川南五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖相特征及沉積作用

摘 要 【目的】川南地區(qū)上奧陶統(tǒng)和下志留統(tǒng)黑色頁(yè)巖是頁(yè)巖氣勘探的主要目標(biāo)，探究此套頁(yè)巖的巖相劃分、沉積環(huán)境以及沉積過(guò)程，可為頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。【方法】通過(guò)巖心、光學(xué)顯微鏡以及掃描電鏡的觀察與分析，根據(jù)礦物組成及含量、沉積構(gòu)造特征，并綜合考慮生物作用及成巖作用對(duì)巖相進(jìn)行劃分；利用氧化—還原指標(biāo)（U/Th、V/Cr、V/（V+Ni）、Ni/Co）、海平面變化指標(biāo)（Ce*）、水體滯留程度指標(biāo)（Mo/TOC）、古氣候指標(biāo)（Sr/Cu）、古鹽度指標(biāo)（Sr/Ba）以及古生產(chǎn)力指標(biāo)（Cu、生源Ba）對(duì)古環(huán)境進(jìn)行分析，并基于巖心和薄片觀察、X射線熒光掃描以及礦物X衍射全巖分析對(duì)沉積過(guò)程進(jìn)行識(shí)別?！窘Y(jié)果】五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖識(shí)別出六種巖相：生物硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、（長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁(yè)巖、鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖以及長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖。沉積環(huán)境自下而上經(jīng)歷五個(gè)階段的變化。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主要是在低能條件下懸浮沉積形成，也在五峰組中部和龍馬溪組下部發(fā)育上升流沉積，五峰組頂部發(fā)育少量風(fēng)暴流沉積，在龍馬溪組上部也見(jiàn)有重力滑塌、碎屑流、和濁流沉積?！窘Y(jié)論】沉積環(huán)境的頻繁變化以及沉積過(guò)程的多樣性控制了巖相的類型與特征，進(jìn)一步導(dǎo)致不同巖相的有機(jī)質(zhì)含量、孔隙度、含氣量等儲(chǔ)層品質(zhì)因素存在顯著差異，后續(xù)仍需在頁(yè)巖巖相與儲(chǔ)層品質(zhì)等方面加強(qiáng)研究，為頁(yè)巖氣的勘探與開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 五峰組—龍馬溪組；巖相特征；古環(huán)境；沉積過(guò)程；沉積模式

第一作者簡(jiǎn)介 劉雨迪，男，2000年出生，碩士研究生，細(xì)粒沉積學(xué)，E-mail： s21010026@s.upc.edu.cn

通信作者 梁超，男，教授，E-mail： liangchao0318@163.com

中圖分類號(hào) P618.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

細(xì)粒沉積巖約占沉積巖的三分之二，但由于粒度小、觀察難度大以及受超微觀實(shí)驗(yàn)條件的限制，其沉積、成巖作用仍是地質(zhì)界的難題，且細(xì)粒物質(zhì)各組分的物質(zhì)來(lái)源、形成機(jī)制以及沉積過(guò)程極其復(fù)雜[1?3]。巖相及其沉積環(huán)境是研究細(xì)粒沉積巖的兩大基本問(wèn)題[4?7]。巖相的發(fā)育、垂向變化，以及其沉積時(shí)的古氣候、古環(huán)境對(duì)于細(xì)粒沉積巖的研究有著至關(guān)重要的意義[8?9]。同時(shí)也為頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)和尋找有利勘探目標(biāo)提供理論支撐[2，10?13]。

在五峰組到龍馬溪組沉積期間，全球發(fā)生了包括火山噴發(fā)、冰期事件、生物大滅絕等一系列的地質(zhì)事件[14?18]。受多種地質(zhì)事件的綜合影響，沉積五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖時(shí)的氣候、海平面、氧化還原性、水體封閉性、初級(jí)生產(chǎn)力等沉積環(huán)境要素發(fā)生頻繁變化，進(jìn)一步控制著巖相的類型與特征，同時(shí)也導(dǎo)致了其垂向上的非均質(zhì)性。由于巖相的類型多樣，不同巖相的有機(jī)質(zhì)含量、含氣量存在顯著差異，在頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)中受到重點(diǎn)關(guān)注[19?21]。因此，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的形成及演化值得深入研究[19，22?23]。

本文綜合運(yùn)用野外觀察、巖心描述、鏡下觀察、電鏡觀察、TOC含量測(cè)試及元素地球化學(xué)測(cè)試分析，對(duì)四川盆地川南五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖進(jìn)行研究，刻畫頁(yè)巖的巖相類型和沉積特征，分析古氣候、古鹽度、古水深和古生產(chǎn)力等古沉積環(huán)境要素及其演化規(guī)律，并建立頁(yè)巖沉積模式，從而為該區(qū)域下一步頁(yè)巖氣的勘探和開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

奧陶紀(jì)期間，華南克拉通是岡瓦納大陸西北緣構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)的一個(gè)微大陸[24]。晚奧陶世，盆地受到周邊擠壓作用，使得上揚(yáng)子海域被圍限成局限海盆（圖1a）；到早志留世，川中隆起的范圍不斷擴(kuò)大，使得四川盆地成為古隆起帶包圍的局限陸棚環(huán)境[25]。且?jiàn)W陶紀(jì)末和志留紀(jì)初，發(fā)生了兩次全球性的海侵[26]。

四川盆地位于我國(guó)西南部，屬于揚(yáng)子板塊內(nèi)的次一級(jí)的克拉通盆地[27]，可進(jìn)一步劃分為五個(gè)次級(jí)的構(gòu)造單元，包括川北低緩構(gòu)造區(qū)、川中低緩構(gòu)造區(qū)、川東高陡構(gòu)造帶、川西低陡構(gòu)造區(qū)以及川南中低緩構(gòu)造帶[28]，研究區(qū)位于川南中低緩構(gòu)造帶（圖1b）。

受海侵以及構(gòu)造活動(dòng)的影響，沉積了五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖。上奧陶統(tǒng)五峰組主要由黑色硅質(zhì)泥巖組成，并含有豐富的筆石、放射蟲和海綿骨針等化石。晚奧陶世，觀音橋段主要沉積生物介殼灰?guī)r，被認(rèn)為是冰期海平面短暫下降的結(jié)果[29]。在志留紀(jì)早期，全球冰川融化，海平面快速上升，導(dǎo)致龍馬溪組主要沉積黑色硅質(zhì)泥巖、灰色粉砂巖夾層泥巖以及灰色黏土質(zhì)泥巖（圖1c）。

2 巖相類型及特征

2.1 礦物組成

五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖礦物以石英、碳酸鹽礦物和黏土礦物為主，含鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、黃鐵礦等（圖2）。石英含量介于9.70%～72.80%，平均為33.88%，由陸源石英、生物成因石英以及成巖自生石英構(gòu)成[30]；斜長(zhǎng)石含量介于1.40%～9.60%，平均為4.09%；方解石含量介于7.2%～38%，平均為25.10%，呈碎屑顆粒或紋層狀的形式存在；白云石含量介于3.60%～42.60%，平均為10.43%；黏土礦物含量介于5.70%～51.20%，平均為24.73%，主要由伊利石、伊蒙混層及綠泥石組成；黃鐵礦含量介于0.70%～7.00%，平均為2.68%，以自形狀或草莓狀黃鐵礦的形式存在。

2.2 巖相類型

巖相是一定沉積環(huán)境中形成的巖石或巖石組合，既包含了巖石類型、顏色、結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造等宏觀信息，也包含無(wú)機(jī)礦物與有機(jī)組分的微觀信息[31]。關(guān)于頁(yè)巖巖相的劃分，前人已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，合理的巖相劃分能夠反映地層主要的、典型的巖石類型[32]。本文通過(guò)巖心觀察、鏡下觀察以及掃描電鏡分析，根據(jù)礦物組成及含量、沉積構(gòu)造特征，以長(zhǎng)英質(zhì)（石英+長(zhǎng)石）、鈣質(zhì)（方解石+白云石）和黏土礦物為三端元進(jìn)行劃分，并綜合考慮生物作用及成巖作用，識(shí)別出六種頁(yè)巖巖相類型：生物硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、（長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁(yè)巖、鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖，長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖以及鈣質(zhì)頁(yè)巖。除此之外，還發(fā)育少量凝灰?guī)r和生物介殼灰?guī)r。

2.2.1 生物硅質(zhì)頁(yè)巖

生物硅質(zhì)頁(yè)巖主要分布在五峰組的中部以及龍馬溪組下部，呈層狀分布，厚度一般介于0.2～1.0 cm，少量厚幾百微米，上下界面呈現(xiàn)突變接觸（圖3a1）。巖心顏色多為黑色—灰黑色，硬度普遍比較大，TOC平均含量為3.31%。生物硅質(zhì)頁(yè)巖中SiO2含量高，放射蟲、海綿骨針等化石豐富（圖3a3），由于方解石在放射蟲的空腔內(nèi)有充足的空間生長(zhǎng)，大多呈自形（圖3a2，a3）。前人研究中所繪制的Al-Fe-Mn三元圖證實(shí)研究區(qū)的石英并非來(lái)源于熱液，因?yàn)橛绅ね恋V物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的SiO2大多形成分散在黏土基質(zhì)中的粒狀微晶石英[33?34]，由陸源搬運(yùn)而來(lái)的石英則呈碎屑外形，而生物硅質(zhì)頁(yè)巖中大部分硅質(zhì)呈隱晶質(zhì)充填在放射蟲化石中（圖3a2），故排除其黏土轉(zhuǎn)化及陸源成因。且放射蟲、海綿等硅質(zhì)生物化石豐富，并結(jié)合其所在層位具較高的古生產(chǎn)力，推測(cè)其生物硅質(zhì)頁(yè)巖中的硅質(zhì)來(lái)源為硅質(zhì)生物碎屑的部分溶解。

2.2.2 黏土質(zhì)頁(yè)巖

黏土質(zhì)頁(yè)巖主要分布在五峰組的底部以及龍馬溪組的上部，發(fā)育水平層理和塊狀層理，巖心呈黑色—灰黑色（圖3b1），硬度相對(duì)較小，TOC平均含量為3.66%。黏土礦物平均含量大于50%（圖3b3），主要為伊利石，其次為伊蒙混層及少量綠泥石，有少量石英、長(zhǎng)石或碳酸鹽礦物漂浮在黏土礦物中（圖3b2），顆粒粒度一般小于62.5 μm。部分可見(jiàn)黏土透鏡體（圖3b2），其可能為再搬運(yùn)的泥質(zhì)碎屑[35]。

2.2.3 （長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁(yè)巖

（長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁(yè)巖主要分布在龍馬溪組中部，發(fā)育平行層理，透鏡狀層理以及韻律性層理，巖心呈灰黑色—深灰色（圖3c1），硬度相對(duì)較大，TOC平均含量為4.25%，是有機(jī)質(zhì)含量最豐富的巖相。薄片觀察可見(jiàn)粉砂質(zhì)（亮紋層）與泥質(zhì)（暗紋層）相間（圖3c2，c3），其粉砂質(zhì)紋層并不完全平行，而是呈狹長(zhǎng)的透鏡狀（圖3c2）。長(zhǎng)英質(zhì)礦物與碳酸鹽礦物含量大致相當(dāng)，均超過(guò)30%，分別為38.27% 和33.64%，碎屑顆粒分選較差，磨圓中等，呈次棱角—次圓狀。有機(jī)質(zhì)與黏土混雜在一起，鏡下很難分辨，長(zhǎng)石及云母在鏡下很少看到。

2.2.4 鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖

鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖主要分布在五峰組中部，通常不顯層理，巖心呈灰黑色（圖3d1），硬度相對(duì)較大，TOC平均含量為3.50%。石英、長(zhǎng)石、方解石均表現(xiàn)出碎屑外形，以方解石為主（圖3d2，d3），平均含量為54.56%，其次為石英顆粒，平均含量為18.23%，碎屑顆粒分選較好，磨圓中等，多呈次棱角—次圓狀，粒徑一般介于10～50 μm。黏土礦物平均含量為23.07%。

2.2.5 鈣質(zhì)頁(yè)巖

鈣質(zhì)頁(yè)巖主要分布在龍馬溪組下部，紋層十分明顯，巖心呈灰黑色夾白色方解石紋層，在手標(biāo)本上可以見(jiàn)到灰質(zhì)斷口，TOC含量較高，平均為5.35%。鏡下可觀察到紋層十分發(fā)育（圖3e1），為順層分布的亮晶方解石紋層和暗色的黏土層的紋層組合（圖3e2，e3），方解石平均含量可達(dá)30.5%，其亮晶方解石為成巖作用形成。石英懸浮在黏土紋層中，平均含量為37.4%，黏土礦物含量較低。

2.2.6 長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖

長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖主要分布在龍馬溪組的下部和上部，層狀或塊狀分布，巖心呈黑色或灰黑色（圖3f1），硬度較大，TOC平均含量為3.96%。鏡下觀察礦物以石英及長(zhǎng)石為主（圖3f2，f3），石英平均含量為42%，礦物分布均勻，磨圓中等，呈次棱角—次圓狀，粒度大多介于20～50 μm，方解石含量較少，平均為11.8%，黏土礦物含量較高，平均為43.40%。

2.3 巖相垂向序列

以N222井為例，分析了巖相的垂向演變（圖4）。五峰組沉積早期，黏土礦物、方解石含量較高，石英、長(zhǎng)石、白云石含量較低，發(fā)育一套黏土質(zhì)頁(yè)巖，TOC含量較高。五峰組中部，方解石、白云石含量增多，石英、長(zhǎng)石、黏土礦物含量降低，發(fā)育鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖與（長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁(yè)巖，TOC含量較高。在五峰組及龍馬溪組的交界處，此時(shí)發(fā)生冰期事件，發(fā)育一套生物介殼灰?guī)r，TOC含量較低。龍馬溪組沉積早期，石英、黏土礦物含量升高，長(zhǎng)石、方解石含量降低，發(fā)育一套鈣質(zhì)頁(yè)巖、長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖以及少量生物硅質(zhì)頁(yè)巖，TOC含量逐漸降低。龍馬溪組中上部，石英含量較高，長(zhǎng)石、黏土礦物含量逐漸升高，方解石、白云石含量逐漸降低，發(fā)育（長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁(yè)巖、長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖以及黏土質(zhì)頁(yè)巖，TOC含量降低并保持穩(wěn)定。巖相序列演變隨著氣候、海平面的升降以及沉積環(huán)境發(fā)生變化，TOC含量以及各種礦物含量均隨之變化，從而導(dǎo)致巖相的類型也發(fā)生相應(yīng)的變化。

3 地球化學(xué)特征及古環(huán)境分析

3.1 地球化學(xué)特征

N222井五峰組—龍馬溪組22個(gè)頁(yè)巖樣品TOC介于1.49%～7.17%，平均為3.90%，五峰組頁(yè)巖的TOC含量波動(dòng)幅度較大，龍馬溪組TOC含量則較為穩(wěn)定。微量元素分析顯示，Cr元素含量介于19.3～87.0 μg/g，平均為48.65 μg/g；Co元素含量介于3.03～22.40 μg/g，平均為10.21 μg/g；V元素含量介于42.7～402.0 μg/g，平均為145.45 μg/g；Ni元素含量介于35～188 μg/g，平均為81.79 μg/g；Zn元素含量介于26.10～214.00 μg/g，平均為101.15 μg/g。這些微量元素及其比值被廣泛地用于古環(huán)境的判識(shí)（表1）。

3.2 沉積環(huán)境判識(shí)

3.2.1 氧化—還原性

氧化還原條件是影響細(xì)粒沉積的重要因素，雖然V、Ni、U、Th等元素已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用于沉積水體氧化還原性的恢復(fù)，但是單個(gè)元素含量與沉積水體的氧化還原性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在不確定性。因此，選取U/Th、V/Cr、V/（V+Ni）、Ni/Co作為水體氧化還原性的有效判識(shí)指標(biāo)。

1） U/Th比值法

U元素在水體氧化還原性的判識(shí)中最為常見(jiàn)，水體處于強(qiáng)還原狀態(tài)時(shí)U元素比較富集，以U4+化合物從海水析出并沉淀下來(lái)，而當(dāng)水體中氧含量豐富，U元素很容易遷移，以U6+離子游離于水體，利用此種性質(zhì)可判識(shí)水體的氧化還原條件。Th元素是一種化學(xué)性質(zhì)不活潑的惰性元素，通常不受氧化還原條件的影響，利用U/Th 比值的可以判識(shí)沉積水體的氧化還原性[45?46]。研究區(qū)U/Th比值變化幅度較大，介于0.278～2.823（圖5），在五峰組下部U/Th比值介于0.75～1.25，表明沉積水體貧氧，中部變?yōu)槿毖醯倪€原環(huán)境，頂部U/Th比值小于0.75，表明迅速演變成氧化環(huán)境；在龍馬溪組下部，U/Th比值大于1.25，沉積水體屬于缺氧還原環(huán)境，中上部逐漸變?yōu)楦谎醐h(huán)境。

2） V/Cr及V/（V+Ni）

比值法V/Cr的比值也可用于氧化還原條件的判識(shí)，因?yàn)楫?dāng)水體處于氧化狀態(tài)時(shí)，V元素通常以V5+的形式存在于釩酸鹽（HVO24 -、H2VO4 -）中，且常常被鐵和錳的氫氧化物吸附而發(fā)生遷移，當(dāng)水體處于還原狀態(tài)時(shí)，V5+會(huì)被還原為V4+的VO2+離子形成不溶的氫氧化物，易被有機(jī)質(zhì)顆粒吸附而沉淀下來(lái)，在硫化環(huán)境中，V4+可被進(jìn)一步還原成V3+，形成固態(tài)氧化物V2O3或氫氧化物V（OH）3 沉淀[47?48]。當(dāng)水體處于氧化狀態(tài)時(shí)，Cr元素以+6價(jià)的可溶鉻酸鹽陰離子CrO24 -的形式存在，當(dāng)水體處于還原狀態(tài)時(shí)，Cr元素則以+3價(jià)的不溶鉻氫氧化物Cr（OH）2+的形式存在[46?47]。研究區(qū)V/Cr比值介于1.46～5.54（圖5），平均為3.27，指示其沉積水體總體為貧氧環(huán)境。在五峰組下部沉積環(huán)境從氧化迅速演化為還原環(huán)境，中部變?yōu)樨氀醯某练e環(huán)境，到五峰組頂部時(shí)沉積環(huán)境變?yōu)檠趸h(huán)境；在龍馬溪組下部，V/Cr比值大于4.25，沉積環(huán)境屬于還原環(huán)境，中上部沉積環(huán)境逐漸變?yōu)檠趸h(huán)境。

當(dāng)水體處于還原狀態(tài)時(shí)，沉積物中會(huì)富集V所形成的有機(jī)絡(luò)合物，在硫化還原條件下Ni的富集會(huì)更早，因此可以用V/（V+Ni）的比值來(lái)指示沉積水體的氧化還原環(huán)境[36?37]。研究區(qū)V/（V+Ni）比值介于0.40～0.74（圖5），平均為0.63，指示沉積五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖時(shí)環(huán)境總體為厭氧亞還原環(huán)境。在五峰組下部，V/（V+Ni）比值介于0.60～0.84，沉積水體屬于缺氧還原環(huán)境，中部水體還原性減弱，局部達(dá)到有氧條件，可能是由于水體硫化增強(qiáng)導(dǎo)致V/（V+Ni）比值偏低，頂部比值介于0.46～0.60，屬于貧氧環(huán)境；在龍馬溪組，V/（V+Ni）比值介于0.60～0.84，屬于缺氧還原環(huán)境。

3） Ni/Co比值法

當(dāng)水體處于缺氧且H2S存在的還原環(huán)境時(shí)，Ni會(huì)形成硫化物NiS的形式賦存在沉積物中，Co則以固溶體的形態(tài)存在于自生黃鐵礦中，但如果水體的氧含量比較充足時(shí)，Ni則以Ni2+離子和NiCO3等形式存在，Co也以離子的形式存在且易溶于水[36，45?46]。研究區(qū)Ni/Co比值變化較大（圖5），介于3.58～15.63，平均為8.74，表明其沉積水體總體屬于還原環(huán)境。在五峰組下部，沉積水體屬于貧氧環(huán)境，中部沉積水體演變?yōu)檫€原環(huán)境，頂部Ni/Co比值降低，屬于有氧—貧氧環(huán)境；在龍馬溪組下部，Ni/Co比值大于7，屬于缺氧還原環(huán)境，中上部沉積環(huán)境逐漸變?yōu)檠趸h(huán)境。

3.2.2 海平面變化

當(dāng)海平面發(fā)生變化時(shí)，所沉積地層中的Ce異常值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，在氧化環(huán)境下Ce元素以+4價(jià)態(tài)存在，在水體中的溶解度較小，表現(xiàn)出水體的Ce負(fù)異常，沉積物則表現(xiàn)為Ce正異?；驘o(wú)明顯負(fù)異常；在還原環(huán)境下Ce元素以+3價(jià)態(tài)存在，溶解度增加，表現(xiàn)出沉積物的負(fù)異常[49]。水體中的溶解氧濃度隨深度的增加而降低，因而垂向上Ce異常值的變化也可指示海平面的升降變化，前人總結(jié)出Ce異常值的計(jì)算公式為Ce*=lg[3CeN（/ 2LaN+NdN）][38]。研究區(qū)Ce*值變化范圍較小，介于0.72～0.87（圖5），平均為0.81，小于1，顯示為Ce負(fù)異常，指示在沉積五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖時(shí)水體較深。垂向變化表明在五峰組下部，海平面升高，中部緩慢降低，隨后到五峰組頂部，海平面顯著降低并達(dá)到最低點(diǎn)；龍馬溪組下部海平面逐漸升高，至龍馬溪組中部后海平面略微降低并趨于穩(wěn)定。

3.2.3 水體滯留程度

沉積盆地的水體滯留程度通過(guò)影響水體交換流通從而對(duì)生物地球化學(xué)的循環(huán)造成制約，因此是影響沉積環(huán)境的一個(gè)重要因素。由于四川盆地被周圍的古隆起所圍限，因此盆地的水體滯留程度直接受水平面高低的影響[29，39]。在氧化環(huán)境中，Mo元素以鉬氧離子MoO24 -的形式存在，在還原環(huán)境中，Mo則會(huì)被還原為+4價(jià)進(jìn)入沉積物。因此水體在強(qiáng)滯留程度條件下，Mo/TOC比值通常較低。因?yàn)镸o再補(bǔ)給率低于沉積物對(duì)Mo的吸收率，而水體在較為開(kāi)放的條件下，Mo/TOC比值相對(duì)較高，因?yàn)橥饨绾Ｋ甅o補(bǔ)給較為充足[50?51]。從TOC與Mo的關(guān)系圖可以看出，研究區(qū)頁(yè)巖總體形成于中等—強(qiáng)滯留的環(huán)境（圖6）。五峰組下部滯留程度顯著降低，水體處于中等滯留程度，中部Mo/TOC比值降低，屬于強(qiáng)滯留環(huán)境，隨后五峰組頂部Mo/TOC比值達(dá)到最低，滯留程度最強(qiáng)；龍馬溪組下部，滯留程度顯著降低，水體逐漸開(kāi)放，中上部Mo/TOC比值降低，滯留程度逐漸增強(qiáng)（圖5）。

3.2.4 古氣候條件判識(shí)

喜干型元素Sr和喜濕型Cu的含量變化與古氣候有密切關(guān)系，因此Sr/Cu比值的變化可以用來(lái)指示古氣候的變化[42?43]。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中的Sr/Cu 比值變化范圍較大（圖5），介于0.59～16.03，平均為5.93。五峰組下部屬溫濕氣候，中部演變?yōu)楦蔁釟夂?，頂部Sr/Cu比值明顯降低，此時(shí)變?yōu)楦衫錃夂?，?duì)應(yīng)五峰組與龍馬溪組交界處的赫南特冰期；龍馬溪組下部Sr/Cu比值升高，大于5，表明此時(shí)氣候較為干熱，中上部Sr/Cu比值逐漸降低，表明氣候也逐漸向溫濕轉(zhuǎn)變。

3.2.5 古鹽度判識(shí)

一般情況下，Sr比Ba化學(xué)性質(zhì)更活潑，從而更容易發(fā)生流失、遷移。在水體礦化度較低的沉積環(huán)境中，Sr和Ba均以重碳酸鹽的形式賦存，Ba在水體鹽度升高時(shí)由于其溶解度較小，以碳酸鋇的形式先沉淀，水體中的部分Ba被沉淀，導(dǎo)致留在水體中的Sr含量更高，水體鹽度繼續(xù)增大達(dá)到過(guò)量的程度時(shí)，Sr也以SrSO4的形式逐漸沉淀[44]。因此，記錄在沉積物中的Sr豐度和Sr/Ba比值與古鹽度呈正比關(guān)系，可作為古鹽度的判別標(biāo)志[44，53]。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組Sr/Ba比值變化不大（圖5），介于0.04～0.74，平均為0.25。五峰組下部水體鹽度較低，中部Sr/Ba比值有部分明顯增大，達(dá)到0.74，表明此階段水體古鹽度較高，五峰組頂部水體古鹽度較低，隨后略微升高；龍馬溪組開(kāi)始，水體古鹽度持續(xù)緩慢下降并趨于穩(wěn)定。

3.2.6 古生產(chǎn)力判識(shí)

古生產(chǎn)力的高低可由頁(yè)巖中的TOC含量直接反映，因此可以用TOC含量初步表征古生產(chǎn)力。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組TOC含量變化范圍較大，介于1.49%～7.17%，平均為3.97%。但頁(yè)巖中TOC含量除受古生產(chǎn)力因素控制外，還受水體介質(zhì)條件、沉積速率等多方面因素的影響，因此并不能準(zhǔn)確地反映初級(jí)生產(chǎn)力的強(qiáng)弱。Cu主要以與有機(jī)質(zhì)相關(guān)的有機(jī)金屬絡(luò)合物的形式輸送到沉積物中，并在還原條件下保留在沉積物中，因此Cu 含量可用于評(píng)估古生產(chǎn)力[41]。

Ba含量變化也被廣泛用于古生產(chǎn)力的判識(shí)，與古生產(chǎn)力及有機(jī)碳含量存在正比關(guān)系[54]。沉積物中的Ba主要有兩種來(lái)源，陸源輸入和生物成因，其中生物成因的Ba與古生產(chǎn)力之間有直接決定關(guān)系，因此若想通過(guò)Ba的含量來(lái)判識(shí)古生產(chǎn)力的高低，就必須去除陸源Ba的影響，計(jì)算公式為Babio=Batotal-Titotal×（Ba/Ti）PASS，公式中的Batotal 為樣品Ba 總含量，Titotal表示樣品Ti總含量，（Ba/Ti）PASS取自晚太古代澳大利亞平均頁(yè)巖中的Ba/Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值，為0.007 7[40]。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖生物鋇Babio 值變化較大，介于（454.993～1 978.982）×10-6（圖5），平均為1 079.665×10-6。五峰組中部以及龍馬溪組底部Babio 值明顯偏低，曾發(fā)生兩幕生物滅絕事件[18]，大量生物在此次事件中滅絕，從而導(dǎo)致古生產(chǎn)力低下。

3.3 沉積環(huán)境演化

綜上所述，奧陶系五峰組到志留系龍馬溪組時(shí)期古環(huán)境經(jīng)歷了五個(gè)階段（圖7）。階段Ⅰ：五峰組沉積早期，氣候?qū)儆跍貪駳夂?，海平面逐漸升高，沉積水體屬貧氧—缺氧環(huán)境，水體的滯留程度減弱，水體鹽度略微下降，古生產(chǎn)力相對(duì)升高。階段Ⅱ：到五峰組中部，此時(shí)屬于干熱氣候，海平面逐漸下降，水體滯留程度逐漸增強(qiáng)，水體還原程度增強(qiáng)，水體鹽度較高，古生產(chǎn)力較低。階段Ⅲ：隨著時(shí)間推移到五峰組頂部，冰川作用造成全球迅速降溫，盆地內(nèi)變?yōu)楹涓稍锏臍夂颍w變淺，水體滯留程度較高，屬?gòu)?qiáng)滯留海盆，沉積水體由還原條件變?yōu)檠趸瘲l件，水體古鹽度較高，此時(shí)古生產(chǎn)力較低。階段Ⅳ：龍馬溪組早期，冰期結(jié)束氣溫回升，氣候再次變?yōu)楦蔁釛l件，發(fā)生廣泛海侵，海平面長(zhǎng)期保持在高位，水體滯留程度較弱，沉積水體是缺氧的還原環(huán)境，沉積速率較穩(wěn)定，水體古鹽度降低，古生產(chǎn)力顯著升高。階段Ⅴ：到龍馬溪組中上部時(shí)，古氣候變?yōu)闇嘏瘽駶?rùn)，海平面略微降低并趨于穩(wěn)定，水體封閉程度增強(qiáng)，還原性逐漸減弱并最終變?yōu)楦谎醯难趸h(huán)境，水體古鹽度逐漸降低并趨于穩(wěn)定，古生產(chǎn)力逐漸升高。

4 沉積作用類型及沉積模式

4.1 沉積作用類型

基于詳細(xì)的巖心和薄片觀察、X射線熒光掃描以及礦物X衍射全巖分析，識(shí)別了六種沉積作用類型：懸浮沉積、上升流、濁流、碎屑流、風(fēng)暴流和重力滑塌。

4.1.1 懸浮沉積

懸浮沉積是五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主要的沉積過(guò)程。（長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁(yè)巖和黏土質(zhì)頁(yè)巖礦物粒度較小，粗碎屑顆粒少見(jiàn)，有機(jī)質(zhì)、筆石含量較高且富含黃鐵礦，說(shuō)明其沉積時(shí)水體較深，水動(dòng)力條件較弱，沉積速率較慢，一般為懸浮沉積的結(jié)果（圖8a）。

4.1.2 上升流

海洋上升流是海洋循環(huán)中的一個(gè)重要過(guò)程，對(duì)氣候變化和海洋生產(chǎn)力有很大的影響，前人認(rèn)為四川盆地生物硅質(zhì)頁(yè)巖是上升流的結(jié)果（圖8b）[55?56]。上升流主要發(fā)生在現(xiàn)代海洋的狹窄區(qū)域，沿低緯度或中緯度大陸的西海岸垂直于赤道，與海岸平行的表層風(fēng)通過(guò)?？寺\(yùn)輸將水從海岸帶走，隨后下層溫度較低的、營(yíng)養(yǎng)豐富的水被補(bǔ)充到表層，從而促進(jìn)表層海水中的放射蟲、海綿等生物更加繁盛，使得原始海洋古生產(chǎn)力增強(qiáng)[16]。在冰期，緯度溫度梯度更大，結(jié)合信風(fēng)能增強(qiáng)溫鹽環(huán)流的強(qiáng)度，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的上升流。在間冰期，兩極和赤道溫差相對(duì)較小，海洋環(huán)流較為緩慢，從而上升流強(qiáng)度較弱[57?58]。

4.1.3 濁流

龍馬溪組中上部的頁(yè)巖發(fā)育濁流沉積，在黑色頁(yè)巖中可見(jiàn)粉砂巖夾層，往往與頁(yè)巖有明顯的突變接觸，具槽模構(gòu)造和正粒序結(jié)構(gòu)（圖8c）。底部發(fā)育的波狀層理和水平層理，到頂部發(fā)育的塊狀層理，這一沉積序列符合鮑馬序列的C、D、E段。頂部的塊狀層理段有低TOC含量的特點(diǎn)，且鏡下礦物顆粒無(wú)定向排列，明顯與懸浮沉積長(zhǎng)軸礦物定向排列的特點(diǎn)不同，因此這些具塊狀層理的黏土質(zhì)頁(yè)巖可能為濁流沉積而成，且是在較短的時(shí)間內(nèi)沉積。濁流沉積時(shí)會(huì)將上部的富氧水體攜帶到海底，從而導(dǎo)致局部氧含量短暫提升，大量有機(jī)質(zhì)被氧化，這是濁流沉積TOC含量偏低的主要原因之一[20]。此外，盡管較快的沉積速率縮短了有機(jī)質(zhì)降解的時(shí)間，但有機(jī)質(zhì)的原始供應(yīng)和保存條件較差，導(dǎo)致最終TOC含量較低[59]。

4.1.4 碎屑流

威遠(yuǎn)地區(qū)下部和長(zhǎng)寧地區(qū)中上部發(fā)育碎屑流沉積，厚度介于10～50 cm，結(jié)構(gòu)和成分混雜，雜基含量較高，巖相之間呈突變接觸，無(wú)分選，不具正粒序結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)高角度的侵蝕面及懸浮的泥巖撕裂屑（圖8d）。

4.1.5 風(fēng)暴流

風(fēng)暴流沉積主要發(fā)育于龍馬溪組底部，但這種作用相對(duì)較弱。與下伏泥巖接觸底面呈突變接觸，常具底沖刷面結(jié)構(gòu)[60]，夾疑似生物逃逸的粉砂巖（圖8e），可見(jiàn)丘狀交錯(cuò)層理、平行層理以及水平層理等層理構(gòu)造，指示其為風(fēng)暴成因。

4.1.6 重力滑塌

龍馬溪組上部可見(jiàn)重力滑塌變形構(gòu)造（圖8f），沉積層內(nèi)發(fā)生變形，揉皺，巖性混雜，與上下層位呈突變接觸。巖層顏色稍淺且TOC含量較低，由于水體變淺以及陸源碎屑輸入使得粉砂質(zhì)含量增多。一般是伴隨快速沉積而產(chǎn)生，是水下滑坡的良好標(biāo)志。

4.2 沉積模式

綜合巖相及沉積作用類型、構(gòu)造演化以及沉積環(huán)境演化建立了五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的沉積模式（圖9）。五峰組沉積早期，古氣候?qū)儆跍貪駳夂?，海侵?dǎo)致盆地內(nèi)大面積的水體變深，海平面上升，此時(shí)沉積水體由貧氧變?yōu)樨氀酢毖?，水體封閉性減弱，水體鹽度略微下降，古生產(chǎn)力升高，TOC含量逐漸降低，主要在懸浮沉積作用下沉積黏土質(zhì)頁(yè)巖（圖9a）。到五峰組沉積中期時(shí)，氣候干熱，海平面逐漸下降，水體變淺，水體滯留程度增強(qiáng)，還原性增強(qiáng)，古鹽度較高，古生產(chǎn)力先下降后上升，TOC含量逐漸升高，主要在懸浮作用下沉積鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖以及（長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁(yè)巖（圖9b）。五峰組與龍馬溪組交界時(shí)期，氣溫經(jīng)歷了大范圍的波動(dòng)，氣溫快速下降，發(fā)生冰期事件，但也存在短暫干熱氣候的間冰期，冰期海平面急劇下降，導(dǎo)致盆地內(nèi)水體變淺，水體古鹽度上升，滯留程度較高，屬?gòu)?qiáng)滯留海盆，沉積水體演變?yōu)檠趸h(huán)境，古生產(chǎn)力變低，TOC含量先下降后快速上升，主要發(fā)育生物介殼灰?guī)r，也可見(jiàn)風(fēng)暴流沉積的粉砂質(zhì)層（圖9c）。龍馬溪組沉積早期，氣候迅速演變?yōu)楦蔁釟夂?，岡瓦納冰蓋消融，導(dǎo)致海平面顯著上升，水體相對(duì)滯留程度弱，底部水體氧含量很低，是有利于有機(jī)質(zhì)保存的還原水體，水體古鹽度逐漸下降，頂層水體富氧且營(yíng)養(yǎng)豐富，筆石、海藻、放射蟲等海洋生物大規(guī)模復(fù)蘇，古生產(chǎn)力水平高，主要發(fā)育由化學(xué)作用沉積的鈣質(zhì)頁(yè)巖，在懸浮沉積作用下發(fā)育的長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖，以及上升流影響的生物硅質(zhì)頁(yè)巖（圖9d）。隨后龍馬溪組沉積中晚期氣候變?yōu)闇嘏瘽駶?rùn)氣候，海平面保持穩(wěn)定略微下降，水體還原性減弱，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，水體封閉性增強(qiáng)，水體古鹽度逐漸下降，古生產(chǎn)力逐漸升高，此時(shí)沉積速率較快，且陸源供給的碎屑物質(zhì)逐漸變多，不利于有機(jī)質(zhì)的保存，TOC含量相對(duì)較低，此時(shí)沉積作用較為豐富，主要由化學(xué)作用沉積的鈣質(zhì)頁(yè)巖以及懸浮沉積的作用下發(fā)育（長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁(yè)巖、長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖和黏土質(zhì)頁(yè)巖，可見(jiàn)濁流沉積的粉砂巖夾層、碎屑流產(chǎn)生的泥巖撕裂屑以及重力滑塌作用導(dǎo)致的滑塌變形構(gòu)造（圖9e）。不同地區(qū)垂向上巖相序列的發(fā)育也不相同，威遠(yuǎn)和瀘州地區(qū)五峰組長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量較高，長(zhǎng)寧地區(qū)則碳酸鹽礦物含量較高，且威遠(yuǎn)和長(zhǎng)寧脆性礦物含量更高，有利于壓裂。長(zhǎng)寧地區(qū)的黑色頁(yè)巖形成環(huán)境缺氧程度強(qiáng)于威遠(yuǎn)地區(qū)[61]?？傮w上瀘州和長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，威遠(yuǎn)部分井位五峰組的有機(jī)質(zhì)豐度較低[61?62]。所識(shí)別的六種沉積作用在威遠(yuǎn)、瀘州以及長(zhǎng)寧地區(qū)均存在，只是發(fā)育程度以及發(fā)育位置有所差異。

由于構(gòu)造活動(dòng)、氧化還原條件、古生產(chǎn)力條件、氣候變化以及沉積作用等因素都會(huì)對(duì)頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)富集產(chǎn)生一定的影響，因此恢復(fù)五峰組—龍馬溪組沉積期的古環(huán)境并且建立沉積模式對(duì)明確有機(jī)質(zhì)的富集機(jī)理顯得尤為重要。前人對(duì)于有機(jī)質(zhì)的富集模式提出了“生產(chǎn)力模式”和“保存條件模式”，前者強(qiáng)調(diào)高生產(chǎn)力水平下，有機(jī)質(zhì)的埋藏速率增加促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的積累；后者則認(rèn)為受限盆地中的缺氧水體更利于有機(jī)質(zhì)的保存。而實(shí)際情況更加復(fù)雜，往往是兩種模式共同作用的結(jié)果[63?64]。五峰組下部，雖然古生產(chǎn)力逐漸升高，但TOC含量卻逐漸下降，其原因可能是海平面上升，逐漸開(kāi)放的水體不利于有機(jī)質(zhì)的保存。五峰組中部，古生產(chǎn)力逐漸升高，TOC含量也隨之升高，此時(shí)的還原性逐漸增強(qiáng)，水體封閉性較強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)的含量主要受“保存條件模式”主導(dǎo)，大部分有機(jī)質(zhì)得以保留。進(jìn)入赫南特冰期，冰川形成導(dǎo)致全球海平面下降，盡管底棲生物繁盛，但水體變?yōu)椴焕谟袡C(jī)質(zhì)保存的氧化環(huán)境，導(dǎo)致TOC含量較低。龍馬溪組沉積期，開(kāi)始時(shí)仍受冰川作用控制，海平面處于最低點(diǎn)，此時(shí)古生產(chǎn)力雖較低，但還原的水體環(huán)境以及較強(qiáng)的封閉性對(duì)于有機(jī)質(zhì)來(lái)說(shuō)是良好的保存條件，導(dǎo)致TOC含量較高。隨后氣候變暖導(dǎo)致冰川消融，海平面升高，溶解的冷水向赤道對(duì)流形成的上升流帶來(lái)豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，生產(chǎn)力逐步升高，但陸源碎屑的增加以及逐漸開(kāi)放的水體環(huán)境破壞了有機(jī)質(zhì)的保存，導(dǎo)致TOC含量降低。綜上所述，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)的富集受構(gòu)造條件、海平面升降、氧化還原條件、古生產(chǎn)力條件、氣候變化以及沉積作用等因素共同控制[65?66]。

除有機(jī)質(zhì)豐度外，影響儲(chǔ)層性質(zhì)的還有儲(chǔ)層脆性、孔隙類型、孔隙度、滲透率以及含氣性等因素。一般認(rèn)為，頁(yè)巖脆性越好，造縫能力越強(qiáng)，改造效果越理想。石英、長(zhǎng)石、方解石以及白云石含量越高，儲(chǔ)層的脆性越好[62，67]。N222井頁(yè)巖脆性均較好，平均脆性礦物含量為72.59%。不同巖相的脆性礦物含量不同，其中生物硅質(zhì)頁(yè)巖以及鈣質(zhì)頁(yè)巖脆性礦物含量最高。王超等[19]對(duì)五峰組—龍馬溪組主要頁(yè)巖巖相儲(chǔ)層特征分析發(fā)現(xiàn)，硅質(zhì)類頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙非常發(fā)育，連通性好，孔隙度平均為3.77%，滲透率平均為1.57×10-3 μm2，含氣量較高，平均為1.61 m3/t（圖10）；混合類頁(yè)巖普遍發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙、黏土礦物晶間孔以及碎屑顆粒原生粒間孔，孔隙度平均為3.39%，滲透率平均為2.16×10-3 μm2，含氣量相對(duì)較低，平均為1.16 m3/t（圖10）；黏土類頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)以黏土礦物粒間孔為主，孔隙度較低，平均為3.05%，滲透率平均為2.31×10-3 μm2。含氣量最低，僅為0.66 m3/t（圖10）。黏土類頁(yè)巖、混合類頁(yè)巖以及硅質(zhì)類頁(yè)巖不同巖相的儲(chǔ)層品質(zhì)差異較大，而巖相又受到沉積作用以及沉積環(huán)境的控制。綜合考慮，在水動(dòng)力條件較弱、封閉性較強(qiáng)且缺氧還原的水體中懸浮沉積，以及受上升流帶來(lái)的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)影響所沉積的（長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁(yè)巖、長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖以及生物硅質(zhì)頁(yè)巖，由于有機(jī)質(zhì)豐度較高，脆性礦物含量較高，孔隙度、滲透率以及含氣性也較高，因此可以作為良好的儲(chǔ)層。

5 結(jié)論

（1） 根據(jù)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖礦物組成及含量、沉積構(gòu)造特征，研究區(qū)識(shí)別出六種頁(yè)巖巖相類型（生物硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、（長(zhǎng)英質(zhì)—鈣質(zhì)）粉砂頁(yè)巖、鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖及長(zhǎng)英質(zhì)粉砂頁(yè)巖）。

（2） 五峰組—龍馬溪組沉積期間，沉積環(huán)境頻繁變化，自下而上經(jīng)歷五個(gè)階段。古氣候經(jīng)歷了從五峰組底部溫濕到中部干熱再到頂部干冷，隨后從龍馬溪組下部的干熱到中上部的溫濕的演變。在五峰組下部以及龍馬溪組下部經(jīng)歷了兩次大規(guī)模的海侵使得海平面升高，海平面較高時(shí)，水體封閉性弱，還原性強(qiáng)，鹽度較低，古生產(chǎn)力較高；在五峰組頂部發(fā)生冰川事件導(dǎo)致海平面下降，海平面較低時(shí)，水體封閉性強(qiáng)，還原性弱，鹽度較高，古生產(chǎn)力較低。

（3） 川南地區(qū)識(shí)別出六種沉積作用類型，即懸浮沉積、上升流、濁流、碎屑流、風(fēng)暴流和重力滑塌。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主要是在低能條件下懸浮沉積，五峰組中部及龍馬溪組下部受上升流影響，古生產(chǎn)力升高，發(fā)育生物硅質(zhì)頁(yè)巖；五峰組頂部，由于水體變淺，發(fā)育少量風(fēng)暴流沉積；龍馬溪組上部，由于水體變淺以及陸源輸入的增加，發(fā)育重力滑塌、碎屑流以及濁流。

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