贵州紫云地区石炭系打屋坝组沉积相分析

李 治，冉 彬，王明晗，郭 伟，李法浩，王逸琼

1. 南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023；2. 贵州省地质调查院 基础地质调查部，贵州 贵阳550004；3. 中国地质大学（武汉） 地质过程与矿产资源国家重点实验室，湖北 武汉 430074；4. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021

贵州紫云地区石炭系打屋坝组沉积相分析

李 治1，冉 彬2,3，王明晗4，郭 伟3，李法浩1，王逸琼1

1. 南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023；2. 贵州省地质调查院 基础地质调查部，贵州 贵阳550004；3. 中国地质大学（武汉） 地质过程与矿产资源国家重点实验室，湖北 武汉 430074；4. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021

紫云地区作为贵州页岩气调查的工作区之一，其石炭系打屋坝组沉积相分析对古地理恢复及页岩气调查具有重要意义。通过野外调查、典型剖面分析与比较，结合微量元素（V、Sc、Cr）地球化学特征对紫云地区打屋坝组进行了详细的地层划分与对比，确定了其沉积相体系为深水陆棚-盆地相。打屋坝组在该时期空间上的沉积相分别为陆棚-盆地相、开阔台地相及局限台地相。发现该时期水体有变浅的趋势，从台盆沉积变化到氧化面上的深水陆棚沉积，其中打屋坝二段黑色页岩十分发育，有利于页岩气储集。

紫云；石炭系；打屋坝组；沉积相

一、引言

紫云地区泥盆系风暴重力流发育3种沉积序列组合，这3种序列组合代表了较深水的古地理环境，证实了滇黔桂盆地泥盆纪台地间槽盆环境的存在[2]。紫云运动受控于全球海平面下降和区域构造沉降的联合作用，晚泥盆纪末，全球规模的海退事件发生，贵州境内的黔北和黔中地区隆起成陆[3]。早石炭系的海侵造成了贵州南部到中部之间的地区早石炭系中期和晚期不同层位地层超覆于晚泥盆系、中泥盆系、早奥陶系、早至晚寒武系不同层位地层上[4]。通过碳酸岩盐微相分析方法，黔西南地区为一个在开阔台地与台地边缘过渡带上的局部相模式[5]。

而对该区石炭系相应地层沉积相及沉积环境的研究则较少。2012年，贵州省对全省的页岩气资源开展了系统的调查评价，其中针对下石炭统钻探了5口页岩气调查井（黔西南评价区4口、黔南评价区1口），是中国南方地区首次针对石炭系地层开展的实质性页岩气调查[6]。2015年初，贵州省地调院在紫云长顺一带钻取了2口下石炭统打屋坝组页岩气调查井（长页1井，代页1井），初步显示页岩气储量丰富。笔者结合野外地质调查、层序地层学、微量元素分析测试等方法，详细分析了紫云地区早石炭系沉积相特征，对该区石炭系古环境恢复及页岩气勘探具有重大意义。

二、区域概况

紫云地区位于扬子陆块西南缘，受近EW贵阳—镇远断裂带与NW垭都—紫云断裂带与近NE铜仁—三都断裂带三个不同方向断裂带控制，是一个相对稳定的区块。其西侧为黔西南复杂褶皱带，南侧为右江盆地，北侧为黔中隆起，东侧为江南隆起带（图1）。

图1 贵州紫云地区区域地质图（据贵州省地质调查院）

紫云地区地层石炭系从老到新依次出露为下统睦化组（C1m）、打屋坝组（C1dw）和同期异相的南丹组（C-P1n）以及下覆泥盆系上统五指山组（D2wz）。睦化组（C1m）地层以灰黑、深灰色中至厚层状生屑泥晶灰岩、生屑泥晶灰岩为主，夹泥岩、硅质岩及泥灰岩（图2-c），厚300m～350m。

打屋坝组（C1dw）主要岩性为黑、灰黑色薄层状泥岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩，夹深灰色薄层状硅质岩、泥灰岩，下部为黑色薄层泥岩、炭质页岩，夹少量深灰色薄层状泥灰岩；中部深灰色薄层状泥岩，夹薄至中厚层状粉砂岩；上部为黑色薄层状泥岩与深灰色薄-中厚层硅质岩组成韵律层，夹深灰色中层泥晶灰岩、生屑泥晶灰岩，厚300m～420m（图2-b）。

南丹组（C-P1n）主要由深灰色中厚层夹薄层生物泥晶灰岩、燧石泥晶灰岩、泥晶灰岩组成（图2-a），厚500m～1 200m。泥盆系五指山组（D2wz）为一套灰色薄-中厚层条带状灰岩，夹少量薄层状泥岩、硅质岩，局部地区夹白云岩、白云质灰岩，厚8m～500m（图2-d）。

图2 贵州紫云石炭统及下覆五指山组岩石特征

三、采样剖面

紫云东南四大寨处地层出露较好，分布完整，主要地层为下石炭统睦化组、打屋坝组及上石炭统的南丹组（图4）。整个剖面厚约237m，其中打屋坝组厚约213m，据岩性、矿物粒度、颜色等可细分为34层（表1），与下伏和上覆地层均整合接触。岩性整体上以硅质岩、碳质泥岩、碳质泥页岩为主，夹粉砂岩、泥质灰岩、灰岩、含硅质碳质泥岩等。

镁可以促进作物对磷、钾、钙元素的吸收和利用。每公顷玉米施镁肥（MgO计）66.7公斤时，植株对磷、钾肥料的利用率会分别提高18%和119%，有效增产6%。适量施镁可显著提高小白菜、番茄、辣椒、萝卜等果蔬类作物对磷、钾、钙的吸收，提升可食用部分的维生素C、还原糖等品质指标含量，同时产量也大幅增加。

图3 四大寨实测地层剖面

表1 四大寨实测剖面岩性描述

四、沉积相分析

（一）沉积构造特征

打屋坝组地层根据岩性变化从下往上可分为三段（图4）：

（1）一段：深灰色薄-中层状硅质岩，风化颜色为灰黑色，单层厚约3cm～15cm，层次清晰，层面较平整，硅质岩致密且坚硬，水平纹层发育，细层厚约3mm左右，与下伏睦化灰岩呈突变接触，层面较为平整。

（2）二段：灰黑色薄层碳质泥页岩夹深灰色硅质岩，泥页岩风化面为深灰色，泥页岩中水平层理发育，碳质含量较高，单层厚度约为1cm～3cm，硅质岩致密坚硬，水平层理发育，层次清晰，两者为突变接触，接触面平整。

（3）三段：灰黑色薄层碳质泥岩夹灰黄色粉砂岩。泥页岩风化面为深灰色，泥页岩中水平层理发育，碳质含量较高，单层厚度约为1cm～3cm，粉砂岩单层厚1cm～3cm，零星见水平纹层，纹层较宽缓，颜色为灰黄色、浅灰色相间形成，岩石中可见石英颗粒，磨圆为次圆-圆状，分选性较好，局部风化严重的岩石可见少量铁质。两者接触面总体平整，局部轻微起伏。南丹组底部以一套灰岩与打屋坝组分界。

对紫云剖面钻孔进行分析，发现打屋坝组水平层理（图5-a、5-b）较发育，纹层1mm～3mm。整体反映了一个静水状态下较为稳定的沉积环境。

图4 贵州紫云打屋坝组地层柱状图

图5 水平层理

（二）元素地球化学特征

沉积环境的变化会引起沉积相的变化，而沉积环境在一定程度上决定了元素的迁移和富集，从而反过来指示沉积环境的变化。对于微量元素在沉积物中的富集程度，赋存状态受到沉积的氧化还原环境控制。Cr、Sc与V元素以离子形式赋存于氧化水体中，在还原环境中以氧化物的形式富集[8-11]。在不同氧化还原环境中，微量元素的性质会不同，使得它们的富集与组成不同。所以可以运用这些元素的比值来进行沉积环境重建。

利用沉积岩或沉积物中的微量元素含量可恢复古海洋的沉积环境与氧化还原状态。海洋沉积物与沉积岩中的V、Sc、Cr微量元素来源为海洋与陆源碎屑，在计算微量元素的含量时，需要剔除陆源碎屑部分。沉积物被埋藏以后，这些微量元素不会发生迁移，保存了沉积时的含量和组分，能很好的反映沉积环境的特征。还原条件下的Sc与V具有不相溶性，V的含量变化相对于Sc的变化具有成比例性，利用V/ Sc比值更能够指示环境的变化，V与Cr也一样[12-14]。

通过野外剖面样品的微量元素测试数据（表2）可以得到特征微量元素比值，V/Cr值在0.51～10.6之间，平均值为1.8左右，硅质岩部分V/Cr比值多大于2，深灰色碳质泥页岩比值几乎全小于2。就整个剖面而言，底部的硅质岩部分代表还原环境沉积，中部与上部的深灰色泥页岩代表氧化环境沉积，而越向上，比值相对越小（图6）。V/Sc的比值在0.91～87之间变化，平均值为10.1，硅质岩部分V/Sc的比值大于9.1，表示早期的缺氧环境沉积，其中上段比值绝大多数均小于9.1，指示为氧化环境沉积。一段硅质岩沉积环境应为深水还原环境，二三段沉积环境为水体相对较浅的氧化环境，水深逐渐变浅。

表2 紫云V、Sc、Cr元素含量

（三）剖面沉积相分析

将紫云打屋坝组剖面与长顺、惠水打屋坝组剖面进行对比（图7），可以得到石炭系打屋坝组在空间上沉积相的变化。

1．第一段沉积相分析

紫云第一段下覆地层为睦化组的深灰色泥质灰岩，厚约12m，岩性为深灰色，灰黑色硅质岩，水平层理发育，偶夹泥质硅质岩。长顺段下覆地层为睦化组灰色灰岩夹薄层硅质岩，厚约129m，岩性为灰黑色碳质泥岩夹硅质岩，其中碳质泥岩水平层理发育，硅质岩呈层状、条带状，或者结核夹于碳质泥岩，部分可见含有少量黄铁矿颗粒。惠水下覆地层为睦化组泥质灰岩，打屋坝组厚约136m，岩性为灰黑色碳质泥岩，水平层理发育，部分可见少量透镜状结核，少量云母。从惠水—长顺—紫云第一段沉积厚度逐渐减少。从岩性上能够看出，沉积环境的水体逐渐加深。结合该时期古地理及岩性沉积构造，可以得出紫云处一段的沉积环境为台盆，长顺处一段沉积环境为深水开阔台地，惠水处一段沉积环境为开阔台地与局限台地边缘，但属于局限台地。

2．第二段沉积相分析

紫云第二段厚约63m，岩性为黑色碳质泥页岩夹硅质岩，泥页岩水平层理发育，含有机质较高，硅质岩呈层状夹于泥页岩中，少量以条带状，结核出现在泥页岩层间。长顺打屋坝组第二段厚约21m，岩性为灰黑色碳质泥岩夹灰黄色粉砂岩，两者水平层理发育。惠水打屋坝组厚约93m，岩性为灰黑色碳质泥岩夹灰黄色粉砂岩，泥岩中可见腕足、腹足生物化石，粉砂岩以层状夹于泥岩中，其中可见少量的粉砂岩透镜体。从惠水—长顺—紫云地层厚度先逐渐减薄，然后在逐渐增厚。岩性的变化上，第二段相对于第一段的沉积水体相对较浅，所以为水体变浅的沉积环境。紫云二段属于深水陆棚相沉积环境，长顺属于开阔台地相环境，惠水二段属于靠近开阔台地的局限台地。

图7 贵州紫云、长顺、惠水地层剖面对比

3．第三段沉积相分析

紫云第三段厚约15m，岩性为深灰色碳质泥页岩夹灰黄色粉砂岩，碳质泥页岩水平层理发育，粉砂岩风化后颗粒较明显。长顺第三段厚约16.01m，岩性灰黑色碳质泥岩与深灰色硅质岩互层，惠水第三段厚约17m，岩性为灰色粉砂岩，水平纹层发育，部分可见少量的碳质泥岩条带。三者地层厚度相差无几。根据岩性的变化，沉积环境的水体相对第二段较浅。紫云三段的沉积环境为深水陆棚相沉积，但要靠近台缘斜坡脚，长顺三段沉积环境依然为开阔台地，惠水三段的沉积环境为局限台地，但靠近开阔台地，在浪基面以下。

4．沉积相演化特征分析

紫云地区在打屋坝时期处于水城—紫云断裂带内槽盆，以深水陆棚-盆地沉积体系为主。在睦化组晚期海水开始快速海侵，海水不断由南向北部的黔中古陆侵入，水体加深[16-21]。所以在打屋坝一段为台盆沉积，沉积一套深灰色硅质岩（表3）。打屋坝第二、第三段表现为海退。在该时期，水城-紫云断裂带活动明显，主要以张裂为主，盆地向南东向移动且逐渐萎缩，同时台地扩大，此外岩性垂向上的变化也表明，海平面相对下降，水体变浅，此时打屋坝组以深水陆棚沉积为主，沉积了一套灰黑色碳质泥页岩夹深灰色硅质岩与灰黑色碳质泥页岩夹灰黄色粉砂岩。

表3 紫云打屋坝组沉积相类型及划分

五、结论

紫云石炭系打屋坝组沉积相体系主要为深水陆棚-盆地相。可分为深水陆棚和盆地两个亚相，第一段为盆地相沉积体系，第二、三段为深水陆棚相沉积体系。就整个黔西地区而言，石炭系海平面逐渐降低。紫云地区由于整体水体不深，地形坡度平缓，沉积相带的发育和分布主要受控于海平面升降变化。沿着紫云—长顺—惠水，打屋坝组空间上的沉积相分别为陆棚—盆地相、开阔台地相、局限台地相，沉积环境由还原环境变化到氧化环境，水体变浅。

打屋坝组四大寨剖面二段黑色页岩有机质成熟度高，脆性矿物组成的石英与长石含量高，粘土矿物少，几乎不含碳酸盐矿物；长顺、惠水剖面打屋坝三段黑色页岩发育了大量的微孔隙，其中溶蚀孔较常见，有利于页岩气的储集。

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（责任编辑：刘格云）

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

来稿日期：国家自然科学基金面上项目（41672186）；中国地质调查局项目（1212010610609）。

李治（1994—），男，湖北洪湖人，硕士研究生，主要从事沉积盆地研究。