巢湖二疊系棲霞組巖石學(xué)特征與沉積環(huán)境分析

張 彬

(中國礦業(yè)大學(xué))

1 概況

下?lián)P子地區(qū)二疊系棲霞組以其富含有機(jī)質(zhì)、分布穩(wěn)定、產(chǎn)特殊礦物(天青石、海泡石)及異常的地球化學(xué)特征而聞名于世。長期以來,巢湖地區(qū)一直是人們研究下?lián)P子區(qū)棲霞組地層、沉積相和沉積環(huán)境的首選地區(qū)之一。近些年來，人們對棲霞組進(jìn)行了較為深入的研究，對下?lián)P子地區(qū)二疊系棲霞組的沉積相和沉積環(huán)境的結(jié)論幾乎一致。研究者大都認(rèn)為棲霞組為正常淺海的碳酸鹽巖臺地沉積(劉寶珺等，1990；馮增昭等，1991；王子玉，1992；江納言，1994；何海青，1997；馮增昭等，1997；杜小弟等，1998)，然而，無論是宏觀沉積特征還是顯微巖石學(xué)特征，棲霞組多數(shù)層段與典型碳酸鹽巖臺地沉積有顯著不同。

圖1 研究區(qū)剖面位置示意圖

筆者研究認(rèn)為，棲霞組是全球大規(guī)模海侵背景下的碳酸鹽巖斜坡—臺地沉積，這一觀點(diǎn)不同于對下?lián)P子地區(qū)棲霞組沉積環(huán)境的傳統(tǒng)認(rèn)識，對認(rèn)識該時(shí)期下?lián)P子區(qū)古地理特征、盆地演化及資源的勘探提供了新的啟迪(見圖1)。

2 區(qū)域地質(zhì)背景及地層

巢湖地區(qū)屬揚(yáng)子地層區(qū)、下?lián)P子地層分區(qū)，構(gòu)造上區(qū)位于下?lián)P子板塊的東北部、郯廬斷裂之東側(cè)，具有自身獨(dú)特的演化歷史。

區(qū)內(nèi)棲霞組自下而上可分為6個(gè)巖性段，底部碎屑巖段為黑色炭質(zhì)頁巖或劣煤層，風(fēng)化后為土黃色黏土，厚約0.65 m。含腕足類等海相化石。臭灰?guī)r段主要為深灰、灰黑色薄至中厚層生物碎屑灰?guī)r、頂部常含少量燧石結(jié)核，整層富有機(jī)質(zhì)，厚約50 m?；娪序眩篗isellina sp，M. claudiae sp，Sphaerulina sp，Nankinella sp；珊瑚：Cystomichelinia sp，Wentzellophyllum volzi，Polythecalis sp以及腕足：Chonetes nantanensis Giabau，Linoproductus sp，Orthotichoa sp等。下硅質(zhì)層段為黑色薄層隧石層、黑-灰黑色夾燧石結(jié)核或團(tuán)塊灰?guī)r，厚約9 m。產(chǎn)化石Hayasakaia sp，Cystomichelinia sp，Yatsengia sp，Bellerophon sp等。本部灰?guī)r段又稱燧石結(jié)核灰?guī)r層，以深灰、灰黑色中厚-厚層狀含燧石結(jié)核灰?guī)r為主，夾黑色薄層含瀝青質(zhì)泥(頁)巖，燧石結(jié)核向上減少，厚約78 m。本段化石豐富，產(chǎn)蜓：Nankinella sp，Schwagerina chihsiaensis(Lee)，Sphaerulina sp，Pisolina sp；珊瑚：Hayasakaia sp，Polythecalis sp，Tetraporinus sp，Chusenophyllum sp；以及Martinia sp，Plicatifera sp等。上硅質(zhì)層段主要為黑色薄-中厚硅質(zhì)巖，夾深灰色含隧石結(jié)核白云質(zhì)灰?guī)r，約厚8 m，產(chǎn)化石Parafusulina sp，Schwagerina sp，Chusenophyllum sp，Polythecalis sp等。頂部灰?guī)r段由灰、深灰色含燧石結(jié)核灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成，厚約15 m。產(chǎn)化石Parafusulina sp，Allotropiophyllum sp，Amplexocarinia sp等。

本組底部凹凸不平，與下伏船山組為平行不整合接觸。

3 主要巖石特征及其成因分析

通過野外剖面實(shí)測，結(jié)合室內(nèi)鏡下巖石薄片鑒定分析，研究區(qū)內(nèi)棲霞組巖石類型主要是碳酸鹽巖，其次為硅質(zhì)巖，少量碎屑巖。碳酸鹽巖中又以石灰?guī)r為主，少數(shù)為白云質(zhì)灰?guī)r，分布于棲霞組各段；硅質(zhì)巖則主要出現(xiàn)于下硅質(zhì)層與上硅質(zhì)層中；碎屑巖主要分布于梁山段中，為黑色炭質(zhì)泥(頁)巖。

3.1 石灰?guī)r

以結(jié)構(gòu)成因分類為主，結(jié)合野外特殊構(gòu)造，綜合鏡下與宏觀特征，將研究層段石灰?guī)r分為含生屑石灰?guī)r、生屑質(zhì)石灰?guī)r、生屑石灰?guī)r、泥晶石灰?guī)r、礫狀石灰?guī)r、內(nèi)碎屑石灰?guī)r及白云質(zhì)石灰?guī)r等。

1) 含生屑石灰?guī)r與生屑質(zhì)石灰?guī)r。這兩類巖石分布于棲霞組除梁山段外的其它層段，特別是臭灰?guī)r段、本部灰?guī)r段和頂部灰?guī)r段中。兩者區(qū)別在于生屑含量不同，前者生屑含量10%～25%，后者為25%～50%。巖石中生物碎屑類型多樣，主要見有鈣藻類、棘皮類、介形蟲、有孔蟲、海綿類、腕足類、蜓類、瓣鰓類、腹足類、苔蘚蟲及頭足類等。其中紅藻以裸松藻為主，并見有管孔藻、翁格達(dá)藻、擬刺毛藻等；綠藻主要為米齊藻和蠕孔藻，以及少量鈣球、假蠕孔藻、始角藻、海松藻及中華孔藻等。填隙物主要為泥晶方解石。含生屑石灰?guī)r與生屑質(zhì)石灰?guī)r在剖面中約占48%，這兩類巖石的沉積環(huán)境略有不同，但總體上都反映水體略深、水動力條件較弱，是能量較低環(huán)境下的產(chǎn)物。

2) 生屑石灰?guī)r。這類石灰?guī)r以富含生物碎屑為特征，生屑含量一般為50%～80%。生屑石灰?guī)r主要分布于臭灰?guī)r段、本部灰?guī)r段和頂部灰?guī)r段中，剖面中約占32%。巖石中生物化石及其碎屑類型較多，種類主要有紅藻、綠藻、有孔蟲、介形蟲、海百合莖、腕足類、腹足類、瓣鰓類等，還可見蜓類、海綿類、苔蘚蟲、珊瑚等。其中紅藻以裸松藻占絕對優(yōu)勢，少量翁格達(dá)藻、管孔藻等；綠藻則主要為米齊藻和蠕孔藻，少量假蠕孔藻、始角藻、海松藻及中華孔藻等。所見有孔蟲有節(jié)房蟲、巴東蟲、格涅次蟲、球瓣蟲、厚壁蟲、篩串蟲、四排蟲等。蜓類以臭灰?guī)r段下部的米斯蜓為特征。填隙物主要為泥晶方解石，少量亮晶膠結(jié)的生屑石灰?guī)r，其中亮晶生屑石灰?guī)r主要分布在本部灰?guī)r段與頂部灰?guī)r段。該類石灰?guī)r反映其沉積水體較淺，能量較高，特別是亮晶生屑石灰?guī)r，常形成于高能灘相。總體而言，該類石灰?guī)r形成于開闊臺地環(huán)境，水體較淺，局部甚至為淺灘。

3) 泥晶石灰?guī)r。該類巖石中生物碎屑含量小于10%，生屑以有孔蟲、介形蟲為主，偶見腕足介屑、苔蘚蟲等。泥晶石灰?guī)r多發(fā)育于厚層石灰?guī)r之間，水平層理發(fā)育，泥質(zhì)含量較高。泥晶石灰?guī)r在剖面的比例較小，約占6%，棲霞組各段均有分布，以臭灰?guī)r段上部及本部灰?guī)r段下部較為集中。該巖石類型反映水體相對較深、能量較低、為安靜的潮下低能沉積環(huán)境。

4) 礫狀石灰?guī)r。主要分布于臭灰?guī)r段和本部灰?guī)r段中，約占剖面總厚度的30%。其特征表現(xiàn)為：

a) 分布于中、厚層灰?guī)r層面之上，具明顯的成層性。b) 礫塊大小不一，形態(tài)多樣，但圓度較高。c) 層間泥(頁)巖含量較少，具典型的飄帶狀，其中生物碎屑豐富，定向性強(qiáng)。d) 層厚變化較大，在波狀層理的下凹處礫塊大、層厚，上凸處則相反。巖石中生屑含量一般為30%～70%，生屑種類主要有鈣藻類、海綿類、海百合莖、腕足類、有孔蟲、介形蟲、腹足類等。填隙物主要為泥晶方解石。該類巖石多形成于水體較深的開闊臺地或碳酸鹽巖斜坡，其成因受原生沉積與后期差異壓實(shí)共同作用。

5) 內(nèi)碎屑石灰?guī)r。內(nèi)碎屑石灰?guī)r在剖面上較為常用見，其主要特征有：

a) 礫屑大小不一，形態(tài)各異，圓度較好而球度較差。b) 礫塊多為生屑灰?guī)r，礫間為薄層鈣質(zhì)泥(頁)巖。c) 局部聚集，緊密堆積，成層性不好。黃操明等(1993)認(rèn)為，這種石灰?guī)r的成因與風(fēng)暴事件有關(guān)。當(dāng)發(fā)生大的風(fēng)暴浪時(shí)，就有可能把淺水復(fù)蓋下部分脫水固結(jié)似尚未完全固結(jié)的灰泥沉積掀翻沖刷起來，破碎成礫塊。在風(fēng)暴平靜之后，礫間被細(xì)粒物質(zhì)充填。一方面,細(xì)粒物質(zhì)來源于因風(fēng)暴攪動形成于水體中的懸浮顆粒;另一方面，由于水體較深，原地沉積的灰泥也可充填于礫塊之間。由于上述原因，形成了性質(zhì)完全不同的沉積物同空間組合。該類巖石主要分布于臭灰?guī)r段及本部灰?guī)r段。

6) 白云質(zhì)石灰?guī)r。剖面中白云質(zhì)灰?guī)r僅見于頂部灰?guī)r段中，所占比例小。白云石主要為細(xì)晶，粒度多為0.1～0.3 mm，半自形、他形晶為主，少數(shù)自形、晶面較臟，見霧心亮邊結(jié)構(gòu)。從鏡下看，殘余結(jié)構(gòu)清晰，多為生屑石灰?guī)r交代而來，其原始沉積環(huán)境可能為開闊臺地。

3.2 硅質(zhì)巖

硅質(zhì)巖在剖面中較為普遍，但集中分布于下硅質(zhì)層與上硅質(zhì)層中，多為薄層硅質(zhì)巖與硅質(zhì)結(jié)核，約占剖面總厚的14%。此處硅質(zhì)巖多為黑色，風(fēng)化后呈土黃色，其礦物成分主要為玉髓。硅質(zhì)巖中具明顯的(硅化)交代殘余結(jié)構(gòu)，特別是許多鈣質(zhì)生物殼體被二氧化硅交代，如腹足類、鈣藻類化石。由此可見，此處硅質(zhì)巖為次生交代形成，其沉積環(huán)境應(yīng)依據(jù)原巖分析。根據(jù)上下巖性及巖石中殘余結(jié)構(gòu)可知，原巖多為含生屑泥晶石灰?guī)r，形成于臺地中水體較深的臺凹環(huán)境。

3.3 泥(頁)巖

主要分于梁山段中，所占比例極小。該處泥巖為黑色，風(fēng)化后為土黃色、灰綠色等，水平層理，層厚0.5～2 mm為主，偶見海相化石。泥(頁)巖形成于低能水體，且水深不大，可能為瀉湖、海灣環(huán)境。

4 沉積環(huán)境分析

研究層段在下?lián)P子具有穩(wěn)定的空間分布，但在縱向上巖性變化較為明顯，這反映了棲霞組沉積環(huán)境的演化(圖2)。

梁山段與下伏船山組為平行不整合，沉積于棲霞海侵初期，受陸源物質(zhì)影響較大，形成一層黑色碳質(zhì)泥(頁)巖，見有海相化石，同時(shí)含陸相植物化石碎片，可能形成于水體能量較低的瀉湖、海灣環(huán)境。

隨著進(jìn)一步海侵，研究層中出現(xiàn)石灰?guī)r沉積。在臭灰?guī)r段中，灰?guī)r中有機(jī)質(zhì)含量較高，生物碎屑類型多樣、團(tuán)塊狀富集，發(fā)育丘狀交錯(cuò)層理與粒序?qū)永恚瑫r(shí)見內(nèi)碎屑灰?guī)r，所有這些都說明該時(shí)期水深中等，但受風(fēng)暴作用影響強(qiáng)烈，沉積速率較快。其沉積環(huán)境為受風(fēng)暴作用影響的碳酸鹽巖斜坡。同時(shí)，依據(jù)泥晶石灰?guī)r含量及生物類型的變化，由下而上，臭灰?guī)r段水體逐漸加深。

下硅質(zhì)層形成于水體較深的環(huán)境中，這與下伏臭灰?guī)r段海侵是一致的。巖石中生屑較少，原巖多為泥晶石灰?guī)r，形成于水體較深的臺凹環(huán)境。

經(jīng)過下硅質(zhì)層沉積，水體有所變淺，形成本部灰?guī)r段。表現(xiàn)為生物碎屑含量增高，生物類型更加豐富，特別是又一次出現(xiàn)大量鈣藻，局部形成亮晶生屑石灰?guī)r，同時(shí)該段中出現(xiàn)如發(fā)育丘狀交錯(cuò)層理等風(fēng)暴沉積特征。反映該時(shí)期水體較深、但局部能量較強(qiáng)。本部灰?guī)r段總體形成水體較深的開闊臺地。

與下硅質(zhì)層相同，上硅質(zhì)層形成于臺凹中，但剖面中上硅質(zhì)層中單層厚度大于下硅質(zhì)層，可能形成時(shí)其水體略淺于下硅質(zhì)層。

頂部灰?guī)r段形成時(shí)水體深度不大，是棲霞期水深最小時(shí)期，所以形成了一套含白云質(zhì)石灰?guī)r的碳酸鹽巖沉積。其白云化機(jī)理可能為混合水白云化和準(zhǔn)同生白云化。綜合各種特征明，該段沉積環(huán)境應(yīng)為開闊臺地。

5 結(jié) 論

綜上所述，研究區(qū)棲霞組沉積環(huán)境可分為瀉湖、海灣環(huán)境，斜坡環(huán)境、臺凹環(huán)境及開闊臺地環(huán)境，總體經(jīng)歷了兩次海侵海退旋回。第一次海侵始于棲霞期初期，發(fā)育瀉湖、海灣等環(huán)境，沉積梁山段，隨著海侵，沉積了水體較深的臭灰?guī)r段，至下硅質(zhì)層段，水體達(dá)到這一旋回的最深，本部灰?guī)r段水體變淺，為開闊臺地相。從上硅質(zhì)層至頂部灰段為第二旋回，同樣經(jīng)歷了由深至淺變化。

盡管這一時(shí)期水體深度幾經(jīng)變化，但整個(gè)棲霞期水體深度都不可能太大，這主要表現(xiàn)在生物化石及其碎屑的類型和組合特征上，由臭灰?guī)r段至頂部灰?guī)r段生物組合未發(fā)生重大變化。

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