松辽盆地白垩系青山口组一段黄铁矿成因机制及其对古沉积环境与生物地球化学循环的指示意义

本综述系统探讨了松辽盆地白垩系青山口组一段黄铁矿的形态分类、成因机制及环境指示意义。研究通过扫描电镜、地球化学与硫同位素（δ34Spy）分析，揭示了自形黄铁矿（含同生/次生亚类）、他形黄铁矿、莓球状（framboids）及多聚莓球状（polyframboids）黄铁矿的形成过程，并论证其与微生物硫酸盐还原（MSR）、水动力条件及成岩作用的关联，为重建 Cretaceous 湖盆古氧化还原条件与硫循环提供关键证据。

　　

Section snippets

Geological setting

松辽盆地位于中国东北部，呈北北东向展布，面积达26×10⁴ km²（图1a）。盆地中浅层可划分为6个一级构造单元，包括北部倾没区、东北隆起带、西部斜坡带、中央凹陷带、东南隆起带和西南隆起带（图1b）。进一步划分为32个二级构造单元，整体构造平缓。

Samples

本研究选取青山口组一段37个页岩岩心样品（R_o：0.54%?～?1.65%），分别来自古龙凹陷6口井、三肇凹陷1口井及朝阳沟阶地1口井。古龙凹陷的井位南北均匀分布，页岩R_o?>?0.90%；另两口低成熟度井位于凹陷边界，用于观察低成熟度页岩中黄铁矿的发育特征。

Types of pyrite in the First Member of the Qingshankou formation

青山口组一段黄铁矿形态多样，依形态可分为黄铁矿单体和集合体。其中单体进一步分为自形黄铁矿和他形黄铁矿，集合体则包括细粒黄铁矿集合体、莓球状黄铁矿（framboids）及多聚莓球状黄铁矿（polyframboids）。各类黄铁矿特征如下：

（1）自形黄铁矿：分散发育于页岩中（图3a–d），晶体形态以立方体、八面体及五角十二面体为主，粒径1–30 μm。部分自形黄铁矿内部可见莓球状结构残留（图3b），表明其由莓球状黄铁矿重结晶形成。

（2）他形黄铁矿：多与富铁粘土矿物（如绿泥石）共生（图3e–g），或通过交代其他矿物、生物骨架及微生物形成。

（3）细粒黄铁矿集合体：由粒径<2 μm的微晶黄铁矿聚集而成（图3h–i），常填充于微孔或微裂缝中。

（4）莓球状黄铁矿：由大量微晶黄铁矿（通常>100颗）聚集构成球状形态（图4a–d），粒径2–30 μm，微晶粒径0.1–0.5 μm。

（5）多聚莓球状黄铁矿：多个莓球状黄铁矿聚集形成更大规模的集合体（图4e–f），粒径可达50 μm。

Discussion

热化学硫酸盐还原（TSR）并非本研究区黄铁矿的主要成因机制，理由如下：① TSR通常发生于含硬石膏的碳酸盐岩储层中，而研究区以页岩为主；② TSR常伴随高H₂S含量，但本区H₂S含量极低；③ TSR是石膏/硬石膏溶解还原的过程，但研究层段硫酸盐矿物含量极少。

微生物硫酸盐还原（MSR）是黄铁矿形成的关键途径。细菌硫酸还原（BSR）发生于0–80℃的水体或沉积物中，反应式为：2 CH₂O + SO₄^2? → 2 HCO₃^– + H₂S；而甲烷厌氧氧化-硫酸盐还原（AOM-SR）则发生于深埋的硫酸盐-甲烷过渡带（SMTZ），形成的黄铁矿多呈管状或棒状，莓球状黄铁矿平均粒径>20 μm。

莓球状黄铁矿的粒径分布指示古氧化还原条件：氧化水体中形成的莓球状黄铁矿粒径较大且分布范围宽，而缺氧水体中形成的莓球状黄铁矿粒径小且分布范围极窄。本研究中莓球状黄铁矿的平均粒径为6.8 μm，标准偏差2.1 μm，最大粒径18.5 μm，指示沉积环境为缺氧状态。

Conclusions

（1）自形黄铁矿形成于多种成岩阶段：研究区的自形黄铁矿可进一步划分为同生自形黄铁矿（成岩早期直接从溶液结晶）和次生自形黄铁矿（成岩后期由莓球状黄铁矿转化而来）。

（2）他形黄铁矿主要形成于早–中期成岩阶段，常通过交代富铁粘土矿物、生物碎屑或微生物形成。

（3）莓球状黄铁矿由胶黄铁矿（greigite）转化而来，其数量、微晶层数与粒径与水动力强度相关。

本研究为不同形态黄铁矿的成因机制提供了新认识，对重建沉积环境与页岩油气储层开发具有重要意义。