川南地区金页1井早寒武世烃源岩沉积地球化学特征

程 建，郑伦举

(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)

早寒武世，上扬子地区表现为西高东低的构造古地理格局，由西向东依次为康滇古陆、滨岸、潮坪、浅水-深水陆棚及深海盆地。受兴凯地裂运动的影响，上扬子地区发育近南北向的克拉通内裂陷：绵阳-长宁拉张槽，拉张槽西斜坡缓东斜坡陡(图1)，槽内沉积了一套下寒武统麦地坪组-筇竹寺组(1m-1q)优质烃源岩，岩性主要为硅质岩、黑色页岩及炭质、粉砂质泥岩等深水相沉积岩。

图1 四川盆地绵阳-长宁拉张槽分布(a)（1）刘树根.四川盆地西部下组合油气勘探前景探讨[R].成都：成都理工大学，2016.及金页1井下寒武统地层综合柱状图(b)[3]Fig.1 Schematic diagram showing the distribution of the Mianyang-Changning intracratonic sag (a)① and the composite stratigraphic column of the Lower Cambrian in Well Jinye 1 (b)[3]

前人研究认为早寒武世沉积相和沉积环境对烃源岩发育分布有重要的控制作用。目前对于川南地区早寒武世沉积相的认识存在较大分歧：早期研究认为麦地坪组发育于潮坪相沉积环境[1-2]，而当前多数研究者认为麦地坪组-筇竹寺组沉积期一直处于浅水-深陆棚相沉积环境[3-6]。为此，本文系统采集了拉张槽西侧金页1井麦地坪组-筇竹寺组岩心样品，开展了岩石热解、有机碳、岩石薄片、全岩X衍射、微量金属元素、成烃生物鉴定等检测分析，综合利用岩石学、有机-无机地球化学、古生物及有机岩石学方法，深入辨析了川南地区早寒武世烃源岩沉积地球化学特征，对准确判别早寒武世沉积相特征具有参考意义。

1 麦地坪组-筇竹寺组岩石学特征

通过对金页1井81件烃源岩样品的岩石薄片鉴定、全岩X衍射、碳酸盐含量测试，结合岩心观察与自然伽马录井曲线，发现麦地坪组-筇竹寺组岩性复杂、矿物组成丰富，主要以硅质页岩、粘土质页岩、云质页岩、硅质(或泥质)云岩为主。两套烃源岩层岩石矿物组成差异非常明显(图2)：筇竹寺组粘土矿物含量相对较高，硅质矿物含量中等，碳酸盐岩含量较少，以泥页岩和硅质泥岩为主，而麦地坪组以云质泥岩和含云质硅质岩为主。

筇竹寺组可划分为下、上两个岩性段，下段(井深3 565～3 345 m)29个样品的全岩矿物分析结果为长石+石英含量24%～64%，平均含量达52.3%，主要是硅质页岩。上段(井深3 345～3 180 m)15个样品的全岩矿物分析数据显示粘土岩成分22%～58%，平均43.7%，相比筇竹寺组下段，粘土质矿物含量明显增加，筇竹寺组上段岩性主体为粘土质页岩(图2)。

图2 四川盆地南部井研-犍为地区金页1井 麦地坪组-筇竹寺组全岩矿物组成分析Fig.2 Mineral composition analysis of bulk rock from the Maidiping-Qiongzhusi Formations in Well Jinye 1, Jingyan-Qianwei area,southern Sichuan Basin

麦地坪组在录井上也可分为上、下两个岩性段：上部(井深3 556.99～3 583.6 m)自然伽马值与去铀伽马值均很低，为深灰色粉砂质页岩段，厚度约30 m；中部为深灰色硅磷白云岩夹黑色“泥页岩”段，厚度约110 m。采集的上段23个“泥页岩”样品中，粘土矿物含量1%～8%，大部分小于10%；碳酸盐矿物含量9%～68%，平均值高达35%，石英含量也较高，石英+长石含量1%～75%。结合岩石薄片鉴定，按岩性定名三角图划分方案，麦地坪组上段应为云质页岩和硅质云岩，与录井岩性描述差异很大。这主要是由于受高演化阶段残余有机碳的侵染作用的影响，对含炭细粒沉积岩的目测岩性描述造成了误判，如对金页1井3 556.99～3 618.76 m麦地坪组的录井岩性描述均为黑色泥岩。

2 麦地坪组-筇竹寺组烃源岩地球化学特征

烃源岩是一种特殊的细粒沉积岩，其岩石矿物组成、沉积有机质类型、有机碳含量、成烃生物来源及氧化还原性等特征均受控于沉积相和原始沉积环境[7-8]。氧化-还原环境、古水深、古气候是沉积环境研究的重要内容[9-11]，因此下文将从以上几个方面对金页1井下寒武统沉积相进行研究。

2.1 残余总有机碳含量

金页1井麦地坪组-筇竹寺组取心样品的有机地化分析结果表明，不同岩性组合的烃源岩有机碳值差异较大，其值与主体矿物组成之间的相关性也不相同。筇竹寺组高丰度烃源岩段，粘土质泥岩残余有机碳含量高于硅质泥岩，而有机质丰度较低的非烃源岩段，其硅质(石英+长石)含量明显高于粘土含量(图3a)。麦地坪组烃源岩残余总有机碳含量与主矿物之间没有明显的相关性(图3b)。进一步分析发现：筇竹寺组属于有大量碎屑物输入背景下的沉积岩，高有机碳含量烃源岩主体矿物是粘土矿物(输入型)，在15个筇竹寺上段烃源岩样品中，9件是粘土质页岩，其残余总有机碳含量值分布在0.80%～3.71%，平均为1.78%，属高效烃源岩。6件石英+长石含量相对较高、粘土矿物含量较低的硅质页岩，其残余总有机碳含量值分布在0.53%～0.71%，平均为0.61%，属于低效烃源岩。筇竹寺组下段29件样品中大多数样品的主体矿物为石英与斜长石，这类硅质页岩中残余有机碳含量值最高仅为0.74%，平均值仅有0.31%，整体为非烃源岩。麦地坪组属于碳酸盐背景下的沉积岩，24件样品残余有机碳含量值分布在0.02%～1.93%，平均为0.97%，属中等有效烃源岩，其主体矿物是白云岩(11件)，其次是石英(5件)与粘土矿物(2件)。

图3 四川盆地南部井研-犍为地区金页1井麦地坪组-筇竹寺组岩石矿物组成与烃源岩残余总有机碳含量关系Fig.3 Relationship between the mineral composition and the total residual organic carbon content of the samples from the Maidiping-Qiongzhusi Formations in Well Jinye 1,Jingyan-Qianwei area,southern Sichuan Basin a.筇竹寺组低有机质丰度烃源岩矿物组成以硅质矿物为主;b.麦地坪组烃源岩有机质丰度与岩石矿物组成无明显相关性

2.2 烃源岩微量元素地球化学特征

Re，Mo，U，V，Ni，Co等氧化还原敏感性微量元素的地球化学参数分析是判识沉积环境氧化-还原性的有效方法。前人虽制定了几种沉积环境判定指标的标准(表1)[12-13]，但未与沉积岩中有机碳含量及矿物组成进行关联性分析。本文认为，实际上这些微量金属元素含量及其比值除了与沉积环境的氧化还原性有关外，还与有机质及矿物质的来源有关。为了准确判别麦地坪组-筇竹寺组沉积环境，对68件取心样品进行了ICP-MS测试，获得了U，Th，V，Cr，Ni等元素含量以及V/Cr，V/(V+Ni)，Ni/Co，U/Th，δU等反映水体氧化还原性条件的地化判识参数，并进行了相关分析。

表1 沉积环境氧化-还原条件基本特征及识别标准Table 1 Fundamental characteristics and identification criteria of oxidation-reduction conditions in sedimentation

2.2.1 V/(V+Ni)比值特征

筇竹寺组上段15件样品V/(V+Ni)比值为0.61～0.82，平均值为0.78；筇竹寺组下段29件样品V/(V+Ni)比值为0.66～0.80，平均值为0.73；麦地坪组24件样品V/(V+Ni)比值0.23～0.93，平均值为0.80(图4a，b)。除了麦地坪组3件样品V/(V+Ni)比值小于0.46，显示是氧化环境水体之外，其它样品的比值均大于0.54，显示为闭塞、局限滞留的缺氧还原-强还原环境，其中麦地坪组大多数样品沉积水体还原性要强于筇竹寺组。图4显示了两套烃源岩在V/(V+Ni)比值与有机碳及粘土矿物含量的相关关系上表现出明显的差异性：筇竹寺组粘土质或硅质页岩V/(V+Ni)比值同时受控于有机碳及粘土矿物含量，而云质页岩或硅质云岩主要受控于有机碳含量。这反映了两种不同沉积环境的氧化-还原性特征，一种是以碎屑矿物为主的沉积，其有机质主要来源于表层水体中生活的藻类，另一种是以碳酸盐矿物为主的沉积，其有机质既来源于表层水体中藻类，也有底栖生物的贡献。

图4 四川盆地南部井研-犍为地区金页1井麦地坪组、筇竹寺组烃源岩V/(V+Ni)与有机碳含量(a)、粘土矿物含量(b)关系Fig.4 Diagrams showing V/(V+Ni) vs.organic carbon content (a) and clay mineral content (b) of samples from the Maidiping-Qiongzhusi Formations in Well Jinye 1,Jingyan-Qianwei area,southern Sichuan Basin

2.2.2 V/Cr比值特征

筇竹寺组上段15件样品V/Cr比值为1.19～3.23，平均值为1.85；筇竹寺组下段29件样品V/Cr比值为1.12～2.26，平均为1.37；麦地坪组24件样品V/Cr比值为0.65～5.33，平均为2.39。按照上述标准，筇竹寺组大多数样品为富氧的高能环境至贫氧的弱还原环境，这与V/(V+Ni)比值所反映的氧化还原性是相互矛盾的，显然不符合高效烃源岩形成的沉积环境条件。尽管V/Cr比值低，有机碳含量具有相对较低的趋势，但总体上相关性并不明显。相反，筇竹寺组和麦地坪组中部分粘土矿物含量较高的样品，V/Cr比值与粘土矿物含量具有较好的正相关性(粘土矿物含量低于10%的麦地坪组沉积岩例外)，说明V和Cr除与有机质保存的氧化还原性环境有关外，还与粘土矿物的来源及含量有关。

2.2.3 δU指数特征

图5a—c分别为金页1井δU指数与残余总有机碳、粘土矿物及碳酸盐矿物含量关系图。筇竹寺组上段15件样品δU指数值为0.94～1.65，岩性为粘土质页岩，平均值为1.21，显示为贫氧的低能沉积环境，有机质丰度较高(平均TOC为1.8%左右)，为有效烃源岩；筇竹寺组下段29件样品δU指数值为0.81～1.28，平均值为0.92，主要为高能氧化环境，其平均有机碳含量不到0.4%，为非烃源岩。整个筇竹寺组，有机碳含量与δU指数具有明显的正相关性，在粘土矿物含量超过50%之后，还原性有增强的趋势。麦地坪组24件样品δU指数值为1.73～1.99，平均值为1.91，显示为强还原沉积环境，但其有机丰度中等，δU指数与残余有机碳、粘土矿物及碳酸盐矿物含量均无相关性。TOC值与δU指数也无明显的线性关系。

图5 四川盆地南部井研-犍为地区金页1井麦地坪组-筇竹寺组δU指数与残余有机碳(a)、粘土矿物含量(b)及 碳酸盐矿物含量(c)之间的关系Fig.5 Diagrams showing δU index vs.residual organic carbon (a),clay mineral content (b) and carbonate mineral content (c) of samples from the Maidiping-Qiongzhusi Formations in Well Jinye 1,Jingyan-Qianwei area,southern Sichuan Basin

总体上，筇竹寺组、麦地坪组沉积期水体的氧化还原条件差别非常明显，筇竹寺组的有机质丰度同时受控于粘土矿物含量与水体的还原性强弱，与水体的深浅也有关，而麦地坪组沉积时期尽管其氧化-还原指标显示为超强还原性，但与其有机质丰度及矿物组成均无明显的关系，因此不能简单地认为其超强还原性是因为水体较深造成的。

2.2.4 古水深特征

Sr/Ba值，Mn，Ni，V，Cr等微量金属元素常用于研究古海洋环境的变化，是指示沉积环境水体深浅及底层水氧化还原状态变化的重要指标[14-17]。在黔东麻江、台江寒武系剖面、塔里木盆地奥陶系海相沉积中已有应用[18-22]。研究认为，在水动力条件变化较大、阳光充足的滨浅海地带，大量Sr2+主要通过生物堆积作用方式沉淀下来，显示出较高的Sr/Ba，其值通常大于1，在半深海、深海或滞留水域的沉积物中Sr/Ba通常小于1[19]。已有研究表明，较高的Mn，Ni，V，Cr含量对应着较大的古水深或相对海平面上升，较低的Mn，Ni，V，Cr含量则对应着较小的古水深或相对海平面下降。

图6a和b反映出麦地坪组和筇竹寺组截然不同的Sr/Ba比值特征：筇竹寺组Sr/Ba比值均值为0.26，远低于麦地坪组的3.38，指示筇竹寺组沉积水体明显比麦地坪组深。筇竹寺组Sr/Ba比值与有机碳含量和粘土矿物含量无相关性。麦地坪组大部分样品有机碳含量与Sr/Ba比值有较好的线性关系，说明麦地坪组沉积环境虽然水体较浅，可能为浅水沉积环境，但有可能受生物质影响，细粒碎屑物质吸附有机质并积累形成有机碳富集。此外，统计发现筇竹寺组、麦地坪组5种主要微量元素平均值的对比情况分别为：Mn：0.095/0.057；Co：15.35/2.24；Cr：86.2/72.43；Ni：44.54/22.89；V：137.74/189.7。除V含量筇竹寺组比麦地坪组低外，其他微量元素含量均明显比麦地坪组高。说明筇竹寺组沉积水体深度要比麦地坪组大。这也进一步确认了通过Sr/Ba比值分析认为筇竹寺组沉积水深比麦地坪组大的认识。

图6 四川盆地南部井研-犍为地区金页1井麦地坪组-筇竹寺组烃源岩Sr/Ba比值与残余有机碳(a)及粘土矿物含量(b)关系Fig.6 Diagrams showing Sr/Ba ratio vs.residual organic carbon (a) and clay mineral content (b) of samples from the Maidiping-Qiongzhusi Formations in Well Jinye 1,Jingyan-Qianwei area,southern Sichuan Basin

3 麦地坪组-筇竹寺组成烃生物特征

已有研究表明全球在早寒武世发生过重大环境和生物变化。上扬子地区麦地坪组沉积时期正值气候温暖期，古生物种类繁多，发生了两次寒武纪生物辐射，小壳生物化石十分丰富[23-27]。不同的生物适应特定的生存环境，因此烃源岩的成烃生物类型能够反映其形成时的沉积环境。镜下鉴定发现，金页1井筇竹寺组烃源岩成烃生物以无定形絮状有机聚集体为主，局部发育介形虫(3 291.1 m，图7a)、有孔虫(3 298.2 m，图7b)、藻类微生物席(3 301.8 m，图7c)，具有深水沉积特征。麦地坪组成烃生物以动物微生物席沉积为主，小壳类生物大量发育(3 580.75 m，图7d)，镜下可见少量海绵骨针(3 591.7 m，图7e)，大量磷酸盐结核(3 603.45 m，图7f)，指示麦地坪组为浅水沉积环境。

图7 四川盆地南部井研-犍为地区金页1井麦地坪组-筇竹寺组光薄片显微成烃生物鉴定Fig.7 Photomicrograph of hydrocarbon-generating organisms in the Maidiping-Qiongzhusi Formations from Well Jinye 1, Jingyan-Qianwei area,southern Sichuan Basin a.埋深3 292.1 m,TOC=1.25%;b.埋深3 298.2 m,TOC=2.10%;c.埋深3 301.8 m,TOC=0.36%;d.埋深3 580.75 m,TOC=1.14%; e.埋深3 591.7 m,TOC=1.01%;f 埋深3 603.45 m,TOC=1.04% OS.介形虫；Fora.有孔虫；MM.微生物席；SS.海绵骨针；Ph.磷酸盐结核

4 麦地坪组-筇竹寺组沉积地球化学特征

回顾上扬子地区的构造演化过程，扬子克拉通及其周缘在晚震旦世至早寒武世经历了以隆升为主的桐湾运动[28-30]和以裂陷为主的兴凯地裂运动[31]。李伟2015年研究认为，兴凯地裂运动分两幕进行，第Ⅰ幕发生于麦地坪组沉积期，主要建造了一套含硅含磷富烃源岩的裂陷槽沉积，但不同地区麦地坪组沉积岩相差别很大，烃源岩分布范围较局限。第Ⅱ幕发生于筇竹寺组沉积期，即绵阳-长宁拉张槽发育的壮年期，广泛发育优质烃源岩。在筇竹寺组沉积前，上扬子地区发生过一次区域性海退事件(汪泽成等称其为桐湾运动Ⅲ幕)，上扬子地台相对隆升，造成在峨边、龙门山、峨眉高桥、乐山范店等裂陷槽核心区以外的区域广泛发育不整合面[32-33]，裂陷槽中心区麦地坪与筇竹寺组仍以连续沉积为主。受其影响，金页1井所处的裂陷槽西侧有可能发育海退背景下的浅水潮坪沉积环境。

目前多数观点认为麦地坪-筇竹寺组沉积期为统一的陆棚相沉积环境，水体较深，只有早期个别学者认为麦地坪组为潮坪相沉积环境。支持其论点主要根据是各种氧化还原性等单一地化指标的判断[34-36]。当前，裂陷槽西侧(康滇古陆)揭示早寒武世地层钻井少，对于麦地坪组-筇竹寺组精细沉积相、沉积环境分析以及他们之间差别的研究较少。本文认为，在分析沉积环境时，应在区域构造、岩相古地理背景下，将沉积岩(尤其是烃源岩)的沉积特征与地球化学特征相结合，即沉积地球化学分析。对于金页1井烃源岩氧化还原性的判断，通常采用的V/Cr，V/(V+Ni)，δU几个重要的微量元素判别的结果并不一致：V/Cr与V/(V+Ni)及δU判识结果甚至互相矛盾，出现了同一岩性段不同指标判断结果相反的现象，说明麦地坪-筇竹寺组沉积特征与地球化学特征之间复杂的内在联系，但总体规律仍然有迹可循：各类微量元素含量与烃源岩中粘土矿物含量具有较明显的正相关关系，与有机碳含量关系比较复杂，表现为多数正相关，个别不相关和反相关关系。最反常的是δU指数，麦地坪组δU指数极高，还原性极强，但有机碳含量不高(图8)。说明烃源岩沉积地球化学性质受沉积环境影响的同时还受控于生物有机质及矿物质(如粘土矿、硅质、碳酸盐等)输入的影响。氧化还原性不能简单的等同于水体深浅，更不能直接用于判断有机质丰度的高低。其次，各类古水深指标显示麦地坪组和筇竹寺组的古水深差异十分明显，筇竹寺组沉积水深远大于麦地坪组，这与目前认为麦地坪组、筇竹寺均为深水沉积，两者水深无差别的观点也有不同之处。

据马叶情2008年对峨眉高桥麦地坪组剖面的研究，麦地坪组生物母质以潮坪环境下的低等蓝藻细菌类生物为主，可能有部分高等的小壳生物的贡献，并认为麦地坪组沉积环境为具有绿藻的正常盐度、弱还原-弱氧化的潮坪环境[2]。本文也认同麦地坪组为浅水潮坪环境的观点，认为其强还原性反应了麦地坪组期独特的沉积环境和古生物环境。从早寒武世古地理格局来看，金页1井所处的川南井研-犍为地区位于绵阳-长宁拉张槽西侧构造高部位，靠近康滇古陆，与拉张槽中心的高石梯、磨溪地区相比，其沉积环境受海平面升降影响更为明显，若遇海平面下降，地台相对隆升，易形成浅水环境。麦地坪组-筇竹寺组沉积期，在绵阳-长宁拉张槽迅速发展的背景下，伴随着温暖气候的来临，古生物种群和数量出现爆发式增长，主要形成两大类生物质来源：低等藻类与高等小壳类生物。可以推测，麦地坪组沉积期，作为掠食者的小壳动物迅速繁盛及其大量死亡导致海水快速耗氧，造成缺氧的强还原环境，其生物骨骼中的钙质易于大量保存。而潮坪环境因水体较浅，不利于有机质的良好保存，因此形成麦地坪组还原性强而有机质丰度并不高，在岩性上表现为钙质含量高而有机质含量不高的钙质页岩。筇竹寺组下段有机质丰度与氧化还原指数的弱相关性可能反应了其沉积期海平面频繁变化，水体深度不断变化的过程。筇竹寺组上段沉积环境应为深水陆棚相，这与前人的认识比较一致。

5 结论

1) 金页1井早寒武世麦地坪组和筇竹寺组烃源岩沉积水深、岩石矿物组成、有机质及成烃生物等沉积地球化学特征具有明显差异。筇竹寺组沉积期水深远大于麦地坪组，两者并非均为深水陆棚沉积。综合分析认为麦地坪组形成于潮坪相沉积环境。

2) 金页1井筇竹寺组上、下岩性段的粘土矿物含量、有机质含量与其沉积环境具有较好的相关性。麦地坪组烃源岩强还原特征不能简单归因于深水环境。金页1井在早寒武世高构造-岩相古地理位置背景下，受海退事件影响，形成了麦地坪组的浅水潮坪沉积环境，并赋予麦地坪组特殊的沉积地球化学特征。

3) 潮坪环境下的麦地坪组，沉积期水体较浅，虽然生物繁盛，但沉积有机质不富集，烃源岩有机碳丰度中等。麦地坪组强还原环境的形成原因推测是由于小壳类生物迅速繁盛后又大量死亡，造成海水快速耗氧，形成缺氧强还原环境，小壳类生物富钙质骨骼堆积并保存，最终形成麦地坪组高含钙质低有机质的钙质泥页岩。麦地坪组到筇竹寺组沉积期是一个潮坪环境到浅水-深水陆棚环境的发展演化过程。