柳江盆地竹叶状灰岩岩石特征及沉积环境分析①

杨得雨 蒋佳坤 潘昆林 张星悟 郑一航

长春工程学院勘查与测绘工程学院，吉林 长春 130000

柳江盆地寒武系沉积了一套全区稳定可对比追踪的寒武纪海相碳酸盐岩夹碎屑岩地层[1]。前人已经对寒武系的遗迹化石、碳酸盐岩微相、沉积相划分以及沉积旋回性分析等方面做过了专门调查研究工作[2-5]，但是对寒武系竹叶状灰岩的研究还很少。柳江盆地寒武系剖面出露良好，地层连续，且发现沉积有大量的竹叶状灰岩。因此，本次研究以柳江盆地寒武系野外实测及相关室内研究为出发点，对该地区竹叶状灰岩进行详细的分析，对研究区不同类型的竹叶状灰岩的古环境意义进行探讨。

1 剖面概述

柳江盆地的古生界主要出露在柳江向斜的东西两翼，东翼因其产状较缓，古生界出露的宽度为西翼的五倍左右，且完整[6-7]。研究区内崮山组、长山组和凤山组含大量出露良好的竹叶状灰岩[8]。

崮山组（Є3g）主要出露于盆地周围，原揣庄北牛圈至285高地剖面已破坏，现以东部落西剖面为最好，为该区崮山组的标准剖面。崮山组总厚102m，属浅海相沉积。根据岩性特征可分下、中、上三部分。紫色砾屑灰岩、紫色粉砂岩以及紫色竹叶状灰岩是下部和上部的主要岩石组成；中部则是灰岩（包括泥质条带状灰岩、鲕状灰岩、藻灰岩等），与下伏张夏组间有明显的水下冲刷面，界线非常明显，接触部位两者的岩石颜色和结构、成分变化明显，差别大。张夏组的顶部是灰色藻灰岩，崮山组的底部是紫色砾屑灰岩或紫色粉砂岩互层。

长山组（Є3c）主要出露在柳江向斜东翼潮水峪、东部落、揣庄至驻操营相石门寨至傅水寨一带。本组在区内出露厚度很小，只有18m左右，属浅海相沉积。岩性为紫色砾屑灰岩、竹叶状灰岩、粉砂岩与页岩互层，夹有藻灰岩及生物屑灰岩。与下伏地层崮山组为整合接触，两者分界清楚。本组中的藻灰岩为柱状藻，紫色氧化圈非常明显，与崮山组的有所不同。

凤山组（Є3f）分布同长山组，出露好的剖面是揣庄一带，揣庄288高地东坡可作凤山组的标准剖面。本组厚92m，属浅海沉积相。凤山组以黄灰色泥灰岩夹竹叶状灰岩为主，部分绿色钙质页岩以及薄层泥状质条带灰岩。本组特点是泥质成分较多，容易被风化，风化后形成黄色土状，砾屑成为小团块状（俗称疙瘩状）。凤山组与下伏长山组为整合接触。长山组的分界是以底部的青灰色砾屑泥灰岩为标志层（图1）。

图1 东部落-潮水峪地质路线剖面图Fig 1 Section of geological route of Dongbuluo-Chaoshuiyu

2 竹叶状灰岩的岩性特征

通过对研究区竹叶状灰岩剖面分析，这套砾屑灰岩对沉积环境的反映主要集中在两方面：是否具有反映暴露环境的紫红色氧化圈层；砾屑的排列状态(定向排列、半定向排列以及杂乱排列)。不同的砾屑从形状、颜色、分布及组合特征都代表了不同的成因[9]。最终把该地区的竹叶状灰岩分为四类：

第一类为猪肝色无氧化圈排列无序竹叶状灰岩。

这类灰岩主要分布在崮山组中，竹叶状灰岩基本都是砾屑结构的猪肝色竹叶状灰岩（图2）。砾屑中大部分砾屑形态为长椭圆形，形成竹叶状；棱角明显。其粒径在0.5～10cm之间，多数为5cm左右，最大砾屑可达20cm。岩石无氧化圈，分选较差，排列无序，竹叶层厚度大，块状构造。该竹叶状灰岩中多为方解石质砾屑占了70%左右，砾屑成分复杂，还含有10%左右的方解石微晶和10%的白云石，其余为粘土矿物和碎屑矿物。

图2 崮山组竹叶状灰岩Fig 2 Edgewise limestone of Gushan formation

第二类为紫红色无氧化圈排列半定向竹叶状灰岩。

这类竹叶状灰岩，风化面呈暗紫色，砾屑结构，大部分砾屑形态为长椭圆形，形似竹叶状，少部分为椭圆形；砾屑的粒径在0.3～4cm，多数为2.5cm。岩石无氧化圈，分选性一般，排列略有序，竹叶层厚度中等（图3）。这类竹叶状灰岩主要分布在长山组。

第三类为灰色有一定分选的竹叶状灰岩。

灰色竹叶状灰岩，新鲜面为灰色，风化面为土黄色；结构为竹叶状中-粗粒砾屑结构，大部分为椭圆形，少部分为长椭圆形；其砾屑粒径在0.5～4cm，大多数在2.5cm左右，最大可达10cm；该组竹叶状灰岩无氧化圈，磨圆好，分选性较好，排列有序，竹叶状厚度不大；其构造为块状构造（图4）。这类竹叶状灰岩主要分布在凤山组内。

图3 长山组竹叶状灰岩Fig.3 Edgewise limestone of Changshan formation

图4 凤山组竹叶状灰岩Fig.4 Edgewise limestone of Fengshan formation

第四类为含有氧化圈的紫红色竹叶状灰岩。

这种竹叶状灰岩的砾屑表面薄薄一层表皮被氧化，呈现紫红色氧化圈，砾石在岩层内分布有方向性，大小不等的砾屑混合分布，大的砾屑可达十多厘米，小的砾屑几厘米。其砾屑略成饼状，被含有氧化铁的钙质胶结（图5）。这类竹叶状灰岩主要在崮山组顶部及长山组底部。

图5 具氧化圈竹叶状岩Fig.5 Edgewise limestone with oxidation ring

3 竹叶状灰岩沉积环境分析

竹叶状灰岩一般为原地或半原地沉积，因此从其相邻层位岩性特征如薄层泥灰岩、条带状灰岩等方面分析，早期沉积物应为薄层碳酸盐岩。此外，竹叶多为不规则的薄板状，未见不规则块状，说明早期沉积物不是块状，而是薄板状，且层面清晰，易于剥离。其早期的薄板状沉积物具有特定的沉积环境[10]。

3.1 无氧化圈无定向-半定向排列紫红色竹叶状灰岩

研究区崮山组主要沉积灰岩，包括鲕状灰岩与叠层石灰岩、紫色竹叶状灰岩与紫色粉砂质页岩、鲕状灰岩互层、泥质条带状灰岩互层等，是韵律变化层序。根据岩石学特征分析，崮山组紫红色竹叶状灰岩，砾屑在岩层内呈放射状（图2）、菊花状以及不规则的杂乱排列，基本为原地堆积，砾石未受到磨蚀，砾屑具有次棱角状、棱角状，根据其显微镜下薄片观察，填隙物为泥晶、粉屑和砂屑，偶见鲕粒和生物碎片。胶结类型既有基质支撑，也有颗粒支撑，胶结物中含有自生海绿石矿物，表明该此类型竹叶状灰岩形成于浅海动荡的环境。砾屑排列无序，其形成环境与风暴潮汐有关，能量巨大的风暴浪冲刷海底沉积物，且砾石都有揉曲状变形，说明它们是处在未完全固结的状态下，受到水的机械冲刷，风暴涡流将沉积物冲碎和揉曲，经海水冲击、挤压、磨蚀后近原地沉积形成[11]。沉积时水动力条件为潮下低能环境到高能动水环境重复出现。

3.2 带氧化圈紫红色竹叶状灰岩

崮山组顶部及长山组底部出现的带氧化圈的紫红色竹叶状灰岩，其砾石成分、结晶程度和颜色上是一致的，而且胶结物成分也与砾石成分一致，应当属于华北陆表海海盆地同生沉积的产物，也说明柳江盆地在此期间为潮坪氧化环境，曾经暴露地表。柳江盆地在此期间为强蒸发环境，泥质含量较高，多形成薄层泥灰岩，有利于后期风暴的再一次破碎。

3.3 灰色有分选有磨圆竹叶状灰岩

研究区凤山组竹叶状灰岩主要由方解石和异地沉积的竹叶砾屑所组成，基质部分的亮晶方解石为它形粒状，主要以0.05mm以下的粉晶为主，竹叶砾屑中的微亮晶方解石颗粒粒径主要在0.02～0.05mm。该竹叶状灰岩为短分选、磨圆较好，没有氧化圈。肉眼和显微镜下都可见扁平的砾屑，长短轴比例1∶7或者更高，且砾石的扁平面与岩层层面基本一致，说明砾石经过了一定距离的搬运，为异地堆积，表明在此期间柳江盆地沉积环境为高能浅滩环境，是较强的水流反复作用分选的结果。

通过对华北地台长山组灰岩样品进行全岩碳氧同位素分析。碳氧同位素测试结果显示，δ13C（PDB）值在0.24‰～0.5‰之间，为低正值，δ18O（PDB）在-6.85‰～-6.95‰之间，为中负值，这一特征与灰岩形成所需的水体环境相吻合：也就是灰岩形成于浅缓坡海相环境中[12]，而华北板块在早古生代一直处于赤道两侧的低纬度带，风暴频发，最终形成研究区内各种竹叶状灰岩。

4 结论

（1）柳江盆地竹叶状碎屑灰岩分为4个类型，分别为无氧化圈无定向排列的猪肝色竹叶状灰岩、无氧化圈有微定向的紫红色竹叶状灰岩、带氧化圈紫红色的竹叶状灰岩以及灰色有分选有磨圆的竹叶状灰岩。

（2）研究区崮山组沉积时水动力条件为潮下低能到高能水环境重复出现，长山组发育的竹叶状灰岩含有氧化圈，说明此时期柳江盆地为潮坪环境，曾暴露出地表，凤山组内的灰色有定向排列的竹叶状灰岩为高能浅滩环境，是较强的水流反复作用分选的结果。

（3）竹叶状碎屑的磨圆、分选、有无紫红色氧化圈等岩性特征反映了竹叶状灰岩的再沉积环境。