扬子区域的古生代海相地层一直是油气勘探的重点层位，上扬子四川盆地取得了对上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩气勘探的突破^[1-2]，目前已建成威远、长宁、焦石坝3个大型页岩气田以及富顺-永川、彭水页岩气产气区等多个重要的页岩气田或产气区^[3]。下扬子区与上扬子区同属于扬子板块且具有相似的古地理背景，古生代海相地层具备较好的油气地质条件^[4]，近年来受到越来越多研究人员的关注。前人通过下扬子区的浅钻及典型露头剖面，对五峰组-高家边组开展了大量工作，在笔石生物地层划分^[5]、有机质富集模式^[6-7]、物源区特征和沉积构造背景^[8]、古海洋环境^[6]以及沉积盆地的演化^[9]等方面已取得了一些重要的认识。徐文礼等^[8]认为下扬子古生代黑色页岩的物源来自南侧的江南造山带，其构造环境为大陆岛弧和活动大陆边缘，兼具被动大陆边缘特征；孟楚洁等^[6]指出，五峰组-高家边组黑色页岩为深水缺氧的沉积环境，黑色页岩的形成受到了上升流、热液以及海平面上升等多方面因素影响；黄正清等^[7]认为，五峰组-高家边组沉积时期由于江南古陆的隆升，水体以滞留环境为主。

前人研究表明，主、微量以及稀土元素能够较好地指示页岩的沉积背景、母岩性质，恢复其沉积时期的古环境。下扬子区五峰组-高家边组具备较好的油气潜力^[10]，但由于钻遇该套地层的探井很少，且地层受构造改造较为强烈，目前对该套地层的沉积环境认识仍较为局限，特别是在巢湖地区。鼓地1井较为完整地揭示了五峰组-高家边组下段地层，基于该井钻井资料和岩石元素地球化学测试数据，本文系统分析了岩芯样品主、微量元素和稀土元素的分异特征，研究在不同沉积时期元素对沉积环境的对应关系，利用元素对沉积环境变化的响应来恢复沉积环境，旨在加强对该套地层沉积特征的认识，以期对下扬子区五峰组-高家边组页岩气的勘探工作提供一定的参考作用。

下扬子地区位于扬子板块东部，西部以郯庐断裂带与华北板块为界，南部以江山-绍兴断裂与华南板块相隔，北部以五莲-荣成断裂为边界^[10-11]，向东延伸至南黄海。其早古生代盆地大致经历了加里东期、海西-印支期和喜马拉雅期三期构造演化，属于克拉通基底上经过多期改造的大型叠合盆地^{[10, 12]}。该区可分为苏皖构造带和江南隆起带2个大的构造单元（图1a）：前者包括涂全坳陷、沿江坳陷2个一级构造单元；后者包括江南隆起和钱塘坳陷2个一级构造单元^[13]。自晋宁运动基底固结以来，下扬子区进入了稳定沉积阶带，其早古生代大致呈现南、北两侧坳陷盆地和中部沉积台地的“两盆一台”沉积构造格局，两侧盆地内主要发育了黑色泥岩、硅质岩以及深色碳酸岩沉积，中央台地主要为碳酸岩沉积^[8]。下扬子早古生代地层发育齐全，从寒武系—志留系均有出露。

图  1  研究区位置及构造单元划分

Figure 1.  Location of the study area and division of tectonic units

巢湖地区位于下扬子西北缘，其西北以滁河断裂带为界，东南以长江断裂带为界，构造分区属于下扬子沿江坳陷^[5]，区内从北到南可划分为香泉推覆体、半汤推覆体、银屏山推覆体和槐林咀推覆体4个五级构造单元^[14]（图1b）。区内从寒武系—志留系地层有不同程度出露：寒武系以白云岩为主，主要分布于半汤；奥陶系地层出露较少，发育不全，以仑山组较发育为特征，岩性主要为灰岩和硅质泥岩；志留系底部高家边组以泥岩和粉砂质泥岩为主，中、上部分头组和茅山组主要为细砂岩和粉砂岩。上奥陶统五峰组—下志留统高家边组为本次研究对象。五峰组岩性主要为灰黑色、黑色泥岩、硅质岩和炭质泥岩^[15]，生物地层上从底到顶可划分为WF1-WF4共4个笔石生物带；下志留统高家边组下段岩性主要以黑色、灰黑色页岩为主，发育锯笔石、栅笔石等丰富的笔石动物群，局部有海百合，中、上部为灰色粉砂质泥岩、页岩和薄-中层泥质粉砂岩、细砂岩，生物地层上可划分为LM1-LM9共9个笔石生物带^[16]。

鼓地1井位于下扬子安徽省巢湖市东部鼓山脚下，构造上处于下扬子板块沿江坳陷半汤逆冲推覆构造带上，是典型的向斜成山的代表^[5]。该井开口层位为志留系高家边组，终孔层位为寒武系冷泉王组，完钻井深1 980 m。该井自上而下分别钻遇志留系高家边组泥岩、粉砂质泥岩，奥陶系灰岩以及寒武系白云岩、硅质岩。该井较好地揭示了下扬子下古生界地层，为研究该区海相下构造层地层序列提供了实物资料。

鼓地1井五峰组底界位于井深1 237.8 m处，下部为奥陶系汤头组瘤状灰岩；高家边组底界位于 1 226.2 m处。研究带有地层缺失现象，五峰组见WF2-3带地层，缺失WF1和WF4带地层；高家边组见LM2带和LM5-6带地层，缺失LM1带和LM3-4带地层^[5]（表1）。五峰组-高家边组下段地层受构造改造严重，岩芯多处发育破碎带，见镜面构造，挤压揉皱现象明显，裂缝中石英充填。五峰组下段岩性主要为深灰色、灰色泥岩和黑色硅质页岩，以块状构造为主，局部见水平波状层理，含笔石化石。高家边组底部LM2带为黑色炭质泥岩，笔石化石含量多；LM5带底部为黑灰色泥岩，夹带少量粉砂质纹层，见水平、波状层理；LM5带中上部一直到LM6带，泥岩中的砂质含量逐渐增多，颜色逐渐变为灰黑色、深灰色，笔石含量较少（图2）。

图  2  鼓地1井五峰组-高家边组下段地层特征^[5]

Figure 2.  Stratigraphic characteristics in the lower member of Wufeng-Gaojiabian Formation of Well Gudi 1^[5]

本次研究测试样品均取自鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩岩芯，共取得10件样品，进行了常量元素、微量元素以及稀土元素测定。测试前先使用粗碎机将新鲜的块状岩石样品碎成小块，挑选出新鲜的、无风化面和细脉的样品，对样品进行清洗、烘干，然后使用球式玛瑙研磨机将样品碎至200目。主量元素测定使用玻璃熔融法，将样品与助融剂混合后高温熔化，再冷却为玻璃熔片，放入PW2404 X-射线荧光光谱仪测定主量元素含量。微量元素以及稀土元素含量测定使用酸溶法将样品粉末溶解48 h后蒸干除硅，再用2% HNO₃稀释2 000倍后，放入ELEMENT XR型高分辨电感耦合等离子体质谱仪上进行测定。测试标准分别依据国家标准GB/T 14506.14—2010、GB/T 14506.28—2010和GB/T 14506.30—2010。本次实验测试均在北京核工业地质研究院完成。实验测试结果如表2、3和4所示。

鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩样品中主量元素含量最多的为SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃，平均含量之和占总量84.31%。SiO₂含量最高，在55.19%～63.67%之间，平均含量为60.43%；其次为Al₂O₃，含量在9.84%～19.62%之间，平均含量为17.42%；Fe₂O₃含量为4.9%～7.16%，平均含量为6.47%。MgO、Na₂O和K₂O在页岩样品中含量较少，其中MgO含量为1.64%～3.89%，平均值为2.65%；Na₂O含量为0.39%～1.41%，平均值为1.17%；K₂O含量为2.65%～5.11%，平均值为4.28%。此外还含有少量CaO（0.26%～6.32%，平均值0.69%）、MnO（0.03%～0.15%，平均值0.06%）、TiO₂（0.43%～0.84%，平均值0.76%）、P₂O₅（0.07%～0.15%，平均值0.12%）。LM5-6带主量元素含量变化不大，Fe₂O₃在LM2带附近小幅度的波动；SiO₂、Al₂O₃、Na₂O、K₂O、TiO₂以及P₂O₅含量在LM2带明显较低，MgO、CaO和MnO含量在LM2带明显较高。P₂O₅含量在WF2-3带与LM2带较接近（图3）。

图  3  鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩主量元素分布特征

Figure 3.  Distribution characteristics of major elements of shale in the lower member of Wufeng-Gaojiabian Formation of Well Gudi 1

鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩样品中Sc、V、Co、Cu、Sr、Ba、Th、U、Zr、Hf的最低值或最高值都在LM2带。与澳大利亚后太古宙页岩（PAAS）微量元素Al标准化后的含量相比^[17]（图4中虚线表示PAAS微量元素Al标准化后的值），研究带表现为Cr、Co、Hf整体亏损，Th和U整体富集。其中LM2带表现为V、Ni、Sr、Zr 轻微富集、Sc元素亏损，而WF2-3和LM5-6带表现为V、Ni、Sr、Zr亏损、Sc元素富集。Ba元素在WF2-3带和LM5-6带含量大致与PAAS标准化值相等，LM2带呈现高值，U元素与Ba元素分布特征相似。研究带Cu元素表现为整体富集、局部亏损的特征（图4）。

图  4  鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩微量元素分布特征

Figure 4.  Distribution characteristics of trace elements of shale in the lower member of Wufeng-Gaojiabian Formation of Well Gudi 1

鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩样品ΣREE整体偏高，值为(118.75～304.85)×10⁻⁶，平均ΣREE252.29×10⁻⁶。ΣLREE/ΣHREE比值为8.77～12.35，平均值为10.89，表现为轻稀土富集，重稀土亏损的特征，这与大多数页岩稀土元素分布规律相符合^[18-21]。对样品稀土元素进行后太古宙澳大利亚页岩（PAAS）标准化处理，得到稀土元素分布曲线（图5）。从曲线形态上看，研究区页岩稀土元素PAAS标准化分布曲线整体上较为平坦；Ce元素在LM2带表现为微弱的负异常，Eu元素在研究层带上大部分无异常，仅在LM2带有轻微的负异常；LM2带与WF2-3和LM5-6带的稀土总量存在差异，LM2带明显高于WF2-3和LM5-6带。

图  5  鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩稀土元素PAAS标准化分布

Figure 5.  PAAS standardized distribution of rare earth elements of shale in the lower member of Wufeng-Gaojiabian Formation of Well Gudi 1

页岩中的元素含量受到沉积构造背景的控制，其元素含量的特征可以反映沉积时期的构造环境^{[18, 21-25]}。Sc-La-Th三角图解显示（图6a），鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩落在活动陆缘+被动陆缘与陆内岛弧边缘的区域；用Th-Sc-Zr/10三角图进行判别（图6b），结果显示泥页岩样品均落在活动陆缘范围附近^[23]。图解结果表明，鼓地1井五峰组-高家边组物源区以活动大陆边缘为主的构造环境，同时表现出一定的大陆岛弧的特征。由于华夏块体在中—新元古代向北与扬子板块俯冲，使得下扬子南部隆升形成了一个NE—SW向延伸逾1 000 km并向西北弧形突出的江南造山带^[8]，其具有“活动大陆边缘+陆内岛弧”的特征。前人已明确提出下扬子早古生代沉积物源来自南侧江南造山带^[24]，因此，鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩沉积物源可能主要来自于南侧的江南造山带。综上所述，鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩母岩形成时的构造环境以活动大陆边缘-大陆岛弧的构造环境，符合南侧江南造山带的性质^{[8, 23,25]}。

图  6  鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩沉积构造背景判别^[24]

Figure 6.  Discrimination of sedimentary tectonic background of shale in the lower member of Wufeng-Gaojiabian Formation of Well Gudi 1^[24]

沉积岩中的元素含量可以较好地反映母岩的成分，根据砂、泥岩主量元素物源判别函数F₂-F₁的判别结果，鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩物源主要来自成熟大陆石英物源区（图7a）。从La/Sc-Co/Th物源判别结果来看，页岩样品的Co/Th值较为稳定，集中在1附近；La/Sc值变化不大，基本约为2～4；样品投点靠近长英质岩源区，说明母岩以长英质岩为主（图7b）。受到华夏板块的挤压作用，晚奥陶世—早志留世下扬子板块南缘由于剧烈的火山活动产生了大量中酸性火山物质，而后随着海水的搬运作用，南侧物源区的中酸性火山物质被搬运到研究区沉积下来^[26]。因而可以推测鼓地1井五峰组-高家边组下段物源来自南部江南造山带的中酸性火山物质和成熟大陆石英物质。

图  7  鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩物源区背景判别^[23]

Figure 7.  Discrimination of source area background of shale in the lower member of Wufeng-Gaojiabian shale of Well Gudi 1^[23]

Al₂O₃和TiO₂作为反映陆源碎屑输入的有效指标，两者含量若呈正相关关系，可认为有高陆源碎屑输入^[27-28]。WF2-3和LM5-6带页岩Al₂O₃和TiO₂含量呈较好的正相关关系（相关性系数R²=0.69），表明有较高的陆源碎屑的输入；LM2带页岩的Al₂O₃和TiO₂含量相关性较低，说明在沉积时期受陆源碎屑输入影响较少（图7c）。这与岩芯观察到五峰组底部泥岩颜色较浅，而LM5-6带页岩中砂质含量明显增多的现象较为一致。

泥页岩CIA（化学蚀变）指数可以用来反映沉积岩物源区的化学风化程度和古气候条件^[29-30]。CIA反映古气候与源岩区风化程度判别参数见表5。A-CN-K图解显示（图8），鼓地1井五峰组-高家边组下段仅LM2带页岩样品CIA指数在50附近，指示低化学风化、寒冷干燥的环境，其余层带CIA值均>70，反映中化学风化强度、温暖湿润的环境。根据前人研究，扬子地区在晚奥陶世和早志留世主要为温暖的古气候环境^[31]，而奥陶纪末期有短暂的气候变冷过程，在地层上的响应为观音桥段^[32]。由于鼓地1井缺失观音桥段^[5]，可能有其他因素造成了LM2带附近样品CIA指数的异常。此外，CIA指数用于反映古气候有一定的适用性^[33]。研究表明，地势低洼会导致Na、Ka等元素富集从而导致CIA指数变低，同时沉积相和物源的也会影响CIA指数的准确性^[34]，因此有必要进一步判别古气候。Sr/Cu比值是常用的古气候判别指标，通常认为Sr/Cu>5为干旱炎热的环境，<5则反映温暖湿润的环境^[35]。LM2带附近Sr/Cu>5（图9），显示干旱炎热环境，这与早志留世时冰期结束、全球气温升高的大环境所对应^{[6, 29]}，至于LM2带CIA指数反映了寒冷干旱的气候条件，可能是在五峰组末期，由于华夏块体的持续碰撞，研究区形成了隆后坳陷^[3]，地势低洼，造成了Ka、Na等元素的富集，以致CIA指数失真。WF2-3带和LM5-6带的Sr/Cu比值<5（图9），CIA指数>70，反映了温暖湿润的气候条件，这与扬子区晚奥陶世—早志留世温暖湿润的古气候环境所匹配^[31]。综上所述，鼓地1井LM2带应为干旱炎热的环境，WF2-3带和LM5-6带为温暖潮湿的环境。

图  8  鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩A-CN-K图解^[30]

Figure 8.  A-CN-K diagram of shale in the lower member of Wufeng-Gaojiabian Formation of Well Gudi 1^[30]

Sr/Ba比值的变化可以反映海平面的升降，高值反映海平面上升海水盐度增大，低值反映海平面下降海水盐度减小^[36]。鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩Sr/Ba比值在WF2-3带和LM5-6带呈现低值，在LM2带附近呈现高值，说明研究区从WF2-3带到LM2带和LM5-6带沉积时期经历了海平面由低变高再降低的变化，海水也从低盐度变为高盐度再变为低盐度（图9）。海水中的钙盐和镁盐的溶解度有差异，镁盐更易溶^[37]，Ca/Mg比值的大小也可以反映海水深度和海水盐度的变化，高值表明沉积环境海水深度大、盐度高，而低值表明海水深度小、盐度低。WF2-3带和LM5-6带Ca/Mg比值较低，表示此时海水特征为浅水、低盐度，LM2带为高Ca/Mg值，表示海水盐度较大（图9）。

严德天等^[38]指出，扬子区在晚奥陶世—早志留世海平面有明显的升降过程。五峰组末期，气候变冷，海平面逐渐下降，在冰期海平面降至最低，早志留世冰期结束，全球气候变暖，海平面快速上升海水变深，但随着华夏板块不断向北挤压扬子板块，下扬子区在短暂的海水加深后又是漫长的海退过程，海水又逐渐变浅^[3]。海水盐度受淡水补给量的影响较大，WF2-3带和LM5-6带时期气候温暖湿润，淡水补给充足，海水盐度较低，LM2带时期气候干旱炎热，淡水补给不足且蒸发量较大，造成海水盐度较高。

V/Cr、Ni/Co和V/Sc等微量元素的比值对水体的氧化还原条件的变化较为敏感，可以用于恢复古沉积环境的氧化还原条件^[39-42]，其判别参数见表6。一般认为V/Sc比值<9.1为氧化环境，>9.1为还原环境^[39]；Ni/Co比值>7为缺氧环境，5～7为贫氧环境，<5为富氧环境^[40-41]；V/Cr比值>4.25为缺氧环境，2～4.25为贫氧环境，<2为富氧环境^[42]（表6）。鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩样品V/Sc比值为4.43～11.18，平均5.91，指示为氧化环境，但值变化较大；在LM2带比值>9.1，指示缺氧还原环境（图9）。Ni/Co比值在2.13～5.17之间，平均值为2.79，指示富氧环境；而LM2带比值为在5左右，指示贫氧环境。V/Cr比值在0.93～2.39，平均值为1.23，指示富氧环境；而LM2带附近V/Cr比值为2.39，指示贫氧环境，其他层位的样品均指示富氧环境。

图  9  鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩沉积环境恢复

Figure 9.  Restoration of sedimentary environment of shale in the lower member of Wufeng-Gaojiabian of Well Gudi 1

鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩样品稀土分配模式较为平坦，Ce元素在LM2带呈微弱的负异常，其余位置呈现正异常，说明高家边组底部LM2带为弱还原环境，其他为氧化环境。U元素和Mo元素的富集程度可以较好的反映水体的氧化还原条件^[42]，从U-Mo协变模式图中可以看出，WF2-3带以U的低富集、Mo的高富集为特征，LM2带以U、Mo高富集为特征，LM5-6带U和Mo的富集系数都较小，说明了WF2-3带和LM5-6带为氧化环境，LM2带为还原环境。同时LM2带Mo的富集系数较高，超过正常海水浓度的3倍以上，与Cariaco盆地的颗粒载体模式类似^[43]，其沉积环境可能为弱滞留海盆环境，而WF2-3带为氧化环境，Mo元素却大量富集，这可能是由于在弱滞留环境下，Mo元素受颗粒载体的吸附沉降作用造成沉积物中的Mo元素含量升高^[43]（图10）。

图  10  鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩U-Mo协变模式

Figure 10.  U-Mo covariant model of shale in the lower member of Wufeng-Gaojiabian Formation of Well Gudi 1

沉积环境中的Ba元素主要为生物成因富集，而非生物因素沉淀富集的Ba在沉积物中占比较小^[44]。Ba_xs（过剩钡）是指沉积物中由生物作用富集的Ba^[17]，可以用来指示沉积时期的古生物生产力，其计算公式为Ba_xs=Ba_样-Al_样（Ba/Al）_PAAS。式中Ba_样和Al_样为样品实测Ba和Al的含量，（Ba/Al）_PAAS为后太古代澳大利亚页岩平均组分Ba和Al的比值。通常Ba_xs值>1 000 μg/g认为是高生产力^[45]。鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩Ba_xs含量整体不高，WF2-3带和LM5-6带Ba_xs含量低，显示为低生产力；LM2带Ba_xs>1 000 μg/g，达到1 303 μg/g，显示为高生产力（图9）。Ba_xs在1 063 m处开始显示为负值，这是由于LM5-6沉积时期研究区古生物生产力严重不足，生物成因Ba供给不足所致。Ba_xs含量会受到海水氧化还原条件变化的影响，还原条件下沉积物中的Ba元素会溶解析出，造成Ba_xs含量降低，影响古生产力的判断^[17]。鼓地1井五峰组-高家边组下段WF2-3带和LM5-6带海水较浅，底层海水为氧化环境，沉积物中的Ba元素流失较少，而LM2带海水较深底，层海水缺氧还原，Ba元素流失较多。综合来看，处于还原环境中的LM2带Ba_xs含量仍高于氧化环境中的WF2-3带和LM5-6带，说明LM2带古生物生产力明显高于WF2-3带和LM5-6带。

通过对下扬子巢湖地区鼓地1井五峰组-高家边组下段页岩岩芯样品的主、微量元素以及稀土元素的测定分析，探讨了沉积时期的构造背景、物源区背景、水体氧化还原条件、古气候、古生物生产力、古海平面以及古盐度特征，得出了以下结论：

（1）鼓地1井五峰组-高家边组页岩主量元素、微量元素以及稀土元素纵向分布不均匀，LM2带元素含量与WF2-3带和LM5-6带相比明显异常。

（2）鼓地1井五峰组-高家边组下段主要为活动大陆边缘的沉积构造背景，同时兼具大陆岛弧的特征。物源具有长英质物源和成熟大陆石英物源混合物源的特征。

（3）鼓地1井WF2-3带和LM5-6带为浅水环境，底层海水含氧高，气候温暖湿润，古生产力较低，海水较浅且盐度较低；LM2带为深水环境，海水盐度高、滞留程度较弱，底层海水缺氧，气候干燥炎热，古生物生产力较强。