湘中及周緣奧陶紀(jì)巖相古地理演化與原型盆地研究

譚慧，秦明陽，李杰，郭建華，吳詩情，邊瑞康

（1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京，100083；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙，410083）

近年來，頁巖氣勘探開發(fā)在長江中、上游地區(qū)，如四川長寧—威遠(yuǎn)、重慶涪陵、貴州正安以及湖北宜昌等地均取得巨大成功，湖南省也成為頁巖氣勘探熱點。湘中油氣勘探最早始于20 世紀(jì)50 年代，很多學(xué)者認(rèn)為下古生界是變質(zhì)基底，主要勘探對象集中于上古生界，近年來的頁巖氣調(diào)查與研究也多關(guān)注湘中地區(qū)的上組合（泥盆系—二疊系）油氣勘探潛力[1-2]。李杰等[3-5]在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)湘中及周邊地區(qū)下古生界奧陶系煙溪組發(fā)育一套富含有機(jī)質(zhì)頁巖，有機(jī)質(zhì)熱演化程度處于高成熟—過成熟階段，未發(fā)生區(qū)域性變質(zhì)，仍然具有頁巖氣勘探價值。湘中及周緣奧陶系煙溪組在區(qū)域上巖性和厚度具有差異性，為摸清優(yōu)質(zhì)頁巖的分布規(guī)律，指導(dǎo)下一步勘探部署，需要研究煙溪組沉積時期的巖相古地理特征及盆地屬性。前人針對湘中早古生代原型盆地類型的認(rèn)識尚存爭議，許效松等[6]認(rèn)為早古生代湘中屬于揚子大陸邊緣斜坡帶，南部可能有部分屬于華南洋，廣西運動后洋盆關(guān)閉；卓皆文等[7-8]從年代證據(jù)等方面說明湘中相當(dāng)于華南板塊里面一個比較低洼的盆地。本文作者利用野外地質(zhì)剖面實測資料，通過精細(xì)巖相古地理編圖，并結(jié)合硅質(zhì)巖沉積環(huán)境分析，從沉積學(xué)的角度論證奧陶紀(jì)原型盆地屬性，提出沉積演化及沉積模式，并指出煙溪組為頁巖氣勘探潛在新目標(biāo)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)覆蓋湖南省大部分區(qū)域，包括湘西北地區(qū)南部、湘中地區(qū)全部和湘東南地區(qū)東北部，較現(xiàn)今湘中凹陷的范圍廣[9]。圖1 所示為研究區(qū)地質(zhì)概況，研究區(qū)位于揚子板塊與華夏板塊的結(jié)合帶，橫跨現(xiàn)今的揚子陸塊和華南新元古代－早古生代造山帶2個二級構(gòu)造單元，地質(zhì)條件復(fù)雜。根據(jù)前人研究，從晉寧運動開始揚子板塊與華夏板塊經(jīng)歷了俯沖階段—弧陸碰撞階段—后碰撞階段以及裂谷階段，在南華冰期結(jié)束后板塊基底基本成型。從震旦世早期起，揚子板塊東南緣接受南東向海侵，到早奧陶世研究區(qū)基本繼承了大陸坡至盆地的構(gòu)造古地理格局，晚奧陶世末，揚子板塊向華夏地塊強(qiáng)烈俯沖，開始褶皺造山，研究區(qū)構(gòu)造格局發(fā)生改變[10-11]。奧陶系露頭多位于雪峰隆起、衡山隆起以及次級凸起周緣。表1所示為湖南及周邊地區(qū)奧陶系劃分。由表1可見：研究區(qū)奧陶系發(fā)育特征具有明顯的差異性。根據(jù)巖相和古生物的差異性，可將研究區(qū)奧陶系的沉積相分為3個類型，自西北向東南依次為揚子型、江南型以及華南型，分別與湘西北、湘中及湘南區(qū)一一對應(yīng)。

2 沉積相類型及特征

研究區(qū)奧陶系從北西至南東地層巖性在橫向和縱向上變化較明顯，碳酸鹽巖、炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖、陸源碎屑砂和泥巖同時存在。本文作者根據(jù)野外露頭剖面，解剖每個分區(qū)的典型剖面點，通過點面結(jié)合研究沉積體系。

2.1 巖石學(xué)特征

圖2所示為研究區(qū)奧陶系巖石類型露頭及光學(xué)鏡下照片。由圖2可見：奧陶系發(fā)育碳酸鹽巖、黑色巖系、雜砂巖和細(xì)粉砂巖等。

1）碳酸鹽巖。包括礫屑灰?guī)r、顆?；?guī)r、鮞?；?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，云質(zhì)顆?；?guī)r、瘤狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r等多種碳酸鹽巖（圖2（a）~（e））。由于早奧陶世隨著海平面的升降與揚子臺地向南東方向增生而形成，主要分布揚子區(qū)中、下奧陶統(tǒng)。

圖1 區(qū)域地質(zhì)概況Fig.1 Geological overview of the study area

表1 湖南省及周邊地區(qū)奧陶系劃分Table 1 Ordovician division of Hunan Province and its surrounding areas

2）黑色巖系。以深灰、灰褐、灰黑色泥頁巖為主，泥質(zhì)較純，發(fā)育塊狀層理及水平紋層，層理可呈頁理狀產(chǎn)出，屬于深水或陸棚環(huán)境中弱水動力條件或靜水環(huán)境下的沉積產(chǎn)物，在研究區(qū)主要包含碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖及硅質(zhì)巖（圖2（f）~（g）），主要分布在江南區(qū)及華南區(qū)的中奧陶統(tǒng)和揚子區(qū)上奧陶統(tǒng)。

3）雜砂巖。華南區(qū)上奧陶統(tǒng)發(fā)育雜砂巖并含有凝灰質(zhì)成分，主要以石英雜砂巖為主（圖2（h）），研究區(qū)雜砂巖顆粒磨圓度低，反映出物質(zhì)搬運距離短，離源區(qū)近，一般為斜坡區(qū)垮塌沉積。

4）細(xì)粉砂巖。本文所述細(xì)粉砂巖是指無明顯復(fù)理石韻律，主要由粒級為0.25~0.01 mm（質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%）的濱淺海碎屑顆粒組成的碎屑巖（圖2（i）），由于經(jīng)過長距離搬運，碎屑顆粒主要為石英，長石較少，巖屑基本不存在，黏土雜基含量一般較多，主要產(chǎn)出于下奧陶統(tǒng)。

2.2 沉積相類型

結(jié)合前人的研究成果，作者經(jīng)過大量野外工作，按照沉積體系—沉積相—沉積亞相的分類方案，研究區(qū)可識別出3 種沉積體系、6 類沉積相和相應(yīng)的8種亞相[12-14]。

碳酸鹽沉積體系。主要分布在揚子區(qū)與江南區(qū)北部，揚子區(qū)在奧陶世一直處于碳酸鹽臺地沉積環(huán)境中，江南區(qū)北部早奧陶世以臺地邊緣相為主。

碎屑濱淺海沉積體系。以淺海陸棚亞相為主。研究區(qū)江南區(qū)、華南區(qū)均有發(fā)育淺水陸棚，下奧陶統(tǒng)橋亭子組、白水溪組為淺水陸棚相泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖夾粉砂巖。揚子區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組及江南區(qū)中奧陶統(tǒng)煙溪組為深水陸棚相，是富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積的主要場所。

深水盆地沉積體系。根據(jù)沉降補(bǔ)償關(guān)系，將研究區(qū)的沉積相分為欠補(bǔ)償型頁巖盆地和補(bǔ)償型濁積巖盆地，其中欠補(bǔ)償型頁巖盆地快速沉降、緩慢補(bǔ)償，代表厚度較小的深水盆地沉積，沉積物主要以凝縮型頁巖為主；補(bǔ)償型濁積巖盆地緩慢沉降、快速補(bǔ)償，代表山間盆地沉積特點，以淤沉積為主，最終盆地填滿消亡。欠補(bǔ)償型頁巖盆地在區(qū)內(nèi)分布范圍較廣，是富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育的主要環(huán)境，江南區(qū)中奧陶統(tǒng)煙溪組主要沉積于欠補(bǔ)償環(huán)境中；補(bǔ)償型濁積盆地在不同時期分布于不同沉積—構(gòu)造分區(qū)。從華南區(qū)至揚子區(qū)，補(bǔ)償型濁積巖盆地形成的時間逐漸變新。華南區(qū)整個早古生代位于補(bǔ)償型濁積巖盆地中，江南區(qū)中奧陶世開始出現(xiàn)濁積巖沉積，晚奧陶世才開始發(fā)育補(bǔ)償型濁積巖盆地直至加里東末期。沉積物主要以石英長石雜砂巖夾少量頁巖構(gòu)成。盆地邊緣也見雜砂巖夾大量的黑色炭質(zhì)頁巖，但頁巖單層厚度較小。

圖2 研究區(qū)奧陶系巖石類型露頭及光學(xué)鏡下照片F(xiàn)ig.2 Outcrops and optical photos of Ordovician in the study area

2.2.1 揚子區(qū)

圖3所示為揚子區(qū)奧陶系露頭照片。由圖3可見：厚層砂屑灰?guī)r和中晶灰?guī)r，見大量介殼類生物化石，屬于開闊臺地，是揚子臺地奧陶紀(jì)分布最廣的相帶（圖3（a））；厚層狀砂屑灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r，發(fā)育交錯層理與大量生物碎屑，屬于臺地邊緣淺灘（圖3（b）和（c））；顆粒灰?guī)r與泥晶灰?guī)r共生，見滑塌構(gòu)造與粒序?qū)永恚瑢儆谂_地前緣斜坡（圖3（d）和（e））；湘西地區(qū)中—下奧陶統(tǒng)發(fā)育泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r夾黑色頁巖，屬于開闊陸棚，代表了較深水的開闊海盆環(huán)境，水體深度常在CCD 附近波動（圖3（f））。整體上，揚子區(qū)奧陶紀(jì)發(fā)育出開闊臺地、臺地邊緣淺灘、臺地前緣斜坡和開闊陸棚等沉積相類型。

2.2.2 江南區(qū)

江南區(qū)是揚子區(qū)到華南區(qū)的過渡帶，主要發(fā)育陸棚相，包括淺水陸棚和深水陸棚相等。淺水陸棚主要發(fā)育于下奧陶統(tǒng)橋亭子組、白水溪組，在區(qū)域上主要位于湘中偏西北區(qū)域，沉積物以碳酸鹽巖夾泥質(zhì)粉砂和粉砂為主，有些地方也可稱為混積陸棚。圖4 所示為江南區(qū)奧陶系露頭照片。由圖4可見：生物擾動和構(gòu)造比較發(fā)育，以均勻?qū)永頌橹鳎▓D4（a））。深水陸棚主要發(fā)育五峰組和煙溪組，區(qū)域上位于湘中偏東南區(qū)域，水體能量較淺水陸棚低，底棲生物數(shù)量很少，營浮游生物類較多，以懸浮物質(zhì)沉積為主，粗粒沉積物少（圖4（b），（c）和（d））。

表2 研究區(qū)奧陶紀(jì)主要沉積相類型及分布層位Table 2 Main sedimentary facies types and distribution horizon of Ordovician in the study area

圖3 揚子區(qū)奧陶系露頭照片F(xiàn)ig.3 Outcrops of Ordovician in Yangtze region

圖4 江南區(qū)奧陶系露頭照片F(xiàn)ig.4 Outcrop of Ordovician in Jiangnan Region

2.2.3 華南區(qū)

華南區(qū)奧陶紀(jì)主要沉積了頁巖和濁積巖，包括深水盆地相、深水斜坡相、濱外—陸棚斜坡以及濁積巖斜坡相等。圖5所示為華南區(qū)奧陶系露頭照片。由圖5（a）~（d）可見：湘中區(qū)的中奧陶統(tǒng)煙溪組主要以炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖為主，見大量放射蟲化石，是深水陸棚相的遠(yuǎn)端相區(qū)，較深水陸棚相帶距離物源更遠(yuǎn)、沉積厚度更薄、硅質(zhì)成分含量更高，是頁巖氣勘探的另一優(yōu)勢相帶[15]。從區(qū)域位置分析，湘南地區(qū)早奧陶紀(jì)發(fā)育濁積巖，湘中地區(qū)中奧陶世開始出現(xiàn)濁積巖沉積。由圖5（e）~（h）可見：沉積物主要以石英長石雜砂巖夾少量頁巖構(gòu)成，沖刷構(gòu)造較常見，見鮑馬序列AB段等。

2.3 典型剖面沉積相研究

圖6 所示為奧陶系典型剖面對比。由圖6 可見：1）揚子區(qū)奧陶紀(jì)以碳酸鹽臺地建造為主，上奧陶統(tǒng)五峰組沉積了一套深水陸棚相黑色炭質(zhì)頁巖，與四川盆地五峰組類似。2）江南區(qū)北部早奧陶世中早期以臺地邊緣相碳酸鹽沉積為主，晚期開始出現(xiàn)混積陸棚相。江南區(qū)南部早期則以細(xì)粉砂和頁巖沉積為主，厚度均較大；中奧陶世，盆地水體明顯加深，沉積了一套深水陸棚相黑色炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖互層。3）華南區(qū)從早奧陶世開始便進(jìn)入碎屑巖沉積階段，以斜坡相沉積為主，見雜砂巖沉積；中奧陶世盆地水體明顯加深，水深超過江南區(qū)，沉積了一套深水盆地相黑色硅質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖互層；晚奧陶世隨著構(gòu)造作用的加強(qiáng)，華南區(qū)和江南區(qū)該均被厚層的復(fù)理石建造充填[16-17]。

3 巖相古地理演化

3.1 早奧陶世

圖5 華南區(qū)奧陶系露頭及光學(xué)鏡下照片F(xiàn)ig.5 Outcrop and optical photo of Ordovician in Huanan Region

圖6 奧陶系典型剖面對比Fig.6 Comparison of typical sections of Ordovician

圖7所示為研究區(qū)奧陶紀(jì)巖相古地理特征。早奧陶世海平面緩慢下降，在上升流的影響下，揚子臺地開始了廣袤的碳酸鹽沉積，形成了早古生代以來最大的鑲邊型碳酸鹽臺地[18]，由圖7（a）可見：新廠期，研究區(qū)西北部花垣—保靖一帶分鄉(xiāng)組、紅花園組沉積了大量的生物灰?guī)r、生物碎屑灰和顆?；?guī)r，代表了高能淺灘環(huán)境；鳳凰往北至桃源、慈利一帶則沉積了一套泥粉晶灰?guī)r和泥質(zhì)條帶灰?guī)r，在盤家咀組見大量的低密度濁流沉積，代表了臺地邊緣環(huán)境；城步—祁陽—衡山以北的中部主要沉積類型為鈣質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r夾少量灰?guī)r透鏡體和粉砂巖，屬開闊陸棚相區(qū)，少量粉砂可能來源于黔中古陸或者華夏地塊；往南至江永—雙牌一帶沉積了一套深水盆地相炭質(zhì)頁巖與硅質(zhì)頁巖互層的細(xì)粒巖系，深水盆地范圍向南西方向變寬，北東向收斂，因而，中部的粉砂質(zhì)更有可能來源于華夏地塊；南部則主要為一套灰色至黑色淺變質(zhì)細(xì)粒石英砂巖夾黑色板巖構(gòu)成的復(fù)理石韻律，顯示為活動的斜坡至盆地沉積環(huán)境，但受陸架碎屑流影響較大。

3.2 中奧陶世

由圖7（b）可見：中奧陶世大灣期盆地迅速海侵，研究區(qū)西北部主要以泥晶生物灰?guī)r、龜裂紋灰?guī)r為主，見大量震旦角石化石，鳳凰—沅陵一帶以黃綠色頁巖夾黑色含錳泥巖或灰?guī)r，屬開闊陸棚—斜坡帶，但相對較窄；中部—南部地區(qū)深水盆地面積明顯擴(kuò)大，炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖和硅質(zhì)巖的沉積范圍達(dá)到最大，北界為桃江、益陽，南界幾乎越過省境，生物化石除筆石和藻類外，還見大量的放射蟲，反映了一種安靜、遠(yuǎn)離陸緣碎屑及缺乏淡水補(bǔ)給的海洋環(huán)境，而在雙峰一帶中統(tǒng)煙溪組黑色炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖層中夾有多層石英粉砂巖，為海平面突然變動引起的陸棚斜坡區(qū)粗碎屑滑塌形成，推測研究區(qū)東側(cè)有物源匯入盆地，或者物源直接來源下?lián)P子與華夏地塊的碰撞隆起區(qū)；濁積巖斜坡的沉積范圍基本已向南退出湖南，湘南大部分地區(qū)沉積物與化石組合與湘中區(qū)基本一致，但硅質(zhì)成分明顯增加，地層厚度南部明顯大于北部地區(qū)，茶陵—桂陽一帶以東的區(qū)域以泥粉砂沉積為主，水體依然很深。根據(jù)硅質(zhì)巖分布的厚度不同，表明深水盆地內(nèi)構(gòu)造環(huán)境具有分階性[19-20]。

3.3 晚奧陶世

由圖7（c）可見：在加里東運動的影響下，晚奧陶世研究區(qū)鳳凰—沅陵一帶逐漸隆起，其南西端露出水面，或形成向北東端傾伏的水下隆起，發(fā)育濱岸、水下灘壩和潮坪等相帶，北西側(cè)與南東側(cè)的相對海平面變化出現(xiàn)分異[21]，盆地進(jìn)入改造期。從錢塘江期開始隆起帶北西側(cè)明顯沉降，碳酸鹽臺地發(fā)育停止，沉積了一套深水陸棚相黑色炭質(zhì)頁巖，富含筆石化石；南東側(cè)至綏寧—洞口—湘鄉(xiāng)一線繼續(xù)處于深水盆地環(huán)境，沉積物以黑色硅質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖為主，但沉積厚度較中期明顯減薄，一般不超過30 m；而在洞口—雙峰—湘鄉(xiāng)一帶以南的廣闊區(qū)域沉積了巨厚的石英長石雜砂巖夾灰黑色泥頁巖構(gòu)成的復(fù)理石，碎屑粒度較早—中奧陶世增大，濁積巖向北東進(jìn)積至深水盆地中，魯?shù)て谠诼』亍禄鹊匕l(fā)育大量深水濁積巖，在原地沉積的富含筆石的炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖夾多層粉砂巖，見鮑馬序列，沉積范圍窄而深，具有斷陷特征；根據(jù)濁積巖沉積的范圍，推測湖南省界以南已經(jīng)隆升成為剝蝕區(qū)。

煙溪組沉積期是早古生代一次大的海侵期，炭質(zhì)頁巖分布范圍廣，其北為揚子碳酸鹽巖臺地，南為華南古陸邊緣濁積巖。不同巖相帶連續(xù)分布，不同時期的同一巖相帶分布位置不同，沒有洋盆俯沖消失所導(dǎo)致的巖相帶的缺失或突變。通過巖相古地理圖件的編制，更進(jìn)一步確定了煙溪組炭質(zhì)頁巖的沉積環(huán)境、分布范圍及邊界；奧陶紀(jì)不同層位的巖相古地理的變遷，揭示出奧陶紀(jì)揚子臺地與華南古陸之間的廣大地區(qū)屬于海盆。

圖7 研究區(qū)奧陶紀(jì)巖相古地理特征Fig.7 Ordovician lithofacies and palaeogeography characteristic in the study area

4 硅質(zhì)巖沉積環(huán)境

由于巖相的多解性以及小比例尺研究中的隨機(jī)性，研究區(qū)最有潛力的深水區(qū)相帶劃分需要基于對盆地的構(gòu)造背景有合理認(rèn)識。通過對比研究區(qū)不同層位硅質(zhì)巖主微量元素、稀土元素分析并與不同構(gòu)造環(huán)境下的化學(xué)組成，進(jìn)行構(gòu)造確證，總結(jié)出合理的盆地沉積模式，指導(dǎo)下一步研究工作。樣品來自寧遠(yuǎn)棉花坪（MHP）剖面、祁東馬杜橋（MDQ）剖面、永州嶺口（LK）剖面和城步大橋村（DQ）剖面煙溪組硅質(zhì)巖數(shù)據(jù)。

4.1 主量元素特征

圖8所示為研究區(qū)硅質(zhì)巖形成環(huán)境判別圖[22-24]。由圖8（a）和（b）可見：大部分煙溪組樣品落入沉積成因區(qū)，DQ剖面樣品較接近熱液區(qū)，推測城步一帶存深大斷裂并導(dǎo)致深部熱液上涌，形成熱液型硅質(zhì)巖，同時也說明中奧陶統(tǒng)煙溪組硅質(zhì)巖為純生物成因，與鏡下觀察到大量放射蟲和有機(jī)質(zhì)條件相符。由圖8（c）～（f）可見：MHP，MDQ 和LK 剖面硅質(zhì)巖樣品大部分落在大陸邊緣環(huán)境中，少數(shù)DQ剖面出現(xiàn)在深水過渡區(qū)和遠(yuǎn)洋區(qū)附近，與巖相古地理認(rèn)為湘中海盆向西南方向開口的認(rèn)識一致，DQ剖面方向的水體更深，離大陸邊緣更遠(yuǎn)。這樣說明盆地水體的多階性，讓盆地格局上出現(xiàn)層次感，與巖相古地理相符，這種分階性可能也由深大斷裂控制。

4.2 稀土元素和微量元素特征

研究區(qū)奧陶系硅質(zhì)巖受熱液影響不明顯，其稀土元素特征（見圖9）可以較真實地反映硅質(zhì)巖形成的構(gòu)造背景。MHP，MDQ，DQ和LK剖面的硅質(zhì)巖中總稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Σw（REE））分別為36.07~98.84，27.87~60.02，11.11~42.29 和15.50~46.09 μg/g，遠(yuǎn)低于澳大利亞后太古代平均頁巖的稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（即w（PAAS稀土元素）），表明當(dāng)時沉積速率較快，說明樣點位于深水盆地邊緣，往南可能是斜坡區(qū)，與區(qū)內(nèi)巖相古地理相符[25]。MHP，MDQ 和LK剖面w（LaN）/w（YbN）分別為0.56~1.02，0.82~1.01 和0.61~1.17（其中，w 為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），輕稀土富集不明顯，表明受陸緣碎屑影響并不大，而沉積速率較快的原因可能是沉積物在構(gòu)造活動背景下的再旋回供給，并非直接由陸緣碎屑搬運而來。DQ 剖面w（LaN）/w（YbN）為1.29~2.68，比其他樣點的高，在巖相古地理上DQ剖面又處于深水區(qū)，不應(yīng)受物源影響，可能與熱液影響有關(guān)。硅質(zhì)巖中Ce 沒有明顯負(fù)異常，w（Ce）/w（Ce*）為0.59~0.96，MHP有樣品還出現(xiàn)輕微正異常。LK剖面樣品w（Eu）/w（Eu*）約為1，其他3個樣點處Eu有輕微的負(fù)異常，其w（Eu）/w（Eu*）在0.58~0.99 之間，說明源區(qū)為偏酸性的巖體，為陸殼物源。

綜上所述，湘中地區(qū)中奧陶世硅質(zhì)巖沉積的水體較深，且具有多階性，離陸地較近，受到物源一定的影響。結(jié)合區(qū)內(nèi)的構(gòu)造變形情況、中上奧陶統(tǒng)厚度變化，本文作者認(rèn)為中奧陶世開始盆地逐漸向背馱式盆地發(fā)展，局部次盆邊緣露出水面，而形成多島海盆，每個次盆對沉積均有一定的控制作用，但整體來說，盆地當(dāng)時處于陸內(nèi)俯沖環(huán)境，是一個統(tǒng)一的海盆。

5 討論

5.1 盆地演化及構(gòu)造特征

奧陶紀(jì)是研究區(qū)盆地構(gòu)造格局的一個重大轉(zhuǎn)變期，在揚子板塊和華夏陸塊之間，盆地由重力沉降期轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)造沉降期，構(gòu)造作用影響增強(qiáng)，華夏陸塊的碎屑巖沉積范圍擴(kuò)大[26-28]。圖10所示為研究區(qū)奧陶紀(jì)沉積構(gòu)造演化示意圖。

表3 研究區(qū)硅質(zhì)巖主量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Mass fraction of major elements in siliceous rocks in the study area

圖8 研究區(qū)硅質(zhì)巖形成環(huán)境判別圖Fig.8 Discriminant map of formation environment of siliceous rocks in the study area

圖9 研究區(qū)主要露頭點煙溪組頁巖樣品稀土元素配分模式圖Fig.9 REE distribution patterns of Yanxi formation shale samples at the main outcrop in the study area

根據(jù)沉積相分析、巖相古地理演化與沉積環(huán)境分析，早奧陶世基本繼承了晚寒武世的古地理格局，湘中地區(qū)為一開闊性的淺海；華夏陸塊向盆地方向主要沉積淺水陸棚相的沉積，研究區(qū)位處華夏濁積扇外扇扇緣部位，楊子臺地區(qū)主要沉積碳酸鹽巖，而臺地邊界區(qū)則為泥頁巖沉積。

圖10 研究區(qū)奧陶紀(jì)沉積構(gòu)造演化示意圖Fig.10 Schematic diagrams of Ordovician structural evolution in the study area

中奧陶世屬前陸盆地早期階段。盆地發(fā)展和水體深度受控于華夏與揚子之間拼合導(dǎo)致的巖石圈板塊撓曲和華夏地塊向北西的推覆、擴(kuò)增，以及全球三級海平面升降。華夏陸塊往盆地方向相變?yōu)樯钏懪镏翜艉Ｅ柘嗵抠|(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖沉積，臺地區(qū)仍以碳酸鹽沉積為主。煙溪組黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖覆蓋了臺地斜坡以外的所有地區(qū)，沉積厚度較穩(wěn)定，在雙峰石牛鄉(xiāng)一帶夾有少量砂巖層，表明臨區(qū)有微古隆起存在。

晚奧陶世華夏陸塊劇烈擠壓隆升帶來了大量碎屑沉積物，古華南海盆幾乎被濁積巖充滿，雪峰山水下古隆起逐漸形成，阻礙了粗碎屑進(jìn)入揚子臺地區(qū)，古隆起東南局部斜坡帶為殘留盆地相的炭質(zhì)頁巖一直持續(xù)到早志留世，而在湘中大部分地區(qū)沉積了巨厚的石英長石雜砂巖夾灰黑色泥頁巖構(gòu)成的復(fù)理石，兩者的差異可以佐證此時“雪峰山”已形成水下隆起。臺地區(qū)進(jìn)入撓曲盆地發(fā)育區(qū)，碳酸鹽臺地演化結(jié)束。

5.2 沉積體系分布模式

綜上所述，中奧陶世在研究區(qū)沉積了一套潛在的有利頁巖層系，同時也是原型盆地重要的過渡時期，本次將重點對中奧陶進(jìn)行解剖。圖11 所示為研究區(qū)中奧陶世沉積體系分布模式。由圖11可見：研究區(qū)沉積分區(qū)明顯，西北區(qū)為揚子型碳酸鹽臺地，中部為江南型過渡型沉積，華南部為頁巖盆地、東南部為濁積巖斜坡，北西至南東水體由淺變深再變淺。研究區(qū)奧陶紀(jì)不同時期巖相帶分布位置不同，分區(qū)明顯，但相帶呈連續(xù)變化，沒有洋盆俯沖消失所導(dǎo)致的巖相帶的缺失或突變，不是一個洋盆，而是一個完整的海盆。結(jié)合硅質(zhì)巖多階性沉積環(huán)境分析，筆者認(rèn)為揚子臺地東南緣是一個3階式盆地，北西緣是一個多階式板塊邊緣，第1階為碳酸鹽臺地及其邊緣，主要發(fā)育碳酸鹽和碳酸鹽臺地斜坡滑塌物；第2階為斜坡—陸棚區(qū)，主要發(fā)育泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、黑色頁巖，并發(fā)育少量臺地斜坡滑塌物，水體較深，在海平面下降期與盆地相區(qū)分開；第3階為深水盆地區(qū)，相對海平面較高時期不受盆地邊緣物源的影響，以垂直降落的細(xì)粒沉積物為主，沉積硅質(zhì)巖、黑色頁巖；相對海平面較低時期沉積泥晶灰?guī)r、細(xì)粉砂巖，表現(xiàn)出淺海、陸緣海的特征。東南部表現(xiàn)出重力流沉積的特征，華南陸塊的物源沿斜坡充填盆地。

圖11 研究區(qū)中奧陶世沉積體系分布模式圖Fig.11 Sedimentary model of Middle Ordovician in the study area

6 結(jié)論

1）研究區(qū)奧陶紀(jì)地層巖性在橫向和縱向上變化較明顯，碳酸鹽巖、炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖、陸源碎屑砂泥巖同時存在，并識別出碳酸鹽沉積體系、碎屑濱淺海沉積體系以及深水盆地沉積體系等3種沉積體系。硅質(zhì)巖沉積于水體較深，離陸地又比較近的區(qū)域，受到物源影響，但影響并不大。

2）揚子臺地東南緣是一個3層階梯式盆地，由北西至南東水體由淺變深再變淺，第1層為揚子區(qū)碳酸鹽臺地邊緣；第2層為江南區(qū)斜坡—陸棚過渡帶；第3層為華南區(qū)深水盆地區(qū)，東南部為濁積巖斜坡，區(qū)內(nèi)相帶呈連續(xù)變化，無明顯間斷或突變接觸，不是一個洋盆，而是一個完整的海盆。

3）通過巖相古地理圖件的編制，更進(jìn)一步確定了煙溪組炭質(zhì)頁巖的沉積環(huán)境、分布范圍及邊界，湘中及湘南地區(qū)中奧陶統(tǒng)盆地相及深水陸棚相為頁巖氣勘探有利區(qū)帶，中奧陶統(tǒng)煙溪組硅質(zhì)巖以純生物成因為主，可能成為湖南下一個頁巖氣勘探的潛在目標(biāo)。