江汉盆地江陵凹陷南缘古新统沙市组四段含盐岩系沉积特征及其沉积环境意义*
王春连1, 刘成林1, 胡海兵2, 毛劲松2, 沈立建3, 赵海彤3
1 中国地质科学院矿产资源研究所,北京 100037
2 湖南省湘澧盐矿,湖南澧县 415400
3 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083
通讯作者简介 刘成林,男,1963年生,研究员,主要从事沉积矿床研究工作。

第一作者简介 王春连,男,1983年生,矿物学、岩石学、矿床学专业博士生,主要从事沉积地质学和盆地沉积矿产研究工作。E-mail:wangchunlian312@yahoo.com.cn

摘要

通过钻井岩心观察及室内测试分析等方法,对江汉盆地江陵凹陷南缘古新统沙市组四段含盐岩系的沉积特征进行了研究。该时期研究区盐湖的特点是:成盐多期次、沉积连续、淡化—咸化周期性交替,因而成为恢复古气候和古环境的重要研究对象。该区沙市组四段盐层间的层段由非砂岩组成,主要由单层厚度为几毫米至几十厘米、累积厚度达几十厘米至几米的含盐韵律组成,为复成分的蒸发盐矿物、碳酸盐矿物及陆源的黏土和细碎屑矿物等组成的混积岩。借助 Fe Mn Al Ca Mg Co Ni V Cu等元素含量以及 Sr/Ba Mg/Ca V/( V+Ni)、 Ni/Co Cu/Zn等值,对盐间段沉积特征和沉积环境进行了分析。认为沙市组四段盐间段沉积环境为湖泊浪基面之下的缺氧还原环境,为常年性较深水分层湖泊。该时期的湖泊可分为微咸水湖、半咸水湖、咸水湖和盐湖。根据典型暖相盐类矿物(原生钙芒硝层)发育广泛和指示气候干旱程度的 Fe2O3/FeO值特征,推断研究区在沙市组沉积晚期的古气候属于暖旱型气候。

关键词: 江汉盆地; 江陵凹陷; 含盐岩系; 沉积特征; 沉积环境; 盐湖; 古气候
中图分类号:P534.61+2 文献标志码:文章编号:1671-1505 (2012) 02-0165-11 文章编号:1671-1505(2012)02-0165-11
Sedimentary characteristics and its environmental significance of salt-bearing strata of the Member 4 of Paleocene Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression, Jianghan Basin
Wang Chunlian1, Liu Chenglin1, Hu Haibing2, Mao Jinsong2, Shen Lijian3, Zhao Haitong3
1 Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037
2 Xiangtan Salt Mine,Lixian 415400,Hunan
3 School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083;
About the corresponding author Liu Chenglin, born in 1963, is a researcher at Institute of Mineral Resources, CAGS, and is engaged in study of sedementary deposits.

About the first author Wang Chunlian,born in 1983,is a candidate for Ph.D.degree,and is mainly engaged in researches of sedimentology and economic geology.

Abstract

Based on drilling core and experimental analyses,the authors studied the sedimentary characteristics of salt-bearing strata of the Member 4 of Paleocene Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression of Jianghan Basin.The sedimentation of salt lake is characterized by multi-period,continuous and periodically alternating of fresh and salt water.Therefore,it has become the important research focus to study palaeoclimate and palaeoenvironment.The salt-bearing strata of the Member 4 of Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression is composed of non-sandstone,mainly peperite of evaporate mineral,carbonate mineral,terrigenous clay and fine detrital mineral.The layer thickness can be a few millimeter to a few dozen centimeters.The accumulated bed thickness is up to a few dozen centimeters to a few meters.Through comparison analysis of Fe,Mn,Al,Ca,Mg,Co,Ni,V,Cu content and Sr/Ba,Mg/Ca,V/(V+Ni),Ni/Co,Cu/Zn ratio,the sedimentary characteristics and sedimentary environment of salt-bearing strata are studied systematically.It shows that the lake environment in the Yanjian Member of Shashi Formation is perennial relative deep delamination salt lake,which can be classified as brackish-water lake,semi-salt-water lake,salt-water lake and brine lake.The lake depth becomes shallow from downward to upward.Primary glauberite,typically warm facies saline minerals,is widely developed in this formation.The Fe2O3/FeO ratio represents drought climate.This feature reveals that the Paleocene Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression of Jianghan Basin is characterized by a drought and warm palaeoclimate.

Key words: Jianghan Basin; Jiangling Depression; salt-bearing strata; sedimentary characteristics; sedimentary environment; brine lake; palaeoclimate
1 概述

江陵凹陷是江汉盆地最大的次级负向构造单元, 是在期燕山期褶皱基底上形成的晚白垩世— 古近纪凹陷背景下的断陷盆地, 东界为丫角断层, 北边有纪山寺断层, 西为问安寺断层, 南界为公安断层, 它们共同控制着江陵凹陷的形成与发展(图 1), 以万城断层为界, 具有NW分带、NE分块的构造格局(王典敷和汪仕忠, 1998)。江陵凹陷南缘沙市组自下而上可分为4段, 即沙一段、沙二段、沙三段和沙四段(图 2), 其中沙四段沉积为1套含盐岩系, 盐岩层异常发育, 至少发育14层盐岩(其中包含8层亚盐层), 盐层累计厚度约达16 m(图 2)。自20世纪70年代以来, 对该区沙四段盐间地层的岩性特征及类型一直存在争议(杨长青等, 2003; 李春梅和蒲秀刚, 2005)。过去一直认为盐间地层岩性多为泥岩, 而近年来的详细研究则认为, 盐韵律层间岩性以泥岩、泥质碳酸盐岩、碳酸盐质泥岩为主, 夹部分泥质钙芒硝岩、硬石膏岩及菱铁矿和菱镁矿等多种矿物组成的复杂混合岩类。因其不含砂岩, 故称之为盐间非砂岩(蒲秀刚等, 2002; 张永生等, 2003, 2005; 李春梅和蒲秀刚, 2005)。

图1 江陵凹陷构造单元分布(据杨长青等, 2003)Fig.1 Tectonic unit of Jiangling Depression(After Yang et al., 2003)

图2 江陵凹陷南缘沙市组四段地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column of the Member 4 of Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression

在对江陵凹陷南缘B103井沙四段14个含盐韵律取心段进行详细观察描述的基础上, 借助Fe、Mn、Al、Ca、Mg、Co、Ni、V、Cu等元素含量以及Sr/Ba、Mg/Ca、V/(V+Ni)、Ni/Co、Cu/Zn等元素比值, 对盐间段沉积特征和沉积环境进行了分析。

2 沉积特征

研究区沙四段取心井段主要沉积特征如下:

1)蒸发岩层序中碎屑沉积物粒度细, 主要为泥质岩类, 含极少量粉砂岩, 无粗碎屑砂岩和砾岩, 颜色以灰色、深灰色和灰黑色为主, 水平纹层理(图3-A)和块状层理发育(图3-B), 岩性分布稳定且广泛。黄铁矿在上述沉积物中常有分布(图3-C), 并发现了自然铁和菱铁矿(图3-D, 3-E), 表明B103井沉积物是远离滨岸带的半深湖— 深湖中水下缺氧还原环境沉积的产物。

图3 江陵凹陷南缘古新统沙市组四段主要沉积类型(Ⅰ )Fig.3 Sedimentary types of the Member 4 of Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression(Ⅰ )

2)薄层状暗色泥岩和碳酸盐岩与厚层状蒸发盐类(石盐岩、钙芒硝岩、硬石膏等)呈韵律性互层(图 3-F), 韵律的厚度为几厘米, 累积厚度达几米。在扫描电镜下可以观察到钙芒硝和石盐的韵律层, 单层厚度只有几十个微米(图 4-A), 其中未见干旱氧化和富氧及含氧条件下形成的红层、暴露标志和沉积间断。

图4 江陵凹陷南缘古新统沙市组四段主要沉积类型(Ⅱ )Fig.4 Sedimentary types of the Member 4 of Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression(Ⅱ )

3)盐间相对淡化段沉积中厘米级薄层状蒸发岩发育, 如薄层状钙芒硝岩、薄层状石膏和纹层状石盐等, 它们厚度薄(1~5, cm), 侧向延伸稳定, 沿长轴方向定向排列, 界面平坦, 在岩心上厚度几乎一致, 有时有揉皱和微塑性变形(图 4-B), 表明它们是在水体相对较深、水底未受波浪和流水影响的滞留环境中沉淀而成的, 这是深水蒸发岩相的典型成因单元或岩性相之一(李蕙生和孙永传, 1996)。此外, 在淡化段泥质岩中还常见呈条带状、透镜状、团块状顺层分布的同生粒状钙芒硝岩和硬石膏岩(图 4-C, 4-D), 反映出盐湖蒸发沉积时的深水成因沉积构造特征(袁静等, 2000)。这种蒸发岩与细碎屑岩在地层剖面中呈互层状、条带状和纹层状小韵律性(或层偶状)分布的现象表明, 盐湖发育过程中水体含盐度具有淡化— 浓缩相间的多旋回、多韵律式沉积特征。

4)在岩性剖面上, 泥质白云岩与泥质岩类、或与层状钙芒硝岩和石盐岩形成混合沉积(图 4-E, 4-F), 成分上混合较充分, 含量在10%~25%之间, 代表了相对淡化阶段水体较深、盐度较大、湖水相对浓缩阶段沉积的产物。

上述沉积特征表明, 江陵凹陷沙市组四段盐层间的层段由非砂岩组成, 主要由单层厚度为几毫米— 几十厘米、累积厚度达几十厘米至几米的含盐韵律组成, 为复成分的蒸发盐矿物、碳酸盐矿物及陆源的黏土和细碎屑矿物等组成的混积岩。盐湖发育过程中水体含盐度具有淡化— 浓缩相间的多旋回、多韵律式特征。

3 沉积环境

区域构造及古地理研究表明, 沙市组沉积时期江陵凹陷沉降幅度较大, 水体相对较深, 为该凹陷的主要沉积成盐期(杨长清等, 2003)。迄今为止, 研究区沙市组四段盐间段沉积中未能获取有效的指示沉积环境的微体古生物化石。文中根据沉积物成分和Mg/Ca值等, 把盐间相对淡化段沉积时期的湖泊环境大体分为4类, 即微咸水湖、半咸水湖、咸水湖和盐湖(表 1)。

表1 江陵凹陷南缘沙市组四段盐间段沉积环境划分 Table1 Sedimentary environment classification of intervals between salt beds from the Member 4 of Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression

研究区沙市组四段沉积环境与岩性对应较好, 低盐度的微咸水— 半咸水环境一般对应于暗色泥岩类、含白云(白云质)泥岩类; 咸水环境多对应于泥质白云岩类、泥质石膏岩类、白云岩和泥质(白云质)钙芒硝岩; 卤水环境基本对应较纯的盐岩类, 如石盐岩、钙芒硝岩和泥质白云岩等(表 1)。因此根据岩性特征可初步确定其沉积环境。

Sr/Ba值和Mg/Ca值亦常用来作为区分淡水和咸水沉积的参数(Rais and Buckley, 1988; 邓宏文和钱凯, 1993; 孙镇城等, 1997), 通常Sr/Ba> 1表示咸水, Sr/Ba< 1表示淡水; Mg/Ca< 0.25表示微咸水, Mg/Ca值介于0.25~0.5表示半咸水, Mg/Ca 值介于0.5~1表示咸水, Mg/Ca> 1表示盐湖环境。研究区沙市组四段的Sr/Ba值介于0.43~9.1之间, 平均值为3.38; Mg/Ca值为0.33~6.57, 平均值为2.21(表 2)。因此, 依据Sr/Ba值和Mg/Ca值与水体盐度的关系, 可以认为江陵凹陷南缘沙市组四段的沉积环境主要为咸水湖到盐湖环境。

表2 江陵凹陷南缘沙市组四段元素标志、水体相对深度及沉积环境划分 Table2 Element indexes, relative water depth and sedimentary environments of the Member 4 of Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression

纵向分析表明, 沙四段盐间段沉积时湖泊水体以咸水湖— 盐湖环境为主; 但两类环境中均间歇性出现半咸水和微咸水环境。进一步分析表明, 盐间相对淡化段的形成环境总体以盐湖环境为主, 次为咸水湖环境, 两者约占60%, 半咸水湖和微咸水湖约占40%(表 1)。这说明盐间段沉积时湖泊水体稀释淡化速度较慢, 由高浓度卤水慢慢过渡到咸水、半咸水和微咸水, 盐类沉积因水体变淡而中断。

4 湖泊水体深度和氧化还原条件分析
4.1 沙四段咸化湖泊水体深度

利用生物标志(包括生物的壳体构造、生态特征、地球化学和群落组合等)恢复古代海相沉积盆地的古水深已取得显著成效(卫民, 1999)。但要定量地确定水体的深度仍然缺乏可靠的手段和方法, 在陆相沉积盆地尤其如此。近年来通过现代沉积研究发现, 元素的地球化学特征与盆地水体的深度和离岸距离有一定关系, 在古代大型湖泊沉积中, 这种关系更为清楚。如松辽盆地白垩系湖相泥岩中, 元素(V+Ni+Mn)的含量由河流相泥岩向湖相泥岩逐渐升高(刘平略等, 1986), 河流相小于150× 10-6; 滨浅湖相为150× 10-6~170× 10-6; 半深湖相为170× 10-6~190× 10-6; 深湖相大于190× 10-6。在渤海湾盆地古近纪湖相沉积中Mn随离岸距离的加大及水深增加, 呈现逐渐增高的趋势; 而Fe在滨湖地带更易聚集。显然, 元素地球化学特征在陆相沉积盆地古水深判断中有一定意义, 若结合生物标志应具有更好的效果。

在本项研究中, 将Fe/Mn值、(Fe+Al)/(Ca+Mg)值和(V+Ni+Mn)含量作为沙四段湖相沉积离岸距离的标志。Fe/Mn值小于100被认为水体属于深湖, 比值在100~150之间属于半深湖, 比值大于150属于浅湖环境(刘平略等, 1986); (Fe+Al)/(Ca+Mg)值小于1.3属于深湖, 比值在1.3~2.0之间属于半深湖, 比值大于2.0就属于远离湖岸的浅湖沉积(张永生等, 2003); (V+Ni+Mn)含量为150× 10-6~170× 10-6属于滨浅湖, 含量为170× 10-6~190× 10-6属于半深湖, 含量大于190× 10-6属于深湖环境(邓宏文和钱凯, 1993)。

Fe/Mn值 Fe与Mn的化学性质差异较大, Fe的化合物易在河口或滨岸地带富集, 而Mn的化合物稳定性比Fe的化合物强, 可经过长距离迁移并在远离滨岸的盆地中沉积下来, 故Mn在泥岩中、特别在碳酸盐岩中更加富集。因此, Fe/Mn值可作为离岸距离(或水深)的标志。B103井沙四段沉积物化学分析测试结果(表 3)的Fe/Mn值范围是70.1~191.3, 平均值为130.4(表 2), 表明研究区沙四段基本上属于半深湖沉积。

表3 江陵凹陷南缘沙市组四段沉积物常量、微量元素组成 Table3 Composition of major elements and trace elements of samples from the Member 4 of Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression

(Fe+Al)/(Ca+Mg)值 Fe和Al均在陆源碎屑岩中含量较高, 尤其在泥岩中随碳酸盐矿物的富集而减少; 而Ca和Mg主要赋存于碳酸盐岩中, 并随Fe和Al含量的增加而呈负相关关系。在研究层段中, 碳酸盐岩含量的增多暗示陆源物质的缺乏及离岸距离的增大。因此, (Fe+Al)/(Ca+Mg)值在研究层段内是良好的离岸距离的标志。B103井沙四段沉积因远离湖岸, 陆源碎屑物质减少, 故(Fe+Al)/(Ca+Mg)值不高, 平均值为2.18(表 2)。

(V+Ni+Mn)含量 V和Ni在暗色泥岩和页岩中均较富集, 可能与有机质的富集作用有关。对现代青海湖湖底沉积物的调查也发现, Ni含量与有机质呈正相关关系(刘平略等, 1986)。而古代大型湖盆如松辽盆地白垩系和渤海湾盆地古近纪沉积中这些元素的富集还与水体加深有关(邓宏文和钱凯, 1993)。Mn的特点前面已述, 与V、Ni一样, 也在远离滨岸带的深水区富集。因此, 利用(V+Ni+Mn)含量可有效地判断古水深。研究区沉积物样品中(V+Ni+Mn)含量为131.5× 10-6~212.3× 10-6, 平均值为171.1× 10-6(表2), 属于水体较深的半深湖沉积物。需说明的是, 这种环境的水体深浅是相对的, 不同于一般湖泊的分类(孙永传和李蕙生, 1986; 冯增昭, 1993), 它们均位于湖泊浪基面之下, 大体相当于常年性深水盐湖。

4.2 沙四段咸化湖泊氧化还原条件

目前, 越来越多的学者利用微量元素及其比值恢复古湖泊的氧化还原条件, 其中, 微量元素V/(V+Ni)和Ni/Co值以及Ni/Co和Cu/Zn值已经被广泛应用于古湖泊水体氧化条件研究中, 并且总结出了一些经验值(Dill et al., 1988; Hatch and Leventhal, 1992; Jones and Manning, 1994; Mongenot et al., 1996)。如V/(V+Ni)> 0.54代表厌氧环境, V/(V+Ni)值介于0.45~0.60之间表示贫氧的沉积环境, V/(V+Ni)< 0.46 指示富氧的沉积环境。Ni/Co值大于1.8、Cu/Zn值大于0.3反映还原条件(Jones and Manning, 1994)。

依据上述各微量元素含量与古湖泊氧化还原条件的关系, 研究区沙四段的V/(V+Ni)值介于0.68~0.77之间, 表明其为厌氧环境。同时, Ni/Co值介于2.19~2.60之间、Cu/Zn值介于0.40~0.77之间(表 4), 也反映了其属于厌氧环境。

表4 江陵凹陷南缘沙市组四段常量、微量元素比值 Table4 Element ratio of the Member 4 of Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression

因此, 研究区沙四段沉积时期均位于湖盆浪基面之下, 是缺氧还原环境, 大体相当于常年性深水盐湖。从化学分析结果看, 研究区沙四段沉积时期基本以较深水的半深湖— 深湖为主, 有极短的时期为浅水湖。

5 古气候特征
5.1 Fe2O3/FeO值

Fe 是变价元素, 其地球化学行为取决于所在环境的物理化学条件, 尤其是对所处的氧化还原环境的变化反映特别敏感(金秉福等, 2002)。在还原条件下, pH值较高时, 铁以Fe2+形式存在, 迁移能力很强; 在氧化条件和pH 值低的酸性介质中, 铁以Fe3+形式存在, 迁移能力弱。因此可以根据泥岩中Fe2+、Fe3+的含量及其比值来反映环境的氧化还原程度(邓宏文和钱凯, 1993)。并且, 一般在干热气候条件下, 沉积环境的氧化性很强, 故Fe对应的两类氧化物的Fe2O3/FeO值显著增大(Dinescu et al., 2000)。

依据上述Fe2O3/FeO值与气候干湿条件变化的对应关系, 研究区沙四段中Fe2O3/FeO值介于1.72~4.14之间, 均值2.50(表 4)。根据柳蓉等(2010)对抚顺盆地始新世古湖泊演化的研究成果来看, 干热气候和半湿润气候Fe2O3/FeO值的分界线约为1.8。因此, 研究区沙四段沉积时期的古气候条件总体上表现为干热, 但是有短暂的时期为半湿润气候。

5.2 指相盐类矿物

郑绵平等(1998)把对气温敏感的盐类矿物划分为3种类型:(l)冷相盐类矿物; (2)暖相盐类矿物; (3)广温相盐类矿物。在古气候类型的指相盐类矿物中, 典型的冷相盐类矿物以稳定或不稳定芒硝层沉积为特征; 典型的暖相和偏暖相盐类矿物以稳定的钙芒硝层或无水芒硝层为特征, 如新疆罗布泊现代富钾盐湖产出单层厚度几厘米到几米, 累计厚度达80余m的原生钙芒硝岩(王弭力等, 2001; 刘成林等, 2006, 2007, 2010), 其所处的气候背景无疑属暖旱气候类型; 过渡相以广温性石盐、假石盐或天然碱的沉积层等为特征。

在江陵凹陷沙四段盐类岩层中, 除广泛发育的广温相石盐岩层外, 作为暖相指示矿物的原生钙芒硝在整个沙四段普遍发育。进一步研究表明, 钙芒硝有2种存在形式:原生态和次生态。原生态钙芒硝主要特征为:(l)晶粒粒径多为0.5~2.0, mm; (2)集中形成厚度几毫米到几厘米不等的钙芒硝岩薄层(图 5-A, 5-B); (3)晶形一般为菱形, 长轴沿层理呈定向排列; (4)边缘多被有机质浸染。次生态钙芒硝主要特征为:(l)晶粒大小相差较大, 细晶— 巨晶均可见到; (2)晶形为不规则状菱板状, 变化较大, 常见花瓣状集合体(图5-D); (3)不均匀散布于泥质、白云质基质中; (4)有被白云石交代现象(图 5-D)。根据厚度不等的钙芒硝岩薄层在沙四段广泛发育的特征可以判定, 在古新世沙四段沉积时期, 江汉盆地江陵凹陷南缘地区的古气候背景与现今的新疆罗布泊类似, 所表征的干旱气候类型属暖型。

图5 江陵凹陷南缘古新统沙市组四段主要沉积类型(Ⅲ )Fig.5 Sedimentary types of the Member 4 of Shashi Formation in southern margin of Jiangling Depression(Ⅲ )

因此, 根据沙市组中典型暖相盐类矿物原生钙芒硝层发育广泛和指示气候干旱程度的Fe2O3/FeO值特征, 可以推断江汉盆地江陵凹陷南缘在古新世沙市组沉积晚期的古气候属于暖旱型气候。

6 结论

1)江汉盆地江陵凹陷南缘古新统沙市组四段盐层间的层段由非砂岩组成。主要由单层厚度为几毫米至几十厘米、累积厚度达几十厘米至几米的含盐韵律组成, 为复成分的蒸发盐矿物、碳酸盐矿物及陆源的黏土和细碎屑矿物等组成的混积岩。

2)根据Sr/Ba值和Mg/Ca值可以认为, 江陵凹陷南缘沙四段的水介质主要为咸水湖到盐湖环境, 但是期间有短暂的淡化过程。

3)沉积环境与岩性对应较好, 低盐度的微咸水湖— 半咸水湖环境一般对应于暗色泥岩类、含白云石(白云质)泥岩类; 咸水湖环境多对应于泥质白云岩类、泥质石膏岩类、白云岩和泥质(白云质)钙芒硝岩; 卤水环境基本对应较纯的盐岩类, 如石盐岩、钙芒硝岩和泥质白云岩等。

4)综合分析V/(V+Ni)、Ni/Co和Cu/Zn值, 认为江陵凹陷南缘沙四段盐间段的还原程度较高。当时水位均低于湖泊浪基面, 是缺氧还原环境, 大体相当于常年性较深水的半深湖— 深水湖环境, 极少量浅水湖。

5)沉积特征表明, 江陵凹陷沙市组四段沉积时期蒸发岩序列是干旱为主并偶尔伴有潮湿气候下的常年性较深水分层盐湖沉积。

6)根据沙市组中典型暖相盐类矿物原生钙芒硝发育广泛和指示气候干旱程度的Fe2O3/FeO值, 可以推断研究区在古新世沙市组沉积晚期的古气候属于暖旱型气候。

致谢 野外工作开展中得到了锦辉(荆州)精细化工有限公司的大力支持和帮助,在此表示衷心的感谢。在论文的撰写过程中,中国石油大学(北京)冯增昭教授和中国科学院地质与地球物理研究所朱井泉研究员在百忙之中审阅了该文,并提出宝贵意见,在此深表谢意!

作者声明没有竞争性利益冲突.

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