上扬子区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组沉积期火山活动对页岩有机质富集程度的影响

吴蓝宇，陆永潮，蒋恕，刘晓峰，何贵松

（1. 中国地质大学（武汉）资源学院，武汉 430074；2. Energy & Geosciences Institute, The University of Utah,Salt Lake City, Utah 84108, USA；3. 中国石化股份有限公司华东分公司，南京 210011）

0 引言

中国上扬子地区上奥陶统五峰组与下志留统龙马溪组一段（以下简称龙一段）页岩富含硅质矿物和有机质，两套富有机质页岩均发育数层斑脱岩薄层，指示上扬子区晚奥陶世—早志留世曾经历过多期火山活动。针对该斑脱岩层，一些专家对其岩石特征、构造背景、形成年代等方面作了较为深入的研究[1-2]。近年来有学者注意到斑脱岩发育段与富有机质页岩段有良好对应关系，使火山活动对页岩有机质富集的影响成为重要研究内容。例如，李登华等[3]详细分析了中国主要页岩油气探区内火山灰与页岩有机质富集之间的关系。上扬子地区五峰组—龙一段富有机质页岩斑脱岩发育，成为进一步探索多期火山活动对页岩有机质富集影响的典型实例。

本文在建立上扬子区五峰组—龙一段层序地层格架的基础上，阐明等时地层格架内斑脱岩发育的垂向分异性，分析与斑脱岩发育段相对应的富有机质页岩的生物与地球化学特性，并探讨上扬子地区晚奥陶世—早志留世火山活动强度差异及其对页岩有机质富集程度的影响，为上扬子地区页岩油气勘探提供参考。

1 五峰组—龙一段页岩等时地层格架与岩相古地理

在等时地层格架内开展岩相表征并建立岩相层序是研究中国南方海相富有机质页岩类型、时空分布及演化的重要方法。笔石生物地层学的方法是解决上扬子地区奥陶系与志留系黑色页岩地层划分与对比最为有效的手段之一[4]。笔者充分利用岩相、地球化学与测井曲线等资料，结合陈旭等[5]划分出的13个笔石带，建立了上扬子地区五峰组—龙马溪组以体系域为单元的层序地层格架[5-6]（见图1）。在识别层序界面（SB1、SB2与SB3）和最大海泛面（MFS）的基础上，将五峰组—龙一段划分出 2个三级层序，其中五峰组—观音桥段为三级层序Sq1，五峰组为海侵体系域（TST1），对应Dicellograptus complexus—Normalogr. extraordinarius笔石带（WF2—WF4笔石带），观音桥段为高位体系域（HST），介壳生物发育，笔石较少；龙一段为三级层序Sq2，底部为海侵体系域（TST2），对应Persculptogr.persculptus—Cystograptus vesiculosus笔石带（LM1—LM4笔石带），中上部为早期高位体系域（EHST）和晚期高位体系域（LHST），两者对应LM5（Coronograptus cyphus）及以上笔石带（见图1）。

在TST1沉积期（凯迪阶晚期），上扬子区沉积了一套稳定分布的富有机质硅质页岩夹斑脱岩层（见图1、图2a），研究区涪陵—武隆—彭水一带为沉积中心之一（见图 2b）。HST沉积期对应赫南特主冰期，上扬子区沉积了普遍含有赫南特贝的炭质/硅质页岩（见图2c），厚度普遍小于0.5 m[7]（见图2d）。TST2对应赫南特晚期与鲁丹早期，研究区岩相以富有机质硅质页岩夹斑脱岩层为特征（见图1、图3a），沉积中心依旧位于涪陵—武隆—彭水一带[7]（见图3b）。EHST与LHST等2个高位体系域分别对应鲁丹晚期与埃隆期，此时上扬子区形成了页岩与粉砂岩条带互层—页岩/粉砂质泥岩/灰质泥岩的沉积序列（见图 1、图 3c），沉积中心与TST1、TST2等2个海侵体系域相同（见图3d）。

2 样品选择与分析方法

对上扬子地区五峰组—龙一段进行了高密度的采样，样品间距一般为20～50 cm，并对共141个样品进行了微量和稀土元素的测试分析。微量元素和稀土元素测试在中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室采用 OptiMass 9500电感耦合等离子体直角加速飞行时间质谱仪（ICP-TOF-MS）完成，分析精度大于5%。

3 等时地层格架内斑脱岩发育特征

3.1 斑脱岩岩石学特征

通过斑脱岩手标本的观察发现：野外露头中的斑脱岩层风化程度高，颜色以浅黄色—深黄色为主，由于黏土含量高，斑脱岩样品手感柔软而光滑，以上特点均与Huff等[8]提出的斑脱岩野外识别标准相符。钻井岩心中的薄层斑脱岩均呈浅灰色—深灰色、褐色分布于硅质页岩层段中（见图4a、4b），常与黄铁矿条带伴生。通过薄片观察发现，斑脱岩层主要由火山灰、尖角状石英、椭球状长石晶屑组成，黑云母晶屑已经暗化（见图4c），玻屑较少，反映研究区斑脱岩后期经历了较强的硅化作用。王家湾剖面HST（观音桥段）顶部发育的一套薄层沉凝灰岩，与斑脱岩特征不同，其风化后表面呈灰白色（见图4d），手感极其光滑，新鲜面滴酸不起泡；镜下可观察到大量棱角状、鸡骨状及镰刀状玻屑（见图4e）；因沉凝灰岩为火山碎屑岩向沉积岩过渡的岩石类型，常混入壳状生物化石碎片与正常沉积物质（见图4f）。

3.2 斑脱岩垂向分段性特征

图1 上扬子区五峰组—龙一段等时地层格架与岩相对比剖面图（笔石带据陈旭等[5]；同位素年龄值均代表其底界年龄，据Gradstein等[6]；WF4底界对应赫南特阶底界面，年龄为445.16Ma；LM2底界对应赫南特阶顶界面，年龄为443.83Ma）

图3 上扬子区Sq2期岩相古地理（a、c）与页岩厚度等值线图[7]（b、d）

图4 TST1—TST2内斑脱岩岩石学特征

Su等[9]已对王家湾剖面斑脱岩的发育情况做出了精细描述；在此基础上，笔者以体系域为单元对上扬子地区 5口钻井岩心进行了观察和统计，发现除王家湾剖面观音桥段顶部发育了一层沉凝灰岩外，上扬子区斑脱岩均发育在TST1与TST2体系域内，其层数与厚度在垂向上具有明显的分段性特征（见图5）。

图5 上扬子区五峰组—龙一段TOC值及斑脱岩分段性特征

TST1内斑脱岩层数明显多于TST2，由TST1底部向上逐渐增多，至TST2又显著减小。为了定量描述火山活动期次与强度，本文引入斑脱岩发育频次和斑脱岩累计厚度比 2个参数。各体系域中单位时间内的斑脱岩层数（层/ Ma）称为斑脱岩发育频次。TST1内斑脱岩发育频次均大于1.5层/Ma，而TST2内频次均小于1.5层/Ma（见图5）。5口井TST1内斑脱岩单层厚度（0.2～2.2 cm）普遍大于TST2（0.1～1.2 cm）。各体系域内累计斑脱岩厚度/页岩厚度定义为斑脱岩累计厚度比。TST1内累计厚度比均大于 1%而 TST2内累计厚度比均小于1%（见图5）。根据斑脱岩在垂向上显著的非均质性特点，笔者将TST1划分为斑脱岩密集段（频次大于1.5层/Ma且累计厚度比大于1%，以下简称密集段），将TST2划分为斑脱岩稀疏段（频次小于1.5层/Ma且累计厚度比小于1%，以下简称稀疏段）。统计表明，5口井的TOC平均值在TST1（密集段）中分别为4.38%，3.35%，3.62%，3.40%和4.68%，在TST2（稀疏段）中分别为 3.84%，3.14%，3.42%，3.13%和4.63%。斑脱岩密集段的TOC值略高于稀疏段（见图 5）。

3.3 火山活动时限厘定

研究区富集的斑脱岩层可指示晚奥陶世—早志留世上扬子区曾经历过大规模的火山活动。上扬子区五峰组与龙马溪组斑脱岩属于中酸性火山岩，源于同碰撞岛弧及板内背景。这套含有斑脱岩的黑色页岩为加里东构造旋回中期华夏地块与扬子地块碰撞后在稳定克拉通内部及其边缘地区形成的[9-10]。部分学者对扬子区龙马溪组的斑脱岩进行了定年测试，胡艳华等[1]利用SHRIMP锆石U-Pb定年方法，表明斑脱岩形成年龄为443.2±1.6 Ma；谢尚克等[11]测得斑脱岩LA-ICP-MS锆石 U-Pb年龄为 442.2±8.1 Ma，两者测试结果与 LM2笔石带（TST2底部）底界年龄值443.83 Ma对应良好（见图 1）。罗华等[12]测得扬子区斑脱岩年龄值为450.0±3.6 Ma，略早于 TST2底部斑脱岩年龄值，与WF2笔石带底界年龄值447.62 Ma（对应TST1底部）相近（见图1），推测此年龄值为晚奥陶世火山活动开始的时限。以上年龄测试结果均与国际地层委员会公布的奥陶系—志留系界线年龄 443.8±1.5 Ma相近[6]。结合斑脱岩的分段性特点，笔者推测研究区火山喷发事件共分两幕，第 1幕大约始于 TST1初期（距今约447.62 Ma），第 2幕大约始于 TST2初期（距今约443.83 Ma）。

4 火山活动对富有机质页岩的影响

TST1（密集段）内TOC普遍略高于TST2（稀疏段），且两者TOC（平均值大于3.0%）与石英含量均较上部EHST与LHST高（见图6），岩相普遍具高硅和高炭的特征。TST1与TST2沉积期间发生大规模的火山活动，反映出火山活动对页岩有机质富集有显著影响。

4.1 火山活动对海洋生物及页岩的影响

4.1.1 斑脱岩发育段的海洋生物生产力特征

不同类型的岩石组合具有不同的化石记录。TST1（密集段）呈现厚层斑脱岩-硅质页岩-厚层斑脱岩“三明治”结构，除了在王家湾剖面顶部沉凝灰岩内发现残存的壳状生物碎片外，其余钻井岩心斑脱岩内暂未发现生物遗迹，但其对应的硅质页岩层段却富集疑源类生物（德菲藻与角球藻）（见图7a、7b）与放射虫（见图7c、7d）。申宝剑等[13]曾经总结出涪陵地区的主要成烃生物为疑源类、藻类体和动物碎屑，其中，疑源类生物均属浮游藻，其发育数量丰度的峰值部位正好对应于TST1密集段顶部（见图6）。TST2稀疏段呈现大套硅质页岩夹薄层斑脱岩组合，同样，斑脱岩内无生物发现，对应的硅质页岩段可见粗大的海绵骨针（见图7e），疑源类生物在稀疏段下部也有发现（见图6）。密集段与稀疏段页岩内笔石生物个体完整，杂乱排列，无定向性（见图7f）。

图6 火山活动与海洋生物生产力关系（总疑源类丰度据申宝剑等[13]；四射珊瑚演化阶段据戎嘉余和詹仁斌[14]修改）

图7 斑脱岩发育段生物特征

海洋生物生产力的高低可用铜（Cu）和锌（Zn）元素的富集程度评估[15-16]，但是大多数沉积物都会有陆源物质的注入，因此对陆源成分的扣除显得十分重要。为了更加有效地分析海洋生物生产力在本研究区目的层段的垂向变化特征，笔者采用非陆源输入的Cu和Zn为指标，采用如下公式进行计算[17]：

通过计算和统计表明，在TST1斑脱岩密集段内，海洋生物生产力总体略高，Cu与Zn元素质量分数分别为0.003 8%～0.019 1%和0.006 0%～0.015 4%，平均值分别为0.010 0%和0.009 7%（见图6）。向上过渡至 TST2斑脱岩稀疏段，生产力总体较 TST1低，Cu与 Zn元素质量分数分别为 0.000 7%～0.004 1%和0.004 3%～0.009 3%，平均值分别为0.002 6%和0.006 6%（见图6）。无斑脱岩层段生产力普遍较低，Cu与Zn元素质量分数分别为0.000 2%～0.006 4%和0.000 4%～0.008 5%，平均值分别为0.001 6%和0.003 4%（见图6）。综上所述，火山作用越强，Cu与Zn元素质量分数越高，海洋生物生产力越强。

研究区五峰组—龙一段页岩TOC与海洋生物生产力均呈正相关性：在TST1斑脱岩密集段相关性最强，TOC与CCu和CZn的复相关系数分别为0.54和0.76；在TST2斑脱岩稀疏段次之，TOC与CCu和CZn的复相关系数分别为0.50和0.55；无斑脱岩层段相关性较低，TOC与CCu和CZn的复相关系数分别为0.47和0.32（见图8）。

图8 JY1井TOC与海洋生物生产力关系

4.1.2 火山活动与生产力关系

构造运动使扬子地台与周缘地块的碰撞和拼合作用在TST1初期强烈，扬子地块与华夏地块碰撞形成两幕火山活动，其中TST1密集段代表了强烈且频繁的火山活动。Olgun等[18]研究了Etna火山对海洋表层营养物质的贡献，认为火山灰是表层海水重要的营养物质来源。火山灰入水后，表面盐膜溶解可迅速释放铁盐等营养物质，形成富营养海盆，有利于藻类生物勃发[19]。火山灰沉积厚度与释放的营养物质浓度成正比，如果火山灰的厚度为1 cm，则所释放营养物质的浓度则会相应增加约10倍[20]。TST1密集段火山灰单层厚度大（见图4b），火山喷发带来大量的营养物质浮于上扬子海，促使海洋表层初级生产者（浮游藻）大范围勃发；作为消费者，捕食各种浮游生物的放射虫也开始繁盛；生物群落的繁茂促使海洋生物生产力的急速提高，致使短时间内产生大量有机质聚集。另外，硅质骨骼生物个体及其共生的藻类可形成较大的富硅、富有机质团粒，既增大了其在海水中沉积的速率，也减少了有机质在水中被氧化的速率。对于上扬子地区五峰组—龙马溪组而言，火山活动强度的差异是造成海洋生物生产力不同的最重要原因之一；火山活动密集段生产力最高，稀疏段次之，无火山活动段最低。高海洋生物生产力是上扬子地区 TST1内有机质与有机硅最为富集的原因之一，TST2富有机质硅质页岩的形成也得益于温和低频次的火山活动。

4.2 火山活动对有机质保存的影响

4.2.1 斑脱岩发育段氧化还原特征

富有机质页岩原生沉积构造的良好保存通常是缺氧或贫氧环境的结果。页岩中一些氧化还原敏感元素的富集程度或比值常被用来判断沉积环境，如Th/U、V/Cr、V/（V+Ni）可作为识别水体氧化还原条件的有效指标[21-23]，Th/U在缺氧的环境中为0～2，在氧化环境中可达到8[21]；V/Cr与V/（V+Ni）在缺氧条件下分别大于4.25和0.60，在贫氧环境下分别为2.00～4.25和0.45～0.60，而在富氧环境下分别小于2.00和0.45[22]。

TST1斑脱岩密集段反映了强烈且高频次的火山活动：JY1井与JY11-4井页岩中Th/U平均值低，分别为0.78和0.77；V/Cr平均值高，分别为7.23和6.68，其中峰值在 TST1上部分别飙升至 9.74和 8.77；V/（V+Ni）值也普遍偏高，平均为 0.77和 0.82。Th/U低值、V/Cr与V/（V+Ni）高值均指示TST1整体沉积环境为缺氧—极度缺氧环境（见图9）。向上至TST2稀疏段，此时火山活动减弱：JY1井与JY11-4井页岩中 Th/U平均值有所回升，分别为1.63和 1.25；V/Cr平均值则分别下降至3.70和3.46；V/（V+Ni）平均值也略有降低，分别为0.71和0.60。Th/U值的普遍回升以及 V/Cr与 V/（V+Ni）值的普遍降低均指示 TST2沉积环境整体又逐渐过渡为缺氧—贫氧（见图9）。

图9 火山活动与氧化还原条件（底图据严德天等[23]）

4.2.2 火山活动与有机质赋存

并非所有的海洋生物都能适应上述如此频繁突变的环境，海洋表层藻类繁盛的同时，也会过度消耗水体的氧气导致大量珊瑚死亡[24]。剧烈的火山活动会释放大量二氧化碳，1/3的大气二氧化碳被海洋吸收成为碳酸，危及海洋生物钙质壳的分泌（如四射珊瑚等底栖动物），生态系统的平衡被破坏[25-26]。大量的火山灰在短时间内沉降到水体，除了为海洋提供营养物质外，还会释放大量的有毒元素（如Pb、Hg等），它们对某些生物产生毒害作用[27]。一些短时间内不可溶的物质还会导致海水的浑浊[28]，破坏原本清澈安静的海洋环境，这些作用对海洋上层某些浮游动物（如笔石）的生长会产生抑制作用。剧烈的火山作用虽然不利于笔石、珊瑚等海洋生物的生存，但却为有机质的保存创造了绝佳的条件。TST1内火山活动强烈且间歇期时间短，频繁的火山事件无法让海洋生态环境维持在正常状态，某些浮游类与底栖类生物无法适应而导致瞬时集体死亡。极度缺氧（硫化）的环境降低了有机质氧化分解速率，大量死亡有机体的残骸沉降到海底保存下来。因此，TST1密集段富有机质页岩形成的另一个原因是极度缺氧条件下有机质的高埋藏量和高保存率。对比TST2稀疏段，温和的火山活动不会导致生物大范围集体死亡，但缺氧的环境（还与赫南特末期海侵事件有关）却是有机质良好的保存要素。

另外，Gong等[29]和Jones等[30]利用Hg同位素阐明了奥陶纪末期的生物大灭绝事件与奥陶纪、志留纪交界附近强烈的火山活动密切相关。结合前人的研究成果，笔者推测奥陶纪末强烈的火山活动（TST1密集段）喷发出的大量火山灰能够遮蔽阳光，加速了气候变冷的速度，是导致赫南特期生物大规模绝灭的主要诱因之一。

通过上述分析可见，火山作用与富有机质页岩形成之间具有一定的关联性，斑脱岩分段性特征指示火山活动强度与频次的差异性造成了各体系域内有机质与有机硅富集程度的不同。剧烈的火山活动对页岩有机质富集具有双重促进作用：一方面，频繁的火山活动释放出大量火山灰，促使海洋表层生产者在火山喷发后迅速繁盛，与藻类共生的硅质生物也获得了充足的食物来源，海洋生物生产力得以提升；另一方面，剧烈的火山活动形成极度缺氧的环境，海水性质恶化，某些生物不能适应而大面积死亡，遗体在氧化分解之前快速堆积埋藏，有机质得以保存。

5 结论

上扬子地区五峰组—龙一段可划分为两个三级层序和5个体系域：五峰组沉积期三级层序（Sq1）自下向上包括海侵体系域（TST1）与高位体系域（HST）；龙一段沉积期三级层序（Sq2）自下向上包括海侵体系域（TST2）、早期高位体系域（EHST）与晚期高位体系域（LHST）。其中TST1与TST2以富有机质硅质页岩夹斑脱岩层为特点，页岩品质均优于EHST与LHST，其含斑脱岩相组合指示该时期曾发生火山活动。

不同体系域火山活动强度不同，利用斑脱岩发育频次与斑脱岩累计厚度比两项指标，将TST1划分为斑脱岩密集段（频次大于 1.5层/Ma且累计厚度比大于1%），指示剧烈且高频次的火山活动；将TST2划分为斑脱岩稀疏段（频次小于1.5层/Ma且累计厚度比小于1%），指示温和且低频次的火山活动。

火山活动强度差异性对页岩有机质聚集具有影响，斑脱岩密集段（TST1）中有机碳含量略高于斑脱岩稀疏段（TST2）。

剧烈且高频次的火山活动对页岩有机质的富集具有双重促进作用：一方面火山灰提供营养物质提升海洋生物生产力，为有机硅及有机质的富集提供物质基础；另一方面火山作用产生极度缺氧的环境提高了有机质的埋藏量和保存率。

符号注释：

aCu——澳大利亚的后太古宇页岩中Cu元素平均含量与Ti元素含量的比值，无因次；aZn——澳大利亚的后太古宇页岩中 Zn元素平均含量与 Ti元素含量的比值，无因次；CCut——页岩中Cu元素总含量，%；CZnt——页岩中Zn元素总含量，%；CTi——页岩中Ti元素含量，%；CCu,CZn——分别为页岩中非陆源输入元素 Cu、Zn的含量，%；GR——自然伽马，API；R——相关系数，无因次。