王杰瓊,劉 波,羅 平,石開波,張學豐,劉建強,王 洋
(1.北京大學地球與空間科學學院,北京 100871;2.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)
塔里木盆地西北緣震旦系混積巖類型及成因
王杰瓊1,2,劉 波1,羅 平2,石開波1,2,張學豐1,劉建強1,王 洋1,2
(1.北京大學地球與空間科學學院,北京 100871;2.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)
針對塔里木盆地西北緣震旦系形成的混積巖進行巖石分類,并探討其形成機理。通過野外地質(zhì)調(diào)查、巖石學研究及全巖主元素測定,將外源碎屑顆粒的質(zhì)量分數(shù)<75%、內(nèi)源化學/生化沉淀的碳酸鹽和/或黏土的質(zhì)量分數(shù)<90%的沉積巖定義為混積巖。并劃分出灰-砂混積巖、砂-灰混積巖、泥-灰混積巖、灰-泥混積巖、泥-砂混積巖、砂-泥混積巖、正混積巖等7種類型。在此基礎(chǔ)上根據(jù)結(jié)構(gòu)-成分進一步命名,可以在一定程度上反映機械搬運能力及盆內(nèi)水動力條件。研究區(qū)震旦系發(fā)育了一套典型的混積巖,反映了同一環(huán)境內(nèi)不同搬運機理或來源的沉積/沉淀物的特殊共生關(guān)系,較廣泛出現(xiàn)的混合沉積和混積巖可能代表著早期超大陸板塊裂解拉張背景下從裂谷碎屑沉積體系向更穩(wěn)定的碳酸鹽巖臺地沉積體系轉(zhuǎn)換過渡的構(gòu)造背景及與之相關(guān)的環(huán)境-氣候條件。
塔里木盆地;震旦系;混積巖;類型;成因
通常認為碳酸鹽巖沉積于水體較為干凈的海相或湖相環(huán)境,是一種與生命活動相關(guān)的化學沉積[1,2];而渾水環(huán)境中碳酸鹽礦物的結(jié)晶、(微)生物的生長會受到影響,從而抑制碳酸鹽的沉淀。然而,自20世紀50年代開始,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些與陸源碎屑相關(guān)、共生的碳酸鹽巖沉積[3,4]。
研究區(qū)位于塔里木盆地西北緣阿克蘇市西南(圖1)。南華紀-震旦紀時期Rodinia超大陸解體,研究區(qū)處于伸展構(gòu)造背景,兩側(cè)南天山和昆侖地區(qū)從早期大陸裂谷逐漸演化為被動大陸邊緣[5-8]。區(qū)內(nèi)震旦系可劃分為上、下兩個統(tǒng)。下震旦統(tǒng)蘇蓋特布拉克組不整合于阿克蘇群或南華系地層之上,下部主要沉積礫巖、砂巖、粉砂巖,上部為一套混合沉積。上震旦統(tǒng)奇格布拉克組底部為一套混合沉積,向上快速過渡為碳酸鹽巖臺地相沉積。由于基底差異大,震旦系的厚度在區(qū)內(nèi)差異較大(230~1 100 m),由南東向北西逐漸變厚[9]。沉積的由陸源碎屑巖過渡為海相碳酸鹽巖組合,不僅表現(xiàn)為碎屑巖層與碳酸鹽巖層的交互遞進,還表現(xiàn)為陸源碎屑與碳酸鹽的混合共生。由內(nèi)源成分和外源成分混合形成的沉積巖石或地層反映了特定的沉積和成因機制。有學者對這種組合沉積進行了報道[10-12],但是關(guān)于成因的研究較少,且在已有的巖石分類命名體系中依然未能取得共識[13]。本文重點針對研究區(qū)混合共生形成的混積巖進行分類研究,并探討其形成機理。
圖1 塔里木盆地西北緣震旦紀巖相古地理圖及剖面位置Fig.1 Lithofacies-paleogeographical map and the section position of the Sinian on the northwest margin of Tarim Basin
Mount(1984)提出“mixed sediments”一詞來描述陸源碎屑與碳酸鹽兩種組分的混合沉積物[1],楊朝青則用“mixosedimentite”(混積巖)一詞[15]。早期針對混積巖的研究主要從分類命名、成因和沉積相特征及相模式等方面進行[1,15-21],把混積巖定義為同一沉積環(huán)境、同時沉積形成的一套混合沉積物,即狹義的混積巖。近十年來,隨著與層序地層學研究結(jié)合,混積巖的概念被擴展到“混合沉積”,并將陸源碎屑巖與碳酸鹽巖在地層上呈高頻旋回互層的一套沉積地層歸入混合沉積[22],同時提出“混積層系”的概念[13],即為廣義的“混積巖”。本文主要從巖石學角度針對狹義的混積巖進行分類研究。
關(guān)于混積巖的分類命名,諸多學者提出了各自的方案。
Mount以硅質(zhì)碎屑砂(siliciclastic sand)、硅質(zhì)碎屑泥(siliciclastic mud)、碳酸鹽異化粒(carbonate allochems>20μm)、灰泥(micrite<20 μm)作為4個端元組分進行分類,并將陸源碎屑的質(zhì)量分數(shù)超過10%的混合沉積定為混積巖[16]。此種分類較為準確和全面,但是在實際應(yīng)用中操作不便。
后來的學者多采用陸源碎屑、碳酸鹽、黏土三端元組分分類,但是混積巖的組分含量界限不同,且命名差異性大。如:楊朝青將碳酸鹽質(zhì)量分數(shù)>25%、陸源碎屑質(zhì)量分數(shù)>10%的混合沉積物定義為混積巖[15],該方案只是把沉積巖中特定含量范圍內(nèi)的巖石籠統(tǒng)歸為混積巖,并未對混積巖本身進行進一步的劃分;張雄華定義的含量范圍擴大,將黏土質(zhì)量分數(shù)為0%~50%、碳酸鹽質(zhì)量分數(shù)為5%~95%、陸源碎屑質(zhì)量分數(shù)為5%~95%的混合沉積定義為混積巖[18];姜超將碳酸鹽質(zhì)量分數(shù)>5%、陸源碎屑和黏土任一個的質(zhì)量分數(shù)>5%的歸為混積巖,并將混積巖分為12種類型[23]。這在實際操作中難于把握,且12種類型在自然界也并非都普遍存在。同時,上述分類定義的組分含量勢必將部分傳統(tǒng)意義上的砂巖和碳酸鹽巖歸入混積巖。
也有學者采用二組分分類法,如Williams按沉積物來源成分分為鈣質(zhì)砂巖(calcareous sandstone)、砂質(zhì)灰?guī)r(sandy limestone)、鈣質(zhì)泥巖(calcareous mudstone)、泥質(zhì)灰?guī)r(argillaceous limestone)4類[24]。董桂玉將黏土與碎屑顆粒歸為陸源碎屑,分為含陸源碎屑-碳酸鹽巖、陸源碎屑質(zhì)-碳酸鹽巖、含碳酸鹽-陸源碎屑巖、碳酸鹽質(zhì)-陸源碎屑巖,且沒有將混積巖一詞作為中心詞參與命名;并指出,即使其中某一部分組分低于5%,為了強調(diào)混合沉積,也應(yīng)參與命名[25]。這實際上將大部分砂巖或碳酸鹽巖歸入混積巖。
由上可見,已有的混積巖定義有的過于籠統(tǒng),有的又趨于泛化,強調(diào)的是成分的非一元化特點,對因成巖作用導(dǎo)致的成分差異考慮不足?;旆e巖的劃分方案中,應(yīng)該強調(diào)的是沉積機理,顯然不宜將已得到廣泛認可的鈣質(zhì)砂巖(在成巖階段早期,鈣質(zhì)膠結(jié)高能砂巖,即使其碳酸鹽巖質(zhì)量分數(shù)占25%以上)也歸入混積巖。郭福生認為反映特殊沉積事件及環(huán)境,混積巖的提出很有必要[13]。同時,既然已經(jīng)定義特定含量范圍內(nèi)為混積巖,在命名中又出現(xiàn)砂巖或灰?guī)r作為中心詞較混亂,因此筆者在本文的分類命名中保留混積巖作為巖石的中心詞。
當巖石為顆粒支撐,碎屑顆粒之間的碳酸鹽多在成巖作用的早期階段以碳酸鹽膠結(jié)物的形式膠結(jié)于孔隙中,此時若顆粒近似等大小,對應(yīng)的顆粒質(zhì)量分數(shù)>75%,因此本文選用外源碎屑顆粒的質(zhì)量分數(shù)>75%定為砂巖。當巖石為基質(zhì)支撐,內(nèi)源化學/生化沉淀的碳酸鹽與黏土需參與到沉積階段方能沉積成巖。另外2個端元的質(zhì)量分數(shù)>90%的分別屬于傳統(tǒng)意義上的碳酸鹽巖和黏土巖。
本文選用外源碎屑、外源黏土、內(nèi)源化學/生化沉淀的碳酸鹽作為三端元組分進行沉積巖分類基礎(chǔ),將外源碎屑顆粒的質(zhì)量分數(shù)<75%、內(nèi)源化學/生化沉淀的碳酸鹽和/或黏土的質(zhì)量分數(shù)<90%的沉積巖定義為混積巖。在混積巖的分類命名中,當3種組分的質(zhì)量分數(shù)均小于50%的表示3種組分的高度混合,定名為正混積巖;當某一組分的質(zhì)量分數(shù)>50%時,按“少前多后”的原則,并用“-”相連組分為混積巖進行命名。如當以砂粒、黏土和方解石為端元成分時,可把混積巖劃分為灰-砂混積巖、砂-灰混積巖、泥-灰混積巖、泥-砂混積巖、灰-泥混積巖、砂-泥混積巖、正混積巖7種類型(圖2)。在此基礎(chǔ)上可進一步按結(jié)構(gòu)-成分詳細定名。
對研究區(qū)庫勒西剖面(圖1)的混積巖及相關(guān)巖石進行采樣制片及主元素測定,對于測定的結(jié)果,通過薄片觀察分析,分別算出碳酸鹽、碎屑顆粒、黏土的相對含量,結(jié)果進行投點分類(圖2,表1)。研究區(qū)以灰-砂混積巖、砂-灰混積巖為主,少量泥-砂混積巖、泥-灰混積巖、正混積巖。沒有灰-泥混積巖和砂-泥混積巖。這也正說明了較純的砂是可以與碳酸鹽共生的,而泥更加抑制碳酸鹽的沉積。
圖2 混積巖分類方案及研究區(qū)震旦系巖石類型投點Fig.2 Mixosedimentite classification and the Sinian rock types in the research area
表1 塔里木盆地西北緣震旦系混積巖相關(guān)巖石分類及其特征Table 1 Rock classification and characteristics of the Sinian mixosedimentite on the northwest margin of Tarim Basin
砂-灰/云混積巖:碳酸鹽質(zhì)量分數(shù)>50%,且碎屑顆粒含量大于黏土含量。研究區(qū)中據(jù)碳酸鹽組分的結(jié)構(gòu)差異,有中砂鮞粒砂-云混積巖、細砂礫屑砂-灰混積巖和粉砂泥晶砂-灰混積巖。在中砂鮞粒砂-云混積巖(圖3-A)中,泥質(zhì)含量較少,碎屑顆粒多以石英為主,也含部分硅質(zhì)巖屑,顆粒大小在400μm左右,分選中等,磨圓好-中等;碳酸鹽組分可見以石英顆粒為核心的鮞粒,及碳酸鹽的顆粒(鮞粒和球粒),顆粒間點-線接觸,亮晶膠結(jié)物充填;對應(yīng)于中等-強的機械搬運及較強的盆內(nèi)水動力條件。在粉砂泥晶砂-灰混積巖(圖3-B)中,碎屑顆粒主要是石英,多數(shù)顆粒小于80μm,分選較好,磨圓差,碳酸鹽為泥晶;對應(yīng)于弱的機械搬運及弱的盆內(nèi)水動力條件。
灰/云-砂混積巖:碎屑顆粒的質(zhì)量分數(shù)>50%,且碳酸鹽含量大于黏土含量。研究區(qū)中據(jù)各組分結(jié)構(gòu)差異,有泥晶細砂灰-砂混積巖、泥晶雜砂云-砂混積巖和砂屑細砂灰-砂混積巖。在泥晶雜砂云-砂混積巖(圖3-C)中,碎屑顆粒以石英為主,也見部分硅質(zhì)巖屑,成分成熟度較高,顆粒大小在25~2 500μm左右,顆粒大小混雜堆積,分選差,磨圓較好,粒間不接觸或點接觸,基質(zhì)支撐;碳酸鹽多以泥-微晶白云石形式充填其中,也見少量碳酸鹽顆粒;對應(yīng)于中等-強的機械搬運及中等的盆內(nèi)水動力條件。在砂屑細砂灰-砂混積巖中(圖3-D),碎屑顆粒以石英為主,顆粒分選、磨圓差,顆粒間為線-凹凸接觸,經(jīng)受了強烈的壓實作用;碳酸鹽為砂屑不均勻分布其中;對應(yīng)于中等-弱的機械搬運及中等盆內(nèi)水動力條件。
泥-砂混積巖:碎屑顆粒的質(zhì)量分數(shù)>50%,黏土含量大于碳酸鹽含量。研究區(qū)中僅見細砂泥-砂混積巖(圖3-E、F),碎屑顆粒以石英為主,見部分長石、巖屑及少量海綠石,成分成熟度中等,顆粒分選中等,磨圓差;顆粒間為線-凹凸接觸,后期經(jīng)受了強烈的壓實作用;陸源碎屑泥質(zhì)及少量碳酸鹽充填其中;對應(yīng)于中等-弱的機械搬運及較弱的盆內(nèi)水動力條件。
泥-灰混積巖:碳酸鹽的質(zhì)量分數(shù)>50%,且黏土含量大于碎屑顆粒含量。研究區(qū)中主要為泥晶泥-灰混積巖(圖3-G)。陸源碎屑僅見少量的硅質(zhì)碎屑,以石英為主,且碎屑顆粒細小,為50 μm左右,分選好,磨圓中等-差,顆粒不接觸,泥質(zhì)成分含量較高,質(zhì)量分數(shù)達23%左右,為基質(zhì)支撐;碳酸鹽以泥晶形式沉積;對應(yīng)于弱的機械搬運及弱的盆內(nèi)水動力條件。
正混積巖:碎屑顆粒、碳酸鹽、黏土礦物的質(zhì)量分數(shù)均低于50%。研究區(qū)中僅見泥晶-粉砂正混積巖(圖3-H),碎屑顆粒以石英為主,也見部分長石、巖屑,顆粒分選較好,磨圓差;泥質(zhì)、碳酸鹽灰泥及鐵質(zhì)氧化物充填其中;顆粒間為點-線接觸或不接觸,基質(zhì)支撐;對應(yīng)于弱的機械搬運及較弱的盆內(nèi)水動力條件。
混積巖及混合沉積的出現(xiàn)代表了復(fù)雜多變的沉積環(huán)境,受構(gòu)造、古氣候、海平面變化、沉積動力學、物源供給等等影響[26-28]。構(gòu)造,主要控制物源區(qū)和沉積區(qū)的分布,及盆地的沉降速率與沉積充填速率。古氣候,主要是降雨期與枯水期、溫度及季風引起的海水動力條件的變化,降雨期陸源碎屑易隨水流進入,從而抑制碳酸鹽沉積,枯水期則利于形成碳酸鹽沉積;氣候溫暖,有利于生物生長,生物碳酸鹽產(chǎn)率高,寒冷期則碳酸鹽產(chǎn)率低;氣候多變,則易形成混合沉積。海平面:影響物源供應(yīng)及陸相與海相之間相帶的遷移而造成混合沉積。沉積動力學,主要是波浪、潮汐、風暴流對沉積物的影響。物源供給,受構(gòu)造、氣候、海平面變化的綜合控制結(jié)果。混合沉積是地質(zhì)歷史中各因素相互影響、共同作用的結(jié)果。
混積巖是兩種沉積機制下的過渡或突變形成的:研究區(qū)東南部有大量正地形古陸[12],為混積巖提供了陸源物質(zhì);震旦紀時期海水缺氧、高堿度、碳酸鈣過飽和[29,30],該組地層沉積時期,研究區(qū)位于北緯27°[31],海水溫度較高,為混積巖提供了碳酸鹽來源。
以庫勒西剖面為重點研究對象(圖4),同時研究區(qū)內(nèi)橫向上沉積特征相似。蘇蓋特布拉克下亞組,受構(gòu)造控制,處于裂谷發(fā)育早期階段,沉積基底差異大,陸源碎屑供給充分,不利于碳酸鹽生成,為沉積地層厚度差異大填平補齊的裂谷碎屑沉積(庫勒西剖面厚度僅10余米,肖爾布拉克西溝剖面達330余米),主要沉積了砂礫巖。隨著裂谷作用的進一步發(fā)展,填平補齊沉積使地形趨于平緩,構(gòu)造活動穩(wěn)定,物源供給相對減少,碳酸鹽產(chǎn)率升高,沉積了混積巖及地層上的混合沉積,自下而上,碎屑顆粒粒度變小、含量降低,碳酸鹽含量增加,δ13C較為偏負,依次沉積:細砂泥晶砂-灰混積巖、粉砂泥晶砂-灰混積巖,發(fā)育波狀層理、交錯層理等,為混積濱岸相帶;海平面上升,水動力條件變?nèi)酰练e泥晶灰?guī)r、細砂泥晶砂-灰混積巖,在潮道水動力條件較強地區(qū)沉積細砂鮞粒砂-灰混積巖,同時發(fā)育波狀層理,為混積潮坪相帶;海平面上升,受周期性風暴流控制,在正常浪基面之下、風暴浪基面之上(庫勒西和什艾日克剖面),發(fā)育多套向上變粗的韻律組合:灰綠色灰質(zhì)泥巖、粉砂泥晶砂-灰混積巖、細砂礫屑砂-灰混積巖,而在風暴浪基面之下(肖爾布拉克西溝剖面),主要沉積泥晶灰-泥混積巖、泥晶粉砂灰-砂混積巖,為混積陸棚沉積相帶;頂部海平面下降,形成喀斯特不整合面。
蘇蓋特布拉克上亞組,海平面上升,臨近風化殼,物源充足,對碳酸鹽的抑制作用增強,形成灰-砂混積巖、泥-砂混積巖,甚至砂巖,依次沉積:泥晶細砂灰-砂混積巖和砂屑細砂灰-砂混積巖,發(fā)育波痕、交錯層理等,為混積濱岸相帶;海平面上升,由于物源供應(yīng)充足,對碳酸鹽的抑制作用增強,較難形成混積巖,主要為碎屑巖,發(fā)育多套向上變粗的韻律組合:泥巖、泥質(zhì)砂巖、細砂巖,可見交錯層理、波狀層理及平行層理,為陸棚相帶;海平面下降,沉積泥巖、細砂巖、泥晶細砂云-砂混積巖、粉砂泥晶砂-云混積巖、泥晶白云巖、藻紋層白云巖,發(fā)育水平層理、泥裂,為混積潮坪相帶;頂部由于構(gòu)造運動,海平面下降,形成區(qū)域性不整合面。
奇格布拉克組底部,隨著構(gòu)造運動趨于穩(wěn)定,由碎屑巖、混積巖快速過渡為泥晶白云巖、微生物白云巖,為較穩(wěn)定的碳酸鹽臺地。
研究區(qū)震旦紀處于大陸裂谷逐漸演化為被動大陸邊緣的拉張背景下,氣候環(huán)境惡劣,陸地裸露,植被缺乏,強烈季風盛行。混積巖及混合沉積的韻律性交替變換,反映在當時惡劣的環(huán)境、海水動蕩與停滯交互、頻繁的海平面變化,形成了由碎屑巖向碳酸鹽巖過渡時期的混積巖。震旦紀較廣泛出現(xiàn)的混積巖代表著超大陸板塊裂解的拉張背景下從裂谷碎屑沉積體系向更穩(wěn)定的碳酸鹽巖臺地沉積體系轉(zhuǎn)換過渡及與之相關(guān)的環(huán)境-氣候條件。
圖4 塔里木盆地西北緣庫勒西剖面混積巖綜合柱狀圖Fig.4 Integrated bar graph of the mixosedimentite in the Kulexi section on the northwest margin of Tarim Basin
本文結(jié)合塔里木盆地西北緣震旦系巖石特點,將外源碎屑顆粒的質(zhì)量分數(shù)<75%、內(nèi)源化學沉淀的碳酸鹽和/或黏土的質(zhì)量分數(shù)<90%的沉積巖定義為混積巖,并以外源碎屑砂、外源黏土、內(nèi)源化學/生化沉淀的碳酸鹽作為三端元組分,當以砂粒、黏土和方解石為端元成分時,劃分出灰-砂混積巖、砂-灰混積巖、泥-灰混積巖、泥-砂混積巖、灰-泥混積巖、砂-泥混積巖、正混積巖等7種類型。這些混積巖可根據(jù)結(jié)構(gòu)-成分進一步細分命名。研究區(qū)以灰-砂混積巖、砂-灰混積巖為主,對應(yīng)的為砂屑細砂灰-砂混積巖、細砂泥晶砂-灰混積巖和粉砂礫屑砂-灰混積巖為主。這一分類命名體系可以在一定程度上反映相應(yīng)的機械搬運能力和盆內(nèi)水動力條件。
塔里木盆地東南地區(qū)的古陸及當時氣候溫暖、碳酸鈣過飽和的海水為混合沉積提供了條件。巖石類型上,混積巖為從碎屑巖到碳酸鹽巖過渡沉積的產(chǎn)物。沉積相帶上,從陸相過渡到海相,蘇蓋特布拉克下亞組為混積濱岸—混積潮坪—混積陸棚,蘇蓋特布拉克上亞組為混積濱岸—陸棚—混積潮坪,奇格布拉克組逐漸過渡為較穩(wěn)定的碳酸鹽臺地沉積。震旦紀較廣泛出現(xiàn)的混積巖代表著超大陸板塊裂解、拉張背景下從裂谷碎屑沉積體系向更穩(wěn)定的碳酸鹽巖臺地沉積體系轉(zhuǎn)換過渡及與之相關(guān)的環(huán)境及氣候條件。
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Classification and genesis of Sinian mixosedimentite from northwest margin of Tarim Basin,China
WANG Jie-qiong1,2,LIU Bo1,LUO Ping2,SHI Kai-bo1,2,
ZHANG Xuefeng1,LIU Jian-qiang1,WANG Yang1,2
1.School of Earth and Space Sciences,Peking University,Beijing 100871,China;
2.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083,China
This research is focused on the classification of the mixosedimentite in the Sinian on the northwest margin of Tarim Basin,and also discusses its formation mechanism.Based on the field survey,petrography study and bulk rock major elements analysis,the mixosedimentite is defined as a special type of sedimentary rock,in which the amount of exogenous clastics is lower than 75%,while the amount of chemical precipitated carbonate and/or clays is lower than 90%.The mixosedimentite can be classified into seven groups:lime-sand mixosedimentite,sand-lime mixosedimentite,mud-lime mixosedimentite,lime-mud mixosedimentite,mud-sand mixosedimentite,sand-mud mixosedimentite and orthomixosedimentite.A further way of nomination is put forward based on the structure and composition of rocks,thereby,reflecting the mechanical transporting ability and the intra basinal water dynamic conditions.A set of mixosedimentite in the research area reflects a special paragenetic relationship of the sediments whose source or transport mechanism is different in the same environment.The widely spread of the mixed sedimentation or mixosedimentite in the Sinian probably represents the transitional tectonic background from the rift basin sedimentary system to a more stable carbonate rock platform sedimentary system and the related environment-climate conditions under the tectonic background of the early splitting of the supercontinent.
Tarim Basin;Sinian;mixosedimentite;classification;genesis
P588.2
A
10.3969/j.issn.1671-9727.2014.03.10
1671-9727(2014)03-0339-08
2013-12-17
中國地質(zhì)調(diào)查局中國西部主要大型盆地碳酸鹽巖油氣資源調(diào)查評價項目(1212011220760);國家自然科學基金資助項目(41272137)
王杰瓊(1988-),女,碩士研究生,研究方向:儲層沉積學,E-mail:wangjieqiong@pku.edu.cn
劉波(1965-),男,博士,研究員,主要從事盆地構(gòu)造-沉積演化、儲層沉積學、層序地層學、碳酸鹽巖沉積-成巖作用研究,E-mail:bobliu@pku.edu.cn。