燕山地區(qū)中新元古界高于莊組和霧迷山組風暴沉積特征分析

羅軍梅，羅順社，朱俊強，董文藝

(1.中石化江蘇油田分公司物探技術研究院，江蘇 南京 210046;2.長江大學地球科學學院，湖北 荊州 434023;3.中石化中原油田分公司采油四廠，河南 濮陽 457176)

引言

風暴巖(tempestite)是在風暴影響下在海洋或湖泊中形成的沉積巖，一般形成于潮坪、淺海、深海3種環(huán)境［1］。自1973年 Kelling提出以來，其研究得以迅速發(fā)展，特別是建立的風暴流理論與50年代出現(xiàn)的濁流理論一樣，被公認為沉積學乃至地質學發(fā)展的里程碑。風暴沉積或風暴巖的概念被引入沉積學中進行系統(tǒng)研究，是繼20世紀50年代濁流理論之后的又一劃時代的突破。

風暴沉積是事件沉積中的一種類型，具有一定的周期性和規(guī)律性。它的出現(xiàn)并不是孤立的，而是與米蘭柯維奇旋回等天文因素和構造作用形成復雜海底地貌等因素有關。風暴沉積特征的研究，可用于推斷古水動力條件和古水深、恢復古氣候、判斷距海岸線的相對位置，并在地層對比、重塑古地理、沉積盆地分析和沉積成礦作用研究等方面均有潛在的實用價值。

在中國，風暴巖廣泛出露于中元古界－三疊系，以及沿海地區(qū)的近代海相沉積物中。國內對前寒武紀風暴巖的研究，主要集中于華北中元古代碳酸鹽巖風暴巖。燕山地區(qū)中新元古界高于莊組和霧迷山組地層古緯度處在赤道附近偏北，受赤道風暴帶影響較大，這就為本區(qū)霧迷山組風暴沉積的發(fā)育提供了一個有利的地理條件［2］。研究區(qū)風暴巖主要發(fā)育于高于莊組和霧迷山組地層中，沉積環(huán)境主要為潮間帶。

1 區(qū)域地質概況

燕山地區(qū)西起張家口，北臨內蒙地軸，東到北票、阜新一帶，橫跨冀、京、津、遼兩省兩市，呈一條近東西向展布，東段轉為北東向延伸的帶狀山區(qū)。在大地構造區(qū)劃上，燕山地區(qū)隸屬于華北地臺，稱之為“燕山沉降帶”，是華北地臺上的活動性構造單元，可劃分為兩個古隆起:山海關隆起和密懷隆起;5個古坳陷:宣龍坳陷、京西坳陷、遼西坳陷、冀北坳陷和冀東坳陷(圖1)。

圖1 燕山地區(qū)中新元古界實測剖面位置示意圖(據(jù)王鐵冠等，1979，有修改)Fig.1 Location of the measured sections of the Meso-to Neoproterozoic strata in the Yanshan region(modified from Wang Tieguan et al.，1979)

研究區(qū)地層出露良好，分布廣泛，具有代表性，可作為中、新元古界地層研究的理想剖面。在研究區(qū)實測剖面上，冀北坳陷長城系高于莊組厚938.62 m，薊縣系霧迷山組厚2947.15 m;宣龍坳陷長城系高于莊組厚801.19 m，宣龍坳陷薊縣系霧迷山組厚1874.92 m。研究區(qū)內風暴巖主要發(fā)育于高于莊組和霧迷山組地層中，鐵嶺組也可見少量風暴沉積。

霧迷山組和高于莊組地層剖面分別位于遼寧省凌源縣大河北鄉(xiāng)魏杖子村、河北省寬城縣下板城鄉(xiāng)尖山子村。按巖性、化學成分、疊層石和沉積旋回等，霧迷山組劃分為8個巖性段，高于莊組劃分為10個巖性段(表1)。

2 風暴巖的巖石學特征

中新元古界高于莊組、霧迷山組和鐵嶺組為淺海碳酸鹽巖沉積，發(fā)育了類型豐富的風暴沉積，主要有砂礫屑白云巖和灰?guī)r、風暴硅巖、泥晶云巖、含硅質條帶白云巖和藻疊層白云巖等。

2.1 砂礫屑白云巖和灰?guī)r

2.1.1 砂礫屑白云巖

巖石為灰色，砂礫屑含量最高亦可達75%以上，以竹葉狀為多見。分選較差，具快速堆積的特征，為風暴沉積(圖版Ⅰ-1)。礫屑成分以白云石為主，還含有少量砂屑及陸源物質，填隙物以泥晶為主。礫屑白云巖主要形成于潮下帶，潮間帶也見發(fā)育。砂屑白云巖中見有波痕，表明生成于水體較淺的潮間帶環(huán)境。該類型巖石主要發(fā)育于鐵嶺組第一段下部，以礫屑白云巖和含礫屑白云巖為主，夾頁巖及細粉晶白云巖。在景兒峪組上部也有部分發(fā)育。

2.1.2 礫屑灰?guī)r

礫屑灰?guī)r中砂礫屑含量最高可達75%以上，以竹葉狀為多見(圖版Ⅰ-2)。礫屑成分以泥(粉)晶灰?guī)r為主，含少量陸源泥質及鐵質。礫屑灰?guī)r呈條帶狀或小透鏡狀，礫屑排列雜亂，分選很差，有快速堆積的特征，反映沉積于高能的潮汐環(huán)境，多形成于潮下帶，為風暴重力流沉積。

2.2 風暴硅巖

灰白色為主，主要成分為燧石，礫屑呈菊花狀、放射狀至雜亂狀排列。單個燧石礫屑呈板條狀，無磨圓;板條狀燧石礫屑之間由硅質膠結，少量白云質膠結(圖版Ⅰ-3)。該巖石致密堅硬，化學性質穩(wěn)定，與其它巖類共生時，常位于巖層風化面之上。

2.3 泥晶白云巖

以淺灰色-深灰色為主，部分由于含錳風化后呈灰黃-棕紅色，因含鐵而呈褐灰色或者灰黑色(圖版Ⅰ-4)。以薄-中層狀為主，局部見厚層狀。泥晶白云巖中常含硅質、泥質，硅質呈條帶或者結核狀。具隱晶質結構，常含泥質和生物化石碎片。

2.4 含硅質條帶白云巖

黑色或灰色，硅質為灰黃色條帶狀，紋層發(fā)育，具隱晶質結構(圖版Ⅰ-5)。白云巖內常發(fā)育疊層石，鏡下觀察疊層石破碎現(xiàn)象較明顯。

2.5 藻疊層白云巖

層狀疊層石可分為密紋層和普通紋層兩種類型。密紋層疊層石中單個紋層厚度一般小于0.1mm，其顏色比普通紋層較深(深灰-灰黑)。在密紋層狀藻疊層白云巖中常見到放射狀、倒小字型直立狀礫屑組成的沉積透鏡體，透鏡體內碎屑成分與圍巖一致，認為是潮下帶的原地風暴沉積(圖版Ⅰ-6)。

3 風暴沉積構造特征

風暴沉積構造獨特，類型多樣。風暴沉積的組合特點，是風暴流在風暴事件中，不同部位、不同階段的發(fā)展演化過程的記錄。也正是根據(jù)其沉積構造特征，風暴沉積的形成機制和時空位置才得以判別和確定。一次風暴事件可包括5個階段:風暴前期、風暴增強期、風暴高峰期、風暴衰減期和風暴后期［3］。 野外露頭區(qū)的各種風暴巖沉積構造，主要是風暴事件中后4個階段的產(chǎn)物，而前期的沉積物及其特征常因后來的風暴流改造而較少保存。經(jīng)筆者詳細研究，研究區(qū)主要發(fā)育礫屑放射狀構造、底模構造、沖刷構造、丘狀交錯層理和波狀層理等沉積構造。

表1 燕山地區(qū)中新元古界地層劃分簡表Table 1 Stratigraphic division of the Meso-to Neoproterozoic strata in the Yanshan region

3.1 礫屑放射狀構造

礫屑放射狀構造是風暴渦流形成的特有的沉積構造，表現(xiàn)為竹葉狀礫屑呈菊花狀、倒小字排列。該構造為板條狀硅質礫屑在剖面上呈放射狀排列所致，平面上呈波狀彎曲，立體觀察形似菊花，因而又名菊花狀或放射狀構造?；ǘ涑手绷⑹?、平臥式和雜亂式，花瓣長3～10cm不等，寬約2mm，單個花朵最大直徑達7cm(圖2與圖版Ⅰ-7)。菊花狀或放射狀構造是原地型風暴沉積特征，是風暴將原地沉積物擠壓、破碎、磨蝕近地堆積而形成，是風暴沉積唯一的、典型的識別標志。

3.2 底模構造

這種構造曾被命名為渠模、袋模或缽模。渠模是風暴流典型的沉積構造［4］，為具波浪和渦流雙重性質的風暴流對海底沉積物進行沖刷、淘蝕和改造的結果。研究區(qū)高于莊組和霧迷山組渠模構造規(guī)模均較小，模體填積物為礫屑白云巖。

3.3 沖刷構造

發(fā)育在風暴沉積層的底面，構成與下伏巖層之間的突變底界，是風暴高潮期風暴流在流動過程中對海底沉積物沖刷淘蝕而形成，并被上覆沉積物充填(圖版Ⅰ-8)。沖刷構造為最常見的沉積構造，是風暴期次的標志，它的凸凹程度反映風暴作用的大小及基底巖性特征，其上常發(fā)育泥礫。

3.4 丘狀交錯層理

丘狀交錯層理是風暴事件后期形成的最典型的層理構造，是區(qū)別于濁流等沉積類型的指相標志，由風暴浪在近底部產(chǎn)生強大的振蕩水流和多向底流改造底部床沙而成［5］，形成于正常浪基面之下、風暴浪基面之上。研究區(qū)風暴巖為風暴硅巖在三維空間觀察時的宏觀構造，其剖面上呈透鏡體，丘體長0.3～0.75m，丘體高 5～25cm(圖版Ⅰ-9)。丘狀構造的形成與風暴浪有關，其規(guī)模與波浪強度和波長的大小有關。丘狀層理的厚度、上凸幅度和紋層的收斂度與風暴浪震動力的強度成正比，與作用點距岸的遠近成反比［6］。

3.5 波狀層理

紋層為一系列對稱或不對稱的波狀，但總體上平行于層面(圖版Ⅰ-10)。主要由沉積介質在波浪動蕩水體中形成，其次為單向水流形成。本區(qū)中所見的波狀層理紋層表現(xiàn)為對稱波狀，且位于其上正粒序層之上。這正是風暴沉積的特點，其主要形成于正常浪基面之下至風暴浪基面以上的淺海陸棚環(huán)境中。

圖版說明Ⅰ-1河北省懷來縣新保安鎮(zhèn)趙家山剖面鐵嶺組第一段第18層礫屑白云巖Ⅰ-2遼寧凌源魏杖子剖面霧迷山組七段323層風暴礫屑灰?guī)rⅠ-3河北省赤城縣東卯鎮(zhèn)古子房剖面霧迷山組第五段第230層白云質硅質巖中的硅質，為玉髓，呈放射狀(+)4×4Ⅰ-4河北省赤城縣東卯鎮(zhèn)古子房剖面高于莊組第九段第123層含鐵(褐灰白色)泥晶云巖Ⅰ-5河北省赤城縣東卯鎮(zhèn)古子房剖面高于莊組第一段第5層含硅質條帶的泥晶云巖Ⅰ-6遼寧省凌源市大河北鄉(xiāng)魏杖子剖面霧迷山組第一段第34層紋層狀疊層石云巖Ⅰ-7河北省赤城縣東卯鎮(zhèn)古子房剖面霧迷山組第六段第293層風暴沉積中的放射狀構造Ⅰ-8遼寧省凌源市大河北鄉(xiāng)魏杖子剖面霧迷山組第一段第49層沖刷面Ⅰ-9河北省寬城縣下板城鄉(xiāng)尖山子剖面高于莊組第十段第171層風暴巖B段中的丘狀交錯層理Ⅰ-10河北赤城古子房剖面霧迷山組七段311層小型波狀層理

圖2 風暴巖菊花狀構造形態(tài)Fig.2 Chrysanthemum-shaped structure in tempesitites

4 風暴沉積序列

風暴作用作為一種突發(fā)事件，從發(fā)生、發(fā)展到結束都有其獨特的水動力學特點，并能形成特殊的沉積構造和沉積序列［7］。風暴作用沉積序列是在風暴作用過程中，由于風暴事件作用的方式不同形成的沉積單元的規(guī)律組合［8］。一般來講，在風暴過程中，最初風暴作用加強過程中形成的沉積通常被破壞和改造。因此風暴沉積序列主要保存有風暴作用衰減過程中的沉積序列，其實質是風暴流沉積與正常天氣沉積的交互相序。這種沉積序列在遼寧凌源地區(qū)霧迷山組發(fā)育為標準的垂向序列，具有典型的代表性。整個剖面由底部單元(a)、下部單元(b)、中部單元(c)、上部單元(d)和頂部單元(e)5部分組成(圖3)。其特征如下:

a.底部單元，厚度50cm，灰黑色泥質泥晶白云巖，發(fā)育塊狀層理，為正常淺海沉積。

b.下部單元，厚度25～30cm，礫屑泥晶白云巖。礫屑呈棱角狀、長條狀雜亂排列，礫屑成分為泥晶白云巖、硅巖，組成下細上粗的兩個沉積旋回。底部具有明顯的沖刷面，沖刷面之上含有泥礫，為風暴初期的產(chǎn)物。

c.中部單元，厚度20cm，風暴硅巖，具丘狀構造，板條狀硅質礫屑呈菊花狀或放射狀排列，底部具清晰的沖刷面，為風暴高潮期的產(chǎn)物。

d.上部單元，厚度40cm，黑色殘余顆粒云巖，顆粒成分為泥-粉晶，是風暴剛剛平息后的產(chǎn)物。

e.頂部單元，含硅質條帶疊層石白云巖，是正常天氣條件下的產(chǎn)物。

從底部單元至頂部單元代表一期完整的風暴沉積的演化發(fā)展過程，特征明顯，序列典型，可代表本區(qū)風暴沉積的標準序列。上述c、d、e單元有時多次重復呈韻律性排列，這表明有多次風暴事件相繼活動過。

圖3 霧迷山組風暴沉積剖面結構示意圖Fig.3 Vertical sequence through the tempesitites in the Wumushan Formation，Lingyuan，Liaoning

通過野外和室內的觀察、分析和研究認為，研究區(qū)風暴巖形成于碳酸鹽臺地相中水體較淺的潮間環(huán)境。表現(xiàn)為:本區(qū)風暴期沉積單元的厚度都不大，一些剖面結構特征還顯示出曾有過周期性風暴活動。在中元古界剖面中?？砂l(fā)現(xiàn)，自風暴沉積層位向上，地層的沉積環(huán)境總體上有逐漸變淺的趨勢。如霧迷山組下部可見由具水下滑動構造的暗色硅質條帶白云巖→具丘狀層理的砂礫屑白云巖→波狀層理或水平層理的泥質白云巖或粉屑白云巖→水流波痕、疊層石礁及泥裂構造等這樣自下而上的沉積序列。即由較深水的潮間環(huán)境逐漸演化至潮上環(huán)境，構成一次海退旋回。在整個霧迷山組沉積時期，此類旋回多次形成。這標志著同時海水的深度有著波動式的演化特征，這種旋回性也有助于地層的精細劃分和對比。

5 結論

(1)燕山地區(qū)中新元古界高于莊組和霧迷山組沉積期，研究區(qū)發(fā)育豐富的風暴沉積，主要有菊花狀、丘狀、底模和沖刷等典型的風暴成因構造。

(2)研究區(qū)風暴巖理想的沉積序列從下至上劃分為5個單元，分別是塊狀層理泥晶白云巖段、遞變層理段、丘狀交錯層理段、顆粒白云巖段和含硅質條帶疊層石白云巖段。

(3)通過野外和室內的綜合研究認為，研究區(qū)風暴巖形成于碳酸鹽臺地相中水體較淺的潮間環(huán)境。

(4)研究區(qū)風暴沉積因其結構成熟度高、原生孔隙發(fā)育、儲集性能良好、距烴源巖近，可成為潛在的油氣儲集層，為油氣勘探開辟了新的研究領域。

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