Natural Gas Geoscience >

2024 , Vol. 35 >Issue 4: 688 - 703

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2023.09.016

Sedimentary geochemical characteristics and organic matter enrichment of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in the Sichuan Basin

  • Tianyi ZHANG , 1, 2, 3 ,
  • Shipeng HUANG , 3 ,
  • Xianqing LI , 1, 2 ,
  • Hua JIANG 3 ,
  • Fuying ZENG 3 ,
  • Yile MA 1, 2
Expand
  • 1. State Key Laboratory for Fine Exploration and Intelligent Development of Coal Resources，China University of Mining and Technology （ Beijing），Beijing 100083，China
  • 2. College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology （Beijing），Beijing 100083，China
  • 3. Research Institute of Petroleum Exploration & Development，PetroChina，Beijing 100083，China

Received date: 2023-07-17

  Revised date: 2023-09-20

  Online published: 2023-10-16

Supported by

The PetroChina Scientific and Technological Project(2021DJ0504)

the National Natural Science Foundation of China(42030804)

the Special Fund for Basic Scientific Research of Central Universities(2022YJSMT03)

Fold

Abstract

The depositional environments of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in different regions of the Sichuan Basin exhibit significant variations due to structural-sedimentary heterogeneities. However， there has been a lack of systematic comparison and understanding of the geochemical characteristics of deposition in different areas of the Qiongzhusi Formation. By collecting and organizing published geochemical data from 16 wells and nine outcrop sections of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in the Sichuan Basin， and integrating previous knowledge， a comparative analysis of the sedimentary geochemical characteristics of the Qiongzhusi Formation in different regions of the Sichuan Basin was conducted. The following understandings were obtained with regards to the enrichment of organic matter： （1）The northern section of the Deyang-Anyue rift had a more reducing paleo-environment compared to the southern section， which was more conducive to the enrichment of organic matter and the formation and preservation of high-quality source rocks. （2）From the deepwater shelf area of the rift to the shallow-water shelf area in the northeast of the Sichuan Basin， there was a transition from anoxic to oxidized paleo-environment. Conversely， from the southwestern shallow-water shelf area to the middle section of the Deyang-Anyue rift area and the southwestern shallow-water shelf area to the southeastern shallow-water shelf area， the sedimentary water bodies got more reducing. （3）The northern and central sections of the rift both reflected a high level of paleo-productivity， and the widespread hydrothermal influence during the Qiongzhusi period in the Sichuan Basin provided highly favorable conditions for organic matter enrichment. （4）The organic matter abundance in the northern section of the Deyang-Anyue rift and the southwestern shallow-water shelf area was mainly influenced by paleo-productivity intensity. In the northeastern and southeastern shallow-water shelf area， organic matter abundance was mainly controlled by paleo-redox conditions. The organic matter enrichment in the middle section of the Deyang-Anyue rift was the result of the combined effects of high paleo-productivity and the anoxic to dysoxic paleo-oxygenation conditions. This research contributes to a deeper understanding of the sedimentary environment and hydrocarbon source rock formation conditions of the Qiongzhusi Formation in the Sichuan Basin， providing important theoretical and practical implications for deep and ultra-deep oil and gas exploration.

Key words： Sedimentary geochemistry; Paleo-productivity; Paleo-redox conditions; Organic matter enrichment; Qiongzhusi Formation; Sichuan Basin

Cite this article

Tianyi ZHANG , Shipeng HUANG , Xianqing LI , Hua JIANG , Fuying ZENG , Yile MA . Sedimentary geochemical characteristics and organic matter enrichment of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in the Sichuan Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2024 , 35(4) : 688 -703 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2023.09.016

0 引言

随着四川盆地天然气勘探逐渐向深层超深层领域拓展以及向深层海相页岩气领域进军，下寒武统筇竹寺组烃源岩受到越来越多学者的关注。
针对四川盆地下寒武统筇竹寺组的沉积地球化学特征及有机质富集机制，前人已进行了大量的研究。筇竹寺组页岩为海相克拉通盆地背景下的陆棚沉积，元素组成、富集特征以及元素之间的关系等沉积地球化学指标指示富有机质页岩主要沉积于早寒武世全球海侵时期长期的海洋缺氧环境下（基于U、Th、V、Cr、Ni、Mo等氧化还原敏感元素）［1-7］，具有较高的初级生产力水平（基于Ba、Cu、Zn、Ni、P等营养元素）［5，7-8］，同时存在广泛的热液活动［6，9-10］；有机质富集受古氧化还原环境、古生产力水平、热液影响等多种因素影响，且在不同区域受控因素或有不同［5，11-19］。针对筇竹寺组烃源岩沉积地球化学特征，前人大多在单个剖面/钻井或局部地区进行研究，跨盆地尺度的对比分析研究相对薄弱，对盆地不同区域筇竹寺组沉积地球化学特征的差异性研究缺乏系统认识，筇竹寺组烃源岩有机质富集主控因素尚需进一步明确。
本文通过收集整理前人公开发表的四川盆地下寒武统筇竹寺组16 口钻井、9 条野外剖面地球化学数据，结合前人认识，系统对比、分析四川盆地不同区域筇竹寺组的沉积地球化学差异性，明确了不同地区筇竹寺组烃源岩的古沉积氧化—还原环境、古生产力、古气候等地球化学特征及其对有机质富集的控制作用。研究对于深化四川盆地筇竹组沉积环境和烃源岩形成条件认识，支撑深层—超深层油气勘探具有重要的理论和实际意义。

1 地质背景

四川盆地位于上扬子板块西北部，是受扬子地块与周缘地块相互作用影响，在克拉通基础上发展起来的叠合盆地［20-21］。在新元古代罗迪尼亚超大陆裂解的背景下，四川盆地整体处于拉张构造背景［22］。晚震旦世至早寒武世，受同沉积断裂控制，古裂陷槽继承性发育，至中寒武世拉张运动结束，在该时期盆地内形成了贯穿盆地中西部、近南北走向、具有“西缓东陡”特征的绵阳—长宁大型克拉通内裂陷，也有称之为绵阳—长宁拉张槽［23］或者德阳—安岳裂陷槽［24-27］。
下寒武统筇竹寺组在区域上具有不同的命名：其在川西—川中称筇竹寺组，川北—陕南称郭家坝组，川东—渝南—黔北称牛蹄塘组，滇东北—川西南称玉案山组、九老洞组，川东北—鄂西地区称水井沱组［28-29］。由于其基本表现为一套暗色泥页岩等细粒岩沉积，夹少量石灰岩，而且化石带也相同，下部含小壳类，上部产三叶虫，地层全区可对比［29］，为便于研究，本文统称为筇竹寺组。
自震旦系沉积末期灯影组至下寒武统麦地坪组沉积期，上扬子地区发生了3幕桐湾运动，其间台地整体上升、海平面下降，台地整体接受暴露剥蚀，导致灯影组二段与四段顶部发育不整合暴露面，下寒武统麦地坪组在裂陷槽两侧缺失、仅在德阳—安岳地区局部残留［15，17，26，30-32］。随后受全球海平面快速上升的影响，整个上扬子地区稳定沉积了一套下寒武统暗色页岩［17］，形成四川盆地下寒武统筇竹寺组在大部分地区与下伏灯影组白云岩，在裂陷槽内与麦地坪组含磷地层的平行不整合接触［33］。随着海平面从缓慢上升到下降，筇竹寺组岩性逐渐过渡为灰黄色、灰绿色粉砂质泥岩、钙质页岩［23］，筇竹寺组沉积晚期，断陷衰亡而被填平补齐［34］，与上覆沧浪铺组紫红色砂质泥岩、泥质粉砂岩整合接触。
下寒武统筇竹寺组沉积期，上扬子地区海水由东南方向快速侵入，在碳酸盐岩台地的沉积基础上形成了一套海侵沉积序列，在中上扬子地区从西往东大致呈现主体为滨岸—陆棚—斜坡—深水盆地的沉积格局［15， 35-37］（图1）。受构造分异控制，德阳—安岳裂陷槽内发育一套深水陆棚相巨厚的暗色泥页岩，向上逐渐过渡为浅水陆棚相砂泥岩；在裂陷槽两侧则发育以泥质粉砂岩、粉砂质页岩、页岩和白云岩为特征的浅水陆棚相［38］。川东北为在被动大陆边缘及克拉通盆地影响下形成的浅水缓斜坡区、川东南为向深部过渡的浅水陆棚区［33］，厚度相对较薄。纵向上整体沉积水体由深变浅，以快速海侵缓慢海退沉积为特征，沉积物以砂泥质沉积为主［15］。
图1 四川盆地下寒武统筇竹寺组沉积期古地理分布（a）及GS17井下寒武统地层综合柱状图（b）（据文献［35，40-41］修改）

Fig.1 Paleogeography of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in the Sichuan Basin （a）， and comprehensive stratigraphic histogram of the Lower Cambrian strata in Well GS17（b） （modified from Refs.［35，40-41］）

四川盆地下寒武统筇竹寺组除了川西雅安一带受到川中古隆起剧烈隆升导致缺失以外［39］，全盆地沉积了巨厚的黑色页岩，其埋藏深度多在5 000 m以深，向盆地四周埋藏深度变浅，在盆地北部、北东部、东南边缘有出露［33］。该套烃源岩受德阳—安岳裂陷槽控制明显：烃源岩在裂陷槽北部的厚度、TOC明显高于南部，裂陷槽内部烃源岩质量明显优于外部；裂陷两侧烃源岩厚度明显减薄，盆地周缘临近海槽区厚度明显增大［29，40-41］。筇竹寺组烃源岩具有雄厚的生烃能力，生气强度达到（20~200）×108 m3 /km2，是广覆式分布的极为优质的一套烃源岩［39］。

2 元素地球化学特征与沉积环境

2.1　古氧化还原环境

还原的水底环境有利于有机质的保存。U、Th、V、Cr、Ni等元素在沉积物中的富集积累受沉积环境的氧化还原条件控制，通常在还原条件下富集［42-44］；U与Mo的富集系数UEF、MoEF也被应用于氧化还原环境的确定［45-46］。前人［42，45-50］已提出了多种地球化学判识指标（表1），以分析和重建古氧化还原环境。
表1 沉积水体氧化还原环境的地球化学判识指标

Table 1 Geochemical identification signs of redox environment in sedimentary water

沉积环境判识指标 古氧化还原环境 文献来源
ωV/ω（V+Ni） >0.54 厌氧 0.46~0.54 贫氧 <0.46 富氧 ［42，47-49］
ω（V）/ω（Cr） >4.25 厌氧 2.00~4.25 贫氧 <2.00 富氧
ω（Ni）/ω（Co） >7.00 厌氧 5.00~7.00 贫氧 <5.00 富氧
ω（U）/ω（Th） >1.25 厌氧 0.75~1.25 贫氧 <0.75 富氧
ω（V）/ω（Sc） >9.1缺氧 <9.1 氧化 ［50］
MoEF、UEF MoEF>UEF 缺氧 MoEF<UEF 氧化 ［45-46］

2.1.1　深水陆棚区

广元东溪河剖面所处的裂陷槽北段，ω（V）/ω（Cr）值为1.52~10.55、平均为6.57，ω（U）/ω（Th）值为1.47~35.25、平均为9.24［44］，尽管在整个筇竹寺组沉积期氧化还原指标数值波动很大，但整体仍反映出其始终处于极端还原的水体环境之中［图2（a）］。而由ω（V）/ω（Cr）、ω（V）/ω（V+Ni）、ω（U）/ω（Th）、ω（Ni）/ω（Co）及MoEF/UEF所指示的古氧化还原特征表明，位于川中的ZY1井、W201井、W207井在筇竹寺组沉积时期经历了缺氧—次氧化—缺氧—次氧化的沉积环境演化历程，在各阶段沉积环境演化历程中：W207井ω（V）/ω（Cr）平均值分别为4.96、1.57、2.83、2.09，ω（U）/ω（Th）平均值分别为1.49、1.01、1.53、0.79，ω（Ni）/ω（Co）平均值分别为6.02、3.75、5.57、3.52［19］；ZY1井MoEF/UEF值分别为9.90、7.77、12.42、4.83［10］。该地区总体在筇竹寺组下段处于厌氧古环境，向上水体逐渐氧化，为贫氧—弱氧化环境［图2（c），图3，图4］。
图2 四川盆地不同地区筇竹寺组氧化—还原地球化学指标交会图（（a）—（e））（数据引自文献［1，12，15，19，44，53-55）及N208井筇竹寺组MoEF—UEF协变图（f）（图版改自文献［60］，数据引自文献［55］）

Fig.2 Plots of oxidation-reduction indexes of Qiongzhusi Formation in the Sichuan Basin ［（a）-（e）］ （data sourced from Refs.［1， 12， 15， 19， 44， 53-55］） and MoEF versus UEF covariation in Qiongzhusi Formation for Well N208 （f） （plate modified from Ref.［60］， data sourced from Ref.［55］）

图3 四川盆地德阳—安岳裂陷槽北段—裂陷槽中段—裂陷槽南段筇竹寺期沉积水体氧化还原环境对比（数据引自文献［12，44，56-57］）

Fig.3 Comparison of redox environments in sedimentary water bodies during the Qiongzhusi period from the northern to the middle and the south section of the Deyang-Anyue rift in the Sichuan Basin （data cited from Refs.［12， 44， 56-57］）

图4 川东北浅水陆棚—裂陷槽中段—裂陷槽南段筇竹寺期沉积水体氧化还原环境对比（数据引自文献［1，3，12，17，19］）

Fig.4 Comparison of redox environment of sedimentary water of Qiongzhusi period from the shallow water shelf area in northeastern Sichuan Basin to the middle section and the south section of the Deyang-Anyue rift in the Sichuan Basin （data sourced from Refs.［1，3，12，17，19］）

综合连井剖面对比可以看出，横向上，由德阳—安岳裂陷槽北段向南，筇竹寺期沉积水体还原性逐渐变差、由缺氧环境趋于贫氧—弱氧化环境。典型氧化还原环境指标ω（V）/ω（Cr）值由裂陷槽北段东溪河剖面平均6.57的高值降低至平均3.36（W207井）、2.85（W201井），ω（U）/ω（Th）值则从9.24分别降至1.22、1.11。由于四川盆地德阳—安岳裂陷槽向北与川西海盆相连，受张性断层控制，拉张活动具有从NW向SE不断减弱的特点［27，51］，裂陷槽北部（绵阳—乐至地区）的厚度大于南部（隆昌—长宁）的厚度［52］，因而这种古氧化还原环境的差异可能是裂陷槽北部具有更长的拉张时间和更大的拉张强度，导致其相较南段有更深的水体环境所造成的。

2.1.2　川东北浅水陆棚区

ω（V）/ω（Cr）、ω（U）/ω（Th）、ω（V）/ω（Sc）指标协同指示了沙滩剖面下段整体处于还原性很强的厌氧—贫氧的沉积水体环境中［图2（a）］，三项指标平均值分别为5.42、2.33、29.35［1］，为低能厌氧环境，向上自筇二段上部起快速氧化，三项指标分别骤降至平均值1.22、0.42、7.17，指示为富氧环境。城口剖面古氧化还原指标整体表明其黑色页岩沉积水体环境变化经历了4个阶段：贫氧［ω（V）/ω（Cr）平均值为4.01、ω（U）/ω（Th）平均值为1.07］→弱氧化［ω（V）/ω（Cr）平均值为2.65、ω（U）/ω（Th）平均值为0.88］→贫氧［ω（V）/ω（Cr）平均值为3.72、ω（U）/ω（Th）平均值为1.18］→弱氧化［ω（V）/ω（Cr）平均值为1.67、ω（U）/ω（Th）平均值为0.82］［53］。LT1井ω（Ni）/ω（Co）值分布于2.14~3.41之间，比值均小于5.00，ω（U）/ω（Th）值介于0.27~0.75之间，比值均小于0.75［54］，二者高度一致地共同指示了该地区在整个筇竹寺组沉积时期都为弱还原—氧化环境［图2（b）］。
综合而言，由古氧相指标指示的氧化还原条件显示川东北浅水陆棚区在纵向上总体为由强变弱的还原环境，但古氧相指标总体纵向变化较小；在横向上，由深水陆棚到川东北浅水陆棚区，除城口地区可能是由于靠近深水盆地，沉积环境较为还原外，整体呈现由缺氧向贫氧、氧化的古水体环境过渡的演化趋势（图5）。
图5 裂陷槽北段—川东北浅水陆棚筇竹寺期沉积水体氧化还原环境对比（数据引自文献［1，44，53-54］）

Fig.5 Comparison of redox environment of sedimentary water of Qiongzhusi period from the north section of the Deyang-Anyue rift to the northeastern Sichuan Basin （data sourced from Refs.［1，44，53-54］）

2.1.3　川西南浅水陆棚区

ω（V）/ω（Cr）指标较明晰地反映了川西南峨边葛村剖面筇竹寺组沉积水体从前期较差的还原性（0.66~2.24，平均为1.70）到筇三段沉积中后期还原性迅速上升的波动变化，短期内迅速转变为弱氧化条件的贫氧环境（2.46~3.34，平均为2.97）［58］。JY1井ω（V）/ω（Cr）值为1.05~7.85、平均值为2.76，ω（Ni）/ω（Co）值为2.00~13.99、平均值为5.29；JS1井ω（V）/ω（Cr）值为0.70~1.94、平均为1.21，ω（V）/ω（V+Ni）值为0.73~0.88、平均为0.78，ω（Ni）/ω（Co）值为1.86~4.02、平均值为2.70［15，56］，表明该地区浅水陆棚沉积大部分形成于氧化环境［图2（d）］，由于其靠近陆棚内凹陷，晚期小规模的海侵作用形成了局部的深水陆棚沉积［15］，这可能导致其在筇竹寺组上段短暂缺氧环境的形成。
总体上，由川西南浅水陆棚区向盆地内部，尤其是在裂陷槽发育区域，水体具有还原性不断加强［ω（V）/ω（Cr）、ω（V）/ω（V+Ni）、ω（U）/ω（Th）、ω（Ni）/ω（Co）数值增大］的趋势，这反映川西南地区逐渐由浅水陆棚相到深水陆棚相的沉积环境变化过程（图6）。
图6 川西南—裂陷槽中段筇竹寺期沉积水体氧化还原环境对比（数据引自文献［3，15，17，19，58］）

Fig.6 Comparison of redox environment of sedimentary water of Qiongzhusi period from southwestern Sichuan Basin to the middle section of the Deyang-Anyue rift （data sourced from Refs.［3，15，17，19，58］）

2.1.4　川东南浅水陆棚区

N208井筇一段ω（V）/ω（Cr）、ω（V）/ω（V+Ni）、ω（Ni）/ω（Co）3种氧化还原指标与ω（U）/ω（Th）在纵向上的分布存在较大差异（图7），所指示的沉积水体古氧相变化趋势甚至呈现了相反的结论。前人认为，这可能是由于Ni和Co均为亲硫元素，在含H2S的强还原条件下，容易形成NiS和CoS等不溶物，并以固溶体的形式进入黄铁矿，导致Ni和Co元素都在富含黄铁矿的沉积物中富集［46， 59］；而在沉积介质环境中，元素V容易被有机质颗粒吸附并发生沉淀［55］。因此采用MoEF—UEF协变图［图2（f）］协同分析，协变图结果与ω（U）/ω（Th）指标指示结论相一致，也与N206井ω（U）/ω（Th）、ω（Ni）/ω（Co）指标所指示的古氧化还原环境具有一致性［12］［图2（e）］，即四川盆地东南部（N206井、N208井）筇竹寺组底部页岩为贫硫酸盐的厌氧环境，向上还原性迅速降低并逐渐变为稳定的厌氧—贫氧环境。丁台剖面ω（V）/ω（Cr）数值波动较大，但ω（V）/ω（V+Ni）（0.77~0.97，平均为0.91）与ω（Ni）ω（Co）（5.58~69.3，平均为21.13）［60］均指示了厌氧、还原的古氧化还原特征。
图7 川西南—裂陷槽南段—川东南地区筇竹寺期沉积水体氧化还原环境对比（数据引自文献［55-56，58，60］）

Fig.7 Comparison of redox environment of sedimentary water of Qiongzhusi period from the southwestern Sichuan Basin to the south section of the rift and the southeastern Sichuan Basin （data sourced from Refs.［55-56，58，60］）

结合连井剖面和古氧化还原环境指标交会图可以看出，四川盆地裂陷槽北部（东溪河剖面）向中部（W207井、W201井），再至南端（N206井、N208井），筇竹寺组页岩的沉积环境整体上还原条件逐渐减弱，氧化程度逐渐增强；盆地南部自西向东，由川西南浅水陆棚到川东南浅水陆棚，在筇竹寺期沉积水体逐渐向更缺氧、还原的方向过渡。

2.2　古生产力特征

由于生源钡的通量与有机碳通量有着显著的正相关性，且自生成因的重晶石（BaSO4）在沉积物中具有较高的保存率［61-62］，因此生物钡是古生产力的指标。殷鸿福等［63］根据Baxs（过剩钡）与PP（初级生产力）的直接相关度作出分级，指出当Baxs>100时，相应的PP>400 gC/（m2·a），此时古海洋具有很高的初级生产力。
处于裂陷槽中段的W207井区，古生产力数值在筇一段底部和上部较高，Babio均值分别为1 101.54×10-6和793.24×10-6［19］，其间古生产力指数存在波动，但整体依然处于高生产力区间。这可能是由于在筇竹寺组沉积早期，德阳—安岳裂陷槽西侧乐山—威远边坡与广海相连，在大规模海侵的背景下，伴随着一定程度的海水上涌和从深层海水中涌入的丰富的营养物质，使筇竹寺组在早期沉积期间的生产力较高；在经历了一次海退后，在筇竹寺组的中期沉积阶段，该地区海平面再次上升［19］，导致了筇竹寺组上端的Babio高值。
由Babio指示的古生产力显示广元东溪河剖面所处的裂陷槽北段筇竹寺期的古生产力极高，Babio平均值为7 456.05×10-6［44］，远高于100×10-6（图8）。贾智彬［64］提出，ω（Sc）/ω（Cr）≤0.120的样品以热水沉积成岩作用为主，东溪河剖面筇竹寺期的ω（Sc）/ω（Cr）值介于0.003~0.100之间、平均值为0.046［44］，指示Baxs数值受热液干扰十分强烈。但另一古生产力指标ω（Al）/ω（Ti）值（10.36~33.07、平均为19.78［44］）表明，在过剩Ba中生源钡依然占有很大的比重。
图8 四川盆地筇竹寺期古生产力指标对比（数据引自文献［3，15，19，44］）

Fig.8 Comparison of paleo-productivity proxies of Qiongzhusi period in the Sichuan Basin（data sourced from Refs.［3，15，19，44］）

处于浅水陆棚相的JY1井筇竹寺组除中上部筇三段泥质沉积Babio含量大于100×10-6（平均为 213.94×10-6）、具有相对高的生产力外，其下段对应的古海洋生产力较低，Babio平均值为33.88×10-6［15］。JY1井在麦地坪组至筇竹寺组沉积早期德阳—安岳裂陷迅速发展的背景下，古生物种群和低等藻类与高等小壳类生物在温暖气候下爆发式增长，其迅速繁盛后大量死亡导致海水快速耗氧，造成缺氧的强还原环境［49］，这可能破坏了生物生存的宜居环境，导致了JY1井下段的低古生产力。
综合而言，处于深水陆棚区的裂陷槽北段广元东溪河剖面以及裂陷槽中段的ZY1井、W207井都整体反映了很高的古生产力水平，且古生产力远好于裂陷槽外川西南JY1井浅水陆棚相烃源岩。

2.3　古气候特征

Cu为喜湿型元素，Sr为喜干型元素，其比值可以有效、灵敏地反映古气候的变化，通常而言，较低的ω（Sr）/ω（Cu）值指示相对温湿的气候［48， 65-68］。来自城口剖面、沙滩剖面、W201井、JS1井、N206井5处剖面和井位的ω（Sr）/ω（Cu）指标，反映了四川盆地筇竹寺期古气候在纵向上存在较为一致的变化趋势，大致经历了由稳定的温湿→干旱→湿润→干旱4个气候阶段（图9）。
图9 四川盆地筇竹寺期古气候特征对比（数据引自文献［1，12，53，56］）

Fig.9 Comparison of paleo-climatic characteristics of Qiongzhusi period in the Sichuan Basin （data sourced from Refs.［1，12，53，56］）

2.4　热液影响

适宜的热液活动因有利于生物繁盛、增强水体的缺氧程度从而对有机质的富集和保存乃至优质页岩的形成具有增益作用，与优质烃源岩的形成有着密切关系［15，57，69］。由于Co主要是水成来源而Cu、Ni、Zn为热液来源［70］，导致热液沉积物的ω（Co）/ω（Zn）值较低（平均为0.15，而其他铁锰结核一般在2.5）［71］，从而，ω（Co）/ω（Zn）值可以作为区分热液来源和正常自生来源的敏感指标。基于这样的认识，将川东北城口剖面、川中W207井、川南N206井、川西南JS1井、川东南丁台剖面的地球化学数据投点于Zn—Ni—Co三角图，可以判断四川盆地筇竹寺组沉积期的沉积背景。
四川盆地筇竹寺组全部5组数据均表示低的ω（Co）/ω（Zn）值，除JS1、N206井区表现为间歇性热液流体扰动外，川东北城口、川东南丁台、川中W207井区均指示在筇竹寺组沉积时期稳定存在不同强度的海底热液活动（图10）。其中，处于四川盆地东南热水沉积区的丁台剖面ω（Co）/ω（Zn）值为0.01~0.17，平均值为0.07，受热液影响最强烈；川东北城口［ω（Co）/ω（Zn）值为0.03~0.29，平均值为0.15］受热液影响效果较川中W207井［ω（Co）/ω（Zn）值为0.04~0.44，平均值为0.19］更为显著［19，53，60］。分析5组数据可以发现，对于高TOC层，ω（Co）/ω（Zn）值与TOC值呈现良好的负相关关系（图11），表明丰富的热液不仅为筇竹寺组海洋生物的发育贡献了丰沛的营养元素、对筇竹寺期高古生产力提供了物质基础，也为水体缺氧环境的形成提供了有利条件。
图10 四川盆地筇竹寺组Ni—Co—Zn沉积背景判别（图版改自文献［84］，数据引自文献［12，19，53，56，60］）

Fig.10 Deposition background discrimination diagram using Ni-Co-Zn of Qiongzhusi Formation， Sichuan Basin （plate modified from Ref.［84］， data sourced from Refs.［12，19，53，56，60］）

图11 四川盆地筇竹寺组页岩 ω （Co）/ ω （Zn）与TOC（%）相关关系（数据引自文献［12，19，53，60］）

Fig.11 Correlation plot of Co/Zn vs.TOC（%） of Qiongzhusi Formation shales， Sichuan Basin （data from Refs.［12，19，53，60］）

3 有机质富集机制探讨

海相烃源岩有机质的富集主要受控于古生产力的高低、沉积水体的氧化—还原条件等关键因素［54］。为探讨四川盆地下寒武统筇竹寺组优质烃源岩有机质富集机制，可利用TOC值代表有机质富集程度，通过建立TOC值与古生产力指标、古氧化还原环境参数之间的相关性分析，对四川盆地不同区域筇竹寺组有机质富集主控因素进行综合探讨。
位于裂陷槽北段的东溪河剖面，TOC值与古生产力指数Babio具有明显的正相关关系［图12（a）］且与氧化还原指数ω（V）/ω（Cr）呈弱相关性［图12（b）］；而在近川东北浅水陆棚的沙滩剖面，TOC值则表现出与氧化还原指数ω（U）/ω（Th）较强的正相关关系［图12（d）］。这可能是由于东溪河剖面长期沉积于很深的水体环境，极端还原水体条件为有机质的保存提供了始终有利的条件，导致裂陷槽北段筇竹寺组的有机质丰度主要受控于古生产力，而川东北浅水陆棚有机质丰度则主要受古氧化还原环境变化影响。
图12 四川盆地筇竹寺组页岩古生产力、古氧化还原条件与TOC相关关系（数据引自文献［1，8，10，12，15，19，44，55］）

Fig.12 Correlation between paleo-productivity， paleo-redox conditions and TOC of Qiongzhusi Formation shales， Sichuan Basin （data from Refs.［1，8，10，12，15，19，44，55］）

处于裂陷槽中段深水陆棚相区的ZY1井、Z4井，TOC值与古生产力指数Cubio表现出强烈的正相关关联；同时，同属该地区的W207井、W201井指示有机质富集受古氧化还原条件控制明显，TOC含量与ω（Ni）/ω（Co）指数呈良好的正相关关系［图12（e）—图12（h）］。该地区筇竹寺组优质烃源岩有机质富集是高古生产力和缺氧—贫氧的良好保存条件共同作用的结果。
下寒武统筇竹寺组沉积时期，川西南浅水陆棚相区由于位于德阳—安岳裂陷槽西侧构造高部位、临近康滇古陆，有物源供给时间长、沉积物以粒度较粗的砂岩为主、持续海退、氧化—还原性波动大、水动力变化频繁、古生产力水平低等特征［33］。与裂陷槽侧翼的高石梯—磨溪地区相比，其沉积环境受海平面升降影响更为明显，若遇海平面下降，地台相对隆升，易形成浅水环境［72］。结合该地区古生产力特征、古氧化还原特征与TOC的相关性来看，水体环境的不稳定变化决定了在该地区古氧化还原环境不是有机质富集的主控因素，其有机质富集主要受控于古生产力影响［图12（i），图12（j）］。向东，由N206井与N208井所反映的川东南浅水陆棚区，烃源岩有机质富集主要取决于古氧化还原环境的变化［图12（l）］。

4 结论

（1）四川盆地不同地区筇竹寺组沉积地球化学特征受克拉通盆地构造—沉积分异影响显著。
（2）德阳—安岳裂陷槽北段较南段古环境更为还原，更有利于有机质的富集和优质烃源岩的形成与保存。
（3）四川盆地北部由裂陷槽深水陆棚区到川东北浅水陆棚区，整体呈现由缺氧向贫氧、氧化的古水体环境过渡的趋势；盆地中部由川西南浅水陆棚向川中裂陷槽发育区，沉积水体还原性不断加强，由氧化、弱氧化的古氧相变化为深水陆棚较缺氧的古氧相；盆地南缘由川西南浅水陆棚到川东南浅水陆棚，沉积水体逐渐向更还原的方向过渡为厌氧—贫氧的古氧化还原环境。
（4）德阳—安岳裂陷槽北段及中段整体反映了很高的古生产力水平，且四川盆地筇竹寺期频繁、广泛的热液活动也为筇竹寺组页岩有机质富集提供了十分有利的条件。
（5）德阳—安岳裂陷槽北段筇竹寺组的有机质丰度高低主要取决于古生产力强度；川东北浅水陆棚有机质丰度主要受古氧化还原环境影响；裂陷槽中段筇竹寺组优质烃源岩有机质富集是高古生产力和缺氧—贫氧的古氧相共同作用的结果；川西南浅水陆棚区由于临近康滇古陆，水体环境变化不稳定，其有机质富集主要受古生产力影响；川东南浅水陆棚烃源岩有机质富集则主要取决于古氧化还原环境的变化。

中国石油勘探开发研究院江青春高级工程师、成都理工大学宋金民副教授及四川轻化工大学夏国栋副教授在论文撰写过程中提出了很好的意见和建议，在此表示诚挚谢意；由衷感谢匿名审稿人提出的宝贵修改意见。

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