3P: 寒武系早期富钡热液活动及其对黑色页岩有机质富集的影响

田辉 研究员

迪卡拉-寒武系转换期是地球演化历史的关键时期,全球古海洋环境变化和生物演化事件在这一时期同时发生。在寒武系早期,中国南方扬子地台广泛沉积了一套极富有机质和多金属元素的黑色页岩(也有学者称为“石煤”),众多学者对这套黑色页岩的沉积古环境和有机质富集的控制因素进行了探讨。大多数学者认为黑色页岩有机质富集与上升流带来的营养物质、古海洋高生产力、缺氧的沉积环境有利于有机质保存等有关,很少探讨这时期富钡的热液流体活动及其对黑色页岩有机质富集的影响。同时,前人对于该时期富钡热液流体活动也缺乏关键性的矿物学方面的证据。

针对上述问题,中国科学院广州地球化学研究所田辉研究员团队选取了扬子地台陆棚和斜坡地区GMD-1和TX-1两口典型井的黑色页岩样品,进行了TOC含量、主微量元素、典型矿物扫描电镜观察等分析测试。通过稀土元素铕异常和矿物证据证实富钡热液流体的存在,并探讨了古海洋生产力、氧化还原环境、热液流体活动、上升流事件等综合因素对黑色页岩有机质富集的影响。

钡冰长石矿物与富钡的热液流体紧密相关,富钡的热液流体与钾长石交代,形成了钡冰长石和次生石英,可作为富钡热液流体活动的直接证据。通过对GMD-1井下段黑色页岩样品SEM观察和EDS能谱确认,发现环带状钡冰长石包围钾长石,并在周边也观察到次生石英(图1b,1c和2a,2b,2c),因此认为扬子地台陆棚地区存在富钡热液流体浸入黑色页岩,与钾长石发生交代作用。此外,部分学者在研究处于同时期扬子地台深水盆地的热液形成的大河边重晶石矿发现重晶石中也包含有钡冰长石,本次研究样品中也观察到重晶石中包含有钡冰长石(图1d,1e和2c),表明该时期深水盆地和陆棚可能同时存在富钡的热液流体活动。

稀土元素铕正异常也常用来指示热液流体活动。通过对比研究GMD-1、TX-1井和大河边重晶石矿的PAAS标准化稀土元素铕异常特征,发现处于陆棚地区的GMD-1井黑色页岩样品与处于深水盆地的大河边重晶石矿表现为明显的铕正异常,表明强烈的热液流体活动,而处于斜坡地区的TX-1井三段黑色页岩样品则均显示无铕正异常,表明斜坡地区无明显热液流体活动(图3)。另外,GMD-1井上段铕正异常明显降低,可能与上段沉积时期热液活动减弱或消失有关。综合分析认为上扬子地台陆棚和斜坡地区下中段黑色页岩沉积时期富钡热液流体活动强烈,上段沉积时期热液活动减弱或消失,而斜坡地区则无明显热液活动。

通过对古海洋生产力、氧化还原环境、热液活动和上升流事件的综合研究,结合前人研究成果认为,黑色页岩沉积时期广泛性的缺氧环境满足有机质保存的基本条件,深水盆地的富钡热液流体和营养元素随着上升流带入到陆棚地区,加上陆棚地区本身富钡热液流体活动的营养元素供给,极大促进了陆棚地区的古海洋生产力,该地区TOC含量明显高,由热液流体活动和上升流驱动的古海洋高生产力是黑色页岩有机质富集的主控因素。

图1 GMD-1井SEM电镜典型矿物特征。Q表示石英;Hy表示钡冰长石;K-f表示钾长石;Barite表示重晶石

图2 典型矿物EDS能谱图。a.钾长石;b.石英;c.钡冰长石;d.黄铁矿;e. Ni-Mo矿层MoSC相;f.闪锌矿;g.黄铜矿;h.氟磷灰石

图3 PAAS标准化的稀土元素分布模式图。a,c,e分别表示GMD-1井上、中、下三段;b,d,f分表表示TX-1井上、中、下三段;g,h分别表示大河边重晶石矿和上部黑色页岩。

该项成果得到国家自然科学基金和国家科技重大专项论文资助。近期发表在国际期刊《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》上,本文的第一作者为伍耀文博士,通讯作者为田辉研究员,共同作者还包括广州地化所的博士李腾飞、周秦。

论文信息: Wu, Y., Tian*, H., Gong, D., Li, T., Zhou, Q., 2020. Paleo-environmental variation and its control on organic matter enrichment of black shales from shallow shelf to slope regions on the Upper Yangtze Platform during Cambrian Stage 3. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 545, Article 109653.