2020, Vol. 36
2. 油气资源与勘探技术教育部重点实验室, 长江大学资源与环境学院, 武汉 430100
2. Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration Technology, Ministry of Education, College of Resources and Environment, Yangtze University, Wuhan 430100, China
前寒武纪漫长的历史过程中，地球经过了一系列包括增生、元素放射性衰变以及逐渐变冷固化等复杂的演化过程(Klein and Philpotts, 2012)。随着寒武纪约5.4亿年前生物爆发式地出现，即寒武纪生命大爆发(Shu et al., 1999；Marshall，2006)，地球演化进入到一个生命活跃的全新时期。因此，前寒武纪-寒武纪转化时期是地球演化过程中一个极为跳动而且关键的时期，发生了一系列重大而影响深远的深刻变革，包括Rodinia超大陆至Gondwana大陆演化(Torsvik，2003；Li et al., 2008；Evans, 2009, 2013；Ge et al., 2014)、新元古代中-晚期的极端冰期寒冷气候事件，如“雪球地球”事件(Kirschvink，1992；Hoffman et al., 1998；Hoffman and Schrag, 2002；Hoffman and Li, 2009)、地球表面氧化事件(Canfield and Teske, 1996；Fike et al., 2006；Holland，2006；Canfield et al., 2007；Sahoo et al., 2012；Lu et al., 2017)以及多细胞-真核等复杂生物的发展(Narbonne and Gehling, 2003；Narbonne，2005；Knoll et al., 2006；Knoll，2011)等，所以对前寒武纪-寒武纪基础地质研究是认识地球早期物质组成、结构构造、古环境、古气候和演化历史的基础。
塔里木盆地作为中国最古老的克拉通盆地之一，是一个发育在塔里木板块内部的大型多旋回叠合盆地(贾承造，1999)，盆地及其周缘地区保存了相对完整的新元古时期地质记录。南华纪初期，伴随着Rodinia超大陆的解体，塔里木盆地整体处于拉张背景，盆地内部及周缘发育了一系列的裂谷或裂陷(Turner，2010；杨云坤等，2014；冯许魁等，2015；崔海峰等，2016；李勇等，2016；吴林等，2016；管树巍等，2017；石开波等，2018; Chen et al., 2020)，并有研究报道了这一时期发生了多期次的冰川活动事件，其相关沉积发育于塔东的库鲁克塔格地区(有文献也称为塔东北库鲁克塔格地区，本文称为塔里木盆地东部库鲁克塔格地区)、塔西北的阿克苏地区、塔西南的叶城地区等。震旦-寒武纪时期，塔里木盆地经历了全球性的大规模海侵事件，在盆地内部发育黑色泥岩(Zhu et al., 2017)和多期大规模台地相碳酸盐岩沉积，具有多套寒武系台地边缘与多种类型沉积体系。最近钻井资料揭示盆地内部部分地区缺失南华-寒武系沉积，这可能是因为南华-寒武系地层受到新元古代构造运动的控制，在塔里木盆地内部呈区域性分布。本文报道了塔里木盆地东北缘一套完整的南华-寒武纪沉积地层，在前人大量研究的基础上，结合岩石地球化学、有机地球化学、有机岩石学和同位素地球化学等多种方法，对塔里木盆地南华-寒武纪沉积体系、古气候、盆地类型进行探讨，并阐述构造因素对寒武纪岩相古地理的控制作用。
1 区域地层塔里木盆地东部库鲁克塔格地区前寒武纪地层露头剖面较多，并且各剖面沉积差异较大(图 1)。前南华纪基底自下而上依次为新太古界托格拉克布拉克组、古元古界兴地塔格群、中元古界扬吉布拉克群和爱尔基干群以及新元古界帕尔岗塔格群。最古老的托格拉克布拉克组，也叫托格杂岩，主要由TTG岩系(英云闪长岩、奥长花岗岩和花岗闪长岩)和少量表壳岩构成，Zhang et al.(2012)获得托格杂岩体中英云二闪长岩2601±21Ma和奥长花岗岩2640±61Ma的结晶年龄；扬吉布拉克群主要为碎屑岩建造，可能存在轻微的变质，岩性主要包括石英片岩、长石石英砂岩，变质粉砂岩、千枚岩等，与下伏兴地塔格群为不整合接触；爱尔基干群以及新元古界帕尔岗塔格群主要由白云石大理岩以及浅变质的碎屑岩组成。南华系-寒武系角度不整合覆盖于青白口系帕尔岗塔格群和约780Ma的花岗岩之上(Long et al., 2011)，主要以多套火山岩和冰碛岩以及碎屑岩的相间发育为特征(Xu et al., 2009；He et al., 2014)。南华系自下而上发育了贝义西组、照壁山组、阿勒通沟组、特瑞艾肯组，震旦系自下而上发育了扎摩克提组、育肯沟组、水泉组和汉格尔乔克组，寒武系自下而上发育了西山布拉克组、西大山组、莫合尔山组。
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图 1 塔里木盆地东部库鲁克塔格地区地质简图及样品位置 Fig. 1 Geological sketch map and sample location of the Kuruktag area in eastern Tarim Basin |
南区雅尔当山剖面南华纪早期贝义西组广泛发育双峰式火山岩，是裂谷断陷高峰期的产物。北区除了广泛发育的740~725Ma火山岩建造(Xu et al., 2009)，同时还发育由粗到细快速变化的沉积充填序列以及明显的冰碛砾岩建造。南区缺失的照壁山组，在北区与贝义西组不整合接触，该组发育灰色薄-中层含粉砂泥岩与岩屑砂岩互层。南区阿勒通沟组上段发育灰、深灰色劈理化粉砂质泥岩以及含泥细粒岩屑砂岩，下段发育灰色薄-中层长石岩屑砂岩与粉砂质泥岩，底部发育有冰碛岩。He et al.(2014)在北区阿勒通沟组上部两套火山岩中获得了655.9±4.4Ma和654±10Ma的U-Pb年龄，限定了阿勒通沟组冰期结束的时间。南区特瑞艾肯组主要以深水沉积的黑色泥岩为主，而北区为冰水相沉积，以杂砾岩、砂岩为主。
震旦系主要以浅海相沉积为主，火山活动相对较弱，仅在扎摩克提组出现部分火山岩，前人在北区扎摩克提组中部安山岩获得了615Ma(Xu et al., 2009)。育肯沟组为粉砂岩与粉砂质泥岩不均匀互层，夹有细砂岩，顶部为薄层深灰色泥岩。水泉组下部主要为粉砂岩以及砂质云岩，中部发育黄绿色泥岩。汉格尔乔克组上部为灰色粉泥晶云岩，下部为灰黄、黄绿色块状冰碛含砾不等粒岩屑砂岩。
寒武系主要为半深海-浅海相沉积，下寒武统西山布拉克组底部为黄褐、灰黑色含磷硅质岩，与全球寒武系磷矿沉积事件对应，下部为灰绿色基性火山岩，中上部为黑色硅质岩。西大山组岩性为灰、灰黑色灰岩、泥灰岩夹页岩、钙质砂岩及白云质灰岩。莫合山组主要为灰岩与泥质灰岩互层，在底部发育黑色硅质岩。
2 实验方法 2.1 全岩主微量元素测试本次对库鲁克塔格地区南华系特瑞艾肯组、震旦系水泉组以及寒武系西大山组90个黑色泥岩以及泥灰岩样品进行了全岩主微量元素测试，分析在南京宏创地质勘查技术服务有限公司完成。主量元素具体的测试步骤如下：准确称取约1.3~1.5g的200目样品放入干净的坩埚中，之后将坩埚置于920℃的马沸炉中灼烧三个小时。将烧制好的样品置于干燥器中待其自然冷却，通过称取坩埚以及坩埚+样品的质量来计算样品的烧失量。之后分别称取~0.52g烧失后样品和适量的Li2B2O7，将二者置于塑料杯中混合均匀后加入LiBr-NH4I混合助溶剂并倒入铂金坩埚中，将制备好的坩埚置于熔样机中熔样以备后续的上机测试。测试仪器采用岛津XRF-1800荧光光谱仪(XRF)，分析精度优于1%~5%。
微量元素测试采用酸溶法流程如下：称取前期制备好的样品约35~40mg，并置于聚四氟乙烯溶样弹中，加入0.6mL的1:1纯化浓HNO3后摇匀，再加入0.6mL的HF，密封溶样弹后，玄武岩样品进钢套置于恒温电热箱内190℃加热48小时候出钢套，沉积岩样品则需加热72个小时，出钢套后转移至洗瓶中稀释2000倍摇匀，从稀释后的样品中称取2.5~3mL于离心管中，按1:1比例加入Rh内标(误差为±0.01g)以校正信号飘移。使用USGS标准W-2、G-2和BHVO-1以及国家岩石标样GSR-1、GSR-2、GSR-3来校正所测元素的含量(Jochum and Brueckner., 2008)，分析精度一般优于2%~5%。微量元素测试仪器为Agilent 7700x型四级杆质谱仪。稀土分配模式以及微量元素蛛网图用Geoplot软件绘制。
2.2 全岩碳、氧、锶同位素测试本次共对库鲁克塔格地区贝义西组、阿勒通沟组以及汉格尔乔克组32个盖帽碳酸盐岩样品进行了全岩碳、氧、锶同位素测试。首先将所有待测样品都处理掉风化、再结晶部分和石英/方解石脉体，用手磨机从干净或抛光的平板上钻取样品粉末，用于稳定碳、氧同位素分析，测试在中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心完成。测试采用美国Thermo Fisher公司Delta V Advantage稳定同位素质谱仪测定白云岩的碳氧同位素。简要的分析步骤如下：称取适量烘干至恒重的白云岩样品粉末(150~250μg)于反应瓶中，用带硅胶隔垫的盖子密封，使用排空针向反应瓶中注入高纯氦气吹扫气路(每个反应瓶吹气时间约330秒)，按顺序依次排空反应瓶中的空气。经排空处理后，通过手动加酸的方式向反应瓶中加入2~3滴饱和磷酸，在70℃的温度下反应约1小时，平衡一段时间后，纯磷酸与碳酸盐反应产生的CO2通过色谱柱与其他杂质气体分离，然后直接进入Delta V Advantage稳定同位素质谱仪进行碳氧同位素测定。采用标准样品NBS18 (碳酸盐岩)进行质量控制，通过重复测试标准物质，δ13 C和δ18O测试精度分别优于±0.1‰和±0.2‰。
锶同位素测试在北京科荟测试技术有限公司完成，测试流程如下：离心管中加入50mg待测样品和3mL 1N HAc，开盖反应到无气泡产生，超声30分钟后开盖静置10分钟，重复之前操作，之后静置12小时，盖子微盖，充分反应碳酸盐岩部分。超声30分钟后，离心10分钟(5000转/分钟)，提取上清液至溶样罐。于离心管中沉淀固体中再加入2mL超纯水，超声30分钟后离心，再次提取上清液至溶样罐，重复2次。将溶样罐中7mL上清液蒸干放于电热板(温度120℃)蒸干，转换成所需介质。之后所有待测样品使用TIMS测试。
2.3 全岩总有机碳(TOC)测试方法本次对库鲁克塔格地区南华系特瑞艾肯组、震旦系水泉组以及寒武系西大山组116个黑色泥岩以及泥灰岩样品开展了总有机碳(TOC)测试，测试在中国石油大学(北京)地球科学学院石油地质实验室完成。将待测样品粉碎后用孔径小于0.2mm的筛子对样品进行筛选，所得样品加入1:7的盐酸充分摇匀并浸泡2小时以上消除样品中碳酸盐组分，将处理好的样品放入恒温(70~80℃)干燥箱中烘干，之后所有待测样品使用美国LECO公司CS-230型碳硫测定仪测试。
3 库鲁克塔格地区黑色岩系地球化学特征在南华-寒武纪期间，塔里木克拉通先是经历了盆内裂陷、坳陷，自震旦纪之后发生大规模的海侵事件。其中，在塔里木盆地东北缘库鲁克塔格地区南华-寒武纪发育海陆过渡相以及浅海相沉积环境。近年来，随着寒武系油气勘探的突破(潘文庆等，2015)，使得深层寒武系以及前寒武烃源岩成为研究重点(朱光有等，2016)。本文通过对塔里木盆地东部地区野外露头的综合分析，结合地震讨论塔东地区烃源岩的分布。总体来看，塔里木盆地东部地区南华系特瑞艾肯组、震旦系水泉组、寒武系西山布拉克组等分别发育具有一定生烃潜力的烃源岩。
3.1 南华系烃源岩塔里木盆地内部，南华系埋藏主体在9000~16000m，目前尚未有钻井钻遇南华系黑色泥岩；但是在盆地周缘露头剖面的踏勘中，发现了南华系发育深水沉积的厚层泥岩，可能为重要的烃源岩，引起了关注(Zhu et al., 2020)。依据近年来第一作者野外踏勘，并结合中国石油塔里木油田公司等单位野外工作，初步确定出南华系露头在塔里木盆地东缘库鲁克塔格地区、塔西北阿克苏地区和塔西南缘铁克里克地区发育，并在多个露头取到烃源岩。另外，在地震资料中，能够发现南华系裂谷沉积特征，大多表现为北东-西南向延伸的地堑或半地堑结构特点(朱光有等，2018)。
塔里木盆地东部库鲁克塔格地区南华系特瑞艾肯组发育一套优质烃源岩(图 2)，岩性主要为黑色泥岩，在库鲁克塔格地区雅尔当山剖面出露较好，该套烃源岩厚度较大，连续沉积超过300m，露头泥岩样品分析表明，该套烃源岩有机碳含量(TOC)主要分布在0.23%~2.82%，平均值1.66%，烃源岩热解分析S1+S2值主要分布在0.0839‰~1.1851‰，平均值为0.2969‰；镜质体反射率Ro在1.28%~1.60%(Zhu et al., 2020)，黑色泥岩抽提的氯仿沥青“A”含量分布在0.0023%~0.0223%，平均值0.0768%。
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图 2 塔里木盆地东部雅尔当山剖面特瑞艾肯组烃源岩地球化学特征 Fig. 2 Geochemical characteristics of the source rocks of the Tereeken Formation in the Yaerdangshan section in the eastern Tarim Basin |
显微镜下，泥质含量与有机质含量均较高，岩石微细纹层发育(图 3a, b)，是一套静水还原下的沉积产物。缓慢的沉降使得有机质能在水体中充分降解腐泥化，因此形态保存好的有机质并不多。有机岩石学照片显示，有机质以腐泥组和固体沥青为主，偶见海相镜状体(图 3)。腐泥组以来源于蓝细菌降解形成的无定形体为主，少量单细胞浮游藻类，红藻囊果等藻类体。固体沥青沿微裂缝和粒间孔隙充填。局部见到线叶植物，海相镜状体可能与该类线叶植物有关。
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图 3 塔里木盆地东部雅而当山剖面特瑞艾肯组烃源岩显微照片 Fig. 3 Micro-photos of the Tereeken Formation from the Yaerdangshan section in the eastern Tarim Basin |
在塔西南地区南华系主要出露于新藏公路剖面，牙拉古孜组主要为类磨拉石组合的粗碎屑沉积，波龙组及雨塘组发育杂砾岩，克里西组主要发育灰绿色泥岩，厚度超过300m。克里西组虽然泥岩发育，但是由于露头风化严重，泥岩的TOC含量大多数都小于0.1%，部分深灰色泥岩层，TOC也较低，这可能与样品风化影响有关。
在塔西北阿克苏地区，南华系主要发育紫红色块状杂砾岩，紫红色、灰绿色砂岩、粉砂岩，在西方山组、东巧恩布拉克组、牧羊滩组、东屋组均没有获得TOC含量大于0.2%的泥岩(朱光有等，2018)。虽然目前在塔西南和塔西北地区，没有发现烃源岩，但是随着野外工作的加强和取样手段的提高，可能会发现高有机质高丰度的烃源岩。
3.2 震旦系烃源岩震旦纪塔里木盆地整体格局发生变化，由之前的南华纪裂谷盆地逐渐发展为坳陷，以填平补齐稳定沉积为主，断裂较少，岩浆活动也减弱。其中，塔里木盆地东部库鲁克塔格地区震旦系水泉组上部发育厚约53m泥页岩(图 4)，TOC主要分布在0.22%~0.79%；Ro分布在1.37%~1.93%之间。
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图 4 塔里木盆地东部恰克马克铁什剖面震旦系水泉组泥岩TOC与露头照片 Fig. 4 TOC contents and outcrop photographs of source rocks in the Shuiquan Formation from the Qiakemaketieshi section in the eastern Tarim Basin |
塔西南地区震旦系库尔卡克组发育厚约200m的黑色泥岩，连续稳定分布，野外露头泥岩TOC分布范围0.14%~1.62%。镜质体反射率Ro平均值为1.83%，是一套重要的烃源岩。
在塔西北阿克苏地区，下震旦统苏盖特布拉克组主要发育砂岩、粉砂岩以及泥岩和白云岩互层沉积，而在上震旦统奇格布拉克组发育中厚层微生物白云岩，是一套优质储集层。下震旦统苏盖特布拉克组泥岩为深灰色，厚度大于60m，风化比较严重，TOC主要在0.2%~0.5%。
显微镜下特征观察发现，塔西南地区震旦系库尔卡克组样品整体泥质含量与有机质含量均较低(图 5)。有机质以无定形体和固体沥青为主，偶见少量藻类体和疑源类(图 5)。其中无定形体主要来源于蓝细菌降解所形成，固体沥青主要沿微裂缝充填；藻类体主要是多细胞底栖藻类叶状体残片，疑源类偶见。样品中黄铁矿发育，以块状黄铁矿为主(图 5h, i)，说明沉积水体偏氧化环境。
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图 5 塔西南地区震旦系库尔卡克组样品显微照片 Fig. 5 Microscopic photographs of samples collected from the Sinian Kurkak Formation in southwestern Tarim Basin |
塔里木盆地东部库鲁克塔格地区寒武系西大山组发育一套厚层的泥灰岩、泥岩，与盆内的玉尔吐斯组大约具有等时性。西大山组40块钻孔岩心样品分析表明，该套泥灰岩有机碳含量(TOC)分布范围在0.15%~1.45%(图 6)，平均值0.47%；烃源岩热解分析S1+S2值主要分布在0.0524‰~0.1644‰，平均值为0.0945‰。显微特征显示，岩石以灰岩、含泥灰岩为主，泥质含量不高。岩石中形态保存较好的生物有机质不多，有机显微组分以固体沥青为主，少量无定形体(图 7)。大量沥青分布于层间裂缝和方解石粒间孔隙中，显示其很好的储集岩特征。
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图 6 塔里木盆地东部库鲁克塔格地区兴地剖面寒武系西大山组烃源岩地球化学特征与岩心照片 Fig. 6 Geological characteristics and photographs of source rocks in the Xidashan Formation at the Xingdi section in the Kuruktag area of the eastern Tarim Basin |
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图 7 塔东库鲁克塔格地区兴地剖面寒武系西大山组显微照片 Fig. 7 Microscopic photographs of rock samples from the Xidashan Formation at the Xingdi section in the Kuruktag area of the eastern Tarim Basin |
前人认为在库鲁克塔格地区新元古代发生过四次冰期事件，分别发生在南华系贝义西组、阿勒通沟组、特瑞艾肯组和震旦系汉格尔乔克组四套地层沉积时期，并且可以和全球“雪球事件”的Kaigas冰期(750~741Ma；Frimmel et al., 1996；Key et al., 2001；Zheng et al., 2007；Macdonald and Jones, 2011)、Sturtian冰期(720~660Ma；Brasier et al., 2000；Fanning and Link, 2004)、Marinoan冰期(635~643Ma；Halverson et al., 2004；Kendall et al., 2006)以及Gaskiers冰期(583~582Ma；Thompson and Bowring, 2000)相对应(Xu et al., 2009；He et al., 2014)。化学蚀变指数CIA(表达式为: CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)] ×100，主要成分为摩尔分数，CaO*为硅酸盐中的CaO，即全岩中的CaO扣除掉化学沉积的CaO的摩尔分数。对于CaO*的计算和校正，McLennan (1993)提出：CaO*=CaO/(10/3×P2O5)，且如果校正后的CaO摩尔数小于Na2O摩尔数，则采用校正后的CaO摩尔数作为CaO*的摩尔数；反之，则采用Na2O摩尔数作为CaO*的摩尔数)是指示沉积环境的有效指标。现代沉积物CIA值反映的气候条件：CIA值介于50~65之间，反映寒冷、干燥的气候条件下低等化学风化程度；介于65~85之间，反映温暖、湿润条件下中等化学风化程度；介于85~100之间，反映炎热、潮湿的热带亚热带条件下强烈的化学风化程度(Nesbitt and Young, 1982)。
在对库鲁克塔格地区南华-震旦系地层进行了CIA值分析时，获得贝义西组CIA值介于51~56之间，具冰期环境的典型特征。照壁山组的CIA值在60附近，表明气候变暖。阿勒通沟组的CIA值在48~62之间(刘兵等，2007)。雅尔当山剖面特瑞艾肯组泥岩中获得CIA平均值为73.32(表 1)，说明阿勒通沟期经历了一次寒冷事件，而在特瑞艾肯组表现为温暖湿润的环境。北区恰克马克铁什剖面获得特瑞艾肯组CIA值介于49~53之间，说明经历了第三次寒冷干燥的气候环境。水泉组的CIA均值为65，反映了温暖沉积环境。汉格尔乔克组CIA值下降到56，显示出第四次寒冷气候环境的出现。由此可见，塔东库鲁克塔格地区在新元古代期间气候至少出现三次明显的冷暖交替变化(高振家，1993；Xiao et al., 2004；Xu et al., 2005)。
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表 1 库鲁克塔格地区南华-寒武系黑色泥岩化学蚀变指数变化表 Table 1 Chemical Index of Alteration (CIA) values of black mudstone samples from the Nanhua to Cambrian systems in the Kuruktag area |
库鲁克塔格地区南华系-寒武系发育3套“盖帽”碳酸盐岩(图 8)，这证明塔里木盆地东北缘经历了至少3次极端寒冷事件，这与上述化学蚀变指数CIA的研究相互佐证。在地球化学研究的基础上，对这3套盖帽碳酸盐岩进行了详细的碳、氧、锶同位素研究。碳酸盐岩δ13C和δ18O可以反映丰富的气候和环境信息，其可行性已被大量的研究所证实(Longinelli，1979；Drummond et al., 1995；Arenas et al., 1997；Li and Ku, 1997；Utrilla et al., 1998；Andrews et al., 2000；Bassetti et al., 2004；Wynn and Read, 2007)。自然界不同碳源的碳稳定同位素值有明显差异，正常海水中溶解的CO2的δ13CPDB值大致等于10‰，大气CO2和火山喷气CO2的δ13CPDB值通常在-5‰~-8‰之间，有机质降解带来CO2的δ13CPDB值一般>-25‰，烃类气体产生的CO2的δ13CPDB值通常 < -25‰。新元古代盖帽碳酸盐岩的δ13CPDB在全球范围内普遍表现为负值(-3‰~-7‰)，Kennedy et al.(2001)首次将这一全球性负值现象归因于“雪球”地球结束后全球甲烷水合物的分解所致。
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图 8 库鲁克塔格地区三套盖帽碳酸盐岩的C、O、Sr同位素变化图 Fig. 8 Carbon, oxygen and strontium isotopes of three sets of cap carbonates in the Kuruktag area |
此外，前人研究表明，对于古老地层，氧同位素组成很容易受到后期作用的影响，导致同位素偏轻。一般认为，δ18O值小于-10‰的样品受不同程度的后期成岩作用影响，其δ13C值已发生不同程度改变，而δ13C和δ18O的相关性是评估成岩作用影响的可靠指标(Kaufman and Knoll, 1995)。图 8中，汉格尔乔克组和阿勒通沟组盖帽碳酸盐岩δ13C和δ18O没有表现出一定的相关性，表明样品的δ13C值并未受到后期成岩影响，贝义西组盖帽碳酸盐岩虽然δ13C和δ18O没有表现出一定的相关性，但是δ18O值均＞-10‰，表明样品的δ13C值是可靠的。
库鲁克塔格南华系底部贝义西组盖帽碳酸盐岩的δ13C值为-9‰~-3‰(图 8)，δ18O为-2.2‰~-6.8‰。徐备(2008)在贝义西组双峰式火成岩获得锆石年龄740Ma，这一年龄与全球范围内Kaigas冰期发生的时间相对应，这说明塔里木盆地东北缘在南华纪早期经历了全球范围内的极端寒冷事件。
阿勒通沟组盖帽碳酸盐岩的δ13C值为-7‰~-2‰，δ18O值为-7.1‰~-11.8‰(图 8)，这与南澳大利亚南华系Tindelpina中的碳同位素相似(Giddings and Wallace, 2009)，此外，Xu et al. (2009)在扎摩克提组顶部的安山岩中获得615±6Ma的锆石SHRIMP年龄，这一年龄与全球范围内的Sturtian冰期相对应。
震旦系汉格尔乔克组盖帽碳酸盐岩δ13C值为-11‰~-4‰，δ18O值-2.2‰~-6.8‰(图 8)，其碳氧同位素组成符合冰期结束后盖帽碳酸盐的碳氧同位素组特征。由于该层盖帽碳酸盐周围缺乏火成岩，目前也无相应的定年结果。尽管如此，我们仍可利用扎摩克提组顶部的安山岩中获得年龄大致限定水泉组盖帽碳酸盐的沉积时代为615~542Ma。全球震旦系发育的冰期是Gasikesr冰期。目前它的发现地区和时代证据较少，如在北美Squantum杂获得砾岩的时代为595±5Ma(Thompson and Bowring, 2000)。汉格尔乔克冰期发育于615Ma到542Ma之间，与Gasikers冰期形成的时间相近，二者可以对比且均代表新元古代的最后一次冰期。
4.3 “盖帽”碳酸盐岩的87Sr/86Sr比值海相碳酸盐岩中87Sr/86Sr比值常被用于示踪陆地风化物源和海平面的变化等。目前盖帽的高分辨率锶同位素报道较少，前人研究大多关注整个新元古界的锶同位素组成(Halverson and Hurtgen, 2007；Sawaki et al., 2010；Peng et al., 2011)，其中涉及到盖帽层位87Sr/86Sr比值大多介于0.7090~0.7130之间(Sawaki et al., 2010；Peng et al., 2011)，明显高于新元古代晚期海水的87Sr/86Sr平均值0.7072~0.7080(Halverson and Hurtgen, 2007)，说明盖帽碳酸盐岩沉积时期有额外的87Sr源供给。
库鲁克塔格地区南华系-寒武系三套盖帽碳酸盐岩的Sr同位素数据(图 8)中，贝义西组盖帽碳酸盐岩87Sr/86Sr的平均值为0.712069，阿勒通沟组盖帽碳酸盐岩87Sr/86Sr的平均值为0.711235，汉格尔乔克组盖帽碳酸盐岩87Sr/86Sr的平均值为0.710516，这三套盖帽碳酸盐岩Sr同位素值与前人研究背景值相当，推测引起三套盖帽碳酸盐Sr同位素异常高值的原因是冰期后产生强烈的温室效应，从而引起全球气温迅速升高和强烈的陆地化学风化作用。陆源87Sr经过地表流水带入海洋造成海水的87Sr/86Sr异常正值。与此同时，陆地强烈风化作用和地表径流也可能给海洋带来更多的营养盐，使得海洋生产力迅速增加，特瑞艾肯组发育一套碳质泥岩，这是冰期过后，温度升高，海平面上升，海洋古生产力恢复的有力证据。
通过上述研究，我们认为塔里木盆地南华纪-寒武纪至少经历了3个冰期-间冰期的古环境变迁，且三个冰期分别与全球范围内冰期时间相对应(表 2)，进一步确定了黑色岩系发育的时代与形成的古气候环境条件。
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表 2 新元古代塔里木板块与扬子板块冰期事件对比 Table 2 Correlations of the Neoproterozoic glacial events between the Tarim and Yangtze blocks |
南华纪初期，随着Rodinia超大陆开始裂解，塔里木板块周缘也随之裂陷，特别是塔东地区贝义西组双峰式火成岩的发育，塔里木板块整体进入伸展相关的构造背景之中，并发育断陷早期的火成岩与砂砾岩沉积。而随着裂陷作用的加强，盆地内部水体快速加深，断陷盆地湖相沉积发育，沉积范围不断扩大。塔里木盆地东北缘阿勒通沟组、西北缘巧恩布拉克组、西南缘波龙组等的沉积厚度巨大，沉积范围广泛，是断陷扩张至高峰期的沉积特征。盆地碎屑锆石年龄值集中于750~800Ma(Lu et al., 2008；He et al., 2014)，表明塔里木盆地内部可能广泛发育与Rodinia超大陆相关的裂解事件。徐备等(2008)在库鲁克塔格地区贝义西组获得火山岩年龄732±7Ma；Chen et al.(2020)在塔西北震旦系玄武岩获得的锆石年代为572Ma，认为该套玄武岩为大陆裂谷玄武岩，说明800~572Ma期间盆地内部主要处于伸展构造背景，并在盆地内部形成一系列裂陷结构，为南华-寒武系的沉积提供了条件。塔里木盆地周缘发育了一系列与裂谷相关的火成岩：东南缘阿尔金山地区760~750Ma的双峰式火山岩(杨子江，2012)、西南缘恰克马克列克地区的746Ma的双峰式火山岩(Zhang et al., 2007)、塔里木盆地东部库鲁克塔格地区740~725Ma的双峰式火山岩(Xu et al., 2009)、塔西北阿克苏地区的760Ma的基性岩墙(Zhang et al., 2009；张健等，2014)。
库鲁克塔格地区南华系为大陆裂谷背景下的沉积，以冰海相、间冰期浅海相沉积为主，其次伴随火山喷发产物，它们间互组成一次海侵到海退的沉积旋回，岩性主要为冰碛岩、砂岩、粉砂岩以及深海相的泥岩、页岩沉积。其中贝义西组作为库鲁克塔格地区新元古代的第一期冰川，盖帽δ13C与Namibia南部的Kalahari克拉通Kaigas冰期盖帽对应；阿勒通沟组作为第二冰期沉积，将其与Sturtian冰期与扬子地台铁丝坳组冰期以及澳大利亚地区的Sturtian冰期相对应(Brasier et al., 2000；Fanning and Link, 2004；Xu et al., 2009)。
在南华系晚期，在库鲁克塔格南区特瑞艾肯组发育了深水还原环境下的优质烃源岩(Zhu et al., 2020)。特瑞艾肯组黑色泥岩段24个黑色页岩样品中微量元素V的平均含量为128.0×10-6；Mo的平均含量为2.37×10-6；U的含量平均值为3.71×10-6；U/Al、Mo/Al、V/Al值平均值分别为5.8×10-5、3.9×10-5、207.4×10-5；富集因子MoEF、UEF、VEF平均值分别为3.9、1.9、1.4(表 3)。这些氧化还原参数均指示了特瑞艾肯组形成于水体环境稳定的缺氧-还原环境。
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表 3 库鲁克塔格地区南华-寒武系黑色泥岩地球化学数据表 Table 3 Geochemical data of black mudstones from the Nanhua to Cambrian systems in the Kuruktag area |
南华纪末期至震旦纪早期主要为断陷-坳陷的过渡期，该时期地层连续稳定，分布广泛，发育滨岸-陆棚砂泥岩与碳酸盐岩台地，代表了坳陷期的沉积。库鲁克塔格南区特瑞艾肯组黑色泥岩、泥质粉砂岩超过700m，塔西北地区苏盖特布拉克组稳定沉积超过600m。坳陷期主要以震旦系水泉组、奇格布拉克组、克孜苏胡木组碳酸盐岩为代表，表明构造-沉积进入稳定的宽缓坳陷期。震旦纪早期，塔里木盆地东北缘在南华纪裂谷的基础上逐渐扩大为大陆斜坡，在特瑞艾肯组之上发育了扎摩克提组块状辉绿岩。伴随着火成岩事件的发生，气候也由南华纪的寒冷-干燥转变相对温暖-湿润，整个塔里木盆地海侵范围扩大，陆地面积减小，塔里木盆地内部仅有少量的局限台地，陆源碎屑输入减少，除塔西南仍为陆棚碎屑沉积外，在塔里木盆地东部、塔西北地区均发育了泥晶藻白云岩。在海侵期间，塔里木盆地东部地区由育肯沟组的黄绿色粉砂岩逐渐向水泉组的碳酸盐岩、泥岩、页岩过渡，此时水体氧化程度较高(表 3)，发育的烃源岩质量相对较差。
震旦系水泉组泥岩样品24个微量元素中V的平均含量为114.9×10-6；Mo的平均含量为2.76×10-6；U的含量介于1.87×10-6~4.22×10-6之间，平均值为3.00×10-6；U/Al、Mo/Al、V/Al值平均值分别为3.21×10-5、3.0×10-5、127×10-5；富集因子MoEF、UEF、VEF平均值分别为3.0、1.0、0.9(表 3)。这些数据表明了震旦系水泉组形成于水体氧化程度较高的沉积环境。
5.3 寒武纪寒武纪初期，塔里木盆地火山运动逐渐减弱，塔里木克拉通构造格局逐渐由大陆裂谷向陆内坳陷发展，海侵范围扩大，并在库鲁克塔格地区以及阿克苏地区形成稳定分布的黑色泥岩(Zhu et al., 2017)。盆地内部沉积向西扩展，阿克苏-柯坪地区由断陷演化为坳陷，并扩展到阿克苏-温宿地区及南部巴楚地区，除剥蚀区域外，地层厚度较稳定。受控整体沉降，塔里木盆地出现连为一体的浅水坳陷，发育滨浅海相碎屑岩与碳酸盐岩沉积。
寒武系在塔里木盆地广泛分布，主要发育以还原环境下沉积的灰岩、白云岩、黑色页岩为主。早寒武世由于泛大陆裂解，发生了全球范围的海侵，盆地内发育了高有机质丰度的玉尔吐斯组优质烃源岩(Zhu et al., 2018)，有关数据和资料已有详细报道(Zhu et al., 2018)，此处不再赘述。在塔里木盆地东部地区发育了由硅质岩、硅质砂岩、白云岩和膏质白云岩、薄层灰岩等构成的海进体系域。中寒武世沉积范围进一步扩大，东西分异逐渐显现，塔东及塔东南为以泥灰岩、页岩为主的欠补偿沉积，中西部则主要是灰岩、白云岩，反映了高水位体系域特点。晚寒武世-早奥陶世，塔里木板块的沉降速度与海平面下降速度一致，中西部台地内部以局限台地相白云岩为主，而东部、东北部则以斜坡相到深海环境的泥灰岩和泥岩为主(图 9)。本次塔东寒武系样品中V的平均值为43.94×10-6，Mo的平均值为1.74×10-6，U的平均值为2.35×10-6，而MoEF、UEF、VEF平均值分别高达13、8、2.82，指示西大山组泥岩在沉积时水体为弱氧化-缺氧环境(表 3)。
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图 9 寒武系西大山组泥灰岩镜下薄片鉴定 (a)灰泥成分为方解石，后重结晶，晶体有所变大，且被白云石交代重结晶，晚期发育方解石/白云石细脉；(b)灰岩被白云石交代严重；(c)可能为有残余生物结构的惰质组分或高演化程度的沥青或某种金属矿物；(d)泥灰岩中可能存在褐铁矿；(e)泥灰岩发育多条白云石/方解石细脉；(f)灰岩中黄铁矿；(g)泥灰岩中发育菱铁矿；(h)碳质泥页岩，发育平行层理，且顺层理方向有透镜状薄砂层连续分布其中，反应沉积环境中水动力加强，不同于灰泥石灰岩的安静低能环境；(i)该套灰岩中，发育生物化石，图中纺锤形部分(具体属种未知)，内部被连晶方解石充填，透射光下，可见内部充填有黑色不透明矿物，反射光下为浅黄色，可能为黄铜矿 Fig. 9 Microscopic photographs of marl samples from the Cambrian Xidashan Formation |
根据全球碳同位素对比情况发现，西大山组泥灰岩对应于梅树村阶，沉积时间大约在528Ma左右沉积(樊茹等，2011)。西大山组泥灰岩δ13C与δ18O不存在明显的线性关系且δ13C和δ87Sr/86Sr具有一定的规律性(图 10)，可以很好地指示海平面变化，δ13C值增大指示海平面上升，反之指示海平面下降，因此，可以认为：在西大山组，海平面发生了快速上升的演化趋势，在此时期达到最大海泛面；之后，海平面开始逐渐下降，沉积环境逐渐由深水陆棚环境演向台地边缘鲕粒滩环境转变。
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图 10 寒武系西大山组泥灰岩C、O、Sr同位素关系 Fig. 10 C, O and Sr isotopes of marl samples in the Cambrian Xidashan Formation |
由此可见，南华纪-寒武纪发育了比较完整的挤压-伸展构造旋回，经历大陆碰撞期-裂谷期-断陷期-坳陷期等四期构造演变。而对应黑色泥岩形成的水体环境也逐渐由南华纪特瑞艾肯组沉积时期的低能缺氧环境转变为水泉组沉积时期的氧化环境，最终在寒武纪西大山组沉积时期转变为水动力增强的弱氧化环境(图 11)。
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图 11 塔里木盆地东部南华-寒武系黑色泥岩形成环境判别图(据Algeo and Tribovilland, 2009修改) Fig. 11 Discrimination of sedimentary environments of black mudstones from the Nanhua to Cambrian systems in the eastern Tarim Basin (modified after Algeo and Tribovilland, 2009) |
塔东地区南华纪-震旦纪发育大陆裂谷到被动大陆边缘沉积体系，广泛发育的裂谷体系对烃源岩的形成非常有利，特别是在震旦-寒武纪大规模海侵之后，全盆深水环境下利于烃源岩的保存。虽然目前在盆地内部没有获得南华系的钻井资料，但是在盆地东部米兰等地区的地震剖面中见到裂谷形态，而且塔东地区已获得盆地内震旦系地层资料，寒武系强反射轴之下的坳陷结构地层代表了震旦系沉积(图 12a)，震旦系以下的裂陷结构推断为南华系或更老的地层，结合野外露头区地层特征可推测南华及震旦系烃源岩在塔东及盆地内部分布。
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图 12 塔东库鲁克塔格地区南华系-寒武系地层地震响应与烃源岩层位标定 Fig. 12 Seismic responses and determination of source rock distribution of the Nanhua to Cambrian systems in the Kuruktag area of the eastern Tarim Basin |
从库鲁克塔格地区近东西向地震剖面可以看出，震旦系底部由西向东、由北向南地层逐渐薄，为典型裂陷结构特征(图 12a)。距震旦系底界面下300ms存在一套强波阻反射，根据库鲁克塔格南区野外露头地层特征，特瑞艾肯组300多米黑色页岩层距震旦系约500~600m，在地震剖面上地震反射时长约为200~300ms，在全区震旦系底反射轴确定的情况下推测其可能为特瑞艾肯组泥岩段反射(图 12a)；该套反射下部为中低频、弱连续反射，对应南华系下部地层；上部为中低频、中弱振幅反射对应南华系上部碎屑岩地层。
根据裂谷地层的快速沉积和厚度从中央向两边快速变薄、在边缘尖灭等特点，地震剖面上的前寒武纪楔形反射往往作为识别塔里木盆地内部南华纪-震旦纪裂谷地层的主要标志(Zhu et al., 2017)，这些楔形裂谷层序受断裂控制明显(图 12b)。因此，鉴于盆地内部没有钻遇南华纪的钻井，利用这两类反射可大致确定裂谷盆地的分布形态。通过对寒武系顶拉平，更能清晰看出南华纪的裂陷结构和震旦纪的坳陷特征(图 12c)。在一些测线上可以看到南华系、震旦系地层沉积边界(图 12d-f)。塔东地区南华系主要受控于断裂，因此，具有多个小的沉积中心，厚度最大位于裂陷中心部位或单断结构的断裂一侧；震旦系在塔东地区南部表现为裂陷结构，在研究区中北部主要为坳陷沉积。
通过对塔东地区南华系-下寒武统残余厚度的解释，结合野外露头烃源岩层段厚度及烃源岩发育环境约束，刻画了塔东地区南华系、震旦系、寒武系黑色页岩厚度(图 13)，南华系厚度主要在100~300m，分布在裂陷内，分布范围6.2×104km2；震旦系厚度主要在80~200m，沉积中心在满加尔坳陷西北部分布范围6.5×104km2；寒武系厚度主要分布在20~200m，沉积中心在满加尔坳陷西部分布范围12×104km2。这三套烃源岩是塔里木盆地超深层重要的油气源岩。
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图 13 塔东地区南华系-寒武系烃源岩厚度图 (a)塔东下寒武统烃源岩厚度图；(b)塔东震旦系烃源岩厚度图；(c)塔东南华系烃源岩厚度图 Fig. 13 Thickness map of Nanhua-Cambrian source rocks in the Kuruktag area, Tadong |
塔东地区超深层主要发育特瑞艾肯组、水泉组、西大山组烃源岩，受裂陷-裂谷演化影响，这些古老烃源岩主要形成于缺氧环境中，并且对应温暖时期往往存在较高的化学风化。在库鲁克塔格地区根据盖帽碳酸盐岩C、O、Sr同位素负偏移情况识别出新元古代三期冰期事件，为评价新元古代古气候演化以及开展地层对比提供依据。结合塔东地区南华-寒武系地震反射情况，对塔东地区泥岩厚度进行限定，进而对塔里木盆地南华、震旦、寒武纪泥岩分布范围进行预测，为前寒武油气勘探以及研究提供重要基础地质支撑。
致谢 本文研究过程中得到钟端、张义杰、段书府、李建忠、杨芝林、陈永权、杨海军、韩剑发、邬光辉、赵斌等高级工程师的指导和帮助；两位匿名审稿人对本文提出了宝贵意见；在此深表感谢！
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