中上扬子地台中寒武世古地理及白云岩成因①

余宽宏 金振奎 苏 奎 张 伟 董晓东 吕玉珍杜宏宇 张卫丹 陈 英

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院 山东青岛 266580;2.中国石油大学(北京)地球科学学院 北京 102249)

0 引言

白云岩是碳酸盐岩重要的储集岩类型，关于其成因前人做了很多研究。金振奎等［1］，冯增昭等［2］通过对华北地台古生代白云岩的研究，将白云岩类型分为泥粉晶白云岩和砂糖状白云岩。泥粉晶白云岩又可进一步分为含膏和不含膏，分别形成于萨布哈和潮坪环境的潮上带;砂糖状白云岩为前期白云岩后期重结晶形成。冯增昭等［3］通过华北地台奥陶系马家沟组白云岩研究将以上白云岩成岩方式进行了细化。张学丰等［4］对白云岩成岩模式进行和综合讨论。金振奎等［5］通过滇东—川西二叠系白云岩的研究提出了玄武岩淋滤白云化作用。

前人建立的白云化成因模式丰富了我们对于白云岩形成机理的认识。尽管前人提出了多种的白云化模式，但总结起来都围绕以下几个问题展开讨论:(1)白云化流体的来源。高Mg2+/Ca2+比的流体，需要水体具有一定的盐度，即局限的古地理环境。(2)白云化过程的动力学障碍。以上两点是解释白云化作用机理的基础。

白云岩成因与流体的盐度即流体性质有密不可分的关系。陆表海环境更能创造有利于白云化作用发生的环境，特别是大规模的潮坪准同生白云化作用和回流渗透白云化作用。中上扬子地区在中寒武统发育大面积的膏岩，说明这一时期水体局限，沉积环境为咸化澙湖。特殊的古地理特征形成了特殊的岩性组合，比如膏岩层与白云岩层或者膏质白云岩互层。

研究发现中上扬子地区寒武系白云岩十分发育，主要集中分布在下寒武统龙王庙阶、中寒武统以及上寒武统。中上扬子地区寒武系具有和其它同时代的碳酸盐岩盆地一样的特征，如塔里木盆地，膏岩层广泛分布，白云岩成因和寒武纪大规模的海水咸化具有密切的关系。根据大量野外露头剖面实测与观察、岩心观察及分析化验，对中上扬子地区寒武纪古地理进行了系统的作图与分析。在古地理研究基础上，就具有代表性的中寒武统白云岩形成机理进行了系统研究。

1 地质背景

1.1 地理位置及构造分区

中上扬子地区西北至西昌—成都—广元一带，西南至昆明一带，东北至山阳—南阳一带，东南至武汉—铜仁—三都一线，涉及滇、黔、桂、川、渝、陕、豫、鄂、皖等九个省、直辖市及自治区，大体上位于21°～33°N，100°～114°E，研究区包括龙门山、秦岭—大别山、雪峰山等围限的以四川盆地、江汉盆地为主体的中上扬子台地地区，以及北缘斜坡—盆地部分地区，面积约50×104km2(图1)。

研究区是扬子地区的一部分，由中上扬子大陆区(Ⅰ)和扬子陆块北缘区(Ⅱ)组成(图1)。中上扬子大陆区(Ⅰ):寒武纪时期，扬子陆块基本上属于稳定的克拉通，但比典型的克拉通活动性大，具有间歇性和幅度不大的断块活动。扬子北部陆缘区(II):扬子北部陆缘区为复杂的被动大陆边缘区，为过渡型地壳［6～14］。

图1 中上扬子地区地理位置及主要剖面位置Fig.1 Location of the study area and distribution of outcrop cross-seetions and wells

表1 中上扬子地区中寒武统对比Table 1 Stratigraphic schemes of the Middle Cambrian in the Middle-Upper Yangtze Plate

1.2 地层特征

本次研究采用的地层对比原则是基于冯增昭教授《中国南方寒武纪和奥陶纪岩相古地理》［15］以及中国地层典中对寒武系的划分方案［16］。

中上扬子中寒武统中部台地区岩石类型为浅水沉积的碳酸盐岩，以泥晶白云岩、泥质白云岩为主;而北缘则为代表深水沉积的薄层灰泥石灰岩与灰质泥岩互层。发育的地层单位有陡坡寺组、西王庙组、洗象池群、娄山关群、高台组、石冷水组、平井组、孔王溪组、覃家庙群、新坪组、习家店组、立秋湾组。各岩石地层单位发育的地理区域见表1。

本次研究资料主要来自于野外露头实测、踏勘、前人露头研究资料的整理以及扬子地台内部寒武系未出露地区井资料的分析。实测剖面、观察剖面以及钻井剖面位置如图1，露头主要分布在四川东北部、陕西西南部、湖北西北部、重庆东北部、重庆南部、云南以及贵州的广大区域。钻井资料主要分布于露头缺乏的盆地腹地。

2 岩相古地理特征

2.1 剖面对比

中上扬子地台寒武纪发育大面积膏岩，呈薄层或者厚层状与白云岩或者灰岩互层产出。图2为过咸化澙湖的近于南北向的剖面(剖面位置见图3)。沙滩剖面陡坡寺组、建深1井覃家庙组、鱼1井覃家庙组、利1井覃家庙组、李2井覃家庙组、重庆秀山溶溪剖面高台组和平井组基本上为中寒武统同一时期。在岩性对比中发现膏岩和泥晶白云岩交互发育，膏岩的产出状态可以为含膏的泥晶白云岩，也可以为纯粹的膏岩层。局部地区发育有限的泥坪。高能的浅滩相白云岩化后形成残余鲕粒白云岩，但浅滩发育局限。在咸化澙湖发育的地区还是以低能的潮坪泥晶白云岩为主，只有在台地边缘颗粒滩才逐渐发育(重庆秀山溶溪剖面)。另外在咸化澙湖区还有未被白云岩化的局限朝下灰泥石灰岩，规模也相对较小。

2.2 岩相古地理

古地理制图采用的是冯增昭教授单因素分析、多因素综合作图法。研究过程中分别对中寒武统露头剖面及井的地层厚度(绝对厚度)、粗碎屑岩厚度百分比、浅水碳酸盐岩厚度百分比、深水碳酸盐岩厚度百分比、黑色页岩厚度百分比、薄层硅岩厚度百分比、泥粉晶白云岩厚度百分比、颗粒灰岩厚度百分比以及膏岩厚度(绝对厚度)进行了统计并做平面等值线图，在此基础上综合分析岩相古地理展布。限于篇幅，本文不再赘述，仅以中寒武统泥粉晶白云岩厚度百分比和膏岩厚度等值线图为例说明。准同生白云岩和膏岩所分布的范围直接控制了中寒武统白云岩的成因及分布，此特点与下寒武统截然不同。

图2 中上扬子地台中寒武统覃家庙组(陡坡寺组、高台组—平井组)岩相对比图Fig.2 Lithological correlation of Middle Cambrian Tanjiamiao Group(Douposi Group，Gaotai-Pingjing Group)

研究过程中把泥粉晶白云岩含量大于50%的地区划分为云坪(图3泥粉晶白云岩百分含量等值线)。中寒武世云坪主要发育在贵州大方县、重庆秀山县、湖北武隆县以及湖北京山县等地区。岩石类型主要为泥粉晶白云岩和少量灰泥石灰岩以及砂糖状白云岩，发育叠层石、泥裂、鸟眼等构造。中寒武世浅滩发育较少，局部以台地内相对高地的台地鲕粒滩为主，规模不大，主要发育在湖北西北部以及台地东南部台地边缘区。古地理图中将膏岩厚度大于20 m的地区划分为咸化澙湖(图3膏岩厚度等值线)。咸化澙湖内局部高地发育潮坪泥粉晶白云岩。该咸化澙湖面积较大，分布跨重庆、湖北、贵州等省，在白云岩形成和储层改造中起着重要的作用。咸化澙湖整体上深度不大，并且内部和潮坪交替发育，这种古地理格局导致了咸化澙湖和潮坪的白云化作用有重要的相关性。中寒武世古地理格局见图3:中上扬子地区发育有古陆、碎屑岩陆棚、碳酸盐岩台地、斜坡—盆地、云坪、浅滩、咸化澙湖等古地理单元。

图3 中上扬子地区中寒武统膏岩厚度、泥粉晶白云岩百分含量等值线图及岩相古地理①金振奎.南方寒武系定量岩相古地理研究及油气预测.系中国石油化工股份有限公司海相前瞻性研究项目成果报告，2009Fig.3 Contour map of Middle Cambrian gypsum rocks thickness and percentage of micritic dolomites and paleogeography of Middle Cambrian in the Middle-Upper Yangtze plate

图4为过图3的A—B剖面的沉积模式图。古陆位于研究区的西北方向，中寒武世古陆低缓，陆源碎屑物质供给量减小，沉积范围有限(图3碎屑岩滨岸)，且沉积物的粒度细。而这一时期重要的特点是中上扬子地台的腹地大面积水体局限、盐度异常，沉积了大面积的膏岩，整体上为膏岩澙湖和云坪的交互出现。陆表海整体水体较浅，内部多有出露和局限的洼地。出露海面的环境为台地内潮坪，相对低洼的部分为局限台地或者澙湖。很多人在理解潮坪环境时易于受经典模式的左右，认为潮坪发育在靠岸一侧，而实际上只要台地内部的相对凸起的环境出露海面，潮坪环境即形成。古代陆表海的一这一特征易于形成浅水区潮坪与局限台地或者澙湖的交替发育，因此对白云岩的大规模发育是有很好的促进作用。

露出海平面的平缓地带，发育泥粉晶白云岩，为潮坪沉积环境;始终位于海平面以下的为咸化澙湖。局部开阔地带也发育灰泥石灰岩及浅滩环境的颗粒石灰岩，但总体上规模较小。

图4 中上扬子地区中寒武统沉积模式图(对应图3中A—B)Fig.4 Depositional model of the Middle Cambrian in the Middle-Upper Yangtze plate

3 白云岩成因

3.1 岩石学特征

研究区寒武系白云岩可以分为两大类:泥粉晶白云岩及砂糖状白云岩。泥粉晶白云岩宏观上呈薄层状(图5)，含泥质夹层，发育叠层石(图5)，发育水平层理、鸟眼构造常见，反映了水上暴露的富氧环境。泥粉晶白云岩常常和膏岩交互出现，膏岩溶蚀易于形成膏溶角砾岩(图5)。这一类白云岩晶体细小(图5)，靠近澙湖时富含石膏结核、假晶(图5)。石膏是强烈蒸发的产物，反映这类白云岩形成于高盐度环境。

砂糖状白云岩晶粒较粗，细晶—中晶为主，自形程度好(图5)。由于结晶速度的关系，砂糖状白云石自形程度好，镜下观察晶粒多为0.1～0.5 mm。颜色多灰色、深灰色，未见氧化色。

3.2 地化特征

泥粉晶白云岩与砂糖状白云岩碳氧同位素值也有很大的差别。表2样品取自贵州东北部中寒武统铜仁万山剖面中寒武统杨柳岗组。泥粉晶白云岩比砂糖状白云岩碳同位素明显偏高。泥粉晶白云岩中δ13C 值为 0～-1.8‰(PDB)，平均-0.68‰(PDB);δ18O值为-5.8‰ ～ -6.9‰(PDB)，平均为-6.39‰(PDB)。砂糖状白云岩碳同位素值比泥粉晶白云岩值低，砂糖状白云岩中δ13C值为0～-3.1‰(PDB);氧同位素值与泥粉晶白云岩相当，δ18O值为-5.8‰～-6.9‰(PDB)，平均为-6.93‰(PDB)(表 2)。

表2 贵州东北部(铜仁万山剖面)地区中寒武统白云岩碳氧同位素数据Table 2 Carbon and oxygen isotopic values of Middle Cambrian dolomites in northeast Guizhou province of China(Wanshan section in Tongren)

3.3 垂向岩性组合特征

在地层剖面上，泥粉晶白云岩常常与砂糖状白云岩交替叠置，或者泥粉晶白云岩、砂糖状白云岩以及膏岩层交替叠置。

图6为重庆市秀山县溶溪剖面中寒武统平井组详细的岩石学特征，泥粉晶白云岩常常与砂糖状白云岩交替叠置。该剖面可以代表台地边缘地区膏岩不发育的局限台地白云岩组合特征。图6为簰深1井中寒武统和上寒武统顶部的钻井剖面，泥粉晶白云岩、砂糖状白云岩以及膏岩交替叠置。

图5 中上扬子地区中寒武统白云岩岩石学特征A.薄层泥晶白云岩，重庆秀山溶溪剖面，中寒武统高台组;B.叠层石，重庆秀山溶溪剖面中寒武统高台组;C.膏溶角砾岩，云南富民县干沟红梁子山剖面中寒武统双龙潭组，野外照片;D.泥晶白云岩夹薄层深灰色泥岩，沙滩剖面沙中寒武统陡坡寺组;E.含硬石膏泥晶云岩，簰深1井，6 560 m中寒武统;F.回流渗透残余鲕粒砂糖状白云岩，重庆秀山溶溪剖面中寒武统平井组。Fig.5 Petrologic features of Middle Cambrian dolomites in the Middle-Upper Yangtze plate

图6 露头及钻井剖面白云岩特征A.重庆市秀山县溶溪剖面中寒武统平井组详细剖面白云岩组合特征;B.簰深1井中寒武统以及下寒武统顶部岩石学特征Fig.6 Characteristics of different dolomites in outcrops and well

这种岩性垂向上的重复叠置代表了古地理单元随地质时间的变迁，但古地理特征在中寒武世总体上保持图3的特征，即整体为局限台地。

3.4 白云化机理及模式

本文依据白云岩的岩石学特征、地球化学特征，结合古地理对白云岩成岩的宏观控制等方面的研究，提出中上扬子地区中寒武统主要的白云化机理是潮坪准同生白云化和回流渗透白云化。中寒武世台地局限，盐度异常，为这两种白云化作用大规模的进行提供了古地理背景。另外，中寒武世这种古地理背景也是解释中寒武统发育大套白云岩的基础。

(1)潮坪准同生白云化

在广阔的碳酸盐岩台地内部出露的高地，由于水体局限或者是坡度很缓，水体的能量很低，发育为低能的潮坪沉积环境。潮坪的潮上带蒸发导致周围咸化澙湖的高盐度水体以及潮下正常海水通过蒸发泵的机理向潮上带运移动。浓缩的海水形成高镁钙比的白云化流体，对潮坪环境的沉积的松散灰泥进行白云化，形成潮坪准同生泥粉晶白云岩［17～19］。白云岩晶粒粗细是判断白云岩成因的重要标志之一［20，21］，具有前文岩石学特征的泥粉晶白云岩晶粒细小，主要为形成于准同生阶段。另外，咸化环境的准同生泥粉晶白云岩碳氧同位素显高值［22～24］，地化资料也支持这一结论。

(2)回流渗透白云化

潮坪准同生白云化富余的高镁钙比流体回流的过程中对下伏的岩层进行白云化，形成砂糖状白云岩。中上扬子地区中寒武统回流渗透的白云化流体主要为准同生白云化富余流体的回流。回流渗透白云化是漫长的过程，所以首先在晶体形态上区别于潮坪准同生白云岩，另外在同位素特征方面也和后者有典型的差别［25～28］。

图7 中上扬子地区中寒武统白云岩化综合模式Fig.7 Origins of Middle Cambrian dolomites in the Middle-Upper Yangtze plate

(3)白云化综合模式

综合古地理分布特征、白云岩岩石学特征、同位素地球化学资料以及岩相组合关系等方面的因素分析，提出了中上扬子地区中寒武统白云岩化的综合模式(图7)。

台地内相对隆起的地区发育潮坪环境，蒸发泵白云化机理是潮坪上准同生白云岩形成的主要机理。澙湖咸化过程中，膏岩(CaSO4)发生沉淀，Mg2+相对富集，Mg2+/Ca2+增高。这种高Mg2+/Ca2+的高盐度海水在蒸发泵作用下向潮上带运移，将潮上带松软的沉积物白云化，形成准同生泥粉晶白云岩。富余的白云化流体回流，将下伏地层白云化，形成砂糖状白云岩。在古地理的变迁过程中，台地的古地理单元也随地质时代发生变迁，以前澙湖区可能露出水面形成潮坪环境，潮坪环境下沉形成澙湖环境。这种交替的古地理导致了寒武系在垂向上准同生泥粉晶白云岩、回流渗透砂糖状白云岩以及石膏层的交替叠置。

4 结论

本次研究共取得以下认识:

(1)中上扬子地区中寒武世发育大面积的碳酸盐岩局限台地。台地之内发育面积巨大的浅水咸化澙湖，膏岩呈不同规模的层状与白云岩交互发育。古地理在宏观上控制了白云岩的形成、平面分布以及垂向发育特征。

(2)扬子地台寒武系主要发育泥粉晶白云岩和砂糖状白云岩两大类。泥粉晶白云岩形成于准同生成岩阶段，形成于潮坪环境;砂糖状白云岩主要为回流渗透白云化成因。

(3)古地理的变迁导致了潮坪与澙湖的交替，形成了寒武系垂向上准同生泥粉晶白云岩、砂糖状白云岩以及膏岩层交替叠置的特征。

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