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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (1): 107-119  
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史冀忠, 陈高潮, 姜亭, 魏建设, 牛亚卓. 银额盆地及邻区石炭纪小独山期—二叠纪紫松期岩相古地理[J]. 地质通报, 2018, 37(1): 107-119.
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Shi J Z, Chen G C, Jiang T, Wei J S, Niu Y Z. Lithofacies palaeogeography of Carboniferous Xiaodushanian-Permian Zisongian Stage in Yingen-Ejin basin and its adjacent areas[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(1): 107-119.
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基金项目

中国地质调查局项目《银额盆地及周缘油气基础地质调查》(编号:DD20160172)、《银额盆地上古生界油气战略选区调查》(编号:DD20160200)和国家自然科学基金项目《甘蒙北山黑鹰山地区晚石炭世沉积盆地性质分析》(批准号:41402097)

作者简介

史冀忠(1983-), 男, 硕士, 高级工程师, 从事油气基础地质调查研究。E-mail:shijizhong0241@sina.com

文章历史

收稿日期: 2017-09-15
修订日期: 2017-11-03
银额盆地及邻区石炭纪小独山期—二叠纪紫松期岩相古地理
史冀忠 , 陈高潮 , 姜亭 , 魏建设 , 牛亚卓     
中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054
摘要: 采用野外地质调查与室内研究相结合的方法,根据野外地质调查收集的沉积岩岩石学特征、古生物及沉积构造标志,结合室内地球化学分析测试结果,总结研究区的沉积相划分标志,将研究区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)划分出6种沉积相,即辫状河三角洲相、冲积扇相、滨海相、碳酸盐岩台地相、浅海陆棚相和海相火山岩相,并进一步划分为13种沉积亚相。浅海陆棚相和滨海相是研究区沉积的主体,碳酸盐岩台地相次之,辫状河三角洲相和冲积扇相仅在靠近敦煌-阿拉善-狼山古陆及马鬃山-拐子湖中间隆起带的部分有分布,海相火山岩主要分布于裂谷中心火山喷发带。
关键词: 银额盆地及邻区    小独山期—紫松期    阿木山组    干泉组    岩相古地理    
Lithofacies palaeogeography of Carboniferous Xiaodushanian-Permian Zisongian Stage in Yingen-Ejin basin and its adjacent areas
SHI Jizhong, CHEN Gaochao, JIANG Ting, WEI Jianshe, NIU Yazhuo     
Xi'an China Geological Survey Center, China Geological Survey, Xi'an 710054, Shaanxi, China
Abstract: Based on field geological research and laboratory study using a combination of methods, collected sedimentary petrologic characteristics, palaeontologic marker and sedimentary structures in the field investigation, in combination with results of geochemical analysis, the authors summarized sedimentary facies signs in the study area. The Carboniferous-Permian Amushan Formation(Ganquan Formation)in the study area was divided into six kinds of sedimentary facies, namely braided river delta, alluvial fan, offshore, carbonate platform facies, shallow continental shelf and marine volcanic facies, which were further divided into thirteen kinds of sedimentary subfacies, in which shallow continental shelf and offshore is the main area of the deposition, followed by carbonate platform facies, whereas braided river delta and alluvial fan are distributed only near the Dunhuang-Alxa-Langshan ancient land and Mazongshan-Guaizihu uplift zone, and marine volcanic rocks mainly occur at the center of the rift valley.
Key words: Yingen-Ejin basin and its adjacent areas    Xiaodushanian-Zisongian stage    Amushan Formation    Ganquan Formation    lithofacies palaeogeography    

国土资源大调查项目《银额盆地及周缘油气基础地质调查》针对研究区石炭系—二叠系进行了大量的基础地质调查工作,在盆地性质、地层划分、沉积相与盆地演化等方面取得了一系列进展[1-2]。由于受资料的限制,研究区岩相古地理研究略显薄弱,盆地内部砂岩和烃源岩的纵横向展布不清,制约了进一步的油气勘探。

岩相古地理是油气勘探最基础的工作,对石油天然气预测及勘探具有明显的指导作用[3]。研究区石炭纪小独山期—二叠纪紫松期是盆地发育的鼎盛时期,沉积的阿木山组(干泉组)中浅海陆棚相暗色泥岩为重要的烃源岩[2],因此有必要对研究区石炭纪小独山期—二叠纪紫松期进行详细的岩相古地理研究。笔者参加了该项目的地面地质调查工作,在剖面实测和路线地质调查过程中采集了大量的薄片、地球化学、重矿物等分析样品,取得了大量的野外资料及分析测试成果。本文在前人研究的基础上,以野外地质调查剖面为基础,根据收集的沉积岩岩石学特征、古生物及沉积构造标志信息,结合室内分析测试结果,总结研究区的沉积相划分标志并对石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)进行沉积相的划分,研究单剖面沉积相及其纵横向变化,重塑研究区石炭纪小独山期—二叠纪紫松期的岩相古地理。

1 地质背景

银额盆地及邻区晚古生代石炭纪—二叠纪为裂谷盆地[4-5],可划分为4个二级构造单元,即黑鹰山-额济纳旗坳陷带、马鬃山-拐子湖中间隆起带、柳园-巴丹吉林坳陷带和巴彦诺日公陆相断陷带(图 1-b)。研究区石炭纪—二叠纪为大范围的浅海陆棚相或碳酸盐岩台地相沉积,并伴有多期次的火山喷发,发育巨厚的火山岩,在相对稳定阶段形成碎屑岩+碳酸盐岩建造。石炭纪—二叠纪地层记录了盆地形成、发展、消亡的完整沉积演化,晚石炭世小独山期—早二叠世紫松期为盆地发育的鼎盛时期[6]

图 1 银额盆地及邻区地质略图(a)和石炭系—二叠系构造单元划分(b) Fig.1 Geological sketch map and tectonic units of Carboniferous-Permian strata in Yingen-Ejin basin and its adjacent areas
1.1 地层分布情况

研究区地层涉及金塔、额济纳旗、哲斯等地层小区,不同程度发育小独山期-紫松期地层[7],西部命名为干泉组,东部命名为阿木山组。干泉组主要出露于银额盆地西部及北山地区的碧云泉、甜水井北、黑鹰山、哈珠北、大狐狸山、小狐狸山、珠斯楞南东、野马井、努尔盖等地,其中甜水井北剖面原时代为绿条山组,黑鹰山和哈珠北剖面原时代为白山组,碧云泉剖面原时代为哲斯组,经锆石测年将剖面时代重新厘定为晚石炭世干泉组[8-9],厚度为1390.8~2628.5m,岩性横向变化大。阿木山组主要出露于银额盆地东部的乌兰敖包、乌力吉、阿伦功、呼伦陶勒盖、恩格尔乌苏北、查干套海、乌兰冲吉、川吉哈达等地,厚度为376.9~ 3229.6m(图 1-a)。

1.2 层序地层特征及对比

研究区石炭系—二叠系划分为1个Ⅰ级层序,4个Ⅱ级层序,7个Ⅲ级层序,其中石炭纪小独山期—二叠纪紫松期相当于Ⅲ级层序的Ssq3,对应的岩性地层单元为阿木山组(干泉组),全区均有分布。Ssq3总体表现出下粗上细的沉积特征,为一完整的Ⅲ级层序,发育低水位体系域、海进体系域和高水位体系域(图 2)。

图 2 银额盆地及邻区石炭纪小独山期—二叠纪紫松期北部(a)和南部(b)东西向层序地层格架 Fig.2 EW-trending sequence stratigraphic framework of Carboniferous Xiaodushanian-Permian Zisongian Stage in northern (a) and southern (b) Yingen-Ejin basin and its adjacent areas

黑鹰山-额济纳旗坳陷带甜水井北剖面角度不整合于泥盆系之上,为Ⅰ型层序界面,其余剖面未见底,顶部界面类型不清(图 2-a)。碧云泉剖面底部的灰色砾岩、含砾粗砂岩、长石砂岩、长石杂砂岩,珠斯楞南东剖面底部的褐黄色钙质长石砂岩、石英杂砂岩夹褐红色细砾岩构成低水位体系域。碧云泉剖面的灰色粉砂岩、凝灰质砂岩,甜水井北剖面的灰色粉砂岩、长石砂岩,大狐狸山剖面的灰色-深灰色细砂岩、粉砂岩、泥岩,小狐狸山剖面的灰色砂岩、长石砂岩,珠斯楞南东剖面的灰色、灰黄色、杂色长石砂岩、钙质长石粉砂岩及灰绿色英安岩、安山岩、流纹岩构成海进体系域。碧云泉剖面的灰色长石砂岩、粉砂岩和粉砂质泥岩,甜水井北剖面的灰色泥岩、粉砂质泥岩,大狐狸山剖面的灰色、灰黑色泥岩、粉砂岩,小狐狸山剖面的灰色砾岩、砂砾岩、粗砂岩夹粉砂岩,珠斯楞南东剖面的灰红色粉砂质泥岩、钙质粉砂岩、钙质长石砂岩和安山岩构成高水位体系域。

柳园-巴丹吉林坳陷带剖面未见顶底,界面类型不清(图 2-b)。野马井剖面下部的深灰色砾岩、含砾砂岩,努尔盖剖面下部的紫红色砾岩,乌兰敖包剖面下段的浅灰色砾岩、含砾砂岩、长石杂砂岩构成低水位体系域。野马井剖面的灰黑色凝灰质粉砂岩、英安质凝灰岩、紫红色细砂岩,努尔盖剖面上部火山岩段,川吉哈达剖面的深灰色粉砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩,乌兰冲吉剖面的浅灰色长石砂岩、石英砂岩和粉砂岩,恩格尔乌苏北剖面的浅灰色、黄灰色长石石英砂岩、含砾砂岩、砾岩、细砂岩,乌力吉剖面下段的浅灰色长石砂岩、长石石英砂岩夹灰岩透镜体,乌兰敖包剖面的灰色、浅灰色灰岩、长石砂岩和长石石英砂岩构成海进体系域。川吉哈达剖面的灰黑色粉砂质泥岩,乌力吉剖面中段的灰色、浅灰色中薄层灰岩、含生物灰岩,上段的灰绿色长石砂岩、长石杂砂岩、岩屑杂砂岩、泥质粉砂岩、褐红色薄层泥岩,乌兰敖包剖面上部的灰色粉砂质泥岩构成高水位体系域。

2 沉积相类型及特征 2.1 沉积相标志 2.1.1 沉积岩颜色

沉积岩颜色是沉积的重要标志之一,尤其是泥质岩类的颜色,是判断沉积环境的重要标志。研究区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)沉积碎屑岩中泥质岩发育,主体以深灰色、灰黑色为主(图版Ⅰ-a),泥质岩类发育代表了水体较深、有机质较丰富,以还原环境为主的沉积特征。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.川吉哈达阿木山组浅海陆棚相灰黑色泥岩;b.乌兰敖包阿木山组辫状河三角洲平原辫状河道沉积砾岩;c.努尔盖干泉组冲积扇砾岩;d.小狐狸山干泉组冲积扇砾岩;e.呼伦陶勒盖阿木山组滨海相灰色长石砂岩;f.大狐狸山干泉组滨海相泥质粉砂岩;g.乌力吉山恨阿木山组开阔台地相灰岩;h.黑鹰山干泉组灰色含角砾英安质熔岩凝灰岩
2.1.2 岩性组合特征

研究区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)岩性组合为碎屑岩(泥岩、砂岩、砂砾岩)+碳酸盐岩+火山岩(或火山碎屑岩),以碎屑岩为主,火山岩(含火山碎屑岩)次之,碳酸盐岩分布不均匀(表 1)。岩石组合特征表明,研究区石炭纪—二叠纪阿木山组(干泉组)沉积期水体变化频繁,物源供给变化较大,在盆地稳定期物源相对贫乏,发育碳酸盐岩,反之相反,并具有多期次的火山作用。

表 1 银额盆地及邻区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)实测剖面岩性组合特征 Table 1 Lithologic association of observed profile of Carboniferous-Permian Amushan Formation(Ganquan Formation) in Yingen-Ejin basin and its adjacent areas
2.1.3 碎屑岩岩石学特征

以阿木山组(干泉组)实测剖面薄片鉴定资料为依据,以砂岩为重点,对岩石学特征进行分析与总结,统计结果见表 2图 3

表 2 银额盆地及邻区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)砂岩成分统计 Table 2 Components of sandstone of Carboniferous-Permian Amushan Formation(Ganquan Formation)in Yingen-Ejin basin and its adjacent areas
图 3 银额盆地及邻区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)砂岩成分分类 Fig.3 Composition classification of the sandstone of Carboniferous-Permian Amushan Formation(Ganquan Formation) in Yingen-Ejin basin and its adjacent areas A—石英砂岩;B—长石质石英砂岩;C—岩屑质石英砂岩;D—长石岩屑质石英砂岩;E—长石砂岩;F—岩屑质长石砂岩;G—岩屑长石砂岩;H—长石岩屑砂岩;I—长石质岩屑砂岩;J—岩屑砂岩;1—乌兰敖包;2—阿伦功;3—查古尔;4—尚丹;5—山恨;6—陶来;7—大狐狸山;8—小狐狸山;9—川吉哈达;10—甜水井;11—碧云泉;12—呼伦陶勒盖

由于研究区涉及范围大,沉积物源、水动力条件等差异大,各剖面岩石学特征存在显著差异。阿木山组(干泉组)各剖面石英含量介于5%~61.45%之间,长石含量介于11.81%~39%之间,岩屑含量介于5%~62.86%之间,胶结物含量介于7.57%~19.75%之间,胶结方式以孔隙式胶结为主,个别为基底式胶结、半孔隙半接触式胶结。

靠近阿拉善古陆和切刀古陆的剖面石英含量高,乌兰敖包剖面石英含量为25% ~85%,平均61.45%,阿伦功剖面石英含量为25%~30%,平均27%,乌力吉剖面石英含量平均为25%。而位于北部的黑鹰山-额济纳旗坳陷带的剖面石英含量普遍低,碧云泉剖面石英含量为5%~12%,平均为8%,甜水井剖面石英含量为5%,大狐狸山剖面石英含量为10%~17%,平均为13.5%,小狐狸山剖面石英含量为8%~10%,平均为9.14%(图 4)。

图 4 银额盆地及邻区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)砂岩成分平面分布 Fig.4 Distribution of components of sandstone of Carboniferous-Permian Amushan Formation(Ganquan Formation) in Yingen-Ejin basin and its adjacent areas
2.1.4 古生物标志

研究区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)古生物化石以有孔虫、苔藓虫、珊瑚、腕足、头足、三叶虫、棘皮、双壳、瓣鳃、介形虫、海绵骨针等为主,尤其是含大量的珊瑚、腕足、蜓类、海百合茎等浅海生物化石[1, 10]。生物组合特征表明,晚石炭世—早二叠世区内为滨-浅海相为主的沉积环境。

2.1.5 沉积构造

沉积构造指沉积物沉积时或沉积之后,由于物理作用、化学作用及生物作用形成的各种构造,其中原生构造可以确定沉积介质的营力及流动状态,有助于分析沉积环境[11]。研究区石炭系—二叠系地表剖面受构造改造,原始层理被置换,使沉积构造的识别较困难,仅在部分厚层块状砂岩中可见。

2.1.6 微量元素

微量元素对古沉积环境的指示具有重要意义,前人通过大量的研究得出一系列用微量元素及其比值判别沉积环境的指标,常用B含量、Sr/Ba值、B/Ga值恢复沉积介质的古盐度条件;用Th/U值区分海相与陆相沉积环境;用V/(V+Ni)值确定沉积介质的氧化还原条件[12-15]。通过对研究区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)不同剖面采集的泥岩样品进行微量元素分析,各剖面的微量元素及比值见表 3。从表 3可以看出,研究区总体为半咸水-咸水的海相沉积环境,且为水体分层不强的厌氧环境。

表 3 银额盆地及邻区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)微量元素特征 Table 3 The trace element features of Carboniferous-Permian Amushan Formation(Ganquan Formation) in Yingen-Ejin basin and its adjacent areas
2.2 沉积相类型及其特征

研究区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)可划分出6种沉积相,并进一步划分为13种沉积亚相(表 4),即辫状河三角洲相(包括辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘2个亚相)(图版Ⅰ-b)、冲积扇(包括扇根、扇中和扇缘3个亚相)(图版Ⅰ-cd)、滨海相(包括海岸沙丘、后滨、前滨和临滨4个亚相)(图版Ⅰ-ef)、碳酸盐岩台地相(包括开阔台地、台地边缘浅滩2个亚相)(图版Ⅰ-g)、浅海陆棚相(未分亚相)(图版Ⅰ-a)和海相火山岩相(包括爆发相和溢流相2个亚相)(图版Ⅰ-h)。

表 4 银额盆地及邻区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)沉积相类型 Table 4 Sedimentary facies classification of Carboniferous -Permian Amushan Formation(Ganquan Formation) in Yingen-Ejin basin and its adjacent areas
3 沉积相展布特征 3.1 沉积相纵横向展布特征

剖面对比相分析用来揭露单剖面之间相的横向变化。剖面对比相分析的关键是等时对比界面和单元的确定。在地层对比和层序地层研究的基础上,以实测剖面为主要依据,同时参考1:20万区域地质调查报告所测剖面,在充分研究单剖面沉积相的基础上,选择南北向骨干剖面作沉积相对比剖面图,分析沉积相的纵横向变化规律。

从单剖面及沉积相对比剖面图(图 5)可以看出,研究区主要发育滨海相、浅海陆棚相和海相火山岩相,个别剖面发育碳酸盐岩台地相、冲积扇和辫状河三角洲相。纵向上总体表现出下粗上细的沉积特征,从下到上水体逐渐变深。由于研究区“两坳一隆”的构造格局和裂谷盆地的性质,横向上呈现出以裂谷为中心南北对称的特点,中间为浅海陆棚相,向两边逐渐过渡为滨海相,盆地边缘发育过渡相沉积。

图 5 银额盆地及邻区石炭纪小独山期—二叠纪紫松期西部(a)和东部(b)南北向沉积相对比(岩性图例同图 2 Fig.5 NS-trending sedimentary facies correlation of Carboniferous Xiaodushan-Permian Zisongian Stage in western(a)and eastern(b)Yingen-Ejin basin and its adjacent areas
3.2 沉积相平面展布特征

沉积相平面图的编绘以实测剖面为主要依据,并参考1:20万区域地质调查报告所测剖面。分析各剖面的优势相、编制砂地比等值线图及物源分析图,作为沉积相平面图相带划分的依据,同时根据火山岩分布及火山岩相的发育特征,在沉积相平面图上划出裂谷中心的分布。

物源分析认为,研究区存在3个物源,分别为敦煌-阿拉善-狼山古陆,马鬃山古陆-赛汉陶来古陆-切刀古陆构成的中间隆起带及研究区北部物源(阿勒泰古陆),呈现“两坳一隆”的沉积格局[6]

从砂地比等值线图(图 6)可以看出,研究区有2个沉积中心,黑鹰山-额济纳旗坳陷带沉积中心在甜水井北—大狐狸山一带,柳园-巴丹吉林坳陷的沉积中心在川吉哈达一带。

图 6 银额盆地及邻区石炭纪小独山期—二叠纪紫松期岩相古地理 Fig.6 Lithofacies palaeogeography of Carboniferous Xiaodushan-Permian Zisongian Stage in Yingen-Ejin basin and its adjacent areas

研究区晚石炭世小独山期—早二叠世紫松期为海相沉积范围最大的时期,南部沉积边界到达努尔盖,东部沉积边界到达乌兰敖包(图 6)。研究区以滨海相和浅海陆棚相为主,浅海陆棚相是研究区的主体相带,滨海相为盆地边缘靠近物源区的沉积相带;努尔盖发育冲积扇相沉积;乌兰敖包剖面发育辫状河三角洲相沉积;乌力吉和查干套海发育碳酸盐岩台地相沉积。此外,在乌兰敖包等剖面碳酸盐岩也有一定厚度,但在整个剖面中所占比例较小,平面图上未作为碳酸盐岩台地相进行划分。根据火山岩分布特征,在北山地区北部甜水井北-黑鹰山-哈珠北-大狐狸山、盆地南部野马井-努尔盖划出2个裂谷中心。

4 讨论

该时期岩相古地理呈“两坳一隆”的沉积格局,中间为马鬃山-拐子湖中间隆起带,南北有2个裂谷中心,裂谷中心两侧沉积相对称分布,存在多个物源体系,这些都符合裂谷盆地的沉积特征。另外,研究区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)岩性组合为碎屑岩+碳酸盐岩+火山岩(或火山碎屑岩),不存在深海大洋特征的硅泥质建造;碎屑岩所占比例高,陆源碎屑的大量存在是近源、快速堆积或沉积的重要证据,反映蚀源区新生陆壳的组成和构造活动特征[16];生物组合特征表明,研究区晚石炭世—早二叠世为滨-浅海相为主的沉积环境。

碎屑岩锆石测年结果显示,干泉组(阿木山组)的物源有晚奥陶世、早志留世、早泥盆世、早石炭世和晚石炭世(表 5),早石炭世和晚石炭世准同生期的年龄是由于砂岩中火山岩岩屑含量较高,为准同生期火山喷发形成的高地再搬运沉积的结果,这从薄片结果可以得到证实。该时期各剖面岩屑含量较高,岩屑成分以火山岩及其火山碎屑岩岩屑为主,有少量的砂岩岩屑、硅质岩岩屑、灰岩碎屑、变质岩岩屑等,形状多为次圆状、次棱角状和不规则状。该时期准同生期火山喷发提供了大量的物源,根据实测剖面火山岩的分布情况划分出2个裂谷中心火山喷发带。

表 5 银额盆地及邻区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)碎屑岩锆石测年及物源时代 Table 5 Detrital zircon dating and provenance era of Carboniferous-Permian Amushan Formation(Ganquan Formation) in Yingen-Ejin basin and its adjacent areas

需要说明的是,区内地层经受多期构造-岩浆活动的影响,使部分剖面未见顶底,为断层接触或侵入接触。另外,研究区大范围被沙漠覆盖,由于资料不足使古陆的边界及沉积相的界线部分为推测,岩相古地理图将随着各种资料的丰富和研究程度的提高而不断修改、完善。

5 结论

(1)研究区石炭系—二叠系阿木山组(干泉组)划分出6种沉积相,即辫状河三角洲相、冲积扇相、滨海相、碳酸盐岩台地相、浅海陆棚相和海相火山岩相,并进一步划分为13种沉积亚相。

(2)研究区石炭纪小独山期—二叠纪紫松期为盆地发育的鼎盛时期,以滨海相和浅海陆棚相为主,浅海陆棚相是研究区的主体相带,滨海相为盆地边缘靠近物源区的沉积相带;辫状河三角洲相和冲积扇相仅在靠近阿拉善古陆的乌兰敖包和努尔盖分布;碳酸盐岩台地相在乌力吉和查干套海发育;海相火山岩分布于北山地区北部甜水井北-黑鹰山-哈珠北-大狐狸山和盆地南部野马井-努尔盖2个裂谷中心火山喷发带。

致谢: 成文过程中,得到中国地质调查局西安地质调查中心卢进才教授级高级工程师、叶芳老师和韩伟、李渭工程师等的支持和帮助,在此一并表示衷心感谢。

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