滇西上寒武统保山组瘤状灰岩成因

郝家栩，彭成龙，张国祥

(贵州省地质调查院，贵州 贵阳550005)

0 引言

瘤状灰岩在中国分布广泛，尤其在华北地台的寒武系、奥陶系及南方滇、黔、桂地区的泥盆系最为发育［1］。在沉积地层中，瘤状灰岩具有明显的外貌特征，部分地区产出层位稳定，是地层划分和对比的良好标志层。瘤状灰岩并非某一特定环境或特定时代的产物，从前寒武纪到全新世，从浅海到半深海，均发现有瘤状灰岩产出，因此，研究其成因对分析沉积成岩环境、岩相古地理演化都是较为有用的。近年来，瘤状灰岩的形成机理受到地质界的广泛关注，并已有了一些研究成果［2-3］。

滇西施甸地区寒武系发育较好，地层相对较连续，是滇西进行地层学、岩石学及沉积学等方面研究的理想场所。前人对区内地层、古生物方面作了较多研究［5-7］，但对其中瘤状灰岩的成因研究甚少，尤其是对寒武系及其中瘤状灰岩的成因研究鲜有报道。本文从岩石学特征出发，结合前人的研究资料，对区内广泛发育于上寒武统保山组 (C-3b1-3)中的瘤状灰岩的成因进行初步研究，分析其形成机理，并探讨保山组沉积环境及岩相古地理，探讨瘤状灰岩的产出与晚泛非造山运动的关系。

1 瘤状灰岩的特征及分布

研究区位于保山地块中部 (见图1)，是一个具有相对稳定的古生代—中生代沉积序列的大陆地块，属于保山地层分区之施甸地层小区［4］。薄片研究显示，研究区内发育的保山组瘤状灰岩主要有瘤状泥晶 (重结晶)藻砂屑灰岩、瘤状泥晶 (重结晶)藻砾砂屑灰岩、瘤状亮晶—泥晶 (重结晶)藻砂屑灰岩、瘤状亮晶—泥晶 (重结晶)藻砾砂屑灰岩、瘤状铁染泥晶藻砂屑灰岩、条纹—网纹—瘤状泥晶 (重结晶)藻砂屑灰岩、瘤状含粉砂质含生物屑藻迹微晶—泥晶灰岩、瘤状 (微含黏土质微含粉砂质)白云质含生物屑微晶—泥晶灰岩等，根据其形态特征及成因差异，大致可划分出3种特征类型。

图1 研究区大地构造位置图Fig.1 Structural location of the study area

①压扁瘤状灰岩 常见于北部王家山地区保山组二段及南部柳水地区保山组三段中下部，瘤体与基质成分、颜色存在明显差异。瘤体多为浅灰色 (含生物屑)微晶—泥晶灰岩，组成矿物以方解石为主，其次为少量陆源碎屑。瘤体一般呈扁豆状、不规则条带状和疙瘩状(见图2 a、2b)，占岩石体积的30% ～70%不等，大多顺层分布，大小一般0.5～3.0 cm。基质呈灰色、黄绿色，以钙质泥岩和含钙泥岩为主，主要为黏土矿物，含量30%～70%，其次为方解石，含量12%～37%。瘤体和基质的成分差异在岩石的风化表面尤为明显，表现为瘤体易遭受风化淋滤，岩石表面形成条纹—网纹状溶蚀沟。岩石中生物屑有棘皮屑、腕足屑、三叶虫屑 (见图2c)、介形虫屑、双壳屑等，含量约为3% ～10%，分布不均匀，粒度一般0.10～5.00 mm，为砾砂级生物屑。某些瘤体边缘具溶蚀现象，呈微弱港湾状。

②串珠状瘤状灰岩 见于南部柳水—岔河一带保山组第一岩性段中。瘤体常为灰白色亮晶—泥晶灰岩，组成矿物以方解石为主，陆源碎屑极少或无。瘤体一般呈串珠状、疙瘩状(见图2 d)，占岩石体积的45%～60%，排列方向与层理较为协调，大多顺层分布，大小一般0.5～3.0 cm。基质呈黄绿色，多为含钙泥岩，矿物成分主要为黏土矿物，含量50%～70%，其次为方解石，含量一般20%～30%。瘤体和基质的成分差异在岩石的风化表面也十分明显，表现为瘤体易遭受风化淋滤，岩石表面形成串珠状、蜂窝状溶蚀孔洞。岩石中有棘皮屑、腕足屑、三叶虫屑、介形虫屑、双壳屑等，含量约为5%～20%，分布不均匀，粒度一般0.10～5.00 mm，为砾砂级生物屑。某些瘤体具塑性变形的形态，泥质基质有“似流动构造”，局部基质缠绕瘤体分布而使瘤体外观呈假砾状。

图2 瘤状灰岩特征Fig.2 Features of nodular limestone

③角砾状瘤状灰岩 该类型仅见于柳水—岔河地区保山组三段顶部，延伸不稳定。岩石由瘤体和基质两部分组成，瘤体与基质成分、颜色差异大。瘤体为灰白色，呈次棱角状和疙瘩状 (见图2e、2 f)，大小不一，小者0.5×0.8 cm，大者3.0×4.0 cm，占岩石体积的60%～80%，无序分布。瘤体无明显搬运、磨圆和分选的迹象，为含藻粉砂屑灰岩及微晶—泥晶灰岩，向上砂屑含量渐增，为一向上变浅的层序。瘤体由晶粒方解石 (含量76%～80%)、内碎屑 (含量2%～10%)、生物屑 (含量约2%)构成。其中内碎屑为粉砂屑级，呈次圆状、圆状，磨圆度及分选性较好，为蓝绿藻及其分泌物粘结方解石灰泥于半塑性—塑性条件下经盆内打碎再沉积的产物。基质颜色为铁红色，成分主要为铁泥质及生物屑，呈细脉状、网状缠绕着瘤体分布。相邻角砾常能彼此嵌合，瘤体与基质界线清楚，为突变式接触。岩石中生物屑为棘皮屑等，保存不完整，较破碎，为异地生物屑。

综上所述，研究区内保山组瘤状灰岩的共同特征是:由瘤体和基质组成，瘤体与基质在成分、岩石上均存在明显差异。上述压扁瘤状灰岩和串珠状瘤状灰岩瘤体与基质为准同期产物，其原始沉积物均为互层状泥质薄层与灰质薄层。基质中泥质成分含量相对较高，瘤体为灰质或泥灰质，基质为泥质或灰泥质。角砾状瘤状灰岩中基质为后期充填，其沉积时期晚于瘤体，基质与瘤体成分和颜色上的差异较压扁瘤状灰岩和串珠状瘤状灰岩更明显。

2 瘤状灰岩成因及地质意义

瘤状灰岩的成因复杂多样，概括起来主要有以下几种解释:①底流溶解-胶结作用。较深水盆地中的泥灰质沉积物，由于底流作用对未固结或弱固结的沉积物进行溶解，造成底床沉积物突起、凹陷或分离;当底流作用中断时，这些突起、凹陷或分离的沉积物被胶结而形成瘤状形态［8］。②成岩分异作用。富含泥质的碳酸盐沉积物，在成岩过程中经化学分异作用，Ca2+重新聚集在一起形成瘤体［9］。③海底原地胶结作用。在深水环境中，海底底流和洋流作用使沉积中断，沉积物在沉积界面附近发生不均匀的早期胶结作用而形成瘤状灰岩［10～12］。④斜坡滑塌作用。在具有较大坡度的深水—半深水盆地斜坡上，呈互层状的泥质和灰质沉积层，其稳定性随着沉积厚度的增加而逐渐变差，进而沿斜坡发生水下滑塌。脆性相对较大的灰质层发生破碎形成灰质团块，而泥质层塑性大，发生揉皱变形，并包围灰质团块而形成扁豆状、串珠状、砾屑状灰岩［13］。⑤差异压实作用。呈互层状分布的泥质和灰质薄层，在成岩压实过程中，泥质层受压发生侧向流动，钙质层则被拉断而形成瘤体［14］。⑥压溶作用。成岩作用过程中发育的网状 (微)缝合线群、黏土膜将原来均匀的泥灰质沉积物分割成大小不一的瘤体［15～17］。⑦ 暴露成因。灰泥沉积层间歇性地暴露干裂，移位磨蚀，并被后期沉积物充填胶结［14］。⑧生物钻孔作用。碳酸盐沉积物沉积后，如果大量的底栖生物 (菊石、海胆、腹足、瓣腮、有孔虫等)对其进行钻孔扰动，就会产生不规则的通道，这些通道被泥、砂、白云石、隧石等物质充填，充填物形成基质，而未被扰动钻孔的碳酸盐就会形成不规则的瘤状体［8］。

研究区上寒武统为黏土岩夹碳酸盐岩，生物化石丰富，末期地壳隆起，缺失早奥陶世沉积［18］。由下至上，黏土岩减少，粉砂岩夹层增多，网纹状、瘤状泥晶 (重结晶)藻砂屑灰岩逐渐增多，表现为一个水体逐渐变浅的退积序列。保山组主要分布于南部柳水、北部王家山—大寨地区以及怒江西岸，可划分为3个岩性段:①北部王家山—磨石大寨一带为浅灰色鲕粒灰岩夹黏土岩，属陆棚边缘滩相;南部柳水—岔河地区下部为含黏土质粉砂岩，偶夹薄板状泥晶 (重结晶)藻砂屑灰岩，发育水平层理，产三叶虫及腕足类化石，发育滑移变形构造，属浅海陆棚相，上部为灰色网纹—条纹—瘤状泥晶 (重结晶)灰岩，属台地前缘斜坡相沉积。②北部王家山地区为黏土岩夹浅灰、灰黄色厚层网纹状瘤状 (微含黏土质、微含粉砂质)白云质含生物屑微晶—泥晶灰岩，含大量结核，具泥质基质包围泥晶灰岩的砾状结构，灰岩结核呈次圆状，为滩后澙湖相;南部柳水—岔河一带为含黏土质粉砂岩，发育水平层理，产三叶虫及腕足类化石，属浅海陆棚相。③王家山地区因地壳隆升而被剥蚀，南部柳水一带基本层序为网纹状、瘤状亮晶—泥晶藻砂屑灰岩—瘤状亮晶—泥晶藻砂屑灰岩，单韵律厚约2 m，瘤状层单层厚一般1～3 cm，属开阔台地相沉积。上述层序特征表明，保山组沉积时期，研究区台盆分异明显，具台—坡—盆古地理格局。

瘤状灰岩的3种形态类型对应于3种成因类型。根据瘤状灰岩的岩石学特征，结合其沉积环境及古生物化石特征，笔者认为，研究区内保山组瘤状灰岩具差异压实—压溶成因、斜坡滑塌成因及暴露成因3种形成机理。

①广泛分布于北部王家山保山组二段及南部柳水地区保山组三段中下部的条纹—网纹状、扁豆状、疙瘩状的瘤状灰岩是差异压实—压溶作用形成的。呈互层状的泥质和灰质沉积物，在半固结状态下，由于上覆沉积物的垂向压力作用，塑性较好的泥质层发生侧向流动，而塑性相对较差的灰质层被拉长变薄，两种沉积物界面先前的平整状态被打破，沉积层变得不均匀，灰、泥沉积物界面变得凸凹不平，整体强度降低，泥质层产生“似流动构造”，灰质层发生细颈化，形成条纹—网纹状瘤状灰岩。界面凹凸不平的沉积层整体强度降低使得差异压实作用加强，达到压溶作用需要的有效压应力时，产生差异压溶作用，沉积层内部产生差异溶解，先期被拉长的灰质层断开，受压相对较大、易溶的灰质层边缘开始局部溶解、圆化，形成扁豆状、长透镜状、疙瘩状瘤状灰岩。在进一步的差异压实—压溶作用过程中，部分瘤体发生短距离剪切错位，使得瘤状灰岩局部显示断续状，甚至杂乱状构造 (见图3A)。

图3 瘤状灰岩成因模式Fig.3 Genetic models of nodular limestone

②在具有较大坡度的深水—半深水盆地斜坡上，当灰质和泥质相间的沉积层逐渐增厚时，沉积层的稳定性逐渐变差，一旦有外界因素诱导便会沿斜坡发生水下滑塌。泥质沉积层因黏土物质孔隙中的化学充填作用进行得较慢，固结程度低，孔隙大，剪切阻力小，其岩石力学性质表现出较大的塑性，因而发生侧向流动形成似流动构造;灰质沉积层固结相对较早，塑性差，发生破碎而形成弱固结的灰岩砾块，如果此时滑动作用还未停止，加之上覆沉积物的重力作用，则弱固结的灰岩砾块部分可能会因滑动剪切而表现出一定的磨圆变形，形成具一定磨圆度的次圆状瘤体。瘤体被流动变形的泥质层包裹，再经后期固结成岩作用，最终形成砾屑状、扁豆状、串珠状灰岩 (见图3A)。

③保山组三段沉积末期，地壳开始隆升，局部露出水面，均匀分布的灰泥沉积层间歇性地暴露干裂，形成大小不一、形态各异的块体，在上覆沉积物的重力作用下，部分块体被压弯，后经风化溶蚀，形成似透镜状、疙瘩状瘤体。随后，地表水或地下水带来的黏土物质充填于瘤体之间的裂隙中，经进一步固结成岩作用，形成保山组顶部似角砾状瘤状灰岩 (见图3B)。

总而言之，滇西保山组中，最为常见的压扁瘤状灰岩产于北部王家山地区保山组二段及南部柳水地区保山组三段，总体属于开阔台地相产物。斜坡滑塌成因的串珠状瘤状灰岩仅见于南部柳水—岔河一带保山组一段中，表明保山组一段沉积时期 (相当于芙蓉世)，南部柳水—岔河一带处于一个台地前缘斜坡地带。这两种类型瘤状灰岩是综合成因的，其原始沉积物相似，均为互层状的泥质薄层和灰质薄层，早期均受到上覆沉积物不同程度的压实作用，只是后期因沉积环境差异，产生瘤状构造的主导因素发生改变 (前者为差异压实—压溶作用占主导，后者主要发生滑塌作用)，造成了瘤体形态的差异。

3 瘤状灰岩地质意义

保山组顶部瘤状灰岩具角砾状构造，角砾边缘可见微小的“V”字形裂纹，相邻的角砾状瘤体在形态上常能彼此嵌合，且铁红色的基质与灰岩瘤体的界面截然明显，两者成分及颜色上的差异异常清晰，表明保山组顶部角砾状的瘤状灰岩属暴露干裂成因无疑。保山组与上覆中—上奥陶统呈平行不整合或微角度不整合接触，是保山组沉积末期地壳一度暴露地表的有力证据。而区内暴露成因的似角砾状瘤状灰岩仅出现在保山组顶部，成为寒武纪末期地壳隆升的又一佐证。有文章指出，莫桑比克洋的闭合使东冈瓦纳与西冈瓦纳拼合成为冈瓦纳超大陆 (这个过程被称为“泛非造山作用”)［19］，而保山地块被认为是晚古生代晚期冈瓦纳大陆分离出来的一个微陆块［20～23］。因此可以认为，保山组顶部暴露成因瘤状灰岩的产出与晚泛非造山运动有直接关系，可能为晚泛非造山运动在保山地块的岩石学响应。

［1］ 董兆雄，朱晓惠，侯方浩，等.一种特殊瘤状灰岩的成因研究 ［J］.沉积学报，2002，20(1):20～24.DONG Zhao-xiong，ZHU Xiao-hui，HOU Fang-hao，et al.Study on origin of special nodular limestone ［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2002，20(1):20～24.

［2］ 夏丹，汪凯明，罗顺社，等.燕山地区高于庄组张家峪亚组瘤状灰岩成因研究 ［J］.石油地质与工程，2009，23(1):4～7.XIA Dan，WANG Kai-ming，LUO Shun-she，et al.Study on genesis of knollenkalk at Zhangjiayu subgroup of Gaoyuzhuang Group at Yanshan area［J］.Petroleum Geology and Engineering，2009，23(1):4～7.

［3］ 张霞，林春明，凌洪飞，等.浙西地区奥陶系砚瓦山组瘤状灰岩及其成因探讨 ［J］.古地理学报，2009，11(5):481～490.ZHANG Xia，LIN Chun-ming，LING Hong-fei，et al.Nodular limestone and its genesis from the Ordovician Yanwashan Formation in western Zhejiang Province［J］.Journal of Palaeogeography，2009，11(5):481～490.

［4］ 云南省地质矿产局.云南省区域地质志 ［M］.北京:地质出版社，1990.Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Yunnan Province.Regional geology of Yunnan Province［M］.Beijing:Geological Publishing House，1990.

［5］ 时言，龚大明.滇西保山施甸地区泥盆系研究新知 ［J］.成都地质学院学报，1992，19(3):21～34.SHI Yan，GONG Da-ming.Advances of Devonian research in Baoshan-Shidian area，western Yunnan ［J］.Journal of Chengdu College of Geology，1992，19(3):21～34.

［6］ LIU Ben-pei，FENG Qing-lai，FANG Nian-qiao.Tectonic evolution of the Palaeo-Tethys in Changning-Menglian Belt and adjacent Regions，Western Yunnan ［J］.Journal of China University of Geosciences，1991，2(1):18 ～28.

［7］ Mullins H T，Wilber R J，Bardmen M R.Nodular carbonate sediment on Bahamian slopes［J］.Sediment Petrol，1980，50(1):117～138.

［8］ 孙庆峰.结核状碳酸盐岩研究综述 ［J］.上海地质，2005，(4):62～67.SUN Qing-feng.On nodular limestones［J］.Shanghai Geology，2005，(4):62 ～67.

［9］ 韩树芬.安微沿长江地区下三叠统瘤状灰岩成因研究 ［J］.地质科学，1983，(3):232～238.HAN Shu-fen.［J］.Study on the genesis of the Lower Triassic nodular limestone in the area along Yangtze River in Anhui Province［J］.Scientia Geologica Sinica，1983，(3):232 ～238.

［10］ Mullins H T，Neumann A C，Wilber R J，et al.Nodular carbonate sediment on Bahamian slopes:Possible precursors to nodular limestones［J］.Journal of Sedimentary Petrology，1980，50(1):117 ～131.

［11］ Rais P，Louis Schmid B，Bernasconi S M，et al.Palaeocean ographic and palaeoclimatic reorganization around the Middle Late Jurassic transition ［J］.Palaeogeography，Palaeoclimat ology，Palaeoecology，2007，251:527～546.

［12］ 蓝光志，张廷山，高卫东.川西北地区早志留世瘤状灰岩的类型、成因及意义 ［J］.西南石油学院学报，1994，16(3):1～5.LAN Guang-zhi，ZHANG Ting-shan，GAO Wei-dong.The types，genesis and significance of the Early Silurian nodular limestone in the area of northwestern Sichuan ［J］.Journal of Southwest Petroleum Institute，1994，16(3):1～5.

［13］ 朱洪发，王恕一.苏南、皖南三叠纪瘤状灰岩、蠕虫状灰岩的成因 ［J］.石油实验地质，1992，14(4):454～460.ZHU Hong-fa，WANG Shu-yi.The origins of the Triassic nodular and vermicular limestones in south Jiangsu-south Anhui provinces［J］.Experimental Petroleum Geology，1992，14(4):454～460.

［14］ 郭福生，梁鼎新.浙江江山砚瓦山组瘤状灰岩的成因 ［J］.矿物岩石，1993，13(3):74～80.GUO Fu-sheng，LIANG Ding-xin.Genesis of the nodular limestone in Washan Formation in Jiangshanyan，Zhejiang Province［J］.Journal of Mineralogy and Petrology，1993，13(3):74～80.

［15］ 冯增昭，王英华，李尚武，等.下扬子地区中下三叠统青龙群岩相古地理研究 ［M］.昆明:云南科技出版社，1988:1～69.FENG Zeng-zhao，WANG Ying-hua，LI Shang-wu，et al.Research on lithofacies palaeogeography of the Lower-Middle Triassic Qinglong Group in the lower Yangtze region［M］.Kunming:Yunnan Science and Technology Press，1988:1～69.

［16］ 郭福生.下扬子地区三叠系下统瘤状灰岩成因研究 ［J］.华东地质学院学报，1989，12(4):17～22.GUO Fu-sheng.Study on the genesis of the Lower Triassic nodular limestone in the lower Yangtze region ［J］.Journal of East China College of Geology，1989，12(4):17～22.

［17］ 金振奎，冯增昭.云贵地区二叠系瘤石灰岩的成因 ［J］.岩石矿物学杂志，1994，13(2):133～137.JIN Zhen-kui，FENG Zeng-zhao.The origin of the Permian nodular limestones in Yunnan-Guizhou region ［J］.Acta Petrologica et Mineralogica，1994，13(2):133～137.

［18］ 黄勇，邓贵标，彭成龙，等.滇西保山南部早中奥陶世沉积缺失的发现及意义 ［J］.贵州地质，2009，26(1):1～6.HUANG Yong，DENG Gui-biao，Peng Cheng-long，et al.The discovery and significance of absence in Early-Middle Ordovician in southern Baoshan，western Yunnan ［J］.Guizhou Geology，2009，26(1):1 ～6.

［19］ 陆松年.初论“泛华夏造山作用”与加里东和泛非造山作用的对比 ［J］.地质通报，2004，23(9):952～958.LU Song-nian.Comparison of the Pan-Cathaysian orogeny with the Caledonian and Pan-African orogenies ［J］.Geological Bulletin of China，2004，23(9):952～958.

［20］ Wopfner H.Gondwana origin of the Baoshan and Tengchong terrenes of west Yunnan［C］ //Hall R，Blundel D.Tectonic evolution of Suntheast Asia.London:Geological Society，1996:539～547.

［21］ Yin A，Harrison T M.Geologic evolution of the Himalayan-Tibetan orogeny ［J］.Annual Review of Earth and Planetary Sciences，2000，28:211～280.

［22］ 钟大赉.滇川西部古特提斯造山带 ［M］.北京:科学出版社，1998.ZHONG Da-ben.Palaeo-Tethysides in the west of Yunnan and Sichuan provinces［M］.Beijing:Science Press，1998.

［23］ 陈福坤，李秋立，王秀丽，等.云南特提斯带保山—腾冲地块早古生代岩浆岩 ［J］.地球学报，2005，26(增刊):93.CHEN Fu-kun，LI Qiu-li，WANG Xiu-li，et al.Early Paleozoic magmatism in Baoshan-Tengchong block of the Tethyan belt，Yunnan Province ［J］.Acta Geoscientica Sinica，2005，26(Supp.):93.