貴州南部晚石炭世沉積環(huán)境與古地理特征

苑 坤，陳 榕，林 拓，方欣欣，覃英倫，王 超，周 志，孫相燦

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學院 地質(zhì)力學研究所，北京 100081)

滇黔桂地區(qū)作為上古生界海相沉積的主要區(qū)域，是我國南方重要的油氣資源戰(zhàn)略接替區(qū)[1-4]，而其晚石炭世的沉積環(huán)境及巖相古地理對我國研究海相石炭系來說既重要又典型[5]。埡紫羅裂陷槽作為上古生界海相頁巖穩(wěn)定發(fā)育的部位，在貴州南部主要分布在六盤水—紫云—羅甸一帶；裂陷槽內(nèi)沉積環(huán)境總體屬于深水環(huán)境，但在不同時代隨海平面的變化又表現(xiàn)出不同的相帶特點[6]，兼具臺、盆沉積的特征。對其開展研究，有利于查清該區(qū)上石炭統(tǒng)沉積及演化特征，研究威寧組與南丹組的相變關(guān)系，揭示上石炭統(tǒng)沉積時期埡紫羅裂陷槽中段(水城—紫云)的沉積相帶特征及其發(fā)育歷史，探討臺地邊緣沉積—臺盆相沉積過渡的過程。

1 概述

貴州南部地區(qū)上石炭統(tǒng)地層發(fā)育完整，以海相碳酸鹽巖及碎屑巖為主，生物化石豐富[7]。但由于不同區(qū)域在晚石炭世的沉積相帶及巖性組合不同，將分布于羅甸—望謨—六盤水大致呈北西向轉(zhuǎn)東西向展布的斜坡—盆地相灰?guī)r、硅質(zhì)巖組合命名為南丹組，分布于獨山—紫云—六盤水—普安—冊亨一帶，大致呈北西向環(huán)帶狀展布的臺地邊緣至斜坡相地層命名為威寧組(圖1)[8]。受地表覆蓋及區(qū)域資料限制，加之缺少地下鉆井資料的驗證，二者的相帶過渡關(guān)系及沉積巖石規(guī)律尚未得到充分驗證。

威寧組最早被丁文江命名為“威寧石灰?guī)r”(1914年)，原指在維憲晚期至中石炭世沉積期間的以碳酸鹽巖為主的地層，發(fā)現(xiàn)地點位于威寧縣城南十里鋪至飛來石附近[9]。后由于學者對本套地層的年代歸屬存在爭議，曾出現(xiàn)過滑石板組、達拉組、德塢組等多種表述方式。本文以參考文獻[8]為參考，將二疊系平川組之下，石炭系打屋壩組之上的一套臺緣灘相淺灰色灰?guī)r夾白云巖組合歸為威寧組，時限為早石炭世大塘早期至二疊紀船山世紫松期(圖2)。下石炭統(tǒng)頂部威寧組地層以深色碳酸鹽巖及碎屑巖為主，晚石炭世中晚期沉積地層——威寧組頂部地層為淺色碳酸鹽巖(包括礁灰?guī)r)，威寧組最大厚度2 011 m，與下伏地層連續(xù)沉積。

南丹組最早由廣西區(qū)調(diào)隊(1987)創(chuàng)名于廣西南丹六寨鎮(zhèn)么腰附近，原義指位于大埔白云巖之上、龍吟組泥巖之下的一套深灰色薄層泥晶灰?guī)r夾數(shù)層生物屑礫屑灰?guī)r、生物屑灰?guī)r，富含硅質(zhì)條帶及結(jié)核的巖石組合。按照不同學者觀點，該套地層曾有多套命名方式，如小浪風關(guān)組、下院組、店子上組、空洞河組及上如牙組等。本文將整合于打屋壩組之上、四大寨組之下的斜坡至盆地相黑色灰?guī)r、燧石灰?guī)r夾硅質(zhì)巖組合歸為南丹組，時限為早石炭世大塘晚期至船山世紫松期。南丹組地層以深色含燧石碳酸鹽巖夾硅質(zhì)巖為主，下石炭統(tǒng)為一套黑色黏土巖，地層最大厚度1 456 m，與下伏打屋壩組連續(xù)沉積。

圖1 貴州南部下石炭統(tǒng)威寧組、南丹組巖相分布

圖2 貴州南部石炭系分區(qū)地層劃分對比

2 典型鉆井的巖石類型

本文選擇貴州南部3口典型頁巖氣調(diào)查井作為研究對象，對其鉆遇的石炭系地層進行分析。3口井所處大地構(gòu)造位置位于揚子板塊西南緣，紫云—亞都斷裂帶南東段，分別是紫云1井(1 828.25 m)、黔紫頁1井(3 005 m)和長頁1井(953.7 m)。

2.1 紫云1井

紫云1井位于貴州省紫云縣城西北約8 km，構(gòu)造位置屬于黔南坳陷火花背斜北東翼，鉆井全井段鉆遇地層以生物碎屑凝塊灰?guī)r為主，判斷為臺地邊緣藻丘的沉積特征。通過巖心分析及薄片鑒定，認為鉆井共表現(xiàn)為4個旋回構(gòu)成的巖性組合段，每段的表現(xiàn)相似，均為下部灰色不等晶含生物碎屑藻凝塊灰?guī)r(圖3a)、泥晶—亮晶含生物碎屑藻凝塊灰?guī)r(圖3b)、白云質(zhì)灰?guī)r；向上逐漸過渡為泥—亮晶藻砂屑生物屑灰?guī)r、生物屑藻凝塊含白云質(zhì)灰?guī)r(圖3c，d)；藻凝塊分布較為均勻，粒度在0.06～10.00 mm，以砂礫級藻凝塊為主，判斷為藍綠藻類生物沉淀并保存而成，可見藍綠藻類絲狀體結(jié)構(gòu)[10-12]。

2.2 黔紫頁1井

黔紫頁1井位于貴州省紫云縣東南9 km，構(gòu)造位置屬于黔南坳陷下廠向斜南翼，鉆井在1 092～2 664 m鉆遇上石炭統(tǒng)地層[13]。根據(jù)巖性及標志生物的變化特征[14-15]，可將其分為2段：(1)上段(1 092～2 100 m)為灰色—深灰色泥晶灰?guī)r和生物碎屑泥晶灰?guī)r。泥晶灰?guī)r以泥晶方解石為主，晶粒細小，粒徑多小于0.01 mm，可見少量硅質(zhì)巖巖屑，其成分主要是燧石；生物碎屑灰?guī)r成分上主要由方解石組成，結(jié)構(gòu)上主要是由生物碎屑(50%～60%)及填隙物組成，其中生物碎屑主要包括有孔蟲(蟲筳類為主)、棘皮類(海百合莖)，部分腹足類等生物碎屑，均被方解石充填交代，生物碎屑個體較大，最大可達3.0 mm，且多被方解石充填交代(圖4a,b)。(2)下段(2 100～2 664 m)薄片中可明顯觀察到有藻類出現(xiàn)。與紫云1井不同，本段藻類不發(fā)育，且多被方解石交代破壞，薄片中僅見部分藻類殘留，主要呈絲狀或網(wǎng)格狀(圖3c)，在巖石中與其他生物碎屑均呈零散分布，且藻類的組織結(jié)構(gòu)均被泥晶方解石交代和充填。下段巖性主要為灰色生物碎屑灰?guī)r、灰色—深灰色粉晶、細晶白云巖；其中，2 496～2 664 m發(fā)育168 m厚的白云巖層，巖屑細小，大小在1～4.5 mm之間，主要由白云石礦物組成，呈半自形—自形菱形粒狀，晶粒粒徑主要在0.03～0.25 mm之間，晶粒之間緊密接觸(圖4d)。

2.3 長頁1井

長頁1井位于貴州省長順縣西南墩操鄉(xiāng)，構(gòu)造位置屬于黔南坳陷貴定南北向褶皺帶[16]，鉆井在0～707.75 m鉆遇上石炭統(tǒng)地層，按照巖性特征，可將其分為3段：(1)上段為深灰、灰黑色厚至塊狀礫屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r、泥晶生物碎屑灰?guī)r及泥晶灰?guī)r互層，夾少量薄層、白云質(zhì)灰?guī)r，生物屑主要為腕足、腹足類化石；(2)中段以泥晶灰?guī)r為主，夾硅質(zhì)巖、生物碎屑灰?guī)r及砂屑灰?guī)r，部分灰?guī)r中含角礫，呈次棱角狀，生物化石主要為腕足、腹足類；(3)下段為深灰色薄層泥晶砂屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r與薄層硅質(zhì)巖互層，向下巖石泥質(zhì)含量增多，巖石中夾少量灰黑色泥灰?guī)r、燧石條帶，部分巖石裂隙充填干瀝青，生物化石主要為腕足、介殼類。

圖3 貴州南部黔南坳陷紫云1井威寧組巖性特征

圖4 貴州南部黔南坳陷黔紫頁1井南丹組巖性特征

3 沉積環(huán)境分析

3.1 沉積演化

志留紀末期，揚子板塊與華南板塊之間的碰撞縫合，形成了貴州南部地區(qū)相對穩(wěn)定的構(gòu)造基底[17]；在晚古生代時期，貴州南部整體處于拉張的沉積背景，埡都—紫云—羅甸裂陷槽便是在泥盆紀被拉開；進入早石炭世后，受由南東往北西方向的海侵作用，安順、羅甸一帶表現(xiàn)為深水盆地環(huán)境[18]，此時，高等植物繁盛，下石炭統(tǒng)打屋壩組富有機質(zhì)泥頁巖地層發(fā)育，此后，受巖石圈的沉陷作用影響，有機質(zhì)沉積地區(qū)被海水淹沒，在打屋壩組地層沉積末期，海侵規(guī)模達到最大。上古生界地層開始沉積時，除深水海盆外，淺海臺地環(huán)境也開始不同程度的發(fā)育，形成了碳酸鹽斜坡與碳酸鹽臺地相沉積[19]?？傮w來說，受海平面變化及盆地內(nèi)碳酸鹽沉積速率的影響，研究區(qū)上石炭統(tǒng)沉積的地層可劃分為碳酸鹽臺地相、碳酸鹽斜坡相和臺盆相三大相區(qū)(圖5)。

3.2 碳酸鹽臺地相

碳酸鹽臺地相在貴州南部主要分布在獨山—紫云—六盤水—普安—冊亨一帶，呈北西向環(huán)帶狀展布，寬約10～20 km，按照與海平面的相對關(guān)系，可分為局限臺地、開闊臺地、臺內(nèi)淺灘和臺地邊緣礁灘4種亞相。

圖5 貴州南部地區(qū)碳酸鹽臺地沉積模式

3.2.1 局限臺地亞相

位于近陸一側(cè)，水體較淺，海水循環(huán)受限，水動力條件較弱，因此巖性以灰、深灰色中、薄層泥晶灰?guī)r、生物屑泥晶灰?guī)r為主夾硅泥巖，生物多見藻類、雙殼類、有孔蟲組合，也可見少量其他底棲類型[20]。局限臺地亦可由礁后潟湖或局限海灣演變而成，因而常具一定的繼承性。如構(gòu)造斷陷加強，或海平面大幅升降，可能轉(zhuǎn)變?yōu)榕_盆沉積體系，或二者互相轉(zhuǎn)變。

3.2.2 開闊臺地亞相

位于近陸一側(cè)，水體較淺，是碳酸鹽臺地的主要組成部分，巖石類型通常為灰色厚層、塊狀生物屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r及白云巖，常見水平層理及波狀層理，生物組成亦較豐富，以蟲筳類、藻類、腕足、棘皮動物、雙殼類等為主，基本上為底棲固著生態(tài)類型。

3.2.3 臺內(nèi)淺灘亞相

由于臺地邊緣位于開闊臺地外側(cè)，處于比臺地更高的位置，長期受波浪作用影響，水動力作用較強，屬于高能環(huán)境，一般表現(xiàn)為厚度大，多塊狀正地形突起；巖性為生屑灰?guī)r、亮晶砂屑灰?guī)r、鮞?；?guī)r、白云巖等；骨屑磨圓度及分選性較差，能見到一些波狀層理、浪成交錯層理、底沖刷構(gòu)造。

3.2.4 臺地邊緣礁灘亞相

生物礁按規(guī)模大小、生長位置可分為臺內(nèi)點礁、臺緣點礁、臺緣堤礁等幾種類型。它們大多沿臺地邊緣呈現(xiàn)出條帶狀分布規(guī)律，按照巖相組合及生物特征，還可進一步分為臺地邊緣生物礁、礁后、礁后灘、礁后潟湖、礁前、邊緣淺灘等微相。巖石類型主要為生物(礁)灰?guī)r、生物屑灰?guī)r、顆?；?guī)r。生物有蟲筳類、有孔蟲、藻類、水螅類、海綿動物類及有關(guān)底棲介殼生物。

結(jié)合鉆井生物化石及巖性組合特征，判斷紫云1井及黔紫頁1井的2 100～2 664 m段發(fā)育為臺地邊緣礁灘亞相沉積。其中紫云1井記錄了4個巖性組合基本相同、沉積相帶比較相似的沉積旋回，每個旋回均以臺地邊緣的凝塊灰?guī)r為主體，向上為開闊臺地相的生物碎屑灰?guī)r。這種組合的反復出現(xiàn)，說明石炭紀晚期本區(qū)至少經(jīng)歷了4次海平面升降的過程。黔紫頁1井的2 100～2 664 m段表現(xiàn)為白云巖—泥灰?guī)r—生屑灰?guī)r的組合，也可看作是礁前相帶向斜坡相過渡的產(chǎn)物[21]。其中在2 496～2 664 m出現(xiàn)的168 m粉—細晶白云巖(圖4d)，是礁前部分抬升白云石化形成的，推測在晚石炭世早期，安順—長順—獨山一帶水溫條件適合藻類、珊瑚的大量繁衍，在埡紫羅裂陷槽內(nèi)形成了由西向東斷續(xù)延伸的水下隆起帶，使得大量的碳酸鈣得以沉積，后期受地殼抬升影響，海水蒸發(fā)，鎂鈣比值逐步增高，海水中富鎂，而富鎂的水溶液下滲，作用于剛脫離海底的碳酸鈣沉積物中，鎂離子替代了部分鈣離子[22-23]，形成白云巖；后期受沉降作用影響，白云巖被深埋，地下溫度的增加使得白云石化更加普遍，同時伴隨著重結(jié)晶作用，便出現(xiàn)了目前黔紫頁1井中的各種白云巖晶粒鑲嵌結(jié)構(gòu)。

3.3 碳酸鹽斜坡相

該相是在碳酸鹽沉積背景下發(fā)育在臺地與臺盆之間的斜坡沉積體系(圖5)，主要分布于羅甸—望謨—六盤水，大致呈北西向展布的槽狀地帶中。巖性以深色含燧石碳酸鹽巖夾硅質(zhì)巖為主，化石相對稀少，以蟲筳類為主。根據(jù)正常浪基面和風暴浪基面的位置，碳酸鹽斜坡相可劃分出下斜坡、中斜坡和上斜坡3個亞相。

3.3.1 上斜坡亞相

上斜坡作為臺邊緣礁灘亞相與斜坡相的緊臨部位，水深幾米至幾十米，水動力作用較強，屬氧化環(huán)境，巖石類型多為內(nèi)碎屑灰?guī)r或生物碎屑灰?guī)r。從臺地邊緣至斜坡方向，隨著水深的增加，沉積物顆粒粒度逐漸減小；生物類型豐富，以淺水生物為主，包括腹足類、棘皮類，腕足類等。

3.3.2 中斜坡亞相

中斜坡位于上斜坡和下斜坡之間，水深幾十米，水動力條件較上斜坡弱，巖石以生物碎屑泥灰?guī)r為主，多見重結(jié)晶及硅化特征；生物碎屑含較多的淺水生物碎屑，包括腕足類、棘皮類等。

3.3.3 下斜坡亞相

下斜坡位于碳酸鹽臺地的下部，靠近斜坡地帶，水深大于百米，水體能量極低，屬還原環(huán)境，巖石類型多為泥灰?guī)r。由于水體環(huán)境pH值較低，易于沉淀硅質(zhì)成分，從而在灰?guī)r中形成硅質(zhì)條帶。巖石中生物化石以雙殼類、海綿骨針、腕足、棘皮類為主。

長頁1井上段(0～213 m)及黔紫頁1井的上段(1 092～2 100 m)碳酸鹽巖發(fā)育具有上斜坡的特點(圖6)。具體表現(xiàn)為碳酸鹽巖的顆粒較粗、類型單一，部分為角礫狀灰?guī)r，以內(nèi)碎屑、生物屑為主；受機械分異作用的影響，從上斜坡向盆地過渡過程中，巖性變化為深灰色泥質(zhì)灰?guī)r夾黑色泥灰?guī)r條帶，可見灰黑色薄層硅質(zhì)巖及其團塊(長頁1井，213～707.75m)。由于較上斜坡變深，巖石顆粒粒度變小，藻類和真菌活動受到抑制，生物碎屑邊緣泥晶化的現(xiàn)象較少，生物組分中，以有孔蟲類、棘皮類、腕足類分布為主，亦可見到海綿骨針和雙殼類等。

圖6 貴州南部地區(qū)典型鉆井地層對比

3.4 臺盆相

臺盆相為碳酸鹽臺地內(nèi)或臺地間的較深水沉積區(qū)域。由于水體較深，海水循環(huán)受限，巖性主要表現(xiàn)為灰黑色硅質(zhì)巖夾薄層狀泥晶灰?guī)r，且灰?guī)r中?？梢娚倭糠坌技壾涹w動物和腕足碎屑，常見有硅質(zhì)放射蟲和海綿骨針等深水浮游生物組合，也有雙殼類、腕足、蟲筳等；可與低密度鈣屑濁積巖、火山碎屑沉積巖、含錳泥巖及泥灰?guī)r互為夾層，常見沙紋層理、水平層理。臺盆相可與深水洋盆相通，也可以不相連，且受海平面變化影響，其與碳酸鹽巖臺地相可發(fā)生轉(zhuǎn)化。

貴州南部臺盆相多發(fā)育在與下石炭統(tǒng)打屋壩組接觸的南丹組底部，具體表現(xiàn)為巖石顏色黑，且泥灰?guī)r與硅質(zhì)巖或薄層頁巖交互頻繁，生物化石減少等特征。

4 結(jié)論

(1)晚石炭世，貴州南部地區(qū)六盤水—紫云—羅甸一帶的沉積環(huán)境由臺盆相到碳酸鹽斜坡相，至后來發(fā)展為碳酸鹽臺地相，為一向南西方向的海退過程。

(2)紫云1井—黔紫頁1井—長頁1井的巖性組合及生物特征的變化，顯示出由臺盆相至碳酸鹽臺地相過渡的過程，且相帶間的關(guān)系并非截然分開，而是存在一定的交叉與過渡，這與沉積時期的構(gòu)造活動、海平面變化及沉積速率有關(guān)。

(3)斜坡—臺盆相(南丹組)的出現(xiàn)，可間接指示與其處于整合關(guān)系的下伏地層打屋壩組富有機質(zhì)頁巖有過發(fā)育；而臺地相(威寧組)的出現(xiàn)，則反映出六盤水—紫云—羅甸這一北西向裂陷槽的封閉。這為了解和推測貴州南部地區(qū)頁巖氣的主要目標層——打屋壩組的分布范圍提供了重要依據(jù)。