貴州紫云地區石炭系打屋壩組沉積相分析

李 治，冉 彬，王明晗，郭 偉，李法浩，王逸瓊

1. 南京大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023；2. 貴州省地質調查院 基礎地質調查部，貴州 貴陽550004；3. 中國地質大學（武漢） 地質過程與礦產資源國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；4. 浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021

貴州紫云地區石炭系打屋壩組沉積相分析

李 治1，冉 彬2,3，王明晗4，郭 偉3，李法浩1，王逸瓊1

1. 南京大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023；2. 貴州省地質調查院 基礎地質調查部，貴州 貴陽550004；3. 中國地質大學（武漢） 地質過程與礦產資源國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；4. 浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021

紫云地區作為貴州頁巖氣調查的工作區之一，其石炭系打屋壩組沉積相分析對古地理恢復及頁巖氣調查具有重要意義。通過野外調查、典型剖面分析與比較，結合微量元素（V、Sc、Cr）地球化學特征對紫云地區打屋壩組進行了詳細的地層劃分與對比，確定了其沉積相體系為深水陸棚-盆地相。打屋壩組在該時期空間上的沉積相分別為陸棚-盆地相、開闊臺地相及局限臺地相。發現該時期水體有變淺的趨勢，從臺盆沉積變化到氧化面上的深水陸棚沉積，其中打屋壩二段黑色頁巖十分發育，有利于頁巖氣儲集。

紫云；石炭系；打屋壩組；沉積相

一、引言

紫云地區泥盆系風暴重力流發育3種沉積序列組合，這3種序列組合代表了較深水的古地理環境，證實了滇黔桂盆地泥盆紀臺地間槽盆環境的存在[2]。紫云運動受控于全球海平面下降和區域構造沉降的聯合作用，晚泥盆紀末，全球規模的海退事件發生，貴州境內的黔北和黔中地區隆起成陸[3]。早石炭系的海侵造成了貴州南部到中部之間的地區早石炭系中期和晚期不同層位地層超覆于晚泥盆系、中泥盆系、早奧陶系、早至晚寒武系不同層位地層上[4]。通過碳酸巖鹽微相分析方法，黔西南地區為一個在開闊臺地與臺地邊緣過渡帶上的局部相模式[5]。

而對該區石炭系相應地層沉積相及沉積環境的研究則較少。2012年，貴州省對全省的頁巖氣資源開展了系統的調查評價，其中針對下石炭統鉆探了5口頁巖氣調查井（黔西南評價區4口、黔南評價區1口），是中國南方地區首次針對石炭系地層開展的實質性頁巖氣調查[6]。2015年初，貴州省地調院在紫云長順一帶鉆取了2口下石炭統打屋壩組頁巖氣調查井（長頁1井，代頁1井），初步顯示頁巖氣儲量豐富。筆者結合野外地質調查、層序地層學、微量元素分析測試等方法，詳細分析了紫云地區早石炭系沉積相特征，對該區石炭系古環境恢復及頁巖氣勘探具有重大意義。

二、區域概況

紫云地區位于揚子陸塊西南緣，受近EW貴陽—鎮遠斷裂帶與NW埡都—紫云斷裂帶與近NE銅仁—三都斷裂帶三個不同方向斷裂帶控制，是一個相對穩定的區塊。其西側為黔西南復雜褶皺帶，南側為右江盆地，北側為黔中隆起，東側為江南隆起帶（圖1）。

圖1 貴州紫云地區區域地質圖（據貴州省地質調查院）

紫云地區地層石炭系從老到新依次出露為下統睦化組（C1m）、打屋壩組（C1dw）和同期異相的南丹組（C-P1n）以及下覆泥盆系上統五指山組（D2wz）。睦化組（C1m）地層以灰黑、深灰色中至厚層狀生屑泥晶灰巖、生屑泥晶灰巖為主，夾泥巖、硅質巖及泥灰巖（圖2-c），厚300m～350m。

打屋壩組（C1dw）主要巖性為黑、灰黑色薄層狀泥巖、鈣質泥巖、粉砂質泥巖，夾深灰色薄層狀硅質巖、泥灰巖，下部為黑色薄層泥巖、炭質頁巖，夾少量深灰色薄層狀泥灰巖；中部深灰色薄層狀泥巖，夾薄至中厚層狀粉砂巖；上部為黑色薄層狀泥巖與深灰色薄-中厚層硅質巖組成韻律層，夾深灰色中層泥晶灰巖、生屑泥晶灰巖，厚300m～420m（圖2-b）。

南丹組（C-P1n）主要由深灰色中厚層夾薄層生物泥晶灰巖、燧石泥晶灰巖、泥晶灰巖組成（圖2-a），厚500m～1 200m。泥盆系五指山組（D2wz）為一套灰色薄-中厚層條帶狀灰巖，夾少量薄層狀泥巖、硅質巖，局部地區夾白云巖、白云質灰巖，厚8m～500m（圖2-d）。

圖2 貴州紫云石炭統及下覆五指山組巖石特征

三、采樣剖面

紫云東南四大寨處地層出露較好，分布完整，主要地層為下石炭統睦化組、打屋壩組及上石炭統的南丹組（圖4）。整個剖面厚約237m，其中打屋壩組厚約213m，據巖性、礦物粒度、顏色等可細分為34層（表1），與下伏和上覆地層均整合接觸。巖性整體上以硅質巖、碳質泥巖、碳質泥頁巖為主，夾粉砂巖、泥質灰巖、灰巖、含硅質碳質泥巖等。

鎂可以促進作物對磷、鉀、鈣元素的吸收和利用。每公頃玉米施鎂肥（MgO計）66.7公斤時，植株對磷、鉀肥料的利用率會分別提高18%和119%，有效增產6%。適量施鎂可顯著提高小白菜、番茄、辣椒、蘿卜等果蔬類作物對磷、鉀、鈣的吸收，提升可食用部分的維生素C、還原糖等品質指標含量，同時產量也大幅增加。

圖3 四大寨實測地層剖面

表1 四大寨實測剖面巖性描述

四、沉積相分析

（一）沉積構造特征

打屋壩組地層根據巖性變化從下往上可分為三段（圖4）：

（1）一段：深灰色薄-中層狀硅質巖，風化顏色為灰黑色，單層厚約3cm～15cm，層次清晰，層面較平整，硅質巖致密且堅硬，水平紋層發育，細層厚約3mm左右，與下伏睦化灰巖呈突變接觸，層面較為平整。

（2）二段：灰黑色薄層碳質泥頁巖夾深灰色硅質巖，泥頁巖風化面為深灰色，泥頁巖中水平層理發育，碳質含量較高，單層厚度約為1cm～3cm，硅質巖致密堅硬，水平層理發育，層次清晰，兩者為突變接觸，接觸面平整。

（3）三段：灰黑色薄層碳質泥巖夾灰黃色粉砂巖。泥頁巖風化面為深灰色，泥頁巖中水平層理發育，碳質含量較高，單層厚度約為1cm～3cm，粉砂巖單層厚1cm～3cm，零星見水平紋層，紋層較寬緩，顏色為灰黃色、淺灰色相間形成，巖石中可見石英顆粒，磨圓為次圓-圓狀，分選性較好，局部風化嚴重的巖石可見少量鐵質。兩者接觸面總體平整，局部輕微起伏。南丹組底部以一套灰巖與打屋壩組分界。

對紫云剖面鉆孔進行分析，發現打屋壩組水平層理（圖5-a、5-b）較發育，紋層1mm～3mm。整體反映了一個靜水狀態下較為穩定的沉積環境。

圖4 貴州紫云打屋壩組地層柱狀圖

圖5 水平層理

（二）元素地球化學特征

沉積環境的變化會引起沉積相的變化，而沉積環境在一定程度上決定了元素的遷移和富集，從而反過來指示沉積環境的變化。對于微量元素在沉積物中的富集程度，賦存狀態受到沉積的氧化還原環境控制。Cr、Sc與V元素以離子形式賦存于氧化水體中，在還原環境中以氧化物的形式富集[8-11]。在不同氧化還原環境中，微量元素的性質會不同，使得它們的富集與組成不同。所以可以運用這些元素的比值來進行沉積環境重建。

利用沉積巖或沉積物中的微量元素含量可恢復古海洋的沉積環境與氧化還原狀態。海洋沉積物與沉積巖中的V、Sc、Cr微量元素來源為海洋與陸源碎屑，在計算微量元素的含量時，需要剔除陸源碎屑部分。沉積物被埋藏以后，這些微量元素不會發生遷移，保存了沉積時的含量和組分，能很好的反映沉積環境的特征。還原條件下的Sc與V具有不相溶性，V的含量變化相對于Sc的變化具有成比例性，利用V/ Sc比值更能夠指示環境的變化，V與Cr也一樣[12-14]。

通過野外剖面樣品的微量元素測試數據（表2）可以得到特征微量元素比值，V/Cr值在0.51～10.6之間，平均值為1.8左右，硅質巖部分V/Cr比值多大于2，深灰色碳質泥頁巖比值幾乎全小于2。就整個剖面而言，底部的硅質巖部分代表還原環境沉積，中部與上部的深灰色泥頁巖代表氧化環境沉積，而越向上，比值相對越小（圖6）。V/Sc的比值在0.91～87之間變化，平均值為10.1，硅質巖部分V/Sc的比值大于9.1，表示早期的缺氧環境沉積，其中上段比值絕大多數均小于9.1，指示為氧化環境沉積。一段硅質巖沉積環境應為深水還原環境，二三段沉積環境為水體相對較淺的氧化環境，水深逐漸變淺。

表2 紫云V、Sc、Cr元素含量

（三）剖面沉積相分析

將紫云打屋壩組剖面與長順、惠水打屋壩組剖面進行對比（圖7），可以得到石炭系打屋壩組在空間上沉積相的變化。

1．第一段沉積相分析

紫云第一段下覆地層為睦化組的深灰色泥質灰巖，厚約12m，巖性為深灰色，灰黑色硅質巖，水平層理發育，偶夾泥質硅質巖。長順段下覆地層為睦化組灰色灰巖夾薄層硅質巖，厚約129m，巖性為灰黑色碳質泥巖夾硅質巖，其中碳質泥巖水平層理發育，硅質巖呈層狀、條帶狀，或者結核夾于碳質泥巖，部分可見含有少量黃鐵礦顆粒。惠水下覆地層為睦化組泥質灰巖，打屋壩組厚約136m，巖性為灰黑色碳質泥巖，水平層理發育，部分可見少量透鏡狀結核，少量云母。從惠水—長順—紫云第一段沉積厚度逐漸減少。從巖性上能夠看出，沉積環境的水體逐漸加深。結合該時期古地理及巖性沉積構造，可以得出紫云處一段的沉積環境為臺盆，長順處一段沉積環境為深水開闊臺地，惠水處一段沉積環境為開闊臺地與局限臺地邊緣，但屬于局限臺地。

2．第二段沉積相分析

紫云第二段厚約63m，巖性為黑色碳質泥頁巖夾硅質巖，泥頁巖水平層理發育，含有機質較高，硅質巖呈層狀夾于泥頁巖中，少量以條帶狀，結核出現在泥頁巖層間。長順打屋壩組第二段厚約21m，巖性為灰黑色碳質泥巖夾灰黃色粉砂巖，兩者水平層理發育。惠水打屋壩組厚約93m，巖性為灰黑色碳質泥巖夾灰黃色粉砂巖，泥巖中可見腕足、腹足生物化石，粉砂巖以層狀夾于泥巖中，其中可見少量的粉砂巖透鏡體。從惠水—長順—紫云地層厚度先逐漸減薄，然后在逐漸增厚。巖性的變化上，第二段相對于第一段的沉積水體相對較淺，所以為水體變淺的沉積環境。紫云二段屬于深水陸棚相沉積環境，長順屬于開闊臺地相環境，惠水二段屬于靠近開闊臺地的局限臺地。

圖7 貴州紫云、長順、惠水地層剖面對比

3．第三段沉積相分析

紫云第三段厚約15m，巖性為深灰色碳質泥頁巖夾灰黃色粉砂巖，碳質泥頁巖水平層理發育，粉砂巖風化后顆粒較明顯。長順第三段厚約16.01m，巖性灰黑色碳質泥巖與深灰色硅質巖互層，惠水第三段厚約17m，巖性為灰色粉砂巖，水平紋層發育，部分可見少量的碳質泥巖條帶。三者地層厚度相差無幾。根據巖性的變化，沉積環境的水體相對第二段較淺。紫云三段的沉積環境為深水陸棚相沉積，但要靠近臺緣斜坡腳，長順三段沉積環境依然為開闊臺地，惠水三段的沉積環境為局限臺地，但靠近開闊臺地，在浪基面以下。

4．沉積相演化特征分析

紫云地區在打屋壩時期處于水城—紫云斷裂帶內槽盆，以深水陸棚-盆地沉積體系為主。在睦化組晚期海水開始快速海侵，海水不斷由南向北部的黔中古陸侵入，水體加深[16-21]。所以在打屋壩一段為臺盆沉積，沉積一套深灰色硅質巖（表3）。打屋壩第二、第三段表現為海退。在該時期，水城-紫云斷裂帶活動明顯，主要以張裂為主，盆地向南東向移動且逐漸萎縮，同時臺地擴大，此外巖性垂向上的變化也表明，海平面相對下降，水體變淺，此時打屋壩組以深水陸棚沉積為主，沉積了一套灰黑色碳質泥頁巖夾深灰色硅質巖與灰黑色碳質泥頁巖夾灰黃色粉砂巖。

表3 紫云打屋壩組沉積相類型及劃分

五、結論

紫云石炭系打屋壩組沉積相體系主要為深水陸棚-盆地相。可分為深水陸棚和盆地兩個亞相，第一段為盆地相沉積體系，第二、三段為深水陸棚相沉積體系。就整個黔西地區而言，石炭系海平面逐漸降低。紫云地區由于整體水體不深，地形坡度平緩，沉積相帶的發育和分布主要受控于海平面升降變化。沿著紫云—長順—惠水，打屋壩組空間上的沉積相分別為陸棚—盆地相、開闊臺地相、局限臺地相，沉積環境由還原環境變化到氧化環境，水體變淺。

打屋壩組四大寨剖面二段黑色頁巖有機質成熟度高，脆性礦物組成的石英與長石含量高，粘土礦物少，幾乎不含碳酸鹽礦物；長順、惠水剖面打屋壩三段黑色頁巖發育了大量的微孔隙，其中溶蝕孔較常見，有利于頁巖氣的儲集。

[1] 王尚顏, 張慧, 王天華, 等. 黔西水城—紫云地區晚古生代裂陷槽盆充填和演化[J]. 地質通報, 2006, 25(3): 402-407.

[2] 陳世悅, 楊懷宇, 李文濤, 等. 貴州紫云地區上泥盆統風暴重力流沉積特征及地質意義[J]. 地質學報, 2010, 84(1): 127-132.

[3] 鄧新, 楊坤光, 劉彥良, 等. 黔中隆起性質及其構造演化[J]. 地學前緣, 2010, 17(3): 79-89.

[4] 牛新生，徐立明. 貴州紫云運動與泥盆紀末華南板塊海退事件的因果關系研究[J]. 華南地質與礦產, 2007, 32(1): 46-50.

[5] 李金梅, 鞏恩普, 孫寶亮, 等. 貴州紫云晚石炭世葉狀藻礁灰巖微相特征與沉積環境的研究[J]. 沉積學報, 2010, 28(1): 26-32.

[6] 田碩夫, 楊瑞東. 貴州早石炭世巖相古地理演化及頁巖氣成藏特征[J]. 成都理工大學學報(自然科學版), 2016, 43(3): 291-299.

[7] 楊瑞東, 程偉, 周汝賢. 貴州頁巖氣成藏條件及勘探遠景分析[J]. 天然氣地球科學, 2012, 23(2): 340-347.

[8] 常華進, 儲雪蕾, 馮連君, 等. 氧化還原敏感微量元素對古海洋沉積環境的指示意義[J]. 地質論評, 2009, 59(1): 91-99.

[9] 董寧, 劉家潤, 楊湘寧, 等. 貴州扁平紫松晚期—羅甸的相對海平面變化特征[J]. 高校地質學報, 2003, 9(1): 54-61.

[10] 張榮強, 周雁, 汪新偉, 等. 貴州西南部威寧—紫羅斷裂帶構造特征及演化[J]. 地質力學學報, 2009, 15(2): 178-188.

[11] 梅冥相, 馬永生, 鄧軍. 加里東運動構造古地理及滇黔桂盆地的形成[J]. 地學前緣, 2005, 12(3): 227-235.

[12] 騰格爾, 徐文慧, 許永昌. 缺氧環境及地球化學標志的探討[J].沉積學報, 2004, 22(2): 365-371.

[13] 戴傳固, 王敏, 陳建書, 等. 貴州構造運動特征及其地質意義[J]. 貴州地質, 2013, 30(2): 119-124.

[14] 林治家, 陳多福, 劉芊. 海相沉積氧化還原環境的地球化學識別指標[J]. 礦物巖石地球化學通報, 2008, 27(1): 72-79.

[15] 焦大慶, 馬永生, 鄧軍, 等. 黔桂地區石炭系層序地層骨架及古地理演化[J]. 現代地質, 2003, 17(3): 254-301.

[16] 吳根耀, 王偉鋒, 遲星洪. 黔南坳陷及鄰區盆地演化和海相沉積后期改造[J]. 古地理學報, 2012, 14(4): 507-520.

[17] 彭中勤, 王傳上, 李志紅. 黔南坳陷泥盆—石炭之交海平面變化及碳同位素異常[J]. 桂林理工大學學報, 2015, 34(2): 235-243.

[18] 劉劍平, 汪新偉, 馬軍. 南盤江地區紫云變形帶分段特征[J].成都理工大學學報, 2006, 33(1): 32-33.

[19] 林小兵, 李國忠, 田小春, 等. 黔南石炭系地層層序格架中碳酸鹽巖成巖作用研究[J]. 成都理工大學學報, 2007, 34(3): 267-272.

[20] 安亞運, 付紅斌, 陳厚國, 等. 黔南下石炭系打屋壩組頁巖氣存儲物性特征及控制因素[J]. 貴州地質, 2005, 32(3): 181-189.

[21] 陳洪德, 張成弓, 黃福喜, 等. 中上揚子克拉通海西—印支期(泥盆—中三疊世)層序充填及演化過程[J]. 巖石學報, 2011, 27(8): 2281-2298.

[22] YAN D P, ZHANG B, ZHOU M F, et al. Constraints on the depth, geometry and kinematics of blind detachment faults provided by fault-propagation folds: An example from the Mesozoic fold belt of South China[J]. Journal of Structural Geology, 2009, 31(2): 150-162.

[23] ZHANG K J, CAI J X. NE–SW-trending Hepu–Hetai dextral shear zone in southern China: Penetration of the Yunkai Promontory of South China into Indochina[J]. Journal of Structural Geology, 2009, 31(7): 737-748.

[24] BOND D P G, WIGNALL P B, WANG W, et al. The mid-Capitanian (Middle Permian) mass extinction and carbon isotope record of South China[J]. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology, 2010, 292(2): 282-294.

[25] WIGNALL P B, SUN Y, BOND D P, et al. Volcanism, mass extinction, and carbon isotope fluctuations in the Middle Permian of China[J]. Science, 2009, 324(5931): 1179-82.

[26] SUN B L. Sedimentary Environment and Microfacies Analysis of a Carboniferous Coral Reef in the Bianping Village of Ziyun County,Guizhou[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2007, 25(3): 351-357.

（責任編輯：劉格云）

Sedimentary Facies Analysis of Carboniferous Dawuba Group in Ziyun District of Guizhou Province

LI Zhi1, RAN Bin2,3, WANG Ming-han4, GUO Wei3, LI Fa-hao1, WANG Yi-qiong1

1. Nanjing University, Jiangsu, Nanjing 210023; 2. Guizhou Geological Survey, Guiyang, Guizhou 550004;
3. China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074; 4. Zhejiang University, Zhoushan, Zhejiang 316021

The Carboniferous sedimentary facies analysis in Ziyun district, as one of the Guizhou shale gas survey work area, has important significance for the paleogeography and shale gas survey. Through field investigation, the typical profile analysis and comparison, combined with trace elements（V, Sc, Cr）geochemical characteristics of the Ziyun district called Dawuba group a detailed stratigraphic division and correlation, the system of its sedimentary facies deep-water shelf-basin facies deposition. In the period of Dawuba on the space phase respectively shelf basin facies and open platform facies, from the change of sedimentary basin to the oxidation on the surface of the deep shelf deposition, which houses two dam black shales are well developed, is conducive to the shale gas reservoir.

Ziyun; Carboniferous; Dawuba formation; sedimentary facies

P536

A

1007-6875(2017)02-0001-09

??日期：2017-03-12

10.13937/j.cnki.hbdzdxxb.2017.02.001

來稿日期：國家自然科學基金面上項目（41672186）；中國地質調查局項目（1212010610609）。

李治（1994—），男，湖北洪湖人，碩士研究生，主要從事沉積盆地研究。