塔里木盆地柯坪地区寒武系玉尔吐斯组沉积环境分析

陈强路，储呈林，胡 广，陈 跃，黄继文，姜海健

(1.中国石化油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126；2.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126； 3.西南石油大学，成都 610500)



塔里木盆地柯坪地区寒武系玉尔吐斯组沉积环境分析

陈强路1,2，储呈林1，胡 广3，陈 跃2，黄继文2，姜海健1,2

(1.中国石化油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126；2.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126； 3.西南石油大学，成都 610500)

塔里木盆地柯坪地区出露的寒武系底部玉尔吐斯组为层状硅质岩—黑色泥页岩—白云岩沉积组合。在露头实测的基础上，通过层序地层、岩石学、成烃生物组合及地球化学研究，剖析其沉积环境，为盆地内部早寒武世早期岩相古地理和烃源岩预测提供依据。玉尔吐斯组下部层状硅质岩与中部黑色泥页岩构成三级层序SQ1，受控于早寒武世早期海侵和上升流作用，准层序为退积式叠置；上部中薄层白云岩与肖尔布拉克组下部白云岩构成另一三级层序SQ2，是海退背景下进积型沉积组合。2个三级层序的沉积环境经历了浅水陆棚—深水陆棚—浅水陆棚的演变，其中SQ1黑色泥页岩段为深水陆棚缺氧环境沉积，是烃源岩发育的有利相带。

沉积环境；玉尔吐斯组；寒武系；柯坪地区；塔里木盆地

玉尔吐斯组是塔里木盆地寒武纪第一套沉积层，也是已证实的烃源岩发育层，但通过地震资料还不能进行有效识别，目前也仅有星火1井钻揭。因此，玉尔吐斯组的沉积与分布是制约寒武系盐下油气区带评价的重要因素。位于塔里木盆地西北部的柯坪隆起古生代是盆地的一部分，出露的地层与塔里木盆地内部具有很好的可比性，是研究盆地内部古生界地层特征和预测生、储、盖分布的重要窗口[1]。柯坪露头寒武系底部玉尔吐斯组为层状硅质岩—黑色泥页岩—白云岩沉积组合，前人针对该套黑色泥页岩和硅质岩开展了元素地球化学研究，并讨论了早寒武世的构造背景[2-6]。笔者在露头实测的基础上，进行了层序地层、岩石学、成烃生物组合及元素地球化学研究，进一步探讨玉尔吐斯组沉积环境，以期对塔里木盆地寒武纪早期岩相古地理研究和烃源岩分布预测有新的启示。

1 地层及沉积特征

1.1 岩石地层特征

玉尔吐斯组与下伏震旦系奇格布拉克组为平行不整合接触，上覆肖尔布拉克组。该组是将原肖尔布拉克组底部的含有大量小壳化石的层段划分出来新建的地层单位；分布于柯坪隆起奇格布拉克、尤尔美那克、苏盖特布拉克及肖尔布拉克一带，不同剖面厚度变化较大[7](图1)。

肖尔布拉克东剖面(N40°59′11.82″，E79°59′46.28″)玉尔吐斯组顶底界线清楚，并有探槽开挖。该剖面玉尔吐斯组视厚48.7 m，整体可划分为3个岩性段(图1)，下段为含磷结核硅质岩、磷块岩夹薄层或透镜状白云质灰岩、白云岩组合(图2a，b)；中段为厚16.8 m的黑色泥页岩，其中中部为厚约2 m的灰黑色薄层硅质岩与黑色页岩互层，页岩发育页理(图2c)；上段为灰色薄层—中层粉晶白云岩、瘤状白云岩夹泥岩(图2d)。

1.2 层序界面与层序地层

玉尔吐斯组与肖尔布拉克组下部白云岩段可划分为2个三级层序(图1)。层序界面SB1为寒武系与震旦系之间的平行不整合面，界面之下为上震旦统奇格布拉克组厚层状白云岩，部分地区奇格布拉克组顶面喀斯特化；界面之上岩性突变，底部为8 cm厚的紫红色磷块岩及中薄层的含磷结核的硅质岩，其次为泥页岩(图2a)。SB2为第二岩性段和第三岩性段的分界面，是岩性突变面，也是沉积间断面，界面之下为黑色泥页岩风化的黄色古土壤层，是沉积间断和暴露标志层；界面之上为灰色薄层白云岩，表明沉积环境发生了明显变化(图2d)。SB3为肖尔布拉克组下部薄层深灰色泥质白云岩与浅灰色厚层白云岩岩性变化界面，玉尔吐斯组上段薄层白云岩与肖尔布拉克组下部白云岩是持续海退过程的连续沉积。

SQ1层序TST准层序组由磷块岩、含磷硅质岩、硅质岩及深灰色薄层硅质岩与黑色薄层泥岩组成；HST准层序组由黑色泥页岩夹黑色薄层硅质岩及黑色泥质岩组成，层厚向上减薄，顶部页岩发育页理。岩性由下向上的变化指示沉积水体明显加深，准层序的叠置方式为退积式。

SQ2层序TST准层序组由深灰色中层—薄层状灰质白云岩、中薄层粉—细晶白云岩组成；HST准层序组由灰白色白云岩组成。从TST向HST，相对海平面下降，沉积水体逐渐变浅，准层序的叠置方式呈进积型。

2 沉积环境分析

2.1 沉积构造、岩石学特征指示的沉积环境

磷块岩、硅质岩分布于玉尔吐斯组下段，沉积构造为单一的水平层理。底部为紫红色薄层磷块岩，层面上见扁饼状、球粒状、块状磷结核，直径0.5～5 cm不等(图2b)；其上为肉红色薄层—中层状硅质岩夹灰白色薄层或透镜状白云质灰岩、白云岩组合。磷块岩、硅质岩岩石学特征见表1。

砾屑磷块岩：矿物成分主要为胶磷矿，其次为石英、泥质和少量氧化铁。结构组分以砾屑为主，由碎屑状(砂屑)和凝胶状胶磷矿组成，其次为砂屑(胶磷矿)和球粒。填隙物为石英和磷灰石，其次为胶磷矿和泥质。溶孔发育，主要为粒内溶孔，其次为粒间溶孔，少量球粒铸模孔，有些溶孔为微孔状，孔径小于0.03 mm(图2e)。

图1 塔里木盆地柯坪地区玉尔吐斯组剖面位置(a)和层序地层特征(b)

图2 塔里木盆地柯坪地区玉尔吐斯组沉积特征

表1 塔里木盆地柯坪地区玉尔吐斯组磷块岩、硅质岩岩石学特征

含磷隐晶硅质岩：矿物成分为石英，隐晶状，见少量氧化铁质、磷质和泥质。氧化铁呈浸染状分布。磷质为胶磷矿及磷灰石，呈结核状或斑块状分布于基质中。泥质呈斑点状、球粒状聚集，使岩石局部呈斑点状或球粒状结构。溶孔多呈微孔状分布，孔径小于0.03 mm(图2f)。

隐晶硅质岩：矿物成分主要为石英，隐晶状，其次为少量呈斑点状、球粒状聚集的泥质、氧化铁质，并相对富集呈带状。

含氧化铁质含磷结核隐晶硅质岩：矿物成分为石英，隐晶状，其次为胶磷矿、磷灰石、氧化铁和泥质。磷质矿物以胶磷矿为主，内部结构以凝胶状为主。氧化铁和泥质呈斑点状、团块状分布于硅质基质中。溶孔主要分布于磷结核中，少量分布于基质中。

含泥质斑点隐晶硅质岩：矿物成分主要为硅质，隐晶状，其次见泥质、氧化铁和磷结核。泥质呈斑点状星散分布于基质中。氧化铁呈斑点状、团块状分布，少量充填于裂缝中。

玉尔吐斯组下段磷块岩和含磷硅质岩可以指示沉积环境。现代海相沉积磷块岩根据产出位置可分为大陆边缘型和海山型[7]，前者主要产于大陆架浅海区，水深一般在数百米，很少超过500 m，形成于氧化—次氧化条件，且多与海洋上升流关系密切，常与不同类型陆源、钙质和硅质沉积物伴生[8]。全球上震旦统—下寒武统广泛发育磷块岩矿床，成磷事件与Roidinia超大陆裂离、全球从“冰期”进入温暖期生物迅速发展、分异和辐射的古生态系统更迭以及古海洋水体地球化学特征的变化有关，由上升洋流携带磷等营养物质导致磷质生物大量繁衍，生物死亡后的沉积成岩作用是磷块岩形成的重要成因，受海侵和海平面变化控制，多形成碳酸盐岩—磷块岩—黑色泥岩沉积组合[9-16]。台地浅滩、潮坪—潟湖、浅海海湾是有利的沉积环境[17-19]。而沉积硅质岩可能与源自海底热泉的富硅热水随上返洋流温度降低呈过饱和沉淀有关[20]。柯坪玉尔吐斯组磷块岩、硅质岩沉积层序中暗紫色具砾屑结构的磷块岩与同色调的硅质岩不等厚互层，磷块岩和硅质岩中均有少量氧化铁和泥质呈斑点状、团块状分布于基质中，说明其形成于氧化界面附近或沉积经历了二次搬运，砾屑结构的磷块岩发育表明水动力作用较强，沉积硅质岩的发育也表明与热流体影响有关。由玉尔吐斯组磷块岩、硅质岩的沉积构造和岩石学特征，推断其形成环境与现代海相磷块岩形成分布及寒武纪的成磷事件具有类似性，位于受热流体影响的浅海陆棚环境，由硅质岩、泥质白云岩不等厚互层向上过渡为黑色页岩与硅质岩互层，指示了沉积水体加深的沉积环境。

2.2 泥页岩中成烃生物组合特征指示的沉积环境

浮游藻类和底栖宏观藻类是重要的成烃生物，而且可以指示烃源岩发育的沉积环境[21-23]。选择苏盖特布拉克和肖尔布拉克东2个剖面泥页岩中成烃生物进行了研究。苏盖特布拉克剖面玉尔吐斯组黑色泥页岩厚14.5 m，岩性主要为黑色泥页岩夹薄层硅质岩和灰岩，18件样品成烃生物形态学研究表明，主要有底栖藻类残片和浮游藻类(光面球藻、小刺球藻、球状甲藻、团藻和纹层状蓝藻藻席)。此外还发现海绵骨针及少量的生物介壳残片。泥页岩中成烃生物组合底部以底栖藻为主，仅含有少量浮游藻类；中部底栖藻类减少，浮游藻类明显增多；上部浮游藻类占有更大的比例。肖尔布拉克东剖面泥页岩中成烃生物主要为底栖藻类，可见大量的底栖红藻碎片和红藻囊果，浮游藻类的数量相对较少。对比2个剖面，泥页岩中成烃生物组合均整体呈现底栖藻类占优势，浮游藻类相对较低，但由下至上浮游藻类有增加的趋势。相比较而言，苏盖特布拉克剖面浮游藻类更多，暗示了平面上沉积环境的差异性。

藻类发育在光合作用带，浮游藻类大部分生活在水体表层，一般不受水体深度的限制。底栖藻类一般发育在低潮线以下30～60 m，红藻和褐藻生活水深可达200 m[24]。2个剖面泥页岩段中下部均以底栖藻为主，向上浮游藻有增加的趋势，浮游藻个体较小，从藻类的生态位来看，玉尔吐斯组泥页岩的沉积环境应属浅海陆棚环境。苏盖特布拉克剖面中原地堆积的海绵骨针说明热水生物的存在，也暗含了沉积环境与热水活动相关[21]。

2.3 硅质岩、泥页岩元素地球化学特征指示的沉积环境

海相热水沉积硅质岩具有稀土元素REE总量降低，HREE相对富集和Ce亏损明显的特征，可以作为海相沉积环境恢复中的判识指标[25-27]。沉积岩的微量元素总量、微量元素组成特征分析是研究沉积环境的重要手段[28-32]。柯坪地区玉尔吐斯组中段黑色泥页岩及薄层黑色硅质岩稀土元素、泥页岩微量元素分析结果如表2和表3所示。

玉尔吐斯组中段的黑色薄层硅质岩与黑色泥页岩夹层或互层出现，3个硅质岩样品ΣLREE在(10.813～32.922)×10-6之间，ΣLREE/ΣHREE值为3.082～5.224，平均为3.928，具有LREE(La至Eu) 相对富集，HREE(Gd至Lu) 相对亏损的特点。硅质岩稀土元素与北美页岩标准化后具有∑REE低，Ce为负异常，Eu表现为弱正异常，模式曲线具弱向左倾的特点，呈重稀土元素富集趋势，与柯坪东二沟剖面同层位黑色泥页岩稀土元素配分模式表现出相似的变化趋势[2](图3)。说明玉尔吐斯组硅质岩沉积时受到了海底热液活动的影响[3-4,27-29]。

在黑色页岩中富集的元素有Ni、Co、Cu、Zn、U、V、Mo和Cr等，其中Mo、U、V 、Cr等是氧化还原条件敏感元素，利用这些元素在沉积物或沉积岩中的含量或比值，可以重建氧化还原状态。Jones等[33]提出了古氧相指标(U/Th>1.25，V/Cr>4.2，Ni/Co>7指示缺氧环境；U/Th=1.25～0.75，V/Cr=4.25～2.00，Ni/Co=7.00～5.00指示贫氧环境；U/Th < 0.75，V/Cr <2.00，Ni/Co <5.00指示富氧环境)。玉尔吐斯组黑色页岩U/Th值在8.68～52.24之间，均值高达24.5；V/Cr值除TDE-8号样品为1.61外，其余6个样品均在2.33～5.24之间，均值为3.57；Ni/Co值在5.18～18.68之间，均值为10.52。根据Hatch等[34]对北美堪萨斯州上宾西法尼亚系黑色页岩的研究，V/(V+Ni)值在0.84～0.89反映水体分层，底层水体中出现H2S的厌氧环境；比值在0.54～0.82为水体分层不强烈的厌氧环境；比值在0.46～0.60为水体分层弱的贫氧环境。玉尔吐斯组黑色页岩7个样品V/(V+Ni)值在0.77～0.99，均值为0.89，由此综合判断其沉积环境为水体分层的厌氧条件。

表2 塔里木盆地柯坪地区玉尔吐斯组硅质岩样品稀土元素分析结果[25]

注：分析单位为中国石化油气成藏重点实验室。

表3 塔里木盆地柯坪地区玉尔吐斯组黑色页岩样品微量元素分析结果[28]

注：分析单位为中国石化油气成藏重点实验室。

图3 塔里木盆地柯坪地区玉尔吐斯组硅质岩稀土元素配分模式DE-7，DE-11，DE-12，DE-13为东二沟黑色泥页岩样品，据文献[5]。

微量元素Rb和主量元素K在海水中的迁移和富集均与黏土相关[35]，Rb比K更容易被黏土吸附而迁移距离远，Rb/K值可以代表迁移距离及水体深度的变化，其值越大，指示水体深度越深[36-37]。玉尔吐斯组7件黑色页岩样品Rb/K值在16.34～50.45之间，均值为27.85。对比塔里木东北地区南雅尔当剖面黑土凹组(5个泥岩样品)Rb/K值在37.28～50.48之间，均值为44.98。黑土凹组是富含笔石的黑色泥页岩，为半深海相深水沉积。从Rb/K值指标来看，玉尔吐斯组黑色页岩比黑土凹组沉积古水深要浅。

2.4 玉尔吐斯组沉积环境讨论

在肖尔布拉克剖面发现了“黑烟囱”侵入至薄层含磷硅质岩以下，而柯坪地区下寒武统肖尔布拉克组存在台缘微生物礁、斜坡—深水沉积，可能暗含了前寒武纪—早寒武世初弱伸展—热流体作用的影响。这样的构造背景对早寒武世早期的沉积有重要的制约作用，玉尔吐斯组沉积明显受热液作用影响。

玉尔吐斯组与上覆的寒武系肖尔布拉克组白云岩连续沉积，中部泥岩段含丰富的底栖藻类残片，藻类发育于光合作用带，从相序连续性和生物特征分析其沉积环境不可能为深海盆地。硅质岩—泥岩组合、硅质岩—磷块岩—泥岩组合既可沉积于深水陆棚环境，又可沉积于大陆斜坡环境，但两者的沉积构造有明显差异：前者沉积作用表现单一，地层形态为席状；而大陆斜坡环境中非重力流与重力流相互作用，侧向加积、退积、进积、垂向加积作用发育，多发育楔状沉积体[38-40]。玉尔吐斯组薄层—中层硅质岩—泥页岩—白云岩的岩性组合序列及单一的水平层理的沉积构造，说明其形成于陆棚环境，而泥页段为沉积水体不断加深的深水陆棚环境，元素地球化学分析表明玉尔吐斯组沉积期古海洋生产力较高[2]，为水体分层的厌氧条件。

3 结论

(1)柯坪地区寒武系玉尔吐斯组为层状硅质岩—黑色泥页岩—中薄层白云岩3个岩性段组合。其中下部层状硅质岩与中部黑色泥页岩构成层序SQ1，准层序叠置方式为退积式；上部中薄层白云岩与肖尔布拉克组下部白云岩构成另一层序SQ2，为进积型沉积组合。层序界面SB1为寒武系与震旦系之间的平行不整合面，SB2为中部黑色泥页岩段与上部中薄层白云岩段间的沉积间断和暴露面，SB1、SB2均为岩性突变面。

(2) 沉积岩性组合序列、沉积构造、成烃生物组合等指示玉尔吐斯组的沉积环境为浅海陆棚环境，与3个岩性段对应沉积环境经历了浅水陆棚—深水陆棚—浅水陆棚的变化。SQ1层序受控于早寒武世早期海侵和热液作用，黑色泥页岩段为沉积水体不断加深的缺氧深水陆棚环境。

致谢：感谢中国石化无锡石油地质研究所钱一雄教授对研究提出的中肯意见。

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(编辑 韩 彧)

Sedimentary characteristics and depositional environment of Yuertusi Formation in Keping area, Tarim Basin

Chen Qianglu1,2, Chu Chenglin1, Hu Guang3, Chen Yue2, Huang Jiwen2, Jiang Haijian1,2

(1.SINOPECKeyLaboratoryofPetroleumAccumulationMechanisms,Wuxi,Jiangsu214126,China; 2.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China; 3.SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

The Lower Cambrian Yuertusi Formation in the Keping area of the Tarim Basin consists of bedded cherts, black shales and dolostones. Its sedimentary environment was studied based on sequence stratigraphy, lithology, hydrocarbon-forming organisms and geochemical features of outcrops, which provided evidences for the prediction of lithofacies palaeogeography and source rock during the Early Cambrian. The lower bedded cherts and middle black shales formed one third-order sequence SQ1, which was controlled by transgression and upwelling in the Early Cambrian and represented a regressive cycle. The upper thin-middle bedded dolostones of Yuertusi Formation and the lower thick dolostones of Xiaoerbulake Formation formed another third-order sequence SQ2, which represented a transgressive cycle. The sedimentary environment of these two sequences evolved from shallow to deep and then again to shallow shelves. The black shales of SQ1 represented an anoxic sedimentary environment of deep shelf, which was favorable for source rock development.

sedimentary environment; Yuertusi Formation; Cambrian; Keping area; Tarim Basin

1001-6112(2017)03-0311-07

10.11781/sysydz201703311

2016-11-25；

2017-03-07。

陈强路(1969—)，男，博士，高级工程师，从事沉积学及油气储层研究。E-mail:chenql.syky@sinopec.com。

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB214801)及中国石化科技部项目(P12004)联合资助。

TE122.2

A