吐哈盆地南緣庫木達坂碳酸鹽巖特征及沉積環境

吳亞倫，李文杰，師旺強，張 會

(1.中國建筑材料工業地質勘查中心新疆總隊，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國冶金地質總局新疆地質勘查院，新疆 烏魯木齊 830000)

海相碳酸鹽巖沉積相可劃分為臺地、斜坡和盆地三類相[1]。筆者在吐哈盆地南緣庫木達坂東一帶開展石灰巖礦調查評價項目時，發現研究區沉積環境符合海相沉積臺地相，其亞相為高能潮下坪帶，通過參考區域地質資料，結合研究區沉積地層、構造、不同巖層中生物碎屑物、巖屑類型，沉積序列等，初步判斷研究區古地理環境為海相沉積中的臺地。對庫木達坂東一帶上石炭統底坎爾組石灰巖沉積亞相的精細劃分，結合生物地層分析，可以更全面地了解區內底坎爾組石灰巖在空間上的演變。

1 區域地質概況

研究區大地構造位置位于哈薩克斯坦—準噶爾板塊之準噶爾微板塊的大南湖晚古生代島弧帶西部，該島弧帶內大面積出露有石炭紀海相火山碎屑沉積巖和陸源碎屑沉積巖[2-5],研究區北側緊鄰艾丁湖為吐哈盆地南緣為界[6]，南側為覺羅塔格山造帶(圖1)。

圖1 工作區大地構造位置圖

區內地勢為東南高，西北低，海拔在-70～+800m，屬于戈壁丘陵地貌，相對高差較小，地勢較為平坦。

吐哈盆地是天山海槽閉合后從晚二疊世開始發育的一個以中、新生界沉積建造為主的陸相盆地[6]，有學者按南北分帶、東西分塊的格局，將吐哈盆地劃分為吐魯番凹陷、艾丁湖斜坡、了墩隆起、哈密坳陷和南湖戈壁隆起5 個一級構造單元[7]。研究區為吐魯番凹陷中，在艾丁湖斜坡南側。

區內構造活動較頻繁，以褶皺構造和脆性斷裂為主，主要發育在上石炭統底坎爾組(C2d)中，區域南西部及北東部形成近東西向背斜。在上石炭統底坎爾組(C2d)中最為發育，褶皺形成均與晚石炭世的構造運動有關，軸向近東西向。

2 區域沉積特征

吐魯番坳陷南緣沉積地層廣泛出露，主要為一套濱淺海相沉積碎屑巖、碳酸鹽巖,向東可延伸南湖戈壁西緣,向西可延伸到吐魯番卻勒克塔格山前一帶，研究區西側大面積出露上石炭統底坎爾組(C2d)地層，東南少量出露下石炭統小熱泉子組(C1x)地層，底坎爾組角度不整合于小熱泉子組之上。

上石炭統底坎爾組：主體為潮坪相沉積，自身構成一個較完整的碎屑巖—碳酸鹽巖—碎屑巖沉積旋回，最大海侵期產物為二段的潮下帶灰色中層生物屑灰巖。沉積巖碎屑物成分成熟度較低，結構成熟度中等偏好，沉積序列主要為碎屑巖—碳酸鹽巖潮坪相序結構，總體表現出向上巖層變薄、粒度變細、海水變淺的特點。

下石炭統小熱泉子組：該段沉積巖基本層序由灰綠色薄片狀粉砂巖和灰綠色中薄層長石巖屑砂巖組成，向上粒度變細、巖層漸薄，具平行層理，顯示退積型基本層序特點，屬旋回性基本層序，為陸棚淺海砂坪相沉積。

2.1 碳酸鹽地層特征

研究區屬于南準噶爾—北天山地層分區之覺羅塔格地層小區。區內出露地層有上石炭統底坎爾組(C2d)及第四系(Q)(圖2)。

圖2 庫木達扳地區石炭統底坎爾組地層分布地質圖

上石炭統底坎爾組(C2d)為一套濱淺海相碎屑巖、碳酸鹽巖及沉火山碎屑巖沉積，夾少量火山碎屑巖及火山熔巖，內含豐富的海相動植物化石。該組在區內由下至上可分為四個巖段，其中底坎爾組第二段主體為碳酸鹽巖，底坎爾組第一段、第三段、第四段主體為碎屑巖及沉火山碎屑巖。

碳酸鹽巖主要分布于區域中部，下部主體由灰綠色厚層泥晶生物屑灰巖、灰色中薄層生物屑灰巖與灰綠色厚層長石石英砂巖互層構成；上部主要由灰色、淺灰色生物屑灰巖、砂屑灰巖構成；頂部為灰色中薄層含生物屑礫屑灰巖。區域上，該段橫向延伸不甚穩定，可視厚度在309.57 ～535.43m。

2.2 沉積構造特征

原生沉積構造是分析和判斷沉積相最重要的標志[8-9]。通過觀察地表巖石和深部巖心，對底坎爾組沉積構造特征進行了總結，該段以發育碳酸鹽巖、富含海相動物化石及生物碎片為特征，化石較為富集，巖石中的所含生物化石雜亂排列，無定向性。底坎爾組第二段主要為生物碎屑石灰巖，多呈中厚層狀，水平、交錯層理產出。第二段中上部，為生物碎屑灰巖夾砂巖，具交替沉積特征，生物碎屑灰巖厚層狀，砂巖多呈薄層狀，局部有鳥眼、波痕構造。

3 碳酸鹽巖沉積環境分析與判定

3.1 沉積環境

研究區內施工了4 個鉆孔，選擇其中具有代表性ZK901 孔，結合地層宏觀特征、沉積構造等特征分析區內沉積環境。該孔孔深199.52m，共劃分出2個巖性段4 個巖性小層：

(1)底坎爾組第三段(C2d3)：0 ～24.20m，巖性為巖屑砂巖夾粉砂巖，呈黃綠色，粉砂狀結構，薄片狀，具有較好的分選性，內見水平層理、波狀層理，局部見交錯層理。巖屑砂巖普遍厚1 ～5cm，粉砂巖厚0.5 ～2cm，反映出該時段沉積模式，以潮間帶沉積為主，位于低潮線附近能量較高處，以砂質沉積為主，主要沉積產物為巖屑砂巖、粉砂巖。

(2)底坎爾組第二段(C2d2)：24.20 ～199.52m，該段有3 個巖性層：

第一層為淺灰色生物碎屑灰巖夾巖屑砂巖，厚度68.30m，中—薄層狀構造；以生物碎屑灰巖為主，期間夾有巖屑砂巖，層比約3:1 ～5:1 不等，生物碎屑灰巖厚0.2 ～1.5m，巖屑砂巖普遍厚0.05 ～0.2m。從該層石灰巖與巖屑砂巖規律交替沉積特征來看，反映海進海退潮下—潮間帶沉積特征，為正常浪基下部高能間歇動蕩區，主要為碎屑巖—碳酸鹽巖潮坪相序結構，總體表現出向上變薄、變淺的特點。

第二層為淺肉紅色生物碎屑微晶灰巖，層厚99.68m，中—厚層狀構造，普遍厚度約0.2 ～0.8m,局部厚度3 ～6m，巖層厚度從上部至下部逐漸變厚，海綿骨針、雙殼、腕足類、藻類、海百合莖、鈣球等生物含量增多，約5%，粒徑0.2 ～3.2cm 為主，大量海相生物、海百合莖的發育，總體反映了潮下帶的沉積特征。

第三層為灰綠色巖屑砂巖，未見底，厚7.34m。巖石呈灰綠色，具細砂結構，薄層狀構造，單層厚1 ～5cm，巖石主要由泥質、巖屑、鈣質膠結而成。巖石普遍破碎，裂隙較為發育，裂隙寬0.5 ～3mm左右，沿裂隙多見方解石充填。以泥質、鈣質沉積為主，反映出為潮間帶低能沉積環境(圖3)。

圖3 研究區ZK901 孔沉積特征

3.2 沉積模式

研究區主要為碳酸鹽巖潮坪相序結構，總體表現出向上變薄、變淺的基本層序特點[10]，潮間帶主要產物為生物屑、砂屑灰巖夾巖屑砂巖，呈明顯的交替沉積模式(圖4)。潮間帶水動力強度較高，沉積主要是粒級較粗的生物碎屑灰巖、砂屑灰巖夾粉砂巖層，從統計鉆孔數據及野外巖層剖面數據得知，層厚18.83 ～68.30m；向外則是一個相對有一定坡度的開闊潮下帶，碳酸鹽主要在潮下帶，巖性以生物碎屑微晶灰巖為主，厚度較大，層厚16.08 ～99.68m，大量海相生物、海百合莖的發育，反映出區域水淺，陽光充足，氧氣充分，沉積環境的穩定，總體表現出向下變厚、變細的層序特點。

圖4 吐魯番盆地南緣典型潮相沉積模式圖

3.3 沉積環境厘定

研究區石灰巖主要賦存在C2d2中，生物屑—微晶結構，塊狀構造。主要由方解石、生物碎屑和內碎屑組成。方解石呈粒狀，以0.03 ～0.004mm的微晶為主，少量為＜0.004mm 的泥晶，高級白干涉色，致密分布，含量60% ～72%；生物碎屑呈碎片狀，粒徑0.25 ～35mm，種類為海綿骨針、雙殼、腕足類、藻類、海百合莖、鈣球等(圖5)，含量25%～35%；內碎屑呈次圓狀，為粒徑0.4 ～2.0mm 的砂屑，成分為泥晶灰巖和微晶灰巖，含量3%～5%。

圖5 石灰巖地層中生物碎屑特征

海洋是碳酸鹽巖沉積的主要場所，Ca2+、Mg2+和 CO32-豐富[1]。海洋鹽度高低與海洋中的生物活動密切相關，如果含有狹鹽性生物化石(如珊瑚、海綿類、苔蘚蟲、層孔蟲、腕足類、三葉蟲、棘皮類、頭足類、有孔蟲，等)，指示為正常鹽度[1]。根據區內石灰巖中所含化石種類，初步判斷該區沉積環境鹽度為正常鹽度。

碳酸巖中的沉積構造，特別是物理成因的原生沉積構造，最能反映沉積物形成過程中的水動力條件，是分析和判斷沉積相最重要的標志[11]。研究區內石灰巖多呈中厚層狀，水平、交錯層理產出，局部有鳥眼、波痕構造。石灰巖為生物碎屑微晶灰巖，化石較為富集，巖石中的所含生物化石雜亂排列，無定向性。

研究區主要出露地層為底坎爾組第三段至底坎爾組第一段，其沉積特征可劃分為兩類，第三段至第二段中下部主要為巖屑砂巖夾粉砂巖，及薄層狀生物碎屑灰巖，以砂質沉積為主，少量鈣質沉積，具有典型的潮間帶沉積特征。第二段下部為碳酸鹽巖，巖性主要為厚層生物碎屑微晶灰巖，總體以生物屑、鈣質沉積為主，具有典型的潮下帶的沉積特征。

上述特征反映出研究區碳酸巖地層沉積環境處在正常浪基下部高能間歇動蕩區。該區域沉積環境為淺海開闊臺地，光照充足，水體溫度、鹽度有利于鈣質生物、植物的生長。

碳酸鹽巖上部覆蓋巖石為巖屑砂巖，經薄片鑒定，碎屑巖中碎屑物主要由巖屑、長石及少量石英、填隙物等組成。填隙物包括雜基及膠結物，部分雜基物中方解石較多，代表了一種有障壁濱岸的碳酸鹽巖潮坪環境[12-14]。

4 結論

(1) 研究區庫木達坂一帶處在吐哈盆地南緣，通過對區沉積地層、生物化石類別對比研究，判斷區內古沉積環境為淺海環境中臺地相的高能潮下坪帶亞相。

(2) 水體鹽度為正常鹽度，水體中富含海綿骨針、雙殼、腕足類、藻類、海百合莖、鈣球等生物。通過對庫木達扳一帶碳酸鹽地層中化石類型、沉積物及沉積構造的分析，初步建立該地區碳酸鹽巖潮相沉積模式，為該地區碳酸鹽巖地層沉積環境劃分提供幫助。