中元古代鄂爾多斯盆地南緣裂谷沉積相與震積巖序列

盧 勉，陳友智，吳高平，彭 偉，王麗麗

（1.大慶油田有限責(zé)任公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712； 2.浙江大學(xué) 地球科學(xué)系，浙江 杭州 310027；3.大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠，黑龍江大慶 163712； 4.江漢油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，湖北武漢 430023；5.吉林油田分公司 扶余采油廠，吉林 松原 138001）

0 引言

早元古代呂梁運(yùn)動(dòng)之后，華北地臺(tái)主體拼貼完成［1］.作為華北地臺(tái)的一部分，鄂爾多斯盆地周緣及鄰區(qū)為秦—祁裂陷、二道凹局限洋、滹沱局限洋、北大山—趙池溝邊緣海圍限，盆地僅西南緣沉積下元古界滹沱群［2］.該時(shí)期洛南縣巡檢鎮(zhèn)地區(qū)沒(méi)有沉積.中元古代早期鄂爾多斯盆地西、南緣發(fā)育賀蘭山—秦祁—晉陜—晉豫陜多裂谷系［3］，盆地南緣的洛南縣巡檢鎮(zhèn)地區(qū)位于晉豫陜裂谷帶內(nèi)，形成玄武巖到流紋巖相的熊耳群火山巖，屬大陸玄武巖［1］.中元古代中晚期，巖漿巖噴出后構(gòu)造沉陷，洛南縣巡檢鎮(zhèn)地區(qū)處于高山河—汝陽(yáng)—常州溝局限海環(huán)境、官道口邊緣海環(huán)境［4］沉積長(zhǎng)城系高山河組、薊縣系龍家園組、巡檢司組、杜關(guān)組與馮家灣組，整體上研究區(qū)中元古代為拉張、伸展期.

研究者分析物探、鉆井資料，認(rèn)為中元古代鄂爾多斯盆地南緣存在晉豫陜裂谷系［3，5］，但區(qū)域上與裂谷系匹配的地層研究較少.有人認(rèn)為裂谷系沉積相縱向上多存在雙層結(jié)構(gòu)，即擴(kuò)張期的非補(bǔ)償型沉積與收縮期的補(bǔ)償型沉積.前者沉降作用大于沉積作用，沉積相類(lèi)型變化大；后者沉積作用與沉降作用基本平衡，沉積相類(lèi)型變化不大.震積巖是地震活動(dòng)在未完全固結(jié)的沉積中的印跡，多以震積巖序列形式存在，出現(xiàn)在被動(dòng)大陸邊緣和主動(dòng)大陸邊緣的伸展環(huán)境中，對(duì)區(qū)域大地構(gòu)造環(huán)境具有指向性意義.筆者劃分鄂爾多斯盆地南緣洛南縣巡檢鎮(zhèn)地區(qū)中元古界沉積相及震積巖序列，研究區(qū)中元古代水體深度整體不斷增加，沉積環(huán)境從三角洲相逐漸過(guò)渡為深海盆地相，為非補(bǔ)償沉積，與晚元古代穩(wěn)定的淺灘補(bǔ)償型沉積共同構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)，為裂谷非補(bǔ)償型沉積；中元古代薊縣紀(jì)地震活動(dòng)較為活躍，地層中震積巖序列包含液化底劈構(gòu)造、震褶巖、震裂巖、震濁積巖、津浪丘狀層及風(fēng)暴巖，反映研究區(qū)處于裂谷帶，其沉積相與震積巖與構(gòu)造背景匹配.

1 研究區(qū)概況

中元古代洛南縣巡檢鎮(zhèn)位于鄂爾多斯盆地南緣晉豫陜裂谷內(nèi)，南部與秦嶺構(gòu)造帶相鄰.以該區(qū)中元古界地層為研究對(duì)象.研究區(qū)中元古界整體走向近東西向、傾向朝南，與熊耳群呈超覆、斷層接觸.中元古界與寒武系共同構(gòu)成向斜構(gòu)造的北翼.研究區(qū)發(fā)育東西向、北西—南東向2組斷裂，前者被后者截?cái)?，沿東西向斷層局部出露中生代花崗巖體.剖面線1，從高山河開(kāi)始向南東至甘江村高山河組大套石英巖與龍家園組白云巖分界；然后向東平移至剖面線2，從三元村直至馮家灣組與寒武系分界點(diǎn)（見(jiàn)圖1）.

2 沉積相劃分

［4］的碳酸鹽巖沉積相模式，結(jié)合研究區(qū)中元古界的巖性組合和沉積構(gòu)造，將研究區(qū)地層劃分為18個(gè)層段（見(jiàn)圖2）.

2.1 三角洲相

洛南縣巡檢鎮(zhèn)長(zhǎng)城系沉積巖與下伏熊耳群火山巖呈超覆接觸關(guān)系，表明海侵開(kāi)始.

三角洲地理上位于海陸交互帶，沉積物為由粗到細(xì)的砂、泥巖組合.剖面圖第1層底部，巖性為礫巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、砂泥巖互層、泥巖夾粉細(xì)砂巖.高山河組底局部發(fā)育一套礫巖，厚度約為0.1m，礫石結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度較低，礫徑為1.0～4.0cm，分布不穩(wěn)定，向兩側(cè)過(guò)渡為中粒砂巖，平面上巖性變化迅速，向上巖性變?yōu)橹辛Ｉ皫r—砂泥巖互層，垂向上表現(xiàn)為正粒序，為河道底滯礫巖與細(xì)粒河道層序的疊置，表現(xiàn)為三角洲平原小型分流河道沉積（見(jiàn)圖3（a））.剖面圖第1層中下部，巖性為泥巖、砂巖夾泥巖、薄層泥巖夾雜砂巖、薄層雜砂巖與泥巖互層、石英砂巖.薄層雜砂巖呈波狀起伏，石英砂巖中見(jiàn)小型交錯(cuò)層理，為三角洲平原決口扇.剖面圖第1層中部，巖性為砂巖夾薄層泥巖（見(jiàn)圖3（b）），由底至頂泥巖厚度逐漸增大，巖層整體延伸穩(wěn)定，砂巖中見(jiàn)交錯(cuò)層理、波紋層理和平行層理，底部見(jiàn)沖刷痕跡，并見(jiàn)泥礫，礫徑為0.8、1.0及2.0cm，表明整體水體較淺，為三角洲前緣遠(yuǎn)端沙壩.剖面圖第1層中上部，巖性為中厚層砂巖夾粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，砂巖見(jiàn)波痕、交錯(cuò)層理與平行層理，波痕波脊包括直線與曲線，表現(xiàn)水體動(dòng)蕩，為三角洲前緣河口沙壩.剖面圖第1層頂部，巖性為泥巖夾薄層砂巖.差異壓實(shí)使砂、泥巖接觸面彎曲，發(fā)育滑動(dòng)構(gòu)造、負(fù)載構(gòu)造和火焰狀構(gòu)造，砂巖底部見(jiàn)泥礫，磨圓好，礫徑為2.0、3.0cm，為前三角洲相（見(jiàn)圖3（c））.

2.2 濱岸相

濱岸位于向廣海傾斜的沿岸帶，無(wú)障壁島遮擋，海水循環(huán)良好的開(kāi)闊海岸帶.剖面圖第2層，巖性為厚層石英砂巖夾薄層泥巖，見(jiàn)羽狀交錯(cuò)層理，表明受潮汐作用影響，為濱岸相.后期構(gòu)造作用使砂巖裂縫發(fā)育（見(jiàn)圖3（d））.剖面圖第11層，巖性為中厚層狀石英砂巖，偶夾薄層泥質(zhì)巖、粉砂巖.總體上砂巖純凈，發(fā)育交錯(cuò)層理、斜層理、板狀、楔形層理和爬升層理，見(jiàn)砂巖透鏡體，厚度約為25.0cm，為濱岸相.

2.3 臺(tái)地（潮坪、瀉湖）相

潮坪或半封閉的瀉湖，位于障壁島內(nèi)側(cè)的瀉湖四周、河口兩側(cè)沿岸和海底坡度極緩的廣海沿岸地區(qū).剖面圖除第7層外，第3-10層巖性為礫屑、砂屑白云巖、泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)粉砂巖、厚層狀粉晶白云巖夾頁(yè)巖和厚層泥巖，泥巖鈣質(zhì)及硅質(zhì)膠結(jié).礫屑擾動(dòng)大，泥質(zhì)粉砂巖中見(jiàn)交錯(cuò)層理.局部見(jiàn)藻紋層，白云巖層面見(jiàn)波痕，為潮坪、淺灘和瀉湖環(huán)境，整體上表現(xiàn)為潮坪—瀉湖交替出現(xiàn)（見(jiàn)圖3（e）-（h））.剖面圖第12層，巖性為薄層狀泥晶白云巖與薄層硅質(zhì)巖互層.白云巖含沉積角礫，局部硅質(zhì)層延伸不穩(wěn)定，見(jiàn)風(fēng)暴作用形成的竹葉狀礫屑白云巖，整體上分為3段：底部見(jiàn)凹凸不平的侵蝕面，表明一次風(fēng)暴作用開(kāi)始；中部見(jiàn)硅質(zhì)礫屑直立或呈疊瓦狀，局部幾期疊瓦方向不同交織呈尖棱狀，表明形成于風(fēng)暴作用的高潮期；頂部為丘狀紋層硅質(zhì)巖和白云巖，表明風(fēng)暴作用逐漸停止.整體上白云巖層與硅質(zhì)巖層相互平行，間夾多套風(fēng)暴巖，說(shuō)明風(fēng)暴周期發(fā)育（見(jiàn)圖4（a））.風(fēng)暴巖的出現(xiàn)指示沉積水體較淺［6-13］.中元古代大范圍的薄層狀硅質(zhì)巖為席狀藻類(lèi)沉積后經(jīng)硅化形成，根據(jù)席狀藻類(lèi)所指示的環(huán)境，表明該套地層形成于淺水環(huán)境［10-13］，為臺(tái)地環(huán)境.

2.4 淺灘相

淺灘位于臺(tái)地外側(cè)或淺海陸棚內(nèi)地勢(shì)較高的清水區(qū)域.剖面圖第7層，巖性為白云巖，具有一定磨圓度的角礫，見(jiàn)沖刷痕跡，為淺灘環(huán)境.剖面圖第13層，巖性為中薄層狀白云巖與黑色硅質(zhì)巖互層；紋層發(fā)育，見(jiàn)交錯(cuò)層理，白云巖含角礫，為淺灘高能環(huán)境（見(jiàn)圖4（b））.

2.5 淺水緩坡相

淺水緩坡位于淺灘靠海一側(cè)，坡度較小，水體相對(duì)較淺，沉積界面在浪擊面之上.剖面圖第14層，巖性為角礫白云巖，含硅質(zhì)條帶；角礫磨圓度較高，礫徑為1.0、3.0cm，礫石層厚度為6.0cm，為淺水緩坡環(huán)境.

2.6 深水緩坡相

深水緩坡坡度較小，水體相對(duì)較淺，沉積界面在浪擊面之下.剖面圖第15層，巖性為薄層狀白云巖、中厚層狀灰白色粉晶白云巖，含硅質(zhì)條帶；硅質(zhì)條帶被拉伸（見(jiàn)圖4（c）），平行于層面斷續(xù)發(fā)育，局部見(jiàn)小斷層.根據(jù)地球化學(xué)測(cè)試分析結(jié)果，華北板塊薊縣系大范圍硅質(zhì)條帶為熱液成因，與拉張裂陷形成的火山作用有關(guān)，形成于水體較深的環(huán)境［10-11，13］，為深水緩坡環(huán)境.

2.7 斜坡相

斜坡位于臺(tái)地邊緣朝向廣海一側(cè)坡度較大的斜坡地帶.沉積界面在深水緩坡之下，深度大小不一，主要依據(jù)坡度變化確定，相帶較窄.剖面圖第16層，巖性為灰色薄層狀白云巖與黑色薄層狀燧石條帶互層；見(jiàn)平行紋層，局部可見(jiàn)竹葉狀角礫呈放射狀或無(wú)序狀，硅質(zhì)巖與白云巖均有塑性滑動(dòng)痕跡，白云巖透鏡體，為斜坡環(huán)境.

2.8 開(kāi)闊陸棚相

開(kāi)闊陸棚為位于斜坡與盆地之間深水環(huán)境，沉積界面在氧化界面之下.剖面圖第17層，巖性為薄層白云巖夾含白色硅質(zhì)條帶、中厚層狀細(xì)晶白云巖，發(fā)育錐狀疊層石，疊層石寬度約為4.0cm，長(zhǎng)度約為20.0 cm（見(jiàn)圖4（d））.隨著水體不斷加深，疊層石形態(tài)從席狀—柱狀—指狀—錐狀變化.該段錐狀疊層石的出現(xiàn)反映沉積環(huán)境水體較深.

2.9 深海盆地相

深海盆地位于風(fēng)暴很少波及到的區(qū)域，特別是被動(dòng)大陸邊緣盆地，具有構(gòu)造活動(dòng)性強(qiáng)，沉降幅度大的特征.剖面圖第18層中、下部，巖性為粉砂巖夾黑色泥巖，向上砂質(zhì)逐漸減少，粉晶白云巖.砂、泥巖中見(jiàn)鮑馬序列（見(jiàn)圖4（e））：底部為粗粒結(jié)構(gòu)，往上逐漸變細(xì)，呈現(xiàn)平行層理，并漸變?yōu)槟鄮r.白云巖中滑塌構(gòu)造十分發(fā)育，為深海盆地環(huán)境.剖面圖第18層頂部，巖性為白云巖、頁(yè)巖，白云巖整體無(wú)結(jié)構(gòu)，表明滑塌構(gòu)造發(fā)育（見(jiàn)圖4（f）），滑塌層厚度約為10.0m，包卷層理發(fā)育，包卷同心圓直徑達(dá)13.0cm，發(fā)育頁(yè)理，表明水體環(huán)境較深，為深海盆地環(huán)境.

長(zhǎng)城系整體表現(xiàn)為三角洲相—濱岸相—淺灘—瀉湖相，由陸相向海相過(guò)渡，水深增大（見(jiàn)圖2（a））.薊縣系整體表現(xiàn)為潮間—緩坡—斜坡—開(kāi)闊陸棚—深海盆地，水體逐漸加深（見(jiàn)圖2（b））.從長(zhǎng)城紀(jì)到薊縣紀(jì)，整個(gè)中元古代水體逐漸變深，沉積相表現(xiàn)為裂谷系非補(bǔ)償型沉積.該區(qū)中元古代沉積相模式見(jiàn)圖5.

3 震積巖序列

震積巖是未固結(jié)的沉積物，因震動(dòng)而原地液化變形形成［14-17］.震積巖存在依據(jù)為：（1）與古地震區(qū)毗鄰；（2）存在可液化層；（3）存在液化變形構(gòu)造；（4）液化變形限制在某一層或幾個(gè)層內(nèi)；（5）變形構(gòu)造能進(jìn)行區(qū)域?qū)Ρ龋唬?）沒(méi)有其他變形構(gòu)造影響［16-19］.震積巖通常具有液化、卷曲變形和滑塌構(gòu)造基本特征.中元古代，洛南縣巡檢鎮(zhèn)位于華北南緣構(gòu)造帶，晉豫陜裂谷系北緣［18］處于古地震區(qū).根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，薊縣系龍家園組、巡檢司組、杜關(guān)組白云巖與硅質(zhì)巖互層的地層中液化變形構(gòu)造發(fā)育，杜關(guān)組、馮家灣組滑塌構(gòu)造發(fā)育.區(qū)域上同時(shí)代的華北板塊迷霧山組、白云鄂博群存在震積巖［20-21］，因此研究區(qū)具備存在震積巖的先決條件.

野外地質(zhì)調(diào)查時(shí)，常將震積巖歸入一個(gè)序列判斷識(shí)別，根據(jù)峨眉山小型構(gòu)造劃分的震積巖序列為：微型遞變斷裂、微型褶皺、碎塊層和液化層.根據(jù)一次地震形成由強(qiáng)到弱的能量變化劃分的序列為：震積巖、海嘯巖和濁積巖.碳酸鹽巖中包括A—E單元，自下而上為：A單元為泥晶脈擾動(dòng)層，垂向彎曲脈發(fā)育；B單元為液化卷曲變形層，發(fā)育震褶巖、震裂巖和震塌巖；C單元為階梯狀斷裂與地裂縫發(fā)育；D單元為海嘯階段，發(fā)育風(fēng)暴巖和津浪丘狀層理；E單元為濁流沉積、鮑馬序列和交錯(cuò)層理［14］.前3個(gè)單元反映震積巖自身特性，后2個(gè)單元與古地震作用相聯(lián)系，可與震積巖相印證.研究金沙江中段大陸邊緣海相碎屑巖，劃分震積巖序列包括滑塌與重力流成因的6個(gè)單元，自上而下為：A單元為遞變斷裂巖；B單元為震碎角礫巖；C單元為震褶巖，層內(nèi)包括階梯斷層；D單元為滑塌巨角礫巖；E單元為震積角礫巖；F單元為震濁積巖.在洛南縣巡檢鎮(zhèn)地區(qū)長(zhǎng)城系中未發(fā)現(xiàn)碎屑巖地層的震積巖標(biāo)志，如階梯斷層、液化卷曲變形、液化砂巖脈等［19］，即便出現(xiàn)火焰狀構(gòu)造、砂巖枕（見(jiàn)圖4（c）），也是局部性的，規(guī)模較小，為差異壓實(shí)與其他構(gòu)造作用形成.薊縣系可劃分碳酸鹽巖震積巖序列中除C單元外的其他4個(gè)單元（見(jiàn)表1）.

表1 薊縣系震積巖序列發(fā)育特征Table 1 Development characteristics of seismites series in Jixian system

3.1 風(fēng)暴巖

風(fēng)暴巖指沉積物受到風(fēng)暴擾動(dòng)后再沉積形成的一套沉積組合［22-24］.完整的風(fēng)暴巖序列由下至上為：侵蝕底面、礫屑段、粒序段、平行紋層段、丘狀紋層段、風(fēng)暴濁積巖和泥巖段.剖面圖第12層，可見(jiàn)厚度約為5.0～8.0m的風(fēng)暴巖與薄層白云巖互層，包括侵蝕面、礫屑段和丘狀紋層段，礫屑多方向交織，風(fēng)暴能量強(qiáng)（見(jiàn)圖4（a））.風(fēng)暴巖雖非由地震產(chǎn)生、進(jìn)而原地沉積變形形成，但卻為地震引發(fā)的海嘯形成，也可指示古地震的存在，屬碳酸鹽巖震積巖序列中的D單元.

3.2 震褶巖

震褶巖歸結(jié)為液化卷曲變形的一種形式，由液化擾動(dòng)形成，具有一定坡度條件下可形成震裂巖.剖面圖第12、13、17層，薄層白云巖與薄層硅質(zhì)巖互層的地層中可見(jiàn)厚度約為35.0cm的震褶巖，白云巖與硅質(zhì)巖彎曲，突出部分為硅質(zhì)巖，彎曲十分明顯（見(jiàn)圖6（a））.薄層白云巖夾薄層硅質(zhì)巖或含硅質(zhì)團(tuán)塊（見(jiàn)圖6（b）），從上至下分為形態(tài)不協(xié)調(diào)的4個(gè)部分：（1）竹葉狀礫屑白云巖，礫屑呈疊瓦狀排列；（2）拗曲，平坦處部分被削截，彎曲處硅質(zhì)巖部分似前積層，與平坦處薄層白云巖紋層不連續(xù)；（3）滑脫褶皺，核部硅質(zhì)巖明顯增厚，兩邊減薄，褶皺呈尖棱狀；（4）箱狀褶皺，尖棱狀褶皺向上逐漸過(guò)渡為箱狀褶皺，褶皺頂薄翼厚，硅質(zhì)巖只出現(xiàn)在褶皺翼部，說(shuō)明受到垂向擠壓.褶皺翼部見(jiàn)小型裂縫，為液化泄水縫.震褶巖出現(xiàn)在碳酸鹽巖震積巖序列的B單元.

3.3 震裂巖

剖面圖第15層可見(jiàn)震裂巖，其斷層規(guī)模小、不穿層，斷層尾端附近見(jiàn)液化變形構(gòu)造.斷層下盤(pán)見(jiàn)長(zhǎng)條形自碎角礫和棱角狀準(zhǔn)原地角礫，前者與巖層平行，基本為原地，后者無(wú)方向性，大小不一，成分與附近巖層一致（見(jiàn)圖6（c））.震裂巖能影響軟沉積物液化變形與固結(jié)成巖后的脆性變形，指示發(fā)生于地震活動(dòng)的衰減期，屬于碳酸鹽巖震積巖序列的B單元.

3.4 液化底辟構(gòu)造

底劈是指某些物質(zhì)以塑性或流體狀態(tài)從深到淺的侵入穿刺，引起上部負(fù)載層變形［22］.地震作用使得某些巖層液化，與周?chē)鷰r層形成塑性差，受到擠壓而刺穿上隆.剖面圖第15層發(fā)育高度約為0.5m的柱狀底劈，其核部硅質(zhì)巖呈團(tuán)塊狀，底劈邊緣向斜被沉積物填充，厚度增加（見(jiàn)圖6（d））.液化底劈構(gòu)造出現(xiàn)在碳酸鹽巖震積巖序列的A單元.

3.5 津浪丘狀層

津浪丘狀層由海嘯形成，根據(jù)喬秀夫等［14］對(duì)津浪丘狀層的形態(tài)分類(lèi).剖面圖第15、16層薄層白云巖與薄層硅質(zhì)巖互層的巖層段，觀察到波長(zhǎng)（L）與振幅（H）之比為4左右的d型高度丘（見(jiàn)圖6（e）），波長(zhǎng)與振幅之比為10左右的c型中等高度丘（見(jiàn)圖6（f）），以及凹狀丘.c型津浪丘狀層與風(fēng)暴巖形成于震積巖序列的同一單元，出現(xiàn)在淺水區(qū)，并與薄層硅質(zhì)成因分析吻合，對(duì)沉積相劃分有指示意義.津浪丘狀層與風(fēng)暴巖為海嘯作用形成，同屬于碳酸鹽巖震積巖序列的D單元，但比風(fēng)暴巖水體稍深.

3.6 震濁積巖

地震是形成濁積巖的誘因之一，區(qū)分濁積巖由地震還是非地震觸發(fā)較為困難，特別是當(dāng)兩者所沉積的區(qū)域在深海盆地或深洼地區(qū)時(shí).剖面圖第18層出現(xiàn)厚度較大的無(wú)結(jié)構(gòu)、含包卷層理白云巖滑塌構(gòu)造層（見(jiàn)圖4（f）），與序列的其他單元匹配，為碳酸鹽巖震積巖序列E單元.

研究區(qū)震積巖序列不完整，組合為B—D、A—D、B—E及單獨(dú)的B單元，不能組成完整序列.

4 結(jié)論

（1）中元古代洛南縣巡檢鎮(zhèn)處于鄂爾多斯盆地南緣晉豫陜裂谷帶內(nèi)，沉積相分析表明從陸相三角洲相逐漸向深海盆地相變化，水體不斷加深.

（2）中元古界薊縣系震積巖序列的出現(xiàn)表明研究區(qū)處于裂谷環(huán)境，與沉積相的變化規(guī)律相匹配.

（3）震積巖序列能部分與沉積相匹配，作為沉積相分析的輔助標(biāo)志，如風(fēng)暴巖、津浪丘狀層.

（4）震積巖序列在一個(gè)地區(qū)發(fā)育并不完整.

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