湖南石门杨家坪剖面震旦纪岩石类型、沉积微相构成及垂向演化

谭苏 李勇 杜涛 王艳琴 张路

(1.成都理工大学沉积地质研究院,四川成都 610059;2.中国核工业地质局280研究所,四川广汉 618300;3.四川省地质矿产勘查开发局物探队,四川成都 610072;4.四川省核工业地质局分测试中心,四川成都 610503;5.四川省冶金地质勘查局604大队,四川广元 628017)

湖南石门杨家坪剖面震旦纪岩石类型、沉积微相构成及垂向演化

谭苏1李勇2杜涛3王艳琴4张路5

(1.成都理工大学沉积地质研究院,四川成都 610059;2.中国核工业地质局280研究所,四川广汉 618300;3.四川省地质矿产勘查开发局物探队,四川成都 610072;4.四川省核工业地质局分测试中心,四川成都 610503;5.四川省冶金地质勘查局604大队,四川广元 628017)

通过野外详细的剖面实测及室内岩矿鉴定等综合分析,对湖南石门杨家坪剖面震旦系陡山沱组和灯影组的岩石类型进行了系统分析,在此基础上,结合沉积相标志开展了沉积相类型及微相类型构成及特征研究,共识别出4种相类型,进一步细分为15个微相类型,分别为陆棚相(硅质浅水陆棚微相、泥质灰岩浅水陆棚微相、泥质深水陆棚微相、粉砂质深水陆棚微相)、局限台地相(云坪微相、含膏云坪微相、藻云坪微相)、台地边缘相(鲕粒滩微相、砂屑滩微相、磷质砂屑滩微相、滩间微相)和台缘斜坡相(含泥灰岩微相、泥质云岩微相、硅质灰岩微相)。并进一步开展了沉积微相组合特征分析。沉积微相的垂向演化记录了海平面变化过程,剖面震旦纪总体上表现为由深水陆棚逐渐演化为台缘斜坡-台地边缘-局限台地的海平面下降旋回,可进一步识别出两期二级海平面水进和水退旋回及8期三级海平面升降旋回。

岩石类型 沉积微相 海平面变化 震旦纪 杨家坪剖面

1 引言

震旦纪处于前寒武纪-寒武纪转折的重要地质时期,是古气候、古环境、古海洋、构造演化剧烈变化的一段时期,如海洋地球化学明显的变化[1]、长期全球性缺氧[2]等。在震旦纪出现的形态多样的大型多细胞动物(埃迪卡拉动物群)被称之为“震旦纪生命大爆炸”[3]。震旦纪也是第一个全球性海相磷块岩大规模沉积的时期,在扬子地台上,震旦纪陡山沱期出现了大规模成磷现象[4]。由此可见,震旦纪是是漫长地质历史演化过程中的一个非常重要的时期。

本文研究的石门杨家坪地区,区域构造上隶属中扬子地台西南部桑植—石门复向斜[5],石门杨家坪剖面震旦系地层出露完整,且连续,是开展该区震旦纪沉积演化及海平面变化较为理想的地区。

前人针对石门地区震旦纪的岩石地层、微古生物、岩相古地理、沉积环境、成岩作用、事件沉积以及与油气的关系等开展了一些研究工作,但针对精细的沉积微相构成及其垂向演化的研究相对较弱,本文通过对杨家坪剖面的实测与米级密集取样,在室内精细的矿物学、岩石学和古生物学研究的基础上,开展了震旦系岩石类型、沉积微相及其组合特征的研究,并通过沉积环境的垂向演化揭示了海平面的变化特点。

2 剖面位置及地层出露

石门县壶瓶山杨家坪剖面位于湖南石门县西北与湖北五峰土家族自治县交界之处,具体位于壶瓶山镇7km处,由镇口沿公路向北地层由老-新分布,自下而上出露陡山坨组(Z1d),灯影组(Zdy),露头完整,地层特征明显,易于观测(图1)。震旦系地层实测斜厚795m,真厚度626．6m,共划分155小层。陡山沱组与下伏南华系南沱组呈平行不整合接触,灯影组与陡山沱组呈整合接触,上覆寒武系牛蹄塘组与灯影组呈平行不整合接触。

3 岩石学特征

通过野外实测及镜下分析,对主要岩石类型和具体特征,及各组段岩石类型的构成特点进行了系统地分析工作。

图2 主要岩石类型显微照片

3.1 白云岩类

(1)藻纹层白云岩。藻纹层白云岩主要发育在灯影组上部。镜下观察岩石结构清晰,具有藻团块-藻纹层结构(图2a),深浅纹层相间,暗色为富藻纹层,浅色为富屑纹层,纹层发生干裂面破碎形成大小不等形态不规则的碎片,沉积在微晶之中。局部发生重结晶成粉晶,富屑纹层重结晶程度明显高于富藻纹层。

(2)砂屑(砾屑)白云岩。砂屑灰岩主要剖面中主要分布于灯影组一段上部及灯影组二段。镜下观察显示,砂屑多为残余颗粒结构、泥微晶结构、粉晶结构或藻泥晶结构,由于受后期重结晶及交代作用的改造影响,颗粒与颗粒之间、颗粒与粒间白云石之间发生强烈的均一化,原始形态、颗粒边界已经模糊不清,但大多数颗粒轮廓仍明显可见(图2b)。

(3)硅质白云岩。硅质白云岩广泛发育于石门杨家坪剖面震旦系陡山沱组下部和上部,以及灯影组灯一段中部和灯二段中部。主要是由微晶白云岩、纹层状白云岩、砂屑白云岩等经过不同时期、不同成因的硅化作用形成的。镜下形态多样,硅质呈微-粉晶状交代砾屑和砂屑,并形成粉-细晶状胶结颗粒,硅质充填裂缝。

(4)微晶白云岩。微晶白云岩在该剖面震旦系地层内普遍分布,岩石致密,微晶结构,晶体粒径一般小于0．05mm,呈浑浊状,颗粒在光学显微镜下无法分辨,不清晰。按成分的不同,主要有：(a)含有机质微晶云岩,水平层理发育,层间或层中见灰黑色泥质薄纹层,有机质斑杂状分布或顺裂缝溶缝、缝合线充填(图2c);(b)铁质微晶云岩,铁质多分散微粒状,局部可见花斑状(充填溶孔)。(c)含膏微晶云岩,石膏一般呈板状、粒状分散于微晶白云岩中,硬石膏呈针状分散分布和充填顺层的微裂缝。需要指出的是,前文描述的硅质白云岩中也包含了硅质微晶白云岩,考虑岩石类型复杂性,将其列为硅质白云岩进行针对性分析。

(5)粉晶白云岩。主要见于灯一及灯四段及陡山沱底部。粉晶白云石晶间孔发育,被亮晶方解石和有机质充填,偶见石英,局部氧化成铁锈色。常见条带状构造,由微晶云岩层和粉晶云岩层大致互层构成。

图3 沉积相及沉积微相类型划分

(6)膏溶角砾白云岩。主要为膏溶灰质角砾白云岩,见于灯二段,角砾由泥-粉晶白云岩组成,呈棱角-次棱角状、不规则状,大小形态不一,分选差(图2d),角砾间泥晶方解石充填,局部可见粘土充填。原岩多为与膏盐层互层的微-粉晶白云岩,后经准同生或表生阶段膏岩层的淋滤溶蚀,从而使得白云岩岩层发生断裂坍塌,后经方解石等充填裂缝,形成这种膏溶型角砾白云岩。

3.2 灰岩类

(1)白云质鲕粒灰岩。主要发育于灯一段上部,鲕粒多与砂屑和细砾屑共生,大多顺层分布,大小多在0．1mm～0．5mm之间,近圆形为主,少数可呈椭圆形或不规则状(图2e)。鲕粒圈层明显,鲕粒核心多呈晶粒状,有的被白云石单晶交代,局部被硅质交代。可见缝合线对鲕粒的破坏,压溶作用明显。

(2)硅质灰岩。主要见于灯一段下部,硅质为交代、充填状玉髓状集合体,多含有机质,方解石50%～75%,为方解石(少量白云石)构成的单晶砂屑和铁泥质的混合沉积,硅化明显,局部形成硅质团块,方解石充填裂缝。

3.3 硅质岩类

硅质岩主要发育在陡山沱组,宏观上为中-薄层成层状,硅质50%~80%,可见硅质形成形成放射状玉髓—细—中粒石英(图2f)或条带状、团块状石英集合体。网状裂缝发育,大多被石英充填,见分散或结核状黄铁矿。

4 沉积相类型及特征

通过野外露头沉积相标志研究及室内镜下鉴定分析,对沉积相类型及微相构成和主要特征开展了系统研究工作,研究中共识别出4种沉积相类型,包括陆棚相、局限台地相、台地边缘相和台缘斜坡相,并进一步开展了沉积微相类型的划分(图3)。

4.1 局限台地相

局限台地沉积界面位于平均海平面与平均低潮面之间。受地势和沉积物的局部阻隔,与外海交换不畅通,海水盐度高,由广海向陆地推进的波浪在受到台地边缘滩和台内地貌高地的消耗后,到达台地内部近岸时能量已极大削弱,水体循环受到限制的沉积环境。研究区局限台地相主要发育潮坪亚相。

潮坪亚相。研究区中主要在灯二段上部至灯四段发育潮坪亚相。潮坪亚相可进一步识别出如下微相类型：(1)云坪微相：主要由灰色-深灰色含有机质粉-微晶云岩和硅质有机质粉-微晶云岩构成,发育极细水平层理,在一些层的较富泥的上层面上,可见鲕粒或砾屑印记。野外露头上,呈浅灰色,厚度较薄,水平微层状产出,为几到十几厘米,岩石中水平纹层极发育,显示其沉积于低能环境。(2)含膏云坪微相：由灰色含铁膏质微晶云岩、含膏微晶云岩构成,铁质为分散微晶粒状黄铁矿,可见石膏充填鸟眼孔,偶见膏模孔,可见干裂收缩孔,裂溶缝中纤锥状硬石膏充填,为典型的蒸发暴露标志。(3)藻云坪微相：主要由浅灰色含硅藻团块-破裂藻纹层微晶云岩 、残余藻粘结结构粉-细晶白云岩构成,具残余藻粘结结构,见残余微晶藻丝体呈缠绕包裹状。横向延伸不远,一般不到1m,常呈透镜状夹于云坪微相中。杨家坪剖面中藻纹层为较平坦状,缺乏起伏波状和柱状形态,表明其沉积环境能量较低,海水循环受限。

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

图4 石门杨家坪震旦系沉积相综合柱状图

4.2 台地边缘相

研究区台地边缘相主要由台地边缘浅滩一种亚相类型构成。

台地边缘浅滩亚相。该相带位于浅滩水深从5~10m到高出水面以上,海水循环良好,氧气充足,盐度正常。平面上呈席状、透镜状展布,单层厚度不大,一般在1米到几米之间,总体上具平面上分布不规则,纵向上连续不稳定的特点。研究区中主要在灯一段上部和灯二段中下部发育,与斜坡相交互出现。本亚相可进一步识别出以下微相类型：(1)砂屑滩微相：由灰色-深灰色亮晶砂屑云岩、亮晶含砾屑砂屑云岩、亮晶含鲕粒砂屑云岩构成,砂屑多在0．25-1mm之间,分选磨圆好,在同一层中大小几乎相同,但不同层大小差异,显示其形成于水体频繁动荡的高能环境。(2)磷质砂屑滩微相：主要由深灰色-灰黑色微晶砂屑钙质磷块岩构成,砂屑多在0．25-1mm之间,分选好,圆状居多,具层理结构,由砂屑大小和含量差异而显现,表明其形成时的环境水能量较高。(3)鲕粒滩微相：主要由灰色-深灰色残余亮晶鲕粒灰岩构成,中、厚层状,鲕粒以真鲕为主,亮晶胶结,显示其形成时的水体较为动荡。(4)滩间微相：沉积物粒度较细,主要由灰色-深灰色微-粉晶灰岩构成,偶夹少量砂屑,见鸟眼孔(被硅质充填),水平层理发育,表明其形成于水动力能量较低的环境。

在垂向上,可识别出磷质砂屑滩夹滩间、鲕滩夹滩间和砂屑滩夹滩间等微相组合序列。

4.3 陆棚相

陆棚是朝海方向与斜坡和盆地相邻的一个较深水碳酸盐沉积环境。陆棚相主要发育在陡山沱组。根据水深可进一步分为浅水陆棚及深水陆棚亚相。

4.3.1 浅水陆棚亚相

该亚相位于晴天浪基面之下至风暴浪基面之上的近岸陆架区,沉积物粒度较细,水平层理发育。据沉积特征可划分为以下微相类型：(1)泥质灰岩浅水陆棚微相：主要由灰色-深灰色泥质灰岩构成,呈薄-中层产出,岩层强烈风化,呈叶片状,显示其细微水平层理发育,形成的水体能量较低。(2)硅质浅水陆棚微相：由层状有机质硅质岩、白云质硅质岩构成,呈灰色-灰黑色薄-中层产出,碳泥质不均一定向排列使岩石显现出深浅不一的条纹。朝洋盆分布的层状硅质岩可能是热液活动喷流出的富SiO2羽柱体(hydrothermal plume)发生沉降而沉淀形成的[7]。

4.3.2 深水陆棚亚相

该亚相位于风暴浪基面以下靠近大陆斜坡的远岸陆架区,沉积环境能量更低,沉积物颜色更深、粒度更细。根据沉积特征可进一步识别出以下微相类型：(1)粉砂质深水陆棚微相：主要由深灰色、灰黑色泥质粉砂岩构成。泥质粉砂岩中由有机质层和贫有机质层呈现出条带状构造。石英粉砂不均匀分布呈团块状,可见黄铁矿、硅质充填孔洞,显示其为靠近大陆坡的深水陆棚环境。(2)泥质深水陆棚微相：主要由深灰色-灰黑色含硅泥岩、粉砂质泥岩构成。微细水平层理发育,常见黄铁矿以分散粒状或结核状产出,其沉积物具有粒度细、颜色较深的特点显示了其主要形成于滞留缺氧的深水泥质陆棚环境。

垂向上浅水陆棚亚相、深水陆棚亚相多呈交互叠置出现,发育浅水陆棚-深水陆棚、斜坡-深水陆棚-浅水陆棚等微相组合序列。

4.4 台缘斜坡相

发育于陡山沱组中部和灯影组灯一段及灯二段下部。台缘斜坡通常位于含氧海水下限之上,沉积物不稳定,本剖面沉积岩性以深灰色硅泥质云岩、云质泥岩、含泥灰岩为主,并不同程度含有砂屑或鲕粒。陡山沱组和灯影组台缘斜坡均为缓坡,从碳酸盐台地至陆棚之间具有一定坡折,滑塌作用偶有发生,但规模和频率远小于陡坡。

5 沉积演化及海平面响应

剖面沉积环境及演化总体上是在南华纪冰期南沱期冰期冰碛砾岩沉积之后,海平面快速上升,形成两大期明显的水进-水退旋回,并进一步可细分为八个三级层序(图4)。

在陡山沱早期,即SQ1早期发生海侵,沉积了一套粉砂质的深水陆棚沉积物,其底部具有一套泥晶-粉晶白云岩,高位期水体逐渐变浅,并形成了硅质岩和灰色粉砂岩(埋藏期浅变质为板岩)沉积;SQ2早期再次海侵,沉积了浅水陆棚的硅质岩沉积,高位期逐渐沉积了台缘斜坡的含泥灰岩沉积;SQ3沉积早期发生小规模海侵,沉积了浅水陆棚相的含泥灰岩沉积,高位期水体逐渐变浅,沉积了浅水陆棚相的含泥灰岩沉积;SQ4沉积早期发生了陡山沱期内最大的海泛沉积,以深水陆棚相的泥质粉砂岩和硅质、云质和灰质泥岩沉积为主,高位期水体逐渐变浅,由下部含硅或硅质灰岩向上逐渐沉积了深灰色粉晶灰岩-粉晶白云岩,该高位期已处于台缘斜坡沉积环境。

晚震旦世早期,接受了SQ5沉积,其早期沉积了泥质灰岩和泥质云岩等台缘斜坡沉积,高位期水体逐渐变浅,逐渐沉积了台地边缘鲕滩沉积;SQ6早期发生海侵,沉积了台缘斜坡带含硅、含泥的云岩沉积,高位期水体逐渐变浅,逐渐沉积了台地边缘带的磷质砂屑滩沉积,向上逐渐过渡为潮坪和台内浅滩沉积;SQ7沉积早期发生海侵,沉积了局限台地潮坪的白云质泥岩和硅质云岩沉积,其后,高位期水体逐渐变迁,沉积了局限台地潮坪的含膏云岩为主的沉积;SQ8沉积早期发生海侵,沉积了潮坪相的硅质云坪沉积,高位期逐渐沉积了局限台地潮坪的粉晶云岩并夹有硅质条带,受晚震旦世-早寒武世构造抬升剥蚀影响,SQ8层序高位体系域上部保存不完整,其遭到剥蚀后,被早寒武世快速海侵形成的深灰色页岩覆盖。

以上海平面变化和沉积旋回特征反映了杨家坪震旦纪沉积期总体水体由深-浅的旋回结构,并进一步形成了两期主要的海进-海退旋回,其沉积环境频繁更替,海平面依次出现数个上升-下降-上升-下降的旋回。当海侵期,相对海平面上升,形成陆棚、台缘斜坡沉积;高位期,相对海平面上升减缓,到逐渐下降,形成潮坪、台地边缘滩沉积。

6 结语

(1)杨家坪震旦系剖面揭示了白云岩、灰岩及硅质岩等多种岩石类型,其与沉积环境具有明显的对应性。(2)杨家坪剖面震旦系剖面中可识别出了4个沉积相和15个微相。分别为：陆棚相(硅质浅水陆棚微相、泥质灰岩浅水陆棚微相、泥质深水陆棚微相、粉砂质深水陆棚微相)、局限台地相(云坪微相、含膏云坪微相、藻云坪微相)、台地边缘相(鲕粒滩微相、砂屑滩微相、磷质砂屑滩微相、滩间微相)、台缘斜坡相(含泥灰岩微相、泥质云岩微相、硅质灰岩微相)。(3)杨家坪剖面沉积环境和海平面分析,揭示了总体水体向上变浅的特征,整体上具有2期二级海平面升降变化,分别对应陡山沱沉积期和灯影沉积期;进一步可细分为8个三级海平面旋回,其中陡山沱组和灯影组各具有4个三级海平面升降旋回。海平面的变化具有明显的沉积环境响应。

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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