揚子地區奧陶紀—志留紀轉折期多事件耦合關系及有機質富集

梁超 劉雨迪 操應長 吳靖 韓豫 謝浩然 籍士超

摘要：從地質事件的影響角度出發，討論揚子地區奧陶紀—志留紀轉折期多地質事件的耦合關系、地質事件的環境響應以及對富有機質頁巖發育的影響。結果表明：構造運動增強的大陸硅酸鹽風化作用以及火山事件增加的碳埋藏都導致大氣CO2濃度的下降，當達到閾值以下便引發赫南特冰期事件；火山噴發出的硫會在平流層形成硫酸鹽氣溶膠，增加反射率，促進冰期的發展；冰期增大緯度溫度梯度，促進上升流的形成；冰期降溫的突發性、水體硫化缺氧環境的擴張以及火山事件所輸入的汞和砷等有毒重金屬是導致晚奧陶世生物大滅絕事件（LOME）的主要機制；火山事件輸入的火山灰和上升流給海洋表層帶來大量營養元素，以及冰期海平面迅速下降期間導致溶解性無機磷酸鹽（DIP）濃度的增加，增強海洋初級生產力，促進有機質的生產；大量有機質在沉降過程中消耗氧氣導致深層形成最小含氧帶（OMZ），火山灰快速吸收溶解氧以及冰期結束海平面快速上升都會導致水體缺氧條件的擴張，從而有利于有機質的保存；主要的沉積作用是懸浮沉積，但局部也因構造運動、水體變淺以及陸源輸入增強等因素發育部分重力滑塌、濁流、碎屑流、風暴流沉積。

關鍵詞：奧陶紀—志留紀轉折期； 地質事件； 耦合關系； 環境響應； 有機質富集； 頁巖發育

中圖分類號：TE 122 文獻標志碼：A

引用格式：梁超，劉雨迪，操應長，等.揚子地區奧陶紀—志留紀轉折期多事件耦合關系及有機質富集［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2023，47（6）：1-12.

LIANG Chao， LIU Yudi， CAO Yingchang， et al. Coupling relationship of multiple events and enrichment of organic matter during Ordovician-Silurian transition period in Yangtze region［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2023，47（6）：1-12.

Coupling relationship of multiple events and enrichment of organic

matter during Ordovician-Silurian transition period in Yangtze region

LIANG Chao1，2， LIU Yudi1，2， CAO Yingchang1，2， WU Jing3，

HAN Yu1，2， XIE Haoran1，2， JI Shichao1，2

（1.National Key Laboratory of Deep Oil and Gas， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China；

2.School of Geosciences in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China；

3.College of Earth Science and Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： From the perspective of geologic events， this study explores the interconnections between various geological occurrences， their environmental repercussions， and their influence on the development of organic-rich shale during the Ordovician-Silurian transition period in the Yangtze area. The findingsindicate that continental silicate weathering intensified by tectonic movements and increased carbon burial due to volcanic events both contributed to a decline in atmospheric CO2 concentration. This decrease in CO2 concentrationtriggered the Hirnantian glaciation when it fell below a certain threshold. Sulfur released from volcanic eruptions formed sulfate aerosols in the stratosphere， increasing albedo and promoting the Hirnantian glaciation. The Hirnantian glaciation amplified the latitudinal temperature gradient， fostering upwelling. The abrupt cooling during the Hirnantian glaciation， the expansion of euxinia environments in the water column， and the introduction of toxic heavy metals like mercury and arsenicfrom volcanic events were the primary mechanisms leading to the Late Ordovician Mass Extinction （LOME）. Volcanic ash input and upwelling from volcanic events brought substantial nutrients to the ocean surface. The rapid decline in sea level during the Hirnantian glaciation increased the concentration of dissolved inorganic phosphate （DIP）， boosting oceanic primary productivity and organic matter production. The consumption of oxygen by abundant organic matter during subsidence resulted in the formation of an oxygen minimum zone （OMZ） in deeper layers. The swift uptake of dissolved oxygen by volcanic ash and the rapid rise in sea level at the end of the Hirnantian glaciation expanded anoxic conditions in the water column， aiding organic matter preservation. The primary sedimentation process was suspended sedimentation， although locally， gravity slumping， turbidity currents， clastic flows and storm surge deposits were also developed due to tectonic movement， shallow water columns， and increased terrigenous input.

Keywords： Ordovician-Silurian transition period; geological events; coupling relationship; environmental response; enrichment of organic matter; development of shale

奧陶紀—志留紀過渡期是地質歷史關鍵轉折期，該時期發生了一系列的地質事件，包括火山活動［1-2］、冰期［3］、上升流［4-5］以及生物大滅絕事件［6-7］。這些事件之間相互作用、相互影響，對古氣候、海平面變化以及古海洋環境產生重大影響。這一特殊時期，全球廣泛沉積富有機質頁巖，揚子地區五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖是中國頁巖氣勘探的主要目標，為缺氧深水環境中沉積的黑色頁巖，總有機碳TOC含量高、成熟度和有機質類型適宜，是良好的烴源巖，具有可觀的頁巖氣資源潛力［8-9］。控制有機質富集的3個主要因素包括初級生產力、古氧化還原條件以及沉積速率，這3個因素均受氣候與環境的影響。多種地質事件控制著頁巖的沉積環境，導致不同環境下發育的頁巖的有機質含量、含氣量等儲層性質存在顯著差異。因此筆者依據前人研究成果，力圖從地質事件的影響角度出發，討論奧陶紀—志留紀轉折期的多地質事件的耦合關系、地質事件的環境響應以及對富有機質頁巖發育的影響，不僅可以為奧陶紀—志留紀轉折期的氣候變化以及地質事件的耦合關系提供重要認識，也對此時期有機質的富集和頁巖沉積作用加深理解，為油氣勘探的有利層段預測提供理論依據。

1 區域地質背景

在奧陶紀—志留紀轉折期，由東南的華夏地塊和東北的揚子地塊組成的華南板塊位于岡瓦納大陸邊緣的古赤道附近［10］（圖1（a））。揚子地塊被廣闊的陸緣海—揚子海覆蓋，被華夏大陸、顛黔隆起和成都隆起圍限形成一個局限海盆（圖1（b）），揚子海被九江海峽分為兩部分：西部的上揚子海以及東部的下揚子海［11］。震旦紀—志留紀，受加里東運動影響，揚子地區經歷寒武紀末的郁南運動、奧陶紀末的都勻運動和志留紀末的廣西運動3次成盆階段，形成裂谷盆地—裂陷盆地、坳陷盆地的成盆演化階段（圖1（c））。從晚奧陶世到早志留世，加里東運動達到最高強度，華南地塊經歷強烈的造山活動，從被動邊緣盆地演變為揚子地塊東南邊緣的前陸盆地［12］。

受海侵以及構造活動的影響，奧陶紀—志留紀轉折期沉積五峰組—龍馬溪組富有機質黑色頁巖。上奧陶統五峰組主要由黑色硅質頁巖組成，并含有豐富的筆石、放射蟲和海綿骨針等化石。晚奧陶世，觀音橋段主要沉積介殼灰巖，被認為是冰期海平面短暫下降的結果［13］。在志留紀早期，海平面快速上升，導致龍馬溪組主要沉積黑色硅質頁巖、灰色泥質粉砂巖以及灰色黏土質泥巖。

2 地質事件及耦合關系

2.1 火山事件

在奧陶紀—志留紀轉折期，全球范圍內都發生強烈的火山活動。在揚子地區的火山活動由斑脫巖記錄下來。斑脫巖在巖心中呈淺灰色—深灰色，部分與黃鐵礦伴生，有時也呈淺黃色，厚度大多數在0.5～2 cm，其含大量黏土礦物，硬度較低，手感細膩而光滑。光學顯微鏡以及電鏡下觀察到其由黏土礦物、黃鐵礦、棱角狀石英、橢球狀長石晶屑、水白云母、黑云母晶屑等組成。對斑脫巖的分布與厚度分析發現，其層數與厚度在垂向上具明顯的分段性（圖2），集中分布在凱迪階中上部和魯丹階下部，主要分為兩個階段，多數學者認為第一階段開始的范圍在449.3～447.62 Ma，第二階段開始的范圍在443.83～430.7 Ma［16］。

Yang等［2］根據斑脫巖的微量元素特征以及構造環境判別圖解指示，其源巖主要為中酸性火山巖，其分布在粗面巖到流紋英安巖范圍內，并有少量流紋巖和安山巖（圖2（a）），其產出的主要構造背景為板內花崗巖（圖2（b））。w（Eu）/w（Eu*）和Hf含量的比值表明，火山灰中的鋯石經歷不同程度的巖漿演化（圖2（c）），母巖漿經歷2個階段的明顯分異和結晶溫度，早期階段，五峰組的樣品形成于洋殼，來自于分異程度較弱的巖漿，結晶溫度較高；晚期階段，龍馬溪組的樣品形成于陸殼，來自分異程度較高的巖漿，結晶溫度較低［2］。w（Eu）/w（Eu*）與w（Th）/w（U）呈正相關（圖2（d）），這表明地殼熔體的貢獻大于幔源熔體，因為巖漿演化的過程中發生斜長石和含Th礦物的分餾［2］。關于火山灰的來源，一種觀點認為這些火山灰來源于南面，可能與華夏地塊與揚子地塊之間的匯聚相關（圖1（b））［17］，華夏地塊中存在大量同生火成巖，包括長英質和鎂鐵質巖石，這與火山灰的母巖漿一致，且下揚子地區的火山灰層比中—上揚子地區同期的火山灰層多，因此相關的火山口可能更靠近下揚子地區［2］。另一種觀點認為火山灰起源于秦嶺造山帶，揚子地臺北面的北秦嶺地區廣泛發育早古生代的島弧巖漿活動［17］（圖1（b））。

2.2 赫南特冰期事件

發生在晚奧陶世赫南特期的冰川事件，持續約為1 Ma，導致熱帶表層海水溫度下降約5 ℃［3］。期間全球海平面經歷大范圍的波動，在冰期開始時下降約70～100 m［14］。同時全球碳循環也經歷強烈的波動，δ13Ccarb存在顯著正漂（約+3‰～+7‰）［11］。對于碳同位素正漂原因的解釋有2種觀點：①碳埋藏增強或生產力增強所致；②是冰期海平面降低，碳酸鹽臺地增加風化的結果［18-19］。赫南特期δ34Spyrite也發生顯著的正漂（約+10‰），有學者認為擴大的硫化條件增加黃鐵礦的埋藏比例，降低海洋中的硫酸鹽濃度，進而導致海水和黃鐵礦中的δ34S更加富集［20］。而Jones等［19］通過模擬發現增加黃鐵礦的埋藏量并不能達到實際的偏移量，有機質埋藏量的增加導致csSRR（細胞特異性硫酸鹽還原率）增強，從而進一步導致εpyr（微生物分餾指數）下降才是δ34Spyrite正漂的真正原因［19］。

大氣CO2濃度的快速下降是導致氣候變冷的直接原因［18］。晚奧陶世，大氣CO2濃度迅速下降，從當前大氣濃度的14～22倍下降到8倍［21］。全球構造體系向碰撞和造山運動轉變，造山區域的化學侵蝕速率因地形起伏的增強而加快。硅酸鹽風化導致大氣CO2濃度下降。有研究表明陸生維管植物的出現對加速硅酸鹽礦物風化方面有重要作用［22］。Kump等［18］利用數值模擬證實風化作用對于大氣CO2濃度的影響。火山作用也可以降低大氣中的CO2濃度，方式主要有2種：①火山灰攜帶的大量營養元素進入海水中，使海洋浮游植物大量繁衍［23］，在光合作用的過程中，CO2被消耗并轉化為有機碳，在浮游植物死后，有機碳被固定在沉積巖中；②火山噴發時形成許多新鮮巖石，很容易被風化，釋放出鈣離子和鎂離子，在水中與碳酸根離子結合形成碳酸鹽沉淀，將溶解在水中的CO2固定在沉積地層中［21］。相對于大氣CO2的巨大規模，火山噴發所排出的CO2體量較小，對于溫室效應的貢獻有限。在赫南特早期大氣CO2分壓就已經降低至閾值以下，出現全球降溫，大陸冰蓋開始形成并迅速增長，同時冰川反射率正反饋加速了這一過程［18］。

2.3 上升流事件

上升流是海洋水體循環的重要過程，對氣候變化和海洋生產力有極大的影響。氣候變化和信風通常是上升流的主要原因，風和表層洋流之間的相互作用將富含營養的亞溫躍層水和CO2輸送到海洋表層［5］。上升流主要發生在現代海洋的狹窄區域，沿低緯度或中緯度大陸的西海岸垂直于赤道，與海岸平行的表層風通過埃克曼運輸將水從海岸帶走，隨后下層溫度較低的、營養豐富的水被補充到表層。在冰期，緯度溫度梯度更大，結合信風能增強溫鹽環流的強度，產生更強烈的上升流［4］。

受持續上升流影響的地區比受短暫/季節性上升流影響的地區通常具更高的w（Cd）/w（Mo）比值、更低的w（Co）×w（Mn）和w（CoEF）×w（MnEF）值。揚子地區從晚凱迪階開始直到早魯丹階w（Co）×w（Mn）和w（CoEF）×w（MnEF）下降至上升流閾值以下，指示上升流主要發生在晚凱迪階到赫南特階［5］（圖3）。橫向上，上升流的強度在地理位置上具有差異，且一般在揚子地區相對較深的水域更為強烈［5］。研究世界范圍內包含奧陶紀的硅質頁巖，發現上升流是晚奧陶世生物硅質頁巖沉積的重要因素，并在晚凱迪階到赫南特階之后硅質頁巖豐度開始下降，這與華南發育的上升流一致。

2.4 生物大滅絕事件

晚奧陶世生物大滅絕（LOME）是顯生宙“五大”生物滅絕事件中的第一次，發生在445～443 Ma。學界普遍認為，LOME分為兩幕，第一幕發生在冰期的起始階段，全球海平面下降，隨著海水的降溫以及缺氧硫化的擴張，大量暖水動物群滅絕［7］；隨后冰蓋融化，海平面迅速上升，伴隨著全球變暖和海洋缺氧硫化的擴張，引發第二幕生物滅絕［7］。LOME期間大多數造礁動物、腕足動物、棘皮動物、軟體動物、介形蟲和三葉蟲等約22%～26%的科、49%～61%的屬以及86%的物種在此次事件中遭到滅絕［6］。

由于奧陶紀—志留紀轉折期間環境發生劇變，所以LOME可能是多因素共同作用的結果。赫南特早期是冰期的最大值，其持續時間僅為0.2 Ma，因此有學者認為赫南特冰期的突發性以及嚴重性是LOME的重要機制［11］。但冰川作用所引起的溫度下降幅度能否引發生物滅絕事件是一個值得探討的問題，在赫南特冰期熱帶地區，表層海水溫度下降約5 ℃［3］，這與更新世冰期熱帶表層海水溫度變化相當，然而更新世冰期并沒有造成大規模的生物滅絕［20］。也有學者認為，硫化缺氧環境的擴張可能才是晚奧陶世生物滅絕的主要滅絕機制［20］。在滅絕第一幕，硫化缺氧環境在海洋混合層以下擴張，加上海平面快速下降，使得中上層的物種的棲息地嚴重喪失并且增大物種之間的競爭，當超過其生態的承載能力時就可能導致物種滅絕（圖4）。在冰期結束后全球快速變暖岡瓦納冰蓋融化，導致海洋化學梯度的快速上升和增強，這意味著缺氧硫化環境的擴張也是生物滅絕第二幕的重要機制［24-25］。火山噴發會向海水輸入大量的汞、砷等有毒重金屬元素，是導致LOME的重要因素之一（圖5）［26］。也有學者認為強烈的火山活動將大量CO2釋放到大氣中，約30%的CO2可被海洋吸收造成海洋酸化［6］，這可以解釋鈣化海洋生物的滅絕和生態系統的失衡［16］。

2.5 耦合關系

地質事件并非相互孤立，而是相互作用、相互影響，有著復雜的耦合關系（圖5）。

（1）構造運動和冰期：中晚奧陶世強烈的造山運動增強大陸硅酸鹽的風化作用，導致大氣CO2濃度下降［18］。

（2）火山事件和冰期：一方面火山活動向海洋輸入豐富的鐵、磷、氮等營養元素，增加初級生產力，從而增加有機碳的埋藏［23］；另一方面火山灰風化后釋放出豐富的鈣鎂離子，碳酸根離子結合后形成碳酸鹽沉積物，進一步降低大氣CO2的濃度，當大氣CO2濃度降低到閾值以下時便引發冰期［21］。同時火山噴發出的SO2和H2S在平流層形成硫酸鹽氣溶膠，增加反射率，導致地表降溫［1］。同時冰期在岡瓦納大陸形成大面積的冰蓋，增強的反射率是冰期的良好正反饋［18］。

（3）冰期和上升流：冰期表層海水溫度的下降增大緯度溫度梯度，促進上升流的形成。上升流將深水的營養物質輸送到表層，增強初級生產力，從而增加有機碳的埋藏，降低大氣CO2的濃度。

（4）冰期和生物滅絕：冰期海水迅速降溫，因此認為赫南特冰期的突發性以及嚴重性是LOME-1的重要機制［11］，同時迅速下降的海平面增加DIP的濃度，使生產力得到增強，有機質的增加導致耗氧量的提升，從而導致缺氧硫化環境的擴張，這也是引發LOME-1的機制之一［20］。冰期結束海平面上升導致的海洋缺氧硫化擴張，是引發LOME-2的機制［25］。

（5）火山事件和生物滅絕：火山噴發時向海洋輸入的汞和砷等有毒重金屬是引發生物大滅絕的另一重要機制［26］。

3 地質事件的環境響應

3.1 古氣候

化學蝕變指數CIA值已經被廣泛的作為化學風化強度以及指示氣候的指標，上揚子地區，奧陶紀—志留紀轉折期細粒沉積物CIA值大多在70～75，指示當時氣候較為溫暖濕潤；而赫南特階沉積物的CIA值大多在60～70，表明當時處于寒冷干旱的氣候［28］（圖6）。氣候的頻繁變化主要受大氣CO2濃度的控制（見2.2中的描述）。火山噴發的火山灰會遮擋部分陽光，可能會產生強烈的局部效應，但由于固體成分沉降速度較快，因此這種效應是短暫的。火山噴發的SO2或H2S被氧化為SO2-4，在對流層SO2-4被降雨迅速移除，但在平流層中，硫酸鹽氣溶膠的半衰期可能大于1 a，硫酸鹽氣溶膠吸收太陽輻射，從而增加太陽輻射反射率，導致平流層升溫以及地表降溫［1］。1991年皮納圖博火山噴發向平流層注入2 000萬t SO2，導致全球氣溫在3 a內連續下降0.5 ℃［6］。

3.2 海平面變化

Li等［28］通過高分辨率地球化學數據以及沉積證據揭示早凱迪階到晚魯丹階的多個海平面旋回（圖6）。第一次海平面旋回在凱迪階—赫南特階邊界，陸源碎屑指標w（Zr）/w（Al）以及w（Al）+w（K）+w（Ti）的值增加，CIA值同期下降表明，冰川作用導致硅酸鹽風化強度降低，解釋冰蓋擴張導致海平面下降的開始。隨后的海侵可能是由于高緯度大陸上的冰蓋消退，從而導致海平面上升，w（Zr）/w（Al）以及w（Al）+w（K）+w（Ti）的值也從峰值回落。第二次海平面旋回開始于赫南特中期，海平面下降期間碎屑輸入增加，w（Zr）/w（Al）以及w（Al）+w（K）+w（Ti）的值也相應增加。隨后CIA值出現峰值，海平面也在短時間內上升，表明存在間冰期。最后一次海平面旋回開始于觀音橋地層內M.persculptus帶底界面附近，沉積層中密集的貝殼碎片與分選較差的顆粒可能是由于海平面下降期間的風暴事件造成，海退最低點代表最后一次冰川作用的最大值，與溫度和硅酸鹽風化的轉折點在時間上一致［3，18，28］。

3.3 海洋水體性質

Hammarlund等［20］的模型顯示，海平面下降100 m可導致海洋溶解性無機磷酸鹽（DIP）濃度增加50%以上，因此更多的磷可增加海洋初級生產力，有機質的增加導致氧氣消耗量的增加，從而導致缺氧環境的擴張。火山活動向海洋輸入大量火山灰，所促進的浮游植物的大量繁殖會消耗水中過多的溶解氧［16］，并且大量沉積到海底的火山灰會通過耦合電子轉移反應氧化與硅酸鹽結合的FeⅡ，快速吸收溶解氧［29］，造成缺氧條件。Liu等［30］對大田壩、雙河以及王家灣地區的研究發現，大田壩以硫化環境為主，雙河大部分以鐵化環境為主，有短暫的硫化環境，王家灣則以鐵化環境為主（圖7）。最明顯的差異在赫南特早期至中期的冰川低海平面期，王家灣地區屬于氧化環境，而大田壩和雙河地區屬于缺氧環境。這表明在奧陶紀—志留紀轉折期間，海洋環境具很強的空間差異性，這可能與古地理的控制有關［30］。除此之外，上升流對海洋元素的循環具有重要影響，如Si、C、N、P和Fe的循環［4］。一般來說，Si在海水中是不飽和的，大部分Si的沉積可能發生在大陸邊緣、上升流區或由于大陸物源不足而限制Fe濃度的開闊海域。Fe/Si值與上升流指數較強的相關性表明揚子地區局部的缺鐵環境可能是上升流活動和間歇性火山活動造成［5］（圖3）。

4 地質事件與富有機質頁巖發育

4.1 有機質富集

4.1.1 對生產力的影響

Cu與Ni常常與有機物一起保存在沉積物中，是良好的古生產力指標［31］。Wu等［32］研究發現，火山作用越強，非碎屑Cu和Ni的質量分數越高，指示古生產力越高。研究證實火山灰是表層海水的營養元素的重要來源，當火山灰落入海水中時，釋放出大量的微量營養物質，有利于浮游植物的大量繁殖［23］。隨后以浮游植物為食的放射蟲也開始繁衍，在短時間內積累大量有機質。但并不明確的是火山活動對初級生產力是否有長期的影響［13］。現代的火山環境記錄表明，火山灰沉降區引發大規模的浮游植物繁殖，一般只能持續數周到數月，這與百萬年的地質時間尺度相比差別較大。也有研究表明，當火山灰落入海水中時，大量的鐵離子在短時間內被釋放到海水中并形成鐵絡合物，這些絡合物可以吸附磷［33］，海水中磷濃度的下降可能會抑制浮游生物的生長［21］。海洋酸化、釋放有毒物質并破壞海洋環境，也會進一步導致海洋浮游生物以及底棲生物快速死亡。因此火山活動對生產力的促進或減弱目前仍沒有明確的結論。

赫南特冰期期間，海平面的迅速下降可能會導致DIP濃度的增加，因此更多的磷可增加初級生產力［20］（圖8）。冰期結束后發生大規模海侵，w（Mo）/w（TOC）比值升高，指示此時局限封閉的水體系統變得更加開放（圖8），溫暖且富氧的表層海水促進海綿骨針及筆石等成烴生物的大量繁殖［32］。上升流也是提高生產力的重要驅動因素，富含營養的深水可在上升流的作用下被帶到表層海水，從而提高表層海水的初級生產力，溶解硅也由深層帶到表層，為硅質生物繁盛提供物質基礎。

4.1.2 對保存條件的影響

火山活動、上升流以及在冰期海平面快速下降期間均能促進生產力的發展，大量有機質在沉降的過程中，降解所消耗氧氣的速率超過表層含氧水向深層水體輸送氧氣的速率，從而導致深層形成最小含氧帶（OMZ），促進有機質的保存［13，34］。且大量沉積到海底的火山灰也會快速吸收溶解氧形成缺氧硫化條件［29］，降低有機質的分解速度，給有機質的快速埋藏和高保存率提供保證。在赫南特階海平面處于低位時，水體富氧，不利于有機質的保存，雖然生源Ba和P含量較高，但TOC含量較低（圖8）。而在凱迪階上部，海平面較高，MoEF值較高，底層水體缺氧，以及魯丹階氣候回暖，發生大規模海侵，海平面迅速上升，導致底層水體轉變為缺氧條件，MoEF和UEF值升高（圖8），促進有機質的保存［32］。

4.2 頁巖沉積作用

揚子地區頁巖沉積作用類型多樣，包括懸浮沉積、濁流、碎屑流、風暴流和重力滑塌。綜合地質事件、沉積環境演化、巖相及沉積作用類型，建立奧陶紀—志留紀轉折期間的沉積模式（圖9）。在五峰組沉積期間，上揚子海是一個半局限盆地，受古地塊以及古隆起限制，與秦嶺洋隔絕。沉積水體較為安靜、局限且缺氧，陸源輸入影響較少，因此有利于有機質的保存［16］。在上升流的作用下海水中的放射蟲、海綿等生物比較繁盛，主要是在懸浮沉積的作用下發育富有機質的生物硅質頁巖以及黏土質頁巖，生物硅質頁巖鏡下可見放射蟲化石豐富（圖10（a）），硅質主要是微晶自生石英，其主要來源于硅質生物碎屑的部分溶解［5，35］。黏土質頁巖巖心黑色—灰黑色（圖10（b）），部分鏡下可見黏土透鏡體（圖10（c））。懸浮沉積是五峰組—龍馬溪組頁巖主要的沉積過程，其沉積時水體較深，水動力條件較弱，沉積速率較慢，粗碎屑顆粒較少（圖10（c））。

隨后赫南特冰期全球氣溫顯著下降，風化速度明顯降低，岡瓦納大陸形成大量冰蓋，全球海平面快速下降，氣候變得寒冷干旱［11］。發育少量風暴流沉積，常具底沖刷面結構，夾有疑似生物逃逸的粉砂夾層（圖10（d）），可見丘狀交錯層理、平行層理以及水平層理等層理構造，指示其為風暴成因。

冰期結束后，全球海平面快速上升，生物也在富氧表層水體大量復蘇［32］。低頻的火山活動以及缺氧的水體為有機質提供有利的保存條件，主要沉積生物硅質頁巖。隨后盆地周緣古陸進一步抬升，陸源物質的供給速率加快，可見濁流、重力滑塌以及碎屑流沉積。黑色頁巖中可見粉砂巖夾層，往往與頁巖有明顯的突變接觸，具槽模構造和正粒序結構（圖10（e）），底部發育的波狀層理和水平層理，到頂部發育的塊狀層理，這一沉積序列符合鮑瑪序列的C、D、E段，為濁流沉積。碎屑流沉積巖相之間突變接觸，可見高角度的侵蝕面及懸浮的泥巖撕裂屑（圖10（f））。重力滑塌一般是水下發生滑坡，沉積層內發生變形、揉皺、巖性混雜（圖10（g）），由于水體變淺以及陸源碎屑輸入使得粉砂質含量增多。底流作用的增強以及大量陸源物質稀釋有機質，再加上此時沉積環境演變為弱氧化—氧化為主［32］，不利于有機質的保存，沉積貧有機質的粉砂質頁巖。粉砂質頁巖發育平行層理、透鏡狀層理（圖10（h）），粉砂質含量較高，可見粉砂質與泥質紋層相間（圖10（i））。

5 結 論

（1）奧陶紀—志留紀轉折期發生包括火山活動、赫南特冰期、上升流事件以及生物大滅絕等多個地質事件，有著復雜的耦合關系。構造運動增強的大陸硅酸鹽風化作用和火山活動促進海洋初級生產力增加有機碳的埋藏都導致大氣CO2濃度的下降，當大氣CO2濃度到達閾值便引發赫南特冰期事件。火山噴發的硫所形成的硫酸鹽氣溶膠與冰川作用形成的冰蓋增強反射率，促進冰川作用的發展。冰川作用增大緯度溫度梯度，促進上升流的形成。冰期導致的海水降溫、水體缺氧環境的擴張以及火山噴發輸入的大量有毒重金屬是生物大滅絕事件的主要機制。

（2）晚奧陶世—早志留世有機質的富集很大程度上受地質事件的影響。火山活動輸入的火山灰以及上升流給海洋表層帶來大量營養元素，增強海洋初級生產力的繁榮，促進有機質的生產。火山灰快速吸收溶解氧、冰川作用控制的海平面升降以及有機質分解對于溶解氧的消耗都會造成海洋缺氧環境的擴張，從而有利于有機質的保存。

（3）五峰組—龍馬溪組頁巖主要是在低能條件下懸浮沉積，在五峰組受上升流影響，主要發育生物硅質頁巖以及富有機質的黏土質頁巖；頂部由于水體變淺，沉積介殼灰巖以及泥質灰巖，發育少量風暴流沉積；龍馬溪組下部海侵主要沉積生物硅質頁巖；上部由于構造運動以及陸源輸入的增加，沉積貧有機質的粉砂質頁巖，發育重力滑塌、碎屑流以及濁流。

參考文獻：

［1］ BUGGISCH W， JOACHIMSKI M， LEHNERT O， et al. Did intense volcanism trigger the first Late Ordovician icehouse？［J］. Geology， 2010，38：327-330.

［2］ YANG S， HU W， WANG X， et al. Duration， evolution， and implications of volcanic activity across the Ordovician-Silurian transition in the Lower Yangtze region， South China［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2019，518：13-25.

［3］ FINNEGAN S， BERGMANN K， EILER J M， et al. The Magnitude and Duration of Late Ordovician-Early Silurian Glaciation［J］. Science， 2011，331（6019）：903-906.

［4］ POPE M C， STEFFEN J B. Widespread， prolonged late Middle to Late Ordovician upwelling in North America： a proxy record of glaciation？［J］. Geology， 2003，31（1）：63-66.

［5］ YANG S， HU W， WANG X. Mechanism and implications of upwelling from the Late Ordovician to early Silurian in the Yangtze region， South China［J］. Chemical Geology， 2021，565：1-13.

［6］ BOND D， GRASBY S E. On the causes of mass extinctions［J］. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology， 2017，478：3-29.

［7］ HARPER D. Late ordovician extinctions［M］. Netherlands： Elsevier， 2020：1-11.

［8］ 梁超，姜在興，楊鐿婷，等.四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖巖相及儲集空間特征［J］.石油勘探與開發，2012，39（6）：691-698.

LIANG Chao， JIANG Zaixing， YANG Yiting， et al. Characteristics of shale lithofacies and reservoir space of the Wufeng-Longmaxi Formation， Sichuan Basin［J］. Petroleum Exploration and Development， 2012，39（6）：691-698.

［9］ LIANG C， JIANG Z， ZHANG C， et al. The shale characteristics and shale gas exploration prospects of the Lower Silurian Longmaxi shale， Sichuan Basin， South China［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2014，21：636-648.

［10］ LI Y， ZHANG T， ELLIS G S， et al. Depositional environment and organic matter accumulation of Upper Ordovician-Lower Silurian marine shale in the Upper Yangtze Platform， South China［J］. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology， 2017，466：252-264.

［11］ YAN D， CHEN D， WANG Q， et al. Carbon and sulfur isotopic anomalies across the Ordovician-Silurian boundary on the Yangtze Platform， South China［J］. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology， 2009，274（1/2）：32-39.

［12］ WU J， LIANG C， YANG R C， et al. The genetic relationship between paleoenvironment， mineral compositions and lithofacies in the Ordovician-Silurian Wufeng-Longmaxi sedimentary succession in the Sichuan Basin， SW China［J］. Journal of Asian Earth Sciences， 2022，236：1-16.

［13］ LU Y， HAO F， LU Y， et al. Lithofacies and depositional mechanisms of the Ordovician-Silurian Wufeng-Longmaxi organic-rich shales in the Upper Yangtze area， southern China［J］. Aapg Bulletin， 2020，104（1）：97-129.

［14］ ZHOU L， ALGEO T J， SHEN J， et al. Changes in marine productivity and redox conditions during the Late Ordovician Hirnantian glaciation［J］. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology， 2015，420：223-234.

［15］ 陸揚博.上揚子五峰組和龍馬溪組富有機質頁巖巖相定量表征及沉積過程恢復［D］.武漢：中國地質大學，2020.

LU Yangbo. Quantitative characterization of lithofacies and reconstruction of the sedimentary process for Upper Yangtze Wufeng and Longmaxi organic-rich shales［D］. Wu Han： China University of Geosciences，2020.

［16］ WU L， LU Y， JIANG S， et al. Effects of volcanic activities in Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi period on organic-rich shale in the Upper Yangtze area， South China［J］. Petroleum Exploration and Development， 2018，45（5）：862-872.

［17］ SU W， HUFF W D， ETTENSOHN F R， et al. K-bentonite， black-shale and flysch successions at the Ordovician-Silurian transition， South China： possible sedimentary responses to the accretion of Cathaysia to the Yangtze Block and its implications for the evolution of Gondwana［J］. Gondwana Research， 2009，15（1）：111-130.

［18］ KUMP L R， ARTHUR M A， PATZKOWSKY M E， et al. A weathering hypothesis for glaciation at high atmospheric pCO2 during the Late Ordovician［J］. Palaeogeography， Palaeoclimatology， Palaeoecology， 1999，152（1/2）：1-187.

［19］ JONES D S， FIKE D A. Dynamic sulfur and carbon cycling through the end-Ordovician extinction revealed by paired sulfate-pyrite δ34S［J］. Earth & Planetary Science Letters， 2013，363：144-155.

［20］ HAMMARLUND E U， DAHL T W， HARPER D A T， et al. A sulfidic driver for the end-Ordovician mass extinction［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2012，331：128-139.

［21］ TAO H， QIU Z， LU B， et al. Volcanic activities triggered the first global cooling event in the Phanerozoic［J］. Journal of Asian Earth Sciences， 2020，194：1-9.

［22］ MOULTON K L， BERNER R A. Quantification of the effect of plants on weathering： studies in Iceland［J］. Geology， 1998，26（10）：895-898.

［23］ LANGMANN B， ZAKSEK K， HORT M， et al. Volcanic ash as fertiliser for the surface ocean［J］. Atmospheric Chemistry and Physics， 2010，10（8）：3891-3899.

［24］ LI N， LI C， ALGEO T J， et al. Redox changes in the outer Yangtze Sea （South China） through the Hirnantian Glaciation and their implications for the end-Ordovician biocrisis［J］. Earth-Science Reviews， 2021，212：1-14.

［25］ LIU M， CHEN D， JIANG L， et al. Oceanic anoxia and extinction in the latest Ordovician［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2022，588：1-12.

［26］ GONG Q， WANG X， ZHAO L， et al. Mercury spikes suggest volcanic driver of the Ordovician-Silurian mass extinction［J］. Scientific Reports， 2017，7：1-7.

［27］ LIU Z， ALGEO T J， GUO X， et al. Paleo-environmental cyclicity in the Early Silurian Yangtze Sea （South China）： tectonic or glacio-eustatic control？［J］. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology， 2017，466：59-76.

［28］ LI C， ZHANG J， LI W， et al. Multiple glacio-eustatic cycles and associated environmental changes through the Hirnantian （Late Ordovician） in South China［J］. Global and Planetary Change， 2021，207：1-14.

［29］ HEMBURY D J， PALMER M R， Fones G R， et al. Uptake of dissolved oxygen during marine diagenesis of fresh volcanic material［J］. Geochimica Et Cosmochimica Acta， 2012，84：353-368.

［30］ LIU Y， LI C， ALGEO T J， et al. Global and regional controls on marine redox changes across the Ordovician-Silurian boundary in South China［J］. Palaeogeography， Palaeoclimatology， Palaeoecology， 2016，463：180-191.

［31］ ALGEO T J， ROWE H. Paleoceanographic applications of trace-metal concentration data［J］. Chemical Geology， 2012，324：6-18.

［32］ WU L， LU Y， JIANG S， et al. Relationship between the origin of organic-rich shale and geological events of the Upper Ordovician-Lower Silurian in the Upper Yangtze［J］. Marine and Petroleum Geology， 2019，102：74-85.

［33］ SCHOEPFER S D， SHEN J， WEI H， et al. Total organic carbon， organic phosphorus， and biogenic barium fluxes as proxies for paleomarine productivity［J］. Earth-Science Reviews， 2015，149：23-52.

［34］ WANG D， LIU Y， ZHANG J， et al. Controls on marine primary productivity variation and organic matter accumulation during the Late Ordovician-Early Silurian transition［J］. Marine and Petroleum Geology， 2022，142：1-15.

［35］ LIANG C， JIANG Z， CAO Y， et al. Sedimentary characteristics and paleoenvironment of shale in the Wufeng-Longmaxi Formation， North Guizhou Province， and its shale gas potential［J］. Journal of Earth Science， 2017，28（6）：1020-1031.