页岩沉积特征：富有机质页岩的环境和成岩过程

洋流携带大量营养物质从海底上涌到富氧的水层，导致微生物繁盛，产生大量有机质，且产生速度远大于分解速度，形成富有机质黑色页岩。我国扬子地区寒武系底部牛蹄塘组页岩和塔里木地区寒武系底部玉尔吐斯组页岩都具有上升洋流大陆边缘页岩沉积的特点。

1.扬子地区寒武系底部牛蹄塘组页岩沉积特征

扬子地区寒武纪沉积盆地类型属于扬子东南被动大陆边缘沉积盆地。早寒武世早期，南方大陆的拉张活动达到高潮，泛大陆解体，海底扩张导致全球海平面快速上升，造成扬子碳酸盐台地第一次被淹没。海平面的上升带来了上升洋流，使陆架边缘下部海水柱形成还原环境，扬子板块边缘海域发育黑色岩系、扬子板块克拉通上海水变深，为黑色页岩覆盖。

1）沉积环境条件

扬子地区早寒武世早期处于被动大陆边缘的浅海环境，对于其古海洋环境条件，已从多方面进行了研究。贵州是下寒武统牛蹄塘组黑色页岩分布广泛的地区，下面以黔北地区下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩为例，介绍扬子地区早寒武世早期的沉积环境条件。

从微量元素的分析结果看，黔北地区下寒武统底部黑色页岩微量元素中以亲硫元素（Sb、Cd、Cu、Zn、Tl）为主，亲氧元素Sr强烈亏损，因而可以看出当时还原环境占主导地位。需特别注意的是U元素，其浓集系数为3.98。有机质是U的强吸附剂，地层中的有机质含量一般与U成正相关（石玉春等，1993）。黔北地区下寒武统底部富有机质页岩中高的U含量与高有机质含量的正相关性，也说明了其缺氧的还原条件。另据研究表明（蒋敬业，2006），反映黑色页岩形成特定还原环境的元素共生组合一般是U—Cu—Pb—Zn—Cd—Ag—Au—V—Mo—Ni—As—Bi—Sb，黔北地区下寒武统底部富有机质页岩中的微量元素组合基本上与之一致。从以上分析可以看出，黔北地区下寒武统底部的黑色页岩形成于低能还原环境中。

Wingnall（1994）给出了沉积环境V含量与Ni＋V含量比的标志值，为0.83～1时为静海环境；0.57～0.83时为缺氧环境；0.46～0.57时为氧化环境；小于0.46为更氧化环境。根据地层中这一判断氧化还原环境的地球化学指标，黔北下寒武统底部黑色岩系样品中的值最高为0.98，最低为0.48，平均为0.78，显示为静海缺氧环境，有利于黑色页岩的生成。

铀在表生作用中非常活泼，容易氧化成较易溶解的铀酰络离子，在水的作用下发生迁移，所以在低能环境下铀较易富集，含量较高。而钍在自然界中仅作为不易溶解的四价离子存在，表生条件下以机械迁移为主，并能在残积物、冲积物和滨海沉积区发生富集，较易存在于高能条件下。因此，U/Th的值在一定程度能反映沉积环境条件，且海相地层U/Th的值一般大于0.2（李昌年，1753）。黔北地区下寒武统底部富有机质页岩中U/Th的值最低为0.28，最高为16.64，平均为3.76，是典型的还原环境。

已有研究表明，泥质岩中的稀土元素含量在沉积岩中最高（海洋锰结核和磷酸盐除外），且其稀土配分模式和稀土元素参数也能指示一定的沉积环境条件（Haskin等，1968）。黔北地区下寒武统底部黑色页岩球粒陨石和黑色页岩北美页岩标准化后的稀土分布模式分别如图1—2和图1—3所示。

从其球粒陨石标准化后的分布曲线上可以看出，曲线为右倾的L形，轻稀土明显富集，重稀土段趋于平缓（图1—2），这与典型的后太古代页岩的稀土组成特征基本一致。究其原因，沉积作用过程中所发生的稀土元素分离起主要作用的是稀土元素的水合和吸附络合物的溶解性，轻稀土较易被风化形成的黏土物质吸附而富集在悬浮物中，而页岩则比较容易富集这种黏土物质，于是就出现了这种轻稀土明显富集的特点。轻重稀土的比值能较好地反映稀土元素（Rare Earth Element，REE）的分异程度，本区内轻重稀土比值较大，一般在6～12。

2）深部物源的影响

黔北地区下寒武统底部富有机质页岩的20个样品中，有8个样品的δEu值大于1，个别达到4.04，平均为1.25。

高异常的δEu值除了受到实验中钡元素的影响外，还可能与深部热液活动有关。Fryer等提出正Eu异常的产生是还原条件下Eu3＋转变成Eu2＋所致，然而，研究证实在氢氧化铁沉淀的环境中Eu3＋是主要的；同时，一般的海水也不具备促使其还原的条件。因此，太古代的条带状铁硅质建造的异常被解释为强还原的热液流体注入或大洋玄武岩经受海底蚀变而继承了来源区的特征。黔北地区下寒武统底部富有机质页岩中正Eu异常也可能反映了深部热液活动的影响。

另外，Mo、Sb、U、Cd、V、Ba、Tl、Ni、W、Cr、Cs、Cu、Zn、Bi等元素的高富集和Sr、Re的强烈亏损也可能与热液活动有关（Steiner，2001；王益友等，1979）。黔北地区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩中元素的相对富集和亏损也表明，在沉积过程中可能受到了深部热液活动的影响。

Co/Zn的值可以作为区分热液来源和正常自生来源的敏感指标（Toth，1980）。热液来源的Co/Zn的值较低，平均为0.15；而其他铁锰结核一般在2.5。研究区内Co Zn的值平均为0.12，显示热液成因特点。

图1—2　黔北地区下寒武统底部黑色页岩球粒陨石标准化后的稀土分布模式图（Haskin等，1966）(www.xing528.com)

图1—3　黔北地区下寒武统底部黑色页岩北美页岩标准化后的稀土分布模式图（Taylor等，1983）

Th/Sc和Th/U平均值分别为0.93和0.86，这与上地壳中相应元素的比值（1和3.8）以及地壳中黏土岩的平均值（1和3.4）相比明显偏低，这也说明了来自深部的铁镁物质物源的存在。

总之，黔北地区下寒武统底部黑色岩系样品中的值最大为0.98，最小为0.48，平均为0.78，显示为静海缺氧环境；U/Th值平均在3.76左右，比值高，是典型的还原环境，这些都说明了黔北地区黑色页岩形成的沉积环境是静海缺氧的还原环境。同时，黑色页岩样品中Mo、Sb、U、Cd、V、Ba、Tl、Ni、W、Cr、Cs、Cu、Zn、Bi等的高富集和Sr、Re的强烈亏损以及正Eu异常和较低的Co/Zn值均反映了黔北地区下寒武统底部黑色页岩受到深部热液活动的影响。

2.塔里木地区寒武系底部玉尔吐斯组页岩沉积特征

塔里木盆地海相沉积中，中下寒武统是重要的海相烃源岩之一，且下寒武统玉尔吐斯组底部的磷质、硅质岩和黑色页岩中的有机质含量（Total Organic Carbon，TOC）较高，可达7%～14%。玉尔吐斯组的标准剖面位于阿克苏西南约80 km的玉尔吐斯山，该组在柯坪地区出露广泛，层位稳定，但厚度略有变化，一般在8～35 m。其特征是：底部为灰黑色含磷结核硅质岩、黑色—灰色薄层硅质岩、磷块岩（含铀、钒等）夹薄层白云质灰岩或透镜体，含有小壳化石，硅质岩表面有葡萄状构造特征；中部为黑色页岩、硅质岩夹白云岩，含有小壳化石；上部为深灰色、灰白色薄层微晶白云岩、瘤状白云岩夹页岩，含小壳化石（图1—4）。

从寒武系玉尔吐斯组的地层空间展布特征来看，自西向东富有机质沉积层段的厚度逐渐变厚，硅质岩的单层厚度增大，而且还有基性火山岩出现。岩石组合特征显示，富含有机质的沉积岩与构造拉张沉降期的海底火山活动关系密切。

硅质岩样品的Al/（Al＋Fe＋Mn）值在0.002 3～0.004 6变化，Si/（Si＋Al＋Fe）值分布在0.965～0.980。在海相沉积物中，Al/（Al＋Fe＋Mn）值是衡量沉积物中热水沉积物输入量的重要标志，且比值随着热水沉积物输入量的增加而减小。东太平洋洋脊热水沉积硅质岩的Al/（Al＋Fe＋Mn）值为0.01，海相页岩和生物成因硅质岩的平均值分别为0.62和0.60。Si/（Si＋Al＋Fe）值可提供岩石中生物和热液成因SiO2含量与陆源物质参与的信息，低的值说明沉积岩形成时距离陆源区较近。本区硅质岩的Al/（Al＋Fe＋Mn）和Si/（Si＋Al＋Fe）值特征显示，在其沉积时期，沉积环境远离陆源区，且有强烈的海底热水流体活动（孙省利等，2004）。

图1—4　塔里木盆地柯坪肖尔布拉克剖面（孙省利等，2004）

微量元素分析结果在剖面上的变化显示，As、Sb、Hg、Pb、Zn、Cu、Co、P、V、Ba等在玉尔吐斯组底部硅质泥岩、泥岩、硅质岩和含磷泥灰岩中明显富集，它们的富集系数大多数大于1，尤其是V、P、Ba的富集系数远远大于1。在底部这套岩石组合中，最显著的特点之一是As、Sb、Hg、Ba富集程度高。As、Hg、Ba在海水中的含量很低，一般不可能在沉积物富集，而在现代海底热水流体含量却很高，往往在热水沉积物中导致富集（孙省利等，2004）。

V、Co、Ni在该层段中异常富集，V一般含量为（120～1 750）×10—6，在局部层位可达0.05%～0.59%；Co含量常变化于（5～56）×10—6，局部高达0.013%～0.021%；Ni含量为（3～180）×10—6，局部可达0.03%～0.049%。V、Co、Ni 是具有基性岩或超基性岩特征的元素，在正常沉积岩中含量并不高，要形成如此程度的富集，说明有盆地内的深源物质输入，这一点已被该层段铂族元素异常所证实（于炳松等，2002）。

在剖面底部，无论是含磷泥灰岩、泥灰岩、泥岩，还是硅质岩，Ba含量明显大于Sr含量，上部白云岩中则相反。剖面下部岩石中 Ba/Sr值远远大于1，与现代海底热水沉积物中的Ba/Sr值相似，具有明显的海底热水沉积特征。

在玉尔吐斯组底部P含量较高，局部地区可形成磷矿。该含磷硅质岩的出现与我国华南寒武纪底部含磷硅质岩夹碳质板岩产出层位一致，由于磷块岩与热水沉积型硅质岩紧密共生，那么它们应有相似的成因。近年来的深海钻探计划研究结果也显示，海底热水流体作用在全球磷质循环中占有重要的地位，海底热水流体活动带来大量的营养物质（N，P等），使富集P的生物繁盛，生物死亡后导致沉积岩中P的富集并形成磷矿。

Th/U值和V/Sc值可以被用做反映沉积环境氧化还原条件的指标。一般在缺氧条件下Th/U值变化于0～2，强氧化环境下为8。在肖尔布拉克剖面中，Th/U值为0.018～0.735，多数样品中均小于0.4，V/Sc值为81～7 800，两者成一定的负相关关系，也能进一步说明玉尔吐斯组底部海相富有机质沉积层段形成于强还原的水体环境中，且出现弱—强交替还原程度的变化。

根据玉尔吐斯组底部富有机质沉积层段在东部与海底火山岩、凝灰岩及硅质岩紧密共生、在西部主要与硅质岩共生的地质特点，结合岩石地球化学研究结果，认为该地区的缺氧事件与海底火山作用及与之紧密伴生的热水流体活动息息相关。因为海底火山作用及与之紧密伴生的热水流体活动不仅给水体带来大量的还原性气体（H2、CH4、CO、H2S等），使水体中氧大量消耗、物理化学条件发生改变并出现水体分层，同时还带来了大量的金属元素和生命必需元素。海底热水流体喷溢活动一方面使海洋水化学条件和生态环境等发生变化，导致嗜热生物群落繁盛和正常海洋生物死亡；另一方面导致水体缺氧分层，有利于有机质的保存，故而该层有机质含量高。