陜北鹽盆東緣奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖微相及沉積環(huán)境分析

蔣蘇揚　(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

張永生　(中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

何幼斌　(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

邢恩袁　(中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

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陜北鹽盆東緣奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖微相及沉積環(huán)境分析

蔣蘇揚(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

張永生(中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

何幼斌(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

邢恩袁(中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

[摘要]通過野外實測剖面資料和室內(nèi)薄片鑒定資料綜合分析，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，對陜北鹽盆東緣奧陶系馬家溝組(Om)碳酸鹽巖微相進行了系統(tǒng)研究，共劃分出6個微相類型，分別為：粉晶白云巖微相、泥質(zhì)白云巖微相、礫屑白云巖微相、泥晶灰?guī)r微相、泥質(zhì)條帶灰?guī)r微相及粉屑灰?guī)r微相。參照威爾遜碳酸鹽巖綜合相模式，將Om劃分為開闊臺地相、局限臺地相、臺地蒸發(fā)巖相3個相帶。通過分析縱向上相帶的變化特征，認為研究區(qū)Om是在陸表海碳酸鹽臺地沉積背景下發(fā)育的3個海退到海進沉積旋回。東-西連井剖面對比分析表明東緣沉積環(huán)境與盆內(nèi)在縱向上有極好的耦合性，華北板塊東部在Om沉積期可作為良好的預(yù)備盆地對陜北鹽盆進行物源補給。

[關(guān)鍵詞]陜北鹽盆；奧陶系；馬家溝組；碳酸鹽巖微相；沉積演化

陜北奧陶紀鹽盆地是較為理想的成鹽盆地，不但分布范圍廣，而且鹽層厚已達到鉀鎂鹽沉積階段[1]。在石油及天然氣勘探中，施鉆百余口，其中見鹽孔20余口，但遺憾的是至今未能找到具工業(yè)品位的厚鉀鹽礦層[2]，究其原因是對該區(qū)的沉積演化規(guī)律研究不夠深入。筆者通過對陜北鹽盆東緣奧陶系碳酸鹽巖沉積微相研究，探索縱向上的相變規(guī)律，為研究區(qū)東緣的沉積演化及巖相古地理編圖提供依據(jù)；為盆緣與盆內(nèi)沉積環(huán)境的對比及平面上相帶展布的研究提供基礎(chǔ)。此外，韓尾溝剖面位于離石斷裂帶，而離石斷裂帶在奧陶紀作為東源控盆斷裂對陜北鹽盆沉積環(huán)境影響重大，研究韓尾溝剖面的沉積演化可以為離石斷裂帶的研究以至鹽盆成鉀模式的建立提供理論支持，并有利于成鹽盆地外圍預(yù)備盆地演化的研究。

1區(qū)域地質(zhì)背景

陜北鹽盆位于鄂爾多斯盆地中東部，東至呂梁隆起，南臨渭北隆起，西起天環(huán)坳陷，北依伊盟隆起[3]。華北地臺在奧陶紀四周基本上被古陸和島群所圍限，致使華北地臺成為半封閉的古地理環(huán)境[4]。陜北鹽盆是在臺內(nèi)坳陷所形成的局限鹽湖。

2巖石地層特征

研究區(qū)屬于鄂爾多斯盆地中東部，下古生界在研究區(qū)廣泛出露，其底與變質(zhì)巖系呈角度不整合接觸，頂部被石炭系本溪組平行不整合覆蓋[7]。奧陶系自下而上依次劃分為冶里組、亮甲山組、馬家溝組(Om)[8]，其中Om又可以細分為6段(Om1～Om6)(圖1)。

圖1　華北陸塊奧陶系綜合地層格架

1)Om1底部為2cm厚肉紅色含礫中細粒石英砂巖，質(zhì)純，膠結(jié)致密，抗風(fēng)化，在剖面上成一條突出、穩(wěn)定分布的小層；下部為薄層泥質(zhì)白云巖夾細晶白云巖；上部為灰黃色板狀泥質(zhì)白云巖夾泥灰?guī)r，溶塌角礫構(gòu)造不明顯，但在剖面東部約2km的蒼灣地區(qū)十分發(fā)育(圖2(a)、(b))。該段厚度為4m。

2)Om2底部為深灰-灰黑色薄層泥粉晶灰?guī)r夾灰黃色薄層狀泥晶白云巖，泥晶白云巖夾層中含鳥眼構(gòu)造，不規(guī)則晶洞，偶見石膏假晶；上部為灰-深灰色中厚層塊狀泥晶灰?guī)r，夾灰色中層板狀白云質(zhì)灰?guī)r，風(fēng)化色為黃灰色，層系向上白云質(zhì)含量增加，泥晶灰?guī)r中發(fā)育節(jié)理裂縫，方解石脈順節(jié)理分布，層面上可見生物遺跡，以平管和傾斜鉆孔為主(圖2(c)、(d))。該段厚度為32m。

3)Om3底部為灰色泥質(zhì)條帶灰?guī)r，條帶寬約0.6cm,灰?guī)r單層厚度約2～3cm；下部為灰色塊狀角礫狀白云巖，角礫為黃灰色灰礫，礫徑1～2.5cm，磨圓分選均較差，成團塊狀，未見溶塌角礫。基質(zhì)滴酸微氣泡，應(yīng)為白云質(zhì)，層厚度向上變薄，白云質(zhì)含量減少，見溶蝕孔洞。上部為灰黃色-黃色中-厚層狀泥質(zhì)泥晶灰?guī)r，泥質(zhì)條帶灰?guī)r差異風(fēng)化顯著，層序向上泥質(zhì)含量降低，灰質(zhì)含量增加，發(fā)育水平層理及溶蝕孔洞(圖2(e)、(f))。該段厚度為23m。

4)Om4下部為青灰色中厚層塊狀泥晶灰?guī)r，部分被白云石化,呈云斑狀，夾中薄層生物碎屑泥晶灰?guī)r；上部為青灰色中厚層塊狀白云質(zhì)灰?guī)r，夾數(shù)層灰褐色中薄-中厚層泥晶白云巖，白云巖夾層向上增多；頂部有一套灰白-淺肉紅色泥質(zhì)條帶灰?guī)r-礫屑白云質(zhì)灰?guī)r的巖石組合，泥質(zhì)條帶灰?guī)r差異風(fēng)化顯著，富含鈣質(zhì)。礫屑白云質(zhì)灰?guī)r基質(zhì)為淺肉紅色，礫屑為灰白色灰礫，磨圓中等，呈次棱角狀(圖2(g)、(h))。該段均發(fā)育溶蝕孔洞，礫屑白云質(zhì)灰?guī)r中可見角礫狀構(gòu)造，厚度為55m。

5)Om5下部為黃白色泥質(zhì)白云巖；中部為青灰色中薄層狀白云質(zhì)灰?guī)r；上部為黃色泥質(zhì)白云巖[10]、泥灰?guī)r；頂部可見土黃色泥質(zhì)條帶灰?guī)r。中下部均發(fā)育水平層理，下部可見膏溶角礫及溶蝕孔洞，上部可見鳥眼構(gòu)造，頂部泥質(zhì)條帶灰?guī)r差異風(fēng)化明顯(圖2(i)、(j))。該段厚度為32m。

圖2　陜北鹽盆東緣Om各段野外露頭照片

6)Om6在研究區(qū)內(nèi)出露不好，為青灰色厚層塊狀泥晶灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶白云質(zhì)灰?guī)r，可見生物碎屑，頂部被鐵質(zhì)侵染呈褐紅色，發(fā)育水平層理(圖2(k)、(l))。該段厚度為7m。

3微相類型

通過對碳酸鹽巖薄片的觀察，根據(jù)其基本組分中顆粒、泥質(zhì)、膠結(jié)物、晶粒、生物格架的類型、含量以及鏡下顯微構(gòu)造，再結(jié)合野外露頭觀察的沉積構(gòu)造，將研究區(qū)奧陶系共劃分出6個微相，并為分析沉積環(huán)境提供重要的依據(jù)。

1)粉晶白云巖微相(MF1) 以白云石晶粒為主，白云石體積分數(shù)大于80%，泥質(zhì)體積分數(shù)小于20%，晶粒間充填的主要為泥晶白云石。白云石晶體呈自形，結(jié)晶較好，粒徑在20～50μm，為粉晶級別(圖3(a))。野外露頭上呈薄層展布，可見水平層理，偶可見鳥眼構(gòu)造。為典型的準同生白云巖特征，可出現(xiàn)在干旱地區(qū)潮間帶上部至潮上帶的蒸發(fā)環(huán)境[11～13]。

2)泥質(zhì)白云巖微相(MF2)白云石體積分數(shù)大于65%，泥質(zhì)體積分數(shù)小于35%，白云石呈半自形，晶粒粒徑在20～50μm。泥質(zhì)成分為陸源物質(zhì)及灰泥，呈條帶狀展布。與MF1相比泥組分的含量明顯升高，晶粒粒徑可達到細晶級別，存在一定的重結(jié)晶作用(圖3(b))。野外露頭上呈薄層展布，表明較弱的水動力條件?？梢娒靼迪嚅g條紋，明條紋白云質(zhì)含量較高，暗條紋陸源泥質(zhì)含量較高?？沙霈F(xiàn)在潮上帶有陸源物質(zhì)補給的干旱環(huán)境條件下[11～13]。

3)礫屑白云巖微相(MF3)礫屑體積分數(shù)占35%，成分主要為陸源黏土物質(zhì)。基質(zhì)成分主要為泥晶白云石，占65%。礫屑分選磨圓較差，呈角礫狀，基底式膠結(jié)(圖3(c))。野外露頭上以深灰色凹凸不平的團塊狀分布，可見溶蝕孔洞。可認為該微相在潮上帶準同生白云巖的沉積過程中混入了經(jīng)破碎的半固結(jié)或已固結(jié)的陸源碎屑物質(zhì)[11～13]。

4)泥晶灰?guī)r微相(MF4)以泥晶方解石作為主要結(jié)構(gòu)組分，占90%?；居闪皆?～2μm的泥級方解石組成(圖3(d))。顆粒生物碎屑含量極少，不含陸源物質(zhì)，在后期部分被白云化。野外露頭上呈塊狀分布，后期表面風(fēng)化淋濾形成溶蝕孔洞，可見水平層理，表明了水體清潔且較深的低能開闊臺地環(huán)境。

5)泥質(zhì)條帶灰?guī)r微相(MF5) 方解石占60%，泥質(zhì)條帶占40%，方解石以泥晶為主，粒徑在1～2μm(圖3(e))。泥質(zhì)條帶成分主要為陸源泥級的碎屑物質(zhì)，條帶順層展布。野外露頭上可見差異風(fēng)化現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)疏松，泥質(zhì)條帶層與灰?guī)r層呈互層狀展布。反映了海平面多次的上升與下降，在下降的過程中陸源碎屑的補給，但仍以靠陸一側(cè)較淺的開闊臺地為主要沉積背景。

6)粉屑灰?guī)r微相(MF6)粉屑占40%，基質(zhì)占60%。粉屑成分為粉晶方解石，粒徑在20～50μm,分選、磨圓均一般，基質(zhì)成分為泥晶方解石(圖3(f))。野外露頭上呈塊狀分布，可見水平層理。該微相是由原始的粉晶灰?guī)r經(jīng)破碎形成粉屑級別的內(nèi)碎屑顆粒再搬運至開闊臺地安靜、較深的水體環(huán)境下形成的。

4微相組合及沉積環(huán)境分析

通過對上述微相的鏡下鑒別及環(huán)境分析，以威爾遜碳酸鹽巖綜合相模式為基準，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，將該剖面各個微相劃入不同相帶，并對各相帶進行沉積環(huán)境分析[14～16]。

由于剖面缺乏深水陸棚及臺地邊緣高能相帶的沉積表征，故所劃分的相帶基本位于威爾遜碳酸鹽巖綜合相模式近岸一側(cè)的寬相帶，其中包含：開闊臺地相，局限臺地相，臺地蒸發(fā)巖相，與該區(qū)域陸表海碳酸鹽巖臺地的沉積背景一致，反映了低能的沉積環(huán)境[17～19]。開闊臺地相包括MF1、MF4、MF5、MF6；局限臺地相包括MF2、MF3、MF5；臺地蒸發(fā)巖相包括MF1、MF2、MF5。

圖3　陜北鹽盆東緣Om碳酸鹽巖微相鏡下照片

Om1微相組合類型為MF1+MF2，可見地下水溶蝕石膏形成的溶塌角礫構(gòu)造，形成于臺地蒸發(fā)巖的沉積環(huán)境；Om2微相組合類型為MF1+MF4，生物遺跡為平管和傾斜鉆孔，表明一定的水深，形成于開闊臺地的沉積環(huán)境；Om3微相組合類型為MF2+MF3+MF5，較Om1泥質(zhì)含量增高，但未見膏溶角礫，形成于局限臺地的沉積環(huán)境；Om4與Om2相似，微相組合類型為MF4+MF5，故形成于開闊臺地的沉積環(huán)境；Om5微相組合類型為MF2+MF5，發(fā)育膏溶角礫、鳥眼構(gòu)造，形成于臺地蒸發(fā)巖的沉積環(huán)境；Om6雖然出露不好，但巖性較為單一，微相組合類型為MF4+MF6，形成于開闊臺地的沉積環(huán)境(圖4)。

根據(jù)野外實測剖面資料和室內(nèi)薄片觀察分析以及微相、相帶類型的劃分，繪制出韓尾溝剖面奧陶紀沉積相分析柱狀圖(圖5)。

圖4　基于威爾遜碳酸鹽巖綜合模式下各段相帶分布圖

圖5　陜北鹽盆東緣韓尾溝剖面奧陶紀沉積相分析柱狀圖

5沉積演化特征

區(qū)域在陸表海碳酸鹽臺地沉積的大背景下，由于在Om1的底部出現(xiàn)了一套陸源物質(zhì)(2cm厚肉紅色含礫中細粒石英砂)，且Om1與三山子組二段的產(chǎn)狀基本一致，故可以認為三山子組二段沉積結(jié)束后，區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷一次海退，遭受了短暫的風(fēng)化剝蝕，少量陸源物質(zhì)注入，該時期的水體很淺，為氣候干熱的臺地蒸發(fā)巖沉積環(huán)境；Om2沉積初期，區(qū)域經(jīng)歷了一次海侵，適宜淺海生物生存，在Om2下部可見生物碎屑及遺跡，之后海平面開始下降，故其上部隨白云質(zhì)含量增高，從開闊臺地逐漸變?yōu)榫窒夼_地；在經(jīng)歷Om2沉積末期的海退后，Om3沉積期的環(huán)境為局限臺地，但其層序向上泥質(zhì)含量降低，灰質(zhì)含量增加，反映了在Om3沉積末期海水逐漸變深的狀態(tài)；Om4沉積期為區(qū)域內(nèi)最大的一次海侵，在開闊海沉積了相當厚度的厚層泥晶灰?guī)r，沉積厚度為該區(qū)域之首，但在頂部位置出現(xiàn)的泥質(zhì)條帶灰?guī)r與溶蝕孔洞表明了在Om4末期也出現(xiàn)了海退的情況；Om5在海侵的背景下沉積，主要為臺地蒸發(fā)巖相，但在Om5的中部出現(xiàn)了一套青灰色中薄層狀白云質(zhì)灰?guī)r，與上、下巖性有較大差異，可認為是一標志層，為Om5內(nèi)部最大的一次海侵；之后水體再次加深，Om6的沉積環(huán)境與Om2類似，Om6上部出現(xiàn)風(fēng)化殼，石炭系本溪組平行不整合于奧陶紀地層之上，可見奧陶紀后，區(qū)域再次遭受風(fēng)化剝蝕，缺失志留系、泥盆系[21～23]。

綜上所述，區(qū)域在奧陶紀為陸表海碳酸鹽臺地的沉積背景，海平面頻繁變化，經(jīng)歷了亮甲山期的風(fēng)化剝蝕之后，在Om沉積時期海平面變化幅度較大的有6次，沉積環(huán)境經(jīng)歷了3次從局限臺地或蒸發(fā)臺地至開闊臺地的交替變化，Om1、Om3、Om5沉積期為海退期，Om2、Om4、Om6沉積期為海侵期，反映了3個從海退到海進的沉積旋回。

6盆地東-西沉積環(huán)境對比

鄂爾多斯盆地分為東、西2部分，東部包含盆內(nèi)東部鉆井(榆9井、鎮(zhèn)鉀1井、龍?zhí)?井、陜參1井)與東部露頭(中陽韓尾溝剖面)；西部包含盆內(nèi)西部鉆井(定探1井、天深1井、布1井)與西部露頭(烏海桌子山剖面)。根據(jù)前人對該區(qū)地層格架的研究，再結(jié)合巖相及標志層，建立了鄂爾多斯盆地東西連井(剖面)對比圖，如圖6所示。

1)Om1全盆地除陜參1井以外均發(fā)育，以鎮(zhèn)鉀1井發(fā)育最好。盆地東部鉆遇石鹽、石膏層，而在東部露頭及盆地西部以泥質(zhì)白云巖為主，而西部露頭桌子山地區(qū)可見到高能潛水環(huán)境下的砂屑灰?guī)r，表明Om1沉積期全盆地以蒸發(fā)環(huán)境為主，而盆地東部的蒸發(fā)條件最為強烈。該段以巖相及Om1底部較純的石英砂巖標志層以及不整合面作為對比依據(jù)。

2)Om2全盆地發(fā)育穩(wěn)定，整體為海侵的大背景。東部以發(fā)育厚層塊狀泥晶灰?guī)r為主，偶見石鹽、泥質(zhì)白云巖夾層，向西逐漸過渡為砂屑灰?guī)r。該段以巖相及微體古生物構(gòu)建的古生物地層格架作為對比依據(jù)。

3)Om3是在海退的背景下沉積，盆內(nèi)東部鉆井以石鹽為主，夾有石膏和白云巖，偶可見淡化夾層。兩側(cè)較盆內(nèi)東部的環(huán)境相對淡化，以準同生白云巖、泥質(zhì)白云巖為主，西部逐漸過渡到砂屑灰?guī)r。該段以蒸發(fā)巖系組合以及由淡化夾層的中古生物建立的地層格架作為對比依據(jù)。

4)Om4在Om中最為發(fā)育，沉積厚度最大，為Om沉積期最大的一次海侵，盆緣地層較盆內(nèi)發(fā)育較薄。全區(qū)以發(fā)育云斑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r為主，表明沉積環(huán)境水體較深，西緣可見泥屑、顆?；?guī)r。該段與上、下地層巖性差異明顯，較易于對比劃分。

5)Om5為Om最大的一次成鹽期，石鹽、石膏發(fā)育厚度最大,鎮(zhèn)鉀1井與榆9井沉積厚度均達到了500m。盆內(nèi)西部及東西緣地層相對于東部較薄，以準同生白云巖、泥質(zhì)白云巖為主，至西緣桌子山地區(qū)發(fā)育角礫灰?guī)r。該段盆內(nèi)蒸發(fā)巖系除了常見的石鹽和石膏夾層，還在榆9井發(fā)現(xiàn)了厚層含鉀石鹽段。該段盆內(nèi)外巖性差別較大，但在巖性組合上普遍含泥質(zhì)薄夾層，且還在中上部有一套青灰色中層狀白云質(zhì)灰?guī)r可作為標志層，因此海退期特有的巖性組合特征可作為對比的重要標志。

圖6　鄂爾多斯盆地東-西連井(剖面)對比圖

6)Om6在全區(qū)普遍不發(fā)育，僅在東緣韓尾溝剖面，西緣桌子山剖面零星展布，以泥晶灰?guī)r、砂屑灰?guī)r為主要巖性。通過微體古生物地層格架作為地層對比的依據(jù)。

綜上對比可見，盆地東緣相對于盆內(nèi)環(huán)境較為淡化，不是成鉀的有利靶區(qū)，但是沉積環(huán)境在縱向上有極好的耦合性，表明華北板塊東部Om沉積期可作為陜北鹽盆良好的預(yù)備盆地補給物源。位于盆內(nèi)西部的定探1井缺失Om5及其上部地層，表明西部在Om5沉積期存在抬升及剝蝕，與盆地東部形成構(gòu)造單元的相對隔離，而Om5是重要的含鉀層段，故西緣不能作為有利的物源供給區(qū)。

7結(jié)論

1)陜北鹽盆東緣奧陶系碳酸鹽地層共歸納出6個沉積微相類型，分別為：粉晶白云巖微相、泥質(zhì)白云巖微相、礫屑白云巖微相、泥晶灰?guī)r微相、泥質(zhì)條帶灰?guī)r微相及粉屑灰?guī)r微相。

2)研究區(qū)為陸表海碳酸鹽臺地沉積的大背景，奧陶紀沉積環(huán)境經(jīng)歷了3次從局限臺地或蒸發(fā)臺地到開闊臺地的交替變化。Om1、Om3、Om5沉積期為海退期，Om2、Om4、Om6沉積期為海侵期。

3)陜北鹽盆東緣Om5內(nèi)發(fā)育一套青灰色中層狀白云質(zhì)灰?guī)r，表明在Om5沉積期海退蒸發(fā)的大環(huán)境下，經(jīng)歷了一次較大的海侵，該層在盆地中東部均發(fā)育良好，可作為盆地東部連井(剖面)的標志層。

4)鄂爾多斯盆地東緣奧陶系沉積環(huán)境分析表明，東緣沉積環(huán)境與盆內(nèi)在縱向上有極好的耦合性，根據(jù)蒸發(fā)巖礦物沉積序列，華北板塊東部Om沉積期可作為陜北鹽盆良好的預(yù)備云膏盆地補給物源。

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[編輯]鄧磊

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)5-0001-09

[中圖分類號]TE121.3

[作者簡介]蔣蘇揚(1990-)，男，碩士生，主要從事沉積學(xué)、巖相古地理、地球化學(xué)方面的學(xué)習(xí)與研究;通信作者: 張永生, zys_601@126.com。

[基金項目]中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項目 (1212011085516)；國家重大基礎(chǔ)研究計劃“973”課題 (2011CB403001)。

[收稿日期]2015-11-20

[引著格式]蔣蘇揚，張永生，何幼斌，等.陜北鹽盆東緣奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖微相及沉積環(huán)境分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版), 2016,13(5):1～9.