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
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
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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