中上扬子地区早寒武世岩相古地理演化

中上扬子地区早寒武世岩相古地理演化

早寒武世岩相古地理的重新认识中上扬子地区的寒武系形成了几种特殊的沉积，如磷矿床、黑色沉积和石膏盐沉淀。地震后，它成为中上扬子地区非常重要的磷矿层。这也是中国南方早古生代主要泉岩之一。涉及早寒武世的沉积及其岩相古地理的研究较多,并形成了大量的成果和认识。随着地层和构造格局等方面研究的不断深入,关于早寒武世的岩相古地理有必要进行重新认识和讨论,尤其是随着晚古生代海相地层普光特大气田等的发现和突破,显示了岩相古地理研究在油气勘探中的重要作用。但是到目前为止,在中国南方早古生代海相地层尚未取得实质性的油气勘探进展,是什么原因?是早古生代本身油气条件较差?还是勘探思路需要创新或完善?更是需要系统研究沉积相及其岩相古地理格局,从新的视角探讨沉积与油气基本地质条件的关系,从而为中上扬子地区早古生代海相地层油气勘探提出建议,为尽快实现中国南方早古生代海相油气勘探突破奠定坚实的基础。1我国寒武系划分中上扬子地区寒武系出露广泛,发育完整。传统的寒武系地层划分采用的“三分”方案,分为上、中、下寒武统。2004年世界新的地层表发表后,我国寒武系划分对比标准根据国际最新寒武系地层划分方案分为四统十阶,四统即纽芬兰统、第二统、第三统及芙蓉统。原中上扬子地区下寒武统即纽芬兰统-第二统,分为4个阶:梅树村阶、筇竹寺阶、沧浪铺阶及龙王庙阶,化石发育丰富。纽芬兰统及第二统与上覆地层呈整合接触,与下伏地层多呈整合接触,局部呈平行不整合接触。中上扬子地区寒武系纽芬兰统与第二统的各区域地层发育有所不同(表1)。2海底沉积相中上扬子地区寒武系纽芬兰统-第二统沉积物种类多样,沉积特征不同,主要表现为浅海沉积环境。依据各类沉积物的特征的不同识别出以下沉积相类型。2.1上古生代粒粒岩三角洲相主要发育于沧浪铺阶阎王碥组,主要分布于米仓山地区。以南郑阎王碥剖面为例,下部为三角洲底积层,为灰色薄层状粉砂岩、泥质粉砂岩夹薄层粉砂质页岩,具水平层理;中部为灰绿色细砂岩夹含砾粗砂岩,具平行层理及斜层理,波痕发育,并有虫迹构造,为三角洲前积层特征;上部为灰绿色泥质粉砂岩,为顶积层。旺苍双河王家沟的阎王碥组为一套粗碎屑岩沉积,直接覆盖于前滨带石英砂岩和具干裂的砂页岩之上。自下而上为具大型斜层理的中粗粒砂岩→含砾砂岩→砾岩,剖面上具有明显的逆粒序。砾岩呈杂基支撑,基质为泥和砂,显示分选性差的快速堆积特征。砾石成分以燧石为主,其次为白云岩、鲕粒白云岩、砂岩和板岩,为下伏沉积岩的组分。砾岩在平面上展布自旺苍向北、向东减薄。2.2内川东南地区梅树村阶与筇竹寺阶均发育滨岸相,梅树村期滨岸相主要出现在康滇古陆的东侧,筇竹寺期,滨岸相则沿扬子西缘汉南古陆南侧、康滇古陆及牛首山古陆的东侧分布,为广海型的海岸陆源碎屑岩沉积。在川东南一带,该相的岩性以灰白色细-粗粒石英砂岩,含砾石英砂岩为主,砾石多为燧石和石英,细砾级,颗粒磨圆度好,矿物成熟度、结构成熟度较高,剖面层序呈逆粒序特征,构成含砾砂质海滩。局部发育波痕及大型板状交错层理,反映了水动力较强的前滨-近滨环境。在平面上砂体呈席状或带状,与海岸线平行。川西南地区的筇竹寺组下部以粗—细石英砂岩为主,局部见含砾砂岩及波痕,属前滨-近滨沉积。2.3云坪及坪系单因素综合分析模型,主要分为云坪和云坪两种体系中上扬子地区纽芬兰统-第二统发育碳酸盐潮坪相、陆源碎屑潮坪相及混积潮坪相3种潮坪相沉积。碳酸盐潮坪相主要分布梅树村阶,常由含磷白云岩、磷块岩、白云岩组成具有向上变浅的海侵-海退韵律旋回结构。潮坪相划分为云坪、泥云坪,岩性特征为微晶白云岩和含磷泥质白云岩。靠近扬子西缘泥云坪较发育,硅质含量、泥质含量较高,向东泥质含量和硅质含量有所减少,主要以云坪为主。陆源碎屑潮坪相与混积潮坪相沉积仅发育于滇南、滇西靠近古陆的地区,梅树村阶、沧浪铺阶及龙王庙阶主要发育陆源碎屑潮坪相及混积潮坪相。梅树村期,靠近古陆的边缘,沉积物以白云质细砂岩或与细粒石英砂岩互层为主要特征,而远离陆源区,碎屑物以粉砂质为主,含有较多的页岩,磷矿层中砂质含量也较多。沧浪铺期,在米易和西昌地区的沧浪铺组,下部多为泥页岩沉积,上部为碳酸盐夹泥页岩沉积,水动力条件较弱。石棉、峨边一带为遇仙寺组,下部多以灰白色细-粗粒石英砂岩,向上发育含砾石英砂岩,砾石多为燧石和石英,细砾级,颗粒磨圆度好,矿物成熟度、结构成熟度较高,剖面层序呈逆粒序特征,构成含砾砂质潮坪;上部为碳酸盐沉积,呈现混积潮坪相。龙王庙期,潮坪相分布于扬子区西部边缘,川滇古陆之东侧,岩性上多为紫红、黄绿色粉-细砂岩与白云岩或白云质灰岩韵律互层,呈陆源碎屑潮坪相至混积潮坪相的演化。2.4底冲刷层理物质区中上扬子地区纽芬兰统-第二统发育风暴浅滩相、礁滩相两种滩相沉积。梅树村期,在陆缘碎屑潮坪和碳酸盐潮坪中,局部发生有受风暴作用改造的砂屑、砾屑滩,砂屑分选较好,磨圆中等,而这些地区也是寒武纪梅树村期磷矿发育的主要地区。滇东地区风暴浅滩的岩性组合主要有白云岩-磷块岩及白云岩-硅质岩-磷块岩两种,磷矿沉积序列的底部常见底冲刷构造,上部发育有丘状交错层理、平行层理,粒序层理和小型斜层理。礁滩相主要是浅滩相与生物礁相,主要发育于沧浪铺阶与龙王庙阶。沧浪铺期,浅滩相多以颗粒碳酸盐相为主体,包括鲕粒灰岩、砂屑(砾屑)灰岩等。以鲕粒滩、砂屑滩及二者混合的碳酸盐滩最常见,水动力条件相对较强。生物礁相发育位置与浅滩相位置基本相同,多发育在碳酸盐缓坡地高能地带之上。沧浪铺期的古杯礁主要建立在鲕粒灰岩或砂屑灰岩之上,包括点礁和生物丘两种。生物礁的形态呈不规则的马蹄形,大致反映了碳酸盐台地的雏形,其产出层位由西向东升高。龙王庙期,浅滩相岩性仍以发育鲕粒灰岩的鲕粒滩与发育砂屑灰岩或砂屑白云岩的砂屑滩,或二者混合的碳酸盐滩最常见。围绕川渝地区的蒸发坪周围发育。龙王庙阶发育藻丘,藻丘产于碳酸盐缓坡之上,层位为下寒武统清虚洞组中上部。藻丘主要由藻障积灰岩组成,含藻可达30%~40%;藻丘上的洼地和丘间,见风暴粒序层,说明藻丘是位于较低能深水环境,未受到正常波浪的影响。2.5粒白云岩地层蒸发坪相主要发育于龙王庙阶,分布于浅水缓坡相带内,于四川雷波抓抓岩-金阳王家屋基金沙江沿线、川中隆起东南。岩性上比较稳定,以白云岩为主,夹有大量石膏和膏质白云岩;底部多为滩相的鲕粒白云岩。自西向东,泥质含量逐渐增加。雷波抓抓岩剖面比较典型,龙王庙组下部为深灰色厚层状灰岩、白云质灰岩,中上部为灰色薄-中层状白云岩,顶部为灰白色石膏夹灰绿色、肉红色含泥石膏。窝深1井的岩性为浅灰色白云岩夹膏质白云岩、膏质粉砂岩、膏岩、粉砂岩。可见,龙王庙阶蒸发坪相区主要的蒸发岩为白云岩夹石膏,形成于中上扬子浅海由碎屑岩海向碳酸盐海的转换阶段,由于构造隆起和台内浅滩对海水的封闭作用,导致滩后蒸发坪的形成,在重庆江津地区出现石盐岩沉积。蒸发坪的分布范围较大,是中上扬子地区寒武系有利的盖层沉积区。2.6山-花垣-宁地区碳酸盐缓坡相主要发育于龙王庙阶,分为浅水缓坡相及深水缓坡相。浅水缓坡相分布于南江-德阳-峨眉-美姑一线以东,以及贵阳-石阡-秀山-花垣-咸宁一线以西之间的区域,范围广,面积大。岩性上比较稳定,以碳酸盐岩为主,但多呈条纹状、纹层状和花斑状,多具有波状起伏的泥质条带;底部多为滩相的鲕粒或砂屑碳酸盐岩,被泥质分割呈条带状或瘤状,其中多发育有交错层理。深水缓坡相主要分布于贵阳-石阡-秀山-花垣-咸宁一线以东,以及南皋-天柱-崇阳一线以西之间的区域。岩性上主要以瘤状泥灰岩、灰岩、泥灰岩为主,夹有白云岩、泥页岩。2.7岩性与沉积相陆棚指在正常浪基面以下向外海与大陆斜坡相接的广阔的浅海沉积地区。梅树村阶、筇竹寺阶、沧浪铺阶均发育浅海陆棚相,主要发育在中上扬子东缘。梅树村与筇竹寺期,浅海陆棚相的岩性主要以粉砂岩、粉砂质泥页岩为主,夹细砂岩,总体看粒度较细,发育水平层理,局部发育少量交错层理,局部夹灰岩透镜体,上部主要发育灰岩、泥灰岩,向碳酸盐海过渡。沧浪铺期,中上扬子区基本以浅海陆棚相为主,其范围分布广,可分为内陆棚相、外陆棚相。内陆架相岩性下部以细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥页岩为主体,夹少量灰岩。上部底部多为含砾砂岩,向上变为泥页岩夹灰岩,多呈混积陆架相。整体呈现下部海退,上部海侵。外陆架相整体岩相主要为页岩、粉砂质页岩,夹灰岩,局部夹粉砂岩、极少量细砂岩,黔东一带灰岩多。2.8竹寺期岩相特征深水盆地相是指发育在浅海陆棚之上相对深水、水体安静、缺氧滞流的盆地区域。梅树村期-龙王庙期在中上扬子的东南缘均存在一稳定的深水的缺氧滞流的盆地区域,为深水盆地相。梅树村期,深水盆地相岩性主要为岩性主要以碳质页岩夹硅质页岩或互层。筇竹寺期,深水盆地相范围最广,主要岩相构成为碳质页岩夹硅质页岩、硅质岩或呈互层状。沉积构造不发育,局部见水平层理,水动力条件弱,该期自从江-靖州以东,地层多已浅变质,以碳质板岩与硅质板岩互层为主。该区碳质页岩底部常含磷结核,局部碳质富集成石煤,在碳质页岩中常见富有机质的碳质包裹体呈弯曲状,包卷状,可能系滑动成因的再沉积物,在未固结或弱固结时,因重力滑动而形成。页岩中常富含铀、镍等多种元素,反映沉积盆地为滞流缺氧环境。沧浪铺期,深水盆地相岩性有所变化,主要为碳质页岩相、页岩相,局部夹少量灰岩、或灰岩透镜体。直至龙王庙期,盆地相范围急剧减小,为一套变质岩系,主要为板岩、碳硅质板岩,在双峰石牛地区夹有灰岩,岩石发育水平层理。3岩相古地理发育3.1磷矿沉积与风暴沉积的沉积关系中上扬子地区进入早寒武世梅树村期时,由于海平面上升,在埃迪卡拉晚期沉积格局的基础上,总体表现为浅海环境,其沉积模式为缓坡,由西往东主体为潮坪相-浅海陆棚相,同时尚有滨岸相、风暴浅滩相等(图1,2)。该期最具特色的是磷块岩和黑色页岩沉积,前者构成了我国著名的成矿时期和磷矿成矿带,后者为油气条件奠定了基础。磷块岩沿着西边康滇古陆一带分布,并在川西、滇东两个潮下海湾地带富集。磷块岩成因主要是因为强烈的上升洋流带来丰富的磷质,形成磷块岩,之后由于风暴作用的改造进一步富集,形成了扬子西缘著名的磷矿带。磷矿沉积序列的底部常见底冲刷构造,上部发育有丘状交错层理、平行层理,粒序层理和斜层理(图版I-1,2)。滇东地区风暴浅滩的岩性组合主要有白云岩-磷块岩及白云岩-硅质岩-磷块岩两种,磷矿层常上超在下伏砂屑白云岩上,其顶部发育有古岩溶面。在早期沉积格局的基础上,由于海平面急剧上升,在扬子东南边缘形成较深水盆地环境(图2)。沉积物最大特点是一套黑色沉积,岩性主要为黑色页岩和硅质岩。而在陆棚相则为硅质岩和泥岩,发育磷结核。3.2南方深水盆地中上扬子地区第二世筇竹寺期的构造古地理格局具继承性。最大的特点表现为:一是由于海平面的持续上升,导致深水盆地沉积范围有所扩大;另外是由于周边古陆的隆升剥蚀强度加大,并向近海提供大量物源,导致出现大面积碎屑岩浅海海域沉积环境。总体上西北高、东南低,海水域自西北向东南逐渐加深,由滨浅海向深水盆地过渡(图3,4)。该期的古陆主要有:汉南古陆、康滇古陆、牛首山古陆和鄂中古陆。该期的古地理最大的特点是碎屑浅海和深水盆地占据了绝大部分地区。碎屑浅海相带呈北东向展布,位于武定-巧家-乐山-剑阁-襄樊一线东南,昆明-毕节-石柱-仙桃一线西北区域内。其岩性以粉砂岩、砂质页岩夹细砂岩为主。由于早寒武世筇竹寺期的最大海侵,使整个海平面迅速上升到最高点,形成了宽广的浅海深水盆地环境。大致沿都匀-张家界-岳阳一线,该线西北以黑色含碳质页岩夹少量粉砂岩、粉砂质页岩为主(图版I-3),东南则以黑色碳质页岩夹硅质岩、硅质页岩为主体沉积(图版I-4,5,6)。页岩中常富含铀、镍等多种元素,碳质页岩有机质丰度高,有机碳含量约为1.96%,残余总有机碳(TOC)含量较高(平均值为0.8%~7.46%),底部常含磷结核,局部碳质富集成石煤,是早寒武世有利烃源岩相沉积区。3.3粗碎屑岩和海底陆棚相中上扬子在沧浪铺期为一次海退过程,尤其是在川西的广元、汉南等表现明显。其沉积格局与筇竹寺期有了较大的变化。主要表现为:西部地区出现了潮坪相和三角洲相,由碎屑浅海变为碳酸盐和碎屑岩混积浅海环境,发育一些礁滩沉积。深水盆地持续发展,只是范围有所缩减(图5,6)。三角洲相主要分布于米仓山地区,为一套粗碎屑岩,如四川旺苍、南江和陕西南郑的阎王碥组。潮坪相主要发育在沧浪铺期早期,在滇东的宜良、寻甸和川西南的峨眉、甘洛一带,主要为一套紫红色砂岩、粉砂岩和泥岩,发育大量的交错层理。浅海陆棚相占据了上扬子的大部分地区,沧浪铺组主要表现为浅海混积陆棚相,可分为内陆棚、外陆棚相为主。内陆棚相岩性下部以细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥页岩为主体,夹少量灰岩。上部底部多为含砾砂岩,向上变为泥页岩夹灰岩,多呈混积陆棚相。外陆棚相整体岩相主要为页岩、粉砂质页岩,夹灰岩,局部夹粉砂岩、极少量细砂岩,黔东一带灰岩多。浅海深水盆地相集中分布在都匀-张家界-岳阳以东南,融安-龙胜-萍乡以西北区域内,沉积以黑色碳质页岩夹硅质页岩或成互层状为主,局部夹少量灰岩或灰岩透镜体。在从江-靖州以东,地层多浅变质,以碳质板岩夹硅质板岩互层为主。生物礁滩相分布从云南永善、镇雄经贵州金沙、遵义、习水、湄潭、川东彭水、至湖北宜昌、通山一带,生物礁的形态呈不规则的马蹄形,大致反映了碳酸盐台地的雏形,其产出层位由西向东升高。3.4潮坪相及土壤早寒武世龙王庙期是中上扬子沉积相发生较大变化的时期。通过早期经过碎屑岩的铺垫,至该时期开始成为以碳酸盐海域为主体的沉积环境(图7,8),拉开了碳酸盐台地形成演化的序幕,其沉积模式为碳酸盐缓坡。由于受西缘岛链状古陆和隆起的影响,沿着西部边缘分布有大量的潮坪相沉积,岩性上多为紫红色、黄绿色粉-细砂岩与白云岩或白云质灰岩韵律互层。剖面层序自下而上,细砂岩→砂质碳酸盐岩→粉砂岩→较纯的碳酸盐岩,显正粒序特征,常见潮汐层理。在广大浅水海域,发育较多的浅滩相沉积。浅滩相主要由鲕粒白云岩、砂屑白云岩、白云岩和鲕粒灰岩组成,以点滩形态出现。同时,由于受周边古陆、隆起以及浅滩的围限作用以及