四川广元-陕西镇巴地区上奥陶统五峰组地球化学特征及沉积环境意义

孙小勇，牟传龙，葛祥英，王远翀，门　欣

(1.成都理工大学沉积地质研究院，四川　成都　610059；2.中国地质调查局成都地质调查中心，四川　成都　610081；3.国土资源部沉积盆地与油气资源重点实验室，四川　成都　610081)



四川广元-陕西镇巴地区上奥陶统五峰组地球化学特征及沉积环境意义

孙小勇1，2，牟传龙2，3，葛祥英2，3，王远翀1，2，门欣1，2

(1.成都理工大学沉积地质研究院，四川成都610059；2.中国地质调查局成都地质调查中心，四川成都610081；3.国土资源部沉积盆地与油气资源重点实验室，四川成都610081)

上奥陶统五峰组黑色页岩有机质含量高，生烃潜力巨大，为南方海相油气勘探的重点层位。对于上奥陶统五峰组的沉积环境，历来争议较大，主要为浅水成因论和深海成因论。本文从前人的研究成果出发，运用元素地球化学方法，对研究区五峰组的古氧相、古气候、古水深等沉积环境进行分析。分析结果显示，研究区V/(V+Ni)平均值为0.64；U/Th为1.87；V/Cr为2.98；Ni/Co为15.07，V/(V+Ni)、V/Cr、U/Th等值均指示研究区五峰组沉积环境为强还原环境。MnO/TiO2比值在0.02～1.89之间，其平均值为0.23，指示离陆地较近的边缘浅海环境；样品总体上表现为高Ba低Sr的趋势，Sr/Ba比值普遍较低，平均值为0.02，远远小于1，指示五峰组沉积环境应该为淡水沉积。稀土元素总体表现为轻稀土富集，δCe值位于0.77～1.57之间，平均值为1.11，为Ce正异常或不明显的Ce负异常，Ce/La平均值为2.22，δEu平均值为0.59，表明研究区五峰组形成于贫氧-厌氧的浅海沉积环境。

广元；镇巴；上奥陶统；五峰组；沉积环境；地球化学

引言

上奥陶统五峰组泥页岩在中上扬子地区广泛发育，为良好的油气生烃潜力层位，五峰组的沉积环境研究具有重要意义。关于五峰组页岩的沉积环境，前人已经进行了大量细致的研究，但依然争议较大，大致分为浅水成因论和远洋成因论两种观点。浅水成因论者认为五峰页岩生成的环境为陆表浅海或是半封闭的滞留浅水海盆环境[1-12]。穆恩之、陈旭、戎嘉余等通过对古生物的研究，推断五峰期的沉积环境大致位于“BA4—BA5”与“BA2—BA3”之间。1986年，耿良玉从海平面升降幅度、生态地层、地形等方面论证后认为五峰组为陆表海沉积。1987年，陈旭、戎嘉余等提出了五峰期上扬子海顶部淡化富氧层和底部未被淡化缺氧层的沉积模式。成汉均等在1991年运用C/S法对五峰期的古盐度进行分析，结果显示五峰期从底到顶为连续的淡化海。1993年，方一亭等从沉积相及稀土元素地球化学特征等方面，分析扬子板块在晚奥陶世五峰期的沉积模式，认为五峰期扬子板块中部广泛分布的五峰组黑色页岩形成于陆表浅海而非深海小洋盆。深海成因论者认为五峰组形成于与大洋连通的深海盆地[13-16]。他们的依据主要有古生物特征、岩石特征、沉积速率和海平面变化等。1996年，肖传桃等通过对中上扬子地区代表性的宜昌奥陶系剖面进行层序地层分析，认为五峰组为典型的深海远洋沉积，观音桥段为深海等深流沉积。2008年，高振中等对观音桥段进行了深入研究后指出，观音桥段为深水异地沉积，不是“浅水介壳相”。此外，在1983年南京召开的“寒武-奥陶、奥陶-志留系界线国际学术讨论会”上，有学者指出了五峰组页岩形成的水体深度为CCD面(碳酸盐补偿面)之下。但是，越来越多的证据证明，中上扬子地区的五峰组页岩形成于半封闭的陆表浅水滞流海盆缺氧环境。

1　地质概况

四川盆地位于扬子台地的西北部，周围被多个造山带所包围，北部有米仓山隆起和大巴山褶皱带，南部有峨眉山-凉山褶皱冲断带，西部为龙门山褶皱带，东部则有湘黔鄂冲断带。广元-镇巴地区位于四川盆地的东北缘(图1)，地处中上扬子北部，属于扬子板块的边缘地带。研究区位于四川盆地东北部，包括四川东北部，陕西南部等地区，北至广元-汉中一线，南至凤岗-思南-松桃一线，西至泸州-南充一线，东至镇巴-万源一线。

图1研究区地质简图

Fig.1Simplified geological map of the Upper Ordovician Wufeng Formation from the Guangyuan region, northern Sichuan to the Zhenba region, southern Shaanxi

晚奥陶世，上扬子海三面为古陆所包围，西起康滇古陆、龙门山古陆，南临滇黔桂古陆，东到江南古陆、华夏古陆，形成了一个半封闭的滞流海湾。由于受到加里东运动的影响，扬子板块与华夏陆块发生构造挤压碰撞，使上扬子海边缘的隆起进一步抬升，周围的陆地继续扩张，扬子海的海域面积进一步缩小[17]，使上扬子地区由原本的克拉通海相盆地转变为被隆起围限的隆后盆地。奥陶纪五峰期，华夏板块不断由东向西挤压扬子板块，海盆周缘的隆起不断抬升，致使相对海平面升高，大量的降雨和海盆周围的陆地淡水不断向海域注入，使上扬子海域的水体含盐度不断下降，在表面逐渐形成了一层淡化水层。淡化水层的存在又使水体的循环受阻，导致海域底部水体严重缺氧，滋生大量的厌氧细菌，形成强烈的还原环境[18]。从五峰期到观音桥期，发生了地史时期上又一次大规模的冰川事件。观音桥期已被广大学者认为是南大陆冰盖增生的极限时期，冰盖的增生会消耗掉大量的水，从而导致海平面的巨幅下降，多数学者认为下降的深度为50～100m。海平面如此大幅度的下降，必然会引起研究区沉积环境的改变。另外，由于海平面的不断下降，海域的含氧量开始相对升高，还原层的顶界面不断向海域的中心移动，研究区以往的顶层富氧、底层缺氧的双层结构环境也开始发生改变，尤其是海域底部，一改过去的缺氧环境，含氧量明显升高，逐渐开始形成单层的富氧结构。在这种富氧的环境下，Hirnantia动物群开始大量繁衍。

2　样品的采集与测试

本次研究的样品全部采自于广元-镇巴地区，包括旺苍双汇剖面、旺苍大两会剖面、南江桥亭剖面、南郑福成剖面、镇巴梁白公路剖面和镇巴五星村剖面等6个剖面，采集层位为上奥陶统五峰组，共采集样品25件，其岩性主要为硅质岩、硅质页岩、炭质页岩、粉砂质页岩、钙质页岩和泥灰岩等，岩石内部含有丰富的笔石化石，地层厚度不大，多为3.5～7.8m。本次研究采集的样品均由国家地质实验测试中心进行测试，包括主量元素、微量元素和稀土元素。主量元素用X射线荧光光谱仪(PW4400)测量，检测方法依据为GB/T 14506.28-2010；微量元素和稀土元素采用等离子质谱仪(PE300D)测试，检测方法依据GB/T 14506.28-2010。研究区五峰组样品的元素分析结果如表1、表2、表3所示，测试结果均在允许误差范围内。

3　地球化学特征及意义

在各种不同的沉积环境中，沉积物与沉积介质之间发生各种复杂的化学反应，化学元素会发生沉积、分离、组合等，从而使不同的沉积环境有着不同的化学元素含量和组合。因此，可以利用化学元素的组合与含量，来推断沉积物沉积时的古环境。随着地球化学测试分析技术的不断提高，主微量元素，稀土元素，稳定同位素等方法在古环境分析中的应用越来越多，并取得了大量成果[19-23]。

研究区主量元素、微量元素和稀土元素特征见表1、2、3所示，样品总体特征相似，SiO2含量较高，大部分样品SiO2含量都大于90%，其次为Al2O3。微量元素中，Ba的含量较高，为(212～41120)×10-6，平均值为4117.24×10-6；而Sr的含量则明显要低许多，除了样品XLP-B4-1的含量为1042×10-6以外，其余样品的Sr含量均小于100×10-6，总体表现为高Ba低Sr。稀土元素方面，LREE含量介于21.01～2010之间，平均值为245.34；HREE含量介于10.21～1112之间，平均值为99.38；LREE/HREE均大于1，位于1.6～4.8之间，平均值为3.1，表现为LREE明显比HREE富集；稀土总量∑REE为34.25～3122之间，平均值为344.7，含量较高。

3.1古氧相

氧化还原性敏感元素(U、Th、V、Cr、Ni等)在沉积物中的富集程度受沉积环境中的氧化还原性质控制，这些敏感元素通常在富氧环境下溶解度较高，在缺氧环境中溶解度则较低，从而较为富集[24]。所以，利用氧化还原敏感性元素重建沉积水体的古氧相，是一种行之有效的方法。

微量元素与稀土元素常常被用作推断沉积环境的古氧相的重要手段，与之相关的氧化还原环境的识别标准也越来越多样化和定量化。J.R.Hatch(1992)和B.Jones(1994)对北美黑色页岩的地球化学特征作了深入的研究后，提出了几种识别古氧相的方法，包括V/(V+Ni)、V/Cr、U/Th、Ni/Co等，并制定了几种比值的相关判定标准(表4)。

表1　研究区五峰组主量元素含量及特征参数

表2　研究区五峰组微量元素含量及特征参数

本次研究区五峰组所采25个样品中，V/(V+Ni)比值在0.26～0.91之间(图2)，其中21个样品的V/(V+Ni)比值大于0.46，7个在0.46～0.60之间，19个大于0.54，平均值为0.64。V/(V+Ni)比值总体较高，由此可推断研究区五峰组的沉积环境为水体分层的还原-强还原环境。

研究区25个样品中，U/Th比值分布范围较广，位于0.13～14.6，其中大多数样品比值在0.5～2.0之间(图2)，U/Th平均值为1.87，比值总体较高，部分样品甚至U/Th>10，表明研究区五峰组沉积环境为贫氧-厌氧环境。

五峰组Ni/Co比值较高，介于1.8～46.88之间(图2)，25个样品中只有6个样品的Ni/Co比值小于5.00，其余样品的Ni/Co比值全部大于7.00，16个样品的Ni/Co>7.00，最高者甚至达到了46.88，Ni/Co比值总体较高，平均值为15.07，指示的五峰组沉积环境古氧相为强烈的还原环境。

U与Th的相互关系(δU)也能指示沉积物沉积环境的古氧相，当δU>1的时候，指示缺氧环境，当δU<1时，指示的则是正常的富氧海水环境。广元-镇巴地区，δU值分布在0.57～1.96之间(图2)，采集的25个样品中，17个样品的δU>1，8个样品δU<1，δU平均值为1.26，表明研究区五峰组为缺氧环境。

3.2古水深

(1)沉积物中的MnO/TiO2比值可以作为离岸远近分析的定性指标。一般情况下，当MnO/TiO2比值较小，通常为MnO/TiO2<0.5时，反映离陆地较近的边缘浅海沉积环境；而当MnO/TiO2比值介于0.5～3.5之间时，代表的则是远离大陆的深海环境。研究区25个页岩样品的MnO/TiO2比值在0.02～1.89之间(图3)，其中3个样品0.5

表3　研究区五峰组稀土元素值及特征参数

注：δCe=CeN/(LaN×PrN)1/2，δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2，其中CeN、LaN、PrN、EuN、SmN、GdN均为元素球粒陨石标准化值

表4　缺氧环境和富氧环境的基本特征及对应识别标准[25-26]

注：δU=2U/(U+Th/3 )，δCe=CeN/(LaN×PrN)1/2，δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2

图2研究区五峰组黑色页岩V/(V+Ni)、U/Th、Ni/Co、δU值图解

Fig.2Diagrams showing the distribution of V/(V +Ni). U/Th, Ni/Co and δU ratios for the black shales in the Wufeng Formation

(2)Sr/Ba比值是较常用且有效的古水深和离岸距离的研究手段。Sr和Ba两种化学元素的化学性质较为相似，Sr的迁移能力要高于Ba，化合物也较Ba化合物更易溶解，故它可以迁移到远海较深水处。而Ba2+与海水中的SO42-离子相遇时，会产生化学反应形成较难溶解的BaSO4而沉淀下来，因此，Ba2+多在近岸沉积物中富集，只有较少部分能迁移到深海处。故Sr/Ba值常被用来判别淡水环境和咸水环境。一般认为，当Sr/Ba>1时，沉积环境为咸水环境，当Sr/Ba<1时，为淡水介质。

研究区页岩Sr的含量多在(12.9～95.7)×10-6之间，少数样品Sr含量较高。Ba的含量要比Sr高很多，主要分布在(212～1698)×10-6之间，平均值为1281.78×10-6。总体上表现为高Ba低Sr的趋势，Sr/Ba比值普遍较低(图4)，25个样品的Sr/Ba值小于1，分布在0.01～0.27之间，平均值为0.02，远远小于1，指示的五峰组沉积环境应该为淡水沉积。

图3五峰组黑色页岩MnO/TiO2比值图解

Fig.3Diagram showing the distribution of MnO/TiO2ratios for the black shales in the Wufeng Formation

3.3古盐度

利用沉积物中MgO的亲海性和Al2O3的亲陆性，张士三建立了镁铝之间的比值关系：m=100MgO/Al2O3。m值的大小能反映沉积环境的水体古盐度特征，由陆向海，沉积环境的水体由淡水变为海水，m值也会随着水体中盐度的增加而变大。不同的m值对应着不同的沉积环境：当m<1时，指示淡水环境；130.63%)；当m>500时，则为陆表海环境或潟湖沉积环境。研究区五峰组m值分布在4.12～70.73之间(图5)，25个样品中，15个样品的m值介于1～10之间，为海陆过渡性沉积环境，剩余10个样品m值介于10～500之间，为海水沉积环境。m值平均值为11.83，位于张士三提出的陆海过渡相的高值和海水沉积的较低值，指示的是淡化了的海水沉积。

图4五峰组黑色页岩Sr/Ba比值图解

Fig.4Diagram showing the distribution of Sr/Ba ratios for the black shales in the Wufeng Formation

3.4古气候

Sr/Cu比值是对古气候研究的一种重要手段，它对古气候的变化十分敏感。一般情况，Sr/Cu比值位于1～10之间反映的是温暖潮湿的气候；Sr/Cu比值大于10反映的则是干旱炎热的气候。研究区五峰组Sr/Cu比值主要位于0.13～4.69之间，只有XLP-B4-1异常高，为27.64(图6)。25个样品中，24个样品的Sr/Cu比值均小于5，平均值为2.38，指示研究区五峰组沉积时的古气候为温暖潮湿的气候。

图5五峰组样品m=100MgO/Al2O3值图解

Fig.5Diagram showing the distribution of Mg/Al ratios for the black shales in the Wufeng Formation

3.5稀土元素特征

稀土元素是一类化学性质极为相似的元素，这类元素对沉积环境的变化十分敏感，其运移、分异和富集与其沉积介质的性质有着密不可分的联系，因而被广泛运用于沉积环境的分析当中。大量研究表明，Ce异常程度是一种非常有效的判断沉积环境和其氧化还原性质的方法，在深海洋盆的碱性氧化环境中，Ce3+被氧化成Ce4+，从海水介质中析出，使得水体介质中出现明显的Ce异常。与深海环境相比，相对封闭还原的浅海陆棚环境中，Ce3+很难被氧化成Ce4+。与此同时，由于受到大陆淡水的影响，海水通常不会具有Ce异常或具轻微的负异常[27]。Richard认为，在洋中脊400km范围内，页岩具有明显的Ce负异常，δ Ce平均值为0.3左右；在洋盆环境中沉积的页岩，Ce负异常程度也较高，δ Ce平均值为0.55左右；浅海陆架环境中沉积的页岩则通常不具Ce负异常或具微弱的Ce负异常，δ Ce值为0.79～1.54。从浅海环境到远洋深海环境，稀土元素具有一定的变化规律：稀土元素总量∑REE降低，重稀土元素HREE相对富集，Ce亏损负异常明显[28-29]。

图6五峰组黑色页岩Sr/Cu值图解

Fig.6Diagram showing the distribution of Sr/Cu ratios for the black shales in the Wufeng Formation

球粒陨石、上地幔、太平洋深海粘土的LREE/HREE比值通常都小于1，而东海浅海大陆架沉积物的LREE/HREE比值为3.33，说明浅海区较深海区轻稀土更为富集。四川广元-陕西镇巴地区稀土元素的含量如表3所示，稀土总量∑REE为34.25～3122之间，平均值为344.7，含量较高，LREE含量介于21.01～2010之间，平均值为245.34；HREE含量介于10.21～1112之间，平均值为99.38；LREE/HREE均大于1，位于1.6～4.8之间，平均值为3.1，表现为LREE明显比HREE富集。这与东海浅海大陆架沉积物的稀土元素特征较为相似，而与深海区沉积物的稀土元素特征差异较大，表明五峰组黑色页岩沉积环境与洋壳、深海等沉积环境不是同一个体系，而是陆壳、浅海等水体较浅的沉积环境。

Ce异常在判别沉积环境的古氧化还原环境时相当有效，一般情况，δ Ce<0.95时，表现为负异常，指示的是氧化环境；δ Ce>1时，表现为正异常或不明显的负异常，此时指示的是还原环境。此外，Ce异常可以用Ce/La值代替，当Ce/La<1.5时，对应的沉积环境为富氧环境；当1.52.0时，指示厌氧环境。研究区25个样品中，δ Ce值位于0.77～1.57之间，5个样品δ Ce<0.95(图7)，表现为Ce负异常；16个样品的δ Ce>1，表现为Ce正异常；剩余4个样品0.95<δ Ce<1，为不明显的Ce异常，δ Ce平均值为1.11，表明研究区位于贫氧—厌氧的浅海环境。Ce/La比值较高，位于1.58～3.32之间，14个样品的Ce/La比值均大于2.00，平均值为2.22，也指示研究区沉积环境为贫氧-厌氧环境。

图7五峰组样品δCe、Ce/La值图解

Fig.7Diagrams showing the distribution of δCe values and Ce/La ratios for the black shales in the Wufeng Formation

4　结论

通过对研究区上奥陶统五峰组所采的25个样品进行的元素地球化学分析结果显示，四川广元—陕西镇巴地区五峰组黑色页岩V/(V+Ni)值、U/Th值、Ni/Co值、V/Cr值等均指示研究区五峰组沉积环境为强还原环境；MnO/TiO2比值、Sr、Ba含量及Sr/Ba比值指示沉积环境为离陆地较近的边缘浅海淡水沉积环境。稀土含量较高，轻稀土较为富集，δCe值表现为Ce正异常或不明显的Ce负异常，Ce/La值和δEu值均指示研究区位于贫氧-厌氧的陆壳、浅海等水体较浅的沉积环境，这与V/(V+Ni)、Sr/Ba、m值等指示的结果相一致。综上所述，研究区五峰组沉积时期水体不深，气候温暖湿润，降水丰富，由于大量的淡水注入，致使表层海水淡化，底层海水严重缺氧，分层明显，为滞流、还原、淡化强烈的局限浅海坏境。

此外，由于当时的构造运动，整个中上扬子地区三面为古陆包围，形成了局限的海盆环境，水流不畅，底层水体滞流。水体底层安静、滞流的强还原环境加上表层淡化海水的高生物产率，使生物遗体能很好的保存下来，这对五峰期高有机质黑色笔石页岩的形成是极为有利的。

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Geochemistry and sedimentary environments of the Upper Ordovician Wufeng Formation in Guangyuan, northern Sichuan and Zhenba, southern Shaanxi

SUN Xiao-yong1, 2， MOU Chuan-long2, 3， GE Xiang-ying2, 3， WANG Yuan-chong1, 2， MEN Xin1, 2

(1.InstituteofSedimentaryGeology,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,Sichuan,China; 2.ChengduCenter,ChinaGeologicalSurvey,Chengdu610081,Sichuan,China; 3.KeyLaboratoryofSedimentaryBasinandOil&GasResources,MinistryofLandandResources,Chengdu610081,Sichuan,China)

The black shales with a great potential in the Upper Ordovician Wufeng Formation from the Guangyuan region, northern Sichuan to the Zhenba region, southern Shaanxi is interpreted as the key horizons for the marine oil and gas exploration in southern China. Referenced to the previous results, the present paper focuses on the analysis of palaeoclimate, palaeodepth and palaeoredox conditions in the study areas. The analytical results including 0.64 for the average V/(V+Ni) ratio; 1.87 for the average U/Th ratio; 2.98 for the average V/Cr ratio, 15.07 for the average Ni/Co ratio and 0.23 for the average MnO/TiO2ratios suggest the highly reduced conditions in the marginal shallow sea during the deposition of the Wufeng Formation. The high Ba contents, and low Sr contents and Sr/Ba ratios for the black shale samples from the Wufeng Formation indicate that the Wufeng Formation was once laid down in the fresh water environments. Geochemically, the samples display LREE enrichment. The δCe values vary between 0.77 and 1.57 with an average of 1.11, indicating positively Ce anomalies or slightly negative Ce anomalies. The average Ce/La ratio (2.22) and average δEu (0.59) indicate the dysaerobic to anaerobic shallow marine environments in the study areas.

Guangyuan; Zhenba; Upper Ordovician; Wufeng Formation; sedimentary environment; geochemistry

1009-3850(2016)01-0046-09

2015-08-08； 改回日期： 2015-09-20

孙小勇(1987-)，男，硕士研究生，沉积学与岩相古地理研究。E-mail:461747760@qq.com

牟传龙(1965-)，男，研究员，博士生导师，主要从事沉积地质与油气地质研究。E-mail：cdmchuanlong@163.com

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项目资助：该项研究受到中国地质调查局基础地质调查项目“四川盆地多种能源综合评价”(12120114009401)资助