張鈺瑩，何治亮，高 波，劉忠寶

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083； 2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100083；3.中國石化 頁巖油氣重點實驗室，北京 100083； 4.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)富有機質(zhì)頁巖沉積環(huán)境及其對有機質(zhì)含量的影響

張鈺瑩1,2,3,4，何治亮2,3,4，高 波2,3,4，劉忠寶2,3,4

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083； 2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100083；3.中國石化 頁巖油氣重點實驗室，北京 100083； 4.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

選取上揚子區(qū)3個下寒武統(tǒng)地層剖面，對巖石樣品進行了有機碳含量和主、微量元素測試，結(jié)合前人研究成果，分析了早寒武世不同沉積階段生物初級生產(chǎn)力及氧化還原條件的變化特征，及其對有機質(zhì)富集的影響。結(jié)果表明：第Ⅰ-Ⅱ階段，淺水陸棚以缺氧鐵化海水為主，具有較高的初級生產(chǎn)力；深水陸棚為缺氧硫化環(huán)境，生物初級生產(chǎn)力較低；斜坡—盆地區(qū)為缺氧鐵化環(huán)境且上升洋流帶來大量營養(yǎng)物質(zhì)，生物初級生產(chǎn)力最高。第Ⅲ階段，陸棚區(qū)與開闊海溝通良好，為氧化環(huán)境，有機質(zhì)難以有效保存；斜坡—盆地區(qū)演化為氧化—貧氧環(huán)境，由于初級生產(chǎn)力依然很高，大量有機質(zhì)在氧化分解之前快速堆積埋藏而形成有效烴源巖。總體而言，陸棚區(qū)富有機質(zhì)頁巖主要受海水氧化還原條件控制，有機質(zhì)在還原環(huán)境中更易保存；斜坡—盆地區(qū)富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)含量主要受生物初級生產(chǎn)力和沉積環(huán)境控制，相同沉積條件下，有機質(zhì)豐度相較于陸棚區(qū)更高。下寒武統(tǒng)富有機質(zhì)頁巖是頁巖氣勘探開發(fā)的有利層系，有機質(zhì)含量可影響頁巖中的含氣量，因此發(fā)育的陸棚及斜坡—盆地相頁巖是頁巖氣勘探開發(fā)的層位。

有機質(zhì)；富有機質(zhì)頁巖；沉積環(huán)境；下寒武統(tǒng)；上揚子區(qū)

1 研究概況

華南地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖是一套優(yōu)質(zhì)烴源巖，類似北美典型的黑色頁巖，分布范圍廣，厚度40～100 m，TOC含量一般為2%～10%，生烴強度(5～15)×109m3/ km2，具備頁巖氣聚集的有利地球化學(xué)條件[1-5]。海相富有機質(zhì)頁巖的形成主要可歸結(jié)為“保存模式”[6]和“生產(chǎn)力模式”[7]，前者強調(diào)在高初級生產(chǎn)力下，還原環(huán)境有利于有機質(zhì)的保存，后者強調(diào)高有機質(zhì)的形成得益于較高的初級生產(chǎn)力。

華南地區(qū)早寒武世海洋環(huán)境與生物的變化，為下寒武統(tǒng)富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育提供了背景。根據(jù)已有的元素地球化學(xué)、同位素及鐵組分化學(xué)證據(jù)顯示，華南地區(qū)早寒武世海洋為高度分層狀態(tài)，頂部為氧化表層水，底部為鐵化水(富含F(xiàn)e2+)，中部為范圍在大陸邊緣區(qū)域動態(tài)變化的硫化水(富含游離態(tài)H2S)[8-11]。早寒武世發(fā)生“寒武紀(jì)生物大爆發(fā)”事件，地層中的生物化石豐度和種類較前寒武紀(jì)陡然增加[12-13]。

前人針對下寒武統(tǒng)地層的沉積環(huán)境及生物特征進行了大量研究工作，但是在有機—無機相結(jié)合，通過主量和微量元素分析、判別沉積環(huán)境，進而分析有機質(zhì)與沉積環(huán)境之間的關(guān)系等方面的研究仍有待深入。頁巖中有機質(zhì)含量對頁巖的生烴潛力、儲集空間和含氣性起決定性作用[14]，因此研究富有機質(zhì)頁巖沉積環(huán)境對其形成及有機質(zhì)富集的影響，分析有機質(zhì)的時空分布特征，能夠為尋找頁巖氣有利勘探區(qū)提供科學(xué)依據(jù)。本文選取早寒武世揚子板塊不同水深及構(gòu)造位置的地層剖面為研究對象(圖1)，應(yīng)用氧化還原及初級生產(chǎn)力指標(biāo)，研究了下寒武統(tǒng)富有機質(zhì)頁巖沉積時期的氧化還原條件和初級生產(chǎn)力特征，及其對有機質(zhì)富集的影響。

圖1 上揚子區(qū)早寒武世古地理相圖修改自文獻[15]。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

2.1 研究區(qū)古地理及位置

揚子板塊和華夏板塊在新元古代(約1.0 Ga)，由于四堡造山運動拼合成華南板塊，新元古代(約750～690 Ma) Rodinia超大陸裂解，華南板塊從Rodinia超大陸邊緣分離出來，由一個裂谷盆地向被動大陸邊緣演化[16-18]。華南地區(qū)早寒武世時期發(fā)生大規(guī)模海侵，新元古代末期，大范圍碳酸鹽臺地覆蓋的部分被隨后的深水泥質(zhì)陸棚取代，自西向東可分為6種沉積相[19-20]：(1)臺地；(2)拉張盆地；(3)淺水陸棚；(4)深水陸棚；(5)斜坡；(6)深水盆地(圖1，2)。

2.2 巖石地層及生物地層

本次研究選取桃子沖、龍鼻嘴和巖背剖面為重點研究剖面，結(jié)合前人研究過的4個剖面(肖灘、金沙、丁臺和南皋剖面)進行對比。所選剖面涵蓋了早寒武世揚子板塊的各沉積環(huán)境類型(臺地相除外)，可以全面反映早寒武世揚子板塊各地區(qū)沉積環(huán)境特征及其對有機質(zhì)含量的影響。

桃子沖剖面早寒武世位于深水陸棚環(huán)境，下寒武統(tǒng)地層不整合覆蓋于震旦系燈影組之上，自下而上分為桃子沖組和牛蹄塘組。桃子沖組為磷質(zhì)硅質(zhì)巖及白云質(zhì)硅質(zhì)巖, 夾薄層生物磷塊巖，底部含有大量的微體藻類和小殼動物化石。牛蹄塘組下部為42 m厚黑色硅質(zhì)頁巖，底部含簡單的遺跡化石與海綿骨針；上部為黑色碳質(zhì)頁巖—深灰色頁巖及粉砂巖，含三葉蟲化石。

龍鼻嘴剖面早寒武世位于斜坡環(huán)境，埃迪卡拉系—寒武系地層序列連續(xù)，覆蓋于陡山沱組之上，自下而上分為留茶坡組和牛蹄塘組。留茶坡組為深灰—黑色薄—中層硅質(zhì)巖，部分層位夾薄層硅質(zhì)頁巖；牛蹄塘組下部為一套硅質(zhì)—磷質(zhì)頁巖，夾少量磷灰?guī)r；上部為更厚層的黑色碳質(zhì)頁巖和泥巖。留茶坡組和牛蹄塘組下部化石稀少，牛蹄塘組上部含較豐富的海綿和海綿骨針，可能屬于Protospongiidaesp.[8]。

湖南巖背剖面早寒武世位于深水盆地環(huán)境，震旦系—寒武系地層序列連續(xù)，覆蓋于陡山沱組之上，自下而上分為留茶坡組和牛蹄塘組。留茶坡組底部為黑色硅質(zhì)巖，向上漸變?yōu)楣栀|(zhì)頁巖及碳質(zhì)頁巖；牛蹄塘組底部含少量硅質(zhì)巖，下部以黑色碳質(zhì)頁巖為主，牛蹄塘組上部為深灰色碳質(zhì)頁巖及泥巖，夾黑色煤層，頂部含灰色泥灰?guī)r。巖背剖面早寒武世位于深水盆地相，底棲生物化石稀少。

2.3 研究區(qū)地層相關(guān)性

華南地區(qū)梅樹村階地層中廣泛發(fā)育小殼化石組合，以生物礦化作用和兩側(cè)對稱動物為特征；筇竹寺階底部發(fā)育以澄江動物群為代表的生物群落，其種類豐度及生態(tài)空間利用率都大幅提高[29-30]。

圖2 上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)地層格架及沉積模式

剖面位置見圖1。巖石地層及生物地層數(shù)據(jù)來源：肖灘剖面[15]；丁臺剖面[21-22]；金沙剖面[23-24]；桃子沖剖面[25]；龍鼻嘴剖面[8]；南皋剖面[15]；巖背剖面(本次研究)。丁臺剖面Re-Os定年數(shù)據(jù)來自Xu等[26]；龍鼻嘴剖面U-Pb定年數(shù)據(jù)來自Chen等[27]；巖背剖面U-Pb定年數(shù)據(jù)來自臨近的柑子坪剖面[28]。

Fig.2 Stratigraphic framework and sedimentary model of Lower Cambrian in Upper Yangtze

本次研究地層包括梅樹村階及筇竹寺階，6個化石帶(圖2)。其中梅樹村階包含4個小殼化石帶(SSFA)，分別為Anabaritestrisulcatus-ProtohertzinaanabaricaAssemblage Zone(SSFA1)、Siphogonuchitestriangularis-ParagloborilussubglobosusZone(SSFA2)、Watsonellacrosbyi(SSFA3)和Sinosachitesflabelliformis-TannuolinazhangwentangiAssemblage Zone(SSFA4)；筇竹寺階包含2個化石帶，分別為Tsunyidiscusniutitangensis(FA5)和Wutingaspis-EoredlichiaInterval Zone(陸棚區(qū))/Hupeidiscus-Sinodiscus(斜坡—盆地區(qū))(FA6)[31]。

根據(jù)巖石地層及生物化石帶資料，7個剖面的下寒武統(tǒng)地層可分為3個沉積階段(圖2)。第Ⅰ階段包括梅樹村階中下部地層[(541±1.0)～(526.5±1.1) Ma]，包含化石帶SSFA1、SSFA2及SSFA3(圖2)。第Ⅱ階段包含梅樹村階上部及筇竹寺階下部，以出現(xiàn)黑色碳質(zhì)頁巖為開始，包含化石帶SSFA4及FA5下部(圖2)。第Ⅲ階段包括筇竹寺階上部，以頁巖中碳質(zhì)含量減少，出現(xiàn)大量粉砂巖為開始，包含化石帶FA5上部及FA6(圖2)。

3 樣品與研究方法

桃子沖剖面全長約136m，樣品平均間隔約7.56 m；龍鼻嘴剖面全長約170 m，樣品平均間隔約8.5 m；巖背剖面全長約120 m，樣品平均間隔約5.71 m。將野外采集的樣品磨成200目，用于測試有機碳含量及微量元素含量。有機碳含量測試由中國石化油氣成藏重點實驗室完成，測試方法分別見國標(biāo)《GB/T 19145-2003 沉積巖中總有機碳的測定》。主量、微量元素含量測試由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院實驗室完成，主量元素測試方法見國標(biāo)《GB/T 14506.14-2010 硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法 第14部分：氧化亞鐵量測定》與《GB/T 14506.28-2010 硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法 第28部分：16個主次成分量測定》；微量元素測試方法見國標(biāo)《GB/T 14506.30-2010 硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法 第30部分：44個元素量測定》。

4 結(jié)果與討論

4.1 海洋氧化還原環(huán)境的時空波動

微量元素U/Th及Ni/Co的比值常作為氧化還原條件的指標(biāo)。Jones和Manning[32]認(rèn)為U/Th<0.75為氧化環(huán)境，0.751.25為缺氧環(huán)境；Ni/Co<5為氧化環(huán)境，57為缺氧環(huán)境。

陸棚區(qū)：第Ⅰ階段肖灘剖面以沉積白云巖及灰?guī)r為主，說明該地區(qū)處于氧化環(huán)境；丁臺剖面缺失該階段沉積；金沙剖面及桃子沖剖面均以缺氧環(huán)境為主，且金沙地區(qū)還原程度高于桃子沖地區(qū)(圖3)。第Ⅱ階段肖灘地區(qū)由于構(gòu)造活動形成棚內(nèi)盆地，Ni/Co值與U/Th值位于氧化—缺氧區(qū)間之內(nèi)波動，說明由于水下隆起的阻隔，水體間歇性缺氧，沉積2套富有機質(zhì)頁巖；其余地區(qū)絕大多數(shù)Ni/Co值大于7，且U/Th值大于1.25，均指示缺氧環(huán)境，說明該階段均以缺氧環(huán)境為主，早期由于快速海侵，還原程度較高，隨后還原程度逐漸降低(圖3)。第Ⅲ階段各剖面Ni/Co值小于5，且U/Th值小于0.75，氧化還原指標(biāo)均指示氧化狀態(tài)(圖3)。

圖3 上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)地球化學(xué)數(shù)據(jù)空間分布s巖性花紋及數(shù)據(jù)來源見圖2。

斜坡—盆地區(qū)：第Ⅰ—第Ⅱ階段各剖面絕大多數(shù)Ni/Co值大于7，U/Th值大于1.25，氧化還原指標(biāo)均指示缺氧狀態(tài)，且還原程度較高(圖3)。第Ⅲ階段由于海平面下降，斜坡—盆地區(qū)海水含氧量上升，導(dǎo)致還原程度降低，部分Ni/Co值與U/Th值指示結(jié)果相矛盾，說明水體于氧化—貧氧狀態(tài)之間波動(圖3)。

4.2 海洋古生產(chǎn)力的時空波動

初級生產(chǎn)力是指古海洋生物在能量循環(huán)過程中固定能量的速率，即單位面積單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的有機物的量，初級生產(chǎn)力的變化對有機質(zhì)的富集起著關(guān)鍵性的作用[33]。Ba是目前運用最廣泛的古生產(chǎn)力的指標(biāo)之一，初級生產(chǎn)力較高的半深—深海中，其海水Ba通量和沉積物中重晶石的含量也較高，且生物Ba(Babio)保存率可達30%，因此可在表層水生產(chǎn)力與Ba通量之間建立聯(lián)系[34-35]。在還原環(huán)境下，Mo通量與有機碳的堆積成正比，因而Mo可以作為某種條件下的生產(chǎn)力指標(biāo)[36]。

陸棚區(qū)(圖3)：第Ⅰ—Ⅱ階段桃子沖地區(qū)及肖灘地區(qū)Babio值均小于1 000 ×10-6，Mo通量多數(shù)小于50 ×10-6；金沙地區(qū)Babio值均大于1 000 ×10-6，Mo通量多數(shù)位于(30～100) ×10-6之間；丁臺地區(qū)(缺失第Ⅰ階段)Mo通量多數(shù)位于(30～150)×10-6之間(圖3)。說明在以金沙地區(qū)為代表的淺水陸棚區(qū)生物初級生產(chǎn)力高于外陸棚區(qū)及陸棚內(nèi)盆地區(qū)。第Ⅲ階段各地區(qū)Babio值均小于1 000 ×10-6(圖3)，說明此時期整個陸棚區(qū)初級生產(chǎn)力都處于較低狀態(tài)。

斜坡—盆地區(qū)(圖3)：第Ⅰ—Ⅲ階段各地區(qū)盡管Babio值變化范圍較大，絕大多數(shù)樣品Babio值大于1 000 ×10-6，部分Babio值甚至大于10 000 ×10-6(圖3)。說明與陸棚區(qū)不同，早寒武世斜坡—盆地區(qū)一直持續(xù)高初級生產(chǎn)力。

華南寒武紀(jì)梅樹村期—筇竹寺期化石的記錄與海洋化學(xué)的時空差異性有良好的相關(guān)性，以節(jié)肢動物為主的生物群(如澄江生物群及遵義生物群)生活于氧化的水體中；海綿或以海綿為主的生物群或小殼生物群發(fā)現(xiàn)于缺氧非硫化水體中；硫化水體中未見到化石[37]。鐵化水體中存在生命所需的Fe2+離子，可促進生物的繁盛[38]；硫化水中的游離態(tài)H2S上涌到表層海水中[39]，可能抑制生物的生長。因此以桃子沖為代表的深水陸棚區(qū)由于長期處于中部硫化水范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致了生物初級生產(chǎn)力相較內(nèi)陸棚區(qū)及斜坡—盆地區(qū)更低。

4.3 有機質(zhì)富集的控制因素

海相烴源巖中影響有機質(zhì)富集的2個最重要因素是高生產(chǎn)力和底部水缺氧的保存條件[33]，或者兩者兼有。為了判斷是初級生產(chǎn)力還是氧化還原條件控制了上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖中有機質(zhì)的富集，本文以TOC代表有機質(zhì)富集程度，討論TOC與初級生產(chǎn)力參數(shù)(Babio)和氧化還原狀態(tài)之間的關(guān)系。

沉積第Ⅰ階段尚未發(fā)生大規(guī)模海侵(丁臺剖面缺失此階段)，生物以小殼化石及海綿為主，海洋環(huán)境特征繼承了埃迪卡拉紀(jì)末期的分層特征，表層海洋已被氧化，但深部海洋依舊為缺氧鐵化的環(huán)境，且中部楔狀的硫化水體動態(tài)發(fā)展于陸架—斜坡地區(qū)[37](圖4)。淺水陸棚金沙地區(qū)鐵化海水為生物的繁盛提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，因此具有較高的初級生產(chǎn)力(平均Babio>3 000×10-6)；深水陸棚區(qū)為缺氧硫化環(huán)境，硫化海水抑制了生物(尤其是以海綿為主的動物群或小殼動物群)的發(fā)育，生物初級生產(chǎn)力較低(Babio<1 000×10-6)；斜坡—盆地區(qū)由于鐵化海水及富含營養(yǎng)的上升洋流存在，因此該地區(qū)生物初級生產(chǎn)力極高(平均Babio>2 000×10-6)。淺水陸棚區(qū)肖灘地區(qū)以氧化—次氧化環(huán)境為主，不利于有機質(zhì)的保存，因此僅中部磷灰?guī)r段存在TOC高值，其余地層段TOC值較低；金沙—巖背地區(qū)以缺氧環(huán)境為主，有利于有機質(zhì)的保存(圖5)。

圖4 上揚子區(qū)早寒武世海洋分層狀態(tài)與有機質(zhì)富集模式修改自文獻[10]。

圖5 上揚子區(qū)早寒武世陸棚相和斜坡—盆地相有機質(zhì)含量影響因素散點圖紅色點為第Ⅰ階段；藍(lán)色點為第Ⅱ階段；綠色點為第Ⅲ階段

沉積第Ⅱ階段開始發(fā)生大規(guī)模快速海侵作用，化學(xué)躍變層上升，并且中部硫化海水范圍有所擴大(圖4)。海侵階段，可抑制底棲生物的發(fā)育，降低有機質(zhì)的氧化分解速率，提高有機質(zhì)埋藏量和保存率。肖灘地區(qū)由于構(gòu)造作用形成陸棚內(nèi)盆地，水體被水下隆起分割，導(dǎo)致滯留程度較強，以缺氧間歇性硫化環(huán)境為主[9]，生物初級生產(chǎn)力不高(平均Babio≈600×10-6)。淺水陸棚區(qū)及斜坡—盆地區(qū)仍以缺氧鐵化環(huán)境為主，具有較高初級生產(chǎn)力，有機質(zhì)保存較好；深水陸棚區(qū)仍以硫化環(huán)境為主，盡管生物初級生產(chǎn)力不高，但保存較好(圖5)。

沉積第Ⅲ階段海平面緩慢下降，三葉蟲大量繁盛，海水氧化范圍擴大，硫化層完全消失，底部缺氧層僅存在于盆地區(qū)(圖4)。陸棚區(qū)生物初級生產(chǎn)力依然不高(平均Babio<1 000×10-6)，且完全演化為氧化環(huán)境，與開闊海溝通良好，無法有效保存有機質(zhì)，因此該階段陸棚區(qū)富有機質(zhì)頁巖消失(圖3，圖5a)。斜坡—盆地區(qū)演化為氧化—貧氧環(huán)境，但是初級生產(chǎn)力依然很高(平均Babio>2 000×10-6)(圖3)，國內(nèi)外許多學(xué)者認(rèn)為即使在非還原環(huán)境中，如有足夠豐富的有機質(zhì)也可以形成高有機碳含量的海相沉積，而且豐富的有機質(zhì)在分解時可以消耗大量氧氣，造成水底缺氧，有利于有機質(zhì)的保存[7]。因此該階段斜坡—盆地區(qū)有機質(zhì)含量盡管較之前有所下降，依然沉積富有機質(zhì)頁巖(TOC平均值大于1.5%)(圖3，圖5b)。

據(jù)上述分析可知，陸棚區(qū)富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)含量主要受海水氧化還原條件控制，富有機質(zhì)頁巖只在還原環(huán)境中沉積(圖5a)。由于斜坡—盆地區(qū)位于揚子板塊東南緣，在古特提斯洋上升流作用下，上升流水體中富營養(yǎng)鹽和SiO2，使生物大量繁盛，并加劇了底部水的缺氧程度，從而形成硅質(zhì)和磷質(zhì)沉積以及有機質(zhì)豐富的頁巖[40]。尤其是筇竹寺期晚期，盡管斜坡—盆地區(qū)海水中氧氣含量增加，沉積環(huán)境為氧化—次氧化，但是由于高生產(chǎn)力使得該時期依然沉積富有機質(zhì)頁巖(圖5b)。因此斜坡—盆地區(qū)富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)含量主要受生物初級生產(chǎn)力控制，且有機質(zhì)豐度相較于陸棚區(qū)更高。因此，上揚子區(qū)早寒武世梅樹村期陸棚及斜坡—盆地區(qū)富有機質(zhì)頁巖極其發(fā)育，是頁巖氣勘探開發(fā)的有利地區(qū)。

5 結(jié)論

(1)第Ⅰ階段肖灘地區(qū)處于氧化環(huán)境，金沙地區(qū)及桃子沖地區(qū)均以缺氧環(huán)境為主，且內(nèi)陸棚區(qū)還原程度高于外陸棚區(qū)；第Ⅱ階段肖灘地區(qū)水體間歇性缺氧，其余地區(qū)均以缺氧環(huán)境為主；第Ⅲ階段各剖面均處于氧化環(huán)境。斜坡—盆地區(qū)，第Ⅰ—第Ⅱ階段各剖面均處于缺氧狀態(tài)，且還原程度較高；第Ⅲ階段由于海平面下降，斜坡—盆地區(qū)海水含氧量上升，導(dǎo)致還原程度降低，水體于氧化—貧氧狀態(tài)之間波動。

(2)第Ⅰ—Ⅱ階段在以金沙地區(qū)為代表的淺水陸棚區(qū)，生物初級生產(chǎn)力高于深水陸棚區(qū)及陸棚內(nèi)盆地區(qū)；第Ⅲ階段整個陸棚區(qū)初級生產(chǎn)力都處于較低狀態(tài)。斜坡—盆地區(qū)，與陸棚區(qū)不同，第Ⅰ—Ⅲ階段斜坡—盆地區(qū)一直持續(xù)高初級生產(chǎn)力。

(3)沉積第Ⅰ階段尚未發(fā)生大規(guī)模海侵，金沙地區(qū)及斜坡—盆地區(qū)由于鐵化海水(斜坡區(qū)存在富含營養(yǎng)的上升洋流)，生物初級生產(chǎn)力極高；深水陸棚區(qū)為缺氧硫化環(huán)境，生物初級生產(chǎn)力較低。淺水陸棚—盆地區(qū)均以缺氧環(huán)境為主，有利于有機質(zhì)的保存。沉積第Ⅱ階段開始發(fā)生大規(guī)模快速海侵作用，淺水陸棚區(qū)及斜坡—盆地區(qū)仍以缺氧鐵化環(huán)境為主，具有較高初級生產(chǎn)力，有機質(zhì)保存較好；深水陸棚區(qū)仍以硫化環(huán)境為主，盡管生物初級生產(chǎn)力不高，但保存較好。沉積第Ⅲ階段海平面緩慢下降，海水氧化范圍擴大，硫化層完全消失，底部缺氧層僅存在于盆地區(qū)。陸棚區(qū)完全演化為氧化環(huán)境，無法有效保存有機質(zhì)；斜坡—盆地區(qū)演化為氧化—貧氧環(huán)境，但是初級生產(chǎn)力依然很高，足夠豐富的有機質(zhì)在氧化分解之前快速堆積埋藏，因此該階段斜坡—盆地區(qū)有機質(zhì)含量盡管較之前有所下降，依然沉積富有機質(zhì)頁巖。

(4)陸棚區(qū)富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)含量主要受海水氧化還原條件控制，富有機質(zhì)頁巖只在還原環(huán)境中沉積。因此斜坡—盆地區(qū)富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)含量主要受生物初級生產(chǎn)力控制，且有機質(zhì)豐度相較于陸棚區(qū)更高。

[1] 劉樹根,曾祥亮,黃文明,等.四川盆地頁巖氣藏和連續(xù)型—非連續(xù)型氣藏基本特征[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,36(6):578-592.

Liu Shugen,Zeng Xiangliang,Huang Wenming,et al.Basic characteristics of shale and continuous-discontinuous transition gas reservoirs in Sichuan Basin,China[J].Journal of Chengdu University of Technology (Science & Technology Edition),2009,36(6):578-592.

[2] 王蘭生,鄒春艷,鄭平,等.四川盆地下古生界存在頁巖氣的地球化學(xué)依據(jù)[J].天然氣工業(yè),2009,29(5):59-62.

Wang Lansheng,Zou Chunyan,Zheng Ping,et al.Geochemical evidence of shale gas existed in the Lower Paleozoic Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry,2009,29(5):59-62.

[3] 王世謙,陳更生,董大忠,等.四川盆地下古生界頁巖氣藏形成條件與勘探前景[J].天然氣工業(yè),2009,29(5):51-58.

Wang Shiqian,Chen Gengsheng,Dong Dazhong,et al.Accumulation conditions and exploitation prospect of shale gas in the Lower Paleozoic Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry,2009,29(5):51-58.

[4] 董大忠,程克明,王世謙,等.頁巖氣資源評價方法及其在四川盆地的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2009,29(5):33-39.

Dong Dazhong,Cheng Keming,Wang Shiqian,et al.An evaluation method of shale gas resource and its application in the Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry,2009,29(5):33-39.

[5] 王同,熊亮,徐猛,等.川南地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖儲層特征[J].石油實驗地質(zhì),2016,38(2):197-203.

Wang Tong,Xiong Liang,Xu Meng,et al.Shale reservoir characteristics of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in the southern Sichuan Basin[J].Petroleum Geology & Experiment,2016,38(2):197-203.

[6] Demaison G J,Moore G T.Anoxic environments and oil source bed genesis[J].AAPG Bulletin,1980,64(8):1179-1209.

[7] Pedersen T F,Calvert S E.Anoxia vs. productivity:What controls the formation of organic-carbon-rich sediments and sedimentary rocks?[J].AAPG Bulletin,1990,74(4):454-466.

[8] Wang Jianguo,Chen Daizhao,Yan Detian,et al.Evolution from an anoxic to oxic deep ocean during the Ediacaran-Cambrian transition and implications for bioradiation[J].Chemical Geology,2012,306/307:129-138.

[9] Och L M,Shields-Zhou G A,Poulton S W,et al.Redox changes in Early Cambrian black shales at Xiaotan section,Yunnan Province,South China[J].Precambrian Research,2013,225:166-189.

[10] Feng Lianjun,Li Chao,Huang Jing,et al.A sulfate control on marine mid-depth euxinia on the Early Cambrian (ca. 529-521 Ma) Yangtze platform,South China[J].Precambrian Research,2014,246:123-133.

[11] Jin Cengsheng,Li Chao,Algeo T J,et al.A highly redox-heterogeneous ocean in South China during the Early Cambrian (～529-514 Ma):Implications for biota-environment co-evolution[J].Earth and Planetary Science Letters,2016,441:38-51.

[12] Brasier M D.Background to the Cambrian explosion[J].Journal of the Geological Society,1992,149(4):585-587.

[13] Zhu Maoyan,Strauss H,Shields G A.From snowball earth to the Cambrian bioradiation:Calibration of Ediacaran-Cambrian earth history in South China[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2007,254(1/2):1-6.

[14] 李玉喜,喬德武,姜文利,等.頁巖氣含氣量和頁巖氣地質(zhì)評價綜述[J].地質(zhì)通報,2011,30(2/3):308-317.

Li Yuxi,Qiao Dewu,Jiang Wenli,et al.Gas content of gas-bearing shale and its geological evaluation summary[J].Geological Bulletin of China,2011,30(2/3):308-317.

[15] 羅超.上揚子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖特征研究[D].成都:成都理工大學(xué),2014.

Luo Chao.Geological characteristics of gas shale in the Lower Cambrian Niutitang Formation of the Upper Yangtze Platform[D].Chengdu:Chengdu University of Technology,2014.

[16] Li Zhengxiang,Li Xianhua,Zhou Hanwen,et al.Grenvillian continental collision in South China:New SHRIMP U-Pb zircon results and implications for the configuration of Rodinia[J].Geology,2002,30(2):163-166.

[17] Li Zhengxiang,Zhang Linghua,Powell C M.South China in Rodinia:Part of the missing link between Australia-east Antarctica and Laurentia?[J].Geology,1995,23(5):407-410.

[18] Wang Jian,Li Zhengxiang.History of Neoproterozoic rift basins in South China:Implications for Rodinia break-up[J].PreCambrian Research,2003,122(1/4):141-158.

[19] Zhu Maoyan,Zhang Junming,Yang Aihua,et al.Sinian-Cambrian stratigraphic framework for shallow-to deep-water environments of the Yangtze Platform:An integrated approach[J].Progress in Natural Science,2003,13(12):951-960.

[20] Zhu Maoyan,Babcock L E,Peng Shanchi.Advances in Cambrian stratigraphy and paleontology:Integrating correlation techniques,paleobiology,taphonomy and paleoenvironmental reconstruction[J].Palaeoworld,2006,15(3/4):217-222.

[21] 趙元龍,楊洪,李勇,等.貴州新元古代到寒武紀(jì)早期特異埋藏后生生物群及其研究意義[J].古生物學(xué)報,2008,47(4):405-418.

Zhao Yuanlong,Yang Hong,Li Yong,et al.Exceptionally-preserved early metazoan biotas of Neoproterozoic-Cambrian in Guizhou and their implications:A brief introduction[J].Acta Palaeontologica Sinica,2008,47(4):405-418.

[22] Xu Lingang,Lehmann B,Mao Jingwen,et al.Mo isotope and trace element patterns of Lower Cambrian black shales in South China:Multi-proxy constraints on the paleoenvironment[J].Chemical Geology,2012,318/319:45-59.

[23] 楊興蓮,祝明金,朱露艷,等.貴州金沙下寒武統(tǒng)牛蹄塘組中的高肌蟲[J].高校地質(zhì)學(xué)報,2009,15(3):296-303.

Yang Xinglian,Zhu Mingjin,Zhu Luyan,et al.The bradoriida of the Niutitang Formation from traditional Lower Cambrian in Jinsha County,Guizhou Province[J].Geological Journal of China Universities,2009,15(3):296-303.

[24] Yang Xinglian,Zhao Yuanlong,Wu Weiyi,et al.Phragmodictyajinshaensissp. nov.,a hexactinellid dictyosponge from the Cambrian of Jinsha,South China[J].GFF,2014,136(1):309-313.

[25] 楊瑞東,毛家仁,張位華,等.貴州早寒武世早期黑色頁巖中生物化石保存及生態(tài)學(xué)研究[J].沉積學(xué)報,2004,22(4):664-671.

Yang Ruidong,Mao Jiaren,Zhang Weihua,et al.Fossil preservation and palaeoecological research in Early Cambrian black shale[J].Acta Sedimentologica Sinica,2004,22(4):664-671.

[26] Xu Lingang,Lehmann B,Mao Jingwen,et al.Re-Os age of polymetallic Ni-Mo-PGE-Au mineralization in Early Cambrian black shales of South China:A reassessment[J].Economic Geology,2011,106(3):511-522.

[27] Chen Daizhao,Zhou Xiqiang,Fu Yong,et al.New U-Pb zircon ages of the Ediacaran-Cambrian boundary strata in South China[J].Terra Nova,2015,27(1):62-68.

[28] Chen Daizhao,Wang Jianguo,Qing Hairou,et al.Hydrothermal venting activities in the Early Cambrian,South China:Petrolo-gical,geochronological and stable isotopic constraints[J].Chemical Geology,2009,258(3/4):168-181.

[29] Knoll A H,Carroll S B.Early animal evolution:Emerging views from comparative biology and geology[J].Science,1999,284(5423):2129-2137.

[30] 朱茂炎.動物的起源和寒武紀(jì)大爆發(fā):來自中國的化石證據(jù)[J].古生物學(xué)報,2010,49(3):269-287.

Zhu Maoyan.The origin and Cambrian explosion of animals:Fossil evidences from China[J].Acta Palaeontologica Sinica,2010,49(3):269-287.

[31] 彭善池.華南新的寒武紀(jì)生物地層序列和年代地層系統(tǒng)[J].科學(xué)通報,2009,54(18):2691-2698.

Peng Shanchi.The newly-developed Cambrian biostratigraphic succession and chronostratigraphic scheme for South China[J].Chinese Science Bulletin,2009,54(22):4161-4170.

[32] Jones B,Manning D A C.Comparison of geochemical indices used for the interpretation of palaeoredox conditions in ancient mudstones[J].Chemical Geology,1994,111(1/4):111-129.

[33] Wei Hengye,Chen Daizhao,Wang Jianguo,et al.Organic accumulation in the lower Chihsia Formation (Middle Permian) of South China:Constraints from pyrite morphology and multiple geochemical proxies[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2012,353/355:73-86.

[34] Dymond J,Suess E,Lyle M.Barium in deep-sea sediment:A geochemical proxy for paleoproductivity[J].Paleoceanography,1992,7(2):163-181.

[35] Francois R,Honjo S,Manganini S J,et al.Biogenic barium fluxes to the deep sea:Implications for paleoproductivity reconstruction[J].Global Biogeochemical Cycles,1995,9(2):289-303.

[36] Lyons T W,Werne J P,Hollander D J,et al.Contrasting sulfur geochemistry and Fe/Al and Mo/Al ratios across the last oxic-to-anoxic transition in the Cariaco Basin,Venezuela[J].Chemical Geology,2003,195(1/4):131-157.

[37] 金承勝.華南寒武紀(jì)早期海洋化學(xué)時空演化及其對早期動物演化的影響[D].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),2014.

Jin Chengsheng.A preliminary study on spatiotemporal variability of ocean chemistry and its relationship with animal evolution in the Early Cambrian (Ca.526-514Ma),South China[D].Wuhan:China University of Geosciences (Wuhan),2014.

[38] Anbar A D.OCEANS:Elements and evolution[J].Science,2008,322(5907):1481-1483.

[39] Wille M,N?gler T F,Lehmann B,et al.Hydrogen sulphide release to surface waters at the Precambrian/Cambrian boundary[J].Nature,2008,453(7196):767-769.

[40] 呂炳全,王紅罡,胡望水,等.揚子地塊東南古生代上升流沉積相及其與烴源巖的關(guān)系[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2004,24(4):29-35.

Lü Bingquan,Wang Honggang,Hu Wangshui,et al.Relationship between Paleozoic upwelling facies and hydrocarbon in southeastern marginal Yangtze Block[J].Marine Geology & Quaternary Geo-logy,2004,24(4):29-35.

(編輯 徐文明)

Sedimentary environment of the Lower Cambrian organic-rich shale and its influence on organic content in the Upper Yangtze

Zhang Yuying1,2,3,4, He Zhiliang2,3,4, Gao Bo2,3,4, Liu Zhongbao2,3,4

(1.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismsandEffectiveDevelopment,Beijing100083,China;3.KeyLaboratoryofShaleOil/GasExplorationandProduction,SINOPEC,Beijing100083,China;4.SINOPECPetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,Beijing100083,China)

Rock samples from 3 typical Lower Cambrian outcrops in the Upper Yangtze have been collected to test the content of total organic carbon (TOC) as well as major elements and trace elements. The characteristics of primary productivity and redox in the Early Cambrian, and their effect on organic enrichment were analyzed. In stages Ⅰ-Ⅱ, the shallow shelf was anoxic and ferruginous with a high primary productivity; the deep shelf was anoxic and sulphate rich with a low primary productivity; and the slope-basin where upwelling brought massive nutrients was anoxic and ferruginous with an extremely high primary productivity. In stage Ⅲ, the shelf was changed to oxic communicating well with the open sea and decreasing the preservation of organic matter. Although the slope-basin became oxic-suboxic in this stage, the primary productivity was high enough to prevent organic matter from complete aerobic degradation before it was buried. In general, organic-rich shale in the shelf which was deposited in a reducing environment was controlled by in the Eh at the bottom; organic-rich shale in slope-basin with a higher TOC content was controlled by primary productivity as well as the sedimentary environment. Organic-rich shale of the Lower Cambrian deposited on the shelf and in the slope-deep basin would be a target layer for shale gas exploration and exploitation.

organic matter; organic-rich shale; sedimentary environment; Lower Cambrian; Upper Yangtze

2016-08-19；

2017-02-03。

張鈺瑩(1987—)，女，博士研究生，沉積學(xué)理論與應(yīng)用專業(yè)。E-mail：yycug@163.com。

中國石化科技部項目(G5800-13-ZS-KJB018)資助。

1001-6112(2017)02-0154-08

10.11781/sysydz201702154

TE121.31

A