陆地输入对中国南方下寒武统水井坨组有机质积累的显著影响

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Significant influence of terrestrial input on organic matter accumulation in the lower Cambrian Shuijingtuo Formation of South China

下寒武统黑色页岩有机质富集受高生产力与还原保存主导，陆源输入呈现双重控制：下部陆源稀释降低TOC，上部输入增强富集，整体低TOC由氧化环境及生产力不足制约。综合地球化学、同位素及岩性数据揭示了陆源输入在页岩气成藏中的关键作用。

　　在南中国地区的早期寒武纪（约538.8–514百万年前）沉积层中，有机质富集的黑色页岩成为海洋页岩气勘探的重要目标。这些沉积层不仅记录了寒武纪生命大爆发的地质事件，还展现了丰富的化石生物群，如清江生物群，为研究生命演化与环境变迁提供了关键线索。此外，这些页岩层也因其高有机质含量和潜在的天然气资源而受到广泛关注。然而，目前对这些黑色页岩中有机质富集机制的理解仍存在诸多空白，尤其是在陆源物质输入的影响方面。

有机质在海洋沉积物中的富集是一个多因素控制的过程，主要受到初级生产力、保存条件以及陆源物质输入的影响。其中，初级生产力决定了有机质的来源和数量，而保存条件则决定了有机质能否在沉积过程中被有效保留。然而，随着研究的深入，人们逐渐意识到陆源物质输入在有机质富集过程中同样扮演着重要角色。在某些情况下，陆源物质的输入可能会稀释有机质的浓度，降低总有机碳（TOC）含量；而在另一些情况下，它又能通过提供营养物质促进初级生产力，或者通过快速埋藏减少有机质的氧化降解，从而增强有机质的积累。

本研究以中国长江中游地区的下寒武统水井沱（SJT）组为研究对象，重点分析了其在陆源物质输入方面的控制作用。通过整合高分辨率的元素地球化学、有机碳同位素以及岩石学数据，研究团队对SJT组的有机质富集机制进行了深入探讨。研究发现，SJT组可以划分为三个成员：下部主要由硅质页岩组成，平均TOC含量为5.76%；中部以混合页岩为主，平均TOC含量为1.99%；上部则以碳酸盐页岩为主，平均TOC含量为0.75%。这些数据表明，TOC含量在垂直方向上呈现出逐渐递减的趋势，与之前的研究结果一致。

进一步的分析表明，TOC含量与生产力指标（如Cu/Al、Ni/Al和Zn/Al）以及氧化还原条件（如Mo_EF、U_EF、V_EF、U/Th、V/Cr和Ni/Co）之间存在显著的正相关关系。这表明，有机质的富集主要受到高初级生产力和缺氧保存条件的控制。然而，研究团队还发现，在相似的生产力和保存条件下，TOC含量从近岸向盆地中心呈现出逐步增加的趋势，这一现象无法完全用生产力和保存条件来解释。因此，研究团队进一步探讨了陆源物质输入对有机质富集的影响。

通过分析化学风化指数（CIA），研究团队发现TOC含量在下部向中部逐渐减少，这一变化与陆源物质输入的增强密切相关。CIA值的升高表明，随着陆源物质的输入增加，沉积物中的化学风化作用也相应增强，从而稀释了有机质的浓度。这一发现揭示了陆源物质输入在有机质富集过程中具有特定的控制作用，即在某些地质条件下，陆源物质的输入可能会对有机质的积累产生抑制效应。然而，值得注意的是，在SJT组的上部，陆源物质的输入似乎起到了促进有机质富集的作用。这表明，陆源物质输入在不同地质条件下可能具有不同的影响，甚至可能在某些情况下成为有机质富集的主要驱动因素。

研究团队还指出，尽管陆源物质输入在某些区域对有机质富集产生了显著影响，但整体上，SJT组在陆架区域的TOC含量较低，且空间变化较小，这主要归因于氧含量较高的水体环境和初级生产力的下降。这表明，除了陆源物质输入外，水体的氧化还原状态和初级生产力水平也是控制有机质富集的重要因素。因此，有机质的富集是一个多因素共同作用的结果，需要综合考虑生产力、保存条件以及陆源物质输入的影响。

本研究的意义在于，它首次系统地揭示了陆源物质输入在有机质富集过程中的双重作用。一方面，陆源物质的输入可能通过稀释作用降低有机质的浓度；另一方面，它也可能通过提供营养物质和促进快速埋藏，从而增强有机质的积累。这种双重作用的机制对于理解有机质富集的复杂性具有重要意义。此外，研究结果还为未来的页岩气勘探提供了新的视角和思路。通过综合考虑生产力、保存条件和陆源物质输入等因素，研究团队提出了一种新的模型，该模型能够更准确地预测有机质富集的区域分布，为寻找优质页岩气储层提供了理论支持。

在地质背景方面，研究区域位于长江中游的西陵峡地区，属于浅水陆架环境。这一环境特征使得研究区域在陆源物质输入方面具有较高的敏感性。通过对该地区的沉积环境进行详细分析，研究团队发现，SJT组的沉积过程受到邻近古老陆地（如鄂中古陆）的强烈影响。这些陆地的风化作用和碎屑物质的输入在不同地质时期呈现出明显的波动，进而影响了SJT组的有机质富集模式。因此，理解陆源物质输入的变化对于揭示SJT组的有机质富集机制至关重要。

在样品采集和处理方面，研究团队从ZD2井中选取了36个样品，这些样品覆盖了SJT组的整个沉积序列。为了确保样品的代表性，研究团队特别注意避免选择含有石英脉的样品，并按照大约2米的间隔进行采样。所有样品均被研磨成粒径小于75微米的均匀细粉，以便进行后续的地球化学和岩石学分析。这一精细的样品处理过程为研究结果的准确性提供了重要保障。

在实验方法方面，研究团队采用了多种技术手段，包括总有机碳（TOC）含量测定、有机碳同位素（δ¹³C_org）分析以及X射线衍射（XRD）技术。这些方法的结合使得研究团队能够全面评估SJT组的有机质富集情况及其与沉积环境之间的关系。TOC含量的测定为研究团队提供了有机质的量化数据，而有机碳同位素分析则有助于揭示有机质的来源和演化过程。XRD技术则用于分析沉积物的矿物组成，从而进一步理解陆源物质输入对沉积环境的影响。

通过这些实验数据的整合，研究团队发现SJT组的TOC含量和有机碳同位素值呈现出一定的变化规律。TOC含量在垂直方向上逐渐减少，而有机碳同位素值则在沉积序列的底部出现了明显的负偏移。这一负偏移可能反映了当时海洋环境的特殊变化，如水体的缺氧状态或有机质的快速沉积过程。这些发现不仅有助于理解SJT组的沉积环境演变，也为进一步探讨有机质富集的机制提供了重要依据。

在研究过程中，研究团队还特别关注了SJT组的矿物组成和岩石特征。通过对样品的详细分析，研究团队发现SJT组的矿物组成与陆源物质输入密切相关。在沉积序列的下部，硅质矿物的含量较高，而在中部和上部，碳酸盐矿物的含量逐渐增加。这一变化趋势表明，陆源物质输入在不同地质时期可能对沉积物的矿物组成产生了显著影响。此外，SJT组的岩石特征也反映了其沉积环境的变化，如从硅质页岩向碳酸盐页岩的过渡，可能与水体的氧化还原状态和陆源物质的输入量有关。

在研究方法上，研究团队采用了多种地球化学指标来评估陆源物质输入的强度和来源。这些指标包括不移动元素比值（如TiO₂、Al₂O₃、Zr、Th、Sc、Co/Th、La/Sc、La/Th和Hf），这些元素比值能够有效反映沉积物的来源和风化程度。通过对这些指标的分析，研究团队能够更准确地确定SJT组的陆源物质输入情况，并进一步探讨其对有机质富集的影响。

研究团队还特别关注了SJT组的沉积系统与陆源物质输入之间的关系。通过分析SJT组的沉积环境，研究团队发现，该组的沉积过程受到邻近古老陆地的影响，尤其是在沉积序列的底部，陆源物质的输入可能较为活跃。这种活跃的陆源物质输入可能对有机质的富集产生了重要影响，甚至在某些情况下成为有机质富集的主要驱动力。然而，在沉积序列的上部，陆源物质的输入可能相对减少，导致有机质的富集程度下降。

本研究的发现不仅对理解SJT组的有机质富集机制具有重要意义，还对未来的页岩气勘探提供了新的思路。通过综合考虑生产力、保存条件和陆源物质输入等因素，研究团队提出了一种新的模型，该模型能够更准确地预测有机质富集的区域分布。这一模型的应用有助于识别潜在的优质页岩气储层，并为未来的勘探活动提供科学依据。此外，研究团队还指出，陆源物质输入在不同地质条件下可能具有不同的作用，因此在勘探过程中需要综合考虑多种因素，以提高勘探的成功率。

在实际应用方面，研究团队认为，对于有机质富集的黑色页岩，尤其是寒武纪时期的沉积层，理解陆源物质输入的作用至关重要。这不仅有助于揭示这些沉积层的形成机制，还能够为未来的页岩气勘探提供重要的指导。通过综合分析不同因素对有机质富集的影响，研究团队希望能够在更大范围内推广其研究模型，为全球范围内类似的沉积层研究提供参考。

此外，研究团队还强调了研究方法的创新性。通过对高分辨率地球化学、同位素和岩石学数据的整合，研究团队能够更全面地理解SJT组的有机质富集过程。这种多学科交叉的研究方法不仅提高了研究的准确性，也为未来的类似研究提供了新的范式。研究团队相信，这种综合性的研究方法将在未来的页岩气勘探和沉积学研究中发挥重要作用。

总的来说，本研究通过详细的地质调查和先进的地球化学分析，揭示了陆源物质输入在有机质富集过程中的复杂作用。研究团队发现，陆源物质输入在不同地质条件下可能具有不同的影响，有时会稀释有机质的浓度，有时则会促进有机质的积累。这种双重作用的机制为理解有机质富集的复杂性提供了新的视角，并为未来的页岩气勘探提供了重要的理论支持。研究团队希望，他们的研究成果能够为相关的地质和能源研究提供有价值的参考，并推动该领域的进一步发展。