四川盆地震旦系灯影组广泛发育以微生物白云岩为主的碳酸盐岩，其间夹杂薄层蓝灰色及灰黑色泥页岩沉积物。该套泥页岩横向相对稳定、分布范围较广，可作为灯影组下段和上段微生物白云岩的界限标志，对分析震旦系灯影组构造背景及沉积环境变化意义重大。作为四川盆地油气勘探重点层位，有关灯影组白云岩沉积、成因(雷怀彦和朱莲芳，1992；方少仙等，2003)、岩溶-成岩作用对油气藏富集的复合控制(陈宗清，2010)等已有过较详细的探讨。但在控制灯影组油气储集层分布的构造运动期次、性质及构造影响范围等方面尚存争议(刘树根等，2013)，引发众多学者开展构造运动对大型油气田富集及控制作用的系列讨论(李伟等，2015；魏国齐等，2015)。对于四川盆地灯影组三段沉积环境，多认为属深水沉积，但其水体演化过程尚不明晰。前期研究表明川中高石梯-磨溪气田灯影组沉积期受拉张裂陷槽影响明显，而裂陷槽西部峨边地区灯三段是否具备相应地球化学参数指标目前尚存疑虑。本文针对灯影组三段泥页岩开展系统地球化学研究，以恢复其形成时期古气候及环境，为四川盆地灯影组构造-沉积过程重建提供支撑。

研究区位于四川盆地西南部峨边县(图 1a)，出露地层主要为前震旦系火山岩、震旦系灯影组、寒武系、奥陶系及二叠系碳酸盐岩。其中，灯影组出露完整(图 1b)。四川盆地灯影组为三级海平面升降旋回控制下的产物，沉积厚度逾千米。区域海进-海退旋回将灯影组自下而上划分为灯一段、灯二段、灯三段及灯四段。其中，灯一段及灯二段厚约1000 m，总体上为一向上变浅序列，由灰色微生物白云岩、颗粒白云岩、晶粒白云岩及溶塌角砾岩等组成；灯三段厚零至数米，主要由深灰色、蓝灰色泥岩及白云质泥岩组成；灯四段厚约0~336 m，为一向上水体变浅序列，由灰白色微生物白云岩、溶塌角砾岩等组成。灯影组上覆地层为下寒武统筇竹寺组黑色泥页岩，下伏地层为陡山沱组碳酸盐岩及冰碛砾岩混合沉积物。前寒武纪晚期，受桐湾运动Ⅰ幕及桐湾运动Ⅱ幕影响，乐山-龙女寺隆起抬升导致地层剥蚀(汪泽成等，2014)。下寒武统筇竹寺组黑色泥页岩(15~750 m)与下伏灯影组顶部为不整合接触，与上覆寒武系碳酸盐岩呈整合接触关系。灯影组地层主要为微生物白云岩及晶粒白云岩，葡萄花边构造发育。

图 1

图 1 四川省峨边地区古地理位置(a)及区域地质图(b) Figure 1 Paleogeography(a) and regional geological map(b)of the Ebian area(Southwestern of Sichuan Basin)

研究样品采自乐山市峨边县先锋村灯影组野外剖面(图 2e)。该剖面基底为前震旦系花岗斑岩，灯一段为薄-中层灰白色微生物白云岩，灯二段为中-厚层灰白色晶粒白云岩及微生物白云岩、溶塌角砾岩(图 2c)，目的层灯三段为薄层蓝灰色泥岩、灰黑色-黑色泥页岩(厚约20 cm)(图 2b)，上覆灯四段为灰白色藻白云岩及硅质白云岩(图 2a)。样品采取一定间距由下至上依次取样(图 2d)，并筛选出14个符合条件样品进行分析；其中灯影组三段泥页岩经去除表层风化层后连续密集采样(共6个样品)。

图 2

图 2 四川峨边先锋灯影组野外剖面岩性及地层综合柱状图 Figure 2 Outcrop photos and simplified stratum column of the Dengying Formation in Xianfeng area, Ebian County, southwestern Sichuan basin

样品的主、微量元素及稀土元素分析由广州澳实矿物实验室完成，采用硼酸锂熔融、等离子质谱定量分析。全岩稀土元素分析数据按北美页岩进行标准化，Eu异常采用公式：Eu/Eu^*=[2Eu_N/(Sm_N+Gd_N)]，Ce异常采用Ce/Ce^*=lg[3Ce_N/(2La_N+Nd_N)]计算得出。碳酸盐岩古海洋盐度相关Z值采用(Keith and Weber, 1964)公式：Z=2.048×(δ¹³ C+50)+0.498×(δ¹⁸ O+50) 计算；碳酸盐岩海水盐度采用δ¹⁸ O_PDB=-21.2+0.61×S(盐度%)计算出(Epstein and Mayeda, 1953)。为消除微量元素受碳酸盐蛋白质“稀释”干扰，在比较不同样品中微量元素含量时，按照Calvert和Pedersen(1993)及Summers等(1996)公式进行铝标准化。碳、氧同位素测量采用玛瑙碾钵碾磨至150目后由西南石油大学国家重点实验室完成，同位素分析采用磷酸盐法，分别在25℃和75℃恒温下提取收集碳酸盐岩中的CO₂并送质谱分析，同位素检测由IsoPrime GC5同位素质谱仪完成(采用PDB标准)，误差小于±0.1‰。

由灯影组主量元素分析结果(表 1)表明，峨边先锋地区震旦系灯影组三段蓝灰色泥岩及黑色页岩SiO₂平均含量分别为60.4%和59.4%，Al₂O₃含量平均为18.56%和16.65%，TiO₂平均含量为0.80%，皆明显高于下伏及上覆地层含量。此外，灯三段K₂O含量较高，在蓝灰色泥岩及黑色页岩中的平均含量分别为6.83%和7.06%；Fe₂O₃平均含量为2.14%和1.74%，皆高于灯二段(均值为0.62%)及灯四段下部(均值为0.76%)。蓝灰色泥岩及黑色页岩中Na₂O平均含量分别为0.12%和0.11%，略高于下伏及上覆地层(平均0.10%)。泥页岩中CaO和MgO平均含量分别为0.51%和2.34%，远低于上覆和下伏地层白云岩中CaO及MgO的平均含量(分别为29.4%和20.2%)。总体看来，峨边先锋地区震旦系灯影组三段泥页岩具SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、K₂O及Fe₂O₃含量高而Na₂O、CaO、MgO含量低的特征。

微量元素分析表明(表 1)，灯三段蓝灰色泥岩中U含量为8.95~9.2 μg/g(均值为9.05 μg/g)、黑色页岩中U含量为24.7~26.3 μg/g(均值为25.4 μg/g)，明显高于藻白云岩中U含量(均值为1.9 μg/g)；蓝灰色泥岩及黑色页岩中Sr含量平均达107.2 μg/g及71.5 μg/g，高于藻白云岩中Sr含量(均值为55.2 μg/g)；蓝灰色泥岩及页岩中Cr、V平均含量分别为429 μg/g、327 μg/g及251 μg/g、266 μg/g，远高于藻白云岩中Cr(19 μg/g)及V( < 18 μg/g)的平均含量。此外，灯三段蓝灰色泥岩及黑色页岩Rb平均含量分别达176.4 μg/g和148.6 μg/g，远高于灯四段及灯二段白云岩Rb含量(均值分别为8 μg/g及0.9 μg/g)。灯三段泥页岩中总体呈Ba、Ce、Cr、Rb、Cs、V、Ti、Ga、Nb、Nd、Pb、Sr、Y等元素富集明显特征。

表 1

表 1 峨边先锋剖面灯影组主-微量元素分析数据 Table 1 Elemental contents of the Dengying Formation in the Xianfeng profile, Ebian

表 1 峨边先锋剖面灯影组主-微量元素分析数据 Table 1 Elemental contents of the Dengying Formation in the Xianfeng profile, Ebian

表 2

表 2 峨边先锋剖面灯影组稀土元素分析数据表(μg/g)及部分重要参数比值 Table 2 REE contents(μg/g) and parameters of the Dengying Formation in the Xianfeng profile, Ebian

表 2 峨边先锋剖面灯影组稀土元素分析数据表(μg/g)及部分重要参数比值 Table 2 REE contents(μg/g) and parameters of the Dengying Formation in the Xianfeng profile, Ebian

稀土元素测试数据结果(表 2)显示，泥岩总稀土含量(∑ REE)平均值为308.4 μg/g，页岩总稀土含量平均值为261.0 μg/g。蓝灰色泥岩及灰黑色页岩中Eu/Eu^*均值分别为0.83及0.75、Ce/Ce^*均值分别为0.58及0.64，具Eu和Ce负异常。LREE/HREE值反映了轻、重稀土的分馏程度，对稀土元素特征采用Taylor和Mclennan(1985)推荐值标准化后，本区灯三段泥页岩LREE/HREE值为9.94~10.95，大于北美页岩(LREE/HREE=7.5)，反映轻重稀土分异性较高。灯三段泥页岩稀土配分图(图 3a中样品S-6及S-7) 显示：稀土元素总体表现为轻稀土明显右偏、重稀土相对平缓的特征，且灯三段与上下地层不一致的稀土曲线特征亦表明源区或环境不同。

图 3

图 3 峨边先锋灯影组稀土元素北美页岩标准化模式图(a)及La/Yb-REE交汇图(b) Figure 3 NASC-normalized REE patterns(a) and histogram of La/Yb-REE(b) of the Dengying Formation in the Xianfeng profile, Ebian

同位素分析结果表明，峨边地区灯二段顶部、灯三段及灯四段底部δ¹³ C值最小值为0.95‰、最大值为3.25‰(均值为1.87‰)。其中灯三段泥页岩δ¹³ C值(均值为3.05‰)较下伏(均值为1.35‰)及上覆(均值为1.16‰)地层明显偏大。灯二段顶部、灯三段及灯四段下部δ¹⁸ O均值分别为-2.75‰、1.65‰及-2.10‰，其中灯三段蓝灰色泥岩及灰黑色泥页岩δ¹⁸ O值均值分别为-0.54‰和3.83‰。碳、氧同位素柱状图显示泥页岩δ¹³ C值具正值异常，δ¹⁸ O值由低负值向低正值漂移。

总体看来，灯三段泥页岩SiO₂、Al₂O₃、K₂O、Fe₂O₃和Na₂O含量高，主-微量量元素中Cs、V、Cr、Rb、U元素富集明显；总稀土含量高，稀土元素中U和Ce负异常、Y/Ho含量中等；δ¹³ C及δ¹⁸ O值较上覆及下伏地层正异常，具特殊的地球化学特征。

沉积物内元素分配的差异性不仅取决于元素的地球化学性质，还与元素赋存环境关系密切。对代表性元素分布-含量及比值的系统分析，可有效恢复沉积期氧化-还原环境、水体深度、古气候、古盐度及物源等古环境及古构造背景。

氧化环境中Ce⁴⁺不易溶于海水导致其在海水中亏损而呈现负异常，但在沉积物中富集则呈现正异常或无明显负异常，故Ce异常值可作为判断氧化还原环境的良好参数(Wright et al., 1987; 周长勇等，2014)；U/Th、lg(Ce/Ce^*)、V/Cr、U/Al、V/Al及Cr/Al值(表 3)亦因数值高低与还原环境强弱成正相关而作为氧化-还原环境判别的良好指标(Jones and Manning, 1994; 遇昊等，2012; 田洋等，2014; 徐林刚等，2014)。研究区灯三段泥页岩Ce异常值范围为0.58~0.64(均值为0.56)，显示一定程度的亏损(图 3a)。灯影组Ce与LREE/HREE的相关系数仅为0.17，表明Ce亏损程度与轻重稀土分异几乎无关。灯三段蓝灰色泥岩U/Th值为0.63~0.67(均值为0.65)、lg(Ce/Ce^*)值为-0.24、V/Cr值为0.58~0.59(均值为0.58)，V/Al、Cr/Al及U/Al值分别为0.56、0.62和0.31，远小于上覆灯四段和下伏灯二段藻白云岩值(分别为21.72、21.5和5.64)，蓝灰色泥岩中lg(Ce/Ce^*)、V/Cr、U/Al、V/Al、Cr/Al及U/Th低值(图 4b、4j)均表明其属氧化沉积环境。灯影组三段灰黑色页岩U/Th值为1.81~2.02(均值为1.93)、lg(Ce/Ce^*)值为-0.20、V/Cr值为0.79~0.83(均值为0.81)；V/Al、Cr/Al及U/Al均值分别为0.63、0.66及0.57，均远小于灯影组藻白云岩比值(分别为21.72、21.5和5.64)，指示其属弱氧化-还原环境。综上数据表明，峨边地区灯三段蓝灰色泥岩属氧化环境沉积物，黑色页岩属弱氧化-还原环境。

表 3

表 3 沉积环境氧化还原指标 Table 3 Redox Indicators of sedimentary environments

表 3 沉积环境氧化还原指标 Table 3 Redox Indicators of sedimentary environments

图 4

图 4 峨边先锋剖面灯影组稀土元素分配及沉积环境分析相关参数图 Figure 4 Column of rare earth elements and sedimentary environment analysis of the Dengying Formation in the Xianfeng profile, Ebian

稀土元素在风化、搬运、沉积和成岩过程中具强稳定性(Veizer and Demovic, 1974)，且稀土元素在海水中溶解度非常低，故沉积岩中较高的REE含量可能由较多的陆源碎屑造成。沉积岩中稀土元素总量(∑ REE)指示陆源物质的多少，常与标准化平均页岩的∑ REE值(173.20 μg/g)对比。若沉积物总稀土元素含量远低于∑ REE值，表明其受陆源物质影响小，反之则代表受陆源物质影响大。灯影组蓝灰色泥岩和黑色页岩稀土元素总量平均为308.4 μg/g和261.0 μg/g，与平均页岩∑ REE值相比明显富集。LREE/HREE、(La/Yb)_N值与轻稀土富集程度(张妮等，2012；尚飞等，2015)及沉积物受陆源物质影响程度成正比，(Gd/Yb)_N值与重稀土富集程度成正比。研究区灯三段蓝灰色泥岩及灰黑色页岩LREE/HREE均值分别为9.9和10.9、(La/Yb)_N均值分别为1.76和1.76、(Gd/Yb)_N均值分别为0.70和0.71，均显示出高(La/Yb)_N值、低(Gd/Yb)_N值和高LREE/HREE值特征(图 4c、4d、4e)，反映稀土分异性及轻稀土相对重稀土的富集度均较高，说明峨边地区灯三段泥页岩源区受陆源物质影响明显。Rb/Sr值、Ti及SiO₂含量与沉积物受陆源物质的影响呈正相关关系(王鹏万等，2011；陈敬安等，2013)，亦可作陆源影响指示参数。灯三段泥页岩中Rb/Sr均值分别为1.65及2.08，远高于上覆和下伏地层(均值为0.12)；TiO₂元素平均含量分别为0.85%及0.74%，较上覆和下伏地层中TiO₂含量(均值为0.05%)高达数十倍；泥岩和页岩中SiO₂平均含量达到60.4%和59.4%，指示陆源硅质来源丰富。Y和Ho具相似离子价态、半径及地球化学行为，但因表层络合能力不同，Ho从海水中沉淀速率约为Y的2倍(Nozaki et al., 1997)，Y/Ho值可作为陆相或海相沉积的良好识别指标(Bau and Dulski, 1996；Nozaki et al., 1997；徐林刚等，2014)。研究表明上地壳Y/Ho值约为27.5，现代开放大洋沉积物Y/Ho值为60~90(受盐度影响)，河水Y/Ho值介于上地壳及大洋值之间(Alibo and Nozaki, 1999；Mclennan，2001)。灯三段泥页岩Y/Ho值为35.5~38.4(均值为36.7)，与上、下地层差异不大(图 4f)，反映来自大陆地壳上部的陆源物质为主要物源，局部受火山活动影响。

综合陆源指示参数及稀土分异性等地球化学指标表明，灯影组三段泥页岩明显受陆源物质影响。La/Yb-REE分析可进一步明确陆源物质来源(李胜荣和高振敏，1995)，本次对灯影组三段及上下地层进行La/Yb-REE交汇对比分析后表明(图 3b)，灯三段灰黑色页岩物源主要来自正常沉积岩，而蓝灰色泥岩物源除来自正常沉积外，部分物源来自前震旦基底花岗岩/碱性玄武岩地层。因峨边地区前震旦火山岩基底多为花岗斑岩，推测灯三段蓝灰色泥岩物源为前震旦花岗斑岩。

Sr/Ba值常作为判别古盐度变化的灵敏标志及反映沉积环境和水体深度变化的重要参数(鲍志东等，1998；遇昊等，2012)。Sr在自然界水体中迁移能力较Ba强，Sr和Ba以重硫酸盐形式出现。当水体矿化度逐渐加大时，Ba以BaSO₄的形式首先沉淀，留在水体中的Sr相对于Ba趋于富集，因而沉积物中Sr丰度和Sr/Ba值与古盐度呈明显正相关性(许憬等，2010)。Sr/Ba < 1代表陆相沉积环境，反之指示海相沉积环境。区内灯三段泥岩及页岩平均Sr/Ba值分别为0.20和0.12(均小于1)，表明灯三段非海相沉积物(图 4i)、灯三段泥页岩较上覆及下伏灯影组藻白云岩(均值为3.76) 具更低的Sr/Ba值，指示灯三段沉积初期受大气淡水注入或构造抬升作用影响，水体相对藻白云岩沉积期变浅、盐度亦变小。灯二段顶部及灯四段下部经氧同位素校正后计算出海水盐度分别为27.7‰~31.9‰(均值为29.79‰)、30.46‰~36.97‰(均值为33.71‰)，属正常盐度沉积。据Al₂O₃具亲陆性、MgO具亲海性的特点，通过镁铝比值[m=100×(MgO/Al₂O₃)]亦可判断古盐度变化(汪凯明和罗顺社，2009)，沉积环境由海水向淡水过渡时m值变小(m>500为陆表海环境，m < 10为淡水环境)。灯二段和灯四段碳酸盐岩m值均超过10000，灯三段泥页岩m值低于15，表明灯三段泥页岩沉积期受淡水影响明显。利用古水温(Y)与Sr含量(Sr)经验公式[Y=(2578-Sr)/80.8]计算出灯三段蓝灰色泥岩及灰黑色页岩古水温分别为30.58℃和31.02℃，与下伏及上覆碳酸盐岩地层古水温(分别为31.36℃及31.00℃)接近，属温暖-潮湿气候。

海水中碳、氧同位素均一程度多受海水循环速度、循环方式及溶解碳的滞留时间等控制。震旦纪海水中氧含量较低，海底缺氧使有机质埋藏率显著增加及氧化率下降，从而导致海水总溶解碳(TDC)的¹³ C增加。此外，大规模的有机质分解与埋藏会使生物有机碳大量保存，返回大气圈的富含¹² C的CO₂数量大幅减少，大气与海洋之间碳同位素交换会导致¹³ C增加，因此区内灯影组δ¹³ C具正值异常(图 4k)。灯三段泥页岩中δ¹³ C值(均值为3.05‰)相对灯二段(均值为1.35‰)及灯四段藻白云岩(均值为1.16‰)明显偏高，这与灯三段泥页岩沉积时大量有机质的分解和埋藏密切相关。当海平面上升时，大量富含¹² C的生物埋至水底，进入海洋生物中的有机碳发生氧化作用消耗海水中的氧气，海水因缺氧而形成还原的沉积环境，导致大气圈中的CO₂相对富含¹³ C，δ¹³ C值向更偏正的方向漂移。灯三段页岩中，深部滞留水体中由有机质分解而产生的碳浓度升高，导致灰黑色页岩中δ¹³ C值较蓝灰色泥岩及上下碳酸盐岩地层大，表明灯三段沉积期灰黑色页岩水体较蓝灰色泥岩水体更深，代表快速海侵事件产物。沉积岩中¹⁸O含量与温度变化、海底含氧量及水体蒸发量等多种因素有关(宋明水等，2005)，缺氧事件的发生多导致碳酸盐同位素组成的逐步升高。区内灯二段和灯四段δ¹⁸ O具有明显的低负值(图 4j)，灯三段蓝灰色泥岩δ¹⁸ O具低负值、灰黑色页岩δ¹⁸ O相对较高(均值为3.22‰)。泥页岩δ¹⁸ O值由低负值向正值漂移，反映水体深度逐渐增加过程，与前述δ¹³ C值结论一致。总体看来，灯三段泥页岩沉积时期属温暖-潮湿气候。

四川盆地晋宁-澄江运动期岩浆侵入及火山活动延伸至盆地中西部地区而导致早期基底的复杂化，已被裂陷槽东侧川中武胜地区和西侧川西威远地区钻遇基底花岗岩所证实。早震旦世末期，桐湾运动表现为印度板块和欧亚板块俯冲及碰撞，导致青藏板块向东逆覆于扬子地台板块之上(陈宗清，2013)。上震旦统灯影组沉积期，残余基底起伏地貌导致川中高石梯-磨溪构造和威远构造之间存在北西向台内台地洼槽，洼槽两侧沉积地貌相对较高，成为高石梯西侧及威远构造东侧发育北西向台缘带的地貌基础。鉴于此，有学者指出桐湾期前震旦系裂谷盆地边界断裂的继承性活动和差异沉降是导致灯影组特殊岩性组合及岩石地球化学特征异常的主要原因(冯明友等，2016)。灯三段沉积时期近南北向展布的带状凹槽区(图 1a)可能指示裂陷槽的发育程度(邹才能等，2014)。桐湾Ⅰ幕在裂陷槽以东川西北部旺苍(邢凤存等，2015)及渝东北地区灯三段中显示出一定的构造活动记录，但在裂陷槽以西地区的地质及地球化学特征尚不明晰。

裂陷槽以西峨边地区灯三段蓝灰色泥岩及灰黑色页岩岩石地化特征表明，桐湾Ⅰ幕构造运动在裂陷槽西侧具有剥蚀充填型(早期剥蚀、后期快速海侵充填)的构造沉积特征，且水体呈逐渐变浅趋势。峨边地区灯三段泥页岩富K、Al、Si而贫Na，与凝灰岩地化特征相似(邱欣卫等，2011)，推测与火山灰长距离搬运沉积及构造抬升风化作用有关。因沉积岩中富K的云母相对稳定，火山灰风化后黏土矿物易吸附K导致其含量相对增高，经风化后Na以可溶性盐形式聚集于海水中导致其含量明显减少。然而全球范围内海底热液流体普遍具LREE富集、Eu正异常高的特点(丁振举等，2000；杨兴莲等，2008；田兴磊等，2014)。区内灯三段泥页岩稀土元素虽具总稀土含量高、REE分配模式表现为“右倾”及重稀土相对平缓等特征，但Eu值不具正异常；多项相关地化分析指标亦表明黏土物质来源以陆源碎屑为主、局部来自基底花岗岩，一定程度上表明裂陷槽西侧桐湾Ⅰ幕构造运动具抬升剥蚀-填平补齐的特点。推测峨边地区灯三段以抬升剥蚀为主，同时火山活动对后期海侵沉积物中黏土矿物地球化学的异常具有促进作用。但鉴于基底多幕堑垒式活动造成的地壳差异抬升运动及距火山活动的远近等影响，笔者推测峨边地区靠近康滇板块，灯三段沉积期岩浆活动不如裂陷槽东侧强烈。

(1) 峨边震旦系灯影组三段泥页岩硅、铝及钾元素富集，具Ce和Eu负异常。古氧化-还原参数及气候指标表明蓝灰色泥岩属氧化环境、灰黑色页岩属贫氧环境。灯三段泥页岩沉积时期间气候温暖潮湿、受淡水影响明显，为记录桐湾运动Ⅰ幕活动的良好指标。

(2) 地壳抬升导致灯三段泥页岩受陆源物质影响明显，主物源来自大陆地壳上部，局部受火山活动影响。蓝灰色泥岩物源以正常沉积为主夹前震旦基底花岗斑岩，灰黑色页岩物源来自正常沉积岩。裂陷槽西侧峨边地区桐湾Ⅰ幕构造运动表现为早期剥蚀、后期快速海侵充填特征，晚期水体呈逐渐变浅趋势，峨边地区桐湾Ⅰ幕构造活动较裂陷槽东侧偏弱。