塔里木盆地西北缘震旦系混积岩类型及成因

王杰琼，刘 波，罗 平，石开波，张学丰，刘建强，王 洋

（1.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871；2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083）

塔里木盆地西北缘震旦系混积岩类型及成因

王杰琼1，2，刘 波1，罗 平2，石开波1，2，张学丰1，刘建强1，王 洋1，2

（1.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871；2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083）

针对塔里木盆地西北缘震旦系形成的混积岩进行岩石分类，并探讨其形成机理。通过野外地质调查、岩石学研究及全岩主元素测定，将外源碎屑颗粒的质量分数＜75%、内源化学／生化沉淀的碳酸盐和／或黏土的质量分数＜90%的沉积岩定义为混积岩。并划分出灰-砂混积岩、砂-灰混积岩、泥-灰混积岩、灰-泥混积岩、泥-砂混积岩、砂-泥混积岩、正混积岩等7种类型。在此基础上根据结构-成分进一步命名，可以在一定程度上反映机械搬运能力及盆内水动力条件。研究区震旦系发育了一套典型的混积岩，反映了同一环境内不同搬运机理或来源的沉积／沉淀物的特殊共生关系，较广泛出现的混合沉积和混积岩可能代表着早期超大陆板块裂解拉张背景下从裂谷碎屑沉积体系向更稳定的碳酸盐岩台地沉积体系转换过渡的构造背景及与之相关的环境-气候条件。

塔里木盆地；震旦系；混积岩；类型；成因

通常认为碳酸盐岩沉积于水体较为干净的海相或湖相环境，是一种与生命活动相关的化学沉积［1，2］；而浑水环境中碳酸盐矿物的结晶、（微）生物的生长会受到影响，从而抑制碳酸盐的沉淀。然而，自20世纪50年代开始，陆续发现一些与陆源碎屑相关、共生的碳酸盐岩沉积［3，4］。

研究区位于塔里木盆地西北缘阿克苏市西南（图1）。南华纪－震旦纪时期Rodinia超大陆解体，研究区处于伸展构造背景，两侧南天山和昆仑地区从早期大陆裂谷逐渐演化为被动大陆边缘［5－8］。区内震旦系可划分为上、下两个统。下震旦统苏盖特布拉克组不整合于阿克苏群或南华系地层之上，下部主要沉积砾岩、砂岩、粉砂岩，上部为一套混合沉积。上震旦统奇格布拉克组底部为一套混合沉积，向上快速过渡为碳酸盐岩台地相沉积。由于基底差异大，震旦系的厚度在区内差异较大（230～1 100 m），由南东向北西逐渐变厚［9］。沉积的由陆源碎屑岩过渡为海相碳酸盐岩组合，不仅表现为碎屑岩层与碳酸盐岩层的交互递进，还表现为陆源碎屑与碳酸盐的混合共生。由内源成分和外源成分混合形成的沉积岩石或地层反映了特定的沉积和成因机制。有学者对这种组合沉积进行了报道［10－12］，但是关于成因的研究较少，且在已有的岩石分类命名体系中依然未能取得共识［13］。本文重点针对研究区混合共生形成的混积岩进行分类研究，并探讨其形成机理。

图1 塔里木盆地西北缘震旦纪岩相古地理图及剖面位置Fig.1 Lithofacies-paleogeographical map and the section position of the Sinian on the northwest margin of Tarim Basin

1 混积岩分类

Mount（1984）提出“mixed sediments”一词来描述陆源碎屑与碳酸盐两种组分的混合沉积物［1］，杨朝青则用“mixosedimentite”（混积岩）一词［15］。早期针对混积岩的研究主要从分类命名、成因和沉积相特征及相模式等方面进行［1，15－21］，把混积岩定义为同一沉积环境、同时沉积形成的一套混合沉积物，即狭义的混积岩。近十年来，随着与层序地层学研究结合，混积岩的概念被扩展到“混合沉积”，并将陆源碎屑岩与碳酸盐岩在地层上呈高频旋回互层的一套沉积地层归入混合沉积［22］，同时提出“混积层系”的概念［13］，即为广义的“混积岩”。本文主要从岩石学角度针对狭义的混积岩进行分类研究。

关于混积岩的分类命名，诸多学者提出了各自的方案。

Mount以硅质碎屑砂（siliciclastic sand）、硅质碎屑泥（siliciclastic mud）、碳酸盐异化粒（carbonate allochems＞20μm）、灰泥（micrite＜20 μm）作为4个端元组分进行分类，并将陆源碎屑的质量分数超过10%的混合沉积定为混积岩［16］。此种分类较为准确和全面，但是在实际应用中操作不便。

后来的学者多采用陆源碎屑、碳酸盐、黏土三端元组分分类，但是混积岩的组分含量界限不同，且命名差异性大。如：杨朝青将碳酸盐质量分数＞25%、陆源碎屑质量分数＞10%的混合沉积物定义为混积岩［15］，该方案只是把沉积岩中特定含量范围内的岩石笼统归为混积岩，并未对混积岩本身进行进一步的划分；张雄华定义的含量范围扩大，将黏土质量分数为0%～50%、碳酸盐质量分数为5%～95%、陆源碎屑质量分数为5%～95%的混合沉积定义为混积岩［18］；姜超将碳酸盐质量分数＞5%、陆源碎屑和黏土任一个的质量分数＞5%的归为混积岩，并将混积岩分为12种类型［23］。这在实际操作中难于把握，且12种类型在自然界也并非都普遍存在。同时，上述分类定义的组分含量势必将部分传统意义上的砂岩和碳酸盐岩归入混积岩。

也有学者采用二组分分类法，如Williams按沉积物来源成分分为钙质砂岩（calcareous sandstone）、砂质灰岩（sandy limestone）、钙质泥岩（calcareous mudstone）、泥质灰岩（argillaceous limestone）4类［24］。董桂玉将黏土与碎屑颗粒归为陆源碎屑，分为含陆源碎屑-碳酸盐岩、陆源碎屑质-碳酸盐岩、含碳酸盐-陆源碎屑岩、碳酸盐质-陆源碎屑岩，且没有将混积岩一词作为中心词参与命名；并指出，即使其中某一部分组分低于5%，为了强调混合沉积，也应参与命名［25］。这实际上将大部分砂岩或碳酸盐岩归入混积岩。

由上可见，已有的混积岩定义有的过于笼统，有的又趋于泛化，强调的是成分的非一元化特点，对因成岩作用导致的成分差异考虑不足。混积岩的划分方案中，应该强调的是沉积机理，显然不宜将已得到广泛认可的钙质砂岩（在成岩阶段早期，钙质胶结高能砂岩，即使其碳酸盐岩质量分数占25%以上）也归入混积岩。郭福生认为反映特殊沉积事件及环境，混积岩的提出很有必要［13］。同时，既然已经定义特定含量范围内为混积岩，在命名中又出现砂岩或灰岩作为中心词较混乱，因此笔者在本文的分类命名中保留混积岩作为岩石的中心词。

当岩石为颗粒支撑，碎屑颗粒之间的碳酸盐多在成岩作用的早期阶段以碳酸盐胶结物的形式胶结于孔隙中，此时若颗粒近似等大小，对应的颗粒质量分数＞75%，因此本文选用外源碎屑颗粒的质量分数＞75%定为砂岩。当岩石为基质支撑，内源化学／生化沉淀的碳酸盐与黏土需参与到沉积阶段方能沉积成岩。另外2个端元的质量分数＞90%的分别属于传统意义上的碳酸盐岩和黏土岩。

本文选用外源碎屑、外源黏土、内源化学／生化沉淀的碳酸盐作为三端元组分进行沉积岩分类基础，将外源碎屑颗粒的质量分数＜75%、内源化学／生化沉淀的碳酸盐和／或黏土的质量分数＜90%的沉积岩定义为混积岩。在混积岩的分类命名中，当3种组分的质量分数均小于50%的表示3种组分的高度混合，定名为正混积岩；当某一组分的质量分数＞50%时，按“少前多后”的原则，并用“-”相连组分为混积岩进行命名。如当以砂粒、黏土和方解石为端元成分时，可把混积岩划分为灰-砂混积岩、砂-灰混积岩、泥-灰混积岩、泥-砂混积岩、灰-泥混积岩、砂-泥混积岩、正混积岩7种类型（图2）。在此基础上可进一步按结构-成分详细定名。

2 研究区混积岩类型及特征

对研究区库勒西剖面（图1）的混积岩及相关岩石进行采样制片及主元素测定，对于测定的结果，通过薄片观察分析，分别算出碳酸盐、碎屑颗粒、黏土的相对含量，结果进行投点分类（图2，表1）。研究区以灰-砂混积岩、砂-灰混积岩为主，少量泥-砂混积岩、泥-灰混积岩、正混积岩。没有灰-泥混积岩和砂-泥混积岩。这也正说明了较纯的砂是可以与碳酸盐共生的，而泥更加抑制碳酸盐的沉积。

图2 混积岩分类方案及研究区震旦系岩石类型投点Fig.2 Mixosedimentite classification and the Sinian rock types in the research area

表1 塔里木盆地西北缘震旦系混积岩相关岩石分类及其特征Table 1 Rock classification and characteristics of the Sinian mixosedimentite on the northwest margin of Tarim Basin

砂-灰／云混积岩：碳酸盐质量分数＞50%，且碎屑颗粒含量大于黏土含量。研究区中据碳酸盐组分的结构差异，有中砂鲕粒砂-云混积岩、细砂砾屑砂-灰混积岩和粉砂泥晶砂-灰混积岩。在中砂鲕粒砂-云混积岩（图3-A）中，泥质含量较少，碎屑颗粒多以石英为主，也含部分硅质岩屑，颗粒大小在400μm左右，分选中等，磨圆好－中等；碳酸盐组分可见以石英颗粒为核心的鲕粒，及碳酸盐的颗粒（鲕粒和球粒），颗粒间点-线接触，亮晶胶结物充填；对应于中等－强的机械搬运及较强的盆内水动力条件。在粉砂泥晶砂-灰混积岩（图3-B）中，碎屑颗粒主要是石英，多数颗粒小于80μm，分选较好，磨圆差，碳酸盐为泥晶；对应于弱的机械搬运及弱的盆内水动力条件。

灰／云-砂混积岩：碎屑颗粒的质量分数＞50%，且碳酸盐含量大于黏土含量。研究区中据各组分结构差异，有泥晶细砂灰-砂混积岩、泥晶杂砂云-砂混积岩和砂屑细砂灰-砂混积岩。在泥晶杂砂云-砂混积岩（图3-C）中，碎屑颗粒以石英为主，也见部分硅质岩屑，成分成熟度较高，颗粒大小在25～2 500μm左右，颗粒大小混杂堆积，分选差，磨圆较好，粒间不接触或点接触，基质支撑；碳酸盐多以泥-微晶白云石形式充填其中，也见少量碳酸盐颗粒；对应于中等－强的机械搬运及中等的盆内水动力条件。在砂屑细砂灰-砂混积岩中（图3-D），碎屑颗粒以石英为主，颗粒分选、磨圆差，颗粒间为线-凹凸接触，经受了强烈的压实作用；碳酸盐为砂屑不均匀分布其中；对应于中等－弱的机械搬运及中等盆内水动力条件。

泥-砂混积岩：碎屑颗粒的质量分数＞50%，黏土含量大于碳酸盐含量。研究区中仅见细砂泥-砂混积岩（图3-E、F），碎屑颗粒以石英为主，见部分长石、岩屑及少量海绿石，成分成熟度中等，颗粒分选中等，磨圆差；颗粒间为线-凹凸接触，后期经受了强烈的压实作用；陆源碎屑泥质及少量碳酸盐充填其中；对应于中等－弱的机械搬运及较弱的盆内水动力条件。

泥-灰混积岩：碳酸盐的质量分数＞50%，且黏土含量大于碎屑颗粒含量。研究区中主要为泥晶泥-灰混积岩（图3-G）。陆源碎屑仅见少量的硅质碎屑，以石英为主，且碎屑颗粒细小，为50 μm左右，分选好，磨圆中等－差，颗粒不接触，泥质成分含量较高，质量分数达23%左右，为基质支撑；碳酸盐以泥晶形式沉积；对应于弱的机械搬运及弱的盆内水动力条件。

正混积岩：碎屑颗粒、碳酸盐、黏土矿物的质量分数均低于50%。研究区中仅见泥晶-粉砂正混积岩（图3-H），碎屑颗粒以石英为主，也见部分长石、岩屑，颗粒分选较好，磨圆差；泥质、碳酸盐灰泥及铁质氧化物充填其中；颗粒间为点-线接触或不接触，基质支撑；对应于弱的机械搬运及较弱的盆内水动力条件。

3 研究区混积岩的成因

混积岩及混合沉积的出现代表了复杂多变的沉积环境，受构造、古气候、海平面变化、沉积动力学、物源供给等等影响［26－28］。构造，主要控制物源区和沉积区的分布，及盆地的沉降速率与沉积充填速率。古气候，主要是降雨期与枯水期、温度及季风引起的海水动力条件的变化，降雨期陆源碎屑易随水流进入，从而抑制碳酸盐沉积，枯水期则利于形成碳酸盐沉积；气候温暖，有利于生物生长，生物碳酸盐产率高，寒冷期则碳酸盐产率低；气候多变，则易形成混合沉积。海平面：影响物源供应及陆相与海相之间相带的迁移而造成混合沉积。沉积动力学，主要是波浪、潮汐、风暴流对沉积物的影响。物源供给，受构造、气候、海平面变化的综合控制结果。混合沉积是地质历史中各因素相互影响、共同作用的结果。

混积岩是两种沉积机制下的过渡或突变形成的：研究区东南部有大量正地形古陆［12］，为混积岩提供了陆源物质；震旦纪时期海水缺氧、高碱度、碳酸钙过饱和［29，30］，该组地层沉积时期，研究区位于北纬27°［31］，海水温度较高，为混积岩提供了碳酸盐来源。

以库勒西剖面为重点研究对象（图4），同时研究区内横向上沉积特征相似。苏盖特布拉克下亚组，受构造控制，处于裂谷发育早期阶段，沉积基底差异大，陆源碎屑供给充分，不利于碳酸盐生成，为沉积地层厚度差异大填平补齐的裂谷碎屑沉积（库勒西剖面厚度仅10余米，肖尔布拉克西沟剖面达330余米），主要沉积了砂砾岩。随着裂谷作用的进一步发展，填平补齐沉积使地形趋于平缓，构造活动稳定，物源供给相对减少，碳酸盐产率升高，沉积了混积岩及地层上的混合沉积，自下而上，碎屑颗粒粒度变小、含量降低，碳酸盐含量增加，δ13C较为偏负，依次沉积：细砂泥晶砂-灰混积岩、粉砂泥晶砂-灰混积岩，发育波状层理、交错层理等，为混积滨岸相带；海平面上升，水动力条件变弱，沉积泥晶灰岩、细砂泥晶砂-灰混积岩，在潮道水动力条件较强地区沉积细砂鲕粒砂-灰混积岩，同时发育波状层理，为混积潮坪相带；海平面上升，受周期性风暴流控制，在正常浪基面之下、风暴浪基面之上（库勒西和什艾日克剖面），发育多套向上变粗的韵律组合：灰绿色灰质泥岩、粉砂泥晶砂-灰混积岩、细砂砾屑砂-灰混积岩，而在风暴浪基面之下（肖尔布拉克西沟剖面），主要沉积泥晶灰-泥混积岩、泥晶粉砂灰-砂混积岩，为混积陆棚沉积相带；顶部海平面下降，形成喀斯特不整合面。

苏盖特布拉克上亚组，海平面上升，临近风化壳，物源充足，对碳酸盐的抑制作用增强，形成灰-砂混积岩、泥-砂混积岩，甚至砂岩，依次沉积：泥晶细砂灰-砂混积岩和砂屑细砂灰-砂混积岩，发育波痕、交错层理等，为混积滨岸相带；海平面上升，由于物源供应充足，对碳酸盐的抑制作用增强，较难形成混积岩，主要为碎屑岩，发育多套向上变粗的韵律组合：泥岩、泥质砂岩、细砂岩，可见交错层理、波状层理及平行层理，为陆棚相带；海平面下降，沉积泥岩、细砂岩、泥晶细砂云-砂混积岩、粉砂泥晶砂-云混积岩、泥晶白云岩、藻纹层白云岩，发育水平层理、泥裂，为混积潮坪相带；顶部由于构造运动，海平面下降，形成区域性不整合面。

奇格布拉克组底部，随着构造运动趋于稳定，由碎屑岩、混积岩快速过渡为泥晶白云岩、微生物白云岩，为较稳定的碳酸盐台地。

研究区震旦纪处于大陆裂谷逐渐演化为被动大陆边缘的拉张背景下，气候环境恶劣，陆地裸露，植被缺乏，强烈季风盛行。混积岩及混合沉积的韵律性交替变换，反映在当时恶劣的环境、海水动荡与停滞交互、频繁的海平面变化，形成了由碎屑岩向碳酸盐岩过渡时期的混积岩。震旦纪较广泛出现的混积岩代表着超大陆板块裂解的拉张背景下从裂谷碎屑沉积体系向更稳定的碳酸盐岩台地沉积体系转换过渡及与之相关的环境-气候条件。

图4 塔里木盆地西北缘库勒西剖面混积岩综合柱状图Fig.4 Integrated bar graph of the mixosedimentite in the Kulexi section on the northwest margin of Tarim Basin

4 结论

本文结合塔里木盆地西北缘震旦系岩石特点，将外源碎屑颗粒的质量分数＜75%、内源化学沉淀的碳酸盐和／或黏土的质量分数＜90%的沉积岩定义为混积岩，并以外源碎屑砂、外源黏土、内源化学／生化沉淀的碳酸盐作为三端元组分，当以砂粒、黏土和方解石为端元成分时，划分出灰-砂混积岩、砂-灰混积岩、泥-灰混积岩、泥-砂混积岩、灰-泥混积岩、砂-泥混积岩、正混积岩等7种类型。这些混积岩可根据结构-成分进一步细分命名。研究区以灰-砂混积岩、砂-灰混积岩为主，对应的为砂屑细砂灰-砂混积岩、细砂泥晶砂-灰混积岩和粉砂砾屑砂-灰混积岩为主。这一分类命名体系可以在一定程度上反映相应的机械搬运能力和盆内水动力条件。

塔里木盆地东南地区的古陆及当时气候温暖、碳酸钙过饱和的海水为混合沉积提供了条件。岩石类型上，混积岩为从碎屑岩到碳酸盐岩过渡沉积的产物。沉积相带上，从陆相过渡到海相，苏盖特布拉克下亚组为混积滨岸—混积潮坪—混积陆棚，苏盖特布拉克上亚组为混积滨岸—陆棚—混积潮坪，奇格布拉克组逐渐过渡为较稳定的碳酸盐台地沉积。震旦纪较广泛出现的混积岩代表着超大陆板块裂解、拉张背景下从裂谷碎屑沉积体系向更稳定的碳酸盐岩台地沉积体系转换过渡及与之相关的环境及气候条件。

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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

中国地质调查局中国西部主要大型盆地碳酸盐岩油气资源调查评价项目（1212011220760）；国家自然科学基金资助项目（41272137）

王杰琼（1988－），女，硕士研究生，研究方向：储层沉积学，E-mail：wangjieqiong＠pku.edu.cn

刘波（1965－），男，博士，研究员，主要从事盆地构造-沉积演化、储层沉积学、层序地层学、碳酸盐岩沉积-成岩作用研究，E-mail：bobliu＠pku.edu.cn。