湖南石門楊家坪剖面震旦紀巖石類型、沉積微相構成及垂向演化

譚蘇 李勇 杜濤 王艷琴 張路

(1.成都理工大學沉積地質研究院,四川成都 610059;2.中國核工業(yè)地質局280研究所,四川廣漢 618300;3.四川省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局物探隊,四川成都 610072;4.四川省核工業(yè)地質局分測試中心,四川成都 610503;5.四川省冶金地質勘查局604大隊,四川廣元 628017)

湖南石門楊家坪剖面震旦紀巖石類型、沉積微相構成及垂向演化

譚蘇1李勇2杜濤3王艷琴4張路5

(1.成都理工大學沉積地質研究院,四川成都 610059;2.中國核工業(yè)地質局280研究所,四川廣漢 618300;3.四川省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局物探隊,四川成都 610072;4.四川省核工業(yè)地質局分測試中心,四川成都 610503;5.四川省冶金地質勘查局604大隊,四川廣元 628017)

通過野外詳細的剖面實測及室內巖礦鑒定等綜合分析,對湖南石門楊家坪剖面震旦系陡山沱組和燈影組的巖石類型進行了系統(tǒng)分析,在此基礎上,結合沉積相標志開展了沉積相類型及微相類型構成及特征研究,共識別出4種相類型,進一步細分為15個微相類型,分別為陸棚相(硅質淺水陸棚微相、泥質灰?guī)r淺水陸棚微相、泥質深水陸棚微相、粉砂質深水陸棚微相)、局限臺地相(云坪微相、含膏云坪微相、藻云坪微相)、臺地邊緣相(鮞粒灘微相、砂屑灘微相、磷質砂屑灘微相、灘間微相)和臺緣斜坡相(含泥灰?guī)r微相、泥質云巖微相、硅質灰?guī)r微相)。并進一步開展了沉積微相組合特征分析。沉積微相的垂向演化記錄了海平面變化過程,剖面震旦紀總體上表現(xiàn)為由深水陸棚逐漸演化為臺緣斜坡-臺地邊緣-局限臺地的海平面下降旋回,可進一步識別出兩期二級海平面水進和水退旋回及8期三級海平面升降旋回。

巖石類型 沉積微相 海平面變化 震旦紀 楊家坪剖面

1 引言

震旦紀處于前寒武紀-寒武紀轉折的重要地質時期,是古氣候、古環(huán)境、古海洋、構造演化劇烈變化的一段時期,如海洋地球化學明顯的變化[1]、長期全球性缺氧[2]等。在震旦紀出現(xiàn)的形態(tài)多樣的大型多細胞動物(埃迪卡拉動物群)被稱之為“震旦紀生命大爆炸”[3]。震旦紀也是第一個全球性海相磷塊巖大規(guī)模沉積的時期,在揚子地臺上,震旦紀陡山沱期出現(xiàn)了大規(guī)模成磷現(xiàn)象[4]。由此可見,震旦紀是是漫長地質歷史演化過程中的一個非常重要的時期。

本文研究的石門楊家坪地區(qū),區(qū)域構造上隸屬中揚子地臺西南部桑植—石門復向斜[5],石門楊家坪剖面震旦系地層出露完整,且連續(xù),是開展該區(qū)震旦紀沉積演化及海平面變化較為理想的地區(qū)。

前人針對石門地區(qū)震旦紀的巖石地層、微古生物、巖相古地理、沉積環(huán)境、成巖作用、事件沉積以及與油氣的關系等開展了一些研究工作,但針對精細的沉積微相構成及其垂向演化的研究相對較弱,本文通過對楊家坪剖面的實測與米級密集取樣,在室內精細的礦物學、巖石學和古生物學研究的基礎上,開展了震旦系巖石類型、沉積微相及其組合特征的研究,并通過沉積環(huán)境的垂向演化揭示了海平面的變化特點。

2 剖面位置及地層出露

石門縣壺瓶山楊家坪剖面位于湖南石門縣西北與湖北五峰土家族自治縣交界之處,具體位于壺瓶山鎮(zhèn)7km處,由鎮(zhèn)口沿公路向北地層由老-新分布,自下而上出露陡山坨組(Z1d),燈影組(Zdy),露頭完整,地層特征明顯,易于觀測(圖1)。震旦系地層實測斜厚795m,真厚度626．6m,共劃分155小層。陡山沱組與下伏南華系南沱組呈平行不整合接觸,燈影組與陡山沱組呈整合接觸,上覆寒武系牛蹄塘組與燈影組呈平行不整合接觸。

3 巖石學特征

通過野外實測及鏡下分析,對主要巖石類型和具體特征,及各組段巖石類型的構成特點進行了系統(tǒng)地分析工作。

圖2 主要巖石類型顯微照片

3.1 白云巖類

(1)藻紋層白云巖。藻紋層白云巖主要發(fā)育在燈影組上部。鏡下觀察巖石結構清晰,具有藻團塊-藻紋層結構(圖2a),深淺紋層相間,暗色為富藻紋層,淺色為富屑紋層,紋層發(fā)生干裂面破碎形成大小不等形態(tài)不規(guī)則的碎片,沉積在微晶之中。局部發(fā)生重結晶成粉晶,富屑紋層重結晶程度明顯高于富藻紋層。

(2)砂屑(礫屑)白云巖。砂屑灰?guī)r主要剖面中主要分布于燈影組一段上部及燈影組二段。鏡下觀察顯示,砂屑多為殘余顆粒結構、泥微晶結構、粉晶結構或藻泥晶結構,由于受后期重結晶及交代作用的改造影響,顆粒與顆粒之間、顆粒與粒間白云石之間發(fā)生強烈的均一化,原始形態(tài)、顆粒邊界已經(jīng)模糊不清,但大多數(shù)顆粒輪廓仍明顯可見(圖2b)。

(3)硅質白云巖。硅質白云巖廣泛發(fā)育于石門楊家坪剖面震旦系陡山沱組下部和上部,以及燈影組燈一段中部和燈二段中部。主要是由微晶白云巖、紋層狀白云巖、砂屑白云巖等經(jīng)過不同時期、不同成因的硅化作用形成的。鏡下形態(tài)多樣,硅質呈微-粉晶狀交代礫屑和砂屑,并形成粉-細晶狀膠結顆粒,硅質充填裂縫。

(4)微晶白云巖。微晶白云巖在該剖面震旦系地層內普遍分布,巖石致密,微晶結構,晶體粒徑一般小于0．05mm,呈渾濁狀,顆粒在光學顯微鏡下無法分辨,不清晰。按成分的不同,主要有：(a)含有機質微晶云巖,水平層理發(fā)育,層間或層中見灰黑色泥質薄紋層,有機質斑雜狀分布或順裂縫溶縫、縫合線充填(圖2c);(b)鐵質微晶云巖,鐵質多分散微粒狀,局部可見花斑狀(充填溶孔)。(c)含膏微晶云巖,石膏一般呈板狀、粒狀分散于微晶白云巖中,硬石膏呈針狀分散分布和充填順層的微裂縫。需要指出的是,前文描述的硅質白云巖中也包含了硅質微晶白云巖,考慮巖石類型復雜性,將其列為硅質白云巖進行針對性分析。

(5)粉晶白云巖。主要見于燈一及燈四段及陡山沱底部。粉晶白云石晶間孔發(fā)育,被亮晶方解石和有機質充填,偶見石英,局部氧化成鐵銹色。常見條帶狀構造,由微晶云巖層和粉晶云巖層大致互層構成。

圖3 沉積相及沉積微相類型劃分

(6)膏溶角礫白云巖。主要為膏溶灰質角礫白云巖,見于燈二段,角礫由泥-粉晶白云巖組成,呈棱角-次棱角狀、不規(guī)則狀,大小形態(tài)不一,分選差(圖2d),角礫間泥晶方解石充填,局部可見粘土充填。原巖多為與膏鹽層互層的微-粉晶白云巖,后經(jīng)準同生或表生階段膏巖層的淋濾溶蝕,從而使得白云巖巖層發(fā)生斷裂坍塌,后經(jīng)方解石等充填裂縫,形成這種膏溶型角礫白云巖。

3.2 灰?guī)r類

(1)白云質鮞?；?guī)r。主要發(fā)育于燈一段上部,鮞粒多與砂屑和細礫屑共生,大多順層分布,大小多在0．1mm～0．5mm之間,近圓形為主,少數(shù)可呈橢圓形或不規(guī)則狀(圖2e)。鮞粒圈層明顯,鮞粒核心多呈晶粒狀,有的被白云石單晶交代,局部被硅質交代?？梢娍p合線對鮞粒的破壞,壓溶作用明顯。

(2)硅質灰?guī)r。主要見于燈一段下部,硅質為交代、充填狀玉髓狀集合體,多含有機質,方解石50%～75%,為方解石(少量白云石)構成的單晶砂屑和鐵泥質的混合沉積,硅化明顯,局部形成硅質團塊,方解石充填裂縫。

3.3 硅質巖類

硅質巖主要發(fā)育在陡山沱組,宏觀上為中-薄層成層狀,硅質50%~80%,可見硅質形成形成放射狀玉髓—細—中粒石英(圖2f)或條帶狀、團塊狀石英集合體。網(wǎng)狀裂縫發(fā)育,大多被石英充填,見分散或結核狀黃鐵礦。

4 沉積相類型及特征

通過野外露頭沉積相標志研究及室內鏡下鑒定分析,對沉積相類型及微相構成和主要特征開展了系統(tǒng)研究工作,研究中共識別出4種沉積相類型,包括陸棚相、局限臺地相、臺地邊緣相和臺緣斜坡相,并進一步開展了沉積微相類型的劃分(圖3)。

4.1 局限臺地相

局限臺地沉積界面位于平均海平面與平均低潮面之間。受地勢和沉積物的局部阻隔,與外海交換不暢通,海水鹽度高,由廣海向陸地推進的波浪在受到臺地邊緣灘和臺內地貌高地的消耗后,到達臺地內部近岸時能量已極大削弱,水體循環(huán)受到限制的沉積環(huán)境。研究區(qū)局限臺地相主要發(fā)育潮坪亞相。

潮坪亞相。研究區(qū)中主要在燈二段上部至燈四段發(fā)育潮坪亞相。潮坪亞相可進一步識別出如下微相類型：(1)云坪微相：主要由灰色-深灰色含有機質粉-微晶云巖和硅質有機質粉-微晶云巖構成,發(fā)育極細水平層理,在一些層的較富泥的上層面上,可見鮞?；虻[屑印記。野外露頭上,呈淺灰色,厚度較薄,水平微層狀產(chǎn)出,為幾到十幾厘米,巖石中水平紋層極發(fā)育,顯示其沉積于低能環(huán)境。(2)含膏云坪微相：由灰色含鐵膏質微晶云巖、含膏微晶云巖構成,鐵質為分散微晶粒狀黃鐵礦,可見石膏充填鳥眼孔,偶見膏?？?可見干裂收縮孔,裂溶縫中纖錐狀硬石膏充填,為典型的蒸發(fā)暴露標志。(3)藻云坪微相：主要由淺灰色含硅藻團塊-破裂藻紋層微晶云巖 、殘余藻粘結結構粉-細晶白云巖構成,具殘余藻粘結結構,見殘余微晶藻絲體呈纏繞包裹狀。橫向延伸不遠,一般不到1m,常呈透鏡狀夾于云坪微相中。楊家坪剖面中藻紋層為較平坦狀,缺乏起伏波狀和柱狀形態(tài),表明其沉積環(huán)境能量較低,海水循環(huán)受限。

在垂向上,主要存在云坪-含膏云坪-藻云坪和藻云坪-云坪-藻云坪等微相組合序列。

圖4 石門楊家坪震旦系沉積相綜合柱狀圖

4.2 臺地邊緣相

研究區(qū)臺地邊緣相主要由臺地邊緣淺灘一種亞相類型構成。

臺地邊緣淺灘亞相。該相帶位于淺灘水深從5~10m到高出水面以上,海水循環(huán)良好,氧氣充足,鹽度正常。平面上呈席狀、透鏡狀展布,單層厚度不大,一般在1米到幾米之間,總體上具平面上分布不規(guī)則,縱向上連續(xù)不穩(wěn)定的特點。研究區(qū)中主要在燈一段上部和燈二段中下部發(fā)育,與斜坡相交互出現(xiàn)。本亞相可進一步識別出以下微相類型：(1)砂屑灘微相：由灰色-深灰色亮晶砂屑云巖、亮晶含礫屑砂屑云巖、亮晶含鮞粒砂屑云巖構成,砂屑多在0．25-1mm之間,分選磨圓好,在同一層中大小幾乎相同,但不同層大小差異,顯示其形成于水體頻繁動蕩的高能環(huán)境。(2)磷質砂屑灘微相：主要由深灰色-灰黑色微晶砂屑鈣質磷塊巖構成,砂屑多在0．25-1mm之間,分選好,圓狀居多,具層理結構,由砂屑大小和含量差異而顯現(xiàn),表明其形成時的環(huán)境水能量較高。(3)鮞粒灘微相：主要由灰色-深灰色殘余亮晶鮞?；?guī)r構成,中、厚層狀,鮞粒以真鮞為主,亮晶膠結,顯示其形成時的水體較為動蕩。(4)灘間微相：沉積物粒度較細,主要由灰色-深灰色微-粉晶灰?guī)r構成,偶夾少量砂屑,見鳥眼孔(被硅質充填),水平層理發(fā)育,表明其形成于水動力能量較低的環(huán)境。

在垂向上,可識別出磷質砂屑灘夾灘間、鮞灘夾灘間和砂屑灘夾灘間等微相組合序列。

4.3 陸棚相

陸棚是朝海方向與斜坡和盆地相鄰的一個較深水碳酸鹽沉積環(huán)境。陸棚相主要發(fā)育在陡山沱組。根據(jù)水深可進一步分為淺水陸棚及深水陸棚亞相。

4.3.1 淺水陸棚亞相

該亞相位于晴天浪基面之下至風暴浪基面之上的近岸陸架區(qū),沉積物粒度較細,水平層理發(fā)育。據(jù)沉積特征可劃分為以下微相類型：(1)泥質灰?guī)r淺水陸棚微相：主要由灰色-深灰色泥質灰?guī)r構成,呈薄-中層產(chǎn)出,巖層強烈風化,呈葉片狀,顯示其細微水平層理發(fā)育,形成的水體能量較低。(2)硅質淺水陸棚微相：由層狀有機質硅質巖、白云質硅質巖構成,呈灰色-灰黑色薄-中層產(chǎn)出,碳泥質不均一定向排列使巖石顯現(xiàn)出深淺不一的條紋。朝洋盆分布的層狀硅質巖可能是熱液活動噴流出的富SiO2羽柱體(hydrothermal plume)發(fā)生沉降而沉淀形成的[7]。

4.3.2 深水陸棚亞相

該亞相位于風暴浪基面以下靠近大陸斜坡的遠岸陸架區(qū),沉積環(huán)境能量更低,沉積物顏色更深、粒度更細。根據(jù)沉積特征可進一步識別出以下微相類型：(1)粉砂質深水陸棚微相：主要由深灰色、灰黑色泥質粉砂巖構成。泥質粉砂巖中由有機質層和貧有機質層呈現(xiàn)出條帶狀構造。石英粉砂不均勻分布呈團塊狀,可見黃鐵礦、硅質充填孔洞,顯示其為靠近大陸坡的深水陸棚環(huán)境。(2)泥質深水陸棚微相：主要由深灰色-灰黑色含硅泥巖、粉砂質泥巖構成。微細水平層理發(fā)育,常見黃鐵礦以分散粒狀或結核狀產(chǎn)出,其沉積物具有粒度細、顏色較深的特點顯示了其主要形成于滯留缺氧的深水泥質陸棚環(huán)境。

垂向上淺水陸棚亞相、深水陸棚亞相多呈交互疊置出現(xiàn),發(fā)育淺水陸棚-深水陸棚、斜坡-深水陸棚-淺水陸棚等微相組合序列。

4.4 臺緣斜坡相

發(fā)育于陡山沱組中部和燈影組燈一段及燈二段下部。臺緣斜坡通常位于含氧海水下限之上,沉積物不穩(wěn)定,本剖面沉積巖性以深灰色硅泥質云巖、云質泥巖、含泥灰?guī)r為主,并不同程度含有砂屑或鮞粒。陡山沱組和燈影組臺緣斜坡均為緩坡,從碳酸鹽臺地至陸棚之間具有一定坡折,滑塌作用偶有發(fā)生,但規(guī)模和頻率遠小于陡坡。

5 沉積演化及海平面響應

剖面沉積環(huán)境及演化總體上是在南華紀冰期南沱期冰期冰磧礫巖沉積之后,海平面快速上升,形成兩大期明顯的水進-水退旋回,并進一步可細分為八個三級層序(圖4)。

在陡山沱早期,即SQ1早期發(fā)生海侵,沉積了一套粉砂質的深水陸棚沉積物,其底部具有一套泥晶-粉晶白云巖,高位期水體逐漸變淺,并形成了硅質巖和灰色粉砂巖(埋藏期淺變質為板巖)沉積;SQ2早期再次海侵,沉積了淺水陸棚的硅質巖沉積,高位期逐漸沉積了臺緣斜坡的含泥灰?guī)r沉積;SQ3沉積早期發(fā)生小規(guī)模海侵,沉積了淺水陸棚相的含泥灰?guī)r沉積,高位期水體逐漸變淺,沉積了淺水陸棚相的含泥灰?guī)r沉積;SQ4沉積早期發(fā)生了陡山沱期內最大的海泛沉積,以深水陸棚相的泥質粉砂巖和硅質、云質和灰質泥巖沉積為主,高位期水體逐漸變淺,由下部含硅或硅質灰?guī)r向上逐漸沉積了深灰色粉晶灰?guī)r-粉晶白云巖,該高位期已處于臺緣斜坡沉積環(huán)境。

晚震旦世早期,接受了SQ5沉積,其早期沉積了泥質灰?guī)r和泥質云巖等臺緣斜坡沉積,高位期水體逐漸變淺,逐漸沉積了臺地邊緣鮞灘沉積;SQ6早期發(fā)生海侵,沉積了臺緣斜坡帶含硅、含泥的云巖沉積,高位期水體逐漸變淺,逐漸沉積了臺地邊緣帶的磷質砂屑灘沉積,向上逐漸過渡為潮坪和臺內淺灘沉積;SQ7沉積早期發(fā)生海侵,沉積了局限臺地潮坪的白云質泥巖和硅質云巖沉積,其后,高位期水體逐漸變遷,沉積了局限臺地潮坪的含膏云巖為主的沉積;SQ8沉積早期發(fā)生海侵,沉積了潮坪相的硅質云坪沉積,高位期逐漸沉積了局限臺地潮坪的粉晶云巖并夾有硅質條帶,受晚震旦世-早寒武世構造抬升剝蝕影響,SQ8層序高位體系域上部保存不完整,其遭到剝蝕后,被早寒武世快速海侵形成的深灰色頁巖覆蓋。

以上海平面變化和沉積旋回特征反映了楊家坪震旦紀沉積期總體水體由深-淺的旋回結構,并進一步形成了兩期主要的海進-海退旋回,其沉積環(huán)境頻繁更替,海平面依次出現(xiàn)數(shù)個上升-下降-上升-下降的旋回。當海侵期,相對海平面上升,形成陸棚、臺緣斜坡沉積;高位期,相對海平面上升減緩,到逐漸下降,形成潮坪、臺地邊緣灘沉積。

6 結語

(1)楊家坪震旦系剖面揭示了白云巖、灰?guī)r及硅質巖等多種巖石類型,其與沉積環(huán)境具有明顯的對應性。(2)楊家坪剖面震旦系剖面中可識別出了4個沉積相和15個微相。分別為：陸棚相(硅質淺水陸棚微相、泥質灰?guī)r淺水陸棚微相、泥質深水陸棚微相、粉砂質深水陸棚微相)、局限臺地相(云坪微相、含膏云坪微相、藻云坪微相)、臺地邊緣相(鮞粒灘微相、砂屑灘微相、磷質砂屑灘微相、灘間微相)、臺緣斜坡相(含泥灰?guī)r微相、泥質云巖微相、硅質灰?guī)r微相)。(3)楊家坪剖面沉積環(huán)境和海平面分析,揭示了總體水體向上變淺的特征,整體上具有2期二級海平面升降變化,分別對應陡山沱沉積期和燈影沉積期;進一步可細分為8個三級海平面旋回,其中陡山沱組和燈影組各具有4個三級海平面升降旋回。海平面的變化具有明顯的沉積環(huán)境響應。

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There is few research on the precise composition of rock types、detailed investigation of the sedimentary microfacies and the response of sea level change of Sinian in Shimen, Hunan. Through detailed field survey and indoor rock mineral determination,the rock typesof Doushantuo and Dengying Formation of Sinian at yangjiaping section in Shimen, Hunan were fine analyzed.On this basis ,combining withsedimentary facies marks to carry out research on the types of sedimentary facies and characteristics of microfacies.Four sedimentary facies and fifty microfacies were identified ,The four sedimentary facies are continental shelf (including Siliceous Shallow shelf、argillaceous limestone Shallow shelf、pelitic deep shelf、Silty deep shelf microfacies)、restricted platform(including dolomite tidal flat、gypseous dolomite tidaland algae dolomite tidal microfacies)、platform margin (including oolitic beach、Sand beach、PhosphorusSand beach、and inter beachmicrofacies)、slope of platform margin (including argillaceous limestone 、pelitic dolomite、siliceous limestone microfacies). And then the combination characteristic analyzed of sedimentary microfacies. The vertical evolution process of Sedimentary microfacies records of sea level changing .The Section of Sinian shows decreasing cycle from deep shelf gradually evolved into the platform margin slope platform margin restricted platform ,and the section is divided into two 2nd grade sequencesand eight 3rd grade sequences.

rock types;sedimentary microfacies;sea level change;Sinian period; Section of Yangjiaping