河北高于莊組層序地層研究

夏 丹，羅順社 (長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

曠紅偉 (長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 荊州 434023)

河北高于莊組層序地層研究

夏 丹，羅順社 (長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

曠紅偉 (長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 荊州 434023)

高于莊組是中國中元古界長城系出露最好、層序較為完整的地區(qū)。從沉積層序劃分標志入手，對層序的主要類型及其特征進行了分析，結(jié)合層序界面和最大海泛的研究，將區(qū)內(nèi)高于莊組劃分為8個三級層序，3個二級層序，討論和解釋了各層序的構(gòu)成和層序界面的識別。層序地層學(xué)研究表明，該區(qū)在長城系發(fā)生過一次完整的海平面升降旋回，以快速、廣泛的持續(xù)海進為主。

P534.44

A

1673-1409(2009)02-N046-04

坳陷；層序；海進體系域

1 區(qū)域背景

燕山地區(qū)的構(gòu)造單元主要有中央隆起帶和南北兩個大裂陷帶三部分組成,冀北坳陷位于燕山沉降帶中段的最北部,北面緊臨內(nèi)蒙地軸,南面以山海關(guān)隆起和鐵門關(guān)大斷裂為界,東面是遼西坳陷的凌源-喜峰大斷裂,西面與密懷隆起的古北口一帶相連,面積達8250km2(圖1)。

圖1 燕山地區(qū)構(gòu)造單元區(qū)劃(有修改)

高于莊期,華北大規(guī)模下降,發(fā)生了廣泛海侵,不但大紅峪后期上升形成的古陸地全部淹沒,并向西向北大規(guī)模海侵,致使高于莊組直接覆蓋于大片老巖系之上,因此，其底界就為Ⅱ?qū)有蚪缑?整個高于莊組以白云巖及含燧石白云巖為主,藻白云巖亦較發(fā)育。高于莊期華北地殼相對穩(wěn)定，地勢平坦[1]。筆者研究區(qū)域位于河北寬城崖門子尖山子附近，該區(qū)中元界地層出露良好，分布廣泛，發(fā)育比完整，頂?shù)捉缇€清晰，疊層石豐富，是一套未經(jīng)變質(zhì)的沉積巖系。

2 沉積層序劃分標志

2.1體系域標志

前人對研究區(qū)沉積盆地構(gòu)造背景分析及沉積層序劃分表明，該區(qū)各地層組基本處于陸架以上的沉積環(huán)境，沉積體系域普遍缺少低水位體系域而以水進體系域→高水位體系域為主，同時，沉積的水環(huán)境很少有深水盆地環(huán)境，凝縮段的凝縮程度很難達到理論上的要求。因此，依碳酸鹽巖環(huán)潮坪旋回層序疊加特點，該地區(qū)中代表淺水環(huán)境(特別是含暴露標志)的沉積物及沉積構(gòu)造可以作為層序界面的識別標志,而代表較深水環(huán)境的沉積物及沉積構(gòu)造則可以是最大海泛期產(chǎn)物而作為最大泛面的標志。所以對該地區(qū)以上兩類界面標志的識別對地層層序的劃分具有重要意義[2]。

海侵體系域是在海平面快速上升期間，可容納空間增長速率大于沉積物供給速率的情況下形成的，其底界為首次海泛面，頂界為最大海泛面。在該研究區(qū)，海侵體系域較發(fā)育，主要巖性為含疊層石白云巖與泥質(zhì)白云巖疊加或含錳泥質(zhì)白云巖夾頁巖。

高位體系域是在海平面相對上升速率不斷降低時形成的，或者說是在可容納空間增長速率小于沉積物供給速率時形成的。高位體系在該研究區(qū)較發(fā)育，巖性主要是含錳泥質(zhì)白云巖夾頁巖或云質(zhì)灰?guī)r與灰質(zhì)云巖石疊加。

2.2地球化學(xué)元素分析

地層中微量元素含量及有關(guān)比值的大小與海平面變化密切相關(guān)。目前，在沉積環(huán)境研究中，應(yīng)用最廣的微量元素主要為B，Sr，Ba，V，Ni及相關(guān)的比值，它們不僅可以用于區(qū)分淡水和海水沉積物，而且可以用于測定古鹽度和分析古氣候，同時還可以判別沉積環(huán)境及其與海平面升降的關(guān)系。

V與Rb主要與浮游和固著的藻類有關(guān)，離岸越遠含量相對增高，可反映水體深淺的變化；Be為堿土金屬元素，性質(zhì)與Sr相似，隨著離岸越遠伴隨生物堆積作用而沉積的Be含量越高；沉積物的B含量與水體的B含量有關(guān)，水體中的沉積物具有吸附B的能力，其中海綠石吸附B的能力最強，B含量和水體的鹽度存在函數(shù)關(guān)系，因而可作為判別古水體鹽度的一個指標，通常海相沉積的B含量大于100ppm(10-7)，因此可判斷海陸相沉積環(huán)境。

對于Sr/Ba比值來說，當湖水不斷咸化，礦化度逐漸增高時，鋇首先以硫酸鋇的形式沉淀出來，而鍶只有當湖水或海水濃縮到一定程度后才能產(chǎn)生硫酸鍶的沉淀，因此可以利用鍶、鋇比值來確定古鹽度。許多學(xué)者根據(jù)這一原理來進行海陸相沉積環(huán)境的判別。Sr/Ba大于1為海相沉積，小于1為陸相沉積，而且隨著離岸越遠伴隨生物堆積作用而沉積的鍶含量越高，即Sr/Ba比值越大。

圖2 高于莊組微量元素分布與地層層序關(guān)系

從圖2看,也顯示了相同的特點,每一段代表一次較大的海平面升降旋回,V、B、Pb、P、Be等的含量表現(xiàn)出收低-高-低的變化,在段界線處則表現(xiàn)為由低值向高值的突變,表征由海退-海進轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)換面。而從這些化學(xué)元素的總的變化趨勢來看，整個高于莊組表現(xiàn)為一個由相對較高的海平面向相對較低海平面變化的過程。

通過以上劃分標志分析，特別是對元素地球化學(xué)分析結(jié)果，將高于莊組劃分為173層、10段，8個Ⅲ級層序。

3 沉積層序發(fā)育特征

圖3 寬城長城系高于莊組綜合圖

以不同級別沉積層序及其有序疊加形式為核心,結(jié)合層序界面和關(guān)鍵界面的研究,在這套地層中識別出了不同級別的層序與旋回,建立了其層序地層格架。研究區(qū)高于莊組將其劃分出8個Ⅲ級層序并進一步歸為3個Ⅱ級層序。其中第1段到第6段為6個Ⅲ級層序，第7段到第8段為1個Ⅲ級層序，第9段到第10段為1個Ⅲ級層序。下面分別對高于莊組各層序特征進行介紹(見圖3)[3]。

1)層序1(SQ1) 由高于莊組第1段組成。從28層始，該層序的海進體系域(TST)由石英砂巖、砂質(zhì)白云巖、薄層砂巖、緩波狀疊層石白云巖、薄層含泥或泥質(zhì)白云巖組成，發(fā)育3種微旋回模式：薄層石英砂巖向上變?yōu)楹駥邮⑸皫r；砂質(zhì)白云巖與薄層砂巖不等厚互層，砂質(zhì)白云巖由下向上厚度變??；灰色中厚層硅質(zhì)泥晶白云巖向上變?yōu)橹斜泳彶畀B層石白云巖、薄層泥質(zhì)白云巖，表現(xiàn)為海平面上升。最大海泛期的沉積產(chǎn)物以47(或49層)的深灰色厚層白云巖與薄層或頁狀白云巖組成的微層序為特征，其后由厚層塊狀含疊層石的白云巖與薄層泥質(zhì)白云巖、硅質(zhì)條帶白云巖及藻席白云巖(50～55層)，形成高位體系域(HST)，在55和56層中夾有多層巖溶角礫[4]。

2)層序2(SQ2) 由高于莊組第2段組成。從微旋回的疊加方式看，該層序的海進體系域(TST)由深灰色厚層硅質(zhì)白云巖、灰色中層硅質(zhì)白云巖、灰色厚層含層狀疊層石白云巖、灰色薄層泥質(zhì)白云巖、灰色中厚層柱狀或錐狀疊層石白云巖組成，發(fā)育2種微旋回模式：深灰色厚層硅質(zhì)白云巖向上變?yōu)樯罨疑袑庸栀|(zhì)白云巖；厚層含層狀疊層石白云巖向上變?yōu)楸幽噘|(zhì)白云巖。中厚層錐狀疊層石白云巖為最大海泛期的沉積產(chǎn)物。高位體系域(HST)由緩波狀疊層石白云巖向上變?yōu)閷蛹y狀疊層石白云巖再變?yōu)楸幽噘|(zhì)白云巖與砂質(zhì)白云巖互層，垂向向上單層厚度逐漸變薄，泥質(zhì)、砂質(zhì)成分增多，反映相對海平面下降。

3)層序3(SQ3) 由高于莊組第3段組成。從92層始，該層序的海進體系域(TST)體系域由灰色含錳泥質(zhì)白云巖、頁巖、中厚層含錳白云巖、薄層泥質(zhì)白云巖組成，微旋回模式有：灰色含錳泥質(zhì)白云巖向上變?yōu)轫搸r，中厚層含錳白云巖向上變?yōu)楸幽噘|(zhì)白云巖，反映三級海平面相對升高。接著由厚層含錳細粉晶白云巖向上變?yōu)橹袑雍i泥晶白云巖，海水進一步加深，最大海泛期的沉積產(chǎn)物。高位體系域(HST)由中厚層泥晶白云巖向上變?yōu)橹斜幽嗑О自茙r，巖層厚度變薄，海平面相對下降。

4)層序4(SQ4) 由高于莊組第4段組成(113～133層)。下部113～123層為海侵體系域(TST)，中-薄層狀含錳白云巖與中-薄層狀白云質(zhì)灰?guī)r不等厚互層，薄層狀云質(zhì)灰?guī)r與含錳粉晶云巖互層，頁狀泥晶灰?guī)r與厚層狀云質(zhì)灰?guī)r互層，3種微旋回模式；124層深灰色瘤狀灰?guī)r與硅質(zhì)頁巖互層構(gòu)成最大海泛期沉積； 125～133層由灰黑色中-薄層狀含灰云巖，泥晶云巖夾硅質(zhì)頁巖和泥晶灰?guī)r及厚-塊狀粉晶灰?guī)r與土黃色薄層狀含灰泥質(zhì)云巖不等厚互層夾硅質(zhì)頁巖，構(gòu)成高位體系域(HST)[5]。

5)層序5(SQ5) 由高于莊組第5段(134～147層)組成。 海進體系域(TST)下部總的韻律特點是由硅質(zhì)層夾泥晶灰?guī)r薄層或瘤體，向上變?yōu)槟嗑Щ規(guī)r與硅質(zhì)頁巖、頁巖互層，頂部為泥晶灰?guī)r；由下往上，灰?guī)r單層厚度增大，瘤體增大，頂部灰?guī)r更純；或為薄層狀的泥晶灰?guī)r與灰黑色硅質(zhì)巖或硅質(zhì)頁巖互層夾瘤狀灰?guī)r；141～142層由灰色云質(zhì)瘤狀灰?guī)r夾硅質(zhì)薄層組成；143層瘤狀灰?guī)r消失，變?yōu)橐詼\灰色厚層狀灰質(zhì)云巖、云巖夾硅質(zhì)層；144層出現(xiàn)黑灰色中-薄層狀泥晶云巖與硅質(zhì)層，硅質(zhì)或云質(zhì)頁巖互層，且以含有大量有機質(zhì)的硅質(zhì)或云質(zhì)頁巖為主(有機質(zhì)含量15%～20%)，代表一種比瘤狀灰?guī)r更深的沉積環(huán)境(盆地)的出現(xiàn)，將其作為凝縮段；144～147層深灰色中層狀紋層白云巖夾薄層白云質(zhì)頁巖為高位體系域(HST)。

6)層序6(SQ6) 由高于莊組第6段(148～156層)組成。148～150層為海進體系域(TST)，主要由灰色厚-中層狀含泥白云巖夾含粉砂頁巖、硅質(zhì)層與深灰色厚塊狀含灰質(zhì)云巖與中-薄層含云或云質(zhì)灰?guī)r互層疊加。151層深灰色薄層狀瘤狀灰?guī)r白云質(zhì)灰?guī)r與厚-中層狀含灰白云巖組成的多個韻律疊加，有機質(zhì)含量在25%左右，構(gòu)成最大海泛期沉積，152～156層由層紋狀藻含灰白云巖、砂質(zhì)粉泥晶礫屑含灰白云巖、含砂屑砂質(zhì)泥粉晶白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)膠結(jié)角礫狀白云巖或灰質(zhì)膠結(jié)白云質(zhì)角礫巖、含砂屑砂質(zhì)泥粉晶白云質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成高位體系域(HST)。該層序頂部以發(fā)育內(nèi)碎屑、鮞粒、石英砂巖及粉砂巖等潮下高能帶產(chǎn)物為特點。

7)層序7(SQ7) 由高于莊組7、8(157～165層)段組成。157～160層，由下往上，由灰色厚層-塊狀白云巖、灰色中層-塊狀含灰白云巖夾薄層白云巖，反映海平面逐漸加深的過程，構(gòu)成海進體系域(TST)；161層灰色層紋狀藻云巖與厚層-塊狀含灰質(zhì)白云巖互層可作為最大海泛期產(chǎn)物；162～164層及灰色塊狀-厚層灰質(zhì)云巖夾含藻屑泥-細晶灰質(zhì)白云巖與深灰色厚層白云巖、深灰色含硅質(zhì)條帶白云巖與紋層狀白云巖構(gòu)成高位體系域(HST)。

8)層序8(SQ9) 由高于莊組9、10段(166～173層)組成。165～167層為海進體系域(TST)，主要由層紋狀藻云質(zhì)灰?guī)r、層紋狀藻灰質(zhì)云巖、層紋狀藻含灰白云巖、灰色含泥云巖、泥粉晶白云巖、少量灰黑色硅質(zhì)巖等以不同形式疊加而成；168層層紋狀藻白云質(zhì)灰?guī)r、灰色硅質(zhì)團塊層紋狀云質(zhì)灰?guī)r與含藻灰結(jié)核層紋狀藻云巖等微旋回組成的潮間帶沉積為該層序最大海泛期產(chǎn)物。高位體系域(HST)以出現(xiàn)含角礫的層紋狀藻含云灰?guī)r為標志，以具有硅質(zhì)團塊或結(jié)核和層紋狀藻灰?guī)r和藻白云巖為主體，以亮晶藻凝塊白云巖、含藻葡萄藻凝塊硅質(zhì)粉晶白云巖、灰質(zhì)膠結(jié)角礫狀白云巖或白云質(zhì)角礫巖、白云質(zhì)鮞粒硅質(zhì)巖、泥粉晶白云巖為特征的潮間-潮上帶沉積。

4 沉積演化

高于莊組的突出特點是碳酸鹽盆地受原裂陷槽區(qū)持續(xù)下沉的影響在盆地中部出現(xiàn)盆地相。高于莊組沉積之初,古海底由于大紅峪組期后的剝蝕作用而準平原化,所以高于莊組下部的第1、2段沉積時期全區(qū)都處于不深的潮汐帶環(huán)境,普遍沉積了含硅質(zhì)條帶含疊層石白云巖夾少量泥砂質(zhì)巖石構(gòu)成的韻律沉積[6]。潮汐帶沉積以潮間帶為主,僅第2段組頂部有少量潮下帶沉積。沉積物除近古陸的盆地邊緣陸源碎屑增多、地層厚度稍大外,全區(qū)地層厚度變化并不明顯。但是,從第3段開始,盆地內(nèi)沉陷幅度的差異開始變大,盆地中部沉積物特征與盆地邊緣潮汐帶的差異也越來越明顯,發(fā)生了深、淺沉積相變。第3段盆地中部大面積出現(xiàn)潮下高能帶、潮下低能帶沉積。而第6段至第8段為最大海侵時期,盆地中部的下段由黑色頁巖-白云巖-灰?guī)r小韻律構(gòu)成的類復(fù)理式沉積,其中小韻律底部的頁巖中常見瘤狀灰?guī)r,它是由深海洋流上升至盆地溶蝕石灰?guī)r的產(chǎn)物,為最大海侵期的標志。在區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出在盆地中央深水碳酸鹽與盆地邊緣淺水潮汐碳酸鹽共存的情況。向上經(jīng)斜坡相至頂部以潮下相→潮間相→潮上相演變過程,海平面逐漸下降,海水逐漸變淺。高于莊組沉積期末,盆地靠山海關(guān)古陸一側(cè)又一次上升,即灤縣抬升[7]。

5 結(jié) 論

1) 在冀北剖面高于莊組底部為石英砂巖向上為砂質(zhì)白云巖，大紅峪組頂部為硅質(zhì)白云巖和泥質(zhì)白云巖互層，未見明顯的剝蝕間斷面?？梢?，由于“青龍上升”地殼運動，僅產(chǎn)生了地層的局部不整合界面，故大紅峪組與高于莊組之間為一Ⅱ型層序界面。

2) 研究區(qū)高于莊組可進行了詳細的層序地層劃分，將其劃分為8個Ⅲ級層序(SQ1-SQ8)并進一步歸為3個Ⅱ級層序。分別以第1段到第6段為6個Ⅲ級層序(SQ1-SQ6)，第7段到第8段為1個Ⅲ級層序(SQ7)，第9段到第10段為1 個Ⅲ級層序(SQ8)。

3) 高于莊組沉積時期，燕山地區(qū)地殼廣泛的平穩(wěn)下降導(dǎo)致大規(guī)模的海侵，形成該地區(qū)中晚元古代最遼闊的淺海海域，沉積物以白云巖為主。

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[編輯] 易國華

2009-02-25

夏丹( 1982-),女, 2006年大學(xué)畢業(yè),碩士生，現(xiàn)主要從事沉積學(xué)與石油地質(zhì)學(xué)方面的研究工作。