混积层系(广义的混合沉积)指的是不同岩石相的混合(李祥辉, 1997; 沙庆安, 2001; Seyedmehdi et al., 2016), 反映了跳跃式、反复变迁的沉积环境。混积层系不同于混积岩(狭义的混合沉积), 后者指的是硅质碎屑和碳酸盐成分上的混合(Mount, 1984; 张锦泉和叶红专, 1989), 代表过渡环境的产物。晚石炭世是地质历史演化的重要时期, 该时期南半球冈瓦纳大陆冰盖大量发育(Isbell et al., 2003), 伴随冰川的扩张和消融, 全球发生了高频率、大振幅的冰川型海平面升降变化, 变化幅度在几十米到上百米之间(Haq et al., 2008; Rygel et al., 2008)。受控于明显的冰川型海平面变化和气候变化, 晚石炭世是地质历史时期全球范围内高频碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系(即不同岩相的频繁互层)发育的一个典型时期(Rankey, 1997; Tucker, 2003)。在该时期, 中国大部分地区广泛发育了碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系(张同钢等, 2003; 张雄华, 2003; 郭福生, 2004; 朱如凯等, 2007; 牛永斌等, 2010; 陈世悦等, 2016; Shen et al., 2018), 如华南地块、华北地台、塔里木盆地以及柴达木盆地等。

图 1

Fig.1

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	图 1 柴达木盆地北缘上石炭统典型碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系实例(石灰沟剖面克鲁克组2段)Fig.1 Typical example of mixed clastic-carbonate sequences of the Upper Carboniferous in northern Qaidam Basin (Shihuigou section, Member 2 of Hurleg Formation)

柴达木盆地北缘地区上石炭统克鲁克组与扎布萨尕秀组混积层系广泛发育(图 1), 具体表现为整套地层既非纯粹“ 浑水沉积” 碎屑岩, 亦不全由“ 清水环境” 碳酸盐岩组成, 而是频繁“ 浑清交替” 形成的碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系旋回, 旋回单元厚度呈几米至上百米厚的不同级次、多级韵律互相嵌套的沉积样式。然而, 混积层系与单一的碎屑岩或碳酸盐岩相比有其特殊性, 故不能用单纯的碎屑岩或碳酸盐岩沉积相模式来进行分析。关于混积层系内“ 清澈环境” 的碳酸盐岩单元和“ 浑浊环境” 的碎屑岩单元, 在不同沉积环境内究竟是如何交替发育的, 一直是沉积学界研究的热点和难点问题(Coffey and Fread, 2004; 李祥辉, 2008; 赵灿等, 2013)。文中在对柴达木盆地北缘上石炭统发育的典型碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系详细刻画和解剖的基础上, 围绕碎屑岩— 碳酸盐岩高频转换特征展开研究, 旨在梳理碎屑岩— 碳酸盐岩高频转换过程及其转换驱动机制, 探讨研究区广泛发育的碎屑岩和碳酸盐岩混积层系的演化规律和成因机制。

柴达木盆地位于青藏高原北缘, 为祁连山、阿尔金山、昆仑山包围的高原山间盆地。晚古生代, 柴达木盆地属于古特提斯洋被动边缘(柴达木周缘山系)及弧后盆地(杨超等, 2010), 整体呈“ 南陆— 北海” 的盆山格局。前人对柴达木盆地类型、大地构造背景以及古地理格局进行了综合研究, 认为石炭纪盆地具有坳、隆相间的古地理格局, 为海西运动产生的晚泥盆世裂陷槽基础上形成的差异性沉降盆地(朱如凯等, 2007; 牛永斌等, 2010; 杨超等, 2010)。

图 2

Fig.2

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	图 2 柴达木盆地东部地区大地构造略图(改自孙娇鹏等, 2014)Fig.2 Map showing tectonic structures in eastern Qaidam Basin(modified from Sun et al., 2014)

柴达木盆地北缘是指青海省赛什腾山— 绿梁山— 锡铁山— 埃姆尼克山以北、土尔根达阪山— 柴达木山— 宗务隆山以南、牦牛山以西的地区(陈世悦等, 2016), 呈NWW-SEE向展布, 具有西窄东宽、向东开口的“ 喇叭状” 形态(图 2)。受晚古生代宗务隆构造带裂陷作用影响, 柴达木盆地北缘晚古生代存在宗务隆活动型沉积建造以及柴达木盆地北缘稳定型沉积建造(柴达木盆地北缘构造带与欧龙布鲁克板块)两大地层分区。前人对晚石炭世柴达木盆地北缘东段稳定地块的构造背景、地层格架、生物地层和古气候特征进行了详实的研究(朱如凯等, 2007; 牛永斌等, 2010; 杨超等, 2010; 孙娇鹏等, 2014; 陈世悦等, 2016)。杨平和胡勇(2006)结合古生物资料和沉积特征分析, 认为柴达木盆地北缘晚石炭世气候变冷和水体变浅可能与该时期的全球冰川作用有关。陈世悦等(2016)通过野外露头和室内岩心综合分析, 认为晚石炭世柴达木盆地北缘构造活动相对稳定, 冈瓦纳冰川作用造成的海平面变化是该套碎屑岩— 碳酸盐岩混合沉积发育的先决条件。另外, 古地磁数据分析表明, 尽管晚石炭世柴达木地块总体归属及古地理位置尚不明确, 但可明确该地区晚石炭世处于北半球低纬度地带(杨惠心等, 1992; 王训练等, 2002), 为相对温暖潮湿的热带气候区(阎存凤等, 2005), 这导致生物繁盛、碳酸盐生产率提高, 为柴达木盆地北缘上石炭统以碎屑岩为主导的地层内碳酸盐岩的发育以及混积作用提供了物质基础。

石炭纪— 二叠纪早期, 柴达木盆地北缘稳定地块(柴达木盆地北缘构造带和欧龙布鲁克地块)地层划分方案一致, 自下而上依次发育下石炭统城墙沟组、怀头他拉组及上石炭统克鲁克组、扎布萨尕秀组下段(图3)。克鲁克组和扎布萨尕秀组在岩性上具有相似性和连续性, 均表现为碎屑岩— 碳酸盐岩频繁互层, 导致二者界线难以区分(王训练等, 2002)。

图 3

Fig.3

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	图 3 柴达木盆地东部各分区沉积建造构造层序划分(改自陈世悦等, 2016)Fig.3 Sedimentary construction within structural divisions in eastern Qaidam Basin(modified from Chen et al., 2016)

根据岩性垂向叠置关系及差异性, 陈世悦等(2016)将克鲁克组划分为4段, 自下而上依次为克1段、克2段、克3段、克4段(表 1)。其中, 克1段以发育含煤暗色泥岩、粉砂质泥岩夹薄层灰岩为主; 克2段碎屑岩相对发育, 呈灰岩— 泥岩— 砂岩交替互层的旋回; 克3段为厚层碎屑岩夹薄层碳酸盐岩, 局部见厚层砂砾岩; 克4段则发育暗色细粒沉积岩夹薄层灰岩。

表 1

Table1

表 1(Table1)

表 1 柴达木盆地北缘上石炭统克鲁克组划分方案(据杨平和胡勇, 2006; 陈世悦等, 2016) Table1 Stratigraphic division scheme of the Upper Carboniferous Hurleg Formation in northern Qaidam Basin(after Yang and Hu, 2006; Chen et al., 2016) 统 国际阶 国内阶 组 段 岩性特征 上石炭统 卡西莫夫阶 逍遥阶 克鲁克组 克4段 暗色细粒沉积岩夹薄层灰岩 莫斯科阶 达拉阶 克3段 以砂岩为主, 发育砂砾岩— 泥岩— 灰岩旋回, 局部发育厚层砂砾岩 巴什基尔阶 滑石板阶 克2段 以砂岩为主, 发育灰岩— 泥岩— 砂岩旋回 罗苏阶 克1段 暗色泥岩、粉砂质泥岩、含煤泥岩夹薄层灰岩

表 1 柴达木盆地北缘上石炭统克鲁克组划分方案(据杨平和胡勇, 2006; 陈世悦等, 2016) Table1 Stratigraphic division scheme of the Upper Carboniferous Hurleg Formation in northern Qaidam Basin(after Yang and Hu, 2006; Chen et al., 2016)

本次选取的研究对象包括柴达木盆地北缘东段石灰沟剖面、死狼沟剖面和ZK5-2井(图2), 重点研究层段为上石炭统克2段一套典型的碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系。该层段为几十米厚的砂砾岩、砂岩、含煤泥岩与灰岩呈不同厚度、不同样式的互层, 自下而上可划分为3个单元: (1)底部碳酸盐岩地层; (2)中部碎屑岩地层; (3)顶部碳酸盐岩地层。

根据野外露头— 钻井岩心描述, 以及克2段碳酸盐岩样品镜下薄片观察, 在总结岩石组合、沉积结构、沉积构造、古生物以及岩相序列等特征的基础上, 在研究层段内识别出多种碎屑岩和碳酸盐岩沉积相类型: (1)在纯碎屑岩地层内首次识别出下切谷充填体系, 并进一步划分为辫状冲积河道以及河口湾; (2)根据碳酸盐岩地层的保存情况, 将其划分为改造型和未改造型碳酸盐岩台地。其中, 碳酸盐岩台地相可进一步划分出向陆和向海台地亚相。

4.1 下切谷充填体系

下切谷指的是在海平面相对下降时期, 冲积体系在向盆地扩展时侵蚀下伏地层而形成的水道或谷地(Boyd et al., 2006)。研究区上石炭统克2段碎屑岩地层普遍发育下切谷充填体系, 在野外露头和钻井岩心上均有明显的沉积响应特征, 如碎屑岩下切谷单元底部可见暴露侵蚀面, 以及侵蚀面之上依次发育了陆相冲积河道到海陆交互相河口湾沉积组成的典型的下切谷充填序列(图 4)。

图 4

Fig.4

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	图 4 柴达木盆地北缘上石炭统典型碎屑岩层沉积特征Fig.4 Sedimentary characteristics of typical clastic strata of the Upper Carboniferous in northern Qaidam Basin

4.1.1 辫状冲积河道 辫状冲积河道为典型的陆上平原河道, 主要受陆上河流作用影响, 并不受海洋潮流作用影响(Plink-Bjö rklund, 2005)。其沉积特征归纳如下: (1)从岩性特征和成熟度来看, 整体由一套分选、磨圆较差的细砾岩、粗砂岩、中粗砂岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩组成, 较低的成熟度反映了沉积物距离物源较近、搬运距离较短的特点(图 4-B); (2)具有明显的河道底部侵蚀面, 侵蚀面之上沉积了一套成分复杂、分选— 磨圆较差的砾石, 代表典型的河床底部沉积— — 河床滞留沉积; (3)沉积物粒度自下而上逐渐变细, 但顶层细粒沉积并不发育, 表明河流坡降大, 以底负载搬运为主, 泛滥平原不发育, 河道内部沉积水动力自下而上逐渐减弱; (4)主要沉积构造为槽状交错层理或块状层理, 缺乏典型的潮汐作用标志(如双向交错层理、双黏土层等), 说明沉积物位于向陆一侧, 不受海洋作用影响; (5)缺乏海相古生物遗迹化石及实体化石, 指示陆相沉积环境。以上特征综合表明, 该套沉积体系为典型的陆相辫状冲积河道沉积。

4.1.2 河口湾 为海平面相对上升时期微弱的河流与较强的潮汐共同作用的产物, 是典型的海陆交互相沉积(Dalrymple and Choi, 2007)。研究区河口湾沉积与底部辫状冲积河道沉积之间呈渐变接触, 自下而上依次发育了潮汐— 河流水道沉积和潮汐砂坝, 顶部被代表最大海泛面的泥岩所覆盖。

1)潮汐— 河流水道沉积。 与冲积河道沉积相似, 均表现为一套向上粒度变细的沉积单元。但潮汐— 河流水道沉积物粒度相对较细、分选磨圆相对较好, 同时, 包含有厚层规律性叠置的交错层理砂岩, 即潮汐复合砂丘(compound dunes)该类反映强潮流作用的标志。近年来, 潮汐复合砂丘作为典型潮汐作用标志、多为富砂环境下的强潮流搬运产物这一观点, 已经被越来越多的学者报道(Darlymple and Choi, 2007; Longhitano et al., 2012; Olariu et al., 2012; Wei et al., , 2018)。潮汐— 河流水道沉积受到陆相河流与海洋潮流双向水流的作用, 为典型的海陆交互相沉积, 位于河口湾向陆一侧, 发育于冲积河道沉积之上。

2)潮汐砂坝。充填于潮汐河道之内, 具有自下向上粒度逐渐变细的特征, 代表河流作用缺失情况下的强潮流作用产物。潮汐砂坝位于潮汐— 河流水道沉积之上, 二者之间呈渐变接触。潮汐砂坝为一套富砂沉积, 主要为分选较好的中粗粒砂岩, 沉积构造以大规模板状交错层理为主, 整体表现为十几米厚的、规律性叠置的交错层理砂岩, 即由规律性叠置的潮汐复合砂丘组成, 内部可见明显的双向交错层理(图4-D), 反映了较强的进潮流和退潮流作用(Dalrymple and Choi, 2007)。值得注意的是, 单组交错层理自身显示的是单向水流作用, 反映了该套交错层理形成时期的主潮流作用方向, 在交错层理砂岩叠置和发育过程中, 随着主潮流方向不断发生变化(Dalrymple and Choi, 2007), 交错层理的前积方向不断改变。

3)顶部泥岩沉积。 与下伏砂岩呈突变接触, 为几米厚的深灰色— 黑色泥岩, 古生物实体化石及遗迹化石丰度较高、种类繁多。该套泥岩形成于陆源碎屑沉积物供给不足以平衡海平面上升造成的可容纳空间的增长情况下, 代表了河口湾砂体沉积的结束, 形成于河口湾向海一侧。

4.2 碳酸盐岩台地

研究区碳酸盐岩地层单层厚度在几十厘米到几米之间, 通常与泥岩呈不同厚度、不同样式交替互层。为便于与纯的以碎屑砂岩为主的地层区分开, 文中将碳酸盐岩与泥岩互层、碳酸盐岩厚度规模占主导的地层统称为碳酸盐岩地层。研究区碳酸盐岩地层主要以碳酸盐岩台地沉积为主, 但部分碳酸盐岩台地被后期改造破坏呈不同岩相特征, 为便于区分, 文中将碳酸盐岩台地分为两大类: 碳酸盐岩-未改造型台地和碳酸盐岩-改造型台地(表 2)。碳酸盐岩台地一般形成于远离陆源碎屑沉积的低纬度地区, 为浅水碳酸盐岩沉积区; 陡峭边缘为高能沉积区, 具有较大的碳酸盐岩连续沉积厚度(顾家裕等, 2009)。

表 2

Table2

表 2(Table2)

表 2 柴达木盆地北缘上石炭统碳酸盐岩沉积特征及沉积环境解释 Table2 Sedimentary characteristics and depositional interpretation of carbonate deposits of the Upper Carboniferous in northern Qaidam Basin 岩相组合 沉积特征 环境解释 碳酸盐岩台地 厚层泥晶灰岩、泥质灰岩、微晶灰岩, 含生屑灰岩, 与薄层泥岩互层 分选好, 水平层理发育, 含大量海百合、有孔虫、介形虫、腹足类和腕足类等生物化石 向海台地亚相(外陆架, 开阔台地— 台内洼地) 未改造型台地 薄层泥晶灰岩、泥质灰岩、微晶灰岩, 生物碎屑灰岩, 局部含燧石结核, 与薄层含煤泥岩频繁互层 分选好, 水平层理发育, 含海百合、有孔虫、介形虫、腹足类、腕足类等生物化石 向陆台地亚相 (潟湖+生屑滩) 泥晶、微晶灰岩, 岩溶角砾岩、洞穴充填砂、泥岩组合 分选差, 充填洞穴, 可见交错层理、水平层理 不整合面风化壳岩溶带洞穴塌陷、沉积充填 改造型台地

表 2 柴达木盆地北缘上石炭统碳酸盐岩沉积特征及沉积环境解释 Table2 Sedimentary characteristics and depositional interpretation of carbonate deposits of the Upper Carboniferous in northern Qaidam Basin

4.2.1 未改造型台地 研究区碳酸盐岩-未改造型台地相较于改造型台地更为常见, 为文中重点描述层段的上部单元, 其中碳酸盐岩单层厚度通常为1~10im。从岩性来看, 灰泥质含量较高, 其以泥质灰岩、泥晶灰岩、微晶灰岩以及生物碎屑灰岩为主, 缺乏高能颗粒, 局部发育燧石结核, 表明形成于水体稳定、能量较低的环境中。生物类型多样且多为广盐性生物, 包括海百合、有孔虫、腹足类、双壳类、介形虫等生物碎屑, 多充填于灰泥、生物礁孔隙或堆积于浅滩中。不同相带生物类型大体相同, 但丰度略有区别(图 5)。该套碳酸盐岩地层沉积相类型丰富, 整体包含了局限台地、开阔台地、生物碎屑滩、台地边缘和台缘斜坡等台地沉积。根据碳酸盐岩与泥岩互层的比例和厚度, 将未改造型台地进一步划分为向海台地亚相和向陆台地亚相。

图 5

Fig.5

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	图 5 柴达木盆地北缘上石炭统碳酸盐岩沉积特征Fig.5 Sedimentary characteristics of the Upper Carboniferous carbonate rock in the northern Qaidam Basin

1)向陆台地亚相。研究区向陆台地亚相为相对局限浅海环境, 包括局限台地、潟湖和生屑滩。岩性以浅灰色、深灰色泥粒灰岩— 粒泥灰岩为主, 与含煤泥岩频繁交替互层, 灰岩单层厚度相对较薄, 为几十厘米到几米之间(如图 5-A至5-D所示)。古生物主要包含 类、海百合、有孔虫、腕足类和腹足类等, 缺乏珊瑚等生物。整体而言, 生物含量相对较低, 为5%~10%。该套沉积具有碳酸盐沉积物粒度较细以及生物含量相对较低的特征, 表明其形成于水动力较弱的环境(顾家裕等, 2009; 陈洪德等, 2014)。含煤泥岩的出现则反映了当时水体能量较低, 为向陆的局限环境。

2)向海台地亚相。研究区向海台地为相对开阔浅海环境, 包括开阔台地和台缘斜坡等。表现为厚层灰色、深灰色含生屑颗粒灰岩和含生屑泥粒灰岩(如图 5-E至5-H所示), 与薄层灰色、深灰色泥岩互层出现, 未见含煤泥岩或煤层。灰岩厚度相对较大, 一般为几米到十几米之间。镜下观察表明, 古生物类型丰富, 包含 类、海百合、有孔虫、腕足类和腹足类等, 生物含量相对较高, 为10%~30%。煤层煤线等的缺失以及生物含量和丰度的增大, 表明当时水体相对开阔, 为向海一侧台地沉积。

4.2.2 改造型台地 露头、岩心证据均表明, 该类型碳酸盐岩沉积(为文中重点描述层段的下部单元)不同于上述未改造型台地相, 其呈现出一种后期改造的特征, 即完整的碳酸盐岩地层被破坏。具体表现为:(1)岩溶角砾岩大量发育(图 6-B, 6-C), 角砾大小不一, 多呈棱角状— 次棱角状, 内部洞穴充填砂-泥岩; (2)横向上, 碳酸盐岩地层断断续续发育(图 7-A), 厚度从几十厘米到几米之间不等, 且地层产状多变; (3)局部与新鲜面为紫红色的泥岩(图 6-A; 图 7-B)及黑色泥岩互层, 反映了局部暴露的特征。以上特征综合表明, 当时海平面下降速率超过了碳酸盐沉积物前积速率, 台地暴露或停止发育, 并遭受剥蚀和破坏(顾家裕等, 2009; 陈洪德等, 2014)。

图 6

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	图 6 柴达木盆地北缘上石炭统岩心中改造型碳酸盐岩台地沉积特征Fig.6 Sedimentary characterstics of deformed-carbonate platform of the Upper Carboniferous core in northern Qaidam Basin

图 7

Fig.7

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	图 7 柴达木盆地北缘上石炭统露头剖面中改造型碳酸盐岩台地沉积特征Fig.7 Sedimentary characterstics of deformed-carbonate platform of the Upper Carboniferous outcrop in northern Qaidam Basin

研究区上石炭统发育不同组合样式、不同厚度规模的碎屑岩— 碳酸盐岩交替互层沉积。为厘清“ 浑水” 碎屑岩和“ 清水” 碳酸盐岩代表的2种显著不同沉积环境的快速转换机制, 本次研究以文中重点研究层段, 即下切谷型碎屑岩沉积单元及其上覆和下伏碳酸盐岩地层单元(图 8, 图 9)组成的“ 碎屑岩— 碳酸盐岩” 频繁互层组合为例, 研究米级厚度单元的碎屑岩— 碳酸盐岩高频转换过程。从岩石类型及沉积相演化角度来看, 整个沉积序列自下到上依次发育了: A. 碳酸盐岩改造型台地; B. 碎屑岩辫状冲积河道(下切谷底部); C. 碎屑岩河口湾(下切谷中部); D.海泛泥岩(下切谷上部); E. 碳酸盐岩未改造型台地-向海台地亚相; F.碳酸盐岩未改造型台地-向陆台地亚相。上述序列总体可以概括为3期岩性岩相转换(图 10), 每期转换都反映了沉积环境的显著变化和海平面的明显升降。

图 8

Fig.8

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	图 8 柴达木盆地北缘上石炭统典型碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系沉积序列(石灰沟剖面)Fig.8 Typical sedimentary succession of mixed clastic-carbonate sequence of the Upper Carboniferous in northern Qaidam Basin (Shihuigou section)

图 9

Fig.9

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	图 9 柴达木盆地北缘上石炭统典型碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系沉积模式Fig.9 Schematic diagram of sedimentary model of mixed clastic-carbonate sequence of the Upper Carboniferous in northern Qaidam Basin

图 10

Fig.10

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	图 10 柴达木盆地北缘上石炭统碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系形成过程示意图Fig.10 Schematic diagram showing formation of mixed clastic-carbonate sequence of the Upper Carboniferous in northern Qaidam Basin

Ⅰ .碳酸盐岩— 改造型台地(A)→ 碎屑岩— 辫状冲积河道(B)(显著海退): 显著的海相碳酸盐岩到陆相碎屑岩的岩性岩相变化, 反映了海平面显著下降, 碎屑注入增多, 碳酸盐生产率被抑制。此外, 碳酸盐岩-改造型台地的出现及其与上覆碎屑岩— 冲积河道沉积相之间呈侵蚀接触、侵蚀面之下的新鲜面可见紫红色等暴露色泥岩、原生碳酸盐岩被破坏、岩溶角砾大量存在等, 综合表明该套碳酸盐岩地层经历了后期的改造。该改造过程可能与海平面显著下降至碳酸盐岩地层被暴露剥蚀密切相关(Tucker, 2003; 顾家裕等, 2009; 陈洪德等, 2014)。

Ⅱ . 碎屑岩— 辫状冲积河道(B)→ 碎屑岩— 河口湾沉积(C)— 海泛泥岩(D): 典型的陆相碎屑岩沉积到海相碎屑岩沉积的转变, 反映了水体逐渐变深、陆上河流作用逐渐衰退、海洋潮流作用逐渐增强以及陆相沉积逐渐被淹没的过程。其中, 河口湾沉积为典型的海侵过程产物, 自潮汐— 河流水道、潮汐砂坝, 到代表最大海泛面的泥岩的沉积演化过程, 反映了碎屑注入速率逐渐减小, 海平面逐渐上升, 碎屑注入逐渐跟不上海平面上升的速率, 最终在河口湾沉积序列之上形成了一套海泛泥岩(Darlymple and Choi, 2007)。

Ⅲ . 海泛泥岩(D)→ 碳酸盐岩-未改造型台地-向海台地亚相(E)→ 碳酸盐岩-未改造型台地-向陆台地亚相(F): 碎屑岩沉积的终止与碳酸盐岩沉积的开始, 反映了碎屑供给速率远远小于海平面上升速率, 或碎屑供给影响较小甚至停滞。该过程中海水环境逐渐清澈, 碳酸盐生产率开始增加, 碳酸盐沉积开始形成。此外, 碳酸盐岩-未改造型台地自身经历了从开阔台地等典型向海台地亚相到潟湖等典型向陆台地亚相的转换, 反映了海平面逐渐下降、海水逐渐淡化、水体变为闭塞的过程。

针对不同区域碎屑岩— 碳酸盐岩高频混积层系的大量研究表明, 周期性的构造抬升、气候变化、海陆交互、频繁的海水进退对混合沉积作用的发生必不可少, 且大多数情况下这些控制因素间相互牵制、互为影响。Rygel(2008)认为, 晚石炭世全球发生了冰川型高频— 大幅度海平面变化, 其中海平面升降幅度为0~240im, 剧烈的海平面升降控制着沉积环境的变化, 海水进退直接导致碎屑岩和碳酸盐岩此消彼长。在晚石炭世柴达木盆地北缘区域构造稳定的背景下, 冰川型气候和冰川型海平面变化是柴达木盆地高频碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系发育的直接控制因素, 不同级次的海平面变化造成了碎屑岩— 碳酸盐岩的多种发育样式和多级次旋回特征。

1)柴达木盆地北缘东段上石炭统广泛发育碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系。结合野外剖面以及钻井岩心观察, 在研究区克鲁克组2段识别出了以下切谷充填序列(包括陆相冲积河道沉积和海陆交互相河口湾沉积)为代表的碎屑岩沉积体系, 以及岩溶角砾发育的改造型碳酸盐岩台地和未改造型碳酸盐岩台地沉积。该套碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系沉积序列自下而上依次为: (1)碳酸盐岩改造型台地; (2)碎屑岩— 辫状冲积河道; (3)碎屑岩— 河口湾; (4)海泛泥岸; (5)碳酸盐岩未改造型台— 向海台地亚相; (6)碳酸盐岩— 向陆台地亚相。

2)克鲁克组2段垂向序列各单元岩性岩相的高频转换, 反映了当时沉积环境经历了3次显著的海平面变化过程, 依次为早期的显著海退(如碳酸盐岩改造型台地和下切谷底部暴露侵蚀面所示)、中期的逐渐海侵(下切谷的后期充填过程, 即河口湾的形成过程)和晚期的再次海退(从代表最大海泛面的泥岩沉积, 到碳酸盐岩向海台地亚相, 再到向陆台地亚相)。

3)晚石炭世“ 冰室地球” 时期, 柴达木盆地构造相对稳定, 冰川型气候和高频的大幅海平面变化是驱动该套碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系形成的直接因素。古气候和海平面通过控制滨线迁移和相带迁移以及碎屑岩供给和碳酸盐生产率等, 控制了碎屑岩— 碳酸盐岩混积层系的发育。