2018, Vol. 36扩展功能
文章信息
- 王冠平, 朱彤, 王红亮, 杜伟, 吴靖
- WANG GuanPing, ZHU Tong, WANG HongLiang, DU Wei, WU Jing
- 川东南地区龙马溪组底部海相页岩高GR峰沉积成因探讨
- Study on the Sedimentogenesis of the High GR Peak Strata at the Bottom of the Longmaxi Formation in Southeast Sichuan Basin
- 沉积学报, 2018, 36(6): 1243-1255
- ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2018, 36(6): 1243-1255
- 10.14027/j.issn.1000-0550.2018.163
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文章历史
- 收稿日期：2018-06-07
- 收修改稿日期: 2018-08-15
2. 中国地质大学(北京)海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室, 北京 100083;
3. 中国地质大学(北京)页岩气勘查与评价国土资源部重点实验室, 北京 100083;
4. 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083
2. Key Laboratory for Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Abundance Mechanism(Ministery of Education), China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China;
3. Key Laboratory for Shale Gas Exploration and Assessment(Ministary of Land Resources), China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China;
4. Petroleum Exploration and Production Research Institute, SINOPEC, Beijing 100083, China
随着美国页岩气革命的成功，页岩气这种非常规能源吸引了国内外学者的广泛关注[1-2]；我国在涪陵焦石坝地区的首个大型商业性页岩气田的建成更是让国内外学者聚焦到了上奥陶统—下志留统的五峰组—龙马溪组底部的这套海相页岩[3]。对于这套海相页岩，国内外学者从沉积环境，有机质富集条件，页岩气聚集条件，储层特征等方面做了大量的研究[4-7]，但对于龙马溪组底部的测井伽马(GR)峰值特征仅仅作为识别地层的一种指标。王淑芳等[8]提到在龙马溪组底部为缺氧环境，δU平均值为1.26，远大于上部的分段；魏祥峰[9]提出龙马溪组底部的高GR、高U的成因是因为沉积初期具有丰富的铀源、缺氧的沉积环境、高含量的有机质及磷酸钙的富集共同促进了龙马溪组热页岩底部层段富铀的特征；蔡郁文等[10]提出了烃源岩中U元素的富集条件；李艳芳等[11]提出了U-Mo协变模式说明五峰组沉积时期四川盆地水体的滞留程度比龙马溪组沉积时期强烈，属于强滞留海盆；但是他们对于GR，U元素峰值的出现研究有所欠缺，本文将以川东南地区龙马溪组底部的高GR峰为例，对GR峰以及附近的地层进行沉积阶段划分，综合各种沉积地质响应，详细探讨高GR峰、高U峰出现成因以及铀元素的富集因素。
1 区域地质背景四川盆地属扬子准地台的一部分，是中生代发育起来的大型内陆盆地，也是一个周边被构造活化了的克拉通盆地，其形成时间为晚三叠世至新生代。川东南地区位于上扬子板块的东南部[7]。在上奥陶统晚期—下志留统早期，由于华夏与扬子地块之间的板块汇聚作用，四川盆地形成受隆起分割局限的盆地格局。在晚奥陶世时期，边缘古隆起已形成，特别是川中隆起、雪峰山隆起和黔中隆起一起出露海平面，使早中奥陶世时期具有广海特征的海域转变为被隆起所围限的局限浅海环境。受构造运动及海侵的影响，晚奥陶世五峰组沉积时期沉积了一套笔石相薄层黑色页岩[12]；受冰期海退的影响，在五峰组顶部沉积了一套浅水相的介壳灰岩，泥质灰岩，为观音桥层；下志留统龙马溪组初期，川东南地区为受古隆起围限的半闭塞滞留海盆沉积，由于海侵的影响，沉积了一套黑色陆棚相富有机质的页岩(图 1)，高GR峰段位于这套页岩的龙马溪组底部。
高GR峰位于上奥陶统末—下志留统初的五峰组—龙马溪组交界处，龙一段的底部；为典型石英含量大于50%的黑色硅质页岩。龙一段的硅质页岩与五峰组顶部观音桥段的泥质灰岩整合接触，五峰组上部为黑色硅质页岩。高GR峰以及附近地层自然电位呈现迅速下降的趋势，降低了30 mV；声波、密度、电阻率的变化幅度较大。经过对比GR曲线和无铀伽马KTH、U、TH、K曲线发现，高GR峰的出现是以U元素为主，K元素为次的富集导致的(图 2)。为了利于分析和研究GR峰出现的原因笔者将以JY-1井为例，对GR峰段以及附近地层沉积阶段分为四段。
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| 图 2 五峰组—龙马溪组高GR峰地层沉积阶段划分以及测井特征 Figure 2 Sediment phase division and logging characteristics of high GR peak strata in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation |
五峰组上部页岩A段：五峰组上部GR次峰到峰底；GR曲线迅速降低；为五峰组上部的黑灰色硅质页岩段，石英含量均值为55%，发育泥质条带中的黄铁矿透镜体(图 3)。GR曲线主要由TH曲线控制，成正相关；与U曲线成反比，与K曲线成正比。密度为峰值，声波为低值，电阻率为迅速下降阶段，与自然电位呈现相同趋势(图 2)；这个阶段为TH元素正相关主导阶段，U元素负相关主导阶段(图 4)。
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| 图 3 五峰组—龙马溪组GR峰地层A、B、C、D段岩性特征 a. JY-1井A段黑灰色硅质页岩, 底部见泥质条带中夹黄铁矿透镜体；b. JY-6井A段黑灰色硅质页岩, 底部见黄铁矿条带；c. JY-2井B段观音桥段, 泥质灰岩，见贝壳化石；d. JY-4井B段观音桥段, 泥质灰岩，见贝壳化石和黄铁矿交代团块；e. JY-6井B段观音桥段, 泥质灰岩段, 见方解石脉；f. JY-2井C段GR峰段, 黑色页岩, 见凝灰岩条带夹黄铁矿；g. JY-6井C段GR峰段, 黑色页岩, 见凝灰岩条带夹黄铁矿；h. WY-1井D段黑灰色硅质页岩, 纹层出现 Figure 3 Lithologic characteristics of sections A, B, C and D of the GR peak strata in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation |
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| 图 4 五峰组—龙马溪组高GR峰地层四个分段、整段TH、U、K与GR的相关性 Figure 4 Correlation between TH, U and K contents and GR values in the high GR peak strata of Wufeng Formation-Longmaxi Formation |
五峰组顶部观音桥B段：从五峰组GR次峰到龙马溪组底部最大峰下半幅点处，为五峰组顶部的观音桥层，为泥质灰岩，介壳灰岩；发育贝壳化石和黄铁矿交代团块，石英含量较低，黏土含量较高，大于30%(图 3)。声波为低值，密度为高值，电阻率为低值(图 2)。GR曲线与U曲线、K曲线相关性最大，U曲线与GR曲线拟合程度最高，R2为0.965，K元素的R2为0.815，并且U元素含量是K元素含量的近十倍；这个阶段是以U元素为主，K元素为辅的阶段(图 4)。
龙马溪组底部GR峰值C段：最大峰下半幅点到最大峰上半幅点处，峰值处位于中间；发育龙马溪组底部黑色富有机质硅质页岩，石英均值为55%，见凝灰岩条带夹黄铁矿(图 3)。声波为高值，密度为低值，电阻率迅速升高(图 2)。GR曲线与U曲线、K曲线相关性最大，但U曲线与GR曲线拟合程度最高，相对与B段来说，U、K元素的富集对GR曲线的控制更加明显，U、K元素曲线与GR曲线的均为R2为0.99；这个阶段是以U、K元素并重的阶段(图 4)。
龙马溪组底部次峰D段：最大峰上半幅点到进入龙马溪组的GR曲线的第二个峰处，发育黑灰色页岩，石英均值为55%，黏土含量开始增多，硅质含量开始减少，纹层出现(图 3)；电阻率为低值，声波开始降低，密度逐渐增加。仅有U曲线与GR曲线的R2为0.72，TH曲线与GR曲线的相关性R2为0.1，K曲线的为0.5。U含量的减少为主，K增加为辅导致GR曲线变化的主要因素。
通过对A、B、C、D整段的相关性进行分析U含量对GR曲线的影响最大，K含量次之，TH含量仅在A阶段对GR值有贡献，对于C段整个GR峰来说，可以忽略不计(图 4)。
由于GR值的大小是由TH含量、U含量以及K含量决定的，在GR峰中的四个纵向上沉积阶段中发现C段GR峰值段主要是由于U元素的含量控制的，K元素为次要影响因素，而TH元素仅在A阶段与GR曲线有很好的相关性。在平面上，明显TH含量对GR曲线影响更小，由JY-1井、PY-1井以及YY-3井的GR曲线可以看出在C段的GR峰值处，TH曲线位于波谷，U曲线位于波峰，K曲线位于波峰，但是U的含量是K元素含量近10倍，说明JY-1井、PY-1井以及YY-3井C段的GR峰主要由U含量的激增导致的；由LY-1井的GR曲线可以看出在C段的GR峰值处，U曲线位于波峰，TH曲线以及K曲线位于下降半幅点处，说明U含量的变化引起这次GR峰的出现。并且对比K曲线和GR曲线以及U曲线和GR曲线而看，GR曲线和U曲线的拟合度最高。虽然由于井位位于不同的地区，导致不同的沉积环境引起TH含量和K含量的变化不同，对GR曲线的影响不同，但是U含量变化引起的GR峰的出现是不容置疑的，因此川东南地区五峰组—龙马溪组C段的GR峰主要是由于铀元素的含量增加引起的(图 5)。
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| 图 5 YY-3井—JY-1井—LY-1井—PY-1井高GR峰地层沉积阶段连井图 Figure 5 Sediment phase connection map of YY-3, JY-1, LY-1, PY-1 |
对于五峰组—龙马溪组的页岩的A、B、C、D段的GR、U曲线出现峰值，笔者将以JY-1为例综合考虑川东南地区五峰组—龙马溪组时期的地质事件以及岩相古地理沉积环境, 进行沉积阶段分析。
3.1 五峰组上部页岩A段发育五峰组上部黑灰色页岩，是大规模海侵阶段的末期，为次一级的海侵阶段。此阶段GR均值为181.239 API，变化趋势较缓，曲线缓慢降低(图 6)。U曲线开始缓慢升高，均值为14.814×10-4，最大值和最小值相差很小，变化趋势也较缓；TH含量迅速降低，均值为10.814×10-4，最大值和最小值相差很大，变化很快；沉积物沉积速率逐渐降低，U元素富集速率开始缓慢升高，到顶部，U元素的富集速率达到最大(图 7)。硅质含量先降低后升高，TOC含量先降低后升高，TOC含量均值为4.73%。
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| 图 6 JY-1井五峰组—龙马溪组底部GR峰地层沉积特征 Figure 6 Sediment characteristics of the GR peak strata in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation of JY-1 |
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| 图 7 JY-1井GR峰四个沉积阶段U、TH、K以及TOC的变化特征 Figure 7 Variation characteristics of U, TH, K and TOC in four sedimentary stages for the GR peak strata of JY-1 |
通过对V/(V+Ni)分析，V/(V+Ni)比值在0.46~ 0.60，Mo元素含量均值为3.64 μg/g，水体滞留程度较高；V/Mo均值为35.27，在还原条件下，V的减少，代表有机质的减少；测井TH/U小于1，A阶段处于深水陆棚缺氧环境中的贫氧环境(表 1)。通过薄片观察，矿物排列具有定向性，具有纹层状泥质条带，少量白云石分布(图 8d)。沉积环境从深水陆棚向浅水陆棚逐步转变，并且由于五峰组初期的多次火山活动的作用，全球气候的温室效应已达到极点，冰室效应开始出现，冰期发生，气候开始转冷。
| 地层单元 | V | Ni | V/V+Ni | Mo | V/Mo |
| D | 111 | 61.2 | 0.64 | 13.3 | 8.35 |
| D | 70.1 | 47.1 | 0.60 | 23.9 | 2.93 |
| C | 284 | 143 | 0.67 | 80.3 | 3.54 |
| C | 196 | 89 | 0.69 | 22.2 | 8.83 |
| A | 77.9 | 73.2 | 0.52 | 5.16 | 15.10 |
| A | 117 | 68.4 | 0.63 | 2.11 | 55.45 |
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| 图 8 五峰组—龙马溪组底部GR峰地层沉积阶段镜下及薄片特征 a. LY-1井GR峰C段硅质含量较高，有机质较发育；b. LY-1井GR峰C段草莓状黄铁矿较发育，缺氧的还原环境；c. LY-1井GR峰C段草莓状黄铁矿和有机质共生；d. JY-1井A段大量粉砂均匀分布, 少量白云石零星分布, 矿物具定向排列, 两条硅质条带、多条纹层状粘土条带分布。；e. JY-1井B段大量粉砂均匀分布, 针柱状硅质和片状矿物均略具有定向性, 细小硅质条带, 定向分布；f. JY-1井C段粗粉砂和细粉砂均匀相互混杂, 少量白云石零星分布, 见三射骨针被方解石交代, 偶见细小生物水片被硅质交代, 针纤状矿物无定向分布；g. JY-1井D段粗粉砂和细粉砂均匀相互混杂, 粉砂石英在局部聚集集中, 见少量白云石, 矿物分布具有定向性, 粉砂石英与炭质粘土岩成平行纹层状互层 Figure 8 Microscopic and laminar characteristics of the GR peak strata in Wufeng Formation-Longmaxi Formation |
冰期可分为前期，中期和末期。A阶段为冰期的前期，冰期的出现，导致海水的固化，冰盖开始出现，形成缺氧的环境，有利于U元素的富集；也有部分地区由于海平面下降，更加靠近古陆，出现水体变浅，沉积环境变为弱还原环境，不利于U元素的富集，PY-1、LY-1、JY-1井的U是YY-3井的2~3倍(图 5)。冰期前期还导致了“暖水型”动物群的大灭绝(A段)，导致生物的丰富度大幅度降低，只剩下“冷水型”的赫兰特贝动物群(B段)[14]，介壳型的赫兰特贝开始适应环境，占领其他已灭绝生物的生存空间，死亡沉积埋藏下来的生物开始增多，有机质含量略有回升，总体上有机质含量成降低趋势，微生物的非代谢性吸附能力也逐渐降低，有机质对U元素的复合作用变弱。冰期前期的气候从之前的温暖潮湿型开始向干冷型转变，不再适合细菌等微生物的繁殖，微生物的非代谢性吸附能力减弱(图 6)。黏土含量曲线显示逐渐升高，但对于U元素的富集影响不大；Fe元素曲线逐渐降低，说明含铁矿物的含量降低，表面吸附能力减弱；另外，Fe元素与热液活动有关[15]，Fe元素的降低说明岩浆热液活动减少，为岩浆活动的冷却期(图 6)。所以A阶段GR和U曲线初期变化较慢，(PY-1井)甚至开始降低(LY-1和JY-1)，是由于有机质含量的减少，微生物的非代谢性吸附能力减弱，含铁矿物的含量降低以及缺氧的氧化还原环境导致的。此时，雪峰山，川中等古陆开始隆起，川东南地区从广海阶段开始向浅海过渡，形成局限的水体，整体水体开始变浅(图 9)。
该段发育于五峰组海退时期，GR曲线和U曲线迅速上升，由于极地冰盖的聚集和扩增导致全球海平面下降，下降幅度达50~100 m[16]，沉积著名的观音桥层，发育介壳灰岩，泥质灰岩；黏土含量达到峰值，大于50%，硅质石英含量达到最小值，白云石等钙质矿物含量开始增多(图 6)；针柱状矿物和片状矿物排列定向性减弱，水体静水程度较A段弱(图 8e)。相对A段，此阶段GR值开始迅速增大，值为218.151 API；U含量大于A段，均值为22.424×10-6，最大值和最小值相差较大，变化趋势较快；K、TH含量相对减少，TH值变化较缓，K变化趋势较快；TOC也相对减少，均值为4.3%(图 7)。TH/U均值为0.29，沉积环境为持续缺氧的还原环境，U迅速升高，TH保持极低值，说明沉积陆源碎屑较少，沉积速率极低。
观音桥层的出现与冈瓦纳大陆冰期最强时期对应，由于赫兰特贝动物群的生物大绝灭，也称为“赫兰特贝冰期”[14, 17]。B阶段为冰期的中期，主要发育“冷水型”的赫兰特贝动物群(图 3c，d，e)，随着冰室作用的增强，不再适合介壳型的赫兰特贝的大量繁殖，死亡沉积埋藏下来的生物开始减少，有机质迅速降低，微生物的非代谢性吸附能力也逐渐降低，有机质对U的复合作用开始减弱。铁元素含量开始上升，含铁矿物对U元素的吸附和转化能力进一步增加；U/TH曲线开始迅速增加，岩浆热液活动增强，为U元素的富集提供物质来源；黏土矿物含量的增加导致对U元素的富集作用开始增强。因此，岩浆热液以及热水沉积代表的岩浆活动、缺氧的沉积环境以及黏土含量的吸附作用最终导致GR曲线和U曲线快速上升(图 9)。
3.3 龙马溪组底部GR峰值C段这个时期为GR峰发育的具体时期，也是U元素含量的峰值阶段，进入了下志留统龙马溪组底部，为冰期的末期阶段，冰期消融期。发育龙马溪组底部黑色富有机质硅质页岩，石英含量迅速增加，大于50%，黏土含量迅速减少。测井TH/U小于1，V/(V+Ni)比值大于0.54，V元素均值240 μg/g，为缺氧环境，Mo元素含量较高均值为51.3μg/g，水体滞留程度较小(表 1)；少量白云石零星分布，矿物分布无定向性，草莓状黄铁矿发育，有机质较发育，水体扰动较大，静水程度最低，快速海侵和水下流动最强烈，为缺氧的氧化还原环境(图 6、图 8a，b，c，f)。
此阶段为U峰，K峰阶段，GR均值为280.324 API，最大值为307.424API，U元素均值为27.612 ×10-6，K元素含量为2.583×10-6，大于B段的冰期中期；此时TH元素位于低值，仅有8.342 ×10-6，变化不明显；有机质TOC相对A、B段显著增加，达到4.63%，最大值可达4.81%(图 7)。U元素高速沉积，K元素也达到了峰值，代表由于火山活动的造成钾质斑脱岩的沉积[18]，由于地区不同，K元素的峰值出现位置不同，JY-1位于B段中间峰值处，LY-1井和PY-1井位于B段偏下，YY-3井位于B段偏上，说明此时火山活动强烈，火山灰进入海水中，析出U6+元素，使海水的铀库增加(图 5)；喷出的二氧化碳使温室效应得到增强，温室效应超过冰室效应，冰雪融化，为冰期消融提供了一个重要的佐证[19]。Fe含量也达到峰值，与热液活动有关，图 8f的矿物无定向分布表明海水中水体流动的无定向性，从侧面反映了热流的活动。热液流体可以将地核那里聚集的大量的铀等过渡金属元素带至水体中，造成了海洋里“铀库”增加[20]，为地层中沉积铀提供物质基础。
冰期末期，海水解冻，发生迅速海侵事件，相对海平面迅速上升，形成缺氧的沉积环境，并且形成双层水结构[21]，导致海水分层，底部严重缺氧，为还原环境，上部海水因受风浪的作用、富氧陆表水的影响以及和正常海的部分沟通等多种原因而为富氧水体，有利于火山灰中U元素在上部析出底部富集，有利于地层中U元素的富集沉积。随着气候的变暖，生物在第二幕大灭绝之后进入残存期[22]，暖水型动物群逐渐开始恢复，生物的丰富度开始增加，有机质在极低值之后开始迅速上升，有机质的吸附能力开始增加，微生物的非代谢性吸附作用，但TOC的峰值明显偏上，有机质以及微生物的非代谢作用对U元素的富集为次要控制因素(图 6)。草莓状黄铁矿和有机质共生、残存的生物碎片表明在还原环境下生物的大量恢复(图 8a，b，c)。因此，快速海侵造成的缺氧环境、迅速富集的有机质以及岩浆热液活动造成的上升洋流则成为铀元素富集的重要因素。并且由于海侵的影响，淹没了局部隆起的水下高地，使陆棚地区的水体和大洋的交换不受阻碍，海洋深水带来大量营养盐导致陆棚初级生产力极大提高，从而造成铀强烈富集；相对于B段来说，C段局限性小于B段，这也是C段U元素富集大于B段的一个重要因素。
C段整个阶段从沉积因素分析，主要以火山喷发的火山灰以及岩浆热液活动喷出地核的过渡性U元素为物质来源增加海水中的“铀库”，冰期消融期快速海侵造成的缺氧环境，富有生产力的上升洋流为条件使洋盆底层水与洋盆底裂隙水发生交换作用，使铀元素从海水铀库向龙马溪组黑色页岩中转移，变为地层沉积铀。这个阶段可以说是冰期末期事件、快速海侵导致的海水分层、陆上火山喷发以及海底岩浆热液事件导致的集合事件影响(图 9)。
3.4 龙马溪组底部次峰D段发育黑灰色硅质页岩，黏土含量开始缓慢增加，石英含量开始缓慢减少，逐渐向50%的界限靠近；矿物分布具有定向性，粉砂石英局部聚集，平行纹层较发育，陆源碎屑的影响开始增大，快速海侵过后，持续性的海侵还在继续(图 6、图 8g)。GR曲线开始缓慢降低，U含量曲线成阶梯式降低，TH曲线成阶梯式升高。此阶段为U元素为主、K元素为辅的阶段，GR值为198.47 API，U含量相对C段有所减少，均值为19.189×10-6，变化速率和C段相似；K元素含量为1.877×10-6，变化速率相对C段开始变快，但均值开始降低(图 7)。测井TH/U小于1，V/(V+Ni)均值为0.62×10-6，Mo值为18.6×10-6，V均值为100×10-6，保持深水陆棚的缺氧环境，相对C段，水体滞留程度变强，古陆抬升进一步加大(图 9)。
由于C段上升洋流的交换作用，海水分层现象逐渐消失，TOC逐渐恢复正常的深水陆棚沉积。虽然由于U/TH曲线略有回升，热水沉积作用有所恢复，为U元素的富集提供物质基础；黏土含量缓慢增加，为U元素的富集提供动力，使U元素的富集含量降低趋势有所放缓；但总体上有机质含量TOC、含铁矿物含量以及Ca含量都开始减少，有机无机矿物的吸附能力开始减弱，不利于U元素的富集(图 6，7)。
由于不同地区，U曲线的衰减程度不同。YY-3井地区靠近川中古陆，水体较浅，氧化性更强，不利于U的富集，火山灰的影响更大，析出铀元素继续为海水铀库提供物质来源；GR的形态与K元素曲线的形态拟合度达到最高，此时期GR峰主要受K元素含量控制，LY-1井，PY-1井更加靠近深海，火山灰影响较小, 受U元素控制逐渐减小。JY-1为过渡相，GR曲线受K、U曲线共同控制，U曲线影响较大。
4 讨论 4.1 铀元素富集的主控因素对于铀元素的富集因素，前人做过很多研究。刘继顺[23]、Anderson et al.[24]和Barnes et al.[25]认为有机质在铀的富集过程中起着很重要的作用。蔡郁文等[10]认为沉积环境的氧化还原程度是控制烃源岩中铀富集的最主要因素，含铁矿物、有机质、含磷矿物、黏土矿物及微生物作用等决定了铀从水体向沉积物迁移富集的速率和在沉积物中的赋存状态。秦艳等[26]总结了U一般会通过以下4种方式运移到沉积物中：1)生物萃取铀，这些生物体中的有机碳被保存下来形成富含有机质的沉积物；2)在还原条件下，有机质吸附或者与U6+络合沉积，形成U-有机质络合物；3)在还原水体中，U6+向U4+转化，U随着沉积作用保存下来；4)溶解的U6+通过沉积物/水的界面扩散，被还原为U4+沉积。
影响U元素在海相烃源岩中富集的主要因素可以细分为以下几种：1)有机质的复合作用(动力和场所)：有机质对铀的富集是一种复杂的物理化学过程，包括还原、络合、吸附和吸收等作用，条件可分为硫化环境和非硫化环境[27]。2)沉积水体的氧化还原程度(条件和通道)：氧化环境下，U氧化成正6价而迁移，还原环境下U6+还原成U4+而在沉积物中富集；并且对铀从水体向沉积物的迁移形式有着至关重要的作用[28]。例如在现代海洋中，缺氧水的铀平均沉积速率是亚氧化水体条件下的十几倍[29]。3)无机矿物(尤其是含铁矿物、黏土矿物和含磷矿物)的吸附作用(动力和场所)。由于Fe2+ -Fe3+转化的氧化电位比U6+ -U4+要高，因此Fe2+可将水体可溶态的UO22+中的U6+还原为U4+[30]。黏土具有的吸水膨胀性、分散性、吸附性、离子交换等性质，使得黏土矿物有着较大的比表面积，对含铀离子有很强的吸附性[31]，但经过研究发现，海相页岩黏土含量曲线与U曲线是相关性不大，黏土的吸附对于页岩影响不大(图 6)。Fisher et al.[32]和张文正等[33]发现磷灰石等磷酸盐矿物在铀元素富集过程中具有络合作用。4)微生物的非代谢性吸附作用(动力)。非代谢性富集是指由于微生物细胞膜的渗透性增强而引起快速吸附的作用[34]。
4.2 冰期的成因五峰组末期的这次观音桥冰期(也称为赫南特冰期)是一次广泛的大陆冰川作用，冰期存在的证据很多，如有机碳同位素正漂移现象、含有燧石和磷酸盐的碳酸盐岩以及古海洋中海水中的δ18O值异常高值等[35-39]。观音桥冰期的成因一直是学界探讨的热点，前人观点被归结于风化作用、火山活动的增强或有机碳的大量埋藏等因素[35]。对于冰期的成因，Budyko[40]提出了“冰川灾变”的模型，Kirschvink[19]还为模型完善了逆向演化的依据。根据Budyko的“冰川灾变”模型可知：在某种条件下，地球表面太阳辐射反馈作用不断增强，促使冰室效应增强；结果是两极的冰盖扩大，向低纬度推进；当极区冰盖向赤道方向推进超过纬度30°后，将迅猛加速，最终到达赤道地区，形成“冰川灾变事件”，整个地球成为雪球，发生雪球事件。在观音桥冰期时，瓦岗纳大陆冰川位于低纬度地区[17]，符合“冰川灾变”模型的低纬度冰川；特别是观音桥层沉积的海相碳酸盐岩中C同位素开始升高处反映了海洋表面温度的降低、冰川的扩张[36]。因此，五峰组末期的这次观音桥冰期可称为“冰川灾变”的雪球事件。
地层上B段沉积了一套富含赫南特贝的泥质灰岩、介壳灰岩。观音桥层厚度较薄，YY-3井、JY-1井、LY-1井以及PY-1井的均值为0.51 m(图 5)，这个时期为冰期作用发育最盛时期，在B段顶部，B、C段界限处Ca曲线和白云石含量曲线为高峰，说明碳酸盐矿物含量达到最大值；微观上隐晶质黏土矿物和无定形非晶质炭质混杂，碳酸盐矿物及陆源碎屑较均匀分布其中；碳酸盐矿物包括白云石和方解石，呈粉—泥晶大小，白云石多呈菱形晶体，局部呈斑状富集。陆源碎屑主要为石英、长石粉砂；黏土矿物含量为45%；炭质含量为15%；碳酸盐矿物是30%~35%；粉砂碎屑含量占7%。
对于观音桥层的泥质灰岩，学界可大致分为两种认识:一种是浅海成因论，如陈旭等[21]古生物研究发现观音桥层发育浅水的介壳化石；Kendall et al.[41]研究发现赫南特时期的δ98Mo元素的异常低值指示一次水体氧化事件，反应了冰期的海退事件。另一种是深海成因论，高振中等[42]指出观音桥段为深水异地沉积，不是“浅水介壳相”；肖传桃等[43]通过宜昌奥陶系剖面进行层序地层分析，认为观音桥段为深海等深流沉积。笔者根据川东南地区测井TH/U均值为0.35，推测为极度缺氧的还原环境，不同的地区由于区域性差异，可分为碳酸盐含量较高的浅水沉积和泥质含量较高的较深水泥沉积，川东南地区应为较深水泥沉积。所以观音桥层存在的两种明显不同的沉积相。Kennedy et al.[44]认为冰期中夹层是岩性比较均一，厚度一般小于2 m、白云石微晶较发育的碳酸盐岩的岩层，可称为碳酸盐岩帽，并向上变薄而过渡为页岩；是冰期后期，海平面上升和海进的记录，为深水沉积。Hoffman et al.[45]认为，冰期中发育的碳酸盐岩层是由于冰期后期快速沉积作用的影响，陆地上冰川风化残留中的大量钙碱性物质进入海洋，沉积形成碳酸盐岩，成为碳酸盐岩帽，是一种浅水沉积。碳酸盐岩帽的两种明显不同的沉积相和观音桥层具有相同特征。从某种程度上，观音桥层可以看作一种薄层的“碳酸盐岩帽”。
“碳酸盐岩帽”的出现说明冰期开始进入末期，进入C段，为冰川消融期。Kirschvink[19]提出的“雪球假说”为冰期末期的出现提供了成因，温室效应超过冰室效应，占据主导地位，地球变暖，冰川融化，冰期结束；通过对该时期进行CO2含量计算以及评价生物—非生物指标显示该时期CO2的含量是现今的14~22倍[46-47]。C段为高GR峰时期，也是铁元素曲线峰值期，铁元素的富集为“雪球假说”的一个佐证[48]。“雪球假说”认为：在冰封的地球上，高纬度地区和低纬度地区温差不大，火山活动并不因冰川作用的存在而有任何减弱，如U/TH曲线代表的热液活动，在B段和C段之间达到最大(图 6)；把CO2从地球内部带到大气，CO2在大气中得以不断积累，温室效应得到增强；当CO2的含量达到某个阈值，温室效应超过冰室效应，占据主导地位，开始进入冰期末期。TH/K曲线开始上升，指示的气候条件开始变暖(图 6)。
5 结论川东南地区五峰组—龙马溪组底部普遍存在高GR峰地层，对TH、U、K含量与GR值的相关性分析，得出GR峰的出现主要是由于U峰出现主导的，U元素的富集导致GR峰值成为龙马溪组底部页岩的标志性指示。
通过对五峰组—龙马溪组底部GR峰地层进行沉积阶段划分，分析了各个沉积阶段内的生物灭绝和复苏、海侵—海退引起的海平面变化、火山活动(陆上火山喷发和底部岩浆热流)、海水分层、构造隆升以及冰期多种地质事件引起的沉积环境、矿物成分以及TOC等的变化特征，探讨了对铀元素沉积富集的影响。研究得出龙马溪组底部高GR峰是冰期末期的快速海侵、海水分层、陆上火山喷发以及海底岩浆热液事件导致的集合事件影响。
笔者梳理了有利于铀富集沉积的主控因素，并对奥陶纪末期冰期的成因进行了讨论，研究得出这次观音桥冰期为“冰川灾变”的雪球事件。“雪球假说”很好的解释了这次冰期末期冰川融化的成因，并在很大程度促进了GR峰的出现。
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