利用地球化学指标解析中国南方陡山沱组中富含有机物的页岩层

《Sedimentary Geology》：Unravelling organic rich shale formation using geochemical proxies in the Doushantuo Formation, South China

东网沱组页岩气勘探中系统地层划分与有机碳富集机制研究，通过中扬子地块近岸-深海沉积序列分析，揭示深水环境因氧化还原分层和持续上升流事件导致有机碳富集强度高于浅水环境，建立层序地层框架与TOC数据联动的勘探评价方法。

　　

张俊峰|严德田|卢泽宇

中国地质大学教育部构造与石油资源重点实验室，武汉，430074，中华人民共和国

摘要

陡山沱组的黑色页岩为了解埃迪卡拉纪的地质环境以及具有页岩气潜力的有机碳富集提供了重要线索。作为一种典型的海洋页岩，它不仅含有高量的有机碳，而且层厚较大，因此具有重要的资源潜力。在这项研究中，通过对长江中段多个水深和沉积环境的页岩样本进行测井分析、野外调查和岩石学划分，我们识别出了陡山沱组第二段（DST-2）中的四个不同系统段。高分辨率的总有机碳（TOC）剖面显示了几次明显的富集脉冲。这些脉冲在不同系统段和水深中呈现出系统性变化。这种模式表明有机物的供应和保存情况发生了变化，而这些变化是由水柱氧化还原状态的变化所驱动的。它们还与间歇性的上升流有关。这些因素共同控制了有机碳的积累。富集主要发生在海侵阶段，受到水柱氧化还原条件和持续上升流的影响。值得注意的是，深水环境中的页岩比浅水环境中的页岩显示出更强的有机物富集现象，这突显了深水环境对页岩气勘探的重要性。通过将序列地层学框架与近海-远海剖面中的高分辨率TOC数据相结合，我们确定了DST-2中有机碳富集的时间和控制因素。研究结果强调了由氧化还原分层和持续上升流驱动的海侵阶段富集现象，并表明深水环境通常含有更高的TOC和更厚的富含有机物层段，从而精确定了大多数具有页岩气勘探前景的岩相和层段。

引言

埃迪卡拉纪的陡山沱组（约6.35–5.51亿年前）是评估新元古代晚期环境变化及其与早期生物创新之间联系的最有信息量的地层记录之一（Condon等人，2005；Zhu等人，2013；Bowyer等人，2017；McFadden等人，2008）。全球范围内，同期的地层——如澳大利亚的埃迪卡拉组、加拿大的阿瓦隆群以及纳米比亚的新元古代地层——共同记录了这一时期海洋化学和沉积系统的重大重组（Li等人，2010；Pierrehumbert等人，2011；Wang等人，2016）。在中国南方，陡山沱组出露良好且横向延伸范围广，长江中段记录了从潮间带到大陆架、斜坡和深盆地环境的广泛海洋剖面。陡山沱组为评估沉积条件的空间梯度提供了极好的框架（Jiang等人，2011）。

从岩石学角度来看，陡山沱组主要由互层的黑色页岩和碳酸盐岩组成，传统上分为四个段。第一段是由马里诺冰期之后沉积的盖层碳酸盐岩组成。第二段主要由富含有机物的页岩与白云石和磷灰石互层构成。第三段以碳酸盐岩为主。第四段由薄层黑色页岩组成，其上方是登英组（Jiang等人，2011；Guo等人，2013；Zhu等人，2013；Xiao等人，2021）。以往的研究主要集中在盖层碳酸盐岩系统和陡山沱组上部的碳同位素扰动上，这些研究在冰后期气候恢复和氧化还原演变的背景下得到了广泛讨论（Li等人，2010；Macdonald等人，2013；Li等人，2017；Ning等人，2021）。相比之下，对第二段（DST-2）的研究通常侧重于储层性质和整体有机地球化学特征，而较少有研究将地层框架、岩相组织和多指标地球化学相结合，以确定近海-远海梯度上有机物富集的机制（Zou等人，2019；Yang等人，2021；Yang等人，2024）。

细粒海洋地层中有机物的富集通常受到以下因素相互作用的影响：（i）有机物的供应，通常与初级生产力和营养物质可用性相关；（ii）在低氧条件下的保存；（iii）陆源物质或碳酸盐输入的稀释，这些因素可能随海平面变化和盆地形态而系统性变化（Gao等人，2016；Lu等人，2019；Sweere等人，2016；Wang等人，2024）。氧化还原状态可以通过对氧化还原敏感的微量元素（特别是钼（Mo）和铀（U）来评估，这些元素在氧化海水中基本可溶，但在缺氧——尤其是硫化物条件下——在沉积物中逐渐富集。它们的富集模式和Mo/U比值可能进一步反映限制程度和溶解微量元素储库的可用性（Tribovillard等人，2006，2012；Asael等人，2018）。同时，营养物质可用性和有机物供应通常通过磷相关指标（例如P/Al）和与有机物相关的微量元素（例如Cu相对于碎屑组分）来评估，尽管这些指标需要谨慎解释，因为它们也可能受到早期成岩作用和氧化还原依赖性清除作用的影响（Mort等人，2008；Xiao等人，2021；Xu等人，2025）。陆源物质的流入既可以稀释有机碳，也可以提供营养物质，这通常通过相对不移动的碎屑指标（如Ti/Al和Zr/Al）来推断。此外，化学风化指数（CIA）可以进一步限制源区风化的强度和硅质碎屑输入的性质（Yan等人，2010；Xiao等人，2021；Yang等人，2023；Zhang等人，2025）。上升流可以通过将富含营养物质的深层水输送到光合作用区来提高生产力，在某些情况下，可以通过成对的微量元素行为（例如Cd相对于Mo）和结合的CoMn指标来推断，特别是在结合氧化还原和碎屑指标进行评估时（Challands等人，2009；Sweere等人，2016；M?nd等人，2018；Zhang等人，2025b）。

本研究扩展了以往的研究，调查了长江中段从近海到远海的完整剖面，涵盖了潮间带、浅大陆架、深大陆架、大陆架边缘、斜坡和深盆地环境，并进行了更广泛的区域间比较。与早期主要依赖上升流指标的研究不同，本研究整合了沉积学和地球化学证据——包括测井数据、岩石学变化和多种地球化学指标——以细化系统段的划分，并重建了陡山沱组沉积期间的海平面波动、水柱分层和上升流演化（Zhang等人，2025b）。沿剖面收集的七组页岩样本通过高分辨率的连续TOC含量、主要元素和微量元素测量进行了分析，以评估DST-2沉积期间海水氧化和生产力的变化。这是首次系统地研究长江中段陡山沱组黑色页岩中的有机物富集现象。综合数据集使我们能够重建当时的沉积环境和海水条件，阐明了有机碳积累过程的空间和时间变化。这项研究为古代页岩资源的勘探以及对陡山沱组及其全球同期地层的更广泛理解提供了宝贵的见解。

节选

地质背景

陡山沱组形成于新元古代晚期，大约6.35–5.51亿年前，发生在马里诺冰球地球事件之后——这是一个重要的冰川期（Condon等人，2005；Xiao等人，2020）。一些研究认为，广泛的冰川作用覆盖了大面积陆地，引发了海平面波动（Ning等人，2021；Ramme等人，2024）。冰川融化后，海洋环境转变为缺氧且营养物质丰富的状态，

总有机碳含量（TOC）

去除了风化表面，仅采集了新鲜的内部物质进行后续分析，以尽量减少现代改变的影响。

样品在玛瑙研钵中粉碎至200目。粉末样品用浓度约为10%的稀盐酸（HCl）处理，以去除样品中的无机碳（如碳酸盐）。酸处理后的样品用去离子水洗涤。之后，样品被干燥以去除水分。

页岩岩相类型及其序列框架的岩石学和成分

先前的研究表明，中国长江中段的陡山沱组可以分为四个岩石学段，即DST-1、DST-2、DST-3和DST-4。DST-1是由薄层白云岩组成的盖层，DST-2是由黑色页岩与白色-灰色白云岩薄层互层组成，厚度为80–120米；DST-3是由厚层白云岩组成，厚度为40–60米；DST-4局部缺乏黑色页岩薄层（Jiang等人，2011；Sahoo等人，2016；Xiao等人，

TOC与控制因素之间的时间和空间差异

氧化还原条件、生产力、陆源输入和上升流的地球化学指标在不同剖面和岩心中表现出显著的变化，但与TOC含量有很强的相关性。

结论

基于野外剖面观察和岩心分析以及TOC含量和主要及微量元素等地球化学证据，阐明了长江中段陡山沱组黑色页岩沉积期间的有机碳富集过程。这些过程表现出显著的空间和时间变化。通过测井分析、岩石学变化和沉积特征的研究，我们划分了陡山沱组的第二段

作者贡献声明

张俊峰：撰写——原始草稿、方法论、数据管理、概念化。严德田：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、调查。卢泽宇：撰写——审稿与编辑、监督、调查、概念化。

利益冲突声明

作者声明在本文的研究、作者身份和/或发表方面没有潜在的利益冲突。作者声明该研究是在没有任何可能被视为利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

致谢

本文的工作得到了中国教育部基础与跨学科发展计划（JYB2025XDXM911）、国家自然科学基金（41690131、41572327）、湖北省自然科学基金（2019CFA028）的支持。主编Massimo Moretti和两位匿名审稿人的建设性评论对本文的改进起到了重要作用。