李昌昊 葛 禹 金 鑫 時(shí)志強(qiáng)
1 成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院,四川成都 610059 2 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610059
中國(guó)北方廣泛發(fā)育侏羅系含煤陸相沉積,主要發(fā)育在諸多內(nèi)陸盆地內(nèi)(黃迪穎,2019),其中的鄂爾多斯盆地處于不同構(gòu)造交匯處,在中生代為大型內(nèi)陸拗陷盆地,同時(shí)也是中國(guó)最大的中生代內(nèi)陸含油氣盆地與含煤盆地(李寶芳等,1995;馮增昭等,1999;劉池洋等,2006;曠理雄等,2012)。下侏羅統(tǒng)富縣組發(fā)育在印支運(yùn)動(dòng)造成的古剝蝕面上,巖相復(fù)雜,僅分布于盆地中東部部分區(qū)域。眾多學(xué)者對(duì)盆地內(nèi)富縣組復(fù)雜的巖性、尤其是“花斑泥巖”、“細(xì)富縣”等進(jìn)行過(guò)探討(陳庸勛等,1981;劉若和吳一民,1985;李鈍和王萬(wàn)佑,1987;馮寶華,1988;李寶芳等,1995),重點(diǎn)關(guān)注了其下切河谷型沉積類型及油氣分布(如趙俊興等,2005;李旦等,2006;何善斌等,2008;孟麗娜等,2012;李鳳杰等,2013),但對(duì)富縣期不同時(shí)間段巖相古地理變化規(guī)律以及古氣候?qū)怒h(huán)境演化的制約因素研究較少。
近年來(lái)的研究表明,富縣組沉積受到了早侏羅世托阿爾期大洋缺氧事件(Toarcian Oceanic Anoxic Event,T-OAE)的影響(鄧勝徽等,2012;Jinetal., 2020)。大洋缺氧事件是中生代常見的重要地質(zhì)事件,可造成一系列的諸如海洋黑色頁(yè)巖沉積、地球表層碳循環(huán)紊亂、陸地環(huán)境氣候變化等相互關(guān)聯(lián)的地質(zhì)事件(Jenkyns,1985,1988;Kempetal., 2005;Mcelwainetal., 2005;陳蘭等,2007;Hesselbo and Pieńkowski,2011;鄧勝徽等,2012;胡修棉,2015;Idoiaetal., 2018),反映著地球表層各系統(tǒng)之間復(fù)雜的耦合關(guān)系(Mcelwainetal., 2005;胡廣等,2014)。近些年來(lái),托阿爾期大洋缺氧事件對(duì)陸相沉積的影響逐漸受到了關(guān)注(Wangetal., 2005;Deraetal., 2009;鄧勝徽等,2012;馮云鶴,2014;胡廣等,2014;Xuetal., 2017;Jinetal., 2020;Liuetal., 2020)。鄂爾多斯盆地早侏羅世富縣組沉積時(shí)期與T-OAE在時(shí)間上相對(duì)應(yīng)(Jinetal., 2020),從整個(gè)盆地范圍來(lái)看,富縣組沉積類型多樣、顏色多變,其受何種因素影響且如何影響T-OAE事件值得深入研究。作者主要通過(guò)對(duì)盆地東北部榆林安崖、府谷哈拉寨等多個(gè)露頭剖面(圖 1)富縣組的實(shí)際觀察研究,結(jié)合前人認(rèn)識(shí)、鏡下薄片鑒定及掃描電鏡分析等,研究了富縣期古地理及氣候演化,并對(duì)T-OAE在陸地環(huán)境的響應(yīng)進(jìn)行了探討。
圖中編號(hào)及對(duì)應(yīng)的剖面名稱: 1—準(zhǔn)格爾哈拉溝; 2—準(zhǔn)格爾石同梁; 3—府谷哈拉寨; 4—府谷新民; 5—府谷西峁; 6—神木窯灣; 7—榆林安崖; 8—佳縣王家砭; 9—富縣大申號(hào)溝圖 1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造及研究剖面位置(據(jù)曠理雄等, 2012;劉玄春等,2018;李元昊等,2020;有修改)Fig.1 Tectonic units and location of outcrop sections in the Ordos Basin(modified from Kuang et al., 2012;Liu et al., 2018; Li et al., 2020)
受印支運(yùn)動(dòng)末期的影響,鄂爾多斯盆地在三疊紀(jì)晚期受區(qū)域性擠壓而抬升,三疊系遭受不同程度的剝蝕,并在構(gòu)造和侵蝕作用下在早侏羅世早期形成地勢(shì)變化劇烈的古地形(葛道凱等,1991;閆存鳳,1992;時(shí)志強(qiáng)等,2001,2002;劉嘉,2014;李元昊等,2020),期間盆地西緣受到抬升,形成逆沖推覆構(gòu)造帶,使得盆地整體西部剝蝕程度較東部劇烈(趙俊興和陳洪德,2006;蔣代琴等,2018;卜廣平等,2019)。下侏羅統(tǒng)富縣組即發(fā)育在印支期古侵蝕面上,上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組與下侏羅統(tǒng)富縣組間發(fā)育區(qū)域性角度不整合界面(李鈍和王萬(wàn)佑,1987;馮寶華,1988;葛道凱等,1991)。在不整合面之上,富縣組主要為辮狀河沉積,填平補(bǔ)齊為其主要的沉積特點(diǎn)(趙俊興等,1999;何善斌等,2008;劉犟等,2012;李元昊等,2020),發(fā)育剝蝕—?dú)埛e相、河流—淺湖相(高選政,1996)
在富縣期,鄂爾多斯盆地的地勢(shì)整體表現(xiàn)為“西高東緩中陷”的特征(趙俊興等,1999;曾傳富等,2015,蔣代琴等,2018)。印支運(yùn)動(dòng)亦造成了盆地內(nèi)(富縣組沉積前)多種古地貌形態(tài),主要為河谷、斜坡、階地、高地和河間丘等(時(shí)志強(qiáng)等,2001;郭正權(quán)等,2008;李鳳杰等,2013;曾傳富等,2015;卜廣平等,2019)。其中高地主要為剝蝕地區(qū),長(zhǎng)期處于沉積間斷或弱沉積狀態(tài),無(wú)富縣組沉積(時(shí)志強(qiáng)等,2001;劉瑞東等,2014;卜廣平等,2019)。由于晚三疊世晚期—早侏羅世早期盆地侵蝕作用強(qiáng)烈,使得富縣組厚度變化較大,在下切河谷發(fā)育的地區(qū)沉積物粒度較粗,厚度變化大; 在其他一些地區(qū)則沉積物粒度較細(xì),厚度較薄(何善斌等,2008;劉犟等,2012)。在盆地東部,富縣組巖性變化較大,如在榆林安崖剖面(38° 23′N,110° 11′E),主要為湖泊相泥頁(yè)巖、粉砂巖(圖 2),研究認(rèn)為其受到T-OAE的影響,有機(jī)碳同位素曲線表現(xiàn)出了明顯的負(fù)偏移(Jinetal., 2020),但在佳縣、府谷、準(zhǔn)格爾等地的露頭剖面,砂礫巖沉積更為普遍。在富縣期末期,盆地內(nèi)出現(xiàn)一次區(qū)域構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng),富縣組與延安組之間出現(xiàn)沉積間斷(趙俊興等,2005;劉玄春,2018;趙虹等,2020;張雪映等; 2021)。
A—富縣組底部雜色泥礫巖或泥質(zhì)砂礫巖; B—富縣組下部黑色頁(yè)巖層; C—富縣組中部巖石顏色突然變化; D—為照片C的局部,顯示明顯的 顏色變化; E—富縣組頂部以雜色泥巖與延安組底部厚層狀土黃色砂巖分界,延安組底部砂巖之上見薄煤層。N-CIE指碳同位素負(fù)偏圖 2 鄂爾多斯盆地榆林安崖剖面富縣組沉積剖面及有機(jī)碳同位素曲線(同位素及TOC曲線來(lái)自Jin et al., 2020)Fig.2 Organic carbon iostope curves and sedimentary section of the Fuxian Formation in Anya section,Yulin, northeastern Ordos Basin(Isotopes and TOC curves from Jin et al., 2020)
A—府谷西峁剖面,見充填有雜色礫巖的下切河谷(藍(lán)色箭頭所指),見辮狀河三角洲前緣(紅色箭頭所指);B—府谷新民剖面,富縣組呈現(xiàn)下黑上紅的沉積序列; C—準(zhǔn)格爾石同梁剖面,紅色箭頭所指為紅色泥巖,藍(lán)色箭頭所指為黑色泥巖; D—準(zhǔn)格爾哈拉溝剖面,富縣組上部砂巖中夾紫紅色泥巖(箭頭所指);E—榆林安崖剖面,富縣組中部紫紅/雜色與灰綠色泥巖分界明顯; F—佳縣王家砭剖面,富縣組白色砂礫巖中見植物莖干化石(紅色箭頭所指);G—佳縣王家砭剖面,富縣組中部白色砂礫巖; H—佳縣王家砭剖面, 富縣組下部塊狀灰色礫巖發(fā)育圖 3 鄂爾多斯盆地東北部侏羅系富縣組露頭特征Fig.3 Outcrop characteristics of the Jurassic Fuxian Formation in northeastern Ordos Basin
A—砂巖,砂巖分選、磨圓較差,巖石中含泥質(zhì)填隙物(紅色箭頭所指)較多,榆林安崖剖面近底部(圖 2厚度4.0 m處),單偏光; B—砂巖,榆林安崖剖面中部(圖 2厚度33.0 m處),正交偏光; C—白色粗砂巖,硅質(zhì)碎屑含量較高(紅色箭頭所指),填隙物中見高嶺石,府谷西峁剖面,正交偏光; D—白色砂巖,硅質(zhì)碎屑(紅色剪頭所指)含量高,準(zhǔn)格爾旗哈拉溝剖面,正交偏光; E—褐紫色鐵質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖,準(zhǔn)格爾旗哈拉溝剖面,正交偏光; F—灰白色砂巖,硅質(zhì)巖屑多見(紅色箭頭所指),準(zhǔn)格爾旗哈拉溝剖面,正交偏光; G—灰白色砂巖,碳酸鹽膠結(jié)(紅色箭頭所指),準(zhǔn)格爾旗哈拉溝剖面,正交偏光; H—泥質(zhì)粉砂巖,粉砂顆粒磨圓度差(紅色箭頭所指),黏土礦物(藍(lán)色箭頭所指)以伊利石為主,榆林安崖剖面下部(圖 2厚度17.0 m處),掃描電鏡; I—泥質(zhì)砂巖,填隙物中間較多的粉砂(紅色箭頭所指) 與黏土礦物(藍(lán)色箭頭所指),榆林安崖剖面下部(圖 2厚度19.5 m處),掃描電鏡圖 4 鄂爾多斯盆地東北部侏羅系富縣組巖石微觀特征Fig.4 Microscopic characteristics of rock of the Jurassic Fuxian Formation in northeastern Ordos Basin
雜色礫巖含灰綠色、紫紅色泥礫較多,礫石成分復(fù)雜,使其整體略呈灰綠色較重的雜色。雜色礫巖主要發(fā)育在富縣組底部,在鄂爾多斯盆地東北部偶見,在府谷西峁剖面,呈下切河谷充填沉積,透鏡狀(圖 3-A),厚度最大達(dá)5 m,長(zhǎng)大于15 m,與下伏中三疊統(tǒng)紫色泥巖不整合接觸,顯示為強(qiáng)烈的下切侵蝕,上覆為膠結(jié)致密的灰白、白色含礫砂巖。礫石直徑多為1~3 cm,大者可達(dá)5 cm,雜基含量為15%~25%,風(fēng)化后較為疏松。在榆林安崖剖面,雜色礫巖亦發(fā)育在富縣組底部,但厚度減少,僅為約1.8 m(圖 2-A),略呈透鏡狀,含紫色、灰綠等色泥礫,礫徑集中于0.3~1.0 cm。在顯微鏡下可見其顆粒成分以石英為主,少量長(zhǎng)石,顆粒分選較差,次棱角—次圓狀,顆粒之間雜基較多,多為泥質(zhì)膠結(jié)(圖 4-A,4-B)。雜色礫巖在鉆井巖心中也可見到(郭正權(quán)等,2008;孟麗娜等,2012;袁偉等,2014),產(chǎn)自富縣組底部,可能反映著下伏含紅層沉積的三疊系(一般為中、下三疊統(tǒng))被侵蝕、搬運(yùn)后再沉積的特點(diǎn)。
在盆地東北部主要發(fā)育在富縣組上部(圖 3-A,3-B,3-C,3-D)。在榆林安崖其位于剖面上部,主要呈紫紅、棕紅色,有時(shí)含大小不一的灰綠色斑塊而使泥質(zhì)巖呈現(xiàn)雜色,見水平層理,不含或含極少量植物葉片化石,與下伏灰綠等暗色泥巖界限明顯(圖 2-D;圖 3-E)。該套泥頁(yè)巖在府谷西峁(圖 3-A)、府谷新民(圖 3-B)、準(zhǔn)格爾石同梁(圖 3-C)、準(zhǔn)格爾哈拉溝(圖 3-D;
圖 4-E)等剖面均有發(fā)育,均發(fā)育在富縣組上部,下伏有暗色泥頁(yè)巖夾粉砂巖、砂巖。在準(zhǔn)格爾石同梁(圖 3-C)、哈拉溝剖面(圖 3-D),雜色/紅色泥巖段厚度減少,僅有數(shù)米,在哈拉溝剖面其夾于大套砂巖之中,側(cè)向分布的延伸性較差(圖 3-D)。據(jù)前人資料(陳庸勛等,1981,李鈍和王萬(wàn)佑,1987;馮寶華,1988;李寶芳等,1995;郭正權(quán)等,2008;張泓等,2008;馮云鶴,2014),雜色泥質(zhì)巖在鄂爾多斯盆地中南部亦有發(fā)育,在有的研究中被稱為“花斑泥巖”。
呈塊狀產(chǎn)出于佳縣王家砭剖面的富縣組下部(圖 3-H),在其他剖面或鉆井巖心中較為罕見。顯示出礫石粒徑大、礫巖厚度大的特點(diǎn),礫石直徑一般大于3 cm,常為5~10 cm,可見疊瓦狀排列,成分復(fù)雜。在佳縣王家砭,其總厚度大于50 m,礫巖層呈塊狀,單層厚度多大于3 m,顯示出快速堆積的特點(diǎn)。
常發(fā)育在富縣組雜色泥礫巖或灰色塊狀礫巖之上的富縣組下部。在鄂爾多斯盆地多處可見(圖 3-A,3-B,3-C,3-F,3-G),但在準(zhǔn)格爾哈拉溝剖面,白色砂礫巖在富縣組上部亦有發(fā)育(圖 3-D)。在盆地東北部府谷西峁(圖 3-A)、佳縣王家砭(圖 3-F,3-G)、準(zhǔn)格爾哈拉溝(圖 3-D)等剖面,累計(jì)厚度可大于20 m,但在各個(gè)地區(qū)厚度不一,粒度變化亦大,常為粗砂巖、礫質(zhì)砂巖、細(xì)礫巖,砂、礫成分以石英為主,磨圓度和分選性較差(圖 4-C,4-D,4-F,4-G)。在府谷西峁、準(zhǔn)格爾哈拉溝剖面,見白色砂巖之上為棕紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖覆蓋(圖 3-A,3-D;圖 4-E)。在盆地中南部的深切河谷中也常充填白色礫巖,礫石以脈石英為主(時(shí)志強(qiáng)等,2002)。顯微薄片及掃描電鏡顯示白色砂礫巖填隙物中高嶺石含量較大(圖 4-C),石英及高嶺石含量多使巖石呈現(xiàn)白色。在佳縣王家砭等剖面,白色砂礫巖厚度大于20 m,礫石直徑多為0.2~2 cm,見較多的植物莖干化石(圖 3-F),其直徑最大可達(dá)30 cm,見大型板狀交錯(cuò)層理。微觀觀察白色砂礫巖的成分以石英為主,偶見長(zhǎng)石,顆粒磨圓度及分選性都較差(圖 4-G)。
主要為黑色、灰黑色、深綠灰色粉砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖、油頁(yè)巖。在鄂爾多斯盆地東北部多個(gè)露頭可見。其中黑色頁(yè)巖主要發(fā)育在2個(gè)露頭剖面: 榆林安崖剖面和準(zhǔn)格爾哈拉溝剖面。在榆林安崖剖面,暗色泥質(zhì)巖層厚度約24 m(其中棕黑色油頁(yè)巖厚度約為4.5 m),整體呈現(xiàn)黑色、黑灰色泥頁(yè)巖,夾薄層粉砂巖、菱鐵礦層或結(jié)核(圖 2-B),發(fā)育在富縣組下部,向上則粉砂、砂質(zhì)含量增多,顏色變淡(向灰色、灰綠色轉(zhuǎn)化)。在府谷新民剖面,暗色泥頁(yè)巖亦發(fā)育在富縣組中下部,與砂巖呈互層狀(圖 3-B)。亦見黑色泥頁(yè)巖夾于砂巖中(圖 3-C,準(zhǔn)格爾石同梁剖面)。
發(fā)育在富縣組中上部,與灰綠色、紫紅色、雜色泥質(zhì)巖呈互層,或夾于泥巖中。中層狀、薄層狀為主,部分層厚較大者位于富縣組上部。風(fēng)化后常呈土黃色,通常不含植物莖干化石。見板狀交錯(cuò)層理、楔狀交錯(cuò)層理、沙紋層理。
本次對(duì)榆林安崖剖面(圖 2)巖性、沉積構(gòu)造及沉積相進(jìn)行了細(xì)致研究,認(rèn)為該剖面富縣組存在河流、三角洲、淺湖、半深湖等沉積相。安崖剖面富縣組底部發(fā)育厚約1.8 m的雜色砂礫巖,以細(xì)礫為主,礫石成分主要為紫色、灰綠色等泥質(zhì)巖(圖 2-A),下伏為上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組黃綠色砂巖夾泥質(zhì)巖,該套雜色泥礫巖亦見于府谷西峁剖面富縣組底部下切河谷內(nèi)(圖 3-A),顯示為河流相沉積,與府谷西峁類似,富縣組底部雜色沉積的泥礫很可能主要來(lái)源于中三疊統(tǒng)紙坊組暗紫紅、灰綠色泥巖(但西峁剖面富縣組與紙坊組不整合接觸)。鑒于安崖剖面富縣組與紙坊組間發(fā)育延長(zhǎng)組,推測(cè)物源區(qū)存在下切河谷(至少切至紙坊組),而下切河谷內(nèi)發(fā)育的河流流至安崖地區(qū)則流速減慢,沉積物卸載為厚度不大的河流相泥礫巖。
安崖剖面富縣組下部發(fā)育棕黑色油頁(yè)巖,顯示為半深湖相沉積(圖 2),水體較深。其上覆為黑灰色、灰綠色泥頁(yè)巖,層面見植物葉片化石,夾薄層粉砂巖、菱鐵礦層或結(jié)核,粉砂巖及菱鐵礦層橫向延伸性較好,分布穩(wěn)定,反映著淺湖相沉積的特點(diǎn)。富縣組中部和下部與淺湖相或半深湖相毗鄰有砂巖、粉砂巖為主的沉積,夾綠灰色泥頁(yè)巖(圖 2),其中的中砂巖、粗砂巖透鏡體最大厚度可大于1.5 m,底部發(fā)育沖刷充填構(gòu)造,偶見泥礫,顯示為河道沉積的特點(diǎn); 但多數(shù)碎屑巖為粉砂巖、細(xì)砂巖,層厚一般小于1 m,橫向分布穩(wěn)定,碎屑分選磨圓較好,綜合反映著三角洲前緣沉積的特點(diǎn)。鑒于其砂巖層數(shù)多、砂地比較大,推測(cè)可能為辮狀河三角洲環(huán)境。
富縣組中上部發(fā)育以綠灰色、紫紅色或雜色泥巖為主的沉積,夾薄板狀粉砂巖沉積,粉砂巖通常橫向分布穩(wěn)定,推測(cè)是淺湖相沉積。值得注意的是,從綠灰色到紫紅色或雜色泥巖的顏色突變并沒(méi)有伴隨著巖石結(jié)構(gòu)的突變(圖 2-D;
圖 3-E),僅顯示著氣候的突變。在該顏色突變面之下,植物化石常見,而之上未見,顯示為從濕潤(rùn)到干旱的氣候變化。富縣組頂部發(fā)育厚層狀土黃色粗砂巖及雜色泥巖(圖 2-E),砂巖單層厚度可大于1 m,見中型、大型板狀斜層理,推測(cè)為辮狀河三角洲平原沉積。
4.2.1 下切河谷/辮狀河
富縣組的下切河谷發(fā)育在印支運(yùn)動(dòng)所造成的剝蝕面上,填平補(bǔ)齊作用是該期沉積的特點(diǎn),是盆地富縣期最低的古地貌單元,主要分布在鄂爾多斯盆地甘陜、寧陜、蒙陜等大型古河道內(nèi)(何善斌等,2008;劉犟等,2012;蔣代琴等,2018; 李元昊等,2020),與下伏中三疊統(tǒng)或上三疊統(tǒng)呈不整合接觸。下切河谷內(nèi)發(fā)育受限的辮狀河沉積,以砂礫巖為主,在盆地南部厚度較大,往北隨著下切規(guī)模的減少而厚度逐漸減少(何善斌等,2008)。在府谷西峁剖面可以看到小型下切河谷充填沉積(圖 3-A),與上下段巖層顏色有明顯差異; 在榆林安崖剖面,以巖性推測(cè)其底部的雜色泥礫巖應(yīng)為下切河谷的邊緣充填相。富縣組下切河谷沉積巖性整體粒度較粗,分選性磨圓度差(圖 4-A,4-B),底部可見明顯沖刷面,沉積物的剖面結(jié)構(gòu)是向上變細(xì)的,體現(xiàn)了河流沉積的二元結(jié)構(gòu),但河谷內(nèi)所充填的雜色礫巖橫向延展性較差。
4.2.2 辮狀河三角洲
鄂爾多斯盆地內(nèi)富縣期發(fā)育有沖積扇,其發(fā)育受控于古地貌,主要在古河道邊緣分布,多見于深切河谷陡壁一側(cè)(趙俊興等,1999;時(shí)志強(qiáng)等,2001,2002)。在盆地東北部,由于富縣期早期的下切河谷距離湖泊較近,辮狀河三角洲更為發(fā)育。富縣組中的辮狀河三角洲不同于經(jīng)典的辮狀河三角洲模式,是下切河谷內(nèi)受限的辮狀河攜碎屑物質(zhì)入湖形成。在下切河谷發(fā)育早期,陸源物質(zhì)沿深切的峽谷(三疊系頂部不整合面之上)運(yùn)移,近距離卸載于湖泊邊緣而形成大小不一的扇體,在盆地中南部大型下切谷入湖形成面積巨大的辮狀河三角洲(已剝蝕殆盡),在盆地東北部則一般為中小型河流發(fā)育的下切谷,入湖后形成的扇體相對(duì)較小,沉積物中礫巖、砂質(zhì)礫巖、含礫粗砂巖普遍可見。在下切河谷發(fā)育的晚期,早期的深切峽谷被充填,下切河谷變寬,輸入湖泊的碎屑物形成辮狀河三角洲沉積,其沉積物較早期深切峽谷攜帶而來(lái)的物質(zhì)粒度變小,以砂質(zhì)礫巖、細(xì)礫巖為主。在榆林安崖剖面,富縣組下部以湖泊相泥頁(yè)巖為主,而與之距離僅有約20 km的佳縣王家砭剖面,富縣組則發(fā)育以灰色、白色砂、礫巖為主的辮狀河三角洲沉積(圖 3-F,3-G,3-H),未見泥質(zhì)巖沉積,顯示湖泊邊緣辮狀河三角洲與淺湖—半深湖相沉積巖性的明顯差異。
4.2.3 湖泊
盆地內(nèi)富縣早期發(fā)育的河流,其流動(dòng)方向主要為東西向、北西向及南西向,當(dāng)時(shí)盆地形狀為三面高中心低,主要的匯水河谷向東南開口(趙俊興等,1999),且在盆地東北部的榆林安崖剖面見湖泊相泥頁(yè)巖、濱淺湖相砂巖(Jinetal., 2020),湖泊沉積在府谷西峁、準(zhǔn)格爾哈拉溝等剖面已有發(fā)育,顯示鄂爾多斯盆地東緣(及其以東地區(qū))存在面積較大的匯水湖泊,葛道凱等(1991)認(rèn)為該湖泊面積超過(guò)10×104 ̄ ̄km2,同一時(shí)期河南中北部地區(qū)與富縣組時(shí)代相當(dāng)?shù)陌把M主要為深湖泥及深水重力流沉積(張泓等,2008)。富縣期盆地東側(cè)地勢(shì)較高,河流匯入湖泊,但此匯水湖泊是否與海洋相通還存在爭(zhēng)議(葛道凱,1989,1991)。經(jīng)過(guò)燕山期和喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞和改造,華北地區(qū)多地隆起為山脈,鄂爾多斯盆地以東的山西地區(qū)主要處于隆起狀態(tài)(高選政,1996;戴福貴等,2008),因此盆地東部黃河沿岸及山西大部分地區(qū)遭受剝蝕嚴(yán)重,缺乏富縣組沉積。依據(jù)沉積特征,葛道凱等(1989)在盆地東北部榆林安崖剖面識(shí)別出富縣期匯水湖泊。從該剖面分析,富縣期沉積物顏色具有下黑上紅的特點(diǎn),即富縣組下部(非辮狀河三角洲沉積區(qū))多以缺氧環(huán)境暗色泥質(zhì)巖為主,植物化石常見; 而上部普遍發(fā)育紫、紅色或雜色泥質(zhì)巖沉積(圖 3-B,3-E),鮮見植物化石。二者均為湖泊相泥質(zhì)巖沉積,但顏色分界明顯(圖 2-D;圖3-E),顯示古氣候由濕潤(rùn)向干旱的突然轉(zhuǎn)變。類似的匯水湖泊相沉積(富縣組下部暗色泥質(zhì)巖,上部紅、雜色泥質(zhì)巖)亦見于府谷新民和府谷西峁剖面(圖 3-A,3-B)。
盆地東南部亦發(fā)育湖泊相沉積,主要沉積“花斑泥巖”(劉若和吳一民,1985;李鈍和王萬(wàn)佑,1987;葛道凱等,1991;高選政,1996;趙俊興等,1999;時(shí)志強(qiáng)等,2001;趙俊興等,2005),其面積較小,沉積巖厚度不大(葛道凱,1991;趙俊興等,2005),形成于富縣期晚期河流下切作用減弱、河谷被填平補(bǔ)齊基本完畢時(shí)期。該時(shí)期古地貌較為平坦,湖泊水體較淺,氧化作用強(qiáng),所形成的砂泥巖顏色偏紅,且不含頁(yè)理。其很可能與盆地東北部匯水湖泊紫、紅色、雜色泥巖沉積于同一古氣候干旱時(shí)期。盆地東南部沉積“花斑泥巖”的小型湖泊遠(yuǎn)離下切谷及河道,并不是河漫湖泊。鑒于其與富縣組剝蝕區(qū)毗鄰,本次研究?jī)A向于認(rèn)為其與富縣期匯水湖泊相連通,為濱淺湖沉積(圖 5-B);但并不排除另一種可能: 富縣中期(氣候濕潤(rùn)時(shí))形成的小型湖泊,在富縣晚期(氣候干旱期)被沉積物充填。
A—富縣期早期古地理圖; B—富縣期晚期古地理圖圖 5 鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)富縣期古地理圖(據(jù)郭正權(quán)等,2008;張泓等,2008;馮云鶴,2014;李元昊等,2020)Fig.5 Palaeogeography of the Jurassic Fuxian Period in Ordos Basin (after Guo et al., 2008;Zhang et al., 2008;Feng, 2014;Li et al., 2020)
富縣期早期鄂爾多斯盆地主要以河流沉積為主(圖 5-A)。受印支運(yùn)動(dòng)的影響三疊系剝蝕強(qiáng)烈,富縣期早期深切河谷發(fā)育,水流湍急,沉積物被限制在高地間的狹長(zhǎng)河谷內(nèi),當(dāng)河谷下切作用減弱,則接受粗碎屑沉積,此時(shí)為古河流形成發(fā)展期(時(shí)志強(qiáng)等,2002;趙俊興和陳洪德,2006;何善斌等,2008)。該時(shí)期盆地中南部的下切河谷沉積已被廣泛研究(陳洪德等,2007;郭正權(quán)等,2008;何善斌等,2008;李元昊等,2020),其沉積巖為富縣組底部的雜色礫巖(局部發(fā)育)和富縣組下部的白色礫巖,其雜色礫巖包含了較多近源(或原地)侵蝕的上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組砂巖、泥巖礫石。而白色礫巖成分以脈石英為主,反映濕潤(rùn)氣候下水量充沛時(shí)期碎屑成分成熟度較高。該期主要的下切河谷體系在延安附近流入?yún)R水湖泊(圖 5-A),但其所形成的沉積巖已在燕山期、喜山期剝蝕殆盡。在盆地東北部,下切河谷規(guī)模變小(圖 5-A),多個(gè)小型下切河谷攜帶碎屑物質(zhì)直接入湖形成辮狀河三角洲。在榆林安崖剖面和佳縣王家砭剖面,相距僅約20 km的距離卻發(fā)育顏色、粒度迥異的沉積巖(安崖的黑色頁(yè)巖和王家砭的白色砂礫巖),顯示該時(shí)期的盆地邊緣可能有較陡的古地勢(shì)。早期的小型下切河谷內(nèi)發(fā)育雜色礫巖(圖 2-A;圖 3-A),同樣包含了較多近源(或原地)侵蝕的上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組砂巖、泥巖礫石。上覆白色砂礫巖中礫石粒度變小,且以石英為主,成分成熟度增高,為扇三角洲前緣沉積。早托阿爾期的植物群大多數(shù)為指示溫暖潮濕氣候類型,且含有較多的可指示溫暖潮濕環(huán)境的銀杏綱與長(zhǎng)寬葉型松柏類植物,可知該時(shí)期氣候溫暖濕潤(rùn),雨水充足(鄧勝徽等,2015)。白色砂礫巖厚度大,成分成熟度相對(duì)較高,含大量植物莖干化石(圖 3-F),顯示著與盆地南部大型下切河谷類似的濕潤(rùn)氣候下變寬的河谷沉積。
在富縣期晚期,原先存在的下切河谷變寬并被充填,河谷變寬,河流下切作用減弱,河水流速較早期減緩(陳洪德等,2007)。該時(shí)期伴隨富縣組沉積范圍擴(kuò)大,地形逐漸趨于平緩,地表海拔標(biāo)高接近(馮云鶴,2014),隨著富縣早期的填平補(bǔ)齊作用,湖泊邊緣古地形亦變緩,匯水湖泊濱淺湖面積增大,早期發(fā)育辮狀河三角洲的位置出現(xiàn)淺湖相沉積,如府谷新民、府谷西峁等剖面即是如此(圖 3-A,3-B)。這時(shí)期溫度升高,出現(xiàn)指示干燥氣候的植物,此時(shí)氣候較早期干旱,雨水減少,植物出現(xiàn)明顯衰退現(xiàn)象(張泓等,1998;鄧勝徽等,2012;馮云鶴,2014)。富縣晚期的河道寬度較早期變窄且彎曲,但仍屬辮狀河,此時(shí)河道兩側(cè)河漫灘、洪泛平原等微相發(fā)育(李智民等,1985;趙俊興和陳洪德,2006)(圖 5-B),且其泥質(zhì)巖沉積顯示出顏色偏紅(紫、紅色或雜色)的特點(diǎn)(葛道凱等,1991;時(shí)志強(qiáng)等,2001,蔣代琴等,2018)。在榆林安崖、府谷新民、府谷西峁、準(zhǔn)格爾石同梁等剖面均可見富縣組上部的紫色(雜色)濱淺湖沉積(圖 2-D;圖3-A,3-B,3-C),顯示由于氣候的變化,盆地東北部的匯水湖泊沉積顏色發(fā)生變化(由暗色到紅色)。而在盆地南部的銅川、正寧等地,“花斑泥巖”發(fā)育(劉若和吳一民,1985;李鈍和王萬(wàn)佑,1987;馮寶華,1988;張泓等,2008),且其厚度一般不超過(guò)30 m,考慮到該套湖泊沉積之東為富縣組剝蝕地區(qū)(圖 5-B),推測(cè)此地的湖泊與盆地東北部湖泊是相連的。
通過(guò)對(duì)富縣組的綜合分析,本次研究建立了富縣期沉積模式: 在富縣早期下切河谷發(fā)育,沉積物主要為下切河谷充填沉積,巖性主要為砂礫巖。此時(shí)雨量充足,植被茂盛,下切河谷內(nèi)水量充沛,攜帶大量碎屑物質(zhì)沉積充填河谷并在入湖處形成辮狀河三角洲沉積,在以砂礫巖為主的沉積巖中見豐富的植物莖干化石(圖 2-F),此時(shí)的湖泊邊緣古地形差異大,淺湖—半深湖沉積以深色泥頁(yè)巖為主,含植物葉片化石豐富。進(jìn)入富縣期晚期,干旱氣候主導(dǎo)了研究區(qū),經(jīng)過(guò)上一時(shí)期的填平補(bǔ)齊作用,河流下切作用減弱,河谷變寬,流量減弱,河谷兩側(cè)河漫灘、河漫湖泊發(fā)育(圖 5-B)。此時(shí)沉積巖粒度減小,主要發(fā)育細(xì)、粉砂巖及泥頁(yè)巖沉積。該時(shí)期氣候干旱,雨量減小,陽(yáng)光充足,植被較早期數(shù)量急劇減少,氧化作用增強(qiáng),湖泊及河漫灘環(huán)境沉積紫色、紅色或雜色泥巖。
相似的巖性變化及同位素負(fù)偏現(xiàn)象在四川盆地也有反應(yīng),同樣記錄了T-OAE的影響(Xuetal., 2017)。但四川盆地在托阿爾期可能與南部特提斯洋相連,而在鄂爾多斯盆地沒(méi)有發(fā)現(xiàn)海洋影響的證據(jù)(Xuetal., 2017),鄂爾多斯盆地富縣組以河流—三角洲沉積為主,可能離海洋較遠(yuǎn)。相似的黑色頁(yè)巖沉積及暗色泥質(zhì)沉積中存在碳同位素負(fù)偏,顯示鄂爾多斯湖盆在早托阿爾期氣候擾動(dòng)期間的發(fā)育與四川盆地的擴(kuò)張是同步的(Xuetal., 2017;Jinetal., 2020)。湖盆擴(kuò)張?jiān)缙跉夂驖駶?rùn),降水量增加,大氣CO2濃度增加(鄧勝徽,2007;鄧勝徽等,2015;Jinetal., 2020),植物群的差異表明在T-OAE期間,盆地內(nèi)發(fā)生了升溫的現(xiàn)象(黃枝高和周慧琴,1980;鄧勝徽等,2012,2015)。在安崖剖面的半深湖—深湖相中發(fā)現(xiàn)的菱鐵礦也可以說(shuō)明當(dāng)時(shí)湖泊擴(kuò)張是由于湖平面上升所引起的(Jinetal., 2020)。當(dāng)湖平面上升到最大時(shí),位于四川盆地和鄂爾多斯盆地東部的古湖中沉積了暗色泥頁(yè)巖,之后在暗色泥頁(yè)巖之上,兩地都沉積了紅層(或雜色層),Xu 等(2017)將其解釋為水文循環(huán)減弱或停止所致,此時(shí)湖平面下降,湖泊停止擴(kuò)張,內(nèi)陸降水量下降,氣候由早期的濕潤(rùn)氣候轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊禋夂?。由此看T-OAE所致的陸地氣候變化是極為廣泛的。但Xu 等(2017)所提出的T-OAE之后(干旱期)溫度降低,可能與鄂爾多斯盆地實(shí)際情況不符。
基于富縣組沉積的不同顏色、不同粒度,研究者曾有“粗富縣”、“細(xì)富縣”、“白富縣”、“雜富縣”、“紅富縣”、“黑富縣”等多種多樣的稱謂,但研究者對(duì)其系統(tǒng)性成因和分布闡述較少?;陧憫?yīng)海相T-OAE的古氣候變化及古地貌、古環(huán)境認(rèn)識(shí),本次研究試圖厘清富縣組不同沉積的特點(diǎn)、成因及意義。
6.2.1 “粗富縣”
“粗富縣”指富縣組下部砂礫巖,在文獻(xiàn)中該稱呼最早被趙俊興等(1999)所使用。關(guān)于“粗富縣”的成因,研究者觀點(diǎn)基本一致,認(rèn)為主要由深切河谷溝槽中河流相充填形成,多發(fā)育在富縣組下部,厚度變化較大(趙俊興等,1999;時(shí)志強(qiáng)等,2001;趙俊興和陳洪德,2006)。由于富縣期盆地內(nèi)地勢(shì)西高東緩,以前的研究成果認(rèn)為“粗富縣”在盆地中部較為常見(劉瑞東等,2014)。本次研究顯示“粗富縣”在盆地東北部亦較為發(fā)育,如在佳縣、府谷、甚至內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾都存在富縣組下部的砂、礫巖沉積。需指出的是,“粗富縣”的顏色有3種,一是以紫紅色調(diào)為主的雜色,其成因在于下切谷礫巖中含原地或近源剝蝕的中三疊統(tǒng)、上三疊統(tǒng)礫石(圖 2-A;圖3-A);二是灰色中礫巖,為辮狀河三角洲平原沉積(圖 2-C);三是白色粗砂—細(xì)礫巖(圖 3-F,3-G,3-H),為辮狀河三角洲前緣或下切河谷內(nèi)偏上部層位沉積,脈石英顆粒及高嶺石填隙物的存在使得巖石呈白色,主要沉積于濕潤(rùn)氣候條件下。
6.2.2 “細(xì)富縣”
“細(xì)富縣”為富縣組中粒度較細(xì)的沉積巖,如泥頁(yè)巖和粉砂巖等,其最早出現(xiàn)于陳庸勛等(1981)著作中。關(guān)于“細(xì)富縣”的成因爭(zhēng)議較多,有研究者認(rèn)為“細(xì)富縣”為湖相沉積(陳庸勛等,1981;李寶芳等,1995),也有人認(rèn)為其主要形成于河漫灘、洪泛平原、沼澤或殘積相(趙俊興和陳洪德,2006;劉犟等,2012)。綜合整個(gè)鄂爾多斯盆地富縣組巖性及顏色特點(diǎn),本次研究認(rèn)為“細(xì)富縣”可以是河漫亞相泥質(zhì)巖沉積,也可以是湖泊相泥質(zhì)巖沉積,其顏色有紅(紫)色、(紅、綠相間的)雜色、黑色、灰綠色等。其中黑色頁(yè)巖、褐色油頁(yè)巖和綠灰色泥質(zhì)巖主要沉積于富縣早期的湖泊環(huán)境,對(duì)應(yīng)濕潤(rùn)氣候條件; 而紅(紫)色泥質(zhì)巖、雜色細(xì)粒沉積為干旱氣候條件下的富縣晚期河漫環(huán)境、湖泊環(huán)境產(chǎn)物。
6.2.3 “白富縣”
“白富縣”主要為富縣組下部白色砂巖層,為了與下文“黑富縣”進(jìn)行區(qū)分,故在本文中提出“白富縣”定義。前人研究顯示“白富縣”在鄂爾多斯盆地北側(cè)內(nèi)蒙古部分、子午嶺地區(qū)有所出現(xiàn)(中國(guó)煤田地質(zhì)總局,1996;趙敏等,2010;馮云鶴,2014),主要為灰白色石英砂巖,發(fā)育在富縣組中上部(中國(guó)煤田地質(zhì)總局,1996)。本次研究發(fā)現(xiàn)其在盆地東北部準(zhǔn)格爾哈拉溝、府谷西峁、佳縣王家砭等剖面均有發(fā)育,顯示為含植物莖干的白色粗砂—細(xì)礫巖(圖 3-F),前已述及,其為扇三角洲前緣或下切河谷內(nèi)偏上部層位沉積,脈石英顆粒及高嶺石填隙物的大量存在使得巖石呈白色。在濕潤(rùn)氣候條件下,盆地南部下切河谷被初步充填后河谷內(nèi)水量充沛,盆地東北部小型下切河谷之上河谷變寬、輸入湖水量增多,來(lái)源于物源區(qū)延長(zhǎng)組或其他沉積的碎屑物經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離搬運(yùn),成分成熟度增高,且濕潤(rùn)氣候條件下化學(xué)風(fēng)化較強(qiáng)致使相當(dāng)多的長(zhǎng)石向高嶺石轉(zhuǎn)化。
6.2.4 “黑富縣”
“黑富縣”總體為黑色、深綠灰色泥質(zhì)巖,偶有褐色油頁(yè)巖,該定義為袁效奇等(2003)所提出,見于盆地東北部富縣安崖、府谷新民、府谷哈鎮(zhèn)等剖面,沉積于富縣早期。袁效奇等(2003)認(rèn)為其主要分布于無(wú)定河以北、清水川以南地區(qū)?!昂诟豢h”中TOC含量較高(圖 2),含大量植物葉片化石碎片,反映其沉積于植被茂盛、降水量超過(guò)蒸發(fā)量條件下,此時(shí)期氣候濕潤(rùn),植物大量生長(zhǎng)(劉魁梧,1991)。該套沉積在中國(guó)多個(gè)同時(shí)代的陸相湖泊都有記錄,如在四川盆地(Xuetal., 2017)、金羊盆地(Liuetal., 2020)、塔里木盆地(黃克難等,2003;邱若原等,2021)均有報(bào)道,且都蘊(yùn)含著有機(jī)碳同位素負(fù)偏事件,其成因在于托阿爾期大洋缺氧事件發(fā)生時(shí)Karoo-Ferrar大火成巖省噴發(fā)、伴隨甲烷氣水和物有關(guān)溫室氣體迅速釋放等所致(Hesselboetal., 2000),該時(shí)期地球表層碳循環(huán)發(fā)生紊亂(Jenkyns,1985,1988;Hesselboetal., 2000;Chenetal., 2006;Hesselbo and Pieńkowski,2011),陸地古氣候濕潤(rùn)(Bakeretal., 2017;Xuetal., 2017;Jinetal., 2020),陸地湖泊面積大、水體較深,因而沉積了一套富含有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖?!昂诟豢h”與“白富縣”都沉積于濕潤(rùn)氣候條件下,本次研究?jī)A向于認(rèn)為二者為富縣早期同時(shí)異相的產(chǎn)物,其不同于富縣晚期干旱氣候條件下沉積的“紅富縣”和“雜富縣”。
6.2.5 “紅富縣”
“紅富縣”在盆地中—南部至北部都有出現(xiàn),為紫紅色泥質(zhì)巖(劉犟等,2012;馮云鶴,2014;賈建稱等,2015),為與“白富縣”、“黑富縣”進(jìn)行區(qū)分,文中將該顏色巖性定義為“紅富縣”。通常紅層沉積時(shí)期氣候發(fā)生波動(dòng),處于干旱、炎熱環(huán)境,降雨量很低(Walker,1967),大多數(shù)紅層中的紅色為原生色,表明紅層形成于干旱或半干旱環(huán)境(劉秀銘等,2014;毛學(xué)剛和劉秀銘,2016)。在富縣組紅層內(nèi)由下到上,喜陰濕溫暖氣候的蕨類植物孢子和擬蘇鐵孢粉數(shù)量急劇減少直至消失,出現(xiàn)一些喜熱或耐干型植物,表明氣候較先前干燥炎熱(閆存鳳,1992; 鄧勝徽等,2015)?!凹t富縣”沉積于富縣晚期,在富縣組下部未見,反映盆地內(nèi)此時(shí)處于干燥炎熱的氣候,沉積水體一般較淺,處于氧化環(huán)境,且植物數(shù)量較少。富縣晚期的干旱氣候可能為T-OAE晚期由于海平面下降,導(dǎo)致水文循環(huán)減弱或停止,輸入陸地水分減少,氣候變?yōu)楦珊邓?Xuetal., 2017)。此時(shí)鄂爾多斯盆地東部地區(qū)原為下切河谷的地區(qū)古地形(由于富縣組早、中期的填平補(bǔ)齊作用)趨于平緩,古地貌差異小,在河漫灘、河漫湖泊或洪泛平原中發(fā)育“紅富縣”和“雜富縣”;而在匯水湖泊區(qū),氣候的突變致使富縣晚期泥質(zhì)巖以紫紅為主的色調(diào)。
6.2.6 “雜富縣”
“雜富縣”通常為“雜色泥巖”或“花斑泥巖”,被認(rèn)為是“細(xì)富縣”的重要組成部分,陳庸勛等(1981)首先使用此定義。其顏色以紫灰、紫紅色為主,夾灰綠色條帶或斑點(diǎn),在研究區(qū)東南部被提及較多(陳庸勛等,1981; 李鈍和王萬(wàn)佑,1987;馮寶華,1988;李寶芳等,1995;趙俊興等,1999;郭正權(quán)等,2008;張泓等,2008;馮云鶴,2014)。其成因存在較多爭(zhēng)議: (1)風(fēng)化殼上的殘坡積物(陳庸勛等,1981);(2)干旱、氧化條件下的淺水碎屑湖泊的沉積產(chǎn)物(李寶芳等,1995); (3)在干旱氧化條件下扇間洼地或洪泛沼澤上形成(趙俊興等,1999)。實(shí)際上,“雜富縣”為富縣組晚期沉積形成,分布并不局限于河漫環(huán)境,在盆地東北部的淺湖或半深湖環(huán)境亦有產(chǎn)出,與“紅富縣”的紫紅色泥質(zhì)巖共生(圖 5-A,5-B),顯示富縣晚期盆地內(nèi)廣泛存在干旱、氧化環(huán)境,為T-OAE晚期氣候變化所致。“雜富縣”中的灰綠色條帶或斑點(diǎn)現(xiàn)象,在四川盆地侏羅系、白堊系紅層中亦廣泛分布,其成因一直未解決,最合理的解釋可能是成巖后期紅層處于還原環(huán)境、部分三價(jià)鐵礦物被還原所致。
1)在鄂爾多斯盆地東北部榆林安崖、府谷西峁、府谷新民、準(zhǔn)格爾石同梁等剖面,富縣期沉積經(jīng)歷了從雜色泥礫巖(或灰色塊狀礫巖)到白色砂、礫巖(或暗色泥頁(yè)巖),再到紅色、雜色泥質(zhì)巖的變化趨勢(shì)。砂巖和礫巖中碎屑顆粒的分選與磨圓較差。
2)在富縣組中可識(shí)別出下切河谷、辮狀河三角洲、湖泊等環(huán)境沉積。富縣期早期以下切河谷充填為主,河流攜帶沉積物在湖泊邊緣發(fā)育大小不一的辮狀河三角洲砂礫巖體; 晚期經(jīng)過(guò)填平補(bǔ)齊后,河谷下切作用減弱,古地勢(shì)變緩,沉積物粒度變小。盆地東北部殘存由黑變紅的淺湖相沉積。
3)富縣期沉積響應(yīng)著T-OAE期間陸地氣候變化,早富縣期以濕潤(rùn)氣候?yàn)橹?,晚富縣期則以干旱氣候?yàn)橹?,氣候的突然變化被記錄在榆林安崖等剖面中。富縣組暗色沉積(“黑富縣”)及白色砂礫巖(“白富縣”)沉積于濕潤(rùn)氣候條件,而“紅富縣”和“雜富縣”則記錄了Jenkyns事件期間的干旱氣候的信息。
致謝參加野外工作的還有王小端、陳彬,感謝成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院李云、成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馮明石在顯微鏡觀察、掃描電鏡測(cè)試方面的幫助。感謝審稿專家和編輯同志給出的意見和建議!