渝东板凳沟下寒武统石龙洞组缓坡相沉积特征

斯尚华, 李建明, 李 旭, 吴鹏涛

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安 710065; 2.长江大学 地球科学学院,湖北 武汉 434023)

碳酸盐岩缓斜坡指坡度小且比较平坦的斜坡,又称缓坡,坡度一般均<3°,缺乏重力流沉积标志。缓坡一般形成于单斜构造上。缓坡沉积相模式首先由AHr(1973)提出[1],目前公认缓坡与台地两者都属于陆棚环境,地质历史时期大部分碳酸盐岩沉积在类似缓坡环境中,但缓坡内仍保留部分碳酸盐岩台地沉积类型,波斯湾和美国佛罗里达等地区的现代缓坡沉积研究,为古代缓坡沉积研究提供了实际的例子。近年来关于海平面变化、沉积过程、构造对碳酸盐岩缓坡沉积及演化方面的影响仍在探索中[2-4]。本次研究以渝东板凳沟下寒武统石龙洞组沉积特征为对象,通过分析岩石类型相标志和元素地化标志,划分了沉积亚相,建立了相演化模式。

1 地质概况

板凳沟剖面位于重庆市东部石柱县境内,中扬子地区中部。从大地构造位置看,中扬子地区属扬子地台区,南部与华南褶皱系相邻,东西与上、下扬子区相连,北部与秦岭褶皱系相接,是处于两大褶皱系之间的相对稳定区。寒武纪时,南部华南褶皱系尚未褶皱,表现为华南深海盆地,北部褶皱系为秦岭海槽,中间为相对浅水的扬子地台区[5-10]。渝东板凳沟剖面下寒武统地层发育齐全,分布很广,顶底界线及统组间界线清楚,且有丰富的古生物资料,剖面保存完好,是中扬子地区下寒武统代表性剖面之一,具有较高的研究意义(图1)。该剖面下寒武统地层厚度为2 000 m左右,自下而上可分为四个组，分别为水井沱组(∈1s)、石牌组(∈1sp)、天河板组(∈1t)、石龙洞组(∈1sl)。其中石龙洞组(该地区称清虚洞组,文中统称石龙洞组)分布厚度为150～400余米。主要为一套碳酸盐岩,本组以薄层灰岩为主,上部夹厚—中厚层灰岩及少量泥质白云岩。

图1 渝东板凳沟下寒武统剖面位置Fig.1 Location of Lower Cambrian section in Bandenggou,Eastern Chongqing1.地名；2.地层符号；3.构造单元；4.剖面位置。

2 沉积相的划分

2.1 岩性类型

岩性是指示地层沉积环境的一种标志,通过岩石薄片镜下鉴定,表明该石龙洞组地层岩石类型以灰岩为主,其次为含云质灰岩、含灰云岩、白云岩等。渝东板凳沟剖面石龙洞组岩性特征主要如下：

(1) 内碎屑灰岩。内碎屑灰岩粒径大小可指示沉积环境中水动力类型和能量大小,按粒径大小从小到大可分为泥屑、粉屑、砂屑和砾屑。该剖面主要发育砂屑灰岩,常见类型有亮晶砂砾屑灰岩和亮晶粉屑灰岩等(图2-a、2-b、2-g),发育层位主要为石龙洞组底部,代表浅缓坡的沉积环境。

(2) 泥—粉晶灰岩。全由0.001～0.004 mm的灰泥(又称泥晶)组成,仅含少量异化粒(<10%)的石灰岩,称为泥晶灰岩(图2-c、2-d),而粉晶灰岩是由灰泥重结晶形成。在该剖面石龙洞组中部这类灰岩广泛、连续分布,厚度达数十米,一般为深灰色,以薄层状为主,少见中厚层块状,有些泥晶灰岩处在软泥阶段被生物扰动或遭受滑动变形,形成扰动泥晶灰岩。这些泥晶灰岩常形成于低能环境,如浪基面以下的深水区,在浅缓坡等环境中有分布。

(3) 结晶白云岩。结晶白云岩常见类型为含灰质泥粉晶白云岩和细晶白云岩,在该剖面石龙洞组上部这类灰岩广泛分布,连续厚度多为几米,一般为灰色和灰白色,以中—薄层状为主,少见厚层块状,多由泥—粉晶白云石构成(图2-b、2-f、2-h)。表明这类岩石一般形成于水体相对较强的沉积环境中,在内缓坡等环境中有分布。

2.2 沉积相特征及划分

缓坡沉积体系根据内部水体深度、水动力特征等可分为内缓坡、浅缓坡等亚相。本次通过碳酸盐岩样品碳、氧同位素实验来分析该区沉积环境,在寒武系石龙洞组一共采集13件,样品采用CF-IRMS仪分析δ13C和δ18O数值。现将分析结果及所计算的古盐度指标列于表1。一般来说,δ13C、δ18O只与海洋古盐度相关,而受温度等其他因素影响不大。Keith和Weber[11-18]在1964年提出了用灰岩δ13C与δ18O值来区分时代晚些的海相石灰岩和淡水石灰岩，其公式如下：

图2 渝东板凳沟剖面下寒武统石龙洞组岩石照片Fig.2 Photographs of rock types of Shilongdong Formationof Lower Cambrian in Bandenggou section,Eastern Chongqinga.亮晶砂砾屑灰岩；b.粉屑灰岩；c.泥晶含云灰岩；d.粉晶灰岩；e.细晶白云岩；f.含灰泥粉晶白云岩；g.砾屑灰岩；h.粉晶白云岩。

Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)

式中：Z值为古盐度；δ13C与δ18O均采用PDB标准,当Z>120时为海相石灰岩,Z<120时为淡水石灰岩。这一公式在碳酸盐岩地层古盐度分析时取得明显效果。

本文通过该方法对渝东板凳沟剖面石龙洞组沉积期古海水盐度进行了分析和对比,发现渝东板凳沟石龙洞组13件样品的δ13C值变化区间为-2.2‰～0.9‰,平均值为-0.7‰；δ18O值分布在-9.2‰～-5.3‰范围,平均值为-7.8‰；样品的δ13C与δ18O值可作为古环境分析的可靠参数,较好地保留了古环境信息。石龙洞组Z值均>120,分布范围在120.10～124.99,说明石龙洞组沉积期该地区处于海相环境。通过碳、氧同位素推断古环境特征可知,渝东板凳沟地区石龙洞组沉积初期,水体盐度、温度均略低,海平面波动性下降,加之该时期盆地坡度较缓,有利于碳酸盐岩的沉积。

通过野外剖面详细观察分析,掌握所能反映的沉积环境信息,运用识别沉积相的岩石颜色、岩石类型等沉积学标志,建立渝东板凳沟剖面下寒武统石龙洞组主要的沉积相类型。将石龙洞组划分为碳酸盐岩内缓坡、浅缓坡等亚相。

表1 渝东板凳沟下寒武统石龙洞组碳酸盐岩碳氧同位素组成Table 1 Carbon and oxygen isotopic compositions of carbonate rocks of theLower Cambrian Shilongdong Formation in Bandenggou,Eastern Chongqing

(1) 内缓坡亚相。内缓坡相包括潮汐作用带及其以上的环境,水体较浅,发育中厚层状泥灰岩、灰质云岩、晶粒白云岩等,局限泻湖和潮坪为主要的沉积作用。化石主要含宽背虫、三叶虫等。该亚相带广泛分布于渝东板凳沟剖面石龙洞组上部,后期溶蚀孔洞较发育(图3)。

(2) 浅缓坡亚相。该相带是潮汐作用带以下到平均浪基面之间的沉积环境,可出现与风暴作用有关的沉积作用,形成分散且具粒序的浊流沉积。该剖面内以浅灰—灰色中厚层、生屑灰岩为主,局部含砂屑粉屑,多见于下寒武统石龙洞组底部,底部还发育海生化石群,生物扰动强烈(图3)。

图3 渝东板凳沟石龙洞组缓坡相沉积剖面Fig.3 Sedimentary profile of gentle slope facies of Shilongdong formation in Bandenggou,Eastern Chongqing1.白云岩；2.砂屑灰岩；3.含灰云岩；4.含云灰岩；5.页岩；6.藻团粒砂屑灰岩；7.灰质白云岩；8.含泥质条带灰岩；9.泥质云质灰岩；10.白云质灰岩；11.含泥质白云岩；12.含灰质泥质云岩；13.灰岩；14.鲕粒灰岩；15.含生物碎屑灰岩；16.泥质灰岩；17.含云质泥质灰岩；18.泥质条带；19.构造缝；20.缝合线构造。

3 碳酸盐缓坡沉积演化与相模式

沉积演化：一定的碳酸盐台地类型是沉积作用、海平面相对变化与构造运动联合作用的结果。早寒武世石龙洞期,渝东板凳沟以浅缓坡碳酸盐和内缓坡沉积为主阶段。中扬子碳酸盐台地在晚震旦世末变浅暴露后,从早寒武世水井沱期至石牌早期,海平面迅速上升,海侵淹没了碳酸盐台地的大部分地区。这种海侵是早寒武世扬子被动陆缘幼年期快速热沉降和全球性海平面上升叠加造成的。扬子陆块周缘被黑色岩系所覆盖。水井沱期沉积的黑色岩系具全球等时性,是大洋缺氧事件的产物,最大海泛面位于黑色岩系之中。寒武系近底部沉积常含胶磷矿,在深水盆地区,以含磷硅质岩、磷结核形式存在。它们应属凝缩沉积的产物,反映出了在沉积间隔期内凝缩物受到底流、风暴流的改造。磷的富集由上升洋流携带富磷海水上涌,在克拉通边缘向海一侧的近斜坡处聚集形成。这个时期,以发育碳酸盐缓坡为特征。研究区内边缘斜坡带普遍发育泥—粉晶灰岩,重力沉积不发育,仅有小型滑动变形构造等。从整体上看,碳酸盐缓坡在中扬子东南缘及北缘广泛发育。Burehette(1992)[14]也指出,碳酸盐缓坡在被动大陆边缘主要发育于裂谷后阶段的被动陆缘幼年期。早寒武世石龙洞组沉积末期,研究区水体急剧变浅,具鸟眼等暴露标志。

相模式：在沉积相划分的基础上,初步建立了渝东板凳沟剖面沉积相模式。早寒武世石龙洞期,中扬子西部地区主要为一套缓坡相沉积,以发育内缓坡、浅缓坡沉积为主(图4)。

图4 渝东板凳沟早寒武世石龙洞组缓坡相沉积模式Fig.4 Sedimentary model of gentle slopefacies of early Cambrian Shilongdong formation in Bandenggou,Eastern Chongqing1.灰岩；2.生物灰岩；3.含云灰岩；4.碎屑灰岩；5.泥灰岩。

4 结论

(1) 渝东板凳沟下寒武统石龙洞组发育泥—粉晶灰岩、内碎屑灰岩、晶粒白云岩等。

(2) 渝东板凳沟石龙洞组地层δ13C值变化区间为-2.2‰～0.9‰,平均值为-0.7‰；δ18O值分布在-9.2‰～-5.3‰范围,平均值为-7.8‰；Z值分布范围在120.10～124.99,均>120,表明石龙洞组沉积期该地区处于海相环境,水体盐度、温度均略低,盆地坡度较缓,有利于碳酸盐岩的沉积。

(3) 渝东板凳沟下寒武统石龙洞组沉积相为早期的浅缓坡型、晚期的内缓坡型两种类型。