碳酸盐岩沉积模式与台地演化

(一)碳酸盐沉积模式

相模型是对特定沉积体系的高度概括和总结(Walker,1992),对资料较少地区的沉积环境解释和有利储集相带预测具有重要意义。塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地下古生界碳酸盐岩台地类型复杂,导致沉积模式多样化。这里选取四种有代表性的类型进行详细说明。

1.清水碳酸盐台地沉积模式

(1)边缘台地沉积模式

边缘台地较为常见,如塔里木盆地轮南寒武系、塔中1号带良里塔格组、四川盆地龙岗地区飞仙关组和鄂尔多斯盆地南缘奥陶系。根据主控因素的不同,可分为沉积边缘台地和构造控制边缘台地。沉积边缘台地形成于稳定的构造环境,海平面变化导致台地以进积、加积或退积方式生长。台地边缘带呈条带状不连续分布,迁移特征明显,具有相宽、厚度大的特点,如轮南寒武纪进积台地边缘(图3-6-1)和鄂尔多斯盆地南部奥陶纪退积台地边缘(图3-6-2)。

板内断层活动会引起地表变形,从而导致地形差异。这种地形差异会形成新的有利于造礁生物生长的水体高能带,从而形成礁滩构造。当断层继续移动,断距增大时,沿断层走向会形成新的地台边缘带。这种台地边缘礁滩以加积的形式垂直向上生长,一般不会有明显的侧向迁移。在演化后期,随着断层活动的逐渐减弱,沉积物(可以是碳酸盐岩,也可以是碎屑岩)的充填会导致地形差异的消失,台地边缘会逐渐过渡到台内沉积,甚至消亡。开江-梁平海槽周围的四川盆地长兴组-飞仙关组台地边缘带和塔里木盆地上奥陶统良里塔格组塔中1号台地边缘带是这类台地边缘带的典型代表。以开江-梁平海槽为例,伸展断层的活动造就了“地堑”地貌背景,从而在地形突变处形成了高能台地边缘相带(图3-6-3)。台地边缘带沿断层不连续分布,宽度通常较小,靠加积生长,高能带厚度可以很大。

图3-6-1塔里木盆地轮南地区寒武系台地边缘

图3-6-2鄂尔多斯盆地南部奥陶系海退台地边缘带特征

(2)碳酸盐缓坡

碳酸盐缓坡是海底向海面平缓倾斜(坡度通常小于1)水体逐渐变深,从近岸高能波作用区逐渐过渡到深水低能环境,无明显坡折的碳酸盐沉积环境。碳酸盐缓坡常见于显生宙,尤其是造礁生物缺失或稀少时,通常会演化为边缘台地。

在碳酸盐高能环境下,通常形成条带状颗粒滩,如塔里木盆地西缘的英山组下段(图3-6-4)。海平面的波动引起高能带的迁移,从而形成大面积的颗粒滩,如塔北一间房组。

图3-6-3四川盆地开江-梁平海槽(台间坳陷)台地边缘带特征

图3-6-4塔里木盆地西缘露头区英山组下段碳酸盐缓坡沉积模式

(3)台内(台间)凹陷沉积模式

台内坳陷的概念以前已有描述,不同构造背景下发育的台内坳陷发育模式差异很大。比如在小克拉通挤压构造背景下形成的台内凹陷,通常面积较大,水深变化较大。台内坳陷与正常台地之间存在平缓过渡关系,缓坡上常形成砂浆丘和颗粒滩,如塔里木盆地南北侧(见塔里木盆地早奥陶世岩相古地理图)。在伸展构造环境中,伸展断层的发育通常形成“地堑”地貌背景。在此构造背景下发育的台内坳陷,边缘陡峻,面积小,但水体较深,具有良好的烃源岩发育条件,与断层上盘的高能相带形成良好的生储组合,如四川盆地的开江-梁平海槽(图3-6-3)。

2.混合碳酸盐台地沉积模式

陆源碎屑物质供给的增加导致碳酸盐沉积环境和碎屑岩沉积环境并存,碎屑岩环境在空间上多分布在陆地附近。如四川盆地寒武系西侧发育混合潮坪,中部发育局限台地,东部以开阔台地和台地边缘为主。塔里木盆地中奥陶世末期构造活动强烈,南、北古被动大陆边缘转化为活动大陆边缘,海底大幅度下沉,盆缘陆源碎屑开始大量增加,碳酸盐生长明显受到抑制,盆地进入泥岩和碳酸盐岩混合沉积阶段。土木河群组是在这种环境下形成的一套深水海侵沉积,杨集坎南部以碳酸盐沉积为主,少量陆源泥。北部主要沉积碎屑岩,少量灰岩薄层或透镜体(图3-6-5)。

图3-6-5塔里木盆地西缘露头区图木胡克组混合台地沉积模式

(2)碳酸盐台地的演化和消亡

塔里木、四川和鄂尔多斯大盆地碳酸盐台地的演化基本经历了缓坡型向边缘型的过渡,但也有其复杂性,主要体现在两个方面:一是不同时期台地的形态不同;第二,在同一时期不同的位置表现出不同的形态。碳酸盐台地的消亡是其演化的最后阶段。根据机理不同,可分为淹没式灭绝和暴露式灭绝两种方式。

1.碳酸盐台地通常经历了从缓坡型到边缘型的演化。

碳酸盐缓坡是台地演化的初级阶段,边缘台地是其全盛时期的形态。之后进化发生了分化,一类进化成缓坡台地,一类直接消亡。如塔里木盆地寒武纪塔希地台是在碳酸盐缓坡的基础上演化而来的,早寒武世中晚期至晚寒武世为镶边地台。寒武纪末期,海平面下降,导致地台灭绝。四川盆地早寒武世碳酸盐缓坡逐渐演化为镶边碳酸盐台地,一直持续到早奥陶世红花园组沉积时期,再演化为湄潭组沉积时期的碳酸盐缓坡。从湄潭组到五峰组沉积时期,形成了一个完整的缓坡→边缘→缓坡台地旋回(见图3-3-9)。

2.淹没和暴露是碳酸盐台地消亡的两种方式。

台地消亡是碳酸盐台地演化的最后阶段。碳酸盐台地的消亡是由不同的机制造成的,包括长期和短期的海平面波动、构造运动、气候和相关的环境变化。一般来说,两种情况会导致碳酸盐岩平台的灭绝——淹没事件和暴露事件。

洪水事件。当海平面上升或构造沉降超过碳酸盐堆积速率时,浅海台地和生物礁被淹没,碳酸盐生产过程终止。晚奥陶世,塔里木盆地海平面和水深上升,塔北和塔中台地均出现泥质含量高的低能沉积。由于西南地区碎屑物质的丰富供应,在塔中台地的斜坡拐角处形成深水碎屑沉积(图3-6-6),并沿塔中台地斜坡向北移动。随着海平面的进一步变化和碎屑物质的供应,碳酸盐台地最终被碎屑沉积物覆盖。

图3-6-6郭塔中央台地奥陶系碳酸盐台地斜坡带沉积特征

曝光事件。在相对海平面下降期间,碳酸盐岩陆架边缘的情况在很大程度上是可容空间和减少的沉积产量之间的函数,因为平台顶部洪水的区域范围减少了。当海平面下降到陆架边缘以下时,碳酸盐沉积物的产生消失,由沉积作用引起的潜在陆架边缘增生大大减少。当相对海平面下降到陆架边缘时,陆地上裸露的碳酸盐台地通常会因风化和侵蚀而发生强烈的地貌变化。地层剥蚀关系(图3-6-7)清楚地说明了塔里木盆地晚寒武世台地边缘暴露和剥蚀的过程。

图3-6-7塔里木盆地寒武系台地顶部侵蚀特征