鄂西咸豐地區(qū)五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

王 登，周 豹，冷雙梁，溫雅茹，劉 海，張小波，余江浩，陳 威

（1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，武漢 430034；2.湖北省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，武漢 430022；3.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司蘇里格氣田分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300）

0 引言

硅質(zhì)巖是指由化學(xué)作用、生物和生物化學(xué)作用以及某些火山作用所形成的富含二氧化硅（SiO2）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般大于70%）的沉積巖，包括盆地內(nèi)經(jīng)機(jī)械破碎再沉積的硅質(zhì)巖，具有結(jié)構(gòu)致密、抗風(fēng)化能力強(qiáng)等特征，可以較好地保存其沉積時(shí)期的古地理、古環(huán)境以及古氣候等信息［1-2］。目前，有關(guān)硅質(zhì)成因及沉積環(huán)境的研究手段主要是通過野外觀察，然后轉(zhuǎn)向室內(nèi)巖相學(xué)特征研究，如硅質(zhì)巖的礦物組分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、古生物鑒別、陰極發(fā)光等，一般是通過無機(jī)地球化學(xué)分析進(jìn)行研究，如主、微量稀土元素、同位素特征等［3-4］。有關(guān)四川盆地五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)巖的研究，目前已經(jīng)取得了一些成果，總體上其硅質(zhì)來源較多且在不同地區(qū)存在差異。黃志誠等［5］對(duì)句容縣五峰組硅質(zhì)巖進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其富含大量硅質(zhì)生物和多達(dá)97 層的火山碎屑巖，認(rèn)為這是深海環(huán)境中的火山-生物作用形成。高長林等［6］通過對(duì)北大巴山硅質(zhì)巖的研究，認(rèn)為其硅質(zhì)巖成因與火山活動(dòng)有關(guān)，形成于深海環(huán)境。劉偉等［7］通過對(duì)四川雷波地區(qū)五峰組硅質(zhì)巖的研究，認(rèn)為其為正常生物化學(xué)沉積，沉積環(huán)境遠(yuǎn)離陸源碎屑和淡水。王淑芳等［8］通過對(duì)四川盆地蜀南五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)巖的研究，認(rèn)為其硅質(zhì)為生物來源，陸源碎屑貢獻(xiàn)較少。近年來，鄂西地區(qū)是繼四川盆地焦石壩、威遠(yuǎn)等地外，南方海相頁巖氣勘探的又一熱點(diǎn)領(lǐng)域，在來地1 井、咸頁1 井等相繼鉆遇良好頁巖氣顯示，表明該區(qū)具有良好的勘探前景。目前，尚未對(duì)鄂西地區(qū)五峰組和龍馬溪組黑色巖系的硅質(zhì)來源及成因進(jìn)行深入研究，因此明確其硅質(zhì)來源對(duì)于深化黑色巖系的形成環(huán)境認(rèn)識(shí)和促進(jìn)鄂西地區(qū)頁巖氣勘探具有重要意義。

在對(duì)鄂西咸豐地區(qū)沙嶺剖面詳細(xì)觀察和描述基礎(chǔ)上，對(duì)五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)巖進(jìn)行系統(tǒng)采樣，結(jié)合系統(tǒng)的巖石學(xué)和地球化學(xué)分析測(cè)試，查明其礦物組成和元素地球化學(xué)特征，并與不同地區(qū)硅質(zhì)巖進(jìn)行對(duì)比與分析，進(jìn)而揭示其成因及沉積環(huán)境，探討其對(duì)頁巖氣儲(chǔ)集的地質(zhì)意義，以期為鄂西地區(qū)五峰組和龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

沙嶺剖面在行政上位于恩施州咸豐縣活龍坪鄉(xiāng)西南部，構(gòu)造上位于湘鄂西褶沖帶之中央復(fù)背斜帶，東與花果坪復(fù)向斜毗鄰，西接利川復(fù)向斜，是中揚(yáng)子板塊的一部分［9-10］［圖1（a）］，主要發(fā)育震旦系至下三疊統(tǒng)海相沉積，厚度為4 000～5 000 m，除泥盆系和石炭系發(fā)育不全外，其余層系均發(fā)育良好。其中，奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組是我國南方海相頁巖氣的主要產(chǎn)層［11-13］。自晚古生代以來，受加里東、印支等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造［9-10］，研究區(qū)變形強(qiáng)烈，構(gòu)造線總體呈北北東—北東的弧形分布，具有向斜寬緩和背斜高陡的特征。在晚奧陶世五峰組沉積期，中上揚(yáng)子地區(qū)盆地格局發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，川西—滇中、漢南等邊緣古隆起已形成，特別是雪峰隆起、川中隆起和黔中隆起均出露海平面之上，使早中奧陶世時(shí)期具有廣海特征的海域轉(zhuǎn)變?yōu)楸宦∑鹚鶉薜木窒逌\海域，形成大面積低能、欠補(bǔ)償、缺氧的沉積環(huán)境，此時(shí)五峰組沉積了一套穩(wěn)定的黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖，厚度為5～12 m。五峰組頂部觀音橋段沉積時(shí)，受岡瓦納古陸冰期開始的影響，海平面下降，水體相對(duì)較淺，發(fā)育一套生物碎屑泥質(zhì)灰?guī)r［14］。隨后，海平面迅速上升，進(jìn)入早志留世龍馬溪組沉積早期，此時(shí)研究區(qū)繼承了五峰組沉積期的古地理背景，同樣處于深水陸棚的沉積環(huán)境中，發(fā)育一套黑色炭質(zhì)頁巖和硅質(zhì)巖組合，厚度為30～50 m。研究區(qū)主要出露奧陶紀(jì)至二疊紀(jì)地層，出露良好且連續(xù)，由老到新為寶塔組、五峰組和龍馬溪組［圖1（b）］。其中五峰組主要為富筆石黑色硅質(zhì)巖，厚度為9.90 m，放射蟲大量發(fā)育，有4 層灰黃色斑脫巖夾層，見大量順層和團(tuán)塊狀分布的黃鐵礦，其頂部發(fā)育一層厚約0.33 m 的灰?guī)r，含赫南特貝等化石，整合于寶塔組瘤狀灰?guī)r之上。龍馬溪組主要由富筆石黑色硅質(zhì)巖和頁巖組成，厚度大于30 m，其中硅質(zhì)巖厚度約為12.2 m。

圖1 咸豐地區(qū)沙嶺剖面構(gòu)造位置（a）及硅質(zhì)巖地化參數(shù)變化曲線（b）Fig.1 Structural location of Shaling profile in Xianfeng area（a）and curves of geochemical parameters of siliceous rocks（b）

2 樣品采集與測(cè)試

本次研究的樣品均采自咸豐地區(qū)沙嶺剖面，基本覆蓋了五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖段，均為巖性均勻的新鮮巖石。采樣中盡量避開了泥頁巖和斑脫巖夾層，同時(shí)去除了節(jié)理裂隙中的石英脈，并對(duì)所采樣品進(jìn)行了清洗，以避免泥土的污染。將這些硅質(zhì)巖樣品磨制成巖石薄片，共17 件，其中五峰組硅質(zhì)巖9 件（編號(hào)：XF-01—XF-09），龍馬溪組硅質(zhì)巖8 件（編號(hào)：XF-10—XF-17）。在偏光顯微鏡下觀察其礦物組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行主量、微量元素及掃描電鏡分析。

樣品的主、微量元素分析測(cè)試均在國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成。其中，主量元素采用X 射線熒光光譜儀（XRF-1800）測(cè)定，分析精度優(yōu)于3%；微量元素分析采用ELAN6000 ICP-MS完成，分析精度優(yōu)于5%。樣品處理如下：①稱取粉碎至大約74 μm 的巖石粉末50 mg 于Teflon 溶樣器中；②采用Teflon 溶樣彈將樣品用1.5 mL HF+1.5 mL HNO3在195℃條件下消解48 h；③將在120 ℃條件下蒸干除Si 后的樣品用2%HNO3稀釋2 000 倍，定容于干凈的聚酯瓶。

3 硅質(zhì)巖特征

3.1 硅質(zhì)巖巖石學(xué)特征

硅質(zhì)巖的巖石學(xué)特征是進(jìn)行硅質(zhì)巖地球化學(xué)研究的基礎(chǔ)［4，15-16］。通過野外露頭及薄片鏡下觀察，結(jié)合咸豐地區(qū)沙嶺剖面五峰組—龍馬溪組頁巖礦物組成、沉積構(gòu)造和生物組成的特征，共識(shí)別出2種巖相類型：玉髓質(zhì)放射蟲巖和粉砂質(zhì)硅質(zhì)巖。

3.1.1 玉髓質(zhì)放射蟲巖

沙嶺剖面上，玉髓質(zhì)放射蟲巖為灰黑色—黑色［圖2（a）］，呈穩(wěn)定層狀產(chǎn)出，層厚多為7～12 cm，為塊狀層理。顯微鏡下顯示巖石主要由生屑組成，體積分?jǐn)?shù)為75%～78%，含粉砂質(zhì)碎屑物［圖2（b）—（c）］和膠結(jié)物，體積分?jǐn)?shù)分別為2%～3%和20%～22%，為生屑結(jié)構(gòu)。生屑為放射蟲，主要呈圓狀、橢圓狀外形，大小一般為0.03～0.30 mm，雜亂分布，主要由隱晶狀、纖維狀玉髓組成，含少量微粒狀石英。粉砂質(zhì)碎屑物主要為石英，次棱角狀、次圓狀外形，粒徑一般為0.004～0.040 mm，零散分布。膠結(jié)物由硅質(zhì)及少量黏土礦物、鐵炭質(zhì)組成，其中，硅質(zhì)由隱晶狀、纖維狀玉髓及少量微粒狀石英組成，不均勻分布于放射蟲介殼間，與顯微鱗片狀、隱晶狀黏土礦物及塵點(diǎn)狀、粉末狀鐵炭質(zhì)混雜分布。

3.1.2 粉砂質(zhì)硅質(zhì)巖

沙嶺剖面上，粉砂質(zhì)硅質(zhì)巖為灰黑色—黑色［圖2（d）］，呈穩(wěn)定層狀產(chǎn)出，層厚多為6～12 cm，以塊狀層理為主，有時(shí)見水平層理。顯微鏡下顯示巖石主要由硅質(zhì)組成，體積分?jǐn)?shù)為56%～60%，含粉砂質(zhì)碎屑物［圖2（e）—（f）］、黏土礦物和鐵炭質(zhì)，體積分?jǐn)?shù)分別為20%～28%，4%～7%和5%～7%，以及少量的放射蟲，為含粉砂質(zhì)隱晶狀結(jié)構(gòu)。硅質(zhì)由隱晶狀、纖維狀玉髓組成，粒徑一般小于0.01 mm，與黏土礦物、鐵炭質(zhì)混雜分布。粉砂質(zhì)碎屑物主要為石英，次棱角狀、次圓狀外形，粒徑一般為0.004～0.050 mm，雜亂分布。黏土礦物呈隱晶狀、顯微鱗片狀，部分重結(jié)晶，粒徑一般小于0.01 mm，與硅質(zhì)、鐵質(zhì)混雜分布。鐵炭質(zhì)呈塵點(diǎn)狀、粉末狀，與硅質(zhì)、黏土礦物混雜分布，偶見放射蟲，呈圓狀、橢圓狀外形，大小一般約為0.03 mm，由隱—微晶玉髓及少量微粒狀石英組成。

圖2 咸豐地區(qū)沙嶺剖面五峰組—龍馬溪組典型硅質(zhì)巖特征（a）五峰組硅質(zhì)巖野外露頭特征；（b）玉髓質(zhì)放射蟲巖，五峰組，樣號(hào)XF-05，正交偏光；（c）玉髓質(zhì)放射蟲巖，龍馬溪組，樣號(hào)XF-11，正交偏光；（d）龍馬溪組硅質(zhì)巖野外露頭特征；（e）含放射蟲粉砂質(zhì)硅質(zhì)巖，見大量石英碎屑顆粒，五峰組，樣號(hào)XF-03，單偏光；（f）含放射蟲粉砂質(zhì)硅質(zhì)巖，龍馬溪組，樣號(hào)XF-16，單偏光Fig.2 Typical micoro photos of siliceous rocks of Wufeng-Longmaxi Formation of Shaling profile in Xianfeng area

3.2 硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征

3.2.1 主量元素特征

咸豐地區(qū)沙嶺剖面五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)巖具有SiO2含量高的特征，其中五峰組（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73.96%～90.20%，平均為83.58%）高于龍馬溪組（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70.70%～80.70%，平均為76.47%），五峰組和龍馬溪組Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.22%～8.68%和6.36%～12.38%，平均值分別為6.15%和8.93%；K2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.86%～2.52% 和1.76%～3.51%，平均值分別為1.78% 和2.51%；Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.58%～2.73%和1.35%～2.67%，平均值分別為1.38% 和2.02%；Na2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.21%～0.74% 和0.56%～1.20%，平均值分別為0.38%和0.82%。其他次要成分MgO，MnO，TiO2，CaO，P2O5等的質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍小于1%（表1）。

3.2.2 稀土元素特征

咸豐地區(qū)沙嶺剖面五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)巖稀土元素總量（ΣREE）變化較大，五峰組和龍馬溪組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為（74.06～210.43）×10-6和（141.44～221.55）×10-6，平均值分別為122.43×10-6和173.84×10-6，龍馬溪組硅質(zhì)巖ΣREE 略高于五峰組。五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖輕稀土元素（LREE）質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為（63.28～187.12）×10-6和（123.61～200.37）×10-6，平均值分別為109.40×10-6和155.54×10-6；重稀土元素（HREE）質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為（7.91～23.31）×10-6和（11.56～21.18）×10-6，平均值分別為13.03×10-6和17.46×10-6；w（LREE）/w（HREE）分別為5.87～11.62和6.93～10.23，平均值分別為8.50 和8.49，由此表明沙嶺剖面五峰組—龍馬溪組為輕稀土元素富集（表2）。

在PAAS 標(biāo)準(zhǔn)分配模式上，咸豐地區(qū)沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組稀土元素分配曲線呈近似于平坦，個(gè)別樣品分配曲線呈右傾（圖3），樣品具有微弱的Ce 負(fù)異常和Eu 負(fù)異常。五峰組和龍馬溪組的δCe分別為0.83～0.96 和0.89～0.96，平均值分別為0.89 和0.93；δEu 分別為0.79～0.96 和0.85～0.95，平均值分別為0.89 和0.88。

圖3 咸豐地區(qū)沙嶺剖面五峰組（a）和龍馬溪組（b）硅質(zhì)巖PAAS 標(biāo)準(zhǔn)化的REE 分配圖解Fig.3 REE distribution for PAAS standardization of siliceous rocks of Wufeng Formation（a）and Longmaxi Formation（b）of Shaling profile in Xianfeng area

4 硅質(zhì)巖成因及形成環(huán)境

4.1 硅質(zhì)巖成因

4.1.1 巖相學(xué)證據(jù)

咸豐地區(qū)沙嶺剖面五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)巖呈灰黑—黑色，薄層狀分布，層厚多為6～12 cm，局部可見水平層理，夾少量灰黑色薄層泥頁巖及灰黃色斑脫巖。光學(xué)顯微鏡下，玉髓質(zhì)放射蟲巖和粉砂質(zhì)硅質(zhì)巖分別顯示為生屑結(jié)構(gòu)、含粉砂質(zhì)隱晶狀結(jié)構(gòu)，硅質(zhì)礦物主要為玉髓，含少量微粒狀石英及含量不等的粉砂級(jí)石英碎屑，可見大量黑色有機(jī)質(zhì)分布及殘余硅質(zhì)生物碎屑，主要為放射蟲（圖2）。這表明研究區(qū)硅質(zhì)巖為沉積成因，且硅質(zhì)巖中含有生物成因的石英，這2 種硅質(zhì)巖均受到陸源硅的輸入影響，且后者大于前者。

4.1.2 主量元素證據(jù)

Al，F(xiàn)e 和Mn 元素是區(qū)分硅質(zhì)巖熱液成因與生物成因的有效地球化學(xué)指標(biāo)［17-18］。硅質(zhì)巖中有熱液影響通常伴隨著Fe 和Mn 的富集，而陸源的輸入會(huì)引起Al 和Ti 的富集，Al/（Al+Fe+Mn）值可以作為衡量沉積物中熱水沉積物含量的標(biāo)志［18-20］。Adachi等［19］和Yamamoto［20］指出，純熱水和純生物沉積的w（Al）/w（Al+Fe+Mn）值分別為0.01 和0.60，并擬定了熱水沉積與非熱水沉積的Al-Fe-Mn三角圖。

咸豐地區(qū)沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖的w（Al）/w（Al+Fe+Mn）值分別為0.64～0.87 和0.71～0.87，平均值分別為0.77 和0.76（表1），與海相生物硅質(zhì)巖的值相近，但均高于純硅質(zhì)巖，表明其除了受到生物硅質(zhì)影響外，還可能受到其他來源影響。在Al-Fe-Mn 三角圖中，17 個(gè)樣品均位于非熱液成因區(qū)，即研究區(qū)五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖均為非熱液成因（圖4），明顯不同于貴州桑木場［21］、貴州桑樹灣［15］和安徽青坑［16］熱液成因硅質(zhì)巖的特征。此外，Al2O3/TiO2-Al/（Al+Fe+Mn）圖用于區(qū)分熱水沉積和非熱水沉積［22］。如圖5 所示，沙嶺剖面全部樣品位于非熱水沉積區(qū)。

圖4 咸豐地區(qū)沙嶺剖面五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)巖Al-Fe-Mn 圖解［19］Fig.4 Al-Fe-Mn diagram of siliceous rocks of Wufeng-Longmaxi Formation of Shaling profile in Xianfeng area

圖5 咸豐地區(qū)沙嶺剖面五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)巖Al2O3/TiO2-Al/（Al+Fe+Mn）圖解［22］Fig.5 Al2O3/TiO2-Al/（Al+Fe+Mn）diagram of siliceous rocks of Wufeng-Longmaxi Formation of Shaling profile in Xianfeng area

海相沉積物中Fe/Ti 值和（Fe+Mn）/Ti 值可以用來判斷熱水沉積和正常海水沉積，當(dāng)上述質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值分別大于20 和25 時(shí)，一般認(rèn)為屬于熱水來源的沉積物［23］。沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖的w（Fe）/w（Ti）值分別為1.91～7.73 和1.73～4.95，平均值分別為4.17 和3.85；w（Fe+Mn）/w（Ti）值分別為1.93～7.79 和1.73～4.95，平均值分別為4.20 和3.86（參見表1）。兩者均遠(yuǎn)小于其標(biāo)準(zhǔn)值，這與貴州桑木場［21］、貴州桑樹灣［15］和安徽青坑［16］熱液成因硅質(zhì)巖特征不同，顯示為正常海水沉積。

Mn 是一種容易遷移的元素，其受成巖作用的影響很大［18］，而樣品中Mn 元素含量較低。針對(duì)該現(xiàn)象，可以用Fe/Ti-Al/（Al+Fe）圖解來判斷硅質(zhì)巖成因［24］。當(dāng)w（Al）/w（Al+Fe）＞0.5，且w（Fe）/w（Ti）＜30 時(shí)，為非熱液成因；而當(dāng)w（Al）/w（Al+Fe）＜0.35，且w（Fe）/w（Ti）＞30 時(shí)，為熱液成因。如圖6 所示，沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖w（Al）/w（Al+Fe）值分別為0.64～0.87 和0.71～0.87，平均值分別為0.77 和0.76，明顯不同于貴州桑木場［21］、貴州桑樹灣［15］和安徽青坑［16］熱液成因硅質(zhì)巖的特征，17 個(gè)樣品均落在非熱液成因區(qū)。

圖6 咸豐地區(qū)沙嶺剖面硅質(zhì)巖Fe/Ti-Al/（Al+Fe）圖解［18］Fig.6 Fe/Ti-Al/（Al+Fe）diagram of siliceous rocks of Wufeng-Longmaxi Formation of Shaling profile in Xianfeng area

4.1.3 稀土元素證據(jù)

硅質(zhì)巖Eu 異常是判別硅質(zhì)巖成因的重要指標(biāo)［25-28］。熱液成因的硅質(zhì)巖通常具有明顯的Eu 正異常［28-30］，正常海水沉積和生物成因的硅質(zhì)巖不顯示明顯的Eu 正異常。沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖w（Eu）/w（Eu*）值分別為0.79～0.96 和0.85～0.95，平均值分別為0.89 和0.88（參見表2），兩者均不具有明顯的正Eu 異常，不同于貴州桑樹灣熱液成因硅質(zhì)巖［w（Eu）/w（Eu*）平均值為1.30］［15］和安徽青坑熱水成因的硅質(zhì)巖［w（Eu）/w（Eu*）平均值為1.63］［16］，排除其形成過程中主要受熱水作用影響的可能。

典型的海相熱液沉積物的ΣREE 低，重稀土元素（HREE）富集，且具有明顯的Ce 負(fù)異常［31］。Fleet等［31］在系統(tǒng)研究全球非熱液成因和熱液成因沉積物中的稀土元素之后指出，非熱水沉積中的ΣREE高，但HREE 不富集，而熱水沉積中的ΣREE 低。沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖均具微弱的Ce 負(fù)異常和HREE 不富集的特征，且w（ΣREE）普遍較高，分別為（74.06～210.43）×10-6和（141.44～221.55）×10-6（表2），平均值分別為122.43×10-6和173.84×10-6，明顯區(qū)別于貴州桑樹灣茅口組［w（ΣREE）平均值為6.3×10-6］［15］、安徽青坑黃柏嶺組［w（ΣREE）平均值為11.27×10-6］［16］典型熱液成因硅質(zhì)巖的REE特征。

稀土元素可作為沉積物沉積過程的示蹤劑［32-34］。Murray 等［32］研究表明，陸源碎屑的稀土元素含量明顯高于海水的稀土元素含量。因此，在形成過程中受陸源碎屑影響的硅質(zhì)巖，其稀土元素含量較高。沙嶺剖面ΣREE 曲線垂向變化幅度較大，上部龍馬溪組硅質(zhì)巖ΣREE 明顯高于下部五峰組，且具有粉砂質(zhì)硅質(zhì)巖ΣREE 明顯高于玉髓質(zhì)放射蟲巖的特征［參見圖1（b）］。由此表明，五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖在形成過程中可能受到了陸源碎屑的影響，且龍馬溪組硅質(zhì)巖受到陸源碎屑的影響更大。

綜上所述，根據(jù)硅質(zhì)巖巖石鏡下特征、樣品的Fe/Ti，（Fe+Mn）/Ti，Al/（Al+Fe+Mn），δEu，Al-Fe-Mn 圖解，Al2O3/TiO2-Al/（Al+Fe+Mn）圖解和Fe/Ti-Al/（Al+Fe）圖解，咸豐地區(qū)五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖為正常海水沉積成因，伴有陸源硅輸入，以生物沉積作用為主，且與典型熱液成因的硅質(zhì)巖特征差異明顯［15-16，21］。此外，揚(yáng)子地臺(tái)五峰組—龍馬溪組廣泛發(fā)育斑脫巖，且在不同地區(qū)的厚度和規(guī)模存在差異［5-8，14］。研究區(qū)發(fā)育少量斑脫巖，其厚度為1.10～1.50 cm，主要由伊利石、蒙脫石和伊/蒙混層物組成，含少量長石、石英等［14］，顯示他們是遠(yuǎn)源沉積產(chǎn)物?；鹕骄嘌芯繀^(qū)較遠(yuǎn)，也不能說明研究區(qū)存在熱源，但這些火山沉積物富含SiO2，可為硅質(zhì)巖的沉積提供物質(zhì)來源；同時(shí)，SiO2在海水中大量富集也為硅質(zhì)生物繁盛創(chuàng)造了有利條件，這些生物死亡后，通過生物作用形成硅質(zhì)巖。

4.2 硅質(zhì)巖形成環(huán)境

已有研究表明，硅質(zhì)巖的Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）值可用來判定其沉積環(huán)境［18，32］。當(dāng)w（Al2O3）/w（Al2O3+Fe2O3）＜0.4 時(shí)，指示硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境為洋中脊；當(dāng)0.4 ＜w（Al2O3）/w（Al2O3+Fe2O3）＜0.7 時(shí)，指示其沉積環(huán)境為大洋盆地；w（Al2O3）/w（Al2O3+Fe2O3）＞0.5 時(shí)為大陸邊緣［18］。沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖的w（Al2O3）/w（Al2O3+Fe2O3）值分別為0.70～0.90 和0.76～0.90，平均值均為0.81；兩者均與沉積于大陸邊緣硅質(zhì)巖特征相似（參見表1）。沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖均分布在大陸邊緣區(qū)域內(nèi)，遠(yuǎn)離大洋中脊，表現(xiàn)出顯著的大陸邊緣沉積特征［圖7（a）］。

Murray［18］指出，當(dāng)w（LaN）/w（CeN）值為0.5～1.5時(shí)，則硅質(zhì)巖沉積于大陸邊緣環(huán)境；當(dāng)w（LaN）/w（CeN）值為1.0～2.5，硅質(zhì)巖沉積于大洋盆地內(nèi)；當(dāng)w（LaN）/w（CeN）值大于3.5 時(shí)，則為洋中脊環(huán)境。沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖w（LaN）/w（CeN）值分別為1.07～1.19 和1.01～1.09，平均值分別為1.15 和1.06，與沉積于大陸邊緣硅質(zhì)巖特征相似（參見表2）。在Murray［18］建立的LaN/CeN-Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）判別圖中，沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組樣品均分布在大陸邊緣區(qū)域內(nèi)，遠(yuǎn)離大洋中脊，表現(xiàn)出大陸邊緣沉積特征［圖7（b）］。

圖7 咸豐地區(qū)沙嶺剖面硅質(zhì)巖Fe2O3/TiO2-Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）（a）和LaN/CeN-Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）（b）圖解［18］Fig.7 Fe2O3/TiO2-Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）（a）and LaN/CeN-Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）（b）diagram of siliceous rocks of Wufeng-Longmaxi Formation of Shaling profile in Xianfeng area

MnO/TiO2值亦可作為判斷硅質(zhì)巖沉積環(huán)境的參數(shù)之一［33］。當(dāng)硅質(zhì)巖的w（MnO）/w（TiO2）＜0.5 時(shí)，硅質(zhì)巖沉積于大陸邊緣區(qū)域；當(dāng)w（MnO）/w（TiO2）為0.5～3.5 時(shí)，硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境為開闊大洋。沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖的w（MnO）/w（TiO2）值分別為0.02～0.07 和0.01～0.03，平均值分別為0.04 和0.02（參見表1），兩者均遠(yuǎn)小于0.5，表明沙嶺剖面硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境為大陸邊緣。

Murray 等［34］研究表明，沉積于大陸邊緣的硅質(zhì)巖LaN/YbN值較高，為1.1～1.4；產(chǎn)出于深海盆地的硅質(zhì)巖w（LaN）/w（YbN）值為0.3～1.1；沉積于洋中脊的硅質(zhì)巖w（LaN）/w（YbN）值小于0.3。沙嶺剖面五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖w（LaN）/w（YbN）值分別為0.83～1.22 和0.89～1.55，平均值分別為0.99 和1.15，在沉積于大陸邊緣和深海盆地的硅質(zhì)巖的LaN/YbN值范圍內(nèi)。

根據(jù)上述沙嶺剖面硅質(zhì)巖主量和稀土元素特征、相關(guān)地化參數(shù)及圖解，并結(jié)合野外特征和鏡下特征等，可以判斷研究區(qū)硅質(zhì)巖為未受熱水作用影響、具有正常海水沉積的硅質(zhì)巖，這與前人通過巖性、沉積構(gòu)造、古生物等特征分析的沉積環(huán)境一致［9-10，14］，為大陸邊緣的半局限深水陸棚。

5 頁巖氣儲(chǔ)集意義

海相頁巖中硅質(zhì)礦物的發(fā)育對(duì)有機(jī)質(zhì)富集具有重要影響，通常情況下硅質(zhì)礦物特別是生物硅含量與總有機(jī)碳含量具有明顯的正相關(guān)性［8，35-38］。蔡全升等［39］通過對(duì)鄂西宜昌地區(qū)硅質(zhì)巖的分析發(fā)現(xiàn)，硅質(zhì)礦物與TOC 含量峰值之間具有正態(tài)分布曲線關(guān)系的特征：當(dāng)生物硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0 增加至100%時(shí)，樣品的TOC 含量先增大再減小，當(dāng)生物硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為40%時(shí)，TOC 含量最高，兩者為明顯的正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)生物硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)由40%繼續(xù)增大時(shí)，TOC 含量有明顯降低的趨勢(shì)。通過分析鄂西咸豐地區(qū)沙嶺垂向地化剖面［參見圖1（b）］發(fā)現(xiàn)，TOC含量與SiO2含量、生物硅（Sibio）含量之間具有明顯的相關(guān)關(guān)系，整體上呈正相關(guān)關(guān)系，局部呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即部分樣品SiO2含量和生物硅含量高，但TOC 含量并不高，這表明生物硅含量和TOC 含量之間并不是簡單的線性關(guān)系，隨著生物硅含量的增加，TOC 含量先增大再減小，硅質(zhì)礦物含量越高并不一定預(yù)示著有機(jī)質(zhì)越富集，這一特征與蔡全升對(duì)鄂西宜昌地區(qū)硅質(zhì)巖的認(rèn)識(shí)相符［39］。

硅質(zhì)礦物對(duì)頁巖儲(chǔ)集空間的保存和發(fā)育具有重要意義［36-39］。硅質(zhì)礦物作為硅質(zhì)巖中主要的造巖礦物，具有很強(qiáng)的抗壓實(shí)能力，對(duì)儲(chǔ)集空間能夠起到較好的保護(hù)作用［39-40］。鏡下觀察顯示，一些硅質(zhì)放射蟲體腔內(nèi)充填了黑色有機(jī)質(zhì)（參見圖2），這些有機(jī)質(zhì)內(nèi)部也發(fā)育有大量的納米級(jí)孔隙，多呈氣泡狀和斑點(diǎn)狀分布，孔徑一般為300～350 nm，最大可達(dá)3.0 μm［圖8（a）—（b）］；還有一些放射蟲體腔內(nèi)被玉髓充填（參見圖2），這些玉髓內(nèi)部可見孔徑不一的粒內(nèi)孔，孔徑一般為150～200 nm，最大可達(dá)6.0 μm［圖8（c）—（d）］。這些都能顯著地提高硅質(zhì)巖的儲(chǔ)集空間，進(jìn)而改善硅質(zhì)巖儲(chǔ)存頁巖氣的能力。

圖8 咸豐地區(qū)沙嶺剖面硅質(zhì)巖掃描電鏡下孔隙特征（a）有機(jī)質(zhì)孔，五峰組，樣號(hào)XF-05；（b）有機(jī)質(zhì)孔，龍馬溪組，樣號(hào)XF-14；（c）玉髓粒內(nèi)孔，五峰組，樣號(hào)XF-03；（d）玉髓粒內(nèi)孔，龍馬溪組，樣號(hào)XF-11Fig.8 Pore characteristics of siliceous rocks of Shaling profile in Xianfeng area under scanning electron microscope

6 結(jié)論

（1）鄂西咸豐地區(qū)五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖可識(shí)別出2 種巖相類型，玉髓質(zhì)放射蟲巖和粉砂質(zhì)硅質(zhì)巖。這2 種硅質(zhì)巖均可見粉砂級(jí)石英碎屑，含量差異較大，表明其受到陸源輸入影響，且后者大于前者。

（2）鄂西咸豐地區(qū)五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖SiO2含量較高（質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值分別為83.58%和76.47%），其次為Al2O3和K2O。五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖不具有典型熱液成因特征，與貴州桑木場、貴州桑樹灣和安徽青坑熱液成因硅質(zhì)巖特征明顯不同，表現(xiàn)為正常海相生物成因硅質(zhì)巖，并伴有陸源硅輸入。

（3）鄂西咸豐地區(qū)五峰組和龍馬溪組硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境為大陸邊緣，為半局限深水陸棚環(huán)境。

（4）鄂西咸豐地區(qū)五峰組和龍馬溪組生物硅含量和TOC 含量之間并不是簡單的線性關(guān)系，具有隨著生物硅含量的增加，TOC 含量先增大再減小的特征，而不是硅質(zhì)礦物含量越高有機(jī)質(zhì)越富集。同時(shí)，放射蟲體內(nèi)大量發(fā)育的石英粒內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)孔可以顯著提高硅質(zhì)巖儲(chǔ)集空間，改善硅質(zhì)巖儲(chǔ)存頁巖氣的能力。