0 引言
华南扬子地区下寒武统富有机质沉积不仅可作为有效的烃源岩，而且记录了关键时期丰富的地质历史，包括生物演化、古气候和海洋环境变化的全球事件。之前的研究主要集中在海洋氧化还原条件变化与生物演化之间的关系，研究区域主要集中在下寒武统出露良好的贵州省和湖南省，而对于位于扬子地台西北方向的四川盆地，由于中生代沉积的广泛覆盖而缺少系统的研究[14]。另外，对于这一关键时期有机物的富集机理，尤其对裂陷槽中具有异常高有机碳的页岩[15,16]，并未得到过多的关注。华南早寒武世普遍存在热液活动[4,17]，在下寒武统底部发现热液来源的硫化镍钼矿床[18,19]和硅质岩[20]。同时，贵州牛蹄塘组底部As、Sb元素异常富集和正Eu异常也被认为与热水沉积作用有关[21]。而在裂陷槽内部拉张的构造背景下是否也存在丰富的热液活动，其对有机质富集的影响如何，还需进一步研究。
因此，本文以四川盆地早寒武世裂陷槽中异常高有机碳的页岩为研究对象，通过页岩总有机碳和主、微量元素含量之间的耦合关系，以期阐明其特殊的沉积环境与有机质富集机理。
1 地质背景
在震旦纪—寒武纪过渡时期，大约800 Ma前，扬子地台从扬子与华夏陆块之间的裂谷演化而来。扬子地台晚震旦世灯影末期古地理通常从西北向东南方向划分为浅水碳酸盐台地、过渡带和深水盆地相[17,19]。而近期在上扬子四川盆地内部绵竹—长宁地区发现了晚震旦世—早寒武世克拉通内裂陷，该裂陷槽是在拉张背景下形成的[22,23]。由于下寒武统梅树村组—筇竹寺组沉积期为裂陷发展阶段，因此在裂陷槽内部充填了巨厚的深水陆棚相泥质岩[24]。本文研究区为错巴沟剖面，前人在该地区将目标层段命名为麦地坪组和筇竹寺组，主要由黑色薄层状富有机质页岩组成（图1）。错巴沟剖面麦地坪组底部与上震旦统灯影组硅质白云岩平行不整合接触，与上覆的筇竹寺组为连续沉积，未见筇竹寺组顶部。
2 样品与分析方法
本文22个页岩样品采自四川省绵阳市高川乡错巴沟剖面 (31°38′16″ N, 104°10′51″ E)（图1）。为确保取样点能够反映古海洋环境的连续变化规律，取样间隔控制在1 m左右。同时，为保证样品测试结果能够反映其原始信息，在采样之前，需剥离去除取样点约20 cm的风化表层。取样之后，将样品密封保存以防污染。
新鲜样品用玛瑙研钵磨至200目，并在70 ℃干燥24 h。粉末样品被分为数份，分别用于TOC含量、XRD和主、微量元素分析。①首先用15%盐酸溶液（HCl）对50~80 mg粉末样品在60 ℃消解24 h以去除碳酸盐矿物，随后用去离子水反复冲洗无碳酸盐部分直至中性，干燥后用LECO CS-400分析仪进行TOC含量和总硫（TS）含量的分析，测试过程依据国标GB/T19145—2003（沉积岩中总有机碳的测定）。②X-射线荧光光谱仪（Axios，Netherlands）用于测量选定的主量和微量元素,误差分别小于5%和10%，以国标GB/T14506.28—93（硅酸盐岩石化学分析方法X-射线荧光光谱法）为依据，多次用国际标样和重复测试单个样品保证仪器的稳定与结果的准确性。③用氢氯酸和氢氟酸去除粉末全岩样品中的无机基质，然后用重液分离的方法获得干酪根。用稳定同位素质谱仪MAT-253测干酪根的碳同位素组成，测试结果按VPDB标准计算，误差范围为±0.5‰。
3 讨论
成分变化指数（ICV）可判断碎屑岩的原始成分是属于初始沉积物还是沉积再循环的产物[25]。错巴沟剖面的ICV均值为1.6，大于1，说明研究区泥质岩为第一次沉积的产物。因此，可用于沉积背景的判识。
3.1 构造环境与碎屑输入
泥页岩的Ti/Al值可用作陆源碎屑矿物颗粒指数而且可以指示沉积速率[28]，较高的Ti/Al值指示粗碎屑颗粒供应充足、沉积速率大。研究区Ti/Al值除在第Ⅲ段存在波动外，大部分分布在平均值0.048附近（图3），表明一个稳定的沉积速率。在第Ⅲ段中2个高的Ti/Al值对应低CIA值（60~70），源区此时干冷的气候导致物源区化学风化减弱，以物理风化作用为主，剥蚀、搬运和沉积过程中粗碎屑成分较多，沉积速率略高；相反地是，在Ⅱ段和Ⅲ段的中部均存在一个Ti/Al最小值，分别与该段的高CIA值对应[图2(b)]，说明在温暖湿润气候下强烈的化学风化和大量淡水的长期搬运导致碎屑颗粒变细、沉积速率变缓，水动力较弱，有利于有机物的富集。因为过高的沉积速率将会稀释有机物丰度， Ti/Al值与TOC值之间弱的相关性 (R 2=0.03) 表明这种情况在研究区并没有发生，也说明研究区可能处于离物源区距离较远、陆源输入较稳定的外陆棚环境。岩相古地理研究结果也表明研究区在早寒武世属于深水陆棚相（图1）[24]。
3.2 古气候条件
K2O/Al2O3值与Ga/Rb值被应用于古地层中的气候和风化程度的恢复[29]。将页岩样品投入图版中发现研究层段主要发育于温暖湿润的气候条件下，偶有气候变冷发生[图2(c)]，与上述陆源输入分析结果一致。在稳定的构造背景下，化学蚀变指数（CIA）可用于重建沉积时的古气候并且可以反映物源区源岩化学风化程度[30]。本研究中样品的CIA值分布在62.6~99.7之间，平均值为78.6，高于平均页岩的CIA值（70~75）[31]，也反映出温暖湿润的气候条件与中等程度的化学风化。古地磁研究表明，华南地块位于北纬20°的位置[33]；其中，扬子地块西缘（研究区）距离赤道最近。通过硅质岩硅同位素和石盐包裹体进行古温度恢复，新元古代末期温度高达40 ℃[27]。
3.3 海洋氧化还原条件
在V/Cr剖面上可发现，Ⅱ段和Ⅲ段缺氧程度更为严重，这种结果与黄铁矿纵向上的变化趋势相一致。另外，发现TOC与V/C值等氧化还原指标的耦合性要优于古生产力指标（图3），说明底部水体的还原性对有机质的富集更为重要。尤其是在剖面Ⅳ段和Ⅰ段更为显著，在Ⅳ段P/Al值、Cu/Al值和Ni/Al值3个参数都反映出较高的初级生产力水平，但是相对应的TOC含量却较低；在Ⅰ段初级生产力水平向上逐步增加，但TOC高值却出现在该段的中间位置，初级生产力与TOC在这两段存在的异常可从V/Cr值所分别揭示的次氧（Ⅳ）和缺氧（Ⅰ）的保存环境得到答案。这说明如果底水中氧含量较高时，生物残体在水体沉降过程中将逐渐被氧化而无法很好地保存下来。
3.4 古生产力
磷是生物体组成中的基础元素[39]。沉积物中来源于陆源碎屑的磷所占的比例小于总磷的20%[40]，为了消除陆源碎屑的影响，P/Al值或P/Ti值更能真实地反映古海洋初级生产力。研究层段P含量分布在(126~2 394)×10-6之间，平均为760×10-6。在底部Ⅰ段磷含量是最低的，之后突然增加；距底10 m以上的层段磷含量是相对稳定的，在1 000×10-6附近波动。P/Ti值分布在0.07~1.24之间，平均值为0.51，大于后太古代澳大利亚页岩(PAAS)的 0.13与Ubara远洋黏土的0.33[41]，但远低于现代赤道太平洋的P/Ti值(2~8)[42]。另外，P/Ti值与TOC之间基本没有相关性（R 2=0.000 2），这可能是缺氧底水与孔隙水环境将会导致磷从有机物中析出并在海水中滞留的影响[23]。
同理，P、Ba、Cu和Ni 4种营养元素在陆源碎屑Al的校正后对比发现[43]，在最底部Ⅰ段的范围内，初级生产力水平逐步提高，但是TOC最高值却对应中间的中等生产力，而与V/Cr值反映的缺氧条件更为相关。在Ⅱ段和Ⅲ段，生产力水平波动较大，可能是在缺氧的环境下，涉及的生物化学过程较为复杂，影响营养元素富集因素较多。总体而言，生产力水平最低值处于Ⅱ段和Ⅲ段分界处，其上下均存在一个峰值。在顶部Ⅳ段内，中间的生产力水平很高，但是并不对应TOC高值，可能与不利于有机质保存的次氧化水体环境有关。
3.5 海底热液活动
热液活动会提高热液喷口区域的生物量及生物活动强度[48]，同时提供大量NO3 -、PO4 3-、NH4 +等营养盐类和Fe、Mn、Zn、Co和Cu等微量金属元素[49]。在热液参与背景下的生物生产率与海底热液的通量存在正相关[50]。在贵州遵义松林寒武系底部发现了与现代海底热水生物特征相似的生物群[51]。错巴沟剖面干酪根碳同位素值分布在-38.3~-36.9‰之间，平均值为-37.7‰。与裂陷槽内的其他剖面或井资料相比[14,16,24]，其干酪根碳同位素组成最轻。δ13Ccarb－δ13Corg的差值△δ13C值大于32‰可指示还原水体中化能自养型生物的参与[52]。地质历史中重的海相碳酸盐岩的碳同位素值分布在-3‰~2‰之间[53]，即使早寒武世沉积碳酸盐的碳同位素值按-3‰计算，研究区△δ13Corg值仍然分布在35.3%~33‰之间，均大于32‰，说明研究区在早寒武世有机质中存在化能自养型生物的输入。
4 结论
基于一系列的地球化学分析，对位于上扬子地区四川盆地裂陷槽中的下寒武统烃源岩的富集机理进行讨论，结果如下：
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(1) 裂陷槽中富有机质页岩的TOC含量分布在5.96%~23.15%之间，平均含量为11.64%。氧化还原敏感元素指标和黄铁矿含量表明沉积物主要发育于厌氧硫化的底水环境。湿润气候下的大量淡水输入、较高的初级生产力和海底热液喷流共同作用下导致海水分层并且使得底水严重缺氧至硫化还原环境。
(2) 初级生产力指标揭示了沉积期较高的初级生产力。温暖湿润的气候增强了物源区的化学风化作用，因此，大量的细粒碎屑物质和溶解的营养元素进入海洋促进表层浮游生物的繁盛。
(3)在四川盆地早寒武世裂陷槽西部拉张背景下海底热液喷流不仅可提供营养元素，促进洋底厌氧环境中化能自养生物的发育；而且还会增强底水的还原条件，有利于有机物的保存。
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