苏成鹏, 唐浩, 黎虹玮, 陈虹宇, 赵东方, 万伟超, 谭秀成. (2015)四川盆地东部中二叠统茅口组顶部钙结壳的发现及其发育模式[J]. 古地理学报, 17(2): 229-240
Su Chengpeng, Tang Hao, Li Hongwei, Chen Hongyu, Zhao Dongfang, Wan Weichao, Tan Xiucheng. (2015)Discovery of caliches at top of the Middle Permian Maokou Formation, eastern Sichuan Basin and their developmental model[J]. Journal Of Palaeogeography, 17(2): 229-240. DOI:10.7605/gdlxb.2015.02.019  
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四川盆地东部中二叠统茅口组顶部钙结壳的发现及其发育模式
苏成鹏1,2,4, 唐浩1,2, 黎虹玮1,3, 陈虹宇4, 赵东方4, 万伟超4, 谭秀成1,2,3
1 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610500
2 四川省天然气地质重点实验室,西南石油大学,四川成都 610500
3 中国石油碳酸盐岩储层重点实验室沉积与成藏分室,西南石油大学,四川成都 610500
4 西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都 610500

通讯作者简介 谭秀成,男,1970年生,教授,博士生导师,主要从事储层沉积学研究。E-mail: tanxiucheng70@163.com。

第一作者简介 苏成鹏,男,1990年生,硕士研究生,主要从事储层地质学研究。E-mail: suchengpeng90@163.com。

收稿日期:2014-11-17
基金:“十二五”国家科技攻关重大专项(编号:2011ZX05004-005-03)和四川省省属高校“天然气地质”科研创新团队建设计划联合资助
摘要

对四川盆地东部涪陵地区角帮沟剖面中二叠统茅口组顶部钙结壳进行的岩石学和矿物学系统分析发现,该剖面中钙结壳的矿物组成和含量呈规律变化,可分为基岩带、过渡带及钙结带。岩石学分析表明,基岩带为灰白色中厚层泥晶生物灰岩,其内发育碳酸盐岩砂和岩溶角砾充填的岩溶系统;过渡带为黄白色、黄褐色、褐红色含燧石条带或团块状泥晶生物灰岩,其内发育钙质胶结的原地角砾充填的侵蚀漏斗;钙结带为局部钙结岩化的灰色亮晶生屑灰岩叠覆土黄色多孔块状钙结岩,其内发育多期裂缝、根模、肺泡结构和次生碳酸钙胶结物等典型钙结壳结构。矿物学分析表明,自过渡带至钙结带CaCO3含量呈逐渐上升的趋势,推测内部次生碳酸钙逐步胶结富集是钙结岩形成的主要原因。结合四川盆地茅口组顶部以发育铝土质泥岩和铝土岩的岩石组合为特征,且其与中二叠世上扬子地区位于赤道附近的古地理背景相吻合,表明四川盆地东部地区茅口组顶部钙结壳形成于湿热气候条件下;并通过与经典钙结壳特征的比较,总结出湿热气候条件下的钙结壳发育模式。该研究成果不仅是对四川盆地中二叠统茅口组表生成岩作用产物的补充,而且还可为国内外同类型钙结壳研究提供详实的材料。

关键词: 钙结壳; 茅口组; 中二叠统; 古气候; 四川盆地
中图分类号:P588.24+5 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2015)02-0229-12
Discovery of caliches at top of the Middle Permian Maokou Formation, eastern Sichuan Basin and their developmental model
Su Chengpeng1,2,4, Tang Hao1,2, Li Hongwei1,3, Chen Hongyu4, Zhao Dongfang4, Wan Weichao4, Tan Xiucheng1,2,3
1 State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploration,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan
2 Sichun Province Key Laboratory of Natural Gas Geology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan
3 The Sedimentary and Accumulation Department of Key Laboratory of Carbonate Reservoirs, PetroChina, Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan
4 School of Geoscience and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan

About the corresponding author Tan Xiucheng,born in 1970,is a professor. Now he is mainly engaged in research on reservoir sedimentology. E-mail: tanxiucheng70@163.com.

About the first author Su Chengpeng,born in 1990,is a master degree candidate. Now he is mainly engaged in research on reservoir geology. E-mail: suchengpeng90@163.com.

Abstract

This paper aims at petrological and mineralogical study on the top of the Middle Permian Maokou Formation where caliches occurred in eastern Chongqing City. It has found that the caliches can be divided into three lithological zones consisting of mother-rock zone,transitional zone and calcrete zone from bottom to top,and that mineral composition and content vary in a regular pattern. Petrological study indicates that,the mother-rock zone consists of medium- to thick-layered grey-white micritic bioclastic limestone,where epigenetic karst is identified by carbonate sands and karstificated breccia filling. The transitional zone is composed of yellowish-white,yellowish-brown and brown-red micritic biolithite limestone,with chert nodules and cherty bandings,while erosional funnels filled by in-situ breccias of calcite cementation are pervasive. The calcrete zone is mainly composed of grey crystalline bioclastic limestone,locally calcretized,but overlaid by khaki porous block calcretes,where representative micro-structures of multi-stage fissures,rhizoliths,alveolar structure and secondary carbonate cements are recorded. Mineralogical study shows that,CaCO3 content inclines to increase gently from the transitional zone to the calcrete zone,from which it infers that the enrichment of secondary calcite interior cementation is the main cause for calcrete developing. The rock assemblage of bauxitic mudstone and bauxite occurred at the top of Maokou Formation in Sichuan Basin is consistent to the palaeogeographic settings during the Middle Permian in Upper Yangtze region,and it suggests that caliche may develop and be preserved afterwards in such a warm-wet climate. Then comparing with the classic caliches,a developmental model of the caliches that occurred in a warm-wet climate has been summarized. The results may not only provide supplements for epidiagenesis produced within Maokou Formation during the Middle Permian in Sichuan Basin,but also offer specific materials for the study of the same types of caliche home and abroad.

Key words: caliche; Maokou Formation; Middle Permian; palaeoclimate; Sichuan Basin

钙结壳作为古环境的记录者, 可被用来揭示不同地质时期的古气候、古环境、古生态条件以及重大地质事件(肖尚斌等, 2009)。近年来, 对钙结壳的研究主要集中在钙结壳相与喀斯特相的对比(Esteban and Klappa, 1983)、钙结壳成因(范嘉松和吴亚生, 2004)、运用钙结壳分析地质历史中的干旱地质幕(Gong et al., 2005)、钙结壳中黏土矿物及其成因(Kadir and Eren, 2008)、生物在钙结壳形成过程中所起作用(Zhou and Chafetz, 2009)、钙结壳宏微观岩石学特征和地球化学特征精细描述(Li and Jones, 2014)等方面。钙结壳典型识别标志有改造的原地角砾, 方解石的胶结、堆积和交代(根模、肺泡结构、微松藻、切线状排列的针纤状方解石、钙化蛹、钙质团块), 多期裂缝, 黏土胶膜和纹层状硬壳等(Esteban and Klappa, 1983; 范嘉松和闻传芬, 1992; Tandon and Gibling, 1997; 范嘉松和吴亚生, 2004; Zhou and Chafetz, 2009)。已有的研究成果表明, 钙结壳主要是干旱或半干旱气候环境的标志(Mcpherson, 1979; Khadkikar et al., 1998; Horn et al., 2013; Wanas and Soliman, 2014)。

然而, 笔者在四川盆地东部涪陵地区中二叠统茅口组顶部发现了形成于典型的湿热气候环境下的钙结壳, 其与前人关于钙结壳主要是干旱和半干旱气候条件下产物的结论(Mcpherson, 1979; Khadkikar et al., 1998; Horn et al., 2013; Wanas and Soliman, 2014)明显不同。

目前, 关于茅口组顶部钙结壳的详细研究还较少, 主要原因是茅口组为重要的岩溶性储集层, 故研究重点主要集中在茅口组岩溶系统方面(牛志军等, 2000; 郭旭升等, 2012; 江青春等, 2012; 桑琴等, 2012; 施泽进等, 2014)。然而, 关于湿热气候环境下形成的钙结壳具有哪些岩石学和矿物学特征、其与干旱— 半干旱环境下形成的钙结壳到底存在哪些差异、以及湿热气候条件下钙结壳的发育模式, 目前还不得而知。鉴于此, 笔者以涪陵地区白涛镇角帮沟剖面中二叠统茅口组顶部露头剖面为例, 通过对该剖面宏微观地质特征及矿物学特征的分析, 结合古地理背景和地腹取心资料, 讨论了钙结壳的岩石学和矿物学特征、形成的古气候环境, 并通过与经典钙结壳宏观、微观地质特征进行对比, 进而得出湿热气候条件下的钙结壳发育模式。该项研究成果不仅是对四川盆地中二叠统茅口组表生成岩作用产物的补充, 而且还可为国内外同类型钙结壳的研究提供详实的材料。

1 地质背景

四川盆地处于扬子准地台偏西北一侧, 是扬子准地台的一个次一级构造单元。二叠纪开始, 上扬子地台全面下沉, 除北侧大巴山古陆、西北侧龙门山古陆、西侧康滇古陆和东侧江南古陆呈岛链或孤岛露出水面以外, 其余地区全被淹没, 梁山期广泛的海侵使下二叠统覆盖在石炭系、志留系等不同时代地层的不整合面之上(陈宗清, 2007)。四川盆地中二叠世茅口期继承了栖霞期海侵的原貌, 川东南地区茅口组主要为一套开阔台地相的厚层块状灰岩, 局部发育以生屑灰岩为主的颗粒滩相。研究区茅口组沉积厚度为200~300 m, 从底到顶可分为4段(图 1):一段为灰色灰岩、泥质灰岩夹黑色页岩; 二段为灰色厚层块状泥晶灰岩, 含少量泥质; 三段主要以一套浅灰色、灰白色亮晶生屑灰岩为主, 颗粒含量高; 四段以黑灰色泥晶灰岩、生屑灰岩为主(郭旭升等, 2012)。

图1 四川盆地东部角帮沟剖面位置及中二叠统茅口组岩性柱状图(据唐浩等, 2014, 有修改)Fig.1 Location of Jiaobanggou section in eastern Sichuan Basin and lithological column of the Middle Permian Maokou Formation(modified from Tang et al., 2014)

茅口期末, 受东吴运动的影响, 整个上扬子盆地大部分地区隆起, 形成泸州和开江两个古隆起雏形, 造成了中、上二叠统之间的沉积间断(张渝昌等, 1989), 茅口组开始遭受了长达7~8 Ma的暴露和淋溶改造(王运生和金以钟, 1997), 从而导致了茅口组顶部地层被剥蚀50~350 m(何斌等, 2004)。

2 样品与方法

研究剖面位于四川盆地东部偏南的涪陵地区白涛镇角帮沟乌江北岸(图 1)。该剖面纵向分带明显, 由底至顶可分为:茅口组基岩带、过渡带、钙结带, 其上为龙潭组泥页岩(图 2-A)。钙结壳横向分布不稳定, 为了全面掌握钙结壳的基本特征, 本次研究选取该剖面3个纵向位置(观察点1、观察点2、观察点3)(图 2-B)对钙结壳进行详细野外研究。在3个观察点根据地层自然分层进行样品采集, 同一自然小层内若存在岩性、结构、构造差异, 则根据差异在同一自然小层内采集多个样品, 以达到样品能代表和控制各个纵向剖面。最终共磨制样品光面32件、普通薄片46件、铸体薄片10件, 在钙结壳发育的观察点1和观察点2处以结构组分为单元磨制粒度为320目(约40 μ m)的粉末样品24件(30 g/件), 并利用Leica DM2700P显微镜观察描述钙结壳微观组构组成, 利用X' Pert PRO X-射线衍射仪, 在温度25~30 ℃、湿度(%RH)小于70的检测环境下, 依据SY/T5163-1995标准对所选样品进行检测, 以此进一步分析其矿物组成的垂向演化规律。

图2 四川盆地东部涪陵地区角帮沟剖面钙结壳特征Fig.2 Characteristics of caliches of Jiaobanggou section in Fuling area, eastern Sichuan Basin

3 钙结壳特征
3.1 钙结壳纵向发育特征

3.1.1 基岩带

茅口组顶部基岩带岩性为灰黑色中厚层泥晶生物灰岩, 风化后呈灰白色, 近顶部频夹黑色似层状的燧石条带。基岩带内小型溶沟发育, 溶沟内充填离解的碳酸盐岩砂和角砾(图 2-C, 图3), 表明茅口组顶部存在暴露面。

图3 四川盆地东部涪陵地区角帮沟剖面纵横向变化及观察点1、观察点2(不考虑侵蚀漏斗充填物)主要矿物含量纵向变化Fig.3 Vertical and lateral correlation of caliches and vertical variations of main mineral content at the observation point 1 and observation point 2 of Jiaobanggou section in Fuling area, eastern Sichuan Basin(regardless of the fillings in erosion funnels)

3.1.2 过渡带

岩性为黄白色、黄褐色、褐红色含燧石条带或团块状泥晶生物灰岩。观察点1过渡带发育侵蚀漏斗(图 2-D, 图3), 充填近原地离解角砾, 并被泥晶和亮晶方解石原地胶结。角砾呈棱角状、次棱角状、次圆状, 有明显破裂现象, 裂缝中充填方解石(图 2-E)。镜下可见角砾裂缝发育, 几乎被亮晶方解石全充填, 角砾周围主要为含泥质泥晶方解石和少量亮晶方解石, 有轻微溶蚀现象(图 2-E)。

3.1.3 钙结带

根据岩性特征可分为a和b两个小层(图 2-D, 图3)。底部的a小层因现今的风化淋滤而呈现出灰绿色、深灰色钙质泥页岩化; 新鲜面由浅灰色与深灰色斑块构成“ 花斑状” , 两种斑块间界线模糊, 裂缝十分发育, 且基本上为方解石全充填(图 4-A)。镜下可见深灰色斑块中黏土矿物局部富集, 而浅灰色斑块仍保存了原岩的生屑组构且具明显的泥晶化特征, 其内的溶蚀孔被黏土矿物充填, 而使其与暗色斑块界线模糊, 但从原岩部分的幻影仍可识别出原岩为亮晶生屑灰岩(图 4-B)。类比现代海岸多孔层岩溶形成的海绵状或花斑状特征, 认为该岩类是受表生暴露岩溶改造形成的, 是多孔原岩形成的小型花斑状岩溶系统为离解的碳酸盐岩砂和黏土矿物混合充填所致(Angel and Joaquí n, 2007)。现今暴露使这类岩性因差异风化形成似角砾化, 淋滤作用使钙质流失而呈现泥页岩化。

图4 四川盆地东部涪陵地区角帮沟剖面钙结带宏观、微观特征Fig.4 Macro- and microscopic characteristics of calcretes of Jiaobanggou section in Fuling area, eastern Sichuan Basin

b小层手标本中可见一些方解石充填的钙化根模孔被溶蚀, 局部存在溶蚀残余。此结构特征及宏观照片与西班牙马略卡岛更新世钙结壳(Esteban and Klappa, 1983)极为相似。其顶部发育断续分布的纹层状铁壳, 局部发育铁质结核, 根据结核形态推测也是受到了植物根的影响; 中下部泥质条带的存在, 可能是古暴露时溶蚀作用造成的, 以黏土矿物为主充填形成(图 4-C)。镜下显微照片最具特征性的组构为发育肺泡结构(图 4-D), 一般认为肺泡结构与根有关, 为毫米级的小团粒聚结而成, 粒间为肺泡孔, 形态多不规则, 多被亮晶方解石充填, 并被网状泥晶壁分隔(Esteban and Klappa, 1983; 周自立等, 2009)。此处钙结岩的镜下微观特征与济阳坳陷沾化凹陷义东301井钙结岩镜下微观特征(周自立等, 2009)极为相似。此外, b小层中还可见大量次生粒状亮晶方解石胶结物(图4-E)。

3.2 钙结壳横向变化特征及矿物学特征

钙结壳横向分布不稳定, 在观察点1、观察点2处钙结壳发育, 而在观察点3处不发育(图 3)。为明确矿物组成在钙结壳剖面纵向上的变化, 对钙结壳发育的观察点1和观察点2处的样品进行了X衍射全岩分析, 以便这两个观察点的分析结果作为相互验证。

分析结果(图 3, 表1)表明, 纵向上从基岩带到钙结带, 矿物组成和含量具有明显的规律变化。茅口组基岩带中方解石含量介于91.64%~98.13%, 石英含量介于1.87%~8.36%, 没有黏土矿物或只有痕量伊利石。过渡带中方解石含量介于5.67%~96.57%, 石英含量介于3.43%~89.93%, 变化幅度剧烈; 黏土矿物(主要为绿泥石、伊利石和伊蒙混层)含量在过渡带内自下而上由0逐渐增加至17.00%。钙结带底部a小层中方解石含量介于43.91%~44.14%, 石英含量介于11.42%~13.58%, 黏土矿物(绿泥石)含量介于42.51%~43.17%, 相对于基岩带和过渡带, 黏土矿物含量异常增加。钙结带顶部b小层中所测样品无黏土矿物, 方解石平均含量增加至82.24%~88.09%, 其余为石英。结合钙结壳宏观、微观地质特征, 过渡带方解石、石英含量变化较大, 推测其是受燧石条带或燧石团块的发育所致; 黏土矿物含量自下而上逐渐增加, 其原因可能是受近地表岩溶的影响, 岩溶流水将地表黏土矿物带入其中。钙结带底部a小层为高孔渗顺层岩溶发育区, 导致大量地表黏土矿物充填岩溶系统, 所以黏土矿物含量异常高; 钙结带顶部b小层中方解石含量再次大量增加, 可能是后期遭受钙结壳化作用导致内部次生碳酸钙逐步胶结富集。

表1 四川盆地东部涪陵地区角帮沟剖面钙结壳X衍射全岩、黏土矿物定量分析 Table1 Results of X-ray diffraction and clay minerals content analyses of caliches of Jiaobanggou section in Fuling area, eastern Sichuan Basin

在钙结壳整个垂向序列上, CaCO3含量由基岩带到过渡带再到钙结带呈先减少后增加的趋势(不考虑燧石交代的影响)(图 3)。其原因可能是由于先期岩溶作用导致钙质的带出以及泥质的带入, 使近地表地层中的CaCO3含量减少, 泥质含量增加; 后期钙结壳化作用使钙结带发生次生CaCO3的沉淀, 钙质含量增加。该变化规律符合经典钙结壳剖面CaCO3含量在纵向上的演化规律。

综上所述, 研究剖面茅口组顶部钙结壳纵向上分带明显, 由底至顶可分为基岩带、过渡带及钙结带。其中, 过渡带发育钙质胶结的原地角砾充填的侵蚀漏斗。钙结带为局部钙结岩化的深灰色亮晶生屑灰岩叠覆褐黄色多孔块状钙结岩, 其内发育多期裂缝、根模、肺泡结构和大量次生粒状亮晶方解石胶结物等典型钙结壳结构。剖面中过渡带至钙结带CaCO3含量逐渐增加, 可能表明钙结带为其内次生碳酸钙胶结逐渐累积形成, 符合经典钙结壳剖面CaCO3含量在纵向上的演化规律。

4 讨论
4.1 钙结壳形成的古气候环境

暴露岩石在不同气候条件的长期淋滤改造下, 会形成不同成分的风化残积物(熊志方和龚一鸣, 2006)。在对四川盆地茅口组岩心的观察过程中发现, 茅口组顶部普遍存在风化残积物。例如蜀南威阳17井(图 1)茅口组顶部1650.25~1654.29 m的岩心中可见厚近2 m的铝土矿残积层(图 5-A), 并含有少量泥质和燧石结核, 向上则为龙潭组黑色煤系泥页岩。川东月005-H1井(图 1)茅口组顶部基岩为褐灰色泥晶灰岩, 溶沟、溶洞发育, 充填黑色炭质、方解石和黄铁矿; 之上为灰褐色铝土质泥岩, 含黄铁矿(图 5-B)。诸多学者(崔克信和甄勇毅, 1984; 刘喜停等, 2010)认为, 铝土质泥岩的发育指示着地层曾经历过湿热气候。Bardossy(1995)直接把石炭纪至侏罗纪的铝土矿矿床视为热带季风型气候的古气候标志。

图5 四川盆地东部涪陵地区角帮沟剖面附近茅口组岩心中的风化残积物及茅口期末古地理图Fig.5 Weathering residue of cores near Jiaobanggou section in Fuling area, eastern Sichuan Basin and palaeogeographic map of the Late Maokou Stage

刘育燕等(1993a, 1993b)通过古地磁的研究认为, 二叠纪扬子地区位于赤道附近的低纬度热带地区(图 5-C)。赤道附近的低纬度热带地区往往为多雨的湿热气候, 这与四川盆地茅口组顶部发育铝土质泥岩和铝土岩的岩石组合特征相吻合。

四川盆地茅口组顶部以发育铝土质泥岩和铝土岩的岩石组合为特征, 与中二叠世上扬子地区位于赤道附近的古地理背景相吻合, 表明四川盆地茅口组地层暴露地表时为湿热的古气候特征, 据此认为川东茅口组顶部钙结壳形成于湿热气候条件下。

4.2 不同气候条件下钙结壳特征对比

一般认为, 钙结壳是半干旱沉积体系的重要沉积组分, 且为经历过地质时期平均年降雨量约500 mm地区的特征沉积现象(Khadkikar et al., 1998)。因此, 老地层中存在的钙结壳被广泛用来指示相对干旱的时期(Mcpherson, 1979)。总的来说, 发育钙结壳最适宜的气候条件是一场大而短暂的降雨后, 长期的快速蒸发和干燥, 最典型的是干旱— 半干旱气候(年降雨量很低), 也可以是半湿润气候里明显的干旱季节(Rutte, 1958)。

当然, 母岩性质的不同, 钙结壳的发育对降雨量的要求也不同。发育于非碳酸盐岩或冲积砂砾岩中的钙结壳通常发生在干旱到半干旱地区(Milnes et al., 1992; Lal et al., 1999)。然而, 发育于灰岩中的钙结壳通常发生在降水量较高的区域, 因为碳酸钙供给充足, 仅需较小的蒸发亏损, 碳酸钙便能够再次饱和沉淀。发育于灰岩中的钙结壳的典型环境是半干旱环境, 但是如果气候较热, 也可发生于半湿润区域(Goudie, 1973; Esteban and Klappa, 1983; Gong et al., 2005)。

干旱— 半干旱气候条件下发育的钙结壳有一个重要的特征, 即钙结壳在局部区域为大面积连片分布。例如在美国内华达州第三系(现为“ 古近系和新近系” )(Gardner, 1972)、肯塔基州密西西比亚系(Harrison and Steinen, 1978)、新墨西哥州宾夕法尼亚亚系(Rasbury et al., 2000)、德克萨斯州多个层系(Zhou and Chafetz, 2009), 西班牙马略卡岛更新统(Esteban and Klappa, 1983), 土耳其南部梅尔辛地区第四系(Kadir and Eren, 2008), 加勒比海环线岛屿第四系(Harrison, 1977; Li and Jones, 2014), 澳大利亚第四系(普雷莫里和刘士倜, 1977), 中国黄海更新统至全新统(吴世迎, 1985)、贵州三叠系(范嘉松和闻传芬, 1992; 范嘉松和吴亚生, 2004)、南海南沙群岛更新统(Gong et al., 2005)、济阳坳陷沾化凹陷沙河街组(周自立, 2009)等均有报道。且如果钙结壳剖面纵向序列发育完整, 其顶部往往发育钙质纹层状硬壳即所谓硬盘(compact crust or hardpan)(Esteban and Klappa, 1983; 范嘉松和吴亚生, 2004; Zhou and Chafetz, 2009; Li and Jones, 2014)。而对于湿热气候条件下, 由于降雨量较大, 年均降雨量大于年均蒸发量, 所以要形成大面积连片分布的钙结壳是不可能的, 但是在流体闭塞的灰岩地区的局部微地貌洼地, 溶解了来自上部灰岩地层和土壤带碳酸盐的流体, 其CaCO3含量趋于饱和, 并汇聚于洼地处, 加之强烈的蒸发作用或脱气作用仍可以形成无地层意义的钙结壳。且此类钙结壳由于长期的淋溶改造, 基岩中原有的铁和黏土矿物被溶蚀释放出晶格中类质同象的铁形成铁的氧化物和氢氧化物, 使得顶部往往发育铁质纹层状硬壳(谢向荣, 1958; Xu et al., 2005; Wei et al., 2014)。

4.3 湿热气候条件下钙结壳发育模式

钙结壳的形成受气候、土壤、生物、母岩、地形和暴露时间的影响, 所以各个地方的钙结壳剖面特征各不相同(Harrison, 1977; Esteban and Klappa, 1983; 范嘉松和吴亚生, 2004; Li et al., 2013; Li and Jones, 2014)。在本研究剖面中, 受古暴露时地表微地貌差异和地表植被差异等因素的控制, 钙结壳在观察点1、观察点2处发育, 而在观察点3处不发育。由于长期的淋溶改造, 基岩中原有的铁和黏土矿物溶蚀释放出晶格中类质同象的铁, 形成铁的氧化物和氢氧化物, 钙结壳顶部发育铁质纹层状硬壳。随后在龙潭初期的海侵过程中, 钙结壳上部的土壤层和部分顶部纹层状硬壳被侵蚀, 导致钙结壳纵向序列发育不完整。其发育模式如图6。

图6 四川盆地东部涪陵地区角帮沟剖面茅口组顶部钙结壳发育模式Fig.6 Developmental model of caliches at top of the Maokou Formation of Jiaobanggou section in Fuling area, eastern Sichuan Basin

原岩在二叠纪茅口期末暴露地表(图6-A), 经早期大气淡水淋滤、风化, 茅口组顶部地层逐渐土壤化。在土壤化的同时, 地表流体沿渗流带近于垂直层面裂隙对下部高孔渗地层(如a小层)产生强烈的溶蚀作用(图 6-B), 形成溶沟和溶塌角砾(图 2-C)。在成土过程中, 由于植被的生长, 根劈作用导致基岩角砾化, 并加剧下渗流体对基岩带岩石的溶蚀, 在高孔渗软岩石地层(如a小层)形成大量花斑状半离解岩溶产物(图 6-C)。后期由于地表微地貌差异, 溶解了来自上部灰岩地层和土壤带碳酸盐的流体, 其CaCO3含量趋于饱和, 并于洼地处富集, 加之强烈的蒸发作用或脱气作用导致在中下部渗流带区域沉淀方解石胶结物, 形成钙结岩, 并于钙结岩上部残积铁质纹层状硬壳(图6-D)。随后在龙潭初期的海侵过程中, 钙结壳上部的土壤层和部分顶部纹层状硬壳被侵蚀, 导致钙结壳纵向序列发育不完整, 之上直接覆盖龙潭组泥页岩(图6-E)。最终形成了四川盆地东部地区茅口组顶部横向分布不连续、纵向序列不完整的钙结壳。

5 结论

1)四川盆地东部涪陵角帮沟剖面茅口组顶部发育钙结壳, 其纵向上分带明显, 由底至顶可分为基岩带、过渡带和钙结带。典型组构特征包括:破裂的原地角砾、多期裂缝、根模、肺泡结构和大量次生碳酸钙胶结物; X-衍射全岩分析可知, 过渡带至钙结带CaCO3含量逐渐增加, 表明钙结带为其内次生碳酸钙胶结逐渐累积形成。通过邻近研究区的茅口组顶部岩心资料和前人古地磁研究成果得出, 钙结壳形成于湿热气候环境下。

2)钙结壳并不是特定气候环境的产物, 发育于湿热气候环境下的四川盆地东部地区茅口组顶部钙结壳, 可能受古暴露时地表微地貌差异和地表植被差异等因素的控制, 横向分布不连续; 钙结壳纵向序列不同于干旱— 半干旱沉积体系中的钙结壳, 顶部发育铁质纹层状硬壳, 但发育不完整, 很有可能是由于随后的海侵过程使得钙结壳上部的土壤层和部分顶部纹层状硬壳被侵蚀。

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