通过对秭归新滩剖面的精细露头实测, 结合有机碳、岩矿组成和生物地层划分, 依据石英+长石、黏土和碳酸盐矿物三端元划分方案(王玉满等, 2016), 岩性纵向上呈现以下特征: 五峰组底部WF2带(Dicellograptus complexus带, 下同)以黏土质硅质混合页岩为主, 黏土质含量相对较高; 五峰组中部WF3带(Paraorthograptus pacificus, 下同)以硅质页岩为主, 硅质含量极高, 有机质含量较高; 五峰组顶部观音桥段则以钙质硅质混合页岩为主, 碳酸盐含量较高, 有机质含量仍维持在高值区; 龙马溪组鲁丹阶LM2— LM5带(依次对应Akidograptus ascensus、Parakidogr acuminatus、Cystograptus vesiculosus、Coronograptus cyphus, 下同)至埃隆阶LM6(Demirastrites triangulatus, 下同)底部均以硅质页岩相为主, 有机质和硅质含量较高, 在出现18icm厚层斑脱岩后, 埃隆阶中期开始硅质含量急剧下降, 黏土质含量迅速增加, 往上主要以黏土质硅质混合或黏土质页岩为主(图 2)。结合前人研究, 发现秭归新滩剖面五峰— 龙马溪组优质页岩段主要集中在WF2— LM6带下部, 以硅质页岩为主, 夹少量黏土质硅质页岩, 而上扬子地区五峰— 龙马溪组优质页岩主要发育在WF2— LM4带(聂海宽等, 2017; 梁峰等, 2017), 反映中扬子地区优质页岩纵向上持续时限更长, 这也侧面佐证了陈旭等(2017)提出的湘鄂西地区LM1— LM6带海水逐渐加深的渐进演化模式。

图 2

Fig.2

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	图 2 中扬子地区秭归新滩剖面五峰— 龙马溪组页岩综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of the Wufeng-Longmaxi Formations shale in Zigui-Xintan section in the Middle Yangtze region

本次研究主要利用沉积物微量元素的组合及其含量, 来推断沉积环境。

4.2.1 古盐度

古盐度不同的海水中有机质的还原所产生的还原硫的数量不同, 故S/C值可以用来反映盆地水体的盐度。正常海水S/C值为0.2~0.6, 小于0.2的水体盐度较低, 大于0.6的水体盐度较高(Berner and Raiswell, 1983; 王清晨, 2008; 王玉满等, 2017)。在中扬子地区, 五峰组S/C值介于0.04~0.14之间(图 3), 反映五峰期水体为低盐度、强淡化状态; 鲁丹阶S/C值介于0.23~0.58之间, 反映鲁丹期水体处于正常盐度状态; 埃隆阶LM6带底部S/C值介于0.38~0.56之间, 显示埃隆期早期水体依然处于正常盐度状态; 埃隆阶中上部S/C值介于0.62~1.38之间, 显示水体已进入高盐度、咸化状态。可知, 研究区五峰— 龙马溪组优质页岩主要形成于低盐度— 正常盐度环境下, 这与上扬子地区五峰— 龙马溪组为淡化水沉积环境(王玉满等, 2017)一致, 因此凯迪期— 埃隆早期的中上扬子海域为一整体的大型陆表淡化海洋, 而埃隆中期以后随着水体咸化, 优质页岩也不再发育。

图 3

Fig.3

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	图 3 中扬子地区秭归新滩剖面部分微量元素及其比值演变Fig.3 Variations of some trace element contents and element ratios of Zigui-Xintan section in the Middle Yangtze region

4.2.2 古生产力

已有研究表明, 生源钡与有机碳含量和古生产力呈现明显的正相关, 生源钡的富集程度可以表征水体的古生产力(严德天等, 2009)。本次研究主要依据Francois提出的计算方法(Francois et al., 1995), 采用Ti和Ba扣除陆源碎屑对岩石中微量元素的影响, 由此计算生源钡和古生产力。

从表 2可知, 凯迪阶黑色页岩段古生产力变化范围为1.72~5.19ig/(cm²· a), 平均值约为3.36ig/(cm²· a); 赫南特阶古生产力变化范围为3.86~5.23, 平均值约为4.46ig/(cm²· a); 龙马溪组鲁丹阶的古生产力变化范围为0.73~3.6ig/(cm²· a), 平均值约为2.02ig/(cm²· a); 龙马溪组埃隆阶的古生产力变化范围为0.41~0.74ig/(cm²· a), 平均值为0.52ig/(cm²· a)。上述古生产力指标指示五峰组具有相对较高的古生产力, 龙马溪组鲁丹阶次之, 埃隆阶古生产力相对较低。从纵向上来看, 凯迪期— 赫南特期古生产力呈现迅速增加的趋势, 并在赫南特期达到峰值, 至鲁丹期古生产力有所降低但仍维持的在高值, 埃隆中期开始古生产力逐渐降低, 这与周缘宜昌等地浅钻资料揭示的古生产力指标纵向变化规律(王涛利等, 2018)相吻合。

表 2

Table2

表 2(Table2)

表 2 中扬子地区秭归新滩剖面总钡、总钛和生源钡含量 Table2 Total barium, total titanium and authigenic barium content of Zigui-Xintan section in the Middle Yangtze region

表 2 中扬子地区秭归新滩剖面总钡、总钛和生源钡含量 Table2 Total barium, total titanium and authigenic barium content of Zigui-Xintan section in the Middle Yangtze region

由此可知, 研究区凯迪期— 埃隆早期古生产力处于高峰, 海洋提供了大量的有机物质, 有利于形成优质页岩。与上扬子地区相比, 上扬子海域在五峰期— 鲁丹中期古生产力较高, 而鲁丹晚期— 埃隆期古生产力急剧下降(王玉满等, 2017), 这说明中扬子地区在奥陶纪— 志留纪之交营养物质供应时间较上扬子地区略长, 优质页岩延续顶界更高。

4.2.3 古气候

在干旱炎热条件下, 由于表层水分的蒸发, 水体碱性增强, Na、Cu、Mg和Sr等元素被大量分离出来, 水体中沉淀出较多盐类。Sr/Cu值对古气候的响应非常敏感, 可以用作表征古气候的重要方法。一般情况下, Sr/Cu值介于1~10之间代表温暖潮湿气候, 而Sr/Cu值大于10则指示干旱炎热气候(孙小勇等, 2016)。研究区五峰组下部页岩段Sr/Cu值介于0.7~7.8之间, 平均值为2.6, 反映五峰组沉积早期为温暖潮湿气候; 赫南特阶Sr/Cu值介于0.4~0.9之间, 这个比值出现极低值可能与赫南特冰期有关; 鲁丹阶Sr/Cu值介于0.9~4.3之间, 平均值为2.1, 反映鲁丹期变为温暖潮湿气候; 埃隆阶Sr/Cu值介于1.1~1.5之间, 平均值为1.3(图 3), 反映这种温暖潮湿气候一直持续至埃隆末期。因此, 研究区五峰— 龙马溪组优质页岩主要形成于温暖潮湿的气候环境下。

4.2.4 沉积环境开放性

已有研究表明, 在开阔的或封闭性很弱的深水盆地中, 沉积物中Mo含量和水体的氧化还原程度有良好的对应关系; 而在局限的深水盆地中, 沉积物中Mo含量和水体氧化还原程度无关(常华进等, 2009)。

研究区五峰组Mo含量较低(图 3), 反映五峰期海盆呈现半封闭— 强封闭状态; 鲁丹阶至埃隆阶下部Mo含量较高, 且Mo含量与反映氧化还原程度的V/Cr比值呈现较好的正相关性(图 4), 反映鲁丹期— 埃隆早期海盆呈现弱封闭状态; 埃隆阶中上部Mo含量则较低, 反应埃隆中晚期海盆呈现半封闭— 强封闭状态。在凯迪期至埃隆早期, 正是在弱封闭— 半封闭环境下, 不同海域之间营养物质的交换频繁, 有利于优质页岩的形成。微量元素则显示, 上扬子海域五峰期— 鲁丹中期均具有较高的Mo含量, 而鲁丹晚期— 埃隆期Mo含量开始显著下降, 反映上扬子海域在五峰— 鲁丹中期为弱封闭— 半封闭环境, 鲁丹晚期开始海域封闭性逐渐增强(王玉满等, 2017)。可见中扬子海域和上扬子海域具有一定的差异性, 这与周缘地块和扬子板块的碰撞拼合作用有关, 中扬子海域由于从五峰组沉积早期开始就存在较多古隆起或古陆, 中扬子海域五峰期较上扬子海域显示更强的封闭性, 而鲁丹期之后中扬子海域与上扬子海域相比封闭得更晚。因此, 受周缘隆起或海底古地形导致海域阻隔作用的不同, 中扬子海域呈现早期较强、中期较弱、晚期较强的特点, 而上扬子海域则呈现早中期较弱、晚期较强的特征, 并且相较于中扬子海域封闭得更早, 这是中扬子与上扬子地区纵向上优质页岩在分布时间上存在差异的主要影响因素之一。

图 4

Fig.4

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	图 4 中扬子地区秭归新滩剖面鲁丹阶— 埃隆阶下部Mo与V/Cr关系Fig.4 Relationship between Mo and V/Cr from the Rhuddanian to the lower Ellonian in Zigui-Xintan section in the Middle Yangtze region

4.2.5 氧化还原条件

V/Cr值可作为判别古海洋氧化还原条件的一个参数, 即V/Cr< 2代表富氧环境, V/Cr> 2代表贫氧和缺氧环境(腾格尔等, 2005)。新滩剖面样品的微量元素分析发现(图 3), 五峰组底部V/Cr< 2, 显示其为氧化环境, 五峰组中上部至埃隆阶底部V/Cr值均大于2, 且在鲁丹阶底部达到峰值(图 3), 反映五峰组沉积期至埃隆早期整体呈现贫氧和缺氧环境; 埃隆阶中部开始V/Cr值均小于2, 说明到埃隆期中期含氧量逐渐增加, 变为富氧环境。

Ni/Co值也可以反映沉积水体的氧化还原性, 即Ni/Co< 5为氧化环境, 5< Ni/Co< 7为贫氧环境, Ni/Co> 7为缺氧环境(腾格尔等, 2005)。新滩剖面样品的微量元素分析发现(图 3), 五峰组底部Ni/Co< 5, 也显示为氧化环境, 五峰组中上部至埃隆阶底部Ni/Co值均大于7, 也在鲁丹阶底部达到峰值, 指示五峰组沉积期至埃隆早期整体为缺氧环境; 埃隆阶中部开始Ni/Co值均大于5, 反映到埃隆期中期开始变为富氧环境。显而易见, 凯迪期至埃隆早期的贫氧和缺氧环境, 极利于优质页岩的形成, 这也是大部分海相优质页岩形成的必要条件。

通过上述微量元素分析, 结合生物笔石带特征, 可以知道上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组优质页岩主要分布于五峰组、鲁丹阶和埃隆阶底部, 形成于低盐度— 正常盐度、温暖潮湿、弱封闭— 半封闭的缺氧环境中, 并且具有较高的古生产力。针对中扬子地区五峰— 龙马溪组优质页岩的形成背景, 笔者认为构造活动强弱、海平面变化以及生物硅质— 陆源硅质供应是该区优质页岩发育的主要控制因素。

4.3.1 构造活动

由于加里东晚期扬子板块与周缘地块汇聚作用的大量痕迹被后期构造变动的强烈改造所掩盖, 整个扬子盆地在奥陶纪— 志留纪之交时的沉积构造背景及其对优质页岩的控制作用成为目前研究的难点。已有研究表明, 华南五峰— 龙马溪组钾质斑脱岩主要来源于大陆边缘或岛弧地区的火山喷发(苏文博等, 2006; 吴蓝宇等, 2018), 且与板块碰撞对接的过程有关, 因此该套富含钾质斑脱岩的黑色页岩可以作为扬子板块与周缘陆块碰撞阶段形成的物质记录(王玉满等, 2018)。笔者通过开展秭归新滩剖面五峰— 龙马溪组斑脱岩识别以及发育特征研究, 探讨板块构造活动强弱的变化规律。

秭归新滩剖面位于中扬子台地中部, 可以接受来自扬子板块周缘的火山喷发沉积物。在该剖面, 五峰组下部(Dicellograptus complexus-Paraorthograptus pacificus带)厚度为4.32im, 总共可见16层斑脱岩(表 3), 单层厚度为0.1~0.5icm, 累计厚度达到3.4icm, 发育频率为0.81~3.16icm/Ma, 其中五峰组底部Dicellograptus complexus带斑脱岩发育频率达到最高峰(图 5-A); 赫南特阶基本未见斑脱岩; 鲁丹阶(Akidograptus ascensus-Coronograptus cyphus带)厚度为7.14im, 见4层斑脱岩, 单层厚度为0.1~1.0icm, 累积厚度为1.9icm, 发育频率为0.22~2.0icm/Ma; 埃隆阶下部(Demirastrites triangulatus带)可见8层斑脱岩, 单层厚度为0.2~18.0icm, 出现奥陶纪— 志留纪之交最厚斑脱岩(图 5-B), 该层累计厚度达到23.0icm, 发育频率为14.74icm/Ma, 该段斑脱岩发育频率和规模达到奥陶纪— 志留纪之交的最高峰; 在埃隆阶中上部(Lituigraptus convolutes-Stimulograptus sedgwickii带), 可见2层斑脱岩(页岩风化较严重), 单层厚度为0.1~1.0icm。综上所述, 五峰组— 龙马溪组自下而上斑脱岩发育频率及规模呈现逐渐增加的趋势, 且在五峰组沉积早期和埃隆早期达到高峰, 反映扬子板块与周缘陆块碰撞的构造活动呈现五峰组沉积早期强烈、五峰组沉积中期— 鲁丹晚期较平稳、埃隆早期开始进入强烈活动期的特点。结合前人对斑脱岩的研究发现, 五峰— 龙马溪组底部高频斑脱岩在整个扬子海域均有分布, 而埃隆阶最厚斑脱岩在扬子地台大部分地区也呈现稳定分布的特征。

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 中扬子地区秭归新滩剖面斑脱岩发育特征统计 Table 3 Statistics of bentonite development characteristics of Zigui-Xintan section in the Middle Yangtze region

表 3 中扬子地区秭归新滩剖面斑脱岩发育特征统计 Table 3 Statistics of bentonite development characteristics of Zigui-Xintan section in the Middle Yangtze region

图 5

Fig.5

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	图 5 中扬子地区秭归新滩剖面斑脱岩发育特征 A— 五峰组底部高频薄层斑脱岩; B— 埃隆阶底部厚约18icm斑脱岩Fig.5 Development characteristics of bentonite in Zigui-Xintan section in the Middle Yangtze region

构造活动一方面影响页岩沉积的古地理格局, 另一方面对优质页岩的形成起着最重要的控制作用。五峰组沉积早期短暂的剧烈构造活动阶段, 周缘隆起剧烈抬升并向扬子板块挤压, 中扬子地区处于台地往陆棚转换过渡期, 形成半封闭— 强封闭、弱氧化的环境, 与周缘海域发生海水交换且营养物质补给不够充分, 具有相对较低的古生产力, 建造厚度不大的黑色页岩; 五峰组沉积中期— 鲁丹阶晚期为构造活动稳定阶段, 在温暖气候环境下, 形成了弱封闭、强还原、低盐度— 正常盐度的环境, 与周缘海域频繁的海水交换且营养物质补给充分, 具有较高的古生产力, 建造了TOC含量介于2%~8%之间的优质页岩, 也是研究区优质页岩的主要形成期; 进入埃隆早期构造活动强烈期, 在整个扬子海域形成最厚的斑脱岩之前, 在埃隆阶底部仍保持弱封闭、强还原、低盐度的环境, 与周缘海域较频繁的海水交换且营养物质补给较为充分, 具有较高的古生产力, 建造了TOC含量大于2%的优质页岩, 也是研究区优质页岩的次要形成期, 这也是中扬子相较于上扬子优质页岩纵向延伸时限更长的重要原因之一; 在经过埃隆早期强烈构造活动后, 形成最厚斑脱岩之后, 构造活动进一步剧烈, 形成强封闭、富氧、高盐度的环境, 海水交换不够频繁且营养物质明显供应不足, 具有较低的古生产力, 基本不发育优质页岩。

4.3.2 相对海平面变化

中国南方、北非以及阿拉伯半岛志留系烃源岩具有全球可对比性, 且全球海平面升降对烃源岩的发育起着明显的控制作用(聂海宽等, 2017)。鉴于三级海平面变化具有全球可对比性, 本次研究根据研究区秭归新滩剖面Ce异常资料(图 3; 冯洪真等, 2000; 何卫红等, 2003)来揭示中扬子地区海平面变化规律。

秭归新滩剖面Ce异常总体的变化趋势为: 五峰组沉积早期以负异常增加为主, 到了五峰组沉积晚期(赫南特期)明显向负异常减小方向偏移, 反映五峰组沉积早期以海侵为主, 海平面处于高水位, 对应奥陶纪— 志留纪之交的第1次大规模海侵, 五峰组沉积晚期出现海退, 海平面处于中等水位; 鲁丹早中期出现了3次较小的δ Ce波动, 这与海平面频繁变化有关, 但整体以负异常增加为主, 对应奥陶志留之交的第2次大规模海侵, 而鲁丹期晚期— 埃隆早期, 明显向负异常减小方向偏移, 这种偏移一直持续至埃隆中晚期, 反映鲁丹早中期以海侵为主, 海平面恢复到五峰海侵期的高水位, 在鲁丹晚期— 埃隆早期海平面下降处于中高水位, 到了埃隆中晚期海平面持续下降至中等水位。因此伴随全球海侵作用, 五峰期— 埃隆早期中扬子海域水体整体处于中— 高水位状态, 为低盐度、缺氧的环境提供保障, 有利于五峰— 龙马溪组优质页岩的建造。

4.3.3 生物硅质和陆源输入供应

大量研究表明, 海相泥页岩中SiO₂的主要来源有以下3种: 陆地上母岩风化作用搬运到海底沉积的SiO₂、生物骨骼或介壳SiO₂和海底热液形成的SiO₂(王淑芳等, 2014), 而扬子海盆五峰— 龙马溪组由于基本不受热液的影响, 因此研究区五峰— 龙马溪组硅质来源主要为生物硅质和陆源输入供应2种。

据前人研究, 五峰— 龙马溪组下段生物硅质主要来源于放射虫、有孔虫和硅藻等微体古生物, 为浮游生物残骸沉淀下来后经过成岩作用演化而来, 且该套页岩中生物硅质占到40%~60%, 另一部分硅质主要由陆源碎屑提供, 该部分硅质来源可以用Al₂O₃和TiO₂含量来表征(王淑芳等, 2014)。

全岩矿物分析结果表明, 石英含量整体呈现自下而上降低的趋势, 而且石英含量超过40%的层段主要集中在五峰组— 埃隆阶下部。主量元素分析表明, 秭归新滩剖面五峰组— 埃隆阶下部SiO₂与Al₂O₃、SiO₂与TiO₂不存在相关性, 且Al₂O₃、TiO₂含量较低(图 6-A), 反映在整体硅质供应量充足的情况下, 五峰组— 埃隆阶下部陆源供应明显较少, 生物硅质供应占据主导地位; 而埃隆阶中上部SiO₂与Al₂O₃、SiO₂与TiO₂均表现为明显的正相关性(图 6-B), 且Al₂O₃和TiO₂含量较高, 反映到了埃隆中晚期陆源供应明显增加, 生物硅质供应明显不足, 且整体硅质供应量比五峰期— 龙马溪组早期小。其实, 生物硅质和陆源硅质的供应关系归根到底是构造活动强弱的结果, 五峰期— 埃隆早期构造活动较弱, 有利于生物硅质的供应, 而到了埃隆早期最厚斑脱岩出现后, 构造活动急剧增强, 大量陆源输入, 导致低盐度、缺氧的环境被打破, 优质页岩不再发育。因此, 正是在构造活动较弱时, 五峰期— 埃隆早期充足的生物硅质生产以及少量的陆源碎屑供应形成了五峰— 龙马溪组下段富有机质、富硅质页岩。

图 6

Fig.6

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	图 6 中扬子地区秭归新滩剖面五峰— 龙马溪组主要元素氧化物含量相关图 A— SiO2与Al2O3含量相关性; B— SiO2与TiO2含量相关性Fig.6 Correlation chart of major element oxide content of the Wufeng-Longmaxi Formations in Zigui-Xintan section in the Middle Yangtze region

通过上述分析认为, 中扬子地区五峰— 龙马溪组优质页岩受构造活动强弱、海平面升降以及陆源— 生物硅质供应等多因素的控制, 形成了一套富有机质、富硅质页岩。笔者在此基础上, 总结了优质页岩的发育模式(图 7)。

图 7

Fig.7

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	图 7 中扬子地区五峰— 龙马溪组海相优质页岩发育模式Fig.7 Development model of high-quality marine shale in the Middle Yangtze region

在晚奥陶世五峰组沉积期, 气候相对温暖湿润, 经过短暂的强烈构造活动后, 区域构造活动很快趋于平稳, 位于相对远离板块边缘的中扬子地区地形也较平坦, 古陆面积较小, 封闭性较弱, 盐度较低。受全球海侵的影响, 海平面迅速上升, 除表层水体表现为氧化环境外, 中— 深部水体都以缺氧环境为主, 浮游生物出现大爆发, 硅质放射虫、有孔虫、硅藻以及笔石等浮游生物表现为较高的生产力, 大量有机质缓慢沉降至海底, 少量黏土矿物颗粒呈悬浮状也沉降至海底, 在底部形成主体富含硅质放射虫、笔石和有机质的硅质页岩, 伴随着周缘板块挤压作用的影响, 大陆边缘活动区火山活动频发, 形成广泛分布的“ 火山灰” (苏文博等, 2006), 通过悬浮沉降和远洋悬浮沉降作用沉积于海底形成钾质斑脱岩, 夹于硅质页岩之间(图 7-a)。在赫南特期, 研究区进入地史上的冰期, 气候急剧变冷, 海平面有所降低, 以浮游生物为食物的笔石大量灭绝, 腕足、三叶虫和头足等门类生物大量死亡, 此时古生产力达到最高峰。

在鲁丹期, 研究区基本与五峰组沉积期古地理格局保持一致, 冰盖迅速消融, 海平面快速上升, 基本达到五峰组最大海泛面时期的水位, 而此时构造活动相较于五峰组沉积期更为平静, 钾质斑脱岩频率也相对较低, 浮游生物再次出现大爆发, 硅质放射虫和双列笔石等浮游生物开始大量发育, 为海洋提供了大量的生物硅质, 古生产力较高。伴随着气候变暖, 古盐度开始增加, 正常海水或盐度略低的海水进入原先的强封闭环境后, 由于密度的差异, 导致在一个局限的时间内, 盆地中心部位的高盐度底层水, 被包括盆地边缘部分在内的分布较广的低盐度表层水隔绝而形成缺氧环境, 优质页岩形成进入高峰期(图 7-c)。

进入埃隆期, 华夏板块进一步向扬子板块俯冲, 构造活动明显加剧, 火山活动进入高峰期, 扬子海域继续萎缩, 四周古陆稳步扩张, 海平面开始缓慢下降, 虽然海洋古生产力有所降低, 但在埃隆早期(主要最厚斑脱岩沉积之前)的半封闭— 缺氧环境未被完全打破, 古水深较大, 仍然可以形成黑色优质页岩; 到了埃隆中晚期, 随着扬子板块的继续推进, 扬子海域封闭性增强, 古盐度开始增加, 海平面快速下降, 缺氧环境被打破, 生物硅质供应减少, 陆源碎屑供应迅速增加, 形成黏土质页岩(图 7-d), 优质页岩停止发育。