川东地区二叠系吴家坪组页岩中黄铁矿形态及其对大洋缺氧事件的指示意义

2023-10-10温思宇姚永君

岩性油气藏 2023年5期

温思宇，张兵，，姚永君，马恺，王艳，杨凯

（1.成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059；2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059；3.成都理工大学地球物理学院，成都 610059；4.中国石油西南油气田公司重庆气矿，重庆 400000）

0 引言

四川盆地是由盆地周边的褶皱和断裂围限而成的一个大型构造沉积盆地，其形成演化受到特提斯构造域与太平洋构造域的控制［1］。二叠纪是古特提斯洋闭合、新特提斯洋开启的关键时期，板块运动活跃，其构造变化的背景造成了火山的频繁活动［2］。峨眉山玄武岩喷发于吴家坪组沉积早期，川东地区位于其覆盖范围的外缘，以往研究认为，吴家坪组沉积期正处于一个缺氧事件的发展时期［3-5］。彭毅峰［6］在对川东地区二叠纪生物大灭绝的研究中发现，吴家坪组沉积期底栖有孔虫相对于茅口组沉积期底栖有孔虫所需的氧气量更小，这种变化可能是二叠纪晚期的缺氧事件所导致的。近年来，学者们对川东地区吴家坪组的研究主要集中于层序地层划分、岩相古地理演化以及烃源岩的评价上，对于川东地区吴家坪组沉积与晚二叠世大洋缺氧事件之间的联系的研究尚且不足。即使有少量相关研究，也局限于古生物的演化，并未对不同矿物与缺氧事件之间的耦合关系进行详细分析。

川东地区吴家坪组页岩含有大量黄铁矿，尤其草莓状黄铁矿含量较高。黄铁矿广泛分布于页岩储层中，受到形成过程中水体氧化还原条件及后期作用的限制，呈现出不同的形态特征［7］，尤其是草莓状黄铁矿，其粒径、形状等特征是反演古沉积环境的重要依据［8-9］。草莓状黄铁矿形态的差异反映了其形成过程中水体物理化学条件与后期环境的不同，目前已被广泛应用于研究古海洋环境的变化［10-12］。Sweeney 等［13］比较了不同环境中黄铁矿的形态大小和特征，指出黄铁矿的生长与古代沉积环境的氧化还原条件密切相关。一些学者利用草莓状黄铁矿的平均粒径（MD）及最大粒径（MFD）来判别古环境，建立了通过沉积岩中草莓状黄铁矿粒径的分布规律来反演古海洋氧化还原环境的模型［10，14-15］。因此，黄铁矿基于自身对于氧化还原条件的敏感性，必然会对晚二叠世大洋缺氧事件表现出一定的响应特征。

本次研究结合沉积地球化学数据分析，还原川东地区吴家坪组沉积期的水体氧化还原条件，分析吴家坪组沉积期水体环境的过渡性特点，揭示黄铁矿形态-大洋缺氧事件-峨眉山玄武岩喷发的耦合关系，并建立草莓状黄铁矿对缺氧事件的响应模式，以期从不同角度对晚二叠世大洋缺氧事件的影响范围及后果进行补充分析。

1 地质概况

四川盆地是隶属于华南板块的一个叠合盆地，位于特提斯东段构造域中带［2-3，16］。二叠纪时期古特提斯板块向劳亚大陆持续汇聚，受此影响，产生了一系列地质事件和海平面变化［17］。二叠世末发生东吴运动，这一时期由地幔柱活动引起的地壳大规模抬升和大火成岩省形成，改变了四川盆地晚二叠世沉积地貌的格局，沉积分异也随之加剧。峨眉山玄武岩喷发后的热冷却沉降使得喷发区外围沉积了一套下部为海-陆过渡相的含煤泥质岩与砂岩（龙潭组/吴家坪组）［18］，上部为灰岩、生物灰岩夹泥灰岩与硅质岩（长兴组/大隆组）的沉积组合。川东地区构造上位于扬子板块西北部，为扬子准地台的一个次级构造单元［19］（图1a）。吴家坪组在该地区连续分布，下伏茅口组地层，上覆长兴组地层，由FT1 井测得其厚度为101 m，岩性主要为泥质页岩。根据岩性可将二叠系吴家坪组分为3 段：吴一段厚度为37.5 m，顶部发育一套较厚的灰岩，下部为灰黑色黏土质页岩，底部见一套玄武岩及一套铝土岩，中上部质地较易碎，整体为开阔台地沉积；吴二段厚度为28.5 m，顶部为泥质灰岩，底部为黑色页岩，整体为深水陆棚沉积；吴三段厚度为35 m，页岩与灰岩互层，整体为浅水陆棚沉积（图1b）。

图1 川东地区构造图（a）及FT1 井二叠系吴家坪组单井柱状图（b）（据文献［20-21］修改）Fig.1 Structural map of eastern Sichuan Basin（a）and stratigraphic column of Permian Wujiaping Formation of well FT1（b）

2 岩石学特征

川东地区二叠系吴家坪组沉积时期海平面变化明显，沉积过程复杂。为了研究这一时期川东地区FT1 井的矿物组成，共取FT1 井吴家坪组页岩样品25 块，进行X 射线衍射全岩-黏土矿物组分测试。结果表明，脆性矿物（石英、长石、方解石和白云石）质量分数为9.2%～52.4%，平均为30.1%，其中石英质量分数为6.2%～31.3%，平均为18.4%，方解石质量分数为0.3%～20.3%，平均为7.0%；其他矿物（黄铁矿、菱铁矿和石膏）的平均质量分数小于5%。吴家坪组页岩样品富含黏土矿物，质量分数为6.3%～69.6%，平均为60.3%（表1）。根据FT1 井25 个全岩X射线衍射资料，将FT1 井吴家坪组岩石类型主要划分为钙质硅质混合页岩、硅质页岩、黏土质页岩3 种［22］（图2）。

图2 川东地区FT1 井二叠系吴家坪组页岩岩相划分三角图Fig.2 Ternary diagram of shale lithofacies division of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

钙质硅质混合页岩岩心夹多套灰岩岩层，灰岩中发育顺层裂缝，由方解石填充，镜下可见黄铁矿颗粒及石英、方解石充填的孔洞（图3a）和草莓状黄铁矿充填的生物骨针（图3b）。主要基质为黏土矿物、长石、碎屑石英及碳酸盐岩，黄铁矿呈集合体分散分布。石英+长石矿物的质量分数为30%～50%，方解石+白云石的质量分数为25%～50%，黏土质量分数为10%～35%。

图3 川东地区FT1 井二叠系吴家坪组不同页岩岩相的岩心及镜下特征Fig.3 Core and microscopic characteristics of different shale lithofacies of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

硅质页岩岩心夹凝灰岩层，中部发育一条4 cm左右的裂缝，上部发育水平微裂缝，均由方解石充填。发育多层黄铁矿薄层，可见透镜状黄铁矿，且含有少量介壳化石；镜下观察，可见黄铁矿颗粒及陆源石英大量分布，硅化后的生物骨架、生屑分布均匀，略具定向性，个别生屑被硅化；生屑间由大量黏土矿物和黑色炭质矿物混合填隙，零星见陆源粉砂。石英+长石的矿物质量分数为40%～72%，方解石+白云石的质量分数为6%～24%，黏土质量分数为8%～21%（图3c—3g）。

黏土质页岩岩心观察可见黄铁矿较发育，裂缝较多，方解石充填，具黑色环边（图3h）；镜下可见有机质发育，常见植物碎屑，为石英胶结，黄铁矿零星分布，孔隙不发育（图3i）。石英+长石的矿物质量分数为20%～29%，方解石+白云石的质量分数为10%～11%，黏土质量分数为59%～70%。

3 地球化学特征

对川东地区FT1 井吴家坪组25 块页岩样品进行的主、微量元素测试，由成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室使用Quanta250 FEG（美国FEⅠ公司）在24 ℃恒温、35%恒湿条件下完成的。测试过程中使用能谱LL 仪（ⅠNCAx-max20）进行元素分析以保证实验中矿物识别的准确度。主量元素以SiO2最为丰富，其质量分数为13.57%～86.75%，平均为49.51%；其次为Al2O3，质量分数为1.16%～22.89%，平均为13.67%；CaO，Fe2O3，K2O，FeO，MgO 的质量分数分别为0.33%～7.28%，0.11%～50.11%，0.15%～3.79%，0.47%～2.89%和0.10%～6.20%，平均分别为11.24%，4.82%，1.55%，1.24%和1.02%；其余主量元素氧化物质量分数均小于1.0%。总体上，Al2O3含量较高。富集系数（EF）可以反映沉积物中元素的富集程度［23］，通过分析Mo 和U 的富集系数均值可发现，Mo（EF=2.55）和U（EF=2）均相对富集，表明样品中可能存在有机质或黏土矿物（表2）。

表2 川东地区FT1 井二叠系吴家坪组页岩地球化学元素Table 2 Geochemical elements of Permian Wujiaping Formation shale of well FT1 in eastern Sichuan Basin%

U/Th，Ni/Co 和V/Cr 等值被广泛用于指示水体的氧化还原状态，值越小反映水体的氧化程度越高，值越大反映水体的还原程度越强［23-25］。通常，U/Th ＞1.25，Ni/Co ＞7.00［26］指示缺氧沉积环境；0.50 ＜U/Th ＜1.25，5.00 ＜Ni/Co ＜7.00 指示贫氧沉积环境；U/Th ＜0.75，Ni/Co ＜5.00 指示富氧沉积环境。本次研究利用这些比值来判别研究区吴家坪组页岩沉积时期水体的氧化还原性质，并与黄铁矿粒径判别结果进行对比。FT1 井样品的测试结果显示：U/Th值为0.23～2.96，平均为1.11；Ni/Co 值为1.18～15.77，平均为6.70。以上比值显示川东地区吴家坪组页岩沉积时期整体处于贫氧环境，且U/Th，Ni/Co 和V/Cr 的值整体上呈现出随深度变小而逐渐增大的趋势，反映出川东地区吴家坪组沉积时期水体由贫氧条件向缺氧条件过渡的特征，而这种氧化还原条件的变化很可能是由一次较大规模的缺氧事件所导致的（图4）。

图4 川东地区FT1 井吴二叠系家坪组页岩元素比值与深度的关系Fig.4 Vertical distribution of shale element ratio of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

4 对大洋缺氧事件的指示意义

4.1 黄铁矿形态及粒径分布

通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）对研究区吴家坪组页岩样品中草莓状黄铁矿球粒的直径进行观察、测量和记录，结果显示，川东地区吴家坪组页岩中的黄铁矿形态主要有草莓状、柱状、部分重结晶和不规则团块状。其中草莓状黄铁矿含量相对较高，常呈带状分布；柱状黄铁矿一般由草莓状黄铁矿通过重结晶作用形成；部分重结晶黄铁矿是在黄铁矿边缘发育一些絮状物，往往是由富流体的成岩作用或低程度的变质作用引起；不规则团块状黄铁矿具有棱角发育的边缘；部分草莓状黄铁矿微晶颗粒间可见自生石英发育，也可见有机质充填，偶见粒间孔（图5）。

图5 川东地区FT1 井二叠系吴家坪组扫描电镜下黄铁矿形态Fig.5 Pyrite morphology under scanning electron microscope of Permian Wujiaping Formation of well FT1 in eastern Sichuan Basin

对川东地区吴家坪组页岩中的草莓状黄铁矿进行统计，得到其平均粒径（MFD）均值为5.18～10.75 μm，高于硫化（缺氧）海洋环境中的草莓状黄铁矿粒径平均值（5.0±1.7 μm），并随深度的减小而逐渐接近这一平均值，由此推测吴家坪组页岩形成于由贫氧环境逐渐向缺氧环境转化的过渡环境中（表3）。

表3 川东地区FT1 井二叠系吴家坪组页岩黄铁矿粒径相关参数Table 3 Parameters related to framboidal pyrite particle size of Permian Wujiaping Formation shale of well FT1 in eastern Sichuan Basin

Wilkin 等［10］制作了草莓状黄铁矿平均粒径对标准偏差的二元图解（图6a）以及草莓状黄铁矿平均粒径对偏态系数的图解（图6b），并在平均粒径对标准偏差的二元图解上划分出硫化环境与贫氧—氧化环境。综合利用这2 种图解来判别研究区吴家坪组页岩沉积时期水体的氧化还原性质，样品点均落在贫氧—氧化区域，进一步说明吴家坪组页岩整体形成于贫氧—氧化环境。同时，图中部分样品点十分接近缺氧环境与贫氧—氧化环境的分界线，为吴家坪组页岩黄铁矿形成于贫氧—氧化环境向缺氧环境过渡时期提供了证据。

图6 川东地区FT1 井二叠系吴家坪组页岩草莓状黄铁矿粒径研究交会图（据文献［10］修改）Fig.6 Cross plots of particle size of framboidal pyrite of Permian Wujiaping Formation shale of well FT1 in eastern Sichuan Basin

4.2 黄铁矿形态对缺氧事件的响应

川东地区二叠纪有孔虫的研究［27］显示，茅口组沉积期水体为氧化环境而吴家坪组沉积期整体显示为贫氧环境，这与本次研究中的粒径统计分析结果及地化数据分析结果相符。虽然吴家坪组沉积期整体显示贫氧—氧化环境，但随取样深度由大至小所指向的氧化还原环境明显由贫氧阶段过渡到缺氧阶段，结合地化数据分析，显示吴家坪组沉积晚期水体已接近缺氧甚至已经进入缺氧环境。由于大隆组沉积期为典型的静海深水缺氧环境［27］，这一情况与茅口组—吴家坪组—长兴/大隆组的地层变化所对应的氧化—贫氧—缺氧的环境变化一致。

华南地区在二叠纪处于特提斯构造域东部，其周缘被古特提斯洋东段及古太平洋所围限。受峨眉地幔柱活动的影响，大约在吴家坪组沉积早期峨眉山玄武岩全面喷出地表，长兴组沉积期这一火山活动结束［28-30］。火山喷发释放的气体导致海洋缺氧，且其变化节点与茅口组—吴家坪组—长兴/大隆组地层所反映出的水体含氧量变化具有同步性，从而得出草莓状黄铁矿形态对峨眉山玄武岩喷发的响应模式（图7）。茅口组沉积晚期，岩浆上拱使四川盆地形成位于海平面之上的穹窿，此时水体处于氧化环境；吴家坪组沉积早期，峨眉山玄武岩全面喷出地表，穹窿中心为陆相喷发，周边海域为水下喷发，此时大量二氧化碳随岩浆喷出，溶于水体，使得水体中浮游生物繁殖加快，耗氧量增加，造成水体含氧量的持续下降，形成吴家坪组沉积期水体的贫氧—氧化环境，草莓状黄铁矿粒径较大且分布范围较广；随着火山活动的持续，CO2不断涌出，浮游生物大量繁殖，水体缺氧程度不断加剧，至大隆/长兴组沉积期峨眉山玄武岩岩浆活动已至尾声，此时水体已完全处于缺氧甚至硫化环境，草莓状黄铁矿粒径较小且分布范围较窄。

图7 川东地区二叠系吴家坪组草莓状黄铁矿的形成机制（a，b）及其对缺氧事件的响应模式（c）Fig.7 Formation mechanism of framboidal pyrite（a，b）and its response model to anoxic events（c）of Permian Wujiaping Formation in eastern Sichuan Basin

4.3 地质意义

二叠纪—三叠纪发生了著名的前乐平世生物灭绝事件，峨眉山大火成岩省的喷发及其伴随的海洋缺氧目前被认为是造成这一事件的首要原因［31］。研究川东地区吴家坪组页岩黄铁矿对这一缺氧事件的响应特征有利于精确晚二叠世大洋缺氧事件的波及范围，完善峨眉山大火成岩省的喷发与海底缺氧事件的响应机制，可为研究矿物与环境变化之间的耦合作用提供参考。黄铁矿作为泥页岩中广泛发育的一种矿物类型，与页岩中有机质丰度存在正相关关系［32］，可为优质储层发育机理研究与优质储层预测提供依据，在储层孔隙系统中占有重要位置［33-34］。虽然页岩中黄铁矿对油气富集的作用仍待深化研究，但分析其对环境的各种响应特征在页岩油气富集规律分析方面仍具有重要意义。