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新元古代晚期—早古生代早期是华南克拉通地质演化的关键阶段[1]。这一时期,发生了包括罗迪尼亚超大陆裂解[2⁃3]、冈瓦纳泛大陆聚合[4]、全球冰川形成与消退[5]、寒武纪生命大爆发等一系列重大地质事件。寒武纪早期,由于寒武纪生命大爆发为有机质富集和烃源岩形成提供了物质条件,因此在全球多个地区广泛发育烃源岩[1]。华南上扬子地区下寒武统普遍沉积了一套黑色页岩及硅质岩互层层系,在空间上呈现北东—南西向狭长型带状展布[6],从云南地区延伸至浙江一带。目前,已在川西南筇竹寺组、云南东部麦地坪组、湘鄂西—黔东南地区牛蹄塘组及黔南黄平九门冲组等地区获得工业页岩气流,充分表明上扬子地区下寒武统具有良好的页岩气勘探潜力[7]。
查明不同地区富有机质页岩层段的等时地层关系及其成因已成为页岩气勘探的关键问题[7]。在页岩层系中,岩相、凝缩段、沉积旋回及其叠加样式、典型岩性标志层及自然伽马能谱测井曲线可作为地层划分的重要依据[7⁃12],从而建立页岩层系地层格架。然而,海相地层页岩沉积一般较连续,在无明显响应标志和明显侵蚀作用面的地层,识别层序界面并建立层序地层格架极其困难。除此之外,华南上扬子不同地区下寒武统沉积序列时空变化复杂,岩石地层名称存在较大差异[13],不同地区下寒武统横向对比还未形成统一的认识,因此,基于层序地层及重要标志层的等时地层对比存在很大限制。
对火山碎屑层或火山灰层开展放射性锆石年代学分析可为地层提供了高精度年龄锚点,但其孤立应用具有严重的局限性。原因在于,极少研究可以确定岩石所处地层真正的年龄[14]。另外,地层中沉积的火山碎屑层及火山灰层有限,因此难以获得多个层位的锆石年龄来对沉积地层进行综合约束。近年来,放射性同位素年代学和天文年代学相结合的方法在年代地层研究中得到广泛的应用。该方法为地质历史时期的沉积地层提供高分辨率且连续的年代标尺,已成为约束地质年代的精确工具[15]。旋回地层学利用沉积地层的旋回性（沉积韵律）作为地质计时器,这些周期性的旋回与地球轨道参数变化有关。地球轨道参数（偏心率、斜率和岁差）的周期性变化引起地球的季节性变化和固定纬度的太阳辐射量大小,从而影响地球表层沉积过程的变化,并在沉积记录中体现为周期性的旋回特征[16]。例如,北纬65°冰期旋回是由轨道驱动引起的太阳辐射量大小控制的[17]。
然而,在50 Ma前的地质历史时期,太阳系的混沌行为导致轨道参数配置（即天文周期）表现出很大的不确定性[18],这对斜率和岁差具有较大影响。由于长偏心率（405 kyr）是木星和金星之间相互作用引起的（g2-g5）,且木星的质量足够大,因此,长偏心率（405 kyr）在地质历史时期保持相对稳定的状态[18]。在中生代及古生代地层中,长偏心率旋回已被频繁用作天文调谐的目标曲线（即调谐到405 kyr偏心率周期）。例如,Zhao et al.[19]在寒武纪地层识别出明显的天文轨道周期,并建立了16 Myr长的天文年代标尺。周杨等[20]和Zhang et al.[21]对川南下寒武统筇竹寺组富有机质页岩层系开展了旋回地层学分析及等时地层对比的研究。然而,目前对鄂西—黔南地区下寒武统富有机质页岩层系的旋回地层学及等时地层对比分析缺乏研究。因此,查明该地区页岩层系等时地层关系,开展旋回地层学分析具有重要意义。
本研究拟对鄂西下寒武统牛蹄塘组及黔南下寒武统九门冲组开展旋回地层学研究。分别以鄂西及黔南地区两口工业钻井测井伽马曲线作为替代指标,识别出主要的天文周期,建立“浮动”天文年代标尺,基于层序地层对比及已经报道的绝对年龄,标定建立等时地层格架。其次,基于沉积噪音模型方法重建下寒武统目的层段海平面变化并进行对比分析,最终揭示牛蹄塘组和九门冲组富有机质黑色页岩的成因。
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华南板块在寒武纪位于接近赤道的位置（图1a）,由东南的华夏板块和西北的扬子板块组成（图1b）。扬子克拉通形成于华夏地块和扬子地块的碰撞作用,在埃迪卡拉—早寒武世形成了被动大陆边缘盆地[26⁃27]。由于差异沉降作用,扬子克拉通内发育多个洼地,东南方向为大规模开放盆地[27]。由西北向东南依次为浅水碳酸盐台地、局限潟湖盆地、台地边缘和斜坡—深水盆地区[1,6]。早寒武世台—盆转换带海底热液活动频发,大规模海侵导致水体进一步缺氧,湘鄂西—黔北—黔南地区发育富有机质炭质泥岩、页岩和硅质岩[25,28⁃29]。随着海平面下降以及碳酸盐岩台地的形成,区域上开始发育大规模碳酸盐岩沉积[28]。根据野外露头剖面及岩性特征,下寒武统顶部发育的碳酸盐岩段及震旦系顶部发育的灰岩段已被当作两套区域性标志层,用于富有机质页岩层系区域性的对比。
图 1 华南扬子地区下寒武统古地理及地层柱状图
Figure 1. Paleogeographic map and stratigraphic column of the Lower Cambrian in the Yangtze Block, South China
本研究选取的ND1井位于湖北省宜昌市聂佳河镇,属于碳酸盐台地相（图1b）。沉积地层自下而上分别为震旦纪灯影组,下寒武统牛蹄塘组、石牌组、天河板组、石龙洞组（图1c、表1）。下寒武统牛蹄塘组下段沉积为黑色及灰色含碳页岩,与下伏灯影组白云岩成平行不整合接触[25]。HY1井位于贵州省贵阳市东部地区,属于斜坡相（图1b）。沉积地层自下而上分别为上震旦统灯影组、下寒武统九门冲组、杷榔—变马冲组、清虚洞组,中寒武统高台组,上寒武统娄山关组（图1c、表1）。下寒武统九门冲组沉积以深灰—黑灰炭质泥岩、硅质泥岩、硅质岩为主（图1）。
表 1 华南上扬子地区下寒武统地层对比（据文献[7]修改）
Table 1. Stratigraphic correlation of the Lower Cambrian in the Upper Yangtze Block, South China (modified from reference [7])
统 阶 地 层 川西南 川东南、黔北—黔中 川北南江 黔东南皋 黔南黄平 川北城口、鄂西—渝东 鄂西宜昌 中寒武统 毛庄阶 陡坡寺组 高台组 陡坡寺组 高台组 高台组 高台组 下寒武统 龙王庙组 龙王庙组 清虚洞组 孔明洞组 清虚洞组 石龙洞组 石龙洞组 沧浪铺组 沧浪铺组 金顶山组 杷榔组—变马冲组 天河板组 天河板组 阎王碥组 明心寺组 石牌组 石牌组 仙女洞组 筇竹寺组 筇竹寺组 牛蹄塘组 郭家坝组 九门冲组 九门冲组 水井沱组（牛蹄塘组） 水井沱组（牛蹄塘组） 郭家坝组 牛蹄塘组 岩家河组 梅树村阶 麦地坪组 宽家铺租 老堡组 上震旦统 灯影组 灯影组 灯影组 灯影组 灯影组 灯影组 刘忠宝等[7]对上扬子地区下寒武统地层进行了分区和对比,将上扬子地区下寒武统划分为8个三级层序,其中HY1井下寒武统划分为两个层序（SQ1和SQ2）（图2）,但SQ1和SQ2存在穿时性,不同地区缺失程度和沉积特征存在明显差异。在层序地层对比中,HY1井SQ2层序和JY1井筇竹寺组底部（或麦地坪组）地层（SQ2层序）对应,但JY1井底部缺失SQ1层序（图2）。周杨等[20]对JY1井及肖滩剖面岩石地层、古生物地层及年代地层进行了对比。JY1井麦地坪组白云岩可与肖滩剖面朱家箐组含磷灰岩对比。
图 2 肖滩剖面及JY1、HY1和ND1井下寒武统地层对比
Figure 2. Stratigraphic correlation of the Lower Cambrian among the Xiaotan section, JY1, HY1 and ND1 wells
ND1井下寒武统牛蹄塘组顶部发育一套微晶灰岩和深灰色薄层黏土岩互层,其上覆地层石牌组以泥质粉砂岩沉积为主,而HY1井九门冲组顶部同样发育一套灰色—深灰色灰岩,与JY1井麦地坪组顶部灰岩对应,其上覆地层杷榔—变马冲组以灰色泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩沉积为主（图1,2）。因此,九门冲组顶部灰岩和牛蹄塘组顶部灰岩层可以作为横向对比标志层。而且,ND1井牛蹄塘组和HY1井九门冲组页岩和底部灯影组白云岩接触,因此ND1井牛蹄塘组可与HY1井九门冲组进行层序对比。依据岩性变化在ND1井牛蹄塘组内部可划分出两个沉积旋回,对应于层序SQ1和SQ2（图2）。
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研究选取HY1井和ND1井自然伽马能谱测井（GR）数据进行旋回地层学分析。HY1井九门冲组选取2 310~2 420 m的深度段,其分辨率（采样间距）为0.125 m。ND1井牛蹄塘组选取481~750 m的深度段,其分辨率为0.125 m。此外,HY1井总有机碳（Total Organic Carbon,TOC）数据和ND1井地球化学数据（V、Cr和Ni）用于综合对比分析。HY1井TOC数据来源于文献[24]。ND1井TOC数据在中国地质大学（武汉）教育部重点实验室完成。步骤如下：（1）将岩心样品研磨成200目,加入稀盐酸溶液进行前处理；（2）残余样品中称取1 g粉末样置于5 mL离心管,加入2 mL浓度为4 mol/L的HCl溶液摇匀混合,静置12 h直至无气泡；（3）第一步用盐酸去除无机碳酸盐后,多次加入去离子水进行离心分离直至取上清液的pH变为中性。然后将处理的样品用冷冻干燥机干燥；（4）称取20 mg样品用锡纸包好,用镊子将通过工具压实折叠包好的样品放入元素分析仪进行测试。
ND1井地球化学数据（V、Cr和Ni微量元素）测试在武汉上谱科技有限责任公司利用Agilent 7700e ICP-MS分析完成。处理步骤如下：（1）将岩心样品磨成200目粉末状置于105 ℃烘干箱12 h；（2）取50 mg粉末样品放置于高压密闭的Teflon溶样器,分别先后依次缓慢加入1.5 mL的高纯氢氟酸和高纯硝酸；（3）将其密封后置于烘干箱,拧紧后置于190 ℃恒温烘干24 h以上；（4）待溶样冷却,开盖后置于140 ℃电热板蒸干,然后加入1 mL HNO3并再次蒸干；（5）加入1 mL高纯氢氟酸、1 mL MQ水和1 mL内标In（浓度为1×10-6）,再次将Teflon溶样气的放入钢套,拧紧后置于190 ℃烘箱中加热12 h以上；（6）将溶液转入聚乙烯料瓶中,并用2% HNO3稀释至100 g以备ICP-MS测试。
自然伽马测井数据作为一种理想的古气候替代指标,已被广泛用于旋回地层学的研究[35⁃36]。自然伽马能谱测量岩石中放射性物质（Th、U、K）在衰变过程中放射出的自然伽马辐射强度。放射性元素易富集在黏土矿物和有机质中。泥页岩中黏土矿物和有机质含量高,砂砾岩及碳酸盐岩中黏土矿物含量较少,因此,泥页岩一般具有较高的GR值[37⁃38]。GR值变化反映了岩性的变化,岩性变化则反映了风化强度、降雨及河流输入能力[37⁃38],这些均与古气候变化关系密切。
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本研究采用多个旋回地层学方法,包括多窗谱估计（multitaper method,MTM）频谱分析、快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform）滑动窗口频谱分析、高斯带通滤波、相关系数（correlation coefficient,COCO）和演化的相关系数（evolutionary correlation coefficient,eCOCO）分析。在频谱分析之前,首先对等间距的测井曲线进行去趋势化（detrended）处理,以去除长期趋势[39]。对去趋势后的测井GR曲线开展MTM频谱分析、快速傅里叶变换及沉积速率估算,以确定潜在的天文周期。基于蒙特卡罗模拟的COCO和eCOCO分析,可以给出最优的沉积速率及其随深度的变化。
在边缘海环境中,气候替代指标记录的动态非轨道信号（即“噪音”）影响了气候和相对海平面变化,这种沉积噪音可归因于风暴、潮汐、生物扰动等因素[40]。基于此,Li et al.[40]开发了沉积噪音模型方法（dynamic noise after orbital tuning,DYNOT和lag-1 autocorrelation coefficient,ρ1）分析,用于模拟相对海平面变化。一般情况下,高海平面对应于DYNOT低值和ρ1高值,反之亦然。以上所有方法都在Acycle v2.4.1[39]开源软件上运行。
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HY1井频谱分析显示超过99%置信度的峰值有16.6 m,4 m,2.32 m,1.78 m和1.43 m,且16.6 m和4 m的沉积旋回比值约为4:1（图3a）。快速傅里叶变化图谱显示在2 390~2 400 m和2 310~2 365 m深度段16.6 m的波长信号较强,而在2 365~2 390 m深度段4 m的波长信号强（图3b）。ND1井频谱分析显示超过99%置信度的峰值有36 m,9 m,3.3 m,1.9 m,1.5 m和1.25 m,且36 m和9 m的沉积旋回比值为4∶1,表明36 m和9 m的沉积旋回可能为405千年（kyr）和100 kyr偏心率（图3c）。快速傅里叶变换图谱显示36 m的波长在480~750 m间隔信号都很强,而9 m的波长仅在480~550 m间隔具有强信号（图3d）。
图 3 HY1井和ND1井GR深度序列及时间序列的2π MTM频谱分析及快速傅里叶变换
Figure 3. 2π multitaper method (MTM) spectral analyses and evolutionary Fast Fourier Transform (e⁃FFT) of GR data series in the depth⁃ and time⁃ domain of the wells HY1 and ND1
对HY1井开展COCO和eCOCO分析,结果显示了三个最佳沉积速率：4.1 cm/kyr,13.5 cm/kyr和16.5 cm/kyr（图4）。由于4.1 cm/kyr对应的天文周期个数为7,且eCOCO图谱显示整个层段约4.1 cm/kyr的强信号,因此,HY1井最佳沉积速率为4.1 cm/kyr。对应地,16.6 m,4 m,2.32 m,1.78 m和1.43 m的沉积旋回的持续时间大致为405 kyr,98 kyr,57 kyr,43 kyr和35 kyr。同样地,对ND1井开展COCO和eCOCO分析,结果显示最佳沉积速率为9 cm/kyr和12 cm/kyr（图5）。由于eCOCO图谱中显示的沉积速率大部分均值为9 cm/kyr,因此,ND1井36 m,9 m,3.3 m,1.9 m和1.5 m的沉积旋回持续时间大致为405 kyr,100 kyr,36 kyr,21 kyr和16.6 kyr。
图 4 贵州南部地区HY1井九门冲组GR数据相关系数（COCO）及演化相关系数分析（eCOCO）
Figure 4. “COCO” and “eCOCO” analyses of the Jiumenchong Formation GR data of the well HY1 in southern Guizhou province
图 5 湖北宜昌地区ND1井牛蹄塘组GR数据相关系数（COCO）及演化相关系数分析（eCOCO）
Figure 5. “COCO” and “eCOCO” analyses of the Niutitang Formation GR data of well ND1 in the Yichang region, Hubei province
由于太阳系行星之间的混沌行为,寒武纪早期的天文轨道周期斜率和岁差更接近,部分周期可能出现叠置难以识别[20],而405 kyr长偏心率周期在地质历史时期保持稳定。因此,HY1井16.6 m和ND1井36 m的沉积旋回代表了405千年长偏心率周期。按照Waltham[41]的天文周期方案,520 Ma左右的天文周期为405 kyr,131 kyr,95 kyr,36.4 kyr,28.2 kyr,20.4 kyr,19.4 kyr及16.8 kyr。因此,HY1井4 m和1.43 m的沉积旋回分别代表了短偏心率周期和斜率周期；ND1井9 m和3.3 m的沉积旋回代表了短偏心率周期和斜率周期,1.9 m和1.5 m的沉积旋回代表了岁差周期。
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以HY1井16.6 m和ND1井36 m沉积旋回对应405 kyr偏心率周期建立年代模型,基于该年代模型分别将两口井深度测井序列调谐至时间域。对调谐后的时间域数据进行插值和去趋势处理,然后进行频谱分析和快速傅里叶变换分析。HY1井时间域频谱分析显示了明显的405 kyr,100 kyr及35 kyr的长偏心率、短偏心率及斜率周期,快速傅里叶变换图谱显示了对应的米兰科维奇周期信号（图3e,f）。ND1井时间域频谱分析显示了明显的405 kyr,100 kyr及36 kyr的长偏心率、短偏心率及斜率周期以及22 kyr和20 kyr的岁差（图3g,h）。
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肖滩剖面年代地层学研究表明,朱家箐组顶界面年龄约为526.50±1.10 Ma~526.86±0.16 Ma[30⁃31]。根据层序地层对比,HY1井九门冲组顶部灰岩及ND1井牛蹄塘组灰岩顶界面可能为526.86±0.16 Ma,但灰岩底界面年龄尚不清楚。由于肖滩剖面朱家箐组上部第一套硅质白云岩年龄为535.20±1.70 Ma~538.20 Ma±1.50 Ma[32⁃34],因此推测HY1井和ND1井灰岩底界面年龄（2 300 m和480 m处）年龄可能为535.20±1.70 Ma~538.20 Ma±1.50 Ma或更年轻。因此,本次研究将535.20±1.70 Ma作为天文年代标尺的锚点。
旋回地层学分析表明鄂西—黔南下寒武统沉积旋回受控于轨道周期。通过将HY1井和 ND1井深度域序列调谐到时间域序列,建立了两口井“浮动”天文年代标尺。研究结果表明,HY1井九门冲组富有机质页岩持续时间为2.64 Myr（图3f、图6）,ND1井下寒武统含碳页岩持续时间仅为3.30 Myr（图3h、图6）。由于二者持续时间不一致,因此本研究给出两种绝对天文年代标尺方案。方案一将535.20±1.70 Ma作为ND1井牛蹄塘组顶部锚点,方案二以535.20±1.70 Ma作为HY1井九门冲组顶部锚点。由于层序地层对比并不能建立等时地层,但同一区域的海平面变化是同步的。因此,对比两口井下寒武统时期的相对海平面变化,可以在时间上建立对应关系。
图 6 鄂西ND1井和黔南HY1井富有机质页岩层段海平面变化及建立的天文年代标尺
Figure 6. Sea⁃level changes and astronomical time scale of organic⁃rich shales layer of well ND1 in western Hubei and well HY1 in southern Guizhou
ND1井位于台地相,HY1井位于深水斜坡相,二者所处位置反映的海平面变化应具有一致性。Li et al.[40]开发了沉积噪音模型（DYNOT和ρ1）重建大陆边缘海平面变化,该方法已被证明是有效的海（或湖）平面重建方法,被广泛用于全球大洋及陆地古湖平面变化的重建中。本研究对调谐后的自然伽马序列进行沉积噪音模拟,分别获取了HY1井和ND1井的DYNOT和ρ1曲线（图6）。HY1井相对海平面变化反映了两次升降旋回,这和刘忠宝等[7]划分的两个三级层序对应。此外,两次海平面升降旋回大致对应两个1.20 Myr长周期旋回,表明了该时期三级海平面层序可能与1.20 Myr斜率周期存在联系。相比之下,ND1井总体上以牛蹄塘组下段高海平面和上段低海平面为特征,相对海平面变化反映了一个下降半旋回和两次上升—下降旋回。根据其变化的幅度,将两次上升—下降旋回和HY1井九门冲组海平面变化对应,结果表明4条海平面变化曲线吻合度较高,且HY1井和ND1井405 kyr长偏心率旋回及1.20 Myr长周期旋回均对应良好（图6）。
尽管本研究建立了两种方案的天文年代标尺,且根据相对海平面变化、偏心率及斜率调幅旋回及沉积层序对比大致建立了两口井的等时关系,将这两种方案的误差控制在0.10 Ma,但由于控制锚点年龄本身具有误差和限制性,故本研究所建立的天文年代标尺需要进一步检验和验证。对比中国寒武纪最新年代地层和时间框架[42],表明ND1井牛蹄塘组及HY1井九门冲组处于寒武纪幸运阶。
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贵州黔南地区下寒武统九门冲组岩性主要为硅质、碳质页岩及泥岩,具有厚度大、有机质丰度高的特征,总有机碳含量介于2%~10%,自然伽马测井值高,其变化趋势和TOC含量具有相似性（图7）。研究表明,下寒武统九门冲组为深水陆棚沉积环境[43]。前期地球化学分析表明九门冲组黑色页岩沉积过程受热液活动的影响[44],深部物质通过深大断裂上涌进入海水,提供了丰富的物质来源。
图 7 HY1井九门冲组自然伽马曲线、总有机碳含量、沉积速率、长短偏心率滤波及海平面变化
Figure 7. GR data series, TOC, sedimentation rates, long⁃ and short⁃ eccentricity filters, and sea⁃level changes of the Jiumenchong Formation in well HY1
鄂西地区下寒武统牛蹄塘组岩性主要为含碳页岩,具有厚度大、有机质丰度高的特征。TOC含量介于2%~20%,且牛蹄塘组下段TOC含量明显高于上段（图8）。地球化学元素比V/Cr和V/（V+Ni）显示和TOC含量相似的变化,表明高TOC段水体处于缺氧的环境[28,45]。前期研究已经证实,ND1井牛蹄塘组下段页岩处于缺氧—硫化环境,上段页岩下部处于缺氧环境,上部处于次氧化—缺氧环境[26]。热液活动同样为黑色页岩的形成提供了物质条件,且早期热液活动明显强于晚期,这主要与寒武纪早期扬子板块的快速拉张裂解有关[28]。上涌的热液与碎屑物质混合后,则形成了大陆边缘背景下具有洋盆特征的黑色岩系。
图 8 ND1井牛蹄塘组总有机碳含量、沉积速率、地球化学变化、长短偏心率滤波及海平面变化
Figure 8. TOC, sedimentation rates, geochemical variations, long⁃ and short⁃eccentricity filters, and sea⁃level changes of the Niutitang Formation in well ND1
生产力升高,大洋内部氧气含量下降、适宜的沉积速率、有机碳埋藏增加及火山活动通常被认为是有机质富集的主要因素[14,46⁃49],而轨道驱动则被认为是这些因素的诱因[50⁃51]。研究表明,地球轨道周期对黑色页岩的形成具有控制作用[51]。偏心率调幅的岁差气候可以影响大陆风化、区域径流、海洋富营养化以及生产力和氧化还原条件变化[52⁃55]。其次,岁差可以影响不同纬度季风强度、降雨和温度的差异。很多研究提出了偏心率和岁差气候对富有机质页岩形成的解释模型。如Wei et al.[45]和Zhang et al.[56]提出在新生代陆相湖盆中,岁差处于夏季的极小值时期更有利于有机质的富集和保存,湖泊生产力水平也在此时处于高值。当夏季岁差处于极大值时期,湖平面下降导致有机质被动处于氧化的环境,因此不利于有机质的保存。
鄂西—黔南地区处于被动大陆边缘背景下的浅水—深水陆棚环境,轨道的405 kyr偏心率旋回对页岩层系沉积具有明显的控制作用（图3,7,8）。研究结果显示,页岩沉积层段有机质含量和405 kyr旋回在相位上具有同步幅度的变化,这在ND1井牛蹄塘组下段尤为明显。ND1井牛蹄塘组下段两个TOC高值段对应于405 kyr旋回最大值,其持续时间大约为405 kyr（图8灰色区域）,而两个TOC含量高值之间的低值段正好对应了两个405 kyr旋回之间的低值（图8,约720 m）。此外,高TOC值段明显对应的405 kyr旋回幅度变化大,而相对低的TOC值段对应的405 kyr旋回幅度变化小（图7和图8灰色区域）。由于岁差旋回受偏心率的调制作用影响。因此,推测405 kyr旋回幅度大的时期对应的岁差周期幅度波动也较大。然而,由于太阳系混沌行为,无法得到精确的偏心率结论[18]。在早寒武世,轨道对有机质富集的影响只能通过假设,无法确定偏心率最大值对应TOC的最大值或最小值,从而能够解释偏心率驱动的生产力或偏心率控制的保存条件对有机质富集的影响[57]。Wichern et al.[58]提出了海相沉积的偏心率假设模型,当偏心率最小值处于2.40 Myr 长周期节点,季节性反差是可以避免的,这将导致大陆地区风化层建造的形成。在第一次剧烈的岁差最大值期间,这些累计的风化层及其所含的养分将被侵蚀,导致水体富营养化。随后的岁差最小值期间,水文循环减弱,但营养元素的再循环也能够导致缺氧条件下黑色页岩的形成。本次研究援引这一假设模型对本文结果进行解释（图9）。由于岁差引起的太阳辐射变化在南、北两个半球是相反的,因此,两个半球低纬季风气候的岁差尺度响应也具有相反的变化趋势[59]。早寒武世上扬子地区处于北半球低纬度,因此在岁差最小值期间,水文循环和亚洲夏季风降雨增强,使得风化层的养分被侵蚀,导致水体富营养化。假如总有机碳含量最大值和理论轨道偏心率最大值同步,推测在更长的时间段内强季节性变化在某种程度上触发了黑色页岩的富集[14],而偏心率最大值也可以导致气候变暖,更有利于碳的吸收[60]。
从总有机碳含量和相对海平面变化的对比可以看出,海平面下降时期（2 320~2 330 m和630~660 m）对应于较低TOC段（图7,8）,而在TOC高值段,海平面总体较高,这表明富有机质页岩的形成和海平面高低具有较大的联系。然而,HY1井2 350~2 370 m沉积间隔,相对下降的海平面对应于相对高的总有机碳含量；ND1井660~690 m间隔,高海平面段对应于低总有机碳含量。以上结果表明,海平面变化和有机质富集并不是因果关系,可能存在其他的驱动因素。由于海平面变化受到1.20 Myr旋回的调制,而高有机质可能受到偏心率最大值的调制。因此,推测地球轨道参数变化是驱动海平面变化和富有机质黑色页岩富集的主要因素。ND1井高TOC段持续了约810 kyr,TOC突然升高表明这一时期可能穿过了某个阈值,使得大洋缺氧[14]。前期研究表明深部热液为有机质富集提供了丰富的营养物质来源,推测热液活动可能形成于有机质富集之前,而在高总有机碳含量期间死亡的生物得以快速沉降富集。
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（1） 旋回地层学分析表明轨道周期信号记录于下寒武统沉积地层。两口井36 m和16.6 m的沉积旋回代表了长偏心率405 kyr,9 m 和 4m 的沉积旋回代表了短偏心率 100 kyr。以长偏心率作为天文调谐基准,以文献报道的绝对年龄535.20±1.70 Ma作为HY1井九门冲组和ND1井牛蹄塘组顶界锚点,建立了两种方案的天文年代标尺。ND1井年龄区间为535.20±1.70 Ma~538.50±1.70 Ma；HY1井年龄区间为535.20±1.70 Ma~537.84±1.70 Ma。
（2） 基于沉积噪音模型建立了两口井下寒武统沉积时期的相对海平面变化。研究结果表明,两口井的相对海平面变化具有同步性,对应于两个沉积层序和1.20 Myr的长周期斜率波动旋回。
（3） 下寒武统富有机质页岩TOC高值段对应于405 kyr最大值,TOC低值段对应于405 kyr最小值,这表明黑色页岩的富集可能与更长时间段内强季节变化有关。相比之下,TOC高值段既对应相对海平面较高时期,也对应较低时期,暗示了相对海平面变化与有机质富集不具有因果联系。
Cyclostratigraphic Analysis of the Lower Cambrian Shales in Western Hubei and Southern Guizhou
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摘要: 目的 鄂西—黔南地区下寒武统富有机质页岩层系是页岩气勘探的重要目标,查明不同地区富有机质页岩层段的等时地层关系及其成因已成为页岩气勘探的关键问题。 方法 通过对鄂西ND1井及黔南HY1井下寒武统测井自然伽马数据的旋回地层学分析,识别出下寒武统主要的天文周期,以文献报道的锆石年龄作为锚点建立了两口井的天文年代标尺,并基于沉积噪音模型恢复了两口井下寒武统时期的相对海平面变化。 结果 ND1井牛蹄塘组36 m和9 m的沉积旋回及HY1井16.6 m和4.0 m的沉积旋回代表了轨道周期405 kyr和100 kyr偏心率；ND1井牛蹄塘组和HY1井九门冲组持续时间分别为3.30 Myr和2.64 Myr。给出两种方案的天文年代标尺,方案一以ND1井牛蹄塘组顶作为锚点起点,对应的天文年代标尺年龄区间处于535.20±1.70 Ma ~538.50±1.70 Ma；方案二以HY1井九门冲组顶作为锚点起点,对应的天文年代标尺年龄区间处于535.20±1.70 Ma~537.84±1.70 Ma。经过对比分析,两口井海平面变化对应于1.20 Myr旋回和两个三级层序（SQ1和SQ2）。将下寒武统富有机质页岩总有机碳（Total Organic Carbon,TOC）含量和405 kyr旋回滤波及海平面变化曲线对比,结果显示TOC高值段对应于405 kyr旋回最大值,而ND1井TOC低值段对应于两个405 kyr旋回之间的低值。此外,TOC高值段既对应于海平面较高时期,也对应于海平面较低时期。 结论 由于太阳系的混沌行为,无法准确预测寒武纪早期理论轨道偏心率对富有机质页岩驱动的机制。假设偏心率最大值和总有机碳含量最大值对应,则更长的时间段内强季节性变化在某种程度上触发了黑色页岩的富集。此外,相对海平面变化和总有机碳含量对比表明海平面变化和有机质富集不具有因果关系。Abstract: Objective The Lower Cambrian organic-rich shale is an important marine shale exploration target in western Hubei and southern Guizhou. Understanding the chronostratigraphic relationships and their underlying causes of organic-rich shale intervals in different areas is crucial for shale gas exploration. Methods In this study, we conducted cyclostratigraphic analyses using natural gamma-ray logging data from the Lower Cambrian well ND1 in western Hubei and the well HY1 in southern Guizhou and determined the primary astronomical periods. Using previously reported zircon ages as anchoring points, we constructed an astronomical time scale for the Lower Cambrian. Using a sedimentary noise model, relative sea-level changes in the Lower Cambrian were reconstructed. Results Our results reveal that wavelengths of 36 m and 9 m in well ND1 and 16.6 m and 4 m in well HY1 correspond to orbital 405 kyr and 100 kyr cycles, respectively. Furthermore, we calculated the durations of the Niutitang Formaion in well Niedi-1 and the Jiumengchong Formation in well HY1 to be 3.30 and 2.64 Myr, respectively, The astronomical age scales of two options are presented. In Option 1, the top of the Niutitang Formation in well ND1 serves as the starting point for the anchor point, with an age interval of 535.20±1.70 Ma to 538.50±1.70 Ma. Option 2 employs the top of the Jiumengchong Formation in well HY1 as the starting point of the anchor point, with the corresponding age interval spanning from 535.20±1.70 Ma to 537.84±1.70 Ma. Through correlation sea-level change curves （DYNOT and ρ1）with eccentricity cycles and sedimentary cycles, our results indicate that sea-level changes correspond to 1.2 Myr obliquity modulation cycles and two sedimentary sequences （SQ1 and SQ2）. Comparing the total organic carbon （TOC） content of the Lower Cambrian organic-rich shale with orbital eccentricity, sedimentation rates, and sea-level changes, our findings reveal that the intervals with high TOC value correlate with the maximum eccentricity of 405 kyr, whereas those with low TOC value correspond to the minimum value in well ND1. In addition, the high TOC value corresponds to both the high sea level period and the low sea level period. Conclusions Because of the chaotic behavior of the solar system, accurately predicting the mechanism that drives organic-rich shale during the Early Cambrian is impossible. Assuming that the maximum eccentricity corresponds to the maximum organic carbon content at that time, strong seasonal variations have triggered the enrichment of black shale over a more extended period. Furthermore, the comparison between relative sea-level changes and organic carbon content reveals no causal relationship between sea-level fluctuations and the enrichment of organic matter.
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Key words:
- Niutitang Formation /
- Jiumenchong Formation /
- orbital forcing /
- eccentricity /
- sedimentary noise model
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图 1 华南扬子地区下寒武统古地理及地层柱状图
(a) paleogeographic map of the Early Paleozoic (531.5 Ma) and location of the South China Block (modified from reference [22]); (b) paleogeographic map of the South China Block and locations of the wells HY1 and ND1 (modified from references [23⁃25]); (c, d) stratigraphic columns of the wells HY1 and ND1
Figure 1. Paleogeographic map and stratigraphic column of the Lower Cambrian in the Yangtze Block, South China
Fig.1
图 2 肖滩剖面及JY1、HY1和ND1井下寒武统地层对比
Figure 2. Stratigraphic correlation of the Lower Cambrian among the Xiaotan section, JY1, HY1 and ND1 wells
图 3 HY1井和ND1井GR深度序列及时间序列的2π MTM频谱分析及快速傅里叶变换
(a, b) MTM spectral analysis and e⁃FFT of GR data series in depth⁃domain in well HY1; using a 30 m running window with a 0.16 m step; (c, d) MTM spectral analysis and e⁃FFT of GR data series in well ND1; using a 25 m running window with a 0.19 m step; (e, f) MTM spectral analysis and e⁃FFT of GR data series in the time⁃domain in well HY1, showing primary astronomical period of 405 kyr, 100 kyr, 58 kyr, 42 kyr, and 35 kyr; using a 530 kyr running window with a 4 kyr step; (g, h) MTM spectral analysis and e⁃FFT of GR data series in time⁃domain in well ND1, showing primary astronomical period of 405 kyr, 100 kyr, 36 kyr, 22 kyr, 20 kyr; using a 660 kyr running window with a 5 kyr step
Figure 3. 2π multitaper method (MTM) spectral analyses and evolutionary Fast Fourier Transform (e⁃FFT) of GR data series in the depth⁃ and time⁃ domain of the wells HY1 and ND1
Fig.3
图 4 贵州南部地区HY1井九门冲组GR数据相关系数（COCO）及演化相关系数分析（eCOCO）
The sedimentation rates were set ranging from 1⁃25 cm/kyr with a 0.1 cm/kyr step; based on reference [41], astronomical periods were set to be 405, 125, 95, 32.1, 20.3, 19.4, and 16.7; the Monte Carlo analysis was set to 2 000 iterations
Figure 4. “COCO” and “eCOCO” analyses of the Jiumenchong Formation GR data of the well HY1 in southern Guizhou province
Fig.4
图 5 湖北宜昌地区ND1井牛蹄塘组GR数据相关系数（COCO）及演化相关系数分析（eCOCO）
The sedimentation rates were set ranging from 0⁃30 cm/kyr with a 0.2 cm/kyr step; based on reference [41], astronomical periods were set to be 405, 125, 95, 32.1, 20.3, 19.4, and 16.7; the Monte Carlo analysis was set to 2 000 iterations
Figure 5. “COCO” and “eCOCO” analyses of the Niutitang Formation GR data of well ND1 in the Yichang region, Hubei province
Fig.5
图 6 鄂西ND1井和黔南HY1井富有机质页岩层段海平面变化及建立的天文年代标尺
The DYNOT and ρ1 calculations were performed using a running window of 400 kyr, and the confidence levels were estimated through Monte Carlo analysis with 2 000 iterations; the light green bar represents high sea level periods, and the green dashed line represent the eccentricity maximum of two wells
Figure 6. Sea⁃level changes and astronomical time scale of organic⁃rich shales layer of well ND1 in western Hubei and well HY1 in southern Guizhou
Fig.6
图 7 HY1井九门冲组自然伽马曲线、总有机碳含量、沉积速率、长短偏心率滤波及海平面变化
Figure 7. GR data series, TOC, sedimentation rates, long⁃ and short⁃ eccentricity filters, and sea⁃level changes of the Jiumenchong Formation in well HY1
图 8 ND1井牛蹄塘组总有机碳含量、沉积速率、地球化学变化、长短偏心率滤波及海平面变化
Figure 8. TOC, sedimentation rates, geochemical variations, long⁃ and short⁃eccentricity filters, and sea⁃level changes of the Niutitang Formation in well ND1
表 1 华南上扬子地区下寒武统地层对比（据文献[7]修改）
Table 1. Stratigraphic correlation of the Lower Cambrian in the Upper Yangtze Block, South China (modified from reference [7])
统 阶 地 层 川西南 川东南、黔北—黔中 川北南江 黔东南皋 黔南黄平 川北城口、鄂西—渝东 鄂西宜昌 中寒武统 毛庄阶 陡坡寺组 高台组 陡坡寺组 高台组 高台组 高台组 下寒武统 龙王庙组 龙王庙组 清虚洞组 孔明洞组 清虚洞组 石龙洞组 石龙洞组 沧浪铺组 沧浪铺组 金顶山组 杷榔组—变马冲组 天河板组 天河板组 阎王碥组 明心寺组 石牌组 石牌组 仙女洞组 筇竹寺组 筇竹寺组 牛蹄塘组 郭家坝组 九门冲组 九门冲组 水井沱组（牛蹄塘组） 水井沱组（牛蹄塘组） 郭家坝组 牛蹄塘组 岩家河组 梅树村阶 麦地坪组 宽家铺租 老堡组 上震旦统 灯影组 灯影组 灯影组 灯影组 灯影组 灯影组 
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