李 治，冉 彬，王明晗，郭 偉，李法浩，王逸瓊

1. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 貴州省地質(zhì)調(diào)查院 基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查部，貴州 貴陽550004；3. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；4. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021

貴州紫云地區(qū)石炭系打屋壩組沉積相分析

李 治1，冉 彬2,3，王明晗4，郭 偉3，李法浩1，王逸瓊1

1. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 貴州省地質(zhì)調(diào)查院 基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查部，貴州 貴陽550004；3. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；4. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021

紫云地區(qū)作為貴州頁巖氣調(diào)查的工作區(qū)之一，其石炭系打屋壩組沉積相分析對古地理恢復(fù)及頁巖氣調(diào)查具有重要意義。通過野外調(diào)查、典型剖面分析與比較，結(jié)合微量元素（V、Sc、Cr）地球化學(xué)特征對紫云地區(qū)打屋壩組進(jìn)行了詳細(xì)的地層劃分與對比，確定了其沉積相體系為深水陸棚-盆地相。打屋壩組在該時(shí)期空間上的沉積相分別為陸棚-盆地相、開闊臺地相及局限臺地相。發(fā)現(xiàn)該時(shí)期水體有變淺的趨勢，從臺盆沉積變化到氧化面上的深水陸棚沉積，其中打屋壩二段黑色頁巖十分發(fā)育，有利于頁巖氣儲集。

紫云；石炭系；打屋壩組；沉積相

一、引言

紫云地區(qū)泥盆系風(fēng)暴重力流發(fā)育3種沉積序列組合，這3種序列組合代表了較深水的古地理環(huán)境，證實(shí)了滇黔桂盆地泥盆紀(jì)臺地間槽盆環(huán)境的存在[2]。紫云運(yùn)動受控于全球海平面下降和區(qū)域構(gòu)造沉降的聯(lián)合作用，晚泥盆紀(jì)末，全球規(guī)模的海退事件發(fā)生，貴州境內(nèi)的黔北和黔中地區(qū)隆起成陸[3]。早石炭系的海侵造成了貴州南部到中部之間的地區(qū)早石炭系中期和晚期不同層位地層超覆于晚泥盆系、中泥盆系、早奧陶系、早至晚寒武系不同層位地層上[4]。通過碳酸巖鹽微相分析方法，黔西南地區(qū)為一個(gè)在開闊臺地與臺地邊緣過渡帶上的局部相模式[5]。

而對該區(qū)石炭系相應(yīng)地層沉積相及沉積環(huán)境的研究則較少。2012年，貴州省對全省的頁巖氣資源開展了系統(tǒng)的調(diào)查評價(jià)，其中針對下石炭統(tǒng)鉆探了5口頁巖氣調(diào)查井（黔西南評價(jià)區(qū)4口、黔南評價(jià)區(qū)1口），是中國南方地區(qū)首次針對石炭系地層開展的實(shí)質(zhì)性頁巖氣調(diào)查[6]。2015年初，貴州省地調(diào)院在紫云長順一帶鉆取了2口下石炭統(tǒng)打屋壩組頁巖氣調(diào)查井（長頁1井，代頁1井），初步顯示頁巖氣儲量豐富。筆者結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查、層序地層學(xué)、微量元素分析測試等方法，詳細(xì)分析了紫云地區(qū)早石炭系沉積相特征，對該區(qū)石炭系古環(huán)境恢復(fù)及頁巖氣勘探具有重大意義。

二、區(qū)域概況

紫云地區(qū)位于揚(yáng)子陸塊西南緣，受近EW貴陽—鎮(zhèn)遠(yuǎn)斷裂帶與NW埡都—紫云斷裂帶與近NE銅仁—三都斷裂帶三個(gè)不同方向斷裂帶控制，是一個(gè)相對穩(wěn)定的區(qū)塊。其西側(cè)為黔西南復(fù)雜褶皺帶，南側(cè)為右江盆地，北側(cè)為黔中隆起，東側(cè)為江南隆起帶（圖1）。

圖1 貴州紫云地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖（據(jù)貴州省地質(zhì)調(diào)查院）

紫云地區(qū)地層石炭系從老到新依次出露為下統(tǒng)睦化組（C1m）、打屋壩組（C1dw）和同期異相的南丹組（C-P1n）以及下覆泥盆系上統(tǒng)五指山組（D2wz）。睦化組（C1m）地層以灰黑、深灰色中至厚層狀生屑泥晶灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r為主，夾泥巖、硅質(zhì)巖及泥灰?guī)r（圖2-c），厚300m～350m。

打屋壩組（C1dw）主要巖性為黑、灰黑色薄層狀泥巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，夾深灰色薄層狀硅質(zhì)巖、泥灰?guī)r，下部為黑色薄層泥巖、炭質(zhì)頁巖，夾少量深灰色薄層狀泥灰?guī)r；中部深灰色薄層狀泥巖，夾薄至中厚層狀粉砂巖；上部為黑色薄層狀泥巖與深灰色薄-中厚層硅質(zhì)巖組成韻律層，夾深灰色中層泥晶灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r，厚300m～420m（圖2-b）。

南丹組（C-P1n）主要由深灰色中厚層夾薄層生物泥晶灰?guī)r、燧石泥晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r組成（圖2-a），厚500m～1 200m。泥盆系五指山組（D2wz）為一套灰色薄-中厚層條帶狀灰?guī)r，夾少量薄層狀泥巖、硅質(zhì)巖，局部地區(qū)夾白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，厚8m～500m（圖2-d）。

圖2 貴州紫云石炭統(tǒng)及下覆五指山組巖石特征

三、采樣剖面

紫云東南四大寨處地層出露較好，分布完整，主要地層為下石炭統(tǒng)睦化組、打屋壩組及上石炭統(tǒng)的南丹組（圖4）。整個(gè)剖面厚約237m，其中打屋壩組厚約213m，據(jù)巖性、礦物粒度、顏色等可細(xì)分為34層（表1），與下伏和上覆地層均整合接觸。巖性整體上以硅質(zhì)巖、碳質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥頁巖為主，夾粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、含硅質(zhì)碳質(zhì)泥巖等。

鎂可以促進(jìn)作物對磷、鉀、鈣元素的吸收和利用。每公頃玉米施鎂肥（MgO計(jì)）66.7公斤時(shí)，植株對磷、鉀肥料的利用率會分別提高18%和119%，有效增產(chǎn)6%。適量施鎂可顯著提高小白菜、番茄、辣椒、蘿卜等果蔬類作物對磷、鉀、鈣的吸收，提升可食用部分的維生素C、還原糖等品質(zhì)指標(biāo)含量，同時(shí)產(chǎn)量也大幅增加。

圖3 四大寨實(shí)測地層剖面

表1 四大寨實(shí)測剖面巖性描述

四、沉積相分析

（一）沉積構(gòu)造特征

打屋壩組地層根據(jù)巖性變化從下往上可分為三段（圖4）：

（1）一段：深灰色薄-中層狀硅質(zhì)巖，風(fēng)化顏色為灰黑色，單層厚約3cm～15cm，層次清晰，層面較平整，硅質(zhì)巖致密且堅(jiān)硬，水平紋層發(fā)育，細(xì)層厚約3mm左右，與下伏睦化灰?guī)r呈突變接觸，層面較為平整。

（2）二段：灰黑色薄層碳質(zhì)泥頁巖夾深灰色硅質(zhì)巖，泥頁巖風(fēng)化面為深灰色，泥頁巖中水平層理發(fā)育，碳質(zhì)含量較高，單層厚度約為1cm～3cm，硅質(zhì)巖致密堅(jiān)硬，水平層理發(fā)育，層次清晰，兩者為突變接觸，接觸面平整。

（3）三段：灰黑色薄層碳質(zhì)泥巖夾灰黃色粉砂巖。泥頁巖風(fēng)化面為深灰色，泥頁巖中水平層理發(fā)育，碳質(zhì)含量較高，單層厚度約為1cm～3cm，粉砂巖單層厚1cm～3cm，零星見水平紋層，紋層較寬緩，顏色為灰黃色、淺灰色相間形成，巖石中可見石英顆粒，磨圓為次圓-圓狀，分選性較好，局部風(fēng)化嚴(yán)重的巖石可見少量鐵質(zhì)。兩者接觸面總體平整，局部輕微起伏。南丹組底部以一套灰?guī)r與打屋壩組分界。

對紫云剖面鉆孔進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)打屋壩組水平層理（圖5-a、5-b）較發(fā)育，紋層1mm～3mm。整體反映了一個(gè)靜水狀態(tài)下較為穩(wěn)定的沉積環(huán)境。

圖4 貴州紫云打屋壩組地層柱狀圖

圖5 水平層理

（二）元素地球化學(xué)特征

沉積環(huán)境的變化會引起沉積相的變化，而沉積環(huán)境在一定程度上決定了元素的遷移和富集，從而反過來指示沉積環(huán)境的變化。對于微量元素在沉積物中的富集程度，賦存狀態(tài)受到沉積的氧化還原環(huán)境控制。Cr、Sc與V元素以離子形式賦存于氧化水體中，在還原環(huán)境中以氧化物的形式富集[8-11]。在不同氧化還原環(huán)境中，微量元素的性質(zhì)會不同，使得它們的富集與組成不同。所以可以運(yùn)用這些元素的比值來進(jìn)行沉積環(huán)境重建。

利用沉積巖或沉積物中的微量元素含量可恢復(fù)古海洋的沉積環(huán)境與氧化還原狀態(tài)。海洋沉積物與沉積巖中的V、Sc、Cr微量元素來源為海洋與陸源碎屑，在計(jì)算微量元素的含量時(shí)，需要剔除陸源碎屑部分。沉積物被埋藏以后，這些微量元素不會發(fā)生遷移，保存了沉積時(shí)的含量和組分，能很好的反映沉積環(huán)境的特征。還原條件下的Sc與V具有不相溶性，V的含量變化相對于Sc的變化具有成比例性，利用V/ Sc比值更能夠指示環(huán)境的變化，V與Cr也一樣[12-14]。

通過野外剖面樣品的微量元素測試數(shù)據(jù)（表2）可以得到特征微量元素比值，V/Cr值在0.51～10.6之間，平均值為1.8左右，硅質(zhì)巖部分V/Cr比值多大于2，深灰色碳質(zhì)泥頁巖比值幾乎全小于2。就整個(gè)剖面而言，底部的硅質(zhì)巖部分代表還原環(huán)境沉積，中部與上部的深灰色泥頁巖代表氧化環(huán)境沉積，而越向上，比值相對越?。▓D6）。V/Sc的比值在0.91～87之間變化，平均值為10.1，硅質(zhì)巖部分V/Sc的比值大于9.1，表示早期的缺氧環(huán)境沉積，其中上段比值絕大多數(shù)均小于9.1，指示為氧化環(huán)境沉積。一段硅質(zhì)巖沉積環(huán)境應(yīng)為深水還原環(huán)境，二三段沉積環(huán)境為水體相對較淺的氧化環(huán)境，水深逐漸變淺。

表2 紫云V、Sc、Cr元素含量

（三）剖面沉積相分析

將紫云打屋壩組剖面與長順、惠水打屋壩組剖面進(jìn)行對比（圖7），可以得到石炭系打屋壩組在空間上沉積相的變化。

1．第一段沉積相分析

紫云第一段下覆地層為睦化組的深灰色泥質(zhì)灰?guī)r，厚約12m，巖性為深灰色，灰黑色硅質(zhì)巖，水平層理發(fā)育，偶夾泥質(zhì)硅質(zhì)巖。長順段下覆地層為睦化組灰色灰?guī)r夾薄層硅質(zhì)巖，厚約129m，巖性為灰黑色碳質(zhì)泥巖夾硅質(zhì)巖，其中碳質(zhì)泥巖水平層理發(fā)育，硅質(zhì)巖呈層狀、條帶狀，或者結(jié)核夾于碳質(zhì)泥巖，部分可見含有少量黃鐵礦顆粒?；菟赂驳貙訛槟阑M泥質(zhì)灰?guī)r，打屋壩組厚約136m，巖性為灰黑色碳質(zhì)泥巖，水平層理發(fā)育，部分可見少量透鏡狀結(jié)核，少量云母。從惠水—長順—紫云第一段沉積厚度逐漸減少。從巖性上能夠看出，沉積環(huán)境的水體逐漸加深。結(jié)合該時(shí)期古地理及巖性沉積構(gòu)造，可以得出紫云處一段的沉積環(huán)境為臺盆，長順處一段沉積環(huán)境為深水開闊臺地，惠水處一段沉積環(huán)境為開闊臺地與局限臺地邊緣，但屬于局限臺地。

2．第二段沉積相分析

紫云第二段厚約63m，巖性為黑色碳質(zhì)泥頁巖夾硅質(zhì)巖，泥頁巖水平層理發(fā)育，含有機(jī)質(zhì)較高，硅質(zhì)巖呈層狀夾于泥頁巖中，少量以條帶狀，結(jié)核出現(xiàn)在泥頁巖層間。長順打屋壩組第二段厚約21m，巖性為灰黑色碳質(zhì)泥巖夾灰黃色粉砂巖，兩者水平層理發(fā)育。惠水打屋壩組厚約93m，巖性為灰黑色碳質(zhì)泥巖夾灰黃色粉砂巖，泥巖中可見腕足、腹足生物化石，粉砂巖以層狀夾于泥巖中，其中可見少量的粉砂巖透鏡體。從惠水—長順—紫云地層厚度先逐漸減薄，然后在逐漸增厚。巖性的變化上，第二段相對于第一段的沉積水體相對較淺，所以為水體變淺的沉積環(huán)境。紫云二段屬于深水陸棚相沉積環(huán)境，長順屬于開闊臺地相環(huán)境，惠水二段屬于靠近開闊臺地的局限臺地。

圖7 貴州紫云、長順、惠水地層剖面對比

3．第三段沉積相分析

紫云第三段厚約15m，巖性為深灰色碳質(zhì)泥頁巖夾灰黃色粉砂巖，碳質(zhì)泥頁巖水平層理發(fā)育，粉砂巖風(fēng)化后顆粒較明顯。長順第三段厚約16.01m，巖性灰黑色碳質(zhì)泥巖與深灰色硅質(zhì)巖互層，惠水第三段厚約17m，巖性為灰色粉砂巖，水平紋層發(fā)育，部分可見少量的碳質(zhì)泥巖條帶。三者地層厚度相差無幾。根據(jù)巖性的變化，沉積環(huán)境的水體相對第二段較淺。紫云三段的沉積環(huán)境為深水陸棚相沉積，但要靠近臺緣斜坡腳，長順三段沉積環(huán)境依然為開闊臺地，惠水三段的沉積環(huán)境為局限臺地，但靠近開闊臺地，在浪基面以下。

4．沉積相演化特征分析

紫云地區(qū)在打屋壩時(shí)期處于水城—紫云斷裂帶內(nèi)槽盆，以深水陸棚-盆地沉積體系為主。在睦化組晚期海水開始快速海侵，海水不斷由南向北部的黔中古陸侵入，水體加深[16-21]。所以在打屋壩一段為臺盆沉積，沉積一套深灰色硅質(zhì)巖（表3）。打屋壩第二、第三段表現(xiàn)為海退。在該時(shí)期，水城-紫云斷裂帶活動明顯，主要以張裂為主，盆地向南東向移動且逐漸萎縮，同時(shí)臺地?cái)U(kuò)大，此外巖性垂向上的變化也表明，海平面相對下降，水體變淺，此時(shí)打屋壩組以深水陸棚沉積為主，沉積了一套灰黑色碳質(zhì)泥頁巖夾深灰色硅質(zhì)巖與灰黑色碳質(zhì)泥頁巖夾灰黃色粉砂巖。

表3 紫云打屋壩組沉積相類型及劃分

五、結(jié)論

紫云石炭系打屋壩組沉積相體系主要為深水陸棚-盆地相。可分為深水陸棚和盆地兩個(gè)亞相，第一段為盆地相沉積體系，第二、三段為深水陸棚相沉積體系。就整個(gè)黔西地區(qū)而言，石炭系海平面逐漸降低。紫云地區(qū)由于整體水體不深，地形坡度平緩，沉積相帶的發(fā)育和分布主要受控于海平面升降變化。沿著紫云—長順—惠水，打屋壩組空間上的沉積相分別為陸棚—盆地相、開闊臺地相、局限臺地相，沉積環(huán)境由還原環(huán)境變化到氧化環(huán)境，水體變淺。

打屋壩組四大寨剖面二段黑色頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度高，脆性礦物組成的石英與長石含量高，粘土礦物少，幾乎不含碳酸鹽礦物；長順、惠水剖面打屋壩三段黑色頁巖發(fā)育了大量的微孔隙，其中溶蝕孔較常見，有利于頁巖氣的儲集。

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（責(zé)任編輯：劉格云）

Sedimentary Facies Analysis of Carboniferous Dawuba Group in Ziyun District of Guizhou Province

LI Zhi1, RAN Bin2,3, WANG Ming-han4, GUO Wei3, LI Fa-hao1, WANG Yi-qiong1

1. Nanjing University, Jiangsu, Nanjing 210023; 2. Guizhou Geological Survey, Guiyang, Guizhou 550004;
3. China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074; 4. Zhejiang University, Zhoushan, Zhejiang 316021

The Carboniferous sedimentary facies analysis in Ziyun district, as one of the Guizhou shale gas survey work area, has important significance for the paleogeography and shale gas survey. Through field investigation, the typical profile analysis and comparison, combined with trace elements（V, Sc, Cr）geochemical characteristics of the Ziyun district called Dawuba group a detailed stratigraphic division and correlation, the system of its sedimentary facies deep-water shelf-basin facies deposition. In the period of Dawuba on the space phase respectively shelf basin facies and open platform facies, from the change of sedimentary basin to the oxidation on the surface of the deep shelf deposition, which houses two dam black shales are well developed, is conducive to the shale gas reservoir.

Ziyun; Carboniferous; Dawuba formation; sedimentary facies

P536

A

1007-6875(2017)02-0001-09

??日期：2017-03-12

10.13937/j.cnki.hbdzdxxb.2017.02.001

來稿日期：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41672186）；中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目（1212010610609）。

李治（1994—），男，湖北洪湖人，碩士研究生，主要從事沉積盆地研究。