重慶石柱中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組沉積微相

鐘怡江, 侯梅生, 夏 杰,3, 林良彪, 龍 宇

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059;2.河南省地勘局 第一地質(zhì)勘查院，鄭州 450001; 3.武漢地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，武漢 430205；4.四川省核工業(yè)地質(zhì)局二八一大隊(duì)，四川 西昌 615000)

“微相”一詞最早由Brown(1943)提出，在巖石薄片鑒定中用來描述巖石類型和古生物學(xué)特征。隨著地質(zhì)學(xué)的發(fā)展，微相已經(jīng)成為巖石薄片、巖石揭片、拋光片和巖石學(xué)研究中描述巖石的沉積學(xué)特征和古生物學(xué)特征的一個(gè)綜合性術(shù)語，并可用于對(duì)巖石進(jìn)行分類[1]?！拔⑾唷毖芯渴翘妓猁}巖沉積環(huán)境分析的基礎(chǔ)微觀研究，其在剖面中的組合關(guān)系與演化序列是研究沉積環(huán)境及變化過程的重要環(huán)節(jié)。

重慶石柱位于上揚(yáng)子地臺(tái)中部[2]，實(shí)測剖面位于石柱縣冷水鄉(xiāng)打風(fēng)坳(圖1)，構(gòu)造位置屬于川東地區(qū)北東向高陡隔擋式褶皺帶[4]。研究區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組為中上揚(yáng)子克拉通盆地內(nèi)黔桂上升運(yùn)動(dòng)形成的具有準(zhǔn)平原特點(diǎn)的侵蝕面和東吳上升侵蝕面之間內(nèi)陸表海海侵形成的一套穩(wěn)定的以碳酸鹽巖為主的沉積。該剖面出露完整，界線清楚，能夠代表渝東地區(qū)中二疊統(tǒng)的地層特征。前人對(duì)四川盆地中二疊統(tǒng)進(jìn)行了大量研究并取得一系列成果[5-17]，隨著近年來四川盆地中二疊統(tǒng)的油氣勘探突破[7,8]，中二疊統(tǒng)的沉積相展布、儲(chǔ)層特征等引起了人們的重視。本文選擇露頭發(fā)育完整的重慶石柱打風(fēng)坳剖面，以室外剖面測量和室內(nèi)薄片分析相結(jié)合的方法，探討該區(qū)域中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組的巖性微相類型及特征、沉積相特征以及沉積模式的演化過程。

圖1 打風(fēng)坳剖面位置圖Fig.1 The location of the Lengshuixiang section(據(jù)鐘怡江等修改，2008[3])

1 地層剖面

石柱打風(fēng)坳剖面的棲霞組主要為深灰色泥質(zhì)灰?guī)r、泥晶灰?guī)r，底部夾碳質(zhì)頁巖，頂部含燧石結(jié)核，與下伏中二疊統(tǒng)梁山組為整合接觸(圖2)。茅口組主要由灰、淺灰色灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r等組成，含燧石結(jié)核與硅質(zhì)條帶(圖3)，具疙瘩狀、似眼球狀和繩狀構(gòu)造(圖4)，與上覆上二疊統(tǒng)吳家坪組底部頁巖平行不整合接觸(圖5)。該剖面2套地層總厚度為410.12 m，共分29層，其特征如圖6所示。

圖2 上石炭統(tǒng)黃龍組、中二疊統(tǒng)梁山組、棲霞組分界線Fig.2 Line of the Upper Carboniferous Huanglong Formation and the Middle Permian,Liangshan Formation and Qixia Formation

圖3 中二疊統(tǒng)茅口組含燧石結(jié)核灰?guī)rFig.3 Chert concretion limestone in the Middle Permian Maokou Formation

圖4 中二疊統(tǒng)茅口組疙瘩狀灰?guī)rFig.4 Knollenakalk in the Middle Permian Maokou Formation

圖5 中二疊統(tǒng)茅口組與上二疊統(tǒng)吳家坪組平行不整合接觸Fig.5 The parallel unconformity between the Middle Permian Maokou Formation and the Upper Permian Wujiaping Formation

2 碳酸鹽巖微相類型

結(jié)合前人的研究成果[5-20]，參考Wilson所劃分的24個(gè)標(biāo)準(zhǔn)微相(SMF1～SMF24)[21]，對(duì)重慶石柱縣打風(fēng)坳剖面棲霞組和茅口組碳酸鹽巖微相進(jìn)行了詳細(xì)研究，歸納出10種微相類型(MF1～MF10)。碳酸鹽巖微相的定名主要依據(jù)R. J. Dunham的沉積結(jié)構(gòu)分類方案[22]。

a.綠藻顆粒灰?guī)r(MF-1，圖7)。MF-1相當(dāng)于Wilson的SMF9。該灰?guī)r主要顆粒為綠藻屑，含量(面積分?jǐn)?shù))達(dá)40%～60%；以粗枝藻類為主，此外還有其他種類的生物碎屑(面積分?jǐn)?shù)大約為10%～20%)，主要有海百合、小有孔蟲、腕足、腹足。基質(zhì)主要為泥晶方解石，含少量微晶方解石，表明沉積時(shí)的水動(dòng)力條件較弱。生物組合與基質(zhì)等微相特征表明，此微相指示潮下淺水低能環(huán)境。

b.灰泥灰?guī)r(MF-2，圖8)。MF-2相當(dāng)于Wilson的SMF23?；夷嗷?guī)r以泥微晶方解石的沉積為主，亮晶極少，很少見生物碎屑和內(nèi)碎屑，窗孔構(gòu)造發(fā)育。該微相發(fā)育的沉積環(huán)境水體較淺而且能量較低。偶爾發(fā)育的少量碎屑狀生物化石，可能是高能帶沉積后由潮水帶入。發(fā)育的少量底棲生物化石，表明為不利于生物生長的局限環(huán)境。

d.生物碎屑顆?；?guī)r(MF-4，圖10)。MF-4相當(dāng)于Wilson的SMF13。顆粒以生物碎屑為主，面積分?jǐn)?shù)達(dá)50%以上，含小有孔蟲、雙殼、腕足、海百合莖、腹足、介形蟲、層孔蟲、藻、珊瑚等。生物化石大多呈破碎狀，僅多數(shù)小有孔蟲較為完整。小有孔蟲泥晶化普遍，體腔被方解石亮晶充填，部分小有孔蟲具“包?！保甘緶\水沉積環(huán)境[23-25]。

e.泥晶珊瑚灰?guī)r(MF-5，圖11)。MF-5相當(dāng)于Wilson的SMF9。該微相發(fā)育大量的單體珊瑚(圖12)及其碎片，在珊瑚的體腔內(nèi)有大量生物碎屑，主要為介殼、棘皮類碎片，基質(zhì)仍為泥-微晶灰?guī)r。珊瑚體腔內(nèi)大量破碎的生物碎屑，說明其可能生長在臺(tái)地邊緣高能帶，但體腔內(nèi)和珊瑚個(gè)體周圍基質(zhì)含有大量的泥-微晶灰?guī)r以及珊瑚個(gè)體周圍生物碎屑完整可以說明該珊瑚并非原地生長，而是從臺(tái)地邊緣被潮水等帶到能量較低的淺灘沉積。

圖7 綠藻顆粒灰?guī)rFig.7 Green algae particles limestone單偏光，主要為綠藻，還有少量骨針，10×4

圖8 灰泥灰?guī)rFig.8 Marlite單偏光，白云石化，生物幾乎沒有，10×4

圖9 粒泥灰?guī)rFig.9 Fusulinid marl單偏光，生物較單一，主要是及碎片，10×4

圖10 生物碎屑顆?；?guī)rFig.10 Bioclastic grainstone單偏光，有腕足殼、海百合莖及骨針等，10×4

圖11 泥晶珊瑚灰?guī)rFig.11 Coralline packstone單偏光，整體為四射珊瑚，其體內(nèi)及體外有大量生物碎屑，主要是海百合莖和海膽，10×4

圖12 單體珊瑚Fig.12 Simple corals

f.生物碎屑內(nèi)碎屑泥粒灰?guī)r(MF-6，圖13)。MF-6相當(dāng)于Wilson的SMF5。內(nèi)碎屑中砂屑的面積分?jǐn)?shù)約占40%，生物碎屑約占20%，生物碎屑類型豐富，多為自形-半自形，種類與微相4(MF-5)相似；小有孔蟲也是泥晶化普遍，內(nèi)部多為泥晶方解石充填。填隙物以泥晶為主，也可見少量亮晶方解石。此微相指示淺海潮下高-中能環(huán)境。

圖13 生物碎屑內(nèi)碎屑泥粒灰?guī)rFig.13 Bioclastic intraclast packstone單偏光，生物為海百合、有孔蟲以及腕足，10×20

g.白云石化硅化泥-微晶灰?guī)r(MF-7，圖14)。MF-7相當(dāng)于Wilson的SMF23。該灰?guī)r主要位于茅口組中上部，白云石化硅化較嚴(yán)重，生物化石很少見，且生物白云石化硅化嚴(yán)重，很難辨認(rèn)種類。

h.荷葉藻泥粒灰?guī)r(MF-8，圖15)。MF-8相當(dāng)于Wilson的SMF13。該灰?guī)r荷葉藻含量豐富，面積分?jǐn)?shù)可達(dá)50%，并含有少量的砂級(jí)內(nèi)碎屑，填隙物以泥晶方解石為主。荷葉藻的葉片雖破碎并發(fā)生揉曲變形，但是仍然具有一定的成層性(圖16)，此微相指示適合于光合作用的淺水潮間-潮下中-高能環(huán)境。

圖14 白云石化硅化泥-微晶灰?guī)rFig.14 Dolomized silicified mud micrite單偏光，白云石化較重，多數(shù)生物已不見內(nèi)部結(jié)構(gòu)，10×4

圖15 荷葉藻粒泥灰?guī)rFig.15 Lotus-phylloid algae wackstone單偏光， 10×4

i.有孔蟲泥粒灰?guī)r(MF-9，圖17)。MF-9相當(dāng)于Wilson的SMF13。其顆粒以有孔蟲為主，含海百合、鈣藻、腹足、雙殼及砂級(jí)內(nèi)碎屑，小有孔蟲普遍具有泥晶化現(xiàn)象。填隙物以泥晶方解石為主，大部分泥晶方解石重結(jié)晶成細(xì)晶。此微相指示淺水中-高能環(huán)境。

圖16 荷葉藻灰?guī)r(箭頭標(biāo)注)Fig.16 Lotus-phylloid algae limestone

圖17 綠藻顆?；?guī)rFig.17 Green alage grainstone單偏光，主要為綠藻，還有少量骨針，10×4

j.生物碎屑泥粒灰?guī)r(MF-10，圖18)。MF-10相當(dāng)于Wilson的SMF5。顆粒以生物碎屑為主，其面積分?jǐn)?shù)達(dá)60%以上，主要有小有孔蟲、層孔蟲、腕足、鈣藻、雙殼、腹足、海百合莖，以及少量的砂級(jí)內(nèi)碎屑，各類生物碎屑呈現(xiàn)雜亂的不均勻分布。生物化石除小有孔蟲外，其他化石多為半自形。小有孔蟲具泥晶化邊，生物內(nèi)部多為亮晶方解石充填。該微相指示浪基面或浪基面之下的開放循環(huán)的淺海環(huán)境。

圖18 生物碎屑泥?；?guī)rFig.18 Bioclastic packstone單偏光，中部較大的為腕足碎片，其他多為介殼類，10×4

3 沉積環(huán)境

通過以上10個(gè)巖性微相的特征分析，結(jié)合野外地質(zhì)特征，我們將重慶石柱棲霞組和茅口組劃分為碳酸鹽巖緩坡和碳酸鹽巖臺(tái)地兩個(gè)沉積相，并進(jìn)一步將碳酸鹽巖緩坡劃分為內(nèi)緩坡和中緩坡兩個(gè)亞相和若干微相，將碳酸鹽巖臺(tái)地劃分為開闊臺(tái)地、臺(tái)地邊緣和臺(tái)緣斜坡3個(gè)亞相和若干微相(圖2)。

3.1 碳酸鹽巖緩坡

碳酸鹽巖緩坡相主要發(fā)育于棲霞組和茅口組第一段與第二段中下部。按照巖性和巖性微相組合將碳酸鹽巖緩坡相劃分為內(nèi)緩坡和中緩坡亞相。內(nèi)緩坡指晴天浪基面之上的沉積區(qū)，主要受波浪改造，發(fā)育高能灘和低能灘間沉積，主要發(fā)育于棲霞組。點(diǎn)灘主要發(fā)育生物碎屑泥晶灰?guī)r，巖性微相以MF-4、MF-6、MF-7和MF-10為主。灘間沉積以發(fā)育疙瘩狀含生物碎屑泥晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r和鈣質(zhì)泥頁巖為主，發(fā)育MF-1、MF-2和MF-4等巖性微相。中緩坡指晴天浪基面和風(fēng)暴浪基面之間的沉積區(qū)，水體較安靜，主要受到風(fēng)暴浪的改造，部分受波浪改造，發(fā)育水體相對(duì)較淺的近端沉積，主要發(fā)育于茅口組第一段和第二段中下部，以發(fā)育疙瘩狀灰?guī)r和黑色頁巖為主要特征，巖性微相發(fā)育MF-1和MF-7為主，部分疙瘩狀灰?guī)r中發(fā)育MF-6和MF-10。

3.2 碳酸鹽巖臺(tái)地

碳酸鹽巖臺(tái)地相主要發(fā)育于茅口組第二段中上部和第三段中。按照巖性和巖性微相組合將碳酸鹽巖臺(tái)地相劃分為開闊臺(tái)地、臺(tái)地邊緣和臺(tái)前斜坡3個(gè)亞相。開闊臺(tái)地是臺(tái)地內(nèi)與廣海連通較好、水體循環(huán)良好的沉積區(qū)域，以發(fā)育生物碎屑灘和灘間低能沉積為主要特征。臺(tái)內(nèi)灘微相以發(fā)育MF-3、MF-4、MF-8和MF-9為特征。灘間微相以發(fā)育低能的泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖和含燧石團(tuán)塊的生物碎屑灰?guī)r為主，發(fā)育MF-7和MF-4為特征。臺(tái)地邊緣亞相以發(fā)育臺(tái)地邊緣礁和臺(tái)地邊緣灘為主，臺(tái)地邊緣礁中發(fā)育礁骨架灰?guī)r和黏結(jié)灰?guī)r等，造礁生物以海綿和群體珊瑚為主(圖19，圖20)，居礁生物見單體珊瑚、海百合、有孔蟲和腹足(圖21，圖22)；臺(tái)地邊緣灘為生屑灘，主要發(fā)育綠藻、腕足和有孔蟲等生物碎屑(圖23)。

圖19 生物礁灰?guī)r中的海綿(箭頭標(biāo)注)Fig.19 Sponge in the bioherm limestone

圖20 群體珊瑚(箭頭標(biāo)注)Fig.20 Compound coral

圖21 單體珊瑚和介殼等居礁生物Fig.21 Reef-dwelling organisms of simple corals and shell箭頭標(biāo)注：單體珊瑚(黃色)，介殼(紅色)

圖22 海百合、有孔蟲、腹足Fig.22 Crinoid, foraminifera and gastropods箭頭標(biāo)注：海百合(黃色)，有孔蟲(紅色)，腹足(白色), 10×4

圖23 綠藻、腕足和有孔蟲Fig.23 Green algal,brachiopod fauna and foraminifera箭頭標(biāo)注：綠藻(黃色)，碗足(紅色)，有孔蟲(藍(lán)色),10×4

4 沉積相模式及演化

結(jié)合相對(duì)海平面變化、沉積微相、沉積亞相和沉積相的特征及其縱向演化，建立了研究區(qū)中二疊世棲霞期和茅口期的碳酸鹽巖緩坡和碳酸鹽巖臺(tái)地沉積模式，認(rèn)為石柱地區(qū)中二疊世棲霞期—茅口期具有碳酸鹽巖緩坡模式向碳酸鹽巖臺(tái)地模式演化的特點(diǎn)(圖24)。

中二疊世棲霞期，在黔桂上升運(yùn)動(dòng)后構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)平靜，可能是岡瓦納大陸冰川消融，海平面持續(xù)上升，古特提斯海水由南向北侵入上揚(yáng)子地區(qū)[5,26]，在西北高東南低的侵蝕面上發(fā)育碳酸鹽巖緩坡沉積。石柱地區(qū)在棲霞期主體為晴天浪基面之上的內(nèi)緩坡沉積，整體以海侵為主，發(fā)育泥灰?guī)r的低能灘間和生物碎屑灰?guī)r的高能生物碎屑灘微相。茅口期中國南方二疊紀(jì)盆地海域擴(kuò)大的突變期，從碳酸鹽巖緩坡向碳酸鹽巖臺(tái)地轉(zhuǎn)變[5]。茅口早期，隨著構(gòu)造拉張活動(dòng)加強(qiáng)，此時(shí)遭受了整個(gè)華南二疊紀(jì)甚至晚古生代以來的最大海侵事件[26,27]，石柱地區(qū)演化為碳酸鹽巖緩坡的外緩坡近端沉積，主要沉積灰—深灰色疙瘩狀灰?guī)r和黑色頁巖。茅口中期海平面開始下降，碳酸鹽生產(chǎn)環(huán)境得到改善，碳酸鹽生產(chǎn)效率提高，臺(tái)地邊緣高能礁灘相帶逐漸形成并向深水方向遷移，石柱地區(qū)開始經(jīng)由內(nèi)緩坡向碳酸鹽巖臺(tái)地轉(zhuǎn)化，此時(shí)經(jīng)歷了臺(tái)前斜坡—臺(tái)地邊緣—開闊臺(tái)地的向上變淺的進(jìn)積過程。

5 結(jié) 論

以野外地質(zhì)剖面宏觀研究和室內(nèi)顯微鏡下薄片分析相結(jié)合，系統(tǒng)討論了重慶石柱地區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組發(fā)育的巖性微相類型和沉積相特征，建立了沉積相模式并分析了沉積相模式的演化特征，獲得如下認(rèn)識(shí)：

圖24 重慶石柱中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組沉積相模式及演化圖Fig.24 Sedimentary facies evolution model for the Middle Permian Qixia Formation and Maokou Formation in Shizhu of Chongqing1.頁巖; 2.泥灰?guī)r; 3.含生物碎屑灰?guī)r; 4.含燧石結(jié)核生物碎屑灰?guī)r; 5.疙瘩狀含生物碎屑燧石結(jié)核灰?guī)r; 6.灰?guī)r; 7.眼球狀生物碎屑灰?guī)r; 8.礁灰?guī)r

b.棲霞組和茅口組可劃分為碳酸鹽巖緩坡和碳酸鹽巖臺(tái)地兩種沉積相，碳酸鹽巖緩坡相可劃分為內(nèi)緩坡和中緩坡2種亞相，碳酸鹽巖臺(tái)地可劃分為開闊臺(tái)地、臺(tái)地邊緣和臺(tái)前斜坡3種亞相及若干微相類型。

c.建立了中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組的沉積相模式，并討論了沉積相模式的演化特征，認(rèn)為棲霞期在持續(xù)海侵的影響下發(fā)育碳酸鹽巖緩坡，并且持續(xù)到茅口早期二疊世最大海泛期。茅口中期海平面開始下降，發(fā)生了碳酸鹽巖緩坡模式向碳酸鹽巖臺(tái)地模式的轉(zhuǎn)化。

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