秦皇岛寒武系第三统鲕粒灰岩特征及其环境意义

京津晋冀寒武系第三统鲕粒灰岩特征及其环境意义

摘要

京津晋冀地区是华北板块的主体,该区寒武系第三统以鲕粒灰岩的广泛发育为特点。通过野外露头剖面和室内薄片观察,对研究区鲕粒灰岩空间展布和鲕粒类型进行了详细研究。鲕粒灰岩从东到西出现的层位逐渐抬高,具有明显的穿时性。大型鲕滩呈向西凸出的弧形带状分布,鲕滩带主体由同心鲕鲕粒灰岩组成,鲕滩带西侧鲕粒灰岩厚度迅速减小,鲕粒以放射鲕居多,鲕滩带东侧鲕粒灰岩厚度逐渐减小,鲕粒以同心鲕占绝对优势。寒武纪第三世海侵方向是由东向西,在研究区中部发育内缓坡的鲕粒滩环境,西部为滩后潮坪环境,东部为开阔海环境。

中图分类号

鲕粒自17世纪早期被发现以来,一直是碳酸盐岩中最引人注目的颗粒类型,其原因不仅在于鲕粒具有特殊的宏观形态、简单的组分特征和复杂的沉积组构,更重要的在于其对环境极其敏感,在研究沉积环境和成岩环境时,它是一种十分灵敏的标中国石油化工股份有限公司海相前瞻性项目资助。正因为如此,国内外学者通常将鲕粒作为碳酸盐岩微相研究和沉积环境研究的重要标准。寒武系按照最新的划分方案划分为四统十阶,即第一统、第二统、第三统和芙蓉统,取代了国际地学界沿用了近170年的上、中、下三统的传统划分方案。

第47卷

京津晋冀地区鲕粒灰岩主要发育在寒武系第三统的徐庄组和张夏组,是我国研究鲕粒灰岩的典型段带。国内已有学者针对该套鲕粒灰岩开展过鲕粒类型[2]、鲕粒次生变化[11]等方面的研究,这些研究主要针对鲕粒内部结构、形态、大小与水体能量的关系以及鲕粒灰岩成岩作用的演化特点分析。本文通过对研究区该套鲕粒灰岩空间展布和鲕粒结构成因分析,结合碳酸盐岩缓坡模式,进一步探讨本区鲕粒灰岩发育时期的沉积环境。早古生代华北板块进入了克拉通盆地稳定发育时期,根据其内部的差异可将华北板块进一步划分为10个二级构造单元:内蒙地轴、鲁东地盾、辽东台背斜、山西台背斜、鲁西台背斜、鄂尔多斯台向斜、辽冀台向斜、燕山台褶带、予淮台褶带和贺兰–六盘台褶带。京津晋冀地区是华北板块的主体(图1),寒武纪从沉积了一套浅海相为主的碳酸盐岩和砂页岩地层。下向上叠覆了寒武系第二统府君山组和馒头组,第三统毛庄组、徐庄组、张夏组和崮山组,芙蓉统长山组和凤山组。寒武纪第三世张夏期海侵达到最高潮,全区为陆表海环境,此期发育的鲕粒灰岩在整个华北板块广泛分布。

地质背景

华北板块自3000Ma前的迁西运动开始逐渐固结,历经了2500Ma前的阜平运动,于1850Ma前的吕梁运动后克拉通化[12]。华北板块的基底由太古宇结晶基底和下元古界褶皱基底组成,中元古代起大部分地区已固结,沉积属似盖层性质。在元古代末,华北地区已经成为一个准平原化的大陆板块,其北缘与古蒙古洋相接,属于被动大陆边缘,地台南缘则与古秦岭洋相接,一直是活动大陆边缘[12]。

2.1

鲕粒灰岩特征

鲕粒灰岩赋存层位与空间变化鲕粒灰岩是华北地区早古生代碳酸盐岩中最具

特色的岩石类型,主要分布在寒武系第三统徐庄组和张夏组。

第5期

京津晋冀寒武系第三统鲕粒灰岩特征及其环境意义

研究区的鲕粒灰岩具有明显的空间分布变化特征。横向上鲕粒灰岩的沉积时间、沉积厚度有明显的差异,从东到西鲕粒灰岩的厚度减小,出现的层位抬高(图2):东面的承德、门头沟、房山和恒山等地在徐庄期已开始出现鲕粒灰岩,在张夏期大量发育,总厚度较大,为169~225m;而西面的五台、偏关、柳林和中阳等地多在张夏期才开始出现鲕粒灰岩,且厚度较小,为28~60m。这表明研究区寒武纪大面积分布的鲕粒灰岩沉积并不是同时期的。鲕粒灰岩的这种穿时性在其他地区亦很明显,如苏北徐州附近早在馒头期就开始出现鲕粒灰岩[17],而在鲁西的部分地区则从毛庄期才开始出现鲕粒灰岩[18]。刘群等[12]、沙庆安等[18]和章雨旭[19]均曾明确指

出:华北板块寒武纪地层具有一定的穿时性,鲕粒灰岩是随着海侵、相迁移而在不同地方依次形成。由图2可见,鲕粒滩在研究区的发育是随时间由东向西推进的,这一发育方式表明当时海侵是从华北地区东侧开始的。这一结论也可从下寒武统馒头组、毛庄组和中寒武统徐庄组的连续超覆关系得到印证[20?21]。制,形成以潮坪和滩后沉积为主体的局限环境;而这与华北地区徐庄期其东侧则为开阔海环境(图4)。和张夏期区域岩相古地理格局一致。

鲕粒类型:同心鲕放射鲕同心放射鲕复鲕亮晶鲕

结构特征

鲕粒圈层由较纯的方解石纹层与含有机质较高的暗色纹层交替组成,同心圆结构常因重结晶或白云石化而变的模糊,同心圈层数为3~16包壳仅由一圈放射状排列的方解石晶体组成同时具有放射和同心圆结构,同心圈数为3~15同结构或不同结构的鲕胶结在一起作为核心,再生长多个同心层圈,这些同心层圈结构与同心鲕的同心包壳相同鲕粒由一个或多个方解石晶粒构成。粒径/mm0.4~1.4，0.4~0.8，0.8~1.4，0.4~1.2粒径均值/mm0.7~0.8，0.4~0.5，0.8~0.9，0.6~0.8粒径方差/mm0.15，0.28，0.19，0.22

分布

曲阳、门头沟、恒山、潞城等偏关、宁武、中阳等五台、晋城等黎城、济源等唐山、阜平等

第47卷

(a)放射鲕,粒径约为350~500μm,泥晶胶结,清水河剖面徐庄组;(b)同心放射鲕,粒径约为1000μm,亮晶方解石胶结为主,五台剖面张夏组;(c)同心鲕,粒径约为500~750μm,鲕粒周围可见围绕其生长的栉壳状胶结物,该胶结物主要为针状–纤维状方解石晶体,晶体垂直于鲕粒表面生长,运城垣曲木厂凹剖面张夏组;(d)复鲕,亮晶胶结,黎城蛟口剖面张夏组;(e)缝合线切割鲕粒,表明岩石经历了强烈的压溶作用,大宁剖面张夏组;(f)晶体鲕,干净明亮,其为溶解再充填作用形成,曲阳西口

南剖面徐庄组;(g)鲕粒内部多被白云石充填,基质仍为亮晶方解石居多,晋城陵川横水剖面张夏组;(h)较多椭圆形鲕的核心为三叶虫碎片,五台剖面张夏组

2.2

鲕粒类型及特征

鲕粒灰岩中鲕粒含量一般大于50%。研究区鲕粒灰岩的鲕粒类型多样(表1),以放射鲕(图3(a))和同心放射鲕(图3(b))为主,同心鲕(图3(c))次之,复鲕(图3(d))最少;此外,有一部分鲕粒因遭受压溶(图溶蚀重结晶(图3(f))或者白云石化(图3(g)),其3(e))、内部显微组构难以辨认。28个鲕粒灰岩剖面中主要鲕粒类型的空间分布(图4)表明,大型鲕粒滩沿北京、浑源恒山、潞城大致呈带状分布,鲕滩带主体为同心鲕鲕粒灰岩;鲕滩带以西则从同心放射鲕鲕粒灰岩逐渐演变为放射鲕鲕粒灰岩;鲕滩带以东主要为同心鲕鲕粒灰岩。从表1可以看出,研究区同心鲕或同心放射鲕的平均直径大于放射鲕平均直径,这主要是因为放射鲕形成于低能环境,生长缓慢,同心鲕生长于高能环境,生长较快[22]。研究区鲕粒的核心主要由磨圆的内碎屑以及双壳类和棘皮类等生物碎屑组成,鲕粒的形状多受核心的形态影响,后期圈层的加积也会对先期核心的

形态有所改造,但一般不起实质性的作用。显微镜下薄片观察发现,如果以磨圆的内碎屑或者棘屑碎片为核心,多形成圆形鲕;长条状生物碎片作为核心,例如三叶虫、介形虫,多形成棒状鲕或椭圆形鲕粒(图3(h))。

图4

研究区寒武系第三统鲕粒灰岩厚度及主体鲕滩带分布特征(a)和鲕粒灰岩发育模式及其沉积环境(b)

3

沉积环境

鲕粒结构特征可以反映碳酸盐岩形成时古环境的物理和化学条件,表征和区分特定沉积环境,并可指示鲕粒形成时的水体能量.由图4可以看出,大型鲕粒滩呈向西凸出的弧形带状分布;放射鲕主要分布于带状区域西侧;同心鲕分布于带内及其东侧。按照碳酸盐岩的缓坡沉积模式[25],同心鲕鲕粒灰岩微相类型为RMF29,是内缓坡砂(屑)滩环境沉积的产物;放射鲕鲕粒灰岩在缓坡模式中没有特定的微相类型和相带相对应,是低能量、封闭-半封闭式沉积环境的产物.研究区寒武纪第三世徐庄期至张夏期海侵的方向是从东向西,中部带状鲕粒滩的发育起到障壁的作用,使其西侧的海水循环受到限

结论

综上所述,京津晋冀地区寒武系鲕粒灰岩在层位分布上具有明显的穿时性,从东到西,出现的地层层位逐渐抬高。组成鲕粒灰岩的鲕粒类型分布具有明显的分带性,研究区西部鲕粒灰岩厚度较小,以同心放射鲕和放射鲕居多;中部为向西凸出的大型带状鲕粒滩,厚度较大,多沉积同心鲕,少见放射同心鲕;东部则以同心鲕占绝对优势。这表明寒武纪第三世徐庄期至张夏期华北地区海水从东向西逐渐推进,在研究区中部发育内缓坡的鲕粒滩环境,西部为滩后潮坪环境,东部为开阔海环境。