吐哈盆地南緣庫(kù)木達(dá)坂碳酸鹽巖特征及沉積環(huán)境

吳亞倫，李文杰，師旺強(qiáng)，張 會(huì)

(1.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心新疆總隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國(guó)冶金地質(zhì)總局新疆地質(zhì)勘查院，新疆 烏魯木齊 830000)

海相碳酸鹽巖沉積相可劃分為臺(tái)地、斜坡和盆地三類(lèi)相[1]。筆者在吐哈盆地南緣庫(kù)木達(dá)坂東一帶開(kāi)展石灰?guī)r礦調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目時(shí)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)沉積環(huán)境符合海相沉積臺(tái)地相，其亞相為高能潮下坪帶，通過(guò)參考區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合研究區(qū)沉積地層、構(gòu)造、不同巖層中生物碎屑物、巖屑類(lèi)型，沉積序列等，初步判斷研究區(qū)古地理環(huán)境為海相沉積中的臺(tái)地。對(duì)庫(kù)木達(dá)坂東一帶上石炭統(tǒng)底坎爾組石灰?guī)r沉積亞相的精細(xì)劃分，結(jié)合生物地層分析，可以更全面地了解區(qū)內(nèi)底坎爾組石灰?guī)r在空間上的演變。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

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

圖1 工作區(qū)大地構(gòu)造位置圖

區(qū)內(nèi)地勢(shì)為東南高，西北低，海拔在-70～+800m，屬于戈壁丘陵地貌，相對(duì)高差較小，地勢(shì)較為平坦。

吐哈盆地是天山海槽閉合后從晚二疊世開(kāi)始發(fā)育的一個(gè)以中、新生界沉積建造為主的陸相盆地[6]，有學(xué)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(gè)一級(jí)構(gòu)造單元[7]。研究區(qū)為吐魯番凹陷中，在艾丁湖斜坡南側(cè)。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)較頻繁，以褶皺構(gòu)造和脆性斷裂為主，主要發(fā)育在上石炭統(tǒng)底坎爾組(C2d)中，區(qū)域南西部及北東部形成近東西向背斜。在上石炭統(tǒng)底坎爾組(C2d)中最為發(fā)育，褶皺形成均與晚石炭世的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)，軸向近東西向。

2 區(qū)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(qū)西側(cè)大面積出露上石炭統(tǒng)底坎爾組(C2d)地層，東南少量出露下石炭統(tǒng)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(tǒng)底坎爾組：主體為潮坪相沉積，自身構(gòu)成一個(gè)較完整的碎屑巖—碳酸鹽巖—碎屑巖沉積旋回，最大海侵期產(chǎn)物為二段的潮下帶灰色中層生物屑灰?guī)r。沉積巖碎屑物成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，總體表現(xiàn)出向上巖層變薄、粒度變細(xì)、海水變淺的特點(diǎn)。

下石炭統(tǒng)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(zhǎng)石巖屑砂巖組成，向上粒度變細(xì)、巖層漸薄，具平行層理，顯示退積型基本層序特點(diǎn)，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(qū)屬于南準(zhǔn)噶爾—北天山地層分區(qū)之覺(jué)羅塔格地層小區(qū)。區(qū)內(nèi)出露地層有上石炭統(tǒng)底坎爾組(C2d)及第四系(Q)(圖2)。

圖2 庫(kù)木達(dá)扳地區(qū)石炭統(tǒng)底坎爾組地層分布地質(zhì)圖

上石炭統(tǒng)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(nèi)含豐富的海相動(dòng)植物化石。該組在區(qū)內(nèi)由下至上可分為四個(gè)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(qū)域中部，下部主體由灰綠色厚層泥晶生物屑灰?guī)r、灰色中薄層生物屑灰?guī)r與灰綠色厚層長(zhǎng)石石英砂巖互層構(gòu)成；上部主要由灰色、淺灰色生物屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r構(gòu)成；頂部為灰色中薄層含生物屑礫屑灰?guī)r。區(qū)域上，該段橫向延伸不甚穩(wěn)定，可視厚度在309.57 ～535.43m。

2.2 沉積構(gòu)造特征

原生沉積構(gòu)造是分析和判斷沉積相最重要的標(biāo)志[8-9]。通過(guò)觀察地表巖石和深部巖心，對(duì)底坎爾組沉積構(gòu)造特征進(jìn)行了總結(jié)，該段以發(fā)育碳酸鹽巖、富含海相動(dòng)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(wú)定向性。底坎爾組第二段主要為生物碎屑石灰?guī)r，多呈中厚層狀，水平、交錯(cuò)層理產(chǎn)出。第二段中上部，為生物碎屑灰?guī)r夾砂巖，具交替沉積特征，生物碎屑灰?guī)r厚層狀，砂巖多呈薄層狀，局部有鳥(niǎo)眼、波痕構(gòu)造。

3 碳酸鹽巖沉積環(huán)境分析與判定

3.1 沉積環(huán)境

研究區(qū)內(nèi)施工了4 個(gè)鉆孔，選擇其中具有代表性ZK901 孔，結(jié)合地層宏觀特征、沉積構(gòu)造等特征分析區(qū)內(nèi)沉積環(huán)境。該孔孔深199.52m，共劃分出2個(gè)巖性段4 個(gè)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(jié)構(gòu)，薄片狀，具有較好的分選性，內(nèi)見(jiàn)水平層理、波狀層理，局部見(jiàn)交錯(cuò)層理。巖屑砂巖普遍厚1 ～5cm，粉砂巖厚0.5 ～2cm，反映出該時(shí)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(zhì)沉積為主，主要沉積產(chǎn)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(gè)巖性層：

第一層為淺灰色生物碎屑灰?guī)r夾巖屑砂巖，厚度68.30m，中—薄層狀構(gòu)造；以生物碎屑灰?guī)r為主，期間夾有巖屑砂巖，層比約3:1 ～5:1 不等，生物碎屑灰?guī)r厚0.2 ～1.5m，巖屑砂巖普遍厚0.05 ～0.2m。從該層石灰?guī)r與巖屑砂巖規(guī)律交替沉積特征來(lái)看，反映海進(jìn)海退潮下—潮間帶沉積特征，為正常浪基下部高能間歇?jiǎng)邮巺^(qū)，主要為碎屑巖—碳酸鹽巖潮坪相序結(jié)構(gòu)，總體表現(xiàn)出向上變薄、變淺的特點(diǎn)。

第二層為淺肉紅色生物碎屑微晶灰?guī)r，層厚99.68m，中—厚層狀構(gòu)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(lèi)、藻類(lèi)、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(fā)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(jiàn)底，厚7.34m。巖石呈灰綠色，具細(xì)砂結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，單層厚1 ～5cm，巖石主要由泥質(zhì)、巖屑、鈣質(zhì)膠結(jié)而成。巖石普遍破碎，裂隙較為發(fā)育，裂隙寬0.5 ～3mm左右，沿裂隙多見(jiàn)方解石充填。以泥質(zhì)、鈣質(zhì)沉積為主，反映出為潮間帶低能沉積環(huán)境(圖3)。

圖3 研究區(qū)ZK901 孔沉積特征

3.2 沉積模式

研究區(qū)主要為碳酸鹽巖潮坪相序結(jié)構(gòu)，總體表現(xiàn)出向上變薄、變淺的基本層序特點(diǎn)[10]，潮間帶主要產(chǎn)物為生物屑、砂屑灰?guī)r夾巖屑砂巖，呈明顯的交替沉積模式(圖4)。潮間帶水動(dòng)力強(qiáng)度較高，沉積主要是粒級(jí)較粗的生物碎屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r夾粉砂巖層，從統(tǒng)計(jì)鉆孔數(shù)據(jù)及野外巖層剖面數(shù)據(jù)得知，層厚18.83 ～68.30m；向外則是一個(gè)相對(duì)有一定坡度的開(kāi)闊潮下帶，碳酸鹽主要在潮下帶，巖性以生物碎屑微晶灰?guī)r為主，厚度較大，層厚16.08 ～99.68m，大量海相生物、海百合莖的發(fā)育，反映出區(qū)域水淺，陽(yáng)光充足，氧氣充分，沉積環(huán)境的穩(wěn)定，總體表現(xiàn)出向下變厚、變細(xì)的層序特點(diǎn)。

圖4 吐魯番盆地南緣典型潮相沉積模式圖

3.3 沉積環(huán)境厘定

研究區(qū)石灰?guī)r主要賦存在C2d2中，生物屑—微晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要由方解石、生物碎屑和內(nèi)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(jí)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(lèi)為海綿骨針、雙殼、腕足類(lèi)、藻類(lèi)、海百合莖、鈣球等(圖5)，含量25%～35%；內(nèi)碎屑呈次圓狀，為粒徑0.4 ～2.0mm 的砂屑，成分為泥晶灰?guī)r和微晶灰?guī)r，含量3%～5%。

圖5 石灰?guī)r地層中生物碎屑特征

海洋是碳酸鹽巖沉積的主要場(chǎng)所，Ca2+、Mg2+和 CO32-豐富[1]。海洋鹽度高低與海洋中的生物活動(dòng)密切相關(guān)，如果含有狹鹽性生物化石(如珊瑚、海綿類(lèi)、苔蘚蟲(chóng)、層孔蟲(chóng)、腕足類(lèi)、三葉蟲(chóng)、棘皮類(lèi)、頭足類(lèi)、有孔蟲(chóng)，等)，指示為正常鹽度[1]。根據(jù)區(qū)內(nèi)石灰?guī)r中所含化石種類(lèi)，初步判斷該區(qū)沉積環(huán)境鹽度為正常鹽度。

碳酸巖中的沉積構(gòu)造，特別是物理成因的原生沉積構(gòu)造，最能反映沉積物形成過(guò)程中的水動(dòng)力條件，是分析和判斷沉積相最重要的標(biāo)志[11]。研究區(qū)內(nèi)石灰?guī)r多呈中厚層狀，水平、交錯(cuò)層理產(chǎn)出，局部有鳥(niǎo)眼、波痕構(gòu)造。石灰?guī)r為生物碎屑微晶灰?guī)r，化石較為富集，巖石中的所含生物化石雜亂排列，無(wú)定向性。

研究區(qū)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(lèi)，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?guī)r，以砂質(zhì)沉積為主，少量鈣質(zhì)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?guī)r，總體以生物屑、鈣質(zhì)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(qū)碳酸巖地層沉積環(huán)境處在正常浪基下部高能間歇?jiǎng)邮巺^(qū)。該區(qū)域沉積環(huán)境為淺海開(kāi)闊臺(tái)地，光照充足，水體溫度、鹽度有利于鈣質(zhì)生物、植物的生長(zhǎng)。

碳酸鹽巖上部覆蓋巖石為巖屑砂巖，經(jīng)薄片鑒定，碎屑巖中碎屑物主要由巖屑、長(zhǎng)石及少量石英、填隙物等組成。填隙物包括雜基及膠結(jié)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(huán)境[12-14]。

4 結(jié)論

(1) 研究區(qū)庫(kù)木達(dá)坂一帶處在吐哈盆地南緣，通過(guò)對(duì)區(qū)沉積地層、生物化石類(lèi)別對(duì)比研究，判斷區(qū)內(nèi)古沉積環(huán)境為淺海環(huán)境中臺(tái)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(lèi)、藻類(lèi)、海百合莖、鈣球等生物。通過(guò)對(duì)庫(kù)木達(dá)扳一帶碳酸鹽地層中化石類(lèi)型、沉積物及沉積構(gòu)造的分析，初步建立該地區(qū)碳酸鹽巖潮相沉積模式，為該地區(qū)碳酸鹽巖地層沉積環(huán)境劃分提供幫助。