桂西南地區(qū)三疊系沉積型錳礦床成因研究

尹青，伊海生，周凱

1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059 2.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南濮陽 457001 3.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610059

桂西南地區(qū)三疊系沉積型錳礦床成因研究

尹青1,2，伊海生1,3，周凱2

1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059 2.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南濮陽 457001 3.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610059

桂西南地區(qū)錳礦床資源富集并具有較好的找礦前景，然而目前有關(guān)該區(qū)三疊系主要沉積地層的地層格架劃分尚較薄弱且鮮有探討。利用桂西南地區(qū)東平錳礦區(qū)四口鉆孔的自然伽馬測井曲線進(jìn)行去趨勢、高通濾波處理以及累計殘差計算等方法，對桂西南地區(qū)含錳巖系進(jìn)行了旋回地層學(xué)研究。研究結(jié)果表明：含錳巖系下三疊統(tǒng)北泗組共可劃分為四個海進(jìn)—海退旋回層序，碳酸錳礦層發(fā)育的旋回層序位置主要出現(xiàn)于各旋回層序內(nèi)海退沉積序列中，并位于旋回層序內(nèi)海退—海侵界面附近，錳礦沉積主要發(fā)生在相對海平面由緩慢下降至逐漸上升的時期的轉(zhuǎn)換時期。綜合研究區(qū)錳礦形成的海平面變化、古地理條件、錳質(zhì)來源、氧化還原條件等特征的基礎(chǔ)上，筆者提出了研究區(qū)錳礦成因模式，即具有地理隔絕形式的、并由同生斷裂控制的“局限?！迸_盆相碳酸錳礦沉積模式，碳酸錳礦的形成主要經(jīng)歷以下3個階段：1)海平面下降—氧化錳礦物形成階段；2)海平面上升—氧化錳礦物轉(zhuǎn)化碳酸錳礦物階段；3)最高海泛面—少量碳酸錳礦物發(fā)育階段。該研究成果可為桂西南地區(qū)今后錳礦勘探工作中的地層分析、建立區(qū)域內(nèi)高頻層序單元格架及錳礦成因等研究提供一種新的方法和手段。

桂西南地區(qū)；三疊系；含錳巖系；旋回地層；海平面變化

桂西南地區(qū)是我國重要的優(yōu)質(zhì)富錳礦產(chǎn)區(qū)之一，該區(qū)發(fā)育的錳礦床(礦點)多、儲量大，已探明的錳礦儲量近2億噸，錳礦資源量居全國之首。且錳礦賦存層位較多，根據(jù)產(chǎn)出特征錳礦類型總體可分為地下深部沉積型碳酸錳礦床[1-3]和地表淺部次生氧化錳礦床[4-6]兩大類。三疊系是桂西南地區(qū)重要的含錳礦地層之一，含礦層位為下三疊統(tǒng)北泗組，是近碳酸鹽臺地的淺海臺盆相碳酸鹽巖建造。其下部夾4～13層含錳硅質(zhì)巖或含錳灰?guī)r，淺部形成錳帽型氧化錳礦。隨著近年來桂西南地區(qū)地表次生氧化錳礦床的開采接近枯竭，以及鋼鐵、錳系合金等錳礦深加工產(chǎn)品的需求量持續(xù)加大，錳礦已被國家列為緊缺礦種之一，亟需后續(xù)大量的錳資源來支持。因此，桂西南地區(qū)下三疊統(tǒng)北泗組錳礦勘查工作也由地表氧化錳礦床逐漸轉(zhuǎn)入深部沉積碳酸錳礦床，其地質(zhì)研究工作也日益受到人們的重視。

然而目前有關(guān)桂西南地區(qū)三疊系地層格架劃分尚較薄弱，沉積旋回和錳礦床的沉積成因鮮有探討。研究區(qū)下三疊統(tǒng)含錳巖系巖性較為單調(diào)，總體為灰質(zhì)、泥質(zhì)、硅質(zhì)、碳質(zhì)等混合沉積，錳礦層雖然數(shù)量較多但標(biāo)志層不明顯。如何進(jìn)行井間地層以及礦層對比一直是制約該地區(qū)錳礦勘探的難題。對于研究區(qū)沉積型碳酸錳礦床盆地，旋回地層研究可作為其重要的地層分析方法之一。由于旋回地層學(xué)用于識別和對比沉積旋回周期性變化具有較高的精確性和分辨率，其層序劃分方案具有較統(tǒng)一和科學(xué)的定量方法，可大大減少了人為因素在高分辨率地層劃分和對比研究中的影響[7]，近年來在前寒武紀(jì)至第四紀(jì)地層高精度劃分與對比的研究中得到廣泛的應(yīng)用[8-11]。

2013年，由中國冶金地質(zhì)總局承擔(dān)，成都理工大學(xué)與四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院共同負(fù)責(zé)完成，首次將油田、煤田及鈾礦等廣泛采用的測井技術(shù)應(yīng)用到桂西南地區(qū)錳礦床試驗研究。本文應(yīng)用研究區(qū)四口鉆孔的自然伽馬測井曲線，采取頻譜分析、濾波處理及累計殘差等方法，對含錳巖系進(jìn)行了旋回地層學(xué)方面的研究，揭示了旋回層序在下三疊統(tǒng)北泗組含錳巖系的發(fā)育規(guī)律和特點、旋回疊加模式以及層序成因機制，并提出了研究區(qū)錳礦成因模式。旨為今后在探討含錳巖系成因機制，建立勘探區(qū)內(nèi)中、下三疊統(tǒng)高分辨率地層格架，以及應(yīng)用定量模擬方法解決地層和沉積方面的問題等方面研究提供新的技術(shù)和思路。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

桂西南錳礦區(qū)位于中國南方大陸構(gòu)造域與古特提斯—喜馬拉雅構(gòu)造域交匯部位附近，早古生代屬于揚子準(zhǔn)地臺與華南地槽的過渡區(qū)[12]。該區(qū)一級大地構(gòu)造單元處于南華準(zhǔn)地臺西南段，二級構(gòu)造單元為右江再生地槽區(qū)[13]。研究區(qū)東南緣界限為南寧斷裂，東北緣界限為南丹—昆侖關(guān)斷裂，西北緣界限為彌勒—師宗斷裂，南緣界限紅河斷裂，在平面上表現(xiàn)為由東向西呈菱形狀展布的構(gòu)造區(qū)，也被稱作為右江褶皺構(gòu)造帶[14](圖1)。該區(qū)經(jīng)歷了加里東構(gòu)造運動期地槽階段—海西構(gòu)造運動期地臺階段—印支構(gòu)造運動期再生地槽階段的發(fā)展演化歷程。

桂西南地區(qū)普遍缺失上三疊統(tǒng)地層，發(fā)育以陸源碎屑巖沉積為主的中三疊統(tǒng)百逢組及以碳酸鹽巖為主的下三疊統(tǒng)地層北泗組與馬腳嶺組。其中，下三疊統(tǒng)北泗組是本區(qū)重要的含礦地層之一，含錳巖系主要分布于天等、田東、德保三縣交界部位，為近碳酸鹽臺地的淺海臺盆相碳酸鹽巖沉積。東部天等一帶主要發(fā)育灰—深灰色薄層泥灰?guī)r、硅質(zhì)泥灰?guī)r，并含多層含錳硅質(zhì)泥灰?guī)r及碳酸錳礦層，地層總厚度182 m，含錳礦層厚約15 m，向北向西層數(shù)減少厚度變薄[15]。西部大旺一帶，含錳地層頂部為淺色薄層頁巖，泥巖及粉砂巖，夾有含錳灰?guī)r，上部為細(xì)砂巖，中下部為內(nèi)碎屑灰?guī)r及鮞粒灰?guī)r。

2 旋回層序劃分

2.1 原理與方法

地層中符合采樣密度要求的地球化學(xué)數(shù)據(jù)(如穩(wěn)定碳、氧同位素、87Sr/86Sr比值和CaCO3含量等)和地球物理數(shù)據(jù)(如自然伽馬、磁化率、巖石密度和色率等)均可用于旋回地層學(xué)的研究[16]。在地下鉆井剖面中，自然伽馬測井曲線(GR)具有等間距采樣、連續(xù)測量和縱向分辨率高的特點，自然伽馬強度可以敏感地反映巖性旋回和巖相韻律互層在深度域中的變化[17-19]，進(jìn)而能夠反映古環(huán)境和古氣候的變化[20-21]，可作為檢測旋回層序及識別海平面或湖平面變化趨勢的資料[22-23]，因而在旋回地層研究中得到了廣泛的應(yīng)用[24-26]。

圖1 桂西南構(gòu)造綱要圖(據(jù)文獻(xiàn)[15]修改)Fig.1 Structure units of the study area

自然伽馬測井曲線可以敏感的反映陸源碎屑巖—碳酸鹽巖混合沉積巖中黏土礦物含量的變化。在海侵期，由于相對海平面的上升，海域擴張，泥巖含量增加，因此所沉積的巖石中放射性黏土礦物如伊利石、高嶺石等含量較多，致使自然伽馬測井?dāng)?shù)值較高；而在海退期，隨著相對海平面的下降和海岸線逐漸向海遷移，沉積物中粉砂巖與碳酸鹽巖的含量增加，黏土礦物的含量逐漸減少，導(dǎo)致自然伽馬測井?dāng)?shù)值較低[27]。因此，可根據(jù)對泥質(zhì)含量反映較為敏感的自然伽馬測井?dāng)?shù)值的高低變化的規(guī)律來劃分沉積地層中海侵—海退沉積旋回序列，并且沉積序列轉(zhuǎn)換界面的位置可作為識別沉積層序界面的標(biāo)志。

在旋回地層研究中，殘差分析是最簡單常用的方法之一[28]。其通過計算參數(shù)值與參數(shù)平均值之差的累計值所提供的信息，進(jìn)行參數(shù)數(shù)據(jù)序列中所包含的周期性信號分析。本文應(yīng)用自然伽馬濾波曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差運算，其變量為自然伽馬幅度殘差，即自然伽馬濾波數(shù)值與其平均值之差。其計算過程與應(yīng)用在潮坪碳酸鹽巖沉積層序研究中的圖解相類似，而差別是Fischer圖解是采用旋回厚度作為計算參數(shù)[29-31]。應(yīng)用測井曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行旋回幅度殘差計算，再利用波形法解析向上變深或向上變淺的沉積旋回疊置形式可以較好的劃分旋回層序。其計算方法如下：

(3) 對各測井參數(shù)數(shù)據(jù)殘差Yn進(jìn)行累計計算，得到新數(shù)列Zn(n=1,2,3…)。Zn=Y1+Y2+Y3+…+Yn-1。

繪制自然伽馬幅度累計殘差圖解時，其橫坐標(biāo)為地層深度，縱坐標(biāo)為自然伽馬濾波數(shù)值殘差的累積偏移量，殘差累計數(shù)值的平均值則作為偏移數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)線。

2.2 測井?dāng)?shù)據(jù)選擇

為了對含錳巖系下三疊統(tǒng)北泗組層序地層格架有一個全面的了解，本文選用東平礦區(qū)鉆遇中、下三疊統(tǒng)地層較完整的ZK0302井的自然伽馬測井曲線作為旋回地層分析的參數(shù)曲線，該井所鉆遇的地層從頂至底分別為中三疊統(tǒng)百逢組，下三疊統(tǒng)北泗組和馬腳嶺組，鉆井深度為310 m，測井采樣間隔為0.05 m。其中，中三疊統(tǒng)百逢組未見頂，下三疊統(tǒng)馬腳嶺組未見底，而含礦地層下三疊統(tǒng)北泗組頂?shù)捉琮R全。根據(jù)鉆孔ZK0302編錄資料，中三疊統(tǒng)百逢組位于井深10～84.71 m處，地層厚度為74.71 m，自然伽馬測井?dāng)?shù)值范圍為12.13～73.36 API，巖性主要以泥巖與泥質(zhì)粉砂巖為主，底部以出現(xiàn)凝灰?guī)r與下伏北泗組分界。含錳礦地層下三疊統(tǒng)北泗組約在井深84.71～250.58 m處，地層厚度為165.87 m，自然伽馬測井?dāng)?shù)值范圍為5.62～92.31 API，其巖性主要以硅質(zhì)泥灰?guī)r、含錳硅質(zhì)泥灰?guī)r夾碳酸錳礦為主。ZK0302井鉆遇的錳礦層較多，共為五層。該井北泗組上部只出現(xiàn)一層碳酸錳礦層，其厚度較薄，位于井深107.63～108.23 m處，厚度約為0.6 m。而北泗組下部錳礦層出現(xiàn)較為密集，共為四層，主要集中于井深150～170 m處，其分別出現(xiàn)于156.11～157.21 m、158.56～159.49 m、161.43～163.76 m、166.07～167.4 m處，厚度分別為1.1 m、0.93 m、2.3 m和1.33 m。下三疊統(tǒng)馬腳嶺組以出現(xiàn)條帶狀泥質(zhì)灰?guī)r為標(biāo)志，與上覆下三疊統(tǒng)北泗組分界。其井深位于250.58～310.8 m處，地層厚度約為60.22 m，自然伽馬測井?dāng)?shù)值范圍為2.1～23.49 API。就測井曲線整體而言，自然伽馬測井?dāng)?shù)值的高值與地層中含泥質(zhì)含量較高的巖性相對應(yīng)，低值與含泥質(zhì)含量較低的巖性相對應(yīng)，自然伽馬曲線本身顯示出較好的旋回性變化。

2.3 測井頻譜分析

在實際情況下，測井信號在采集和測量的過程中，會受到大量噪聲信號的干擾，導(dǎo)致所測曲線形成較多尖峰和突變部分，造成含有較多的高頻干擾信號。并且在干井段和鉆井液侵染井段以及井壁受泥粉混染、鉆井液密度變化等干擾因素的影響，會造成測井曲線發(fā)生基線偏移，形成各種低頻波信號(圖2A，B)。因此在對實際測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析之前，為消除噪音和人為干擾因素的影響，首先要進(jìn)行測井?dāng)?shù)據(jù)的預(yù)處理，消除測井曲線中所夾雜的干擾信號。

本文通過去趨勢方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除原始測井?dāng)?shù)據(jù)的低頻信號的干擾。首先利用Past軟件[32-33]對原始自然伽馬測井曲線進(jìn)行去趨勢處理，調(diào)用Past軟件下Model窗口下Polynomial程序，選擇需要濾掉的趨勢線階數(shù)，本文所有曲線均選用去除5階趨勢線的方法處理。之后再利用Matlab軟件，采用高通濾波方法，提取波長小于100 m(即頻率為0.01)的濾波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖中可見，經(jīng)過處理的自然伽馬測井曲線數(shù)值既有正值，亦有負(fù)值(圖2C)。

圖2 東平礦區(qū)ZK0302井自然伽馬原始曲線、濾波曲線與累計殘差曲線及頻譜分析圖Fig.2 Original GR data，filtering GR data，cumulative residual curves and their spectral analysis diagram from the Well ZK0302 of Dongping manganese mine-zone

原始自然伽馬測井曲線進(jìn)行信號預(yù)處理之后，需要對所得的自然伽馬測井濾波曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。利用Past軟件進(jìn)行頻譜分析，調(diào)用Time窗口下Spectral analysis程序，可得到濾波曲線中各頻率與功率的數(shù)據(jù)結(jié)果。再根據(jù)波長與頻率之間的倒數(shù)關(guān)系進(jìn)行換算，即可知自然伽馬測井濾波曲線中各波長功率譜關(guān)系圖。

通過對ZK0302鉆孔自然伽馬濾波曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析(如圖2D)，其結(jié)果表明，地層厚度為56 m、33.42 m和11.64 m的主旋回波長為優(yōu)勢頻譜峰，但高通濾波曲線仍受一系列波長小于十米的高頻波信號干擾。進(jìn)一步進(jìn)行累計殘差計算(圖2E)，并根據(jù)頻譜分析結(jié)果可知(圖2F)，該曲線僅保留了地層厚度為56 m與33.42 m的主旋回波長，波長小于十米的高頻波均無功率顯示。

2.4 旋回層序劃分

根據(jù)自然伽馬幅值累積殘差曲線的判別原理，ZK0302井所鉆遇的中、下三疊統(tǒng)地層共可劃分為七個海侵—海退沉積序列(圖3，4)。而中、下三疊統(tǒng)三個地層界面在累積殘差曲線上出現(xiàn)于井深85 m與250 m處負(fù)半波與正半波曲線的轉(zhuǎn)換界面位置附近，并且這個界面也是向上變淺與向上變深的沉積層序序列過渡的位置：下三疊統(tǒng)北泗組與頂部中三疊統(tǒng)百逢組界線在深度域上由深至淺變現(xiàn)為海侵沉積序列向海退沉積序列轉(zhuǎn)換的位置，為一正半波曲線向負(fù)半波曲線過渡的形態(tài)；而下三疊統(tǒng)北泗組與底部下三疊統(tǒng)馬腳嶺組地層界線在深度域上由淺至深表現(xiàn)為海退沉積序列向海侵沉積序列轉(zhuǎn)換的位置，其地層界線為負(fù)半波曲線與正半波曲線的轉(zhuǎn)換界面。含錳巖系下三疊統(tǒng)北泗組共可劃分為四個海進(jìn)—海退旋回層序，錳礦層發(fā)育在Cs4與Cs6中的海退沉積序列內(nèi)。同時可以看出，在北泗組地層內(nèi)部還存在至少4～5個高頻旋回層序。

圖4 ZK0302鉆孔旋回層序綜合柱狀圖Fig.4 Analysis of cyclostratigraphy of the Well ZK0302 in Dongping manganese mine-zone

2.5 旋回結(jié)構(gòu)解析

在以泥巖和灰?guī)r為主的碳酸鹽巖地層剖面中，按照巖層的組成結(jié)構(gòu)和厚度變化劃分，旋回地層可以識別出兩類變化趨勢(圖5)。一類是以泥質(zhì)含量的變化作為指標(biāo)，地層旋回可劃分為向上變深的海侵沉積序列或向上變淺的海退沉積序列。如果泥質(zhì)含量以自然伽馬數(shù)值的變化作為指標(biāo)，則可以通過解析沉積地層記錄中向上變淺和向上變深的旋回疊加形式，并可以確定旋回地層層序的轉(zhuǎn)換界面。另一類則是以地層的厚度作為參數(shù)，表現(xiàn)為向上變薄或變厚的旋回疊置樣式。這類分析也可以根據(jù)自然伽馬累積殘差曲線中正、負(fù)半波信號轉(zhuǎn)換點的位置計算波長求取旋回厚度在深度域上的變化，進(jìn)而能夠反映沉積地層記錄中旋回層序厚度向上變薄或向上變厚的旋回疊加樣式的變化趨勢。

這兩類變化趨勢可以是同步變化的，也可以是無明顯相關(guān)變化的。一般解釋認(rèn)為，碳酸鹽巖地層的組成結(jié)構(gòu)變化與沉積環(huán)境的水動力強弱或相對海平面的變化有關(guān)，而巖層厚度的變化則受沉積物供應(yīng)量大小以及沉積速率變化所控制[34-38]。因此，在旋回地層學(xué)的分析過程中，即可以通過測井信號幅度的變化規(guī)律劃分海侵—海退旋回層序序列，也可以根據(jù)地層旋回厚度的變化分析海侵—海退旋回中，各沉積序列沉積物供應(yīng)量與沉積速率的變化趨勢。

圖5 沉積記錄中沉積旋回信號幅度和波長變化形式示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[28]修改)Fig.5 Amplitude and wavelength directional changes of sedimentary cycle signals in stratigraphic records

對ZK0302井自然伽馬測井曲線進(jìn)行高通濾波處理，濾波頻率的上限為0.01(即波長為100 m)，繪制其累積幅度殘差曲線。根據(jù)濾波曲線數(shù)據(jù)編繪的累積幅度殘差曲線上正負(fù)半波信號轉(zhuǎn)換點的位置計算其波長，可以求取并繪制深度域上每一個海侵沉積序列或海退沉積序列的厚度(圖6)。

觀察圖6中旋回波長隨井深變化可以發(fā)現(xiàn)，含錳礦地層下三疊統(tǒng)北泗組沉積序列厚度普遍大于中三疊統(tǒng)百逢組和下三疊統(tǒng)馬腳嶺組。同時根據(jù)計算求得下三疊統(tǒng)北泗組沉積序列厚度最大值為31.125 m，出現(xiàn)在井深172.25 m處，而旋回厚度最小值為1.25 m，位于井深203.375 m處。北泗組沉積序列厚度普遍較大，但有兩個低值區(qū)，位于井深100.875～118 m和203.375～212.125 m處，這些旋回厚度減薄的低值區(qū)間是沉積物供應(yīng)量低，相對沉積速率小的標(biāo)志。

通過ZK0302井自然伽馬測井曲線進(jìn)行濾波頻率的上限為0.01的高通濾波處理計算得到的累積幅度殘差曲線中可知，在下三疊統(tǒng)北泗組地層內(nèi)部還存在至少4～5個次一級的高頻旋回層序。由于頻率與波長存在倒數(shù)關(guān)系，因此增加濾波頻率的上限，即減小濾波波長的長度，可更為細(xì)致的研究地層旋回中沉積序列厚度的變化規(guī)律。

由前文所述，ZK0302鉆孔自然伽馬濾波曲線數(shù)據(jù)頻譜分析結(jié)果中，還存在主旋回波長為33.42 m的優(yōu)勢頻譜峰，因此，繼續(xù)對自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，將濾波上限增加到0.3，用所得到的濾波數(shù)據(jù)再進(jìn)行累積幅度殘差計算，可進(jìn)一步研究旋回層序厚度在更高頻率段上向上變薄或變厚的旋回疊置關(guān)系的變化趨勢。從旋回波長隨井深變化的曲線中可以觀察到(圖7)，下三疊統(tǒng)北泗組與馬腳嶺組的沉積序列厚度總體大于中三疊統(tǒng)百逢組。同時，下三疊統(tǒng)北泗組的頂部約85 m處與上覆中三疊統(tǒng)百逢組和底部約250 m處與下伏下三疊統(tǒng)馬腳嶺組的地層界限附近，有兩個較為明顯的旋回地層厚度變薄的地層界面，而這兩個界面深度恰是海侵沉積序列與海退沉積序列過渡的部位，其可能反映了沉積物的供應(yīng)量由減少到增加、沉積速率從下降到上升的沉積過程。

對比上述兩種不同頻率的高通濾波曲線所得到旋回波長變化圖的可以發(fā)現(xiàn)，濾波頻率較低的波長變化圖反映的是低頻長旋回地層厚度的變化規(guī)律，可用來解析沉積地層記錄中旋回厚度向上變厚和向上變薄變化的整體趨勢。而濾波頻率較高的旋回波長變化圖可以表現(xiàn)出高頻短旋回地層厚度的變化特征，這能夠?qū)π氐貙映练e序列厚度的變化規(guī)律進(jìn)行細(xì)節(jié)上的研究。同時可以看出，濾波頻率越高，則對旋回厚度向上變厚和向上變薄變化規(guī)律描繪的越為細(xì)致，對沉積物供應(yīng)量與沉積速率變化特征的研究也越為準(zhǔn)確，并且可更加精確的標(biāo)定地層界面。

圖6 鉆孔ZK0302自然伽馬累計殘差曲線及波長變化圖(濾波上限0.01)Fig.6 Cumulative residual curves and cyclic wavelength variation diagram of GR filtering data from the Well ZK0302 of Dongping manganese mine-zone(filter upper limit 0.01)

圖7 鉆孔ZK0302自然伽馬累計殘差曲線及波長變化圖(濾波上限0.3)Fig.7 Cumulative residual curves and cyclic wavelength variation diagram of GR filtering data from the Well ZK0302 of Dongping manganese mine-zone(filter upper limit 0.3)

鉆孔ZK0302鉆遇的碳酸錳礦層主要位于下三疊統(tǒng)北泗組頂部井深約107.63～108.23 m處和底部井深約156～167 m處。頂部碳酸錳礦層厚度較薄，厚度約為0.6 m。底部錳礦層發(fā)育較為密集，共為四層，總厚度約5.66 m。同步分析自然伽馬測井曲線累計殘差曲線和旋回波長變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，北泗組中發(fā)育的碳酸錳礦層在自然伽馬累計殘差曲線上出現(xiàn)于海退旋回層序內(nèi)，而在旋回波長變化曲線上位于旋回波長較大、地層向上變厚的相對沉積速率高值區(qū)。這些旋回厚度增厚的高值區(qū)表明沉積物供應(yīng)量高、沉積速率大有利于碳酸錳礦的發(fā)育。并且通過進(jìn)一步研究可知，在下三疊統(tǒng)北泗組地層內(nèi)部，碳酸錳礦出現(xiàn)的底部層位旋回地層厚度明顯較頂部層位大，這說明在碳酸錳礦沉積期，北泗組底部沉積物供應(yīng)量較高，沉積速率也較大，因此北泗組底部所發(fā)育的碳酸錳礦層也較頂部礦層數(shù)量多，礦層厚度也較大。

2.6 聯(lián)井旋回層序劃分與對比

通過上述方法，對鉆孔ZK1102、ZK7601與ZK7213自然伽馬測井曲線進(jìn)行處理，并建立起研究區(qū)旋回層序地層格架后發(fā)現(xiàn)(圖8)，旋回層序的組成特征以及層序格架內(nèi)部含錳巖系的橫向分布特點都具有規(guī)律性，能夠合理的發(fā)現(xiàn)碳酸錳礦層發(fā)育的有序性：1)含錳巖系下三疊統(tǒng)北泗組與頂部中三疊統(tǒng)百逢組以及底部下三疊統(tǒng)馬腳嶺組地層界線在自然伽馬幅值累積殘差曲線深度域上由淺至深均表現(xiàn)為由負(fù)半波向正半波轉(zhuǎn)換的曲線形態(tài)，即為海退—海侵沉積序列轉(zhuǎn)換界面位置附近。2)含錳巖系下三疊統(tǒng)北泗組可劃分為四個海進(jìn)—海退旋回層序，大多表現(xiàn)為對稱狀或者近似對稱狀旋回，這表明北泗組至少經(jīng)歷了四次相對海平面變化，且整個研究區(qū)所處的臺盆相沉積環(huán)境相似且穩(wěn)定。并且在某些旋回層序內(nèi)部，由于高頻海平面變化的影響，鉆孔自然伽馬幅值累積殘差曲線波動較大，這說明在地層內(nèi)部還存在多個次一級的高頻旋回層序。3)碳酸錳礦層發(fā)育的旋回層序位置不同，但主要出現(xiàn)于各旋回層序內(nèi)海退沉積序列中，并位于旋回層序內(nèi)海退—海侵沉積序列界面附近，這表明錳礦的沉積主要發(fā)生在相對海平面由緩慢下降至逐漸上升的時期的轉(zhuǎn)換時期。

3 錳礦沉積成因討論

晚二疊世至中三疊世，在印支構(gòu)造運動拉張作用的持續(xù)影響下，使桂西南地區(qū)在晚古生代形成的準(zhǔn)地臺逐漸消失，致使研究區(qū)進(jìn)入了裂谷坳陷期而形成右江再生地槽。在此階段，晚古生代末已存在的裂陷帶開始急劇擴張，使碳酸鹽臺地發(fā)生裂解而破碎，形成了大面積的拗陷區(qū)[39-40]。在早三疊世，在構(gòu)造拉張作用下因同沉積斷裂帶發(fā)育了眾多的地勢較低的溝槽或盆地，形成了較為典型的臺盆相間的沉積古地理格局，這對之后錳礦的錳質(zhì)的來源、沉積環(huán)境以及成礦作用提供了有利條件。

圖8 研究區(qū)中、下三疊統(tǒng)旋回地層劃分與對比圖Fig.8 The Triassic sequence stratigraphic framework in the southwestern Guangxi area

研究區(qū)下三疊統(tǒng)北泗組含錳巖系的發(fā)育經(jīng)歷了多次海平面變化，錳礦層主要發(fā)育于旋回層序格架的海退沉積序列中，并位于海退沉積序列與海侵沉積序列之間的轉(zhuǎn)換界面附近。據(jù)張舜新[41]對本區(qū)田東縣作登剖面與平果縣太平圩剖面的牙形石帶的時代鑒定，本區(qū)下三疊統(tǒng)北泗組時代屬晚三疊世奧倫尼克階(245～249.7 Ma)。通過ZK0302鉆孔累計殘差曲線可進(jìn)一步作出反映其低頻長趨勢海平面變化曲線，與全球海平面對比后發(fā)現(xiàn)[42]，其與全球三級海平面變化具有有較好的同步性，這說明研究區(qū)區(qū)海平面變化主要受全球三級海平面的影響(圖4)。同時可以發(fā)現(xiàn)，早三疊世在全球三級海平面上升的大背景下，研究區(qū)錳礦層的發(fā)育受更高一級的海平面海退期所控制。

自然水體系統(tǒng)的氧化還原環(huán)境決定了錳元素的溶解度及賦存狀態(tài)(圖9)。錳元素的價態(tài)會隨著環(huán)境的不同而發(fā)生變化：在氧化環(huán)境下，錳離子會呈高價態(tài)的Mn4+賦存于錳氧化物中(如軟錳礦)；而在還原環(huán)境中，錳離子會呈低價態(tài)的Mn2+溶解于水中或賦存于錳碳酸鹽中(如菱錳礦)。在分層海水中，錳質(zhì)在水體深部的還原環(huán)境中以Mn2+離子狀態(tài)穩(wěn)定存在，使錳在海水中的保持較高溶解度。當(dāng)水體中氧化還原界面降低時，使原先處于還原狀態(tài)的Mn2+離子進(jìn)入富氧的狀態(tài)，而被氧化成高價態(tài)的Mn4+離子形成氧化物而發(fā)生沉淀；而當(dāng)水體中氧化還原界面再次升高時，含錳的氧化物重新進(jìn)入還原環(huán)境發(fā)生溶解或與碳酸氫鹽發(fā)生反應(yīng)形成錳碳酸鹽的沉積[43-45]。因此，氧化還原界面的波動控制著錳質(zhì)賦存形態(tài)的性質(zhì)，并決定了錳礦的發(fā)育。

圖9 氧化錳與碳酸錳在自然水體中的穩(wěn)定性 (據(jù)文獻(xiàn)[45]修改)Fig.9 Stability of Mn oxide and Mn carbonate deposits in natural water

海平面變化影響著氧化還原界面的變化，因此在沉積錳礦床的形成過程中起著重要的作用。含錳巖系中錳含量的高值與海平面上升期最低含氧帶擴展有關(guān)，錳質(zhì)的富集出現(xiàn)在層序地層格架中海侵體系域與高水位體系域轉(zhuǎn)換期內(nèi)，并且大多與黑色頁巖共生[46]。在海平面高水位期，海灣和河口彎是錳質(zhì)沉積產(chǎn)生的重要場所，結(jié)核狀和團塊狀的錳礦受到潮汐、河流的搬運而富集或分散。在海侵期海平面上升產(chǎn)生缺氧環(huán)境、沉積速率降低有利于錳的沉淀聚集。如果氧化還原界面深度隨著海平面升降發(fā)生變化，當(dāng)處于還原狀態(tài)的海水底層低價態(tài)游離Mn2+隨海平面的上升混入到處于表層氧化狀態(tài)的海水中時，溶解錳就會被氧化而發(fā)生沉淀[47-48]。由此可知，海平面變化是通過控制氧化還原界面的波動來間接的影響碳酸錳礦形成，即盆地內(nèi)氧化錳與碳酸錳的轉(zhuǎn)化環(huán)境以及碳酸錳成礦后的賦存層位主要受由海平面變化引起的氧化還原界面的升降所控制。

目前，現(xiàn)代大洋沉積物還沒有錳碳酸鹽沉積的報道，現(xiàn)代大洋底部的錳結(jié)核和錳結(jié)殼一般為氧化錳礦物形式出現(xiàn)，但在地質(zhì)記錄中錳碳酸鹽礦床分布較為廣泛。氧化錳和碳酸錳的沉淀出現(xiàn)在缺氧或貧氧盆地環(huán)境，碳酸錳形成在早期成巖階段，它是在有機質(zhì)的氧化過程發(fā)生氧化錳還原反應(yīng)的結(jié)果，并且錳的富集與細(xì)菌活動密切或與海底甲烷氣滲漏事件有成因聯(lián)系[49-50]。通過綜合考慮研究區(qū)錳礦形成的海平面變化、古地理條件、錳質(zhì)來源、氧化還原條件等特征的基礎(chǔ)上，筆者提出了研究區(qū)錳礦成因模式，即具有地理隔絕形式的，并由同生斷裂控制的“局限?！迸_盆相碳酸錳礦沉積模式，研究區(qū)碳酸錳礦的形成主要經(jīng)歷以下三個階段(圖10)：

(1) 海平面下降—氧化錳礦物形成階段

在海平面水位較低的階段，來自海岸區(qū)域的陸源地表水大量地注入海水，此時錳質(zhì)除了來源于臺盆內(nèi)生的熱液噴口之外，還有大量溶解在河水以及有機質(zhì)中的錳質(zhì)膠體與離子提供。海平面下降導(dǎo)致氧化還原界面下降，使臺盆內(nèi)之前處于還原環(huán)境的深部區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)化為水體較淺的氧化環(huán)境，并且由于地表水的注入，使臺盆內(nèi)水體循環(huán)增強，富氧的水層與淡化海水中的的錳質(zhì)大量混合，導(dǎo)致處于海水表層溶解狀態(tài)的錳質(zhì)以較穩(wěn)定的高價態(tài)氧化錳礦物(如MnO2)的形式大量沉積下來形成氧化錳礦物(圖10A)。

(2) 海平面上升—氧化錳礦物轉(zhuǎn)化碳酸錳礦物階段

在經(jīng)歷低海平面階段后，海平面逐漸上升，使海岸區(qū)域的陸源地表流入海水的注入量逐漸減少。在這個階段，受控于海平面變化影響的氧化還原界面逐漸上升，之前形成的氧化錳礦物帶由水體較淺的氧化環(huán)境也逐漸過渡于水體較深的低氧甚至缺氧的還原環(huán)境。并且由于地表水的流入，海水中有機質(zhì)的含量增加，導(dǎo)致藻類以及各類浮游類生物大量繁殖，導(dǎo)致海水中二氧化碳含量逐漸增加，貧氧的還原帶控制區(qū)域也逐漸擴大。同時，在水體中賦存的大量碳酸根、碳酸氫根離子與高價態(tài)的氧化錳礦物發(fā)生反應(yīng)，成巖的過程中在貧氧的還原環(huán)境中不斷轉(zhuǎn)化為錳碳酸鹽，造成在旋回層序轉(zhuǎn)換界面附近碳酸錳礦層的形成。若海平面上升速度較緩慢，則會使氧化錳礦物溶解深度大，并與水體的反應(yīng)也較為充分，碳酸錳礦層發(fā)育的厚度也會較大(圖10B)。

圖10 研究區(qū)碳酸錳礦沉積模式圖Fig.10 Schematic representation of Mn deposition in the southwestern Guangxi area

(3) 最大海泛面—少量碳酸錳礦物發(fā)育階段

在經(jīng)歷海平面上升、水體加深階段之后，便進(jìn)入了最高海泛面階段。在此階段，注入海體內(nèi)的陸源地表流水大量減少，海體中的錳質(zhì)主要由臺盆內(nèi)生的熱液噴口提供。由于水體較深，氧化還原界面較高，在沒有充足的氧氣提供下，錳質(zhì)在還原環(huán)境下主要以低價態(tài)的Mn2+離子形式溶解在海水中。但由于高水位期浮游生物在富氧層大量繁殖，有機質(zhì)產(chǎn)率高，導(dǎo)致貧氧層逐漸擴大，在臺盆邊緣處于富氧的氧化環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)化為貧氧的還原環(huán)境，因此也會導(dǎo)致少量厚度較薄、錳質(zhì)含量較低的錳礦層發(fā)育(圖10C)。

4 結(jié)論

(1) 研究區(qū)含錳巖系下三疊統(tǒng)北泗組與頂部中三疊統(tǒng)百逢組以及底部下三疊統(tǒng)馬腳嶺組地層界線在自然伽馬幅值累積殘差曲線深度域上由淺至深均表現(xiàn)為由負(fù)半波向正半波轉(zhuǎn)換的曲線形態(tài)，即為海退沉積序列與海侵沉積序列轉(zhuǎn)換界面位置附近。北泗組內(nèi)部共可劃分為四個海進(jìn)—海退旋回層序，大多表現(xiàn)為對稱狀或者近似對稱狀旋回，這表明北泗組至少經(jīng)歷了四次相對海平面變化，且整個研究區(qū)所處的臺盆相沉積環(huán)境相似且穩(wěn)定。

(2) 海平面變化主要是通過控制氧化還原界面的波動來間接的影響碳酸錳礦形成。研究區(qū)碳酸錳礦層發(fā)育的旋回層序位置不同，但主要出現(xiàn)于各旋回層序內(nèi)海退沉積序列中，并位于旋回層序內(nèi)海退—海侵沉積序列界面附近，這表明錳礦的沉積主要發(fā)生在相對海平面由緩慢下降至逐漸上升的時期的轉(zhuǎn)換時期。早三疊世在全球三級海平面上升的大背景下，研究區(qū)錳礦層的發(fā)育受更高一級的海平面海退期所控制。研究區(qū)碳酸錳礦的形成主要經(jīng)歷以下3個階段：1)海平面下降—氧化錳礦物形成階段；2)海平面上升—氧化錳礦物轉(zhuǎn)化碳酸錳礦物階段；3)最高海泛面—少量碳酸錳礦物發(fā)育階段。

致謝 感謝貴刊編輯部和審稿專家對文章進(jìn)行審閱并提出寶貴意見。

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ResearchonCyclostratigraphicandDepositionalModelofSedimentaryManganeseDeposits(Triassic)inSouthwesternGuangxiArea

YIN Qing1,2, YI HaiSheng1,3, ZHOU Kai2

1.InstituteofSedimentaryGeology,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China2.ResearchInstituteofExplorationandDevelopmengt,SINOPECZhongyuanOilfieldCompany,Puyang,Henan457001,China3.StateKeyLaboratoryofOil/GasReservoirGeologyandExploitation,Chengdu610059,China

The manganese deposits are mainly distributed in Southwestern Guangxi area, which was regarded as one of the most predominant ore types in this area. However, the Triassic stratigraphic frameworks of manganese deposit in the southwestern Guangxi area is rarely discussed. The spectral analysis and filter methods can be adopted to divide cyclic sequence hierarchy and discuss depositional mechanism, and the cumulative residual curves from average amplitude variations of good logs are introduced and demonstrated as a valid graphical method to define depositional regime transformation and check boundary surfaces of cyclic sequences. The cumulative residual curves results show the positive half waves and negative half waves of cumulative residual curves are, respectively, corresponds to upward-deepening and upward-shallowing sedimentary successions in low frequency cyclic sequences in a well interval. Transform points of positive half waves and negative half waves are calibrated to boundary surface depth of cyclic sequences. The GR log data from Well 0302 of Southwestern Guangxi Area as a case example, cumulative residual curves are calculated and constructed on well log data. The low and high frequency cyclic sequences are distinguished and its procedure and methods are illustrated in detail. The significance and interpretation of amplitudes and wavelength changes of sedimentary cycles are discussed in this paper. The Beisi Formation of the Lower Triassic can be divided into four forth-order sequences, and the manganese ore deposit developed in the regression cycle. The origin model of manganese ore can be divided in three stages: 1) Sea-level fall-the oxidizing manganese is formation; 2) Sea-level rise-the oxidizing manganese is transformed in manganese carbonate; 3) The maximum flooding surface-a little manganese carbonate is formed. The investigation provides a new effective approach to build the correlating framework of high-resolution sequence in Southwestern Guangxi Area.

southwestern Guangxi area; Triassic; manganese-bearing sequence; cyclostratigraphy; sea level change

1000-0550(2017)06-1144-14

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.06.006

2016-01-05；收修改稿日期2016-11-17

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAB04B10)；國家自然科學(xué)基金項目(40972084)；高等學(xué)校博士點專項科研基金課題(20105122110012)[Foundation“Twelfth five-year” National Science and Technology Plan, No. 2011BAB04B10; The National Natural Science Foundation of China, No.40972084; Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education, No.20105122110012]

尹青，男，1986年出生，博士后，助理研究員，沉積地質(zhì)學(xué)研究，E-mail: 168347532@qq.com

伊海生，男，教授，E-mail: yhs@cdut.edu.cn

TE121.3

A