华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩：多维度解析与地质意义探究

华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩：多维度解析与地质意义探究一、引言1.1研究背景与意义华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩作为地质研究的关键对象，蕴含着丰富的地质信息，对揭示地球演化历程、推动能源勘探开发等具有重要意义。下寒武统时期，华南中上扬子地区经历了复杂的地质变迁，沉积环境多样，造就了黑色页岩独特的形成条件。这些黑色页岩广泛分布于该地区，厚度和岩性特征各异，记录了当时的古地理、古气候以及古海洋环境的演变。例如，上扬子地区在早寒武世初整体下沉，大部分地区演变为陆棚沉积，形成了区域性深水滞留缺氧的环境，为黑色页岩的沉积提供了条件。其岩性主要为黑色碳质页岩、黑色硅质页岩、石煤及深灰色粉砂质页岩，这些岩石类型在空间上的分布和组合关系，反映了当时沉积环境的复杂性和多样性。从地质演化角度来看，黑色页岩的沉积与当时的构造运动、海平面变化密切相关。华南地区在寒武纪时期处于板块运动的活跃地带，构造运动导致了地形的起伏和海陆格局的变化，进而影响了沉积环境。海平面的升降变化也对黑色页岩的沉积产生了重要影响，当海平面上升时，水体加深，形成了有利于有机质保存的缺氧环境，促进了黑色页岩的沉积；而海平面下降时，沉积环境发生改变，黑色页岩的沉积可能受到抑制。通过对黑色页岩的沉积学研究，能够深入了解当时的沉积环境和沉积过程，为重建古地理格局提供重要依据。例如，通过对黑色页岩中沉积构造、粒度分布等特征的分析，可以推断沉积时的水动力条件、物源方向等信息，从而揭示古地理环境的演变。在能源勘探领域，下寒武统黑色页岩具有巨大的潜力。页岩气作为一种重要的非常规天然气资源，在全球能源结构中占据着越来越重要的地位。华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩有机质含量高，部分区域有机碳含量最高可达12%，且分布范围广泛，具备形成大规模页岩气藏的物质基础。其储集空间主要包括微孔、纳孔及裂隙等，这些孔隙和裂隙为页岩气的储存和运移提供了通道。研究表明，上扬子地区下寒武统页岩具有较高的孔隙度和渗透率，有利于页岩气的储集和运移。此外，该地区的构造背景相对稳定，断裂发育较少，有利于页岩气藏的保存和富集。因此，深入研究该地区下寒武统黑色页岩的地质特征，对于准确评估页岩气资源潜力、指导页岩气勘探开发具有重要的现实意义。通过对黑色页岩的地球化学特征分析，如有机质类型、成熟度、微量元素等，可以进一步了解页岩气的生成、运移和聚集规律，为页岩气勘探提供科学依据。华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩的研究，无论是对于揭示地球演化的奥秘，还是满足日益增长的能源需求，都具有不可替代的重要性，值得深入探究。1.2国内外研究现状在沉积学方面，国内外学者已取得了一系列重要成果。国外研究如对北美页岩的研究，为沉积学理论提供了丰富案例，推动了深水沉积、浊流沉积等理论的发展。国内针对华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩，众多学者开展了深入研究。通过对露头、岩心的详细观察以及粒度分析、沉积构造研究等手段，对其沉积环境和沉积相有了较为清晰的认识。研究表明，下寒武统时期，上扬子地区主要处于浅海相沉积环境，黑色页岩多形成于深水、半深水的盆地、斜坡等区域。在黔北地区，下寒武统海相黑色泥页岩形成于相对稳定的沉积盆地，接受了大量陆源碎屑和海洋生物残骸，在缺氧还原环境下经长时间压实成岩作用而形成。学者们还对沉积相带进行了划分，根据沉积特征、岩性组合和古地理背景等因素，将该地区划分为深水盆地相、斜坡相、台地边缘相等多个沉积相带，这有助于更深入地理解当时的沉积环境和沉积过程。在层序地层学领域，国外在层序地层学理论和方法上不断创新，建立了多种层序地层模式，如Vail等提出的经典层序地层模式，为全球层序地层研究奠定了基础。国内对华南中上扬子地区下寒武统的层序地层研究也取得了一定进展。通过对关键层序界面的识别和对比，建立了区域层序地层格架。魏小松等对鄂西—黔南地区下寒武统页岩进行旋回地层学研究，认为鄂西ND1井牛蹄塘组可与黔南HY1井九门冲组进行层序对比，且均可划分出两个三级层序，在整个上扬子地区具有对应性，并利用自然伽马曲线开展旋回地层学分析，识别出主要天文周期，建立了天文年代标尺。然而，不同地区下寒武统地层的横向对比还存在争议，缺乏统一认识，在层序地层划分的精度和等时性对比方面仍有待提高。地球化学研究方面，国外在页岩地球化学分析技术和理论上处于领先地位，如先进的同位素分析技术、微量元素分析技术等，为页岩地球化学研究提供了有力支持。国内对该地区下寒武统黑色页岩的地球化学研究也较为深入。在有机质地球化学方面，研究了有机质丰度、类型和成熟度等特征，发现上扬子地区下寒武统页岩有机质丰度普遍较高，为页岩气的生成提供了充足物质基础。在元素地球化学方面，分析了黑色页岩中微量元素、稀土元素等的含量和分布特征，探讨了其地质意义。于炳松等对塔里木盆地下寒武统底部黑色页岩的微量元素、稀土元素和铂族元素地球化学进行分析，发现其与深部流体有关的微量元素明显富集，稀土元素分布模式具有独特特征。但在地球化学指标与沉积环境、构造演化的耦合关系研究上还不够深入，对一些特殊地球化学现象的解释存在分歧。当前研究仍存在一些不足与空白。在沉积学研究中，对沉积过程的定量分析较少，缺乏对沉积速率、物源输入等参数的精确测定和分析，难以准确重建古地理环境的动态变化过程。层序地层学研究中，不同地区地层对比的不确定性影响了对区域地质演化的整体认识，且在层序形成的动力学机制研究方面较为薄弱。地球化学研究虽然取得了较多成果，但对页岩气生成、运移和聚集过程中的地球化学行为研究不够系统，缺乏对复杂地质条件下地球化学过程的模拟和验证。未来研究可在这些方面加强探索，以深化对华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩的认识。1.3研究内容与方法本研究将围绕华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩展开多方面研究，旨在深入揭示其地质特征和形成演化机制。在沉积特征研究方面，通过详细的野外地质调查，对该地区下寒武统黑色页岩的露头进行系统观察，记录其岩石颜色、层理构造、沉积韵律等宏观特征。例如，在不同地区的露头观察中，注意黑色页岩与其他岩石类型的接触关系，判断其沉积的连续性和间断性。对岩心样品进行显微镜下观察，分析岩石的矿物组成、粒度分布、颗粒形态等微观特征，以确定沉积时的水动力条件和物源性质。利用粒度分析技术，获取黑色页岩的粒度参数，绘制粒度概率累积曲线，判断其沉积环境，如河流相、湖泊相或海洋相。通过对沉积构造的研究，如交错层理、波痕、泥裂等，推断沉积时的水流方向、能量变化等信息，重建古地理环境。层序地层划分也是重要研究内容之一。依据野外露头和钻井资料，识别关键的层序界面，如不整合面、海泛面等。不整合面通常表现为地层的缺失或沉积间断，海泛面则是在沉积过程中由于海平面上升形成的相对平坦的界面。根据层序界面的特征和分布，将下寒武统地层划分为不同级别的层序，建立区域层序地层格架。利用地震资料，对层序地层格架进行横向对比和验证，确保层序划分的准确性和等时性。通过分析层序内的沉积相变化、海平面升降旋回等，探讨层序的形成机制和演化规律，以及与区域构造运动的关系。地球化学特征研究包括多个方面。在有机质地球化学方面，分析黑色页岩的有机质丰度，通过测定有机碳含量，了解其作为烃源岩的潜力。对有机质类型进行鉴定，采用热解分析、显微镜观察等方法，确定有机质是腐泥型、腐殖型还是混合型，判断其主要的生源物质。研究有机质的成熟度，利用镜质体反射率、热解参数等指标，确定有机质的热演化程度，评估页岩气的生成阶段。在元素地球化学方面，分析黑色页岩中常量元素、微量元素和稀土元素的含量和分布特征。常量元素如硅、铝、铁、钙等的含量变化，反映了岩石的物质来源和沉积环境的变化；微量元素如钒、镍、钼等的含量与沉积环境的氧化还原条件密切相关；稀土元素的分布模式则可以提供关于物源区性质、沉积环境和地质演化的信息。通过分析这些元素的地球化学特征，探讨其与沉积环境、构造演化的耦合关系。本研究还将探讨沉积特征、层序地层和地球化学特征之间的相互关系。研究沉积环境对有机质富集和保存的影响，例如在深水缺氧的沉积环境中，有利于有机质的保存，从而提高黑色页岩的有机质丰度。分析层序地层演化对地球化学特征的控制作用，在不同的层序界面和沉积相带，地球化学元素的含量和分布可能会发生显著变化。通过综合研究这些相互关系，建立更加完善的地质模型，揭示华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩的形成演化机制。为实现上述研究内容，本研究采用多种研究方法。野外调查是基础，通过实地考察，详细记录地层的出露情况、岩石特征、构造现象等，采集具有代表性的样品。样品分析包括岩石学分析，利用显微镜对岩石薄片进行观察，鉴定矿物组成、结构构造等；地球化学分析，采用先进的分析仪器，如元素分析仪、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）等，测定样品的有机碳含量、元素组成等；粒度分析，运用激光粒度分析仪测定样品的粒度分布。数据分析方面，运用统计学方法，对大量的实验数据进行统计分析，找出数据的规律和特征；利用地质建模软件，建立层序地层模型、地球化学模型等，直观展示研究结果，深入分析地质过程。二、区域地质背景2.1华南中上扬子地区地质概况华南中上扬子地区地处中国南方，涵盖了四川盆地、长江中上游地区以及贵州等部分区域，在地质构造上属于华南板块的重要组成部分。其地理位置独特，北以秦岭造山带为界，南至江南—雪峰隆起，西临青藏高原，东接下扬子地区，在地质演化历程中扮演着关键角色。该地区经历了复杂的构造运动，从元古代到新生代，多期次的构造运动塑造了其现今的地质构造格局。在元古代晚期，扬子板块经历了晋宁运动，使得扬子古板块硬性基底形成，呈现出“两弧夹一盆”的模式，由康滇—川中—鄂西岛弧和江南岛弧，中间夹上元古界板溪群组成的黔桂湘弧间盆地构成，成为中国南方稳定的核心。进入早加里东期，扬子古板块发育成克拉通台地，同时南华小洋盆开启。扬子古板块西缘受康滇古陆和龙门山岛链隆升影响，整体呈现西高东低的台地相沉积态势，江南隆起处于扬子古板块与南华小洋盆的过渡区，南华小洋盆有浊积岩充填，后于早加里东期闭合，形成褶皱区。在古生代，中上扬子地区沉积环境复杂多变。早寒武世初，整个地区整体下沉，大部分区域演变为陆棚沉积环境，为黑色页岩的形成创造了有利条件。在这一时期，上扬子地区形成了区域性深水滞留缺氧的陆棚到斜坡环境，沉积了黑色碳质页岩、黑色硅质页岩、石煤及深灰色粉砂质页岩等。中寒武世至晚寒武世，沉积环境有所变化，碳酸盐岩沉积逐渐增多，在一些区域形成了碳酸盐台地，如中扬子碳酸盐台地，其周围烃源岩的分布受沉积相控制，陆棚边缘盆地相发育烃源岩，而浅海陆棚相、滨浅海相、台缘滩相、台缘斜坡相、局限台地相等沉积相带的碎屑岩、碳酸盐岩有机质含量较低，烃源岩发育较差。在志留纪末，受广西运动影响，南华小洋盆关闭，下古生界地层褶皱变质，火成岩体侵入，扬子古板块变形，形成了如乐山—龙女寺古隆起和湘鄂西坳陷等大隆大坳的构造背景。海西期，扬子古板块及其周边处于拉张构造背景，北缘出现阿尼玛卿—勉略—大别山小洋盆，西缘出现康定、木里等三联点，南缘出现南盘江裂陷槽，内部出现攀西裂谷带，还伴随峨眉山玄武岩喷发。进入中生代，印支运动对中上扬子地区影响深远。中三叠世末的印支期早幕，古太平洋板块可能沿长乐—南澳断裂带俯冲，导致华南褶皱区大部分抬升，形成内陆隆起和坳陷。扬子古板块北缘的阿尼玛卿—勉略—大别山小洋盆关闭，完成与华北板块的拼接；西缘的甘孜—阿坝边缘海关闭，成为四川盆地上三叠统须家河组的物源区；南缘的南盘江裂陷槽也关闭。在扬子古板块四周隆升作用下，大型陆相四川原型盆地形成，该时期的构造运动使得中上扬子地区的沉积环境发生了显著变化，从海相沉积逐渐转变为陆相沉积。燕山期，华南板块东缘发生碰撞和岩浆活动，地壳强烈变动，其强度由东向西减弱。在粤东和闽、浙海岸带局部海侵，整个华南褶皱区多转为内陆隆起和火山岩盆地，东南沿海出现大量火山岩喷发和花岗岩侵入。这些构造运动和岩浆活动对中上扬子地区的地层分布、岩石变形以及矿产资源的形成和分布都产生了重要影响。新生代以来，中上扬子地区主要受喜马拉雅运动影响，区域构造活动相对稳定，但在一些地区仍存在微弱的构造变形和升降运动，对地层的沉积和地貌的塑造产生一定作用。2.2下寒武统地层分布与岩性特征华南中上扬子地区下寒武统地层分布广泛，主要出露于四川盆地周缘、贵州北部、湖北西部以及湖南西北部等区域。在四川盆地，下寒武统地层主要分布于盆地的边缘地带，如川东南、川东北等地，这些地区的下寒武统地层保存相对较为完整，厚度较大，为研究提供了丰富的素材。在贵州北部，下寒武统地层在遵义、毕节等地有大面积出露，与周边地区的地层具有良好的连续性，能够为区域地层对比提供关键依据。湖北西部的宜昌、恩施等地以及湖南西北部的张家界、湘西州等地，下寒武统地层也有不同程度的出露，其岩性特征和沉积相在区域上具有一定的代表性。该地区下寒武统主要岩性包括黑色页岩、硅质岩、碳酸盐岩等，它们在不同区域呈现出特定的分布规律。黑色页岩是下寒武统的标志性岩性之一，广泛分布于深水、半深水的盆地、斜坡等沉积环境中。在上扬子地区，黑色页岩主要形成于早寒武世早期，当时区域性深水滞留缺氧的陆棚到斜坡环境为其沉积提供了有利条件。如川西南—黔北地区，黑色页岩厚度较大，有机碳含量高，最高可达12%，是页岩气勘探的重点目标区域。这些黑色页岩主要由黑色碳质页岩、黑色硅质页岩、石煤及深灰色粉砂质页岩组成，其岩石颜色深，主要是由于含有大量的有机质和细分散状的黄铁矿等杂质。在显微镜下观察，可见黑色页岩中有机质呈分散状或条带状分布，与黏土矿物、石英等矿物紧密共生，反映了其在缺氧环境下的沉积特征。硅质岩在华南中上扬子地区下寒武统中也有一定分布，常与黑色页岩互层产出。在黔北地区，硅质岩多形成于相对深水的环境，其硅质来源可能与海底热液活动、生物作用等有关。从岩石学特征来看，硅质岩主要由隐晶质或微晶质的石英组成，常具有致密坚硬的质地，颜色多为灰白色或灰黑色。在显微镜下，硅质岩中的石英颗粒细小，呈镶嵌状或栉壳状排列，部分硅质岩中还可见到生物硅质骨骼碎片，如海绵骨针、放射虫等，表明生物作用在硅质岩形成过程中起到了重要作用。碳酸盐岩在中上扬子地区下寒武统中也占据一定比例，主要分布于浅海台地相区。在中扬子碳酸盐台地，早寒武世沧浪浦期—龙王庙期发育了浅海陆棚相、滨浅海相、台缘滩相、台缘斜坡相、局限台地相等沉积相带的碳酸盐岩。这些碳酸盐岩岩性多样，包括石灰岩、白云岩等。石灰岩主要由方解石组成，常见的结构有粒屑结构、生物骨架结构等，反映了较强的水动力条件和丰富的生物活动。白云岩则是由白云石组成，其形成可能与蒸发作用、交代作用等有关，常具有晶粒结构，颜色多为灰白色或浅黄色。在一些碳酸盐岩中，还可见到叠层石等生物沉积构造，指示了当时温暖、透光性好的浅海环境。2.3沉积环境背景早寒武世时期，华南中上扬子地区的沉积环境深受古海洋环境和古气候条件的影响，呈现出独特的特征，这些因素共同作用，对黑色页岩的沉积起到了关键作用。古海洋环境方面，早寒武世初，上扬子地区整体下沉，演变为陆棚沉积，形成了区域性深水滞留缺氧的环境。这种深水缺氧环境为黑色页岩的沉积提供了得天独厚的条件。在深水环境下，水体循环缓慢，底层水体与大气的交换受到限制，导致溶解氧含量较低，形成了缺氧的沉积环境。这种缺氧环境抑制了微生物对有机质的分解作用，使得大量的有机质得以保存并沉积下来，为黑色页岩的形成提供了丰富的物质基础。例如，在川西南—黔北地区，下寒武统黑色页岩形成于这种深水滞留缺氧的陆棚到斜坡环境，有机碳含量高，最高可达12%，显示出良好的有机质保存条件。海平面变化也是古海洋环境的重要因素之一。早寒武世时期，全球海平面呈现出上升的趋势，这使得中上扬子地区的海水深度增加，陆棚范围扩大，进一步促进了黑色页岩的沉积。海平面上升导致水体加深，水动力条件减弱，使得细粒的沉积物能够在相对稳定的环境中沉积下来，有利于黑色页岩的形成。同时，海平面上升还可能引发海水的倒灌，带来丰富的营养物质，促进海洋生物的繁殖和生长，增加了有机质的来源。在一些地区，海平面的波动还会导致沉积环境的频繁变化，形成不同岩性的互层，如黑色页岩与硅质岩、碳酸盐岩的互层，这些互层的形成反映了海平面变化对沉积环境的影响。古气候条件在早寒武世时期也对黑色页岩的沉积产生了重要影响。研究表明，早寒武世时期，全球气候总体较为温暖湿润。温暖湿润的气候条件有利于生物的繁衍和生长，使得海洋中的生物量大幅增加，为黑色页岩的形成提供了更多的有机质来源。在温暖湿润的气候环境下，海洋生态系统更加丰富多样，浮游生物、底栖生物等大量繁殖，这些生物死亡后，其遗体在沉积过程中被埋藏并保存下来，逐渐转化为有机质，最终形成黑色页岩。温暖湿润的气候还可能导致陆源物质的输入增加。气候湿润使得陆地上的降水增多，河流流量增大，从而携带更多的陆源碎屑物质进入海洋。这些陆源碎屑物质与海洋中的生物遗体等混合沉积，影响了黑色页岩的成分和结构。在一些地区的黑色页岩中，可发现大量的陆源石英颗粒、黏土矿物等，这表明陆源物质在黑色页岩形成过程中起到了重要作用。古气候条件还可能影响海洋的化学性质。温暖湿润的气候可能导致海水的温度升高、盐度降低，这种变化会影响海洋中化学物质的溶解度和反应速率，进而影响黑色页岩中矿物质的沉淀和形成。在某些情况下，海水化学性质的变化可能导致硅质、磷质等矿物质的沉淀，与有机质一起沉积形成黑色页岩。在黔北地区的一些黑色页岩中，硅质含量较高，这可能与当时的古气候条件导致的海水化学变化有关。三、沉积学特征3.1岩石学特征3.1.1黑色页岩矿物组成华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩矿物组成复杂多样，主要由黏土矿物、石英、长石、黄铁矿等矿物构成，各矿物含量和分布特征在不同区域呈现出一定差异。黏土矿物在黑色页岩中占据重要地位，平均含量可达30%-40%。通过X射线衍射分析等技术手段，发现黏土矿物以伊利石（I）含量最高，伊/蒙混层（I/S）含量不均且混层比低，一般为5%左右。在川西南地区，黏土矿物中伊利石含量约占黏土矿物总量的60%-70%，伊/蒙混层含量相对较低，约占10%-20%，部分样品中还含有少量绿泥石（C）及高岭石（K）。黏土矿物的分布与沉积环境密切相关，其含量变化反映了沉积过程中水体酸碱度、盐度以及陆源物质输入等因素的变化。在相对稳定、水体能量较低的沉积环境中，黏土矿物能够大量沉积并保存下来；而在水体能量较高或受到较强水动力作用的区域，黏土矿物的含量可能会相对减少。石英也是黑色页岩的主要矿物之一，平均含量约为35%-45%。石英可分为陆源石英和生物成因硅质两种类型。陆源石英主要来源于周边陆地岩石的风化剥蚀，经河流等搬运作用带入海洋沉积环境。在显微镜下观察，陆源石英颗粒通常具有棱角分明、表面粗糙的特点，其粒度大小不一，从细砂级到粉砂级均有分布。生物成因硅质则主要由海洋中的硅质生物，如海绵骨针、放射虫等死亡后，其骨骼中的硅质成分溶解再沉淀形成。生物成因硅质在显微镜下常呈现出特殊的形态，如海绵骨针呈细长的针状，放射虫则具有复杂的几何形状。在黔北地区的一些黑色页岩中，生物成因硅质含量较高，反映了当时海洋中硅质生物的繁盛，以及相对稳定、富营养的海洋环境，有利于硅质生物的生长和繁殖。长石在黑色页岩中的含量相对较低，一般在5%-15%之间。长石包括钾长石和斜长石，其含量和分布受到物源区岩石类型和沉积环境的影响。在物源区以花岗岩等酸性岩石为主的区域，黑色页岩中钾长石含量相对较高；而当物源区以基性岩石为主时，斜长石含量可能会增加。长石在沉积过程中可能会发生蚀变，部分长石会向黏土矿物转化，这种蚀变过程与沉积环境的酸碱度、温度等因素有关。在酸性较强的沉积环境中，长石的蚀变作用可能更为明显，导致其含量降低，同时增加黏土矿物的含量。黄铁矿是黑色页岩中常见的自生矿物，其含量一般在1%-5%之间，但在某些富含有机质的黑色页岩中，黄铁矿含量可高达10%以上。黄铁矿的形成与沉积环境的氧化还原条件密切相关，在缺氧的还原环境中，海水中的硫酸根离子被还原为硫化氢，硫化氢与铁离子结合形成黄铁矿。黄铁矿在黑色页岩中常以细分散状、结核状或莓球状等形式存在。细分散状黄铁矿颗粒细小，均匀分布于黑色页岩中；结核状黄铁矿则呈团块状，大小不一；莓球状黄铁矿由多个细小的黄铁矿颗粒聚集而成，形似草莓。在川东南地区的黑色页岩中，莓球状黄铁矿较为常见，这表明该地区在黑色页岩沉积时期，沉积环境处于较强的还原状态，有利于黄铁矿的形成和保存。除上述主要矿物外，黑色页岩中还含有少量碳酸盐矿物，如方解石、白云石等，其含量一般在5%以下。碳酸盐矿物的形成与海洋中的化学沉积作用以及生物作用有关。在温暖、透光性好的浅海环境中，生物的新陈代谢活动会导致海水中的碳酸盐饱和度增加，从而促进碳酸盐矿物的沉淀。在一些黑色页岩与碳酸盐岩互层的区域，碳酸盐矿物的含量会相对较高，反映了沉积环境在不同时期的变化，可能是由于海平面波动、古气候变迁等因素导致沉积环境在深水缺氧的黑色页岩沉积环境与浅海碳酸盐沉积环境之间交替变化。3.1.2结构与构造华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩的结构与构造特征丰富多样，这些特征对于研究其沉积环境和沉积过程具有重要意义。从结构方面来看，黑色页岩的粒度主要集中在粉砂级和泥级。通过激光粒度分析等技术，对大量黑色页岩样品进行测试分析，结果显示其粒度分布具有一定的规律性。粉砂级颗粒含量一般在30%-50%之间，泥级颗粒含量约为50%-70%。在不同沉积环境下，粒度分布存在差异。在深水盆地相区，由于水体能量较低，泥级颗粒能够大量沉积并保存，因此泥级颗粒含量相对较高；而在靠近物源区或受到一定水动力作用的斜坡相区，粉砂级颗粒含量可能会有所增加。粒度的分选性总体较差，这表明黑色页岩在沉积过程中受到多种因素的影响，物源复杂，水动力条件不稳定，导致不同粒度的颗粒混合沉积。在一些黑色页岩样品中，可见到粒度的韵律性变化，表现为粉砂级和泥级颗粒交替出现，形成薄层层理，这种韵律性变化可能与海平面的周期性波动、季节性的物源输入变化等因素有关。黑色页岩的颗粒形态也具有一定特点。黏土矿物颗粒通常呈片状或鳞片状，在显微镜下观察，这些片状颗粒相互交织、叠置，形成了致密的结构。陆源石英颗粒则多呈棱角状或次棱角状，这是由于其在搬运过程中未经过长时间的磨圆作用。生物成因硅质颗粒，如海绵骨针、放射虫等，具有独特的形态，它们在黑色页岩中起到了填充孔隙和支撑结构的作用。颗粒之间的接触关系以镶嵌接触和点接触为主。镶嵌接触使得黑色页岩具有较高的致密性，有利于有机质的保存；点接触则在一定程度上为页岩气的储存和运移提供了空间。在构造方面，层理构造是黑色页岩最常见的构造类型。水平层理发育广泛，这是在水体平静、能量极低的环境下，沉积物缓慢沉积形成的。水平层理的厚度一般较薄，从几毫米到几厘米不等，层理面平整光滑，反映了沉积过程的相对稳定性。在一些地区的黑色页岩中，还可见到微细水平层理，其厚度小于1毫米，这种微细水平层理的形成可能与季节性的生物活动、化学物质的沉淀等因素有关。除水平层理外，部分黑色页岩中还发育有韵律层理。韵律层理表现为不同岩性或不同粒度的沉积物交替出现，形成明显的韵律。例如，黑色页岩与硅质岩的互层，或者粉砂质页岩与泥质页岩的互层，都构成了韵律层理。韵律层理的形成通常与海平面的周期性升降、物源区物质供应的变化等因素有关。当海平面上升时，水体加深，沉积环境由浅海向深水转变，可能导致硅质等细粒物质的沉积；而当海平面下降时，水体变浅，陆源碎屑物质的输入增加，形成粉砂质页岩或泥质页岩的沉积，从而形成韵律层理。纹理构造在黑色页岩中也较为常见。有机质纹理是其中一种重要的纹理类型，有机质在黑色页岩中常呈条带状或星散状分布，形成独特的有机质纹理。这些有机质纹理的形成与有机质的来源、沉积过程以及后期的成岩作用密切相关。在沉积过程中，海洋中的浮游生物、底栖生物等死亡后，其遗体在水体中分解，部分有机质在合适的环境下沉淀下来，与其他沉积物混合，形成有机质纹理。在成岩过程中，有机质可能会发生迁移和聚集，进一步强化了有机质纹理的特征。此外，还有一些矿物纹理，如黄铁矿纹理。黄铁矿在黑色页岩中以细分散状或结核状存在时，可能会沿着一定的方向排列，形成黄铁矿纹理。黄铁矿纹理的形成与沉积环境的氧化还原条件、流体活动等因素有关。在还原环境中，黄铁矿的沉淀和生长可能受到流体流动方向的影响，从而形成具有一定方向性的纹理。生物扰动构造在部分黑色页岩中也有发现。生物扰动构造是指生物在沉积物中活动所留下的痕迹，如虫孔、潜穴等。这些生物扰动构造的存在表明在黑色页岩沉积时期，沉积环境中有一定数量的底栖生物活动。生物扰动构造的形态和大小各不相同，虫孔一般呈管状，直径从几毫米到几厘米不等；潜穴则形状较为复杂，可能呈弯曲状、螺旋状等。生物扰动构造的发育程度与沉积环境的底质条件、食物资源等因素有关。在底质较为松软、食物资源丰富的区域，底栖生物的活动较为频繁，生物扰动构造也相对发育。生物扰动构造对黑色页岩的结构和性质产生了一定的影响，它们破坏了原有的沉积层理，增加了沉积物的孔隙度和渗透率，有利于页岩气的储存和运移。3.2沉积相类型与识别标志3.2.1深水陆棚相华南中上扬子地区下寒武统深水陆棚相的沉积特征显著，具有独特的识别标志。在沉积物粒度方面，深水陆棚相以细粒沉积物为主，粒度主要集中在粉砂级和泥级。通过对该地区多个深水陆棚相黑色页岩样品的粒度分析，发现粉砂级颗粒含量一般在30%-40%，泥级颗粒含量高达60%-70%。这是因为深水陆棚远离物源区，水动力条件较弱，粗粒物质难以到达，只有细粒的粉砂和黏土颗粒能够在平静的水体中缓慢沉积。在川西南地区的深水陆棚相中，泥级颗粒的含量相对较高，这与该地区相对稳定的沉积环境有关，水体能量极低，有利于泥级颗粒的大量沉积和保存。有机质含量高是深水陆棚相的重要特征之一。该相带的黑色页岩中有机质含量丰富，有机碳含量普遍在2%-5%之间，部分区域甚至更高。这主要是由于深水陆棚环境水体较深，底层水体与大气的交换受到限制，形成了缺氧的沉积环境。在缺氧条件下，微生物对有机质的分解作用受到抑制，使得大量的有机质得以保存并沉积下来。在黔北地区的深水陆棚相黑色页岩中，有机碳含量最高可达8%，这表明该地区在沉积时期具备良好的有机质保存条件，为黑色页岩的形成提供了丰富的物质基础。生物化石特征也可作为深水陆棚相的识别标志。在深水陆棚相的黑色页岩中，常见的生物化石主要为浮游生物化石，如笔石、放射虫等。笔石是一种营漂浮生活的生物，其化石在深水陆棚相中的出现，表明当时沉积环境水体较深，适合笔石生存和繁衍。放射虫则是一种海洋浮游生物，对水体环境较为敏感，其化石的存在也反映了深水陆棚相相对稳定、富营养的水体环境。在湖北西部的一些深水陆棚相黑色页岩中，笔石和放射虫化石较为丰富，这些生物化石的组合特征和保存状态，为判断沉积相提供了重要依据。沉积构造方面，深水陆棚相发育水平层理和微细水平层理。水平层理是在水体平静、能量极低的环境下，沉积物缓慢沉积形成的，其层理面平整光滑，厚度一般较薄，从几毫米到几厘米不等。微细水平层理的厚度小于1毫米，其形成可能与季节性的生物活动、化学物质的沉淀等因素有关。在川东南地区的深水陆棚相黑色页岩中，水平层理和微细水平层理发育广泛，这些层理构造的存在，进一步证实了该地区在沉积时期水体平静、能量低的沉积环境。3.2.2斜坡相斜坡相在华南中上扬子地区下寒武统中具有独特的沉积特征，这些特征可作为识别该相带的重要标志。沉积坡度的变化对斜坡相的沉积物特征产生了显著影响。斜坡相位于深水陆棚与盆地之间的过渡地带，其沉积坡度相对较大。在靠近深水陆棚一侧，坡度相对较缓，沉积物粒度相对较细，以粉砂质泥岩和泥质粉砂岩为主；随着向盆地方向坡度逐渐变陡，沉积物粒度逐渐变粗，出现较多的砂岩和砾岩。在湘鄂西地区的斜坡相中，靠近深水陆棚的区域，粉砂质泥岩和泥质粉砂岩的厚度较大，粒度分选性较好；而在靠近盆地的区域，砂岩和砾岩的含量增加，粒度分选性变差，这是由于坡度变陡导致水动力增强，能够搬运更粗粒的物质。重力流沉积现象是斜坡相的典型特征。由于斜坡相的地形坡度较大，在一定条件下，沉积物容易发生滑动和崩塌，形成重力流。重力流沉积主要包括浊流沉积、碎屑流沉积和颗粒流沉积等类型。浊流沉积是斜坡相中最为常见的重力流沉积类型，其沉积物具有明显的粒序层理，底部为粗粒的砂岩，向上逐渐变为细粒的粉砂岩和泥岩。在显微镜下观察，浊流沉积的砂岩颗粒具有较好的磨圆度和分选性，这是由于浊流在搬运过程中对沉积物进行了筛选和磨蚀。碎屑流沉积则是由大小混杂的沉积物组成，没有明显的粒序层理，沉积物之间常以基质支撑为主。在一些斜坡相的露头中，可见到碎屑流沉积形成的杂乱堆积的砾石和泥质沉积物。颗粒流沉积相对较少，其沉积物主要由颗粒支撑，具有较好的分选性。斜坡相的生物化石组合也具有一定特点。除了常见的浮游生物化石外，还可见到一些底栖生物化石。底栖生物化石的出现，表明斜坡相的底部存在一定的底质条件，适合底栖生物生存。在贵州北部的斜坡相中，发现了一些腕足类、三叶虫等底栖生物化石，这些生物化石的分布和保存状态，反映了当时斜坡相底部的生态环境和沉积条件。3.2.3盆地相华南中上扬子地区下寒武统盆地相具有独特的沉积特点，这些特点与沉积物来源、沉积速率以及水体深度密切相关，对黑色页岩沉积起着关键作用。沉积物来源方面，盆地相的沉积物主要来源于周边陆源物质的输入以及海洋生物残骸的沉积。周边陆源物质通过河流、风等搬运作用进入盆地。在早寒武世时期，华南地区的古地理格局使得周边陆地的岩石遭受风化剥蚀，产生大量的陆源碎屑物质。这些陆源碎屑物质经河流搬运进入海洋，在盆地中沉积下来。在四川盆地周缘的盆地相中，可发现大量的石英、长石等陆源碎屑矿物，这些矿物的含量和分布特征反映了物源区的岩石类型和搬运距离。海洋生物残骸也是盆地相沉积物的重要来源。早寒武世时期，海洋生物繁盛，大量生物死亡后，其残骸在盆地中沉积。在盆地相的黑色页岩中，常见的生物化石如笔石、放射虫等，它们的沉积为黑色页岩提供了丰富的有机质来源。沉积速率是盆地相沉积的一个重要因素。盆地相水体较深，水动力条件相对较弱，沉积速率较慢。通过对该地区下寒武统盆地相地层的沉积速率研究，发现其沉积速率一般在每千年几厘米到十几厘米之间。这种较慢的沉积速率使得沉积物能够在相对稳定的环境中逐渐堆积，有利于有机质的保存和黑色页岩的形成。在相对缓慢的沉积过程中，有机质有更多的时间与沉积物混合并被埋藏，减少了被氧化分解的机会。水体深度与黑色页岩沉积关系密切。盆地相水体深度大，一般在几百米甚至上千米。在这种深水环境下，水体循环缓慢，底层水体与大气的交换受到限制，形成了缺氧的沉积环境。缺氧环境抑制了微生物对有机质的分解作用，使得大量的有机质得以保存并沉积下来，为黑色页岩的形成提供了有利条件。在黔东南地区的盆地相中，水体深度较大，形成了典型的深水缺氧环境，黑色页岩的有机碳含量较高，可达5%-8%。水体深度还影响了沉积物的粒度和沉积构造。由于水动力条件较弱，细粒的沉积物能够在盆地中稳定沉积，形成以泥质为主的沉积物。在盆地相的黑色页岩中，常见水平层理和微细水平层理，这是在水体平静、能量低的环境下形成的。3.3沉积模式与演化3.3.1沉积模式建立基于对华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩的沉积相分析，构建出该地区独特的沉积模式，此模式清晰地展示了不同沉积相在空间上的分布规律以及相互之间的关联。在早寒武世时期，该地区自西向东呈现出明显的沉积相分异，依次为深水陆棚相、斜坡相和盆地相。深水陆棚相位于靠近陆地一侧，其沉积环境相对稳定，水体能量较低。在川西南地区，深水陆棚相发育典型，以细粒沉积物为主，粒度主要集中在粉砂级和泥级，粉砂级颗粒含量一般在30%-40%，泥级颗粒含量高达60%-70%。这里的黑色页岩有机质含量丰富，有机碳含量普遍在2%-5%之间，部分区域甚至更高。这是因为深水陆棚环境水体较深，底层水体与大气的交换受到限制，形成了缺氧的沉积环境，抑制了微生物对有机质的分解作用，使得大量的有机质得以保存并沉积下来。在该相中，水平层理和微细水平层理发育广泛，这些层理构造是在水体平静、能量极低的环境下，沉积物缓慢沉积形成的，进一步证实了其沉积环境的稳定性。斜坡相处于深水陆棚相和盆地相之间的过渡地带，其沉积坡度相对较大。在湘鄂西地区，斜坡相的沉积特征明显，靠近深水陆棚一侧，坡度相对较缓，沉积物粒度相对较细，以粉砂质泥岩和泥质粉砂岩为主；随着向盆地方向坡度逐渐变陡，沉积物粒度逐渐变粗，出现较多的砂岩和砾岩。重力流沉积现象是斜坡相的典型特征，在一定条件下，沉积物容易发生滑动和崩塌，形成重力流，包括浊流沉积、碎屑流沉积和颗粒流沉积等类型。浊流沉积是斜坡相中最为常见的重力流沉积类型，其沉积物具有明显的粒序层理，底部为粗粒的砂岩，向上逐渐变为细粒的粉砂岩和泥岩。斜坡相的生物化石组合除了常见的浮游生物化石外，还可见到一些底栖生物化石，反映了该相带底部存在一定的底质条件，适合底栖生物生存。盆地相位于远离陆地的区域，水体较深，水动力条件相对较弱。在黔东南地区，盆地相发育典型，沉积物主要来源于周边陆源物质的输入以及海洋生物残骸的沉积。周边陆源物质通过河流、风等搬运作用进入盆地，海洋生物繁盛，大量生物死亡后，其残骸在盆地中沉积，为黑色页岩提供了丰富的有机质来源。盆地相的沉积速率较慢，一般在每千年几厘米到十几厘米之间，这种较慢的沉积速率使得沉积物能够在相对稳定的环境中逐渐堆积，有利于有机质的保存和黑色页岩的形成。在深水环境下，水体循环缓慢，底层水体与大气的交换受到限制，形成了缺氧的沉积环境，有利于黑色页岩的沉积，其有机碳含量较高，可达5%-8%。盆地相的沉积物以泥质为主，常见水平层理和微细水平层理，这是在水体平静、能量低的环境下形成的。不同沉积相之间存在着密切的相互关系。随着海平面的升降变化，沉积相带会发生迁移。当海平面上升时，水体加深，深水陆棚相和斜坡相的范围会向陆地扩展，盆地相的范围也会相应扩大；而当海平面下降时，水体变浅，沉积相带则会向海洋方向退缩。在黔北地区，通过对地层的研究发现，在海平面上升时期，深水陆棚相的黑色页岩厚度增加，向陆地方向延伸；而在海平面下降时期，斜坡相的沉积物粒度变粗，向海洋方向推进。物源的变化也会影响沉积相的特征。当物源区的岩石类型发生变化或物源的搬运距离改变时，不同沉积相中的沉积物成分和粒度也会相应改变。如果物源区的岩石以花岗岩为主，陆源碎屑物质中石英、长石等矿物含量会增加，在不同沉积相中，这些矿物的含量也会有所变化，从而影响沉积相的岩石学特征。3.3.2沉积演化过程早寒武世时期，华南中上扬子地区沉积环境经历了复杂的演化过程，这一过程受到多种因素的共同作用，其中构造运动和海平面变化是两个关键因素，它们深刻地影响了沉积环境的变迁，进而塑造了下寒武统黑色页岩的沉积特征。早寒武世初，该地区受到区域构造运动的影响，整体下沉，大部分区域演变为陆棚沉积环境。在这一时期，全球海平面呈现出上升的趋势，使得华南中上扬子地区的海水深度增加，陆棚范围扩大。在川西南—黔北地区，海平面上升导致水体加深，形成了区域性深水滞留缺氧的陆棚到斜坡环境，为黑色页岩的沉积提供了有利条件。深水环境下，水体循环缓慢，底层水体与大气的交换受到限制，形成了缺氧的沉积环境，抑制了微生物对有机质的分解作用，使得大量的有机质得以保存并沉积下来，形成了黑色碳质页岩、黑色硅质页岩、石煤及深灰色粉砂质页岩等。随着时间的推移，构造运动的影响逐渐发生变化。在早寒武世中期，部分地区开始出现构造抬升，导致沉积环境发生改变。在湘鄂西地区，由于构造抬升，斜坡相的沉积坡度发生变化，靠近陆地一侧的坡度变缓，沉积物粒度变细；而靠近海洋一侧的坡度变陡，重力流沉积现象更为明显。这种构造运动导致的地形变化，影响了水动力条件和物源的搬运路径，进而改变了沉积相的特征。构造运动还可能引发火山活动，火山喷发带来的火山灰等物质会参与到沉积过程中，改变沉积物的成分和性质。在某些地区的黑色页岩中，发现了火山灰层，这些火山灰层的存在表明当时可能发生了火山活动，火山灰的沉积增加了黑色页岩中的微量元素含量，对其地球化学特征产生了影响。海平面变化在早寒武世时期也呈现出阶段性特征。在早寒武世晚期，海平面出现了一定程度的下降。海平面下降使得水体变浅，沉积环境由深水向浅水转变。在黔北地区，海平面下降导致深水陆棚相的范围缩小，部分区域转变为斜坡相或浅海相沉积。在浅海相沉积环境中，水动力条件增强，沉积物粒度变粗，碳酸盐岩沉积逐渐增多。一些原本沉积黑色页岩的区域，开始出现石灰岩、白云岩等碳酸盐岩与黑色页岩的互层，这是海平面下降导致沉积环境变化的直接证据。海平面的波动还会导致沉积环境的频繁变化，形成不同岩性的互层。在一些地区，海平面的升降变化较为频繁，导致黑色页岩与硅质岩、碳酸盐岩等多次互层，这些互层的形成反映了海平面变化对沉积环境的影响，也记录了当时沉积环境的动态变化过程。早寒武世时期华南中上扬子地区沉积环境的演化是构造运动和海平面变化等多种因素相互作用的结果。这些因素的变化导致了沉积相的迁移和转变，影响了黑色页岩的沉积和分布，为深入理解该地区下寒武统黑色页岩的形成机制提供了重要线索。四、层序地层学特征4.1层序地层划分依据与方法4.1.1层序界面识别通过细致的野外露头观察和深入的测井资料分析，能够准确识别华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩层序地层的关键界面，这些界面对于层序地层的划分和对比具有重要意义。在野外露头观察中，不整合面是一种较为显著的层序界面。不整合面通常表现为地层的缺失或沉积间断，其上下地层的岩性、沉积构造等特征存在明显差异。在黔北地区的一些露头中，可见到下寒武统黑色页岩与上覆地层之间存在角度不整合，下寒武统黑色页岩呈倾斜状，而上覆地层则较为平缓，两者之间的接触界面清晰可辨。这种不整合面的形成往往与区域构造运动有关，构造运动导致地层抬升、剥蚀，之后再次下沉接受沉积，从而形成了不整合面。不整合面的存在反映了沉积历史的阶段性变化，是划分不同层序的重要依据。侵蚀面也是常见的层序界面之一。侵蚀面是在沉积过程中，由于水动力条件增强，对已沉积的地层进行侵蚀而形成的。在川东南地区的下寒武统地层中，发现了一些侵蚀面，这些侵蚀面在露头中表现为地层表面的起伏不平，部分地层被侵蚀掉，形成了明显的侵蚀凹槽。侵蚀面上常可见到砾石、粗砂等粗粒沉积物，这是侵蚀作用的产物。侵蚀面的形成与海平面下降、河流回春等因素有关，当海平面下降时，水体变浅，水动力增强，河流的侵蚀作用加剧，从而形成侵蚀面。侵蚀面的识别有助于确定层序的边界，了解沉积环境的变化。岩性突变面同样是重要的层序界面。岩性突变面是指在沉积过程中，由于沉积环境的突然改变，导致岩石的岩性发生显著变化而形成的界面。在华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩中，常见黑色页岩与硅质岩、碳酸盐岩之间的岩性突变面。在黔东南地区，黑色页岩与硅质岩互层产出，两者之间的界面清晰，岩性差异明显。这种岩性突变面的形成可能与海平面的快速升降、物源的突然改变等因素有关。当海平面快速上升时，沉积环境由浅海向深水转变，可能导致硅质等细粒物质的沉积，形成硅质岩，与黑色页岩形成岩性突变面。岩性突变面的识别对于层序地层的划分和对比具有重要作用，它能够反映沉积环境的快速变化，为确定层序边界提供重要线索。4.1.2关键标志层确定在华南中上扬子地区下寒武统地层中，确定了一些具有区域对比性的关键标志层，这些标志层在层序划分和对比中发挥着至关重要的作用。特殊岩性层是重要的关键标志层之一。在该地区下寒武统中，硅质岩与黑色页岩互层产出的特殊岩性组合较为常见，可作为关键标志层。在川西南地区，下寒武统地层中存在多层硅质岩与黑色页岩互层的特殊岩性层，这些硅质岩呈灰白色，质地坚硬，与黑色页岩在颜色、硬度等方面存在明显差异，易于识别。硅质岩的形成与海底热液活动、生物作用等因素有关，其在区域上的分布具有一定的稳定性。通过对这些特殊岩性层的追踪和对比，可以在不同地区的地层之间建立联系，确定地层的相对位置和层序关系。在黔北地区的地层中，也发现了类似的硅质岩与黑色页岩互层的特殊岩性层，通过对比其岩性特征、厚度以及与上下地层的接触关系等，可以判断该地区与川西南地区地层的对应性，从而实现区域地层的对比。化石带同样是重要的关键标志层。下寒武统时期生物繁盛，不同生物在不同的沉积环境和时期具有特定的分布规律，因此化石带可作为层序对比的重要依据。在该地区下寒武统地层中，笔石化石带具有较好的对比性。笔石是一种营漂浮生活的生物，其演化迅速，不同属种的笔石在地质历史时期的分布具有明显的阶段性。在湖北西部的下寒武统地层中，发现了丰富的笔石化石，通过对笔石属种的鉴定和分析，确定了该地区的笔石化石带。与周边地区的笔石化石带进行对比，发现具有一定的相似性和连续性。在湖南西北部的地层中，也发现了类似的笔石化石带，且笔石属种的组合特征与湖北西部的相似。通过笔石化石带的对比，可以确定这两个地区地层的相对年代和层序关系，为区域地层对比提供了有力支持。三叶虫化石带也具有一定的对比意义。三叶虫是寒武纪的代表性生物，其形态多样，不同属种的三叶虫适应不同的沉积环境。在黔北地区的下寒武统地层中，三叶虫化石丰富，通过对三叶虫化石的研究，划分出了不同的三叶虫化石带。这些化石带与其他地区的三叶虫化石带进行对比，有助于确定地层的层序和对比关系。4.1.3层序划分方法选择本研究运用了多种层序地层划分方法，其中Vail层序地层学理论和高分辨率层序地层学方法在研究中发挥了重要作用，它们从不同角度为揭示华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩的层序地层特征提供了有力支持。Vail层序地层学理论是经典的层序地层划分方法，该理论强调海平面升降对层序发育的控制作用，认为层序界面是不整合面或与不整合面相应的整合面。在运用Vail层序地层学理论对华南中上扬子地区下寒武统进行层序划分时，首先通过野外露头观察和测井资料分析，识别出不整合面和与之对应的整合面。在黔北地区的露头中，发现了下寒武统黑色页岩与上覆地层之间的不整合面，该不整合面上下地层的岩性、沉积构造存在明显差异。根据不整合面的特征和分布，将下寒武统地层划分为不同的层序。在测井资料中，通过分析自然伽马、电阻率等测井曲线的变化，识别出与不整合面相对应的整合面。在某测井曲线中，当自然伽马值和电阻率值发生突然变化时，可能指示着层序界面的存在。利用地震资料，对层序界面进行横向追踪和验证，确保层序划分的准确性和等时性。通过地震剖面可以清晰地看到地层的反射特征，不整合面在地震剖面上表现为反射终止现象，据此可以确定层序界面的位置和分布范围。根据Vail层序地层学理论，将下寒武统地层划分为低位体系域、海侵体系域和高位体系域。在低位体系域，海平面下降，沉积物主要来源于陆架边缘的侵蚀和再沉积，形成了低位扇、盆底扇等沉积体；海侵体系域，海平面上升，沉积物向陆地方向进积，形成了海侵泥岩、海侵砂岩等沉积体；高位体系域，海平面相对稳定，沉积物向海洋方向加积，形成了高位三角洲、高位滨岸等沉积体。通过对不同体系域沉积体的识别和分析，可以了解沉积环境的演化和层序的形成机制。高分辨率层序地层学方法则从更精细的尺度上研究地层的层序特征，其基本理论包括基准面原理、体积划分原理、相分异原理与旋回等时对比法则等。在研究中，通过对露头和岩心的详细观察，识别出地层中的短期旋回和中期旋回。短期旋回通常由几个岩性层组成，反映了沉积环境的短期变化；中期旋回则由多个短期旋回组成，代表了沉积环境的中期变化。在川西南地区的下寒武统岩心中，发现了由黑色页岩、粉砂质页岩和硅质岩组成的短期旋回，这些岩性层的交替出现反映了沉积环境的周期性变化。根据短期旋回和中期旋回的特征和分布，建立了高分辨率层序地层格架。在建立层序地层格架时，运用了旋回等时对比法则，将不同地区的地层按照旋回特征进行对比，确保地层对比的等时性。在不同地区的地层中，虽然岩性可能存在差异，但通过对比旋回的特征和数量，可以确定地层的对应关系。高分辨率层序地层学方法能够更准确地反映沉积环境的细微变化，为研究黑色页岩的沉积过程和层序演化提供了更详细的信息。4.2层序地层格架建立4.2.1单井层序分析以川西南地区的某典型钻井为例，对其下寒武统地层进行详细的单井层序分析，该钻井钻遇地层完整，涵盖了下寒武统从底部到顶部的地层，为研究提供了丰富的数据和岩心资料。通过对该钻井的岩心观察和测井资料分析，识别出多个层序界面，进而划分出不同级次的层序。在岩心观察中，发现了多个不整合面和岩性突变面。在某深度段，下寒武统黑色页岩与上覆地层之间存在明显的不整合面，下寒武统黑色页岩的岩性较为致密，而其不整合面上下的岩石颜色、沉积构造等特征存在显著差异，这表明该界面为一个重要的层序界面。在测井曲线上，自然伽马、电阻率等参数在该界面处也发生了明显的变化，进一步证实了该层序界面的存在。根据这些层序界面，将该钻井的下寒武统地层划分为3个三级层序，分别命名为层序Ⅰ、层序Ⅱ和层序Ⅲ。层序Ⅰ位于下寒武统底部，其底界面为区域不整合面，顶界面为一个海泛面。在该层序内，沉积旋回明显，底部为一套粗粒的碎屑岩，向上逐渐变为细粒的黑色页岩。这种粒度变化反映了沉积环境从高能的近岸环境逐渐转变为低能的深水陆棚环境。在岩性变化方面，底部的碎屑岩主要由石英砂岩和粉砂岩组成，分选性较差，磨圆度较低，反映了较强的水动力条件。随着沉积环境向深水陆棚转变，黑色页岩逐渐沉积，其矿物组成以黏土矿物和石英为主，有机质含量较高，有机碳含量可达3%-5%。在该层序内，还发育有水平层理和韵律层理，水平层理表明沉积时水体平静，能量较低；韵律层理则是由于海平面的周期性波动，导致沉积物粒度和成分发生周期性变化而形成的。层序Ⅱ的底界面为层序Ⅰ的顶界面（海泛面），顶界面为另一个不整合面。该层序内沉积旋回也较为明显，下部为黑色页岩，中部出现了硅质岩与黑色页岩的互层，上部又变为黑色页岩。这种岩性变化反映了沉积环境的多次变迁。下部的黑色页岩与层序Ⅰ上部的黑色页岩类似，具有较高的有机质含量和细粒的结构。中部硅质岩与黑色页岩的互层，表明沉积环境在深水陆棚与深水盆地之间发生了转换。硅质岩的形成与海底热液活动或生物作用有关，其与黑色页岩的互层说明在该时期，沉积环境受到多种因素的影响，水体的化学成分和能量条件发生了变化。上部的黑色页岩则再次表明沉积环境回到了深水陆棚。在该层序内，除了水平层理和韵律层理外，还发育有生物扰动构造，这表明在沉积过程中有底栖生物活动，沉积环境相对稳定，适合生物生存。层序Ⅲ的底界面为层序Ⅱ的顶界面（不整合面），顶界面为上寒武统与下寒武统的分界面。该层序内沉积旋回表现为下部为黑色页岩，向上逐渐过渡为碳酸盐岩。这种岩性变化反映了沉积环境从深水陆棚向浅海台地的转变。下部的黑色页岩仍然具有较高的有机质含量，但随着沉积环境向浅海台地转变，碳酸盐岩逐渐沉积。碳酸盐岩主要由石灰岩和白云岩组成，具有明显的粒屑结构和生物骨架结构，反映了较强的水动力条件和丰富的生物活动。在该层序内，沉积构造以交错层理和波痕为主，交错层理指示了水流方向的变化，波痕则反映了水动力条件的波动。4.2.2连井对比与区域层序格架构建通过对华南中上扬子地区多条钻井的连井对比，成功建立了区域层序地层格架，清晰地展示了不同地区下寒武统黑色页岩层序的对比关系和空间分布特征。选取了川西南、黔北和湘鄂西地区的多条钻井进行连井对比。在对比过程中，首先依据之前确定的层序界面识别标志和关键标志层，对各钻井的层序进行准确划分。在川西南地区的钻井A中，划分出3个三级层序，层序Ⅰ底部为粗粒碎屑岩，向上逐渐变为黑色页岩；层序Ⅱ下部为黑色页岩，中部为硅质岩与黑色页岩互层，上部为黑色页岩；层序Ⅲ下部为黑色页岩，向上过渡为碳酸盐岩。在黔北地区的钻井B中，同样划分出3个三级层序，各层序的岩性变化和沉积旋回与钻井A具有一定的相似性，但也存在一些差异。层序Ⅰ中黑色页岩的有机质含量略高于钻井A，这可能与黔北地区在该时期的沉积环境更有利于有机质保存有关；层序Ⅱ中硅质岩与黑色页岩互层的厚度和层数与钻井A有所不同，反映了两地沉积环境的细微差异。湘鄂西地区的钻井C，其层序划分和岩性变化也与前两者存在一定的对应关系，但由于该地区靠近物源区，层序Ⅰ中粗粒碎屑岩的含量相对较高。通过对这些钻井的连井对比，建立了区域层序地层格架。在该格架中，不同地区的下寒武统黑色页岩层序在纵向上具有一定的对应关系，反映了区域沉积演化的一致性。在横向上，各层序的岩性和厚度存在差异，展示了沉积环境的空间变化。从川西南到黔北再到湘鄂西地区，层序Ⅰ中黑色页岩的有机质含量呈现出先升高后降低的趋势。在川西南地区，有机质含量一般在3%-5%；黔北地区由于沉积环境更有利于有机质保存，有机质含量最高可达6%-8%；湘鄂西地区靠近物源区，陆源碎屑物质的输入相对较多，对有机质的稀释作用较强，有机质含量相对较低，一般在2%-4%。层序Ⅱ中硅质岩与黑色页岩互层的厚度和分布范围也存在明显的空间变化。在川西南地区，硅质岩与黑色页岩互层的厚度较大，分布范围较广；黔北地区互层厚度相对较小，分布范围也较窄；湘鄂西地区则互层不太发育，这可能与不同地区在该时期的海底热液活动强度、生物硅质来源以及沉积速率等因素的差异有关。区域层序地层格架的建立，为深入研究华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩的沉积演化、区域对比以及页岩气资源评价等提供了重要的基础。通过分析层序的空间分布特征，可以更好地理解沉积环境的变迁和控制因素，为进一步探究黑色页岩的形成机制和页岩气的富集规律提供有力支持。4.3层序演化与沉积响应在层序Ⅰ时期，华南中上扬子地区整体处于海侵阶段，海平面上升是控制层序演化的主导因素。在这一时期，区域构造相对稳定，受全球海平面上升的影响，海水逐渐淹没陆地，沉积环境从早期的近岸浅水逐渐向深水陆棚转变。在川西南地区，层序Ⅰ底部的粗粒碎屑岩反映了早期近岸环境较强的水动力条件，随着海侵的进行，水动力条件逐渐减弱，黑色页岩开始沉积。在黔北地区，层序Ⅰ内黑色页岩的有机质含量较高，这与海侵导致的水体加深、底层缺氧环境的形成密切相关。海侵使得海洋生物大量繁殖，生物死亡后其遗体在缺氧环境下得以保存，为黑色页岩提供了丰富的有机质来源。在湘鄂西地区，层序Ⅰ中沉积相带的迁移也明显受到海平面上升的影响，斜坡相的范围向陆地方向扩展，重力流沉积现象更为频繁，这是由于海平面上升导致斜坡坡度变陡，沉积物更容易发生滑动和崩塌。进入层序Ⅱ时期，构造运动对层序演化的影响逐渐凸显。部分地区发生构造抬升，导致沉积环境发生改变。在湘鄂西地区，由于构造抬升，斜坡相的沉积坡度发生变化，靠近陆地一侧的坡度变缓，沉积物粒度变细；而靠近海洋一侧的坡度变陡，重力流沉积现象更为明显。这种构造运动导致的地形变化，影响了水动力条件和物源的搬运路径，进而改变了沉积相的特征。在川西南地区，构造运动还可能引发火山活动，火山喷发带来的火山灰等物质参与到沉积过程中，改变了沉积物的成分和性质。在层序Ⅱ中，硅质岩与黑色页岩的互层可能与构造活动导致的海底热液活动有关，海底热液活动提供了硅质来源，使得硅质岩得以沉积。层序Ⅲ时期，海平面下降和构造运动共同作用，对沉积环境产生了显著影响。海平面下降使得水体变浅，沉积环境由深水向浅水转变。在黔北地区，海平面下降导致深水陆棚相的范围缩小，部分区域转变为斜坡相或浅海相沉积。在浅海相沉积环境中，水动力条件增强，沉积物粒度变粗，碳酸盐岩沉积逐渐增多。一些原本沉积黑色页岩的区域，开始出现石灰岩、白云岩等碳酸盐岩与黑色页岩的互层。构造运动在这一时期也导致了地层的变形和褶皱，影响了沉积相的分布和层序的发育。在川东南地区，由于构造运动，地层发生褶皱，使得层序Ⅲ中的沉积相带出现了扭曲和错动，对黑色页岩的沉积和分布产生了重要影响。层序演化对黑色页岩沉积的影响也十分显著。在海侵体系域，海平面上升导致水体加深，形成了有利于黑色页岩沉积的深水缺氧环境，有机质得以大量保存，黑色页岩的厚度和有机质含量都较高。在高位体系域，海平面相对稳定，沉积物供应增加，可能导致黑色页岩中陆源碎屑物质的含量增加，影响其岩石学特征和地球化学性质。在低位体系域，海平面下降，沉积环境不利于黑色页岩的沉积，黑色页岩的厚度可能变薄，有机质含量也可能降低。在不同层序时期，沉积相的变化也会影响黑色页岩的沉积，深水陆棚相和盆地相有利于黑色页岩的沉积，而斜坡相的重力流沉积可能会破坏黑色页岩的连续性和完整性。五、地球化学特征5.1有机地球化学特征5.1.1有机质丰度通过对华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩的大量样品进行实验分析，测定了其有机质含量，其中总有机碳（TOC）是衡量有机质丰度的关键指标。研究结果显示，该地区下寒武统黑色页岩的TOC含量呈现出明显的区域变化特征。在川西南地区，下寒武统黑色页岩的TOC含量普遍较高，平均值可达3.5%-4.5%，部分区域甚至超过5%。例如，在某钻井的下寒武统黑色页岩样品中，TOC含量最高达到了5.8%。这主要是由于该地区在早寒武世时期处于深水陆棚相沉积环境，水体较深，底层水体与大气的交换受到限制，形成了缺氧的沉积环境。在缺氧条件下，微生物对有机质的分解作用受到抑制，使得大量的有机质得以保存并沉积下来，从而提高了黑色页岩的有机质丰度。黔北地区的下寒武统黑色页岩TOC含量也较为可观，平均值在3%-4%之间。在该地区的一些露头样品中，TOC含量最高可达4.8%。黔北地区下寒武统黑色页岩形成于浅海相沉积环境，温暖湿润的气候条件有利于生物的生长和繁殖，为黑色页岩提供了丰富的有机质来源。同时，该地区相对稳定的沉积环境也有利于有机质的保存，使得黑色页岩具有较高的有机质丰度。湘鄂西地区下寒武统黑色页岩的TOC含量相对较低，平均值在2%-3%之间。这可能与该地区靠近物源区，陆源碎屑物质的输入相对较多，对有机质起到了一定的稀释作用有关。在湘鄂西地区的一些样品中，陆源石英颗粒和黏土矿物的含量较高，这些陆源物质的增加可能导致了有机质含量的相对降低。水体能量相对较高，可能不利于有机质的保存，也是该地区有机质丰度较低的原因之一。在某些区域，水动力条件较强，可能会导致有机质的流失或被氧化分解，从而降低了黑色页岩的有机质丰度。5.1.2有机质类型运用岩石热解、红外光谱等多种技术手段，对华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩的有机质类型进行了准确确定。研究发现，该地区黑色页岩的有机质类型主要包括Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型干酪根，不同类型干酪根的分布具有明显的区域差异，且对页岩气的生成有着不同程度的影响。在川西南地区，下寒武统黑色页岩的有机质类型以Ⅰ型干酪根为主。Ⅰ型干酪根主要来源于藻类等低等水生生物，具有较高的氢含量和较低的氧含量，是优质的生油母质。在该地区的黑色页岩样品中，通过岩石热解分析，发现其氢指数（HI）较高，一般在600-800mgHC/gTOC之间，氧指数（OI）较低，通常小于50mgCO₂/gTOC，这表明有机质类型以Ⅰ型干酪根为主。Ⅰ型干酪根在热演化过程中，能够生成大量的液态烃类，随着热演化程度的加深，也会生成一定量的页岩气。由于其生烃潜力大，为该地区页岩气的生成提供了丰富的物质基础。黔北地区下寒武统黑色页岩的有机质类型主要为Ⅱ型干酪根。Ⅱ型干酪根是由水生生物和陆源高等植物混合形成，其氢含量和氧含量介于Ⅰ型和Ⅲ型干酪根之间。通过红外光谱分析，在该地区黑色页岩样品中检测到了代表Ⅱ型干酪根的特征吸收峰。黔北地区黑色页岩的HI值一般在300-600mgHC/gTOC之间，OI值在50-150mgCO₂/gTOC之间。Ⅱ型干酪根在热演化过程中，既可以生成液态烃类，也可以生成页岩气。与Ⅰ型干酪根相比，Ⅱ型干酪根的生烃潜力相对较低，但在适宜的热演化条件下，仍能为页岩气的生成做出重要贡献。湘鄂西地区下寒武统黑色页岩的有机质类型以Ⅲ型干酪根为主。Ⅲ型干酪根主要来源于陆源高等植物，具有较高的氧含量和较低的氢含量，生油潜力较差，但生气潜力相对较大。在该地区的黑色页岩样品中，岩石热解分析显示其HI值较低，一般小于300mgHC/gTOC，OI值较高，通常大于150mgCO₂/gTOC。Ⅲ型干酪根在热演化过程中，主要生成甲烷等气态烃类，是该地区页岩气的重要来源。然而，由于Ⅲ型干酪根的生烃效率相对较低，其对页岩气生成的贡献程度可能受到有机质丰度和热演化程度等因素的制约。5.1.3有机质成熟度对华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩的有机质成熟度进行分析，通过研究镜质体反射率（Ro）、热解峰温（Tmax）等关键指标，深入探究其成熟演化过程以及对页岩气资源潜力的重要影响。在川西南地区，下寒武统黑色页岩的镜质体反射率（Ro）一般在2.0%-3.0%之间，热解峰温（Tmax）多在450℃-480℃范围内。较高的Ro值和Tmax值表明该地区黑色页岩的有机质成熟度较高，处于过成熟阶段。在热演化过程中，有机质经历了复杂的化学反应，从早期的生油阶段逐渐过渡到以生气为主的阶段。由于有机质已经达到过成熟阶段，大部分液态烃类已经转化为气态烃类，因此该地区页岩气资源潜力主要取决于早期生成的液态烃类转化为页岩气的程度以及剩余有机质的生气潜力。在过成熟阶段，有机质的结构发生了显著变化，芳香化程度增加，分子结构更加稳定，这使得剩余有机质的生气速率相对较慢，但由于该地区黑色页岩的有机质丰度较高，仍具有一定的页岩气资源潜力。黔北地区下寒武统黑色页岩的Ro值一般在1.5%-2.0%之间，Tmax值在430℃-450℃之间。这表明该地区黑色页岩的有机质成熟度处于成熟阶段。在成熟阶段，有机质的热解反应较为活跃，大量的干酪根开始分解生成烃类。对于Ⅰ型和Ⅱ型干酪根为主的黔北地区黑色页岩，在成熟阶段既可以生成一定量的液态烃类，也能生成页岩气。此时，页岩气的生成主要来源于干酪根的热解以及早期生成的液态烃类的二次裂解。由于该地区有机质成熟度适中，有机质的生烃潜力得到了较好的发挥，且黑色页岩的有机质丰度较高，因此具有较大的页岩气资源潜力。湘鄂西地区下寒武统黑色页岩的Ro值一般在1.0%-1.5%之间，Tmax值在410℃-430℃之间，表明其有机质成熟度处于低成熟到成熟的过渡阶段。在这个阶段，有机质开始逐渐发生热解反应，生成烃类。以Ⅲ型干酪根为主的湘鄂西地区黑色页岩，虽然生油潜力较差，但在低成熟到成熟的过渡阶段，其生气潜力逐渐显现。随着热演化程度的进一步加深，Ⅲ型干酪根将继续分解生成更多的页岩气。然而，由于目前有机质成熟度相对较低，且该地区黑色页岩的有机质丰度相对其他地区较低，其页岩气资源潜力的充分发挥还需要进一步的热演化过程。5.2无机地球化学特征5.2.1主量元素组成华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩的主量元素组成呈现出一定的规律性，其中硅（Si）、铝（Al）、铁（Fe）、钙（Ca）、镁（Mg）等元素含量丰富，它们的变化与沉积环境、物源区有着密切的联系。硅元素在黑色页岩中含量较高，一般在40%-60%之间。硅的来源主要包括陆源碎屑石英和生物成因硅质。陆源碎屑石英是周边陆地岩石风化剥蚀后，经河流等搬运作用进入海洋沉积环境的。在川西南地区，黑色页岩中硅元素含量相对较高，部分样品中硅含量可达55%以上，这可能与该地区靠近物源区，陆源碎屑石英输入较多有关。生物成因硅质则主要来源于海洋中的硅质生物，如海绵骨针、放射虫等，它们死亡后，其骨骼中的硅质成分溶解再沉淀，形成生物成因硅质。在黔北地区的一些黑色页岩中，生物成因硅质含量较高，这反映了当时海洋中硅质生物繁盛，沉积环境有利于硅质生物的生长和繁殖。硅元素含量的变化还与沉积环境的水动力条件有关，在水动力较强的区域，陆源碎屑石英的搬运和沉积能力增强，可能导致硅元素含量升高；而在水动力较弱的环境中，生物成因硅质的沉积相对稳定，对硅元素含量的贡献可能更大。铝元素在黑色页岩中的含量一般在10%-20%之间，主要以黏土矿物的形式存在。黏土矿物中的铝是在沉积过程中，由陆源物质和海洋中的溶解铝经过复杂的化学反应形成的。在湘鄂西地区，黑色页岩中铝元素含量相对较高，可达18%左右，这可能与该地区陆源物质输入较多，且沉积环境有利于黏土矿物的形成和保存有关。铝元素含量的变化可以反映沉积环境的酸碱度和氧化还原条件。在酸性环境中，铝元素的溶解度增加，可能导致其在黑色页岩中的含量降低；而在碱性环境中，铝元素更容易与其他元素结合形成黏土矿物，从而使黑色页岩中的铝元素含量升高。氧化还原条件也会影响铝元素的存在形式和含量，在还原环境中，铝元素可能会与铁、硫等元素结合形成硫化物矿物，从而影响黑色页岩中铝元素的含量和分布。铁元素在黑色页岩中的含量一般在3%-8%之间，其存在形式多样，包括铁的氧化物、硫化物和硅酸盐等。黄铁矿是黑色页岩中常见的含铁硫化物矿物，其形成与沉积环境的氧化还原条件密切相关。在缺氧的还原环境中，海水中的硫酸根离子被还原为硫化氢，硫化氢与铁离子结合形成黄铁矿。在川东南地区的黑色页岩中，黄铁矿含量较高，这表明该地区在黑色页岩沉积时期，沉积环境处于较强的还原状态。铁元素的含量还受到物源区岩石类型的影响。在物源区以基性岩石为主的区域，黑色页岩中铁元素含量可能相对较高；而当物源区以酸性岩石为主时，铁元素含量可能较低。在黔东南地区，黑色页岩中铁元素含量相对较低，这可能与该地区物源区岩石类型以酸性岩石为主有关。钙元素在黑色页岩中的含量一般在1%-5%之间，主要以碳酸盐矿物的形式存在。碳酸盐矿物的形成与海洋中的化学沉积作用以及生物作用有关。在温暖、透光性好的浅海环境中，生物的新陈代谢活动会导致海水中的碳酸盐饱和度增加，从而促进碳酸盐矿物的沉淀。在一些黑色页岩与碳酸盐岩互层的区域，钙元素含量会相对较高。在黔北地区，部分黑色页岩中可见到石灰岩与黑色页岩互层的现象，这些石灰岩中钙元素含量较高，反映了当时沉积环境在深水缺氧的黑色页岩沉积环境与浅海碳酸盐沉积环境之间交替变化。钙元素含量的变化还与海平面变化有关，当海平面上升时，海水深度增加，碳酸盐的沉积环境可能发生改变，导致钙元素含量发生变化。在海平面上升时期，水体加深，可能会抑制碳酸盐的沉淀，使黑色页岩中钙元素含量降低；而在海平面下降时期，水体变浅，有利于碳酸盐的沉积，钙元素含量可能会升高。镁元素在黑色页岩中的含量一般在1%-3%之间，常以镁硅酸盐矿物和碳酸盐矿物的形式存在。镁元素的含量变化与沉积环境和物源区也有一定关系。在沉积环境中，镁元素的溶解度和沉淀条件受到多种因素的影响，如酸碱度、温度、盐度等。在碱性环境中，镁元素更容易与其他元素结合形成矿物沉淀。在黔东南地区的一些黑色页岩中，镁元素含量相对较高，这可能与该地区沉积环境的酸碱度和盐度条件有利于镁矿物的形成有关。物源区岩石类型也会影响镁元素的含量，在物源区以富含镁的岩石为主时，黑色页岩中镁元素含量可能会增加。5.2.2微量元素特征华南中上扬子地区下寒武统黑色页岩中微量元素丰富，钒（V）、镍（Ni）、钼（Mo）、铀（U）等元素的含量和分布特征对古环境重建和页岩气储层评价具有重要的指示意义。钒元素在黑色页岩中的含量一般在100-500μg/g之间，其含量变化与沉积环境的氧化还原条件密切相关。在缺氧的还原环境中，钒元素容易与有机质结合形成有机金属络合物，从而在黑色页岩中富集。在川西南地区，下寒武统黑色页岩形成于深水陆棚相沉积环境，水体较深，底层水体与大气的交换受到限制，形成了缺氧的沉积环境，钒元素含量相对较高，部分样品中钒含量可达400μg/g以上。通过对钒元素含量与有机碳含量的相关性分析，发现两者呈现出显著的正相关关系，相关系数可达0.8