0 引言

陆源碎屑—碳酸盐混合沉积在当前沉积学中研究较为薄弱，但又是一种常见的沉积过程。许多学者都希望能解释各类混积物的形成原因，并在构造运动、海平面变化两大控制因素上开展了大量研究工作^[1-6]。同时，也有学者认为陆架形态是控制混合沉积的重要因素之一^[7-8]。然而，各个地质时期在不同的构造背景下似乎都发育着混合沉积，如震旦系^[9]、寒武系^[10-11]、奥陶系^[12]、志留系^[13-14]、泥盆系^{[1, 15]}、石炭系^[16-17]、新近系^[18-19]等。相比而言，海平面变化对混合沉积的影响似乎更加明显，特别是冰室气候下频繁的海平面波动更容易造成陆源砂—碳酸盐组分混合沉积的发育^{[6, 20]}。从较小的尺度上来说，物源和气候变化也被解释为影响混合沉积发育的因素^[2-3]。笔者通过对塔里木盆地石炭系混合沉积的研究^[17]发现在同一沉积环境中混合沉积的程度是不同的，何种差异导致混积特征的变化目前尚不能被很好地解释。

本文以塔里木盆地巴麦地区石炭系混积岩为例，通过地球化学参数来分析古环境特征。在海平面频繁波动的背景下，该地区石炭系发育碳酸盐岩与碎屑岩交互沉积，并且层内普遍发育陆源砂—碳酸盐组分混积岩。混积岩类型包括碳酸盐组分含量较低的混积型碎屑岩、陆源碎屑含量较低的混积型碳酸盐岩，以及陆源碎屑—碳酸盐比例相似的高度混积岩。通过岩石矿物组成和主微量元素组成来区分不同混积环境的差异，明确混合沉积发生的古环境差异，并以解释混合沉积的控制因素。

1 地质背景

塔里木盆地是位于我国西部的一个大型叠合盆地。石炭纪时，塔里木板块从南至北漂移至北纬20度附近^[21]，盆地西部为稳定的克拉通上发育的内坳陷盆地。随着全球海平面上升，石炭纪是继奥陶纪之后塔里木板块的又一次大范围海侵^[22]。至晚石炭世，海侵范围达到最高峰^[23]，整个盆地甚至包括周缘隆起带也部分被海水淹没^[24]。同时，石炭—二叠纪是全球最长的大冰期，受冈瓦纳成冰事件影响，从晚石炭世开始发育多个冰期—间冰期旋回^[25-26]，导致海平面的频繁波动。早二叠世，塔里木板块剧烈的构造活动导致火山喷发，大量基性岩脉发育，成为海西晚期重要的构造事件^[27]。

研究区位于塔里木盆地西北部的巴麦地区，包括巴楚隆起和麦盖提斜坡，地理位置见图 1。石炭纪时期两个构造单元之间尚未形成明显的地形差异。麦盖提斜坡石炭系发育大范围硫酸盐沉积^[28]，指示了当时干旱的气候条件。

石炭系自下而上划分为巴楚组、卡拉沙依组和小海子组，地层岩性、沉积环境与岩相分析确定的海平面变化见图 1。本文选取的混积岩样品分布在巴麦地区的巴楚组下泥岩段，生屑灰岩段和小海子组(图 1)。下泥岩段沉积背景为障壁滨岸砂泥质互层沉积，中部夹约4 m厚的砂质白云岩。生屑灰岩段发育在碳酸盐局限台地，以重结晶生屑灰岩、粉晶白云岩、泥微晶白云岩为主。小海子组发育在开阔台地—台地边缘，分为上下两个亚段，上亚段发育泥质灰岩，下亚段发育颗粒白云岩/灰岩。

2 样品与方法

本研究从塔里木盆地巴麦地区采集了3口井的岩芯样品。巴楚组下泥岩段样品采自BT3井、生屑灰岩段样品采自BK2井，小海子组样品采自BT4井和BT3井。除普通薄片观察外，还测定了矿物组成、元素组成和混积型碳酸盐岩中不溶物的含量。利用不溶物含量与元素组成的相关性进行混积强度的划分，在此基础上讨论不同混积强度下混积岩的地球化学指标差异，以指示沉积环境的盐度、水深、氧化还原条件、古气候和海平面变化情况。

将7块小海子组混积型碳酸盐岩样品用5%的稀盐酸溶蚀，除去其中的碳酸盐矿物，再通过恒重的方法确定不溶物含量。利用日本理学DMAX-3C型X射线衍射仪(XRD)分析确定了11块岩石的矿物组成，以明确陆源碎屑和碳酸盐组分的含量。17个全岩样品的主要主微量元素组成使用ICP-AES(美国PE公司Optima系列5300 V电感耦合原子发射光谱仪)分析确定。并且，利用Perkin-Elmer公司ELAN DRC-e型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)补充检测了17块全岩样品的V和Ni元素的组成。实验测试均在成都理工大学分析测试中心完成。

3 混积岩组成

石炭系纵向上交互的碳酸盐岩和砂泥岩层构成了混积层系。然而，在每一类相对较“纯”的碳酸盐岩或碎屑岩中，普遍发育着狭义的混积岩。按照笔者2012年的分类^[17]，岩石混合组分中陆源碎屑或碳酸盐组分含量超过5%的即可定义为混积岩。该地区狭义的混积岩可分为混积型碎屑岩、混积型碳酸盐岩和高度混积岩。笔者^[17]还使用混积强度的概念分析了该地区同一沉积环境中陆源碎屑与碳酸盐组分混合的程度，并建议按陆源碎屑矿物和碳酸盐矿物的相对含量将混积强度分为4级，划分标准见文献[17]。按照沉积环境来划分，混积岩分别分布在障壁滨岸、碳酸盐岩局限台地和开阔台地。

3.1 障壁滨岸相混积岩

早石炭世研究区沉积环境处于障壁滨岸潮间带和潮下带。潮间带沉积泥质粉砂岩夹粉砂质条带，有时可见石膏团块，发育透镜状层理、虫孔、泄水构造，指示了生物量丰富的浅水环境。潮下带发育膏云质细砂岩，为一类混积型碎屑岩，含较多钙质颗粒以及硬石膏胶结物(图 2A)。该沉积环境中还发育厚度约4 m且稳定分布的砂质白云岩^[17]，可能指示了海平面的上升。本文针对混积型碎屑岩和砂质白云岩这两类混积岩进行了研究(图 2A，B)。混积型碎屑岩类型为膏云质细砂岩，其中陆源碎屑占27%，碳酸盐组分占20%，硬石膏占53%(表 1)。按照笔者之前的分类^[17]，膏云质细砂岩陆源碎屑与碳酸盐组分相当，按照文献[17]的划分，属于Ⅳ级高度混积岩。砂质白云岩的陆源碎屑占20%，碳酸盐组分占77%(表 1)，属于Ⅱ级混积型碳酸盐岩。

3.2 碳酸盐台地相混积岩

碳酸盐台地相混积岩分别发育在局限台地和开阔台地相。早石炭世生屑灰岩段沉积期研究区发育碳酸盐局限台地，以泥微晶白云岩、粉晶白云岩、重结晶生屑灰岩(图 2，3)为主，该段沉积末期常见较多石膏团块(图 3B)，逐步向膏云坪演化。局限台地受陆源物质影响较明显，从Ⅰ级混积的含砂泥微晶白云岩至Ⅳ级粉砂质云质混积岩均发育(图 2)。晚石炭世小海子组沉积期是海侵范围最大的时期，研究区发育开阔台地—台地边缘相。小海子组颗粒粒径相对较细的开阔台地相滩相残余粒屑白云岩(图 2)普遍存在混积特征，但陆源碎屑的输入量相对其他环境少，混积岩类型主要以Ⅰ级混积型碳酸盐岩为主(表 1)。然而，台地边缘相颗粒粒径较大的亮晶砾屑灰岩和核形石灰岩无明显混积作用。

4 古环境分析 4.1 陆源的影响

大离子亲石元素Rb和高场强元素Ti几乎全部来自陆源碎屑，自生矿物中富集程度非常低，随陆源物质搬运沉积^[29]。Al、K也与陆源碎屑密切相关，在陆源铝硅酸盐矿物中富集。而Mg是海相元素，在海水中富集^[14]。通过相关性分析，小海子组不溶物重量百分比与陆源元素Ti、Rb、K均具有极好的正相关性，与元素Al的正相关性较好，而与元素Mg具有极强的负相关性(图 4)。这种相关关系表明了陆源输入量能够通过Ti、Rb、K、Mg来定量表达。利用主微量元素判断混积强度比利用XRD鉴定的矿物组成具有明显优势，因为对于含量较低的矿物利用X射线衍射法并不能准确测定。通过对本研究中所有混积岩的主微量元素分析进行投点后，建立了混积强度判别的元素含量标准(表 2)，并按照该标准划分了研究区不同等级混积岩的混积强度(表 3)，与XRD划分结果有一定差异。

按此表 2的划分标准，Ⅳ级混积的粉砂质云质混积岩发育在碳酸盐岩局限台地，Ⅲ级混积的砂质白云岩和膏云质砂岩发育在障壁滨岸，Ⅱ级混积的含砂重结晶生屑云质灰岩发育在碳酸盐岩局限台地，Ⅰ级混积的含砂泥微晶白云岩发育在碳酸盐岩局限台地。另外，Ⅰ级混积岩也发育在开阔台地相沉积的含砂残余粒屑白云岩。障壁滨岸—碳酸盐岩台地的沉积背景下混积岩的分布特征见图 5。

4.2 古盐度

古盐度是混合沉积发生环境的重要参数。元素Na的含量，Na/Ca、K/Na比值通常能反映沉积水体盐度，随盐度增大而增大^[14]。碎屑障壁滨岸的Ⅲ级混积的膏云质细砂岩中石膏的大量沉淀可能指示了高盐度的沉积或成岩环境，K/Na比值相对较高，为2.021但该混积岩中的石膏均为胶结物，形成于成岩阶段。该混积岩中Na含量仅为3 833 μg/L，Na/Ca比值也较小，为0.028(表 4)。较高的K/Na比值与该样品中陆源碎屑的比例较大且Na含量较低有关。因此，Ⅲ级混积的膏云质细砂岩的沉积古盐度较低。陆源碎屑的大量输入与淡水影响有关。类似Tucker^[6]的研究，海平面下降造成的河流下切作用增强导致滨岸带陆源碎屑的输入增多。K/Na比值针对陆源砂为主的样品并不能很好地指示古盐度。同样具有Ⅲ级混积的砂质白云岩的盐度则较高，Na含量7 068 μg/L，Na/Ca比值相对较高，为0.048，高于正常海相沉积的碳酸盐岩开阔台地相的样品。这套厚约4 m的砂质白云岩夹在砂泥互层沉积物中，指示了海平面上升导致相带从浅水的潮上/潮间带向潮下带过渡，来自潮上带的蒸发回流导致潮下普遍发生白云石化引起盐度增高。

碳酸盐岩局限台地Ⅳ级混积的粉砂质云质混积岩的盐度明显高于其他样品，Na含量7 053 μg/L，Na/Ca比值为0.072(表 4)。这表明局限台地环境中的Ⅳ级混积发生在高盐度的蒸发较强的环境。Ⅱ级混积岩含砂重结晶生屑灰岩的古盐度较低，Na含量5 322 μg/L，Na/Ca比值为0.015(表 4)，明显低于生屑灰岩段其他白云岩，指示了生屑滩可能受到大气降水的影响。其他Ⅰ级混积岩的盐度相对中等，Na/Ca比值0.021~0.033，Na含量6 861~8 107 μg/L。另外，无明显混积作用的白云岩的盐度最低。

碳酸盐岩开阔台地Ⅰ级混积发生在两类环境中。一类是局部暴露面之下的Ⅰ级混积的粒屑灰质白云岩，具有较低的盐度，Na/Ca比值0.017~0.019，Na含量6 170~7 261 μg/L，可能受大气降水影响。另一类Ⅰ级混积的泥晶生屑白云岩的盐度则较高，Na/Ca比值0.034，Na含量7 810 μg/L，沉积在低能滩。由于低能滩可能受周围滩体包围，海水交换不畅，蒸发过程造成盐度偏高。BT3井1 918.02 m无明显混积作用的滩相残余粒屑白云岩的盐度较高，Na/Ca比值0.033，可能在海侵背景下因为晚石炭世的冰室气候造成了海水浓缩盐度升高。其余无混积作用的碳酸盐岩盐度中等。

4.3 氧化还原条件

沉积环境的氧化还原条件可依据Cr含量，Ce异常，(La/Yb)_N，V/ (V+ Ni)，Cu/Zn等指标分析^[29-31]。然而，这些参数对于矿物组成复杂、且同时具有陆源碎屑与碳酸盐岩特征的混积岩的指示结果有较大偏差，尚难以准确分析。结合具体沉积环境特征，V/ (V+ Ni)能够较好反映混积岩的氧化还原性。V/ (V+ Ni) ≥0.6指示海水弱分层的弱还原环境，V/ (V+Ni) ≥0.84指示海水强分层的静海还原环境^[32]。

按照V/ (V+Ni)比值(表 4)，碎屑障壁滨岸Ⅲ级混积的膏云质细砂岩沉积在氧化环境，Ⅲ级混积的砂质白云岩沉积在弱还原环境。碳酸盐岩局限台地的Ⅳ级混积的粉砂质云质混积岩沉积在还原环境，可能为局限滞留水体造成的还原条件。局限台地的Ⅰ~Ⅱ级混积岩均沉积在氧化环境，指示了含氧量较高的浅水环境。碳酸盐岩开阔台地Ⅰ级混积样品由于处于局部暴露面之下也具有氧化环境特征，而界面之上的无混积作用的样品表现为还原环境特征。

4.4 古水深

元素Sr相对含量和Mn/Fe比值均可指示沉积水体的深浅^{[14, 33]}。元素Sr主要存在于碳酸盐矿物中，但也有其他赋存方式，因此对于陆源碎屑含量较高的混积岩并不适用。碳酸盐局限台地相的Ⅳ级粉砂质云质混积岩以白云母和石英为主，硅酸盐来源Sr较少，Sr含量明显较低，仅129 μg/L(表 4)，可指示较浅的沉积水体。同一环境中无明显混积的生屑灰岩的Sr含量最高，指示了沉积环境水体较深。

Mn/Fe比值越大表明水体越深，离物源越远^{[14, 33]}。碳酸盐局限台地Ⅳ级粉砂质云质混积岩的Mn/Fe最小，为0.005，Mn含量低且Fe含量达24168 μg/L，表明离物源较近。其他样品的沉积水体均稍深，Mn/Fe，0.010~0.068。障壁滨岸相的Ⅲ级混积砂质白云岩的Mn/Fe最高，达到0.159，Mn含量高达539 μg/L，表明碎屑潮坪的混积发生在较深水的潮下地区，并且具有较高的盐度和弱还原特征。膏云质细砂岩的Mn/Fe仅为0.022，陆源碎屑比例高于砂质白云岩的情况下Mn含量仅为132 μg/L，表明其沉积在较浅的水体中，对应于氧化环境和较低的盐度。

4.5 古气候

古气候通常认为是控制混合沉积的因素之一^[2-4]。湿润或干旱气候，以及气温的变化对物源供给和碳酸盐产率都存在直接影响。Ti/Al比值越大代表气候越湿润，由于湿润气候下Ti比Al更稳定^[29]。Ⅳ级混积的粉砂质云质混积岩，Ⅲ级混积的膏云质细砂岩和砂质白云岩的Ti/Al比值都较大，代表气候更加湿润的环境。在湿润气候条件下陆源碎屑供给具有明显增多的趋势。无明显混积作用的样品Ti/Al比基本小于0.012，Ⅰ级混积Ti/Al比基本在0.012~0.035之间，Ⅱ级混积Ti/Al比为0.038，Ⅲ级以上混积的Ti/Al大于0.038。由此可见，在研究区湿润和干旱条件对于混合沉积的程度存在重要影响。

Mg/Sr能反映海水温度，Mg与温度变化正相关，而Sr基本不受温度影响^[14]。碳酸盐岩开阔台地相沉积的粒屑白云岩，处于局部暴露面之上，无明显混积作用，其Mg/Sr比最大，而在界面之下Mg/Sr非常低，表明暴露阶段气温较低，气候寒冷。随着暴露之后的海平面再次上升，明显变为温暖的气候条件。碳酸盐岩局限台地相的Ⅳ级粉砂质云质混积岩的Mg/Sr比值高出相邻样品一个数量级，代表了混积发生时存在气温的突然升高。接近生屑灰岩段顶界面的两个样品的Mg/Sr为449~629比下伏白云岩的比值高一个数量级，反映了该段沉积末期气候变得炎热，并且在岩芯中常见石膏(图 3B)。障壁滨岸的Ⅲ级混积膏云质细砂岩的Mg/Sr比较低，指示了较低的气温。Ⅲ级混积的砂质白云岩的Mg/Sr相对较高，表明温度高于膏云质细砂岩沉积期。

5 混合沉积对相对海平面变化和气候的响应

通过古环境分析，可以发现混合沉积的发生绝不单纯是普遍发生的相缘混合或是事件作用导致的间断混合，而是详细记录了古环境的变化。石炭纪塔里木板块处于北纬20度附近^[21]，热带季风气候导致该地区干湿交替。在湿润条件下，化学风化增强，物源输入增加，较强的混合沉积首先发生在临近物源的地区。根据对不同混积岩古环境分析的结果，Ⅱ级以上混合沉积均发生在湿润的气候条件，并大部分发生在海平面下降阶段(表 5)。仅在略偏低Ⅰ级混积强度下时才发生在炎热较干燥的环境。无混积作用的纯碳酸盐沉积发生在干冷或干热气候下。干燥气候造成的非常弱的化学风化导致此时缺乏陆源碎屑来源。因此，研究区混合沉积的发育主要体现了对气候的响应，是古气候变化的重要指示。

气温的变化还可能与水动力强度有关。偏寒冷的气候伴随着沿岸强劲的风，从而形成较强的沿岸流，使得在水体较深的环境中也能产生混积，例如Ⅲ级混积的砂质白云岩。然而，在炎热气候下，风力减弱，沿岸流的影响范围缩小，但在潮间的藻类能够在较弱的物源输送下捕集陆源碎屑，同样能够形成混积岩，例如潮间带含砂微晶白云岩。

混合沉积同时对海平面周期性变化有所响应。障壁滨岸和碳酸盐岩局限台地存在由海平面波动造成的混合沉积环境。相对海平面下降能造成河流下切作用增强，导致滨岸带的陆源输入量增加^[6]。混合程度最高的Ⅳ级粉砂质云质混积岩发育在海平面下降、水体变浅的环境中，并且盐度较高，还原性较强，发育在湿热气候下的局限滞留水体中(表 4，5)。在碳酸盐岩局限台地的滩相环境，由于海平面下降，水体变浅，由沿岸流搬运作用造成低能滩相泥晶生屑灰岩中混入较多陆源碎屑，经成岩改造，形成Ⅱ级混积的含砂重结晶生屑灰岩。而在海平面上升过程中产生的混积存在两种情况：1)随海平面上升，从碎屑岩沉积环境过渡为碳酸盐混积环境，碳酸盐产率增高，在碎屑岩与碳酸盐岩沉积交互区形成混积岩，如潮下沉积的砂质白云岩(表 5)。2)在潮湿气候下潮间藻类的发育有助于在近物源方向捕获相对更多的陆源碎屑，如含砂泥微晶白云岩(表 5)。

6 结论

本文针对塔里木盆地石炭系混积岩进行了岩石组成和沉积相分析，利用混积岩的地球化学参数分析了古环境特征，指出了混合沉积对古气候和相对海平面变化存在明显响应，并得到以下结论：

(1) 塔里木盆地石炭系发育在滨岸—浅海沉积环境中，形成了纵向上碳酸盐岩与碎屑岩交互沉积的混积层系，并且层内也存在不同程度组分上的混合沉积。根据Ti、Rb、K、Al元素含量将混积岩的混合程度重新划分为4级。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级混积均发育在湿润气候下，仅Ⅰ级混积发育在半湿润气候下，大部分混积过程伴随着海平面的下降。

(2) 能够用于混积岩的古环境分析的地球化学参数包括Na含量、Na/Ca比、Ti/Al、Mg/Sr、V/(V+Ni)和Mn/Fe，分别反映古盐度、古气候、氧化还原条件和古水深。

(3) Ⅲ级以上的混积岩对环境的记录最明显。膏云质细砂岩发育Ⅲ级混积，沉积在盐度较低，氧化的浅水环境，气候湿冷，伴随海平面下降；砂质白云岩发育Ⅲ级混积，沉积在盐度较高，弱还原的较深水环境，气候温暖湿润，伴随海平面上升。Ⅳ级混积发育在碳酸盐岩局限台地还原性浅水滞留水体环境中，伴随海平面下降。

致谢: 感谢成都理工大学邓苗、胡子文副教授和彭秀红教授为本文提供实验分析测试。