桂西南地区三叠系沉积型锰矿床成因研究

尹青，伊海生，周凯

1.成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059 2.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南濮阳 457001 3.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059

桂西南地区三叠系沉积型锰矿床成因研究

尹青1,2，伊海生1,3，周凯2

1.成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059 2.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南濮阳 457001 3.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059

桂西南地区锰矿床资源富集并具有较好的找矿前景，然而目前有关该区三叠系主要沉积地层的地层格架划分尚较薄弱且鲜有探讨。利用桂西南地区东平锰矿区四口钻孔的自然伽马测井曲线进行去趋势、高通滤波处理以及累计残差计算等方法，对桂西南地区含锰岩系进行了旋回地层学研究。研究结果表明：含锰岩系下三叠统北泗组共可划分为四个海进—海退旋回层序，碳酸锰矿层发育的旋回层序位置主要出现于各旋回层序内海退沉积序列中，并位于旋回层序内海退—海侵界面附近，锰矿沉积主要发生在相对海平面由缓慢下降至逐渐上升的时期的转换时期。综合研究区锰矿形成的海平面变化、古地理条件、锰质来源、氧化还原条件等特征的基础上，笔者提出了研究区锰矿成因模式，即具有地理隔绝形式的、并由同生断裂控制的“局限海”台盆相碳酸锰矿沉积模式，碳酸锰矿的形成主要经历以下3个阶段：1)海平面下降—氧化锰矿物形成阶段；2)海平面上升—氧化锰矿物转化碳酸锰矿物阶段；3)最高海泛面—少量碳酸锰矿物发育阶段。该研究成果可为桂西南地区今后锰矿勘探工作中的地层分析、建立区域内高频层序单元格架及锰矿成因等研究提供一种新的方法和手段。

桂西南地区；三叠系；含锰岩系；旋回地层；海平面变化

桂西南地区是我国重要的优质富锰矿产区之一，该区发育的锰矿床(矿点)多、储量大，已探明的锰矿储量近2亿吨，锰矿资源量居全国之首。且锰矿赋存层位较多，根据产出特征锰矿类型总体可分为地下深部沉积型碳酸锰矿床[1-3]和地表浅部次生氧化锰矿床[4-6]两大类。三叠系是桂西南地区重要的含锰矿地层之一，含矿层位为下三叠统北泗组，是近碳酸盐台地的浅海台盆相碳酸盐岩建造。其下部夹4～13层含锰硅质岩或含锰灰岩，浅部形成锰帽型氧化锰矿。随着近年来桂西南地区地表次生氧化锰矿床的开采接近枯竭，以及钢铁、锰系合金等锰矿深加工产品的需求量持续加大，锰矿已被国家列为紧缺矿种之一，亟需后续大量的锰资源来支持。因此，桂西南地区下三叠统北泗组锰矿勘查工作也由地表氧化锰矿床逐渐转入深部沉积碳酸锰矿床，其地质研究工作也日益受到人们的重视。

然而目前有关桂西南地区三叠系地层格架划分尚较薄弱，沉积旋回和锰矿床的沉积成因鲜有探讨。研究区下三叠统含锰岩系岩性较为单调，总体为灰质、泥质、硅质、碳质等混合沉积，锰矿层虽然数量较多但标志层不明显。如何进行井间地层以及矿层对比一直是制约该地区锰矿勘探的难题。对于研究区沉积型碳酸锰矿床盆地，旋回地层研究可作为其重要的地层分析方法之一。由于旋回地层学用于识别和对比沉积旋回周期性变化具有较高的精确性和分辨率，其层序划分方案具有较统一和科学的定量方法，可大大减少了人为因素在高分辨率地层划分和对比研究中的影响[7]，近年来在前寒武纪至第四纪地层高精度划分与对比的研究中得到广泛的应用[8-11]。

2013年，由中国冶金地质总局承担，成都理工大学与四川省核工业地质调查院共同负责完成，首次将油田、煤田及铀矿等广泛采用的测井技术应用到桂西南地区锰矿床试验研究。本文应用研究区四口钻孔的自然伽马测井曲线，采取频谱分析、滤波处理及累计残差等方法，对含锰岩系进行了旋回地层学方面的研究，揭示了旋回层序在下三叠统北泗组含锰岩系的发育规律和特点、旋回叠加模式以及层序成因机制，并提出了研究区锰矿成因模式。旨为今后在探讨含锰岩系成因机制，建立勘探区内中、下三叠统高分辨率地层格架，以及应用定量模拟方法解决地层和沉积方面的问题等方面研究提供新的技术和思路。

1 区域地质背景

桂西南锰矿区位于中国南方大陆构造域与古特提斯—喜马拉雅构造域交汇部位附近，早古生代属于扬子准地台与华南地槽的过渡区[12]。该区一级大地构造单元处于南华准地台西南段，二级构造单元为右江再生地槽区[13]。研究区东南缘界限为南宁断裂，东北缘界限为南丹—昆仑关断裂，西北缘界限为弥勒—师宗断裂，南缘界限红河断裂，在平面上表现为由东向西呈菱形状展布的构造区，也被称作为右江褶皱构造带[14](图1)。该区经历了加里东构造运动期地槽阶段—海西构造运动期地台阶段—印支构造运动期再生地槽阶段的发展演化历程。

桂西南地区普遍缺失上三叠统地层，发育以陆源碎屑岩沉积为主的中三叠统百逢组及以碳酸盐岩为主的下三叠统地层北泗组与马脚岭组。其中，下三叠统北泗组是本区重要的含矿地层之一，含锰岩系主要分布于天等、田东、德保三县交界部位，为近碳酸盐台地的浅海台盆相碳酸盐岩沉积。东部天等一带主要发育灰—深灰色薄层泥灰岩、硅质泥灰岩，并含多层含锰硅质泥灰岩及碳酸锰矿层，地层总厚度182 m，含锰矿层厚约15 m，向北向西层数减少厚度变薄[15]。西部大旺一带，含锰地层顶部为浅色薄层页岩，泥岩及粉砂岩，夹有含锰灰岩，上部为细砂岩，中下部为内碎屑灰岩及鲕粒灰岩。

2 旋回层序划分

2.1 原理与方法

地层中符合采样密度要求的地球化学数据(如稳定碳、氧同位素、87Sr/86Sr比值和CaCO3含量等)和地球物理数据(如自然伽马、磁化率、岩石密度和色率等)均可用于旋回地层学的研究[16]。在地下钻井剖面中，自然伽马测井曲线(GR)具有等间距采样、连续测量和纵向分辨率高的特点，自然伽马强度可以敏感地反映岩性旋回和岩相韵律互层在深度域中的变化[17-19]，进而能够反映古环境和古气候的变化[20-21]，可作为检测旋回层序及识别海平面或湖平面变化趋势的资料[22-23]，因而在旋回地层研究中得到了广泛的应用[24-26]。

图1 桂西南构造纲要图(据文献[15]修改)Fig.1 Structure units of the study area

自然伽马测井曲线可以敏感的反映陆源碎屑岩—碳酸盐岩混合沉积岩中黏土矿物含量的变化。在海侵期，由于相对海平面的上升，海域扩张，泥岩含量增加，因此所沉积的岩石中放射性黏土矿物如伊利石、高岭石等含量较多，致使自然伽马测井数值较高；而在海退期，随着相对海平面的下降和海岸线逐渐向海迁移，沉积物中粉砂岩与碳酸盐岩的含量增加，黏土矿物的含量逐渐减少，导致自然伽马测井数值较低[27]。因此，可根据对泥质含量反映较为敏感的自然伽马测井数值的高低变化的规律来划分沉积地层中海侵—海退沉积旋回序列，并且沉积序列转换界面的位置可作为识别沉积层序界面的标志。

在旋回地层研究中，残差分析是最简单常用的方法之一[28]。其通过计算参数值与参数平均值之差的累计值所提供的信息，进行参数数据序列中所包含的周期性信号分析。本文应用自然伽马滤波曲线数据进行残差运算，其变量为自然伽马幅度残差，即自然伽马滤波数值与其平均值之差。其计算过程与应用在潮坪碳酸盐岩沉积层序研究中的图解相类似，而差别是Fischer图解是采用旋回厚度作为计算参数[29-31]。应用测井曲线数据进行旋回幅度残差计算，再利用波形法解析向上变深或向上变浅的沉积旋回叠置形式可以较好的划分旋回层序。其计算方法如下：

(3) 对各测井参数数据残差Yn进行累计计算，得到新数列Zn(n=1,2,3…)。Zn=Y1+Y2+Y3+…+Yn-1。

绘制自然伽马幅度累计残差图解时，其横坐标为地层深度，纵坐标为自然伽马滤波数值残差的累积偏移量，残差累计数值的平均值则作为偏移数据的基准线。

2.2 测井数据选择

为了对含锰岩系下三叠统北泗组层序地层格架有一个全面的了解，本文选用东平矿区钻遇中、下三叠统地层较完整的ZK0302井的自然伽马测井曲线作为旋回地层分析的参数曲线，该井所钻遇的地层从顶至底分别为中三叠统百逢组，下三叠统北泗组和马脚岭组，钻井深度为310 m，测井采样间隔为0.05 m。其中，中三叠统百逢组未见顶，下三叠统马脚岭组未见底，而含矿地层下三叠统北泗组顶底界齐全。根据钻孔ZK0302编录资料，中三叠统百逢组位于井深10～84.71 m处，地层厚度为74.71 m，自然伽马测井数值范围为12.13～73.36 API，岩性主要以泥岩与泥质粉砂岩为主，底部以出现凝灰岩与下伏北泗组分界。含锰矿地层下三叠统北泗组约在井深84.71～250.58 m处，地层厚度为165.87 m，自然伽马测井数值范围为5.62～92.31 API，其岩性主要以硅质泥灰岩、含锰硅质泥灰岩夹碳酸锰矿为主。ZK0302井钻遇的锰矿层较多，共为五层。该井北泗组上部只出现一层碳酸锰矿层，其厚度较薄，位于井深107.63～108.23 m处，厚度约为0.6 m。而北泗组下部锰矿层出现较为密集，共为四层，主要集中于井深150～170 m处，其分别出现于156.11～157.21 m、158.56～159.49 m、161.43～163.76 m、166.07～167.4 m处，厚度分别为1.1 m、0.93 m、2.3 m和1.33 m。下三叠统马脚岭组以出现条带状泥质灰岩为标志，与上覆下三叠统北泗组分界。其井深位于250.58～310.8 m处，地层厚度约为60.22 m，自然伽马测井数值范围为2.1～23.49 API。就测井曲线整体而言，自然伽马测井数值的高值与地层中含泥质含量较高的岩性相对应，低值与含泥质含量较低的岩性相对应，自然伽马曲线本身显示出较好的旋回性变化。

2.3 测井频谱分析

在实际情况下，测井信号在采集和测量的过程中，会受到大量噪声信号的干扰，导致所测曲线形成较多尖峰和突变部分，造成含有较多的高频干扰信号。并且在干井段和钻井液侵染井段以及井壁受泥粉混染、钻井液密度变化等干扰因素的影响，会造成测井曲线发生基线偏移，形成各种低频波信号(图2A，B)。因此在对实际测井数据进行分析之前，为消除噪音和人为干扰因素的影响，首先要进行测井数据的预处理，消除测井曲线中所夹杂的干扰信号。

本文通过去趋势方法对原始数据进行预处理，去除原始测井数据的低频信号的干扰。首先利用Past软件[32-33]对原始自然伽马测井曲线进行去趋势处理，调用Past软件下Model窗口下Polynomial程序，选择需要滤掉的趋势线阶数，本文所有曲线均选用去除5阶趋势线的方法处理。之后再利用Matlab软件，采用高通滤波方法，提取波长小于100 m(即频率为0.01)的滤波数据进行分析。从图中可见，经过处理的自然伽马测井曲线数值既有正值，亦有负值(图2C)。

图2 东平矿区ZK0302井自然伽马原始曲线、滤波曲线与累计残差曲线及频谱分析图Fig.2 Original GR data，filtering GR data，cumulative residual curves and their spectral analysis diagram from the Well ZK0302 of Dongping manganese mine-zone

原始自然伽马测井曲线进行信号预处理之后，需要对所得的自然伽马测井滤波曲线数据进行频谱分析。利用Past软件进行频谱分析，调用Time窗口下Spectral analysis程序，可得到滤波曲线中各频率与功率的数据结果。再根据波长与频率之间的倒数关系进行换算，即可知自然伽马测井滤波曲线中各波长功率谱关系图。

通过对ZK0302钻孔自然伽马滤波曲线数据进行频谱分析(如图2D)，其结果表明，地层厚度为56 m、33.42 m和11.64 m的主旋回波长为优势频谱峰，但高通滤波曲线仍受一系列波长小于十米的高频波信号干扰。进一步进行累计残差计算(图2E)，并根据频谱分析结果可知(图2F)，该曲线仅保留了地层厚度为56 m与33.42 m的主旋回波长，波长小于十米的高频波均无功率显示。

2.4 旋回层序划分

根据自然伽马幅值累积残差曲线的判别原理，ZK0302井所钻遇的中、下三叠统地层共可划分为七个海侵—海退沉积序列(图3，4)。而中、下三叠统三个地层界面在累积残差曲线上出现于井深85 m与250 m处负半波与正半波曲线的转换界面位置附近，并且这个界面也是向上变浅与向上变深的沉积层序序列过渡的位置：下三叠统北泗组与顶部中三叠统百逢组界线在深度域上由深至浅变现为海侵沉积序列向海退沉积序列转换的位置，为一正半波曲线向负半波曲线过渡的形态；而下三叠统北泗组与底部下三叠统马脚岭组地层界线在深度域上由浅至深表现为海退沉积序列向海侵沉积序列转换的位置，其地层界线为负半波曲线与正半波曲线的转换界面。含锰岩系下三叠统北泗组共可划分为四个海进—海退旋回层序，锰矿层发育在Cs4与Cs6中的海退沉积序列内。同时可以看出，在北泗组地层内部还存在至少4～5个高频旋回层序。

图4 ZK0302钻孔旋回层序综合柱状图Fig.4 Analysis of cyclostratigraphy of the Well ZK0302 in Dongping manganese mine-zone

2.5 旋回结构解析

在以泥岩和灰岩为主的碳酸盐岩地层剖面中，按照岩层的组成结构和厚度变化划分，旋回地层可以识别出两类变化趋势(图5)。一类是以泥质含量的变化作为指标，地层旋回可划分为向上变深的海侵沉积序列或向上变浅的海退沉积序列。如果泥质含量以自然伽马数值的变化作为指标，则可以通过解析沉积地层记录中向上变浅和向上变深的旋回叠加形式，并可以确定旋回地层层序的转换界面。另一类则是以地层的厚度作为参数，表现为向上变薄或变厚的旋回叠置样式。这类分析也可以根据自然伽马累积残差曲线中正、负半波信号转换点的位置计算波长求取旋回厚度在深度域上的变化，进而能够反映沉积地层记录中旋回层序厚度向上变薄或向上变厚的旋回叠加样式的变化趋势。

这两类变化趋势可以是同步变化的，也可以是无明显相关变化的。一般解释认为，碳酸盐岩地层的组成结构变化与沉积环境的水动力强弱或相对海平面的变化有关，而岩层厚度的变化则受沉积物供应量大小以及沉积速率变化所控制[34-38]。因此，在旋回地层学的分析过程中，即可以通过测井信号幅度的变化规律划分海侵—海退旋回层序序列，也可以根据地层旋回厚度的变化分析海侵—海退旋回中，各沉积序列沉积物供应量与沉积速率的变化趋势。

图5 沉积记录中沉积旋回信号幅度和波长变化形式示意图(据文献[28]修改)Fig.5 Amplitude and wavelength directional changes of sedimentary cycle signals in stratigraphic records

对ZK0302井自然伽马测井曲线进行高通滤波处理，滤波频率的上限为0.01(即波长为100 m)，绘制其累积幅度残差曲线。根据滤波曲线数据编绘的累积幅度残差曲线上正负半波信号转换点的位置计算其波长，可以求取并绘制深度域上每一个海侵沉积序列或海退沉积序列的厚度(图6)。

观察图6中旋回波长随井深变化可以发现，含锰矿地层下三叠统北泗组沉积序列厚度普遍大于中三叠统百逢组和下三叠统马脚岭组。同时根据计算求得下三叠统北泗组沉积序列厚度最大值为31.125 m，出现在井深172.25 m处，而旋回厚度最小值为1.25 m，位于井深203.375 m处。北泗组沉积序列厚度普遍较大，但有两个低值区，位于井深100.875～118 m和203.375～212.125 m处，这些旋回厚度减薄的低值区间是沉积物供应量低，相对沉积速率小的标志。

通过ZK0302井自然伽马测井曲线进行滤波频率的上限为0.01的高通滤波处理计算得到的累积幅度残差曲线中可知，在下三叠统北泗组地层内部还存在至少4～5个次一级的高频旋回层序。由于频率与波长存在倒数关系，因此增加滤波频率的上限，即减小滤波波长的长度，可更为细致的研究地层旋回中沉积序列厚度的变化规律。

由前文所述，ZK0302钻孔自然伽马滤波曲线数据频谱分析结果中，还存在主旋回波长为33.42 m的优势频谱峰，因此，继续对自然伽马测井数据进行滤波处理，将滤波上限增加到0.3，用所得到的滤波数据再进行累积幅度残差计算，可进一步研究旋回层序厚度在更高频率段上向上变薄或变厚的旋回叠置关系的变化趋势。从旋回波长随井深变化的曲线中可以观察到(图7)，下三叠统北泗组与马脚岭组的沉积序列厚度总体大于中三叠统百逢组。同时，下三叠统北泗组的顶部约85 m处与上覆中三叠统百逢组和底部约250 m处与下伏下三叠统马脚岭组的地层界限附近，有两个较为明显的旋回地层厚度变薄的地层界面，而这两个界面深度恰是海侵沉积序列与海退沉积序列过渡的部位，其可能反映了沉积物的供应量由减少到增加、沉积速率从下降到上升的沉积过程。

对比上述两种不同频率的高通滤波曲线所得到旋回波长变化图的可以发现，滤波频率较低的波长变化图反映的是低频长旋回地层厚度的变化规律，可用来解析沉积地层记录中旋回厚度向上变厚和向上变薄变化的整体趋势。而滤波频率较高的旋回波长变化图可以表现出高频短旋回地层厚度的变化特征，这能够对旋回地层沉积序列厚度的变化规律进行细节上的研究。同时可以看出，滤波频率越高，则对旋回厚度向上变厚和向上变薄变化规律描绘的越为细致，对沉积物供应量与沉积速率变化特征的研究也越为准确，并且可更加精确的标定地层界面。

图6 钻孔ZK0302自然伽马累计残差曲线及波长变化图(滤波上限0.01)Fig.6 Cumulative residual curves and cyclic wavelength variation diagram of GR filtering data from the Well ZK0302 of Dongping manganese mine-zone(filter upper limit 0.01)

图7 钻孔ZK0302自然伽马累计残差曲线及波长变化图(滤波上限0.3)Fig.7 Cumulative residual curves and cyclic wavelength variation diagram of GR filtering data from the Well ZK0302 of Dongping manganese mine-zone(filter upper limit 0.3)

钻孔ZK0302钻遇的碳酸锰矿层主要位于下三叠统北泗组顶部井深约107.63～108.23 m处和底部井深约156～167 m处。顶部碳酸锰矿层厚度较薄，厚度约为0.6 m。底部锰矿层发育较为密集，共为四层，总厚度约5.66 m。同步分析自然伽马测井曲线累计残差曲线和旋回波长变化曲线可以发现，北泗组中发育的碳酸锰矿层在自然伽马累计残差曲线上出现于海退旋回层序内，而在旋回波长变化曲线上位于旋回波长较大、地层向上变厚的相对沉积速率高值区。这些旋回厚度增厚的高值区表明沉积物供应量高、沉积速率大有利于碳酸锰矿的发育。并且通过进一步研究可知，在下三叠统北泗组地层内部，碳酸锰矿出现的底部层位旋回地层厚度明显较顶部层位大，这说明在碳酸锰矿沉积期，北泗组底部沉积物供应量较高，沉积速率也较大，因此北泗组底部所发育的碳酸锰矿层也较顶部矿层数量多，矿层厚度也较大。

2.6 联井旋回层序划分与对比

通过上述方法，对钻孔ZK1102、ZK7601与ZK7213自然伽马测井曲线进行处理，并建立起研究区旋回层序地层格架后发现(图8)，旋回层序的组成特征以及层序格架内部含锰岩系的横向分布特点都具有规律性，能够合理的发现碳酸锰矿层发育的有序性：1)含锰岩系下三叠统北泗组与顶部中三叠统百逢组以及底部下三叠统马脚岭组地层界线在自然伽马幅值累积残差曲线深度域上由浅至深均表现为由负半波向正半波转换的曲线形态，即为海退—海侵沉积序列转换界面位置附近。2)含锰岩系下三叠统北泗组可划分为四个海进—海退旋回层序，大多表现为对称状或者近似对称状旋回，这表明北泗组至少经历了四次相对海平面变化，且整个研究区所处的台盆相沉积环境相似且稳定。并且在某些旋回层序内部，由于高频海平面变化的影响，钻孔自然伽马幅值累积残差曲线波动较大，这说明在地层内部还存在多个次一级的高频旋回层序。3)碳酸锰矿层发育的旋回层序位置不同，但主要出现于各旋回层序内海退沉积序列中，并位于旋回层序内海退—海侵沉积序列界面附近，这表明锰矿的沉积主要发生在相对海平面由缓慢下降至逐渐上升的时期的转换时期。

3 锰矿沉积成因讨论

晚二叠世至中三叠世，在印支构造运动拉张作用的持续影响下，使桂西南地区在晚古生代形成的准地台逐渐消失，致使研究区进入了裂谷坳陷期而形成右江再生地槽。在此阶段，晚古生代末已存在的裂陷带开始急剧扩张，使碳酸盐台地发生裂解而破碎，形成了大面积的拗陷区[39-40]。在早三叠世，在构造拉张作用下因同沉积断裂带发育了众多的地势较低的沟槽或盆地，形成了较为典型的台盆相间的沉积古地理格局，这对之后锰矿的锰质的来源、沉积环境以及成矿作用提供了有利条件。

图8 研究区中、下三叠统旋回地层划分与对比图Fig.8 The Triassic sequence stratigraphic framework in the southwestern Guangxi area

研究区下三叠统北泗组含锰岩系的发育经历了多次海平面变化，锰矿层主要发育于旋回层序格架的海退沉积序列中，并位于海退沉积序列与海侵沉积序列之间的转换界面附近。据张舜新[41]对本区田东县作登剖面与平果县太平圩剖面的牙形石带的时代鉴定，本区下三叠统北泗组时代属晚三叠世奥伦尼克阶(245～249.7 Ma)。通过ZK0302钻孔累计残差曲线可进一步作出反映其低频长趋势海平面变化曲线，与全球海平面对比后发现[42]，其与全球三级海平面变化具有有较好的同步性，这说明研究区区海平面变化主要受全球三级海平面的影响(图4)。同时可以发现，早三叠世在全球三级海平面上升的大背景下，研究区锰矿层的发育受更高一级的海平面海退期所控制。

自然水体系统的氧化还原环境决定了锰元素的溶解度及赋存状态(图9)。锰元素的价态会随着环境的不同而发生变化：在氧化环境下，锰离子会呈高价态的Mn4+赋存于锰氧化物中(如软锰矿)；而在还原环境中，锰离子会呈低价态的Mn2+溶解于水中或赋存于锰碳酸盐中(如菱锰矿)。在分层海水中，锰质在水体深部的还原环境中以Mn2+离子状态稳定存在，使锰在海水中的保持较高溶解度。当水体中氧化还原界面降低时，使原先处于还原状态的Mn2+离子进入富氧的状态，而被氧化成高价态的Mn4+离子形成氧化物而发生沉淀；而当水体中氧化还原界面再次升高时，含锰的氧化物重新进入还原环境发生溶解或与碳酸氢盐发生反应形成锰碳酸盐的沉积[43-45]。因此，氧化还原界面的波动控制着锰质赋存形态的性质，并决定了锰矿的发育。

图9 氧化锰与碳酸锰在自然水体中的稳定性 (据文献[45]修改)Fig.9 Stability of Mn oxide and Mn carbonate deposits in natural water

海平面变化影响着氧化还原界面的变化，因此在沉积锰矿床的形成过程中起着重要的作用。含锰岩系中锰含量的高值与海平面上升期最低含氧带扩展有关，锰质的富集出现在层序地层格架中海侵体系域与高水位体系域转换期内，并且大多与黑色页岩共生[46]。在海平面高水位期，海湾和河口弯是锰质沉积产生的重要场所，结核状和团块状的锰矿受到潮汐、河流的搬运而富集或分散。在海侵期海平面上升产生缺氧环境、沉积速率降低有利于锰的沉淀聚集。如果氧化还原界面深度随着海平面升降发生变化，当处于还原状态的海水底层低价态游离Mn2+随海平面的上升混入到处于表层氧化状态的海水中时，溶解锰就会被氧化而发生沉淀[47-48]。由此可知，海平面变化是通过控制氧化还原界面的波动来间接的影响碳酸锰矿形成，即盆地内氧化锰与碳酸锰的转化环境以及碳酸锰成矿后的赋存层位主要受由海平面变化引起的氧化还原界面的升降所控制。

目前，现代大洋沉积物还没有锰碳酸盐沉积的报道，现代大洋底部的锰结核和锰结壳一般为氧化锰矿物形式出现，但在地质记录中锰碳酸盐矿床分布较为广泛。氧化锰和碳酸锰的沉淀出现在缺氧或贫氧盆地环境，碳酸锰形成在早期成岩阶段，它是在有机质的氧化过程发生氧化锰还原反应的结果，并且锰的富集与细菌活动密切或与海底甲烷气渗漏事件有成因联系[49-50]。通过综合考虑研究区锰矿形成的海平面变化、古地理条件、锰质来源、氧化还原条件等特征的基础上，笔者提出了研究区锰矿成因模式，即具有地理隔绝形式的，并由同生断裂控制的“局限海”台盆相碳酸锰矿沉积模式，研究区碳酸锰矿的形成主要经历以下三个阶段(图10)：

(1) 海平面下降—氧化锰矿物形成阶段

在海平面水位较低的阶段，来自海岸区域的陆源地表水大量地注入海水，此时锰质除了来源于台盆内生的热液喷口之外，还有大量溶解在河水以及有机质中的锰质胶体与离子提供。海平面下降导致氧化还原界面下降，使台盆内之前处于还原环境的深部区域逐渐转化为水体较浅的氧化环境，并且由于地表水的注入，使台盆内水体循环增强，富氧的水层与淡化海水中的的锰质大量混合，导致处于海水表层溶解状态的锰质以较稳定的高价态氧化锰矿物(如MnO2)的形式大量沉积下来形成氧化锰矿物(图10A)。

(2) 海平面上升—氧化锰矿物转化碳酸锰矿物阶段

在经历低海平面阶段后，海平面逐渐上升，使海岸区域的陆源地表流入海水的注入量逐渐减少。在这个阶段，受控于海平面变化影响的氧化还原界面逐渐上升，之前形成的氧化锰矿物带由水体较浅的氧化环境也逐渐过渡于水体较深的低氧甚至缺氧的还原环境。并且由于地表水的流入，海水中有机质的含量增加，导致藻类以及各类浮游类生物大量繁殖，导致海水中二氧化碳含量逐渐增加，贫氧的还原带控制区域也逐渐扩大。同时，在水体中赋存的大量碳酸根、碳酸氢根离子与高价态的氧化锰矿物发生反应，成岩的过程中在贫氧的还原环境中不断转化为锰碳酸盐，造成在旋回层序转换界面附近碳酸锰矿层的形成。若海平面上升速度较缓慢，则会使氧化锰矿物溶解深度大，并与水体的反应也较为充分，碳酸锰矿层发育的厚度也会较大(图10B)。

图10 研究区碳酸锰矿沉积模式图Fig.10 Schematic representation of Mn deposition in the southwestern Guangxi area

(3) 最大海泛面—少量碳酸锰矿物发育阶段

在经历海平面上升、水体加深阶段之后，便进入了最高海泛面阶段。在此阶段，注入海体内的陆源地表流水大量减少，海体中的锰质主要由台盆内生的热液喷口提供。由于水体较深，氧化还原界面较高，在没有充足的氧气提供下，锰质在还原环境下主要以低价态的Mn2+离子形式溶解在海水中。但由于高水位期浮游生物在富氧层大量繁殖，有机质产率高，导致贫氧层逐渐扩大，在台盆边缘处于富氧的氧化环境逐渐转化为贫氧的还原环境，因此也会导致少量厚度较薄、锰质含量较低的锰矿层发育(图10C)。

4 结论

(1) 研究区含锰岩系下三叠统北泗组与顶部中三叠统百逢组以及底部下三叠统马脚岭组地层界线在自然伽马幅值累积残差曲线深度域上由浅至深均表现为由负半波向正半波转换的曲线形态，即为海退沉积序列与海侵沉积序列转换界面位置附近。北泗组内部共可划分为四个海进—海退旋回层序，大多表现为对称状或者近似对称状旋回，这表明北泗组至少经历了四次相对海平面变化，且整个研究区所处的台盆相沉积环境相似且稳定。

(2) 海平面变化主要是通过控制氧化还原界面的波动来间接的影响碳酸锰矿形成。研究区碳酸锰矿层发育的旋回层序位置不同，但主要出现于各旋回层序内海退沉积序列中，并位于旋回层序内海退—海侵沉积序列界面附近，这表明锰矿的沉积主要发生在相对海平面由缓慢下降至逐渐上升的时期的转换时期。早三叠世在全球三级海平面上升的大背景下，研究区锰矿层的发育受更高一级的海平面海退期所控制。研究区碳酸锰矿的形成主要经历以下3个阶段：1)海平面下降—氧化锰矿物形成阶段；2)海平面上升—氧化锰矿物转化碳酸锰矿物阶段；3)最高海泛面—少量碳酸锰矿物发育阶段。

致谢 感谢贵刊编辑部和审稿专家对文章进行审阅并提出宝贵意见。

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ResearchonCyclostratigraphicandDepositionalModelofSedimentaryManganeseDeposits(Triassic)inSouthwesternGuangxiArea

YIN Qing1,2, YI HaiSheng1,3, ZHOU Kai2

1.InstituteofSedimentaryGeology,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China2.ResearchInstituteofExplorationandDevelopmengt,SINOPECZhongyuanOilfieldCompany,Puyang,Henan457001,China3.StateKeyLaboratoryofOil/GasReservoirGeologyandExploitation,Chengdu610059,China

The manganese deposits are mainly distributed in Southwestern Guangxi area, which was regarded as one of the most predominant ore types in this area. However, the Triassic stratigraphic frameworks of manganese deposit in the southwestern Guangxi area is rarely discussed. The spectral analysis and filter methods can be adopted to divide cyclic sequence hierarchy and discuss depositional mechanism, and the cumulative residual curves from average amplitude variations of good logs are introduced and demonstrated as a valid graphical method to define depositional regime transformation and check boundary surfaces of cyclic sequences. The cumulative residual curves results show the positive half waves and negative half waves of cumulative residual curves are, respectively, corresponds to upward-deepening and upward-shallowing sedimentary successions in low frequency cyclic sequences in a well interval. Transform points of positive half waves and negative half waves are calibrated to boundary surface depth of cyclic sequences. The GR log data from Well 0302 of Southwestern Guangxi Area as a case example, cumulative residual curves are calculated and constructed on well log data. The low and high frequency cyclic sequences are distinguished and its procedure and methods are illustrated in detail. The significance and interpretation of amplitudes and wavelength changes of sedimentary cycles are discussed in this paper. The Beisi Formation of the Lower Triassic can be divided into four forth-order sequences, and the manganese ore deposit developed in the regression cycle. The origin model of manganese ore can be divided in three stages: 1) Sea-level fall-the oxidizing manganese is formation; 2) Sea-level rise-the oxidizing manganese is transformed in manganese carbonate; 3) The maximum flooding surface-a little manganese carbonate is formed. The investigation provides a new effective approach to build the correlating framework of high-resolution sequence in Southwestern Guangxi Area.

southwestern Guangxi area; Triassic; manganese-bearing sequence; cyclostratigraphy; sea level change

1000-0550(2017)06-1144-14

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.06.006

2016-01-05；收修改稿日期2016-11-17

“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAB04B10)；国家自然科学基金项目(40972084)；高等学校博士点专项科研基金课题(20105122110012)[Foundation“Twelfth five-year” National Science and Technology Plan, No. 2011BAB04B10; The National Natural Science Foundation of China, No.40972084; Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education, No.20105122110012]

尹青，男，1986年出生，博士后，助理研究员，沉积地质学研究，E-mail: 168347532@qq.com

伊海生，男，教授，E-mail: yhs@cdut.edu.cn

TE121.3

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