苑 坤，陈 榕，林 拓，方欣欣，覃英伦，王 超，周 志，孙相灿

(1.中国地质调查局 油气资源调查中心，北京 100083；2.中国地质科学院 地质力学研究所，北京 100081)

滇黔桂地区作为上古生界海相沉积的主要区域，是我国南方重要的油气资源战略接替区[1-4]，而其晚石炭世的沉积环境及岩相古地理对我国研究海相石炭系来说既重要又典型[5]。垭紫罗裂陷槽作为上古生界海相页岩稳定发育的部位，在贵州南部主要分布在六盘水—紫云—罗甸一带；裂陷槽内沉积环境总体属于深水环境，但在不同时代随海平面的变化又表现出不同的相带特点[6]，兼具台、盆沉积的特征。对其开展研究，有利于查清该区上石炭统沉积及演化特征，研究威宁组与南丹组的相变关系，揭示上石炭统沉积时期垭紫罗裂陷槽中段(水城—紫云)的沉积相带特征及其发育历史，探讨台地边缘沉积—台盆相沉积过渡的过程。

1 概述

贵州南部地区上石炭统地层发育完整，以海相碳酸盐岩及碎屑岩为主，生物化石丰富[7]。但由于不同区域在晚石炭世的沉积相带及岩性组合不同，将分布于罗甸—望谟—六盘水大致呈北西向转东西向展布的斜坡—盆地相灰岩、硅质岩组合命名为南丹组，分布于独山—紫云—六盘水—普安—册亨一带，大致呈北西向环带状展布的台地边缘至斜坡相地层命名为威宁组(图1)[8]。受地表覆盖及区域资料限制，加之缺少地下钻井资料的验证，二者的相带过渡关系及沉积岩石规律尚未得到充分验证。

威宁组最早被丁文江命名为“威宁石灰岩”(1914年)，原指在维宪晚期至中石炭世沉积期间的以碳酸盐岩为主的地层，发现地点位于威宁县城南十里铺至飞来石附近[9]。后由于学者对本套地层的年代归属存在争议，曾出现过滑石板组、达拉组、德坞组等多种表述方式。本文以参考文献[8]为参考，将二叠系平川组之下，石炭系打屋坝组之上的一套台缘滩相浅灰色灰岩夹白云岩组合归为威宁组，时限为早石炭世大塘早期至二叠纪船山世紫松期(图2)。下石炭统顶部威宁组地层以深色碳酸盐岩及碎屑岩为主，晚石炭世中晚期沉积地层——威宁组顶部地层为浅色碳酸盐岩(包括礁灰岩)，威宁组最大厚度2 011 m，与下伏地层连续沉积。

南丹组最早由广西区调队(1987)创名于广西南丹六寨镇么腰附近，原义指位于大埔白云岩之上、龙吟组泥岩之下的一套深灰色薄层泥晶灰岩夹数层生物屑砾屑灰岩、生物屑灰岩，富含硅质条带及结核的岩石组合。按照不同学者观点，该套地层曾有多套命名方式，如小浪风关组、下院组、店子上组、空洞河组及上如牙组等。本文将整合于打屋坝组之上、四大寨组之下的斜坡至盆地相黑色灰岩、燧石灰岩夹硅质岩组合归为南丹组，时限为早石炭世大塘晚期至船山世紫松期。南丹组地层以深色含燧石碳酸盐岩夹硅质岩为主，下石炭统为一套黑色黏土岩，地层最大厚度1 456 m，与下伏打屋坝组连续沉积。

图1 贵州南部下石炭统威宁组、南丹组岩相分布

图2 贵州南部石炭系分区地层划分对比

2 典型钻井的岩石类型

本文选择贵州南部3口典型页岩气调查井作为研究对象，对其钻遇的石炭系地层进行分析。3口井所处大地构造位置位于扬子板块西南缘，紫云—亚都断裂带南东段，分别是紫云1井(1 828.25 m)、黔紫页1井(3 005 m)和长页1井(953.7 m)。

2.1 紫云1井

紫云1井位于贵州省紫云县城西北约8 km，构造位置属于黔南坳陷火花背斜北东翼，钻井全井段钻遇地层以生物碎屑凝块灰岩为主，判断为台地边缘藻丘的沉积特征。通过岩心分析及薄片鉴定，认为钻井共表现为4个旋回构成的岩性组合段，每段的表现相似，均为下部灰色不等晶含生物碎屑藻凝块灰岩(图3a)、泥晶—亮晶含生物碎屑藻凝块灰岩(图3b)、白云质灰岩；向上逐渐过渡为泥—亮晶藻砂屑生物屑灰岩、生物屑藻凝块含白云质灰岩(图3c，d)；藻凝块分布较为均匀，粒度在0.06～10.00 mm，以砂砾级藻凝块为主，判断为蓝绿藻类生物沉淀并保存而成，可见蓝绿藻类丝状体结构[10-12]。

2.2 黔紫页1井

黔紫页1井位于贵州省紫云县东南9 km，构造位置属于黔南坳陷下厂向斜南翼，钻井在1 092～2 664 m钻遇上石炭统地层[13]。根据岩性及标志生物的变化特征[14-15]，可将其分为2段：(1)上段(1 092～2 100 m)为灰色—深灰色泥晶灰岩和生物碎屑泥晶灰岩。泥晶灰岩以泥晶方解石为主，晶粒细小，粒径多小于0.01 mm，可见少量硅质岩岩屑，其成分主要是燧石；生物碎屑灰岩成分上主要由方解石组成，结构上主要是由生物碎屑(50%～60%)及填隙物组成，其中生物碎屑主要包括有孔虫(虫筳类为主)、棘皮类(海百合茎)，部分腹足类等生物碎屑，均被方解石充填交代，生物碎屑个体较大，最大可达3.0 mm，且多被方解石充填交代(图4a,b)。(2)下段(2 100～2 664 m)薄片中可明显观察到有藻类出现。与紫云1井不同，本段藻类不发育，且多被方解石交代破坏，薄片中仅见部分藻类残留，主要呈丝状或网格状(图3c)，在岩石中与其他生物碎屑均呈零散分布，且藻类的组织结构均被泥晶方解石交代和充填。下段岩性主要为灰色生物碎屑灰岩、灰色—深灰色粉晶、细晶白云岩；其中，2 496～2 664 m发育168 m厚的白云岩层，岩屑细小，大小在1～4.5 mm之间，主要由白云石矿物组成，呈半自形—自形菱形粒状，晶粒粒径主要在0.03～0.25 mm之间，晶粒之间紧密接触(图4d)。

2.3 长页1井

长页1井位于贵州省长顺县西南墩操乡，构造位置属于黔南坳陷贵定南北向褶皱带[16]，钻井在0～707.75 m钻遇上石炭统地层，按照岩性特征，可将其分为3段：(1)上段为深灰、灰黑色厚至块状砾屑灰岩、砂屑灰岩、泥晶生物碎屑灰岩及泥晶灰岩互层，夹少量薄层、白云质灰岩，生物屑主要为腕足、腹足类化石；(2)中段以泥晶灰岩为主，夹硅质岩、生物碎屑灰岩及砂屑灰岩，部分灰岩中含角砾，呈次棱角状，生物化石主要为腕足、腹足类；(3)下段为深灰色薄层泥晶砂屑灰岩、泥晶灰岩与薄层硅质岩互层，向下岩石泥质含量增多，岩石中夹少量灰黑色泥灰岩、燧石条带，部分岩石裂隙充填干沥青，生物化石主要为腕足、介壳类。

图3 贵州南部黔南坳陷紫云1井威宁组岩性特征

图4 贵州南部黔南坳陷黔紫页1井南丹组岩性特征

3 沉积环境分析

3.1 沉积演化

志留纪末期，扬子板块与华南板块之间的碰撞缝合，形成了贵州南部地区相对稳定的构造基底[17]；在晚古生代时期，贵州南部整体处于拉张的沉积背景，垭都—紫云—罗甸裂陷槽便是在泥盆纪被拉开；进入早石炭世后，受由南东往北西方向的海侵作用，安顺、罗甸一带表现为深水盆地环境[18]，此时，高等植物繁盛，下石炭统打屋坝组富有机质泥页岩地层发育，此后，受岩石圈的沉陷作用影响，有机质沉积地区被海水淹没，在打屋坝组地层沉积末期，海侵规模达到最大。上古生界地层开始沉积时，除深水海盆外，浅海台地环境也开始不同程度的发育，形成了碳酸盐斜坡与碳酸盐台地相沉积[19]。总体来说，受海平面变化及盆地内碳酸盐沉积速率的影响，研究区上石炭统沉积的地层可划分为碳酸盐台地相、碳酸盐斜坡相和台盆相三大相区(图5)。

3.2 碳酸盐台地相

碳酸盐台地相在贵州南部主要分布在独山—紫云—六盘水—普安—册亨一带，呈北西向环带状展布，宽约10～20 km，按照与海平面的相对关系，可分为局限台地、开阔台地、台内浅滩和台地边缘礁滩4种亚相。

图5 贵州南部地区碳酸盐台地沉积模式

3.2.1 局限台地亚相

位于近陆一侧，水体较浅，海水循环受限，水动力条件较弱，因此岩性以灰、深灰色中、薄层泥晶灰岩、生物屑泥晶灰岩为主夹硅泥岩，生物多见藻类、双壳类、有孔虫组合，也可见少量其他底栖类型[20]。局限台地亦可由礁后潟湖或局限海湾演变而成，因而常具一定的继承性。如构造断陷加强，或海平面大幅升降，可能转变为台盆沉积体系，或二者互相转变。

3.2.2 开阔台地亚相

位于近陆一侧，水体较浅，是碳酸盐台地的主要组成部分，岩石类型通常为灰色厚层、块状生物屑灰岩、泥晶灰岩及白云岩，常见水平层理及波状层理，生物组成亦较丰富，以虫筳类、藻类、腕足、棘皮动物、双壳类等为主，基本上为底栖固着生态类型。

3.2.3 台内浅滩亚相

由于台地边缘位于开阔台地外侧，处于比台地更高的位置，长期受波浪作用影响，水动力作用较强，属于高能环境，一般表现为厚度大，多块状正地形突起；岩性为生屑灰岩、亮晶砂屑灰岩、鲕粒灰岩、白云岩等；骨屑磨圆度及分选性较差，能见到一些波状层理、浪成交错层理、底冲刷构造。

3.2.4 台地边缘礁滩亚相

生物礁按规模大小、生长位置可分为台内点礁、台缘点礁、台缘堤礁等几种类型。它们大多沿台地边缘呈现出条带状分布规律，按照岩相组合及生物特征，还可进一步分为台地边缘生物礁、礁后、礁后滩、礁后潟湖、礁前、边缘浅滩等微相。岩石类型主要为生物(礁)灰岩、生物屑灰岩、颗粒灰岩。生物有虫筳类、有孔虫、藻类、水螅类、海绵动物类及有关底栖介壳生物。

结合钻井生物化石及岩性组合特征，判断紫云1井及黔紫页1井的2 100～2 664 m段发育为台地边缘礁滩亚相沉积。其中紫云1井记录了4个岩性组合基本相同、沉积相带比较相似的沉积旋回，每个旋回均以台地边缘的凝块灰岩为主体，向上为开阔台地相的生物碎屑灰岩。这种组合的反复出现，说明石炭纪晚期本区至少经历了4次海平面升降的过程。黔紫页1井的2 100～2 664 m段表现为白云岩—泥灰岩—生屑灰岩的组合，也可看作是礁前相带向斜坡相过渡的产物[21]。其中在2 496～2 664 m出现的168 m粉—细晶白云岩(图4d)，是礁前部分抬升白云石化形成的，推测在晚石炭世早期，安顺—长顺—独山一带水温条件适合藻类、珊瑚的大量繁衍，在垭紫罗裂陷槽内形成了由西向东断续延伸的水下隆起带，使得大量的碳酸钙得以沉积，后期受地壳抬升影响，海水蒸发，镁钙比值逐步增高，海水中富镁，而富镁的水溶液下渗，作用于刚脱离海底的碳酸钙沉积物中，镁离子替代了部分钙离子[22-23]，形成白云岩；后期受沉降作用影响，白云岩被深埋，地下温度的增加使得白云石化更加普遍，同时伴随着重结晶作用，便出现了目前黔紫页1井中的各种白云岩晶粒镶嵌结构。

3.3 碳酸盐斜坡相

该相是在碳酸盐沉积背景下发育在台地与台盆之间的斜坡沉积体系(图5)，主要分布于罗甸—望谟—六盘水，大致呈北西向展布的槽状地带中。岩性以深色含燧石碳酸盐岩夹硅质岩为主，化石相对稀少，以虫筳类为主。根据正常浪基面和风暴浪基面的位置，碳酸盐斜坡相可划分出下斜坡、中斜坡和上斜坡3个亚相。

3.3.1 上斜坡亚相

上斜坡作为台边缘礁滩亚相与斜坡相的紧临部位，水深几米至几十米，水动力作用较强，属氧化环境，岩石类型多为内碎屑灰岩或生物碎屑灰岩。从台地边缘至斜坡方向，随着水深的增加，沉积物颗粒粒度逐渐减小；生物类型丰富，以浅水生物为主，包括腹足类、棘皮类，腕足类等。

3.3.2 中斜坡亚相

中斜坡位于上斜坡和下斜坡之间，水深几十米，水动力条件较上斜坡弱，岩石以生物碎屑泥灰岩为主，多见重结晶及硅化特征；生物碎屑含较多的浅水生物碎屑，包括腕足类、棘皮类等。

3.3.3 下斜坡亚相

下斜坡位于碳酸盐台地的下部，靠近斜坡地带，水深大于百米，水体能量极低，属还原环境，岩石类型多为泥灰岩。由于水体环境pH值较低，易于沉淀硅质成分，从而在灰岩中形成硅质条带。岩石中生物化石以双壳类、海绵骨针、腕足、棘皮类为主。

长页1井上段(0～213 m)及黔紫页1井的上段(1 092～2 100 m)碳酸盐岩发育具有上斜坡的特点(图6)。具体表现为碳酸盐岩的颗粒较粗、类型单一，部分为角砾状灰岩，以内碎屑、生物屑为主；受机械分异作用的影响，从上斜坡向盆地过渡过程中，岩性变化为深灰色泥质灰岩夹黑色泥灰岩条带，可见灰黑色薄层硅质岩及其团块(长页1井，213～707.75m)。由于较上斜坡变深，岩石颗粒粒度变小，藻类和真菌活动受到抑制，生物碎屑边缘泥晶化的现象较少，生物组分中，以有孔虫类、棘皮类、腕足类分布为主，亦可见到海绵骨针和双壳类等。

图6 贵州南部地区典型钻井地层对比

3.4 台盆相

台盆相为碳酸盐台地内或台地间的较深水沉积区域。由于水体较深，海水循环受限，岩性主要表现为灰黑色硅质岩夹薄层状泥晶灰岩，且灰岩中常可见少量粉屑级软体动物和腕足碎屑，常见有硅质放射虫和海绵骨针等深水浮游生物组合，也有双壳类、腕足、虫筳等；可与低密度钙屑浊积岩、火山碎屑沉积岩、含锰泥岩及泥灰岩互为夹层，常见沙纹层理、水平层理。台盆相可与深水洋盆相通，也可以不相连，且受海平面变化影响，其与碳酸盐岩台地相可发生转化。

贵州南部台盆相多发育在与下石炭统打屋坝组接触的南丹组底部，具体表现为岩石颜色黑，且泥灰岩与硅质岩或薄层页岩交互频繁，生物化石减少等特征。

4 结论

(1)晚石炭世，贵州南部地区六盘水—紫云—罗甸一带的沉积环境由台盆相到碳酸盐斜坡相，至后来发展为碳酸盐台地相，为一向南西方向的海退过程。

(2)紫云1井—黔紫页1井—长页1井的岩性组合及生物特征的变化，显示出由台盆相至碳酸盐台地相过渡的过程，且相带间的关系并非截然分开，而是存在一定的交叉与过渡，这与沉积时期的构造活动、海平面变化及沉积速率有关。

(3)斜坡—台盆相(南丹组)的出现，可间接指示与其处于整合关系的下伏地层打屋坝组富有机质页岩有过发育；而台地相(威宁组)的出现，则反映出六盘水—紫云—罗甸这一北西向裂陷槽的封闭。这为了解和推测贵州南部地区页岩气的主要目标层——打屋坝组的分布范围提供了重要依据。