Natural Gas Geoscience >

2023 , Vol. 34 >Issue 3: 445 - 459

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2022.10.002

Analysis of lithofacies and sedimentary environment of shale deposited in shelf facies： A case study of the Wenshuicun section in Guizhou Province， South China

  • Danlong LI , 1 ,
  • Meiyan FU 1, 2 ,
  • Hucheng DENG 1, 2 ,
  • Wang XU 1 ,
  • Sibing LIU 1 ,
  • Dong WU 1
Expand
  • 1. College of Energy，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China
  • 2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China

Received date: 2022-07-04

  Revised date: 2022-10-11

  Online published: 2023-03-23

Supported by

The National Science and Technology Major Project of China(2017ZX05036003-007)

the College Students Innovation and Entrepreneurship Training Program Project 2020-2021(202010616013)

Fold

Abstract

A complete set of organic matter-rich black shale in the Lower Cambrian Niutitang Formation is developed in the Wenshuicun section of Guizhou Province，South China.In order to clarify the lithofacies types of shale in Lower Cambrian Niutitang Formation and clarify the formation environmental characteristics of different lithofacies，25 shale samples from this section were collected for thin section observation，X-ray diffraction （whole rock） analysis， total organic carbon content（TOC） determination，and major，trace and rare earth element analysis.The lithofacies types of the Lower Cambrian shale in the Wenshuicun section are divided，and the sedimentary model and organic matter enrichment characteristics of the shale in this layer are defined：①Organic-rich massive strongly brittle siliceous fine-grained rock；②Highly brittle organic laminated siliceous shale； ③High-organic massive strongly brittle siliceous fine-grained rock；④Highly organic laminated strongly brittle siliceous shale；⑤High-organic massive medium-brittle silica/clay mixed fine-grained rock；⑥Medium organic massive strongly brittle siliceous fine-grained rock；⑦Medium organic laminated strong brittle siliceous shale；⑧Low-organic massive strongly brittle siliceous fine-grained rock；⑨Low-organic laminated medium-brittle silica/clay mixed shale. According to TOC value，sedimentary structure and mineral composition，and considering the brittle characteristics of rocks，nine types of shale facies are divided.Among them，the first five types of shale facies were formed in deep-water anoxic，warm and humid climate and environment dominated by low-temperature hydrothermal sedimentation，with high primary productivity and paleo-salinity.The enrichment of organic matter was controlled by paleo-oxidation-reduction conditions，paleo-productivity，paleo-salinity，paleo-water depth，warm and humid climate and hydrothermal activities，while the enrichment of other lithofacies organic matter was not affected by hydrothermal activities，and the primary productivity and paleo-salinity of sedimentary environment decreased.A sedimentary model of deep-water shelf facies is established，which is affected by redox conditions，paleo-productivity，paleo-salinity，hydrothermal activities and warm and humid climate.

Key words： Wenshuicun in Guizhou; Lower Cambrian Niutitang Formation; Shale; Lithofacies types; Sedimentary environment; Enrichment of organic matter

Cite this article

Danlong LI , Meiyan FU , Hucheng DENG , Wang XU , Sibing LIU , Dong WU . Analysis of lithofacies and sedimentary environment of shale deposited in shelf facies： A case study of the Wenshuicun section in Guizhou Province， South China[J]. Natural Gas Geoscience, 2023 , 34(3) : 445 -459 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.10.002

0 引言

中国是作为除北美之外最大的页岩气生产国，经过10余年的勘探开发攻关，明确了四川盆地及其周缘发育五峰组—龙马溪组和筇竹寺组2套重要海相优质页岩，并在长宁、威远、涪陵、焦石坝等地区五峰组—龙溪组成功实现了页岩气商业开发。通过加快埋深3 500~4 000 m页岩气资源的开发，2025年我国页岩气年产量可以达到300×108 m3，实现了海相页岩气资源的有效开发［1-4］。以往众多专家学者对于五峰组—龙马溪组页岩的勘探开发进行了深入研究，建立了许多系统的科研理论，但对于下寒武统筇竹寺组/牛蹄塘组的系统研究尚且不足。黔北地区牛蹄塘组页岩是早寒武世沉积的一套深水陆棚相富有机质黑色页岩，与四川盆地内的筇竹寺组属于同一时代地层［5］。牛蹄塘组相较于龙马溪组地层厚度大、分布面积广、有机质丰富、热演化程度高以及地层脆性好［6］，使得该地层成为继五峰组—龙马溪组页岩地层之后，中国南方海相页岩气的又一重要勘探开发层系。
页岩岩相是页岩气地质评价的重要内容。不同的页岩岩相其矿物组成、有机质丰度、沉积构造等方面都存在较大差异。同时，岩相是沉积环境的重要物质表现，可以反映沉积环境特征，并对页岩气评价和甜点区预测起到重要作用［7］。以往对于页岩岩相的划分大多是针对五峰组—龙马溪组的页岩，划分方案很少有考虑到页岩的可压裂性，目前尚缺乏对于下寒武统牛蹄塘组页岩岩相划分相关研究。以TOC+矿物组成+沉积构造作为岩相划分角度，同时考虑页岩的脆性特征，对贵州温水村剖面下寒武统牛蹄塘组页岩岩相进行划分。利用古环境参数，揭示下寒武统牛蹄塘组页岩的沉积环境，分析有机质富集特征，从而建立不同页岩岩相形成发育模式。本文研究不仅完成了对该层位页岩古沉积环境重建，丰富了有机质富集理论，还为下寒武统牛蹄塘组页岩岩相划分提供一种新方法，对后期页岩压裂改造、开发也具有一定借鉴意义。

1 区域地质背景

采样剖面位于贵州省贵阳市百花湖镇温水村，在贵阳市西北缘。贵州省大地构造位置位于扬子板块南部，经历了约1 400 Ma漫长的地质沉积演化历史，地壳由洋壳演化为陆壳、古环境由海洋转化为陆地［8］，逐渐形成了现今包括黔中地区、滇黔北部坳陷、滇东隆起、黔西南坳陷、黔南坳陷和武夷坳陷等6个一级构造区［9］。采样剖面属于黔中地区，从中晚寒武世开始，郁南运动使黔中隆起开始发育，其后定型发展于都匀运动，在广西运动时期鼎盛发育，最后经历紫云运动和东吴运动开始衰退消亡［10］。区域内发育有2条北东向的同沉积基底断裂：一条为紫云—遵义断裂（F3）；另一条为镇远—贵阳断裂（F2）［11］［图1（a）］；2条断裂发育于中奥陶世时期，对黔中隆起的沉积形成具有明显的控制作用［10］。
图1 贵州温水村剖面地理位置（a）［9-10］、早寒武世沉积古地理（b）［18］及岩性柱状图（c）

Fig.1 Geographical location（a）［9-10］， sedimentary paleogeographic map in the Early Cambrian stage（b）［18］ and lithologic histogram （c） of Wenshuicun section， Guizhou

剖面发育的牛蹄塘组沉积时期是早寒武世早期，此时海平面快速上升，沉积环境为还原环境［12］；晚震旦纪—寒武纪转折期作为地质历史上的一次重要的构造沉积转换期，期间发生的全球性雪球事件、罗迪尼亚超大陆裂解、缺氧事件、热水事件和寒武纪生物大爆发等重大活动都对地质历史发展产生了重大影响［13-14］［图1（b）］。在该时期扬子地台基本上是碎屑岩台地沉积，其碎屑物质主要由康滇古陆提供，而牛蹄塘组（Є1 n）则是该时期最发育的层位［15］，同时，该层位在川南又被称为筇竹寺组。剖面出露有一套完整的富有机质黑色页岩，出露较好，风化程度较弱，其下伏地层是上震旦统灯影组（Z2 dn），2套地层呈现不整合接触关系；上覆地层是下寒武统明心寺组（Є1 m）［图1（c）］。

2 样品和方法

在贵州温水村剖面采集了25块野外露头页岩样品，进行了岩石学分析和地球化学分析。其中，岩石学分析主要包括岩石薄片鉴定和X射线衍射（全岩）分析，地球化学分析包括总有机碳含量（TOC）测定和岩石中主微量以及稀土元素分析。通过野外露头剖面和岩石薄片观察系统识别页岩沉积构造特征，X射线衍射（全岩）分析、TOC值、稀土元素含量和主微量元素含量是委托中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司勘探开发研究院石油地质测试中心进行实验测定。通过识别出的沉积构造、测定的矿物组成和TOC值进行页岩岩相划分，主微量、稀土元素测试结果则是用于分析沉积环境。

3 实验结果

3.1　总有机碳含量

通过对贵州温水村剖面下寒武统牛蹄塘组页岩中TOC含量测试及统计分析发现：该剖面页岩TOC含量范围值分布在1.11%~5.41%之间，平均值为2.81%，有机碳含量高，最底部页岩样品WSC-3和WSC-4 TOC更是达到了5.41%和4.78%，属于高品质烃源岩，中下段页岩中有机质含量有所下降，分布在1%~3%之间，而中上段又开始增加，TOC含量基本维持在3%以上（表1）。基于以往对五峰组—龙马溪组页岩研究发现，四川盆地及其周缘五峰组底部TOC值含量平均为3.48%，龙马溪组下段黑色页岩段TOC含量平均为3.43%［16］；黔西地区牛蹄塘组页岩TOC含量平均值却只有1.2%［17］。研究剖面牛蹄塘组页岩有机质品质相对低于四川盆地及其周缘地区五峰组—龙马溪组页岩，而相对高于黔西地区牛蹄塘组页岩。
表1 贵州温水村剖面页岩岩石组成综合测试数据

Table 1 Comprehensive test data of shale rock composition of Wenshuicun section, Guizhou

样品编号 TOC/% X射线全岩矿物/% ICP-AES元素/（μg/g）
黏土矿物 石英 长石 方解石+白云石 黄铁矿 V Ni Ba Sr Al U Th
WSC-3 5.41 29 63 6 1 0 60.17 4.76 1 966 20.28 45 700 / /
WSC-4 4.78 30 65 3 1 0 89.35 5.3 1 862 26.36 66 100 / /
WSC-4-2 2.6 27 66 6 1 0 16.33 2.92 1 430 15.22 15 500 / /
WSC-5 2.17 26 65 7 1 0 92.06 6.72 2 315 37.43 69 600 / /
WSC-6 1.44 36 54 9 1 0 61.03 14.57 1 828 32.80 58 400 / /
WSC-7 1.11 23 68 8 1 0 56.46 14.72 1 359 30.33 61 300 21.88 5.56
WSC-8 3.22 37 52 8 2 0 78.61 9.42 1 096 32.89 69 100 / /
WSC-9 1.26 39 51 7 2 0 63.69 12.00 2 637 44.57 81 700 16.06 6.35
WSC-10 2.92 34 58 6 1 0 84.89 20.85 1 007 32.28 66 500 / /
WSC-11 2.81 17 46 35 0 0 47.90 11.80 976 97.06 72 700 / /
WSC-11-1 1.41 21 49 28 0 0 63.07 13.35 2 149 74.81 66 000 / /
WSC-11-2 1.11 19 47 32 0 0 62.83 6.45 1 102 69.82 77 200 / /
WSC-12 1.71 19 44 35 0 0 53.45 6.48 1 063 74.95 77 400 24.35 15.38
WSC-13 2.92 20 44 34 0 0 57.17 17.12 1 084 71.17 73 300 / /
WSC-14 2.84 23 41 32 0 3 53.93 17.34 741 69.42 78 300 / /
WSC-16 3.05 21 41 35 1 0 65.02 6.88 1 017 87.61 69 800 / /
WSC-17 3.31 19 41 38 0 0 60.70 7.26 1 042 91.95 73 100 / /
WSC-18 3.5 20 43 35 0 0 69.97 7.98 1 214 82.92 58 400 / /
WSC-19 3.1 18 45 34 1 0 65.6 5.17 1 018 99.12 65 500 / /
WSC-21 3.46 19 43 36 0 0 72.22 12.67 318 82.3 70 800 / /
WSC-22 3.43 19 45 34 0 0 73.43 9.66 975 90.53 70 000 / /
WSC-23 3.33 18 43 37 0 0 76.65 20.24 403 81.23 66 300 18.62 9.93
WSC-24 3.03 17 39 34 4 5 55.22 35.36 331 116.1 63 900 21.28 9.48
WSC-26 3.13 17 41 30 5 5 67.02 36.25 343 103.2 63 700 34.47 16.72
WSC-28 3.26 42 31 22 4 0 40.37 4.05 463 41.2 24 400 30.67 9.98
平均值 2.81 24 49 23.64 1 0.52 63.49 12.37 1 190 64.22 64 188 / /

注：“/”表示该样品未分析此参数

3.2　沉积构造特征

基于页岩岩石薄片观察，贵州温水村剖面页岩中共识别出2种沉积构造：一种是水平纹层状构造［图2（b），图2（d），图2（f）］；另一种为块状构造［图2（a），图2（c），图2（e）］。其中，纹层状构造在粒度、颜色和矿物组成方面出现突变现象，单层厚度个别样品较大，大于1 mm，个别样品则较窄，在0.2 mm左右，个别样品则接近1 mm，主要发育在剖面中底部位置；而块状构造在颜色、粒度和矿物组成方面则没有明显变化，整体为均质发育，个别样品发育有石英条带，中顶部最为发育。
图2 贵州温水村剖面牛蹄塘组页岩沉积构造

（a）距底5.5 m，块状构造，粒度、颜色、矿物组成无明显变化，整体呈均质特征；（b）距底10 m，水平纹层状构造，粒度、颜色、矿物组成出现突变现象，单层厚度在1 mm左右，间隔反复变化，发育层理； （c）样品WSC-17，块状构造，粒度、颜色、矿物组成无明显变化，整体均质发育；（d）样品WSC-19，水平纹层状构造，粒度、颜色、矿物组成出现突变现象，单层厚度小于1 mm，间隔反复变化； （e）样品WSC-18，块状构造，粒度、颜色、矿物组成无明显变化，整体均质发育； （f）样品WSC-9，水平纹层状构造，粒度、颜色、矿物组成出现突变现象，单层厚度大于1 mm，间隔反复变化

Fig.2 Shale sedimentary structure of Niutitang Formation in Wenshuicun section， Guizhou

3.3　矿物组成

海相页岩中最主要的矿物是黏土矿物和石英，并且不同的岩相具有的矿物组成也存在一定的差异。通过对剖面25块样品进行X射线衍射全岩矿物分析表明，该剖面主要矿物为石英、黏土矿物和长石类矿物。其中石英+长石含量在54%~83%之间，平均含量为75%，中下部页岩中含量低于中上部页岩；黏土矿物含量在16%~41%之间，平均含量为24%，且表现出中底部高，中顶部低的特征；剖面中下部及顶部可见少量方解石和白云石，但含量很低，中下部仅有1%左右，顶部页岩中含量有所增加，占比达到4%~5%；同时仅含少量的黄铁矿和硬石膏、菱铁矿等矿物，个别样品中含量占比仅在1%左右，未见石膏和石盐矿物（表1）。

3.4　主、微量元素含量

通过ICP-AES元素分析，实验结果表明，温水村剖面页岩中Al和Ba含量相对较高，其中Al含量范围为1.55%~8.17%，平均为6.42%；Ba含量范围为318.3~2 637 μg/g之间，平均为1 189.59 μg/g；V含量范围为16.33~93.06 μg/g之间，平均为63.49 μg/g；Si含量范围为15.22~116.1 μg/g，平均为64.22 μg/g；Ni含量较低，分布在4.05~436.25 μg/g之间，平均为12.37 μg/g；而U和Th含量相对很低，均小于100 μg/g（表1）。

4 讨论

4.1　页岩岩相类型

本文研究拟按照TOC+沉积构造+矿物组成进行岩相划分（将页岩可压裂性作为参数融入岩相划分中），以TOC含量+沉积构造+脆性特征+矿物组成的方式进行页岩岩相命名。
通常认为具备经济开采价值页岩气的海相页岩TOC含量下限值为2%较为合理，因此将TOC值为2%的作为有机质高低的划分界限。同时，鉴于有机质含量在页岩中的重要性，对于页岩气源、储集条件地质评价方面的重要作用，参考胡宗全等［19］岩相划分方案按TOC高低将页岩进一步划分为：TOC<1%为含有机质页岩相、1%≤TOC<2%为低有机质页岩相；2%≤TOC<3%为中有机质页岩相、3%≤TOC<4%为高有机质页岩相、4%≤TOC为富有机质页岩相。因此，按有机质含量将贵州温水村剖面页岩岩相划分出4类，包括富有机质页岩相、高有机质页岩相、中有机质页岩相和低有机质页岩相。通过前文的岩石薄片观察识别的沉积构造，将该剖面岩相划分为2类，即块状细粒岩岩相和水平纹层状页岩相。
按照传统的三端元法，分别以黏土含量、方解石+白云石含量、石英+长石含量作为三端元。结合Si/（Si+Fe+Al+Ca）值反映硅质来源，生物成因硅该比值较高，一般大于0.85［20］。该剖面页岩样品中Si/（Si+Fe+Al+Ca）值介于0.86~0.96之间（表2），说明该剖面页岩硅质来源主要为生物成因硅。然后按矿物组成划分岩相时同时考虑页岩可压裂性，即脆性矿物含量，页岩中常见的矿物中石英和长石的脆性最强，方解石和白云石中等，黏土最差，而页岩气储层脆性矿物的含量应≥40%才具备商业开发价值，因此，将脆性矿物含量<40%划分为差脆性，介于40%~60%之间划分为中等脆性，≥60%则划分为高脆性，而当石英+长石含量≥60%时划分为强脆性。将黏土含量以40%和60%为界，同时，石英+长石含量和方解石+白云石含量之间以40%、60%为界，按照此方案，通过在三端元图中投点，发现投点区域均分布在Ⅱ类和Ⅵ类区域内（图3），因此，将该剖面页岩岩相划分为2类，包括强脆性硅质页岩和中等脆性硅/黏土混合质页岩。
表2 贵州温水村剖面页岩岩石中硅成因表征含量参数值

Table 2 The characteristic parameter values of Silico genesis in shale rocks of Wenshuicun section, Guizhou

元素表征含量 样品编号
WSC-7 WSC-9 WSC-12 WSC-2 WSC-24 WSC-26 WSC-28
Si/% 70.77 73.02 62.68 66.74 68.57 63.54 68.01
Fe/% 0.25 1.77 1.07 0.61 0.25 0.10 0.22
Al/% 6.13 8.17 7.74 6.63 6.39 6.37 2.44
Ca/% 1.63 1.30 0.76 2.29 3.67 3.99 0.48
Si/（Si+Fe+Al+Ca） 0.90 0.87 0.87 0.87 0.87 0.86 0.96
图3 贵州温水村剖面牛蹄塘组页岩三端元投点图（划分方案修改自文献［19］）

Ⅰ类为差脆性黏土质页岩；Ⅱ类为强脆性硅质页岩；Ⅲ类为高脆性碳酸盐岩质页岩；Ⅳ类为高脆性混合质页岩；Ⅴ类为中等脆性中黏土质页岩；Ⅵ类为中等脆性硅/黏土混合质页岩；Ⅶ类为中等脆性碳酸盐岩/黏土混合质页岩；Ⅷ类为高脆性硅/碳酸盐岩混合质页岩；Ⅸ类为高脆性中硅质页岩；Ⅹ类为高脆性中碳酸盐岩质页岩

Fig. 3 Three terminal element projection map of Niutitang Formation shale in Wenshuicun section， Guizhou（the division scheme was modified from the Ref.［19］）

最后，综合有机质含量、沉积构造和矿物组成特征，将贵州温水村剖面页岩岩相划分为9类：①富有机质块状强脆性硅质细粒岩相；②富有机质纹层状强脆性硅质页岩相；③高有机质块状强脆性硅质细粒岩相；④高有机质纹层状强脆性硅质页岩相；⑤高有机质块状中等脆性硅/黏土混合质细粒岩相；⑥中有机质块状强脆性硅质细粒岩相；⑦中有机质纹层状强脆性硅质页岩相；⑧低有机质块状强脆性硅质细粒岩相；⑨低有机质纹层状中脆性硅/黏土混合质页岩相。其中，高有机质块状强脆性硅质细粒岩是该剖面最为发育的岩相，占比达到了36%（图4）。
图4 贵州温水村剖面牛蹄塘组各类页岩岩相发育比例

注：1.富有机质块状强脆性硅质细粒岩相；2.富有机质纹层状强脆性硅质页岩相；3.高有机质块状强脆性硅质细粒岩相；4.高有机质纹层状强脆性硅质页岩相；5.高有机质块状中等脆性硅/黏土混合质细粒岩相；6.中有机质块状强脆性硅质细粒岩相；7.中有机质纹层状强脆性硅质页岩相；8.低有机质块状强脆性硅质细粒岩相；9.低有机质纹层状中脆性硅/黏土混合质页岩相

Fig.4 Development proportion of various shale lithofacies of Niutitang Formation in Wenshuicun section， Guizhou

4.2　页岩沉积环境

4.2.1　热液活动

热水沉积是岩浆热液与海水或者湖水混合后发生的一种沉积作用，其中的热水介质常常富含丰富的营养元素和热，这能使海洋生产力显著提高从而富集大量的有机质［21］。由于罗迪尼亚泛大陆裂解导致强烈拉张，中上扬子东南缘时常发生频繁的热液活动，因此，早寒武世沉积的牛蹄塘组页岩也就具有明显的热水沉积特征［22］。研究表明，适宜的低温热水活动有利于有机质的富集和保存，而高温热水活动，由于高温度和高盐度等因素的影响则不利于生物繁盛，也就不利于有机质的富集。通常，铕异常与环境温度具有良好的相关性，对于高温（大于250 ℃）环境，通常表现为正铕异常；低温（小于250 ℃）环境对应无铕异常特征；而正常海水沉积物则以负铕异常为主［21］。
本文研究拟采用稀土元素（REE）配分模式图和铕异常（δEu）值对温水村剖面页岩的热液活动进行分析研究。通过对温水村剖面页岩的铕异常（δEu）值进行计算发现，该剖面铕异常值范围分布在0.71~1.62之间（表3）。由于钡和铕会在元素检测谱图的同一地方出峰，钡含量过高会使计算出的铕含量偏差较大，所以需要排出钡含量过高点。 通过分析铕异常值在1.62的样品发现，该样品中所含钡含量高，影响了铕异常值，因此将该点值排除。从而该剖面整体表现为弱正铕异常，指示温水村剖面页岩以低温热水沉积作用为主，分析认为可能是由于剖面位置距离热水活动中心较远，因此热水活动的强度较弱，受到的影响也较小。同时，建立的REE配分模式图显示（图5），该模型以“平坦型”为主，无明显的左、右倾，不同页岩的轻稀土元素有一定分异、重稀土元素相对富集，指示该剖面受热液活动影响但影响较小，与铕异常值反映得一致。
表3 贵州温水村剖面页岩稀土元素含量

Table 3 REE content in shale of Wenshuicun section, Guizhou

元素含量 样品编号

北美页岩标准化值

/（μg/g）

WSC-7 WSC-9 WSC-12 WSC-23 WSC-24 WSC-26 WSC-28
Eu/（μg/g） 0.94 1.14 1.45 1.00 1.14 1.38 1.15 2.0
EuN/（μg/g） 0.47 0.57 0.73 0.50 0.57 0.69 0.58 /
Sm/（μg/g） 2.00 3.40 6.73 4.59 5.15 7.09 5.31 7.0
SmN/（μg/g） 0.29 0.49 0.96 0.66 0.74 1.01 0.76 /
Gd/（μg/g） 1.80 3.26 6.53 3.51 3.88 5.74 4.30 6.1
GdN/（μg/g） 0.30 0.53 1.07 0.57 0.64 0.94 0.70 /
δEu 1.62 1.12 0.72 0.81 0.83 0.71 0.79 /

注：Eu、Sm、Gd为稀土元素铕、钐、钆；下标N为北美页岩标准化后的值；铕异常值δEu=EuN/（SmN×GdN）1/2

图5 贵州温水村剖面页岩REE配分模式

Fig. 5 REE distribution pattern of shale in Wenshuicun section， Guizhou

4.2.2　古氧化还原条件

氧化还原条件对于判断水体中溶解氧含量高低、控制有机质的保存和富集具有十分重要的意义。近年来，众多学者针对页岩氧化还原条件的分析大多利用元素地球化学，通过微量元素比值法判识古氧化还原环境［23-26］。微量元素V在黑色页岩中的含量会随着沉积体系中氧化程度的增加而增加［27］，V/（V+Ni）和U/Th值可作为沉积水体古氧化还原环境的有效指示剂［28-29］。当V/（V+Ni）<0.46、U/Th<0.75时，指示沉积体系处于富氧环境；当0.46<V/（V+Ni）<0.60、0.75<U/Th<1.25时，指示沉积体系处于贫氧环境；而当U/Th>1.25时，则指示沉积体系处于厌氧环境［23］。
通过计算该剖面V/（V+Ni）和U/Th值发现，整个剖面下寒武统牛蹄塘组黑色页岩样品V/（V+Ni）值均大于0.54，且都在0.6以上，比值变化趋势较稳定，U/Th值分布范围在1.58~3.84之间（表4），指示温水村剖面下寒武统牛蹄塘组页岩的沉积水体环境整体呈现出低能、滞留、局限的缺氧环境，即还原的状态，且还原性较强。
表4 贵州温水村剖面页岩中古氧化还原条件判别指标

Table 4 Discriminant index of medieval redox conditions of shale in Wenshuicun section, Guizhou

判别指标 Vi/（Vi+Ni） U/Th
范围值 0.61~0.94 1.58~3.84
平均值 0.84 2.47
指示结果 厌氧 厌氧

4.2.3　古生产力

初始生产力是指光合作用固碳速率，其值高低及其分布受太阳辐射产生的真光层深度、沉积水体温度和水体中富营养化程度的影响和控制，即生物生产力随着生物通过光合作用固碳水平的增加而增加。同时，生物生产力会随着纬度、季节、海水浑浊度及其他气候条件的变化而变化［30］。
TOC值是古生产力最直接的反映参数。通过对前文中TOC测试结果进行分析发现，温水村剖面页岩TOC值含量高，普遍达到了2%以上，底部页岩TOC更是达到了4%以上，指示该剖面页岩的初级生产力水平较高，底部页岩的生产力水平相对于中、上部页岩具有更高的初级生产力水平。
生物钡含量（Babio）可作为初始生产力的另一表征指标［31］。通过排除掉陆源输入的钡含量，只计算与生物活动相关的钡元素含量来评价古生产力，利用式（1）计算生物钡含量。
B a b i o = B a s a m p l e - A l s a m p l e × ( B a / A l ) P A A S
式中：Babio为生物钡含量，μg/g；Basample为样品中实测的Ba含量，μg/g；Alsample为样品中实测的Al含量，μg/g；PAAS为后太古宙澳大利亚页岩［32］；（Ba/Al）PAAS值为0.007 5。
计算得到的生物钡含量与样品中实测的钡含量接近，可认为该剖面页岩中钡元素主要为生物来源，陆源及其他来源钡可以忽略不计。并且可以发现，剖面页岩中生物钡含量大部分在1 000×10-6以上（图6），指示较高的古生产力水平，这与实验测试的TOC值情况吻合；同时中、底部页岩中生物钡含量在（2 576~900）×10-6之间，而上部页岩中生物钡含量在300×10-6之间，表明底部页岩比中、上部页岩具有更高的初级生产力水平，而中部页岩比上部页岩具有更高的初级生产力水平。
图6 贵州温水村剖面页岩岩石中生物钡含量柱状图

Fig. 6 Histogram of biological barium content in shale rock of Wenshuicun section， Guizhou

4.2.4　古盐度

古盐度记录了古代沉积物中水体的盐度，是分析地质历史中沉积环境特征的一个重要参数［32］，古盐度较高的沉积环境通常有利于有机质的保存［33］。由于古盐度与微量元素及含量之间存在线性关系［34］，一些学者提出了众多微量元素地球化学方法来评价古盐度，例如锶丰度、钒丰度。当锶丰度在40×10-6以下，钒丰度小于8 686 μg/g时，指示咸水沉积环境；当锶丰度介于（40~100）×10-6之间，指示半咸水沉积环境，而当锶丰度进一步增加，古盐度便会进一步降低［35-36］。
通过对剖面页岩中钒丰度的统计分析，可以发现，温水村剖面钒元素丰度分布范围在16.33~92.06 μg/g之间，平均值为63.49 μg/g，反映咸水沉积环境。而底部页岩中锶丰度在（15.22~37.43）×10-6之间，平均为28.45×10-6，指示咸水沉积环境，古盐度高；中部页岩中锶丰度在（69.42~97.06）×10-6之间，指示半咸水沉积环境，古盐度较高；而上部页岩中锶丰度值进一步增加，指示沉积环境古盐度进一步降低（图7）。
图7 贵州温水村剖面页岩岩石中锶丰度柱状图

Fig. 7 Histogram of Sr abundances in shale rocks of Wenshuicun section， Guizhou

4.2.5　古水深

水体深度与有机质的保存同样具有相关性，一般来说，水体越深，对有机质的保存越有利，烃源岩的品质也就越好［37］。近年研究表明，金属元素的地球化学特征与湖盆水体深度具有相关性［38］。因此，多数学者评价古水深大多采用的还是金属微量元素地球化学，Zr/Al和Th/U值可以作为古水深的指标［39-41］，Zr/Al值越小，说明沉积物沉积时离岸越远，沉积水体更深；杨万芹等［41］指出，Th/U值可以反映氧化—还原条件，并且风暴浪基面以下基本上是还原环境，从而可以利用该比值反映水深变化。根据采样样品微量元素实验数据，经计算，得到：Zr/Al值分布范围在0.001~0.010之间，平均值为0.004，比值很小，指示该剖面页岩沉积水体为深水（表5）；上文论述中显示Th/U值指示该剖面整体呈现还原环境，反映该剖面页岩沉积水体较深，两指标指示结果一致。同时，利用钴元素含量定量计算水体深度，计算公式如下［42］：
V s = V o × N C o S C o - t * T C o
h = 3.05 V s × 10 5
式中：V s为某样品沉积速率，mm/a；V o为当时正常湖泊泥岩的沉积速率，取0.15 mm/a； N C o为正常湖泊沉积物中钴的丰度，为20×10-6； S C o为样品中钴的丰度，μg/g；t为物源Co对样品的贡献值，可以通过样品中镧的含量/陆源碎屑岩中镧的平均丰度求得，为La/38.99； T C o为陆源碎屑岩中钴的丰度，为4.68×10-6；h为古水深，m。
表5 贵州温水村剖面页岩古水深表征特征参数值

Table 5 The characteristic parameter values of paleowater depth in shale rocks of Wenshuicun section, Guizhou

参数 样品编号
WSC-7 WSC-9 WSC-12 WSC-23 WSC-24 WSC-26/ WSC-28
Zr/（μg/g） 188.37 105.57 198.05 259.18 223.89 256.65 252.58
Al/（μg/g） 61 300 81 700 77 400 66 300 63 900 63 700 24 400
（Zr/Al） 0.003 0.001 0.003 0.004 0.004 0.004 0.010
Co/（μg/g） 8.79 7.96 / / 20.02 22.34 /
La/（μg/g） 29.15 21.99 / / 39.82 44.69 /
h/m 22.59 22.79 / / 110.44 129.83 /

注：“/”表示改样品未检测此参数

利用式（2）、式（3）计算得到，温水村剖面牛蹄塘组古水深范围为22.59~129.83 m（表5），认为该剖面页岩古水体为浅水陆棚至深水陆棚环境，与前2个表征参数指示一致。

4.2.6　古气候

古气候变化会影响沉积物供应和水体分层，从而使水体内种群密度和生物组合受到制约，同时还会间接影响有机质的富集与保存［43］。评价古气候变化通常利用化学蚀变指数CIA（Chemical Index of Alteration）［44］，高CIA值反映温湿的古气候，而低CIA值则对应干冷的古气候。
本文采用NESBITT等［44］提出的化学蚀变指数（CIA）研究剖面页岩沉积时期的古气候条件。其计算公式为式（4）：
C I A = A l 2 O 3 C a O * + A l 2 O 3 + N a 2 O + K 2 O × 100
式中：CaO*指硅酸盐矿物中的CaO摩尔含量，mol。
BAI等［45］指出，当CIA值在50~65之间时，沉积体系处于弱化学风化背景下的干冷型气候；当CIA值在65~85之间时，指示沉积体系处于中等化学风化背景下的暖湿型气候；而当CIA值在85~100之间时，则反映沉积环境为强化学风化背景下的热湿型气候。通过对剖面页岩中常量元素的测试并计算CIA值，可以发现：温水村剖面页岩中计算得到的CIA值在68.31~74.22之间，指示该剖面页岩沉积环境是处于中等化学风化背景下的暖湿型气候（表6）。
表6 贵州温水村剖面页岩常量元素含量及CIA值

Table 6 Major elements and CIA values of shale in wenshuicun section, Guizhou

样品编号 元素含量/% CIA
CaO Al2O3 Na2O K2O
WSC-7 0.246 9.778 0.086 2.85 75.45
WSC-9 1.767 7.925 0.097 1.73 68.80
WSC-12 1.072 12.66 1.043 3.22 70.35
WSC-23 0.247 13.14 2.608 3.24 68.31
WSC-24 0.614 14.04 1.679 3.87 69.49
WSC-26 0.101 13.8 0.932 3.76 74.22
WSC-28 0.216 13.49 2.413 3.16 69.97

4.3　页岩有机质富集的控制因素

利用TOC与古氧化还原条件评价参数V/（V+Ni）值、古生产力评价指数生物钡含量和古盐度评价指标锶、钒丰度，建立垂向分布图，从而分析有机质富集特征。
如图8、图9所示，贵州温水村剖面中底部页岩中所含总有机碳含量（TOC值）与古氧化还原条件、古生产力均存在良好的正相关性，相关性较强，即当还原性增强、古生产力增强时，由于缺氧的沉积环境，极大地限制了有机碳被氧化并分解消耗的过程，从而使有机质得到很好的保存而沉积保留下来，初级生产力显著提高，TOC值也就会有所增大。而对于剖面中顶部页岩，TOC值则没有受到各参数的明显影响，也就不存在明显控制作用。
图8 TOC与氧化还原条件和古生产力的关系

Fig.8 Relationship between TOC， redox condition and paleo-productivity

图9 贵州温水村剖面页岩中TOC值与古环境参数垂向分布特征

Fig. 9 Vertical distribution characteristics of TOC value and paleoenvironmental parameters in shale of Wenshuicun section， Guizhou

以往研究表明，适宜的低温热水沉积适合水生生物繁殖，提高初级生产力，从而有利于有机质富集和优质烃源岩的形成，而高温的热液沉积由于引起高重金属盐度，则不利于生物繁殖和有机质富集［21］。上文中对古气候和热液活动分析表明，该剖面页岩以暖湿型气候和低温热水沉积作用为主，适宜的温度使得生物大量繁殖生长，从而提高了初级生产力，促使有机质大量富集，因此，暖湿型气候和热液活动也是该剖面有机质富集的重要控制因素。
富有机质块状强脆性硅质细粒岩相、富有机质纹层状强脆性硅质页岩相、高有机质块状强脆性硅质细粒岩相、高有机质纹层状强脆性硅质页岩相、高有机质块状中等脆性硅/黏土混合质细粒岩相由于热液带来的营养元素加上温暖的气候使得古生物大量繁盛，深水缺氧的沉积环境又让有机质很好的保留不被消耗，因此页岩有机质丰度高；而中有机质块状强脆性硅质细粒岩相、中有机质纹层状强脆性硅质页岩相、低有机质块状强脆性硅质细粒岩相和低有机质纹层状中脆性硅/黏土混合质页岩相由于几乎不受热液活动影响，缺少丰富的营养物质，制约了古生物的生长繁殖，因此有机质含量降低，但深水缺氧的沉积环境又能使得一部分有机质很好地保留下来，从而具有一定的有机质丰度。

4.4　不同岩相形成环境

由于沉积时经历的沉积水动力条件、沉积古环境等存在差异，也就会导致不同的岩相在组成、TOC含量等方面具有差异。综合前文划分出的9类页岩岩相以及环境特征分析表明，贵州温水村剖面下寒武统牛蹄塘组页岩整体岩相形成于深水缺氧且以暖湿型气候为主的环境。其中，富有机质块状强脆性硅质细粒岩相、富有机质纹层状强脆性硅质页岩相、高有机质块状强脆性硅质细粒岩相、高有机质纹层状强脆性硅质页岩相和高有机质块状中等脆性硅/黏土混合质细粒岩相4类岩相沉积时受热液活动影响，前2类岩相古生产力和古盐度高，而后两类岩相均有所降低；中有机质块状强脆性硅质细粒岩相、中有机质纹层状强脆性硅质页岩相、低有机质块状强脆性硅质细粒岩相和低有机质纹层状中脆性硅/黏土混合质页岩相4类岩相沉积时几乎不受热液活动影响，初级生产力和古盐度相比于富有机质页岩相均有所下降。最后建立了一个受氧化还原条件、古生产力、古盐度、古水深、热液活动以及暖湿型气候影响的深水陆棚相沉积模式（图10）。
图10 贵州温水村剖面下寒武统牛蹄塘组页岩沉积模式

Fig.10 The sedimentary model of shale of Lower Cambrian Niutitang Formation in Wenshuicun section， Guizhou

5 结论

（1）贵州温水村剖面下寒武统牛蹄塘组页岩有机质丰度高，矿物组成和发育的沉积构造单一；综合TOC值、沉积构造和矿物组成，以及页岩的脆性将温水村剖面下寒武统牛蹄塘组页岩划分出9种岩相。
（2）该剖面富有机质块状强脆性硅质细粒岩相、富有机质纹层状强脆性硅质页岩相、高有机质块状强脆性硅质细粒岩相、高有机质纹层状强脆性硅质页岩相、高有机质块状中等脆性硅/黏土混合质细粒岩相有机质富集受控于古氧化还原条件、古生产力、古盐度、古水深、暖湿型气候和热液活动；而其他岩相有机质富集不受热液活动影响。
（3）利用古环境特征参数重建了该剖面页岩的形成环境，认为该剖面岩相整体表现为深水缺氧、暖湿型气候的沉积环境；富有机质、高有机质岩相沉积时受热液活动影响，富有机质岩相古生产力和古盐度高，而高有机质岩相有所降低；中有机质岩相和低有机质岩相沉积时几乎不受热液活动影响，初级生产力和古盐度相比于富有机质岩相均有所下降。从而建立了一个受氧化还原条件、古生产力、古盐度、热液活动以及暖湿型气候影响的深水陆棚相沉积模式。

感谢中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司勘探开发研究院石油地质测试中心对该研究数据测试提供的支持；感谢各位审稿专家对文章提出的建设性意见；感谢贵刊编辑社各位专家对文章提出的指正和修改意见。

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