貴州南部晚石炭世沉積環境與古地理特征

苑 坤，陳 榕，林 拓，方欣欣，覃英倫，王 超，周 志，孫相燦

(1.中國地質調查局 油氣資源調查中心，北京 100083；2.中國地質科學院 地質力學研究所，北京 100081)

滇黔桂地區作為上古生界海相沉積的主要區域，是我國南方重要的油氣資源戰略接替區[1-4]，而其晚石炭世的沉積環境及巖相古地理對我國研究海相石炭系來說既重要又典型[5]。埡紫羅裂陷槽作為上古生界海相頁巖穩定發育的部位，在貴州南部主要分布在六盤水—紫云—羅甸一帶；裂陷槽內沉積環境總體屬于深水環境，但在不同時代隨海平面的變化又表現出不同的相帶特點[6]，兼具臺、盆沉積的特征。對其開展研究，有利于查清該區上石炭統沉積及演化特征，研究威寧組與南丹組的相變關系，揭示上石炭統沉積時期埡紫羅裂陷槽中段(水城—紫云)的沉積相帶特征及其發育歷史，探討臺地邊緣沉積—臺盆相沉積過渡的過程。

1 概述

貴州南部地區上石炭統地層發育完整，以海相碳酸鹽巖及碎屑巖為主，生物化石豐富[7]。但由于不同區域在晚石炭世的沉積相帶及巖性組合不同，將分布于羅甸—望謨—六盤水大致呈北西向轉東西向展布的斜坡—盆地相灰巖、硅質巖組合命名為南丹組，分布于獨山—紫云—六盤水—普安—冊亨一帶，大致呈北西向環帶狀展布的臺地邊緣至斜坡相地層命名為威寧組(圖1)[8]。受地表覆蓋及區域資料限制，加之缺少地下鉆井資料的驗證，二者的相帶過渡關系及沉積巖石規律尚未得到充分驗證。

威寧組最早被丁文江命名為“威寧石灰巖”(1914年)，原指在維憲晚期至中石炭世沉積期間的以碳酸鹽巖為主的地層，發現地點位于威寧縣城南十里鋪至飛來石附近[9]。后由于學者對本套地層的年代歸屬存在爭議，曾出現過滑石板組、達拉組、德塢組等多種表述方式。本文以參考文獻[8]為參考，將二疊系平川組之下，石炭系打屋壩組之上的一套臺緣灘相淺灰色灰巖夾白云巖組合歸為威寧組，時限為早石炭世大塘早期至二疊紀船山世紫松期(圖2)。下石炭統頂部威寧組地層以深色碳酸鹽巖及碎屑巖為主，晚石炭世中晚期沉積地層——威寧組頂部地層為淺色碳酸鹽巖(包括礁灰巖)，威寧組最大厚度2 011 m，與下伏地層連續沉積。

南丹組最早由廣西區調隊(1987)創名于廣西南丹六寨鎮么腰附近，原義指位于大埔白云巖之上、龍吟組泥巖之下的一套深灰色薄層泥晶灰巖夾數層生物屑礫屑灰巖、生物屑灰巖，富含硅質條帶及結核的巖石組合。按照不同學者觀點，該套地層曾有多套命名方式，如小浪風關組、下院組、店子上組、空洞河組及上如牙組等。本文將整合于打屋壩組之上、四大寨組之下的斜坡至盆地相黑色灰巖、燧石灰巖夾硅質巖組合歸為南丹組，時限為早石炭世大塘晚期至船山世紫松期。南丹組地層以深色含燧石碳酸鹽巖夾硅質巖為主，下石炭統為一套黑色黏土巖，地層最大厚度1 456 m，與下伏打屋壩組連續沉積。

圖1 貴州南部下石炭統威寧組、南丹組巖相分布

圖2 貴州南部石炭系分區地層劃分對比

2 典型鉆井的巖石類型

本文選擇貴州南部3口典型頁巖氣調查井作為研究對象，對其鉆遇的石炭系地層進行分析。3口井所處大地構造位置位于揚子板塊西南緣，紫云—亞都斷裂帶南東段，分別是紫云1井(1 828.25 m)、黔紫頁1井(3 005 m)和長頁1井(953.7 m)。

2.1 紫云1井

紫云1井位于貴州省紫云縣城西北約8 km，構造位置屬于黔南坳陷火花背斜北東翼，鉆井全井段鉆遇地層以生物碎屑凝塊灰巖為主，判斷為臺地邊緣藻丘的沉積特征。通過巖心分析及薄片鑒定，認為鉆井共表現為4個旋回構成的巖性組合段，每段的表現相似，均為下部灰色不等晶含生物碎屑藻凝塊灰巖(圖3a)、泥晶—亮晶含生物碎屑藻凝塊灰巖(圖3b)、白云質灰巖；向上逐漸過渡為泥—亮晶藻砂屑生物屑灰巖、生物屑藻凝塊含白云質灰巖(圖3c，d)；藻凝塊分布較為均勻，粒度在0.06～10.00 mm，以砂礫級藻凝塊為主，判斷為藍綠藻類生物沉淀并保存而成，可見藍綠藻類絲狀體結構[10-12]。

2.2 黔紫頁1井

黔紫頁1井位于貴州省紫云縣東南9 km，構造位置屬于黔南坳陷下廠向斜南翼，鉆井在1 092～2 664 m鉆遇上石炭統地層[13]。根據巖性及標志生物的變化特征[14-15]，可將其分為2段：(1)上段(1 092～2 100 m)為灰色—深灰色泥晶灰巖和生物碎屑泥晶灰巖。泥晶灰巖以泥晶方解石為主，晶粒細小，粒徑多小于0.01 mm，可見少量硅質巖巖屑，其成分主要是燧石；生物碎屑灰巖成分上主要由方解石組成，結構上主要是由生物碎屑(50%～60%)及填隙物組成，其中生物碎屑主要包括有孔蟲(蟲筳類為主)、棘皮類(海百合莖)，部分腹足類等生物碎屑，均被方解石充填交代，生物碎屑個體較大，最大可達3.0 mm，且多被方解石充填交代(圖4a,b)。(2)下段(2 100～2 664 m)薄片中可明顯觀察到有藻類出現。與紫云1井不同，本段藻類不發育，且多被方解石交代破壞，薄片中僅見部分藻類殘留，主要呈絲狀或網格狀(圖3c)，在巖石中與其他生物碎屑均呈零散分布，且藻類的組織結構均被泥晶方解石交代和充填。下段巖性主要為灰色生物碎屑灰巖、灰色—深灰色粉晶、細晶白云巖；其中，2 496～2 664 m發育168 m厚的白云巖層，巖屑細小，大小在1～4.5 mm之間，主要由白云石礦物組成，呈半自形—自形菱形粒狀，晶粒粒徑主要在0.03～0.25 mm之間，晶粒之間緊密接觸(圖4d)。

2.3 長頁1井

長頁1井位于貴州省長順縣西南墩操鄉，構造位置屬于黔南坳陷貴定南北向褶皺帶[16]，鉆井在0～707.75 m鉆遇上石炭統地層，按照巖性特征，可將其分為3段：(1)上段為深灰、灰黑色厚至塊狀礫屑灰巖、砂屑灰巖、泥晶生物碎屑灰巖及泥晶灰巖互層，夾少量薄層、白云質灰巖，生物屑主要為腕足、腹足類化石；(2)中段以泥晶灰巖為主，夾硅質巖、生物碎屑灰巖及砂屑灰巖，部分灰巖中含角礫，呈次棱角狀，生物化石主要為腕足、腹足類；(3)下段為深灰色薄層泥晶砂屑灰巖、泥晶灰巖與薄層硅質巖互層，向下巖石泥質含量增多，巖石中夾少量灰黑色泥灰巖、燧石條帶，部分巖石裂隙充填干瀝青，生物化石主要為腕足、介殼類。

圖3 貴州南部黔南坳陷紫云1井威寧組巖性特征

圖4 貴州南部黔南坳陷黔紫頁1井南丹組巖性特征

3 沉積環境分析

3.1 沉積演化

志留紀末期，揚子板塊與華南板塊之間的碰撞縫合，形成了貴州南部地區相對穩定的構造基底[17]；在晚古生代時期，貴州南部整體處于拉張的沉積背景，埡都—紫云—羅甸裂陷槽便是在泥盆紀被拉開；進入早石炭世后，受由南東往北西方向的海侵作用，安順、羅甸一帶表現為深水盆地環境[18]，此時，高等植物繁盛，下石炭統打屋壩組富有機質泥頁巖地層發育，此后，受巖石圈的沉陷作用影響，有機質沉積地區被海水淹沒，在打屋壩組地層沉積末期，海侵規模達到最大。上古生界地層開始沉積時，除深水海盆外，淺海臺地環境也開始不同程度的發育，形成了碳酸鹽斜坡與碳酸鹽臺地相沉積[19]?？傮w來說，受海平面變化及盆地內碳酸鹽沉積速率的影響，研究區上石炭統沉積的地層可劃分為碳酸鹽臺地相、碳酸鹽斜坡相和臺盆相三大相區(圖5)。

3.2 碳酸鹽臺地相

碳酸鹽臺地相在貴州南部主要分布在獨山—紫云—六盤水—普安—冊亨一帶，呈北西向環帶狀展布，寬約10～20 km，按照與海平面的相對關系，可分為局限臺地、開闊臺地、臺內淺灘和臺地邊緣礁灘4種亞相。

圖5 貴州南部地區碳酸鹽臺地沉積模式

3.2.1 局限臺地亞相

位于近陸一側，水體較淺，海水循環受限，水動力條件較弱，因此巖性以灰、深灰色中、薄層泥晶灰巖、生物屑泥晶灰巖為主夾硅泥巖，生物多見藻類、雙殼類、有孔蟲組合，也可見少量其他底棲類型[20]。局限臺地亦可由礁后潟湖或局限海灣演變而成，因而常具一定的繼承性。如構造斷陷加強，或海平面大幅升降，可能轉變為臺盆沉積體系，或二者互相轉變。

3.2.2 開闊臺地亞相

位于近陸一側，水體較淺，是碳酸鹽臺地的主要組成部分，巖石類型通常為灰色厚層、塊狀生物屑灰巖、泥晶灰巖及白云巖，常見水平層理及波狀層理，生物組成亦較豐富，以蟲筳類、藻類、腕足、棘皮動物、雙殼類等為主，基本上為底棲固著生態類型。

3.2.3 臺內淺灘亞相

由于臺地邊緣位于開闊臺地外側，處于比臺地更高的位置，長期受波浪作用影響，水動力作用較強，屬于高能環境，一般表現為厚度大，多塊狀正地形突起；巖性為生屑灰巖、亮晶砂屑灰巖、鮞?；規r、白云巖等；骨屑磨圓度及分選性較差，能見到一些波狀層理、浪成交錯層理、底沖刷構造。

3.2.4 臺地邊緣礁灘亞相

生物礁按規模大小、生長位置可分為臺內點礁、臺緣點礁、臺緣堤礁等幾種類型。它們大多沿臺地邊緣呈現出條帶狀分布規律，按照巖相組合及生物特征，還可進一步分為臺地邊緣生物礁、礁后、礁后灘、礁后潟湖、礁前、邊緣淺灘等微相。巖石類型主要為生物(礁)灰巖、生物屑灰巖、顆粒灰巖。生物有蟲筳類、有孔蟲、藻類、水螅類、海綿動物類及有關底棲介殼生物。

結合鉆井生物化石及巖性組合特征，判斷紫云1井及黔紫頁1井的2 100～2 664 m段發育為臺地邊緣礁灘亞相沉積。其中紫云1井記錄了4個巖性組合基本相同、沉積相帶比較相似的沉積旋回，每個旋回均以臺地邊緣的凝塊灰巖為主體，向上為開闊臺地相的生物碎屑灰巖。這種組合的反復出現，說明石炭紀晚期本區至少經歷了4次海平面升降的過程。黔紫頁1井的2 100～2 664 m段表現為白云巖—泥灰巖—生屑灰巖的組合，也可看作是礁前相帶向斜坡相過渡的產物[21]。其中在2 496～2 664 m出現的168 m粉—細晶白云巖(圖4d)，是礁前部分抬升白云石化形成的，推測在晚石炭世早期，安順—長順—獨山一帶水溫條件適合藻類、珊瑚的大量繁衍，在埡紫羅裂陷槽內形成了由西向東斷續延伸的水下隆起帶，使得大量的碳酸鈣得以沉積，后期受地殼抬升影響，海水蒸發，鎂鈣比值逐步增高，海水中富鎂，而富鎂的水溶液下滲，作用于剛脫離海底的碳酸鈣沉積物中，鎂離子替代了部分鈣離子[22-23]，形成白云巖；后期受沉降作用影響，白云巖被深埋，地下溫度的增加使得白云石化更加普遍，同時伴隨著重結晶作用，便出現了目前黔紫頁1井中的各種白云巖晶粒鑲嵌結構。

3.3 碳酸鹽斜坡相

該相是在碳酸鹽沉積背景下發育在臺地與臺盆之間的斜坡沉積體系(圖5)，主要分布于羅甸—望謨—六盤水，大致呈北西向展布的槽狀地帶中。巖性以深色含燧石碳酸鹽巖夾硅質巖為主，化石相對稀少，以蟲筳類為主。根據正常浪基面和風暴浪基面的位置，碳酸鹽斜坡相可劃分出下斜坡、中斜坡和上斜坡3個亞相。

3.3.1 上斜坡亞相

上斜坡作為臺邊緣礁灘亞相與斜坡相的緊臨部位，水深幾米至幾十米，水動力作用較強，屬氧化環境，巖石類型多為內碎屑灰巖或生物碎屑灰巖。從臺地邊緣至斜坡方向，隨著水深的增加，沉積物顆粒粒度逐漸減??；生物類型豐富，以淺水生物為主，包括腹足類、棘皮類，腕足類等。

3.3.2 中斜坡亞相

中斜坡位于上斜坡和下斜坡之間，水深幾十米，水動力條件較上斜坡弱，巖石以生物碎屑泥灰巖為主，多見重結晶及硅化特征；生物碎屑含較多的淺水生物碎屑，包括腕足類、棘皮類等。

3.3.3 下斜坡亞相

下斜坡位于碳酸鹽臺地的下部，靠近斜坡地帶，水深大于百米，水體能量極低，屬還原環境，巖石類型多為泥灰巖。由于水體環境pH值較低，易于沉淀硅質成分，從而在灰巖中形成硅質條帶。巖石中生物化石以雙殼類、海綿骨針、腕足、棘皮類為主。

長頁1井上段(0～213 m)及黔紫頁1井的上段(1 092～2 100 m)碳酸鹽巖發育具有上斜坡的特點(圖6)。具體表現為碳酸鹽巖的顆粒較粗、類型單一，部分為角礫狀灰巖，以內碎屑、生物屑為主；受機械分異作用的影響，從上斜坡向盆地過渡過程中，巖性變化為深灰色泥質灰巖夾黑色泥灰巖條帶，可見灰黑色薄層硅質巖及其團塊(長頁1井，213～707.75m)。由于較上斜坡變深，巖石顆粒粒度變小，藻類和真菌活動受到抑制，生物碎屑邊緣泥晶化的現象較少，生物組分中，以有孔蟲類、棘皮類、腕足類分布為主，亦可見到海綿骨針和雙殼類等。

圖6 貴州南部地區典型鉆井地層對比

3.4 臺盆相

臺盆相為碳酸鹽臺地內或臺地間的較深水沉積區域。由于水體較深，海水循環受限，巖性主要表現為灰黑色硅質巖夾薄層狀泥晶灰巖，且灰巖中?？梢娚倭糠坌技壾涹w動物和腕足碎屑，常見有硅質放射蟲和海綿骨針等深水浮游生物組合，也有雙殼類、腕足、蟲筳等；可與低密度鈣屑濁積巖、火山碎屑沉積巖、含錳泥巖及泥灰巖互為夾層，常見沙紋層理、水平層理。臺盆相可與深水洋盆相通，也可以不相連，且受海平面變化影響，其與碳酸鹽巖臺地相可發生轉化。

貴州南部臺盆相多發育在與下石炭統打屋壩組接觸的南丹組底部，具體表現為巖石顏色黑，且泥灰巖與硅質巖或薄層頁巖交互頻繁，生物化石減少等特征。

4 結論

(1)晚石炭世，貴州南部地區六盤水—紫云—羅甸一帶的沉積環境由臺盆相到碳酸鹽斜坡相，至后來發展為碳酸鹽臺地相，為一向南西方向的海退過程。

(2)紫云1井—黔紫頁1井—長頁1井的巖性組合及生物特征的變化，顯示出由臺盆相至碳酸鹽臺地相過渡的過程，且相帶間的關系并非截然分開，而是存在一定的交叉與過渡，這與沉積時期的構造活動、海平面變化及沉積速率有關。

(3)斜坡—臺盆相(南丹組)的出現，可間接指示與其處于整合關系的下伏地層打屋壩組富有機質頁巖有過發育；而臺地相(威寧組)的出現，則反映出六盤水—紫云—羅甸這一北西向裂陷槽的封閉。這為了解和推測貴州南部地區頁巖氣的主要目標層——打屋壩組的分布范圍提供了重要依據。