南秦嶺北部地區(qū)下寒武統(tǒng)水溝口組層序劃分及盆地分析

吳春燕, 易鵬飛, 趙鵬彬, 李 毅, 呂軍利, 楊丹丹

(1.陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068; 2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710054)

0 引言

南秦嶺北部地區(qū)下寒武統(tǒng)水溝口組是著名的黑色巖系，為礬、磷、鎳、鈷、鈾和石煤的富集層位。前人對水溝口組地層的地球化學特征、成礦特征及成礦規(guī)律等方面的研究做了大量工作，并取得找礦突破。近年來相繼發(fā)現(xiàn)了中村銀花釩礦、夏家店釩、金礦等礦床[1-11]。但對其地層層序格架的研究相對較少，前人對水溝口組進行層序劃分時，多將其整個歸為凝縮段(CS)，缺失下部海侵體系域。相關(guān)研究表明，地層的時空有序分布，對礦產(chǎn)的分布起著控制作用[12-14]。因此，研究水溝口組的層序，開展盆地分析，對總結(jié)賦礦規(guī)律，指導地質(zhì)找礦具有一定的意義。本文運用層序地層學原理，通過對南秦嶺北部地區(qū)水溝口組沉積巖石組合、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等詳細的觀察描述，關(guān)鍵層序界面的追蹤和對比，以及沉積物所反映的海平面升降變化規(guī)律與沉積界面間斷的時限大小，對水溝口組進行層序劃分及沉積環(huán)境分析，旨在建立水溝口組地層格架，恢復其盆地充填序列，探討早寒武世盆地發(fā)展演化規(guī)律與區(qū)域地球動力學事件的耦合關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

秦嶺造山帶由北向南以寬坪縫合帶、商丹縫合帶和勉略縫合帶為界，劃分為華北板塊南緣、北秦嶺、南秦嶺和揚子板塊北緣[15-19]。研究區(qū)位于南秦嶺微板塊東北段，屬于南秦嶺早古生代沉積盆地東北緣，地層區(qū)劃屬南秦嶺—大別山地層區(qū)的天竺山地層小區(qū)。構(gòu)造演化經(jīng)歷了晚太古代—早元古代造山基底形成演化、晚元古代—中三疊世板塊構(gòu)造演化以及中新生代陸內(nèi)造山作用與構(gòu)造演化三個階段[20]。區(qū)內(nèi)從震旦紀到三疊紀，在元古代板塊和早古生代板塊發(fā)展演化體制下，發(fā)育形成伸展盆地陸表海碎屑巖—碳酸鹽巖穩(wěn)定沉積建造[21]。其中，早寒武世早期為一套淺變質(zhì)細碎屑巖—含碳黏土巖、碳硅質(zhì)巖、碳泥質(zhì)建造，晚期為高鎂碳酸鹽巖建造。雖然經(jīng)歷了多期次構(gòu)造熱事件改造，但層序界面、沉積構(gòu)造、基本層序等仍然保留較好，具備研究層序地層的基礎(chǔ)。

圖1 區(qū)域構(gòu)造位置圖

2 地層特征

研究區(qū)水溝口組主要呈條帶狀分布于天竺山地層小區(qū)。其中北帶主要分布于中院子—千家坪—水溝街—湘河一帶；中帶主要分布于大屋場—夏家屋場一帶及趙川穹隆周緣，南帶主要分布于武當隆起北緣。主要巖石組合下部為薄層粉砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖、水云母黏土巖，中部為薄—中層硅質(zhì)巖、含碳硅質(zhì)巖、碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)板巖，上部為薄—中層微晶灰?guī)r、薄—中層微晶白云巖、藻白云巖、泥質(zhì)白云巖。局部含磷結(jié)核，見有生物碎屑，發(fā)育蟲跡構(gòu)造、潮汐層理等。與下伏燈影組為平行不整合關(guān)系(圖2a)，與上覆岳家坪組呈整合過渡關(guān)系。

圖2 水溝口組巖石組合及沉積構(gòu)造

3 沉積環(huán)境分析

河流相：分布于水溝口組底部，巖性為一套薄層礫巖(圖2b)，礫石為復成分卵礫石，渾圓—次渾圓狀，成熟度較高，屬于河流相沉積環(huán)境。

潮坪相：分布于水溝口組下部，巖性以薄層粉砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖夾含碳黏土巖為主，總體為具粉砂巖—粉砂質(zhì)黏土巖、粉砂質(zhì)黏土巖—含碳黏土巖韻律性建造，發(fā)育水平層理、砂紋層理，屬于潮坪相沉積環(huán)境。

淺海陸棚相：分布于水溝口組中—下部，巖性以薄層水云母黏土巖、硅質(zhì)巖夾白云質(zhì)硅質(zhì)巖、硅質(zhì)巖夾水云母黏土巖為主，總體為具水云母黏土巖—硅質(zhì)巖—白云質(zhì)硅質(zhì)巖韻律性建造，屬于淺海陸棚沉積環(huán)境(圖2c、d)。

滯留盆地相：分布于水溝口組中部，巖性以黑色薄層狀—紋層狀含碳硅質(zhì)巖、碳質(zhì)板巖、碳質(zhì)頁巖、含磷結(jié)核泥質(zhì)巖為主，巖層中普遍含磷、釩結(jié)核，發(fā)育水平層理，總體顯示為水能低，水體循環(huán)不暢，缺氧的較深水還原環(huán)境，屬滯留盆地相沉積 (圖2e、f) 。

碳酸鹽臺地相：分布于水溝口組上部，巖性以微晶白云巖、細晶白云巖、藻白云巖、泥質(zhì)白云巖、泥灰?guī)r為主，發(fā)育藻紋層理、潮汐層理，上部白云巖中發(fā)育窗孔、鳥眼構(gòu)造、蟲跡構(gòu)造等，表明沉積相環(huán)境屬水體相對較淺、水動能較高的碳酸鹽巖臺地相環(huán)境 (圖2g、h) 。

4 層序劃分

前人對水溝口組進行層序劃分時，多將其整個歸為凝縮段(CS)[22-28]；本文將水溝口下部劃分出海侵體系域TST，中部劃為凝縮段CS，上部劃為高水位體系域HST。認為水溝口組為一個完整的海進海退旋回(表1)。

4.1 層序界面

(1)層序底界面

本次研究在山陽縣中村鎮(zhèn)燈影組白云巖頂部與水溝口組底部之間發(fā)現(xiàn)一套斷續(xù)出露薄層復成分礫巖、含礫粉砂巖，厚10～15 cm，礫石呈渾圓—次渾圓狀，具河流相卵礫的特征。界面為一截然巖性分界面，界面不平整，局部呈切谷形態(tài)，侵蝕特征清晰，構(gòu)成Ⅱ型層序不整合界面 (圖2a、b)。

(2)層序頂界面

水溝口組頂部發(fā)育潮汐層理、蟲跡、鳥眼構(gòu)造的泥晶白云巖、泥質(zhì)白云巖與上覆岳家坪組底部中厚層狀粉晶白云巖直接接觸，界面為一清晰巖性分界面，具有II型層序界面性質(zhì)。

表1 南秦嶺北部地區(qū)寒武統(tǒng)水溝口組地層層序格架表

4.2 層序特征

海侵體系域：由水溝口組下部泥質(zhì)粉砂巖—粉砂質(zhì)黏土巖，水云母黏土巖—暗紫紅色硅質(zhì)巖基本層序，向上過渡為薄—中層狀深灰色硅質(zhì)巖—黑色薄層含碳硅質(zhì)巖基本層序組成，具有顏色由暗紫色深灰色—黑色逐漸加深，厚度由中層—薄層減小的特征，總體構(gòu)成退積型層序結(jié)構(gòu)，劃為海侵體系域(TST)(圖2c、d、e)。

凝縮段：由水溝口組中部黑色薄層狀含碳硅質(zhì)巖夾有磷結(jié)核、黑色含磷結(jié)核泥質(zhì)巖夾碳質(zhì)頁巖—黑色碳質(zhì)頁巖非韻律型基本層序組成。含碳質(zhì)豐富，硅質(zhì)巖中普遍含磷、釩結(jié)核，總體顯示為水動力弱。水體寧靜的缺氧還原沉積環(huán)境，具有垂向加積型層序結(jié)構(gòu)，劃為凝縮段(CS)(圖2f)。

高水位體系域：由水溝口組上部碳酸鹽巖地層組成。由下向上，具有由含碳泥灰?guī)r—白云質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖、泥晶白云巖—泥質(zhì)白云巖向泥晶白云巖—藻白云巖—泥白云巖等基本層序轉(zhuǎn)變，在上部泥晶白云巖、藻白云巖中發(fā)育窗孔、鳥眼構(gòu)造、蟲跡等，局部夾竹葉狀、角礫狀白云巖、含鮞粒白云巖等，藻白云巖中水平蟲跡和U形跡均十分發(fā)育，反映具有碳酸鹽臺地相進積型層序結(jié)構(gòu)，劃為高水位體系域(HST)(圖2g、h)。

5 盆地分析

震旦紀末期，在短暫的沉積間斷后，揚子板塊相對華北板塊快速南移，引起地殼拉伸減薄，揚子克拉通北緣早寒武世早期伸展盆地的形成和發(fā)展，基本繼承了晚震旦世東西向展布，北高南低的古地理格局，并控制了盆地沉積中心遷移，相對海平面升降速率，沉積速率的變化與沉積充填作用。早寒武世早期，水溝口組層序底部局部保留的薄層礫巖，代表了海岸帶低水位體系域僅局部可見；層序下部以潮坪相—陸棚相薄層泥質(zhì)粉砂巖、含碳黏土巖夾碳質(zhì)板巖、硅質(zhì)巖為主，反映沉積盆地處于快速伸展拉張時期，海侵體系域沉積具有明顯陸源碎屑供給貧乏特征；層序中部以含碳硅質(zhì)巖、碳質(zhì)板巖、碳質(zhì)頁巖為主，普遍含磷結(jié)核，發(fā)育薄紋層狀，水平層理，反映水體較深的滯留盆地環(huán)境，形成富Si-P-C非補償性沉積；層序上部以陸表海碳酸鹽臺地沉積為主，發(fā)育潮汐層理、鳥眼、水平蟲跡等淺水、暴露標志，表明早寒武世晚期，沉積盆地進入周期性相對海平面緩慢下降階段。層序地層結(jié)構(gòu)形式清晰，對相對海平面的升降變化所造成的沉積環(huán)境演化反映較敏感。寒武紀早期盆地典型富Si-P-C非補償性沉積記錄豐富，成為著名的黑色巖系，構(gòu)成區(qū)域上重要的含磷層位。

6 結(jié)語

水溝口組主要巖石組合下部為薄層粉砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖、水云母黏土巖；中部為薄—中層硅質(zhì)巖、含碳硅質(zhì)巖、碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)板巖；上部為薄—中層微晶灰?guī)r、薄—中層微晶白云巖、藻白云巖、泥質(zhì)白云巖。早期為海水較深、水體循環(huán)不暢、缺氧的還原性沉積環(huán)境，晚期為水體相對較淺—暴露的碳酸鹽巖臺地環(huán)境。水溝口組為一個完整的海進海退旋回，下部為海侵體系域(TST)，中部為凝縮段(CS)，上部為高水位體系域(HST)。早寒武世沉積盆地的形成和發(fā)展基本繼承了晚震旦世東西向展布，北高南低的古地理格局。早寒武世經(jīng)歷了一次較大范圍的海平面升降周期，早期地殼普遍下降，發(fā)生廣泛的海侵，水體迅速加深形成富Si-P-C非補償性沉積，成為著名的黑色巖系。早寒武世晚期，沉積盆地進入周期性相對海平面緩慢下降階段，形成以碳酸鹽巖為主的沉積。

致謝

論文相關(guān)研究工作得到“陜西省丹鳳縣幅1∶25萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查(修測)”和“陜西省潼關(guān)縣幅1∶25萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查(修測)”項目組全體成員的支持與幫助，論文撰寫和修改過程中得到陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心王北穎教授級高工、唐永忠教授級高工的指導與幫助，在此表示感謝！