湖北神农架地区南华系大塘坡组元素地球化学特征

2019-05-23郑海峰宋换新杨振瑞旷红伟柳永清

地球科学与环境学报 2019年3期

郑海峰，宋换新，杨振瑞，唐永，旷红伟，柳永清

(1.长江大学资源与环境学院，湖北武汉 430100； 2.长江大学非常规油气湖北省协同创新中心，湖北武汉 430100； 3.中国地质科学院地质研究所，北京 100037)

0 引言

新元古代成冰纪是“雪球地球”事件时期，该时期整个地球发生过几次全球性的冰川作用[1]，甚至中、低纬度和赤道地区都曾被冰雪所覆盖。成冰纪全球可对比的最大规模冰期有Sturtian冰期(680～715 Ma)和Marinoan冰期(635～660 Ma)[2-4]。中国扬子地块南华系(成冰系)也广泛发育这两个冰期及其沉积地层组合，即古城组/长安组(Sturtian冰期)和南沱组(Marinoan冰期)[5-6]。两个冰期沉积之间的间冰期沉积即为大塘坡组/湘锰组(大塘坡组在湖南石门地区杨家坪剖面称为湘锰组)。大塘坡组也是中国主要的含锰矿岩系，大型锰矿主要分布在黔湘渝及湖北长阳地区。不同学者对该含锰矿岩系的沉积及地球化学特征[7-8]、锰矿成因及控矿因素[9-10]和油气资源潜力[11-12]等进行了研究；最近几年，不同专家运用多尺度的三维地质建模[13]对构造环境[14]、矿床地质特征、矿床潜力[15]等进行了预测和分析。

湖北神农架地区南华系地层发育完整，剖面出露良好，但是长期以来对其研究一直比较薄弱。近年来，官开萍等对神农架地区南华系地层进行了系统分析，认为该区南华系地层较鄂西峡东地区更完整，可作为区域地层对比的参照标准[16]。Ye等在神农架宋洛地区南沱组(旷红伟等修正为大塘坡组[17-18])首次发现光合作用的宏体藻类[19]。旷红伟等研究了神农架地区南华系沉积地层序列，也指出它们与扬子地块其他地区可以对比[17-18]。但目前对于神农架地区南华系大塘坡组系统地层及古环境研究还没有报道。本文在湖北神农架地区南华系大塘坡组野外调查的基础上,利用剖面样品元素分析资料对大塘坡组的古环境进行研究，并探讨了古环境与优质烃源岩发育之间的关系。

1 区域地质特征

湖北神农架地区地处扬子地块北缘，西北部接南秦岭造山带。在长期的地质发展演化过程中，该地区经历了多期次、多阶段的变形变质作用和岩浆活动的改造，地质构造较复杂[20]。南华纪在华南地块整体伸展的构造活动背景下，扬子地块形成了广泛的拉张环境。扬子地块东南缘、北缘和西缘发育主裂谷系[21]，在扬子地块内部发育支裂谷(图1)，共同控制了各级裂谷盆地的形成与发育。扬子地块内部在康滇、上扬子、江南、鄂中等古隆起区之间发育康滇裂谷、鄂西海槽等支裂谷及其分支，相应的裂谷盆地和次级断陷盆地发育。自扬子地块北缘的鄂西地区，到东南缘湘黔渝毗邻地区，南华系沉积主要受到鄂西海槽及其分支大断裂的控制，自扬子地块北缘至东南缘，发育陆架→斜坡→盆地环境，水体逐渐加深[17]。神农架地区大塘坡组属于海平面上升的产物，主体属于大陆边缘的构造环境，初步研究认为神农架地区大塘坡组沉积相为陆架潮坪相[17]。神农架地区新元古界地层发育完整，自下而上分别为莲沱组、古城组、大塘坡组、南沱组、陡山沱组。

底图引自文献[21]图1 南华裂谷盆地早期大地构造格架Fig.1 Tectonic Framework of Nanhua Rift Basin at Early Stage

大塘坡组在神农架地区西南部的高桥河、大九湖剖面及其中部的宋洛剖面均出露完整，特征也比较典型,连续剖面顶、底界面清楚[图2(a)～(d)]，并且在区域上可以广泛对比[17-18，22-23]。但是整体而言，神农架地区大塘坡组地层厚度较薄，一般不超过15 m。高桥河剖面大塘坡组地层厚8.46 m，岩性主要为灰黑色碳质泥页岩、粉砂质泥岩和粉砂岩，底部见薄层(约16 cm)含锰白云岩[19]；大九湖剖面大塘坡组地层厚9.00 m，岩性为灰黑色碳质粉砂质泥页岩夹少量薄层泥质粉砂岩；宋洛剖面大塘坡组地层厚11.5 m，岩性主要为碳质粉砂质泥页岩夹薄层粉砂岩[图2(e)]，其中上部粉砂岩薄层含量相对较高，下部藻类化石十分发育[图2(f)～(i)]，主要为底栖叶片状、管状、盘状宏体藻类化石[19]。

2 样品采集与分析方法

在神农架地区大九湖剖面和宋洛剖面分别采集暗色粉砂质泥页岩样品6件。大九湖剖面大塘坡组岩性没有出现大的突变，样品编号在剖面上由底至顶分别为D-S0～D-S5;宋洛剖面同样岩性变化不大，样品编号在剖面上由底至顶分别为S-S0～S-S5。样品在剖面上基本均匀分布，且样品新鲜，岩性均一。

样品总有机碳(TOC)、岩石热解和全岩元素地球化学分析在长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室完成。主量元素分析采用ICP-AES方法，相对标准偏差(RSD)低于8%。其测试流程为：准确称取30 mg粉末样品置于10 mL石墨埚中，加入130 mg(比例约为1∶4)无水偏硼酸锂，混匀；将坩埚置于1 000 ℃高温炉中熔融15 min，取出坩埚将熔融物倒入5%王水中超声提取至完全溶解，将溶液移入25 mL比色管中，准确加入25 μL浓度为1 mg·mL-1镉标准溶液，用5%王水稀释至刻度，摇匀备用。微量、稀土元素分析采用ICP-MS方法，相对标准偏差低于10%。其测试流程为：取定量的粉末于溶样器中，加入氢氟酸、硝酸；在190 ℃中保温48 h，取出烘干，加入盐酸至完全溶解，取出溶液待测[7]。主量、微量元素分析结果见表1、2。

图(g)～(i)引自文献[19]图2 神农架地区南华系大塘坡组地层、岩性及古生物特征Fig.2 Stratum, Lithology and Paleontology Characteristics of Datangpo Formation of Nanhua System in Shennongjia Area

3 结果分析与讨论

3.1 古盐度判别

元素地球化学方法在古环境研究中得到了广泛应用。其中，CaO/(CaO+Fe)、Sr/Ba、Rb/K、K/Na值是常用的古盐度定性判别指标[24-27]。研究表明，CaO/(CaO+Fe)值小于0.2表示沉积水体为低盐度，CaO/(CaO+Fe)值大于0.5表示为高盐度[24]，两者之间为中盐度。研究区两条剖面垂向上样品CaO/(CaO+Fe)值变化不大，表明大塘坡组沉积期的水体盐度相对稳定(图3)。其中，大九湖剖面6个样品CaO/(CaO+Fe)平均值为0.25，其中4个样品大于0.2；宋洛剖面6个样品CaO/(CaO+Fe)平均值为0.14，其中5个样品小于0.2[图4(a)]。上述特征表明神农架地区大塘坡组沉积水体总体为中—低盐度，相对而言大九湖剖面沉积水体盐度更高。

Sr和Ba含量随着水体盐度增大，Ba会首先以BaSO4形式沉淀，当盐度达到一定程度，Sr会以SrSO4形式加速沉淀，因此，Sr/Ba值能够用来预测沉积水体盐度，但是在咸化的陆相环境中和沉积岩中碳酸盐岩含量对这一指标有一定的影响[29-30]。通常Sr/Ba值小于0.5表明沉积水体为淡—微咸水，Sr/Ba值大于1表明为咸水，介于两者之间为半咸水[25]。神农架地区两条剖面所有样品Sr/Ba值都小于0.5，其中宋洛剖面大塘坡组6个样品Sr/Ba平均值为0.02，大九湖剖面大塘坡组6个样品Sr/Ba平均值为0.01，表明两条剖面大塘坡组都为淡—微咸水沉积环境[图4(b)]。

注：w(·)为元素或化合物含量(质量分数，下同)；D-S平均值表示大九湖剖面样品D-S0～D-S5所对应的各参数平均值；S-S平均值表示宋洛剖面样品S-S0～S-S5所对应的各参数平均值。

表2 微量元素分析结果Tab.2 Analysis Results of Trace Elements

注：Ceanom为Ce异常指数；Ceanom值引自文献[28]。

图3 总有机碳、CaO/(CaO+Fe)、V/(V+Ni)、Ni/Co、CIA和ICV值垂向变化Fig.3 Variable Changes of TOC, CaO/(CaO+Fe), V/(V+Ni), Ni/Co, CIA and ICV

图4 CaO/(CaO+Fe)值与Sr/Ba值分布Fig.4 Distribution Diagrams of CaO/(CaO+Fe) and Sr/Ba

研究表明，Rb/K值大于0.06表明沉积地层为海相沉积，Rb/K值小于0.004为淡水陆相沉积[26]。大九湖剖面样品Rb/K值为26.94～28.28，平均值为27.70；宋洛剖面样品Rb/K值为28.90～31.58，平均值为30.04。两者Rb/K值均远大于0.06，表明神农架地区大塘坡组为海相沉积。另外，水体盐度越高，K和Na就越容易被黏土矿物吸附，且K相对于Na的吸附量也越大[31]，因此，K/Na值越大说明水体盐度越高[25]。大九湖剖面样品K/Na值为6.31～66.76，平均值为30.31；宋洛剖面样品K/Na值为4.27～7.76，平均值为6.35。大九湖剖面样品K/Na平均值远大于宋洛剖面样品，同样表明大九湖剖面大塘坡组沉积水体盐度可能更高。

综上所述，神农架地区大塘坡组沉积期，沉积水体盐度总体为中—低盐度，但大九湖剖面沉积水体盐度更高，表明其可能沉积于相对局限的滨—浅海环境。

3.2 古水体氧化-还原性判别

利用地层样品元素地球化学分析资料还可以判断古沉积水体的氧化-还原性。研究表明，V、Cr、Ni、Co等元素在氧化环境下易溶解，在还原环境下则容易富集于沉积地层之中，相关元素含量比值可以作为沉积水体氧化-还原性判别依据[32-35]。

V/(V+Ni)值可用于判断沉积物沉积时底层水体氧化-还原性[36-37]。一般来说，V/(V+Ni)值大于0.77，表示还原性水体环境；V/(V+Ni)值小于0.60，表示氧化性水体环境；介于两者之间表示弱氧化—弱还原的水体环境[36]。神农架地区两条剖面所有样品V/(V+Ni)值为0.50～0.92，平均值为0.69，且在两条剖面垂向上变化不大(图3)，表明两条剖面大塘坡组沉积期都为弱氧化—弱还原的水体环境。

在沉积物中没有镁铁质碎屑时，Ni/Co值可以区分沉积水体的氧化-还原性[38-39]。通常Ni/Co值小于5为氧化性水体环境，Ni/Co值大于7为还原性水体环境，Ni/Co值介于两者之间为弱氧化—弱还原的水体环境。神农架地区大塘坡组地层样品中没有发现含有明显的含铁镁质矿物。神农架地区大塘坡组12个样品Ni/Co值为1.18～26.67，平均值为9.37。该比值区间分布范围较广，根据所有样品的Ni/Co平均值判断，大塘坡组沉积时主体属于还原性水体环境。研究区两条剖面沉积水体还原性表现出了明显的差异(图3)，宋洛剖面沉积水体还原性更强，且其沉积水体还原性还表现出由弱到强再到弱的变化趋势。

沉积体系中的Ce异常指数(Ceanom)也可用来反映水体的氧化-还原性[40]。通常Ceanom值小于-0.1表示Ce亏损，反映沉积水体为氧化环境；Ceanom值大于-0.1表示Ce富集，反映沉积水体为还原环境[36]。研究区两条剖面所有样品的Ceanom值在-0.1左右波动(表2)，表明神农架地区大塘坡组沉积水体氧化-还原性有一定的波动，但整体为弱氧化—弱还原的水体环境。

通过对V/(V+Ni)、Ni/Co、Ceanom值的分析(图3)表明，神农架地区大塘坡组沉积期古水体整体属于弱氧化—弱还原的水体环境，部分区域沉积水体的氧化-还原性有一定的波动。

3.3 古气候判别

化学蚀变指数(CIA)可用来确定沉积岩物源区风化程度，根据风化程度变化能够判断沉积物源区的气候环境[41-43]。通常情况下，CIA值为60～80表示温暖湿润气候下的中等风化；CIA值为80～100反映炎热潮湿气候下的强烈风化作用；CIA值小于60表示寒冷干燥气候下未风化。研究区两条剖面大塘坡组样品CIA值(60～70)(表1)明显大于下伏古城组和上覆南沱组冰碛岩CIA值(50～60)[16]，这表明大塘坡组沉积于间冰期的温暖湿润气候环境。ICV值可以用来确定沉积物成分的成熟度，ICV值越高，沉积物成分成熟度越低。泥质岩成熟度与构造活动相关，构造活动区泥质岩成分成熟度低，稳定区和风化作用强的泥质岩沉积区成熟度高[38]。研究区大塘坡组样品ICV值为0.82～1.90，大多数在1左右，且相对较低，说明研究区处于构造相对稳定区域。神农架地区样品CIA、ICV值分布都较集中，波动不大，表明神农架地区大塘坡组沉积期属于温暖湿润气候环境下物源区构造稳定的沉积(图3)。

微量元素Sr含量和Sr/Cu值常用于古气候判别。地层样品Sr含量低表明为温暖湿润气候，而Sr含量高表明为干旱气候。Sr/Cu值小于5.0表明为温暖湿润气候，Sr/Cu值大于5.0则表明为干旱气候[43]。神农架地区两条剖面大塘坡组样品Sr含量平均值分别为16.08×10-6和35.37×10-6，Sr/Cu平均值分别为0.59和1.05，较低的Sr含量、Sr/Cu值与贵州松桃剖面大塘坡组具有可比性(表3)，表明神农架地区大塘坡组沉积期为温暖湿润气候环境。

Sr/Ba、Rb/Sr值越低表示为温暖湿润气候，Rb/Sr值越高表示为干燥寒冷的气候，而Sr/Ba值越高则表示为干燥炎热的环境[44]。大九湖剖面和宋洛剖面大塘坡组样品Sr/Ba平均值分别为0.01和0.02，松桃剖面大塘坡组样品Sr/Ba平均值为0.07(表3)，并且3条剖面样品Rb/Sr平均值较低，分布范围变化较小，同样表明神农架地区大塘坡组沉积期为温暖湿润的气候。

Mg/Ca值高表示为干旱气候，Mg/Ca值低表示为温暖湿润气候[45]。大九湖剖面和宋洛剖面大塘坡组Mg/Ca平均值分别为2.58和4.22，对比贵州松桃剖面大塘坡组样品数据(Mg/Ca平均值为8.01，表3)，表明神农架地区大塘坡组沉积期为温暖湿润气候。

4 古气候、古环境与油气形成的关系

随着中、上扬子地块油气勘探领域不断向深层拓展，南华系大塘坡组高有机质丰度的暗色泥页岩受到了研究者的重视[46-47]。谢增业等研究认为，四川盆地东南缘南华系大塘坡组烃源岩可为该盆地早期古隆起、古斜坡等提供充足的油气供给，可能成为盆地深层、超深层天然气勘探的气源[12]。

神农架地区大塘坡组有机地球化学研究表明，大九湖剖面样品总有机碳为0.61%～1.87%，平均值为1.12%，宋洛剖面样品总有机碳为0.34%～5.05%，平均值为3.19%，这两条剖面有机质丰度很高，分别属于有效和优质烃源岩。由此可见，神农架地区大塘坡组烃源岩同样也能够为油气藏形成提供充足的烃源。宋洛剖面样品总有机碳平均值明显大于大九湖剖面，并且宋洛剖面沉积水体的还原性明显高于大九湖剖面(图3)。

表3 不同剖面大塘坡组泥页岩微量元素判别指标分布Tab.3 Distribution of Discrimination Indexes of Trace Element for Mud Shale of Datangpo Formation in Different Sections

注：松桃剖面数据引自文献[46]。

Ba含量通常用来评估有机质的古生产力水平[30]。神农架地区大九湖剖面和宋洛剖面大塘坡组样品Ba含量平均值分别为1 447.37×10-6和2 219.65×10-6(表2)，两条剖面的大塘坡组样品Ba含量都非常高。Cu主要靠有机质输送到沉积物中沉积，因此，常被作为有机质通量的理想元素[30]。大九湖剖面、宋洛剖面大塘坡组样品Cu含量平均值分别为44.03×10-6和64.24×10-6，同样较高。元素地球化学分析表明神农架地区大塘坡组有机质的古生产力非常强，大量有机质可以进入沉积地层，为优质烃源岩的发育提供丰富的有机质来源。

前寒武纪地层中的沉积有机质来源于菌藻类，能进行光合作用的原核生物蓝藻(蓝细菌)最早在2.5～2.7 Ga就已经出现[48-49]，而多细胞藻类(例如红藻、褐藻等)也在1.0～1.2 Ga或更早就已经出现[50-52]。神农架地区南华系大塘坡组发现了大量的底栖叶片状、管状、盘状宏体藻类化石，表明大量光合作用的底栖宏体藻类也可能是研究区沉积有机质的重要来源。大塘坡组属于间冰期沉积，温暖湿润的气候条件促使藻类快速繁殖，同时，冰川在消退期间，大陆架可以接收河流带来的大量营养物质，没有冰层覆盖，水体相对较浅，阳光充足的环境为藻类快速生长提供了良好的外在条件。并且，研究区大塘坡组沉积水体主要为中—低盐度的正常海水，同样有利于藻类的大量繁殖，充分的有机质供给保证了部分未被氧化的有机物能够沉积在大塘坡组泥页岩中。

由此可见，大塘坡组温暖湿润气候是导致这一时期藻类大量繁殖的前提条件；适宜的盐度、充足的阳光、丰富的矿物为藻类的繁殖提供了便利；通过Cu与Ba含量分析，发现极高的古生产力使得大量的有机质能够埋藏于地层中，偏还原的水体环境是有机质能够保存在烃源岩中的关键因素。上述有利条件使得大塘坡组成为优质烃源岩和油气勘探的潜在层位。