吐哈盆地南缘库木达坂碳酸盐岩特征及沉积环境

吴亚伦，李文杰，师旺强，张 会

(1.中国建筑材料工业地质勘查中心新疆总队，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国冶金地质总局新疆地质勘查院，新疆 乌鲁木齐 830000)

海相碳酸盐岩沉积相可划分为台地、斜坡和盆地三类相[1]。笔者在吐哈盆地南缘库木达坂东一带开展石灰岩矿调查评价项目时，发现研究区沉积环境符合海相沉积台地相，其亚相为高能潮下坪带，通过参考区域地质资料，结合研究区沉积地层、构造、不同岩层中生物碎屑物、岩屑类型，沉积序列等，初步判断研究区古地理环境为海相沉积中的台地。对库木达坂东一带上石炭统底坎尔组石灰岩沉积亚相的精细划分，结合生物地层分析，可以更全面地了解区内底坎尔组石灰岩在空间上的演变。

1 区域地质概况

研究区大地构造位置位于哈萨克斯坦—准噶尔板块之准噶尔微板块的大南湖晚古生代岛弧带西部，该岛弧带内大面积出露有石炭纪海相火山碎屑沉积岩和陆源碎屑沉积岩[2-5],研究区北侧紧邻艾丁湖为吐哈盆地南缘为界[6]，南侧为觉罗塔格山造带(图1)。

图1 工作区大地构造位置图

区内地势为东南高，西北低，海拔在-70～+800m，属于戈壁丘陵地貌，相对高差较小，地势较为平坦。

吐哈盆地是天山海槽闭合后从晚二叠世开始发育的一个以中、新生界沉积建造为主的陆相盆地[6]，有学者按南北分带、东西分块的格局，将吐哈盆地划分为吐鲁番凹陷、艾丁湖斜坡、了墩隆起、哈密坳陷和南湖戈壁隆起5 个一级构造单元[7]。研究区为吐鲁番凹陷中，在艾丁湖斜坡南侧。

区内构造活动较频繁，以褶皱构造和脆性断裂为主，主要发育在上石炭统底坎尔组(C2d)中，区域南西部及北东部形成近东西向背斜。在上石炭统底坎尔组(C2d)中最为发育，褶皱形成均与晚石炭世的构造运动有关，轴向近东西向。

2 区域沉积特征

吐鲁番坳陷南缘沉积地层广泛出露，主要为一套滨浅海相沉积碎屑岩、碳酸盐岩,向东可延伸南湖戈壁西缘,向西可延伸到吐鲁番却勒克塔格山前一带，研究区西侧大面积出露上石炭统底坎尔组(C2d)地层，东南少量出露下石炭统小热泉子组(C1x)地层，底坎尔组角度不整合于小热泉子组之上。

上石炭统底坎尔组：主体为潮坪相沉积，自身构成一个较完整的碎屑岩—碳酸盐岩—碎屑岩沉积旋回，最大海侵期产物为二段的潮下带灰色中层生物屑灰岩。沉积岩碎屑物成分成熟度较低，结构成熟度中等偏好，沉积序列主要为碎屑岩—碳酸盐岩潮坪相序结构，总体表现出向上岩层变薄、粒度变细、海水变浅的特点。

下石炭统小热泉子组：该段沉积岩基本层序由灰绿色薄片状粉砂岩和灰绿色中薄层长石岩屑砂岩组成，向上粒度变细、岩层渐薄，具平行层理，显示退积型基本层序特点，属旋回性基本层序，为陆棚浅海砂坪相沉积。

2.1 碳酸盐地层特征

研究区属于南准噶尔—北天山地层分区之觉罗塔格地层小区。区内出露地层有上石炭统底坎尔组(C2d)及第四系(Q)(图2)。

图2 库木达扳地区石炭统底坎尔组地层分布地质图

上石炭统底坎尔组(C2d)为一套滨浅海相碎屑岩、碳酸盐岩及沉火山碎屑岩沉积，夹少量火山碎屑岩及火山熔岩，内含丰富的海相动植物化石。该组在区内由下至上可分为四个岩段，其中底坎尔组第二段主体为碳酸盐岩，底坎尔组第一段、第三段、第四段主体为碎屑岩及沉火山碎屑岩。

碳酸盐岩主要分布于区域中部，下部主体由灰绿色厚层泥晶生物屑灰岩、灰色中薄层生物屑灰岩与灰绿色厚层长石石英砂岩互层构成；上部主要由灰色、浅灰色生物屑灰岩、砂屑灰岩构成；顶部为灰色中薄层含生物屑砾屑灰岩。区域上，该段横向延伸不甚稳定，可视厚度在309.57 ～535.43m。

2.2 沉积构造特征

原生沉积构造是分析和判断沉积相最重要的标志[8-9]。通过观察地表岩石和深部岩心，对底坎尔组沉积构造特征进行了总结，该段以发育碳酸盐岩、富含海相动物化石及生物碎片为特征，化石较为富集，岩石中的所含生物化石杂乱排列，无定向性。底坎尔组第二段主要为生物碎屑石灰岩，多呈中厚层状，水平、交错层理产出。第二段中上部，为生物碎屑灰岩夹砂岩，具交替沉积特征，生物碎屑灰岩厚层状，砂岩多呈薄层状，局部有鸟眼、波痕构造。

3 碳酸盐岩沉积环境分析与判定

3.1 沉积环境

研究区内施工了4 个钻孔，选择其中具有代表性ZK901 孔，结合地层宏观特征、沉积构造等特征分析区内沉积环境。该孔孔深199.52m，共划分出2个岩性段4 个岩性小层：

(1)底坎尔组第三段(C2d3)：0 ～24.20m，岩性为岩屑砂岩夹粉砂岩，呈黄绿色，粉砂状结构，薄片状，具有较好的分选性，内见水平层理、波状层理，局部见交错层理。岩屑砂岩普遍厚1 ～5cm，粉砂岩厚0.5 ～2cm，反映出该时段沉积模式，以潮间带沉积为主，位于低潮线附近能量较高处，以砂质沉积为主，主要沉积产物为岩屑砂岩、粉砂岩。

(2)底坎尔组第二段(C2d2)：24.20 ～199.52m，该段有3 个岩性层：

第一层为浅灰色生物碎屑灰岩夹岩屑砂岩，厚度68.30m，中—薄层状构造；以生物碎屑灰岩为主，期间夹有岩屑砂岩，层比约3:1 ～5:1 不等，生物碎屑灰岩厚0.2 ～1.5m，岩屑砂岩普遍厚0.05 ～0.2m。从该层石灰岩与岩屑砂岩规律交替沉积特征来看，反映海进海退潮下—潮间带沉积特征，为正常浪基下部高能间歇动荡区，主要为碎屑岩—碳酸盐岩潮坪相序结构，总体表现出向上变薄、变浅的特点。

第二层为浅肉红色生物碎屑微晶灰岩，层厚99.68m，中—厚层状构造，普遍厚度约0.2 ～0.8m,局部厚度3 ～6m，岩层厚度从上部至下部逐渐变厚，海绵骨针、双壳、腕足类、藻类、海百合茎、钙球等生物含量增多，约5%，粒径0.2 ～3.2cm 为主，大量海相生物、海百合茎的发育，总体反映了潮下带的沉积特征。

第三层为灰绿色岩屑砂岩，未见底，厚7.34m。岩石呈灰绿色，具细砂结构，薄层状构造，单层厚1 ～5cm，岩石主要由泥质、岩屑、钙质胶结而成。岩石普遍破碎，裂隙较为发育，裂隙宽0.5 ～3mm左右，沿裂隙多见方解石充填。以泥质、钙质沉积为主，反映出为潮间带低能沉积环境(图3)。

图3 研究区ZK901 孔沉积特征

3.2 沉积模式

研究区主要为碳酸盐岩潮坪相序结构，总体表现出向上变薄、变浅的基本层序特点[10]，潮间带主要产物为生物屑、砂屑灰岩夹岩屑砂岩，呈明显的交替沉积模式(图4)。潮间带水动力强度较高，沉积主要是粒级较粗的生物碎屑灰岩、砂屑灰岩夹粉砂岩层，从统计钻孔数据及野外岩层剖面数据得知，层厚18.83 ～68.30m；向外则是一个相对有一定坡度的开阔潮下带，碳酸盐主要在潮下带，岩性以生物碎屑微晶灰岩为主，厚度较大，层厚16.08 ～99.68m，大量海相生物、海百合茎的发育，反映出区域水浅，阳光充足，氧气充分，沉积环境的稳定，总体表现出向下变厚、变细的层序特点。

图4 吐鲁番盆地南缘典型潮相沉积模式图

3.3 沉积环境厘定

研究区石灰岩主要赋存在C2d2中，生物屑—微晶结构，块状构造。主要由方解石、生物碎屑和内碎屑组成。方解石呈粒状，以0.03 ～0.004mm的微晶为主，少量为＜0.004mm 的泥晶，高级白干涉色，致密分布，含量60% ～72%；生物碎屑呈碎片状，粒径0.25 ～35mm，种类为海绵骨针、双壳、腕足类、藻类、海百合茎、钙球等(图5)，含量25%～35%；内碎屑呈次圆状，为粒径0.4 ～2.0mm 的砂屑，成分为泥晶灰岩和微晶灰岩，含量3%～5%。

图5 石灰岩地层中生物碎屑特征

海洋是碳酸盐岩沉积的主要场所，Ca2+、Mg2+和 CO32-丰富[1]。海洋盐度高低与海洋中的生物活动密切相关，如果含有狭盐性生物化石(如珊瑚、海绵类、苔藓虫、层孔虫、腕足类、三叶虫、棘皮类、头足类、有孔虫，等)，指示为正常盐度[1]。根据区内石灰岩中所含化石种类，初步判断该区沉积环境盐度为正常盐度。

碳酸岩中的沉积构造，特别是物理成因的原生沉积构造，最能反映沉积物形成过程中的水动力条件，是分析和判断沉积相最重要的标志[11]。研究区内石灰岩多呈中厚层状，水平、交错层理产出，局部有鸟眼、波痕构造。石灰岩为生物碎屑微晶灰岩，化石较为富集，岩石中的所含生物化石杂乱排列，无定向性。

研究区主要出露地层为底坎尔组第三段至底坎尔组第一段，其沉积特征可划分为两类，第三段至第二段中下部主要为岩屑砂岩夹粉砂岩，及薄层状生物碎屑灰岩，以砂质沉积为主，少量钙质沉积，具有典型的潮间带沉积特征。第二段下部为碳酸盐岩，岩性主要为厚层生物碎屑微晶灰岩，总体以生物屑、钙质沉积为主，具有典型的潮下带的沉积特征。

上述特征反映出研究区碳酸岩地层沉积环境处在正常浪基下部高能间歇动荡区。该区域沉积环境为浅海开阔台地，光照充足，水体温度、盐度有利于钙质生物、植物的生长。

碳酸盐岩上部覆盖岩石为岩屑砂岩，经薄片鉴定，碎屑岩中碎屑物主要由岩屑、长石及少量石英、填隙物等组成。填隙物包括杂基及胶结物，部分杂基物中方解石较多，代表了一种有障壁滨岸的碳酸盐岩潮坪环境[12-14]。

4 结论

(1) 研究区库木达坂一带处在吐哈盆地南缘，通过对区沉积地层、生物化石类别对比研究，判断区内古沉积环境为浅海环境中台地相的高能潮下坪带亚相。

(2) 水体盐度为正常盐度，水体中富含海绵骨针、双壳、腕足类、藻类、海百合茎、钙球等生物。通过对库木达扳一带碳酸盐地层中化石类型、沉积物及沉积构造的分析，初步建立该地区碳酸盐岩潮相沉积模式，为该地区碳酸盐岩地层沉积环境划分提供帮助。