃鐵礦顆粒及陸源石英大量分布，硅化后的生物骨架、生屑分布均勻，略具定向性，個別生屑被硅化；生屑間由大量黏土礦物和黑色炭質礦物混合填隙，零星見陸源粉砂。石英+長石的礦物質量分數(shù)為40%～72%，方解石+白云石的質量分數(shù)為6%～24%，黏土質量分數(shù)為8%～21%（圖3c—3g）。

黏土質頁巖巖心觀察可見黃鐵礦較發(fā)育，裂縫較多，方解石充填，具黑色環(huán)邊（圖3h）；鏡下可見有機質發(fā)育，常見植物碎屑，為石英膠結，黃鐵礦零星分布，孔隙不發(fā)育（圖3i）。石英+長石的礦物質量分數(shù)為20%～29%，方解石+白云石的質量分數(shù)為10%～11%，黏土質量分數(shù)為59%～70%。

3 地球化學特征

對川東地區(qū)FT1 井吳家坪組25 塊頁巖樣品進行的主、微量元素測試，由成都理工大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室使用Quanta250 FEG（美國FEⅠ公司）在24 ℃恒溫、35%恒濕條件下完成的。測試過程中使用能譜LL 儀（ⅠNCAx-max20）進行元素分析以保證實驗中礦物識別的準確度。主量元素以SiO2最為豐富，其質量分數(shù)為13.57%～86.75%，平均為49.51%；其次為Al2O3，質量分數(shù)為1.16%～22.89%，平均為13.67%；CaO，F(xiàn)e2O3，K2O，F(xiàn)eO，MgO 的質量分數(shù)分別為0.33%～7.28%，0.11%～50.11%，0.15%～3.79%，0.47%～2.89%和0.10%～6.20%，平均分別為11.24%，4.82%，1.55%，1.24%和1.02%；其余主量元素氧化物質量分數(shù)均小于1.0%?？傮w上，Al2O3含量較高。富集系數(shù)（EF）可以反映沉積物中元素的富集程度［23］，通過分析Mo 和U 的富集系數(shù)均值可發(fā)現(xiàn)，Mo（EF=2.55）和U（EF=2）均相對富集，表明樣品中可能存在有機質或黏土礦物（表2）。

表2 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組頁巖地球化學元素Table 2 Geochemical elements of Permian Wujiaping Formation shale of well FT1 in eastern Sichuan Basin%

U/Th，Ni/Co 和V/Cr 等值被廣泛用于指示水體的氧化還原狀態(tài)，值越小反映水體的氧化程度越高，值越大反映水體的還原程度越強［23-25］。通常，U/Th ＞1.25，Ni/Co ＞7.00［26］指示缺氧沉積環(huán)境；0.50 ＜U/Th ＜1.25，5.00 ＜Ni/Co ＜7.00 指示貧氧沉積環(huán)境；U/Th ＜0.75，Ni/Co ＜5.00 指示富氧沉積環(huán)境。本次研究利用這些比值來判別研究區(qū)吳家坪組頁巖沉積時期水體的氧化還原性質，并與黃鐵礦粒徑判別結果進行對比。FT1 井樣品的測試結果顯示：U/Th值為0.23～2.96，平均為1.11；Ni/Co 值為1.18～15.77，平均為6.70。以上比值顯示川東地區(qū)吳家坪組頁巖沉積時期整體處于貧氧環(huán)境，且U/Th，Ni/Co 和V/Cr 的值整體上呈現(xiàn)出隨深度變小而逐漸增大的趨勢，反映出川東地區(qū)吳家坪組沉積時期水體由貧氧條件向缺氧條件過渡的特征，而這種氧化還原條件的變化很可能是由一次較大規(guī)模的缺氧事件所導致的（圖4）。

圖4 川東地區(qū)FT1 井吳二疊系家坪組頁巖元素比值與深度的關系Fig.4 Vertical distribution of shale element ratio of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

4 對大洋缺氧事件的指示意義

4.1 黃鐵礦形態(tài)及粒徑分布

通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）對研究區(qū)吳家坪組頁巖樣品中草莓狀黃鐵礦球粒的直徑進行觀察、測量和記錄，結果顯示，川東地區(qū)吳家坪組頁巖中的黃鐵礦形態(tài)主要有草莓狀、柱狀、部分重結晶和不規(guī)則團塊狀。其中草莓狀黃鐵礦含量相對較高，常呈帶狀分布；柱狀黃鐵礦一般由草莓狀黃鐵礦通過重結晶作用形成；部分重結晶黃鐵礦是在黃鐵礦邊緣發(fā)育一些絮狀物，往往是由富流體的成巖作用或低程度的變質作用引起；不規(guī)則團塊狀黃鐵礦具有棱角發(fā)育的邊緣；部分草莓狀黃鐵礦微晶顆粒間可見自生石英發(fā)育，也可見有機質充填，偶見粒間孔（圖5）。

圖5 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組掃描電鏡下黃鐵礦形態(tài)Fig.5 Pyrite morphology under scanning electron microscope of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

對川東地區(qū)吳家坪組頁巖中的草莓狀黃鐵礦進行統(tǒng)計，得到其平均粒徑（MFD）均值為5.18～10.75 μm，高于硫化（缺氧）海洋環(huán)境中的草莓狀黃鐵礦粒徑平均值（5.0±1.7 μm），并隨深度的減小而逐漸接近這一平均值，由此推測吳家坪組頁巖形成于由貧氧環(huán)境逐漸向缺氧環(huán)境轉化的過渡環(huán)境中（表3）。

表3 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組頁巖黃鐵礦粒徑相關參數(shù)Table 3 Parameters related to framboidal pyrite particle size of Permian Wujiaping Formation shale of well FT1 in eastern Sichuan Basin

Wilkin 等［10］制作了草莓狀黃鐵礦平均粒徑對標準偏差的二元圖解（圖6a）以及草莓狀黃鐵礦平均粒徑對偏態(tài)系數(shù)的圖解（圖6b），并在平均粒徑對標準偏差的二元圖解上劃分出硫化環(huán)境與貧氧—氧化環(huán)境。綜合利用這2 種圖解來判別研究區(qū)吳家坪組頁巖沉積時期水體的氧化還原性質，樣品點均落在貧氧—氧化區(qū)域，進一步說明吳家坪組頁巖整體形成于貧氧—氧化環(huán)境。同時，圖中部分樣品點十分接近缺氧環(huán)境與貧氧—氧化環(huán)境的分界線，為吳家坪組頁巖黃鐵礦形成于貧氧—氧化環(huán)境向缺氧環(huán)境過渡時期提供了證據(jù)。

圖6 川東地區(qū)FT1 井二疊系吳家坪組頁巖草莓狀黃鐵礦粒徑研究交會圖（據(jù)文獻［10］修改）Fig.6 Cross plots of particle size of framboidal pyrite of Permian Wujiaping Formation shale of well FT1 in eastern Sichuan Basin

4.2 黃鐵礦形態(tài)對缺氧事件的響應

川東地區(qū)二疊紀有孔蟲的研究［27］顯示，茅口組沉積期水體為氧化環(huán)境而吳家坪組沉積期整體顯示為貧氧環(huán)境，這與本次研究中的粒徑統(tǒng)計分析結果及地化數(shù)據(jù)分析結果相符。雖然吳家坪組沉積期整體顯示貧氧—氧化環(huán)境，但隨取樣深度由大至小所指向的氧化還原環(huán)境明顯由貧氧階段過渡到缺氧階段，結合地化數(shù)據(jù)分析，顯示吳家坪組沉積晚期水體已接近缺氧甚至已經進入缺氧環(huán)境。由于大隆組沉積期為典型的靜海深水缺氧環(huán)境［27］，這一情況與茅口組—吳家坪組—長興/大隆組的地層變化所對應的氧化—貧氧—缺氧的環(huán)境變化一致。

華南地區(qū)在二疊紀處于特提斯構造域東部，其周緣被古特提斯洋東段及古太平洋所圍限。受峨眉地幔柱活動的影響，大約在吳家坪組沉積早期峨眉山玄武巖全面噴出地表，長興組沉積期這一火山活動結束［28-30］?；鹕絿姲l(fā)釋放的氣體導致海洋缺氧，且其變化節(jié)點與茅口組—吳家坪組—長興/大隆組地層所反映出的水體含氧量變化具有同步性，從而得出草莓狀黃鐵礦形態(tài)對峨眉山玄武巖噴發(fā)的響應模式（圖7）。茅口組沉積晚期，巖漿上拱使四川盆地形成位于海平面之上的穹窿，此時水體處于氧化環(huán)境；吳家坪組沉積早期，峨眉山玄武巖全面噴出地表，穹窿中心為陸相噴發(fā)，周邊海域為水下噴發(fā)，此時大量二氧化碳隨巖漿噴出，溶于水體，使得水體中浮游生物繁殖加快，耗氧量增加，造成水體含氧量的持續(xù)下降，形成吳家坪組沉積期水體的貧氧—氧化環(huán)境，草莓狀黃鐵礦粒徑較大且分布范圍較廣；隨著火山活動的持續(xù)，CO2不斷涌出，浮游生物大量繁殖，水體缺氧程度不斷加劇，至大隆/長興組沉積期峨眉山玄武巖巖漿活動已至尾聲，此時水體已完全處于缺氧甚至硫化環(huán)境，草莓狀黃鐵礦粒徑較小且分布范圍較窄。

圖7 川東地區(qū)二疊系吳家坪組草莓狀黃鐵礦的形成機制（a，b）及其對缺氧事件的響應模式（c）Fig.7 Formation mechanism of framboidal pyrite（a，b）and its response model to anoxic events（c）of Permian Wujiaping Formation in eastern Sichuan Basin

4.3 地質意義

二疊紀—三疊紀發(fā)生了著名的前樂平世生物滅絕事件，峨眉山大火成巖省的噴發(fā)及其伴隨的海洋缺氧目前被認為是造成這一事件的首要原因［31］。研究川東地區(qū)吳家坪組頁巖黃鐵礦對這一缺氧事件的響應特征有利于精確晚二疊世大洋缺氧事件的波及范圍，完善峨眉山大火成巖省的噴發(fā)與海底缺氧事件的響應機制，可為研究礦物與環(huán)境變化之間的耦合作用提供參考。黃鐵礦作為泥頁巖中廣泛發(fā)育的一種礦物類型，與頁巖中有機質豐度存在正相關關系［32］，可為優(yōu)質儲層發(fā)育機理研究與優(yōu)質儲層預測提供依據(jù)，在儲層孔隙系統(tǒng)中占有重要位置［33-34］。雖然頁巖中黃鐵礦對油氣富集的作用仍待深化研究，但分析其對環(huán)境的各種響應特征在頁巖油氣富集規(guī)律分析方面仍具有重要意義。

5 結論

（1）川東地區(qū)二疊系吳家坪組頁巖礦物組成較為復雜，富含黏土礦物，黃鐵礦發(fā)育，巖石類型主要有鈣質硅質混合頁巖、硅質頁巖、黏土質頁巖3 種。

（2）巖心樣品的地化分析表明川東地區(qū)吳家坪組頁巖主要沉積于貧氧環(huán)境，U/Th，Ni/Co 及V/Cr等值隨取樣深度的增加而減小，水體缺氧程度逐漸增大，揭示吳家坪組沉積期研究區(qū)正處于一個缺氧事件的發(fā)展期。

（3）吳家坪組沉積時期草莓狀黃鐵礦的平均粒徑隨深度增大而增大，與地化數(shù)據(jù)分析對比，這種變化是由二疊紀晚期大洋缺氧事件對川東地區(qū)吳家坪組頁巖黃鐵礦的影響所導致。

（4）由峨眉山玄武巖噴發(fā)所導致的缺氧事件涉及茅口組沉積晚期—吳家坪組沉積期—大隆/長興組沉積期，在此沉積階段川東地區(qū)水體缺氧程度不斷加劇，至大隆/長興組沉積時期已完全處于缺氧甚至硫化環(huán)境。