Characteristics and Paleoenvironmental Significance of Mixed Siliciclastic-Carbonate Sedimentation in the Xiannüdong Formation, Cambrian (Series 2): A case study from the Tangjiahe Section, Wangcang, northern Sichuan

碳酸盐与碎屑物质的混合沉积（Mixed siliciclastic-carbonate sedimentation）是指碳酸盐和陆源碎屑两种不同组分的原地相互混杂^[1-3]，混合沉积保存下来的岩石记录称为混积岩^[4]。国内传统上认为混合沉积有“狭义”与“广义”之分。其中“狭义”的混合沉积指同一岩层内碳酸盐与陆源碎屑两种组分的混合^[5-6]，而把碳酸盐、碎屑岩或混积岩以互层或夹层形式的产出称为“混积层系” ^[7-9]，属于“广义”混合沉积的范畴^[6]。根据目前国际上的主流观点，混合沉积专指碳酸盐和陆源碎屑的原地混合（图 1）。而国内“混积层系”概念中纯碳酸盐岩与碎屑岩的互层，例如灰岩—泥岩韵律层，实际上不属于混合沉积，应属于混合层序（Mixed siliciclastic-carbonate succession）^[10]，两者有严格区分，而不纯碳酸盐岩与含灰质成分碎屑岩的间互沉积本质上仍属于混合沉积（图 1）。因此，本文中所指的“混合沉积”与“混积岩”均指两种成分的原地混合，其形成环境称为混合沉积（混积）体系（Mixed siliciclastic-carbonate systems）^[10]。

Figure 1.  Comparison of definitions of mixed siliciclastic-carbonate sedimentation in China and elsewhere(after Sha^[6]; Guo et al.^[7]; Mount^[1]; Schwarz et al.^[10])

早期学者大多将碎屑岩和碳酸盐岩体系分别进行研究，只是提到一些两者存在混合的实例^[11-12]。随着认识的不断深入，对混积岩的研究便逐渐从两种体系中分离出来，发展成为一个专门的方向。前人研究表明，碳酸盐与陆源碎屑的混合沉积主要发育于热带低纬度地区，从干旱到湿润气候带均有发育，且一般分布在连陆缓坡、台地边缘以及陆棚环境^[13-15]。其中碳酸盐沉积主要来源于原地自养型和异养型生物群落，鲕粒、球粒等异化颗粒也经常参与建造^[16-18]。碎屑颗粒则主要来源于河流的输送，以及沿岸流、洋流和风暴等的搬运^{[10, 19-20]}。由于混积岩既能够携带指示物源风化、搬运与沉积的线索^[21]，又能够反映碳酸盐沉积过程中环境与海水化学等信息^[22]，因而在沉积动力学、古环境和古气候学等方面具有重要价值^{[10, 20, 22]}。此外，混积岩还可以作为控矿层位^[23]，对油气运移和成藏也具有显著影响^{[2-3, 24-25]}。

近年来，国内对于混合沉积的报道逐渐增多^[26-31]，但较少有“深时”台地背景下混积发育的实例。并且，对于不同环境中发育的混积特征、具体过程及控制因素的区分不够明确。因此，本文以川北旺苍县唐家河剖面为例，结合周边多个同时期剖面（南江杨坝和沙滩、南郑西河口、镇巴星子山以及紫阳紫黄乡），对寒武系第二统仙女洞组混合沉积的岩石类型、结构构造，以及沉积序列进行了详细解剖，并对其发育机理及控制因素进行了初步探讨。这项工作的开展可为进一步了解该地区寒武纪早期古地理格局、沉积物类型及演化过程等方面提供参考，同时也能为四川盆地北部寒武系油气勘探提供有益思路。

四川盆地北部米仓山地区位于上扬子地区北缘，寒武纪早期处于扬子陆块的被动大陆边缘带^[32-33]。研究区早古生代经历了多期构造运动，梅树村末期的镇巴上升事件导致郭家坝组与下伏宽川铺组不整合接触^[34]。旺苍—南江小区寒武系纽芬兰统和第二统依次出露宽川铺组、郭家坝组、仙女洞组、阎王碥组和孔明洞组（表 1）。之后，受到南郑上升事件影响，上扬子北缘大部分地区苗岭统和芙蓉统缺失^[37-38]。本次研究关注的混积岩层位主要集中于仙女洞组，按照国际地层划分方案，结合最新生物地层学证据^[39-40]，仙女洞组属于寒武系第二统第三阶与第四阶之间的过渡地层。唐家河剖面位于米仓山国家地质公园公路（唐家河段）旁，地层出露良好，实测厚度共144 m，其中仙女洞组厚98 m（图 2）。

Figure 2.  Location and paleogeography of the Early Canglangpuian Stage, Early Cambrian (modified from Yu et al.^[36]; Li et al.^[41])

寒武纪早期，研究区古地理格局总体表现为北高南低，北部有汉南古陆，南部为深水陆棚（图 2），区内陆源碎屑主要来源于邻近古陆^[42-45]。筇竹寺期，汉南古陆明显上升，区内为广阔的碎屑岩陆棚环境^[45-47]。沧浪铺早期，以碎屑岩占主导的沉积类型逐步被混积岩和碳酸盐岩所取代，形成浅水碳酸盐沉积为主的沉积环境^{[41, 43, 48]}。沧浪铺晚期，随着海退的不断进行，研究区转变为海陆过渡环境，岩性以灰绿、紫红色泥岩、粉砂岩为主^{[41, 49-50]}。

本次研究中，混积岩分类命名以Mount^[51]的方案为基础，根据研究区混积岩实际发育情况，参考董桂玉等^[9]提出的陆源碎屑和碳酸盐两端元分类方案命名（表 2），分为含陆源碎屑—碳酸盐岩、陆源碎屑质—碳酸盐岩、含碳酸盐—陆源碎屑岩以及碳酸盐质—陆源碎屑岩4类，共8种岩石类型，具体特征如下。

该类型主要包括灰质粉砂岩和灰质岩屑细砂岩。灰质粉砂岩产出于郭家坝组顶部和阎王碥组底部（图 3），可见自生海绿石（图 4a）。岩石中陆源碎屑含量较高，主要为粉砂级石英颗粒和少量泥质，石英含量约60%~70%，粒径0.03~0.1 mm，分选差，呈次圆—次棱角状。方解石含量约25%~40%，呈不规则晶粒状分布（图 4a）。

Figure 3.  Sedimentary characteristics and log of Xiannüdong and adjacent formations in the Cambrian (Series 2), at Tangjiahe section

Figure 4.  Microscopic characteristics of mixed siliciclastic-carbonate sedimentation

灰质岩屑细砂岩发育在仙女洞组中下部，覆于藻凝块灰岩之上，局部与砂质鲕粒灰岩呈互层状产出（图 3）。岩石中石英与岩屑等陆源碎屑含量约60%~75%，石英粒径0.1~0.25 mm，分选中等，呈次圆—次棱角状，部分石英具自生加大边（图 4b）。岩屑粒径0.15~0.25 mm，以燧石岩屑和泥岩岩屑为主。另外，方解石含量约25%~40%，呈不规则晶粒状分布（图 4b）。

含灰岩屑细砂岩常与灰质岩屑细砂岩相邻，在成分及结构上具有相似性，其中含灰岩屑细砂岩中方解石含量相对较少，约10%~20%，其余为石英、岩屑和长石等陆源碎屑（图 4c）。

该类型以碳酸盐颗粒为主，具体岩性包括含砂鲕粒灰岩和含砂生屑鲕粒灰岩，产出于仙女洞组中上部（图 3）。含砂鲕粒灰岩一般与亮晶鲕粒灰岩间隔产出，鲕粒粒径0.5~0.7 mm，分选较好，多呈放射状和同心放射状结构（分类方案转引自李飞等^[52]），含量约60%（图 4d）。陆源碎屑以石英为主，分布于鲕粒间，粒径小于0.1 mm，含量约10%，另可见少量石英作为鲕粒核心（图 4d）。含砂生屑鲕粒灰岩则以鲕粒和古杯生物为主，含量约60%，为亮晶方解石胶结，而石英等陆源碎屑混入少，含量不超过10%（图 4e）。

在垂向序列中砂质鲕粒灰岩常位于亮晶鲕粒灰岩和含砂鲕粒灰岩之下（图 3）。岩石中鲕粒含量约30%~40%，粒径0.3~0.7 mm，分选中等，可见放射状结构（图 4f）。晶粒状方解石含量约20%~30%，分布于鲕粒间，偶见白云岩化。该岩性陆源碎屑混入量较高，石英、岩屑含量占30%~40%，磨圆差，粒径0.1~0.2 mm（图 4f）。

砂质细晶灰岩发育频次较低，仅见于部分鲕粒灰岩与灰质碎屑岩过渡层位。其中方解石和陆源碎屑颗粒相互混杂，方解石呈微亮晶和晶粒状分布，含量约55%~75%，偶见少量鲕粒混入。石英、岩屑等陆源碎屑颗粒含量占25%~45%，分选磨圆差，粒径0.1~0.25 mm（图 4g）。

该岩石类型在似瘤状灰岩之上以及鲕粒灰岩相邻层位产出（图 3）。其中钙质微生物含量30%~40%，可见附枝菌（图 4h）、肾形菌（图 4i）和葛万菌（图 4j）。微生物格架间主要为黏结的灰泥，含量约50%。另含有少量粉砂级石英碎屑，含量约5%（图 4h~j）。

该岩石类型主要产出于仙女洞组古杯丘中（图 3），其中古杯生物含量约50%，粒径2~3 cm。鲕粒含量0~15%，分选中等，粒径0.3~0.6 mm，为放射状、同心放射状鲕。古杯、鲕粒等碳酸盐颗粒之间以灰泥充填为主，含量约20%。另外，可见陆源石英混入灰泥基质间，以及古杯动物体腔内，含量10%~15%（图 4k）。

含砂泥晶灰岩发育于仙女洞组中上部，多以薄层形式产出于（砂质）鲕粒灰岩间。岩石中以灰泥为主，含量超过85%，偶见鲕粒。混入的陆源碎屑较细，多为粉砂级石英，不均匀分布在灰泥中，含量10%~15%（图 4l）。

该序列表现为：1）灰质粉砂岩与泥岩互层；2）灰质岩屑细砂岩与泥岩的互层或夹层（图 5a）。

Figure 5.  Types of sequences of mixed siliciclastic-carbonate sedimentation

前者发育于郭家坝组顶部（图 3），呈薄层或极薄层产出。灰质粉砂岩颜色为浅灰色，厚3~5 cm；泥岩为灰褐色—灰绿色，厚1~2 cm，局部发育同沉积结核（图 6a）。该岩石组合类型整体上发育水平层理、缓波状层理和生物扰动构造等，可见多期细粒浊积岩序列（图 6b）^[47]。

Figure 6.  Macroscopic characteristics of mixed siliciclastic-carbonate sedimentary rocks

后者发育于仙女洞组下部（图 3），其中岩性主体为灰褐色灰质岩屑细砂岩，灰黑色泥岩多以夹层形式产出（图 6c）。主要沉积构造包括水平层理、平行层理及正粒序层理。其中正粒序底部发育冲刷面并充填泥质角砾，弱定向排列。

该序列主要表现为：1）泥晶灰岩与灰质泥岩的互层；2）灰质细砂岩→砂质鲕粒灰岩→亮晶鲕粒灰岩的渐变式混合（图 5b）。

前者发育于仙女洞组底部（图 3），泥晶灰岩主要呈条带状或瘤状产出，其中瘤体呈透镜状，长径2~4 cm，具有顺层定向性；瘤体之间则由灰绿色灰质泥岩充填（图 6d）。

后者为向上水体变浅的沉积序列，在仙女洞组中上部大量发育。单个序列自下而上陆源碎屑含量逐渐减少，并最终以碳酸盐组分为主的亮晶鲕粒灰岩结束（图 5b）。可见大型交错层理发育于砂质鲕粒灰岩及亮晶鲕粒灰岩中（图 6e）。

该序列主要表现为：1）灰质岩屑细砂岩与砂质鲕粒灰岩的互层；2）灰质粉砂岩与灰质泥岩的互层（图 5c）。

前者发育于仙女洞组中下部，常与亮晶鲕粒灰岩和砂质鲕粒灰岩共同产出（图 3）。露头上灰质岩屑细砂岩风化后呈槽状，砂质鲕粒灰岩呈深灰色条带，单层厚3~4 cm，成层性较好（图 6f）。

后者主要发育于阎王碥组底部，位于仙女洞组顶部鲕粒灰岩之上（图 6h）。灰质粉砂岩呈深灰色，单层厚30~40 cm；灰质泥岩为青灰色，单独成层或呈极薄层夹于灰质粉砂岩中，发育水平层理（图 6h）。

显生宙陆表海环境下存在大量混合沉积发育的实例，在沉积环境、气候条件，以及沉积物类型等方面呈现出复杂的结构特点和演化过程（表 3）。由于陆源碎屑输送方式和碳酸盐发育类型的差别，即使在同一沉积背景下，混积体系也会发生变化^{[10, 16]}。川北地区寒武纪筇竹寺期至沧浪铺期的混合沉积是一种海退背景下，碳酸盐与陆源碎屑交替主导的连陆混积台地体系。根据研究区沉积背景、沉积特征，以及混积体系类型，推测碎屑颗粒主要通过三角洲—河流入海口进入海洋环境，并且经过沿岸流和波浪的搬运改造，其具体的混积发育机理值得深入研究。

Mount^[1]通过大量实例研究总结出4种混合沉积机理，包括：1）相缘渐变混合（Facies mixing），指沉积物沿不同相带之间的扩散边界发生侧向迁移而形成的混合；2）事件突变混合（Punctuated mixing），指由于风暴、浊流等事件性作用使得沉积物异地搬运后形成的混合；3）源混合（Source mixing），指由碳酸盐母源区经剥蚀后提供砾屑，再与沉积区陆源碎屑的混合；4）原地沉积混合（In situ mixing），既包含以陆源碎屑为主的沉积中保存钙质生物骨屑，也包含原地生长的藻席和叠层石捕获黏结陆源碎屑而形成的混合^{[1, 56]}。该成因机理分类在混合沉积实例研究中得到了广泛运用^{[9, 17, 25, 30, 57]}。本次研究通过对混积序列的精细解剖，认为川北地区寒武系第二统混合沉积的成因机理以相缘渐变混合为主，局部发育事件突变混合和原地沉积混合（图 7）。

Figure 7.  Models of mixed siliciclastic-carbonate sedimentation in study area

研究区在沧浪铺期半清水—清水环境下，陆源碎屑供给量显著减少，台地边缘上浅水碳酸盐产率处于较高水平，以鲕粒滩的大量发育为特征（图 6e）。滩后水体能量相对减弱，附枝菌、肾形菌、葛万菌和古杯等生物大量生长而形成微生物丘和古杯丘。微生物在造丘过程中不断黏结捕获灰泥及细粒陆源碎屑，而古杯生物的生长常形成障积格架，阻碍陆源碎屑的搬运。这两种过程均形成碳酸盐与陆源碎屑的原地混合（图 7c），发育含砂藻凝块灰岩（图 4h~j）和含砂古杯灰岩（图 4）等混积岩类型。同时，由于台地边缘丘、滩的阻挡，而在台内形成相对局限环境，不利于陆源碎屑物向深水的扩散，则以碎屑沉积占主导，形成灰质粉砂岩与灰质泥岩互层的沉积序列（图 5c、图 6h）。半清水—混水期时，陆源供给量显著增加。由于陆源碎屑粒径远小于鲕粒（图 4d，f），在台地边缘较强的水动力条件下，细粒陆源碎屑难以与鲕粒同时沉积，而趋向于在低能的滩间海环境富集。随着海平面的升降变化，相带边界来回迁移，形成砂质鲕粒灰岩与灰质砂岩的互层（图 5c、图 6f），以及灰质砂岩（图 4b）→砂质鲕粒灰岩（图 4f）→亮晶鲕粒灰岩逐渐过渡的沉积序列（图 5b），属于相带迁移控制的相缘渐变混合沉积（图 7a）。

另一方面，风暴是诱发事件突变混合的重要机制^{[1, 5]}。研究区仙女洞组底部斜坡脚—斜坡中部间断发育异地砾屑灰岩，具明显滑塌特征，砾屑大小混杂（图 6g），与周围似瘤状灰岩（图 6d）、灰岩与泥岩互层等原地沉积呈突变接触。同时，砾屑的岩性与上斜坡灰泥丘岩性相同，均为含砂藻凝块灰岩（图 4h）。故此推测其可能为上斜坡的灰泥丘受风暴作用影响破碎滑塌而成（图 7b），与董桂玉等^[58]报道的华北地区寒武系台缘斜坡混积剖面结构具有相似性。此外，浊流亦可形成混合沉积^{[56, 59-60]}。龚峤林等^[47]在唐家河剖面郭家坝组顶部识别出多期灰质细粒浊流沉积，底部具有冲刷面，与陆棚环境上正常沉积的细粒沉积物突变接触，形成一类特殊的混合沉积垂向序列（图 6b）。这与江西修水下奥陶统印渚埠组的混积细粒浊积岩相似^[56]，在成因上可归为事件突变混合（图 7b）。

川北地区寒武系第二统仙女洞组及同期地层中混合沉积发育非常广泛，大致在旺苍、南江、镇巴以北地区呈带状分布（图 2）。本次研究在唐家河、杨坝、沙滩、西河口、星子山等多个剖面均发现沧浪铺期混合沉积的证据，具有区域可对比性（图 8）。其中唐家河、杨坝、沙滩与西河口剖面混积岩发育特征较为相似，仙女洞组均发育鲕粒灰岩、古杯灰岩等以碳酸盐为主的混合沉积，形成于台地边缘—台缘斜坡环境。而往东南方向的镇巴星子山和紫阳紫黄乡剖面，同时期的沉积则为页岩、粉砂岩等碎屑岩，形成于陆棚环境。基于以上特征，推测台地边缘—台缘斜坡为川北地区寒武系混积岩发育的有利相带，南部陆棚环境则以细粒碎屑沉积为主，混合沉积不甚发育，这也与川北地区寒武纪早期北高南低的古地理格局相吻合^[41-43]。

Figure 8.  Stratigraphic comparison of mixed rock sections in the Cambrian (Series 2) in northern Sichuan

川北地区寒武系第二统混合沉积体系的结构形态及演化总体受到气候、水动力条件、陆源碎屑的供给量、生物活动、事件性作用等一系列因素的影响。但对于不同的沉积环境而言，混合沉积发育的特征不同，其具体的控制因素也会有所差异（表 4）。

郭家坝组顶部为陆棚相沉积（图 3），以陆源碎屑沉积物占主导，发育灰质粉砂岩与泥岩的互层（图 6a），以及多期灰质细粒浊积岩（图 6b）。碳酸盐组分主要受浊流的控制从浅水环境搬运而来，与原地砂泥组分形成岩性转变序列。以浊流为代表的间歇性事件的参与可显著增加混合沉积发育的范围和程度。仙女洞组底部沉积相类型为台缘斜坡，可进一步划分为斜坡脚、中斜坡和灰泥丘三种亚相（图 3），岩性依次为泥晶灰岩与灰质泥岩互层、似瘤状灰岩（图 6d）、异地砾屑灰岩（图 6g）以及含砂藻凝块灰岩（图 4h）。沧浪铺早期，研究区水体逐渐变浅，以蓝细菌为主的微生物丘在上斜坡环境发育，并且不断黏结、捕获细粒陆源碎屑沉积物，形成原地混积成因灰泥丘。另一方面，灰泥丘的不断堆积易形成隆起地貌，在风暴的作用下常发生破碎、垮塌，在丘前被泥质组分包裹缠绕，形成砾屑灰岩，并导致未固结的灰岩与灰质泥岩互层揉皱变形而成似瘤状灰岩^[48]。仙女洞组中—上部为台地边缘相沉积（图 3），该相带发育多个滩间海—鲕粒滩的沉积旋回（图 5b），以及少量含砂灰泥丘和含砂古杯丘建造。受沧浪铺期热带干旱气候的影响^[61]，川北地区陆源碎屑输入量大幅降低，有利于碳酸盐的大规模发育，形成碳酸盐占主导的混积体系。本次研究发现，台缘滩体环境中混合沉积的发育强度与水动力条件有着良好的对应关系，在滩间海低能部位的陆源碎屑混入程度往往高于滩体高能环境，发育典型的相缘渐变混合（图 7a）。另外，台缘环境中微生物丘和古杯丘等生物建隆对陆源碎屑物质的阻隔作用也对原地混合沉积具有一定贡献（图 7c）。阎王碥组底部发育局限台地相，可进一步划分出涨潮三角洲和潟湖等亚相类型（图 3）。局限台地靠近三角洲、河流入海口，陆源输入量大，形成以陆源碎屑为主的沉积体系。同时，灰质组分可以通过潮汐作用从台地边缘搬运至台内环境，形成灰质粉砂岩与灰质泥岩的互层（图 6h）。

（1）川北寒武系第二统沉积类型在宏观上表现为碳酸盐岩、碎屑岩和混积岩三者之间的互层或夹层，包含碎屑岩—混积岩序列、碳酸盐岩—混积岩序列和混积岩—混积岩序列。在微观上表现为碳酸盐与陆源碎屑组分在成分上的原地混杂，主要岩石类型包括含灰碎屑岩、灰质碎屑岩、含砂鲕粒灰岩、砂质鲕粒灰岩、含砂藻凝块灰岩、含砂古杯灰岩和含砂泥晶灰岩。

（2）研究区寒武纪筇竹寺晚期至沧浪铺早期的混合沉积，是一种在海退背景下，碳酸盐与陆源碎屑物交替占主导的沉积体系。其中，台缘斜坡和台地边缘为混积岩发育的有利相带，形成碳酸盐占主导的混合沉积；而碎屑颗粒占主导的混积岩主要分布于局限台地和陆棚环境，且混积程度较弱。

（3）不同沉积环境下，混合沉积发育的类型和主控因素具有差异性。陆棚—台缘斜坡环境中，浊流、风暴等事件性因素是控制混合沉积的主要原因，其中灰质成分主要来自浅水碳酸盐的搬运；台地边缘环境主要发育含砂鲕粒滩、微生物丘和古杯丘等以碳酸盐占主导的混积体系，其产生主要受到当时温暖干旱的气候条件、较弱的陆源输入背景、较强的水动力条件以及生物活动性增强等因素的影响，常形成相缘渐变混合和原地沉积混合；局限台地环境中的混合沉积则主要受物源输入程度和潮汐作用的影响。