渝東板凳溝下寒武統石龍洞組緩坡相沉積特征

斯尚華, 李建明, 李 旭, 吳鵬濤

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院,陜西 西安 710065; 2.長江大學 地球科學學院,湖北 武漢 434023)

碳酸鹽巖緩斜坡指坡度小且比較平坦的斜坡,又稱緩坡,坡度一般均<3°,缺乏重力流沉積標志。緩坡一般形成于單斜構造上。緩坡沉積相模式首先由AHr(1973)提出[1],目前公認緩坡與臺地兩者都屬于陸棚環境,地質歷史時期大部分碳酸鹽巖沉積在類似緩坡環境中,但緩坡內仍保留部分碳酸鹽巖臺地沉積類型,波斯灣和美國佛羅里達等地區的現代緩坡沉積研究,為古代緩坡沉積研究提供了實際的例子。近年來關于海平面變化、沉積過程、構造對碳酸鹽巖緩坡沉積及演化方面的影響仍在探索中[2-4]。本次研究以渝東板凳溝下寒武統石龍洞組沉積特征為對象,通過分析巖石類型相標志和元素地化標志,劃分了沉積亞相,建立了相演化模式。

1 地質概況

板凳溝剖面位于重慶市東部石柱縣境內,中揚子地區中部。從大地構造位置看,中揚子地區屬揚子地臺區,南部與華南褶皺系相鄰,東西與上、下揚子區相連,北部與秦嶺褶皺系相接,是處于兩大褶皺系之間的相對穩定區。寒武紀時,南部華南褶皺系尚未褶皺,表現為華南深海盆地,北部褶皺系為秦嶺海槽,中間為相對淺水的揚子地臺區[5-10]。渝東板凳溝剖面下寒武統地層發育齊全,分布很廣,頂底界線及統組間界線清楚,且有豐富的古生物資料,剖面保存完好,是中揚子地區下寒武統代表性剖面之一,具有較高的研究意義(圖1)。該剖面下寒武統地層厚度為2 000 m左右,自下而上可分為四個組，分別為水井沱組(∈1s)、石牌組(∈1sp)、天河板組(∈1t)、石龍洞組(∈1sl)。其中石龍洞組(該地區稱清虛洞組,文中統稱石龍洞組)分布厚度為150～400余米。主要為一套碳酸鹽巖,本組以薄層灰巖為主,上部夾厚—中厚層灰巖及少量泥質白云巖。

圖1 渝東板凳溝下寒武統剖面位置Fig.1 Location of Lower Cambrian section in Bandenggou,Eastern Chongqing1.地名；2.地層符號；3.構造單元；4.剖面位置。

2 沉積相的劃分

2.1 巖性類型

巖性是指示地層沉積環境的一種標志,通過巖石薄片鏡下鑒定,表明該石龍洞組地層巖石類型以灰巖為主,其次為含云質灰巖、含灰云巖、白云巖等。渝東板凳溝剖面石龍洞組巖性特征主要如下：

(1) 內碎屑灰巖。內碎屑灰巖粒徑大小可指示沉積環境中水動力類型和能量大小,按粒徑大小從小到大可分為泥屑、粉屑、砂屑和礫屑。該剖面主要發育砂屑灰巖,常見類型有亮晶砂礫屑灰巖和亮晶粉屑灰巖等(圖2-a、2-b、2-g),發育層位主要為石龍洞組底部,代表淺緩坡的沉積環境。

(2) 泥—粉晶灰巖。全由0.001～0.004 mm的灰泥(又稱泥晶)組成,僅含少量異化粒(<10%)的石灰巖,稱為泥晶灰巖(圖2-c、2-d),而粉晶灰巖是由灰泥重結晶形成。在該剖面石龍洞組中部這類灰巖廣泛、連續分布,厚度達數十米,一般為深灰色,以薄層狀為主,少見中厚層塊狀,有些泥晶灰巖處在軟泥階段被生物擾動或遭受滑動變形,形成擾動泥晶灰巖。這些泥晶灰巖常形成于低能環境,如浪基面以下的深水區,在淺緩坡等環境中有分布。

(3) 結晶白云巖。結晶白云巖常見類型為含灰質泥粉晶白云巖和細晶白云巖,在該剖面石龍洞組上部這類灰巖廣泛分布,連續厚度多為幾米,一般為灰色和灰白色,以中—薄層狀為主,少見厚層塊狀,多由泥—粉晶白云石構成(圖2-b、2-f、2-h)。表明這類巖石一般形成于水體相對較強的沉積環境中,在內緩坡等環境中有分布。

2.2 沉積相特征及劃分

緩坡沉積體系根據內部水體深度、水動力特征等可分為內緩坡、淺緩坡等亞相。本次通過碳酸鹽巖樣品碳、氧同位素實驗來分析該區沉積環境,在寒武系石龍洞組一共采集13件,樣品采用CF-IRMS儀分析δ13C和δ18O數值。現將分析結果及所計算的古鹽度指標列于表1。一般來說,δ13C、δ18O只與海洋古鹽度相關,而受溫度等其他因素影響不大。Keith和Weber[11-18]在1964年提出了用灰巖δ13C與δ18O值來區分時代晚些的海相石灰巖和淡水石灰巖，其公式如下：

圖2 渝東板凳溝剖面下寒武統石龍洞組巖石照片Fig.2 Photographs of rock types of Shilongdong Formationof Lower Cambrian in Bandenggou section,Eastern Chongqinga.亮晶砂礫屑灰巖；b.粉屑灰巖；c.泥晶含云灰巖；d.粉晶灰巖；e.細晶白云巖；f.含灰泥粉晶白云巖；g.礫屑灰巖；h.粉晶白云巖。

Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)

式中：Z值為古鹽度；δ13C與δ18O均采用PDB標準,當Z>120時為海相石灰巖,Z<120時為淡水石灰巖。這一公式在碳酸鹽巖地層古鹽度分析時取得明顯效果。

本文通過該方法對渝東板凳溝剖面石龍洞組沉積期古海水鹽度進行了分析和對比,發現渝東板凳溝石龍洞組13件樣品的δ13C值變化區間為-2.2‰～0.9‰,平均值為-0.7‰；δ18O值分布在-9.2‰～-5.3‰范圍,平均值為-7.8‰；樣品的δ13C與δ18O值可作為古環境分析的可靠參數,較好地保留了古環境信息。石龍洞組Z值均>120,分布范圍在120.10～124.99,說明石龍洞組沉積期該地區處于海相環境。通過碳、氧同位素推斷古環境特征可知,渝東板凳溝地區石龍洞組沉積初期,水體鹽度、溫度均略低,海平面波動性下降,加之該時期盆地坡度較緩,有利于碳酸鹽巖的沉積。

通過野外剖面詳細觀察分析,掌握所能反映的沉積環境信息,運用識別沉積相的巖石顏色、巖石類型等沉積學標志,建立渝東板凳溝剖面下寒武統石龍洞組主要的沉積相類型。將石龍洞組劃分為碳酸鹽巖內緩坡、淺緩坡等亞相。

表1 渝東板凳溝下寒武統石龍洞組碳酸鹽巖碳氧同位素組成Table 1 Carbon and oxygen isotopic compositions of carbonate rocks of theLower Cambrian Shilongdong Formation in Bandenggou,Eastern Chongqing

(1) 內緩坡亞相。內緩坡相包括潮汐作用帶及其以上的環境,水體較淺,發育中厚層狀泥灰巖、灰質云巖、晶粒白云巖等,局限瀉湖和潮坪為主要的沉積作用。化石主要含寬背蟲、三葉蟲等。該亞相帶廣泛分布于渝東板凳溝剖面石龍洞組上部,后期溶蝕孔洞較發育(圖3)。

(2) 淺緩坡亞相。該相帶是潮汐作用帶以下到平均浪基面之間的沉積環境,可出現與風暴作用有關的沉積作用,形成分散且具粒序的濁流沉積。該剖面內以淺灰—灰色中厚層、生屑灰巖為主,局部含砂屑粉屑,多見于下寒武統石龍洞組底部,底部還發育海生化石群,生物擾動強烈(圖3)。

圖3 渝東板凳溝石龍洞組緩坡相沉積剖面Fig.3 Sedimentary profile of gentle slope facies of Shilongdong formation in Bandenggou,Eastern Chongqing1.白云巖；2.砂屑灰巖；3.含灰云巖；4.含云灰巖；5.頁巖；6.藻團粒砂屑灰巖；7.灰質白云巖；8.含泥質條帶灰巖；9.泥質云質灰巖；10.白云質灰巖；11.含泥質白云巖；12.含灰質泥質云巖；13.灰巖；14.鮞粒灰巖；15.含生物碎屑灰巖；16.泥質灰巖；17.含云質泥質灰巖；18.泥質條帶；19.構造縫；20.縫合線構造。

3 碳酸鹽緩坡沉積演化與相模式

沉積演化：一定的碳酸鹽臺地類型是沉積作用、海平面相對變化與構造運動聯合作用的結果。早寒武世石龍洞期,渝東板凳溝以淺緩坡碳酸鹽和內緩坡沉積為主階段。中揚子碳酸鹽臺地在晚震旦世末變淺暴露后,從早寒武世水井沱期至石牌早期,海平面迅速上升,海侵淹沒了碳酸鹽臺地的大部分地區。這種海侵是早寒武世揚子被動陸緣幼年期快速熱沉降和全球性海平面上升疊加造成的。揚子陸塊周緣被黑色巖系所覆蓋。水井沱期沉積的黑色巖系具全球等時性,是大洋缺氧事件的產物,最大海泛面位于黑色巖系之中。寒武系近底部沉積常含膠磷礦,在深水盆地區,以含磷硅質巖、磷結核形式存在。它們應屬凝縮沉積的產物,反映出了在沉積間隔期內凝縮物受到底流、風暴流的改造。磷的富集由上升洋流攜帶富磷海水上涌,在克拉通邊緣向海一側的近斜坡處聚集形成。這個時期,以發育碳酸鹽緩坡為特征。研究區內邊緣斜坡帶普遍發育泥—粉晶灰巖,重力沉積不發育,僅有小型滑動變形構造等。從整體上看,碳酸鹽緩坡在中揚子東南緣及北緣廣泛發育。Burehette(1992)[14]也指出,碳酸鹽緩坡在被動大陸邊緣主要發育于裂谷后階段的被動陸緣幼年期。早寒武世石龍洞組沉積末期,研究區水體急劇變淺,具鳥眼等暴露標志。

相模式：在沉積相劃分的基礎上,初步建立了渝東板凳溝剖面沉積相模式。早寒武世石龍洞期,中揚子西部地區主要為一套緩坡相沉積,以發育內緩坡、淺緩坡沉積為主(圖4)。

圖4 渝東板凳溝早寒武世石龍洞組緩坡相沉積模式Fig.4 Sedimentary model of gentle slopefacies of early Cambrian Shilongdong formation in Bandenggou,Eastern Chongqing1.灰巖；2.生物灰巖；3.含云灰巖；4.碎屑灰巖；5.泥灰巖。

4 結論

(1) 渝東板凳溝下寒武統石龍洞組發育泥—粉晶灰巖、內碎屑灰巖、晶粒白云巖等。

(2) 渝東板凳溝石龍洞組地層δ13C值變化區間為-2.2‰～0.9‰,平均值為-0.7‰；δ18O值分布在-9.2‰～-5.3‰范圍,平均值為-7.8‰；Z值分布范圍在120.10～124.99,均>120,表明石龍洞組沉積期該地區處于海相環境,水體鹽度、溫度均略低,盆地坡度較緩,有利于碳酸鹽巖的沉積。

(3) 渝東板凳溝下寒武統石龍洞組沉積相為早期的淺緩坡型、晚期的內緩坡型兩種類型。