滇黔桂盆地东北缘特殊浅水环境下形成的下石炭统 - 以环江孟洞剖面为例
(1. 中国地质大学 (北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083
2. 广西壮族自治区地质调查院, 南宁 530022
3. 中国石油集团塔里木油田分公司塔西南勘探开发部, 库尔勒 841000)
摘要: 为探讨滇黔桂盆地东北缘介于深水环境和浅水环境之间形成的下石炭统特点, 以环江孟洞剖面为例。根据孟洞剖面下石炭统的沉积特征、地层旋回性, 对环江孟洞剖面下石炭统进行了层序划分和沉积相识别。并通过与深水环境和浅水环境的对比, 发现孟洞剖面下石炭统位于深水环境和浅水环境之间的过渡地带, 其沉积环境和层序地层具有特殊性。研究结果: (1) 环江孟洞剖面下石炭统由“尧云岭组+英塘组+黄金组+寺门组+罗城组”这一特殊沉积序列构成, 可划分出三个三级层序SQ1、SQ2、SQ3。 (2) 环江孟洞剖面可识别出2种沉积相类型: 三角洲相、陆棚相。其中三角洲相可划分出三种亚相: 前三角洲亚相、三角洲前缘亚相、三角洲平原亚相。 (3) 环江孟洞剖面因含有尧云岭组、罗城组等大套碳酸盐岩层段而不同于深水环境下、以暗色泥页岩为主导的下石炭统, 也因含有英塘组深水沉积和寺门组海陆过渡相沉积区别于浅水环境下、以碳酸盐岩为主导的下石炭统。环江孟洞剖面下石炭统是形成于深、浅水环境之间的过渡地带, 这种特殊的沉积环境和层序地层可以为滇黔桂地区下石炭统的层序地层格架的精确构建提供了新的素材和重要线索。
DOI: 10.48014/cesr.20240826001
引用格式: 于新武, 张英杰, 岑文攀, 等. 滇黔桂盆地东北缘特殊浅水环境下形成的下石炭统———以环江孟洞剖面为例[J]. 中国地球科学评论, 2024, 3(4): 185-195.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2024-08-26
接收日期: 2024-09-05
出版日期: 2024-12-28
0 引言
石炭系作为地质年代表中唯一一个拥有亚系的地层单位，其下部为一套在欧美地区广泛发育的一套海相碳酸盐岩主导的地层，并被命名为密西西比亚系[1-4];其上部为一套富含煤层的海陆交互相碎屑岩主导的地层，并被命名为宾夕法尼亚亚系[5,6]。与之相对应的是，在中国的滇黔桂地区，下石炭统(对应于密西西比亚系)中蕴含了较多的煤层(如寺门组)与暗色泥页岩(如鹿寨组、英塘组)[7-10]，上石炭统(对应于宾夕法尼亚亚系)则主要由碳酸盐岩所主导，并因此与欧美地区的石炭系形成了强烈的反差。滇黔桂地区下石炭统的暗色泥页岩分布受到了同生断裂带的控制[11-13]，在断裂带周边形成了多套以暗色泥页岩为主导的深水沉积序列，而在远离断裂带的地区而形成了多套以碳酸盐岩为主导的、相对浅水环境下形成的特殊的沉积序列。
环江孟洞剖面位于滇黔桂盆地的东北缘，与石炭纪的同生断裂带距离相对较远，其下石炭统由尧云岭组、英塘组、黄金组、寺门组和罗城组构成。其中，尧云岭组、黄金组和罗城组是一套由碳酸盐岩所主导的地层，英塘组则是由暗色泥页岩主导的地层，寺门组是一套富含煤屑的海陆过渡相地层。该剖面因发育了大量的碳酸盐岩层段而与发育在断裂带周边由暗色泥页岩主导的下石炭统相区分(如南丹同贡剖面)，并因含有英塘组深水沉积和寺门组煤屑地层而与远离断裂带的、由碳酸盐岩等浅水沉积所主导的下石炭统形成明显的差异(如隆安都结剖面)。本文选取了发育在深、浅水环境的下石炭统典型剖面，即形成于深水环境的广西南丹同贡剖面(图3)和形成于浅水环境的广西隆安都结剖面(图4)，以及介于两者之间存过渡性质的环江孟洞剖面(图2)。根据沉积特征、地层旋回性对其进行了层序地层研究，以明确介于深水环境(暗色泥页岩主导)和浅水环境(碳酸盐岩主导)之间的地区的特殊的层序地层组成，并为滇黔桂地区下石炭统的层序地层格架的精确构建提供新的素材与重要线索。
图1 研究区位置及构造单元划分图(修改自参考文献[20])1—环江孟洞剖面 2—南丹同贡剖面 3—隆安都结剖面
Fig.1 Schematic diagram of the location of the study area and the division of structural units(Modified from Ref.[20]) 1—Huanjiang Mengdong section 2—Nandan Tonggong section 3—Long' an Dujie section
2 区域地质背景
经过寒武纪末期的郁南运动、中奥陶世末期的都匀运动以及志留纪末期的广西运动，滇黔桂地区从古陆演变成滇黔桂盆地，并进一步演变和发育。由于大规模海侵事件，滇黔桂盆地在早泥盆世末期发育了大量的孤立碳酸盐台地，并形成了特殊的“台-盆-丘-槽”古地理格局。早石炭纪则进一步继承和延续，滇黔桂盆地发展成沿北西 — 东南向分布，涵盖滇东南、黔南、桂西及桂西南的沉积盆地[11]。
处在扬子板块南缘的桂中坳陷区域是分属于滇黔桂盆地的二级构造单元，面积约为4.6×104km2，是一个在晚古生代时期形成的大型海相沉积坳陷[14,15]。桂中坳陷北部与雪峰山隆起相接，西部相邻南丹—都安断裂和罗甸断坳，东部则与龙胜—永福断裂、桂林坳陷和大瑶山隆起相连，南部为大明山隆起。早石炭世，桂中坳陷延续黔桂地区泥盆纪西北向拉张裂陷盆地、北东向走滑盆地与台地相间展布的沉积格局[16]。受早石炭世初期紫云运动的地壳抬升影响，黔南地区大部分地区暴露，桂中地区靠近物源区则发育碎屑岩[17,18]。
桂中坳陷发育 NNE—NE、NW、近 EW 与近 SN 向四组规模不等的断裂系，近 EW 与近 SN 向断裂是坳陷内的主要断裂，它控制着坳陷的主体[19]。桂中坳陷依盖层沉积环境、后期构造变形组合特点及样式，构造单元总体可以划分为“四凹三凸一斜坡”，即环江浅凹、宜山断凹、红渡凹陷、象州凹陷、马山凸起、罗城低凸起、柳江凸起以及柳城斜坡，共8个次级构造单元[20](图1)。
研究剖面位于桂中坳陷三级构造单元环江浅凹的东部，距环江县城约45km的孟洞村附近。其下石炭统由“尧云岭组+英塘组+黄金组+寺门组+罗城组”的独特地层序列组成。
3 层序地层学
层序地层学是通过海平面升降周期变化所产生的沉积特征来划分对比地层、确定地层和解释地层记录的理论[21,22]。在层序地层学研究中最关键的是层序划分，而层序划分的关键是有关界面的识别，可用于确定层序的界面包括层序的顶底界面，这是层序划分的基础和前提[23,24]。
3.1 沉积相
结合前人研究资料[25-27]和野外露头分析，环江孟洞剖面在下石炭统时期可识别的沉积相为三角洲相和陆棚相。
3.1.1 三角洲相
根据剖面资料和沉积特征，研究区孟洞剖面下石炭统三角洲相(图2)主要发育前三角洲亚相、三角洲前缘亚相和三角洲平原亚相。
(1)前三角洲亚相:前三角洲是三角洲水深最大的部分。代表性层位为寺门组下部，主要由砂质泥岩和碳质泥页岩构成，夹少量细砂岩透镜体，常发育水平层理。
(2)三角洲前缘亚相:三角洲前缘是三角洲沉积的主体部分。代表性层位为寺门组中部，主要由砂质泥岩和砂岩构成，常发育水平层理及波状层理等。寺门组中部可见砂岩粒度自上而下由粗变细的沉积特征。
(3)三角洲平原亚相:三角洲平原是三角洲的陆上沉积部分，由于石炭纪气候温暖潮湿，在沼泽环境中植物生长茂盛，从而导致大量的泥炭堆积，三角洲泛滥平原沼泽沉积便会形成沼泽相劣质煤层。代表性层位为寺门组上部，主要由砂质泥岩、碳质泥页岩及劣质煤层构成，常发育水平层理，煤层的出现一般作为三角洲平原存在的标志。
3.1.2 陆棚相
陆棚相为孟洞剖面下石炭统(图2)较为发育的一种沉积相，代表性层位为尧云岭组、英塘组、黄金组和罗城组。深水陆棚亚相沉积主要有尧云岭组上部、英塘组、黄金组下部和罗城组下部，岩性主要以生物碎屑灰岩、碳质或钙质泥页岩、砂质泥岩为主，具水平层理;浅水陆棚亚相沉积主要有尧云岭组下部、黄金组上部和罗城组上部，岩性主要以灰岩、泥页岩为主，具水平层理，发育古生物化石。
图2 广西环江孟洞剖面下石炭统的层序地层划分a.英塘组碳质泥页岩;b.黄金组中厚层灰岩夹中薄层泥页岩;c.寺门组生物化石d.寺门组三角洲前缘亚相的砂岩层
Fig.2 Sequence stratigraphic division of the Lower Carboniferous Formation in the Mengdong section，Huanjiang，Guangxi a.Yingtang Formation carbonaceous shale b.Thick limestone interbedded with thin mudstone in the Huangjin Formation c.Fossils of the Simen Formation d.Sandstone layers of the delta front subfacies in the Simen Formation
3.2 层序地层划分
3.2.1 环江孟洞剖面
环江孟洞剖面位于滇黔桂盆地的东北缘，与石炭纪的同生断裂带距离相对较远。随着靠近雪峰山古陆边缘地带，下石炭统的沉积环境逐渐变浅。其形成了一套特别的下石炭统沉积序列:“尧云岭组 + 英塘组 + 黄金组 + 寺门组 + 罗城组”。结合地层沉积构造和沉积界面，将环江孟洞剖面下石炭统地层划分为3个三级层序(SQ1、SQ2、SQ3)。
SQ1:岩石地层单位为尧云岭组、英塘组和黄金组。底界面性质:尧云岭组底部灰岩、生物碎屑灰岩夹暗色泥页岩与下伏上泥盆统额头村组厚层灰岩夹泥质灰岩之间的平行不整合面，以厚层砂屑灰岩消失或薄层微晶灰岩出现为标志。体系域特征:尧云岭组为深灰色中厚层生物碎屑灰岩，局部夹暗色泥页岩。地层灰岩含量向上逐渐降低，呈现水体向上加深趋势，为SQ1的海侵体系域(Transgressive systems tract，TST)。英塘组发育黑色富有机质泥页岩夹砂质泥岩和粉砂质钙质泥页岩，局部夹泥灰岩，富含浮游生物，为SQ1的凝缩段(Condensed section，CS)。黄金组发育中厚层生物碎屑灰岩夹中薄层泥页岩(图2中的图b)，并且泥页岩与生物碎屑灰岩构成潮下型碳酸盐岩米级旋回[28]。地层灰岩含量向上不断增加，呈现水体向上变浅趋势，为高水位体系域(Highstand systems tract，HST)。顶界面性质:黄金组顶部生物碎屑灰岩夹泥页岩与上覆寺门组底部砂质泥岩夹碳质泥页岩之间的整合界面。
SQ2:岩石地层单位为寺门组。底界面性质:底界面为SQ1的顶界面。体系域特征:寺门组下部为砂质泥岩夹碳质泥页岩及少量煤线，构成前三角洲亚相的滨海沼泽沉积，构成SQ2的TST。寺门组中部为砂质泥岩和灰黄色砂岩(图2中的图d)，为三角洲前缘亚相的高能曲流河沉积，而其上部为砂质泥岩夹碳质泥页岩及少量煤线，为三角洲平原亚相的低能曲流河沉积，共同组成SQ2的HST。顶界面性质:寺门组顶部碳质泥页岩夹砂质泥岩与上覆罗城组底部泥灰岩之间的整合界面。
SQ3:岩石地层单位为罗城组。底界面性质:底界面为SQ2的顶界面。体系域特征:罗城组下部为灰色中层泥灰岩夹少量暗色碳质泥页岩及灰色生物碎屑灰岩，地层灰岩含量向上逐渐降低，呈现水体向上加深趋势，构成了SQ3的TST。罗城组中上部为灰色中、厚层生物碎屑灰岩和暗色碳质泥页岩，并且生物碎屑灰岩与碳质泥页岩互层构成潮下型碳酸盐岩米级旋回，构成了SQ3的HST。顶界面性质:罗城组顶部生物碎屑灰岩夹碳质泥页岩与上覆大埔组底部白云岩之间的整合界面，以大套白云岩的出现为标志。
3.2.2 南丹同贡剖面
南丹同贡剖面是石炭系典型的深水沉积剖面，其下石炭统发育一套“鹿寨组 + 南丹组”沉积序列，沉积相主要为台盆相和陆棚相，可以划分出三个三级层序(SQ1、SQ2、SQ3)。由图3可以看出:鹿寨组可以划分出两个三级层序(SQ1、SQ2)，南丹组下部和鹿寨组顶部则构成了下石炭统的SQ3。
SQ1:岩石地层单位为鹿寨组中下段。体系域特征:鹿寨组下部地层主要发育碳质泥页岩，夹少量硅质泥页岩(图3中的图a)。地层中硅质泥页岩含量自下而上含量逐渐升高，体现出水体向上加深的趋势，构成了SQ1 的TST。鹿寨组中部则发育泥页岩和灰岩，为陆棚相沉积。地层中灰岩含量明显增加，体现向上变浅的沉积趋势，构成了SQ1的 HST和强制海退体系域(Forced regressive systems tracts，FRST)。
SQ2:岩石地层单位为鹿寨组中上段。体系域特征:鹿寨组中上部为碳质泥页岩夹少量硅质泥页及灰岩透镜体。地层自下向上灰岩含量不断降低，硅质泥页岩含量不断增加，呈现出水体向上加深趋势，构成了SQ2的TST。鹿寨组中上部为中厚层硅质泥页岩夹薄层泥灰岩。地层自下而上灰岩含量不断增多，体现水体变浅的沉积趋势，为SQ2的HST。
SQ3:岩石地层单位为鹿寨组和南丹组。体系域特征:鹿寨组顶部为碳质泥页岩夹少量钙质泥页岩;南丹组底部为泥灰岩及少量碳质泥页岩。鹿寨组顶部和南丹组底部共同构成了SQ3 的TST。南丹组中下部为生物碎屑灰岩夹泥灰岩，构成了SQ3的HST。
3.2.3 隆安都结剖面
隆安都结剖面(图4)是石炭系典型的浅水沉积剖面，其下石炭统发育一套“隆安组 + 都安组”沉积序列，沉积相主要为台地相和陆棚相。可以划分出三个三级层序(SQ1、SQ2、SQ3)，其中SQ1和SQ2由隆安组构成，SQ3则由隆安组上部和都安组下部组成。
SQ1:岩石地层单位为隆安组。体系域特征:隆安组底部为陆棚相的泥灰岩，为SQ1的TST。隆安组下部为中厚层角砾状灰岩夹少量生物碎屑灰岩及泥灰岩，为SQ1的HST。地层自下而上灰岩层增厚，到层序的顶部发育垮塌沉积的角砾灰岩层构成深水非对称型碳酸盐岩米级旋回层序，表明SQ1为一个自下向上从陆棚相演变为斜坡相的总体向上变浅序列[29]。
SQ2:岩石地层单位为隆安组。体系域特征:隆安组中下部为碳质泥页岩及泥灰岩。地层灰岩含量向上不断降低，体现出向上加深的沉积趋势，为SQ2的TST。隆安组中部为生物碎屑灰岩和灰质白云岩，为SQ2的HST。
SQ3:岩石地层单位为隆安组、都安组。体系域特征:隆安组上部为泥灰岩和生物碎屑灰岩，为SQ3的TST。都安组下部为一套特殊的高能块状生物丘及颗粒滩相灰岩，构成了SQ3的HST[29]。在HST顶部发育白云质灰岩，构成SQ3的FRST。
图3 广西南丹同贡剖面下石炭统的层序地层划分(修改自参考文献[25])a.鹿寨组厚层块状碳质泥页岩夹薄层灰岩b.鹿寨组碳质泥页岩远照c.南丹组灰岩d.南丹组灰岩地层远照
Fig.3 Sequence stratigraphic division of the Lower Carboniferous Formation in the Tonggong section of Nandan，Guangxi，China(Modified from Ref.[25]) a.Luzhai Formation thick blocky carbonaceous shale interbedded with thin limestone b.Far sighting of carbonaceous shale in Luzhai Formation c.Nandan Formation limestone d.Far sighting of Nandan Formation limestone strata
4 各类环境下的典型剖面对比
滇黔桂地区下石炭统的暗色泥页岩分布受到了同生断裂带的控制，在断裂带周边形成了多套以暗色泥页岩为主导的深水沉积序列，而在远离断裂带的地区而形成了多套以碳酸盐岩为主导的、浅水环境下形成的浅水沉积序列。与北美地区大套灰岩组成的下石炭统(密西西比亚系)形成强烈反差，可能代表着冈瓦纳冰川作用的低纬度响应[30]。
相较于发育在深水背景下由暗色泥页岩主导的南丹同贡剖面(图3)和发育在浅水背景下由碳酸盐岩主导的隆安都结剖面(图4)，发育在介于深水环境和浅水环境之间的环江孟洞剖面(图2)由于沉积环境的不同导致其在沉积相等方面都有较大的差异。主要表现为:
在深水背景下，以南丹同贡剖面为例。SQ1和SQ2 主要发育缺氧盆地相碳质、硅质等泥页岩和深水陆棚相灰岩、泥灰岩。并且缺氧盆地相沉积组成SQ1、SQ2的TST，深水陆棚相沉积组成SQ1、SQ2的HST。SQ3的TST则由盆地相富有机质泥页岩和陆棚相灰岩构成，SQ3的HST由陆棚相生物碎屑灰岩、泥灰岩构成。
图4 广西隆安都结剖面下石炭统的层序地层划分(修改自参考文献[29])a.隆安组灰岩夹碳质泥页岩 b.隆安组灰岩 c.都安组灰岩远照
Fig.4 Sequence stratigraphic division of the Lower Carboniferous Formation in the Dujie section，Longan，Guangxi，China(Modified from Ref.[29]) a.Long' an Formation limestone interbedded with carbonaceous shale b.Long' an Formation limestone c.Du' an Formation limestone distant view
在浅水背景下，以隆安都结剖面为例。SQ1和SQ2主要发育斜坡相泥晶灰岩、生物碎屑灰岩和台地相生物碎屑灰岩、白云质灰岩。SQ3则发育台地相灰岩和生物丘及颗粒滩相叠层石生物丘灰岩。
在深、浅水过渡背景下，环江孟洞剖面中，尧云岭组、黄金组和罗城组是一套由碳酸盐岩所主导的地层;英塘组则是由暗色泥页岩主导的地层;寺门组是一套富含煤屑的海陆过渡相地层。因其含有英塘组深水陆棚相沉积和寺门组三角洲相沉积而区别于以碳酸盐岩为主导的浅水沉积，而含有尧云岭组、黄金组、罗城组大套碳酸盐岩沉积则与以暗色泥页岩为主导的深水沉积形成差异，也进一步证明了环江孟洞剖面沉积环境的独特。
5 结论
(1)环江孟洞剖面下石炭统由“尧云岭组+英塘组+黄金组+寺门组+罗城组”这一特殊沉积序列构成，可划分出三个三级层序SQ1、SQ2、SQ3。
(2)环江孟洞剖面可识别出2种沉积相类型:三角洲相、陆棚相。其中三角洲相可划分出三种亚相:前三角洲亚相、三角洲前缘亚相、三角洲平原亚相。
(3)环江孟洞剖面因含有尧云岭组、罗城组等大套碳酸盐岩层段而不同于深水环境下、以暗色泥页岩为主导的下石炭统，也因含有英塘组深水沉积和寺门组海陆过渡相沉积区别于浅水环境下、以碳酸盐岩为主导的下石炭统。
环江孟洞剖面下石炭统是形成于深、浅水环境之间的特殊地区，这种特殊的沉积环境和层序地层可以为滇黔桂地区下石炭统的层序地层格架的精确构建提供了新的素材和重要线索。下一步结合研究成果，对研究区其他区域进行沉积环境分析和层序地层划分，建立滇黔桂地区下石炭统层序地层格架。
利益冲突: 作者声明没有利益冲突。
[③] *通讯作者 Corresponding author:于新武，3474477204@qq.com
收稿日期:2024-08-26; 录用日期:2024-09-05; 发表日期:2024-12-28
基金项目:本项研究得到了广西重点研发项目“广西页岩气成藏条件及预测评价关键技术研究”(资助编号2021AB30011);广西地矿局科研项目“广西页岩气成藏条件及预测评价关键技术研究(续作)”(GXDK202430)的资助
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The Lower Carboniferous Formed in the Special Shallow-Water Environment at the Northeast Margin of the Dianqiangui Basin: A Case Study from the Mengdong Section of the Huanjiang
(1. School of Earth Science and Resources, China University of Geoscience (Beijing) , Beijing 100083, China
2. The institute of Geological Survey of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530022, China
3. Tarim Oilfield Branch of China National Petroleum Corporation Tarim Exploration and Development Department, Korla 841000, China)
Abstract: In order to explore the characteristics of the Lower Carboniferous formed between the deep-water environment and the shallow-water environment in the northeast margin of the Dianqiangui Basin, taking the section of Mengdong in Huanjiang as an example. According to the sedimentary characteristics and stratigraphic cyclic features of the Lower Carboniferous at the Mengdong section, the sequence division and sedimentary facies identification of the Lower Carboniferous at the Mengdong section of the Huanjiang section were carried out. In addition, through the comparison with the deep-water and shallow-water environments, it is found that the of the Lower Carboniferous Mengdong section is located in the transition area between the deep-water environment and the shallow water environment, and its sedimentary environment and sequence stratigraphy have particularities. Findings: (1) The Lower Carboniferous of the Mengdong section is composed of a special sedimentary sequence of “Yaoyunling Formation + Yingtang Formation + Huangjin Formation + Simen Formation + Luocheng Formation”, which can be divided into three tertiary sequences SQ1, SQ2 and SQ3. (2) Two types of sedimentary facies can be identified in the Mengdong section of Huanjiang section: delta facies and shelf facies. Among them, delta facies can be divided into three facies: pro-delta facies, delta front facies, and delta plain facies. (3) The Lower Carboniferous at the Mengdong section is different from the Lower Carboniferous dominated by dark shale in the deep-water environment because it contains large sets of carbonate rock Strata stratum such as Yaoyunling Formation and Luocheng Formation. It is also distinguished from the carbonate-dominated Lower Carboniferous Strata stratum by the presence of deep-water sediments of the Yingtang Formation and the sea-land transition facies sediments of the Simen Formation, which are found in the shallow-water environments. The Lower Carboniferous at the Mengdong section of Huanjiang is formed in the transition area between deep-and shallow- water environments, and this special sedimentary environment and sequence stratigraphy can provide new materials and important clues for the accurate construction of the sequence stratigraphic framework of the Lower Carboniferous in the Yunnan-Guizhou-Guangxi area.
Keywords: Sequence stratigraphy, sedimentary environment, Yunnan-Guizhou-Guangxi Area, lower carboniferous
DOI: 10.48014/cesr.20240826001
Citation: YU Xinwu, ZHANG Yingjie, CEN Wenpan, et al. The Lower Carboniferous formed in the special shallow-water environment at the northeast margin of the Dianqiangui Basin: a case study from the Mengdong section of the Huanjiang[J]. Chinese Earth Sciences Review, 2024, 3(4): 185-195.