西天山温泉别珍套山阿克沙克组物源及沉积环境分析①

2020-10-17孟令华吴树明王浩

化工矿产地质 2020年3期

孟令华吴树明王浩

中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东泰安 271000

西天山造山带是中亚造山带的重要组成部分，是古亚洲洋在古生代消减闭合下塔里木、准噶尔、哈萨克斯坦等板块的俯冲-碰撞-增生中形成的[1-4]。西天山温泉地区广泛发育石炭纪火山-沉积地层，是研究古亚洲洋形成演化的重要载体，同时也是西天山石炭纪构造演化的重要物质记录[5]。近年来，一些地质工作者对出露于温泉及相邻地区的下石炭统阿克沙克组，在层序、沉积环境、时代归属等方面进行了较多的调查研究：胡志军、方庆新等[6-7]调查了温泉地区阿克沙克组的基本层序，认为其在不同的发展演化时期，表现出不同的岩性、岩相特征，总体表现出缓慢沉积的特点，从下至上沉积环境由浅海陆棚-潮坪相-滨浅海相-三角洲相发展演化；李永军等[8-9]

认为西天山阿吾拉勒阔尔库一带阿克沙克组以海相碳酸盐岩夹碎屑岩为主，处于低纬度带陆棚浅水沉积环境，而在伊宁盆地北缘的于赞一带则为典型的扇三角洲相沉积；熊绍云等[10]将伊犁盆地阿克沙克组按岩性自下而上分为碎屑岩段、碎屑岩夹碳酸盐岩段以及碳酸盐岩段，识别出6 种沉积相、14 种沉积亚相，认为伊犁盆地早石炭世晚期沉积演化可分为3 个阶段：早期发育辫状河三角洲相，中期发育辫状河三角洲相和混积滨岸相、开阔台地相、台盆相，晚期为典型台地碳酸盐沉积时期。廖正凯[11]认为博乐盆地阿克沙克组具有碎屑岩与碳酸盐岩混积的沉积特征，主要发育三角洲、碳酸盐岩台地、火山碎屑流、滨浅海4 种沉积体系。1∶20 万区调工作之后很少有学者在物源特征、沉积环境、构造属性上开展系统的综合研究。

本文通过对出露于温泉县城东南阿依尔朔克一带北东向展布的阿克沙克组地层进行详细的野外路线观察和剖面实测工作，结合室内岩矿鉴定及碎屑岩粒度分析，探讨阿克沙克组的沉积环境及物源特征，为西天山石炭纪构造演化提供沉积学方面的依据。

1 地质特征

研究区属于西天山造山带，大地构造位置处于天山兴蒙造山系（Ⅰ级）、伊宁-中天山地块（Ⅱ级）、赛里木陆缘盆地（Ⅲ级）之赛里木地块（Ⅳ级）[12]（图1a）。地层单元划归塔里木-南疆地层大区（Ⅰ级）、中南天山-北山地层区（Ⅱ级）、中天山-马鬃山地层分区（Ⅲ级）之温泉地层小区（Ⅳ级）[13]。研究区出露地层主要有中泥盆世汗吉尕组、晚泥盆世托斯库尔他乌组、早石炭世阿克沙克组、晚石炭世东图津河组沉积岩系（图1b），为一套晚古生代海相碎屑岩建造。其中早石炭世阿克沙克组分上、下两段。在阿依尔朔克一带，阿克沙克组下段岩性主要有灰色-灰绿色厚层状-中层状砾岩、砂质砾岩、含砾中粗粒岩屑砂岩、中粒-中细粒-细粒岩屑砂岩，深灰色中层状含钙质细中粒岩屑砂岩、灰色-灰绿色中厚层状凝灰质细粒长石岩屑砂岩、深灰色薄层状粉砂岩等，出露厚度1073.4m，与上段为整合接触；上段岩性有灰绿色中层状-中薄层状凝灰质中细粒长石岩屑砂岩、（含凝灰质）细粒岩屑砂岩、灰黑色薄层状粉砂岩、深灰色厚层状粉泥晶生屑灰岩、生屑粉泥晶灰岩、灰色中层状亮晶藻团块鲕粒灰岩等，出露厚度为498.2m，上被晚石炭世东图津河组平行不整合覆盖。

2 岩石学特征

本次在阿克沙克组所测剖面上采集了大量岩石薄片样品，经河北省区域地质矿产调查研究所实验室鉴定，岩石类型主要有砾质粗粒岩屑砂岩、含砾粗粒岩屑砂岩、中粗粒岩屑砂岩、粗中粒长石岩屑砂岩、含钙质细中粒岩屑砂岩、凝灰质不等粒长石岩屑砂岩、（含生屑）凝灰质中细粒长石岩屑砂岩、细粒长石岩屑砂岩、含粉砂细粒长石岩屑砂岩等，其中典型岩石微观特征描述如下。

含粉砂细粒长石岩屑砂岩（阿克沙克组下段，薄片编号b0081/16，图2a）：含粉砂细粒砂状结构，块状构造。岩石由砂粒、填隙物组成。砂粒由岩屑（55%±）、长石（30%±）、石英（3%～5%）构成，主显棱角状-次棱角状-次圆状，杂乱状总体略具方向性排列，大小以0.05～0.25mm 的细砂为主，少部分为＜0.05mm 的粉砂（10%±）。长石包括斜长石、钾长石。岩屑主见流纹岩，较少见安山岩、绢云板岩等，少见白云母。填隙物（3%～5%）被绿泥石、碳酸盐交代呈假像，填隙于砂粒之间，岩石属于颗粒支撑结构。

图1 区域大地构造略图（a）及研究区地质简图（b）Fig.1 Regional tectonic map (a) and geological map of study area (b)

砾质粗粒岩屑砂岩（阿克沙克组下段，薄片编号b0071/17，图2b）：砾质粗粒砂状结构，块状构造。岩石由碎屑、填隙物组成。碎屑由岩屑（60%±）、长石（5%～10%）、石英（5%～10%）构成，主显次棱角状、次圆状，杂乱状排列，大小以0.5～2.0mm的粗砂为主，少量为0.1～0.5mm的中砂、细砂，较少部分为2～10mm 的砾石（20%～25%）。长石主为斜长石。岩屑主见流纹岩、安山岩，少见绢云板岩、粉砂岩、硅质岩等。填隙物（2%～5%）被绿泥石、少量褐铁矿等交代无残留，岩石属于颗粒支撑、孔隙式胶结。有的绿泥石集合体似塑性岩屑外形。

含凝灰质不等粒长石岩屑砂岩（阿克沙克组下段，薄片编号b0081/7，图2c）：含凝灰质不等粒砂状结构，块状构造。岩石由砂粒、凝灰物组成。砂粒由岩屑（60%±）、长石（25%±）、石英（5%±）构成，主显棱角-次棱角-次圆状，杂乱状总体略具方向性排列，部分为0.05～0.25mm 的细砂、部分为0.25～0.5mm 的中砂，较少部分为0.5～1.0mm 的粗砂，少量为＜0.05mm 的粉砂。长石以斜长石为主，钾长石次之。岩屑主见流纹岩，较少见安山岩、粉砂岩、粘土岩、绢云板岩等，部分岩屑具绿泥石化。凝灰物（10%±）包括晶屑、塑性岩屑、玻屑、火山尘。

含生屑凝灰质中细粒长石岩屑砂岩（阿克沙克组上段，薄片编号b0073/4，图2d）：含生屑凝灰质中细粒砂状结构，块状构造。岩石由砂粒、生屑、凝灰物、填隙物组成。砂粒由岩屑（40%±）、长石（30%±）、石英（5%±）构成，主显棱角－次棱角－次圆状，杂乱状总体略具方向性排列，大小以0.05～0.25mm 的细砂为主，少部分为0.25～0.5mm 的中砂。长石包括斜长石、钾长石。岩屑主见流纹岩，较少见安山岩、粘土岩、硅质岩，少见云母等。个别砂粒被硅质围绕构成薄层状的同心鲕。凝灰物（10%±）包括晶屑、塑性岩屑、玻屑。生屑（5%～10%）主见海百合、腕足等，零散状分布，被方解石充填。填隙物（5%～10%）为硅质胶结物，硅质由隐晶-微粒状玉髓构成，填隙于砂粒、生屑之间，颜色稍暗，少量围绕砂粒构成薄层鲕，部分硅质与粉砂呈条纹状聚集分布。

图2 阿克沙克组主要碎屑岩显微照片Fig.2 Photomicrographs for the main clastic rocks of Akeshake formation

3 沉积物源分析

利用沉积岩中碎屑岩的岩石特征，可以用来分析沉积岩的物质来源。本次薄片鉴定的14 个碎屑岩岩石特征见表1。各种粒度碎屑岩的碎屑物主要由岩屑、长石、石英组成，多呈次棱角状—次圆状，其中岩屑含量一般38%～73%，多55%左右，主要成分为流纹岩，另含安山岩、绢云粉砂质板岩、粉砂岩、硅质岩、粘土岩等，说明其物源区母岩以中酸性火山岩为主，少量沉积岩。

据裴蒂庄（1957）成份成熟度指数公式[14]（石英+燧石/长石+岩屑），阿克沙克组碎屑岩成份成熟度为0.03～0.13，远小于1，说明碎屑颗粒搬运距离不远，沉积速度较快。从由分选程性、磨圆度、杂基含量三个因素决定的结构成熟度来看，分选性多为中等，磨圆度中等偏小，杂基含量偏少，说明结构成熟度低，沉积作用处于构造活动性较强，堆积速度快的条件之下，属于近源沉积。

表1 阿克沙克组碎屑岩特征Table 1 Characteristics of clastic rocks of Akeshake formation

将表1 的碎屑岩骨架成分含量投影到Crook的QFL 三角图解[15]中（图3a），样点落入贫石英杂砂岩区，说明其蚀源区构造环境具活动性质[16]，碎屑由火山成因的高地沿活动岛弧及某些陆缘流出，沉积于岛弧之前的前弧盆地以及岛弧后边的边缘海。在Dickinson 等的碎屑含量QFL 三角图解[17]（图3b）上投影，样点基本落入未切割岛弧带（属岩浆弧物源区），说明碎屑物来源于未大洋活动岛弧区。

图3 （杂）砂岩类QFL 三角图解(a)、碎屑含量QFL 三角图解(b)Fig.3 (Graywacke) Sandstone QFL triangular diagram (a), clastic content QFL triangular diagram (b)

4 沉积环境探讨

4.1 沉积序列特征

阿克沙克组下段以碎屑岩发育为特点，可划分为6 个沉积序列（层序）（图4）：Ⅰ类-Ⅵ类层序均具粗-细的沉积规律，底部为粗碎屑岩，交错层理及平行层理发育，上部碎屑岩粒度逐渐变细，局部见水平层理，出现多次旋回式海平面升降，水动力条件不稳定。上段以发育较多的碳酸盐岩为特点，含腕足、珊瑚、海百合茎等海相化石，碎屑岩主要发育水平层理，局部见小型交错层理，整体海平面升高，局部出现小的动荡。

图4 阿依尔朔克一带阿克沙克组地层层序图Fig.4 Stratigraphic sequence map of Akeshake formation in Ayiershuoke area

基本层序方面，阿克沙克组下段岩石成层性好，韵律清楚，常形成砾岩-中细砂岩-粉砂岩或含砾中粗砂岩-细砂岩-粉砂岩的旋回层。如剖面14～17 层具有砂质砾岩→含砾中粗砂岩→细粒岩屑砂岩→粉砂岩的沉积特征，碎屑岩粒度由粗逐渐变细[图5（a）]；17 层中可见粉砂岩→细砂岩→含砾中粗砂岩→粉砂岩→细砂岩的旋回序列[图5（b）]；19～25 层具有砾岩夹细砂岩→含砾中粗砂岩夹细砂岩→粉砂岩→含砾粗砂岩→中细砂岩→粉砂岩的沉积特征[图5（c）]；26～31 层具有含砾中粗砂岩→细砂夹粉砂岩→含砾中粗砂岩→细砂夹粉砂岩→含砾中粗砂岩→细砂岩、粉砂岩的沉积特征[图5（d）]；总体上形成粗→细→粗→细的沉积序列，反映出一系列海进、海退特征。

图5 阿克沙克组下段基本层序Fig.5 Basic sequence of the lower Akeshake formation

4.2 碎屑岩粒度分析

粒度分析与沉积环境的关系非常密切[18]，可以对沉积区水动力环境、输移能力、物质运动方式和沉积环境进行综合反映。阿克沙克组碎屑岩中采集了6 个粒度分析样品，分析结果见表2。

4.2.2 概率累积曲线特征

碎屑岩粒度概率累积曲线见图6。LF0052/1样品曲线由滚动总体和跳跃总体组成，悬浮总体不发育，且跳跃总体由3 个次总体组成；滚动组分和跳跃组分的截点为-2.5φ，稍有混合度，滚动组分的斜率为0°，跳跃组分的斜率46°左右。LF0071/1 样品曲线由跳跃总体组成，悬浮总体和滚动总体不发育，且跳跃总体由2 个次总体组成，斜率50°左右。LF0071/2 样品曲线由跳跃总体和少量悬浮总体组成，滚动总体不发育，跳跃总体由2 个次总体组成；跳跃组分和悬浮组分的截点为3.2φ，有混合度，跳跃组分的斜率46°左右，悬浮组分的斜率为15°。LF0072/1 样品曲线由跳跃总体组成，斜率53°左右，粒度投点多均匀落于曲线两侧。LF0081/1 样品曲线由跳跃总体和悬浮总体组成，滚动总体不发育，且跳跃总体由2个次总体组成，悬浮组分和跳跃组分的截点为1φ，有一定的混合度，滚动组分的斜率38°～60°，悬浮组分的斜率为25°。LF0073/1 样品曲线由跳跃总体组成，悬浮总体和滚动总体不发育，跳跃总体由2 个次总体组成，斜率45°～65°。

以上6 条粒度概率累积曲线，跳跃组分比例均较大，多在90%以上，且多由2 个次总体组成。说明碎屑物沉积速度较快，水动力条件随机变化，具有海滩砂的特点[20]。

表2 阿克沙克组砂岩粒度参数特征（图解法）Table 2 Characteristic of sandstone grain size parameters of Akeshake formation (graphically)

图6 阿克沙克组碎屑岩粒度概率累积曲线Fig.6 Probability cumulative curve of grain size ofclastic rocks in Akeshake formation

4.2.3 粒度参数的环境判别

1964年，萨胡（Sahu）根据福克的粒度参数，利用现代各种环境沉积物的粒度分析结果，得出4 个综合公式，用以区别风成砂丘与海滩、海滩与浅海、浅海与河流（三角洲）、河流与浊流沉积[21]。其判别公式如下：

从使用萨胡环境判别公式的计算结果（见表2）可以看出：下段5 个样品的Y1均大于-2.7411，为海滩沉积环境；上段1 个样品的Y1值小于-2.7411，为风成砂丘环境。6 个样品的Y2均大于65.3650，为浅海沉积环境。5 个样品的Y3值大于-7.4190，为浅海沉积环境；仅LF0081/1 的Y3 值小于-7.4190，代表河流沉积环境。6 个样品的Y4均小于9.8433，为浊流沉积环境。

4.3 沉积环境

根据以上分析，阿克沙克组下段以单一碎屑岩沉积为特点，成层性较好，韵律清楚，出现多次旋回式海平面升降，水动力条件不稳定；上段以发育较多的碳酸盐岩为特征，海相化石非常丰富（图7）。经中国科学院南京地质古生物研究所鉴定，其海相化石主要有：腕足类，包括Echinoconchussp.、Neochonetes carboniferous(Keyserling)、Rotaiasp.、Dictyoclostussp.、Antiquatonia insculpa、Avoniasp.、Chaoiella teunireticulata(Ustrisky)、Orthotetessp.；海百合茎，如Cyclocyclicussp.；珊瑚类，如Rodophyllumsp.、Siphonode ndronsp.、Dophyphyllumsp.、Arachnolasmasp.、Auloelisiasp.、Dibunophyllumsp.等。另外，从碎屑岩粒度分布特征看，跳跃组分比例均较大，在90%以上，多由2 个次总体组成，碎屑物沉积速度较快，水动力条件随机变化，具有海滩砂的特点。因此，阿克沙克组下段为滨-浅海相沉积，上段为典型的浅海陆棚沉积。