在地质历史上，黑色页岩的形成往往伴随着特殊的地质环境演变^[1]。在560~520 Ma，埃迪卡拉纪向早寒武世过渡期发生了著名的生物大爆发事件——寒武纪生物大爆发^[2]，该事件导致早寒武世的生物种群数量及门类急剧增加，为寒武系牛蹄塘组黑色页岩的形成提供了有机质条件。与此同时，受南方大陆拉张活动的影响，中扬子地区相对海平面在早寒武世早期快速上升，使得牛蹄塘组富有机质页岩在区域上广泛发育^[3]。

近年来，国内部分学者围绕中、上扬子地区寒武系非常规油气勘探做了大量研究工作^[4-5]，发现该区发育的下寒武统黑色页岩具有分布广、沉积厚度大、有机质丰度高的特点^[6]，引起地质工作者的高度重视。如谢环羽等^[7]通过对野外露头剖面及钻井地层特征开展研究，认为CSQ1层序相当于下寒武统牛蹄塘组，形成于碎屑陆棚环境，并建立了寒武系三级层序地层格架；赵建华等^[8]明确了上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩沉积环境，认为不同环境下黑色页岩的岩性特征差异较大，同时提出热液活动在沉积过程中不仅能提高古生产力，还有助于缺氧条件的形成，进而促进有机质保存，并据此建立了筇竹寺组沉积模式；刘忠宝等^[9]通过对四川盆地下寒武统牛蹄塘组黑色页岩储层特征的研究，认为该区黑色页岩矿物组成主要为石英及黏土矿物，并分析了不同矿物对页岩储层特征的影响机制。这些研究工作主要集中在上扬子四川盆地及周缘，研究内容也主要围绕富有机质页岩的岩石学特征、沉积环境、有机质富集及古生物特征等方面，而对中扬子湘鄂西地区牛蹄塘组黑色页岩的沉积地质研究相对较少，特别是不同地区黑色岩系的沉积差异、物源及构造背景研究不足，学者们对于湘鄂西地区牛蹄塘组黑色页岩的沉积构造背景认识还存在一些争议。如尽管对于鄂西地区的下寒武统牛蹄塘组页岩，学者们普遍认为其构造背景为被动大陆边缘环境^[10]，但对于湘西地区的下寒武统牛蹄塘组页岩存在2种不同的认识，一种认为该区牛蹄塘组黑色页岩形成于被动大陆边缘环境^[11]，另一种则认为是形成于大陆岛弧环境^[12]，并提出由于整个湘鄂西地区牛蹄塘组沉积期受到华南地壳伸展作用的影响，部分区域可能发育热液活动^[13]。为了进一步明确湘鄂西不同地区牛蹄塘组黑色岩系的沉积差异，明确不同地区黑色岩系的沉积构造背景、物源特征及形成环境，在野外地质调查的基础上，选择鄂西古城村和湘西岩屋潭剖面进行对比研究，对鄂西与湘西地区的牛蹄塘组黑色页岩层系进行系统的岩石学与地球化学分析。对比2个剖面的沉积特征差异，讨论2个地区黑色岩系的沉积环境、物源与构造背景，并总结该地区黑色岩系差异沉积模式，以期为该地区早寒武世牛蹄塘组沉积充填演化及古地理研究提供参考。

湘鄂西地区东至宜昌—澧县一线，南抵张家界，西至建始—彭水一线，北达巴东兴山一带（图 1a），构造位置上处于扬子地块中部湘鄂西褶皱带^[14]。已有研究表明，湘鄂西地区自震旦纪开始处于稳定地台发育阶段^[15]，该阶段地壳活动以垂直运动为主^[16]，发生整体抬升与沉降，并伴随海侵与海退^[17]。在早寒武世早期，由于拉张裂陷作用进一步加强和地壳持续沉降，湘鄂西地区海平面快速上升^[18]，研究区的沉积背景发生了显著变化，沉积环境由北向南依次过渡为浅水陆棚—深水陆棚—深水盆地，并沉积了一套厚度大、分布广的黑色富有机质页岩^[19]，随着海平面的下降以及碳酸盐岩台地的形成，区域上开始发育大规模的碳酸盐岩沉积。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 中扬子地区早寒武世古地理图（a）（据文献[13]修改）及下寒武统岩性地层综合柱状图（b）（据文献[20]修改） Fig. 1 Paleogeographic map of Early Cambrian(a)stratigraphic column of Lower Cambrian(b) in Middle Yangtze area

湘鄂西地区下寒武统地层可划分为以发育深灰色—灰黑色泥页岩为主的牛蹄塘组（水井沱组）、以发育灰绿色云母质及砂质页岩为主的石牌组、以发育灰褐色泥质石灰岩为主的天河板组和以发育灰褐色白云岩为主的石龙洞组（牛蹄塘组在湘鄂西地区命名牛蹄塘组，在三峡地区命名水井沱组）。中扬子地区牛蹄塘组作为主要研究层位与下伏灯影组呈整合接触，其岩性特征主要发育硅质页岩，炭质页岩等暗色碎屑岩，暗色泥质页岩系常连续发育，区域分布稳定，局部夹薄层碳酸盐岩，为主要的页岩储层发育段，海平面逐渐上升（图 1b）。此次研究的2个剖面分别位于湖北省鹤峰县走马镇古城村和湖南省怀化市沅陵县岩屋潭水库大坝旁。

湘鄂西地区古城村和岩屋潭剖面下寒武统牛蹄塘组地层发育特征存在较大差异（图 2、图 3）。古城村剖面下寒武统牛蹄塘组岩性组成自下而上可划分为3段，其中牛一段主要为少量的黑色硅质页岩和厚层的泥质页岩，牛二段以泥晶灰岩为主，牛三段为深灰色泥灰岩、硅质页岩和泥质页岩，该段与下伏灯影组顶部的白云岩呈不整合接触，与上覆石牌组碎屑岩呈整合接触。岩屋潭剖面下寒武统牛蹄塘组岩性发育稳定，以厚层硅质页岩或炭质页岩为主，下部硅质板状页岩富含黄铁矿，在底部硅质板状页岩中富集镍、钴、钒等多种金属和硅磷质结核，与下伏留茶坡组上部的硅质岩夹薄层泥岩呈整合接触，与上覆杷樃组下部的粉砂质泥岩呈整合接触（图 4）。岩屋潭剖面相对较古城村剖面沉积更加稳定，下部矿物更加发育。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 湘鄂西古城村剖面下寒武统牛蹄塘组岩性地层综合柱状图 注：Ce*和Eu*为PAAS标准化数据[21]；Eu/Eu*=w（Eu）/[w（Sm）w（Gd）]1/2，Ce/Ce*=w（Ce）/[（w（La）w（Pr）]1/2[22]。 Fig. 2 Comprehensive column of lithology and stratigraphy of Lower Cambrian Niutitang Formation in Guchengcun profile, western Hunan and Hubei

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 湘鄂西岩屋潭剖面下寒武统牛蹄塘组岩性地层综合柱状图 注：Ce*和Eu*为PAAS标准化数据[21]；Eu/Eu*=w（Eu）/[w（Sm）w（Gd）]1/2，Ce/Ce*=w（Ce）/[（w（La）w（Pr）]1/2[22]。 Fig. 3 Comprehensive column of lithology and stratigraphy of Lower Cambrian Niutitang Formation in Yanwutan profile, western Hunan and Hubei

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 湘鄂西古城村和岩屋潭剖面野外照片 （a）古城村剖面灯影组与牛蹄塘组不整合面；（b）古城村剖面泥质页岩；（c）古城村剖面灰岩；（d）岩屋潭剖面留茶坡组硅质岩；（e）岩屋潭剖面，牛蹄塘组黄铁矿条带；（f）岩屋潭剖面磷质结核。 Fig. 4 Field photos of Guchengcun and Yanwutan profiles in western Hunan and Hube

镜下观察发现，古城村与岩屋潭剖面的硅质页岩均富含硅化的海绵骨针，其形态呈Y字形、椭圆形、球形或棒状（图 5a，5b），泥质页岩发育平行层理，少见海绵骨针（图 5c）；岩屋潭剖面可见石英和黏土矿物集合体定向排列及石英和黏土矿物充填的海绵骨针（图 5d，5e），可见少量黄铁矿化石（图 5f）。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 湘鄂西古城村剖面和岩屋潭剖面下寒武统牛蹄塘组黑色页岩镜下照片 （a）古城村剖面硅质页岩镜下海绵骨针呈椭圆形、球形；（b）古城村剖面硅质页岩镜下海绵骨针呈棒状；（c）古城村剖面泥质页岩镜下可见发育平行层理；（d）岩屋潭剖面石英和黏土矿物集合体定向排列；（e）岩屋潭剖面石英和黏土矿物混合充填海绵骨针；（f）岩屋潭剖面，黄铁矿化石。 Fig. 5 Micrographs of black shale of Lower Cambrian Niutitang Formation in Guchengcun and Yanwutan profiles in western Hunan and Hubei

将古城村和岩屋潭剖面牛蹄塘组10个样品磨成薄片，进行XRD（X射线衍射）测试，结果显示：古城村剖面矿物组分主要为石英和黏土矿物，石英的质量分数为26%~53%，平均值为34%，黏土矿物的质量分数为27%~52%，平均值为53%，钠长石的质量分数为9%~15%，发育极少量黄铁矿；岩屋潭剖面矿物组分主要为石英和黏土矿物，石英的质量分数为74%~96%，平均值为83%，黏土矿物的质量分数为4%~26%，平均值为13%，含少量钠长石和黄铁矿。相比较而言，古城村剖面石英矿物含量远低于岩屋潭剖面，钠长石含量明显高于岩屋潭剖面，黄铁矿含量明显小于岩屋潭剖面，黏土矿物含量远高于岩屋潭剖面。两剖面所含黏土矿物主要成分也有所不同，古城村剖面以伊利石和绿泥石为主，岩屋潭剖面则以伊利石和伊蒙混层为主（表 1）。

表 1(Table 1)

表 1 湘鄂西下寒武统牛蹄塘组页岩样品矿物组分 Table 1 Mineral composition of shale samples from Lower Cambrian Niutitang Formation in western Hunan and Hubei   % 样品 w（石英） w（钠长石） w（黄铁矿） w总（黏土） w相对（伊利石） w相对（绿泥石） w相对（蒙脱石） w相对（伊蒙混层） w相对（高岭石） 古城村-01 42 9 49 73 27 古城村-04 53 11 1 35 77 23 古城村-09 43 12 1 44 82 18 古城村-18 27 11 2 60 80 20 古城村-23 31 9 60 83 17 古城村-27 30 11 59 88 12 古城村-33 26 9 1 64 70 30 古城村-39 34 15 51 92 8 古城村-43 28 12 1 59 71 29 古城村-67 31 15 1 53 57 43 岩屋潭-24 74 26 73 27 岩屋潭-28 79 3 4 14 66 29 5 岩屋潭-29 81 4 15 84 16 岩屋潭-37 92 2 6 83 4 13 岩屋潭-40 82 1 17 65 16 19 岩屋潭-42 76 2 4 18 77 4 19 岩屋潭-49 88 2 2 8 77 20 3 岩屋潭-55 77 4 3 16 56 13 14 17 岩屋潭-61 89 3 3 5 28 47 3 22 岩屋潭-75 96 4 92 8

下载CSV 表 1 湘鄂西下寒武统牛蹄塘组页岩样品矿物组分 Table 1 Mineral composition of shale samples from Lower Cambrian Niutitang Formation in western Hunan and Hubei

研究人员根据页岩硅质矿物、黏土矿物和碳酸盐矿物含量的不同，将页岩岩相分为四大类^[23]：硅质页岩（SM）、泥质页岩（AM）、钙质页岩（CM）和混合质页岩（MM）。古城村剖面牛蹄塘组页岩在三元图（图 6）上落点于泥质页岩和硅质页岩区域，可划分为硅质页岩和泥质页岩，其中有4个位于牛蹄塘组底部的样品均为硅质页岩，其余12个样品均为泥质页岩；岩屋潭剖面牛蹄塘组页岩全部落点于硅质页岩区，14个样品全部为硅质页岩。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 湘鄂西古城村和岩屋潭剖面下寒武统牛蹄塘组页岩样品岩相分类三元图 Fig. 6 Ternary diagram of lithofacies classification of shale samples of Lower Cambrian Niutitang Formation in Guchengcun and Yanwutan profiles in western Hunan and Hubei

分别选取了古城村剖面的16个样品和岩屋潭剖面的14个样品进行主、微量及稀土元素定量分析。主量元素分析结果显示，样品的主要成分为SiO₂，Al₂O₃和Fe₂O₃，其中古城村剖面SiO₂的质量分数为57.31%~68.41%，平均值为62.24%，Al₂O₃的质量分数为13.4%~19.66%，平均值为17.66%，Fe₂O₃^T（氧化铁与氧化亚铁的总和）的质量分数为2.97%~7.08%，平均值为5.33%；岩屋潭剖面SiO₂的质量分数为64.51%~87.98%，平均值为73.79%，Al₂O₃的质量分数为2.93%~9.09%，平均值为5.99%，Fe₂O₃^T的质量分数为0.12%~8.51%，平均值为2.50%。相比较而言，古城村剖面SiO₂含量低于岩屋潭剖面，且在纵向上自上而下表现出由高到低的趋势（参见图 2），Al₂O₃含量明显高于岩屋潭剖面，Fe₂O₃^T含量高于岩屋潭剖面，其余元素中除P₂O₅外，含量均高于岩屋潭剖面。与PAAS（澳大利亚页岩标准值）相比，古城村剖面SiO₂和MgO与PAAS相当，K₂O少量富集，其余元素均不同程度亏损；岩屋潭剖面除SiO₂和P₂O₅富集以外，其余元素均不同程度亏损（图 7）。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 湘鄂西古城村和岩屋潭剖面下寒武统牛蹄塘组主量元素含量的PAAS标准化 Fig. 7 PAAS standardization of major element contents of Lower Cambrian Niutitang Formation in Guchengcun and Yanwutan profiles in western Hunan and Hubei

微量元素的分析结果显示，2个剖面的部分微量元素含量相差较大，古城村剖面V的质量分数为（120~317）×10^-6，平均值为179×10^-6，Cu的质量分数为（10~68）×10^-6，平均值为31×10^-6，Zn的质量分数为（29~179）×10^-6，平均值为65×10^-6，Co的质量分数为（1.8~9.8）×10^-6，平均值5.5×10^-6；岩屋潭剖面中V的质量分数为（253~7 518）×10^-6，平均值为2 766×10^-6，Cu的质量分数为（41~1 038）× 10^-6，平均值为234×10^-6，Zn的质量分数为（19~5 880）×10^-6，平均值为1 260×10^-6，Co的质量分数为（7.5~249.0）×10^-6，平均值为86.0×10^-6。对比可知，古城村剖面中V，Cu，Zn，Co的含量均远低于岩屋潭剖面，其余元素含量相差较小。与PAAS相比古城村剖面的U元素明显富集，Ni，Cu，Zn，Sr和Co等元素明显亏损，其余元素与PAAS元素含量相当（图 8a）；岩屋潭剖面61和67号样品的V元素轻度富集而Cr明显亏损，岩屋潭剖面的71和75号样品的Ni和Zn元素明显亏损，71号样品的Pb元素明显亏损，其余样品的Th，Sr和Hf元素明显亏损，其他微量元素明显富集（图 8b）。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 湘鄂西古城村剖面（a）和岩屋潭剖面（b）下寒武统牛蹄塘组微量元素PAAS标准化 Fig. 8 PAAS standardization of trace elements of Lower Cambrian Niutitang Formation in Guchengcun profile(a) and Yanwutan profile(b)in western Hunan and Hubei

稀土元素的分析结果显示，古城村剖面的∑REE质量分数为（133.73~250.76）×10^-6，平均值为206.18× 10^-6，∑LREE/∑HREE为7.64~12.27，平均值10.4（参见图 2）；岩屋潭剖面∑REE质量分数为（39.16~112.97）×10^-6，平均值为86.90×10^-6，∑LREE/∑HREE为2.35~5.86，平均值4.19（参见图 3）。相比较而言，古城村剖面稀土元素相对于岩屋潭剖面更加富集，且古城村剖面轻稀土更加富集，岩屋潭剖面重稀土更加富集。经PAAS标准化后，古城村剖面的Eu/Eu^*为0.90~1.01，平均值为0.95，无Eu异常，Ce/Ce^*为0.89~0.96，平均值为0.93，无Ce异常，具轻微右倾特征（图 9a）；岩屋潭剖面Eu/Eu^*为1.28~5.15，平均值为1.92，具Eu正异常，Ce/Ce^*为0.54~0.75，平均值为0.65），具Ce负异常，具左倾特征（图 9b）。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 湘鄂西古城村剖面（a）和岩屋潭剖面（b）下寒武统牛蹄塘组稀土元素含量的PAAS标准化 Fig. 9 PAAS standardization of rare earth elements of Lower Cambrian Niutitang Formation in Guchengcun profile(a)and Yanwutan profile(b)in western Hunan and Hubei

沉积水体氧化还原环境是控制页岩有机质富集的最主要因素^[24]，对岩石沉积及矿物特征也具有重要影响。沉积环境的变化影响着各种元素在水体中的循环、分异和富集，环境的变化在沉积岩中会留下丰富的地球化学记录^[25]。在缺氧-硫化条件下Mo⁶⁺被还原为Mo⁴⁺，形成可反应的MoS_x，其可吸附或进入氢氧化物内沉淀下来^[26]；U⁶⁺可能因酶催化还原为不可溶的U⁴⁺，并在Fe离子还原界面上自身富集^[27]。因而，Mo和U不同程度的富集也是指示氧化还原环境的重要指标。从Mo_EF-U_EF图解（图 10）可见，位于古城村剖面底部的硅质页岩处于弱还原-缺氧的环境中，上部的泥质页岩基本上处于弱氧化-弱还原环境中，仅有1个位于牛三段的古城村67号样品处于缺氧的环境中，表明古城村剖面的氧化还原环境整体上处于弱还原-弱氧化环境。Mo_EF与U_EF的富集程度在纵向上的变化显示水体从早期到晚期逐渐下降，且此过程中海平面波动频繁的特点，与湘鄂西地区早寒武世牛蹄塘组沉积水体逐渐变浅的观点^[28]吻合。岩屋潭剖面硅质页岩全部处于还原环境中，反映了其沉积环境水体一直较深。位于岩屋潭剖面上部的岩屋潭67，71和75号样品的U元素富集更为明显，反映了岩屋潭剖面在沉积后期水体局限性加大，滞留性增强，大洋Mo源供给不足。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 MoEF-UEF氧化还原环境判别图解（据文献[29]修改） Fig. 10 Discrimination diagram of MOEF-UEF oxidation and reduction environment

古城村和岩屋潭剖面稀土元素特征显示，古城村剖面表现为轻稀土富集，高∑REE值，PAAS标准化后显示无数据异常；岩屋潭剖面表现为重稀土富集，低∑REE值，Eu正异常，Ce负异常。以往的研究认为正常海水沉积稀土分配模式无异常，呈平坦型，而在热液活动的作用下，会导致重稀土富集，低∑REE，Eu正异常，Ce负异常^[30]。同时受罗迪尼亚泛大陆裂解的影响，中扬子地区在强烈的拉张背景下^[31]，震旦纪—寒武纪之交地壳伸展减薄阶段发育深大断裂，过渡带断裂最为发育且热液活动频繁，形成以慈利—保靖断裂带为代表的北东向深大断裂^[32]。刘安等^[33]、祝庆敏等^[34]认为湘西沅陵一带寒武系牛蹄塘组页岩具明显热液活动特征。据此，可以推断岩屋潭剖面牛蹄塘组页岩受到了热液沉积作用的影响。

从研究区牛蹄塘组岩性组成特征分析，中扬子地区岩性剖面发育页岩，泥岩，泥灰岩和灰岩，具有混积特征。根据岩石主量元素、微量元素和稀土元素含量可以进一步判断岩石源岩类型。以往研究认为，SiO₂/Al₂O₃ ≤ 3.6时，表明其物源主要为陆源，反之则表明沉积物有生物或热水作用的补充^[35]。古城村剖面的SiO₂/Al₂O₃为3.1~4.9，平均值为3.5，而岩屋潭剖面具更高的SiO₂/Al₂O₃值，为7.2~30.0，平均值为12.0，说明古城村剖面物源主要为陆源，岩屋潭剖面物源有生物或热水沉积物的参与。Roser等^[36]根据岩石中稳定和易迁移主量元素的含量构建了双变量判别图，用于分析物源构成特征。在双变量判别图上（图 11a），古城村剖面样品大部分落于长英质火成岩区和石英质沉积岩区，少量样品落于中性火成岩区；岩屋潭剖面样品几乎全部落于石英质沉积岩区，仅1个样品落于镁铁质火成岩区。据此可知古城村剖面的母岩主要为长英质火成岩和石英质沉积岩，岩屋潭剖面的母岩主要为石英质沉积岩，还受到深部镁铁质物源的影响。

图 11

Fig. 11

下载原图 图 11 湘鄂西下寒武统牛蹄塘组页岩源岩参数特征（据文献[36-39]修改） Fig. 11 Parameter characteristics of shale source rocks of Lower Cambrian Niutitang Formation in western Hunan and Hubei

由于Co，Th和La等微量元素在风化、运输和成岩过程中较为稳定，学者们建立了La/Sc-Co/Th和La/Th-w（Hf）判别图解用于源岩分析^[40]。La/ScCo/Th图解投点越偏向右下方其物源性质越偏向稳定构造型物源，成熟度越高；La/Th-Hf图解投点越靠右表明其物源来源越偏向被动大陆边缘物源，成熟度也越高。在La/Sc-Co/Th图解^[41]中，古城村剖面牛蹄塘组页岩样品主要位于长英质火成岩附近，岩屋潭剖面页岩样品在花岗闪长岩、安山岩和玄武岩附近（图 11b）；在La/Th-Hf图解^[42]中，古城村剖面页岩样品全部位于长英质物源区，岩屋潭剖面样品投点于安山质岛弧和混合长英质/基性物源区附近（图 11c）。该结果表明，长英质岩是古城村剖面页岩主要的母岩来源，岩屋潭剖面页岩源岩则以混合的长英质/基性岩石为主。古城村剖面投点位置和岩屋潭剖面相比明显更向右下偏移，反映了古城村剖面母岩成熟度要高于岩屋潭剖面，也就是说岩屋潭剖面的物源相对于古城村剖面来说更加年轻，处于地质活动更加频繁的环境^[43]，显示岩屋潭剖面所在位置可能受到了热液活动的影响。最后引入稀土元素La/Yb-∑REE图解^[44]进行分析，发现古城村剖面页岩样品全部落入花岗岩、沉积岩和碱性玄武岩交会区域，岩屋潭剖面页岩样品落于沉积岩和大陆拉斑玄武岩区域（图 11d），表明古城村剖面物源以花岗岩、沉积岩和碱性玄武岩为主，岩屋潭剖面物源以沉积岩和大陆拉斑玄武岩为主，印证了主量元素图解中母岩可能受到镁铁质深部物源影响。

综上所述，古城村剖面牛蹄塘组黑色页岩的源岩主要为上地壳的陆源碎屑岩和长英质火成岩；岩屋潭剖面牛蹄塘组黑色页岩源岩较为复杂，为石英质沉积岩、长英质火成岩和大陆拉斑玄武岩，具混合成因。结合早寒武世湘鄂西地区海平面快速上升的情况及古构造、古地理背景^[45]，可以推测这2个剖面的陆源来源一致，岩屋潭剖面相对古城村剖面来说距陆源更远，同时其受到了热液活动的影响，地化上表现出更加活跃的特点。

通过比较沉积物地球化学特征与已确定构造环境的地球化学特征，可以明确岩石的构造背景^[46]。因此，可利用岩石地化特征及比率判别图，对研究区牛蹄塘组页岩构造背景进行分析讨论。Bhatia等^[47]将岩石构造背景分为4种类型：活动大陆边缘（ACM）、被动大陆边缘（PM）、大洋岛弧（OIA）和大陆岛弧（CIA）。Bhatia^[48]和Richard^[49]先后提出了主量元素SiO₂-K₂O/Na₂O和Al₂O₃/（Al₂O₃+Fe₂O₃）-Fe₂O₃/TiO₂判别图解用于区分构造背景。一般来说，沉积物的K₂O/Na₂O值和SiO₂含量在大洋岛弧—大陆岛弧—活动大陆边缘—被动大陆边缘的构造背景下同步递增。在SiO₂-K₂O/Na₂O图上，古城村剖面牛蹄塘组样品大部分落点在被动大陆边缘区域，少数样品落点在活动大陆边缘区域；岩屋潭剖面牛蹄塘组样品全部落点于被动大陆边缘区域（图 12a）。主量元素SiO₂，Al₂O₃，Fe₂O₃和TiO₂含量相对稳定，且在成岩作用晚期不受影响，故也是用于判断沉积物构造背景的可行手段^[50]。在Al₂O₃/（Al₂O₃+Fe₂O₃）-Fe₂O₃/TiO₂图上，古城村和岩屋潭剖面样品均落于大陆边缘区域，岩屋潭剖面部分页岩样品具有远洋特征（图 12b），表明该区可能受到了上升洋流的影响。为了进一步明确各剖面构造背景差异，对比分析了古城村与岩屋潭剖面牛蹄塘组黑色页岩稀土元素组成特征（表 2）。结果显示：古城村剖面页岩样品各属性均值与被动大陆边缘参数接近；岩屋潭剖面页岩样品均值位于大陆岛弧和大洋岛弧之间。

图 12

Fig. 12

下载原图 图 12 湘鄂西下寒武统牛蹄塘组页岩主量元素含量交会图 Fig. 12 Crossplots of major element contents of shale of Lower Cambrian Niutitang Formation in western Hunan and Hubei

表 2(Table 2)

表 2 湘鄂西下寒武统牛蹄塘组页岩样品各属性均值与不同构造背景沉积盆地∑REE特征对比 Table 2 Comparison of ΣREE characteristics between attribute mean values of shale samples of Lower Cambrian Niutitang Formation in western Hunan and Hubei and sedimentary basins with different tectonic backgrounds 构造背景 源区类型 w（La）/10-6 w（Ce）/10-6 ∑REE/10-6 La/Yb LREE/HREE δEu 大洋岛弧 未切割的岩浆弧 8.00±1.70 19.00±3.70 58.00±10.00 4.20±1.30 3.80±0.90 1.04±0.11 大陆岛弧 切割的岩浆弧 27.00 59.00±8.20 146.00±20.00 11.00±3.60 7.70±1.70 0.79±0.13 活动大陆边缘 抬升基底 37.00 78.00 186.00 12.50 9.10 0.60 被动大陆边缘 克拉通内构造高地 39.00 85.00 210.00 15.90 8.50 0.56 古城村剖面样品 46.19 86.85 206.18 16.27 10.40 0.60 岩屋潭剖面样品 18.85 24.80 86.90 6.21 4.19 1.75

下载CSV 表 2 湘鄂西下寒武统牛蹄塘组页岩样品各属性均值与不同构造背景沉积盆地∑REE特征对比 Table 2 Comparison of ΣREE characteristics between attribute mean values of shale samples of Lower Cambrian Niutitang Formation in western Hunan and Hubei and sedimentary basins with different tectonic backgrounds

由此可见，古城村剖面牛蹄塘组页岩的地化参数主要表现出被动大陆边缘的特点，其构造背景为被动大陆边缘，这与刘早学等^[51]在该区的研究结论一致。岩屋潭剖面的地化特征则表现出被动大陆边缘，大陆岛弧和大洋岛弧的性质，需要结合其他学者对湘鄂西下寒武统牛蹄塘期古地理及大地构造的认识进行进一步判断其构造背景。从古地理位置上看岩屋潭剖面与古城村剖面相距较近（参见图 1a），从构造演化背景上看中扬子地块处于稳定台地发育阶段，早寒武纪晚期整个湘鄂西地区重新形成统一的台地^[52]，两剖面均受到大规模构造运动的影响，因此岩屋潭剖面的构造背景为被动大陆边缘构造背景，造成其稀土元素地化特征表现出大陆岛弧和大洋岛弧性质是因为岩屋潭剖面页岩受到热液及上升洋流的共同作用。

通过对鄂西古城村和湘西岩屋潭剖面牛蹄塘组页岩进行物源、构造背景及沉积环境分析，可以发现尽管鄂西古城村与湘西岩屋潭剖面在早寒武纪均属于被动大陆边缘环境，但2个地区牛蹄塘组黑色岩系沉积特征存在明显差异，表明两地的沉积环境及构造背景应有所不同。已有研究表明，早寒武世湘鄂西地区由北东向南西依次发育碳酸盐岩台地、浅水陆棚、深水陆棚、斜坡、深水盆地沉积环境^[53]。位于鄂西鹤峰古城村的牛蹄塘组黑色岩系以黑色炭质页岩和灰岩为主，且有机质与硅质含量均较低，表明黑色岩系沉积水体相对较浅，受海平面波动影响明显，处于陆棚环境；位于湘西的牛蹄塘组黑色岩系不仅厚度大，有机质含量高，且由于靠近慈利—保靖深大断裂^[54]，热液硅来源异常丰富，硅质含量远高于古城村剖面，结合段太忠等^[55]对斜坡带位置的划分（沅陵—张家界地区属于盆地斜坡区，且发育慈利—保靖深大断裂的特征），认为岩屋潭剖面处于大陆坡环境。为了明确2个地区黑色岩系特征的差异及形成机制，基于上述分析，结合沉积环境及构造背景建立了湘鄂西地区寒武系牛蹄塘组黑色岩系沉积模式（图 13）。

图 13

Fig. 13

下载原图 图 13 湘鄂西下寒武统牛蹄塘组沉积模式 Fig. 13 Sedimentary model of Lower Cambrian Niutitang Formation in western Hunan and Hubei

寒武纪早期，受全球海平面上升的影响，华南地区相对海平面快速上升，整个扬子地区以发育黑色页岩为主，在湘鄂西地区表现为大套厚层黑色富有机质页岩直接覆盖在灯影组白云岩或留茶坡组硅质岩之上。由于古城村剖面位于陆棚区，岩屋潭剖面位于盆地边缘斜坡区，导致两地沉积序列及沉积环境有所差异。古城村剖面所在位置水体相对较浅，以弱还原环境为主，沉积物以炭质页岩为主；位于斜坡区的岩屋潭剖面沉积水体显著加深，以还原—缺氧环境为主，同时受到热液活动影响，导致该剖面黑色页岩以硅质富有机质页岩为主，硅质含量明显增加且在底部富集了多种矿物及磷质结核^[56]（图 13a）。牛蹄塘组沉积中后期，随着区域海平面波动式下降，古城村剖面沉积水体逐渐变浅，沉积物以中、薄层灰岩和灰色泥页岩为主，泥页岩中有机质含量明显降低。由于岩屋潭剖面位于斜坡区，早期的海平面下降对沉积环境影响并不明显，沉积水体仍然较深且以还原环境为主，热液活动也持续存在，使得该剖面持续接受硅质页岩和炭质页岩沉积，但随着相对海平面的持续下降，沉积环境过渡为弱氧化—弱还原环境，机质富集程度也逐渐减弱，沉积物也由黑色页岩转变为灰色泥页岩和灰岩（图 13b）。

（1）湘鄂西地区下寒武统牛蹄塘组黑色岩系沉积空间上差异明显，古城村剖面主要发育泥质页岩，底部发育少量硅质页岩；岩屋潭剖面牛蹄塘组发育硅质页岩，下部富含黄铁矿，底部有镍、钴、钒等多种金属和磷质结核富集，且岩屋潭剖面页岩石英含量要远高于古城村剖面，黄铁矿也更加富集。

（2）鄂西古城村与湘西岩屋潭剖面牛蹄塘组黑色岩系沉积环境、物源和构造背景存在差异。古城村剖面处于被动大陆边缘大陆架上的弱还原—弱氧化环境，陆源源岩主要为长英质火成岩和石英质沉积岩；岩屋潭剖面处于被动大陆边缘大陆坡上的还原环境，陆源物质和热液活动共同为黑色页岩的形成奠定了物质基础。

（3）湘鄂西地区牛蹄塘组黑色岩系沉积发育受到构造活动、海平面升降及热液活动的共同控制。长期的高海平面、还原环境及显著的热液活动影响是导致岩屋潭剖面黑色岩系厚度大、有机质富集及石英含量高的主要原因。