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

doi:10.13745/j.esf.sf.2022.5.44

Abstract

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

CLC Number:

P572
P578.2

SONG Hui, SHAO Deyong, LUO Huan, MENG Kang, ZHANG Yu, TANG Xuan, ZHANG Tongwei. 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[J]. Earth Science Frontiers, 2023, 30(3): 195-207.

Figures/Tables 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