鄂西宜昌地区下寒武统水井沱组草莓状黄铁矿SEM图像特征及古环境指示意义:以鄂阳页1井为例

doi:10.13745/j.esf.sf.2022.5.44

地学前缘 ›› 2023, Vol. 30 ›› Issue (3): 195-207.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.44

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鄂西宜昌地区下寒武统水井沱组草莓状黄铁矿SEM图像特征及古环境指示意义:以鄂阳页1井为例

宋辉¹(), 邵德勇¹, 罗欢², 孟康¹, 张瑜¹, 唐玄³, 张同伟⁴^,^*()

1.西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室, 陕西西安 710069
2.兰州大学地质科学与矿产资源学院, 甘肃兰州 730000
3.中国地质大学(北京) 能源学院, 北京 100083
4.Bureau of Economic Geology, The University of Texas at Austin, Austin TX 78713, USA

收稿日期:2022-03-10 修回日期:2022-04-29 出版日期:2023-05-25 发布日期:2023-04-27
通讯作者: *张同伟(1965—),男,教授,博士生导师,主要从事石油、天然气地质地球化学及成藏地球化学研究工作。E-mail: tongwei.zhang@beg.utexas.edu
作者简介:宋辉(1999—),女,硕士研究生,地球化学专业。E-mail: 1748286413@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金重点项目“中国南方寒武系页岩有机质、流体和孔隙演化耦合机制研究”(41730421)

SEM image characteristics and paleoenvironmental significance of framboidal pyrite from the Lower Cambrian Shuijingtuo Formation in Yichang area, western Hubei Province, southern China: A case study of well EYY1

SONG Hui¹(), SHAO Deyong¹, LUO Huan², MENG Kang¹, ZHANG Yu¹, TANG Xuan³, ZHANG Tongwei⁴^,^*()

1. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069, China
2. School of Earth Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
3. School of Energy Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
4. Bureau of Economic Geology, The University of Texas at Austin, Austin TX 78713, USA

Received:2022-03-10 Revised:2022-04-29 Online:2023-05-25 Published:2023-04-27

摘要/Abstract

摘要：

草莓状黄铁矿在页岩中广泛分布,其形态特征及粒径大小等可作为指示氧化还原状态的环境指标。本文以鄂西宜昌地区鄂阳页1井水井沱组富有机质层段及岩家河组样品为研究对象,利用氩离子抛光-场发射扫描电镜技术,结合图像处理软件ImageJ,快速获取SEM图像中草莓状黄铁矿相关参数,并探讨其环境指示意义。结果表明,鄂阳页1井下寒武统剖面样品中黄铁矿赋存形式多样,包括草莓状黄铁矿集合体、团块状黄铁矿、黄铁矿自形晶及有机质中星点状分散的黄铁矿等。其中,草莓状黄铁矿作为最主要的赋存形式,其粒径(D)、微晶粒径(d)、D/d值以及微晶晶型等相关参数在垂向上呈现明显变化。岩家河组草莓状黄铁矿微晶晶型以八面体为主,水井沱组富有机质层段底部以五角十二面体及近球形为主,中部以八面体、立方体为主,上部以立方体、四面体为主,自下而上微晶圆度呈逐渐减小趋势,反映了还原性减弱的过程。水井沱组富有机质页岩中草莓状黄铁矿平均粒径为4.43 μm,中下部偏大,上部粒径偏小。草莓状黄铁矿微晶平均粒径为0.338 μm,剖面上自下而上呈现由大到小的变化趋势。D/d值在岩家河组样品中偏小,在水井沱组富有机质层段下部最大,上部逐渐减小。综合相关参数在剖面上的变化,在岩家河组与水井沱组底部环境突变的位置,草莓状黄铁矿更多反映突变前的环境状态,水井沱组富有机质层段上部偏氧化状态下草莓状黄铁矿粒径偏小,可能当时氧化还原界面仍位于水体中,且指示物源供给中含铁矿物丰度减小。

关键词: 草莓状黄铁矿, SEM图像, 氧化还原环境, 水井沱组, 宜昌地区

Abstract:

Framboidal pyrite occurs widely in shales of all ages and its morphological and grain size characteristics can be used as a redox indicator in environmental research. In this study, micromorphology of pyrites in shale samples from the Lower Cambrian Shuijingtuo and Yanjiahe Formations in well EYY1, Yangtze area, was investigated in detail using Ar ion milling and scanning electron micrography (SEM) techniques, where relevant parameters for framboidal pyrite indicative of paleoenvironments were obtained through statistical analysis using image processing software (ImageJ). The results show that various types of pyrites including framboidal, lumpy, euhedral and anhedral pyrites are developed in EYY1. Among them, framboidal pyrite, as the most predominant type, shows obvious changes in gain size (D), microcrystalline grain shape and size (d) and D/d ratio in the vertical direction. The grain shape of microcrystalline framboidal pyrite in the Yanjiahe Formation is mainly octahedral; while in the Shuijingtuo Formation it is mainly dodecahedral or near-spherical in the lower part, octahedral or cubic in the middle part, and cubic or tetrahedral in the upper part, with decreasing microcrystalline grain roundness upward from the bottom part, indicating weaker reducing conditions in the same trend. The average grain sizes of framboidal pyrite in organic-rich shales and microcrystalline framboidal pyrite in the EYY1 core section are 4.43 and 0.338 μm, respectively, and gradually decrease from bottom to top, which is opposite to the upward reduction-to-oxidation trend revealed by geochemical parameters. The D/d ratio for framboidal pyrite is relatively small in the Yanjiahe Formation and largest at the bottom of the Shuijingtuo Formation then gradually decreases upward. These results suggest that framboidal pyrite developed at the boundary between the Shuijingtuo and Yanjiahe Formations may reflect the redox condition prior to the stratigraphical change. The small grain size of framboidal pyrite in the upper Shuijingtuo Formation may suggest an aqueous redox interface and reduced abundance of iron-bearing minerals in the source supply.

Key words: framboidal pyrite, SEM images, oxidation-reduction environments, Shuijingtuo Formation, Yichang area

中图分类号:

P572
P578.2

宋辉, 邵德勇, 罗欢, 孟康, 张瑜, 唐玄, 张同伟. 鄂西宜昌地区下寒武统水井沱组草莓状黄铁矿SEM图像特征及古环境指示意义:以鄂阳页1井为例[J]. 地学前缘, 2023, 30(3): 195-207.

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图/表 8

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序号	样品号	岩性	井深 /m	w_B/%			U/Th_wt	草莓状黄铁矿							圆度		D/d
序号	样品号	岩性	井深 /m	TOC	TS	Al	U/Th_wt	n	平均粒径D/μm		n		平均粒径d/μm		圆度		D/d
层4 (n=3) 水井沱组上部
1	EYY1-80	黑色页岩	2 972.10	2.35	2.03	7.24	0.81	7	4.79(0.40~11.06)	150		0.09(0.04~0.17)		0.85		8.53
2	EYY1-88	灰岩	2 978.94	1.34	1.25	4.21	0.61	11	3.29(2.01~5.31)	661		0.32(0.12~0.69)		0.79		10.64
3	EYY1-98	钙质页岩	2 987.00	1.94	1.59	5.31	1.05	23	3.70(2.25~4.49)	63		0.43(0.20~1.25)		0.79		7.66
层3 (n=3) 水井沱组中部
4	EYY1-114	黑色页岩	2 998.60	2.09	10.70	5.99	1.02	11	3.86(2.12~7.75)	78		0.37(0.17~0.62)		0.75		8.19
5	EYY1-124A	黑色页岩	3 004.85	3.08	1.97	4.26	2.91	7	3.16(2.34~4.63)	213		0.38(0.24~0.88)		0.78		8.40
6	EYY1-134	黑色页岩	3 010.96	4.51	7.72	4.26	4.58	4	4.59(3.25~5.24)	322		0.36(0.16~0.62)		0.70		15.38
层2 (n=9) 水井沱组下部
7	EYY1-2	黑色页岩	3 023.58	5.26	3.51	4.80	6.79	8	4.74(2.96~7.21)	160		0.49(0.28~0.63)		0.78		11.18
8	EYY1-25	黑色页岩	3 031.12	5.10	3.76	5.28	4.98	15	4.65(2.82~7.45)	453		0.36(0.17~0.67)		0.82		12.24
9	EYY1-40	黑色页岩	3 034.75	4.37	4.45	4.82	5.24	3	6.39(5.22~8.11)	356		0.37(0.08~0.69)		0.79		14.59
10	EYY1-53	黑色页岩	3 039.30	4.79	3.21	4.69	6.55	11	3.85(2.91~6.33)	211		0.45(0.25~0.90)		0.79		16.32
11	EYY1-59	灰岩	3 041.40	2.75	1.31	2.53	30.95	9	6.53(3.81~10.96)	295		0.36(0.10~0.69)		0.79		9.32
12	EYY1-64	黑色页岩	3 042.88	5.76	1.82	3.24	8.82	6	4.04(1.74~5.98)	—		—		—		—
13	EYY1-70	黑色页岩	3 044.70	3.87	2.04	4.64	3.87	8	2.74(1.34~4.16)	16		0.21(0.14~0.28)		0.86		11.02
14	EYY1-166	黑色页岩	3 051.80	7.95	4.78	4.36	9.06	25	4.12(2.27~7.86)	504		0.22(0.09~0.45)		0.84		12.70
15	EYY1-171	灰岩	3 054.70	2.56	1.40	1.52	8.66	3	6.03(4.57~7.50)	142		0.35(0.18~1.09)		0.78		14.87
层1 (n=4) 岩家河组
16	EYY1-176	钙质页岩	3 058.47	1.19	4.37	6.36	0.44	6	4.73(2.80~7.02)	—		—		—		—
17	EYY1-178	钙质页岩	3 059.70	1.12	4.83	4.83	0.32	13	5.14(3.21~7.19)	47		0.63(0.44~0.93)		0.73		7.75
18	EYY1-182	灰岩	3 063.00	2.76	1.82	2.84	0.84	6	2.30(1.12~3.70)	30		0.43(0.24~0.61)		0.81		7.09
19	EYY1-186	灰岩	3 066.47	3.64	1.93	2.64	0.50	5	5.59(2.98~9.55)	20		0.57(0.35~0.73)		0.84		4.79

序号	样品号	岩性	井深 /m	w_B/%			U/Th_wt	草莓状黄铁矿							圆度		D/d
序号	样品号	岩性	井深 /m	TOC	TS	Al	U/Th_wt	n	平均粒径D/μm		n		平均粒径d/μm		圆度		D/d
层4 (n=3) 水井沱组上部
1	EYY1-80	黑色页岩	2 972.10	2.35	2.03	7.24	0.81	7	4.79(0.40~11.06)	150		0.09(0.04~0.17)		0.85		8.53
2	EYY1-88	灰岩	2 978.94	1.34	1.25	4.21	0.61	11	3.29(2.01~5.31)	661		0.32(0.12~0.69)		0.79		10.64
3	EYY1-98	钙质页岩	2 987.00	1.94	1.59	5.31	1.05	23	3.70(2.25~4.49)	63		0.43(0.20~1.25)		0.79		7.66
层3 (n=3) 水井沱组中部
4	EYY1-114	黑色页岩	2 998.60	2.09	10.70	5.99	1.02	11	3.86(2.12~7.75)	78		0.37(0.17~0.62)		0.75		8.19
5	EYY1-124A	黑色页岩	3 004.85	3.08	1.97	4.26	2.91	7	3.16(2.34~4.63)	213		0.38(0.24~0.88)		0.78		8.40
6	EYY1-134	黑色页岩	3 010.96	4.51	7.72	4.26	4.58	4	4.59(3.25~5.24)	322		0.36(0.16~0.62)		0.70		15.38
层2 (n=9) 水井沱组下部
7	EYY1-2	黑色页岩	3 023.58	5.26	3.51	4.80	6.79	8	4.74(2.96~7.21)	160		0.49(0.28~0.63)		0.78		11.18
8	EYY1-25	黑色页岩	3 031.12	5.10	3.76	5.28	4.98	15	4.65(2.82~7.45)	453		0.36(0.17~0.67)		0.82		12.24
9	EYY1-40	黑色页岩	3 034.75	4.37	4.45	4.82	5.24	3	6.39(5.22~8.11)	356		0.37(0.08~0.69)		0.79		14.59
10	EYY1-53	黑色页岩	3 039.30	4.79	3.21	4.69	6.55	11	3.85(2.91~6.33)	211		0.45(0.25~0.90)		0.79		16.32
11	EYY1-59	灰岩	3 041.40	2.75	1.31	2.53	30.95	9	6.53(3.81~10.96)	295		0.36(0.10~0.69)		0.79		9.32
12	EYY1-64	黑色页岩	3 042.88	5.76	1.82	3.24	8.82	6	4.04(1.74~5.98)	—		—		—		—
13	EYY1-70	黑色页岩	3 044.70	3.87	2.04	4.64	3.87	8	2.74(1.34~4.16)	16		0.21(0.14~0.28)		0.86		11.02
14	EYY1-166	黑色页岩	3 051.80	7.95	4.78	4.36	9.06	25	4.12(2.27~7.86)	504		0.22(0.09~0.45)		0.84		12.70
15	EYY1-171	灰岩	3 054.70	2.56	1.40	1.52	8.66	3	6.03(4.57~7.50)	142		0.35(0.18~1.09)		0.78		14.87
层1 (n=4) 岩家河组
16	EYY1-176	钙质页岩	3 058.47	1.19	4.37	6.36	0.44	6	4.73(2.80~7.02)	—		—		—		—
17	EYY1-178	钙质页岩	3 059.70	1.12	4.83	4.83	0.32	13	5.14(3.21~7.19)	47		0.63(0.44~0.93)		0.73		7.75
18	EYY1-182	灰岩	3 063.00	2.76	1.82	2.84	0.84	6	2.30(1.12~3.70)	30		0.43(0.24~0.61)		0.81		7.09
19	EYY1-186	灰岩	3 066.47	3.64	1.93	2.64	0.50	5	5.59(2.98~9.55)	20		0.57(0.35~0.73)		0.84		4.79

层段	沉积环境	黄铁矿形态变化	草莓状黄铁矿重结晶程度	微晶晶型及圆度	草莓状黄铁矿粒径	D/d	氧化还原界面位置
水井沱组富有机质层段上部(层3、4)	贫氧环境	出现草莓状黄铁矿集合体及较多黄铁矿自形晶	大部分较低,个别样品中高	出现四面体,后期多立方体,圆度逐渐增大	逐渐降低(2~4 μm) 顶部粒径有较大值(11.06 μm)	8~15降低至8左右	水体中,后期至沉积物中
水井沱组富有机质层段下部(层2)	缺氧环境	几乎包含所有赋存形态	高	八面体及立方体为主,圆度逐渐降低	基本保持在3~6 μm之间	9~16先降低再升高	水体中
岩家河组与水井沱组交界处	氧化环境向缺氧环境过渡	以草莓状黄铁矿及条带状黄铁矿集合体为主,重结晶现象减弱	高	五角十二面体及近球形为主,圆度增大	偏大(4~6 μm)	突增至15左右	沉积物中,向水体中移动
岩家河组 (层1)	氧化环境	以团块状黄铁矿为主,草莓状黄铁矿多发育重结晶	最高	八面体为主,圆度中等	变化范围较宽(3~10 μm)	5~8有增大趋势	沉积物中

层段	沉积环境	黄铁矿形态变化	草莓状黄铁矿重结晶程度	微晶晶型及圆度	草莓状黄铁矿粒径	D/d	氧化还原界面位置
水井沱组富有机质层段上部(层3、4)	贫氧环境	出现草莓状黄铁矿集合体及较多黄铁矿自形晶	大部分较低,个别样品中高	出现四面体,后期多立方体,圆度逐渐增大	逐渐降低(2~4 μm) 顶部粒径有较大值(11.06 μm)	8~15降低至8左右	水体中,后期至沉积物中
水井沱组富有机质层段下部(层2)	缺氧环境	几乎包含所有赋存形态	高	八面体及立方体为主,圆度逐渐降低	基本保持在3~6 μm之间	9~16先降低再升高	水体中
岩家河组与水井沱组交界处	氧化环境向缺氧环境过渡	以草莓状黄铁矿及条带状黄铁矿集合体为主,重结晶现象减弱	高	五角十二面体及近球形为主,圆度增大	偏大(4~6 μm)	突增至15左右	沉积物中,向水体中移动
岩家河组 (层1)	氧化环境	以团块状黄铁矿为主,草莓状黄铁矿多发育重结晶	最高	八面体为主,圆度中等	变化范围较宽(3~10 μm)	5~8有增大趋势	沉积物中

鄂西宜昌地区下寒武统水井沱组草莓状黄铁矿SEM图像特征及古环境指示意义:以鄂阳页1井为例

SEM image characteristics and paleoenvironmental significance of framboidal pyrite from the Lower Cambrian Shuijingtuo Formation in Yichang area, western Hubei Province, southern China: A case study of well EYY1

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[1]	张六六, 陈更新, 乐幸福, 张瑜, 邵德勇, 闫建萍, 孟康, 张同伟. 宜昌地区寒武系页岩层段吸水特征、孔隙结构差异性及对页岩储层评价的意义[J]. 地学前缘, 2023, 30(3): 138-150.
[2]	孟康, 邵德勇, 张六六, 李立武, 张瑜, 罗欢, 宋辉, 张同伟. 鄂西宜昌地区寒武系水井沱组页岩破碎气地球化学特征及其对页岩含气性的指示意义[J]. 地学前缘, 2023, 30(3): 14-27.
[3]	潘晓强, 华洪, 代乔坤, 骆劲舟, 刘紫薇. 宜昌地区寒武系水井沱组(第二统第三阶)生物组合面貌及其地层分布[J]. 地学前缘, 2023, 30(3): 28-43.
[4]	罗欢, 邵德勇, 孟康, 张瑜, 宋辉, 闫建萍, 张同伟. 鄂西宜昌地区寒武系页岩过剩钡成因及其对有机质富集的指示[J]. 地学前缘, 2023, 30(3): 66-82.
[5]	张瑜, 黄德将, 张六六, 万传辉, 罗欢, 邵德勇, 孟康, 闫建萍, 张同伟. 鄂西宜昌地区寒武系水井沱组页岩生物成因硅特征及其对页岩气富集的影响[J]. 地学前缘, 2023, 30(3): 83-100.