鄂西地区下寒武统牛蹄塘组页岩层序地层格架及沉积演化^*

Stratigraphic framework and sedimentary evolution of the Lower Cambrian Niutitang Formation shale in western Hubei Province

摘要

下寒武统牛蹄塘组页岩是中上扬子地区重要的烃源岩。目前,对中上扬子地区下寒武统牛蹄塘组层序地层划分和层序地层格架建立等方面还存在较大分歧,尤其针对牛蹄塘组页岩的层序地层学研究相对较少。综合利用野外露头、钻井岩心、常规和能谱测井以及地球化学参数,对鄂西地区下寒武统牛蹄塘组页岩的层序地层格架及沉积演化进行了系统分析。研究表明,鄂西地区牛蹄塘组页岩可识别出2个三级层序,其中牛蹄塘组一段(牛一段)和牛蹄塘组二段(牛二段)分别为1个三级层序,均由海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)组成。以体系域为单元,通过层序地层对比,分析了牛蹄塘组页岩沉积时的沉积环境演变与海平面变化,提出了早寒武世海平面变化的4个阶段,即波动上升期、波动下降期、快速上升期和逐步下降期,最后提出了系统的牛蹄塘组页岩沉积演化模式,为进一步开展中上扬子地区页岩气勘探的有利储集层评价及预测提供理论依据。

Abstract

The shale of the Lower Cambrian Niutitang Formation is an important hydrocarbon source rock in the Middle and Upper Yangtze region. However,significant inconsistencies remain regarding the stratigraphic division and framework establishment of the Niutitang Formation in the Middle and Upper Yangtze region. Moreover,sequence stratigraphic studies focused specifically on the Niutitang shale are still limited. In this study,the stratigraphic framework and sedimentary evolution of the Lower Cambrian Niutitang shale in western Hubei Province were systematically analyzed using an integrated approach incorporating field outcrop observations,drilling core data,conventional and spectral logs,and geochemical proxies. Two third-order sequences are recognized within the Niutitang Formation shale in western Hubei Province. The first(Niu 1 Member)and second(Niu 2 Member)members each constitute a third-order sequence composed of a Transgressive Systems Tract(TST)and a Highstand Systems Tract(HST). Sequence stratigraphic correlation enabled the reconstruction of depositional environments and relative sea-level fluctuations,revealing four evolutionary phases during the Early Cambrian: a fluctuating transgressive stage,a fluctuating regressive stage,a rapid transgression,and a gradual regression. A comprehensive depositional model for the Niutitang shale is established,providing a theoretical foundation for predicting favorable reservoir intervals and guiding future shale gas exploration in the Central and Upper Yangtze region.

Graphical abstract

关键词

页岩 / 层序地层 / 沉积演化 / 牛蹄塘组 / 鄂西地区

Key words

shale / sequence stratigraphy / sedimentary evolution / Niutitang Formation / western Hubei Province

层序地层学研究在油气藏甜点段评价和预测中具有重要作用(Catuneanu and Zecchin,2013;Zecchin and Catuneanu,2013;Hemmesch et al.,2014;Kohl et al.,2014;郭旭升,2017)。随着北美页岩气勘探开发取得突破,层序地层研究逐渐由碎屑岩和碳酸盐岩转向泥岩和页岩(Wang and Carr,2012,2013)。然而,泥岩和页岩通常形成于较深水的环境中,通过地震剖面等传统的方法识别其中的不整合面相对较难。国外学者利用GR曲线、U、Th、K等能谱曲线、元素地球化学曲线、岩相组合和TOC含量变化等多参数多手段,综合判断泥岩和页岩等沉积时期的海侵与海退变化、水体氧化与还原的交替,进而识别层序地层界面,并开展层序地层学研究(Abouelresh and Slatt,2012;Hammes and Frébourg,2012;Hemmesch et al.,2014;Li and Schieber,2020)。研究表明,泥岩和页岩的三级层序通常由海侵体系域和高位体系域组成,海侵体系域顶部一般发育凝缩段,具有较高的有机碳含量,而高位体系域常代表了海退,一般有机碳含量开始降低(郭旭升,2017;陆扬博等,2017)。

目前,前人对下寒武统牛蹄塘组的层序地层学开展了一定研究。梅冥相等(2006)利用多个露头剖面,将贵州地区的牛蹄塘组划分为1个三级层序,并认为其是1个整体向上变浅的沉积序列,由凝缩段和高位体系域组成; 王传尚等(2012)利用典型地层剖面建立了中上扬子地区层序地层格架,并将牛蹄塘组划分出2个三级层序; 王必金等(2013)利用大量露头和钻井资料开展了寒武系的层序划分和地层对比,并将牛蹄塘组划分为半个三级层序,其中高位体系域包含牛蹄塘组上部和石牌组下部地层; 胡忠贵等(2018)利用钻井和露头资料,将湘鄂西地区的下寒武统牛蹄塘组划分为2个三级层序,每个三级层序进一步识别出了海侵体系域和高位体系域; 刘忠宝等(2018)利用露头、岩心和钻井综合研究,将上扬子牛蹄塘组划分为3个三级层序; 魏小松等(2024)通过鄂西ND1井及黔南HY1井旋回地层分析识别出下寒武统主要天文周期,并将牛蹄塘组划分出2个三级层序。由此可见,上述学者在对下寒武统牛蹄塘组层序划分等方面还存在较大分歧,而且专门针对牛蹄塘组页岩的层序地层学研究还相对缺乏。

在前人研究的基础上,综合野外露头剖面、岩心和钻井等资料,对鄂西地区下寒武统牛蹄塘组页岩进行系统的层序地层学分析,查明层序地层格架内牛蹄塘组页岩沉积环境的演变和海平面变化,提出较为系统的多因素控制下沉积演化模式,以期为进一步开展中上扬子地区页岩气勘探的有利储集层评价和预测提供一定的理论依据。

1 区域地质概况

埃迪卡拉纪至早寒武世,华北、扬子和华夏地块是独立的克拉通(Li et al.,2008;Cheng et al., 2016),均分布于赤道附近(1-a)。其中,扬子地块演化为被动大陆边缘盆地,东南部为南华洋(图1-b),西北部为秦岭洋(Wang and Li,2003;Guo et al., 2007;Li et al., 2008)。南华盆地位于扬子板块和华夏板块之间(Cheng et al.,2016;Niu et al.,2018),形成于新元古代罗迪尼亚大陆裂解时期,并在埃迪卡拉纪完全发育而成。早寒武世,扬子地块发生了1次大面积的海侵事件,导致扬子地区广泛覆盖底层缺氧的海水,而后牛蹄塘组黑色页岩沉积并覆盖在埃迪卡拉纪碳酸盐岩台地的顶部(Pi et al., 2013;Liu et al.,2015;Cheng et al.,2016;Li et al.,2018)。这一时期,受区域构造活动的影响,扬子地块上形成了若干洼地,这些洼地主要位于鄂西和渝东以及黔东南,以深水环境为特征,主要沉积灰黑色泥岩、富有机质黑色页岩等岩相组合(Jiang et al.,2011,2012;Li et al.,2018)。

鄂西地区位于扬子地台中部(图1-b),主要包括黄陵背斜、秭归向斜、当阳向斜和神农架背斜等构造单元(图1-c),区内主要断裂的展布方向均为NNE和NE向(Xu et al., 2021),区内震旦系—寒武系发育齐全,为本次研究提供了绝佳的地质记录。其中上震旦统灯影组(碳酸盐岩台地相)与上覆下寒武统牛蹄塘组(深水陆棚相)呈不整合接触,下寒武统石牌组(浅水陆棚相)与下伏牛蹄塘组(深水陆棚相)呈整合接触。早寒武世牛蹄塘组沉积时期,研究区自东向西水体依次加深,分别沉积了潮坪相、浅水陆棚相和深水陆棚相。牛蹄塘组可划分为3个岩性段(图1-d),即牛一段、牛二段和牛三段。其中,牛一段主要为灰黑色泥岩与深灰色泥灰岩组合; 牛二段主要为1套黑色富有机质页岩(区内主要的烃源岩),偶夹灰岩透镜体; 牛三段下部发育1套灰白色粉砂岩,上部为灰色泥晶灰岩。牛蹄塘组页岩主要为牛一段和牛二段,也是研究的目的层。

2 层序地层格架

页岩的层序地层学研究主要在地震剖面解释、测井曲线分析、岩心和露头观察描述等资料综合分析的基础上,进一步开展层序界面识别、层序单元划分、层序发育特征及其演化模式等方面的研究(林畅松等,2000;王传尚等,2011;王冠平等,2019;胡罗嘉等,2021;谢环羽等,2021)。鄂西地区岩心和露头资料丰富,地层发育完整,具有较高的分辨率,是最直观的研究材料,限于地震剖面品质,笔者主要综合测井、岩心和露头等资料建立高分辨率的层序地层格架。

2.1 层序界面识别

层序界面识别是开展层序地层学研究的基础和关键工作(邓宏文等,1996;王鸿祯和史晓颖,1998;林畅松等,2000;郑荣才等,2000;邓宏文,2009;姜在兴,2010)。由于黑色页岩常沉积于水体较深的环境,例如深水陆棚、盆地等,通过地震剖面解释来确定不整合面的传统方法在黑色页岩层序地层学研究中较难实现。然而,岩相特征、测井曲线和地球化学参数在黑色页岩层序地层界面的识别中具有敏感响应(Abouelresh and Slatt,2012;Slatt and Rodriguez,2012)。因此,在前人研究的基础上,通过ZD1井和YY1井GR曲线、U、Th、K能谱曲线和岩性标志对牛一段和牛二段进行层序界面识别(图2)。

2.1.1 层序界面SB1(牛一段底界)

SB1为下寒武统牛蹄塘组和上震旦统灯影组的分界。测井曲线的响应特征表明,该界面处GR曲线变化具有突变增大的特点,由20 API突变至390 API,与此同时U、Th、K能谱曲线与GR曲线具有相似的变化特征。该界面上下,岩相变化明显,界面之下主要为灯影组的浅灰色粉晶白云岩(图3-a,3-b),可见鸟眼构造、叠层石及滑塌角砾等沉积特征,反映该地区在晚震旦世可能为台地相和/或台地边缘相沉积; 界面之上为牛一段灰黑色碳质页岩与深灰色泥灰岩互层(图3-a,3-b),该组合超覆于上震旦统灯影组浅水碳酸盐岩台地之上,区域分布稳定。在台地边缘和大陆斜坡带附近,该套深灰色灰质泥岩有机质含量和稀有金属含量较高,见菌藻生物发育,可能是受到了上升洋流影响所造成。总体上,该界面可能代表了晚震旦世至早寒武世华南古海洋海平面的第1次快速上升。

2.1.2 层序界面SB2(牛二段底界)

SB2为牛一段和牛二段的分界。测井曲线的响应特征与SB1的不同之处在于,界面之下GR曲线呈现出逐渐增大的趋势,界面处GR曲线陡然增大,由42 API突变至544 API,这次的变化幅度比SB1界面处GR曲线的变化幅度更大,界面之上GR曲线总体表现为在高值附近波动。在岩相变化方面,该界面可作为岩相转换面,界面之下主要为灰黑色碳质页岩与深灰色泥灰岩互层(图3-d,3-e),界面之上为牛二段黑色富有机质页岩(图3-d,3-e),可见硅质纹层、黄铁矿透镜体,指示该地区在早寒武世可能为安静且较深水的海洋环境。总体上,该界面可能代表了早寒武世华南古海洋海平面的第2次快速上升。

2.1.3 层序界面SB3(牛三段底界)

SB3为牛二段和牛三段的分界。该界面处Th和K能谱曲线发生突变,由高值突变至低值,GR曲线的变化也具有类似的特征,这种变化趋势与上述2个层序界面处GR曲线和U、Th、K能谱曲线的变化趋势相反,并且曲线的变化幅度相对较小。在岩相变化方面,界面之下主要为牛二段的黑色富有机质页岩,界面之上转变为牛三段的灰白色钙质粉砂岩或灰色泥晶灰岩(图3-g)。综合界面上下GR曲线和U、Th、K能谱曲线以及岩相的变化特征,认为该时期海平面处于下降过程。

2.1.4 最大海泛面(mfs)

牛一段层序和牛二段层序的最大海泛面均分别位于牛一段和牛二段的中部,GR曲线和U能谱曲线在此界面处是一个突变面,变化趋势主要由低值突变为高值,而Th和K能谱曲线则由高值变为低值。由于Th和K元素常来源于陆源输入,尤其是Th元素稳定性较强,可作为陆源输入相对变化的良好指标。因此,该界面处Th和K能谱测井由低值变为高值可能说明,最大海泛面时陆源输入的减少。牛一段层序和牛二段层序在该界面处的岩相特征也有明显变化,牛一段层序的最大海泛面之下深灰色泥灰岩夹层较薄,在最大海泛面附近几乎全部为灰黑色泥岩,而在最大海泛面之上逐渐增厚(图3-c);牛二段层序的最大海泛面附近主要沉积页理较发育的黑色富有机质页岩,在该界面之上开始出现灰色钙质泥岩夹层(图3-f)。同时,TOC含量在牛一段层序和牛二段层序的最大海泛面附近均表现为高值,为该界面处陆源输入量最少、海水缺氧以及沉积物的沉积速率最低提供了证据。

2.2 层序单元划分

锆石SHRIMP U-Pb测年结果显示扬子地区牛一段顶界面年龄为526.5±1.1 Ma,而牛一段底界年龄为539.4±2.9 Ma(Compston et al., 2008),因此牛一段的沉积延续时间约为12.9 Ma,四川盆地筇竹寺组(对应鄂西地区牛二段)沉积延续时间约为9 Ma(Zhang et al., 2022)。因此,牛一段和牛二段沉积延续时间均近似1个三级层序(Miall,1991)。在上述沉积特征分析和层序界面识别的基础上,结合秭归县罗家村剖面、长阳县西寺坪剖面和长阳白竹岭等野外露头剖面和钻井以及测录井资料对牛一段—牛二段层序进行了层序单元划分。基于牛一段—牛二段层序中识别的3个三级层序界面,可以将牛一段—牛二段划分为2个三级层序SQ1和SQ2。其中,SQ1层序对应牛一段,SQ2层序对应牛二段。这2个三级层序均可进一步划分出海侵体系域和高位体系域。SQ1层序的海侵体系域包含2个准层序组,高位体系域包含2个准层序组; SQ2层序的海侵体系域包含3个准层序组,高位体系域包含2个准层序组。

3 层序发育特征

在野外露头剖面和钻井岩心的沉积特征以及层序构成分析的基础上,建立了牛一段—牛二段层序地层格架,进一步分析层序格架内部的层序构成及其特征。整体上,牛一段—牛二段主要由石英、长石、方解石、白云石和黏土矿物组成,其中石英和黏土矿物的百分含量相对较高,石英含量主要分布于4.4%~58.2%之间,平均值24.2%;黏土矿物含量主要分布于1.0%~59.2%之间,平均值30.2%;长石、方解石和白云石的含量相对较低,平均值小于18%(图4; 图5)。以石英为主的脆性矿物含量变化与TOC含量变化相似,主要呈现出自下而上逐渐减少的趋势,而黏土矿物含量变化则与之相反,表现为由下向上逐渐增加的趋势。

Mo_EF、U_EF、V_EF分别代表Mo、U和V的富集因子,是较好的氧化还原指标(Algeo and Maynard,2004;Tribovillard et al., 2006)。Mo_EF、U_EF、V_EF计算公式如下:

$\mathrm{X}_{\mathrm{EF}}=(\mathrm{X} / \mathrm{Al})_{\text {sample }} /(\mathrm{X} / \mathrm{Al})_{\text {PAAS }}$

其中X是样品中Mo、U、V的含量,Al是样品中Al的含量,PAAS代表了太古宙后平均页岩(Nance and Tayor,1976)的组成。X_EF值越大代表元素越富集。

3.1 牛一段层序(SQ1层序)

该层序包括海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)。总体上,该层序在上扬子地区厚度变化较大,厚度主要分布于1.4~28.1 m之间。

海侵体系域主要由牛一段下部的灰黑色页岩夹灰色泥灰岩、钙质泥岩夹层组成,向上泥岩含量增加,泥灰岩或钙质泥岩含量减少(图3-c;图6-a),2口井海侵体系域厚度均小于10 m,GR曲线具有逐渐升高的趋势,主要为深水陆棚沉积,灰黑色泥岩中可见黄铁矿,常以纹层状和结核状产出(图6-b,6-c),可能指示了低能贫氧的沉积环境。ZD1井测试分析结果显示,SQ1海侵体系域岩石矿物成分中石英含量较高,主要分布于7%~28%之间,呈现向上增加的趋势,镜下可见石英颗粒(图6-e),且分布较为零星,岩心可见大量生物碎屑(图6-b);黏土含量较低,介于2%~12%之间,平均为7%;TOC呈波动上升,向上增大后又逐渐减小,平均值约为1.8%;U_EF和V_EF与TOC趋势一致,在牛一段层序底部呈现出局部增大(图4),指示水体可能由氧化突变为还原环境。整体上,U_EF和V_EF在该层序内呈增大趋势,可能代表了海侵体系域期间,海平面的上升过程。

高位体系域对应牛一段上部的灰黑色泥岩夹中层灰色泥灰岩、钙质泥岩组合,向上泥灰岩或钙质泥岩含量增加,灰黑色泥岩含量减少(图3-c,3-d;图6-d),ZD1井厚度26.4 m,明显大于YY1井的5.7 m,GR曲线较稳定,由下至上略呈减小趋势,主要为浅水陆棚相沉积。ZD1井测试结果显示,在矿物组成方面,SQ1高位体系域岩石矿物成分中碳酸盐含量相对较高,石英含量较低,且向上略显降低的趋势,黏土含量变化不大; TOC含量相比SQ1海侵体系域有所降低,平均为1.4%;U_EF和V_EF在高位体系域中也具有波动降低的趋势(图4),指示水体含氧量逐渐增大,这一过程可能代表了高位体系域期间海平面的下降过程。

3.2 牛二段层序(SQ2层序)

该层序厚度较大,分布于55.1~176.1 m之间,在上扬子地区分布稳定,是研究区在早寒武世最主要的烃源岩。该层序由海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)组成。

海侵体系域对应牛二段下部,ZD1井和YY1井厚度分别为38.4 m和51.6 m,GR曲线在高值附近波动,主要为一套富有机质黑色页岩(图3-d,3-e,3-f),黑色含碳页岩层面上可见较多的黄铁矿细纹层(图6-f),长阳西寺坪剖面牛二段黑色含碳钙质页岩中可见较微弱的水平层理,可见较多的海绵骨针等硅质生物(图6-g),呈圆形的横切面或单轴单射/单轴多射的纵切面,扫描电镜可见该体系域发育了大量直径小于10 μm的草莓状黄铁矿(图6-h),表明该时期水体相对较深,主要以深水还原环境为主。ZD1井、YY1井(图4;图5)及西寺坪剖面测试测结果显示,牛蹄塘组SQ2海侵体系域岩石矿物成分中石英含量总体较高,分布于6.1%~58.2%之间,平均为35.5%;黏土含量具有相反的趋势,整体分布于3.7%~59.2%之间,平均为19.8%。由于黏土矿物通常来自于陆源输入,石英含量和黏土矿物含量的镜像变化可能指示石英不是陆源输入来源。TOC含量较高,尤其在最大海泛面处,TOC含量增大至最高值,YY1井TOC平均值为4.5%。U_EF、Mo_EF、V_EF在牛二段层序底部同样呈现出陡然增大的趋势(图4;图5),指示水体进一步缺氧的过程,可能也印证了早寒武世海平面的第2次上升。整体上,U_EF、Mo_EF、V_EF在该层序内虽有波动,但均大于牛一段层序的相应值,说明该时期海平面上升后,稳定在较高水平。

高位体系域主要为灰黑色页岩夹较多的薄层状石灰岩或钙质页岩夹层,向上石灰质夹层增多(图3-f),长阳西寺坪剖面和白竹岭剖面石灰岩较发育,岩性为灰色石灰岩夹黑色页岩(图3-g),可见较少的海绵骨针等硅质生物,个体0.08~0.25 mm,含微量呈长条形为单轴单射或单轴多射的纵切面,个体0.3~1.3 mm,生物屑有沿微层理面分布的趋势。发育少量黄铁矿,黄铁矿在反射光下显金黄色,呈粒状零星分布(图6-i),通过扫描电镜亦可观察到少量草莓状黄铁矿发育(图6-j)。ZD1井和YY1井测试结果显示(图4;图5),牛蹄塘组SQ2高位体系域岩石矿物成分中石英含量有所降低,主要分布于12.8%~51.7%之间,平均值24.6%,虽局部发生波动,但整体呈向上减小的趋势; 黏土含量较高,主要分布于11.2%~51.7%之间,平均为30.3%,且显示出向上增大的趋势; TOC含量明显降低,多在2.5%以内,平均为1.8%;该时期海平面开始下降,主要为深水—浅水陆棚沉积,黏土矿物含量增大,说明陆源碎屑输入量开始增大,该层序顶部深灰色含粉砂微晶灰岩镜下可见含粉砂泥—微晶结构,粉砂碎屑物成分为石英,呈次棱角—次圆状,多与微晶方解石混合分布,说明为近陆环境。泥晶灰岩与粉砂、微晶灰岩混合物各自集中相间分布形成纹层状构造,即水平层理(图6-k),指示了一定的水动力条件。U_EF、Mo_EF、V_EF也表现出明显降低的趋势(图4;图5),表明了水体由海侵体系域的缺氧环境转变为贫氧—富氧环境。

3.3 层序展布规律

建立高频层序地层格架是进一步开展小层预测的关键环节。通过区域连井层序地层对比,建立鄂西地区下寒武统牛蹄塘组一段和二段层序地层格架(图7),并在该地层格架中揭示目的层页岩多重非均质性的时空展布规律,最终为牛蹄塘组页岩非均质性和优质岩相预测提供基础。鄂西地区牛蹄塘组一段和二段2个三级层序发育齐全,每个层序均发育海侵体系域和高位体系域,具有全区可对比性。

牛一段层序(SQ1)厚度较薄,SQ1厚度最大处位于ZD1井,厚度为28.11 m,厚度最小处位于ZD5井,厚度为1.4 m,横向上SQ1厚度变化较快,分布不稳定,厚度由西向东略有增厚的趋势。其中海侵体系域整体厚度略小于高位体系域(图7)。

SQ1岩性横向变化较小,在钻井和剖面中表现出相近的岩性特征,主要岩性包括灰黑色含钙碳质页岩、石灰岩和含碳灰岩等。海侵体系域厚度分布于0.4~11.6 m,岩性主要表现为黑色碳质页岩夹钙质泥岩、泥灰岩,以ZD2井厚度最大。ZD1井、ZD2井、西寺坪和白竹岭剖面显示SQ1海侵体系域TOC变化不大,平均值在1.3%~2.4%之间,石英含量以ZD2井最大,最高可达35.0%。生物碎屑以YY1井最为发育。高位体系域厚1.0~26.4 m,岩性以灰色石灰岩为主,夹碳质页岩或与碳质页岩互层,各钻井和剖面的TOC平均值大多在1.5%以下,变化较小。

牛二段层序(SQ2)海侵体系域厚度介于14.8~57.4 m之间,以ZD2井厚度最小,最大厚度在ZD5井处,达57.4 m,向西的YD3井和向东的ZD2井已经减薄至27.7 m和14.8 m。SQ2海侵体系域岩性横向变化较小,总体表现为一套黑色碳质页岩沉积,发育含钙质泥岩夹层或灰岩透镜体。TOC在YY1井处含量最高,平均为4.5%,YY1井、罗家村剖面、ZD1井TOC呈现自西向东减小的趋势,石英含量变化与TOC展示出相似的特征,YY1井石英含量在8.3%~58.2%之间,平均值达35.5%,ZD1井石英含量在8.8%~53.1%之间,平均值为32.7%。生物屑、海绵骨针和黄铁矿在不同的钻井和剖面SQ2海侵体系域中均广泛发育。SQ2高位体系域的横向变化趋势与海侵体系域类似,ZD5井处SQ2高位体系域厚度达到118.7 m,西侧YD3井减薄至约36.5 m,东侧西寺坪剖面减薄至23.0 m。岩性特征方面,西寺坪剖面和YD3井以含碳灰岩为主夹钙质泥岩,而在其余剖面和钻井中主要为钙质泥页岩和碳质泥页岩的组合,夹少量的石灰岩夹层。该层序TOC总体在2.5%以内,除西寺坪剖面和YD3井TOC较低之外,TOC横向变化趋势不明显,石英含量以YY1井最高,西寺坪剖面和YD3井最低,向东略呈减少的趋势。

4 层序演化模式

在对鄂西地区层序界面识别、层序发育特征分析和层序地层格架建立等研究的基础上,认为牛一段—牛二段沉积时期海平面变化对应4个演化阶段,由下至上依次为: 海平面波动上升阶段(牛一段海侵体系域)、波动下降阶段(牛一段高位体系域)、快速上升阶段(牛二段海侵体系域)、逐步下降阶段(牛二段高位体系域),并提出了鄂西地区牛一段层序(SQ1层序)-牛二段层序(SQ2层序)的层序演化模式(图8)。

牛一段层序(SQ1层序)海侵体系域时期,海平面在该层序底部迅速上升,但在该层序内部呈波动上升趋势,沉积环境为受海平面频繁波动引起的深水陆棚相贫氧环境,预示着早寒武世海平面的第1次上升,上升洋流携带了较多的营养物质进入研究区,该时期发育较多的硅质生物(如海绵骨针、放射虫)和藻类(Pi et al.,2013;Liu et al.,2015;Cheng et al.,2016;Li et al.,2018),而藻类与硅质生物具有良好的共生关系,因为藻类是硅质生物的食物来源(Caron et al.,1995;Dennett et al.,2002;Xiang et al.,2013)。这些生物死亡埋藏后,其硅质壳体为灰黑色泥岩中的硅提供了一定的来源(图8-a)。至该层序高位体系域时期,由于海平面呈波动下降趋势,沉积环境从深水陆棚相向浅水陆棚相过渡沉积,海洋的含氧量逐渐增加,可能导致该时期沉积的有机质不能很好地保存下来,造成高位体系域的TOC含量减少,海平面下降也会导致灰色泥质灰岩发育,因此高位体系域以灰黑色泥岩夹厚层状灰白色泥质灰岩组合为主(图8-b)。

牛二段层序(SQ2层序)海侵体系域时期,可能由于全球持续变暖,引起海平面第2次上升,此时底层海水再次转变为缺氧的环境,由于上升洋流作用增强,大量营养物质被输送到研究区海水中,期间大量硅质生物和藻类重现,为该时期黑色页岩中的硅质提供了物质基础,并导致黑色页岩具有较高的硅质含量。该时期海平面既处于相对较高的水平,又处于相对稳定的状态,使底层海水的缺氧状态持续了较长时间,长时期的缺氧环境有利于有机质的保存,为该时期形成大套烃源岩奠定了基础,导致该时期形成厚层的富有机质黑色页岩(图8-c)。进入高位体系域,海平面下降明显,沉积环境逐渐由缺氧环境转变至贫氧—富氧环境,此时依然可见一定的海绵骨针等硅质生物以及藻类,同时受海平面下降的影响,该时期陆源碎屑输入量明显增大,而且还可能伴随一定的碳酸盐沉积,导致该时期以沉积灰黑色页岩夹较多的薄层状石灰岩薄层为主(图8-d)。

5 结论

1)鄂西地区下寒武统牛蹄塘组一段—二段可识别出3个三级层序界面,分别是牛一段底界(SB1)、牛二段底界(SB2)和牛三段底界(SB3),在牛一段和牛二段内分别识别了最大海泛面(mfs),为层序单元划分奠定了坚实基础。

2)鄂西地区下寒武统牛蹄塘组一段、二段分别为1个三级层序,均由海侵体系域和高位体系域组成,建立了牛蹄塘组一段、二段的层序地层格架,并阐明了层序地层格架内牛一段和牛二段岩相构成和沉积环境。

3)建立了较系统的鄂西地区牛蹄塘组一段、二段层序地层垂向演化模式,并以体系域为单元揭示了早寒武世鄂西地区海平面的变化规律,即海平面首先波动上升(牛一段海侵体系域),然后波动下降(牛一段高位体系域),再快速上升(牛二段海侵体系域),最后逐步下降(牛二段高位体系域)的4个演化阶段。

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基金资助

*古生物与地质环境演化湖北省重点实验室开放研究基金课题(PEL-202005)