中上揚(yáng)子地臺(tái)中寒武世古地理及白云巖成因①

余寬宏 金振奎 蘇 奎 張 偉 董曉東 呂玉珍杜宏宇 張衛(wèi)丹 陳 英

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東青島 266580;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院 北京 102249)

0 引言

白云巖是碳酸鹽巖重要的儲(chǔ)集巖類(lèi)型，關(guān)于其成因前人做了很多研究。金振奎等［1］，馮增昭等［2］通過(guò)對(duì)華北地臺(tái)古生代白云巖的研究，將白云巖類(lèi)型分為泥粉晶白云巖和砂糖狀白云巖。泥粉晶白云巖又可進(jìn)一步分為含膏和不含膏，分別形成于薩布哈和潮坪環(huán)境的潮上帶;砂糖狀白云巖為前期白云巖后期重結(jié)晶形成。馮增昭等［3］通過(guò)華北地臺(tái)奧陶系馬家溝組白云巖研究將以上白云巖成巖方式進(jìn)行了細(xì)化。張學(xué)豐等［4］對(duì)白云巖成巖模式進(jìn)行和綜合討論。金振奎等［5］通過(guò)滇東—川西二疊系白云巖的研究提出了玄武巖淋濾白云化作用。

前人建立的白云化成因模式豐富了我們對(duì)于白云巖形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)。盡管前人提出了多種的白云化模式，但總結(jié)起來(lái)都圍繞以下幾個(gè)問(wèn)題展開(kāi)討論:(1)白云化流體的來(lái)源。高M(jìn)g2+/Ca2+比的流體，需要水體具有一定的鹽度，即局限的古地理環(huán)境。(2)白云化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)障礙。以上兩點(diǎn)是解釋白云化作用機(jī)理的基礎(chǔ)。

白云巖成因與流體的鹽度即流體性質(zhì)有密不可分的關(guān)系。陸表海環(huán)境更能創(chuàng)造有利于白云化作用發(fā)生的環(huán)境，特別是大規(guī)模的潮坪準(zhǔn)同生白云化作用和回流滲透白云化作用。中上揚(yáng)子地區(qū)在中寒武統(tǒng)發(fā)育大面積的膏巖，說(shuō)明這一時(shí)期水體局限，沉積環(huán)境為咸化澙湖。特殊的古地理特征形成了特殊的巖性組合，比如膏巖層與白云巖層或者膏質(zhì)白云巖互層。

研究發(fā)現(xiàn)中上揚(yáng)子地區(qū)寒武系白云巖十分發(fā)育，主要集中分布在下寒武統(tǒng)龍王廟階、中寒武統(tǒng)以及上寒武統(tǒng)。中上揚(yáng)子地區(qū)寒武系具有和其它同時(shí)代的碳酸鹽巖盆地一樣的特征，如塔里木盆地，膏巖層廣泛分布，白云巖成因和寒武紀(jì)大規(guī)模的海水咸化具有密切的關(guān)系。根據(jù)大量野外露頭剖面實(shí)測(cè)與觀(guān)察、巖心觀(guān)察及分析化驗(yàn)，對(duì)中上揚(yáng)子地區(qū)寒武紀(jì)古地理進(jìn)行了系統(tǒng)的作圖與分析。在古地理研究基礎(chǔ)上，就具有代表性的中寒武統(tǒng)白云巖形成機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 地質(zhì)背景

1.1 地理位置及構(gòu)造分區(qū)

中上揚(yáng)子地區(qū)西北至西昌—成都—廣元一帶，西南至昆明一帶，東北至山陽(yáng)—南陽(yáng)一帶，東南至武漢—銅仁—三都一線(xiàn)，涉及滇、黔、桂、川、渝、陜、豫、鄂、皖等九個(gè)省、直轄市及自治區(qū)，大體上位于21°～33°N，100°～114°E，研究區(qū)包括龍門(mén)山、秦嶺—大別山、雪峰山等圍限的以四川盆地、江漢盆地為主體的中上揚(yáng)子臺(tái)地地區(qū)，以及北緣斜坡—盆地部分地區(qū)，面積約50×104km2(圖1)。

研究區(qū)是揚(yáng)子地區(qū)的一部分，由中上揚(yáng)子大陸區(qū)(Ⅰ)和揚(yáng)子陸塊北緣區(qū)(Ⅱ)組成(圖1)。中上揚(yáng)子大陸區(qū)(Ⅰ):寒武紀(jì)時(shí)期，揚(yáng)子陸塊基本上屬于穩(wěn)定的克拉通，但比典型的克拉通活動(dòng)性大，具有間歇性和幅度不大的斷塊活動(dòng)。揚(yáng)子北部陸緣區(qū)(II):揚(yáng)子北部陸緣區(qū)為復(fù)雜的被動(dòng)大陸邊緣區(qū)，為過(guò)渡型地殼［6～14］。

圖1 中上揚(yáng)子地區(qū)地理位置及主要剖面位置Fig.1 Location of the study area and distribution of outcrop cross-seetions and wells

表1 中上揚(yáng)子地區(qū)中寒武統(tǒng)對(duì)比Table 1 Stratigraphic schemes of the Middle Cambrian in the Middle-Upper Yangtze Plate

1.2 地層特征

本次研究采用的地層對(duì)比原則是基于馮增昭教授《中國(guó)南方寒武紀(jì)和奧陶紀(jì)巖相古地理》［15］以及中國(guó)地層典中對(duì)寒武系的劃分方案［16］。

中上揚(yáng)子中寒武統(tǒng)中部臺(tái)地區(qū)巖石類(lèi)型為淺水沉積的碳酸鹽巖，以泥晶白云巖、泥質(zhì)白云巖為主;而北緣則為代表深水沉積的薄層灰泥石灰?guī)r與灰質(zhì)泥巖互層。發(fā)育的地層單位有陡坡寺組、西王廟組、洗象池群、婁山關(guān)群、高臺(tái)組、石冷水組、平井組、孔王溪組、覃家廟群、新坪組、習(xí)家店組、立秋灣組。各巖石地層單位發(fā)育的地理區(qū)域見(jiàn)表1。

本次研究資料主要來(lái)自于野外露頭實(shí)測(cè)、踏勘、前人露頭研究資料的整理以及揚(yáng)子地臺(tái)內(nèi)部寒武系未出露地區(qū)井資料的分析。實(shí)測(cè)剖面、觀(guān)察剖面以及鉆井剖面位置如圖1，露頭主要分布在四川東北部、陜西西南部、湖北西北部、重慶東北部、重慶南部、云南以及貴州的廣大區(qū)域。鉆井資料主要分布于露頭缺乏的盆地腹地。

2 巖相古地理特征

2.1 剖面對(duì)比

中上揚(yáng)子地臺(tái)寒武紀(jì)發(fā)育大面積膏巖，呈薄層或者厚層狀與白云巖或者灰?guī)r互層產(chǎn)出。圖2為過(guò)咸化澙湖的近于南北向的剖面(剖面位置見(jiàn)圖3)。沙灘剖面陡坡寺組、建深1井覃家廟組、魚(yú)1井覃家廟組、利1井覃家廟組、李2井覃家廟組、重慶秀山溶溪剖面高臺(tái)組和平井組基本上為中寒武統(tǒng)同一時(shí)期。在巖性對(duì)比中發(fā)現(xiàn)膏巖和泥晶白云巖交互發(fā)育，膏巖的產(chǎn)出狀態(tài)可以為含膏的泥晶白云巖，也可以為純粹的膏巖層。局部地區(qū)發(fā)育有限的泥坪。高能的淺灘相白云巖化后形成殘余鮞粒白云巖，但淺灘發(fā)育局限。在咸化澙湖發(fā)育的地區(qū)還是以低能的潮坪泥晶白云巖為主，只有在臺(tái)地邊緣顆粒灘才逐漸發(fā)育(重慶秀山溶溪剖面)。另外在咸化澙湖區(qū)還有未被白云巖化的局限朝下灰泥石灰?guī)r，規(guī)模也相對(duì)較小。

2.2 巖相古地理

古地理制圖采用的是馮增昭教授單因素分析、多因素綜合作圖法。研究過(guò)程中分別對(duì)中寒武統(tǒng)露頭剖面及井的地層厚度(絕對(duì)厚度)、粗碎屑巖厚度百分比、淺水碳酸鹽巖厚度百分比、深水碳酸鹽巖厚度百分比、黑色頁(yè)巖厚度百分比、薄層硅巖厚度百分比、泥粉晶白云巖厚度百分比、顆?；?guī)r厚度百分比以及膏巖厚度(絕對(duì)厚度)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)并做平面等值線(xiàn)圖，在此基礎(chǔ)上綜合分析巖相古地理展布。限于篇幅，本文不再贅述，僅以中寒武統(tǒng)泥粉晶白云巖厚度百分比和膏巖厚度等值線(xiàn)圖為例說(shuō)明。準(zhǔn)同生白云巖和膏巖所分布的范圍直接控制了中寒武統(tǒng)白云巖的成因及分布，此特點(diǎn)與下寒武統(tǒng)截然不同。

圖2 中上揚(yáng)子地臺(tái)中寒武統(tǒng)覃家廟組(陡坡寺組、高臺(tái)組—平井組)巖相對(duì)比圖Fig.2 Lithological correlation of Middle Cambrian Tanjiamiao Group(Douposi Group，Gaotai-Pingjing Group)

研究過(guò)程中把泥粉晶白云巖含量大于50%的地區(qū)劃分為云坪(圖3泥粉晶白云巖百分含量等值線(xiàn))。中寒武世云坪主要發(fā)育在貴州大方縣、重慶秀山縣、湖北武隆縣以及湖北京山縣等地區(qū)。巖石類(lèi)型主要為泥粉晶白云巖和少量灰泥石灰?guī)r以及砂糖狀白云巖，發(fā)育疊層石、泥裂、鳥(niǎo)眼等構(gòu)造。中寒武世淺灘發(fā)育較少，局部以臺(tái)地內(nèi)相對(duì)高地的臺(tái)地鮞粒灘為主，規(guī)模不大，主要發(fā)育在湖北西北部以及臺(tái)地東南部臺(tái)地邊緣區(qū)。古地理圖中將膏巖厚度大于20 m的地區(qū)劃分為咸化澙湖(圖3膏巖厚度等值線(xiàn))。咸化澙湖內(nèi)局部高地發(fā)育潮坪泥粉晶白云巖。該咸化澙湖面積較大，分布跨重慶、湖北、貴州等省，在白云巖形成和儲(chǔ)層改造中起著重要的作用。咸化澙湖整體上深度不大，并且內(nèi)部和潮坪交替發(fā)育，這種古地理格局導(dǎo)致了咸化澙湖和潮坪的白云化作用有重要的相關(guān)性。中寒武世古地理格局見(jiàn)圖3:中上揚(yáng)子地區(qū)發(fā)育有古陸、碎屑巖陸棚、碳酸鹽巖臺(tái)地、斜坡—盆地、云坪、淺灘、咸化澙湖等古地理單元。

圖3 中上揚(yáng)子地區(qū)中寒武統(tǒng)膏巖厚度、泥粉晶白云巖百分含量等值線(xiàn)圖及巖相古地理①金振奎.南方寒武系定量巖相古地理研究及油氣預(yù)測(cè).系中國(guó)石油化工股份有限公司海相前瞻性研究項(xiàng)目成果報(bào)告，2009Fig.3 Contour map of Middle Cambrian gypsum rocks thickness and percentage of micritic dolomites and paleogeography of Middle Cambrian in the Middle-Upper Yangtze plate

圖4為過(guò)圖3的A—B剖面的沉積模式圖。古陸位于研究區(qū)的西北方向，中寒武世古陸低緩，陸源碎屑物質(zhì)供給量減小，沉積范圍有限(圖3碎屑巖濱岸)，且沉積物的粒度細(xì)。而這一時(shí)期重要的特點(diǎn)是中上揚(yáng)子地臺(tái)的腹地大面積水體局限、鹽度異常，沉積了大面積的膏巖，整體上為膏巖澙湖和云坪的交互出現(xiàn)。陸表海整體水體較淺，內(nèi)部多有出露和局限的洼地。出露海面的環(huán)境為臺(tái)地內(nèi)潮坪，相對(duì)低洼的部分為局限臺(tái)地或者澙湖。很多人在理解潮坪環(huán)境時(shí)易于受經(jīng)典模式的左右，認(rèn)為潮坪發(fā)育在靠岸一側(cè)，而實(shí)際上只要臺(tái)地內(nèi)部的相對(duì)凸起的環(huán)境出露海面，潮坪環(huán)境即形成。古代陸表海的一這一特征易于形成淺水區(qū)潮坪與局限臺(tái)地或者澙湖的交替發(fā)育，因此對(duì)白云巖的大規(guī)模發(fā)育是有很好的促進(jìn)作用。

露出海平面的平緩地帶，發(fā)育泥粉晶白云巖，為潮坪沉積環(huán)境;始終位于海平面以下的為咸化澙湖。局部開(kāi)闊地帶也發(fā)育灰泥石灰?guī)r及淺灘環(huán)境的顆粒石灰?guī)r，但總體上規(guī)模較小。

圖4 中上揚(yáng)子地區(qū)中寒武統(tǒng)沉積模式圖(對(duì)應(yīng)圖3中A—B)Fig.4 Depositional model of the Middle Cambrian in the Middle-Upper Yangtze plate

3 白云巖成因

3.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)寒武系白云巖可以分為兩大類(lèi):泥粉晶白云巖及砂糖狀白云巖。泥粉晶白云巖宏觀(guān)上呈薄層狀(圖5)，含泥質(zhì)夾層，發(fā)育疊層石(圖5)，發(fā)育水平層理、鳥(niǎo)眼構(gòu)造常見(jiàn)，反映了水上暴露的富氧環(huán)境。泥粉晶白云巖常常和膏巖交互出現(xiàn)，膏巖溶蝕易于形成膏溶角礫巖(圖5)。這一類(lèi)白云巖晶體細(xì)小(圖5)，靠近澙湖時(shí)富含石膏結(jié)核、假晶(圖5)。石膏是強(qiáng)烈蒸發(fā)的產(chǎn)物，反映這類(lèi)白云巖形成于高鹽度環(huán)境。

砂糖狀白云巖晶粒較粗，細(xì)晶—中晶為主，自形程度好(圖5)。由于結(jié)晶速度的關(guān)系，砂糖狀白云石自形程度好，鏡下觀(guān)察晶粒多為0.1～0.5 mm。顏色多灰色、深灰色，未見(jiàn)氧化色。

3.2 地化特征

泥粉晶白云巖與砂糖狀白云巖碳氧同位素值也有很大的差別。表2樣品取自貴州東北部中寒武統(tǒng)銅仁萬(wàn)山剖面中寒武統(tǒng)楊柳崗組。泥粉晶白云巖比砂糖狀白云巖碳同位素明顯偏高。泥粉晶白云巖中δ13C 值為 0～-1.8‰(PDB)，平均-0.68‰(PDB);δ18O值為-5.8‰ ～ -6.9‰(PDB)，平均為-6.39‰(PDB)。砂糖狀白云巖碳同位素值比泥粉晶白云巖值低，砂糖狀白云巖中δ13C值為0～-3.1‰(PDB);氧同位素值與泥粉晶白云巖相當(dāng)，δ18O值為-5.8‰～-6.9‰(PDB)，平均為-6.93‰(PDB)(表 2)。

表2 貴州東北部(銅仁萬(wàn)山剖面)地區(qū)中寒武統(tǒng)白云巖碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)Table 2 Carbon and oxygen isotopic values of Middle Cambrian dolomites in northeast Guizhou province of China(Wanshan section in Tongren)

3.3 垂向巖性組合特征

在地層剖面上，泥粉晶白云巖常常與砂糖狀白云巖交替疊置，或者泥粉晶白云巖、砂糖狀白云巖以及膏巖層交替疊置。

圖6為重慶市秀山縣溶溪剖面中寒武統(tǒng)平井組詳細(xì)的巖石學(xué)特征，泥粉晶白云巖常常與砂糖狀白云巖交替疊置。該剖面可以代表臺(tái)地邊緣地區(qū)膏巖不發(fā)育的局限臺(tái)地白云巖組合特征。圖6為簰深1井中寒武統(tǒng)和上寒武統(tǒng)頂部的鉆井剖面，泥粉晶白云巖、砂糖狀白云巖以及膏巖交替疊置。

圖5 中上揚(yáng)子地區(qū)中寒武統(tǒng)白云巖巖石學(xué)特征A.薄層泥晶白云巖，重慶秀山溶溪剖面，中寒武統(tǒng)高臺(tái)組;B.疊層石，重慶秀山溶溪剖面中寒武統(tǒng)高臺(tái)組;C.膏溶角礫巖，云南富民縣干溝紅梁子山剖面中寒武統(tǒng)雙龍?zhí)督M，野外照片;D.泥晶白云巖夾薄層深灰色泥巖，沙灘剖面沙中寒武統(tǒng)陡坡寺組;E.含硬石膏泥晶云巖，簰深1井，6 560 m中寒武統(tǒng);F.回流滲透殘余鮞粒砂糖狀白云巖，重慶秀山溶溪剖面中寒武統(tǒng)平井組。Fig.5 Petrologic features of Middle Cambrian dolomites in the Middle-Upper Yangtze plate

圖6 露頭及鉆井剖面白云巖特征A.重慶市秀山縣溶溪剖面中寒武統(tǒng)平井組詳細(xì)剖面白云巖組合特征;B.簰深1井中寒武統(tǒng)以及下寒武統(tǒng)頂部巖石學(xué)特征Fig.6 Characteristics of different dolomites in outcrops and well

這種巖性垂向上的重復(fù)疊置代表了古地理單元隨地質(zhì)時(shí)間的變遷，但古地理特征在中寒武世總體上保持圖3的特征，即整體為局限臺(tái)地。

3.4 白云化機(jī)理及模式

本文依據(jù)白云巖的巖石學(xué)特征、地球化學(xué)特征，結(jié)合古地理對(duì)白云巖成巖的宏觀(guān)控制等方面的研究，提出中上揚(yáng)子地區(qū)中寒武統(tǒng)主要的白云化機(jī)理是潮坪準(zhǔn)同生白云化和回流滲透白云化。中寒武世臺(tái)地局限，鹽度異常，為這兩種白云化作用大規(guī)模的進(jìn)行提供了古地理背景。另外，中寒武世這種古地理背景也是解釋中寒武統(tǒng)發(fā)育大套白云巖的基礎(chǔ)。

(1)潮坪準(zhǔn)同生白云化

在廣闊的碳酸鹽巖臺(tái)地內(nèi)部出露的高地，由于水體局限或者是坡度很緩，水體的能量很低，發(fā)育為低能的潮坪沉積環(huán)境。潮坪的潮上帶蒸發(fā)導(dǎo)致周?chē)袒瘽篮母啕}度水體以及潮下正常海水通過(guò)蒸發(fā)泵的機(jī)理向潮上帶運(yùn)移動(dòng)。濃縮的海水形成高鎂鈣比的白云化流體，對(duì)潮坪環(huán)境的沉積的松散灰泥進(jìn)行白云化，形成潮坪準(zhǔn)同生泥粉晶白云巖［17～19］。白云巖晶粒粗細(xì)是判斷白云巖成因的重要標(biāo)志之一［20，21］，具有前文巖石學(xué)特征的泥粉晶白云巖晶粒細(xì)小，主要為形成于準(zhǔn)同生階段。另外，咸化環(huán)境的準(zhǔn)同生泥粉晶白云巖碳氧同位素顯高值［22～24］，地化資料也支持這一結(jié)論。

(2)回流滲透白云化

潮坪準(zhǔn)同生白云化富余的高鎂鈣比流體回流的過(guò)程中對(duì)下伏的巖層進(jìn)行白云化，形成砂糖狀白云巖。中上揚(yáng)子地區(qū)中寒武統(tǒng)回流滲透的白云化流體主要為準(zhǔn)同生白云化富余流體的回流?；亓鳚B透白云化是漫長(zhǎng)的過(guò)程，所以首先在晶體形態(tài)上區(qū)別于潮坪準(zhǔn)同生白云巖，另外在同位素特征方面也和后者有典型的差別［25～28］。

圖7 中上揚(yáng)子地區(qū)中寒武統(tǒng)白云巖化綜合模式Fig.7 Origins of Middle Cambrian dolomites in the Middle-Upper Yangtze plate

(3)白云化綜合模式

綜合古地理分布特征、白云巖巖石學(xué)特征、同位素地球化學(xué)資料以及巖相組合關(guān)系等方面的因素分析，提出了中上揚(yáng)子地區(qū)中寒武統(tǒng)白云巖化的綜合模式(圖7)。

臺(tái)地內(nèi)相對(duì)隆起的地區(qū)發(fā)育潮坪環(huán)境，蒸發(fā)泵白云化機(jī)理是潮坪上準(zhǔn)同生白云巖形成的主要機(jī)理。澙湖咸化過(guò)程中，膏巖(CaSO4)發(fā)生沉淀，Mg2+相對(duì)富集，Mg2+/Ca2+增高。這種高M(jìn)g2+/Ca2+的高鹽度海水在蒸發(fā)泵作用下向潮上帶運(yùn)移，將潮上帶松軟的沉積物白云化，形成準(zhǔn)同生泥粉晶白云巖。富余的白云化流體回流，將下伏地層白云化，形成砂糖狀白云巖。在古地理的變遷過(guò)程中，臺(tái)地的古地理單元也隨地質(zhì)時(shí)代發(fā)生變遷，以前澙湖區(qū)可能露出水面形成潮坪環(huán)境，潮坪環(huán)境下沉形成澙湖環(huán)境。這種交替的古地理導(dǎo)致了寒武系在垂向上準(zhǔn)同生泥粉晶白云巖、回流滲透砂糖狀白云巖以及石膏層的交替疊置。

4 結(jié)論

本次研究共取得以下認(rèn)識(shí):

(1)中上揚(yáng)子地區(qū)中寒武世發(fā)育大面積的碳酸鹽巖局限臺(tái)地。臺(tái)地之內(nèi)發(fā)育面積巨大的淺水咸化澙湖，膏巖呈不同規(guī)模的層狀與白云巖交互發(fā)育。古地理在宏觀(guān)上控制了白云巖的形成、平面分布以及垂向發(fā)育特征。

(2)揚(yáng)子地臺(tái)寒武系主要發(fā)育泥粉晶白云巖和砂糖狀白云巖兩大類(lèi)。泥粉晶白云巖形成于準(zhǔn)同生成巖階段，形成于潮坪環(huán)境;砂糖狀白云巖主要為回流滲透白云化成因。

(3)古地理的變遷導(dǎo)致了潮坪與澙湖的交替，形成了寒武系垂向上準(zhǔn)同生泥粉晶白云巖、砂糖狀白云巖以及膏巖層交替疊置的特征。

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