渝東板凳溝下寒武統(tǒng)石龍洞組緩坡相沉積特征

斯尚華, 李建明, 李 旭, 吳鵬濤

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710065; 2.長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 434023)

碳酸鹽巖緩斜坡指坡度小且比較平坦的斜坡,又稱緩坡,坡度一般均<3°,缺乏重力流沉積標(biāo)志。緩坡一般形成于單斜構(gòu)造上。緩坡沉積相模式首先由AHr(1973)提出[1],目前公認(rèn)緩坡與臺(tái)地兩者都屬于陸棚環(huán)境,地質(zhì)歷史時(shí)期大部分碳酸鹽巖沉積在類似緩坡環(huán)境中,但緩坡內(nèi)仍保留部分碳酸鹽巖臺(tái)地沉積類型,波斯灣和美國(guó)佛羅里達(dá)等地區(qū)的現(xiàn)代緩坡沉積研究,為古代緩坡沉積研究提供了實(shí)際的例子。近年來(lái)關(guān)于海平面變化、沉積過(guò)程、構(gòu)造對(duì)碳酸鹽巖緩坡沉積及演化方面的影響仍在探索中[2-4]。本次研究以渝東板凳溝下寒武統(tǒng)石龍洞組沉積特征為對(duì)象,通過(guò)分析巖石類型相標(biāo)志和元素地化標(biāo)志,劃分了沉積亞相,建立了相演化模式。

1 地質(zhì)概況

板凳溝剖面位于重慶市東部石柱縣境內(nèi),中揚(yáng)子地區(qū)中部。從大地構(gòu)造位置看,中揚(yáng)子地區(qū)屬揚(yáng)子地臺(tái)區(qū),南部與華南褶皺系相鄰,東西與上、下?lián)P子區(qū)相連,北部與秦嶺褶皺系相接,是處于兩大褶皺系之間的相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。寒武紀(jì)時(shí),南部華南褶皺系尚未褶皺,表現(xiàn)為華南深海盆地,北部褶皺系為秦嶺海槽,中間為相對(duì)淺水的揚(yáng)子地臺(tái)區(qū)[5-10]。渝東板凳溝剖面下寒武統(tǒng)地層發(fā)育齊全,分布很廣,頂?shù)捉缇€及統(tǒng)組間界線清楚,且有豐富的古生物資料,剖面保存完好,是中揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)代表性剖面之一,具有較高的研究意義(圖1)。該剖面下寒武統(tǒng)地層厚度為2 000 m左右,自下而上可分為四個(gè)組，分別為水井沱組(∈1s)、石牌組(∈1sp)、天河板組(∈1t)、石龍洞組(∈1sl)。其中石龍洞組(該地區(qū)稱清虛洞組,文中統(tǒng)稱石龍洞組)分布厚度為150～400余米。主要為一套碳酸鹽巖,本組以薄層灰?guī)r為主,上部夾厚—中厚層灰?guī)r及少量泥質(zhì)白云巖。

圖1 渝東板凳溝下寒武統(tǒng)剖面位置Fig.1 Location of Lower Cambrian section in Bandenggou,Eastern Chongqing1.地名；2.地層符號(hào)；3.構(gòu)造單元；4.剖面位置。

2 沉積相的劃分

2.1 巖性類型

巖性是指示地層沉積環(huán)境的一種標(biāo)志,通過(guò)巖石薄片鏡下鑒定,表明該石龍洞組地層巖石類型以灰?guī)r為主,其次為含云質(zhì)灰?guī)r、含灰云巖、白云巖等。渝東板凳溝剖面石龍洞組巖性特征主要如下：

(1) 內(nèi)碎屑灰?guī)r。內(nèi)碎屑灰?guī)r粒徑大小可指示沉積環(huán)境中水動(dòng)力類型和能量大小,按粒徑大小從小到大可分為泥屑、粉屑、砂屑和礫屑。該剖面主要發(fā)育砂屑灰?guī)r,常見(jiàn)類型有亮晶砂礫屑灰?guī)r和亮晶粉屑灰?guī)r等(圖2-a、2-b、2-g),發(fā)育層位主要為石龍洞組底部,代表淺緩坡的沉積環(huán)境。

(2) 泥—粉晶灰?guī)r。全由0.001～0.004 mm的灰泥(又稱泥晶)組成,僅含少量異化粒(<10%)的石灰?guī)r,稱為泥晶灰?guī)r(圖2-c、2-d),而粉晶灰?guī)r是由灰泥重結(jié)晶形成。在該剖面石龍洞組中部這類灰?guī)r廣泛、連續(xù)分布,厚度達(dá)數(shù)十米,一般為深灰色,以薄層狀為主,少見(jiàn)中厚層塊狀,有些泥晶灰?guī)r處在軟泥階段被生物擾動(dòng)或遭受滑動(dòng)變形,形成擾動(dòng)泥晶灰?guī)r。這些泥晶灰?guī)r常形成于低能環(huán)境,如浪基面以下的深水區(qū),在淺緩坡等環(huán)境中有分布。

(3) 結(jié)晶白云巖。結(jié)晶白云巖常見(jiàn)類型為含灰質(zhì)泥粉晶白云巖和細(xì)晶白云巖,在該剖面石龍洞組上部這類灰?guī)r廣泛分布,連續(xù)厚度多為幾米,一般為灰色和灰白色,以中—薄層狀為主,少見(jiàn)厚層塊狀,多由泥—粉晶白云石構(gòu)成(圖2-b、2-f、2-h)。表明這類巖石一般形成于水體相對(duì)較強(qiáng)的沉積環(huán)境中,在內(nèi)緩坡等環(huán)境中有分布。

2.2 沉積相特征及劃分

緩坡沉積體系根據(jù)內(nèi)部水體深度、水動(dòng)力特征等可分為內(nèi)緩坡、淺緩坡等亞相。本次通過(guò)碳酸鹽巖樣品碳、氧同位素實(shí)驗(yàn)來(lái)分析該區(qū)沉積環(huán)境,在寒武系石龍洞組一共采集13件,樣品采用CF-IRMS儀分析δ13C和δ18O數(shù)值?，F(xiàn)將分析結(jié)果及所計(jì)算的古鹽度指標(biāo)列于表1。一般來(lái)說(shuō),δ13C、δ18O只與海洋古鹽度相關(guān),而受溫度等其他因素影響不大。Keith和Weber[11-18]在1964年提出了用灰?guī)rδ13C與δ18O值來(lái)區(qū)分時(shí)代晚些的海相石灰?guī)r和淡水石灰?guī)r，其公式如下：

圖2 渝東板凳溝剖面下寒武統(tǒng)石龍洞組巖石照片F(xiàn)ig.2 Photographs of rock types of Shilongdong Formationof Lower Cambrian in Bandenggou section,Eastern Chongqinga.亮晶砂礫屑灰?guī)r；b.粉屑灰?guī)r；c.泥晶含云灰?guī)r；d.粉晶灰?guī)r；e.細(xì)晶白云巖；f.含灰泥粉晶白云巖；g.礫屑灰?guī)r；h.粉晶白云巖。

Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)

式中：Z值為古鹽度；δ13C與δ18O均采用PDB標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)Z>120時(shí)為海相石灰?guī)r,Z<120時(shí)為淡水石灰?guī)r。這一公式在碳酸鹽巖地層古鹽度分析時(shí)取得明顯效果。

本文通過(guò)該方法對(duì)渝東板凳溝剖面石龍洞組沉積期古海水鹽度進(jìn)行了分析和對(duì)比,發(fā)現(xiàn)渝東板凳溝石龍洞組13件樣品的δ13C值變化區(qū)間為-2.2‰～0.9‰,平均值為-0.7‰；δ18O值分布在-9.2‰～-5.3‰范圍,平均值為-7.8‰；樣品的δ13C與δ18O值可作為古環(huán)境分析的可靠參數(shù),較好地保留了古環(huán)境信息。石龍洞組Z值均>120,分布范圍在120.10～124.99,說(shuō)明石龍洞組沉積期該地區(qū)處于海相環(huán)境。通過(guò)碳、氧同位素推斷古環(huán)境特征可知,渝東板凳溝地區(qū)石龍洞組沉積初期,水體鹽度、溫度均略低,海平面波動(dòng)性下降,加之該時(shí)期盆地坡度較緩,有利于碳酸鹽巖的沉積。

通過(guò)野外剖面詳細(xì)觀察分析,掌握所能反映的沉積環(huán)境信息,運(yùn)用識(shí)別沉積相的巖石顏色、巖石類型等沉積學(xué)標(biāo)志,建立渝東板凳溝剖面下寒武統(tǒng)石龍洞組主要的沉積相類型。將石龍洞組劃分為碳酸鹽巖內(nèi)緩坡、淺緩坡等亞相。

表1 渝東板凳溝下寒武統(tǒng)石龍洞組碳酸鹽巖碳氧同位素組成Table 1 Carbon and oxygen isotopic compositions of carbonate rocks of theLower Cambrian Shilongdong Formation in Bandenggou,Eastern Chongqing

(1) 內(nèi)緩坡亞相。內(nèi)緩坡相包括潮汐作用帶及其以上的環(huán)境,水體較淺,發(fā)育中厚層狀泥灰?guī)r、灰質(zhì)云巖、晶粒白云巖等,局限瀉湖和潮坪為主要的沉積作用。化石主要含寬背蟲(chóng)、三葉蟲(chóng)等。該亞相帶廣泛分布于渝東板凳溝剖面石龍洞組上部,后期溶蝕孔洞較發(fā)育(圖3)。

(2) 淺緩坡亞相。該相帶是潮汐作用帶以下到平均浪基面之間的沉積環(huán)境,可出現(xiàn)與風(fēng)暴作用有關(guān)的沉積作用,形成分散且具粒序的濁流沉積。該剖面內(nèi)以淺灰—灰色中厚層、生屑灰?guī)r為主,局部含砂屑粉屑,多見(jiàn)于下寒武統(tǒng)石龍洞組底部,底部還發(fā)育海生化石群,生物擾動(dòng)強(qiáng)烈(圖3)。

圖3 渝東板凳溝石龍洞組緩坡相沉積剖面Fig.3 Sedimentary profile of gentle slope facies of Shilongdong formation in Bandenggou,Eastern Chongqing1.白云巖；2.砂屑灰?guī)r；3.含灰云巖；4.含云灰?guī)r；5.頁(yè)巖；6.藻團(tuán)粒砂屑灰?guī)r；7.灰質(zhì)白云巖；8.含泥質(zhì)條帶灰?guī)r；9.泥質(zhì)云質(zhì)灰?guī)r；10.白云質(zhì)灰?guī)r；11.含泥質(zhì)白云巖；12.含灰質(zhì)泥質(zhì)云巖；13.灰?guī)r；14.鮞?；?guī)r；15.含生物碎屑灰?guī)r；16.泥質(zhì)灰?guī)r；17.含云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r；18.泥質(zhì)條帶；19.構(gòu)造縫；20.縫合線構(gòu)造。

3 碳酸鹽緩坡沉積演化與相模式

沉積演化：一定的碳酸鹽臺(tái)地類型是沉積作用、海平面相對(duì)變化與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)聯(lián)合作用的結(jié)果。早寒武世石龍洞期,渝東板凳溝以淺緩坡碳酸鹽和內(nèi)緩坡沉積為主階段。中揚(yáng)子碳酸鹽臺(tái)地在晚震旦世末變淺暴露后,從早寒武世水井沱期至石牌早期,海平面迅速上升,海侵淹沒(méi)了碳酸鹽臺(tái)地的大部分地區(qū)。這種海侵是早寒武世揚(yáng)子被動(dòng)陸緣幼年期快速熱沉降和全球性海平面上升疊加造成的。揚(yáng)子陸塊周緣被黑色巖系所覆蓋。水井沱期沉積的黑色巖系具全球等時(shí)性,是大洋缺氧事件的產(chǎn)物,最大海泛面位于黑色巖系之中。寒武系近底部沉積常含膠磷礦,在深水盆地區(qū),以含磷硅質(zhì)巖、磷結(jié)核形式存在。它們應(yīng)屬凝縮沉積的產(chǎn)物,反映出了在沉積間隔期內(nèi)凝縮物受到底流、風(fēng)暴流的改造。磷的富集由上升洋流攜帶富磷海水上涌,在克拉通邊緣向海一側(cè)的近斜坡處聚集形成。這個(gè)時(shí)期,以發(fā)育碳酸鹽緩坡為特征。研究區(qū)內(nèi)邊緣斜坡帶普遍發(fā)育泥—粉晶灰?guī)r,重力沉積不發(fā)育,僅有小型滑動(dòng)變形構(gòu)造等。從整體上看,碳酸鹽緩坡在中揚(yáng)子?xùn)|南緣及北緣廣泛發(fā)育。Burehette(1992)[14]也指出,碳酸鹽緩坡在被動(dòng)大陸邊緣主要發(fā)育于裂谷后階段的被動(dòng)陸緣幼年期。早寒武世石龍洞組沉積末期,研究區(qū)水體急劇變淺,具鳥(niǎo)眼等暴露標(biāo)志。

相模式：在沉積相劃分的基礎(chǔ)上,初步建立了渝東板凳溝剖面沉積相模式。早寒武世石龍洞期,中揚(yáng)子西部地區(qū)主要為一套緩坡相沉積,以發(fā)育內(nèi)緩坡、淺緩坡沉積為主(圖4)。

圖4 渝東板凳溝早寒武世石龍洞組緩坡相沉積模式Fig.4 Sedimentary model of gentle slopefacies of early Cambrian Shilongdong formation in Bandenggou,Eastern Chongqing1.灰?guī)r；2.生物灰?guī)r；3.含云灰?guī)r；4.碎屑灰?guī)r；5.泥灰?guī)r。

4 結(jié)論

(1) 渝東板凳溝下寒武統(tǒng)石龍洞組發(fā)育泥—粉晶灰?guī)r、內(nèi)碎屑灰?guī)r、晶粒白云巖等。

(2) 渝東板凳溝石龍洞組地層δ13C值變化區(qū)間為-2.2‰～0.9‰,平均值為-0.7‰；δ18O值分布在-9.2‰～-5.3‰范圍,平均值為-7.8‰；Z值分布范圍在120.10～124.99,均>120,表明石龍洞組沉積期該地區(qū)處于海相環(huán)境,水體鹽度、溫度均略低,盆地坡度較緩,有利于碳酸鹽巖的沉積。

(3) 渝東板凳溝下寒武統(tǒng)石龍洞組沉積相為早期的淺緩坡型、晚期的內(nèi)緩坡型兩種類型。