天然气地球科学 >

2025 , Vol. 36 >Issue 5: 936 - 952

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.10.008

天然气地球化学

四川盆地广元北部寒武系筇竹寺组元素地球化学特征及地质意义

  • 刘慧萍 , 1 ,
  • 戎佳 2 ,
  • 刘自亮 , 1 ,
  • 高波 2 ,
  • 张明何 1 ,
  • 杨琪航 1 ,
  • 王佳乐 1 ,
  • 游浪 1
展开
  • 1. 成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059
  • 2. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 102206
刘自亮（1978-），男，山东郓城人，博士，教授，主要从事沉积学和石油地质学研究. E-mail：.

刘慧萍（1999-），女，青海海东人，硕士研究生，主要从事地质学研究. E-mail：.

收稿日期: 2024-08-15

  修回日期: 2024-10-22

  网络出版日期: 2024-11-06

收起

Element geochemical characteristics and geological significance of the Cambrian Qiongzhusi Formation in northern Guangyuan， Sichuan Basin

  • Huiping LIU , 1 ,
  • Jia RONG 2 ,
  • Ziliang LIU , 1 ,
  • Bo GAO 2 ,
  • Minghe ZHANG 1 ,
  • Qihang YANG 1 ,
  • Jiale WANG 1 ,
  • Lang YOU 1
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China
  • 2. SINOPEC Petroleum Exploration and Production Research Institute，Beijing 102206，China

Received date: 2024-08-15

  Revised date: 2024-10-22

  Online published: 2024-11-06

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(42272183)

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摘要

近年来，四川盆地寒武系筇竹寺组页岩气勘探取得重大突破，查明筇竹寺组古沉积环境对该地区天然气资源评价具有重要意义。通过全岩X射线衍射、地球化学分析测试手段，对川北广元一带筇竹寺组黑色岩系的氧化还原条件、古气候、古生产力和硅质来源等进行了深入探讨，结果表明：①该区轻稀土元素相对于重稀土元素富集，Mo⁃U富集协变模式、U/Th、V/Cr、V/（V＋Ni）等氧化还原敏感性元素比值以及较弱的δCe负异常均表明，广元以北筇竹寺组沉积水体环境整体表现为贫氧—缺氧，垂向上还原性先增加后减小；②CIAcorr、C值、Sr/Cu值等古气候判别指标揭示了川北筇竹寺组沉积期物源区呈中等风化强度，古气候类型主要为温湿型；③Babio与Sibio量化古生产力结果反映了研究区筇竹寺组整体呈中等古生产力，较高的古生产力主要集中在筇一段；④研究区黑色页岩、硅质岩中硅质来源主要为深水环境生物成因硅，有利于有机质的富集和保存。

关键词： 四川盆地; 筇竹寺组; 黑色岩系; 元素地球化学; 古环境

本文引用格式

刘慧萍 , 戎佳 , 刘自亮 , 高波 , 张明何 , 杨琪航 , 王佳乐 , 游浪 . 四川盆地广元北部寒武系筇竹寺组元素地球化学特征及地质意义[J]. 天然气地球科学, 2025 , 36(5) : 936 -952 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.10.008

Abstract

In recent years， major breakthroughs have been made in shale gas exploration in the Cambrian Qiongzhusi Formation in the Sichuan Basin. It is of great significance to identify the paleosedimentary environment of the Qiongzhusi Formation for the evaluation of natural gas resources in this area. Therefore， in this paper， the redox conditions， paleoclimate， paleoproductivity and siliceous sources of the black rock series of Qiongzhusi Formation in Guangyuan area of northern Sichuan are discussed in depth by means of whole rock X-ray diffraction and geochemical analysis. The results show that： （1） The light rare earth elements in this area are enriched relative to the heavy rare earth elements. The Mo-U enrichment covariation model， the ratios of redox-sensitive element ratios such as U/Th， V/Cr， and V/（V+Ni）， and the weak negative anomaly of δCe all indicate that the sedimentary water environment of the Qiongzhusi Formation in the north of Guangyuan is characterized by suboxic-anoxic， and the vertical reducibility increases first and then decreases. （2） CIAcorr， C value， Sr/Cu and other paleoclimate discriminant indexes reveal that the provenance area of Qiongzhusi Formation in northern Sichuan is moderately weathered， and the paleoclimate type is mainly warm and humid. （3） The quantitative paleoproductivity results of Babio and Sibio reflect that the overall paleoproductivity of the Qiongzhusi Formation in the study area is medium， and the higher paleoproductivity is mainly concentrated in the first member of Qiongzhusi Formation. （4） The siliceous source of black shale and siliceous rocks in the study area is mainly biogenic silicon in deep-water environment， which is conducive to the enrichment and preservation of organic matter.

Key words： Sichuan Basin; Qiongzhusi Formation; Black rock series; Element geochemistry; The ancient environment

0 引言

海洋生物的大规模爆发与辐射、全球范围内海侵海退等重要地史事件，与古气候、氧化还原条件、古生产力等沉积环境影响因子协同演化［1-3］，为优质烃源岩的形成奠定了基础。震旦纪—寒武纪，全球范围内大规模海侵背景下沉积了一套以黑色富有机质页岩、硅质岩及碳酸盐岩为主的岩层，我国扬子地台为该套沉积地层发育最好的地区之一［4］。在油气勘探开发逐渐转向“深时”“深层”领域的背景之下，中上扬子地区（尤以四川盆地为主）的下寒武统筇竹寺组，以其厚度大、分布范围广、页岩层有机质含量高等优势［5］，博得国内外专家学者的青睐。四川盆地筇竹寺组烃源岩层系不仅形成源储一体的成藏模式，同时也是下部震旦系灯影组、上部寒武系龙王庙组等储层的主要有机质及油气供应源［6］。前人对四川盆地及其周缘筇竹寺组开展了大量研究，主要包括页岩岩相与发育特征［7］、层序充填和古环境演化模式［8］、页岩气富集条件与机制［8-9］、烃源岩评价及有利区优选［10］等，由此取得了较为丰硕的成果［11-13］。对于盆地及其周缘古环境也开展了一些研究，表明绵阳—长宁拉张槽内，筇竹寺组中上部深水陆棚细粒沉积具有较高的生产力，而浅水陆棚沉积序列古生产力较低［14］。筇竹寺组整体上物源较为一致，岩性差异不大，沉积水体主要为还原环境，中—上部地层沉积时含氧量增加，过渡为贫氧—微氧化环境［15］。然而富有机质黑色岩系形成的沉积环境仍存在一定分歧，一些学者认为筇竹寺组沉积期极端温暖的气候加速了化学风化和陆源碎屑物质的输入，但主要是海底热液造就缺氧、富硅富铁的海洋环境［16］，促进黑色岩系的形成和有机质的富集；另一些学者则认为上扬子地区筇竹寺组黑色岩系主要与上升流和静水缺氧的强还原环境有关［17］。
四川盆地及周缘地区筇竹寺组埋藏深、探井资料少、构造背景和地质条件相对复杂［18］，针对其古海洋地球化学特征及沉积环境开展的研究较少，且相关研究主要集中在川中地区和川南地区［19］。因此，本文以前人研究较少的四川盆地北部广元地区筇竹寺组为例，通过典型露头观察描述，进行并开展薄片观察、矿物组成及元素地球化学分析，讨论了筇竹寺组发育的元素地球化学特征及其古环境（氧化还原条件、古生产力、古气候等）信息，为深入认识川北地区黑色岩系的沉积环境和天然气资源评价提供基础地质资料支撑。

1 地质背景

四川盆地处于上扬子稳定克拉通西北缘，发育于中元古代末晋宁运动时形成的褶皱基底之上，是一个典型的多期叠合含油气盆地［20］。前人［21］依据盆地现今构造特征，将其划分成6个构造单元，自北西向南东分别为：川北古中坳陷低缓带、川东古斜中隆高陡断褶带、川中古隆中斜平缓褶皱带、川西中新坳陷低陡带、川西南古中斜坡低褶带、川南古坳中隆低陡穹形带（图1）。研究区广元一带位于四川盆地北缘，临近汉南、摩天岭两大古陆，构造上隶属盆内绵阳—长宁拉张槽东北缘，即前述川北古中坳陷低缓构造单元。其主体东西横越龙门山造山带与大巴山冲断带过渡交接地段，南北纵跨扬子准地台和秦岭褶皱系2个一级构造单元。
图1 四川盆地构造背景（a）及震旦系—奥陶系地层特征（b）（修改自文献［22］）

Fig.1 Tectonic setting of Sichuan Basin（a） and stratigraphic characteristics of Sinian-Ordovician（b） （modified from Ref.［22］）

研究区3条野外剖面在绵阳—长宁拉张槽、区域性构造演化及海侵海退等多重因素控制下，纵向上形成3个连续叠置的、深水陆棚—浅水陆棚交替的三级层序。自下而上地层序列为：筇一段（SQ1）中、下部主要为黑色炭质页岩，灰黑色硅质页岩，上部为灰黑色泥岩，灰黑色含粉砂泥岩；筇二段（SQ2）底部主要为黑色炭质页岩，中、上部主要为灰黑色硅质页岩、深灰色含粉砂泥岩，泥质粉砂岩互层；筇三段（SQ3）底部主要为灰黑色硅质页岩、炭质页岩，中、上部为深灰色泥质粉砂岩。整体发育2套富有机质黑色岩系，各级层序呈现快速海侵而后持续海退的不对称型特点。

2 样品采集与测试分析

本文研究在尽可能采集未经风化的新鲜样品前提下，依照地层新老顺序自下而上，对四川盆地广元地区北部出露情况较好的云雾山（105°45′21″ E，32°38′57″ N）、白云村（105°42′30″ E，32°36′2″ N）及其周缘玉家营（106°20′12.49″ E，32°55′55.76″ N）剖面（图2）进行系统分层采样，并将其中17件样品送至成都达伟科技有限公司，依据国家标准《硅酸盐岩石化学分析方法第30部分：44个元素量测定》（GB/T 14506.30—2010）、《硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主次成分量测定》（GB/T 14506.28—2010）开展主微量元素质量分数测试分析，另将这些样品进行岩石薄片鉴定，测试方法依据国家标准《岩石薄片鉴定》（SY/T5368—2016），环境条件为：温度25~28 ℃，湿度70%RH。全岩矿物成分由中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所实验研究中心完成，共检测样品21件，其中云雾山剖面15件，白云村剖面6件。TOC分析测试样品共计148件，其中云雾山剖面124件，白云村剖面17件，玉家营剖面7件。
图2 川北广元地区云雾山和白云村剖面野外露头特征

(a) 云雾山剖面，麦地坪组含炭硅质页岩与筇竹寺组炭质页岩不整合接触；(b) 云雾山剖面，筇竹寺组炭质页岩；(c) 白云村剖面，麦地坪组含碳硅质白云岩与筇竹寺组炭质页岩不整合接触，筇竹寺组底部嵌入麦地坪硅质白云岩透镜体；(d) 白云村剖面，筇竹寺组纹层状炭质页岩

Fig.2 Field outcrop characteristics of Yunwushan and Baiyuncun sections in Guangyuan, northern Sichuan

3 实验结果

3.1　岩石学特征

广元地区寒武系筇竹寺组沉积环境以陆棚为主［23］，主要岩性为粉砂质泥岩深色炭质页岩、硅质页岩和［图3（d）—图3（f）］，泥、页岩中发育较多水平层理和块状层理［图3（a）—图3（c）］。沉积物总体较细，具快速堆积的特点，纵向上发育多套富有机质层段。
图3 川北广元地区筇竹寺组岩石学特征

Fig.3 Petrological characteristics of Qiongzhusi Formation in Guangyuan area， northern Sichuan

研究区黑色岩系样品主要矿物成分为石英、长石、碳酸盐矿物和黏土矿物，部分样品含少量黄铁矿与菱铁矿。其中硊性矿物（石英＋长石）含量较高，分布范围为58.5%~97.3%，平均值为80.1%，其中长石含量仅占10.3%，以高石英含量为主。根据全岩X射线衍射测试结果将研究区筇竹寺组岩相划分为四大类和九小类，投点发现广元地区岩相集中在硅质岩和硅质页岩（图4）。显微镜下可见筇一段硅质岩［图3（g）］发育网状裂缝，充填隐晶硅质，整体由隐—微晶硅质矿物组成，呈斑杂状散布。筇二段和筇三段的泥页岩［图3（h），图3（i）］由富有机质泥质与脆性矿物组成，整体呈纹层状排布。
图4 研究区筇竹寺组黑色岩系岩相特征

Fig.4 Lithofacies characteristics of black rock series of Qiongzhusi Formation in the study area

3.2　地球化学特征

3.2.1　总有机碳

研究区148件TOC含量测试样品分布范围为0.02%~8.55%，平均值为1.79%。3个剖面样品TOC含量主要集中于1%~2%及≥2%区间范围内［图5（a）］。垂向上呈先增长后减小的趋势。筇一段中上部和筇二段底部硅质岩及硅质页岩段为TOC高值区。全岩测试分析硅质岩中TOC≥2%的样品占50%，硅质页岩中TOC≥2%的样品占14%［图5（b）］。
图5 研究区筇竹寺组黑色岩系样品TOC频率分布直方图

Fig.5 TOC frequency distribution histogram of black rock series samples of Qiongzhusi Formation in the study area

3.2.2　主量元素

研究区样品中主要主量元素氧化物为SiO2、Al2O3和TFe2O3，其中SiO2含量最高（含量介于40.48%~83.75%之间，平均为65.69%），其次是Al2O3（其含量介于3.93%~19.74%之间，平均为14.01%），然后是TFe2O3（Fe2O3表示全铁含量），其含量介于0.36%~9.96%之间，平均为3.49%。K2O和Na2O的含量分别为1.21%~4.60%和0.43%~2.72%，均值分别为3.14%和1.63%。CaO、MgO、TiO2、P2O5、MnO含量均值均小于1%（表1）。
表1 川北广元地区筇竹寺组TOC、主量元素氧化物含量测试数据及特征参数计算结果

Table 1 TOC, main element oxide content test data and characteristic parameter calculation results of Qiongzhusi Formation in Guangyuan area, northern Sichuan

序号 样品号 主量元素氧化物质量分数/% 特征参数
TOC SiO2 TFe2O3 Al2O3 CaO K2O MgO Na2O TiO2 P2O5 MnO K2Ocorr CIAcorr

Babio

/（μg/g）

Sibio

/%

 SiO2/Al2O3 Al/（Fe+Al+Mn）
1 YWS-1-8 1.26 70.20 1.38 18.19 0.40 4.31 0.79 2.72 0.82 0.04 0.01 0.03 69.51 509.96 2.88 3.86 0.91
2 YWS-4-12 0.82 68.20 2.02 19.74 0.45 4.55 0.73 2.12 0.81 0.07 0.02 0.03 73.58 969.96 / 3.45 0.88
3 YWS-5-14 1.26 76.88 0.36 13.38 0.38 3.38 0.34 1.95 0.78 0.02 0.00 0.02 69.14 1 816.97 13.91 5.75 0.97
4 YWS-11-26 0.51 70.60 1.26 17.47 0.34 4.60 0.76 1.74 0.65 0.01 0.01 0.03 74.32 813.69 4.25 4.04 0.91
5 YWS-12-36 7.68 66.87 0.91 3.93 0.34 1.21 0.18 0.43 0.16 0.02 0.01 0.01 67.10 617.64 24.80 17.03 0.77
6 YWS-14-42 3.58 83.75 1.31 6.87 0.38 1.76 0.26 1.07 0.27 0.01 0.01 0.01 65.78 463.32 27.85 12.19 0.80
7 YWS-15-45 4.47 82.60 1.76 7.04 0.38 1.77 0.19 1.04 0.29 0.04 0.01 0.01 66.98 599.99 27.02 11.73 0.75
8 YWS-20-59 1.61 73.33 3.27 15.33 0.38 3.40 0.72 2.36 0.60 0.02 0.01 0.02 68.75 703.30 9.06 4.78 0.78
9 YWS-20-61 1.62 69.30 2.12 19.33 0.32 4.15 1.02 2.14 0.76 0.04 0.01 0.03 73.78 743.29 0.58 3.59 0.87
10 YWS-23-74 1.45 69.18 6.16 16.13 0.76 3.49 0.68 2.25 0.59 0.10 0.04 0.03 68.43 506.63 5.79 4.29 0.66
11 YJY-05 2.17 66.97 3.86 16.30 0.90 3.30 1.08 1.39 0.67 0.16 0.01 0.02 73.16 373.82 4.47 4.11 0.76
12 YJY-07 0.02 40.52 9.96 10.34 0.78 2.10 0.75 0.70 0.39 0.06 0.01 0.02 72.77 1 337.98 1.93 3.92 0.44
13 YJY-08 1.42 63.58 5.50 16.42 2.49 3.43 1.95 1.49 0.64 0.19 0.04 0.03 68.58 642.63 2.70 3.87 0.69
14 YJY-10 1.22 40.48 2.80 10.58 0.61 2.16 0.97 1.12 0.41 0.11 0.01 0.02 71.05 594.64 1.51 3.83 0.74
15 YJY-13 1.05 59.03 4.96 15.63 1.90 3.28 2.03 1.83 0.60 0.17 0.03 0.03 64.29 554.22 1.88 3.78 0.70
16 YJY-14 1.26 57.74 5.58 15.76 0.87 3.28 1.67 1.61 0.59 0.14 0.02 0.02 71.35 705.97 1.05 3.66 0.68
17 YJY-16 0.47 57.51 6.19 15.65 2.75 3.23 2.66 1.76 0.61 0.15 0.06 0.03 64.93 415.97 1.13 3.67 0.65
最小值 0.02 40.48 0.36 3.93 0.32 1.21 0.18 0.43 0.16 0.01 0.00 0.01 64.29 373.82 0.58 3.45 0.44
最大值 7.68 83.75 9.96 19.74 2.75 4.60 2.66 2.72 0.82 0.19 0.06 0.03 74.32 1 816.97 27.85 17.03 0.97
平均值 1.87 65.69 3.49 14.01 0.85 3.14 0.99 1.63 0.57 0.08 0.02 0.02 69.62 727.65 8.53 5.74 0.76
比较研究区主量元素的相关系数（表2）发现，K2O、MgO、Na2O、TiO2与Al2O3相关性极高，决定系数（R 2）分别为0.98、0.93、0.90、0.93。P2O5、MnO与Al2O3相关性较低，CaO与Al2O3无明显相关性。SiO2与其他主量元素呈不同程度的负相关关系。TFe2O3、CaO、MnO、P2O5之间的相关性高，K2O、MgO、TiO2和Na2O彼此相关性较高。
表2 川北广元地区筇竹寺组黑色岩系主量元素相关系数

Table 2 Correlation coefficient of major elements in black rock series of Qiongzhusi Formation in Guangyuan area, northern Sichuan

相关系数 主量元素
SiO2 TFe2O3 Al2O3 CaO K2O MgO Na2O TiO2 P2O5 MnO

主

量

元

素

 SiO2 1.00
TFe2O3 -0.25 1.00
Al2O3 -0.51 0.29 1.00
CaO -0.18 0.86 0.19 1.00
K2O -0.50 0.17 0.98 0.11 1.00
MgO -0.58 0.36 0.93 0.10 0.88 1.00
Na2O -0.33 0.39 0.90 0.30 0.85 0.81 1.00
TiO2 -0.40 0.08 0.93 0.08 0.94 0.78 0.89 1.00
P2O5 -0.37 0.79 0.43 0.84 0.32 0.37 0.43 0.31 1.00
MnO -0.31 0.89 0.30 0.96 0.23 0.25 0.30 0.12 0.86 1.00

3.2.3　稀土元素

研究区稀土元素总量ΣREE（表3）介于（60.31~282.42）×10-6之间，平均值为144.13×10-6，略低于后太古代澳大利亚页岩的ΣREE为184.80×10-6［24］和北美页岩的ΣREE为173.21×10-6［25］，稀土元素总量轻度亏损。其中轻稀土元素ΣLREE介于（32.87~185.34）×10-6之间，平均值为94.19×10-6，重稀土元素ΣHREE介于（12.55~97.09）×10-6之间，平均值为49.94×10-6，轻、重稀土元素ΣLREE/ΣHREE值介于（0.80~4.27）×10-6之间，平均值为2.14×10-6。
表3 川北广元地区黑色岩系样品稀土元素含量测试数据及特征参数计算结果

Table 3 Rare earth element content test data and characteristic parameter calculation results of black rock series samples in Guangyuan area, northern Sichuan

序号 样品号 稀土元素含量/10-6 特征参数
La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Y

ΣREE

/10-6

ΣLREE

/10-6

ΣHREE

/10-6

ΣLREE

/ΣHREE

 La/Ce Sm/Nd
1 YWS-1-8 29.56 35.36 4.52 17.72 2.66 1.35 2.39 0.42 2.69 0.73 2.23 0.42 2.41 0.44 30.72 133.62 91.17 42.45 2.15 0.84 0.15
2 YWS-4-12 40.80 47.60 6.52 25.92 4.32 2.29 3.99 0.58 4.08 0.94 3.15 0.48 3.29 0.58 44.40 188.94 127.45 61.50 2.07 0.86 0.17
3 YWS-5-14 48.24 57.65 7.29 29.06 4.78 3.84 4.43 0.67 4.82 1.13 3.63 0.60 3.81 0.60 56.08 226.63 150.86 75.77 1.99 0.84 0.16
4 YWS-11-26 29.25 44.31 5.96 22.71 3.77 2.51 3.73 0.60 4.20 1.02 3.40 0.55 3.58 0.55 36.47 162.62 108.52 54.10 2.01 0.66 0.17
5 YWS-12-36 10.39 10.67 1.79 7.22 1.45 1.36 1.65 0.24 1.68 0.40 1.34 0.21 1.30 0.23 20.39 60.31 32.87 27.44 1.20 0.97 0.20
6 YWS-14-42 24.28 34.64 5.48 23.48 3.64 1.63 3.82 0.54 3.53 0.85 2.87 0.43 2.70 0.44 34.36 142.69 93.15 49.54 1.88 0.70 0.15
7 YWS-15-45 19.60 21.56 3.76 16.40 3.28 1.98 4.84 0.80 5.64 1.42 4.44 0.64 3.82 0.54 61.20 149.92 66.57 83.35 0.80 0.91 0.20
8 YWS-20-59 30.92 43.60 5.84 23.24 4.20 2.28 4.88 0.82 5.64 1.34 4.32 0.70 4.44 0.73 51.60 184.55 110.08 74.46 1.48 0.71 0.18
9 YWS-20-61 47.60 76.00 10.32 41.20 7.24 2.98 7.48 1.18 7.68 1.90 6.00 0.97 6.44 1.04 64.40 282.42 185.34 97.09 1.91 0.63 0.18
10 YWS-23-74 27.36 41.20 5.52 21.88 4.80 2.24 7.00 1.03 6.52 1.54 4.80 0.75 5.04 0.78 53.60 184.06 103.00 81.06 1.27 0.66 0.22
11 YJY-05 30.94 21.88 2.62 9.65 1.56 0.29 1.44 0.20 1.34 0.31 0.96 0.15 1.05 0.17 17.10 89.65 66.94 22.71 2.95 1.41 0.16
12 YJY-07 19.00 21.20 2.39 9.04 1.41 0.57 1.23 0.17 0.96 0.23 0.80 0.13 0.83 0.12 8.08 66.16 53.61 12.55 4.27 0.90 0.16
13 YJY-08 37.16 30.56 3.76 15.12 3.02 0.66 3.19 0.42 2.49 0.55 1.61 0.24 1.56 0.24 27.52 128.11 90.28 37.83 2.39 1.22 0.20
14 YJY-10 37.08 25.64 3.18 12.28 2.19 0.46 2.24 0.35 1.98 0.41 1.19 0.18 1.13 0.20 24.04 112.57 80.84 31.74 2.55 1.45 0.18
15 YJY-13 34.71 23.14 2.78 10.90 2.15 0.49 2.29 0.33 2.05 0.39 1.17 0.18 1.17 0.16 25.61 107.53 74.16 33.36 2.22 1.50 0.20
16 YJY-14 36.40 25.36 3.05 11.92 2.05 0.48 2.12 0.30 1.77 0.37 1.11 0.17 1.15 0.18 22.56 108.98 79.26 29.73 2.67 1.44 0.17
17 YJY-16 34.12 31.36 3.83 14.60 2.69 0.62 3.02 0.43 2.44 0.51 1.52 0.24 1.43 0.27 24.44 121.51 87.22 34.29 2.54 1.09 0.18
最小值 10.39 10.67 1.79 7.22 1.41 0.29 1.23 0.17 0.96 0.23 0.80 0.13 0.83 0.12 8.08 60.31 32.87 12.55 0.80 0.63 0.15
最大值 48.24 76.00 10.32 41.20 7.24 3.84 7.48 1.18 7.68 1.90 6.00 0.97 6.44 1.04 64.40 282.42 185.34 97.09 4.27 1.50 0.22
平均值 31.61 34.81 4.62 18.37 3.25 1.53 3.51 0.53 3.50 0.83 2.62 0.41 2.66 0.43 35.45 144.13 94.19 49.94 2.14 0.99 0.18
为消除稀土元素中“奇偶效应”的影响，本文选用MCLENNAN［24］球粒陨石标准，对样品稀土元素值进行标准化处理（表4）。其中轻稀土段（La/Sm）N分布范围为3.59~12.51之间，平均值为6.93，重稀土段（Gd/Yb）N值为0.80~1.71，平均值为1.18，表征轻、重稀土元素间的分异参数（La/Yb）N值为3.47~22.13，平均值为11.19，轻、重稀土元素之间的分异程度较大。δEu值介于0.59~2.69之间，平均值为1.33，表现为较高的正异常，δCe值为0.55~0.80，平均值为0.67，呈较弱的负异常。
表4 川北广元地区黑色岩系样品稀土元素含量标准化及特征参数计算结果

Table 4 Rare earth element content standardization and characteristic parameter calculation results of black rock series samples in Guangyuan area, northern Sichuan

序号 样品号 稀土元素标准化 标准化后特征参数
LaN CeN PrN NdN SmN EuN GdN TbN DyN HoN ErN TmN YbN LuN YN LaN/YbN SmN/YbN

LaN/

SmN

 LaN/NdN DyN/SmN GdN/YbN GdN/LuN δEu δCe δPr Y/Y*
1 YWS-1-8 80.54 36.95 32.99 24.92 11.52 15.54 7.80 7.31 7.06 8.55 8.95 11.80 9.71 11.65 13.65 8.30 1.19 6.99 3.23 0.61 0.80 0.67 1.64 0.72 1.09 1.75
2 YWS-4-12 111.17 49.74 47.59 36.46 18.70 26.30 13.03 10.00 10.71 11.09 12.66 13.48 13.27 15.22 19.73 8.38 1.41 5.94 3.05 0.57 0.98 0.86 1.68 0.68 1.12 1.81
3 YWS-5-14 131.43 60.24 53.24 40.87 20.71 44.17 14.48 11.49 12.66 13.27 14.58 16.74 15.35 15.85 24.92 8.56 1.35 6.35 3.22 0.61 0.94 0.91 2.55 0.72 1.07 1.92
4 YWS-11-26 79.71 46.30 43.51 31.94 16.31 28.89 12.17 10.34 11.01 12.03 13.64 15.53 14.45 14.41 16.21 5.52 1.13 4.89 2.50 0.68 0.84 0.84 2.05 0.79 1.13 1.41
5 YWS-12-36 28.32 11.15 13.08 10.15 6.26 15.64 5.40 4.06 4.41 4.75 5.39 5.84 5.25 5.97 9.06 5.39 1.19 4.52 2.79 0.70 1.03 0.90 2.69 0.58 1.23 1.98
6 YWS-14-42 66.16 36.20 40.00 33.02 15.74 18.76 12.48 9.38 9.27 10.01 11.52 12.13 10.89 11.44 15.27 6.08 1.45 4.20 2.00 0.59 1.15 1.09 1.34 0.70 1.16 1.58
7 YWS-15-45 53.41 22.53 27.42 23.07 14.18 22.71 15.82 13.86 14.80 16.69 17.83 18.09 15.40 14.17 27.20 3.47 0.92 3.77 2.32 1.04 1.03 1.12 1.52 0.59 1.20 1.73
8 YWS-20-59 84.25 45.56 42.63 32.69 18.18 26.25 15.95 14.14 14.80 15.70 17.35 19.55 17.90 19.21 22.93 4.71 1.02 4.63 2.58 0.81 0.89 0.83 1.54 0.76 1.10 1.50
9 YWS-20-61 129.70 79.41 75.33 57.95 31.34 34.21 24.44 20.28 20.16 22.37 24.10 27.30 25.97 27.19 28.62 4.99 1.21 4.14 2.24 0.64 0.94 0.90 1.24 0.80 1.11 1.35
10 YWS-23-74 74.55 43.05 40.29 30.77 20.78 25.70 22.88 17.72 17.11 18.14 19.28 21.12 20.32 20.37 23.82 3.67 1.02 3.59 2.42 0.82 1.13 1.12 1.18 0.79 1.11 1.35
11 YJY-05 84.31 22.87 19.15 13.57 6.74 3.34 4.70 3.45 3.51 3.64 3.86 4.19 4.22 4.43 7.60 19.97 1.60 12.51 6.21 0.52 1.11 1.06 0.59 0.57 1.09 2.13
12 YJY-07 51.77 22.15 17.46 12.71 6.10 6.53 4.03 2.90 2.52 2.73 3.20 3.60 3.35 3.15 3.59 15.43 1.82 8.49 4.07 0.41 1.20 1.28 1.32 0.74 0.14 1.37
13 YJY-08 101.25 31.93 27.42 21.27 13.07 7.59 10.43 7.31 6.54 6.49 6.47 6.63 6.29 6.40 12.23 16.10 2.08 7.74 4.76 0.50 1.66 1.63 0.65 0.61 0.14 1.88
14 YJY-10 101.04 26.79 23.24 17.27 9.47 5.33 7.33 6.07 5.21 4.84 4.77 5.17 4.56 5.25 10.68 22.13 2.08 10.67 5.85 0.55 1.61 1.40 0.64 0.55 0.15 2.13
15 YJY-13 94.57 24.18 20.32 15.33 9.29 5.63 7.47 5.75 5.38 4.61 4.71 5.18 4.73 4.22 11.38 20.00 1.96 10.18 6.17 0.58 1.58 1.77 0.68 0.55 0.14 2.28
16 YJY-14 99.18 26.50 22.28 16.77 8.87 5.47 6.94 5.17 4.65 4.32 4.45 4.83 4.63 4.62 10.03 21.43 1.92 11.19 5.92 0.52 1.50 1.50 0.70 0.56 0.14 2.23
17 YJY-16 92.97 32.77 27.94 20.53 11.64 7.17 9.87 7.45 6.39 5.97 6.10 6.63 5.76 7.14 10.86 16.15 2.02 7.99 4.53 0.55 1.71 1.38 0.67 0.64 0.15 1.76
最小值 28.32 11.15 13.08 10.15 6.10 3.34 4.03 2.90 2.52 2.73 3.20 3.60 3.35 3.15 3.59 3.47 0.92 3.59 2.00 0.41 0.80 0.67 0.59 0.55 0.14 1.35
最大值 131.43 79.41 75.33 57.95 31.34 44.17 24.44 20.28 20.16 22.37 24.10 27.30 25.97 27.19 28.62 22.13 2.08 12.51 6.21 1.04 1.71 1.77 2.69 0.80 1.23 2.28
平均值 86.14 36.37 33.76 25.84 14.05 17.60 11.48 9.22 9.19 9.72 10.52 11.64 10.71 11.22 15.75 11.19 1.49 6.93 3.76 0.63 1.18 1.13 1.33 0.67 0.78 1.77

注：表中使用的计算公式［24］：∑REE=La+Ce+Pr+Nd+Sm+Eu+Gd+Tb+Dy+Ho+Er+Tm+Yb+Lu+Y；∑LREE=La+Ce+Pr+Nd+Sm+Eu；∑HREE=Gd+Tb+Dy+Ho+Er+Tm+Yb+Lu+Y；δEu=EuN/（SmN×GdN）0.5；δCe=CeN/（LaN×PrN）0.5；δPr=PrN/（CeN×NdN）0.5；Y/Y*=2YN/（DyN+HoN）；下标N均代表经球粒陨石标准化后的值

研究区的样品整体上具有相近的配分模式（图6），REE球粒陨石标准化曲线右倾，轻稀土段曲线较陡，重稀土段曲线平缓。整体上呈LREE富集而HREE相对亏损，Eu富集和Ce亏损的特征。
图6 川北广元地区筇竹寺组球粒陨石标准化稀土元素配分模式

Fig.6 The chondrite-normalized rare earth element distribution pattern of Qiongzhusi Formation in Guangyuan area， northern Sichuan

3.2.4　微量元素

此次测试分析除上述15个稀土元素外，共测试了Ba、Co、Li、Mo、Th、U、V等20个微量元素（表5）。其中Ba、V、Zr、Sr、Rb、Ga含量相对较高，Ba含量范围为（373.86~1 816.99）×10-6，平均为727.67×10-6，在样品微量元素中含量最高。V含量范围为（56.63~446.32）×10-6，平均为183.84×10-6；Zr含量范围为（43.92~217.60）×10-6，平均为148.29×10-6；Sr含量范围为（32.76~240.80）×10-6，平均为84.71×10-6；Rb含量范围为（20.71~90.80×）10-6，平均为66.35×10-6；Ga含量范围为（20.64~203.14）×10-6，平均为62.32×10-6。
表5 川北广元地区黑色岩系样品微量元素含量测试及特征参数计算结果

Table 5 Tables of trace element content test and characteristic parameter calculation results of black rock series samples in Guangyuan area, northern Sichuan

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 最小值 最大值 平均值
样品号 YWS-1-8 YWS-4-12 YWS-5-14 YWS-11-26 YWS-12-36 YWS-14-42 YWS-15-45 YWS-20-59 YWS-20-61 YWS-23-74 YJY-05 YJY-07 YJY-08 YJY-10 YJY-13 YJY-14 YJY-16

微量元素含量

/10-6

 B 48.83 53.94 52.92 55.68 80.06 38.83 30.55 45.90 55.32 69.56 30.69 28.70 31.38 39.75 28.48 23.77 16.02 16.02 80.06 42.96
Ba 510.00 970.00 1816.99 813.73 617.65 463.33 600.00 703.33 743.33 506.67 373.86 1338.00 642.67 594.67 554.25 706.00 416.00 373.86 1816.99 727.67
Cd 0.40 0.22 0.27 0.19 0.08 0.38 0.20 0.35 0.30 0.50 0.23 0.49 0.63 5.68 1.44 3.82 1.10 0.08 5.68 0.96
Co 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 9.56 0.02 0.01 0.02 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 9.56 0.58
Cr 97.60 99.20 11.53 96.47 10.94 11.32 11.36 96.00 97.60 90.40 10.59 11.68 11.24 10.88 10.94 11.12 11.20 10.59 99.20 41.18
Cu 21.48 62.40 0.01 21.92 9.49 10.56 16.56 0.01 22.68 68.80 29.10 20.36 25.80 67.60 32.00 31.72 36.32 0.01 68.80 28.05
Ga 59.36 108.80 203.14 90.98 65.49 48.80 62.96 73.92 76.08 50.56 21.84 20.64 36.08 32.84 31.22 53.20 23.52 20.64 203.14 62.32
Ge 6.92 11.72 11.02 6.55 2.58 6.20 5.16 7.96 11.40 9.44 7.49 7.80 10.04 9.52 9.49 9.76 9.52 2.58 11.72 8.39
Hf 3.74 2.84 3.12 4.16 0.65 1.63 1.74 3.42 4.48 3.49 2.26 1.78 2.35 2.59 2.13 2.08 2.74 0.65 4.48 2.66
Li 29.60 20.59 32.40 42.16 42.80 52.60 49.41 22.60 36.47 39.80 23.21 20.46 26.49 47.09 7.94 18.60 39.75 7.94 52.60 32.47
Mo 2.79 5.17 1.98 2.18 3.71 2.25 2.42 2.41 1.98 0.72 2.48 2.01 4.19 3.87 2.75 4.56 1.97 0.72 5.17 2.79
Ni 11.20 10.72 10.98 10.82 10.82 10.72 10.72 11.12 11.04 8.00 10.82 10.48 9.76 9.84 9.25 9.28 9.84 8.00 11.20 10.32
Pb 7.00 7.08 11.88 10.24 1.58 16.72 11.92 16.68 28.00 15.76 9.65 27.64 16.28 14.92 14.27 21.76 21.92 1.58 28.00 14.90
Pr 4.52 6.52 7.29 5.96 1.79 5.48 3.76 5.84 10.32 5.52 2.62 2.39 3.76 3.18 2.78 3.05 3.83 1.79 10.32 4.62
Rb 73.60 80.00 52.16 79.22 20.71 30.24 29.24 64.40 85.20 60.00 77.25 41.60 79.20 89.60 85.88 90.80 88.80 20.71 90.80 66.35
Sr 74.80 69.60 84.31 46.67 49.80 32.76 38.88 38.60 35.88 35.56 146.27 115.60 240.80 100.40 116.47 102.80 110.80 32.76 240.80 84.71
Th 4.64 6.32 6.08 6.75 1.53 2.71 2.90 5.24 8.04 5.44 5.49 4.04 5.64 5.52 4.90 5.00 6.44 1.53 8.04 5.10
U 12.56 10.64 9.18 10.51 11.10 13.64 11.76 9.32 18.48 9.04 4.20 4.08 6.56 6.88 5.25 5.36 4.96 4.08 18.48 9.03
V 206.32 191.58 65.84 167.18 132.09 172.63 79.16 226.32 311.58 171.58 280.70 56.63 95.37 446.32 247.68 165.68 108.63 56.63 446.32 183.84
Zr 217.60 164.80 174.90 163.14 43.92 84.00 79.20 148.80 176.80 127.20 178.04 89.60 163.20 205.60 172.55 165.60 166.00 43.92 217.60 148.29

特

征

参

数

 MoEF 2.98 5.08 2.87 2.42 18.33 6.36 6.67 3.05 1.99 0.87 2.95 3.77 4.95 7.09 3.41 5.61 2.44 0.87 18.33 4.75
UEF 7.44 5.81 7.39 6.48 30.46 21.41 18.00 6.55 10.30 6.04 2.78 4.25 4.31 7.01 3.62 3.66 3.42 2.78 30.46 8.76
U/Th 2.71 1.68 1.51 1.56 7.26 5.03 4.05 1.78 2.30 1.66 0.76 1.01 1.16 1.25 1.07 1.07 0.77 0.76 7.26 2.16
V/Cr 2.11 1.93 5.71 1.73 12.07 15.25 6.97 2.36 3.19 1.90 26.51 4.85 8.48 41.02 22.64 14.90 9.70 1.73 41.02 10.67
V/（V＋Ni） 0.95 0.95 0.86 0.94 0.92 0.94 0.88 0.95 0.97 0.96 0.96 0.84 0.91 0.98 0.96 0.95 0.92 0.84 0.98 0.93
Sr/Cu 3.48 1.12 10 804.02 2.13 5.25 3.10 2.35 3 483.75 1.58 0.52 5.03 5.68 9.33 1.49 3.64 3.24 3.05 0.52 10 804.02 843.46
C值 0.15 0.23 0.05 0.15 0.38 0.34 0.47 0.43 0.25 0.79 0.58 0.06 0.14 0.67 0.40 0.23 0.25 0.05 0.79 0.33

4 古环境讨论分析

4.1　古氧化—还原水体环境

沉积水体的氧化—还原性质是控制元素和有机质富集的关键［26］，利用氧化还原敏感型元素可有效反演沉积期水体的氧化—还原条件。而相关元素的富集系数可由以下公式计算得到：
X E F = ( X / A l ) 样品 / ( X / A l ) P A S S
式中：（X/Al）样品代表测试分析样品中X元素含量与Al元素的比值；（X/Al）PASS代表后太古宙澳大利亚页岩X/Al值［24］；X EF<1表示元素亏损，X EF>1表示元素富集。MoEF和UEF平均值分别为4.75和8.76，说明Mo和U较为富集，这与有机质或黏土矿物伴生［27］具有一定耦合性。Mo-U富集协变模式图可协助判别水体的氧化还原环境。水体封闭性强，且在封闭缺氧环境下Mo的消耗速率大于U，这使得MoEF/UEF值处于SW（现代海洋中正常海水的Mo/U值）的一倍以下［28］。研究区样品Mo/U值大多介于0.1~1倍SW之间（图7），表明底层水体基本处于强滞留环境，沉积水体整体呈贫氧—缺氧状态，筇一段、筇二段样品主要集中于缺氧环境，筇三段主要为贫氧环境。筇一段、筇二段海平面快速上升期，海水出现分层，这个时期强烈的滞留环境使得底水还原性增强，有利于有机质产量增加及其保存。
图7 研究区筇竹寺组MoEF—UEF富集协变模式 （底图修改自文献［8］）

Fig.7 MoEF-UEF enrichment covariation pattern of Qiongzhusi Formation in the study area （ base map modified from Ref. ［ 8 ］ ）

U/Th、V/Cr、V/（V＋Ni）被广泛应用于多种海、陆相沉积水体氧化还原环境的评价中［29-31］。研究区样品U/Th值在0.76~7.26之间，平均值为2.16，处于贫氧—厌氧环境范围内（表6），纵向上云雾山剖面U/Th值先增长后减小，沉积水体自下而上还原度先增加后减弱，但整体均处于厌氧环境，玉家营剖面则主要为贫氧的水体环境。V/Cr值在1.73~41.02之间，平均值为10.67，说明沉积水体整体基本处于厌氧还原条件。V/Cr与TOC变化吻合度高，筇一段深水陆棚沉积期基本处于厌氧状态，向上水体变浅，V/Cr值逐渐减小至4.25（表6）以下，沉积水体向贫氧—氧化环境过渡。V/（V＋Ni）值在0.84~0.98之间，平均值为0.93，V/（V＋Ni）值均大于0.54，指示了沉积水体处于海相静水厌氧还原环境，且呈强分层［32］。
表6 研究区古环境基本特征判别指标

Table 6 Discrimination index of basic characteristics of paleoenvironment in the study area

沉积环境判别指标 参考文献
古氧化—还原环境 U/Th 厌氧 >1.25 贫氧 0.75~1.25 富氧 <0.75 ［24，33-35］
V/Cr >4.25 2.00~4.25 <2.00
Ni/Co >7.00 5.00~7.00 <5.00
V/（V＋Ni） >0.54 0.46~0.60 <0.46
δCe <1 >1
还原环境 氧化环境
古气候 CIA

风化

程度

 ≤50 50<CIA≤65 65<CIA≤85 85<CIA≤100 ［36-39］
未风化 初级化学风化 中等化学风化 强烈化学风化

气候

类型

 50~60 60~80 80~100 /
干冷型 温湿型 热湿型
C值 C<0.1 0.1~0.2 0.2~0.4 >0.4
干旱气候 半干旱气候 半潮湿气候

潮湿

气候

Sr/Cu <10 >10
温湿气候 干旱气候
古生产力 Babio 1 000~5 000 μg/g 200~1 000 μg/g ［40-41］
高等古生产力 中等古生产力
三者在反映研究区氧化还原环境时，无论纵向变化趋势还是整体古水体环境，均具有一致性。纵向上筇竹寺组底部呈强缺氧环境，随着海平面变化，还原程度逐渐减小，地层顶部相较底部含氧量明显增加，这一特征同早寒武世沉积期间，快速海侵和缓慢海退过程相吻合，同时与川北筇竹寺组底部黑色岩系富有机质，中上部有机质丰度较低的变化趋势相似［26］。
受沉积分异和富集机制等因素的影响，仅对氧化还原敏感型元素比值进行分析，可能造成判别结果的多解性，需通过多项地球化学判别指标加以佐证。稀土元素Ce异常可以反映细粒沉积物的沉积条件。然而Ce异常可能由多重因素引起：成岩作用过程中，Ce易与其他稀土元素交换，使得δCe异常存在偏差。BAU等［42］认为La的异常富集会导致Ce异常［37］，（La/Sm）N—δCe交会图表明［图8（a）］，研究区轻稀土段与δCe无相关关系，中稀土段的富集也会造成Ce异常，本文研究中δCe与Dy/Sm基本不相关［图8（b）］，排除了“拱化效应”影响［43］。排除上述干扰因素，由此确定Ce异常可以准确恢复研究区原始水体氧化—还原环境。
图8 δCe分别与(La/Sm)N、Dy/Sm的相关性

Fig.8 Correlation diagrams of δCe with (La/Sm)N, Dy/Sm respectively

当δCe>1时，δCe正异常，Ce以稳定态的Ce4+形式存在，其代表氧化环境，反之δCe负异常时，Ce4+→Ce3+，表示缺氧的还原环境［44］。研究区筇竹寺组样品δCe均<1，平均值为0.67，δCe负异常较弱，这与HOLSER［45］的研究：缺氧盆地和陆棚区存在较弱的负Ce异常结果相一致。推断该区古水体沉积环境总体为缺氧的还原环境。
综合上述讨论分析认为，早寒武世川北广元一带筇竹寺组沉积水体基本表现为贫氧—缺氧水体环境。

4.2　古气候

古气候条件是沉积岩的风化程度、化学组分以及古生物种类等的决定因素，其中化学风化强度主要受温度和湿度的影响。温暖潮湿的条件下，风化程度较高，石英、长石等矿物组分易转变为黏土矿物沉积下来；而寒冷干燥的古气候背景下，化学风化程度降低，以破碎、生物分解等物理、生物风化作用为主。
化学蚀变指数（CIA）是业界广泛应用于定量评价风化程度及古气候特征的指标。可通过NESBITT等［36］建立的主量元素氧化物摩尔含量关系式进行计算：
C I A = [ A l 2 O 3 / ( A l 2 O 3 + C a O * + N a 2 O + K 2 O ) ] × 100
C a O * = C a O - 10 / 3 × P 2 O 5
然而成岩过程中存在着K的交代作用，K含量的升高导致低的CIA值，影响古气候恢复的准确性。由此，本文采用PANAHI等［46］校正后的CIAcorr计算公式：
C I A c o r r = [ A l 2 O 3 / ( A l 2 O 3 + C a O * + N a 2 O + K 2 O c o r r ) ] × 100
K 2 O c o r r = [ m × A l 2 O 3 + m × ( C a O * + N a 2 O ) ] / ( 1 - m )
m = K 2 O / ( A l 2 O 3 + C a O * + N a 2 O + K 2 O )
式中：各成分均以摩尔数为单位；K2Ocorr为消除K交代作用后岩石中K2O的含量；m为母岩中K2O的占比。本文m值参考了杨永祯等［47］对康滇古陆东缘筇竹寺组目的层取值0.109 889 19。由此得到对研究区校正后的CIAcorr值。研究区筇竹寺组CIA值介于64.29~74.32之间，平均值为69.62，纵向变化不大，但在筇一段中部和筇二段底部硅质岩和泥页岩段CIA值明显增高，指示了筇竹寺组气候类型主要为中等化学风化作用背景下的温暖湿润型气候。
古气候指数C值根据干旱或湿润环境下不同元素的相对富集规律，也能有效指示古气候类型，计算方法为：
C = ∑ ( M n + F e + N i + C o + V + C r ) / ∑ ( M g + C a + B a + K + S r + N a )
C值越大，气候越潮湿。广元地区以北筇竹寺组C值介于0.05~0.79之间，平均值为0.33。筇一段沉积初期，C值逐渐增大，气候逐渐由半干旱转变为半潮湿—潮湿气候。
与UCC微量元素平均值［24］相比，研究区喜干型元素Sr含量明显低于上地壳含量（350×10-6），亏损较严重，说明川北广元一带筇竹寺组沉积期整体气候较为湿润。Cu是喜湿型元素，二者的比值常被用来反映古气候。当Sr/Cu<10时指示温湿气候，Sr/Cu>10时指示干旱气候［48］。计算结果表明，研究区样品中仅YWS-5-14和YWS-20-59这2个样品Sr/Cu值大于10，其余样品Sr/Cu值均小于10（表5），揭示了相对温湿的古气候特征。
化学蚀变指数（CIA）、古气候指数C值、微量元素比值Sr/Cu的相互印证均表明川北筇竹寺组沉积时期古气候背景为温暖湿润的气候，物源区呈中等风化强度。

4.3　古海洋生产力

4.3.1　生物钡（Babio）

表层水初始生产力对于有机质的富集起着至关重要的作用。营养元素与古海洋生产力密切相关，是沉积有机质的重要物质来源。前人研究表明，自生成因的重晶石（BaSO4）作为海洋生物钡的主要存在形式，能稳定保存在沉积物中，其沉积速率与有机碳和古生产力呈显著的正相关关系，因此生物钡（Babio）的含量［49］可有效表征古生产力水平。Babio量化古生产力时需去除陆源组分影响，计算公式为：
B a b i o = B a 样品 - A l 样品 × ( B a / A l ) 碎屑
现有研究中（Ba/Al）碎屑值分布在0.003 2~0.004 6之间［40，50］，本文选取0.003 9作为（Ba/Al）碎屑的计算值。计算结果显示，研究区筇竹寺组页岩样品Babio含量为373.82~1 816.97 μg/g，平均为727.65 μg/g，整体上表现为中等古生产力。筇一段、筇二段和筇三段Babio平均含量分别为827.36 μg/g、723.30 μg/g、506.63 μg/g。古生产力水平自下而上呈明显的减小趋势，筇一段古生产力水平最高，表现为中—高古生产力，而后沉积期主要为中等生产力。期间古生产力存在着一定的波动，具体表现为：筇一段底部向上古生产力逐渐增大，这可能是由于筇竹寺组沉积期，川北地区在大规模海侵的背景下，海平面和水体深度发生改变，伴随着深层海水上涌及丰富的营养物质供应，致使表层海水初级生产力显著上升。而后经历一次海退阶段，致使筇一段中部古生产力逐渐减小，筇一段顶部到筇二段沉积阶段古生产力水平有所回升，说明该地区海平面再次上升，至筇三段古生产力逐步下降，但整体均表现为中等古生产力。

4.3.2　硅质来源及生物硅（Sibio）

由于风化作用和后期成岩作用不影响Al、Fe、Mn主量元素的稳定存在，因此可以利用Al—Fe—Mn三元图有效判别研究区硅质成因。样品投点数据［图9（a）］基本均落入非热液成因区域，且具有“高Al极低Mn值”特征，若基本落在Fe一侧则表征热液成因，而上述特征指示的硅质非热液成因明显。3种主量元素的Al/（Fe+Al+Mn）值是评估热液活动对海洋沉积物影响的一项重要指标，其比值越高说明热液输入越少，纯热液的Al/（Fe+Al+Mn）<0.01，日本半深海Kamiaso生物燧石的Al/（Fe+Al+Mn）值为0.60［51］，研究区样品Al/（Fe+Al+Mn）值为0.44~0.97，均值为0.76，再次佐证了Al—Fe—Mn三角图版指示的硅质非热液成因结果。
图9 研究区硅质来源判别图解（底图来源于文献[52]）

Fig.9 Discrimination diagram of siliceous source in the study area ( base map from Ref.[52])

在排除硅质热液来源后，利用SiO2/Al2O3值探究研究区硅质成因是否为陆源输入。研究区SiO2/Al2O3值为3.45~17.03，平均值为5.74，明显高于陆壳中SiO2/Al2O3值3.64［53］，说明研究区硅质来源并非陆源输入硅。沉积物中Zr元素与SiO2的关系，也能够有效判别硅质来源究竟是碎屑成因还是生物成因［51］。Zr与SiO2呈负相关关系表明［图9（b）］，研究区灰黑色页岩样品中硅质来源为生物成因。另外由研究区样品Si与Al交会图可以看出（图10，图11），除玉家营2个样品外，其余投点均落在伊利石Si/Al线之上，这表明研究区生物成因硅为过量硅［30，54］。
图10 研究区样品主量元素Si—Al交会图

Fig.10 Si-Al intersection diagram of major elements of samples in the study area

图11 川北广元地区筇竹寺组页岩Sibio与TOC相关关系

Fig.11 Correlation between Sibio and TOC of Qiongzhusi Formation shale in Guangyuan area， northern Sichuan

Al元素主要赋存于陆源碎屑的黏土矿物中，受后生作用的影响程度较小［55-56］。研究区硅质来源主要为生物成因的自生硅这一结论解释了SiO2与Al2O3负相关关系特征。全岩X射线衍射中脆性矿物组合（石英＋长石）占比高，长石含量相对较低这一结果，同样反映了陆源碎屑对广元一带黑色岩系及其矿物含量的影响较小，而深水环境生物硅的影响较大。
生物硅（Sibio）是评价古海洋生产力的可靠指标，它们是沉积有机质的主要供给者，直接影响着表层水体的古生产力水平，生物硅（Sibio）含量越高，古生产力就越高。查明研究区硅质来源为生物成因硅后，根据其计算公式：
S i b i o = S i 样品 – [ A l 样品 × ( S i / A l ) P A A S ]
式中：（Si/Al）PAAS值为3.11［57］，计算得到研究区筇竹寺组页岩样品Sibio含量为0.58%~27.85%，平均为8.53%，筇一段、筇二段和筇三段Sibio平均含量分别为16.79%、4.82%和5.79%。筇一段表现为最高的古生产力，与Babio反映的结果一致，且筇一段与TOC正相关关系较强（R²=0.6），TOC高值也主要集中于筇一段。纵向上表现为Sibio高值区与层序界面和最大海泛面明显对应（图12），在筇一段底部、中上部及筇二段底部泥页岩和硅质泥页岩段增长明显，该段沉积期上升洋流提供充足的营养物质，浮游生物繁盛，古生产力可观。
图12 川北广元地区筇竹寺组沉积期古环境综合地球化学柱状图

Fig.12 Comprehensive geochemical histogram of paleoenvironment in Qiongzhusi sedimentary period in Guangyuan area， northern Sichuan

综上所述，川北广元地区生物成因硅构成了重要的硅质来源。高生物成因硅含量有利于页岩有机质孔隙的发育和保存，能提高页岩的可压裂性，对有机质的富集产生重要影响［58-59］。

5 结论

（1）四川盆地广元北部U/Th、V/Cr、V/（V＋Ni）等氧化还原敏感性元素比值在纵向上的变化存在细微差异，但整体表现为寒武系筇竹寺组沉积水体自下而上还原度先增加后减弱，筇竹寺组底部呈明显的强缺氧环境，沉积后期古水体含氧量逐渐升高。这与同期海平面由深至浅的和强迫式快速海侵、缓慢海退形成的三级层序变化一致。其氧化还原环境的演化过程还与川北筇竹寺组底部黑色岩系TOC含量高，中上部TOC丰度较低的变化趋势相吻合。Ce较弱的负异常和Eu强正异常进一步表明：下寒武统筇竹寺组沉积期，川北广元一带沉积水体环境整体表现为酸性、缺氧的还原环境。
（2）校正后的CIA值、古气候指数C值、微量元素Sr/Cu值均表明川北筇竹寺组沉积时期古气候条件为温暖湿润型气候，物源区呈中等风化强度。
（3）研究区筇竹寺组硅质来源主要为深水环境生物成因硅，陆源碎屑及热液活动对广元一带沉积岩及其矿物含量的影响较小，有利于有机质的富集。沉积期主要表现为中等古生产力，古生产力纵向上呈波动变化，筇一段底部黑色泥页岩、硅质岩海进沉积期古生产力最高，而后缓慢海退，表层海水初级生产力有所下降；筇二段底部黑色岩系沉积期海平面再次上升，古生产力也随之回升，至筇三段古生产力逐步下降。

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