龍門山地區中泥盆統觀霧山組沉積相及其演化分析*

李鳳杰 李佐強 沈 凡 賴雪蓮

（1.成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室 四川成都 610059； 2.成都理工大學沉積地質研究院 四川成都 610059）

龍門山地區是四川盆地少有的泥盆系出露良好地區，呈北東—南西向條帶狀展布[1]。近年來，隨著川西北地區中泥盆統觀霧山組白云巖儲層油氣勘探獲得重大突破[2]，有關龍門山地區觀霧山組沉積相的研究日益得到重視。地處龍門山地區北川縣桂溪-沙窩子剖面（簡稱甘溪剖面），地層連續、露頭良好、構造簡單、化石豐富、沉積類型多樣、相標志清楚，是我國泥盆系典型標準剖面之一[3]。20世紀80、90年代，眾多地質學家針對該剖面從地層、巖石、古生物和沉積環境等方面均做了大量研究，取得了豐碩成果。

龍門山地區觀霧山組最早由朱森等[4]命名，稱為“觀霧山系”；樂森璕[5]將其稱為“觀霧山石灰巖”，包含5個化石帶，是指養馬壩組之上、沙窩子組之下的一套含腕足類及苔蘚蟲的黑色不純石灰巖及暗色厚層或塊狀鎂質石灰巖為主的地層[5]，其巖性概括為下部砂頁巖段和上部碳酸鹽巖段。此后，陳源仁[6]將樂氏觀霧山系上部含以Leiorhynchus類動物群為主的黑色、深色頁巖、泥巖和灰巖-泥灰巖地層單獨劃出，命名為土橋子段，并歸入上泥盆統沙窩子組，陳源仁[7]又將土橋子段提升為土橋子組；下部砂頁巖段則由萬正權另立為金寶石組[8]。據此，北川甘溪剖面觀霧山組是指金寶石組之上，土橋子組之下的一套富含珊瑚、層孔蟲、腕足類化石的生物屑微晶灰巖、白云質灰巖、白云巖和生物礁灰巖[1]。如果按照觀霧山組的巖性特征，甘溪剖面金寶石組與觀霧山組之交的B115層灰白色塊狀細—中粒石英砂巖夾深灰色粉砂質泥巖巖石組合[1]，理應劃分為金寶石組。該石英砂巖橫向呈透鏡狀直接覆蓋于殘積的礁灰巖或核形石灰巖之上[9]，底部具明顯的暴露剝蝕不平整面及黃褐色黏土層，厚10～15 cm[10]。但是劉文均等從層序地層演化角度，將該套碎屑巖劃分為三級層序SQ12的低位體系域，屬于觀霧山組早期沉積，而非下伏金寶石組沉積產物[9]。甘溪剖面觀霧山組底部低位體系域沉積的這套碎屑巖組合，在區域上分布范圍有限，但是其打破了傳統上“觀霧山組均為碳酸鹽巖沉積的認識”。因此，開展甘溪剖面觀霧山組沉積相的研究，對于認識龍門山地區觀霧山組沉積與層序地層的演化均具有重要的地質意義。

有關甘溪剖面中泥盆統觀霧山組的沉積相研究的成果眾多，但是認識差別較大，概括起來包括：①碳酸鹽臺地：由礁相—開闊臺地—潟湖相組成[10]；②加積鑲邊臺地：發育生物層、潟湖和潮坪環境[11-13]；③臺地-生物礁-陸棚沉積：下部為淺水臺地-生物礁-陸棚相沉積，中部為臺地-礁-瀉湖相沉積，上部屬于陸棚相沉積[14]；④觀霧山組下部可劃分為碳酸鹽臺地、碳酸鹽同斜緩坡、濱岸相和暴露陸棚的下切河谷相[15]。正是對甘溪剖面觀霧山組地層和沉積相認識上的差別，因此，有必要對其進行系統研究。本文以前人的層序地層學研究為基礎，以甘溪剖面觀霧山組所處的涼水洞剖面進行野外實測，開展觀霧山組沉積相研究，分析其沉積演化特征，為龍門山地區觀霧山組巖相古地理恢復提供堅實的基礎。

1 地質背景

圖1 龍門山地區甘溪觀霧山組剖面位置（據李鳳杰等[16]修改）Fig.1 Location map of profile of Guanwushan Formation in Ganxi section of Longmenshan area（modified from LI Fengjie et al[16]）

龍門山地區中泥盆統甘溪泥盆系標準剖面，位于猿王洞景區公路邊，途經涼水洞（圖1）。按龍門山地區泥盆系的地層劃分標準，中泥盆統地層保存完整，自下而上可劃分為養馬壩組、金寶石組和觀霧山組[3]，觀霧山組與上覆上泥盆統土橋子組呈整合接觸。觀霧山組相當于侯鴻飛等[1]實測北川縣桂溪—沙窩子泥盆系剖面B115—B126層，沉積于吉維階。觀霧山組底部主要為碎屑巖，區域上呈透鏡狀分布，碎屑巖之上發育碳酸鹽巖，包括微晶灰巖、含生物屑泥灰巖、含生物屑白云質灰巖、生物礁灰巖和晶粒白云巖，富含腕足類、珊瑚、層孔蟲、海百合和竹節石等生物化石。龍門山地區甘溪觀霧山組發育2個沉積旋回組合，這2個沉積旋回對應于2個三級層序，即SQ12和SQ13[9]。下部層序旋回（SQ12）由低位體系域（LST）塊狀石英中砂巖、鈣質砂巖和黑色泥巖組成，海侵體系域（TST）由砂質灰巖、生物礁灰巖（白云巖）及微晶灰巖組成，凝縮段（CS）為灰黑色泥灰巖、鈣質泥巖，高位體系域（HST）為泥-微晶灰巖和生物礁灰巖（圖2）；上部層序旋回（SQ13）的低位體系域由生物屑微晶灰巖構成，海侵體系域由生物礁灰巖和微晶灰巖構成，至CS段，出現深緩坡黑色泥巖夾富含竹節石化石的薄層泥灰巖，高位體系域由暗色薄層泥灰巖、微晶灰巖、含生物屑微晶灰巖、生物礫塊灰巖、核形石灰巖組成（圖3），兩沉積旋回期都具有向上以灰巖為主、泥質含量增加的特點。觀霧山組是吉維階早期龍門山地區最大規模的造礁期，以發育生物礁為主[15]。

圖2 龍門山地區涼水洞剖面觀霧山組下部沉積-層序綜合柱狀圖Fig.2 Synthetical histogram of sedimentary facies and sequence of lower cycle of Guanwushan Formation in Liangshuidong section of Longmenshan area

圖3 龍門山地區涼水洞剖面觀霧山組上部沉積-層序綜合柱狀圖Fig.3 Synthetical histogram of sedimentary facies and sequence of upper cycle of Guanwushan Formation in Liangshuidong section of Longmenshan area

2 沉積相類型

通過對野外剖面進一步研究分析，觀霧山組底部是碎屑巖沉積，可劃分為河流相和濱岸相；其上發育碳酸鹽巖沉積，包括碳酸鹽臺地和碳酸鹽同斜緩坡2種類型。碳酸鹽臺地劃分為臺地邊緣生物礁、臺地邊緣淺灘和臺地前緣斜坡3種亞相，碳酸鹽緩坡包括淺水緩坡和深水緩坡2種亞相。

2.1 河流相

河道砂體呈透鏡狀位于觀霧山組的底部（圖4a），與下伏的金寶石組呈風化殼接觸，在猿王洞盤山公路上多次出露，厚度變化明顯，呈透鏡狀，最厚約5 m，向兩端尖滅。僅發育河道砂體微相，由灰白色中粒石英砂巖組成。發育大型底沖刷構造（圖4a）和槽狀層理（圖4b），碎屑顆粒的磨圓度和分選性好。

圖4 龍門山地區涼水洞剖面觀霧山組碎屑巖野外照片Fig.4 Field photos of clastic rocks of Guanwushan Formation in Liangshuidong section of Longmenshan area

2.2 濱岸相

在河道之上發育無障壁濱岸環境，主要由灰白色中—細粒中層狀石英砂巖夾泥巖組成。底部砂巖可見生物擾動構造（圖4c），發育平行層理。保存多層藻席層（圖4d、e），藻席層內發育數量眾多的石針跡化石（圖4f），管徑可達1 cm、長2～5 cm，垂直于巖層面，藻席層的發育是前濱相沉積環境的重要標志[17]。由于風浪的攪動作用對濱岸砂體進行原地改造，形成寬廣連續的前濱砂體。

2.3 碳酸鹽臺地

2.3.1 臺地邊緣生物礁亞相

該沉積亞相在涼水洞剖面觀霧山組下部廣泛發育，造礁生物主要為原地生長的珊瑚和層孔蟲，后者呈塊狀或厚層狀，附礁生物種類繁多。經過后期成巖作用的影響，生物礁部分已發生強烈的白云巖化，晶間孔和晶間溶孔發育。該亞相進一步劃分出礁核、礁坪、礁后潟湖3種微相。

1）礁核微相。觀霧山組礁核微相出露較為完整，主要由深灰色厚層—塊狀層孔蟲礁灰巖（圖5a）和珊瑚礁灰巖（圖5b）組成。造礁生物以富含原地生長的層孔蟲和珊瑚骨架灰巖為主，呈原地生長生態的特征，附礁生物常見腕足、雙殼和海百合等。按照Riding的生物礁劃分方案[18]，將觀霧山組生物礁劃為骨架礁。

圖5 龍門山地區涼水洞剖面觀霧山組碳酸鹽巖常見沉積類型Fig.5 Common types of carbonate of Guanwushan Formation in Liangshuidong section of Longmenshan area

2）礁坪微相。主要由灰色塊狀微晶生物屑灰巖組成，含有大量珊瑚和層孔蟲碎片（圖5c），部分已發生白云巖化。白云巖中珊瑚和層孔蟲依稀可見。生物屑灰巖多以生物碎屑為主，形成于水動力較強、沉積水體較淺、經常受波浪作用改造的沉積環境。

3）礁后潟湖微相。巖性主要為深灰色塊狀生物屑白云質灰巖和微晶灰巖，巖石中發育大量的枝狀層孔蟲（圖5d），巖石發生強烈白云巖化，可見明顯刀砍紋。

2.3.2 臺地邊緣淺灘亞相

臺地邊緣淺灘亞相的巖性主要為灰色中—厚層狀微晶生物屑灰巖，如圖2中的第15層，含大量的珊瑚、腕足類、海百合、腹足類、雙殼類化石碎片。垂向上，往往夾有小規模的珊瑚—層孔蟲生物礁灰巖透鏡體，或與臺地邊緣生物礁相間互層產出。有意義的是，生屑灘往往位于生物礁的下部，顯示其為生物礁的發育提供了相對隆起的地貌條件，因此，多數情況下臺地邊緣淺灘屬于臺地邊緣生物礁組合中的礁基微相[15]。

2.3.3 臺地前緣斜坡亞相

涼水洞剖面觀霧山組臺地前緣斜坡亞相發育上斜坡和下斜坡2種沉積微相。

1）上斜坡微相。上斜坡微相巖性主要包括灰色—深灰色層狀、角礫狀礁灰巖（圖5e）、灰質白云巖、白云巖。角礫直徑可達5～10 cm，雜亂堆積，可見層孔蟲和珊瑚化石，礁角礫周圍被泥灰巖充填膠結，頂部可見滑塌變形構造。這種角礫巖來自臺地邊緣生物礁，由于原巖剝蝕脫落，導致滑塌體在錯斷的過程中發生角礫巖化，最終滑塌至上斜坡，與下層具有角礫灰巖—生物礁灰巖—白云質灰巖、灰質白云巖和角礫灰巖—微晶灰巖的變化粒序性，上下界限分明，是判斷臺地邊緣的重要標志[19]。

2）下斜坡微相。下斜坡微相位于臺地邊緣斜坡的下部，巖性主要包括灰色層狀生物屑微晶灰巖（圖5f）、粉晶白云質灰巖，含珊瑚、層孔蟲等化石。

2.4 碳酸鹽緩坡

甘溪泥盆系觀霧山組碳酸鹽緩坡發育淺水緩坡和深水緩坡2種亞相類型，其特征如下。

2.4.1 淺水緩坡亞相

淺水緩坡相當于正常淺海環境，主要包括淺灘和潮下低能2種沉積微相。

1）淺灘微相。巖性主要為灰色—深灰色塊狀—薄層狀生物礁白云巖和微晶生物屑灰巖，部分發生白云巖化，還殘留部分生物碎屑，可見大量的溶蝕孔洞（圖5g），生物類型多樣，富含層孔蟲、腕足等，化石保存不完整，多以碎屑為主。該微相分布于淺水緩坡中相對能量高能的部位，受波浪作用影響比較大，容易破碎形成生物碎屑。

2）潮下低能微相。巖性主要為深灰色塊狀微晶灰巖、介殼灰巖（圖5h）、白云質灰巖，產腕足化石，分布于淺水緩坡能量相對低能的環境中。

2.4.2 深水緩坡亞相

龍門山地區觀霧山組深水緩坡亞相劃分為灰泥丘微相、斜坡泥微相和變陡遠端微相3種類型。

1）灰泥丘微相。灰泥丘是一種不具有生物格架構造的，以灰泥為主的碳酸鹽巖建造，可能含有生物碎屑、似球粒等碳酸鹽巖顆粒和微生物有關的沉積構造[20]，多發生在低能的沉積環境。觀霧山組灰泥丘主要由原地很純泥灰巖（圖5i）和生物碎屑組成，生物主要包括腕足，多為灰泥支撐。

2）斜坡泥微相。該微相主要在較安靜、能量較低的水體環境發育，沉積物主要為細粒懸浮物和化學沉積物質[15]。灰黑色、深灰色薄層狀生物屑泥灰巖，風化后呈薄板狀（圖5j）。由于水體較深，陽光不易到達該層位，氧氣含量減少，導致斜坡泥微相比灰泥丘微相所含生物量少，水平層理發育。

3）變陡遠端微相。該微相的沉積巖性主要為灰黑色微晶灰巖，含腕足、介形蟲化石。根據Read（1985）的碳酸鹽緩坡模式[20]，碳酸鹽緩坡可分為等斜緩坡和遠端變陡的緩坡2種類型，二者最主要的區別是在深水緩坡中是否存在滑塌沉積和變形層理等反應緩坡變陡的沉積構造。涼水洞剖面觀霧山組灰黑色微晶灰巖發育滑塌沉積變形層理（圖5k），是遠端變陡沉積微相主要識別標志[16]。

2.5 盆地相

龍門山地區觀霧山組盆地相位于大陸坡以下的深海盆地，水體安靜且較深。巖性主要為灰黑色泥灰巖、夾薄層灰黑色微—粉晶灰巖，富含竹節石、腕足類（圖5l）等生物化石，代表具有欠補償沉積序列。

3 沉積模式

通過對龍門山地區涼水洞剖面觀霧山組碳酸鹽巖沉積相分析，本文提出碳酸鹽臺地（圖6）與碳酸鹽緩坡（圖7）2種沉積模式。前人對觀霧山組沉積相的研究，大多數認為其屬于碳酸鹽臺地沉積環境，也有人認為沉積過程中發生了短暫的碳酸鹽緩坡化。事實上，通過對涼水洞剖面觀霧山組碳酸鹽臺地與碳酸鹽緩坡的地貌特征、以及沉積物類型和分布特征的研究發現：二者在以下3個方面存在明顯的獨立性[21]，并且緩坡具有向臺地轉化的趨勢[22]，因此不少學者將緩坡納入臺地范疇。鑒于兩者的獨立性與成因聯系的特性，應對龍門山觀霧山碳酸鹽巖沉積相進行精確地解釋和區分。

1）涼水洞剖面觀霧山組碳酸鹽巖發育微晶灰巖、泥灰巖，是碳酸鹽緩坡沉積的標志[15]。前人的研究表明，相對穩定的地質構造背景是緩坡生長發育的首要條件，而海平面上升是控制緩坡生長發育的重要因素[23]。中泥盆世龍門山地區位于揚子地塊和松潘—甘孜構造結之間的北東向裂谷或裂陷槽，在總體伸展構造背景下，處于區域性穩定沉降，屬于穩定類型沉積[24]。觀霧山組沉積時期總體表現出迅速海侵、緩慢海退的海平面上升階段[15]，海域范圍明顯擴大。總體而言，觀霧山組沉積期有利于碳酸鹽緩坡生長發育。

圖6 龍門山地區泥盆系觀霧山組碳酸鹽臺地沉積模式Fig.6 Sedimentary model for carbonate platform of Devonian Guanwushan Formation in the Longmenshan area

圖7 龍門山地區泥盆系觀霧山組碳酸鹽緩坡沉積模式Fig.7 Sedimentary model for carbonate platform ramp of Devonian Guanwushan Formation in the Longmenshan area

2）斜坡坡折的出現與否，也是區別臺地與緩坡的重要標志[23-24]，而這種斜坡相在野外具體表現為滑塌角礫巖的存在。觀霧山組下段發育大量的中厚層狀角礫灰巖和變形構造，表明該層位處于臺地邊緣斜坡相。

3）區分碳酸鹽臺地與碳酸鹽緩坡另一個重要的標志是它是否存在橫向上連續的線狀灘或礁[25]。觀霧山組發育點礁和生物灘，未見連續的線狀灘或礁的出現，可能為加積型鑲邊臺地。

綜上所述，龍門山地區涼水洞剖面觀霧山組在沉積期以碳酸鹽緩坡和碳酸鹽臺地為主要沉積背景，由于區域周期性海侵-海退的影響，碳酸鹽緩坡與碳酸鹽臺地可在特定的沉積環境下發生相互轉化。其識別的標志為角礫灰巖和滑動變形構造出現，以及未連續的點礁和生物屑灘存在。

4 沉積環境演化

根據上述涼水洞剖面觀霧山組沉積相的分析，結合龍門山地區海平面變化的特征。分析認為龍門山地區中泥盆統觀霧山組經歷了區域性海侵—海退的沉積巖相組合，分為早期和晚期2個演化階段。

4.1 觀霧山組早期沉積環境演化

觀霧山組早期旋回最下部為回春河流向無障壁海岸過渡的碎屑環境，吉維階早期的低位體系域，伴隨著海平面較大幅度下降，暴露陸棚遭受侵蝕下切，形成下切河谷，接受河流相沉積。隨著海平面的緩慢上升，接受無障壁海岸前濱亞相碎屑巖沉積，以石英砂巖為主。海侵體系域，伴隨著海平面的進一步上升，主要接受碳酸鹽緩坡沉積，由淺水緩坡、深水緩坡至盆地相沉積組成，其中最大海泛面接受盆地相泥灰巖沉積，富含竹節石等生物化石，該層位相當于觀霧山組早期海侵到達最高點時的凝縮層（CS）。隨著緩慢海退的過程，碳酸鹽緩坡轉換為碳酸鹽臺地沉積相，接受高位體系域生物礁沉積。海平面下降初期，海水變淺，發育礁前塌積的角礫礁灰巖和變形構造，這也是識別臺地斜坡相的重要識別標志[23-24]，該沉積與下伏的生物礁和灘相沉積組合更進一步說明觀霧山組中碳酸鹽臺地的存在。伴隨海平面進一步下降，沉積碳酸鹽臺地邊緣生物礁相微晶灰巖、生物屑灰巖、生物礁灰巖、薄層泥質灰巖、泥灰巖和白云巖，組成向上變淺的準層序。隨著高位體系域造礁環境的終止，形成微晶灰巖和顆粒灰巖。由于受生物礁的障壁影響，導致礁后水流不暢，形成礁后潟湖沉積環境，含豐富的枝狀層孔蟲，沉積物普遍受到強烈的白云巖化，原始沉積結構保存較差。早期沉積環境演化主要發育生物礁灰巖，累計沉積厚度可達100 m，由5個進積礁旋回組成，但都受到強烈白云巖化作用，形成塊狀中—粗晶白云巖，溶孔及溶洞非常發育。

4.2 觀霧山組晚期沉積環境演化

觀霧山組晚期沉積主要發育碳酸鹽緩坡沉積相上段（圖3）。受吉維階中期全球性海侵時間的影響，結合龍門山地區觀霧山中期快速高幅海侵和緩慢低幅海退的海平面變化特征，觀霧山組早期形成的碳酸鹽臺地迅速被淹沒，晚期重新進入碳酸鹽緩坡沉積階段。沉積初期的低位體系域由淺水緩坡相條帶狀微晶灰巖組成，沉積厚度較小。隨著海平面的升高，海侵體系域由淺水緩坡相生物礁生物屑微晶灰巖、生物礁灰巖和含生物屑白云質微晶灰巖組成向上粒度變細的退積序列，其中最大海泛面凝縮段由深緩坡相灰黑色薄層微晶灰巖組成，富含腕足、竹節石化石，相當于觀霧山組晚期海侵到達最高點時的凝縮層。隨著海平面進一步升高，高位體系域由角礫礁灰巖、生物礁灰巖、微晶灰巖、灰質白云巖、核形石灰巖組成2種加積型和進積型準層序，富含腕足、珊瑚等化石。該沉積環境演化階段發育3個進積的生物礁。在沉積期的晚期，水體變淺，沉積生物屑微晶灰巖和白云質灰巖，并發育滑塌變形層理，富含腕足和介形類化石，屬于遠端變陡碳酸鹽緩坡沉積。

5 結論

1）龍門山地區觀霧山組沉積相由底部的碎屑巖和上部的碳酸鹽巖沉積組成。碎屑巖沉積相主要包括河流相和無障壁濱岸相2種亞相；碳酸鹽巖沉積相則以為碳酸鹽臺地和碳酸鹽緩坡為背景，二者在特定的環境下相互轉化。碳酸鹽臺地沉積相包括臺地邊緣生物礁、臺地邊緣淺灘和臺地前緣斜坡3種亞相。碳酸鹽緩坡發育同斜緩坡和遠端變陡2種類型，碳酸鹽緩坡包括淺水緩坡和深水緩坡2種亞相。

2）建立了龍門山地區觀霧山組碳酸鹽臺地和緩坡2種沉積模式，二者可在特定的沉積環境下發生互相轉化。

3）龍門山地區觀霧山組經歷了早期和晚期2個沉積演化階段，早期旋回底部為碎屑巖沉積、中上部為碳酸鹽臺地為主，晚期以碳酸鹽緩坡為主。