重庆石柱中二叠统栖霞组和茅口组沉积微相

钟怡江, 侯梅生, 夏 杰,3, 林良彪, 龙 宇

1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;2.河南省地勘局 第一地质勘查院，郑州 450001; 3.武汉地质矿产研究所，武汉 430205；4.四川省核工业地质局二八一大队，四川 西昌 615000)

“微相”一词最早由Brown(1943)提出，在岩石薄片鉴定中用来描述岩石类型和古生物学特征。随着地质学的发展，微相已经成为岩石薄片、岩石揭片、抛光片和岩石学研究中描述岩石的沉积学特征和古生物学特征的一个综合性术语，并可用于对岩石进行分类[1]。“微相”研究是碳酸盐岩沉积环境分析的基础微观研究，其在剖面中的组合关系与演化序列是研究沉积环境及变化过程的重要环节。

重庆石柱位于上扬子地台中部[2]，实测剖面位于石柱县冷水乡打风坳(图1)，构造位置属于川东地区北东向高陡隔挡式褶皱带[4]。研究区中二叠统栖霞组和茅口组为中上扬子克拉通盆地内黔桂上升运动形成的具有准平原特点的侵蚀面和东吴上升侵蚀面之间内陆表海海侵形成的一套稳定的以碳酸盐岩为主的沉积。该剖面出露完整，界线清楚，能够代表渝东地区中二叠统的地层特征。前人对四川盆地中二叠统进行了大量研究并取得一系列成果[5-17]，随着近年来四川盆地中二叠统的油气勘探突破[7,8]，中二叠统的沉积相展布、储层特征等引起了人们的重视。本文选择露头发育完整的重庆石柱打风坳剖面，以室外剖面测量和室内薄片分析相结合的方法，探讨该区域中二叠统栖霞组和茅口组的岩性微相类型及特征、沉积相特征以及沉积模式的演化过程。

图1 打风坳剖面位置图Fig.1 The location of the Lengshuixiang section(据钟怡江等修改，2008[3])

1 地层剖面

石柱打风坳剖面的栖霞组主要为深灰色泥质灰岩、泥晶灰岩，底部夹碳质页岩，顶部含燧石结核，与下伏中二叠统梁山组为整合接触(图2)。茅口组主要由灰、浅灰色灰岩、生物碎屑灰岩等组成，含燧石结核与硅质条带(图3)，具疙瘩状、似眼球状和绳状构造(图4)，与上覆上二叠统吴家坪组底部页岩平行不整合接触(图5)。该剖面2套地层总厚度为410.12 m，共分29层，其特征如图6所示。

图2 上石炭统黄龙组、中二叠统梁山组、栖霞组分界线Fig.2 Line of the Upper Carboniferous Huanglong Formation and the Middle Permian,Liangshan Formation and Qixia Formation

图3 中二叠统茅口组含燧石结核灰岩Fig.3 Chert concretion limestone in the Middle Permian Maokou Formation

图4 中二叠统茅口组疙瘩状灰岩Fig.4 Knollenakalk in the Middle Permian Maokou Formation

图5 中二叠统茅口组与上二叠统吴家坪组平行不整合接触Fig.5 The parallel unconformity between the Middle Permian Maokou Formation and the Upper Permian Wujiaping Formation

2 碳酸盐岩微相类型

结合前人的研究成果[5-20]，参考Wilson所划分的24个标准微相(SMF1～SMF24)[21]，对重庆石柱县打风坳剖面栖霞组和茅口组碳酸盐岩微相进行了详细研究，归纳出10种微相类型(MF1～MF10)。碳酸盐岩微相的定名主要依据R. J. Dunham的沉积结构分类方案[22]。

a.绿藻颗粒灰岩(MF-1，图7)。MF-1相当于Wilson的SMF9。该灰岩主要颗粒为绿藻屑，含量(面积分数)达40%～60%；以粗枝藻类为主，此外还有其他种类的生物碎屑(面积分数大约为10%～20%)，主要有海百合、小有孔虫、腕足、腹足。基质主要为泥晶方解石，含少量微晶方解石，表明沉积时的水动力条件较弱。生物组合与基质等微相特征表明，此微相指示潮下浅水低能环境。

b.灰泥灰岩(MF-2，图8)。MF-2相当于Wilson的SMF23。灰泥灰岩以泥微晶方解石的沉积为主，亮晶极少，很少见生物碎屑和内碎屑，窗孔构造发育。该微相发育的沉积环境水体较浅而且能量较低。偶尔发育的少量碎屑状生物化石，可能是高能带沉积后由潮水带入。发育的少量底栖生物化石，表明为不利于生物生长的局限环境。

d.生物碎屑颗粒灰岩(MF-4，图10)。MF-4相当于Wilson的SMF13。颗粒以生物碎屑为主，面积分数达50%以上，含小有孔虫、双壳、腕足、海百合茎、腹足、介形虫、层孔虫、藻、珊瑚等。生物化石大多呈破碎状，仅多数小有孔虫较为完整。小有孔虫泥晶化普遍，体腔被方解石亮晶充填，部分小有孔虫具“包粒”，指示浅水沉积环境[23-25]。

e.泥晶珊瑚灰岩(MF-5，图11)。MF-5相当于Wilson的SMF9。该微相发育大量的单体珊瑚(图12)及其碎片，在珊瑚的体腔内有大量生物碎屑，主要为介壳、棘皮类碎片，基质仍为泥-微晶灰岩。珊瑚体腔内大量破碎的生物碎屑，说明其可能生长在台地边缘高能带，但体腔内和珊瑚个体周围基质含有大量的泥-微晶灰岩以及珊瑚个体周围生物碎屑完整可以说明该珊瑚并非原地生长，而是从台地边缘被潮水等带到能量较低的浅滩沉积。

图7 绿藻颗粒灰岩Fig.7 Green algae particles limestone单偏光，主要为绿藻，还有少量骨针，10×4

图8 灰泥灰岩Fig.8 Marlite单偏光，白云石化，生物几乎没有，10×4

图9 粒泥灰岩Fig.9 Fusulinid marl单偏光，生物较单一，主要是及碎片，10×4

图10 生物碎屑颗粒灰岩Fig.10 Bioclastic grainstone单偏光，有腕足壳、海百合茎及骨针等，10×4

图11 泥晶珊瑚灰岩Fig.11 Coralline packstone单偏光，整体为四射珊瑚，其体内及体外有大量生物碎屑，主要是海百合茎和海胆，10×4

图12 单体珊瑚Fig.12 Simple corals

f.生物碎屑内碎屑泥粒灰岩(MF-6，图13)。MF-6相当于Wilson的SMF5。内碎屑中砂屑的面积分数约占40%，生物碎屑约占20%，生物碎屑类型丰富，多为自形-半自形，种类与微相4(MF-5)相似；小有孔虫也是泥晶化普遍，内部多为泥晶方解石充填。填隙物以泥晶为主，也可见少量亮晶方解石。此微相指示浅海潮下高-中能环境。

图13 生物碎屑内碎屑泥粒灰岩Fig.13 Bioclastic intraclast packstone单偏光，生物为海百合、有孔虫以及腕足，10×20

g.白云石化硅化泥-微晶灰岩(MF-7，图14)。MF-7相当于Wilson的SMF23。该灰岩主要位于茅口组中上部，白云石化硅化较严重，生物化石很少见，且生物白云石化硅化严重，很难辨认种类。

h.荷叶藻泥粒灰岩(MF-8，图15)。MF-8相当于Wilson的SMF13。该灰岩荷叶藻含量丰富，面积分数可达50%，并含有少量的砂级内碎屑，填隙物以泥晶方解石为主。荷叶藻的叶片虽破碎并发生揉曲变形，但是仍然具有一定的成层性(图16)，此微相指示适合于光合作用的浅水潮间-潮下中-高能环境。

图14 白云石化硅化泥-微晶灰岩Fig.14 Dolomized silicified mud micrite单偏光，白云石化较重，多数生物已不见内部结构，10×4

图15 荷叶藻粒泥灰岩Fig.15 Lotus-phylloid algae wackstone单偏光， 10×4

i.有孔虫泥粒灰岩(MF-9，图17)。MF-9相当于Wilson的SMF13。其颗粒以有孔虫为主，含海百合、钙藻、腹足、双壳及砂级内碎屑，小有孔虫普遍具有泥晶化现象。填隙物以泥晶方解石为主，大部分泥晶方解石重结晶成细晶。此微相指示浅水中-高能环境。

图16 荷叶藻灰岩(箭头标注)Fig.16 Lotus-phylloid algae limestone

图17 绿藻颗粒灰岩Fig.17 Green alage grainstone单偏光，主要为绿藻，还有少量骨针，10×4

j.生物碎屑泥粒灰岩(MF-10，图18)。MF-10相当于Wilson的SMF5。颗粒以生物碎屑为主，其面积分数达60%以上，主要有小有孔虫、层孔虫、腕足、钙藻、双壳、腹足、海百合茎，以及少量的砂级内碎屑，各类生物碎屑呈现杂乱的不均匀分布。生物化石除小有孔虫外，其他化石多为半自形。小有孔虫具泥晶化边，生物内部多为亮晶方解石充填。该微相指示浪基面或浪基面之下的开放循环的浅海环境。

图18 生物碎屑泥粒灰岩Fig.18 Bioclastic packstone单偏光，中部较大的为腕足碎片，其他多为介壳类，10×4

3 沉积环境

通过以上10个岩性微相的特征分析，结合野外地质特征，我们将重庆石柱栖霞组和茅口组划分为碳酸盐岩缓坡和碳酸盐岩台地两个沉积相，并进一步将碳酸盐岩缓坡划分为内缓坡和中缓坡两个亚相和若干微相，将碳酸盐岩台地划分为开阔台地、台地边缘和台缘斜坡3个亚相和若干微相(图2)。

3.1 碳酸盐岩缓坡

碳酸盐岩缓坡相主要发育于栖霞组和茅口组第一段与第二段中下部。按照岩性和岩性微相组合将碳酸盐岩缓坡相划分为内缓坡和中缓坡亚相。内缓坡指晴天浪基面之上的沉积区，主要受波浪改造，发育高能滩和低能滩间沉积，主要发育于栖霞组。点滩主要发育生物碎屑泥晶灰岩，岩性微相以MF-4、MF-6、MF-7和MF-10为主。滩间沉积以发育疙瘩状含生物碎屑泥晶灰岩、泥晶灰岩和钙质泥页岩为主，发育MF-1、MF-2和MF-4等岩性微相。中缓坡指晴天浪基面和风暴浪基面之间的沉积区，水体较安静，主要受到风暴浪的改造，部分受波浪改造，发育水体相对较浅的近端沉积，主要发育于茅口组第一段和第二段中下部，以发育疙瘩状灰岩和黑色页岩为主要特征，岩性微相发育MF-1和MF-7为主，部分疙瘩状灰岩中发育MF-6和MF-10。

3.2 碳酸盐岩台地

碳酸盐岩台地相主要发育于茅口组第二段中上部和第三段中。按照岩性和岩性微相组合将碳酸盐岩台地相划分为开阔台地、台地边缘和台前斜坡3个亚相。开阔台地是台地内与广海连通较好、水体循环良好的沉积区域，以发育生物碎屑滩和滩间低能沉积为主要特征。台内滩微相以发育MF-3、MF-4、MF-8和MF-9为特征。滩间微相以发育低能的泥质灰岩、硅质岩和含燧石团块的生物碎屑灰岩为主，发育MF-7和MF-4为特征。台地边缘亚相以发育台地边缘礁和台地边缘滩为主，台地边缘礁中发育礁骨架灰岩和黏结灰岩等，造礁生物以海绵和群体珊瑚为主(图19，图20)，居礁生物见单体珊瑚、海百合、有孔虫和腹足(图21，图22)；台地边缘滩为生屑滩，主要发育绿藻、腕足和有孔虫等生物碎屑(图23)。

图19 生物礁灰岩中的海绵(箭头标注)Fig.19 Sponge in the bioherm limestone

图20 群体珊瑚(箭头标注)Fig.20 Compound coral

图21 单体珊瑚和介壳等居礁生物Fig.21 Reef-dwelling organisms of simple corals and shell箭头标注：单体珊瑚(黄色)，介壳(红色)

图22 海百合、有孔虫、腹足Fig.22 Crinoid, foraminifera and gastropods箭头标注：海百合(黄色)，有孔虫(红色)，腹足(白色), 10×4

图23 绿藻、腕足和有孔虫Fig.23 Green algal,brachiopod fauna and foraminifera箭头标注：绿藻(黄色)，碗足(红色)，有孔虫(蓝色),10×4

4 沉积相模式及演化

结合相对海平面变化、沉积微相、沉积亚相和沉积相的特征及其纵向演化，建立了研究区中二叠世栖霞期和茅口期的碳酸盐岩缓坡和碳酸盐岩台地沉积模式，认为石柱地区中二叠世栖霞期—茅口期具有碳酸盐岩缓坡模式向碳酸盐岩台地模式演化的特点(图24)。

中二叠世栖霞期，在黔桂上升运动后构造活动相对平静，可能是冈瓦纳大陆冰川消融，海平面持续上升，古特提斯海水由南向北侵入上扬子地区[5,26]，在西北高东南低的侵蚀面上发育碳酸盐岩缓坡沉积。石柱地区在栖霞期主体为晴天浪基面之上的内缓坡沉积，整体以海侵为主，发育泥灰岩的低能滩间和生物碎屑灰岩的高能生物碎屑滩微相。茅口期中国南方二叠纪盆地海域扩大的突变期，从碳酸盐岩缓坡向碳酸盐岩台地转变[5]。茅口早期，随着构造拉张活动加强，此时遭受了整个华南二叠纪甚至晚古生代以来的最大海侵事件[26,27]，石柱地区演化为碳酸盐岩缓坡的外缓坡近端沉积，主要沉积灰—深灰色疙瘩状灰岩和黑色页岩。茅口中期海平面开始下降，碳酸盐生产环境得到改善，碳酸盐生产效率提高，台地边缘高能礁滩相带逐渐形成并向深水方向迁移，石柱地区开始经由内缓坡向碳酸盐岩台地转化，此时经历了台前斜坡—台地边缘—开阔台地的向上变浅的进积过程。

5 结 论

以野外地质剖面宏观研究和室内显微镜下薄片分析相结合，系统讨论了重庆石柱地区中二叠统栖霞组和茅口组发育的岩性微相类型和沉积相特征，建立了沉积相模式并分析了沉积相模式的演化特征，获得如下认识：

图24 重庆石柱中二叠统栖霞组和茅口组沉积相模式及演化图Fig.24 Sedimentary facies evolution model for the Middle Permian Qixia Formation and Maokou Formation in Shizhu of Chongqing1.页岩; 2.泥灰岩; 3.含生物碎屑灰岩; 4.含燧石结核生物碎屑灰岩; 5.疙瘩状含生物碎屑燧石结核灰岩; 6.灰岩; 7.眼球状生物碎屑灰岩; 8.礁灰岩

b.栖霞组和茅口组可划分为碳酸盐岩缓坡和碳酸盐岩台地两种沉积相，碳酸盐岩缓坡相可划分为内缓坡和中缓坡2种亚相，碳酸盐岩台地可划分为开阔台地、台地边缘和台前斜坡3种亚相及若干微相类型。

c.建立了中二叠统栖霞组和茅口组的沉积相模式，并讨论了沉积相模式的演化特征，认为栖霞期在持续海侵的影响下发育碳酸盐岩缓坡，并且持续到茅口早期二叠世最大海泛期。茅口中期海平面开始下降，发生了碳酸盐岩缓坡模式向碳酸盐岩台地模式的转化。

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