淺水超覆沉積富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物沉積環(huán)境與巖石學(xué)特征
——以塔里木盆地西北部寒武系玉爾吐斯組為例

金值民，譚秀成，唐浩，沈安江，喬占峰，鄭劍鋒，李飛，張世軒，陳雷，周成剛

（1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)），成都 610500；2.中國(guó)石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310023；3.中國(guó)石油東方地球物理公司研究院庫(kù)爾勒分院，新疆庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖不僅可以作為油氣重要的烴源巖，也是頁(yè)巖油氣的重要賦存場(chǎng)所[1-2]。近年來(lái)，非常規(guī)細(xì)粒沉積巖油氣勘探日益成為增儲(chǔ)上產(chǎn)的主體[3]，也掀起了細(xì)粒沉積巖研究的熱潮[4-5]。然而，對(duì)富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖的沉積環(huán)境和沉積模式目前存在一定爭(zhēng)議，制約了其發(fā)育分布預(yù)測(cè)及非常規(guī)油氣勘探。

細(xì)粒沉積巖通常包括頁(yè)巖、泥巖或黏土巖[6]，傳統(tǒng)上被描述為均質(zhì)、無(wú)結(jié)構(gòu)、塊狀和/或?qū)訝睿酵ǔＰ∮?2 μm的黏土級(jí)和粉砂級(jí)物質(zhì)，成分主要包括黏土礦物、粉砂、碳酸鹽、有機(jī)質(zhì)等[4]。其中頁(yè)理發(fā)育的稱為頁(yè)巖，頁(yè)理不發(fā)育的稱為泥質(zhì)巖[7]。傳統(tǒng)觀點(diǎn)通常將其解釋為沉積于水深、安靜和永久缺氧的盆地環(huán)境中，垂向懸浮沉降于盆地深處[8-9]。然而，一些研究實(shí)例指示其存在淺水成因[10-12]?，F(xiàn)代研究表明，大多數(shù)直徑小于10 μm的黏土顆粒以絮凝物形式沉積，絮凝過(guò)程有助于大量泥質(zhì)沉積物在海洋環(huán)境中的長(zhǎng)距離搬運(yùn)[13-14]；直徑大于10 μm的黏土顆粒則主要以單顆粒形式沉降[15-16]，而形貌單調(diào)的紋層或塊狀泥巖實(shí)際上是以集合顆粒的形式在動(dòng)蕩環(huán)境中被搬運(yùn)和沉積而成[3,5,11]。對(duì)這些淺水黑色頁(yè)巖的沉積學(xué)研究記錄了一系列沉積特征，如沖刷面、改造的滯留沉積物、正反粒序、水流、波浪和波紋的組合交錯(cuò)層理（HCS）以及灰綠色的頁(yè)巖夾層等[10,17]。最近有學(xué)者報(bào)道了美國(guó)阿巴拉契亞盆地南部泥盆系富含有機(jī)質(zhì)的查塔努加頁(yè)巖直接覆蓋于不整合面之上，從而提供了一個(gè)富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物淺水超覆的新案例[18]，再一次揭示了富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物可沉積在相對(duì)較淺的、有時(shí)具有流動(dòng)的水流和支持底棲生物的含氧底水環(huán)境。

近年來(lái)，圍繞塔里木盆地主力烴源巖的討論很多[19-20]，寒武系底部玉爾吐斯組被認(rèn)為是塔里木盆地重要的烴源巖發(fā)育層位[21]，在阿克蘇地區(qū)分布廣泛。而在塔里木西北部阿克蘇—烏什—柯坪地區(qū)，有關(guān)玉爾吐斯組沉積環(huán)境也存在深水與淺水環(huán)境之爭(zhēng)。多數(shù)學(xué)者通過(guò)巖石學(xué)、地球化學(xué)及成烴生物類(lèi)型相結(jié)合的手段認(rèn)為玉爾吐斯組沉積于深水陸棚—深盆環(huán)境[22-24]，也有學(xué)者結(jié)合有限的鉆井和地震資料提出其發(fā)育于緩坡背景下的中緩坡—外緩坡環(huán)境[25]，僅有少數(shù)學(xué)者通過(guò)玉爾吐斯組沉積序列和硅質(zhì)巖巖石學(xué)特征認(rèn)為其形成于淺水沉積環(huán)境[26-27]。

最新的研究表明，烴源巖作為最富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖，往往發(fā)育于緊鄰不整合面之上[18]，暗示不整合面之上海侵初期發(fā)育的富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖具有淺水超覆的發(fā)育背景。近期，筆者在塔里木西北部地區(qū)的野外工作中發(fā)現(xiàn)，玉爾吐斯組最富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖疊覆于震旦系奇格布拉克組頂部區(qū)域性不整合面之上，且具有典型的超覆沉積特征，指示其沉積環(huán)境可能是淺水環(huán)境。值得指出的是，就研究區(qū)而言，相關(guān)文獻(xiàn)所涉及的“深水”通常泛指欠補(bǔ)償?shù)纳钏璧丨h(huán)境、中緩坡—外緩坡環(huán)境和深水陸棚環(huán)境；“淺水”通常泛指淺水陸棚、淺水碳酸鹽臺(tái)地等環(huán)境；而本文所稱的“淺水”是指淺水碳酸鹽臺(tái)地，沉積具有補(bǔ)償—過(guò)補(bǔ)償特征，水深可能處于海平面之下至幾十米之間。鑒于此，本文以塔里木盆地西北部研究區(qū)玉爾吐斯組為例，通過(guò)對(duì)相關(guān)剖面細(xì)粒沉積物巖相、微古生物化石、微量與常量元素和地震資料綜合研究，討論其沉積環(huán)境，建立富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖的超覆淺水沉積模式。研究結(jié)果不僅能為判別塔西北玉爾吐斯組黑色巖系沉積環(huán)境提供有力的沉積學(xué)證據(jù)，也將豐富細(xì)粒沉積物沉積學(xué)理論，具有重要的科學(xué)及應(yīng)用價(jià)值。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

塔里木盆地位于中國(guó)西北地區(qū)的新疆南部，是在元古宇變質(zhì)巖組成的大陸地殼基底上發(fā)育的大型克拉通盆地[28]，面積約56×104km2。研究區(qū)位于塔里木地塊西北緣柯坪斷隆區(qū)，地處阿克蘇—烏什—柯坪 3縣交匯處（見(jiàn)圖1）。南華紀(jì)至震旦紀(jì)，塔里木板塊主要位于東岡瓦納超大陸西北緣，與澳大利亞板塊相接，并由北半球中低緯向南漂移[29-30]。至早寒武世，塔里木板塊已漂移至赤道附近，并開(kāi)始從澳大利亞板塊剝離，整個(gè)板塊周緣處于強(qiáng)張裂環(huán)境，形成了塔北緣陸緣廣海、塔南緣陸內(nèi)裂谷的格局[30]。塔里木板塊內(nèi)部則以東深西淺為主要特征，東部庫(kù)爾勒—若羌—且末一帶形成塔東深水盆地，庫(kù)車(chē)—民豐—阿克蘇一帶則發(fā)育塔西淺水臺(tái)地[31]。

塔里木盆地下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組具有分布廣泛、層位穩(wěn)定的特點(diǎn)，自下而上依次出現(xiàn)灰黑色含磷硅質(zhì)巖、薄層白云巖、黑色炭質(zhì)頁(yè)巖及灰綠色泥頁(yè)巖夾砂質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r、灰白色薄層微晶白云巖、瘤狀白云巖夾黃綠色和紫紅色泥頁(yè)巖薄層（見(jiàn)圖 2），鏡下可見(jiàn)小殼化石、藻類(lèi)和高肌蟲(chóng)等[32]。其上覆地層為下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組，主要為含三葉蟲(chóng)的白云巖-灰?guī)r沉積，有學(xué)者認(rèn)為其與玉爾吐斯組為整合接觸[33]。下伏地層為上震旦統(tǒng)奇格布拉克組灰色泥巖、藻云巖，與玉爾吐斯組為平行不整合接觸[34]，內(nèi)幕存在可對(duì)比的準(zhǔn)同生期暴露面（見(jiàn)圖 2）。研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖在玉爾吐斯組垂向上主要呈兩種形式產(chǎn)出，即與硅質(zhì)巖呈薄互層的泥頁(yè)巖和與碳酸鹽巖呈薄互層的泥頁(yè)巖（見(jiàn)圖2）。其中，硅質(zhì)巖區(qū)發(fā)育的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖產(chǎn)于玉爾吐斯組底部，橫向上可追蹤對(duì)比；而薄層碳酸鹽巖區(qū)發(fā)育的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要出現(xiàn)在玉爾吐斯組中上部，部分剖面存在相變（見(jiàn)圖2）。

圖1 塔里木盆地研究區(qū)位置及寒武系概略圖[35-36]

2 淺水沉積的巖石學(xué)特征

2.1 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與硅質(zhì)巖薄層韻律+混積顆粒巖組合特征

富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與硅質(zhì)巖薄層韻律是玉爾吐斯組暗色泥頁(yè)巖的兩種主要產(chǎn)出狀態(tài)（見(jiàn)圖3a），二者往往呈薄互層產(chǎn)出。

2.1.1 巖性結(jié)構(gòu)特征

硅質(zhì)巖主要呈薄層狀，深黑色，根據(jù)硅質(zhì)巖結(jié)構(gòu)特征，可劃分出顆粒結(jié)構(gòu)硅質(zhì)巖和殘余疊層結(jié)構(gòu)硅質(zhì)巖兩類(lèi)。其中，硅質(zhì)顆粒主要組分為硅質(zhì)膠結(jié)的磷質(zhì)核形石、有機(jī)質(zhì)菌藻球粒、藻絲狀體，（微）生物殘片（如小殼化石、絲狀體藍(lán)細(xì)菌）、有機(jī)質(zhì)-黏土復(fù)合物[26]（見(jiàn)圖 3b、圖 3c），顆粒分選、磨圓較好—好，多呈次圓—圓狀，粒徑0.1～0.5 mm，具晶粒相對(duì)較粗的硅質(zhì)膠結(jié)物充填（見(jiàn)圖3c）；殘余疊層結(jié)構(gòu)的硅質(zhì)巖具明暗相間的水平紋層和順層溶蝕孔洞（見(jiàn)圖3d、圖3e），其內(nèi)為晶粒相對(duì)較粗的、世代性的硅質(zhì)膠結(jié)充填（見(jiàn)圖3e），藻顆粒及大量硅化顆粒零散分布。

泥頁(yè)巖呈深灰—灰黑色，部分為灰綠色（見(jiàn)圖3f），主要由石英、白云石、磷灰石、黏土礦物組成，夾黃鐵礦、鐵結(jié)核等；鏡下可見(jiàn)大量底棲藻類(lèi)碎片、硅質(zhì)灰質(zhì)海綿骨針、生物碎片等有機(jī)質(zhì)[35-38]。朱光有等[39]對(duì)研究區(qū)什艾日克剖面、蘇蓋特剖面、肖爾布拉克剖面、烏什磷礦剖面等10條剖面所采集泥巖樣品的分析統(tǒng)計(jì)顯示，與硅質(zhì)巖薄層呈互層產(chǎn)出的泥頁(yè)巖具高的殘余有機(jī)質(zhì)含量，TOC值主體大于2%，最高可達(dá)11.5%。

混積顆粒巖呈灰白—灰黃色，中厚層狀，宏觀上呈底平頂凸，橫向上厚薄不均（見(jiàn)圖 4a、圖 4b）。微觀上，混積顆粒巖下部為云質(zhì)細(xì)砂巖；顆粒粒徑一般為0.10～0.25 mm，顆粒含量一般為60%～80%，白云石含量約 20%～40%，陸源碎屑顆粒以石英為主，亦可見(jiàn)少量巖屑、長(zhǎng)石（見(jiàn)圖 4c、圖 4d）。中部陸源碎屑含量減少，逐漸過(guò)渡為砂質(zhì)云巖（見(jiàn)圖4e、圖4f）。上部陸源碎屑消失，逐漸變?yōu)榫邭堄囝w粒結(jié)構(gòu)的晶粒云巖（見(jiàn)圖4g），采用加墊70 g A4紙進(jìn)行原巖組構(gòu)恢復(fù)發(fā)現(xiàn)其具有典型的顆粒結(jié)構(gòu)，且殘余粒間溶孔清晰可見(jiàn)（見(jiàn)圖4h）；顆粒粒徑一般為0.25～0.50 mm（見(jiàn)圖4h）。

圖2 4條研究剖面的玉爾吐斯組巖性結(jié)構(gòu)柱狀剖面及橫向?qū)Ρ葓D（剖面位置見(jiàn)圖1）

2.1.2 沉積序列及其沉積構(gòu)造

該沉積序列由富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與硅質(zhì)巖薄層韻律+混積顆粒巖組成?？v向上，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與硅質(zhì)巖薄層韻律向上相變?yōu)榛旆e顆粒巖（見(jiàn)圖4a），其往往與下伏硅-泥韻律層呈連續(xù)漸變接觸?？傮w而言，混積顆粒巖具有向上變粗的逆粒序，且上部發(fā)育浪成交錯(cuò)層理（見(jiàn)圖4i）。

2.2 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與灰?guī)r薄層韻律組合特征

富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與碳酸鹽巖薄層韻律是另一種主要產(chǎn)出狀態(tài)（見(jiàn)圖5a），主要由灰?guī)r和富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖組成，二者通常呈薄互層產(chǎn)出。其在全區(qū)分布較為局限，在個(gè)別剖面可相變（見(jiàn)圖2）。

2.2.1 巖性結(jié)構(gòu)特征

圖3 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與硅質(zhì)巖薄層韻律的宏微觀特征

圖4 混積顆粒巖的宏微觀特征

圖5 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與灰?guī)r薄層韻律組合特征

灰?guī)r呈薄—極薄層狀、綠灰色，晶粒結(jié)構(gòu)，含少量白云質(zhì)，與黑色頁(yè)巖呈漸變接觸，接觸面較為平整。較厚的泥巖段中常見(jiàn)菱鐵礦鐵結(jié)核和灰?guī)r透鏡體（見(jiàn)圖5b），亦可見(jiàn)黃鐵礦等自生礦物。泥頁(yè)巖呈黑色，部分為灰綠色，礦物以方解石、石英、白云石為主，鏡下可見(jiàn)大量生物碎片和藻類(lèi)[38]。與碳酸鹽巖薄層呈互層產(chǎn)出的泥頁(yè)巖，TOC值主要為1.5%～4.5%[39]。

2.2.2 沉積序列及其沉積構(gòu)造

該序列由富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與灰?guī)r薄層韻律組成。泥頁(yè)巖厚度差異較大，最厚處可達(dá)60 cm，最薄處不到1 cm。垂向上泥頁(yè)巖厚度向上逐漸變?。ㄒ?jiàn)圖5a），而碳酸鹽巖層層厚增加。一些灰?guī)r薄層宏觀上逆粒序明顯（見(jiàn)圖5c），微觀上，下部較細(xì)區(qū)域的方解石晶粒小于0.1 mm（見(jiàn)圖5f），向上晶粒逐漸變大（見(jiàn)圖5d、圖5e），頂部晶粒為0.25～1.50 mm，有報(bào)道指出頂部的較粗方解石單晶可能為類(lèi)似棘皮的動(dòng)物碎片[27]。

2.3 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與硅質(zhì)巖薄層韻律+混積顆粒巖向上變淺序列特征

研究區(qū)內(nèi)玉爾吐斯組向上變淺序列通常表現(xiàn)為底部巖性漸變和頂部巖性突變的特征。序列下部通常為富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖或與硅質(zhì)巖薄韻律互層的相對(duì)深水沉積，向上則過(guò)渡為混積顆粒巖沉積?；旆e顆粒巖因垂向加積作用的影響迅速向上生長(zhǎng)，并伴隨沉積水體變淺，最終暴露在海平面之上而終止發(fā)育。

如前所述，玉爾吐斯組富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖與硅質(zhì)巖薄韻律互層向上變?yōu)榛旆e顆粒巖（見(jiàn)圖4a、圖4b），混積顆粒巖具有典型的向上變粗、陸源碎屑減少等向上變淺序列特征（見(jiàn)圖4c—圖4h）?；旆e顆粒巖頂部，可見(jiàn)鐵質(zhì)結(jié)殼層和紅褐色的近地表角礫巖（見(jiàn)圖 6a、圖6b），角礫成分為云質(zhì)細(xì)砂巖，磨圓較好（見(jiàn)圖6b、圖6c）；其上為下一旋回的暗色泥頁(yè)巖，并具典型超覆現(xiàn)象（見(jiàn)圖6d）；其下也可見(jiàn)發(fā)育的網(wǎng)狀溶溝或垂直溶溝，為黃褐色云質(zhì)泥充填或碳酸鹽巖砂充填（見(jiàn)圖6e）；此外，也可見(jiàn)囊狀溶洞并被角礫和砂混合充填（見(jiàn)圖6f、圖6g）。微觀上，細(xì)晶云巖可見(jiàn)溶縫、溶溝，并為不溶滲流物充填（見(jiàn)圖6h），受巖溶影響，優(yōu)勢(shì)滲濾通道附近晶粒明顯變細(xì)，且晶粒間溶孔多為不溶滲流物充填（見(jiàn)圖6i）。

為更為清晰表征硅質(zhì)巖與暗色泥頁(yè)巖韻律之上的混積顆粒灘頂部暴露特征，本文以什艾日克剖面該類(lèi)序列為例說(shuō)明（見(jiàn)圖7）。該序列暴露面之上為下一旋回海侵初期的灰綠色泥頁(yè)巖（見(jiàn)圖7a—7e），其下為暴露面和近地表角礫巖，角礫巖與風(fēng)化殘余的赤鐵礦形成鐵質(zhì)結(jié)殼（見(jiàn)圖7b—7e）。近地表角礫巖之下為灰綠色泥質(zhì)充填的近水平狀溶縫和為方解石充填的囊狀溶洞，向下變?yōu)閮?yōu)勢(shì)巖溶通道切割的近原地角礫（見(jiàn)圖7f）。中部及中下部為巨晶方解石充填的囊狀溶洞（見(jiàn)圖7a、圖7c），并見(jiàn)滲流的赤鐵礦充填（見(jiàn)圖7c）。

圖6 玉爾吐斯組典型暴露巖溶特征

2.4 超覆沉積特征

宏觀上，野外露頭剖面玉爾吐斯組發(fā)育兩種類(lèi)型的超覆充填特征。一種位于玉爾吐斯組底部，可見(jiàn)下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組底部富有機(jī)質(zhì)灰黑色泥頁(yè)巖與硅質(zhì)巖的薄韻律互層漸次向震旦系奇格布拉克組巖溶地貌高地上超（見(jiàn)圖 8a、圖 8b），表明這類(lèi)暗色泥頁(yè)巖組合可沉積于極淺水受限環(huán)境。另一種超覆充填出現(xiàn)在玉爾吐斯組中下部的暴露侵蝕面之上。這種暴露侵蝕面與向上變淺的沉積序列緊密相關(guān)，大致屬于層間沉積間斷的同生或準(zhǔn)同生期暴露。在這種暴露面之下，巖性主要為混積顆粒巖及其下伏的富有機(jī)質(zhì)灰黑色泥頁(yè)巖與硅質(zhì)巖的薄韻律互層，受疊瓦狀同生正斷層影響，在混積顆粒巖頂面常形成階梯狀的微地貌起伏變化，隨后沉積的綠灰色（風(fēng)化色）泥巖與碳酸鹽巖薄韻律互層漸次向微地貌高地超覆，在露頭剖面上可見(jiàn)泥晶灰?guī)r、泥頁(yè)巖薄互層上超于暴露面之上，常側(cè)向終止于暴露面的相對(duì)坡折處（見(jiàn)圖8c、圖8d）。

從區(qū)域地震地層分布看（見(jiàn)圖9），地震剖面上玉爾吐斯組厚度變化較小，但總體上具有由南西向北東逐漸增厚的特征，并且超覆尖滅點(diǎn)位于肖爾布拉克組臺(tái)地邊緣附近，并與其下的震旦紀(jì)奇格布拉克組沉積期的凹陷具有一定的繼承性。從區(qū)域地層厚度分布看，玉爾吐斯組地層厚度自西向東增厚，當(dāng)時(shí)的沉積、沉降中心位于滿加爾凹陷（見(jiàn)圖1a），從繼承性凹陷和地層充填厚度來(lái)看，玉爾吐斯組沉積期總體為補(bǔ)償—過(guò)補(bǔ)償沉積。

3 討論

3.1 關(guān)于富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物淺水環(huán)境成因的討論

圖7 什艾日克剖面玉爾吐斯組巖溶垂向序列特征

塔里木盆地下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組因發(fā)育一套黑色富有機(jī)質(zhì)烴源巖而長(zhǎng)期受到諸多學(xué)者的關(guān)注[39]，主流觀點(diǎn)認(rèn)為玉爾吐斯組古地理格局具有“西臺(tái)東盆”的特點(diǎn)，屬于深水陸棚—深盆環(huán)境[22-24]，或者是緩坡背景下的中緩坡—外緩坡環(huán)境[25]，并認(rèn)為塔里木盆地震旦系—中寒武統(tǒng)為典型的干熱/干燥古氣候背景下的文石海沉積[40]，在早寒武世呈現(xiàn)出一種塔里木臺(tái)地與塔東盆地相連，其間發(fā)育斜坡的古地理格局[31]。本文將從以下幾個(gè)方面論述研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物形成于淺水受限的次氧化—缺氧沉積環(huán)境。

3.1.1 富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖與層狀硅質(zhì)巖（或碳酸鹽巖）薄韻律互層

塔里木盆地下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組底部薄層狀硅質(zhì)巖沉積時(shí)間特殊，且對(duì)沉積環(huán)境具有較好的指示意義[26,37]。有學(xué)者對(duì)玉爾吐斯組硅質(zhì)巖進(jìn)行了地球化學(xué)分析和研究，認(rèn)為該硅質(zhì)巖是海底熱水成因硅質(zhì)巖，并由此推斷玉爾吐斯組沉積環(huán)境為深海還原環(huán)境[22]；但也有學(xué)者通過(guò)研究硅質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征及相鄰層位巖性變化并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景，認(rèn)為硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境并非深海，而是淺?！肷詈－h(huán)境[23,41-42]；楊宗玉等[37]結(jié)合硅質(zhì)巖宏微觀巖石學(xué)特征，認(rèn)為硅質(zhì)巖-磷塊巖-黑色頁(yè)巖單元沉積于風(fēng)暴浪基面以下的外緩坡，以貧氧—缺氧沉積為主；楊程宇等[26]則利用不同露頭剖面的硅質(zhì)巖樣品，通過(guò)無(wú)機(jī)-有機(jī)巖石學(xué)分析認(rèn)為，玉爾吐斯組硅質(zhì)巖形成于裂谷背景下的高鹽度、堿性封閉水體中，沉積水體的水動(dòng)力變化使硅質(zhì)巖具有層狀構(gòu)造和碎屑結(jié)構(gòu)。就本文研究所觀察到的硅質(zhì)巖宏微觀特征而言，層狀硅質(zhì)巖具典型的殘余顆粒結(jié)構(gòu)、疊層狀構(gòu)造和孔洞膠結(jié)組構(gòu)（見(jiàn)圖 3b、圖 3c），指示其原巖可能為硅化的顆粒灰?guī)r和硅化的疊層微生物巖，硅化顆粒磨圓相對(duì)較好。顯然，這些組構(gòu)特征難以用深水或過(guò)飽和熱液沉積予以解釋，也說(shuō)明硅質(zhì)巖形成于水體動(dòng)蕩的相對(duì)高能環(huán)境。從薄層富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與硅質(zhì)巖韻律互層組合來(lái)看，薄層泥頁(yè)巖的地層環(huán)境和硅質(zhì)巖的高能環(huán)境，指示其可能處于浪基面附近（見(jiàn)圖 4）。富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖與硅質(zhì)巖薄韻律互層向上變?yōu)榫吣媪Ｐ虻幕旆e顆粒巖序列（見(jiàn)圖4），且頂部常具有浪成交錯(cuò)層理（見(jiàn)圖4i），表明其總體構(gòu)成了向上變淺序列，混積顆粒巖形成總體處于浪基面之上，從另一方面印證了其形成于浪基面附近。同時(shí)，該淺水沉積特征也可以從其薄韻律組合向震旦系奇格布拉克組巖溶地貌高地超覆所證實(shí)（見(jiàn)圖8a、圖8b）。

圖8 玉爾吐斯組小尺度沉積超覆特征

圖9 玉爾吐斯組地震反射特征圖（玉爾吐斯組頂面拉平，剖面位置見(jiàn)圖1）

此外，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與碳酸鹽巖薄韻律組合中，其薄層碳酸鹽巖也具有逆粒序和向微地貌高地超覆特征，也說(shuō)明這類(lèi)沉積同樣發(fā)育于淺水受限環(huán)境。同時(shí)，從其階梯狀巖溶地貌高地發(fā)育與疊瓦狀正斷層相關(guān)可以看出，區(qū)域海退和暴露也可能與該時(shí)期幕式張裂活動(dòng)有關(guān)。

3.1.2 早成巖期暴露與淺水沉積環(huán)境

譚秀成和XIAO D等[43-46]認(rèn)為早成巖期巖溶具有如下典型識(shí)別標(biāo)志：①典型的相控、層控特征；②孔洞多被充填，充填物中含有大量基巖溶蝕離解、離散形成的顆粒和生物碎屑，并與碳酸鹽巖砂、泥混合充填，溶蝕孔洞與圍巖界面模糊，往往呈漸變過(guò)渡特征；③多旋回的高頻疊置。而在玉爾吐斯組的混積顆粒巖中，顆粒巖頂部發(fā)育鐵質(zhì)結(jié)殼層和近地表角礫巖，近地表角礫巖之下則發(fā)育水平溶洞與囊狀溶洞，并多被上覆泥質(zhì)、赤鐵礦及巨晶方解石充填，巖溶特征具典型相控、層控特征，且呈多旋回高頻發(fā)育（見(jiàn)圖 2）；微觀上，可見(jiàn)溶溝、溶縫及殘余粒間溶孔發(fā)育，并被不溶滲流物充填（見(jiàn)圖4g、圖4h、圖6h、圖6i）。這表明混積顆粒灘頂部存在早期暴露，結(jié)合其與薄韻律富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的縱向組合關(guān)系，也說(shuō)明其沉積時(shí)水深不大，總體處于浪基面附近及以下的淺水環(huán)境。

3.1.3 成烴生物組合

成烴生物組合是烴源巖研究的重要內(nèi)容。研究區(qū)成烴生物以發(fā)育紅藻類(lèi)的底棲藻類(lèi)為主[38]，僅在蘇蓋特布拉克剖面中具較多的浮游藻類(lèi)（包括詹氏似鼓囊甲藻、綠藻、光面球藻、小刺球藻、球狀甲藻、團(tuán)藻等）[24,38]。本文所提供的巖石學(xué)證據(jù)表明，研究區(qū)玉爾吐斯組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖為一套初始海泛期的淺水沉積，在海侵序列內(nèi)部，垂向上泥頁(yè)巖中成烴生物組合呈現(xiàn)出：底部以底棲藻類(lèi)為主，僅含有少量浮游藻類(lèi)；中部底棲藻類(lèi)減少，浮游藻類(lèi)明顯增多；上部浮游藻類(lèi)占有更大的比例，整體由下至上浮游藻類(lèi)增加的趨勢(shì)[24]。綜上認(rèn)為，當(dāng)持續(xù)海侵、海域面積擴(kuò)大時(shí)，微生物可能具有由底棲組合向浮游組合演變的趨勢(shì)。

3.1.4 氧化-還原條件

根據(jù) Mo/TOC值可以評(píng)估海洋盆地的水體局限程度[47]，Mo/U 值可反映水體氧化還原性質(zhì)[48]。由于本文主要側(cè)重于巖石學(xué)方面研究，地球化學(xué)分析主要依托朱光有等[39]已發(fā)布的地球化學(xué)成果數(shù)據(jù)，其取樣位置基本涵蓋了玉爾吐斯組整段黑色頁(yè)巖發(fā)育層位。

圖10 研究區(qū)玉爾吐斯組總有機(jī)碳含量與Mo含量關(guān)系圖[39-49]

通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的Mo/TOC值分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)玉爾吐斯組整體表現(xiàn)為Mo富集和TOC較低的特征（見(jiàn)圖10），Mo與TOC呈現(xiàn)出較好的正相關(guān)關(guān)系，表明其形成于缺氧環(huán)境[49]，其比值反映沉積環(huán)境介于Sanich海灣與黑海之間，僅有少數(shù)樣品點(diǎn)表現(xiàn)出極度局限的特征，因而研究區(qū)黑色頁(yè)巖作為缺氧、輕度—中等受限的淺水沉積物，可能暗示其形成于一個(gè)存在少量海水交換的半局限海灣澙湖環(huán)境。研究表明，當(dāng)陸上有氧風(fēng)化強(qiáng)烈，而海洋硫化水體范圍小的時(shí)候，則海水中的Mo濃度會(huì)相對(duì)較高[50]，這一定程度表明富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁(yè)巖可能形成于硫化界面之上。另外，對(duì)現(xiàn)代環(huán)境的研究也表明，氧化還原敏感微量元素的富集不需要水體缺氧；相反，如果氧化還原邊界靠近沉積物-水界面，則可能發(fā)生在底水中存在氧氣的情況[51]；同時(shí)，只要生產(chǎn)力高，在含氧的水底也能形成烴源巖[52]。研究區(qū)烴源巖具備有機(jī)質(zhì)含量高、演化程度高的特征[53]，因而不排除研究區(qū)玉爾吐斯組部分富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖可能形成于含氧水體中。

海水中的Mo、U元素主要來(lái)自陸上風(fēng)化[49]，而沉積物Mo、U富集的關(guān)鍵是海水缺氧和存在溶解硫化物[54-55]。研究區(qū)下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組黑色泥頁(yè)巖表現(xiàn)出多種自生 Mo-U共變模式，其共同點(diǎn)是所有模式都顯示出了Moauth（Mo元素自生量）和Uauth（U元素自生量）的正協(xié)變特征（見(jiàn)圖11）。其中，肖爾布拉克西溝剖面的樣品顯示出Uauth最大EFS（富集因子）值為50，Moauth最大EFS值為50；假設(shè)現(xiàn)今海水的Mo/U值為e，肖爾布拉克西溝剖面樣品的Mo/U值為0.1e～0.3e，指示其可能形成于氧化—次氧化環(huán)境。蘇蓋特剖面的樣品顯示出 Uauth最大EFS值為 60，Moauth最大EFS值為550，Mo/U值為0.3e～1.0e，指示其可能形成于缺氧環(huán)境。肖爾布拉克東溝剖面樣品的Moauth與Uauth擁有極大的富集系數(shù)，其中，Moauth最大EFS值為1 020，Uauth最大EFS值為850，Mo/U值主要為0.3e～1.0e，兩個(gè)奇異點(diǎn)值為0.2e和1.5e。尤爾美娜克剖面的樣品顯示出Uauth最大EFS值為110，Moauth最大EFS值為60，Mo/U值為 0.3e～1.0e，但仍有少數(shù)點(diǎn) Mo/U值大于1.0e，指示其可能形成于氧化—次氧化環(huán)境，但有時(shí)處于缺氧環(huán)境。綜上，研究區(qū)玉爾吐斯組的 Mo-U協(xié)變模式暫無(wú)對(duì)應(yīng)的現(xiàn)代海洋模式，但其大致表現(xiàn)出與正常海水協(xié)變趨勢(shì)平行的趨勢(shì)，波動(dòng)較大，從0.1e至3.0e均有分布，表示其可能因沉積時(shí)水體較淺并遭受海平面波動(dòng)導(dǎo)致底水氧化還原變異性較大，但整體仍屬于缺氧—次氧化環(huán)境。

圖11 柯坪露頭區(qū)玉爾吐斯組Mo-U協(xié)變關(guān)系圖[56-59]

3.2 淺水超覆沉積模式

圖12 玉爾吐斯組淺水超覆沉積模式

基于上述研究，建立了如圖12所示的塔里木盆地西北部玉爾吐斯組富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物淺水超覆模型。富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物主要賦存于滿加爾凹陷和研究區(qū)臺(tái)內(nèi)局限淺水處，盆地填充物最厚的部分在滿加爾凹陷，主要由薄層放射蟲(chóng)硅質(zhì)巖、硅質(zhì)泥巖和含筆石頁(yè)巖組成；研究區(qū)沉積則繼承了奇格布拉克組沉積期的巖溶古地貌，其所具備的局限低洼環(huán)境常因與外海水交換不暢而時(shí)常缺氧，因而為烴源巖的生成提供了適宜的缺氧還原環(huán)境；伴隨著下部噴涌的海底熱液流通系統(tǒng)、半局限環(huán)境所存在少量的海水交換及富氧海水的混入，為富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物的形成提供了充足的物源供給[60]，繼而在浪基面以下的次氧化—缺氧水體中沉積了該套廣泛分布的淺水富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物。結(jié)合沉積物組分和結(jié)構(gòu)變化所指示的物理界線，表明富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物形成于浪基面附近及以下的淺水環(huán)境。自滿加爾凹陷至研究區(qū)，富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物呈現(xiàn)出填充厚度逐漸減薄并向淺水區(qū)超覆趨勢(shì)（見(jiàn)圖 12a—圖 12c）。整個(gè)超覆過(guò)程可以概括為：研究區(qū)淺水沉積特征是受古地形條件的限制，于地貌低洼處沉積富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物；隨著相對(duì)海平面上升，呈現(xiàn)出漸次超覆奇格布拉克組巖溶地貌高地的特征；張裂構(gòu)造活動(dòng)所造成的相對(duì)海平面下降使得古地貌高地上所發(fā)育的灘壩沉積遭受早成巖期巖溶作用的改造，而后又被下一階段的海侵沉積所超覆（見(jiàn)圖12c、圖12d）；第3旋回則在第2旋回末期海退所形成的暴露沉積上發(fā)育大套的碳酸鹽巖沉積，不再發(fā)育泥頁(yè)巖沉積（見(jiàn)圖12e、圖12f）。研究顯示，在滿加爾凹陷盆地相和塔西北淺水區(qū)均存在優(yōu)質(zhì)烴源巖，但研究區(qū)所形成的烴源巖較滿加爾凹陷烴源巖有更高的Ro值和有機(jī)碳含量[60]，因而可以認(rèn)為早期淺水區(qū)的暴露作用并未影響到烴源巖的形成與保存，相反，研究區(qū)相較滿加爾凹陷可能具備更好的古生產(chǎn)力和保存條件。同時(shí)，在臺(tái)地區(qū)，局部次級(jí)凹陷可能烴源巖厚度規(guī)模較大，這一認(rèn)識(shí)可推廣至具有相似沉積背景的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖中的烴源巖甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測(cè)，通過(guò)沉積期微地貌恢復(fù)可以預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣和儲(chǔ)集層甜點(diǎn)的分布。

4 結(jié)論

研究區(qū)玉爾吐斯組的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要以兩種組合形式產(chǎn)出，第 1種呈與硅質(zhì)巖薄層韻律產(chǎn)出，縱向上相變?yōu)榛旆e顆粒灘沉積，二者共同組成向上變淺序列，并于混積顆粒灘頂部發(fā)育浪成交錯(cuò)層理和早成巖期巖溶組構(gòu)；第 2種呈與碳酸鹽巖薄層韻律產(chǎn)出，泥頁(yè)巖厚度向上逐漸變薄，而碳酸鹽巖層層厚增加，一些灰?guī)r薄層宏觀上具逆粒序特征。

結(jié)合本文所提供的的巖石學(xué)證據(jù)，表明研究區(qū)玉爾吐斯組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖沉積時(shí)總體處于浪基面附近及以下的淺水環(huán)境。氧化還原敏感元素表明其形成于缺氧—次氧化的受限海灣澙湖環(huán)境，進(jìn)一步分析表明其形成受高的古生產(chǎn)力和氧交換不暢共同控制。

在地震及露頭尺度中均可識(shí)別出富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物逐層超覆構(gòu)造高地（不整合面）特征，并由此建立了富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物淺水超覆充填模式。其充填模式表明，玉爾吐斯組地勢(shì)變化相對(duì)平坦，富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物往往分布于淺水、地貌低洼處，并呈現(xiàn)出自滿加爾凹陷向淺水區(qū)逐層上超的橫向展布。