塔里木盆地寒武系烃源岩形成与分布的多圈层驱动机制

Multi-sphere driving mechanism for the formation and distribution of Cambrian hydrocarbon source rocks in the Tarim Basin

摘要

塔里木盆地是我国面积最大的含油气盆地,寒武系烃源岩作为盆地最重要的烃源岩,其形成与分布规律对油气勘探具有关键指导意义。本文从多圈层作用和地球系统演化视角出发,通过系统分析超大陆重组、大气-海洋演化、区域构造沉积环境变迁,建立了多圈层驱动的塔里木盆地寒武系烃源岩形成与演化模式。寒武纪时期的罗迪尼亚大陆裂解和冈瓦纳大陆聚合主导了塔里木陆块的构造活动、地理位置迁移和气候演变。塔里木陆块在寒武纪早期漂移至近赤道的热带辐合带(Intertropical Convergence Zone,ITCZ),气候温湿,为浮游生物、底栖藻类繁盛提供了有利条件,奠定了有机质富集的物质基础。约540 Ma 的 BACE(Basal Cambrian Carbon Isotope Excursion)时期存在幅度超 5‰的 δ¹³C_carb负异常,并伴随着全球性的陆架缺氧和有机碳大量埋藏,在塔里木盆地发育了下寒武统玉尔吐斯组烃源岩。该套烃源岩以硅质泥岩、黑色泥页岩为主,总有机碳(TOC) 含量达2%~16%,具有“西薄东厚”的分布特征;约497~494 Ma 的 SPICE(Steptoean Positive Carbon Isotope Excursion)表现为 δ¹³C_carb 正向漂移 4‰~6‰,并伴随着全球性的大洋缺氧和有机碳埋藏,与上寒武统烃源岩局部发育相一致。结合地球化学与油气分布特征,初步预测塔里木盆地满加尔凹陷东北部、塔中 10 号构造带和麦盖提斜坡东南部存在上寒武统烃源岩。南北塔里木块体拼合、古洋盆闭合等构造事件,造就了烃源岩“北优南贫”的分布格局;东部深水盆地与西部浅水台地的沉积环境分异,则进一步导致西部玉尔吐斯组“薄而优”和东部同期发育的西山布拉克组-西大山组“厚而均”的烃源岩差异。本文初步揭示了“超大陆聚散-气候变化-构造沉积环境-烃源岩发育”的层级耦合关系,不仅为解释塔里木盆地台盆区海相原油的地球化学特征差异等关键问题提供了新视角,也为我国其他盆地及全球寒武系烃源岩的研究与预测提供了重要参考。

Abstract

The Tarim Basin is the largest petroliferous basin in China. As the most important hydrocarbon source rocks in the basin, the formation and distribution of Cambrian source rocks are of critical significance for oil and gas exploration. From the perspective of multi-sphere interactions within Earth system evolution, this paper systematically analyzes supercontinental reorganization, atmosphere-ocean evolution, and changes in regional tectonic-sedimentary environments, and establishes a multi-sphere-driven model for the formation and evolution of Cambrian source rocks in the Tarim Basin. The breakup of Rodinia and the assembly of Gondwana during the Cambrian drove the tectonic activity, paleogeographic migration, and climatic evolution of the Tarim Block. In the Early Cambrian, the Tarim Block drifted to the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) near the equator, where a warm and humid climate favored the proliferation of plankton and benthic algae, providing the material foundation for organic matter enrichment. The Basal Cambrian Carbon Isotope Excursion (BACE) at ~540 Ma records a negative δ¹³C_carb shift exceeding 5‰, coinciding with global shelf anoxia and massive organic carbon burial. This event resulted in the formation of the Lower Cambrian Yuertusi Formation source rocks, which are dominated by siliceous mudstones and black shales with total organic carbon (TOC) contents of 2%-16%, and exhibit a “thin in the west and thick in the east” distribution pattern. The Steptoean Positive Carbon Isotope Excursion (SPICE) at ~497-494 Ma shows a positive δ¹³C_carb shift of 4‰-6‰, accompanied by global oceanic anoxia and organic carbon burial, consistent with the development of the Upper Cambrian source rocks in the basin. Based on geochemical characteristics and oil-gas distribution patterns, the Upper Cambrian source rocks are preliminarily interpreted to occur in the northeastern Manjiaer Sag, the Tazhong No.10 Structural Belt, and the southeastern Maigaiti Slope. Tectonic events, including the amalgamation of the North and South Tarim Blocks and the closure of paleo-ocean basins, resulted in a “favorable in the north and poor in the south” source rock distribution pattern. The differentiation between the eastern deep-water basin and the western shallow-water platform further led to a contrast between the “thin but high-quality” Yuertusi Formation in the west and the “thick and homogeneous” Xishanbulake-Xidashan formations in the east, which were deposited contemporaneously. This study preliminarily reveals a hierarchical coupling relationship among supercontinental breakup and assembly, climate change, tectonic-depositional environments, and source rock development. It not only provides a new perspective for interpreting key issues such as the geochemical differences of marine crude oils in the platform area of the Tarim Basin, but also offers an important reference for the study and prediction of Cambrian source rocks in other basins in China and globally.

Graphical abstract

关键词

塔里木盆地 / 寒武系 / 烃源岩 / 形成分布 / 多圈层机制

Key words

Tarim Basin / Cambrian / source rocks / formation and distribution / multi-sphere mechanism

1 研究背景

塔里木盆地是我国面积最大的含油气盆地,发育有寒武系海相、石炭系-二叠系海陆过渡相和湖相、三叠系-侏罗系煤系和湖相等不同类型的烃源岩,形成了库车山前、台盆区(北部坳陷、麦盖提斜坡)和塔西南山前四大含油气系统^[1]。其中以寒武系烃源岩为主要油气来源的海相含油气系统面积最广、资源量最大,是该盆地最重要的含油气系统^[2]。最新的油气资源评价结果显示,塔里木海相油气资源量占全盆地的55%左右,表明寒武系烃源岩在该盆地油气勘探中具有举足轻重的地位^[3]。烃源岩是含油气系统中最重要的要素,从多圈层相互作用和地球系统演化的新视角重新审视油气资源的形成和分布,将烃源岩的重要性提高到一个新的高度^[4-8]。然而,塔里木盆地寒武系烃源岩的形成、发育与分布仍存在诸多问题,如当前多认为塔里木盆地台盆区海相油气主要来源于下寒武统玉尔吐斯组烃源岩,但是台盆区海相原油的地球化学特征特别是全油碳同位素变化很大,很难用单一烃源岩来解释^[9-10]。另外,台盆区特别是北部坳陷下寒武统烃源岩地质特征与分布表现出明显的东西差异^[11],其核心控制因素是什么?目前勘探还表明,下寒武统烃源岩主要分布在北部坳陷与塔西南山前地区,麦盖提斜坡地区由于埋藏深,是否存在寒武系烃源岩也是需要关注的另一个关键问题^[12]。这些问题都深刻影响着塔里木盆地油气的下一步勘探方向。

针对上述问题,本研究以多圈层相互作用和地球系统演化的视角,从超大陆聚散、大气海洋演化、构造沉积环境变迁3个方面对塔里木盆地寒武系烃源岩的形成与分布进行了系统分析,以期从更大的空间和时间尺度重新审视关键地质时期的烃源岩发育机制和主控因素。

2 超大陆演化控制寒武烃源岩的南北差异

塔里木盆地寒武系烃源岩分布的一个最明显特征是南北存在较大差异。下寒武统烃源岩主要分布在北部坳陷,南部仅分布于塔西南山前地区。无论厚度、范围、 TOC 含量和氢指数,盆地北部烃源岩均明显优于南部。造成这一差异的原因可能与构造沉积环境的差异有关,但更深层原因可能与盆地基底形成或大地构造演化有关。近些年来,航磁和地震资料显示塔里木盆地中部存在一条东西向的航磁异常带,提出塔里木克拉通由独立的南、北塔里木两个块体组成^[12-13]。新元古代早期(900~870 Ma),南北两个块体被一个广阔的江南-中塔里木洋所分隔,于 870~820 Ma 期间发生碰撞拼合,形成统一基底^[14]。这一过程涉及到罗迪尼亚大陆裂解和冈瓦纳大陆聚合,以及相伴的一系列构造演化事件。南华纪-震旦纪,塔里木盆地发生多期岩浆和构造作用事件,并发育大型的区域不整合,导致盆地南部基底隆升强烈、剥蚀严重(图 1a^[15])。塔里木盆地北部则主要处于伸展构造背景,北部满加尔坳陷发育巨厚的南华系和震旦系碎屑岩沉积,并向塔中隆起区逐渐尖灭。

震旦纪末期的柯坪运动导致塔里木盆地形成中央古隆起,并形成了中间高、南北低的构造格局(图 1a),进而造成了震旦系和寒武系的不整合接触^[16-17]。塔里木盆地在寒武纪早期进入稳定的弱伸展环境,在构造沉降和全球海侵的背景下,海水从东北方向进入盆地,导致塔里木地区被海水广泛淹没^[17-18]。裂谷发育区控制了玉尔吐斯组烃源岩分布(图 1b),古地貌高位则缺少沉积^[19]。随着海侵程度持续增加,玉尔吐斯组向塔北和塔南超覆沉积,并在塔西地区发育碳酸盐台地相沉积^[16-17]。北部近 EW 向裂谷继承性沉降,形成大面积深水陆棚区,水体相对停滞,并伴有火山活动。富营养的还原沉积环境为有机质保存提供了理想场所,从而形成了大面积的富有机质黑色页岩;而塔西南地区洋盆范围小,水体较浅,相对氧化的环境则不利于有机质富集和保存,进而形成了“北优南贫”的分布格局。

3 两个关键地质事件与寒武系烃源岩发育的关系

3.1 BACE时期的下寒武统烃源岩发育

3.1.1 全球和塔里木盆地的BACE记录

从全球范围看,寒武系检测到多个碳酸盐岩稳定碳同位素(δ¹³C_carb)漂移事件,比较重要的包括 BACE(Basal Cambrian Carbon Isotope Excursion)、ZHUCE(Zhujiaqing Carbon isotope Excursion)、ROECE(Redlichiid-Olenellid Extinction Carbon isotope Excursion)和 SPICE(Steptoean Positive Carbon Isotope Excursion)。其中 BACE(约540 Ma)是寒武系底部的δ¹³C显著负漂移事件,幅度超过 5‰,负峰值介于-12‰~-3‰,在塔里木^[20-21]、华南^[22]、西伯利亚^[23]、摩洛哥^[24]、西班牙^[25]、蒙古^[26-27]、美国^[28]、阿曼^[29]等地均有记录,可作为寒武系底界的全球地层对比标志^[30]。该事件反映了全球海洋碳循环的扰动,与前寒武纪-寒武纪过渡时期生物演化和环境变化相关,如海平面变化、有机碳埋藏、大气-海洋氧含量增加等^[31-35]。全球多个地区(如塔里木、华南和阿曼)在BACE时期发育了一套黑色页岩,由于其拥有丰富的矿产和石油资源而受到了广泛关注^[36-39]。

塔里木盆地多个剖面下寒武统烃源岩中均识别出BACE(图2)。例如:什艾日克剖面玉尔吐斯组底部δ¹³C_carb值突然降低,最低值达-11.1‰^[40];苏盖特布拉克剖面玉尔吐斯组底部出现δ¹³C_carb负异常(-10.3‰~-6.8‰),漂移幅度达11.7‰^[41];肖尔布拉克剖面玉尔吐斯组底部δ¹³C_carb值由3.0‰降至-8.0‰,漂移幅度也达到11‰^[42];于提希剖面玉尔吐斯组底部δ¹³C_carb值最低降至-10.4‰^[43];塔东2井西山布拉克组底部δ¹³C_carb和有机碳稳定碳同位素(δ¹³C_org)均发现负漂移现象,幅度达8‰^[44];虽然变化比较小,但是在雅尔当山剖面西山布拉克组底部也观察到δ¹³C_carb值负漂现象,从-2.3‰降低到-5.6‰^[40]。

3.1.2 BACE时期构造沉积环境有利于富有机质层段发育

BACE成因机制目前尚不清楚,可能的假说包括古气候迅速变暖和海平面大幅度上升^[20,45-46]、生物大量死亡^[29]、缺氧环境导致的初级生产力和固碳率降低^[41]、深海溶解有机碳(DOC)储库氧化^[47-48]等。总的来说,BACE与构造活动、海洋环境和气候变化息息相关,不仅是全球性古海洋环境剧变的标志,也控制了下寒武统烃源岩的发育和分布。

前寒武纪-寒武纪过渡时期是罗迪尼亚大陆裂解和冈瓦纳大陆聚合的重要时期,板块运动引发大洋环流改变,加上冰期之后全球变暖和海平面上升,增强了大陆架边缘的上升流作用^[49],强烈的上升流将海洋深部富营养物质和贫¹³C的缺氧水体输送至浅水区域,造成全球性碳同位素负异常,并形成了广泛的富有机质黑色页岩、硅质岩和磷块岩沉积。另外,大洋环流和古海洋环境调控了海洋中DOC储库规模,前寒武纪末次冰期后的升温和古海洋氧化事件导致深海DOC储库氧化^[48],使BACE期间出现陆棚相有机碳埋藏。BACE是早寒武世全球性海平面上升,在大陆架广泛发育缺氧海洋环境的响应^[50],期间的特定海洋环境有利于有机质的富集和保存,并对油气资源形成具有重要影响。

3.1.3 塔里木盆地下寒武统烃源岩发育特征

在早寒武世全球性海侵背景下,塔里木盆地广泛发育一套以硅质泥岩、黑色泥页岩、灰质泥岩等岩性为主的下寒武统烃源岩。这套烃源岩主要分布在满加尔凹陷的欠补偿盆地相和中西部的局限台地-蒸发潟湖相^[51-52];塔西南坳陷斜坡-盆地相可能也发育下寒武统烃源岩^[53](图3)。另外,塔里木盆地下寒武统烃源岩厚度变化较大,呈现出“西薄东厚”的空间展布特征。但总体而言,下寒武统烃源岩分布面积广、有机质丰度高、生烃潜力大,与上覆的下寒武统肖尔布拉克组、吾松格尔组碳酸盐岩储层和中寒武统阿瓦塔格组膏岩盖层构成良好的生-储-盖组合,具有优越的成藏条件^[54],因此成为塔里木盆地最重要的烃源岩之一。多项钻井(如轮探1井)和露头(柯坪地区)的综合研究表明,下寒武统烃源岩为塔里木盆地台盆区深层油气的主力烃源岩^[55],最近完钻的深地塔科1井在10 830~10 910 m范围钻遇这套烃源岩,总厚度达60 m,对全球寒武系油气勘探具有重要启示意义^[56]。

3.2 SPICE时期发育上寒武统烃源岩

3.2.1 全球和塔里木盆地的SPICE记录

全球上寒武统沉积碳酸盐岩和黑色页岩中广泛检出一次显著的稳定碳同位素正漂移事件,其中δ¹³C_carb漂移幅度达+4‰~+6‰^[57],δ¹³C_org漂移幅度达+2‰~+3‰^[58-60],代表了一次可全球识别、有机碳和无机碳同位素记录可关联对比的碳同位素异常漂移事件,即SPICE(图4^{[21,37,60-61]})。最新研究显示,SPICE发生时间被限定在约497~494 Ma^[61-62]。由图4中可以看出SPICE事件广泛发育。

SPICE是全球地层对比中一个十分突出的化学地层标识^[64-65],其持续时间为(3.0±0.2) Ma^[66-69]。有关该时期碳同位素正漂移的机制存在多种假说,包括全球变冷^[66]、沿海上升流增强^[57]、全球海平面波动^[57,64,69]、碳酸盐岩台地扩张^[61]、增加的大气氧气分压^[60]、更高的初级生产力^[57,66]、大洋缺氧-缺氧硫化环境的扩张^[66,70-73]和真极移^[73]等。王华建等^[48]从全球碳循环角度对该时期的碳同位素漂移机制和驱动因素给予了全新解释,目前看较为全面合理。

从塔里木盆地不同沉积相剖面中SPICE的地球化学记录(图5)可以看出,浅水相和深水相沉积物在芙蓉世均记录了1次δ¹³C正偏(即SPICE),过渡相沉积物则记录了2次δ¹³C正偏,可能代表了浅水相和深水相记录的混合信号^[74],表明芙蓉世海洋深水和浅水环境中碳循环与生物演化的不同步性。

英东2井与中深1井中检测到碳酸盐岩中无机碳同位素的正向漂移、同时伴随有机质稳定碳同位素的正向漂移和稳定氢同位素(δD)的负向漂移,其中英东2井无机碳偏移幅度约1.51‰,有机碳偏移幅度约3.59‰,中深1井无机碳偏移幅度1.89‰,有机碳偏移幅度约2.09‰,而有机质氢同位素负向漂移约-40‰^[21]。

3.2.2 塔里木盆地局部发育上寒武统烃源岩分析

塔里木盆地台盆区在寒武纪总体经历了一个完整的开合过程,包括寒武纪早期海进和盆地伸展,中期稳定沉降,再到晚期的海退和盆地收缩^[75-76]。海进和盆地伸展阶段最有利于烃源岩大面积发育,为盆地内玉尔吐斯组优质烃源岩广泛发育提供了地质背景;而海退和盆地收缩阶段只能在台内凹陷、高能沉积相带等局部闭塞环境中发育烃源岩^[76],这是台盆区上寒武统烃源岩规模受限的根本原因^[77]。然而,在广泛的台内凹陷、高能沉积相带等局部闭塞环境下,烃源岩可在海退和盆地收缩过程中发育^[78]。

最近在塔东地区塔东2井、英东2井中SPICE时期地层检测到TOC含量超过2%的层段^[79],而在欧洲(Baltica和Avalonia古陆)SPICE沉积层段内甚至发现了TOC含量超过10%的富含有机质的黑色页岩^[58,80-82]。这在一定程度上表明该时期存在生物勃发,在塔里木盆地上寒武统可能存在局部发育烃源岩的有利沉积环境。塔里木盆地东部上寒武统烃源岩(突尔沙克塔格组)主要分布于满加尔凹陷东北部地区^[9,78-79],TOC含量为0.86%~2.67%、平均为1.94%,沉积厚度也大^[78]。以塔东2井上寒武统为例,TOC含量为0.50%~4.25%,有机质含量较高,但非均质性很强,岩性为灰黑色泥岩、硅质泥岩^[78]。塔里木盆地西南坳陷深水斜坡陆棚和台内洼地等高能沉积环境也可能局部发育上寒武统烃源岩,如朱心健等^[83]推测巴楚隆起地区发育上寒武统下丘里塔格组烃源岩,但目前还没有其有机质丰度和厚度的数据报道。

3.2.3 塔里木盆地SPICE事件关联油藏分布情况

如果塔里木盆地上寒武统发育与SPICE事件相关联的烃源岩,其生成的油气与以下寒武统烃源岩为主力来源的油气在地球化学组成上会有比较大的差异,特别是原油的碳氢同位素组成。图6示意了根据塔里木盆地台盆区油气勘探进展情况统计的与SPICE事件存在成因联系的油藏分布情况,可以看出台盆区广泛检出稳定碳同位素偏正、稳定氢同位素偏负的油藏。

与台盆区主体海相油藏的原油(δ¹³C_oil<-32‰、δD_oil>-105‰)相比,与SPICE关联油藏的原油样品具有δ¹³C_oil显著偏正和δD_oil明显偏负的特征(图6和表1),推测这些油藏与SPICE其烃源岩的贡献有关^[77]。目前在台盆区多个区块已经检出这类同位素组成特殊的海相油藏,随着油气勘探开发领域的进一步拓展,预期还会有更多的此类油藏检出。

图6与表1中列举的油藏可能代表了SPICE事件沉积层段贡献的“端员”特征,毕竟塔里木盆地晚寒武世整体上处于海退阶段并不利于烃源岩的广泛发育,而目前比较主流的观点认为下寒武统玉尔吐斯组烃源岩对台盆区海相油气藏具有主要贡献。可以合理推测SPICE时期烃源岩生成的原油与玉尔吐斯组生成的原油发生了混源,相关地球化学信息也被掩盖。结合区域上检出与SPICE关联的油藏分布信息与前述上寒武统局部发育烃源岩的分析,推测在塔中隆起(特别是在10号构造带内)、麦盖提斜坡东南部位置存在上寒武统烃源岩的局部发育。

4 构造沉积环境导致了寒武系烃源岩的“东西差异”

塔里木下寒武烃源岩主要分布于东部满加尔凹陷的欠补偿盆地相和中西部的局限台地-蒸发潟湖相^[51-52],表现出明显的东西差异。玉尔吐斯组分布于盆地中西部,主要为一套含磷硅质岩-黑色泥页岩-白云岩组合;西山布拉克组-西大山组分布于盆地东部,以硅质泥岩、黑色泥岩和灰质泥岩为主。寒武纪早期的塔里木盆地东部发育深水盆地、西部发育浅水台地的沉积构造环境可能造成了玉尔吐斯组和西山布拉克组-西大山组烃源岩不同的发育模式^[84-86]。有研究认为盆地西部的玉尔吐斯组沉积组合主要与“营养型”被动大陆边缘的演化有关,而盆地东部的西山布拉克组沉积组合则是裂陷槽拗陷阶段的产物^[87]。

4.1 下寒武统烃源岩有机地球化学特征的“东西差异”

玉尔吐斯组烃源岩在塔西北柯坪地区露头剖面及多个钻井均有分布,如什艾日克剖面、肖尔布拉克剖面、苏盖特布拉克剖面、星火1井、轮探1井等,厚度为十几到几十米不等,其黑色页岩段TOC含量主要分布在2%~16%^[36],具有较好的生烃潜力,是一套优质烃源岩。值得注意的是,玉尔吐斯组的δ¹³C_org组成普遍偏轻,什艾日克剖面、昆盖阔坦剖面和轮探1井的测定值分别为-36.34‰~-34.33‰^[40]、-34.75‰~-30.60‰^[88]和-33.84‰~-29.02‰^[89]。根据前人对塔里木盆地下古生界烃源岩δ¹³C_org值和成烃生物组合面貌的对比研究^[90-91],玉尔吐斯组烃源岩成烃生物以浮游藻类为主,含底栖藻类。有机质类型主要为Ⅰ-Ⅱ型^[92-93],有机质热演化程度较高,成熟度处于凝析油-湿气阶段^[94]。

西山布拉克组-西大山组烃源岩主要分布于塔东北库鲁克塔格地区和满加尔坳陷东南侧,研究较多的剖面包括雅尔当山剖面、兴地剖面、乌里格孜塔格剖面、恰克马克铁什剖面、塔东2井、尉犁1井等,平均TOC含量为1%~3%,烃源岩厚度为60~100 m^[95]。δ¹³C_org组成偏重,如雅尔当山剖面、塔东2井的西山布拉克组-西大山组的δ¹³C_org值分别为-34.64‰~-31.59‰^[96]和-32.0‰~-25.6‰^[21],与玉尔吐斯组δ¹³C_org值相差2‰左右。较重的δ¹³C_org值可能是由于其成烃生物为底栖藻和浮游藻混合类型。有机质类型主要为Ⅰ-Ⅱ型,热演化程度达到高-过成熟阶段^[55,97]。

4.2 下寒武统烃源岩形成环境的东西差异

震旦纪末期的柯坪运动造成区域抬升之后,塔里木陆块在早寒武世初期经历了大规模海侵作用,塔西北柯坪地区以浅水缓坡沉积为主;而塔东北库鲁克塔格地区则为深水盆地沉积相。下寒武统是在震旦纪末期古地貌基础上发育起来的一套填平补齐沉积,原型盆地和沉积相带控制下的岩性组合具有较大变化。玉尔吐斯组下部一套黑色硅质岩、泥岩以硅质矿物为主,石英含量最高达到了90%以上;上部主要为白云石(含量达到90%以上),含少量方解石。玉尔吐斯组自下而上矿物组成由硅质成分为主向碳酸盐矿物为主的转变,反映了水体变浅的演化过程。西山布拉克组以硅质成分为主,到西大山组顶部碳酸盐矿物含量逐渐增加,也体现了海平面逐渐下降;但西山布拉克组-西大山组的黏土矿物含量和硅质成分比玉尔吐斯组高^[11]。因此,玉尔吐斯组和西山布拉克组-西大山组烃源岩形成于至少一次大规模的海平面升降旋回背景。

Mo_EF-U_EF协变模式(图7^[40,98-102])显示:玉尔吐斯组沉积于缺氧-硫化环境(图7a);西山布拉克组-西大山组主要沉积于缺氧-硫化环境,少部分样品沉积于次氧化环境(图7b)。这些与指示古氧化还原条件的元素指标V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co、U/Th等反映的氧化还原环境基本一致,均表明塔里木盆地寒武系烃源岩形成于还原性较强的环境^{[40,93,103-104]}。

元素地球化学分析结果显示,什艾日克、苏盖特布拉克、昆盖阔坦、于提希等剖面的玉尔吐斯组黑色页岩均发现Ba、P、V、Zn、Cu、Ni等元素异常富集(高达上千μg/g)的现象^[40,88,105];雅尔当山剖面和塔东2井西山布拉克-西大山组的这些元素含量虽不及玉尔吐斯组^[40,100],但也高于后太古宙澳大利亚平均页岩(PAAS)和上地壳元素含量^[106]。震旦纪-寒武纪过渡期间,塔里木板块从裂谷盆地逐渐演化为被动大陆边缘盆地^[107-108],强烈的伸展构造运动伴随着大规模的火山和热液活动的发生^[76,109]。例如,塔东北库鲁克塔格地区曾报道震旦系-寒武系的双峰式火山岩^[110]。另外,塔里木盆地下寒武统研究也提供了大量热液活动的地球化学证据,如Eu正异常和岩石中较低的Al/(Al+Fe+Mn)值(<0.6)^[40,111-115]。在这样的构造沉积背景下,玉尔吐斯组和西山布拉克组-西大山组黑色岩系中异常富集Ba、Cu、Ni、V、Zn等微量元素的现象很可能与地壳发生强烈的拉张裂解、海底火山以及与之紧密伴生的海底热液流体活动有关。

早寒武世热液活动非常广泛,在浅水和深水地区均有记录。热液活动携带大量Ba、Cu、Zn、Ni等与生物发育相关的营养微量元素,造成水体中初级生产力升高。玉尔吐斯组黑色岩系中表现出高丰度的TOC(>10%)、P(>1 000 μg/g)、Ba_xs(>1 000 μg/g)、Cu_xs(>1 000 μg/g)和Zn_xs(>100 μg/g)(X_xs== X_total-Ti×(X/Ti)_PAAS,其中,X_xs、X_total、Ti和(X/Ti)_PAAS分别表示元素X的过剩值、元素X的总含量、Ti含量以及PAAS中元素X与Ti含量的比值)^[116],指示了较高的古生产力水平(图8a),远远高于其下伏奇格布拉克组和上覆肖尔布拉克组。如此高丰度的P可能是来自于玉尔吐斯组沉积过程的上升洋流^[52,117]。Ba_xs、Cu_xs、Zn_xs和Ni_xs的高值出现在西山布拉克组,同时西大山组的古生产力表现出中等水平(图8b)。然而,西山布拉克组-西大山组的P含量低于500 μg/g,较高生产力水平的低P含量可能是由于还原环境或陆源碎屑的稀释作用所致。综合分析TOC含量、Ba_xs、Cu_xs、Zn_xs、Ni_xs、P含量等古生产力指标,玉尔吐斯组的古生产力水平高于西山布拉克组-西大山组,但玉尔吐斯组古生产力高的地层只集中在硅质岩和黑色页岩中,而西山布拉克组-西大山组中的一些碳酸盐岩地层的古生产力水平也仍然较高,这可能与沉积速率及陆缘碎屑供给有关(图7)。

综上所述,盆地西部的玉尔吐斯组和东部的西山布拉克组-西大山组烃源岩普遍形成于缺氧-硫化环境,具有较高的古生产力水平,热液流体活动和上升洋流有利于烃源岩沉积期的生产力勃发和有机质富集保存。

4.3 下寒武统烃源岩的发育模式和东西差异

烃源岩发育模式是预测烃源岩展布规律的重要内容,目前针对塔里木盆地下寒武统烃源岩沉积岩相古地理及发育模式主要有以下几种:(1)热水活动-上升洋流-缺氧事件模式^[117]。该模式主要在克拉通边缘凹陷的欠补偿盆地区和台-盆过渡带发育。热液活动及上升洋流对该地区烃源岩发育影响比较明显,主要表现在海底热液活动为菌藻类成烃生物的繁殖提供了大量的营养组分,上升洋流将底层热液活动的营养物质携带至表层,导致表层生物大量繁殖发育。(2)缓坡模式^[85,118-119]。烃源岩主要发育在中-下缓坡与深水陆棚相带,其中,塔东地区西山布拉克组-西大山组泥岩代表深水陆棚相沉积,塔西地区玉尔吐斯组硅质岩-黑色页岩组合代表下缓坡次深水相沉积。朱光有等^[36]根据剖面实测分析及横向对比,认为玉尔吐斯组主要沉积在中-下缓坡陆棚相带,有机质富集和烃源岩发育受多种因素控制,包括上升洋流、热液活动、海平面升降等。(3)浅水超覆沉积模式^[120]。根据岩石学特征认为寒武系玉尔吐斯组富有机质细粒沉积物形成于缺氧-次氧化的受限海湾潟湖环境,其形成可能受高古生产力和氧交换不畅共同控制。

然而,塔里木盆地东、西地区下寒武统烃源岩有机质富集情况具有明显的差异性。塔里木盆地西部玉尔吐斯组硅质岩和黑色页岩中的TOC含量很高(大多>10%),而东部同时期沉积的西山布拉克组-西大山组黑色岩系中TOC含量大多小于3%。此外,与西山布拉克组-西大山组相比,玉尔吐斯组的烃源岩厚度要薄得多。有机质的积累通常受多种因素控制,包括初级生产力、氧化还原条件、陆源碎屑输入、沉积速率、热液活动和水深等。古生产力强调生烃母质的生存和繁衍环境,为沉积有机质提供物质基础,而缺氧沉积环境为有机质的保存提供有利条件。但是,这些地球化学参数并不是完全独立的变量。从以上研究结果来看,玉尔吐斯组和西山布拉克组-西大山组都表现出相似的高古生产力以及还原的沉积条件,这些均有利于有机质富集。因此,这两套地层中观察到的TOC含量和烃源岩厚度的差异可能是由其他因素引起的,例如不同生物种类、陆源碎屑输入量和沉积速率。

玉尔吐斯组分布受控于前寒武纪隆-坳相间的古构造格局,中-下缓坡是烃源岩的主要赋存相带^[54]。早寒武世海侵期间,热液活动以及沿岸上升洋流带来大量营养物质,极大地促进了底栖藻类发育,而缺氧环境又有利于有机质保存,沉积了一套从岩性到各种地球化学指标都与其上下地层有明显差异的黑色岩系。西山布拉克组-西大山组沉积于欠补偿深水盆地相,构造和岩浆活动较为强烈,热液中丰富的营养元素,提高了初级生产力,为有机质富集提供了物质基础。大量浮游藻类死亡后以“海雪”的方式沉降到海底,进入到沉积物中。然而,与玉尔吐斯组相比,高沉积速率和大量陆源碎屑物质输入可能稀释了进入沉积物的有机质通量,造成西山布拉克组-西大山组较低的TOC含量和较厚的烃源岩厚度。

总的来说,在震旦纪-寒武纪过渡时期,古塔里木板块发育裂陷,其北部边缘为南天山裂谷,裂陷作用东强西弱,东部火山活动频繁,西部主要为受海底热水活动影响的浅海陆架沉积。例如,Yu等^[111]和He等^[115]通过硅质岩稀土元素地球化学分析表明,塔西北地区(如什艾日克剖面、肖尔布拉克剖面、苏盖特布拉克剖面等)早寒武世黑色页岩受到热液活动的广泛影响。塔西北柯坪地区新元古代经历了陆内断陷到初始被动大陆边缘的盆地演化序列,而塔东北库鲁克塔格地区主要以裂谷及其衰退期的坳陷为特征。晚震旦世末柯坪运动造成全区抬升,奠定了塔里木盆地寒武系沉积前的构造古地貌,总体表现为“西高东低”和“南高北低”,进而控制了下寒武统烃源岩的形成与分布。受罗迪尼亚超大陆裂解的影响,塔里木板块在早寒武世处于伸展构造环境,伴随大规模海侵事件。在板块内部总体平缓的古地形基础上,除温宿凸起等局部古地貌高地外,发育广阔陆表浅海^[121]。随着基底隆起逐渐被海水淹没,下寒武统玉尔吐斯组开始向塔北及塔西南的基底隆起区域发生超覆沉积^[16],随后逐步建立起稳定的克拉通内碳酸盐岩台地沉积体系。同时,在板块边缘形成由浅海大陆架向深海洋盆过渡的构造-古地理格局,出现“东盆西台”的沉积差异。塔里木盆地下寒武统烃源岩分布受控于前寒武系隆-坳相间古构造格局,缓坡相的地貌低洼或坳陷处是烃源岩主要赋存相带^[85,120],古生产力、底水缺氧环境、海平面变化、上升洋流和热液活动共同控制了黑色岩系发育(图9)^{[36,40,98,105,115,122-123]} 。

需要说明的是,下寒武统烃源岩的东西差异主要受表层沉积环境分异(浅水台地-深水盆地)主导,而后续章节将阐述的“南北差异”则由更深层次的超大陆演化与基底构造控制,两者共同构成了塔里木盆地寒武系烃源岩 “东西分异、南北不均” 的宏观分布格局。

5 塔里木盆地寒武系烃源岩形成与分布的多圈层驱动机制

传统烃源岩形成主要考虑构造-沉积框架下的生物发育与初级生产力、水深等控制氧化还原保存条件以及沉积速率控制下陆源物质输入对有机质改造等主控因素,但从多圈层作用与地球系统演化的视角来看,烃源岩形成机制与主控因素发生明显变化,以塔里木盆地寒武系烃源岩为例,其驱动机制按作用层级可分为以下三类。

5.1 一级驱动力:超大陆周期性聚散

超大陆周期性聚散是烃源岩形成的核心驱动因素,受其影响引发的构造活动,以及板块漂移过程中在特定地史时期的纬度及气候条件,控制了塔里木陆块的生物活动和沉积响应,进而影响了该地区在不同地质历史时期烃源岩的形成与演化过程,以及现今油气在盆地中的分布情况^[8,48]。罗迪尼亚大陆裂解和冈瓦纳大陆聚合是埃迪卡拉纪-寒武纪时期全球最重要的超大陆聚散事件^[124]。塔里木陆块在寒武纪早期位于冈瓦纳大陆西侧的原特提斯洋中,至中晚期才逐渐并入冈瓦纳大陆。由于其处于超大陆边缘,且并入时间较晚,同时经历了原特提斯洋、古特提斯洋和新特提斯洋构造域的发展演化。这使得陆块边缘受超大陆裂解动力影响形成的裂陷盆地可以长期接收沉积,在后续碰撞造山或陆块缝合时,早期沉积地层整体进入盆地深部,成为现今的超深层^[2]。古地磁数据显示,寒武纪期间塔里木陆块主体从早期位于哈德里环流圈温湿气候的热带辐合带(ITCZ)(0°~15°S),逐渐向晚期的过渡带甚至干旱带方向漂移^[8,14]。这一漂移过程与超大陆聚散引发的板块运动直接相关,温湿气候时期充足的光照和降水为海洋浮游生物、底栖藻类的繁盛提供了有利条件,最终导致塔里木盆地在寒武纪沉积了富有机质泥页岩烃源岩。

5.2 二级调控因素:气候变化旋回

气候变化旋回是控制烃源岩发育的关键调控因素,在全球范围内元古宙曾出现多个冰期-间冰期旋回,其中以新元古代 “雪球事件” 最具代表性^[125]。间冰期往往对应于地球的温暖期,此时海洋水体变深且覆盖面积变大,同时深海中因冰期而形成的DOC储库也得以释放,最终促进了低等生物勃发^[126]。

结合 Haq 全球海平面变化曲线^[127]分析,BACE时期发生大规模海侵。塔里木陆块此时处于 ITCZ 的温湿气候带,温暖气候与海侵事件叠加,为优质烃源岩形成奠定了良好的物质基础,这也很好地解释了塔里木盆地玉尔吐斯组优质烃源岩的广泛发育^[8]。而在晚寒武世,塔里木盆地东北部满加尔凹陷仍处于 ITCZ 过渡带,该凹陷不仅正处于陆块与冈瓦纳大陆的缝合区,还检出 SPICE 冷事件的存在^[21,74,79],冰期-间冰期的气候波动为局部地区有机质富集提供了条件。通过烃源岩与油气分布特征,初步预测塔里木盆地东北部满加尔凹陷可能局部存在上寒武统烃源岩。此外,通过航测、野外剖面、探井分析,结合盆地地震解译推测塔里木盆地北部可能发育一条近东西走向的克拉通裂陷槽,南部发育两条北东走向裂陷槽^[15]。上述分析均表明,塔里木盆地北部深层也很可能存在优质的上寒武统烃源岩。

5.3 直接控制因素:构造-沉积环境的深部地质过程

构造-沉积环境是烃源岩形成的直接控制因素,多圈层作用机制则主导了塔里木寒武系烃源岩的东西差异。这种差异并非简单表层环境分异,而是基底构造、沉积相带、古海洋环境及物质供给协同作用的结果。

基底构造格局奠定分异基础。前寒武纪塔里木板块受罗迪尼亚超大陆裂解影响,形成 “西隆东坳” 格局:西部基底稳定、起伏平缓,构造活动微弱;东部发育库鲁克塔格-满加尔裂陷槽,地壳拉伸减薄形成深水盆地。震旦纪末柯坪运动进一步强化这一格局,西部为浅水陆棚,东部裂陷槽继承性沉降,断裂活动与热液、火山活动更频繁,从根源上决定了沉积环境初始差异。沉积相带演化主导岩性与厚度分异。早寒武世海侵期形成“西台东盆”格局:西部以局限台地-蒸发潟湖相为主,发育玉尔吐斯组含磷硅质岩-黑色泥页岩组合,沉积速率慢(0.1~0.3 mm/ka),烃源岩 “薄而优”(厚度 10~50 m,TOC含量2%~16%);东部为欠补偿深水盆地相,西山布拉克组-西大山组以硅质泥岩为主,沉积速率快(0.5~1.2 mm/ka),烃源岩 “厚而均”(厚度 60~100 m,TOC含量1%~3%),陆源碎屑稀释降低了有机质丰度。

古海洋环境调控了有机质富集效率。西部局限台地水体循环受限,缺氧-硫化环境稳定(V/(V+Ni)>0.8),沿岸型上升流与热液活动带来充足营养盐(B_axs>1 000 μg/g),古生产力(以C计)达500~800 g/(m²·a),有机质保存效率为 30%~50%;东部深水盆地虽整体缺氧,但局部受火山活动影响出现次氧化夹层(V/(V+Ni): 0.6~0.8),营养盐供给以热液为主,古生产力略低(300~500 g/(m²·a)),有机质保存效率为 20%~35%。

物质供给差异塑造地球化学特征。西部陆源碎屑输入少(Al₂O₃含量<10%),成烃生物以浮游藻类为主,δ¹³C_org 偏轻(-36.34‰~-29.02‰),干酪根以 Ⅰ 型为主;东部陆源输入较多(Al₂O₃含量12%~18%),成烃生物为浮游藻类与底栖藻类混合,δ¹³C_org 偏重(-34.64‰~-25.6‰),干酪根以 Ⅱ 型为主。热液活动对西部影响局限但强烈,东部则呈广泛混合特征。这种 “构造控相、相控环境、环境控烃” 的链式反应,共同塑造了西部玉尔吐斯组 “薄而优”、东部西山布拉克组-西大山组 “厚而均” 的分布特征,而南北差异则由超大陆聚散主导,共同构成 “东西分异、南北不均” 的宏观格局。

根据上述研究结果,初步提出塔里木盆地寒武系烃源岩形成与分布的多圈层驱动模式图(图10),包括推动层(一级驱动力即超大陆周期性聚散,主要控制板块所在气候带位置及盆地基底格局)、能动层(二级调控因素即气候变化旋回,主要控制海洋氧化还原状态和有机质保存)、响应层(盆地内部沉积环境的差异)及反应层(盆地内部构造环境的差异),最终构成驱动-响应-反馈的闭环系统,来反应超大陆聚散-气候变化-沉积构造环境的多层级耦合变化。

6 结论与展望

6.1 主要结论

本研究从地球系统演化和多圈层相互作用的视角,深入探讨塔里木盆地寒武系烃源岩的形成与分布,得到以下主要结论:

(1)超大陆聚散是烃源岩形成的主要驱动力:寒武纪时期罗迪尼亚大陆裂解和冈瓦纳大陆聚合过程控制着塔里木陆块的构造活动、地理位置、气候条件,并进一步控制了该时期有机质的富集成藏过程。塔里木陆块在早寒武世时期主体位于 ITCZ的温湿气候带,为有机质富集和烃源岩形成创造了有利条件。

(2)气候变化旋回控制烃源岩发育:寒武系烃源岩发育与冰期-间冰期旋回关系紧密,两个关键地质事件控制了寒武系烃源岩发育。BACE 事件之后发育的玉尔吐斯组是塔里木盆地下寒武统重要的烃源岩层段,目前已被证实在盆地内广泛分布;SPICE时期可能发育了上寒武统烃源岩,预测在盆地东北部满加尔凹陷可能局部发育。

(3)构造-沉积环境及其深部地质过程控制寒武系烃源岩的分布:寒武纪时期塔里木盆地东部为深水盆地,西部为浅水台地,构造沉积环境造成了西部玉尔吐斯组和东部西山布拉克组-西大山组烃源岩不同的形成与发育模式;而罗迪尼亚和冈瓦纳两个超大陆的聚合与裂解以及相伴的一系列构造演化事件则基本控制了寒武系烃源岩分布的 “北优南贫” 格局。

(4)本研究初步建立的塔里木盆地寒武系烃源岩的形成与分布的多圈层模型,揭示了 “超大陆聚散-气候变化-构造沉积环境” 对烃源岩形成的层级耦合关系,突破了将地球化学事件与烃源岩发育进行简单对应的传统认知,将分散的构造、气候、地球化学事件整合为 “驱动-响应-反馈” 的闭环系统,为多圈层范式提供了 “层级化+可量化” 的模型构建思路。将烃源岩 “东西分异(薄优-厚均)、南北不均(北优南贫)” 的表层特征,与深部地球动力学过程(超大陆聚合引发的块体拼合、裂陷槽发育、岩浆-热液活动)直接关联,丰富了烃源岩多圈层范式的研究维度,对我国其他盆地及全球寒武系烃源岩研究与预测也具有重要的参考意义。

6.2 研究局限性与勘探启示

本研究虽初步揭示了塔里木盆地寒武系烃源岩形成与分布的多圈层机制,但仍存在一定局限性:一是多圈层模型未充分考虑岩浆活动对烃源岩热演化的直接影响,更多地从物质循环而非能量作用方面分析圈层作用对烃源岩的影响;二是上寒武统烃源岩预测缺乏足够的钻井实证数据;三是东西部烃源岩差异的定量模拟分析不足。未来可重点开展三方面工作:一是加强深层钻井部署,获取上寒武统烃源岩实物样品及分析数据;二是通过三维地震解释验证克拉通裂陷槽分布,为烃源岩预测提供构造依据;三是开展数值模拟研究,量化超大陆聚散、气候变化对烃源岩形成的影响程度。从多圈层油气富集的角度看,要从物质和能量双引擎相互作用的高度进行研究。

基于研究结论,可以初步得到如下勘探启示:一是满加尔凹陷东北部、塔中 10 号构造带可作为上寒武统烃源岩勘探靶区,重点关注 SPICE关联油藏的分布规律;二是西部玉尔吐斯组中-下缓坡相带为深层油气优质烃源岩发育区,应加强该区域盐下油气勘探;三是塔西南坳陷台内洼地等局部还原环境区域,可探索下寒武统烃源岩的油气资源潜力。

感谢朱日祥院士组织多圈层作用与油气富集研讨会并组织专辑;感谢赵亮研究员、张旺高级工程师、张瑞珍博士在文章撰写过程中给予的帮助。特别感谢王永莉研究员、王华建副研究员在审稿过程中提出的指导与建设性意见;感谢中国地质调查局广州海洋地质调查局王浩哲博士在文章修改过程中的无私协助;感谢编辑部王小龙编辑的细心指导与帮助。

参考文献

[1] 王清华, 徐振平, 张荣虎, 等. 塔里木盆地油气勘探新领域、新类型及资源潜力[J]. 石油学报, 2024, 45(1): 15-32.

[2] 贾承造, 张水昌. 中国海相超深层油气形成[J]. 地质学报, 2023, 97(9): 2775-2801.

[3] 杨宪彰, 能源, 徐振平, 等. 塔里木盆地三大构造旋回油气成藏特征[J]. 现代地质, 2024, 38(2): 287-299.

[4] 朱日祥, 张水昌, 万博, 等. 新特提斯域演化对波斯湾超级含油气盆地形成的影响[J]. 石油勘探与开发, 2023, 50(1): 1-11.

[5] 朱日祥, 王红军, 王华建, 等. 东南亚多岛海构造体系圈层相互作用与油气富集机理[J]. 中国科学: 地球科学, 2024, 54(2): 587-603

[6] 朱日祥, 张旺, 王华建, 等. 多圈层驱动的油气形成与富集理论[J]. 中国科学: 地球科学, 2025, 55(8): 2603-2620.

[7] JIN Z J, WANG X M, WANG H J, et al. Organic carbon cycling and black shale deposition: an Earth System Science perspective[J]. National Science Review, 2023, 10: nwad243.

[8] 张水昌, 王华建, 苏进, 等. 地球系统演化对中国海相超深层油气形成与富集的控制作用[J]. 石油勘探与开发, 2024, 51(4): 759-773.

[9] 朱心健, 陈践发, 伍建军, 等. 塔里木盆地台盆区古生界原油碳同位素组成及油源探讨[J]. 石油勘探与开发, 2017, 44(6): 997-1004.

[10] 邓倩, 张海祖, 王浩哲, 等. 塔里木盆地轮探1井寒武系轻质油成藏地球化学特征[J]. 地球化学, 2023, 52(1): 20-28.

[11] 邓倩. 震旦系-下寒武统沉积地球化学记录及有机质富集保存机制探讨: 以华南和塔里木盆地研究为例[D]. 广州: 中国科学院广州地球化学研究所, 2021.

[12] 任荣, 管树巍, 吴林, 等. 塔里木新元古代裂谷盆地南北分异及油气勘探启示[J]. 石油学报, 2017, 38(3): 255-266.

[13] YANG H J, WU G H, KUSKY T M. Paleoproterozoic assembly of the North and South Tarim terranes: new insights from deep seismic profiles and precambrian granite cores[J]. Precambrian Research, 2018, 305: 151-165.

[14] ZHAO P, HE J Y, DENG C L, et al. Early Neoproterozoic (870-820 Ma) amalgamation of the Tarim Craton (northwestern China) and the final assembly of Rodinia[J]. Geology, 2021, 49: 1277-1282.

[15] 周肖贝, 李江海, 王洪浩, 等. 塔里木盆地南华纪-震旦纪盆地类型及早期成盆构造背景[J]. 地学前缘, 2015, 22(3): 290-298.

[16] 陈永权, 严威, 韩长伟, 等. 塔里木盆地寒武纪-早奥陶世构造古地理与岩相古地理格局再厘定: 基于地震证据的新认识[J]. 天然气地球科学, 2015, 26(10): 1831-1843.

[17] 严威, 邬光辉, 张艳秋, 等. 塔里木盆地震旦纪-寒武纪构造格局及其对寒武纪古地理的控制作用[J]. 大地构造与成矿学, 2018, 42(3): 455-466.

[18] 李江海, 周肖贝, 李维波, 等. 塔里木盆地及邻区寒武纪-三叠纪构造古地理格局的初步重建[J]. 地质论评, 2015, 61(6): 1225-1234.

[19] 崔海峰, 田雷, 张年春, 等. 塔西南坳陷寒武系玉尔吐斯组烃源岩分布特征[J]. 天然气地球科学, 2016, 27(4): 577-583.

[20] YAO C Y, MA D S, DING H F, et al. Trace elements and stable isotopic geochemistry of an Early Cambrian chert-phosphorite unit from the Lower Yurtus Formation of the Sugetbrak section in the Tarim Basin[J]. Science China: Earth Science, 2014, 57: 454-464.

[21] WANG H J, SU J, WANG X M, et al. Carbon isotope stratigraphy of the Cambrian System in the eastern Tarim Basin, China[J]. Acta Geologica Sinica (English Edition), 2022, 96(4): 1277-1293.

[22] ISHIKAWA T, UENO Y, KOMIYA T, et al. Carbon isotope chemostratigraphy of a Precambrian/Cambrian boundary section in the Three Gorge area, South China: prominent global-scale isotope excursions just before the Cambrian Explosion[J]. Gondwana Research, 2008, 14(1/2): 193-208.

[23] ZHU M Y, ZHURAVLEV A Y, WOOD R, et al. A deep root for the Cambrian explosion: implications of new bio- and chemostratigraphy from the Siberian Platform[J]. Geology, 2017, 45(5): 459-462.

[24] XIONG Y W, CHEN B, SUN X J, et al. Integrated analyses of the Ediacaran-Cambrian boundary sequence in northern Gondwana (Anti-Atlas Platform, Morocco)[J]. Gondwana Research, 2025, 145: 79-106.

[25] ZhANG K, SHIELDS G A, ZHOU Y, et al. The basal Cambrian carbon isotope excursion revealed in the Central Iberian Zone, Spain[J]. Precambrian Research, 2024, 411: 107526.

[26] BRASIER M D, SHIELDS G, KULESHOV V N, et al. Integrated chemo- and biostratigraphic calibration of early animal evolution: Neoproterozoic-Early Cambrian of Southwest Mongolia[J]. Geological Magazine, 1996, 133: 445-485.

[27] SMITH E F, MACDONALD F A, PETACH T A, et al. Integrated stratigraphic, geochemical, and paleontological late Ediacaran to early Cambrian records from southwestern Mongolia[J]. GSA Bulletin, 2016, 128: 442-468.

[28] SMITH E F, NELSON L L, CONNELL N O, et al. The Ediacaran-Cambrian transition in the southern Great Basin, United States[J]. GSA Bulletin, 2023, 135(5/6): 1393-1414.

[29] AMTHOR J E, GROTZINGER J P, SCHRODER S, et al. Extinction of Cloudina and Namacalathus at the Precambrian-Cambrian boundary in Oman[J]. Geology, 2003, 31: 431-434.

[30] ZHU M Y, YANG A H, YUAN J L, et al. Cambrian integrative stratigraphy and timescale of China[J]. Science China Earth Sciences, 2019, 62(1): 25-60.

[31] MALOOF A C, PORTER S M, MOORE J L, et al. The earliest Cambrian record of animals and ocean geochemical change[J]. Geological Society of America Bulletin, 2010, 122(11/12): 1731-1774.

[32] BOWYER F, WOOD R A, POULTON S W. Controls on the evolution of Ediacaran Metazoan Ecosystems: a redox perspective[J]. Geobiology, 2017, 15(4): 1-36.

[33] BOWYER F T, ZHURAVLEV A Y, WOOD R, et al. Calibrating the temporal and spatial dynamics of the Ediacaran-Cambrianradiation of animals[J]. Earth-Science Reviews, 2022, 225: 103913.

[34] BOYLE R A, DAHL T W, BJERRUM C J, et al. Bioturbation and directionality in Earth’s carbon isotope record across the Neoproterozoic-Cambrian transition[J]. Geobiology, 2018, 16: 252-278.

[35] ZUO J X, PENG S C, QI Y P, et al. Carbon-isotope excursions recorded in the Cambrian System, South China: implications for mass extinctions andsea-level fluctuations[J]. Journal of Earth Science, 2018, 29(3): 479-491.

[36] 朱光有, 陈斐然, 陈志勇, 等. 塔里木盆地寒武系玉尔吐斯组优质烃源岩的发现及其基本特征[J]. 天然气地球科学, 2016, 27(1): 8-21.

[37] LI M, CHEN J F, WANG T G, et al. Nitrogen isotope and trace element composition characteristics of the Lower Cambrian Niutitang Formation shale in the Upper-Middle Yangtze region, South China[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2018, 501: 1-12.

[38] WAN Y, ZHANG S C, TANG S H, et al. A comparative study of characterization of Lower Palaeozoic Niutitang shale in northwestern Hunan, China[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering, 2018, 53: 284-300.

[39] ZHAO J H, JIN Z J, HU Q H, et al. Geological controls on the accumulation of shale gas: a case study of the early Cambrian shale in the Upper Yangtze area[J]. Marine and Petroleum Geology, 2019, 107: 423-437.

[40] DENG Q, WANG H Z, WEI Z W, et al. Different accumulation mechanisms of organic matter in Cambrian sedimentary successions in the western and northeastern margins of the Tarim Basin, NW China[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2021a, 207: 104660.

[41] 樊奇, 樊太亮, 李清平, 等. 塔里木北缘震旦纪-寒武纪转折期碳同位素漂移事件及成因机制[J]. 地学前缘, 2021, 28(5): 436-447.

[42] WU Y S, WANG W, JIANG H X, et al. Evolution patterns of seawater carbon isotope composition during the Cambrian and their stratigraphic significance[J]. Geological Journal, 2021, 56(1): 457-474.

[43] ZHANG T, LI Y F, FAN T L, et al. Marine carbon and sulfur cycling across the Ediacaran-Cambrian boundary in Tarim Block and its implications for paleoenvironmental changes[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2020, 560: 110011.

[44] WANG P, ZHAO G C, CAWOOD P A, et al. South Tarim tied to north India on the periphery of Rodinia and Gondwana and implications for the evolution of two supercontinents[J]. Geology, 2022, 50: 131-136.

[45] 张水昌, WANG R L, 金之钧, 等. 塔里木盆地寒武纪-奥陶纪优质烃源岩沉积与古环境变化的关系: 碳氧同位素新证据[J]. 地质学报, 2006, 80: 459-466.

[46] ISHIKAWA T, UENO Y, SHU D, et al. The δ¹³C excursions spanning the Cambrian explosion to the Canglangpuian mass extinction in the Three Gorges area, South China[J]. Gondwana Research, 2014, 25: 1045-1056.

[47] OCH L M, SHIELDS-ZHOU G A. The Neoproterozoic oxygenation event: environmental perturbations and biogeochemical cycling[J]. Earth-Science Reviews, 2012, 110: 26-57.

[48] 王华建, 张水昌, 王晓梅, 等. 寒武纪海洋碳循环新模型[J]. 中国科学: 地球科学, 2024, 54(6): 1786-1805.

[49] ADER M, SANSJOFRE P, HALVERSON G P, et al. Ocean redox structure across the Late Neoproterozoic Oxygenation Event: a nitrogen isotope perspective[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2014, 396: 1-13.

[50] KIMURA H, WATANABE Y. Oceanic anoxia at the Precambrian-Cambrian boundary[J]. Geology, 2001, 29(11): 995-998.

[51] 张水昌, 高志勇, 李建军, 等. 塔里木盆地寒武系-奥陶系海相烃源岩识别与分布预测[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(3): 285-294.

[52] 杨鑫, 徐旭辉, 陈强路, 等. 塔里木盆地前寒武纪古构造格局及其对下寒武统烃源岩发育的控制作用[J]. 天然气地球科学, 2014, 25: 1164-1171.

[53] 崔海峰, 田雷, 张年春, 等. 塔西南坳陷南华纪-震旦纪裂谷分布及其与下寒武统烃源岩的关系[J]. 石油学报, 2016, 37(4): 430-438.

[54] 魏国齐, 朱永进, 郑剑锋, 等. 塔里木盆地寒武系盐下构造-岩相古地理、规模源储分布与勘探区带评价[J]. 石油勘探与开发, 2021, 48(6): 1114-1126.

[55] 张科, 潘文庆, 苏劲, 等. 塔里木盆地南华系-寒武系烃源岩时空分布与生烃潜力评价[J]. 中国石油勘探, 2022, 27(4): 121-134.

[56] 杨海军, 王春生, 杨宪彰, 等. 深地塔科1井万米特深井钻探关键技术进展与科学意义[J]. 石油勘探与开发, 2025, 52(5): 1180-1188.

[57] SALTZMAN M R, RIPPERDAN R L, BRASIER M D, et al. A global carbon isotope excursion (SPICE) during the Late Cambrian: relation to trilobite extinctions, organic-matter burial and sea level[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2000, 162: 211-223.

[58] AHLBERG P E R, AXHEIMER N, BABCOCK L E, et al. Cambrian high-resolution biostratigraphy and carbon isotope chemostratigraphy in Scania, Sweden: first record of the SPICE and DICE excursions in Scandinavia[J]. Lethaia, 2009, 42: 2-16.

[59] AHLBERG P E R, LUNDBERG F, ERLSTRÖM M, et al. Integrated Cambrian biostratigraphy and carbon isotope chemostratigraphy of the Grönhögen-2015 drill core, Öland, Sweden[J]. Geological Magazine, 2019, 156: 935-949.

[60] SALTZMAN M R, YOUNG S A, KUMP L R, et al. Pulse of atmospheric oxygen during the late Cambrian[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108: 3876-3881.

[61] ÁLVARO J J, BAULUZ B, SUBÍAS I, et al. Carbon chemostratigraphy of the Cambrian-Ordovician transition in a midlatitude mixed platform, Montagne Noire, France[J]. Geological Society of the American Bulletin, 2008, 120: 962-975.

[62] COTHREN H R, FARRELL T P, SUNDBERG F A, et al. Novel age constraints for the onset of the Steptoean Positive Isotopic Carbon Excursion (SPICE) and the late Cambrian time scale using high-precision U-Pb detrital zircon ages[J]. Geology, 2022, 50: 1415-1420.

[63] ROONEY A D, MILLIKIN A E G, AHLBERG P. Re-Os geochronology for the Cambrian SPICE event: insights into euxinia and enhanced continental weathering from radiogenic isotopes[J]. Geology, 2022, 50: 716-720.

[64] PENG S, BABCOCK L, ROBISON R, et al. Global Standard Stratotype-Section and Point (GSSP) of the Furongian Series and Paibian Stage (Cambrian)[J]. Lethaia, 2004, 37: 365-379.

[65] ZHU M Y, BABCOCK L E, PENG S C. Advances in Cambrian stratigraphy and paleontology: integrating correlation techniques, paleobiology, taphonomy and paleoenvironmental reconstruction[J]. Palaeoworld, 2006, 15: 217-222.

[66] SALTZMAN M R, RUNNEGAR B, LOHMANN K. Carbon isotope stratigraphy of Upper Cambrian (Steptoean Stage) sequences of the eastern Great Basin: record of a global oceanographic event[J]. Geological Society of America Bulletin, 1998, 110: 285-297.

[67] SALTZMAN M R. Phosphorus, nitrogen, and the redox evolution of the Paleozoic oceans[J]. Geology, 2005, 33: 573-576.

[68] SALTZMAN M R, COWAN C A, RUNKEL A C, et al. The Late Cambrian SPICE (δ¹³C) event and the Sauk II-Sauk III regression: new evidence from Laurentian basins in Utah, Iowa, and Newfoundland[J]. Journal of Sedimentary Research, 2004, 74: 366-377.

[69] SØRENSEN A L, NIELSEN A T, THIBAULT N, et al. Astronomically forced climate change in the late Cambrian[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2020, 548: 116475.

[70] GILL B C, LYONS T W, YOUNG S A, et al. Geochemical evidence for widespread euxinia in the later Cambrian ocean[J]. Nature, 2011, 469: 80-83.

[71] GILL B C, DAHL T W, HAMMARLUND E U, et al. Redox dynamics of later Cambrian oceans[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2021, 581: 110623.

[72] DAHL T W, BOYLE R A, CANFIELD D E, et al. Uranium isotopes distinguish two geochemically distinct stages during the later Cambrian SPICE event[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2014, 401: 313-326.

[73] LEROY M A, GILL B C, SPERLING E A, et al. Variable redox conditions as an evolutionary driver? A multi-basin comparison of redox in the middle and later Cambrian oceans (Drumian-Paibian)[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2021, 566: 110209.

[74] WANG H, ZHANG H, ZHANG Y, et al. Sedimentary facies controlled biogeochemical process of biotic extinction and turnover across the Cambrian SPICE event[J]. Communications Earth & Environment, 2024, 5: 683.

[75] 刘雁婷, 傅恒, 陈骥, 等. 塔里木盆地巴楚-塔中地区寒武系层序地层特征[J]. 岩性油气藏, 2010, 22: 48-53.

[76] 云金表, 金之钧, 解国军. 塔里木盆地下古生界主力烃源岩分布[J]. 石油与天然气地质, 2014, 35: 827-838.

[77] 王浩哲, 刘虎, 韦志伟, 等. 塔里木盆地东部上寒武统SPICE事件检出及其油气地球化学意义[J]. 南京大学学报(自然科学), 2020, 56: 354-365.

[78] 李峰, 朱光有, 吕修祥, 等. 塔里木盆地古生界海相油气来源争议与寒武系主力烃源岩的确定[J]. 石油学报, 2021, 42: 1417-1436.

[79] WANG H, ZHAO G, CHENG B, et al. Molecular record of the SPICE event in well YD2, Tarim Basin: insights from catalytic hydropyrolysis of kerogens[J]. Marine and Petroleum Geology, 2023, 148: 106038.

[80] WOODS M A, WILBY P R, LENG M J, et al. The Furongian (late Cambrian) Steptoean Positive Carbon Isotope excursion (SPICE) in Avalonia[J]. Journal of the Geological Society, 2011, 168: 851-861.

[81] HAMMER Ø, SVENSEN H H. Biostratigraphy and carbon and nitrogen geochemistry of the SPICE event in Cambrian low-grade metamorphic black shale, southern Norway[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2017, 468: 216-227.

[82] BIAN L B, CHAPPAZ A, SCHOVSBO N H, et al. High mercury enrichments in sediments from the Baltic continent across the late Cambrian: controls and implications[J]. Chemical Geology, 2022, 599: 120846.

[83] 朱心健, 陈践发, 贺礼文, 等. 塔里木盆地麦盖提斜坡罗斯2井油气地球化学特征及油气源分析[J]. 天然气地球科学, 2017, 28(4): 566-574.

[84] 刘伟, 张光亚, 潘文庆, 等. 塔里木地区寒武纪岩相古地理及沉积演化[J]. 古地理学报, 2011, 13: 529-538.

[85] 潘文庆, 陈永权, 熊益学, 等. 塔里木盆地下寒武统烃源岩沉积相研究及其油气勘探指导意义[J]. 天然气地质学, 2015, 26: 1224-1232.

[86] REN R, GUAN S W, WU L, et al. Evolution of the Neoproterozoic rift basins and its implication for oil and gas exploration in the Tarim Basin[J]. Petroleum Research, 2018, 3: 66-76.

[87] 杨鑫, 李慧莉, 张仲培, 等. 塔里木新元古代盆地演化与下寒武统烃源岩发育的构造背景[J]. 地质学报, 2017, 91(8): 1706-1719.

[88] 王志宏, 丁伟铭, 李剑, 等. 塔里木盆地西缘下寒武统玉尔吐斯组沉积地球化学及有机质富集机制研究[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2020, 56(4): 667-678.

[89] ZHU G Y, MILKOV A V, LI J F, et al. Deepest oil in Asia: characteristics of petroleum system in the Tarim Basin, China[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2021, 199: 108246.

[90] 刘文汇, 胡广, 腾格尔, 等. 早古生代烃源形成的生物组合及其意义[J]. 石油与天然气地质, 2016, 37: 617-626.

[91] HU G, MENG Q Q, WANG J, et al. The original organism assemblages and kerogen carbon isotopic compositions of the early Paleozoic source rocks in the Tarim Basin, China[J]. Acta Geological Sinica (English Edition), 2018, 6: 2297-2309.

[92] 范秋海, 肖中尧, 张海祖, 等. 塔里木盆地北部坳陷及周缘下寒武统烃源岩特征及分布[J]. 地球化学, 2021, 50(3): 251-260.

[93] 朱光有, 胡剑风, 陈永权, 等. 塔里木盆地轮探1井下寒武统玉尔吐斯组烃源岩地球化学特征与形成环境[J]. 地质学报, 2022, 96(6): 2116-2130.

[94] 杨海军, 于双, 张海祖, 等. 塔里木盆地轮探1井下寒武统烃源岩地球化学特征及深层油气勘探意义[J]. 地球化学, 2020, 49(6): 666-682.

[95] 闫磊, 朱光有, 陈永权, 等. 塔里木盆地下寒武统烃源岩分布[J]. 天然气地球科学, 2019, 30(11): 1569-1578.

[96] LIU H, LIAO Z W, ZHANG H Z, et al. Stable isotope (δ¹³C_ker, δ¹³C_carb, δ¹⁸O_carb) distribution along a Cambrian outcrop section in the eastern Tarim Basin, NW China and its geochemical significance[J]. Geoscience Frontiers, 2017, 8: 163-170.

[97] 龚训, 李洪辉, 张君龙, 等. 塔东地区下寒武统泥页岩特征与页岩气有利区优选[J]. 天然气地球科学, 2021, 32(6): 899-913.

[98] DENG Q, ZHANG H Z, WANG H Z, et al. Organic matter accumulation mechanism in the Lower Cambrian strata from Well Luntan 1 in the Tarim Basin, NW China[J]. Geofluids, 2021(1): 6668707.

[99] 姚春彦. 新疆阿克苏乌什地区晚埃迪卡拉纪-寒武纪地层地球化学研究: 化学地层对比及古海洋环境重建[D]. 南京: 南京大学, 2010.

[100] 郭婷婷, 朱碧, 杨涛, 等. 塔里木盆地下寒武统西山布拉克组-西大山组沉积环境演化[J]. 石油实验地质, 2023, 45(2): 252-265.

[101] 应俊峰. 塔里木盆地前寒武纪-寒武纪古海洋环境及其对烃源岩发育的控制作用[D]. 北京: 中国石油大学(北京), 2022.

[102] ALGEO T J, TRIBOVILLARD N. Environmental analysis of paleoceanographic systems based on molybdenum-uranium covariation[J]. Chemical Geology, 2009, 268(3/4): 211-225.

[103] 范青青, 卢双舫, 李文浩, 等. 中下寒武统海相地层地球化学特征及油气地质意义: 以塔里木盆地柯坪地区为例[J]. 中国矿业大学学报, 2019, 48(2): 152-169.

[104] 胡宗全, 高志前, 刘旺威, 等. 塔里木盆地东北缘兴地断裂以北地区下寒武统富有机质泥页岩沉积环境与发育机制[J]. 古地理学报, 2023, 25(6): 1235-1256.

[105] 杨宗玉, 罗平, 刘波, 等. 塔里木盆地阿克苏地区下寒武统玉尔吐斯组两套黑色岩系的差异及成因[J]. 岩石学报, 2017, 33(6): 1893-1918.

[106] McLENNAN S M. Relationship between the trace element composition of sedimentary rocks and upper continental crust[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2001, 2(4): 203-236.

[107] LIN C S, LI H, LIU J Y. Major unconformities, tectonostratigraphic framework, and evolution of the superimposed Tarim Basin, Northwest China[J]. Journal of Earth Sciences, 2012, 23: 395-407.

[108] GAO Z Q, FAN T L. Extensional tectonics and sedimentary response of the Early-Middle Cambrian passive continental margin, Tarim Basin, Northwest China[J]. Geoscience Frontiers, 2012, 3: 661-668.

[109] ZHOU X Q, CHEN D Z, Qing H R, et al. Submarine silica-rich hydrothermal activity during the earliest Cambrian in the Tarim Basin, Northwest China[J]. International Geology Review, 2014, 56: 1906-1918.

[110] 姜常义, 白开寅, 黑爱芝, 等. 库鲁克塔格地区火山岩的岩浆过程与源区组成[J]. 岩石矿物学杂志, 2000, 19: 8-18.

[111] YU B S, DONG H L, WIDOM E, et al. Geochemistry of basal Cambrian black shales and cherts from the Northern Tarim Basin, Northwest China: implications for depositional setting and tectonic history[J]. Journal of Asian Earth Science, 2009, 34: 418-436.

[112] 胡广, 刘文汇, 腾格尔, 等. 塔里木盆地下寒武统泥质烃源岩成烃生物组合的构造-沉积环境控制因素[J]. 石油与天然气地质, 2014, 35: 685-695.

[113] 储呈林, 陈强路, 张博, 等. 热液活动对东二沟剖面玉尔吐斯组烃源岩形成的影响[J]. 沉积学报, 2016, 34(4): 803-810.

[114] 何涛华, 李文浩, 杨二强, 等. 塔里木盆地早寒武世风化-热液耦合过程及其地质意义. 东北石油大学学报, 2022, 46(1): 47-61.

[115] HE T H, LU S F, LI W H, et al. Paleoweathering, hydrothermal activity and organic matter enrichment during the formation of earliest Cambrian black strata in the Northwest Tarim Basin, China[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2020, 189: 106987.

[116] SCHOEPFER S D, SHEN J, WEI H Y, et al. Total organic carbon, organic phosphorus and biogenic barium fluxes as proxies for paleomarine productivity[J]. Earth-Science Reviews, 2015, 149: 23-52.

[117] 张宝民, 张水昌, 边立曾, 等. 浅析中国新元古-下古生界海相烃源岩发育模式[J]. 科学通报, 2007, 52 (增刊Ⅰ): 58-69.

[118] 陈强路, 储呈林, 杨鑫, 等. 塔里木盆地寒武系沉积模式与烃源岩发育[J]. 石油实验地质, 2015, 37: 689-695.

[119] 田雷, 崔海峰, 刘军, 等. 塔里木盆地早、中寒武世古地理与沉积演化[J]. 石油与天然气地质, 2018, 39: 1011-1021.

[120] 金值民, 谭秀成, 唐浩, 等. 浅水超覆沉积富有机质细粒沉积物沉积环境与岩石学特征: 以塔里木盆地西北部寒武系玉尔吐斯组为例[J]. 石油勘探与开发, 2020, 47: 476-489.

[121] 张光亚, 刘伟, 张磊, 等. 塔里木克拉通寒武纪-奥陶纪原型盆地、岩相古地理与油气[J]. 地学前缘, 2015, 22(3): 269-276.

[122] 熊冉, 周进高, 倪新锋, 等. 塔里木盆地下寒武统玉尔吐斯组烃源岩分布预测及油气勘探的意义[J]. 天然气工业, 2015, 35: 49-56.

[123] 刘旺威, 李一凡, 高志前, 等. 塔里木盆地东北缘下寒武统页岩岩相特征与沉积模式[J]. 现代地质, 2023, 37(5): 1155-1168.

[124] ZHAO G C, WANG Y J, HUANG B C, et al. Geological reconstructions of the East Asian blocks: from the breakup of Rodinia to the assembly of Pangea[J]. Earth-Science Reviews, 2018, 186: 262-286.

[125] ROONEY A D, MACDONALD F A, STRAUSS J V, et al. Re-Os geochronology and coupled Os-Sr isotope constraints on the Sturtian Snowball Earth[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(1): 51-56.

[126] ROTHMAN D H, HAYES J M, SUMMONS R E. Dynamics of the Neoproterozoic carbon cycle[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2003, 100: 8124-8129

[127] HAQ B U, HARADENBOL J, VAIL P R. Chronology of fluctuating sea levels since the Triassic[J]. Science, 1987(6): 1156-1167.

基金资助

中国科学院多圈层作用油气富集理论项目(THEMSIE04010104)

国家自然科学基金项目(42273053)

国家自然科学基金项目(42203054)