重庆城口震旦系下统陡山沱组层序地层分析

高彩霞，黄朝阳，冉瑞清，张自贤，李北平

(1.重庆工程职业技术学院，重庆 402260； 2.重庆市地质矿产勘查开发局205地质队，重庆 401147；3.中国矿业大学煤炭资源与安全国家重点实验室及地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

“层序地层学”作为一门新方法学科，自八十年代问世以来，在聚煤作用、石油勘探等方面得到了广泛的应用。例如对于近海型陆源碎屑、海相碳酸盐岩含煤盆地层序格架下煤层分布规律，国外学者Hamilton D S、Flint, S.S.以及国内学者邵龙义等分别进行了许多研究[1-3]；对于含油气盆地，朱晓敏、姜在兴等亦有更深刻的研究[4-5]。前人对重庆城口地区锰矿做了大量的研究，例如在锰矿资源、地质构造特征、成矿规律、地球化学特征等方面比较成熟[6-9]，但是就层序格架下锰矿的聚集规律研究还比较少见。因此，本文运用露头、钻井层序地层学的有关理论方法在详细的沉积学研究和精细的地层划分对比基础上，从层序界面及体系域界面识别入手进行层序的划分与对比，建立重庆城口地区震旦系下统陡山沱组层序地层格架，分析层序格架下锰矿的聚集规律。

1 区域地质背景

巴山锰矿成矿带位于扬子地台北缘大巴山加里东褶皱带内，东以大巴山断裂与南秦岭加里东褶皱带为邻，西以镇巴大断裂和扬子地台的汉南米仓山地台隆起区相接。由于受多期构造运动的影响，形成城巴凹褶断束。城口地区锰矿床由北西往南东分布有明月、高燕、大渡溪和修齐锰矿床，并组成城口锰矿带。在锰矿带北侧，发育城巴大断裂带，南侧发育乌坪断裂带，两个断裂带不仅控制城口锰矿带分布，同时受二者影响，成矿带中次级别断层及褶皱极其发育，地层倾角变大，部分地层倾向发生倒转，构造十分复杂(图1)。研究区陡山沱组分两段，第一段岩性为黑色砂质页岩与粉砂岩互层，下部砂质成分增多；第二段顶部为锰矿层，锰矿层之下为黑色炭质页岩及黑色泥质页岩。

图1 重庆城口区域地质图Figure 1 Regional geological map of Chengkou area, Chongqing

2 关键层序和体系域界面

在对重庆城口地区震旦系下统陡山沱组层序地层研究中，层序及体系域的划分采用EXXON公司“Vail”学派的观点，各关键界面划分标志如下，见图2：

2.1 层序界面的识别

(1)岩性岩相转换面。在沉积盆地下倾方向，由于海平面的波动，层序界面间表现为水体变浅-变深过程的转换面。层序界面上下的地层会受到影响，界面上下的沉积特征会有明显差异。陡山沱期曾发生4次大的海平面升降事件，即陡山沱早期的1次全球海平面升降事件；陡山沱中期有2次全球海平面升降事件，在陡山沱晚期出现第4次大的海平面升降事件。4次大的海平面升降事件，显示有3个海平面下降与上升之间的转换面(图2a)。

(a)岩性岩相转换面；(b) 陡山沱组与观音崖组之间整合界面图2 研究区陡山沱组层序界面Figure 2 Study area Doushantuo Formation sequence interfaces

(2)陡山沱组与观音崖组之间界面。研究区陡山沱组与下伏观音崖组之间的整合接触面。界面之上为陡山沱组下段粉砂岩及砂质页岩，界面之下为紫红色粉砂岩、粉砂质页岩、灰岩。该界面从岩石地层方面研究划分，界限清晰(图2b)。

2.2 最大海泛面

最大海泛面是层序中海侵达到最大限度时所对应的界面，它是海侵体系域与高水位体系域之间的地层界面，以海侵沉积体系向陆退积转换为高水位沉积体系向盆进积为特征。本次研究以出现的薄层白云岩底板为最大海泛面(图3)。

3 大渡溪剖面B-B′层序地层分析

本区以大渡溪B-B′典型剖面为例，从地层与沉积环境特征以及层序地层进行了详细的分析，从而了解重庆城口陡山沱组层序格架，为层序格架下锰矿聚集规律的分析奠定基础。

城口大渡溪剖面B-B′位于大渡溪锰矿区，该剖面陡山沱组第一段出露不全，但陡山沱组第一段和第二段均出露良好，地层厚71.7m，比较厚。根据层序地层学原理、钻孔岩性和沉积旋回发育特征，自下而上该剖面发育4个层序，其中层序1为陡山沱组第一段下部，层序2为陡山沱组第一段中部及上部下段，层序3为陡山沱组第一段顶部以及第二段底部，层序4为陡山沱组第二段中部及上部，甚至包括灯影组第一段底部的浅灰色中厚层状微晶白云岩。每个层序均为Ⅱ型三级层序，包括海侵体系域和高位体系域，初始海泛面与层序界面重合(图4)。

层序1。只发育高位体系域浅海滨外陆棚沉积，为黄灰色、土黄色的含粉砂质页岩，局部有极薄层粉砂岩。

层序2。该层序发育海侵体系域和高位体系域，比较完整。海侵体系域：最大海泛面为岩性岩相转换面，为滨外陆棚相炭质页岩底板。该体系域主要为过渡相黄灰色、深灰色薄至中厚层状粉砂岩与薄层含砂质、泥质页岩。高位体系域：为约7m厚的含粉砂质炭质页岩，夹有粉砂质透镜体，滨外陆棚沉积。

层序3。该层序发育海侵体系域和高位体系域，亦比较完整。海侵体系域：最大海泛面亦为岩性岩相转换面，陡山沱组第一段和第二段分界面，剖面上为滨外陆棚相炭质页岩底板。该体系域主要为过渡相浅灰色、黄褐色中厚层状细砂岩，偶夹有粉砂岩，层间夹有灰黑色炭质页岩。高位体系域：约5m厚，中下部为滨外陆棚灰黑色、黄褐色炭质页岩，夹有大小不一的白云岩透镜体；高位体系域顶部为局限台地约1m厚的深灰色白云岩。

层序4。该层序发育完整，从陡山沱组第二段下部至灯影组第一段底部中厚层状白云岩。包括海侵体系域和高位体系域。海侵体系域：最大海泛面为出现的薄层条带状白云岩底板。该体系域主要发育滨外陆棚相灰黑色炭质页岩，夹白云岩透镜体。伴随着海平面的快速上升，可容空间亦迅速增大，为基准面快速上升过程中盆地退积沉积的填充过程。高位体系域：主要为滨外陆棚和局限台地沉积。其中滨外陆棚岩性主要为黑色炭质页岩，偶夹条带状白云岩以及局限台地深灰色、棕褐色薄层至中厚层状微晶白云岩。

4 典型断面层序地层格架

研究区从陡山沱组到灯影组，构成一个总体向上变浅的沉积序列，该序列组成一个二级构造层序。整个陡山沱组属于陡山沱阶，延伸年限从630～680Ma，持续50Ma，根据上述的层序界面，进一步划分为4个Ⅱ型三级层序，平均每个三级层序大致12.5Ma[55]。 受古构造因素及后期构造因素的严重影响，各个锰矿区层序发育情况不同，大部分地区未打穿陡山沱组第二段，甚至未打穿陡山沱组第一段。

HST—高位体系域； TST—海侵体系域； mfs—最大海泛面图3 最大海泛面-体系域界面识别Figure 3 Interfaces identification of maximum marine flooding surface-system tracts

图4 大渡溪B-B′陡山沱组沉积相与层序地层柱状图Figure 4 Daduxi B-B’ Doushantuo Formation sedimentary facies and sequence stratigraphic column

下面以北西-南东向沉积相与层序对比图(图5)对研究区层序格架进行分析。

层序1。为陡山沱组第一段底部，只在高燕剖面B-B′和大渡溪剖面B-B′只发育高位体系域浅海滨外陆棚沉积，主要为黄灰色含粉砂质页岩，局部有极薄层粉砂岩。

图5 城口陡山沱组断面层序地层格架Figure 5 Chengkou Doushantuo Formation section sequence stratigraphic framework

层序2。为陡山沱组第一段中部，亦只在高燕剖面B-B′和大渡溪剖面B-B′发育，该层序发育海侵体系域和高位体系域，比较完整。海侵体系域：最大海泛面为岩性岩相转换面，为滨外陆棚相炭质页岩底板。该体系域主要为过渡相黄灰色、深灰色薄至中厚层状粉砂岩与薄层含砂质、泥质页岩。高位体系域：为滨外陆棚含粉砂质炭质页岩，夹有粉砂质透镜体。

层序3。为陡山沱组第一段上部和第二段底部，该层序发育海侵体系域和高位体系域，亦比较完整。海侵体系域：最大海泛面亦为岩性岩相转换面，剖面上为滨外陆棚相炭质页岩底板。该体系域主要为过渡相中厚层状细砂岩，偶夹薄层粉砂岩，在大渡溪剖面B-B′层间夹有灰黑色炭质页岩。高位体系域：在高燕剖面B-B′只发育滨外陆棚炭质页岩；在大渡溪剖面B-B′发育滨外陆棚和局限台地沉积。其中滨外陆棚为黑色、黄褐色炭质页岩，夹有大小不一的白云岩透镜体；局限台地为约1m厚的深灰色白云岩。

层序4。该层序自陡山沱组第二段下部至灯影组第一段底部中厚层状白云岩。该层序自高燕剖面B-B′至修齐钻孔ZK2-1均有发育，其中高燕剖面B-B′和大渡溪剖面B-B′发育较完整，包括海侵体系域和高位体系域，其他剖面(钻孔)只发育高位体系域。海侵体系域：在高燕剖面B-B′最大海泛面为薄层粉砂岩上炭质页岩底部，而在大渡溪剖面B-B′则为出现的薄层条带状白云岩底板，表明大渡溪剖面B-B′比高燕剖面B-B′更靠近海，水体更深。该体系域主要发育滨外陆棚相灰黑色炭质页岩，夹白云岩透镜体以及薄层粉砂岩。伴随着海平面的快速上升，可容空间亦迅速增大，为基准面快速上升过程中盆地退积沉积的填充过程。

高位体系域。主要为滨外陆棚和局限台地沉积。其中滨外陆棚岩性主要为含锰条带状炭质页岩、黑色炭质页岩以及各种构造的菱锰矿，包括球粒、豆粒、鲕粒菱锰矿，多为隐晶质，为菱锰矿层的主要富集层位。局限台地主要为灰色、深灰色薄层状含锰白云岩、灰黑色薄层状含硅质白云岩夹炭质页岩条带，为高位体系域后期，海平面略有下降所沉积。

5 层序格架锰矿聚集规律分析

5.1 锰矿在层序地层格架中的发育特征

研究区城口锰矿带位于城巴凹褶断束，受北侧巴山断裂带以及南侧乌坪断裂带的影响，研究区锰矿只在陡山沱组二段顶部赋集。从各个层序锰矿沉积厚度看出(表1)，层序1至层序3没有锰矿发育，只有层序4的高位体系域里锰矿赋集。自高燕经大渡溪至修齐锰矿区层序4高位体系域(陡山沱组第二段上部)锰矿赋集情况为好—较好—好。其中高燕ZK133-19层序4高位体系域锰矿层最厚，达5.53m，其中主矿体厚5.18m，以鲕状菱锰矿为主，次矿体厚0.37m，以隐晶质菱锰矿为主，夹含锰条纹条带状炭质页岩；修齐钻孔ZK2-1层序4高位体系域锰矿层厚达3.74m，而在修齐D-D′剖面层序4高位体系域锰矿层最薄，达0.55m。钻孔ZK2-1与D-D′剖面同在修齐锰矿区，锰矿赋集差异之大，这可能受次级构造断层及褶皱的影响而发育差异。

表1 城口陡山沱组层序格架中锰矿层分布一览表

5.2 层序格架下锰矿赋集规律

本研究区主要的沉积相单元为浅海陆棚，因此每个三级层序的划分只包括海侵体系域和高位体系域。早震旦世，气候变暖，冰川融化，全球海平面上升，首次发生了大规模的海侵，沉积了一套观音崖组，主要为滨海沉积，无菱锰矿赋集。

之后陡山沱期发生了四次大规模的海侵，层序1至层序4海侵体系域主要为过渡相薄至中厚层状粉砂岩、炭质页岩夹薄层粉砂岩，无菱锰矿赋集，局部地区为滨外陆棚炭质页岩沉积。层序1至层序3高位体系域岩性主要为黑色炭质页岩、灰色薄层状含锰白云岩，无菱锰矿赋集，直到第四次海平面广泛上升至最大海泛面滞后时段内，在深水、还原、偏碱性的浅海滨外陆棚环境下锰矿才开始聚集，多为鲕状、球状、条带状，且在高燕、修齐等锰矿区成为重要的开采矿床。

6 结论

(1)研究区震旦系下统陡山沱组主要发育岩性岩相转换面、陡山沱组与观音崖组之间界面两种层序界面类型。共识别出五个层序界面，进一步划分为4个Ⅱ型三级层序。层序1为陡山沱组第一段底部，层序2为陡山沱组第一段中部，层序3为陡山沱组第一段上部和第二段底部，层序4为自陡山沱组第二段下部至灯影组第一段底部中厚层状白云岩。

(2)基于浅海陆棚的背景，研究区陡山沱组第四次海平面广泛上升至最大海泛面滞后时段内，在深水、还原、偏碱性的浅海滨外陆棚环境下锰矿才开始聚集，且在高燕、修齐等锰矿区成为重要的开采矿床。