扬子地块西南部寒武纪邛渚寺组的沉积环境演化及有机质富集机制

古海洋与现代能源

中国西南的岩石保存着双重秘密：它们记录了地球早期海洋的一个转折点，同时还囤积着大量页岩气资源。本研究聚焦于一套厚重的暗色寒武纪泥岩——邛渚寺组，该组沉积于5亿多年前的扬子地块边缘。通过解析这些岩石中封存的矿物与化学指纹，作者展示了气候、海底地形与海底化学如何共同作用，将有机质掩埋并保存下来——这些有机质正是当今页岩气资源的原料。

海底下的分层故事

邛渚寺组形成于一个西深东浅的古内海。在西部靠近古陆的位置，河流将砂与泥输入浅水区；远离海岸的外陆架与深槽则沉积更细的泥质物和黑色页岩。研究团队对沿西—东剖面的三个关键地区的露头与钻芯进行了测量，记录了矿物、有机碳以及一套主量、微量与稀土元素。这些数据表明，该组可分为两大部分：较老且含有丰富有机质的深色下部段（Q1），以及较年轻的上部段（Q2），后者以更为轻质、受氧化影响较强、含有机质显著较低的泥岩为主。

气候变化与炽热的海底输入

基于铝、钠、钾等元素的化学指数显示，供给沉积物的陆地环境从相对冷干逐步转向更温暖潮湿的气候。这增强了陆地的化学风化，持续增加细料和营养盐向盆地的输送。与此同时，铁、钛与铕等地球化学特征表明，盆地的部分区带——尤其是东部坡地与陆架——在早期Q1时期受到海底热液活动的影响。这些温暖且富含矿物质的流体不仅仅带来了火山灰与硅质物质，还注入了磷等营养盐，当被上升流带到表层水体时，能够提升生物生产力。

氧含量、水体循环与埋藏碳

有机质在埋藏过程中能否保存，很大程度上取决于底水的含氧量以及盆地与外洋的交换程度。铀与钼等元素的比值与富集因子表明，在Q1期间，西部陆缘是一个强烈受限制的海域，底水通气差、缺氧。中部槽与东部陆架总体上受限制较小，但仍以缺氧为主，最东部区域偶尔进入含硫化物的条件——即溶解硫化物丰富的状态。到Q2时，海平面下降、盆地被填平，水体变得更浅且混合更好，含氧条件占优，仅在槽的最深部位出现短暂局部的低氧回归。这一变化在全区总有机碳含量的明显下降中得以体现。

通向富有有机层的不同路径

作者将有机碳与多个“生产力”和“保存”指标进行比较，以厘清为何某些区带会特别富有有机质。在靠近陆地的西部地区，有机质含量与氧化还原指示器的相关性高于与生产力代理的相关性，表明一种“保存”模式：生物产出适中，但由于底水停滞、缺氧，产生物得以很好保存。相反，在东部坡地与陆架，高有机碳与营养输入及热液影响的迹象相关性最强。在此处，“生产力”模式占主导：强烈的上涌与海底喷口促发了浮游生物的繁盛，其残骸下沉并在降解过程中消耗氧气，从而产生并维持低氧条件。中央槽则兼具两种影响——水深相对较大、营养输入持续但不极端、并长期缺氧——形成了一些最厚且有机质质量最高的黑色页岩层。

从古海洋到今日页岩气

总体而言，研究表明最有前景的页岩气靶区形成于生产力与保存条件同时优越的地带：即早期海侵的Q1阶段，盆地中深而部分受限的区带，尤其是中央槽及受热液影响的东部坡地周围。随后在Q2期随着海水变浅和含氧回归，有机质堆积减弱，岩石的碳含量显著下降。对非专业读者而言，结论很直接：通过解读极为古老泥岩中的微妙化学线索，地球科学家可以重建古海的呼吸、环流与生物供养情况——这也解释了为何某些地层成为富集天然气的储层，而其他地层则仍是普通泥岩。

引用: Luo, J., Zhang, T., Min, H. et al. Sedimentary environment evolution and organic matter enrichment mechanisms of the cambrian Qiongzhusi Formation in the southwestern Yangtze Block. Sci Rep 16, 9294 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39633-x

关键词: 寒武纪黑色页岩, 有机质富集, 古环境, 热液上涌, 页岩气勘探