川南地区下寒武统筇竹寺组页岩元素地球化学特征及地质意义^*

Elemental geochemistry and geological significance of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in southern Sichuan Basin,China

摘要

上扬子地区筇竹寺组是目前页岩气勘探的重要层位。为重建川南地区下寒武统筇竹寺组沉积古环境,本研究以A1井筇竹寺组页岩为研究对象,通过主量、微量及稀土元素地球化学分析,探究其沉积期风化强度、古气候特征、构造环境及物源特征。结果显示: 页岩中主量元素呈现出TFe₂O₃、MgO和K₂O富集,SiO₂、Al₂O₃和Na₂O亏损; 微量元素中Mo和Cd表现出强烈富集,Sr元素强烈亏损; 稀土元素标准化配分模式与上地壳极为相似,呈现“V”型向右倾斜、轻稀土元素富集、重稀土元素平坦式分布、轻重稀土分异明显、Eu负异常明显的特征; CIA值(48.16~69.36,平均64.03)和A-CN-K图解指示物源区遭受中等强度化学风化作用,指示沉积时期气候温暖、湿润; Th/Sc-Zr/Sc二元图解指示页岩未经历多旋回沉积,不具备沉积再循环特征; K₂O-Rb、TiO₂-Zr、Co/Th-La/Sc和Th/Sc-Zr/Sc二元图解均指示其源岩为中酸性长英质火成岩; 综合特征主量元素构造判别图解及ΣREE分布特征(136.51×10^-6~297.68×10^-6,平均189.23×10^-6,高于大陆上地壳)指示其主体形成于被动大陆边缘。综合古气候条件、物源特征及构造背景,推断川南地区下寒武统筇竹寺组页岩主体形成于被动大陆边缘,沉积时期化学风化强度中等,气候温暖湿润,物源主要来自于康滇古陆的中酸性长英质火成岩,沉积时受热液影响不大。

Abstract

The Qiongzhusi Formation in the Upper Yangtze Region is currently a key target for shale gas exploration. To reconstruct the sedimentary paleoenvironment of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in southern Sichuan Basin,this study takes the Qiongzhusi Formation shales from Well A1 as the research object,and explores the weathering intensity,paleoclimatic characteristics,tectonic setting,and provenance features during their deposition through geochemical analyses of major elements,trace elements,and rare earth elements. The results reveal enrichment of TFe₂O₃,MgO,and K₂O,and depletion of SiO₂,Al₂O₃,and Na₂O in major elements. Among trace elements,Mo and Cd are strongly enriched,whereas Sr is significantly depleted. The REE distribution patterns are comparable to those of the upper continental crust,showing a right-inclined “V”shape with LREE enrichment,flat HREE trends,distinct LREE-HREE fractionation,and notable negative Eu anomalies. CIA values range from 48.16 to 69.36(average 64.03),and A-CN-K diagrams indicate moderate chemical weathering under a warm and humid climate. The Th/Sc-Zr/Sc plot suggests a first-cycle sedimentary origin for the shale,with no evidence for significant sedimentary recycling. Provenance diagrams(K₂O-Rb,TiO₂-Zr,Co/Th-La/Sc,and Th/Sc-Zr/Sc)consistently imply intermediate to acidic felsic igneous sources. Major element discrimination and REE abundances(ΣREE=136.51~297.68×10^-6,avg. 189.23×10^-6,higher than average continental crust)support a passive continental margin setting. Based on paleoclimatic conditions,provenance characteristics,and tectonic setting,it is inferred that the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation shales in southern Sichuan were deposited in a passive continental margin under a warm,humid climate with moderate chemical weathering,predominantly sourced from intermediate-acidic felsic igneous rocks of the Kangdian-Yunnan craton with negligible hydrothermal influence.

Graphical abstract

关键词

筇竹寺组 / 地球化学 / 风化作用 / 物源 / 构造背景 / 川南地区

Key words

Qiongzhusi Formation / geochemistry / weathering / provenance / tectonic setting / southern Sichuan Region

0 引言

页岩气是一种清洁高效的低碳化石能源,其资源量巨大,目前已经发展成为中国地质研究和油气勘探的重点目标(Curtis,2002;Jarvie et al., 2007;张金川等,2008a;邹才能等,2010,2024)。埃迪卡拉纪—寒武纪作为地质历史上生物演化和重大环境变化的关键时期之一,全球气候、海洋环境、构造演化与生物演化等发生了剧烈变化(朱光有等,2020;陈威振等,2024)。四川盆地在埃迪卡拉纪至寒武纪过渡期形成了完整的海相地层序列,为揭示该关键过渡期的古海洋沉积环境变迁规律提供了理想的研究载体。五峰组—龙马溪组已在四川盆地多个区块实现规模开发(张金川等,2008b;郭旭升,2014;马新华,2018;张成林等,2021),筇竹寺组成为下一步极具潜力的海相页岩气勘探开发目标(梁峰等,2022;杨学锋等,2025)。

碎屑沉积物的化学组成受到母岩成分、风化作用和成岩作用等多种因素的共同影响(Taylor and McLennan,1985;操应长等,2018;张茜等,2020;秦何星等,2024)。页岩作为碎屑沉积岩的重要组成部分,相较于其他硅质碎屑岩类,能够更准确地反映地壳物质的平均化学组成(Qadrouh et al., 2021;Ma et al., 2023)。此外,这类岩石还具有显著的地质记录功能,能够较好地保留母岩的原始属性及其经历的成岩演化过程(Chen et al., 2022)。学者们发现通过系统分析页岩元素组成特征,能够有效推断母岩区的岩石类型及其形成时的构造背景(张茜等,2020;Chen et al., 2022;王跃等,2022;Ma et al., 2023)。页岩中稳定且溶解度低的元素的比值受到物源组成的影响(Roser and Korsch,1988)。研究表明,以Ti、Al为代表的主量元素以及Th、Cr、Zr、Hf等微量元素,在风化、搬运、沉积及成岩等地质过程中基本保持原始组成特征(McLennan,1989),不因外界环境改变而发生分异或仅呈现规律性变化并且在海水中的停留时间较短。因此,通过对其含量的系统分析,特别是通过单个元素或多个元素组合的判别方法,能够有效识别沉积岩的源区岩石类型及其形成时的构造环境(Terakado and Fujitani,1998;Zhao et al., 2016)。

前人对四川盆地及其周缘筇竹寺组地层开展了大量研究,主要包括页岩岩相与发育特征(刘忠宝等,2017;罗锦宇等,2023;郭彤楼等,2025)、层序充填和古环境演化模式(吴冬等,2023;陈威振等,2024)、页岩气富集条件与机制(刘忠宝等,2022;雍锐等,2024)、烃源岩评价及有利区优选等(杨威等,2012;魏国齐等,2022),由此取得了较为丰硕的成果(Zou et al., 2014;谢武仁等,2022)。对于盆地及其周缘古环境也开展了一些研究,研究表明筇竹寺组在绵阳—长宁拉张槽内,中上部深水陆棚细粒沉积具有较高的生产力(李依林等,2022),而浅水陆棚沉积序列古生产力较低(赵建华等,2019)。下寒武统筇竹寺组整体上物源较为一致,岩性差异不大,沉积水体主要为还原环境,中—上部地层沉积时含氧量增加,过渡为贫氧—微氧化环境(曹婷婷等,2018)。然而对富有机质页岩系形成的沉积环境的认识仍存在一定分歧,一些学者认为筇竹寺沉积期极端温暖的气候加速了化学风化和陆源碎屑物质的输入,但主要是海底热液造就缺氧、富硅富铁的海洋环境(陈代钊等,2011),促进黑色岩系的形成和有机质的富集; 另外一些学者则认为上扬子地区筇竹寺组黑色岩系主要与上升流和闭塞水体的强还原环境有关。古环境与地球化学分析结果尚不统一,对于沉积环境演化与氧化还原指标的认识亦存在较大分歧(Li et al., 2018;朱光有等,2020;程建和郑伦举,2020)。现有研究普遍认为早寒武世海洋环境呈现氧化分层现象,即表层水体处于氧化状态而深层水体则表现为缺氧或富氧状态,且深海区域可能已开始大规模氧化并且发生在寒武纪早期的生物大爆发事件,进一步证实了深层海水的氧化(Jin et al., 2014;陈威振等,2024)。在此背景下四川盆地南部发育了以陆棚相沉积体系为主的筇竹寺组(程建和郑伦举,2020;陈威振等,2024)。但有些学者认为四川盆地南部筇竹寺组沉积期始终处于浅水—深水陆棚相沉积环境之中(程建和郑伦举,2020;陈威振等,2024)。总体而言,学者们对于川南地区筇竹寺组烃源岩发育规模、储集层特征、有机质富集机制和油气勘探与预测等方面已经取得了一系列认识(程建和郑伦举,2020;朱光有等,2020),利用地球化学分析方法,推断其沉积环境演化方面的研究较多,但仍存在较大分歧。基于此,本研究选取川南地区作为典型研究区域,通过系统分析A1井的主量、微量、稀土元素含量测试数据和有机质丰度测试数据,探讨研究区筇竹寺组页岩形成时的古气候特征、物源区性质和构造环境等,为后续页岩气勘探开发研究奠定一定理论基础。

1 地质背景

研究区位于四川省威远县附近,其现今构造坐落于四川盆地的川中平缓构造带与川西南低褶构造带之间。从古地理格局来看,该区域位于德阳—安岳裂陷槽的中段位置(杨学锋等,2025)(图1-A)。四川盆地自震旦纪以来,以下陷接受沉积为主,在桐湾期上扬子地区整体抬升,四川盆地发育拉张断裂,灯影峡阶地层为海侵退积式的沉积序列,中国南方古陆地的范围减小,川西—川中地区发展成广阔的台地(刘宝珺和许效松,1994;马永生等,2009)。早寒武世初期,上扬子地区开始灯影组海退后的一次大的海侵,震旦系顶部灯影组地层遭受剥蚀,梅树村组和筇竹寺组地层沉积在灯影组岩溶古地貌之上(范海经等,2021)。早寒武世四川盆地在西侧古陆(泸定古陆、滇中古陆)和北侧古陆(摩天岭古陆、汉南古陆)包围下,总体为浅水陆棚的古地理环境。但四川盆地内西部—中部地区发育南北向绵阳—长宁陆棚内凹陷(范海经等,2021),凹陷内水深较大,发育深水陆棚。

川西—川中地区陆棚内凹陷区是影响四川盆地早寒武世沉积的重要构造区域。筇竹寺组是在陆棚沉积环境下,受海侵作用影响形成的广泛分布的海相页岩地层。川南地区筇竹寺组整体在裂陷槽内与下伏的下寒武统麦地坪组含磷地层呈整合接触,在裂陷槽外与下伏的上震旦统灯影组白云岩呈不整合接触,而均与上覆下寒武统沧浪铺组的砂质泥岩和泥质粉砂岩呈整合接触(汪泽成等,2020;范海经等,2021;杨学锋等,2025)(图2)。筇竹寺组可以划分为筇一段和筇二段。其中,筇一段进一步细分为筇一₁亚段(包括1~4小层)和筇一₂亚段(包括5小层和6小层)(杨学锋等,2025)。筇二段包括7小层和8小层(图1-B)。其中,1、3、5、7小层为富有机质页岩段(杨学锋等,2025),也是本次研究的主要层段,其余小层为粉砂质页岩段。

2 样品采集与分析

2.1 样品采集与测试

本次研究系统采集了钻遇筇竹寺组页岩段的A1井23个岩心样品(图1-B)。针对该23个样品系统进行了主量、微量、稀土元素含量测试、有机质丰度测试。其中主量、微量和稀土元素利用Element XR 高分辨电感耦合等离子体质谱仪进行测试,主量元素根据 GB/T 21114-2019标准,微量和稀土元素根据 GB/T 14506.30-2010标准,测试误差均优于 5%。有机质丰度测试利用 CS-230型号碳硫分析仪进行有机碳测试,根据 CB/T 19145-2003标准,测试误差优于2%。

2.2 研究方法

化学蚀变指数(CIA)是业界广泛应用于定量评价风化程度及古气候特征的指标。相关计算公式如下(Nesbitt and Young,1982):

(1)$\begin{array}{l}\mathrm{C}\mathrm{I}\mathrm{A}=[\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}/(\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}+\mathrm{C}\mathrm{a}{\mathrm{O}}^{\mathrm{*}}+\\ \mathrm{N}{\mathrm{a}}_{2}O+{\mathrm{K}}_{2}O\left)\right]\times 100\end{array}$

式中: 氧化物的含量都是摩尔含量,CaO^*指硅酸盐矿物中的CaO,在无法独立获得硅酸盐矿物中的CaO含量时,要对CaO含量进行校正。CaO^*的间接计算公式如下(McLennan,1993):

(2)$\mathrm{C}\mathrm{a}{\mathrm{O}}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{a}\mathrm{l}}=CaO-{\mathrm{P}}_{2}{\mathrm{O}}_{5}\times 10/3$

根据计算后的CaO_residual值与研究区样品的Na₂O、CaO值进行比较,来确定CaO^*的值(杨永祯等,2024)。

然而成岩过程中存在着K的交代作用,导致K含量的升高,CIA值降低,影响古气候恢复的准确性。因此,为了计算无K交代作用下的CIA值,本研究采用Panahi 等(2000)提出的校正后的 CIA_corr计算公式:

(3)$\mathrm{C}\mathrm{I}{\mathrm{A}}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{r}}=[\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}/(\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}+\mathrm{C}\mathrm{a}{\mathrm{O}}^{\mathrm{*}}+\mathrm{ }\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{2}O+{\mathrm{K}}_{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{r}}\left)\right]\times 100$

(4)${\mathrm{K}}_{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{r}}=[\mathrm{m}\times \mathrm{A}{\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}+\mathrm{m}\times (\mathrm{C}\mathrm{a}{\mathrm{O}}^{\mathrm{*}}+N{\mathrm{a}}_{2}O\left)\right]/(1-m)$

(5)$\mathrm{m}={\mathrm{K}}_{2}O/(A{\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}+Ca{\mathrm{O}}^{\mathrm{*}}+N{\mathrm{a}}_{2}O+{\mathrm{K}}_{2}O)$

式中: 各成分均以摩尔数为单位,K₂O_corr为消除K交代作用后岩石中K₂O的含量,m为母岩中 K₂O 的占比,本研究中 m 值的参考值为0.10988919(杨永祯等,2024),由此得到对研究区校正后的 CIA_corr值。

2.3 测试结果

2.3.1 主量元素特征

川南地区筇竹寺组页岩TOC含量介于0.11%~4.40%之间,平均值为1.73%。筇竹寺组页岩样品SiO₂含量为54.10%~67.52%,平均为60.63%,表明页岩中富含硅质矿物; Al₂O₃含量为11.33%~16.45%,平均值为13.58%(表1);TFe₂O₃含量在2.32%~7.92%之间,平均值为5.12%,Fe元素的富集可能与筇竹寺组页岩富含黄铁矿有关(表1)。碱性元素Na₂O、K₂O、CaO和MgO含量的平均值分别为2.22%、3.61%、3.10%和2.68%。P₂O₅、TiO₂和MnO的平均含量均小于1.00%。将页岩样品主量元素与上地壳元素含量(UCC)(Taylor and McLennan,1985)进行对比显示,TFe₂O₃、MgO和K₂O等元素富集,SiO₂、Al₂O₃和Na₂O等元素亏损(表1;图3-A)。

2.3.2 微量元素特征

通过对比研究区筇竹寺组页岩样品微量元素含量与UCC元素丰度(Taylor and McLennan,1985,1995;McLennan,2001)可以看出,Mo和Cd两种元素表现出强烈富集的特征; Ni、Zr和Th等元素并未表现出明显的富集特征; Li、V、Cu等元素表现出弱富集的特征; Be、Co等元素呈现出弱亏损的特征; Sr元素表现出强烈亏损的特征(表2;图3-B)。

2.3.3 稀土元素特征

纵向上,研究区筇竹寺组页岩稀土元素(Rare Earth Element,REE)含量有一定的规律性(图4)。研究区筇竹寺组页岩稀土总量ΣREE介于136.51×10^-6至297.68×10^-6之间,平均值为189.23×10^-6(表3),大于大陆上地壳稀土元素总量,表现为明显富集的特征。A1井筇竹寺组黑色页岩样品的ΣLREE/ΣHREE比值介于4.07至13.58之间,平均值为7.24(表3),表明该区域页岩中轻稀土元素相对富集,而重稀土元素则呈现亏损特征。

采用球粒陨石标准化方法对筇竹寺组页岩样品中的稀土元素(REE)含量进行归一化处理(图5)。La_N/Yb_N与形成环境有关,在受陆源影响的环境中,轻稀土元素富集比较明显(La_N/Yb_N=1.49~1.74),La_N/Yb_N一般会随陆源碎屑输入的增多呈有规律的递增; 而在远洋或者深海盆地中,轻稀土元素明显亏损(La_N/Yb_N在0.70左右),洋中脊更低(La_N/Yb_N平均在0.30左右)(杜远生等,2007;Bai et al., 2015)。研究区筇竹寺组页岩La_N/Yb_N值介于3.78~15.24之间,平均为6.59,反映其受物源影响较大。本次研究的重点层段1、3、5和7小层的La_N/Yb_N值分别为4.55、11.97、6.15和5.96,表明其均形成于大陆边缘环境,1、5、7小层沉积期水体相对较浅,3小层沉积期水体相对较深。δEu值介于0.68~0.90之间,平均为 0.77,表现为负异常特征(表3)。川南地区筇竹寺组页岩样品的球粒陨石标准化配分模式曲线呈V型向右倾斜,轻稀土元素富集,重稀土元素平坦式分布,Eu负异常特征明显(图5)。

3 讨论

3.1 沉积再循环与风化作用

在沉积过程中,Th/Sc值具有较好的稳定性,而Zr/Sc值则会在沉积旋回期间呈现增加的趋势,这归因于锆石矿物的持续富集(Qadrouh et al., 2021)。因此,Th/Sc与 Zr/Sc 二元图解(McLennan et al., 1993)可用于沉积再循环和沉积物分选的评价,当样品点平行于趋势线1分布时,Th/Sc和Zr/Sc值呈现线性关系,属于首次循环沉积产物,其化学组成基本保持源岩特征,未经历明显的分选和再旋回。反之,若样品点分布符合趋势线2的特征,表现为Zr元素显著富集,则反映沉积物受到了分选和再旋回作用的影响,属于再循环沉积产物。

川南筇竹寺组页岩样品中,大部分样品点Th/Sc与Zr/Sc值呈现显著的正相关关系,但有1个样品点偏离趋势线(图6)。这一比值变化特征与组分变化趋势线1基本吻合,表明研究区页岩未经历多次沉积旋回的改造。A-CN-K图解(图7-A)(Nesbitt and Young,1984,1989)显示,筇竹寺组页岩样品的化学风化趋势与 A-CN线相交(图7-A),并且K元素富集(表1),表明研究区沉积岩在成岩期经历了钾的交代作用。交代作用使得岩石中钾含量增加,进而导致化学蚀变指数(CIA)的降低。对K₂O含量进行公式校正(公式1-5),结果显示,样品点的分布趋势与A-CN边界线基本保持平行(图7-B)。筇竹寺组页岩样品在A-CN-K三元图解中的分布特征(图7-B)表明其经历了中等强度的化学风化作用。说明斜长石相较于钾长石基本上已经完全被风化,Na因强烈的化学风化作用而大量淋失,钠元素相较于钾元素更易遭受风化(郭若舜等,2018)。根据前人研究(Sheldon,2006;Algeo et al., 2011),化学风化作用的增强主要受控于温度升高、酸沉降增加以及成土反应速率加快,或是这些因素共同作用的结果。页岩样品与花岗闪长岩的风化趋势一致,少量样品分布在安山岩和花岗闪长岩之间(图7-B),初步表明川南地区筇竹寺组页岩的沉积源岩可能是长英质岩类或者安山岩类。

杨永祯等(2024)研究认为康滇古陆东缘筇竹寺组沉积岩沉积期经历了强烈的化学风化,并且沉积岩成分主要受源岩成分控制,而不是沉积物质的循环改造(杨永祯等,2024)。

本研究的结论与前人研究结论一致,但本研究以川南地区为研究区,利用A-CN-K图解和微量元素、稀土元素特征参数,确定研究区页岩未经历多期旋回的改造,经历了中等强度的化学风化作用。

3.2 古气候条件

CIA值可以用来反映古气候条件。前人研究认为,较低的CIA值(<60)表明与寒冷和干旱条件有关的较弱的化学风化气候,中等CIA值(60~80)表明中等程度的化学风化可能与温暖和潮湿的气候有关,高CIA值(>80)表明与炎热和潮湿的气候有关的强烈化学风化气候(Nesbitt and Young,1982;Fedo et al., 1995)。铝(Al)主要富集于细粒层状硅酸盐黏土矿物中,其形成与硅酸盐化学风化有关(Penman et al., 2020)。钛(Ti)通常存在于重矿物(即金红石)中,通过风成通道进入海洋环境(Yarincik et al., 2000)。Ti/Al值可作为古气候重建的独立指标(Zhang et al., 2021)。高Ti/Al值通常表明风沙输入或风强度增强以及干旱气候(Beckmann et al., 2005)。同时,温室背景下的Ti/Al值与UCC相似(0.05),因为风成输入较低(Yarincik et al., 2000)。沉积岩的微量元素含量和某些元素的比值已在判断沉积环境中得到广泛应用。喜干型元素(Sr)和喜湿型元素(Cu)的比值可以反映古气候特征,Sr/Cu<10指示温湿气候,Sr/Cu>10指示干热气候(莱尔曼,1989)。

研究区筇竹寺组CIA值介于48.16~69.36之间,平均值为64.03,其中2小层CIA平均值为57.78,其余层段CIA平均值均大于60,表明除了2小层沉积期为寒冷和干旱的较弱的化学风化气候,其余层段均为中等化学风化作用背景下的温暖湿润型气候。Ti/Al值介于0.05~0.07之间,平均值为0.06,与UCC相似,表明其为温暖湿润型气候。研究区23个样品Sr/Cu值在0.40~10.55之间,平均值为3.99,结果显示大部分小于10,仅个别值大于10,反映出川南地区筇竹寺组沉积期温湿的古气候。喜干型元素Sr元素表现出强烈亏损,其含量为135.82×10^-6,明显低于上地壳的含量(350.00×10^-6),Sr的亏损与其沉积水体环境有关,表明川南地区筇竹寺组在沉积时期整体处于相对湿润的气候环境。综上所述,川南筇竹寺组沉积时期古气候背景为温暖湿润的气候,物源区呈中等风化强度。

刘慧萍等(2025)研究认为,川北地区寒武系筇竹寺组沉积期古气候背景为温暖湿润,物源区呈中等风化强度。杨永祯等(2024)研究认为乌龙村剖面筇竹寺组沉积期古气候条件为亚热带温暖湿润气候。程涌等(2024)利用稀土元素特征,确定滇东会泽地区筇竹寺沉积期间总体为温暖潮湿的气候特征。研究结论与前人一致,但本研究区为川南地区,利用研究区样品的CIA值及其他主、微量元素特征参数,揭示了川南筇竹寺组沉积时期古气候背景为温暖湿润的气候,物源区呈中等风化强度。

3.3 物源分析

在碎屑岩形成过程中,铝、钛和锆等主量元素具有较强的稳定性,不受风化、搬运及成岩作用的影响,比如其氧化物(如Al₂O₃、TiO₂和ZrO₂)在低温溶液中不易溶解,其比值与源岩具有显著的相关性,因此常被用于碎屑岩的物源区属性研究(Hayashi et al., 1997)。有些稳定性较高的微量元素和稀土元素能够有效保存源岩的地球化学特征,因此常被用来判别物源类型(郭望等,2020)。TiO₂与Zr的比值(TiO₂/Zr)是推断源岩组成的重要地球化学参数,基性火成岩通常富含TiO₂,而长英质火成岩则富集Zr元素(Tao et al., 2017)。不同岩性的TiO₂/Zr值存在明显差异,镁铁质岩石、中间型岩石和长英质火成岩的TiO₂/Zr值分别是大于200、55至200之间和小于55(Hayashi et al., 1997)。此外,分析稀土元素配分模式和Eu、Ce等元素的异常情况,可作为源岩确定的重要依据(Kasanzu et al., 2008)。

川南筇竹寺组页岩样品的测试数据显示,其K₂O/Rb值的平均值为375.22。样品点在K₂O-Rb二元图解中集中分布在中酸性成分区域(图8-A),说明研究区页岩的母岩成分主要来源于中酸性岩石。在TiO₂-Zr二元图解中(图8-B),除了1个样品点落入基性火成岩区域,其余样品点都落入长英质火成岩区域,说明页岩物源主要是偏酸性的长英质火成岩类。川南地区筇竹寺组页岩样品的TiO₂/Zr 值在22.91~50.33之间,平均值为 35.33,反映出长英质火成岩的特征。川南地区筇竹寺组页岩的Co/Th 值较低(平均值为1.40),La/Sc 值较高(平均值为2.48),符合中酸性岩的特征(Floyd and Leveridge,1987)。样品点在 Co/Th-La/Sc 二元图解中(图8-C)的分布特征,表明页岩源岩主要是长英质火山岩类。利用前人建立的Th/Sc-Zr/Sc双变量判别图版进行投点,所有样品点集中分布在安山岩与长英质火成岩之间(图8-D)。研究表明,长英质和中性火成岩通常具有较高的轻稀土总量与重稀土总量比值(ΣLREE/ΣHREE),表现为轻稀土元素相对富集而重稀土元素相对亏损的特征; 而基性火成岩表现出相反的特征(Roddaz et al., 2006)。如稀土元素球粒陨石标准化配分模式曲线所示(图5),研究区筇竹寺组页岩样品的轻稀土富集、重稀土亏损,表明其源岩为长英质和中性火成岩。基于主量元素、微量元素及稀土元素的地球化学综合分析,结果表明川南筇竹寺组页岩源岩主要为中酸性的长英质火成岩。

前人研究表明,川南地区早寒武世主要供源古陆为康滇古陆(吴冬等,2023)。康滇古陆广泛发育1500~1700 Ma中元古代地层,元古界之上的地层因遭受剥蚀或沉积缺失,现今已不存在。楚雄地区典型的元古代地层有东川群、会理群以及汤丹群,发育大量的凝灰岩、灰色凝灰质板岩、浊流成因的灰色块状变凝灰质砾岩与含砾凝灰质砂岩、球颗玄武岩以及花岗岩。东川群、会理群以及汤丹群被认为是古元古代末期康滇地区陆内裂谷拉张事件和扬子陆块周缘中元古代末期Rodinia汇聚过程的产物(王奖臻等,2012;王生伟等,2013;宋昊等,2015;刘军平等,2020;刘建清等,2021)。因此基于筇竹寺组沉积岩物源示踪以及上述分析来看,康滇古陆石英沉积物源区的(长英质基岩)东川群、会理群和汤丹群很有可能为川南地区筇竹寺组沉积提供砂泥岩,其中沉积岩K₂O含量较高可能来自花岗岩和凝灰岩的代入,基性岩的混入可能是来自源区的球颗玄武岩(刘建清等,2021)。综上,筇竹寺组沉积岩主要来自康滇古陆东川群、会理群和汤丹群中的花岗岩和富含长英质矿物的沉积岩等上地壳长英质岩石,存在基岩混入。杨永祯等(2024)研究认为,康滇古陆东缘筇竹寺组沉积岩主要来自康滇古陆元古界东川群、会理群和汤丹群的上地壳长英质岩石。程涌等(2024)通过综合分析δEu、δCe、ΣREE及其他地球化学参数,推断滇东会泽地区筇竹寺组黑色岩系母岩主要为长英质岩石(程涌等,2024)。本研究的结论与前人研究结论一致,但本研究主要利用主量元素、微量元素和稀土元素特征参数分析的方法,揭示川南地区筇竹寺组页岩源岩主要为来自康滇古陆中酸性的长英质火成岩。

3.4 构造背景判别

前人研究发现微量元素和稀土元素(如La、Sc和Cr等元素),在一定程度上记录了沉积活动中构造活动变化的情况,可用于推断沉积盆地的构造演化历史(Floyd and Leveridge,1987)。Bhatia和 Crook(1986)总结出不同构造背景下沉积岩的 REE分布特征(表4),可依据对比结果综合判断出最为接近的构造背景。此外,主量元素及其氧化物的比值是确定物源区构造背景的重要手段(Maynard et al., 1982)。

根据Roser和Korsch(1986)提出的K₂O+Na₂O-SiO₂构造背景判别图(图9-A)、Bhatia(1983)提出的TiO₂-TFe₂O₃+MgO构造判别图解(图9-B)、Maynard等(1982)提出的SiO₂/Al₂O₃-K₂O/Na₂O双变量判别图解(图9-C)和Boström等(1973)提出的(Al₂O₃)/(Al₂O₃+Fe₂O₃)-Fe₂O₃/TiO₂双变量判别图(图9-D),4个不同的判别图,结果均显示筇竹寺组沉积岩源区构造背景为被动大陆边缘环境。源岩若处于被动大陆边缘,稀土元素特征主要表征为轻稀土富集,Eu为负异常的特征; 若处于活动大陆边缘其主要成分为火山岩,分异程度较低,表现重稀土富集,无Eu亏损的特征(Bhatia,1985)。川南地区筇竹寺组页岩稀土元素总量ΣREE介于136.51×10^-6~297.68×10^-6之间,平均值为189.23×10^-6,与活动大陆边缘和被动大陆边缘都较为接近; LREE/HREE 平均值为7.24,δEu 的平均值为0.77(表4),表现出轻稀土明显富集且Eu负异常的特征,指示构造背景为被动大陆边缘(表4)。综合分析,认为川南地区筇竹寺组页岩的沉积物源区的构造背景为被动大陆边缘。

久凯等(2012)研究认为,早寒武世上扬子地区,盆地类型主要有克拉通盆地、克拉通边缘盆地和被动大陆边缘盆地,整体表现为古斜坡的背景(久凯等,2012)。刘建清等(2021)对康滇古陆东缘锌厂沟剖面沉积岩进行了地球化学特征的分析,确定康滇古陆东缘筇竹寺组沉积岩主要形成于大陆边缘环境。杨永祯等(2024)利用主量元素进行分析,确定滇东地区早寒武世筇竹寺组沉积岩主要形成于被动大陆边缘环境; 但通过微量元素分析,得出的结论是物源区位于大陆岛孤构造背景。这是因为,被动大陆边缘物源的复杂性以及样品未经历多旋回沉积,沉积岩保留了源岩形成时的大陆岛孤微量元素特征(杨世文等,2016;杨永祯等,2024),以及热液作用带来了微量元素并通过上升洋流在被动大陆边缘陆棚环境中沉积下来。程涌等(2024)通过对稀土元素特征参数的对比,确定滇东会泽地区筇竹寺组黑色岩系的构造背景为大陆岛弧环境。

扬子地区自新元古代青白口纪以来,一直处于Rodinia大陆西北边缘的位置,扬子地区广泛发育裂谷。震旦纪以后,扬子地区盆地原型由裂谷盆地向被动陆源坳陷或克拉通内裂陷型盆地演变,直到早古生代晚期Gondwana大陆聚合之前,扬子地区一直处于被动大陆边缘的板块构造背景(鲁国,2021),这与本研究得出的早寒武世筇竹寺组沉积岩形成于被动大陆边缘的结论一致。另外在筇竹寺组沉积期,上扬子地区发生的构造运动是兴凯运动Ⅱ幕,构造运动性质以拉张裂陷为主要特征(李伟等,2015),拉张持续到华南陆块与东冈瓦纳的碰撞中逐渐结束(王志伟等,2023),这也与被动大陆边缘的特征相符合。因此在川南地区筇竹寺组沉积期,构造背景为Rodinia大陆发生裂解形成的被动大陆边缘环境,受兴凯运动影响,上扬子地区局部区域进一步裂解并沉降导致海侵(李伟等,2015)。本研究采用主量元素进行构造背景的判别,研究结论与前人一致,川南地区早寒武世筇竹寺组沉积岩主要形成于被动大陆边缘的构造背景环境。

3.5 热液作用

海底热液对页岩沉积具有重要影响(Yu et al., 2009)。海底热液活动可以通过Ba/Sr、Co/Zn值来判别。Zn-Ni-Co三角图可作为判断热液影响的方法之一(侯东壮等,2019)。在判断受热液影响的沉积物距离热液活动中心远近时,ΣREE/Fe值可作为有效指标,该比值越大,距离热液活动中心就越远,反之则越近(Olivarez and Owen,1989)。海水中海底热液的贡献量可通过(Eu/Sm)_N-(Sm/Yb)_N二元图解(Alexander et al., 2008)进行判断。研究表明,海底热液活动通常表现为显著的铕(Eu)正异常,Eu正异常程度可作为评估高温热液贡献量的重要依据(Bau and Dulski,1999)。

通常受海底热液影响的沉积物 Ba/Sr值大于1,正常海相沉积物的 Ba/Sr值小于1(Peter and Scott,1988)。研究区筇竹寺组页岩的 Ba/Sr值介于 5.60~33.94,普遍大于1,表明其沉积时受到海底热液影响。铁锰结核等正常沉积形成的岩石Co/Zn值一般在2.5左右,热液成因的沉积物中Co/Zn值约为0.15(张茜等,2018)。研究区筇竹寺组页岩的 Co/Zn值介于0.01~0.38,平均为 0.15,同样反映存在热液活动。样品点在Zn-Ni-Co三角图中,主要落在热水沉积物区域及其附近,进一步反映热液活动的存在(图10-A)。研究区筇竹寺组页岩的ΣREE/Fe值介于382.08×10^-4~867.87×10^-4之间,平均为555.73×10^-4,说明研究区筇竹寺组页岩沉积时离热液活动中心较远。研究区筇竹寺组页岩样品点在(Eu/Sm)_N-(Sm/Yb)_N二元图解中接近于水成铁锰质地壳与海水(图10-B),表明在原始溶液中海底热液的占比尚不足 0.1%。此研究区样品均表现为Eu负异常进一步说明原始溶液中海底热液组分较少,对页岩沉积影响极小,推测其为远离热液活动中心的远端沉积(张茜等,2018)。

上扬子地区的川南、湘黔等地区在早寒武世向南开口,与华南洋(早期热水)相通,形成热水深水陆棚区(苏奎等,2009)。Wang等(2012)研究表明,在埃迪卡拉纪—寒武纪过渡期华南湖南西部扬子台地边缘带,在张性构造背景下,深部富硅热液沿深切基底的断裂向上运移,在台—盆转换带直接形成硅质岩。程涌等(2024)研究认为,滇东会泽地区筇竹寺组沉积岩受到了富金属热水作用的轻微影响(程涌等,2024)。本研究结论与前人研究结论一致,早寒武世筇竹寺组在上扬子地区存在热液活动影响,但早寒武世热液活动主要分布于在上扬子地区东南缘(赵建华等,2019),故川南地区受热液影响不大。

3.6 沉积模式

海陆分布格局和构造运动共同决定了风化产物的来源,这些因素共同影响沉积环境和沉积相的分布。四川盆地处于上扬子稳定克拉通西北缘,在早寒武世时期被西侧康滇古陆和北侧古陆(摩天岭古陆、汉南古陆)所包围。早寒武世康滇古陆为四川盆地及其周缘提供显著且持续的碎屑供给(吴冬等,2023)。康滇地区自古元古代至新元古代期间,经历了多期岩浆活动,其中新元古代时期的岩浆活动更为显著(朱利岗,2019)。新元古代时期,扬子陆块西南缘的岩浆活动分布更为广泛,持续时间更长(920~740 Ma)。这一时期的岩浆岩以中酸性为主,同时伴有基性至超基性岩体和岩脉。川南地区筇竹寺组沉积期,构造背景为Rodinia大陆发生裂解形成的被动大陆边缘环境,受兴凯运动影响,上扬子地区局部区域进一步裂解并沉降导致海侵(李伟等,2015)。四川盆地在早寒武世广泛海侵的背景下总体为浅水陆棚的古地理环境。

筇竹寺组沉积期,川南地区处于上扬子西北缘的局限海盆,沉积水体较深,整体处于缺氧还原环境,利于有机质的保存。该时期气候温暖湿润,康滇古陆长英质岩石风化提供丰富的陆源碎屑供给。同时盆地断裂活动诱发热液活动携带一定量的Pb、Zn和Cu等金属元素上涌。热液活动参与海洋中生物的生命活动,可以为海洋生物的发育提供物质基础并提高古生产力。此外,热液活动为川南地区下寒武统筇竹寺组黑色页岩提供了必要的物质基础和保存条件,有利于形成优质烃源岩。在较还原条件下,陆源碎屑、有机质和一些金属硫化物共同沉积形成了黑色岩系。

4 结论

通过研究川南地区下寒武统筇竹寺组页岩的主量元素、微量元素和稀土元素地球化学特征,得到以下几点认识:

1)川南地区筇竹寺组页岩主量、微量和稀土元素含量与大陆上地壳平均值相比较,主量元素分析表明TFe₂O₃、MgO和K₂O富集,而SiO₂、Al₂O₃、Na₂O及CaO则相对亏损; 微量元素Mo和Cd强烈富集,Sr则表现出强烈亏损; 稀土元素配分模式呈现典型的右倾“V”字型分布,表现为轻稀土元素明显富集、重稀土元素相对亏损的分异特征,并伴有Eu负异常。

2)Th/Sc-Zr/Sc二元图解分析结果表明,研究区沉积岩成分主要受控于母岩成分,而非沉积再循环作用的影响。校正后的 CIA值表明川南地区筇竹寺组沉积岩经历了中等强度的化学风化作用,沉积岩源区处于温暖湿润的气候条件。主量、微量、稀土元素的物源和构造背景图解,指示页岩沉积物的物源主要来自于康滇古陆的中酸性的长英质火成岩,源岩形成时的沉积构造背景主要为被动大陆边缘环境。

3)利用前人建立的Zn-Ni-Co三角图和(Eu/Sm)_N-(Sm/Yb)_N二元图解进行投点,显示原始溶液中海底热液组分较少,对页岩沉积影响极小,推测其为远离热液活动中心的远端沉积。

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基金资助

*国家自然科学基金项目(42372173)