康滇古陆两侧五峰组—龙马溪组沉积演化差异

关键词 康滇古陆；五峰组—龙马溪组；地球化学；沉积环境；构造背景

第一作者简介 张茜，女，1983年出生，博士，高级工程师，沉积学储层矿物岩石学、油气地质学，E-mail： 76517507@qq.com

通信作者 张海全，男，高级工程师，油气地质学，E-mail： zhq433@126.com

中图分类号 P595 文献标志码 A

0引言

奥陶系—志留系的五峰组—龙马溪组是我国南方海相页岩气勘探的优选层位，其烃源岩分布几乎遍及扬子区，且四川盆地已经取得该层位的页岩气突破，多口井获得工业气流[1⁃3]。为进一步扩大页岩气勘探开发范围，四川盆地周缘的构造复杂区已成为目前工作的重点[4⁃5]。

前期勘探发现，位于康滇古陆两侧的川西南构造复杂区页岩气地质条件较好，广泛分布五峰组—龙马溪组黑色有机质泥岩，西侧的盐源盆地已获得较好的油气显示，东侧的昭通地区已获得页岩气突破[6⁃7]，证实研究区虽然构造复杂，但仍具备较大的页岩气勘探潜力。但是受控于构造改造强、研究程度低等因素制约，一些关键的基础地质问题仍未解决。选取康滇古陆东西两侧的五峰组—龙马溪组为研究对象，通过全面的地质调查及系统的岩石矿物学及地球化学分析，对比研究古陆两侧的沉积环境差异，建立其沉积构造演化模式。以期为盆地周缘构造复杂区的油气资源评价提供有价值的参考和指导。

1地质背景

研究区大地构造位置隶属于中上扬子克拉通西缘，康滇古陆两侧，属滇中推覆冲断带及滇东北冲断带上，行政区划包括四川省凉山州和云南省昭通市地区[4，7]。研究区在新元古代以来的构造演化过程发育多条规模宏大且现今仍然强烈活动的重要断裂带，多条断裂纵横切割，形成断块构造区[7]。康滇古陆属扬子地台西南缘二级构造单元，是显生宙以来长期出露的地区，也是研究区最重要的物源提供区[8]。中奥陶世以后，由于地幔物质上涌，康滇地块构造隆升成穹，一直持续到二叠纪[8⁃9]。因此，在五峰组—龙马溪组沉积期，康滇古陆呈持续抬升扩大趋势，整体受热水沉积影响较大。

古陆东侧昭通地区地层出露完整，奥陶系上统五峰组和观音桥段普遍发育。五峰组—龙马溪组时期，水体自康滇古陆和黔中隆起往北东方向加深，总体属于局限海陆棚相沉积环境[10]（图1）。五峰组厚度较小，一般介于5～30 m，龙马溪组厚度较大，可达几百米，富有质页岩厚度巨大，最具代表性的XD2井富有机质页岩（TOCgt;1%）厚度大于100 m。古陆西侧盐源盆地属扬子地台西缘沉积区，西邻广海，东侧因金河—箐河断裂逆冲推覆陆棚相直接与康滇隆起接触而缺失浅水的边缘相沉积，沉积相与古陆展布并不配套，推测地层曾发生旋转或抬升剥蚀（图1）向西至深海盆地在陆棚区受沉积基底的不均一沉降作用，存在多个水下隆起区，总体属于开阔海陆棚相沉积环境[6]。古陆西侧龙马溪组岩性以高硅质泥岩而明显区别于古陆东侧的高钙质泥岩，且厚度明显较东侧薄，总厚不超过100 m，富有机质页岩厚度小于60 m。同时，古陆西侧缺失五峰组沉积，龙马溪组底部与中奥陶宝塔组灰岩呈平行不整合接触（DCZ剖面宝塔组顶部可见紫红色瘤状灰岩，CYD2井宝塔组顶部见溶蚀角砾岩，SH剖面可见风化壳存在）（图2a）。两侧均发育笔石（图2b），黄铁矿呈带状、脉状及点状分布于岩石（图2c）。

为对比研究古陆两侧五峰组—龙马溪组黑色泥岩的沉积环境与构造背景，除详细的野外地质调查外，还选择深水陆棚相富有机质页岩较发育的盐源盆地BZT剖面及昭通地区XD2井进行了系统的地球化学测试。其中BZT剖面龙马溪组总厚约90 m，与下伏宝塔组灰岩及上覆稗子灰质白云岩均为平行不整合接触，黑色泥岩段主要发育在剖面中下段，厚约60 m，上段岩性为浅灰色粉砂质泥岩、灰质泥岩，生烃潜力较差。XD2井五峰组—龙马溪组总厚超300 m，与下伏宝塔组灰岩及上覆石牛栏组灰岩均为整合接触。黑色泥岩段主要集中在五峰组及龙马溪组下段160 m处，中上段岩性主要为浅灰色钙质粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，为浅水相快速沉积产物，生烃潜力较差，未采样。本次采集BZT 剖面66 件泥岩和泥灰岩样品，XD2井44件钙质泥岩样品，进行TOC及X射线衍射矿物成分分析。此外，在BZT剖面和XD2井分别采集25件和26件黑色泥岩样品，开展主微量元素分析。采样位置以及TOC和矿物成分含量分布见图3。

2 样品测试及结果

2.1样品采集及实验测试方法

在无污染条件下，选择新鲜样品磨碎至粒径小于0.2 mm，采用非散射红外线检测法用于TOC测定。将新鲜样品磨制到200目，用于主微量元素及全岩矿物成分X 衍射分析。TOC 测定引用GB/T19145—2003《沉积岩中总有机碳的测定》，使用德国耶拿multiN/C3100 总碳分析仪进行检测，误差小于1%。主量元素分析采用荷兰帕纳科Axios mAx PW4400/40 X射线荧光光谱仪进行检测，相对标准偏差小于1%。微量元素采用电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS）分析，仪器型号为X-seriesⅡ美国ThermoFisher，相对标准偏差小于5%。全岩矿物成分X衍射测试使用ZJ207 Bruker D8 advance型X射线衍射仪，测定标准遵循SY/T5163—2010。部分测定流程参考文献[11]。

2.2矿物成分特征

古陆两侧TOC及矿物成分含量如图3所示，东侧XD2井TOC含量介于0.16%～7.0%，平均值为1.86%，其中富有机质页岩段（TOCgt;1%）主要在五峰组及龙马溪组下段钙质泥岩段，总厚约160 m，上部粉砂质泥岩段TOC含量降低，小于1.0%。薄片鉴定结果显示，五峰组及龙马溪组下段泥岩主要由泥质、碎屑组分和碳酸盐矿物组成，碎屑颗粒主要为石英，少量为长石，呈棱角状零散分布在泥质中。碳酸盐矿物主要是方解石及少量白云石，呈半自形—自形粒状。部分有机质，主要呈黑色团块状混在泥质中。少量黄铁矿，呈黑色粒状零散分布在泥质中，部分聚集在局部呈团块状（图2d）。全岩X衍射分析结果显示，古陆两侧矿物成分均以石英、碳酸盐矿物和黏土矿物为主（图3c，d）。石英含量介于17%～65%，平均值为37%；碳酸盐矿物含量介于6%～62%，平均值为27%，多呈泥晶团块状，部分是以脉体形式分布在岩石中；部分白云石（2%～10%），呈粒状零散分布在泥晶方解石及泥质组分之中。黏土含量较高，介于9%～58%，平均值为35%，混在碳酸盐矿物之间。部分有机质（约4%），见少量细小的云母片。黄铁矿广泛发育，平均含量为2%，脉状、粒状分布，龙马溪组底部样品镜下可见放射虫及草莓状黄铁矿（图2e）。

西侧BZT 剖面龙马溪组黑色泥岩TOC介于0.06%～5.63%，平均值为2.02%，其中中下段硅质岩及硅质泥岩段为富有机质页岩段，厚度约为50 m（图3a），上部泥灰岩段、粉砂岩段TOC含量降低，小于0.5%。薄片结果显示，龙马溪组泥岩主要是由碎屑组分、泥质和碳酸盐矿物组成，石英含量较高，呈粒状不均匀分布，见大量硅质放射虫化石（图2f，g），生物成因硅大量发育[5]，其余硅质呈显微晶—隐晶质硅质不均匀分布，部分呈球粒状或残余生屑状不均匀分布。泥质主要包括黏土矿物和长英质细碎屑，不均匀分布。炭质呈炭屑状或浸染状，无固定形态。全岩X衍射分析结果中，石英含量较高，特别是在龙马溪组中下段，石英含量大多高于80%，少数样品达100%。黏土含量较低，介于2%～22.7%，平均值为9.6%；碳酸盐矿物在泥岩中含量低，主要在灰岩透镜体，灰岩夹层及上半段的泥灰岩中发育，平均值为32%。黄铁矿广泛发育，平均含量为2.9%。笔石发育，镜下可见草莓状黄铁矿。

在矿物成分三角图（图3c，d）中，东侧XD2井五峰组与龙马溪组样品类似，样品点主要投入混合岩相区，西侧BZT剖面龙马溪组岩性主要为硅质岩相。古陆西侧黏土矿物及碳酸盐矿物含量明显低于东侧，但石英+长石含量明显高于东侧。两侧富有机质页岩岩性差异较大，指示其沉积环境明显不同。

2.3主微量元素特征

主量元素成分见表1，相对于大陆上地壳（UCC）[12]，古陆西侧BZT 剖面SiO₂、MnO 含量较富集，说明受上升洋流及热液沉积影响较大[13⁃14]。而古陆东侧XD2井则CaO、MgO明显富集，其他元素均较亏损。微量及稀土元素含量见表2，相对于后太古宙澳大利亚页岩（PAAS）[12]古陆两侧Mo、U较为富集，同时古陆东侧Sc、Zr、Th等亲石元素及稀土元素总量（ΣREE）明显较西侧富集，说明古陆东侧离物源更近[15⁃16]。

一些非迁移性微量元素，如 Zr、Hf、Th、Sc、Y、REE等在沉积盆地演化过程中含量变化很小[16]，能很好地保留成岩物质来源的相关信息，可作为物源属性及源区构造背景判别的理想对象[15，23]。在物源属性判别图解ΣREE-La/Yb中[16]（图5a），BZT剖面样品点大多落在沉积岩—钙质泥岩区与花岗岩区，少部分落在沉积岩—钙质泥岩、花岗岩及玄武岩重叠区域，而XD2井五峰组样品点大多落入沉积岩区，龙马溪组样品点则大多落在花岗岩与沉积岩交汇区域。在La/Sc-Co/Th图解[24]（图5b）中，BZT剖面样品主要分布于长英质火成岩区及靠近花岗岩区，部分有向长英质—中基性岩混合物源区偏移的趋势；而XD2井五峰组和龙马溪组样品呈现相同趋势，大多落在长英质火成岩及花岗岩之间。由此可以看出，古陆西侧物源较为复杂，以酸性长英质火成岩为主，并有少量中基性岩的混入；而古陆东侧物源较为单一，主要为长英质火成岩。

构造背景判别图解Sc/Cr-La/Y[15，25]（图5c），显示BZT剖面样品投点虽较为分散，但多数落入被动大陆边缘及大陆岛弧及其附近区域。在La-Th-Sc[16]（图5d）也呈现相同趋势，所有样品点分散落入活动大陆边缘、被动大陆边缘及大陆岛弧区域。而XD2井五峰组及龙马溪组样品点较为集中，主要落入被动大陆边缘区。

综上，对比古陆东侧，西侧源岩成分及构造背景均较为复杂，有活动大陆边缘及岛弧环境属性，可能与西侧洋壳与扬子陆壳的碰撞相关，也可能与大洋岛弧提供物源相关；而古陆东侧的昭通地区在盆地内部，属于前陆盆地克拉通内部，构造相对稳定，为被动大陆边缘环境。

3.2盆地属性及水体氧化还原性研究

沉积水体的氧化还原性是指水体溶氧量特征及其相关变化引起的各种岩石、生物和地球化学等特征的综合，通常缺氧还原的水体环境更有利于有机质的保存而与烃源岩的形成密切相关[1，26]。研究表明，氧化还原敏感性元素如V、Cr、Th、Co、Ni、Mo、U及稳定而又灵敏的稀土元素（REE）已被广泛应用于水体氧化还原性的研究中[27]。然而这些元素的变化受控于复杂的地质化学过程，应该使用多种指标的综合考量才能得到较为准确的规律。

大量研究证实，中上扬子地区五峰组—龙马溪组富有机质页岩沉积于贫氧缺氧环境[27⁃28]。综合各种参数，优选采用V/Cr、U/Th、Ni/Co这三种相对较稳定且准确的比值参数来对比古陆两侧环境的变化[29]。如图6所示，两侧V/Cr、U/Th、Ni/Co均呈现相似趋势，XD2井五峰组上部及龙马溪组底部水体呈现厌氧环境，往上水体呈氧化环境；而西侧BZT剖面龙马溪组整体处于厌氧—贫氧环境，晚期氧化性增强。XD2井在龙马溪组沉积期水体呈贫氧—弱氧化环境，但依然形成富有机质页岩，推测此时有机质富集以高古生产力或其他为主控因素而非保存条件。而古陆西侧富有机质页岩的形成，则以缺氧环境有利于有机质的保存为主控因素。

在沉积盆地重建时，U、Mo因其独特的地球化学特征及其相关参数Mo/TOC和U-Mo协变图被广泛应用于盆地属性及局限性的研究[19，28]。U和Mo性质相近，在缺氧还原性水体易在沉积物中富集，但是，U的沉积明显早于Mo沉积[18]，U在较浅水体及弱还原环境下就开始沉积[30⁃31]，而Mo则需要更深的水体及强还原性，或存在H2S才开始沉积[18，32]。在与上升洋流有关的沉积盆地，金属元素在缺氧—硫化水体中的富集往往得益于颗粒传输机制（particulate shuttle）的增强[28⁃29，33]。在硫化沉积盆地且发生颗粒传输时，沉积物Mo浓度通常远高于未发生颗粒传输区域。而在非硫化但是缺氧还原的沉积盆地，U的浓度往往大于Mo，且没有颗粒传输[28]。在U-Mo协变模式图中（图7a），古陆西侧BZT剖面样品点大多落入颗粒传输区，且与弱滞留环境的Cariaco盆地相近，表明西侧龙马溪沉积期受上升洋流影响较大，沉积水体弱局限且硫化还原。这与盐源盆地沉积相吻合，BZT剖面区为一沉降中心（图1），水体相对较深，推测为一构造形成的深水洼地。古陆东侧XD2井大部分点样品点投入弱氧化盆地区，Mo_EF大于U_EF，大多数的Mo_EF/U_EF 值点在1×SW 至3×SW 区，在缺氧静水环境下，Mo_EF/U_EF更靠近3×SW线，但仍在此区域，并没有随着U、Mo的富集出现明显富集或降低。这种U-Mo协变模式可解释为：在非滞留海盆中，Mo的浓度较高，Mo/U会持续增高。而在强滞留海盆中，Mo易络合转入沉积物后使Mo/U降低；古陆东侧的昭通地区是个半滞留海盆，Mo在海水中的浓度较低，这就使得Mo/U不会像开放海盆那样持续增高，而且弱连通的海盆又可以使得海水得到一定的Mo、U补给，不会像强滞留海盆那样使Mo/U 值降低[34⁃35]。Algeo etal.[18]也指出这种U-Mo协变模式在半滞留沉积盆地中比较常见。此外，XD2井龙马溪组Mo-U呈现明显的正相关，也说明其水体硫化性较弱[18]，五峰组则正相关较弱，说明其硫化程度较龙马溪组强[18]（图7b）。

研究表明，强滞留局限性质的黑海，Mo/TOC值较低为4.5，半局限性质的挪威Framvaren 峡湾，Mo/TOC值增大至9，局限性较弱的委内瑞拉中北部Cariaco盆地，Mo/TOC值为25，而开放性水体的加拿大Saanich 海湾，Mo/TOC 为45[29，34]。值得注意的是，Mo/TOC这一参数仅在非氧化性水体下适用[29]。BZT剖面龙马溪组下段Mo/TOC值介于10～15，与半局限性较强的Framvaren海峡湾相近，中段Mo/TOC约为5，局限性增强，上部值约为20，局限性较弱，为相对开放环境（图8）。而东侧XD2井的龙马溪组下半段Mo/TOC值介于10～15，为半局限性盆地，而五峰组与龙马溪组不同，Mo/TOC值小于5，为强局限盆地。五峰组沉积期受到冰期事件影响，全球海平面下降，再因构造隆升挤压，水体被隆起分割，形成强滞留环境。而龙马溪组早期，大规模海进，海水漫过障壁，使得海盆与大洋的连通性加强，成为半滞留海盆。到中晚期，相对海平面下降，与大洋连通性更好，水体呈氧化状态。

通常，寒冷、干燥环境下的初级风化作用CIA值介于50～65，温暖、湿润环境下的中等风化作用CIA值介于65～85，炎热、潮湿环境下的强烈风化作用CIA 值介于85～100[38]。BZT 剖面CIA 值介于50.07～70.09，平均值为63.97，说明龙马溪组沉积期整体受化学风化程度较低，反映气候可能较为寒冷、干燥（表1、图9b）。XD2井CIA值介于46.63～76.18，平均值为66.33，说明龙马溪组沉积期整体受中度化学风化作用，反映气候为温暖、湿润的环境。晚奥陶期短暂的冰期寒冷气候向早志留期温暖气候的转化在古陆东侧已渐显端倪，相较于古陆东侧，古陆西侧受广海影响，气候仍较为干冷。较低的CIA值表明古陆西侧在龙马溪期构造活动性较强，风化作用以物理风化作用为主，化学风化作用较弱，而古陆东侧化学风化作用较西侧强。同时，A-CN-K图显示两侧样品点的分布均较为分散（图9b），说明物源在沉积过程中处于不稳定的气候和构造条件[6，37]。此外，化学风化趋势线均落在花岗岩与长英质火成岩之间，显示物源主要为长英质火成岩与花岗岩，这与前面得到的结论一致。

3.4古陆两侧沉积构造演化模式

晚奥陶世一早志留世之交，受冈瓦纳大陆冰川事件波及全球，中上扬子地区存在短暂的赫南特冰期[39⁃41]，气温骤降，生物大量灭绝，沉积了观音桥段介壳灰岩[27，40⁃41]，古陆东侧昭通地区存在该沉积响应，而古陆西侧盐源盆地则受构造隆升或碰撞影响，中奥陶宝塔组晚期就已抬升成陆缺失五峰组沉积。继而早志留世，四川盆地内气候回暖，冰雪消融，海平面上涨，使得底层水体滞留还原沉积了深水陆棚相龙马溪组富有机质页岩[42]。古陆西侧却依然继承了奥陶纪晚期全球寒冷干旱的古气候，气候回暖较慢，受区域构造挤压抬升沉降及上升洋流的影响，沉积了龙马溪组高硅质富有机质页岩[6]。两侧沉积构造演化模式如下（图10）。

晚奥陶五峰组期：该期构造活动加剧，使得东侧昭通地区围陷于持续扩大的康滇古陆、川中隆起及黔中隆起之间成为强滞留的、半局限浅海沉积环境。而古陆西侧则抬升成陆，未见沉积。强烈的构造活动带来大量的陆源碎屑物质注入古陆东侧海盆，为海盆提供了大量营养物质，初级古生产力旺盛。同时厌氧水体利于有机质的保存，TOC较高。

五峰组期观音桥段：受全球冰期事件影响，古陆东侧昭通地区相对海平面下降，重新形成循环通畅的浅水碳酸盐岩沉积环境。冰期特征生物赫南特贝及其他种类底栖生物大量繁盛。由于气候急剧变冷及海体营养盐缺乏导致浮游生物相对较少，初级古生产力较低，表现出较低的TOC值。而古陆西侧仍为隆起区，没有沉积。

龙马溪组早期：冰期结束，气候回暖，发生大规模海侵，古陆东侧围陷作用仍在持续，水体加深分层，形成厌氧—硫化的底层海水环境，底栖生物由于不能适应硫化环境和气候的突变而发生大面积灭绝，还原性海水环境有利于有机质的保存。加之海底热液带来大量的营养物质，藻类繁盛，造成龙马溪组初期海洋初级高古生产力，因此TOC呈现峰值。而古陆西侧则由于强烈的构造运动，使得区域构造突然沉降，形成厌氧—硫化的深水环境，加之广海频繁的上升洋流作用，火山沉积及热水沉积的影响，形成黑色硅质页岩沉积。喜硅生物（如放射虫、海绵古针等）大量繁殖，形成较高的初级古生产力。由于生物复苏过程较为缓慢，且龙马溪组初期水体较深底层水体硫化不适宜生物生存，所以龙马溪早期初级古生产力相对较低，而龙马溪中期生产力更高。

龙马溪组中期：为古生产力旺盛期。随着古陆的进一步扩大，东侧昭通地区形成贫氧—氧化环境，陆源碎屑的输入提供了浮游生物所需的大量营养物质，导致海洋初级生产力更高，虽然贫氧—弱氧化的水体环境并不利于有机质保存，但是有利于喜钙生物水体的大量繁殖，造成极高古生产力而形成富有机质页岩；古陆西侧的盐源盆地构造快速抬升挤压，造成区域持续的水体加深及生产力的提高，使得TOC值较高。

龙马溪组晚期：古陆东侧构造相对稳定，由于退海水体缓慢变浅，陆源碎屑持续增多稀释有机质，呈现较低的TOC值。古陆西侧构造快速隆升，由于海退水体变浅，形成开放盆地环境，贫氧厌氧的环境遭破坏，浮游生物的减少，初级古生产力降低，陆源碎屑大量涌入使得TOC值较低。

4 结论

（1） 古陆两侧均发育富有机质黑色泥岩，但沉积环境明显不同。东侧昭通地区属于局限海陆棚相沉积环境，富有机质泥页岩以硅质钙质岩系为主。西侧盐源盆地属于开阔海陆棚相沉积环境，富有机质页岩主要为硅质岩系。

（2） 古陆西侧盐源盆地中奥陶宝塔组晚期构造抬升成陆，未见五峰组沉积，两侧在龙马溪期均有较高比例的陆源物质持续输入，而东侧XD2井则离物源更近，且源岩成分较为单一，以长英质火成岩为主。西侧物源则较为复杂，以长英质物源及花岗岩为主，并有少量中基性岩的混入，反映古陆西侧构造背景更复杂，有活动大陆边缘及岛弧环境属性，可能与西侧洋壳与扬子陆壳的碰撞相关。而古陆东侧属前陆盆地克拉通内部，构造相对稳定，为被动大陆边缘环境。

（3） 古陆西侧龙马溪组沉积期整体受化学风化程度较低，反映气候可能较为寒冷、干燥，东侧则受中度化学风化作用，气候为温暖、湿润的环境。整体而言，古陆东侧化学风化作用强于古陆西侧，气候也较西侧温暖。

（4） 古陆西侧BZT剖面沉积期构造运动更为剧烈，龙马溪期经历快速隆升和沉降，沉积水体更深，为还原—硫化性水体，同时受更多上升洋流及热水沉积的影响，喜硅水体生物大量发育，富有机质页岩的形成得益于良好的保存环境。而古陆东侧XD2井区域构造相对平稳，以总体抬升为主，沉积水体较浅，以贫氧—弱氧化环境为主，喜钙水体生物大量发育，富有机质页岩的形成则得益于温暖气候下生物的繁盛，带来较高的古生产力。

致谢 感谢审稿专家和编辑部老师提出的宝贵意见。