山西中陽上寒武統(tǒng)三山子組下部風(fēng)暴巖沉積特征及其成因

魏欽廉，王起琮，陳亮，賴生，王晗

山西中陽上寒武統(tǒng)三山子組下部風(fēng)暴巖沉積特征及其成因

魏欽廉1，王起琮1，陳亮2，賴生1，王晗1

（1西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院；2中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油田開發(fā)處）

通過山西中陽柏洼坪剖面上寒武統(tǒng)三山子組野外剖面測(cè)量、采樣和室內(nèi)鑒定，建立了三山子組風(fēng)暴巖的巖石學(xué)和沉積構(gòu)造等沉積相標(biāo)志。本研究區(qū)風(fēng)暴巖具有異地近源型風(fēng)暴巖沉積特征，并發(fā)育底面侵蝕形成的渠模構(gòu)造。認(rèn)為研究區(qū)三山子組沉積環(huán)境為開闊臺(tái)地—局限臺(tái)地，而不是前人認(rèn)為的環(huán)陸白云巖潮坪。

風(fēng)暴巖；上寒武統(tǒng)；三山子組；巖石類型；沉積特征

風(fēng)暴流及其作用產(chǎn)物——風(fēng)暴沉積，是近年提出的一個(gè)重要概念。風(fēng)暴巖則是指在風(fēng)暴影響下在海洋和水盆地中形成的沉積巖［1-3］。由于風(fēng)暴巖特殊的沉積動(dòng)力學(xué)特征和在古地理重建中的重要地位，它已成為國(guó)內(nèi)外沉積學(xué)界研究的熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外沉積學(xué)工作者主要通過動(dòng)力地層學(xué)分級(jí)法、遺跡學(xué)特征與沉積特征等方法，將風(fēng)暴巖的研究應(yīng)用到古環(huán)境重建、古氣候恢復(fù)、古構(gòu)造判別及地層對(duì)比中。

對(duì)研究區(qū)山西中陽上寒武統(tǒng)三山子組的沉積環(huán)境，存在較多的觀點(diǎn)分歧，有研究者認(rèn)為是環(huán)陸白云巖坪沉積環(huán)境［4］，有學(xué)者認(rèn)為是開闊臺(tái)地沉積環(huán)境［5］。筆者通過對(duì)中陽柏洼坪剖面發(fā)現(xiàn)的上寒武統(tǒng)三山子組風(fēng)暴巖系統(tǒng)的研究，以及揭示該地區(qū)風(fēng)暴巖的沉積特征和成因類型，以期為研究區(qū)三山子期古地理、古氣候及沉積環(huán)境分析提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

柏洼坪剖面（圖1）位于山西省西部呂梁市中陽縣城關(guān)東南側(cè)、沁水盆地西緣、呂梁山脈中段西麓，具有交通便利、露頭良好的特點(diǎn)，適合于露頭剖面研究。研究區(qū)在構(gòu)造上位于晉西撓褶帶與呂梁隆起過渡帶，因沁水盆地位于呂梁古陸邊緣，海水由東南向西北侵進(jìn)，并在中寒武世早期侵達(dá)中陽地區(qū)［6］。晉西撓褶帶在中-晚元古代—古生代處于相對(duì)隆起狀態(tài)，僅在中-晚寒武世、早-中奧陶世、中-晚石炭世有較薄的沉積，各統(tǒng)的沉積厚度約100～200 m。中生代侏羅紀(jì)末隆起，與華北地臺(tái)分離，成為鄂爾多斯盆地的東部邊緣。燕山運(yùn)動(dòng)使呂梁山隆升并向西推擠，加上基底斷裂的影響，形成南北走向的晉西撓褶帶。

圖1 山西中陽柏洼坪剖面位置示意圖

早古生代期間，鄂爾多斯盆地南緣即為華北地臺(tái)的南部邊緣,鄂爾多斯盆地南緣和中東部地層小區(qū)的地層系統(tǒng)與華北地臺(tái)的基本一致，因此可沿用華北地臺(tái)的劃分標(biāo)準(zhǔn)：寒武系自下而上劃分為下統(tǒng)辛集組和朱砂洞組，中-下統(tǒng)饅頭組，中統(tǒng)張夏組和上統(tǒng)三山子組［7］。研究區(qū)三山子組厚度約120m，其下部巖性主要為灰紫色薄層狀鈣質(zhì)頁巖和青灰色薄板狀灰?guī)r，夾中層狀竹葉灰?guī)r；上部巖性主要為淺灰色—淺黃綠色波層狀含泥細(xì)晶白云巖，夾中層狀竹葉白云巖。本文研究的目的層位于三山子組下部。

2 沉積特征

巖石學(xué)特征通過野外剖面觀察和鏡下巖性鑒定，研究區(qū)三山子組下部與風(fēng)暴沉積有關(guān)的巖石類型主要為泥頁巖、細(xì)晶鮞?；?guī)r（圖2a）、亮晶骨屑灰?guī)r、亮晶竹葉灰?guī)r和泥晶灰?guī)r薄層（圖2b）。其中，石灰?guī)r、含白云質(zhì)灰?guī)r的顏色為淺灰色和灰色，泥頁巖為灰黃色和紫色。

圖2 山西中陽柏洼坪剖面三山子組下部風(fēng)暴沉積巖鏡下特征

沉積構(gòu)造特征風(fēng)暴沉積作用可以巨大的威力在沉積物中形成獨(dú)具特色的一系列風(fēng)暴沉積構(gòu)造，如風(fēng)暴侵蝕構(gòu)造、風(fēng)暴撕裂構(gòu)造、風(fēng)暴浪構(gòu)造、風(fēng)暴渦流構(gòu)造、風(fēng)暴濁流構(gòu)造及風(fēng)暴期后快速沉積構(gòu)造等。研究區(qū)上寒武統(tǒng)三山子組反映風(fēng)暴流沉積的構(gòu)造主要為渠模（口袋狀構(gòu)造），缺乏丘狀交錯(cuò)層理（圖3）。渠模是風(fēng)暴流的典型沉積構(gòu)造［6］。每當(dāng)風(fēng)暴來臨，強(qiáng)烈的氣流摩擦海水形成強(qiáng)大的定向水流或渦流，在海底沖蝕或旋切沉積物，形成刨蝕坑，坑內(nèi)充填粗碎屑沉積。這些刨蝕坑在巖層斷面上表現(xiàn)為口袋狀特征，故通常稱之為口袋構(gòu)造，又稱為渠模構(gòu)造。三山子組渠模構(gòu)造一般深5～20cm，寬5～70cm，渠模內(nèi)充填淺灰色—灰色石灰?guī)r（圖3）。

3 風(fēng)暴巖成因類型

3.1 風(fēng)暴沉積序列與特征

風(fēng)暴成因的礫屑灰?guī)r，橫向上與泥頁巖等之間既有突變也有漸變，在縱向上其堆積體的沉積序列有兩種成因類型（圖4）。

圖3 山西中陽柏洼坪露頭剖面三山子組風(fēng)暴巖典型識(shí)別標(biāo)志

風(fēng)暴沉積序列Ⅰ主要分布于三山子組下部層位的上部，以灰紫色泥頁巖為主，夾青灰色含白云質(zhì)灰?guī)r，灰?guī)r底部發(fā)育小型的渠模構(gòu)造?；?guī)r厚度較小，厚度和寬度一般均小于10cm，呈透鏡狀產(chǎn)出，灰?guī)r頂界面較平緩（圖4a），其風(fēng)暴強(qiáng)度較?。▓D5a）。

圖4 風(fēng)暴巖沉積序列類型與特征

風(fēng)暴沉積序列Ⅱ主要分布于三山子組底部，它自下而上由數(shù)個(gè)灰紫色泥頁巖與亮晶鮞粒含白云質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成巖性組合?；?guī)r底部往往發(fā)育較大的渠模構(gòu)造，灰?guī)r厚度一般為20 cm左右，寬度延伸較長(zhǎng)（長(zhǎng)度一般為0.5～2 m），灰?guī)r厚度大于泥頁巖厚度（圖4b），其風(fēng)暴強(qiáng)度較大（圖5b、5c）。

3.2 風(fēng)暴巖類型與特征

根據(jù)風(fēng)暴巖的形成環(huán)境和結(jié)構(gòu)特征，可劃分出原地風(fēng)暴巖、近源風(fēng)暴巖和遠(yuǎn)源風(fēng)暴巖等三種成因類型［3］（圖6）。

原地風(fēng)暴巖一般具有礫屑呈特殊放射狀的特征，巖層頂界面不平整，上層面呈上下起伏的云朵狀輪廓，具有代表風(fēng)暴衰減后保留的各種礫屑原始堆積的頂面形態(tài)，上覆巖層嵌入“云朵”中（圖7）［9］。研究區(qū)各風(fēng)暴巖頂面較平緩，且缺乏各種放射狀礫屑特征，因此，可排除原地風(fēng)暴巖成因。根據(jù)風(fēng)暴巖沉積序列等特征判斷，本區(qū)主要發(fā)育近源風(fēng)暴巖沉積類型。

圖5 近源型風(fēng)暴巖的風(fēng)暴強(qiáng)度與沉積厚度關(guān)系示意圖［8］

圖6 典型風(fēng)暴巖的形成條件和類型［3］

圖7 原地風(fēng)暴巖的粗顆?；?guī)r層面形態(tài)及內(nèi)部礫石排列狀態(tài)［9］

近源風(fēng)暴巖和遠(yuǎn)源風(fēng)暴巖近源風(fēng)暴沉積發(fā)育有大型的底沖刷渠模構(gòu)造。隨著風(fēng)暴強(qiáng)度的減弱或隨著風(fēng)暴中心變遠(yuǎn)，風(fēng)暴對(duì)海底的擾動(dòng)和對(duì)底面的侵蝕在減弱，因而風(fēng)暴沉積的礫屑層、粒序?qū)釉跈M向上隨距離風(fēng)暴中心的逐漸變遠(yuǎn)而厚度變?。ǔ释哥R狀），其凹狀交錯(cuò)層理由發(fā)育到較缺乏（圖5b至5a）。隨著風(fēng)暴的強(qiáng)度繼續(xù)減小，其風(fēng)暴沉積層序過渡為遠(yuǎn)源風(fēng)暴沉積［8］。

4 三山子組風(fēng)暴巖沉積環(huán)境

中陽柏洼坪剖面三山子組風(fēng)暴巖具有典型的近源型風(fēng)暴沉積特征，其巖性為灰色中層狀礫屑灰?guī)r，發(fā)育有大型的底沖刷渠模構(gòu)造。與其它地區(qū)的風(fēng)暴沉積相比，本研究區(qū)的近源風(fēng)暴巖沉積序列中缺乏丘狀交錯(cuò)層理，說明當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境不利于丘狀交錯(cuò)層理發(fā)育或保存。影響丘狀交錯(cuò)層理發(fā)育的因素可能是多方面的，不僅與風(fēng)暴的強(qiáng)度、作用時(shí)間等密切相關(guān)，而且可能與沉積物的粒度大小、海底地形的坡度也相關(guān)。綜合分析認(rèn)為，本區(qū)丘狀交錯(cuò)層理的缺乏應(yīng)該是保存問題，而不是發(fā)育問題，這主要與風(fēng)暴浪形成的水動(dòng)力條件相關(guān)，應(yīng)是在風(fēng)暴衰退期受到風(fēng)暴水動(dòng)力改造而遭到了破壞。三山子組風(fēng)暴巖中發(fā)育有鮞?；?guī)r，說明其水動(dòng)力條件是較強(qiáng)的。

柏洼坪剖面三山子組的上部發(fā)育風(fēng)暴巖沉積序列Ⅰ，說明其風(fēng)暴強(qiáng)度較弱，屬于近源風(fēng)暴巖中遠(yuǎn)端內(nèi)陸棚沉積環(huán)境；剖面下部發(fā)育風(fēng)暴巖沉積序列Ⅱ，說明其風(fēng)暴強(qiáng)度較大，屬于近源風(fēng)暴巖中近端開闊臺(tái)地—局限臺(tái)地沉積環(huán)境（圖8）。

圖8 山西中陽柏洼坪露頭三山子組下部風(fēng)暴巖沉積剖面結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

（1）根據(jù)風(fēng)暴巖成因，山西中陽研究區(qū)風(fēng)暴巖屬于近源類型。近源風(fēng)暴沉積以礫屑灰?guī)r和鮞粒灰?guī)r與泥頁巖不等厚互層組合為主，發(fā)育大型底沖刷渠模構(gòu)造，缺乏丘狀交錯(cuò)層理。

（2）中陽柏洼坪三山子組剖面下部發(fā)育Ⅱ型風(fēng)暴巖沉積序列，上部發(fā)育Ⅰ型風(fēng)暴巖沉積序列，反映出地層從下往上沉積過程中海平面有上升趨勢(shì)。

（3）研究區(qū)三山子組沉積環(huán)境為開闊臺(tái)地—局限臺(tái)地沉積，而不是前人研究認(rèn)為的環(huán)陸白云巖坪沉積。

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編輯：趙國(guó)憲

Sedimentary Characteristics and Genesis of Upper Cambrian Sanshanzi Tempestite at Zhongyang in Shanxi Province

Wei Qinlian,Wang Qicong,Chen Liang,Lai Sheng,Wang Han

Many features of storm sediments may indicate ancient water depth,but also the restoration of the ancient climate.Analysis of sedimentary basins and restoration of palaeogeography are of practical significance,especially in judging the continental tectonic nature and background.Base on the outcrop measurement,sampling and indoor identification to Upper Cambrian Sanshanzi Formation at the Baiwaping tempestite outcrop in zhongyang,Shanxi province,sedimentary facies markers that include petrology,paleontology and sedimentary structures of Sanshanzi tempestite are studied and recognized.The tempestite is characterized by allogenic and proximal storm sedimentation and develops ditch structures formed by bottom erosion.Comprehensive study suggests that the regional sedimentary environment of Sanshanzi Formation is the open platform to the restricted platform rather than the dolostone tidal flat that the previous scholars has regarded as.

Tempestite;Upper Cambrian;Sanshanzi Formation;Rock type;Sedimentary characteristics

P588.2

A

10.3969/j.issn.1672-9854.2013.04.006

1672-9854(2013)-04-0041-05

2013-07-01；改回日期：2013-08-16

本文受國(guó)家油氣科技重大專項(xiàng)（編號(hào)：2011ZX05005-004-08HZ）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：41173035）與國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：41372118）聯(lián)合資助

魏欽廉：1976年生，副教授。2000年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院石油與天然氣地質(zhì)專業(yè)，2008年獲成都理工大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。主要從事石油地質(zhì)研究。通訊地址：710065陜西省西安市電子二路東段18號(hào)；電話：（029）88383037

Wei Qinlian：male,D Sc,Associate Professor.Add：School of Earth Sicences and Engineering,Xi′an Shiyou University Xi′an,710065,China