川南-黔北地区晚奥陶世-早志留世地史转折期古海洋、古气候演变及烃源岩成因机制研究

发布时间：2020-04-27 17:47

【摘要】：晚奥陶世-早志留世之交是重要地史转折期之一。在此期间,古海洋环境、古气候发生了剧烈的变化,同时发生了地质历史时期大规模的生物集群灭绝事件。在这一全球生物-环境急剧变化的背景下,扬子板块由于受到加里东构造活动的影响,形成了特殊的半局限浅海环境,沉积了五峰组和龙马溪组富有机质黑色页岩,是当前页岩气勘探的重点层位,正受到越来越多的关注。本论文选取扬子板块内部的川南-黔北地区上奥陶统临湘组(凯迪阶)、五峰组(凯迪阶)、观音桥组(赫南特阶)及志留系兰多维列统(S_1)龙马溪组(鲁丹阶)地层为研究对象,以时间序列为主线展开研究(在凯迪阶临湘组和五峰组之交,区内构造活动加剧,形成了临湘组/五峰组这一构造-沉积转换面,即构造事件;之后赫南特期全球气候快速变冷进入冰盛期,即冰期事件;构造事件和冰期事件共同构成地史转折期)。重点围绕构造事件和冰期事件前后的沉积相、古地理、古海洋初级生产力、古氧相、碳同位素和化学蚀变指数(CIA)展开详细研究,重建了该地史转折期的古海洋环境演化与古气候演变,并通过地球生物学方法和传统烃源岩评价方法,对研究区烃源岩成因机制进行了研究。首先,本论文恢复了川南-黔北地区晚奥陶世-早志留世之交地史转折期的沉积相和古地理演化,并在古地理基础上绘制了五峰组和龙马溪组黑色泥页岩TOC等值线图。本研究在年代地层单位对比的基础上,采用“临湘期”、“五峰期”、“观音桥期”和“龙马溪期(早期)”作为编图时段,采用“优势相”的编图方法,连续地编制了构造事件和冰盛期前后的四幅岩相古地理图。其中临湘期古地理格局主要由黔中隆起、川中隆起、潮坪相带、碳酸盐岩陆棚相带和浅滩相组成;五峰期的古地理格局主要由黔中隆起、潮坪相带、浅水陆棚相带和深水陆相棚带组成;观音桥期的古地理格局主要由黔中隆起、碳酸盐岩陆棚相带、碎屑岩陆棚相带、潮坪相带、浅滩相组成;龙马溪期的古地理格局主要由黔中隆起、潮坪相带、浅水陆棚相带、深水陆棚相带组成。古地理表明研究区各编图时段沉积相带的展布严格受到古隆起的控制,沿东西方向展布,区内海水深度总体表现出由南西向北东逐渐变深;在构造事件和冰期事件前后,沉积相和古地理面貌发生了快速而明显的变化,在这一变化过程中构造运动贯穿始终,成为最主要的驱动力之一,而气候变化引起的海平面升降也是古地理演化的重要驱动力。此外,本论文在古地理研究的基础上绘制了研究区五峰组和龙马溪组全岩有机碳(TOC)等值线图,发现TOC的高值区与古地理图的深水陆棚相带基本重合,分布在綦江观音桥-道真-武隆一带,有机碳含量普遍大于3%,表明这一地区可作为页岩气勘探的优选区域;也是进一步探究古海洋演化以及五峰组、龙马溪组烃源岩形成机制的理想区域。第二,利用Al_(xs)、P_(xs)、Ba_(xs)、Al/Ti、P/Ti等古海洋初级生产力指标对研究区构造事件和冰盛期前后的海洋初级生产力进行了恢复。研究发现在纵向演化上,道真田家湾和酉阳苍岭两条剖面的海洋初级生产力在临湘组、五峰组下部和龙马溪组上部以相对高生产力为主(其中Al/Ti为16.9~19),在五峰组上部、观音桥组和龙马溪组(底部4m)以相对低生产力为主(Al/Ti为15.9~17.8),尤其在临湘组/五峰组这一构造-沉积转换面之上海洋初级生产力有大幅的提升,而冰期事件前后也发生了明显的变化,这表明古海洋初级生产力变化与构造运动、古气候变化关系密切;在横向上,两条剖面各时期古生产力指标基本处于一个数量级上,均与PAAS(Al/Ti为16.7)和现代南太平洋正常生产力区的深海沉积物(Al/Ti为0.34~20.1)相近,但低于现代太平洋赤道附近的高生产力地区(Al/Ti为26.7~110)。第三,通过对酉阳苍岭和道真田家湾剖面自生铀、U/Th、V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co等指标的详细分析,恢复了研究区海水的古氧相特征。研究发现两条剖面V/(V+Ni)、V/Cr和Ni/Co等指标在临湘组、五峰组、观音桥组和龙马溪组底部同步变化,相同层位的古氧相类型基本一致;而古氧相在纵向演化上表现为:常氧相为主(临湘组—五峰组底部)→准厌氧~厌氧相为主(五峰组中上部)→贫氧~常氧相为主(观音桥组)→准厌氧~厌氧相为主(龙马溪组)的演化特征,从中可以发现古氧相的重要变化发生在构造-沉积转换面上下和冰盛期前后,这表明晚奥陶世的古氧相演化受控于构造运动和气候变化驱动的海平面变化。第四,利用石地1井样品的化学蚀变指数(CIA)对晚奥陶世-早志留世进行了高分辨率的古气候分析。研究表明:(1)在凯迪期中晚期~鲁丹期早期可识别出寒冷干旱、温暖湿润、炎热潮湿三种主要气候类型,其中寒冷干旱的气候类型(CIA_(correct)为50~65)主要位于五峰组上部Sd55~Sd68段+观音桥组+龙马溪组底部Sd82~Sd85段,对应晚奥陶世冰盛期;温暖湿润的气候类型(CIA_(correct)为65~80)主要位于临湘组Sd16~Sd19段、五峰组下部Sd20~Sd54段和龙马溪组上部Sd87~Sd125段;炎热潮湿的气候类型(CIA_(correct)为80左右)主要位于临湘组下部Sd6~Sd15段。(2)晚奥陶世冰盛期内部的气候并不是一成不变的,而是表现为寒冷干旱为大背景下的温暖湿润与寒冷干旱交替的气候特征,冰盛期内共发生了7次冷暖交替的气候旋回,其中5次规模较大,2次规模较小,这5次较大规模的气候旋回与非洲-西亚地区5次大规模冰盖进退以及安提柯斯提岛(劳伦大陆)5次海平面升降的报道不谋而合,是华南板块首次发现5次大规模的气候旋回,佐证了晚奥陶世冰盛期内部并非是一成不变的寒冷,而是至少存在5次大规模气候波动,且都影响到了华南地区。(3)在晚奥陶世5次较大规模的气候旋回之前,有2次规模较小气候旋回,表明晚奥陶世冰盛期的气候转冷并不是一开始就非常激烈,而是一种脉动式的加强,逐渐进入冰盛期。(4)石地1井的CIA_(correct)记录到的5次大规模气候旋回并非都发生在赫南特阶内部,前3次气候旋回(包括2次小规模和1次大规模气候旋回)发生的位置低于赫南特阶底界,表明晚奥陶纪冰盛期并非仅限于赫南特期内部,而是开始于凯迪期末期。(5)CIA_(correct)在临湘组顶部Sd16~Sd19段发生了阶梯式下降(CIA_(correct)从80下降到70)反映出这一时段气候类型发生了转变,表明晚奥陶世气候转凉开始(冰期开始)于凯迪期中晚期(Ka2~Ka3),这一结论支持全球气温在晚Yg陶世凯迪期已经持续下降的观点。(6)在缺乏冰碛岩和冰川擦痕等沉积学证据的低纬度地区,利用现代潜水面以下的钻井中新鲜细碎屑岩样品的CIA指数还原古气候演化是非常可靠的手段。第五,通过传统的岩石学研究,在扬子地区的观音桥组颗粒灰岩中发现了鲕粒,鲕粒的发现为证明观音桥期少雨干旱的气候环境提供了可靠的岩石学证据。此外,观音桥组鲕粒的发现也对研究区观音桥灰岩的形成提出了新的解释:海平面下降,有利于环境正常(从准厌氧~厌氧,演化为贫氧~常氧);气候干旱,导致了灰岩的出现(形成)。第六,利用稳定碳同位素的变化与异常,从碳循环的角度反演了晚奥陶世~早志留世的古海洋环境演变和古气候变化。研究发现道真田家湾剖面的碳同位素在临湘组/五峰组界面附近有一个缓慢的负偏,这可能是受凯迪期中晚期扬子板块及其周边构造活动和火山活动的影响,引起研究区浮游植物的光合作用加强,初级海洋生产力繁盛,使~(12)C向生物体内富集,最终导致δ~(13)C_(org)下降,而碳同位素的这一变化反映出凯迪期中晚期古海洋环境已经发生改变;此外,研究发现δ~(13)C_(org)在赫南特阶发生幅度达2.3‰的正偏(即HICE),且通过对比研究发现扬子地区的δ~(13)C_(org)正偏具有“在赫南特阶底部比较缓慢,正偏的最大峰值出现在N.extraordinarius带上部或N.persculptus带中下部”的特征,这与苏格兰、加拿大、阿根廷、瑞典地区δ~(13)C_(org)的变化特征有所不同,究其原因,可能与扬子地区半局限浅海的古地理特点,导致中上扬子盆地与外部大洋联通较差,从而形成了区域性独特的碳循环与古生态特征有关。再者,五峰组较高的有机碳(TOC)含量表明,在凯迪期大量的有机质埋藏可能是引发赫南特阶碳同位素正偏以及晚奥陶世冰期的原因。最后,在岩相古地理、海洋初级生产力、古氧相、古气候和碳同位素研究的基础上,通过地球生物学方法和传统烃源岩评价方法,对研究区烃源岩成因机制进行了探究。地球生物相四参数(生境型+生产力+沉积有机质+埋藏有机质)正演评价表明,五峰组上部和龙马溪组(下部和上部)为优质烃源岩,五峰组下部和观音桥组为一般烃源岩,临湘组为非烃源岩。其次,利用残余有机质(TOC)与古氧相、古海洋生产力的变化趋势及相关性分析,得出了与地球生物学方法相同的结论:古氧相(保存条件)是有机质富集的主控因素,而初级生产力为次要因素。最后,本论文提出了五峰组和龙马溪组烃源岩形成机制:以区域构造运动和全球气候变化为驱动力,古氧相(保存条件)为主控因素,初级生产力、碎屑(营养)物质供给量、岩相古地理等多因素共同影响的成因机制,简而言之:区域构造运动和全球气候变化驱动下的保存机制。
【图文】：

早志留世,晚奥陶世,沉积演化

图 1.1 扬子地区晚奥陶世-早志留世构造、沉积演化图峰组和龙马溪组成为页岩气勘探的重要层位，这些研究工作也显得略有不足。例如，前人古地理编图多针对整个扬子地区，比例尺较小，对于页岩气勘探重点区域的岩相古地理面貌表现的较为模糊；其次，前人对观音桥组的研究重点多集中在同位素地层、赫南特动物群时空分布特征、古气候演化等方面，对于岩相古地理格局的关注相对较少；再次，五峰组、观音桥组和龙马溪组沉积体的形成，与晚奥陶世构造事件和冰期事件紧密相关，然而反映“临湘期→五峰期→观音桥期→龙马溪期”这一系列重要转折期前后岩相古地理连续演化的图鉴相对较少。鉴于上述存在的问题，针对页岩气勘探重点区域（川南-黔北地区），连续地编制构造事件和冰期事件前后的岩相古地理图，对认识古海洋环境演化以及有机质富集机制（即烃源岩形成机制）大有裨益。（2）古海洋环境与烃源岩成因机制研究有机质的富集是一个复杂的物理化学过程，国内外学者做了大量的研究工作，

等值线图,基干剖面,位置图,五峰组

1.3 研究方案与技术路线本论文研究选择川南-黔北地区上奥陶统临湘组（涧草沟组）、五峰组、观音桥组及下志留统龙马溪组地层为客体研究对象，具体研究方案如下：第一步，对沉积相、古地理研究；于此同时，，对五峰组和龙马溪组黑色页岩的全岩有机碳（TOC）进行分析，绘制 TOC 等值线图，圈定富有机质泥页岩高值区。在古地理图和 TOC 等值线图的指导下，选择位于深水陆棚相带内富有机质泥页岩发育良好（即 TOC 高值区）的道真田家湾剖面和酉阳苍岭剖面作为基干剖面重点采样（图 1.2），进行古海洋研究。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P618.13

【参考文献】