0 引言
下寒武统筇竹寺组（在中扬子地区为水井沱组，在黔北为牛蹄塘组，下同）为中国南方页岩气重要勘探层系［1-5］，在其暗色页岩段发现含有大量类型丰富的结核体［6-10］。结核体是海相页岩中十分常见且又复杂的一类沉积构造，在揭示构造活动、古地理、古环境、古气候、古物源和成岩作用等方面具有重要意义［9-12］，但有关筇竹寺组结核体的发育特征及其沉积环境意义的研究成果总体较少，且不系统。比较而言，下志留统龙马溪组结核体的研究工作较为系统，且有专文报道［11-12］，该层系结核体的存在揭示了龙马溪组沉积晚期（即前陆期）扬子海盆构造活动、沉积环境及其特定的岩相组合［11-13］，这对开展筇竹寺组结核体发育特征及其沉积环境研究具有参考价值。
中上扬子地区筇竹寺组普遍具有岩性三分性，自下而上可划分为SQ1 、SQ2和SQ3 共3个三级层序［1-3，7-8］，在SQ1和SQ2黑色页岩段常见钙质结核体。关于下寒武统结核体，张先进等［9］、庞谦等［10］通过对峡东、川北筇竹寺组结核体宏观和微观特征及岩石学研究，探究了其成因机制，并初步形成了钙质结核体总体为由深水沉积提供物源、在成岩早期微生物降解带沉淀形成的基本认识。近几年来，随着勘探和研究工作的不断深入，笔者发现，在四川盆地盆内裂陷槽和川北、鄂西、渝东、湘黔等裂陷区筇竹寺组黑色页岩段（主要为SQ1，其次为SQ2）广泛出现孤立分散状或断续顺层状分布、尺寸变化较大的结核体（以钙质或云质结核体为主）。受有效资料点少和研究程度低等因素制约，目前关于筇竹寺组结核体发育特征及其对优质页岩沉积环境的指示意义，尚未形成系统认识。
图1 长阳白竹岭水井沱组综合柱状图GR为自然伽马，露头剖面GR值为HD-2000手持式伽马仪测试结果，单位cps为计数率/秒，下同 Fig.1 Stratigraphic comprehensive column of Shuijingtuo Formation in Baizhuling section， Changyang area |
图2 中上扬子地区下寒武统筇竹寺组SQ1沉积相与重要资料点分布Fig.2 Sedimentary facies and important data points of SQ1 of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Middle⁃Upper Yangtze region |
表1 中上扬子地区筇竹寺组结核体地质参数Table 1 Geologic parameters of concretion in Qiongzhusi Formation in the Middle-Upper Yangtze area |
| 资 料 点 | 层序 | 结核体 | 围岩 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 层号 /井深 | 出露形态 | 单体尺度大小/cm | 岩性 特征 | GR | TOC/% | 岩石矿物含量 | 岩相 | 地质参数 | ||
| 长阳白竹岭剖面 | SQ1 | 3层 | 孤立透镜状、 椭球状 | 数厘米—数十厘米 | 钙质硅 质混合 页岩相 | 278~ 387 cps | 7.06 | 石英 20.5 %、钾长石3.2%、斜长石3.0%、方解石47.6%、白云石6.5%、黄铁矿5.2%、石膏0.9%、黏土13.1% | 炭质页岩 | GR 330~552 cps，TOC 7.5%~9.1%，岩石矿物组成为石英38.2%~60.3%、长石4.8%~9.6%、方解石0~6.1%、白云石0~14.3%、黄铁矿7.1%~7.8%、黏土24.1%~25.0% |
| 4层 | 断续透镜状， 局部呈层状 | 长轴100~200， 短轴10~30 | 硅质页 岩相 | 356 cps | 7.66 | 石英 69.4 %、长石4.2%、黄铁矿3.7%、石膏0.9%、黏土21.8% | 炭质页岩 | GR 330~402 cps，TOC 5.3%~9.1%，岩石矿物含量为石英44.4%~60.3%、长石4.5%~4.8%、方解石0~10.4%、白云石0~8.2%、黄铁矿5.0%~7.8%、石膏0.7%~1.2%、黏土25.9%~26.8% | ||
| 6层和8层 | 断续透镜状， 局部呈层状 | 长轴50~100， 短轴15~30 | 云质页 岩相 | 6层202~209 cps， 8层147~186 cps， | 1.23 | 石英6.3%、长石0.3%、方解石16 %、白云石64.9%、黄铁矿6.5%、黏土5.1% | 硅质页岩 | GR 203~250 cps，TOC 3.3%~5.9%，岩石矿物组成为石英49.4%~64.4%、长石5.5%~7.3%、方解石0~10.4%、白云石0~8.2%、黄铁矿1.2%~7.7%、石膏0~2.1%、黏土21.7%~37.2% | ||
| 10层 | 层状为主，局部呈断续透镜状 | 长轴100~200， 短轴15~30 | 云质页 岩相 | 153~ 156 cps | 2.11 | 石英23%、长石2.1%、方解石7.4 %、白云石52%、黄铁矿4.9%、黏土10.6% | 硅质页岩 | |||
| 鹤峰白果坪剖面 | SQ1 | 2层 | 孤立透镜状、 椭球状 | 长轴120~150， 短轴40~50 | 钙质硅 质混合 页岩相 | 480~ 498 cps | 硅质页岩 | GR 502~583 cps，TOC 5.2%~6.4%，岩石矿物组成为石英48.4%~50.9%、长石7%~12.1%、方解石0~9.5%、黄铁矿0~6.0%、石膏0~1.0%、黏土28.1%~37.0% | ||
| 镇远青溪剖面 | SQ1 | 4层 | 断续透镜状， 局部呈层状 | 长轴190~230， 短轴30~40 | 云质页 岩相 | 645~ 745 cps | 3.62 | 石英8.7%、长石8.5%、方解石5.3%、白云石21.3%、钡解石31%、菱碱土矿20%、石膏1%、黏土4.2% | 含炭质硅质页岩 | GR 900~1134 cps，TOC 2.05%~13.06%，岩石矿物组成为石英56.7%~78.5%、长石1.5%~9.5%、方解石0~2.2%、白云石1.6%~7.3%、黄铁矿1.6%~3.4%、重晶石0~1.7%、石膏0~7.2%、黏土7.1%~14.2% |
| 6层 | 长轴290， 短轴50 | 云质页 岩相 | 368~ 484 cps | 4.17 | 石英2.7%、长石2.2%、方解石18.9%、白云石69.1%、黄铁矿1.4%、重晶石1.2%、石膏0.4%、黏土4.1% | 炭质页岩 | GR 516~792 cps，TOC 2.05%~7.11%，岩石矿物组成为石英65.3%~78.5%、长石1.5%~6.8%、方解石0~2.2%、白云石0~1.6%、黄铁矿0~1.6%、石膏0~13.4%、黏土7.1%~14.5% | |||
| 9层 | 长轴180~330， 短轴25~35 | 泥质白 云石 | 363~ 387 cps | 2.81 | 石英6.7%、长石2.9%、白云石80.0%、钡解石1.2%、黄铁矿2.8%、重晶石1.2%、石膏0.5%、黏土5.9% | 炭质页岩 | GR 406~455 cps，TOC 5.53%~6.53%，岩石矿物组成为石英51.8%~53.2%、长石2.9%~6.8%、石膏7.4%~18.7%、黏土21.8%~32.0% | |||
| 11层 | 长轴>190， 短轴25~30 | 云质页 岩相 | 239~ 252 cps | 0.85 | 石英6.1%、长石1.8%、方解石20.2%、白云石55.5%、黄铁矿11.0%、石膏0.4%、黏土5.0% | 炭质页岩 | GR 265~466 cps，TOC 4.19%~5.53%，岩石矿物组成为石英48.7%~51.8%、长石8.8%~9.3%、石膏2.3%~7.4%、黏土32.0%~39.7% | |||
| 15层 | 长轴>200， 短轴30 | 云质 页岩 | 150~ 171 cps | 1.81 | 石英17.4%、长石4.0%、白云石53.0%、黄铁矿6.9%、石膏0.3%、黏土18.4% | 含炭质黏土质页岩 | GR 177~257 cps，TOC 0.66%~2.55%，岩石矿物组成为石英41.4%~46.6%、长石6.6%~7.3%、黄铁矿0~4.7%、石膏0~4.3%、黏土41.4%~47.7% | |||
1 结核体发育特征
图3 四川盆地及周缘筇竹寺组SQ1段结核体照片(a)长阳白竹岭3层结核体，呈分散状分布于炭质页岩中，单体呈透镜状、饼状；（b）长阳白竹岭3层结核体，镜下显泥晶结构，亮色颗粒主要为方解石、白云石和石英，暗色为有机质和黏土；（c）长阳白竹岭8层结核体，以断续层状分布于硅质页岩中，单体呈透镜状；（d）长阳白竹岭8层云质结核体，镜下纹层不发育，见骨针类化石；（e）镇远青溪6层云质结核体，断续分布于硅质页岩中，单体呈透镜状；（f）镇远青溪6层云质结核体，镜下以粉晶白云石为主，显晶粒结构，晶粒直径约22~45 μm；（g） W201井2 808.15~2 808.32 m结核体，含钙质，呈椭球状，尺寸为6 cm×10 cm；（h） W201井2 751.21~2 751.58 m结核体，含钙质，呈椭球状，尺寸为10 cm×20 cm；（i）N206井1 865.02~1 865.24 m结核体，含钙质，呈椭球状，尺寸为10 cm×18 cm Fig.3 Concretion photographs of SQ1 of Qiongzhusi Formation in Sichuan Basin and its periphery |
图4 旺苍国华剖面筇竹寺组SQ2段结核体照片（a）14~17层钙质结核层，位于深灰色粉砂质页岩中，椭球状、饼状（箭头所指）；（b）14层近照，核体呈椭球状、饼状，尺寸为短轴5~25 cm、长轴10~40 cm；（c）14~17层结核薄片（×2倍），粉—细晶灰岩，主要为方解石；（d）14~17层结核薄片（×20倍），细晶、粉晶方解石呈它形，均匀分布，晶间充填黏土矿物；（e） 21层钙质结核体，位于灰黑色粉砂质页岩中，核体呈孤立椭球状（箭头所指）；（f）21层结核体薄片，主要为含粉砂粉晶灰岩 Fig.4 Concretion photographs of SQ2 of Qiongzhusi Formation in Guohua section, Wangcang area |
图5 旺苍国华剖面筇竹寺组SQ2段综合柱状图Fig.5 Stratigraphic comprehensive column of SQ2 of Qiongzhusi Formation in Guohua section， Wangcang area |
表1 中上扬子地区筇竹寺组结核体地质参数(续表)Table 1 Geologic parameters of concretion in Qiongzhusi Formation in the Middle-Upper Yangtze area（continued） |
| 资 料 点 | 层序 | 结核体 | 围岩 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 层号 /井深 | 出露形态 | 单体尺度大小/cm | 岩性特征 | GR | TOC/% | 岩石矿物百分含量 | 岩相 | 地质参数 | ||
| 松桃响水洞剖面 | SQ1 | 6层 | 断续透镜状 | 长轴80~100， 短轴30~40 | 含钙质硅质页岩相 | 炭质页岩 | GR 664~780 cps，TOC 5.88%~9.78%，岩石矿物组成为石英40.9%~51.3%、长石15.4%~20.4%、方解石1.9%~4.7%、白云石3.8%~8.5%、黄铁矿8.7%~11.8%、石膏0.5%~0.6%、黏土10.8%~21.8% | |||
| 古丈默戎剖面 | SQ1 | 14层 | 孤立椭球状 | 小者2~5， 大者10~20 | 硅质岩（燧石），黑色 | 540 cps | 硅质页岩 | GR 337~505 cps，TOC 5.50%~7.67%，岩石矿物组成为石英47.0%~62.8%、长石11.8%~14.9%、白云石7.1%~10.7%、黄铁矿7.7%~11.5%、石膏0.5%~0.6%、黏土10.0%~15.4% | ||
| 旺苍国华剖面 | SQ2 | 14-17层 | 椭球状、饼状，顺层产出，较少切割层理，同层内大小相对均匀 | 短轴5~25、 长轴10~40 | 粉—细晶灰岩，浅灰色 | 89~92 cps | 0.09~0.11 | 石英9.8%~10.6%、长石10.5%~13.0%、方解石76.4%~79.7% | 粉砂质页岩 | GR 95~110 cps，TOC 0.20%~0.25%，岩石矿物组成为石英35.8%~36.1%、长石26.9%~28.5%、方解石4.7%~9.1%、黄铁矿2.4%~4.9%、黏土23.0%~28.6% |
| 21-30层 | 下部呈孤立的椭球状，上部多呈断续层状分布，单个为椭球状、饼状 | 下部核体大小为短轴4~15、 长轴10~25，上部核体尺寸为短轴10~25、 长轴15~45 | 泥灰岩、钙质页岩 | 140~159 cps | 0.32 | 石英15%~26%、长石13.6%~17.5%、方解石37.4~60.3%、黄铁矿2.6%~9.1%、黏土2.0%~16.5% | 粉砂质页岩 | GR 155~209 cps，TOC 0.73%~1.24%，岩石矿物组成为石英38.2%~44.3%、长石22.2%~25.7%、方解石2.3%~3.9%、黄铁矿2.9%~6.0%、黏土24.9%~30.9% | ||
| N206井 | SQ1 | 1 865.02~1 865.24 m | 呈椭球状 | 截面尺寸为 10×18 | 钙质页岩 | 灰黑色炭质页岩 | GR 206~212 API，TOC 2.07%~2.15%，岩石矿物组成为石英33.0%~44.2%、长石6.9%~10.7%、方解石5.6%~6.7%、黄铁矿4.6%~5.9%、黏土38.7%~43.7% | |||
| W201井 | SQ1 | 2 808.15~2 808.32 m | 呈椭球状 | 截面尺寸为 6×10 | 钙质页岩 | 279 API | 灰黑色炭质页岩 | GR 271~280 API，TOC 2.44%~3.02%，岩石矿物组成为石英49.5%~50.3 %、长石16.4%~19.5%、方解石2.5%~5.2%、白云石2.5%~3.7%、黄铁矿5.8%~6.7%、黏土18.5%~19.4% | ||
| 2 751.21~2 751.58 m | 呈椭球状 | 截面尺寸为 10×20 | 钙质页岩 | 188~210 API | 粉砂质页岩 | GR 180~215 API，TOC 1.25%~1.41%，岩石矿物组成为石英46.3%~50.0%、长石13.8%~23.1%、方解石3.2%~4.8%、白云石1.2%~3.2%、黄铁矿3.8%~4.2%、黏土18.3%~28.1% | ||||
|
1.1 发育层位与岩相特征
在长阳白竹岭剖面点，结核层产出于SQ1段底部17.5 m的富有机质页岩段，自下而上分别出现于3层、4层、6层、8层和10层（图1，表1，图3）。3层结核体呈分散透镜状、椭球状产出，尺度变化大，小者数厘米，大者数十厘米［图3（a）］，上下为TOC含量介于7.5%~9.1%之间的炭质页岩围限且呈突变接触，岩相主体为钙质硅质混合页岩相，中心区钙质含量高［镜下显泥晶结构，见图3（b）］，断面细腻，颜色较深，显示水平层理，向边部黏土质增加，颜色变黑。实验测试显示，结核体岩石矿物组成为石英20.5%、钾长石3.2%、斜长石3.0%、方解石47.6%、白云石6.5%、黄铁矿5.2%、石膏0.9%、黏土13.1%，TOC含量7.06%（表1）；GR值为278~387 cps且自核部向边缘增大，反映黏土质和有机质自核部向边缘增多的变化特征。4层为硅质结核体层，核体多呈透镜状（长轴100~200 cm、短轴10~30 cm）且顺层断续分布，局部呈层状，上下为炭质页岩（GR值为900~1 134 cps，TOC含量为2.05%~13.06%）围限且呈突变接触，岩相主体为硅质页岩，不含钙质，断面细腻，灰黑色，GR值为356 cps，岩石矿物百分含量与围岩相近，TOC含量为7.66%（表1）。6层、8层和10层为云质结核层，核体多为断续透镜状且顺层分布，局部呈层状，上下为TOC含量介于3.3%~5.9%之间的硅质页岩围限［图3（c）］，白云石含量为52.0%~64.9%；其中6层和8层核体镜下纹层不发育，见骨针化石［图3（d）］，6层GR值为202~209 cps、8层的为147~186 cps（图1），TOC含量为1.23%；10层主要呈层状，局部呈断续透镜状产出，GR值显低谷响应（153~156 cps）（图1），TOC含量为2.11%（表1）。总体看来，长阳白竹岭剖面结核体为深水相沉积物，岩相复杂多样（包括钙质硅质混合页岩相、硅质页岩相和云质页岩相），与围岩在岩石结构、岩相特征、矿物组成、TOC、GR响应等方面存在差异，尤其上部3层结核体与围岩差异显著；另外，结核体地质特征自下而上发生显著变化，产出特征由孤立椭球状→顺层断续透镜状→层状为主，矿物成分由富钙质、硅质和有机质向富白云质、贫有机质转变，TOC含量由7.0%以上下降至1.23%~2.11%，GR响应由高幅度值变为低谷响应（与龙马溪组结核体GR响应［11］基本相似）。
在镇远青溪剖面点，SQ1下段覆盖严重，在其中段和上段共发现5层云质结核层，小层编号分别为4层、6层、9层、11层和15层（表1）。4层核体多呈透镜状且顺层断续分布，局部呈层状，上下为高伽马含炭质硅质页岩（GR值为900~1 134 cps，TOC含量为2.05%~13.06%）围限且呈突变接触，尺度为长轴190~230 cm、短轴30~40 cm，岩相主体为云质页岩（白云石含量为21.3%），灰色，GR值为645~745 cps，TOC含量为3.62% （表1）。6层结核体以断续层状分布于含炭质硅质页岩中，单体呈透镜状，GR值为368~484 cps，TOC含量为4.17%，镜下以粉晶白云石为主，显晶粒结构；围岩是GR值为 516~792 cps、TOC含量为2.05%~7.11%的含炭质硅质页岩，与结核体矿物成分差异明显［表1，图3（e），图3（f）］。9层结核体为断续顺层分布，单体多呈透镜状、面包状、长条状，岩相为粉晶白云石，GR值为363~387 cps，TOC含量为2.81%；围岩主体为炭质页岩，GR值为406~455 cps，TOC含量为5.53%~6.53%，不含钙质（表1）。与9层相似，11层结核体同样为断续顺层分布，单体多呈透镜状、长条状，尺度为长轴超过190 cm、短轴为25~30 cm，岩相为云质页岩，GR值为239~252 cps，TOC含量为0.85%，白云石含量为55.5%；围岩为黑色炭质页岩，黏土质明显增高，GR值为265~466 cps，TOC含量为4.19%~5.53%，黏土含量为32.0%~39.7% （表1）。15层结核层主体呈长条状，尺度为长轴大于200 cm、短轴为30 cm，岩相为云质页岩，GR值为150~171 cps，TOC含量为1.81%，白云石含量为53.0%；围岩为含炭质黏土质页岩，黏土质显著增高，GR值为177~257 cps，TOC含量为0.66%~2.55%，黏土含量为41.4%~47.7% （表1）。该剖面点结核体发育特征与长阳白竹岭6层、8层和10层具有相似性，主体为云岩、云质页岩且多含重晶石（含量一般为0~1.2%），产出特征主要呈断续透镜状至层状，并与TOC>2%的富有机质页岩（即围岩）共生，显示出结核体与优质页岩组合的形成与上升洋流有关。
在川北旺苍国华剖面SQ1底部和SQ2段，均有结核体产出。SQ1下部高伽马页岩段发育多层（椭）球状体，但受护坡覆盖无法勘测。SQ2中段出露较好，是勘测的重点层段。经勘测发现，SQ2中部45 m（距底255~300 m）为结核体集中发育段（图4—图5），共发现分散状和断续层状结核层10余层，主要分布于14~17层和21~30层。14~17层结核体全部为椭球状、饼状钙质结核体，尺度为短轴5~25 cm、长轴10~40 cm，具有顺层产出、较少切割层理和同层内大小相对均匀等特点，显示差异压实特征，岩相主要为浅灰色粉—细晶灰岩，断面显均质层理，GR为低值响应（一般为89~92 cps），TOC含量为0.09%~0.11%，方解石含量为76.4%~79.7%（表1）；与结核体相比，围岩为深灰色粉砂质页岩，富含石英、长石、黏土等陆源碎屑，GR值为95~110 cps，TOC含量为0.20%~0.25%（表1），显示沉积区水体较浅，距离物源区较近，陆源碎屑输入量大。21~30层结核体以泥灰岩、钙质页岩为主，断面多为均质层理，镜下见大量粉晶方解石，GR为中低幅度值响应（一般为140~159 cps，与龙马溪组结核体相近），TOC含量为0.32%，方解石含量下降至37.4%~60.3%，下部（21~23层）呈孤立的（椭）球状产出，个体较小，上部（24~30层）产出特征多呈断续层状分布，单个为椭球状、饼状，个体较大［表1，图4（e），图4（f），图5］；围岩为灰黑色粉砂质页岩，富含石英、长石、黏土等陆源碎屑，GR为中等幅度值响应（一般为155~209 cps），TOC含量为0.73%~1.24%［表1，图4（e），图5］，显示沉积区水体显著加深（为半深水陆棚沉积），陆源碎屑输入量较大，与龙马溪组结核体沉积环境［11-12］相似。
从上述8个资料点分析情况看，筇竹寺组结核体产出层位与岩相特征区域差异大。在川东—鄂西—湘黔和川南坳陷区，结核体主要发育于SQ1段深水相富含有机质的炭质页岩和硅质页岩中，并以钙质硅质混合页岩相、硅质页岩相、云质页岩相和白云岩相为主（其中上部结核体多为云质页岩相和白云岩相），含海绵骨针化石，黏土含量普遍在25%以下且明显低于围岩，TOC自下而上与围岩变化趋势一致，显示下部核体高、上部核体低。在川中—川北坳陷区，结核体发育于SQ1段、SQ2段的粉砂质页岩中，且以钙质页岩相和泥灰岩相为主，钙质（主要为方解石）明显高于围岩，黏土质较围岩显著降低，TOC含量总体较低（0.09%~1.50%）。受结核体内岩石矿物成分差异影响，GR值大多表现为在核体中央区为相对低值响应、在核体边缘响应值明显升高的显著特征（即GR曲线出现相对低谷响应特征，见图1、图5），这反映了钙质、硅质等脆性矿物主要富集于结核体中心区，黏土质和有机质则富集于结核体边缘的分异特征。与龙马溪组结核体基本特征相似，筇竹寺组大部分结核层与围岩在岩相、沉积构造、地球化学等地质特征方面存在明显差异，显示其所在页岩段岩相组合趋于复杂。
1.2 空间分布特征
为了解筇竹寺组结核体区域展布规律，笔者以上述资料点为基础，补充一部分重点钻井和露头剖面，建立了鄂西—湘西—黔北—川南GR曲线大剖面（图6），以深入了解结核层在四川盆地及周缘主要裂陷区的分布特征，下面分段进行描述。
筇竹寺组结核层普遍赋存于TOC含量在0.7%以上的炭质页岩、粉砂质页岩和硅质页岩中（在SQ1段主要赋存于TOC>2.0%的炭质页岩和硅质页岩中），在TOC>0.2%深灰色粉砂质页岩中偶尔产出，说明结核层与深色页岩（尤其优质页岩）具有共生关系（即主体为深水沉积产物）。因此，在中上扬子地区筇竹寺组地质评价工作中，将结核层与黑色页岩相结合，对开展优质页岩分布研究具有重要的参考价值。
2 沉积环境意义
前人研究认为，海（或湖）相页岩中的结核体多为同生结核（结核体与沉积物同期形成）［14-19］，其中钙质结核主要为深水相同生结核、浅水相差异压实结核等2种成因类型，前者为深水沉积物在成岩早期还原菌降解有机质而形成［14-18］，即在成岩早期的微生物降解带（埋深一般数十米到数百米）［17-18］，硫酸盐还原菌降解有机质并产生HCO3 -，Mg2+和Ca2+与HCO3 -结合，进而产生钙质沉淀（即形成结核），后者为浅湖（或浅海）碳酸盐在同生胶结过程中受到上覆和下伏泥质沉积物持续差异压实作用下形成［19］；硅质结核多为同沉积结核，即富硅软泥在同生—成岩初期经差异压实和硅质沉淀而形成［9］。筇竹寺组结核体多具水平纹层或均质层理，与围岩相互不切割层理且呈突变接触，较少具圈层结构，因此为同沉积或早期成岩过程中形成。
研究证实，龙马溪组结核体主体为深水相同生结核，且主要形成于早志留世埃隆期Demirastrites triangulatus笔石带厚层斑脱岩出现以后，与扬子海盆北部上升洋流大规模活动同期出现，且主要分布于台盆中央区（如川南、川东坳陷）的炭质页岩和黏土质页岩（TOC含量介于0.8%~2.4%之间）中［12-13］，其分布和形成环境具有邻近古陆（即物源区）、长于深水区、发育于前陆期（即扬子海盆活动期）的显著特征［11-12］，即龙马溪组结核体的发育需具备3个沉积要素：①处于奥陶纪—志留纪之交的扬子海盆活动期，华南板块与扬子板块碰撞、拼合作用强烈，导致物源输入稳定性变差（陆源碎屑和古陆周缘浅水区碳酸盐物质供给常常发生阵发性、短暂性改变，由黏土质输入为主转变为以碳酸盐、石英等脆性物质输入为主），确保短期内水体和沉积物中Ca2+、Mg2+、石英富集；②水体较深（深水—半深水陆棚，水深超过60 m［11］）且较安静，在海底形成还原环境，有机质较富集，具有硫酸盐细菌还原有机质的物质基础；③邻近古陆，陆源碎屑输入量大，沉积速率较快（沉积速率远高于五峰组和鲁丹阶，一般为16.20~51.56 m/Ma，平均为31.18 m/Ma），确保结核体层Ca2+、Mg2+、石英、有机质等沉积物快速进入埋深数十米至数百米的微生物降解带［17-18］，有利于硫酸盐细菌还原有机质，促进钙质、硅质在短期内规模沉淀（即结核快速生长）。
川北筇竹寺组低TOC（小于0.5%）粉砂质页岩中结核体尽管形成规模较小，但其发育特征和形成背景与松辽盆地嫩江组（坳陷调整期浅湖相沉积层序）白云岩结核［19］具有相似性，钙质含量高（平均高于75%），推测为浅水相差异压实型结核，是裂陷活动由发展期转入调整期、沉积水体由深变浅、碳酸盐阵发性显著增高的重要标志。
可见，上述深水型和浅水型2种结核均与筇竹寺组沉积期海盆活动强度变化和碳酸盐物质供给阵发性、短暂性改变相对应；在邻近古陆（即物源区）的坳陷区，结核体出现层数越多，说明海盆裂陷活动频率越高，裂陷强度较大，陆源输入阵发性改变的频次越高。
图7 中上扬子地区早寒武世筇竹寺期裂陷调整期（SQ2时期）沉积相Fig.7 Sedimentary facies of rift adjustment stage（SQ2 stage） of the Early Cambrian Qiongzhusi Period in Middle-Upper Yangtze region |
（1）裂陷发展期。即SQ1时期，扬子地台在经历麦地坪时期局部裂陷后快速进入全域大规模拉张裂陷阶段，裂陷活动频次高且强度大，导致钙质矿物输入发生多次间歇性增高并出现大量结核体生长。经过多频次、高强度裂陷改造，在台盆区形成德阳—长宁［20-21］、川北—鄂西北、川东—鄂西—湘黔三大深水坳陷，受滇中、康定、摩天岭、汉南和鄂中等周缘古陆围限，在扬子海盆形成了开口向东南和东北的弱封闭海湾（图2）。根据长阳地区SQ1下段结核发育层数（超过5层）判断，鄂西地区在SQ1早期至少发生5次以上高强度裂陷活动，导致海洋环境发生巨变，如：δ 13C值发生大幅度负漂移，一般为-32.52‰~-31.56‰，显示海平面飙升至高水位；S/C值大多介于0.03~0.54之间，仅在硅质层和结核层出现异常（介于1.05~2.40之间），反映古水体主体处于低—正常盐度、弱—半封闭状态（图1）；在裂陷强烈活动期（即结核体形成期），鄂中古陆周缘浅水区高浓度碳酸盐物质间歇性进入该海域，促进了多层钙质结核体的规模生长（图1）。由于扬子海盆封闭性突然变弱，上升洋流自东南、东北2个方向大规模涌入台盆区，并控制渝东、湘鄂西、黔北、滇东—川南南区和川北—鄂西北等裂陷区，面积超过25×104 km2（图2）。在洋流控制区，海水中P、Ba、Si等营养物质含量丰富，古生产力高，黑色页岩有机质丰度高，以长阳海域为例，P2O5/TiO2值一般为0.26~1.95，局部达到13.57~105.69，Ba含量一般为761~6 988 μg/g（平均为2 114 μg/g，并出现异常高值现象），硅质含量为38.0%~82.1%（平均为54.4%）（图1），沉积速率高于五峰组和鲁丹阶下段（一般低于10 m/Ma），主体介于16.00~55.00 m/Ma之间，沉积厚度近40 m的炭质页岩、硅质页岩和结核体组合，TOC值一般为0.96%（结核体）~9.06%（黑色页岩），平均为4.33%。可见，上升洋流、优质页岩和钙质结核体是台盆裂陷活动期的典型产物。
（2）裂陷调整期。即SQ2时期，鄂西、渝东、湘西—黔北、川南等主要裂陷区的拉张活动趋弱，周围古隆起开始扩张，海平面下降，但在川中、川北等坳陷区仍出现较大规模的裂陷活动并伴有结核体生长。台盆三大裂陷区由深水陆棚转入半深水—浅水陆棚，海域封闭性增强，上升洋流已退至海盆东南缘和东北缘（图7）。在鄂西海域，裂陷活动明显趋弱，δ13C值正漂移至-30.57‰~-30.11‰，显示海平面大幅度下降并处于中等水位，S/C值大幅度上升至0.47~1.37（平均为0.81），显示古水体以高盐度和强封闭状态为主，P2O5/TiO2值下降为0.18~0.56（平均为0.27），Ba含量下降至784~1 848 μg/g（平均为1 337 μg/g），硅质含量为9.2%~37.9%（平均为27.2%），显示初始生产力已出现明显下降（图1）；有机质丰度普遍降低，TOC含量一般为0.76%~4.20%，平均为2.15%（11个样品），其中中部10 m可能为TOC>2%的富有机质页岩集中段，上部因水体变浅TOC含量平均值在1%左右。在川北（如旺苍、南江），区域拉张活动再次增强并出现第2幕裂陷活动，但规模总体较SQ1时期小，陆源钙质输入出现多次间断性增高（含量高达60.3%~79.7%，图5），海平面再次上升至中高水位，P2O5/TiO2值保持在0.30~0.32，Ba含量为456~571 μg/g，硅质含量为37.1%~44.3%，显示初始生产力仍出现较高水平，TOC含量平均值为1.00%（旺苍）~3.00%（城口），并发育多层结核体。
综上所述，受SQ1时期大规模裂陷作用和上升洋流活动共同控制，扬子海盆富有机质页岩和结核体广泛发育于筇竹寺组下部（图9），即：在裂陷发展期，在多期次区域拉张应力场作用下，台盆区发生大面积裂陷并伴随物源供给发生短暂性改变，导致扬子地台东南缘与华南洋快速连通，海平面飙升至高位（在长阳海域水深超过200 m），上升洋流大规模涌入台盆坳陷区，并带来P、Ba、Si等丰富的营养物质，促进表层海水藻类、海绵、骨针等浮游生物大量繁殖，在海底则出现有利于有机质保存的缺氧环境，沉积厚度介于40~100 m之间的富有机质页岩和结核体组合。在裂陷调整期和萎缩期，随着裂陷活动减弱和萎缩，构造活动以区域抬升为主，水体变浅，洋流活动向东南方向退却，富有机质页岩和结核体组合在台盆区主体沉积结束，仅在少部分裂陷区出现小规模沉积。
3 结论
筇竹寺组结核体产出层位与岩相特征区域差异大。在川东—鄂西—湘黔和川南坳陷区，结核体主要发育于SQ1段，并以钙质硅质混合页岩相、硅质页岩相、云质页岩相和白云岩相为主，黏土含量普遍在25%以下且明显低于围岩，TOC含量为下部核体高、上部核体低。在川中—川北坳陷区，结核体在SQ1段和SQ2段均发育，且以钙质页岩相和泥灰岩相为主，钙质明显高于围岩，黏土质较围岩显著降低，TOC含量普遍在1.50%以下。结核体内岩石矿物成分差异明显，钙质、硅质等脆性矿物主要富集于结核体中心区，黏土质和有机质则富集于结核体边缘，GR值大多表现为在核体中央区为相对低值响应、在核体边缘响应值明显升高的显著特征，显示其所在页岩段岩相组合趋于复杂。
结核层普遍赋存于TOC在0.7%以上的炭质页岩、粉砂质页岩和硅质页岩中，在SQ1段TOC>2.0%的炭质页岩和硅质页岩中尤其发育，在TOC>0.2%深灰色粉砂质页岩中也偶尔产出，并以深水相同生结核为主、浅水相差异压实结核为辅，显示结核体与深色页岩（尤其优质页岩）具有共生关系。
筇竹寺组结核体为海盆构造活动期的重要沉积响应，是反映扬子海盆裂陷活动频次和强度、物源输入稳定性变化的重要标志，常与上升洋流活动同期出现。在邻近古陆（即物源区）的坳陷区，结核体出现层数越多，说明海盆裂陷活动频率越高，裂陷强度越大，物源输入阵发性改变的频次越高。
根据筇竹寺组结核体分布特征及其与黑色页岩的配置关系，将筇竹寺期扬子海盆的构造活动划分裂陷发展期（SQ1时期）、裂陷调整期（SQ2时期）和裂陷萎缩期（SQ3时期）3个期次。受SQ1时期大规模裂陷作用和上升洋流活动共同控制，扬子海盆结核体和富有机质页岩广泛发育于筇竹寺组下部。在裂陷调整期和萎缩期，随着裂陷活动减弱和萎缩，构造活动以区域抬升为主，水体变浅，洋流活动向东南方向退却，结核体和富有机质页岩仅在少部分裂陷区出现小规模沉积。
甘公网安备 62010202000678号
