0 引言

塔里木盆地下寒武统玉尔吐斯组^[1]是一套岩性复杂的暗色泥岩、粉砂岩夹硅质岩沉积^[2-4]。近些年来随着盆地内油气勘探工作向深部发展，早古生代油气资源的勘探不断受到重视，前人对早古生代玉尔吐斯组的研究认为，该组可作为盆地内下古生界的优质烃源岩^[5-8]。因此研究并解释玉尔吐斯组的成因，对预测盆地内下古生界烃源岩的分布，以及评价古生界、新元古界油气勘探潜力有重要意义。层状硅质岩是一类十分独特的岩石类型，往往代表了特殊的沉积—成岩环境。作为一类特殊的化学沉积岩，硅质岩的出现往往代表了地质变动引起的海平面剧烈变化，或者大规模构造活动引起的断裂和热液上涌等特殊环境，这使硅质岩隐含了特殊时期的地质信息；同时，特殊环境形成的硅质岩往往与大量有价值的矿藏伴生，因此硅质岩的研究对这些矿藏的勘探和开发有重要作用；硅质岩的形成还可能与硅藻等生物有关，藻类生物可以形成生油母质，因此对硅质岩的研究也能为烃源岩的相关研究提供大量信息^[9-12]。

层状硅质岩从25亿年前至今，都广泛的出现在沉积地层中^[10]。关于其成因目前主要有三种观点，分别是热水沉积成因、生物成因以及海水—湖泊沉积成因。学者们通过观察和分析海底热柱喷流沉积，认为成分复杂深部热水从海底或者湖底的裂隙中喷出，与地表水接触后由于物理化学环境的剧烈变化产生硅质沉淀，形成了与大量热液矿物伴生，并在元素组成上符合热水沉积物特征的硅质岩^[13-17]；海水中存在大量的硅藻类生物，生物的硅质骨架在深海形成大范围的硅藻土沉积，在浅海产生硅质结核以及富含硅质的叠层石^[18]，这说明海洋生物在硅质循环中也扮演了重要角色^[19-24]；另外，学者们发现在高盐度的碱性水体中，二氧化硅会发生直接或间接的沉淀，从而形成层状硅质岩并代表了特殊的沉积背景 ^[25]。自80年代以来，国内学者对硅质岩的研究不断发展，尤其是对南方扬子地台以及青藏高原周边构造带古生代以来的硅质岩，进行了系统的岩石学、矿物学、地球化学研究，讨论了硅质岩不同的成因代表的沉积环境特征，并通过多种地球化学分析手段发掘了硅质岩中所记录的地质信息^[11-12]。

前人对玉尔吐斯组硅质岩进行了地球化学分析和研究，认为该硅质岩是海底热水成因硅质岩，由此推断玉尔吐斯组沉积环境为深海还原环境^[26]；但也有学者通过研究硅质岩的结构构造特征，以及相邻层位岩性的变化和区域构造背景，认为硅质岩的沉积环境并不是深海，而是浪基面之上水动力较强的浅海—半深海^[27-28]。由于盆地内钻揭寒武系的井很少，沉积环境研究的争议对玉尔吐斯组优质烃源岩的分布预测产生了阻碍。因此，综合分析硅质岩的成因和沉积过程以及沉积背景，对盆地下寒武统优质烃源岩分布的预测尤为重要。本文通过对玉尔吐斯组硅质岩样品的显微观察、SEM背散射电子成像及能谱和x衍射分析的手段，从岩石成分、结构以及自生矿物的角度，结合硅质岩的地球化学分析重新解释了其形成过程，并结合沉积背景对玉尔吐斯组优质烃源岩的分布进行了探讨。

1 研究区及样品

样品来自塔里木盆地西北缘图木舒克—阿克苏地区以及柯坪露头（图 1）的玉尔吐斯组。取样区为一系列北东走向的推覆构造体，是塔里木早古生代地层的主要出露区，可以观察到完整的古生代地层序列^[29-30]，研究区内的玉尔吐斯组发育完整，厚度变化范围为11~35 m。本文分析了肖尔布拉克剖面的3件样品、苏盖特布拉克剖面的2件样品和柯平剖面的1件样品。其中5件样品为硅质岩，一件样品（5号）为富含化石的含磷生物硅岩。

2 岩性特征 2.1 矿物组分及结构

硅质岩样品的主要矿物成分是石英，自生矿物主要有重晶石、方沸石（图 2），个别样品含有一些次要自生矿物，如铁质矿物和蒸发盐类矿物，（表 1）。

硅质岩具有典型的碎屑结构（图 2a）。颗粒主要组分为硅质黏结的黏土矿物、有机质以及生物骨架，颗粒形态为砂屑、球粒、藻粒以及生物壳体（图 2a,b）（图 2e,f）；颗粒之间充填石英、蛋白石等硅质胶结物、碳酸盐胶结物，以及重晶石、石膏、方沸石、铁质矿物等自生矿物（表 1）。颗粒间充填的硅质胶结物和重晶石、生物硅质岩中的碳酸盐岩胶结物都以充填孔隙的形式出现（图 2a,b），而石膏以及铁质矿物则以充填裂缝的形式出现（图 2c,d）。

2.2 有机质和化石

研究区硅质岩样品TOC含量总体较高，不同剖面的样品TOC含量差别较大（表 1）。肖尔布拉克剖面的3个样品TOC较低；苏盖特布拉克剖面和柯坪的样品TOC很高，取自这两个剖面的3块样品TOC都在2%以上，尤其是苏盖特布拉克剖面的生物岩，TOC含量最高可达2.27%。

TOC含量和观察到的岩石颗粒组分对应，TOC含量高的样品颗粒颜色也较深，其中还可见到具有生物壳体的颗粒（图 2e）。生物岩中观察到生物碎屑，可以识别出大量的生物壳体和藻格架（图 2f）；探针能谱分析表明，生物骨架以及藻粒薄膜的主要的骨架成分均为磷灰石，这说明高含磷脂的壳类和藻类生物是玉尔吐斯组底部沉积期的主要生物类型^[31-32]。

3 硅质岩成因 3.1 沉积过程

研究区硅质岩中的二氧化硅来源主要有三方面，首先玉尔吐斯底部硅质岩中有泥岩以及少量粉砂岩夹层，碎屑组分中有石英、长石颗粒等硅质矿物，硅质矿物的溶解可以为沉积水体提供一定量的二氧化硅，但是这些二氧化硅总量十分有限，不可能形成大面积分布的层状硅质岩；其次，已经有很多学者对研究区硅质岩进行了地球化学研究，前人研究的结果显示，玉尔吐斯组硅质岩中热液作用的化学特征十分明显^[26-27]，同时大量粒间充填的重晶石也是热液作用的证据，所以火山作用影响下的热液活动提供的二氧化硅是玉尔吐斯组硅质岩的物源之一^[33-34]，但研究区所采集的样品以及前人的研究中，均未发现火山碎屑组分，这表明研究区硅质岩中的二氧化硅并不是直接来源于火山物质，硅质岩与泥岩互层的产状，也说明牵引流水体而不是喷流水体对硅质岩沉积的控制，因此虽然火山作用可以提供大量的二氧化硅，但是研究区的硅质岩是火山物质溶解后再沉淀，而不是直接沉积的结果；同时，研究区出现了生物硅质岩和部分高TOC含量的硅质岩，这表明生物提供的二氧化硅也可能是研究区硅质岩的物源之一，但不同剖面硅质岩TOC和生物化石含量的较大差异也同样说明，生物供给的二氧化硅不是研究区硅质岩的唯一来源。

虽然在现代大部分地表水体中二氧化硅的溶解度很低，直接形成沉淀硅质岩很少，但二氧化硅的溶解度在碱性环境中会急剧增大^[35]，同时水体中的其它离子浓度^[36]以及温度^[37-39]都会对二氧化硅的溶解度产生显著影响^[40]。因此寒武纪早期海水性质的变化和环境的变化，可能会导致比现今更大范围和强度的二氧化硅的溶解和沉淀^[41]。国外学者研究了东非的碱性盐湖，认为咸水湖水中溶解的SiO₂浓度可高达2 700 mg/L，高含SiO₂的碱性水体由于蒸发作用使非晶质SiO₂［NaSi₇O₁₃（OH）₃ ·3H₂O］的沉积，而后再经长期脱水、脱钠，先形成硅酸钠凝胶然后转变成蛋白石构成的硅质岩^[42]。硅质岩样品X衍射分析发现了方沸石（表 1），但是在胶结物中都没有观察到明显的自生方沸石晶体。因此，细小方沸石可能包含在沉积颗粒中，方沸石体现了沉积期高盐度强碱性碱水体中含钠矿物对硅质岩形成的影响^[43]。

硅质岩的岩石结构，与典型的颗粒碳酸盐岩十分相似（图 3a,b）。前人对颗粒碳酸盐岩的研究表明，碳酸盐岩中颗粒和球粒，属于盆内碎屑沉积物或者化学沉淀物，是碳酸盐碎屑颗粒在海浪的淘洗和搬运作用下，分选和磨圆得到改善最后形成了颗粒状的碎屑^[44]，或者是水中的黏土等质点被碳酸盐矿物黏结形成颗粒^[45]。颗粒骨架形成之后，胶结物和自生矿物充填颗粒间空隙，最终形成颗粒碳酸盐岩沉积物^[46-47]。研究区硅质岩的明显碎屑结构与颗粒碳酸盐岩的对比，说明硅质岩的沉积过程和正常水体中的碳酸盐岩相同，水体中溶解的二氧化硅可能是在不同水动力控制下沉淀，最终形成了具有层状构造和碎屑结构硅质岩。

综上所述，研究区硅质岩中的二氧化硅来源多样，陆源硅质碎屑、火山物质以及生物都对硅质岩的形成有所贡献。不同来源的二氧化硅溶解在高盐度的碱性水体中，随着海平面的升降和水体性质的变化，在不同的水动力条件下形成了层状构造和碎屑结构的硅质岩沉积。

3.2 沉积背景

硅质岩样品中充填粒间孔隙的主要自生矿物是重晶石和少量的石膏、铁质矿物，而生物岩中除了充填生物颗粒之间的重晶石以外，还有充填裂缝的白云石（图 3d）。重晶石是典型的热液矿物，可能来自于火山活动或者深部热液^[48-51]。样品中的重晶石均以充填孔隙以及早期张性裂缝的形式出现（图 3e,f），通过矿物之间相互关系可以判断，重晶石的沉淀早于其它充填孔隙的矿物（图 3c）。这说明硅质颗粒沉积期或者成岩早期重晶石就已经开始沉淀。不同样品中的重晶石含量有明显差异，但整体表现出较好的成层性，重晶石的分布和原始孔隙分布有密切的关系（图 3e,f）。颗粒形态好，碎屑结构清晰的4和6号样品以及5号生物岩样品中，重晶石含量较高而且分布相对较均匀，而其余3块样品重晶石含量低且分布不均匀。白云石主要出现在5号生物岩样品中，普遍有晶粒粗大、晶格弯曲、波状消光的特征，并伴生黄铁矿，这样的矿物组合在很多地区的海底低温热水沉积，以及地层热液沉淀中都有发现，是典型的热液矿物系列^[52-54]。白云石有较明显的裂缝—孔隙式的充填特征，并且交切和交代重晶石（图 3d），具有同样特征的自生矿物还有石膏和铁质矿物（图 2c,d）。因此，重晶石和白云石这两种成分、产状差异很大的自生矿物可能代表了两次不同的热液作用的影响。

自寒武纪以来，塔里木盆地经历了多其次广泛而强烈的火山活动^[55-57]，其中震旦纪—早寒武世和二叠纪的两次强构造运动，对盆地古生代地层的影响最大。第一次构造运动发生时期正是玉尔吐斯组硅质岩的沉积期，硅质岩中充填的重晶石代表了这一次构造运动造成的热液活动，对沉积期和早成岩期的硅质岩造成了影响。第二次构造运动发生时，玉尔吐斯组硅质岩已经固结成岩，岩石十分致密并且发育了构造裂缝，因此这次构造运动导致的热液活动，形成了以充填裂缝为主要产状的白云石系列矿物。

玉尔吐斯沉积时期塔里木盆地开始受强烈拉张作用形成陆内裂谷^[58-61]，裂谷内部形成的陆内湖盆以及狭窄的海盆，均有环境封闭的特点，这些封闭的水体逐渐形成了高盐度和高碱性的化学环境。裂谷作用同时伴随着强火山活动，火山活动的影响加剧了水体性质的变化并为水体提供了一定量的二氧化硅，同时火山活动造成了沉积水体和地层水中大量重晶石的出现。

因此，玉尔吐斯组底部硅质岩沉积期，研究区保持了裂谷作用的背景，裂谷作用导致了水体性质的改变^[62]，而特殊的水体使多种来源的二氧化硅发生了溶解—沉淀的循环过程，在整个裂谷作用区域内形成了大范围分布的硅质岩沉积。

4 有机质及石油地质意义

虽然不同剖面的样品有机质丰度差距较大，但硅质岩样品的有机质丰度整体较高（表 1）。高盐度、高碱性环境本来并不适于生物生存，但在研究区高有机质丰度的硅质岩中，却发现了大量的生物颗粒，而且有机质丰度较高的硅质岩中重晶石的含量也偏高。由于重晶石的沉淀和热液作用关系密切，所以重晶石富集的样品可能受到了更强的热液作用的影响。热液中所富含的矿物质十分丰富，这些矿物质可以为封闭水体补充营养成分，造成局部的生物繁盛，而封闭的水体环境有利于有机质的保存^[63-65]，因此台内裂谷成为了烃源岩的有利发育区，为深部大型油气田的形成创造了良好的条件^[66-67]。

5 结论

玉尔吐斯组是一套在裂谷背景下，在台地内发育的富有机质硅质岩沉积。硅质岩在裂谷作用所控制形成的高盐度碱性水体中直接沉积，并受到水体的改造形成了具有层状构造和碎屑结构的硅质岩沉积。

硅质岩的形成是裂谷背景下，封闭水体的化学作用以及多种二氧化硅来源共同作用的结果。封闭高盐度碱性水体为硅质的溶解和沉淀提供化学条件，而陆源碎屑、火山作用以及生物为硅质岩提供了二多种氧化硅来源。

裂谷背景下形成的硅质岩沉积物中有较高含量的有机质，热液提供的营养物质和封闭水体良好的保存条件，使台内裂谷中发育了优质烃源层。早古生代拉张作用形成了大范围的台内裂谷，因此研究区新元古—早古生界有很大的油气勘探潜力。