中上扬子地区上奥陶统—下志留统烃源岩发育的古环境恢复
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发布时间：2022-04-25 04:48
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时间：2023-10-27 01:13
李双建1，2 肖开华1 沃玉进1 龙胜祥1 蔡立国1
（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京100083；2.中国地质大学，北京100083）
摘要 上奥陶统—下志留统烃源岩是中国南方海相4 套主力区域烃源岩之一，有关其形成与发育环境的研究是南方海相油气成藏理论的基础性问题。本文选择中上扬子南缘2条代表性剖面，对上奥陶统—下志留统沉积岩进行了详细的地球化学分析，提取其中对沉积古环境有指示意义的地球化学指标，对该段地层的古环境进行了恢复。研究表明，优质烃源岩段主要集中在上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组底部，V/（V+Ni），Ni/Co，Ceanom，δEu和δ13Corg等地球化学指标与有机碳含量均有较好的相关性，这些指标的异常均表明优质烃源岩发育于缺氧环境。而龙马溪组上部地层的有机碳含量较低，各种地球化学指标也显示此时缺氧环境遭到了破坏，这与当时的沉积环境多为高能环境、不利于烃源岩发育是一致的。
关键词 中上扬子 上奥陶统—下志留统 烃源岩 古环境 地球化学
Palaeo-environment Resume of Upper Ordovician—Lower Silurian，Middle-Upper Yangtze Area
LI Shuang-jian1，2，XIAO Kai-hua1，WO Yu-jin1，LONG Sheng-xiang1，CAI Li-guo1
（1.Exploration ＆ Proction Research Institute，SINOPEC，Beijing100083；2.China University of Geosciences，Beijing100083）
Abstract The source rock in Upper Ordovician-Lower Silurian is one of the four regional marine source rocks in south China，the studies on palaeo-environment of its formation and development are basic questions about marine hydrocarbon accumulation theories in south China.Two typical sections are selected in this study，and de-tailed geochemical analyses of Upper Ordovician-Lower Silurian sedimentary rocks are concted in these sec-tions.The environment indicators are selected to resume the paleo-environment.The study results show that the high-quality source rocks are concentrated in Wufeng formation of Upper Ordovician and bottom of Longmaxi forma-tion of Lower Silurian.The indicators，such as V/（V+Ni），Ni/Co，Ceanom，δEu andδ13Corghave good relations with TOC in these formations，which indicate that good quality source rocks developed in anoxic environment.The geochemical indicators in upper parts of Longmaxi formation show that the anoxic environment were destroyed，which is accordant with high-energy sedimentary environment that is disadvantage to formation of source rocks.
Key words Middle-Upper Yangtze Upper Ordovician-Lower Silurian source rock palaeo-environment geochemistry
沉积环境既控制有机质丰度，又影响有机质质量，是控制海相烃源岩发育和分布的最重要因素，沉积环境演化在时间上具有明显的等时性和同步性特征，体现出它们在地质演化中具有相互促进、相互制约的辩证关系。因此，环境演化没有单因素的控制机制，而是多因素综合影响的结果，生物繁盛、有机质和微量元素富集或贫化、碳同位素值偏移以及烃源岩发育是各项环境参数的综合效应，在空间上明显呈相互对应、共生组合的特点，表现出相互作用、相互反馈的因果关系［1］。
海相有效烃源岩作为一种特殊的富有机质层段，其发育明显受沉积环境控制，如古生产力及氧化还原条件等，而这些因素可体现在化学元素、同位素等无机参数组合上，这就为从古环境角度研究烃源岩的有效性开辟了一条新途径。当前已经建立了包括微量元素、稳定同位素和有机地球化学在内的多种古环境恢复指标［2］。
上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组烃源岩分布几乎遍及上、中、下扬子地区，有机质以腐泥型为主，成烃潜力大。有关其形成与发育的古环境恢复研究是优质烃源岩分布预测的基础，也是南方海相油气成藏理论的基础性问题。前人对南方志留系的研究集中在奥陶纪末期与志留纪早期古气候变化、海平面变化和古生物灭绝事件等问题上，而对该套地层的烃源岩发育环境研究较少［3～5］。
本文选取中、上扬子地区2条完整的上奥陶统—下志留统剖面，进行了细致的沉积物全岩地球化学分析，从中选出特征的指标和参数，对该套地层沉积时的古环境做了分析和讨论。
1 地质背景
扬子地区奥陶系—志留系分布广泛，滇东、川、鄂、湘、黔一带露头非常发育。受加里东早期运动的影响，华南的东南区在寒武纪末期已有隆起趋势，黔中南及江南雪峰地区在加里东晚期亦已上升为陆，与华夏古陆连成一片，成为扬子地区通海的屏障；而川南、黔北、湘西以及中、下扬子长江沿线地区的下志留统龙马溪组大多与下伏上奥陶统平行不整合接触。晚奥陶世至早志留世，扬子地区的海域一度为半封闭滞留海，中志留世后，除黔南、滇东外的扬子地区逐渐抬升，志留纪末的广西运动结束了早古生代的沉积史［6，7］。
本次研究选取的剖面位于扬子地区南缘（图1），靠近雪峰古隆起和黔中古隆起。石门磺厂剖面，奥陶系五峰组（O3w）厚7.8m，为一套黑色薄层炭质页岩间夹薄层炭硅质沉积，底部发育中厚层深灰色泥岩。志留系自下而上发育下统龙马溪组（S1l）、罗惹坪组（S1lr）和中统的纱帽组（S2s）。龙马溪组厚650m，主要为一套灰黑色、灰绿色页岩和泥质砂岩，向上砂质增多。罗惹坪组厚839m，以灰绿色岩、粉砂质泥岩和含粉砂质页岩为主，其次为泥质粉砂岩及粉砂岩。纱帽组厚298m，主要为浅绿灰色、绿灰色粉砂岩少夹砂质泥岩、泥质粉砂岩薄层或条带。从沉积环境上看，上奥陶统五峰组为滞留盆地沉积，志留系龙马溪组主要是深水陆棚或者陆棚内盆地沉积，向上沉积水体变浅，罗惹坪组和纱帽组主要为浅水陆棚和滨岸相沉积。习水喉滩剖面，奥陶系五峰组（O3w）厚5.83m，岩性为黑色炭质泥岩，底部0.3m显中层状，含少量砂质及黄铁矿晶粒。志留系自下而上发育下统龙马溪组（S1l）、石牛栏组（S1sh）和中统韩家店组（S2h）。龙马溪组厚102m，主要为灰黑色中层状泥岩夹同色中层状泥质粉砂岩，水平层理发育。石牛栏组厚308m，下部为灰、暗灰色中、薄层状泥灰岩夹褐灰色薄层状灰质泥岩，上部为灰色、浅灰色厚层状泥质条带亮晶砂屑灰岩及亮晶生物屑灰岩。韩家店组厚248m，主要为深灰色泥岩（不显层状）夹灰色中、薄层状亮晶生物屑灰岩及生物泥灰岩。该剖面的沉积环境演变与石门磺厂剖面类似，上奥陶统五峰组为滞留盆地相沉积，龙马溪组底部为深水陆棚沉积，向上水体变浅，沉积相转变为浅水陆棚沉积，由于远离物源区，沉积物以清水碳酸盐岩为主。
图1 取样剖面位置
2 样品采集与处理
为了对中国南方上奥陶统—下志留统优质烃源岩的发育环境进行深入研究，研究人员对石门磺厂和习水吼滩2个剖面进行了系统的观察与取样，共获得37个泥质岩样品，对这些样品做了详细的地球化学分析，样品分布见图2，图3和表1，表2。微量、稀土元素测试采用电感耦合等离子质谱（ICP-MS）方法完成，分析误差小于5%，由中国科学院地质与地球物理研究所地球化学实验室完成。有机碳碳同位素用MAT-252稳定同位素质谱仪测定，采用PDB标准，分析精度±2‰，由中国石化无锡石油地质实验中心测试完成。样品分析结果见表1和表2。
3 上奥陶统—下志留统地球化学特征与古环境恢复
3.1 有机碳含量
表1 上扬子磺厂剖面上奥陶统—下志留统地球化学数据
表2 上扬子吼滩剖面上奥陶统—下志留统地球化学数据
有机碳含量（TOC）是评价烃源岩优劣和丰度的重要指标，它既反映了有机质生产力的高低，也反映了沉积水体的氧化还原条件，因为有机质主要在缺氧条件下才得以最好的保存。如果沉积物中有机质含量丰富，本身就指示了处于较强的还原环境。研究区湖南石门磺厂剖面有机碳含量范围为0.05%～4.94%，且由下向上逐渐降低，高有机碳样品主要分布在上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组底部（图2），有效烃源岩丰度范围为0.59%～4.94%，均值为2.76%，有效厚度20m左右。贵州习水吼滩剖面有机碳含量范围为0.07%～4.44%，由下向上有机质丰度降低，有效烃源岩厚度80m左右（图3），有效烃源岩丰度范围为0.57%～4.44%，平均值为2.64%。
3.2 钡与古生产力
营养型元素，如C，N，O，Si，P，Cd，Ba等，在海洋中的分布均受生物化学反应控制，但各元素对古生产力的反映程度有所不同。海洋学研究表明，Ba积累率与有机碳通量、生物生产力呈正相关，Ba富集指示上层水体的高生产力，可用Ba/Al或Ba/Ca的比值来计算古生产力。大量的重晶石在地中海底部淤泥中富集是生产力提高的一个显著证据。叶连俊等［8］提出表层海水的高生产率和底部的缺氧都是Ba富集的必要条件。显然，海相沉积中Ba富集与烃源岩发育条件相似，二者时空分布上必然存在着联系，利用 Ba丰度对古生产力的指示可进一步表征有效烃源岩的发育。
根据磺厂剖面和吼滩剖面统计（表3），当TOC值大于0.5%时，3条剖面的Ba含量均值大于 803×10-6，当TOC值在0.1%～0.5% 之间时，两条剖面 Ba 含量均值在（426.68～565.89）×10-6之间，当TOC值小于0.1%时，Ba均值小于437.10×10-6。由统计数据所反映的规律可见，有机碳含量高的层位Ba含量也较高，二者具有较好的正相关关系，表明古生产力对有机碳含量的影响很大。
表3 有机碳与钡含量统计
注：斜线后数据为均值。
3.3 氧化还原条件
缺氧环境由于直接涉及某些金属富集成矿、烃源岩发育以及环境污染等众多领域，故对其进行了深入研究，探索其判识标志一直是地学界中经久不衰的研究课题。实质上，缺氧环境就是溶解氧缺乏而有机质与还原态元素等还原性物质稳定存在甚至富集的还原环境，其微迹化石、纹层、黄铁矿及特殊的岩性组合既是基本地质特征，亦是当前普遍认同的宏观判识标志。但此特征不止是缺氧环境的体现，也是沉积速率和水动力条件等的综合反映，尤其弱氧化-弱还原条件下存在着复杂的过渡过程，微迹化石和层理构造等变化较大，易受后期保存程度等影响，故仅依据沉积学和古生物学标准来判断缺氧程度是不够的，还需获取广泛的地球化学证据。地球化学示踪是反映缺氧环境形成演化的有效而敏感的手段。随着测试技术水平的提高，微量元素、稳定同位素和有机地球化学在古环境研究中的优势更为突出，相关的氧化还原条件的判识指标日益多样化和定量化。
3.3.1 微量元素指标
20世纪90年代以来，众多学者利用过渡金属、铀、硫含量及其相关比值对缺氧环境进行了广泛的研究，并提出了相应的判识标准。Hatch等［9］由北美黑色页岩的研究中得出，高的金属（Cd，Mo，V，Zn 等）含量，高的硫含量，DOP≥0.67，V/（V+Ni）≥0.54，指示含H2S的厌氧环境；低的金属含量，V/（V+Ni）为0.46～0.60，指示贫氧环境。Jones等［10］认为，DOP，U/Th，V/Cr，Ni/Co，及自生铀（AU=Utotal-Th/3）含量是古缺氧环境的有效标志，并提出了相关标准。
本次研究选取了V/（V+Ni），V/Cr，Ni/Co，U/Th几个参数作为缺氧环境的判识指标来分析有效烃源岩的发育环境。通过对磺厂和吼滩两条剖面的微量元素统计分析可见（表4），V/（V+Ni），V/Cr，Ni/Co，U/Th等4项判识指标与有机碳含量相关性强，由这些指标的纵向变化（图2，图3），可见这些指标在层位上的异常段与有机碳含量较高的层段有明显的对应关系。
表4 磺厂和吼滩剖面微量元素判识指标统计
注：斜线后为均值。
腾格尔等［2］总结了这些指标对缺氧环境的指示与判别标准，V/（V+Ni），V/Cr，Ni/Co，U/Th在缺氧与富氧环境中的界限值分别为0.45，2.0，5.0，0.75；大于这些值，指示为缺氧或厌氧环境，利于有机质保存；小于这些界限值，指示为富氧环境，不利于有机质的保存。经过对比可以看出，在TOC≥0.5%时，地化指标基本都显示缺氧环境，而在0.1%≤TOC＜0.5%和TOC≤0.1%时，这些指标大部分显示为氧化环境。
3.3.2 稀土元素
稀土元素（REE）因具特有的地球化学行为、对沉积环境变化十分敏感而广泛应用于古环境研究。Wright 等［11］把Ce与邻近的LaNd元素的相关变化称为铈异常（Ceanom），Ceanom=lg（3Cen/（2Lan+Ndn）），n表示北美页岩标准化值，并用作判识古缺氧环境的标志，Ceanom大于-0.1 为正异常，系还原环境；Ceanom小于-0.1 为负异常，是氧化环境。铈异常（Ce/Ce∗或δCe）的另一计算公式为δCe=CeN/（LaN×PrN）1/2，N表示球粒陨石标准化值，δCe大于1为正异常，小于0.95为负异常。陈衍景等［12］的研究表明，缺氧条件下∑REE低，δEu（δEu=EuN/（SmN×GdN）1/2，N为球粒陨石标准化值）和La/Yb高，氧化条件下则相反。
本次研究选用了Ceanom和δEu及La/Yb3个稀土元素指标来评价古环境。通过对磺厂和吼滩两条剖面的稀土元素统计分析可见（表5），这些指标显示其变化与有机碳含量具有正相关性，异常代表了沉积时的缺氧环境；这3个指标在不同剖面上的变化趋势见图2和图3。
图2 石门磺厂剖面地球化学指标纵向变化特征
图3 习水吼滩剖面地球化学指标纵向变化特征
表5 磺厂和吼滩剖面稀土元素判识指标统计
注：斜线后为均值。
3.3.3 有机碳同位素
沉积有机质的δ13Corg值主要与原始有机质的来源及沉积环境有关，其变化在多数情况下反映了原始δ13Corg同位素组成的变化，而热成熟作用并不会明显改变碳的同位素组成，因而δ13Corg在油气领域中作为有机质类型的划分指标已被广泛应用［13，14］。同时，缺氧环境的广泛分布严重影响了δ13Corg的原始同位素平衡，当缺氧条件占优势时，δ13Corg有偏轻的趋势［15，16］。
本次研究系统地测试了磺厂剖面的有机碳碳同位素值，其变化趋势见图2。由统计结果（表6）可以看出，有机碳含量较高的样品，其δ13Corg值较低，普遍小于-28，表明其有机质保存条件较好，处于缺氧环境。随着有机碳含量的降低，δ13Corg值增大，表明沉积水体的还原性降低。
表6 磺厂剖面有机碳碳同位素统计
4 讨论与结论
晚奥陶世—早志留世是一个非常特殊的地质转折时期，在该时期发生了生物集群灭绝事件，为显生宙五大生物集群灭绝事件之一。生物灭绝分为两幕，分别与晚奥陶世末期冈瓦纳古陆冰期的开始与结束期相对应，亦即与海平面的下降与上升期相对应。看起来，生物的灭绝似乎与气候变化引起的冈瓦纳冰盖增生和消融有关，而其中真正的原因是气候变化引起的全球性缺氧事件造成了生物的灭绝。就油气地质而言，缺氧事件往往有利于大套烃源岩地层发育，如最著名的白垩纪缺氧事件在中东地区形成的厚层黑色页岩成为诸多大型油气田的物质基础。
晚奥陶世—早志留世的缺氧事件在世界上很多地区都有表现［17～20］，其中不少都发育了优质的烃源岩，如北非地区发育的优质烃源岩有机碳最高可达17%。除了缺氧环境，北非地区烃源岩的发育还与上升洋流的发育密切相关［21，22］。
通过对微量、稀土元素和碳同位素分析，可以得知，上奥陶统—下志留统优质烃源岩发育层段限于五峰组和龙马溪组底部，发育环境为缺氧环境，并且具有较高的生物生产率，龙马溪组向上，缺氧环境遭到破坏，有机碳含量降低。
尽管缺氧环境是形成优质烃源岩地层的有利因素，但是还有许多因素可以影响烃源岩地层的发育，如上升洋流、海平面变化和沉积环境等等。同时缺氧环境的形成也受古构造和古气候等多种因素的控制，因此，针对晚奥陶世—早志留世扬子地区缺氧环境的形成背景与控制因素仍需要进一步研究。
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