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    滇西上寒武統(tǒng)保山組瘤狀灰?guī)r成因

    2012-12-19 07:17:02郝家栩彭成龍張國祥
    地質(zhì)力學(xué)學(xué)報 2012年4期
    關(guān)鍵詞:泥晶保山灰質(zhì)

    郝家栩,彭成龍,張國祥

    (貴州省地質(zhì)調(diào)查院,貴州 貴陽550005)

    0 引言

    瘤狀灰?guī)r在中國分布廣泛,尤其在華北地臺的寒武系、奧陶系及南方滇、黔、桂地區(qū)的泥盆系最為發(fā)育[1]。在沉積地層中,瘤狀灰?guī)r具有明顯的外貌特征,部分地區(qū)產(chǎn)出層位穩(wěn)定,是地層劃分和對比的良好標(biāo)志層。瘤狀灰?guī)r并非某一特定環(huán)境或特定時代的產(chǎn)物,從前寒武紀(jì)到全新世,從淺海到半深海,均發(fā)現(xiàn)有瘤狀灰?guī)r產(chǎn)出,因此,研究其成因?qū)Ψ治龀练e成巖環(huán)境、巖相古地理演化都是較為有用的。近年來,瘤狀灰?guī)r的形成機理受到地質(zhì)界的廣泛關(guān)注,并已有了一些研究成果[2-3]。

    滇西施甸地區(qū)寒武系發(fā)育較好,地層相對較連續(xù),是滇西進行地層學(xué)、巖石學(xué)及沉積學(xué)等方面研究的理想場所。前人對區(qū)內(nèi)地層、古生物方面作了較多研究[5-7],但對其中瘤狀灰?guī)r的成因研究甚少,尤其是對寒武系及其中瘤狀灰?guī)r的成因研究鮮有報道。本文從巖石學(xué)特征出發(fā),結(jié)合前人的研究資料,對區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育于上寒武統(tǒng)保山組 (C-3b1-3)中的瘤狀灰?guī)r的成因進行初步研究,分析其形成機理,并探討保山組沉積環(huán)境及巖相古地理,探討瘤狀灰?guī)r的產(chǎn)出與晚泛非造山運動的關(guān)系。

    1 瘤狀灰?guī)r的特征及分布

    研究區(qū)位于保山地塊中部 (見圖1),是一個具有相對穩(wěn)定的古生代—中生代沉積序列的大陸地塊,屬于保山地層分區(qū)之施甸地層小區(qū)[4]。薄片研究顯示,研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的保山組瘤狀灰?guī)r主要有瘤狀泥晶 (重結(jié)晶)藻砂屑灰?guī)r、瘤狀泥晶 (重結(jié)晶)藻礫砂屑灰?guī)r、瘤狀亮晶—泥晶 (重結(jié)晶)藻砂屑灰?guī)r、瘤狀亮晶—泥晶 (重結(jié)晶)藻礫砂屑灰?guī)r、瘤狀鐵染泥晶藻砂屑灰?guī)r、條紋—網(wǎng)紋—瘤狀泥晶 (重結(jié)晶)藻砂屑灰?guī)r、瘤狀含粉砂質(zhì)含生物屑藻跡微晶—泥晶灰?guī)r、瘤狀 (微含黏土質(zhì)微含粉砂質(zhì))白云質(zhì)含生物屑微晶—泥晶灰?guī)r等,根據(jù)其形態(tài)特征及成因差異,大致可劃分出3種特征類型。

    圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Structural location of the study area

    ①壓扁瘤狀灰?guī)r 常見于北部王家山地區(qū)保山組二段及南部柳水地區(qū)保山組三段中下部,瘤體與基質(zhì)成分、顏色存在明顯差異。瘤體多為淺灰色 (含生物屑)微晶—泥晶灰?guī)r,組成礦物以方解石為主,其次為少量陸源碎屑。瘤體一般呈扁豆?fàn)睢⒉灰?guī)則條帶狀和疙瘩狀(見圖2 a、2b),占巖石體積的30% ~70%不等,大多順層分布,大小一般0.5~3.0 cm?;|(zhì)呈灰色、黃綠色,以鈣質(zhì)泥巖和含鈣泥巖為主,主要為黏土礦物,含量30%~70%,其次為方解石,含量12%~37%。瘤體和基質(zhì)的成分差異在巖石的風(fēng)化表面尤為明顯,表現(xiàn)為瘤體易遭受風(fēng)化淋濾,巖石表面形成條紋—網(wǎng)紋狀溶蝕溝。巖石中生物屑有棘皮屑、腕足屑、三葉蟲屑 (見圖2c)、介形蟲屑、雙殼屑等,含量約為3% ~10%,分布不均勻,粒度一般0.10~5.00 mm,為礫砂級生物屑。某些瘤體邊緣具溶蝕現(xiàn)象,呈微弱港灣狀。

    ②串珠狀瘤狀灰?guī)r 見于南部柳水—岔河一帶保山組第一巖性段中。瘤體常為灰白色亮晶—泥晶灰?guī)r,組成礦物以方解石為主,陸源碎屑極少或無。瘤體一般呈串珠狀、疙瘩狀(見圖2 d),占巖石體積的45%~60%,排列方向與層理較為協(xié)調(diào),大多順層分布,大小一般0.5~3.0 cm。基質(zhì)呈黃綠色,多為含鈣泥巖,礦物成分主要為黏土礦物,含量50%~70%,其次為方解石,含量一般20%~30%。瘤體和基質(zhì)的成分差異在巖石的風(fēng)化表面也十分明顯,表現(xiàn)為瘤體易遭受風(fēng)化淋濾,巖石表面形成串珠狀、蜂窩狀溶蝕孔洞。巖石中有棘皮屑、腕足屑、三葉蟲屑、介形蟲屑、雙殼屑等,含量約為5%~20%,分布不均勻,粒度一般0.10~5.00 mm,為礫砂級生物屑。某些瘤體具塑性變形的形態(tài),泥質(zhì)基質(zhì)有“似流動構(gòu)造”,局部基質(zhì)纏繞瘤體分布而使瘤體外觀呈假礫狀。

    圖2 瘤狀灰?guī)r特征Fig.2 Features of nodular limestone

    ③角礫狀瘤狀灰?guī)r 該類型僅見于柳水—岔河地區(qū)保山組三段頂部,延伸不穩(wěn)定。巖石由瘤體和基質(zhì)兩部分組成,瘤體與基質(zhì)成分、顏色差異大。瘤體為灰白色,呈次棱角狀和疙瘩狀 (見圖2e、2 f),大小不一,小者0.5×0.8 cm,大者3.0×4.0 cm,占巖石體積的60%~80%,無序分布。瘤體無明顯搬運、磨圓和分選的跡象,為含藻粉砂屑灰?guī)r及微晶—泥晶灰?guī)r,向上砂屑含量漸增,為一向上變淺的層序。瘤體由晶粒方解石 (含量76%~80%)、內(nèi)碎屑 (含量2%~10%)、生物屑 (含量約2%)構(gòu)成。其中內(nèi)碎屑為粉砂屑級,呈次圓狀、圓狀,磨圓度及分選性較好,為藍(lán)綠藻及其分泌物粘結(jié)方解石灰泥于半塑性—塑性條件下經(jīng)盆內(nèi)打碎再沉積的產(chǎn)物?;|(zhì)顏色為鐵紅色,成分主要為鐵泥質(zhì)及生物屑,呈細(xì)脈狀、網(wǎng)狀纏繞著瘤體分布。相鄰角礫常能彼此嵌合,瘤體與基質(zhì)界線清楚,為突變式接觸。巖石中生物屑為棘皮屑等,保存不完整,較破碎,為異地生物屑。

    綜上所述,研究區(qū)內(nèi)保山組瘤狀灰?guī)r的共同特征是:由瘤體和基質(zhì)組成,瘤體與基質(zhì)在成分、巖石上均存在明顯差異。上述壓扁瘤狀灰?guī)r和串珠狀瘤狀灰?guī)r瘤體與基質(zhì)為準(zhǔn)同期產(chǎn)物,其原始沉積物均為互層狀泥質(zhì)薄層與灰質(zhì)薄層。基質(zhì)中泥質(zhì)成分含量相對較高,瘤體為灰質(zhì)或泥灰質(zhì),基質(zhì)為泥質(zhì)或灰泥質(zhì)。角礫狀瘤狀灰?guī)r中基質(zhì)為后期充填,其沉積時期晚于瘤體,基質(zhì)與瘤體成分和顏色上的差異較壓扁瘤狀灰?guī)r和串珠狀瘤狀灰?guī)r更明顯。

    2 瘤狀灰?guī)r成因及地質(zhì)意義

    瘤狀灰?guī)r的成因復(fù)雜多樣,概括起來主要有以下幾種解釋:①底流溶解-膠結(jié)作用。較深水盆地中的泥灰質(zhì)沉積物,由于底流作用對未固結(jié)或弱固結(jié)的沉積物進行溶解,造成底床沉積物突起、凹陷或分離;當(dāng)?shù)琢髯饔弥袛鄷r,這些突起、凹陷或分離的沉積物被膠結(jié)而形成瘤狀形態(tài)[8]。②成巖分異作用。富含泥質(zhì)的碳酸鹽沉積物,在成巖過程中經(jīng)化學(xué)分異作用,Ca2+重新聚集在一起形成瘤體[9]。③海底原地膠結(jié)作用。在深水環(huán)境中,海底底流和洋流作用使沉積中斷,沉積物在沉積界面附近發(fā)生不均勻的早期膠結(jié)作用而形成瘤狀灰?guī)r[10~12]。④斜坡滑塌作用。在具有較大坡度的深水—半深水盆地斜坡上,呈互層狀的泥質(zhì)和灰質(zhì)沉積層,其穩(wěn)定性隨著沉積厚度的增加而逐漸變差,進而沿斜坡發(fā)生水下滑塌。脆性相對較大的灰質(zhì)層發(fā)生破碎形成灰質(zhì)團塊,而泥質(zhì)層塑性大,發(fā)生揉皺變形,并包圍灰質(zhì)團塊而形成扁豆?fàn)?、串珠狀、礫屑狀灰?guī)r[13]。⑤差異壓實作用。呈互層狀分布的泥質(zhì)和灰質(zhì)薄層,在成巖壓實過程中,泥質(zhì)層受壓發(fā)生側(cè)向流動,鈣質(zhì)層則被拉斷而形成瘤體[14]。⑥壓溶作用。成巖作用過程中發(fā)育的網(wǎng)狀 (微)縫合線群、黏土膜將原來均勻的泥灰質(zhì)沉積物分割成大小不一的瘤體[15~17]。⑦ 暴露成因?;夷喑练e層間歇性地暴露干裂,移位磨蝕,并被后期沉積物充填膠結(jié)[14]。⑧生物鉆孔作用。碳酸鹽沉積物沉積后,如果大量的底棲生物 (菊石、海膽、腹足、瓣腮、有孔蟲等)對其進行鉆孔擾動,就會產(chǎn)生不規(guī)則的通道,這些通道被泥、砂、白云石、隧石等物質(zhì)充填,充填物形成基質(zhì),而未被擾動鉆孔的碳酸鹽就會形成不規(guī)則的瘤狀體[8]。

    研究區(qū)上寒武統(tǒng)為黏土巖夾碳酸鹽巖,生物化石豐富,末期地殼隆起,缺失早奧陶世沉積[18]。由下至上,黏土巖減少,粉砂巖夾層增多,網(wǎng)紋狀、瘤狀泥晶 (重結(jié)晶)藻砂屑灰?guī)r逐漸增多,表現(xiàn)為一個水體逐漸變淺的退積序列。保山組主要分布于南部柳水、北部王家山—大寨地區(qū)以及怒江西岸,可劃分為3個巖性段:①北部王家山—磨石大寨一帶為淺灰色鮞粒灰?guī)r夾黏土巖,屬陸棚邊緣灘相;南部柳水—岔河地區(qū)下部為含黏土質(zhì)粉砂巖,偶夾薄板狀泥晶 (重結(jié)晶)藻砂屑灰?guī)r,發(fā)育水平層理,產(chǎn)三葉蟲及腕足類化石,發(fā)育滑移變形構(gòu)造,屬淺海陸棚相,上部為灰色網(wǎng)紋—條紋—瘤狀泥晶 (重結(jié)晶)灰?guī)r,屬臺地前緣斜坡相沉積。②北部王家山地區(qū)為黏土巖夾淺灰、灰黃色厚層網(wǎng)紋狀瘤狀 (微含黏土質(zhì)、微含粉砂質(zhì))白云質(zhì)含生物屑微晶—泥晶灰?guī)r,含大量結(jié)核,具泥質(zhì)基質(zhì)包圍泥晶灰?guī)r的礫狀結(jié)構(gòu),灰?guī)r結(jié)核呈次圓狀,為灘后澙湖相;南部柳水—岔河一帶為含黏土質(zhì)粉砂巖,發(fā)育水平層理,產(chǎn)三葉蟲及腕足類化石,屬淺海陸棚相。③王家山地區(qū)因地殼隆升而被剝蝕,南部柳水一帶基本層序為網(wǎng)紋狀、瘤狀亮晶—泥晶藻砂屑灰?guī)r—瘤狀亮晶—泥晶藻砂屑灰?guī)r,單韻律厚約2 m,瘤狀層單層厚一般1~3 cm,屬開闊臺地相沉積。上述層序特征表明,保山組沉積時期,研究區(qū)臺盆分異明顯,具臺—坡—盆古地理格局。

    瘤狀灰?guī)r的3種形態(tài)類型對應(yīng)于3種成因類型。根據(jù)瘤狀灰?guī)r的巖石學(xué)特征,結(jié)合其沉積環(huán)境及古生物化石特征,筆者認(rèn)為,研究區(qū)內(nèi)保山組瘤狀灰?guī)r具差異壓實—壓溶成因、斜坡滑塌成因及暴露成因3種形成機理。

    ①廣泛分布于北部王家山保山組二段及南部柳水地區(qū)保山組三段中下部的條紋—網(wǎng)紋狀、扁豆?fàn)?、疙瘩狀的瘤狀灰?guī)r是差異壓實—壓溶作用形成的。呈互層狀的泥質(zhì)和灰質(zhì)沉積物,在半固結(jié)狀態(tài)下,由于上覆沉積物的垂向壓力作用,塑性較好的泥質(zhì)層發(fā)生側(cè)向流動,而塑性相對較差的灰質(zhì)層被拉長變薄,兩種沉積物界面先前的平整狀態(tài)被打破,沉積層變得不均勻,灰、泥沉積物界面變得凸凹不平,整體強度降低,泥質(zhì)層產(chǎn)生“似流動構(gòu)造”,灰質(zhì)層發(fā)生細(xì)頸化,形成條紋—網(wǎng)紋狀瘤狀灰?guī)r。界面凹凸不平的沉積層整體強度降低使得差異壓實作用加強,達(dá)到壓溶作用需要的有效壓應(yīng)力時,產(chǎn)生差異壓溶作用,沉積層內(nèi)部產(chǎn)生差異溶解,先期被拉長的灰質(zhì)層斷開,受壓相對較大、易溶的灰質(zhì)層邊緣開始局部溶解、圓化,形成扁豆?fàn)?、長透鏡狀、疙瘩狀瘤狀灰?guī)r。在進一步的差異壓實—壓溶作用過程中,部分瘤體發(fā)生短距離剪切錯位,使得瘤狀灰?guī)r局部顯示斷續(xù)狀,甚至雜亂狀構(gòu)造 (見圖3A)。

    圖3 瘤狀灰?guī)r成因模式Fig.3 Genetic models of nodular limestone

    ②在具有較大坡度的深水—半深水盆地斜坡上,當(dāng)灰質(zhì)和泥質(zhì)相間的沉積層逐漸增厚時,沉積層的穩(wěn)定性逐漸變差,一旦有外界因素誘導(dǎo)便會沿斜坡發(fā)生水下滑塌。泥質(zhì)沉積層因黏土物質(zhì)孔隙中的化學(xué)充填作用進行得較慢,固結(jié)程度低,孔隙大,剪切阻力小,其巖石力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出較大的塑性,因而發(fā)生側(cè)向流動形成似流動構(gòu)造;灰質(zhì)沉積層固結(jié)相對較早,塑性差,發(fā)生破碎而形成弱固結(jié)的灰?guī)r礫塊,如果此時滑動作用還未停止,加之上覆沉積物的重力作用,則弱固結(jié)的灰?guī)r礫塊部分可能會因滑動剪切而表現(xiàn)出一定的磨圓變形,形成具一定磨圓度的次圓狀瘤體。瘤體被流動變形的泥質(zhì)層包裹,再經(jīng)后期固結(jié)成巖作用,最終形成礫屑狀、扁豆?fàn)?、串珠狀灰?guī)r (見圖3A)。

    ③保山組三段沉積末期,地殼開始隆升,局部露出水面,均勻分布的灰泥沉積層間歇性地暴露干裂,形成大小不一、形態(tài)各異的塊體,在上覆沉積物的重力作用下,部分塊體被壓彎,后經(jīng)風(fēng)化溶蝕,形成似透鏡狀、疙瘩狀瘤體。隨后,地表水或地下水帶來的黏土物質(zhì)充填于瘤體之間的裂隙中,經(jīng)進一步固結(jié)成巖作用,形成保山組頂部似角礫狀瘤狀灰?guī)r (見圖3B)。

    總而言之,滇西保山組中,最為常見的壓扁瘤狀灰?guī)r產(chǎn)于北部王家山地區(qū)保山組二段及南部柳水地區(qū)保山組三段,總體屬于開闊臺地相產(chǎn)物。斜坡滑塌成因的串珠狀瘤狀灰?guī)r僅見于南部柳水—岔河一帶保山組一段中,表明保山組一段沉積時期 (相當(dāng)于芙蓉世),南部柳水—岔河一帶處于一個臺地前緣斜坡地帶。這兩種類型瘤狀灰?guī)r是綜合成因的,其原始沉積物相似,均為互層狀的泥質(zhì)薄層和灰質(zhì)薄層,早期均受到上覆沉積物不同程度的壓實作用,只是后期因沉積環(huán)境差異,產(chǎn)生瘤狀構(gòu)造的主導(dǎo)因素發(fā)生改變 (前者為差異壓實—壓溶作用占主導(dǎo),后者主要發(fā)生滑塌作用),造成了瘤體形態(tài)的差異。

    3 瘤狀灰?guī)r地質(zhì)意義

    保山組頂部瘤狀灰?guī)r具角礫狀構(gòu)造,角礫邊緣可見微小的“V”字形裂紋,相鄰的角礫狀瘤體在形態(tài)上常能彼此嵌合,且鐵紅色的基質(zhì)與灰?guī)r瘤體的界面截然明顯,兩者成分及顏色上的差異異常清晰,表明保山組頂部角礫狀的瘤狀灰?guī)r屬暴露干裂成因無疑。保山組與上覆中—上奧陶統(tǒng)呈平行不整合或微角度不整合接觸,是保山組沉積末期地殼一度暴露地表的有力證據(jù)。而區(qū)內(nèi)暴露成因的似角礫狀瘤狀灰?guī)r僅出現(xiàn)在保山組頂部,成為寒武紀(jì)末期地殼隆升的又一佐證。有文章指出,莫桑比克洋的閉合使東岡瓦納與西岡瓦納拼合成為岡瓦納超大陸 (這個過程被稱為“泛非造山作用”)[19],而保山地塊被認(rèn)為是晚古生代晚期岡瓦納大陸分離出來的一個微陸塊[20~23]。因此可以認(rèn)為,保山組頂部暴露成因瘤狀灰?guī)r的產(chǎn)出與晚泛非造山運動有直接關(guān)系,可能為晚泛非造山運動在保山地塊的巖石學(xué)響應(yīng)。

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