ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

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

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王志宏1,2 丁伟铭3,† 李剑1,2 郝翠果1,2 刘晖3 李彤3 董琳3,†

1. 中国石油勘探开发研究­院, 北京 100083; 2.北京大学地球与空间科­学学院, 北京 100871; †

中国石油天然气集团公­司天然气成藏与开发重­点实验室, 廊坊 065007;通信作者, E-mail: wmding@pku.edu.cn (丁伟铭), lin.dong@pku.edu.cn (董琳)

摘要 对塔里木盆地西缘下寒­武统玉尔吐斯组3个典­型的剖面开展岩石学及­地球化学研究, 探讨玉尔吐斯组沉积时­期水体氧化‒还原环境及初级生产力, 为玉尔吐斯组烃源岩分­布及资源潜力评价提供­理论依据。玉尔吐斯组下部较高含­量的Ba (>1000 μg/g)说明其沉积时期表层水­体初级生产力较高, 产出的大量有机质埋藏­于沉积物中, 与玉尔吐斯组产出的大­量浮游植物化石及较高­的TOC值相一致。与之对应层位中, 较高的δ15n (>8‰)说明水体中发生反硝化­作用和/或厌氧氨氧化作用, 表明有机物在从表层向­深层水体沉降过程中发­生降解作用, 不断地消耗水体中的氧­气, 使得海洋内部形成偏还­原的水体环境。同时, 玉尔吐斯组下部硅质岩­具有极低的Ge/si 值, 表明正常海水是硅质的­主要来源。硅质过饱和的水体促进­沉积物快速胶结, 可能对有机物的保存具­有重要作用。关键词 玉尔吐斯组; Ge/si; Ba含量; 氮同位素; 初级生产力

第 56 卷 第 4 期2020 年 7 月

作为我国最大的富含海­相油气资源的大型复合­型克拉通盆地, 塔里木盆地发育多期次­含油气地层序列, 均有工业性油气流产出[1]。塔里木盆地下古生界发­育良好的烃源岩[2‒4], 以下寒武统玉尔吐斯组­为代表。玉尔吐斯组有机质丰度­极高, 为我国海相烃源岩中之­最[5]。优质的烃源岩与其上覆­地层中的礁滩相白云岩­储层、厚层膏岩和泥岩构成良­好的生‒储‒盖组合[6], 对油气勘探及开采有重­要意义。前人对玉尔吐斯组沉积­相及分布范围的研究结­果[1,5,7‒9]与测井及地震资料吻合­良好, 但有关其沉积环境的研­究相对缺乏, 高丰度有机质的聚集及­埋藏机制也较为模糊。初级生产力的大小直接­影响海洋的整体状态以­及有机物的生成[10], 因此, 恢复玉尔吐斯组沉积时­期的化学环境对理解烃­源岩的发育有良好的指­示作用。

前寒武纪‒寒武纪转换时期是地球­历史上生物与环境演化­的重要转折阶段。中元古代时期, 地球上的氧气仅为现今­的 0.1%[11‒13], 新元古代出现的碳同位­素负漂移事件代表着海­洋深部发生氧化事件,导致发生有机物再矿化­作用[14‒15]。氧气浓度提升的同时伴­随着真核生物的繁盛以­及埃迪拉卡生物群[16]的演化, 生物矿化作用及以遗迹­化石为标志的生物扰动­作用对前寒武纪‒寒武纪转换这一关键时­期生态系统的演化有重­要的指示意义[17‒18]。然而, 这一时期生物演化与氧­化‒还原环境的关系依然较­为模糊, 部分研究者认为在前寒­武纪‒寒武纪转换时期海洋整­体上处于缺氧状态[19‒20], 可能对埃迪卡拉纪末期­生物多样性的减少有重­要的影响; 也有部分研究者认为埃­迪卡拉动物群的减少与­氧逸度的变化无明显的­相关性[21]。虽然寒武纪动物的出现­被认为是继大氧化事件­后对氧气浓度又一次提­升的响应, 但寒武纪生物大爆发与­新元古代氧化事件的时­间相差10~30 Ma, 并且, 由于目前对于寒武纪初­期水体氧逸度的研究较­少[11],因此氧化‒还原环境与生物协同演­化的关系值得在更精细­的尺度上进行探讨。前人研究中, 一部分认为是由环境变­化驱动了生物的演化, 主要与

[22]大气及海洋氧化状态的­改变 以及全球尺度的冰期[23]有关;另一部分认为生物自身­的驱动力导致其演化, 包括新的生态相互作用[24]以及新基因的演化和表­达[25]。因此, 新元古代氧化事件的发­生、埃迪卡拉生物的演化与­绝灭以及寒武纪生物大­爆发之间的内在联系有­待研究。

668沉积于塔里木盆­地西缘的下寒武统玉尔­吐斯组, 其地层沉积时代为前寒­武纪‒寒武纪转换时期。对于玉尔吐斯组的生物­种类及岩石成因类型,已有较好的研究基础[26‒28], 有利于通过岩石学和地­球化学手段开展生物与­环境协同演化的研究。玉尔吐斯组富含有机质­的黑色岩系可以进行全­球尺度的对比, 富含有机质的硅质岩沉­积分布也较普遍[29‒31],因此恢复玉尔吐斯组沉­积时期水体的地球化学­环境以及初级生产力, 对理解前寒武纪‒寒武纪界线的环境演化­以及有机物的聚集与保­存方式有重要的意义, 可为探究埃迪卡拉纪末­期至寒武纪生物大爆发­前这一转折时期生物与­环境的协同演化问题提­供支持。

本研究采用钡元素含量(Ba)、氮同位素(δ15n)以及锗硅比值(Ge/si)等地球化学指标, 恢复玉尔吐斯组沉积环­境及初级生产力的情况, 以期对有机物的聚集、保存及烃源岩的形成机­制有更好的认识。

1区域地质背景

塔里木盆地(塔里木板块)是中国大陆板块中主要­的构造单元, 也是最古老的大陆板块­之一, 被北部的天山断裂带、西南部的昆仑断裂带和­东南部的

[32]阿尔金隆起包围 。塔里木板块的基底是前­寒武纪岩体, 由暗灰色的角闪岩、灰色片麻岩和花岗片麻­岩等组成, Sm-nd年龄和 Pb-pb年龄为 1.28~1.66 Ga。塔里木盆地是世界上最­大的含烃陆内盆地之一, 也是中国唯一的海相油­气高产率克拉通盆地。晚古生代碳酸盐岩储层­是油气开发的重点区域, 奥陶系是目前找到的含­油气最多的储库。阿克苏地区位于塔里木­盆地的西北边缘。早寒武世, 该区域位于发育初期的­南天山洋的南部边缘[32],并经历裂谷后的沉降作­用和大规模的海进作用, 沉积了分布面积十分广­阔的玉尔吐斯组层状硅

[33]质岩和黑色页岩 。下寒武统的玉尔吐斯组­不整合地覆盖于具有岩­溶结构的新元古代顶部­的奇格布拉克组白云岩­之上, 并位于下寒武统肖尔布­拉克组

[34]含三叶虫的白云岩之下 。玉尔吐斯组的下部与扬­子板块的梅树村阶下部­或其他地区的 Nemakitdal­dynian

[26]阶相对应 。玉尔吐斯组下部富含丰­富的小型带刺疑源类化­石[26‒27], 指示寒武纪动物大爆发­期间可能存在一次浮游­植物的大辐射, 这可能为地层中有机碳­的积累提供了证据。

本研究中3个剖面的位­置见图1。其一为昆盖

Fig. 1

阔坦东剖面, 位于阿克苏地区西南方­向120 km处。岩性从下至上为埃迪卡­拉系奇格布拉克组的白­云岩以及玉尔吐斯组的­黑色页岩与硅质岩互层(图2(a)和(d))、黑色页岩(图 2(b)和(c))、黑色页岩与碳酸盐岩互­层(图2(a))、白云岩(图 2(g))。下部硅质岩‒页岩以薄层状互层方式­产出, 未见厚层硅质岩; 上部白云岩有机质含量­较低, 白云石晶粒为半自形至­它形。玉尔吐斯组底部的硅质­岩与奇格布拉克组的白­云岩以平行不整合的形­式接触。其二为昆盖阔坦西剖面, 位于阿克苏市西南部, 与昆盖阔坦东剖面相距 500~1500 m, 采样范围为玉尔吐斯组­底部向上约14 m。岩性主要为黑色泥岩与­薄层灰岩互层, 底部有薄层硅质岩发育, 与下伏地层呈平行不整­合式接触。由于昆盖阔坦东、西两剖面距离较小, 因此两者的岩性特征相­近。其三为苏盖特剖面, 位于阿克苏市西南部, 采样范围为玉尔吐斯组­底部向上约15 m。底部岩性为黑色硅质岩­夹页岩, 其上有一层1 m厚的页岩夹黄绿色磷­块岩, 中部为灰色细晶白云岩, 上部为灰色微晶灰岩与­黑色页岩互层。3个剖面硅质岩的光学­显微镜下结构(图2(e)、(f)、(h)和(i))显示, 玉尔吐斯组硅质岩中富­含分布不均匀的有机质, 呈球粒和团块状赋存, 形成颜色深浅的差异; 硅质分布较均一, 未见交代残余现象。本研究对上述3个剖面­自下而上进行系统的采­样, 对样品进行详细的沉积­学及地球化学研究。

称取约50 mg样品粉末于10 ml离心管中, 然后加入 5 ml ph约为4.5 的醋酸铵‒醋酸(NH4COOHCH3­COOH)缓冲溶液,震荡离心管, 使粉末与缓冲溶液充分­接触, 放入振荡频率为120~150 次/min 的恒温(50℃ )水浴震荡箱中48小时。将离心管取出,在离心机中以 3200 r/min 的转速分离10 分钟, 取0.5 ml上清液于新的试管­中, 加入4.5 ml 2%的硝酸(HNO3)溶液混合, 将原溶液浓度稀释至1/10。最后, 用等离子体光谱仪IC­P-OES测试溶液中的主­量元素和微量元素含量。

2.2碎屑岩组分溶解

用去离子水将碳酸盐岩­组分溶解步骤中残留的­碎屑清洗3 次, 去除其表面残留的离子。清洗后烘干, 重新称量, 放入 PFA溶样罐中, 加入3 ml 浓HNO3和 1 ml浓氢氟酸(HF), 放至120℃恒温电热板上加热12­小时。将溶液蒸干, 再次加入5 ml浓HNO3, 将多余的F离子除掉, 继续放至120℃恒温电热板上加热12­小时。再次将溶液蒸干, 加入5 ml 2%的HNO3, 并转移至10 ml离心管中, 用等离子光谱仪ICP-OES测试溶液中的主­量元素和微量元素含量。

2.3硅质岩 Ge/si 值测定

准确地称量200 mg样品, 放入PFA溶样罐中, 669

第 56 卷 第 4 期2020 年 7 月

明显的对应性。玉尔吐斯组碳酸盐组分­的地球化学数据见表2。由于部分页岩层中碳酸­盐组分含量较少(<1%),

Table 2

Proportion of carbonate components, Mg/ca ratios and Ba concentrat­ions of Yurtus Formation

北京大学学报(自然科学版)

小(<0.05), 因此玉尔吐斯组中部分­碳酸盐岩并非白云岩夹­层, 而是灰岩夹层。昆盖阔坦西剖面和苏盖­特剖面均出现碳酸盐组­分中Ba的富集层段(Ba 含量>1000 μg/g)。

昆盖阔坦东剖面碎屑岩­组分的主量元素数据、有机碳含量(Toc)、有机碳同位素组成(δ13corg)及氮同位素组成(δ15n)见表3。在玉尔吐斯组底部硅质­岩‒页岩层段, 出现Ba含量富集现象(Ba含量>1000 μg/g), 且与陆源输入无明显相­关性(Al含量<5%)。

[33] Zhou 等 的研究表明, 黑色页岩层段中出现大­量的重晶石结核, 同样说明这一地层中B­a的含量较高。在同一层段出现δ15­n升高(>7‰)。从昆盖阔坦西剖面和苏­盖特剖面的δ13co­rg 和 δ15n数据(表4)中,同样发现有 δ15 N升高的层段(>10‰), 且与碳酸盐组分中 Ba含量升高的层段具­有一定的相关性。

4 讨论4.1 生产力及有机质的富集

作为海洋生态系统中的­基础参数之一, 初级生

Table 3

Elemental compositio­ns, Ba concentrat­ions,

δ13corg

产力影响着生态系统演­化的整体状态、氧化‒还原环境以及一系列营­养元素的循环[35]。同时, 生物泵体系对海洋的化­学性质及全球碳循环有­着重要的调控作用[36‒37]。因此,恢复玉尔吐斯组沉积时­期生物泵的效率对恢复­海洋的输出生产力以及­聚碳机制有重要意义。现代海洋中, 初级生产者主要为生活­在表层海水中的单细胞­浮游植物[10], 与之相关的有机物可以­沉降至海底, 并且保存在沉积物中。海洋中的颗粒有机碳(POC)与颗粒Ba通量有明显­的相关性 [38‒39], BA(以硫酸钡(BASO4)颗粒为主)通常作为指示有机碳输­出及初级生产力的良好­指标[40]。通常,沉积物中的BASO4­颗粒主要来源于热液作­用[41‒42]、

[41] [43]成岩作用 及海洋自生作用 。由于成岩作用及热液作­用形成的BASO4颗­粒无法准确地记录海水­的

[44]化学性质及生产力大小, 因此确定Ba的来源十­分重要。

现代海洋中最常见的B­ASO4颗粒是海洋自­生的, 主要形成于生产力较高­的浅水区域[45‒46], 最终保存在沉积岩中。由于现代海洋中BAS­O4处于不饱and

δ15n of Yurtus Formation at East Kungaikuot­an section

Table 4

δ13corg and

同位素可以反映海洋的­氧化‒还原状态以及生物的新­陈代谢过程。

需氧或厌氧自养生物的­固氮过程中, 氮同位素的分馏程度很­低(δ15n=−2‰~+1‰)[57]。生物固定下来的氮会通­过硝化作用形成NO3−, 成为需氧生物的主要氮­来源, 这一过程通常进行得较­为完全, 并且与固氮生物体相比, 硝化作用形成的NO3−有更轻的

[58‒59]氮同位素组成 。现代海洋中, 沉积物的平均δ15n­为+5‰ (分布范围为+3‰~+14‰)[60], 这是由于反硝化作用影­响氮同位素的分布。反硝化作用将部分NO­3−还原成N2, 在现代海洋中, 反硝化作用一般发生于­贫氧区域(如氧气最小带)。当反硝化作用发生在沉­积物中时, 净分馏值为0; 如反硝化作用发生在水­体中, 由于反应产物N2具有­更轻的同位素组成, 剩余的 NO3−具有更重的同位素组成(δ15n= −30‰~−5‰, 平均−25‰)[57]。残留的 NO3− 可以被生物利用, 以有机质的形式埋藏保­存。因此, 可以

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利用有机质中氮同位素­组成特征来恢复海洋氧­化‒还原环境与生物活动之­间的关系。

我们在3个剖面的玉尔­吐斯组中均发现δ15­n 明显升高的峰值层段(δ15n>+8‰)(表3和 4, 图 3), 一方面说明在这一沉积­时期, 海洋中发生了反硝化作­用, 使得海洋中生物可利用­的NO3−中 δ15n较高; 另一方面, 由于反硝化作用需要相­对缺氧的还原环境(类似现代海洋中的最小­氧化带), 因此表明海洋内部或沉­积物上方的水体较为偏­还原环境。虽然苏盖特剖面中Ba­富集层段的 δ15n 数据较少, 但昆盖阔坦东剖面和昆­盖阔坦西剖面的δ15­n升高层段与Ba富集­层段较为吻合, 表明缺氧水体的出现可­能与极高生产力形成的­有机物降解过程有关(图4)。玉尔吐斯组沉积于斜坡­环境, 初级生产者在表层水体­的透光带中较为繁盛, 大量的有机质在沉降过­程中通过降解作用不断­地消耗海洋中的氧气, 使得氧气浓度不断下降, 为反硝化作用的发生提­供了良好的条

 ??  ?? 图 1塔里木盆地构造示意­图及阿克苏地区玉尔吐­斯组剖面位置(据文献[8]修改) Simplified tectonic map of Tarim Basin and sampling localities of Yurtus Formation in Aksu area (modified from Ref. [8])
图 1塔里木盆地构造示意­图及阿克苏地区玉尔吐­斯组剖面位置(据文献[8]修改) Simplified tectonic map of Tarim Basin and sampling localities of Yurtus Formation in Aksu area (modified from Ref. [8])

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