碎屑岩的粒度分布特征可以很好地反映沉积环境和水动力条件^{[1, 2]}, 特别是利用沉积物相关的粒度参数, 如分选度、偏度、峰度等, 可大致判断沉积物的沉积环境。不同沉积环境形成的砂岩具有不同的粒度曲线, 可以反映不同的沉积物搬运介质类型和水动力条件。目前粒度分析已经成为一种分析沉积环境的常用手段, 众多学者据此也取得了较多的成果^{[3, 4, 5, 6, 7]}。

新疆柯坪地区古生代地层出露较好, 其志留纪— 泥盆纪沉积环境的研究引起了众多学者的兴趣, 取得了一定的成果^{[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]}。张翔等^{[8, 9]}利用钻孔岩心、地震测井资料, 编制了塔里木盆地志留纪— 泥盆纪岩相古地理图; 邢凤存等^[10]通过对柯坪塔格组野外露头的观察, 识别出了三角洲沉积体系。总的来说, 前人研究取得了丰硕的成果, 但是对沉积环境的认识还存在分歧, 如柯坪塔格组是滨岸-陆棚沉积为主^{[11, 12]}还是三角洲为主^{[10, 13, 14]}, 塔塔埃尔塔格组主要为潮坪沉积^{[8, 12, 15]}还是三角洲沉积^[10], 克孜尔塔格组为滨岸相沉积^[9]还是潮坪沉积^[12]。

针对上述分歧, 笔者采用碎屑岩粒度分析的方法, 结合地层岩性组合、沉积构造等特征, 对柯坪地区志留纪— 泥盆纪沉积环境进行讨论, 为其沉积演化提供一定的资料, 并建立柯坪地区古生代碎屑岩粒度概率累积曲线模型, 与众多学者进行探讨。

研究区位于塔里木板块西北缘, 构造区划属于柯坪晚古生代前陆盆地(图1), 北以南天山南缘断裂与阔克塔勒晚古生代陆缘盆地为界, 南以柯坪塔格断裂与塔里木地块为界^{[16, 17]}。主要出露地层为寒武系— 奥陶系浅灰色厚层灰岩、白云岩, 志留系— 泥盆系紫红色、灰绿色砂岩、粉砂岩, 石炭系— 二叠系灰色薄— 中层灰岩、细砂岩及第四系松散堆积物等。

图1

Fig.1

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	图1 柯坪地区地质简图[16] 1.寒武系— 奥陶系; 2.志留系— 泥盆系; 3.石炭系— 二叠系; 4.第四系; 5.超基性岩; 6.玄武岩; 7.花岗岩; 8.边界断裂; 9.断裂; 10.剖面位置Fig.1 Geological sketch of Keping area[16]

柯坪地区的志留系— 泥盆系可分为下志留统柯坪塔格组(S₁k)、中顶志留统塔塔埃尔塔格组(S_2-4t)、下中泥盆统衣木干他乌组(D_1-2y)和上泥盆统克孜尔塔格组(D₃k)(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 柯坪地区志留系— 泥盆系地层柱状图Fig.2 Silurian-Devonian stratigraphic column in Keping area

柯坪塔格组主要岩性为灰绿色薄层岩屑砂岩、粉砂质泥岩, 岩屑含量多为30%~40%, 岩屑成分主要为泥质岩类, 呈次棱角状; 石英含量40%左右, 呈棱角状— 次棱角状。其中, 一段(S₁k¹)底部为底砾岩, 上部为灰绿色厚— 中层细粒岩屑砂岩、粉砂岩, 向上粒度变细, 顶部变为粉砂岩、泥岩, 多发育舌状波痕和不对称流水波痕(图3(a)); 二段(S₁k²)下部为中厚层细粒— 中粒岩屑砂岩、岩屑石英砂岩, 槽状交错层理、软沉积变形发育(图3(b)), 上部为深灰色、烟草绿色泥岩及粉砂岩、粉砂质泥岩, 含笔石、腕足、三叶虫化石; 三段(S₁k³)下部为灰绿色薄层细粒岩屑砂岩与暗紫红色薄— 中层细砂岩互层, 波痕、交错层理发育(图3(c)、(d))。

图3

Fig.3

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	图3 志留系沉积构造特征Fig.3 Sedimentary structural characteristics of Silurian

塔塔埃尔塔格组(S_2-4t)其底部为酱红色、紫红色细粒石英砂岩、长石石英砂岩以及紫红色粉砂岩、泥岩, 发育板状交错层理(图3(e)), 向上为紫红色粉砂岩、泥岩, 顶部可见灰绿色细粒石英砂岩、粉砂岩与紫红色细粒石英砂岩、粉砂岩互层。石英砂岩中石英含量多为80%~90%, 呈次棱角状, 部分砂岩中长石含量达5%~10%。灰绿色石英砂岩中发育对称波痕(图3(f))。

衣木干他乌组主体为紫红色薄层细粒钙质石英砂岩、紫红色薄层粉砂岩与粉砂质泥岩。钙质石英砂岩中石英含量多为80%~90%, 长石以斜长石为主。其中, 一段(D_1-2y¹)主要岩性为紫红色、灰绿色薄层细粒钙质石英砂岩、石英砂岩与粉砂岩互层, 砂岩中波痕、泥裂发育(图4(a)、(b)), 钙质砂岩中多见腹足化石; 二段(D_1-2y²)主要岩性为紫红色粉砂岩、泥岩夹紫红色、灰绿色薄层细粒钙质石英砂岩、岩屑石英砂岩, 多见泥裂和波痕。

克孜尔塔格组主要为紫红色中厚层岩屑石英砂岩、粉砂岩, 砂岩中石英含量大于85%, 其他碎屑为岩屑、长石、云母及少量重矿物。其中, 一段(D₃k¹)为紫红色中厚层岩屑石英砂岩夹灰绿色粉砂岩, 可见泥裂(图4(c))、板状交错层理、平行层理(图4(d))等; 二段(D₃k²)底部为暗紫红色含砾粗砂岩, 砾石成分主要为燧石, 主体为暗紫红色含砾粗砂岩与紫红色细砂岩互层, 槽状交错层理、波痕发育(图4(e)、(f))。

图4

Fig.4

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	图4 泥盆系沉积构造特征Fig.4 Sedimentary structural characteristics of Devonian

上述沉积学特征和粒度特征分析表明柯坪地区志留纪— 泥盆纪沉积环境发生较大但有规律的变化: 主体岩性由灰绿色岩屑砂岩逐步变为紫红色石英砂岩, 成熟度逐渐增高; 水体能量逐渐增加, 由三角洲环境逐步改变为滨岸环境; 气候由湿润变为干燥。

沉积环境演变如下: 经历了晚奥陶世的地壳抬升, 早志留世柯坪地区再次接受海侵, 柯坪塔格底部形成了底砾岩, 之后处于气候较湿润的三角洲环境, 为三角洲平原— 三角洲前缘沉积, 主体岩性为灰绿色岩屑砂岩与粉砂岩、泥岩, 分选较差, 成熟度较低, 交错层理、流水波痕发育, 指示三角洲平原分流河道的特点, 灰绿色砂岩与粉砂岩互层, 表现出三角洲前缘远砂坝的特点, 柯坪塔格组二段富含笔石的块状层黄绿色泥岩, 为一套陆棚相的沉积。这整体表现出河控三角洲的层序特征, 柯坪塔格组沉积期海平面变化仍比较明显。

塔塔埃尔塔格组沉积期开始, 出现小规模海退, 气候逐渐干燥, 主体岩性为紫红色岩屑石英砂岩夹灰绿色岩屑砂岩, 粒度较柯坪塔格组变粗, 结构成熟度较柯坪塔格组好, 交错层理发育, 岩性组合、粒度概率累积曲线与柯坪塔格组有明显不同, 粒度参数表现出分选变差、粒度区间变大的特点, 表明水动力条件减弱, 部分出现扇三角洲平原沉积。

衣木干他乌组沉积期, 海侵范围扩大, 气候变得干燥, 主要岩性为紫红色细粒石英砂岩、钙质石英砂岩与粉砂质泥岩、泥岩互层, 上部泥岩增加, 泥裂、浪成波痕发育。砂岩成熟度较高, 表明处于水动力较强的沉积环境, 总体表现出潮间-潮上带的沉积特点。

克孜尔塔格组沉积期, 海侵进一步扩大, 主要为紫红色细粒石英砂岩夹粉砂岩、含砾粗砂岩, 板状交错层理、平行层理发育, 波痕、泥裂发育, 砂岩成熟度较高, 说明处于水动力条件较强的环境中, 整体体现出前滨-后滨的沉积特点, 表明其处于干燥的滨海环境。

从柯坪地区志留纪— 泥盆纪沉积环境演化看, 由湿润的河控三角洲沉积环境逐步转变为干燥的滨岸沉积环境, 砂岩的成熟度也逐渐增加, 表明柯坪地区逐渐远离物源区, 逐步处于构造稳定的背景。

(1)通过对各组地层特征及砂岩的粒度分析, 识别出4种沉积体系, 分别为河控三角洲、扇三角洲、潮坪环境、滨海环境。其中首次在塔塔埃尔塔格组中识别出扇三角洲沉积体系。

(2)根据粒度分析的粒度参数及概率累积分布图, 识别出8种粒度累积曲线。其中河控三角洲(主要为柯坪塔格组、塔塔埃尔塔格组)为典型两段式、一跳一悬夹过渡式、低斜多段式; 扇三角洲(塔塔埃尔塔格组)为上拱弧形式; 潮坪环境(主要为衣木干他乌组)为典型三段式、典型多段式; 滨海环境(主要为克孜尔塔格组)为高斜两段式、高斜多段式。

(3)柯坪地区从志留纪— 泥盆纪, 水体能量和流动性经历了先减小后逐渐增加的过程, 气候由温暖湿润逐渐变为炎热干燥, 砂岩成熟度逐渐升高, 距物源区逐渐变远, 逐渐处于构造稳定的背景。

(责任编辑: 刘永权)