豫西魯山地區(qū)中元古界汝陽群上部沉積相分析

鄭 偉， 邢智峰， 袁余洋

(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003)

研究區(qū)魯山縣位于河南省中西部，隸屬平頂山市(圖1)，該區(qū)地處華北陸塊南緣，屬華北地層區(qū)豫西地層分區(qū)澠池—確山地層小區(qū)，區(qū)內(nèi)中、新元古代地層發(fā)育齊全，露頭連續(xù)，是我國中元古界地層發(fā)育較好的地區(qū)之一。孫樞(1982)、楊式溥(1995)、孟慶任 (1995)、周洪瑞 (1998，1999a，1999b)、齊永安(2005)等學(xué)者對該地區(qū)大地構(gòu)造、層序地層及遺跡化石進(jìn)行了研究，取得了很多成果。近年來，一些學(xué)者(Noffke，2001;史曉穎，2008;邢智峰，2009)認(rèn)為該地區(qū)發(fā)現(xiàn)的類似干裂的遺跡化石并非后生生物遺留的痕跡，而實際是微生物形成的原生沉積構(gòu)造，是表棲蘭藻菌等微生物所形成的微生物席或微生物膜與其他物理作用營力相互作用的產(chǎn)物，其主要集中在元古代海相沉積中的報道，使豫西成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。作者通過對魯山縣下湯中元古界汝陽群上部實地勘測、收集地層資料和測制剖面后，借鑒Miall(1978)研究河流巖相的方法，通過巖相組合特征，結(jié)合微生物成因的沉積構(gòu)造(MISS)，對該區(qū)地層的沉積相進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 巖相類型

研究區(qū)中元古界汝陽群上部主要分布在下湯車村-下湯斷裂以北及魯山東北部，魯山昭平臺水庫北側(cè)有零星出露，與下伏云夢山組呈整合接觸，包括白草坪組和北大尖組，共185層，厚564 m。白草坪組整合在云夢山組之上，主要為一套呈互層狀的紫紅色、紫灰色砂巖、頁巖沉積，共115層，厚237.5 m;北大尖組整合接觸于白草坪組，主要為灰白色石英砂巖夾灰綠色、灰黑色頁巖，頂部為礫屑、礫屑白云巖，根據(jù)巖性特征可劃分為四個巖性段，共70層，厚326.4 m。該區(qū)地層發(fā)育了豐富的沉積構(gòu)造，主要以楔狀交錯層理、各種波痕、水平層理為主，其次為板狀交錯層理、羽狀交錯層理，平行層理和透鏡體結(jié)構(gòu)。該地層發(fā)現(xiàn)了大量的MISS構(gòu)造，也就是微生物成因的沉積構(gòu)造，它是微生物通過生命活動與生物化學(xué)過程形成的微生物席而保護(hù)、平滑和穩(wěn)固沉積物表層并增強(qiáng)了沉積表層的抗水流侵蝕，而后沉積表層暴露脫水收縮沉積物充填形成的(Noffke，2008)。Schieber(2004)將 MISS 分為四類，微生物席生長構(gòu)造，微生物席破壞構(gòu)造，微生物席新陳代謝構(gòu)造和微生物席腐爛構(gòu)造四大類。

筆者借鑒Miall(1978)研究河流巖相的方法，結(jié)合研究區(qū)巖石結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造特征以及MISS構(gòu) 造特點(diǎn)，共劃分出25種巖相類型(如表1)

圖1 豫西魯山縣地質(zhì)分布圖Fig.1 Geologic map of Lushan，western Henan province

表1 中元古界汝陽群上部巖相類型Tab.1 The types of Lithofacies in Mesoproterozoic Upper Ruyang Group

序號 巖相代碼 巖相類型 沉積構(gòu)造 結(jié)構(gòu)構(gòu)造描述13 Ms MISS砂巖相 塊狀層理、平行層理紫紅色、灰黃色，粒度粗細(xì)不一，MISS構(gòu)造一般發(fā)育在水動力相對較弱、中等的淺水環(huán)境，代表潮間帶砂坪、上臨濱或前濱等環(huán)境。14 Xx 羽狀交錯層理細(xì)砂巖相羽狀交錯層理 紫紅色、灰白色，多為中薄層狀，也見為中厚層狀，為細(xì)粒石英砂巖，常發(fā)育MISS構(gòu)造，常與楔狀交錯層理共生。出現(xiàn)在上臨濱、潮下帶或潮間帶砂坪。15 Fz 復(fù)合層理中細(xì)砂巖相 板狀交錯層理，楔狀交錯層理，平行層理紫紅色、灰黃色，中、細(xì)粒，多為厚層狀，主要有板狀、楔狀交錯層理、平行層理，也見有波痕發(fā)育，一般出現(xiàn)在水動力相對較強(qiáng)的潮下和下臨濱。16 Nfz 泥礫復(fù)合層理中砂巖相板狀交錯層理，楔狀交錯層理，平行層理同含泥礫塊狀層理細(xì)砂巖相似，主要發(fā)育在前濱環(huán)境和潮間帶混合坪環(huán)境中。17 Txz 透鏡體斜切層理中細(xì)砂巖相斜切構(gòu)造 紫紅色，可見斜切構(gòu)造沖刷現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)下細(xì)上粗，頂部見石英質(zhì)礫巖，其中橫向上延伸不穩(wěn)定，總體呈透鏡狀。18 By 粗晶白云結(jié)核頁巖相 水平層理 紫紅色，水平層理，風(fēng)化后呈破碎嚴(yán)重，結(jié)核呈白色，為水體相對平靜的過渡帶。19 Blx 白云礫石薄層細(xì)砂巖相紫紅色，薄層狀，偶見中厚層，白云巖礫石呈灰白色、餅狀、沿紋層分布呈斜層理，代表一種典型的混合潮坪潮間帶沉積。20 Wnb 紋層砂屑泥晶白云巖相紋層 肉紅色，呈薄層紋層狀，泥晶白云巖粒度相對較細(xì)、呈灰白色，為碎屑沉積向碳酸巖沉積過渡的潮間帶沉積。21 Bch 礫屑白云巖與細(xì)粒長石砂巖互層相低角度交錯層理 紫紅色長石細(xì)砂巖、呈中厚層狀、發(fā)育低角度交錯層理、成熟高，礫屑白云巖灰白色、礫石呈長條狀或球狀、多疊瓦狀排列呈斜層理，為碳酸鹽巖潮下帶或潮間帶沉積。22 Blw 礫屑白云巖夾含礫白云巖紋層相紋層 白云巖礫屑為灰白色、一般為餅狀和長條狀、多疊瓦狀排列呈斜層理，夾有白云巖礫石紋層為碳酸鹽巖潮下帶或潮間帶沉積。23 Db 中厚層疊層石白云巖相白云巖呈灰白色，疊層石局部發(fā)育，為饅頭狀，分布不太廣泛，為典型的碳酸鹽巖潮間帶沉積。24 Djx 低角度交錯層理細(xì)粒砂巖相低角度交錯層理 肉紅色，粒度較細(xì)，呈厚層狀，粒度成熟度高，發(fā)育低角度交錯層理，代表一種水體相對中等的混合潮間相。25 Bsj 白云質(zhì)石英砂巖夾礫屑白云巖相白云質(zhì)石英砂呈淺肉紅色，無層理，礫屑白云巖同上，一般發(fā)育在混合潮下相。

根據(jù)上述25種巖相類型和每種巖相所代表的環(huán)境意義，在研究區(qū)識別出六大沉積相類型:海灘沉積、碎屑潮坪沉積、碳酸鹽巖潮坪沉積、碎屑巖和碳酸鹽巖潮坪混合沉積、過渡帶沉積和淺海沉積(鄭偉，2010)。

2 汝陽群上部沉積相特征

根據(jù)巖相類型、巖相組合、內(nèi)部形態(tài)和剖面特征，汝陽群上部可識別出6個沉積相和10個沉積微相:(1)海灘沉積相:包括下臨濱微相(Xlb)、上臨濱微相(Slb)、前濱微相(Qb);(2)碎屑潮坪沉積相:包括潮下微相(Cx)、潮間砂坪微相(Cjs)、潮間混合坪微相(Cjh);(3)碳酸鹽巖潮坪沉積相:包括潮下微相(Tcx)、潮間微相(Tcj);(4)碎屑巖和碳酸鹽巖潮坪混合沉積相:包括潮下微相(Hcx)和潮間微相(Hcj);(5)過渡帶亞相(Gdd);(6)淺海亞相(Qh)。

(1)海灘沉積相。海灘沉積主要發(fā)育在北大尖組，形成于由波浪作用控制的開闊且陸源物質(zhì)供應(yīng)充足的濱岸環(huán)境，主要由 Kc、Kx、Sf、Pzx、Bz、Xsn、Zsn、Dsn、Fz等巖相組成。主要發(fā)育沖洗交錯層理(圖2-2)、楔狀交錯層理、水平層理和波痕構(gòu)造(圖2-3)，沉積物主要以肉紅色和灰黃色中細(xì)石英砂為主，偶含長石，石英砂巖中礦物組分單一，由細(xì)-中粒石英顆粒及少量膠結(jié)物組成，總體上顆粒分選、磨圓較好。發(fā)育與波痕共生的紡錘形和鳥足狀MISS構(gòu)造(圖2-1)，可識別出3個微相:下臨濱微相、上臨濱微相、前濱微相。下臨濱微相以Sf、Bs、Zsn、Dsn巖相類型為主，細(xì)砂、粉砂與薄層泥互層是下臨濱微相沉積的典型特征。上臨濱微相以Bz、Xzs、Fz、Bs、Kc 等巖相類型為主，沉積物多為紫紅或灰黃色石英砂巖，分選、磨圓中等。前濱微相以Cx、Ms、Bs、Nfz等巖相類型為主，以中、細(xì)粒石英砂巖為主，磨圓和分選較好，成熟度較高，沖洗交錯層理為其典型的特征，發(fā)育各種類型的波痕。

圖2 海灘沉積構(gòu)造特征Fig.2 Sedimentary structure characteristics of forshore deposits

圖3 碎屑潮坪沉積構(gòu)造特征Fig.3 Sedimentary structure characteristics of tidal flat deposits

(2)碎屑潮坪沉積相。碎屑潮坪沉積是白草坪和北大尖組的主要沉積相，主要由 Xx、Nfz、Bs、Ms、Kx、Pzx、Bz、Xsn、Zsn、Dsn、Yy 等巖相組成。沉積物主要由紫紅色和灰黃色中細(xì)粒石英砂、粉砂以及紫紅色和淺綠色泥巖為主，主要發(fā)育羽狀交錯層理(圖3-2)、透鏡狀層理、潮汐層理形成的砂泥互層(圖3-1)、波痕構(gòu)造，其次為水平層理、波狀層理、楔狀交錯層理。研究區(qū)內(nèi)還見到潮坪沉積的一典型特征為扁平泥礫(圖3-4)，泥礫多呈紫紅色、偶見灰白色，呈橢圓形或圓形，一般礫徑1～3 cm，在巖層中不均勻分布，為潮上帶和潮間泥坪巖層在暴露環(huán)境下干裂、形成泥片再受潮汐水流改造而成，有較重要的指相意義(周洪瑞，1999a)。碎屑潮坪沉積相發(fā)育了大量的形態(tài)各異的MISS構(gòu)造，主要以紡錘形脫水裂痕構(gòu)造為主(圖3-3)?？勺R別出3個微相:潮下微相、潮間砂坪微相、潮間混合坪微相。潮下微相主要由 Xx、Bpz、Bs、Xzs、Fz、Pzx 等巖相類型組成，主要發(fā)育羽狀交錯層理、板狀交錯層理、波痕等沉積構(gòu)造。潮間砂坪微相主要由Tpz、Xx、Ms等巖相組成，沉積物以紫紅色中細(xì)粒石英砂巖為主，以小型楔狀交錯層理和波痕為主，MISS構(gòu)造相對潮下帶增多。潮間混合坪微相巖相類型主要有Xsn、Zsn、Dsn、Ms、Bs 等，以透鏡狀層理和波痕為主，MISS構(gòu)造較為豐富，其主要發(fā)育在石英砂巖層間以夾層出現(xiàn)的薄層泥巖或粉砂質(zhì)泥巖層面上，少量直接發(fā)育在石英砂巖的頂面和底面，以各類大小紡錘形狀為主，多為破壞構(gòu)造的脫水裂痕構(gòu)造，與波痕伴生。

(3)碳酸鹽巖潮坪沉積相。碳酸鹽巖潮坪沉積相主要由 Wnb、Blw、Db、Bch、Blx等巖相組成。沉積物主要由灰白色礫屑白云巖、灰白色含疊層石白云巖、淺肉紅色白云質(zhì)石英砂巖和長石砂巖為主。巖相內(nèi)白云巖礫屑一般為餅狀和長條狀、多疊瓦狀排列呈斜層理。可識別出2個微相:潮下微相和潮間微相。潮下微相以Blw、Db、Bch等類型為主，沉積物主要由砂屑、礫屑白云巖和細(xì)粒長石砂巖互層以及含白云巖紋層的礫屑白云巖構(gòu)成。潮間微相主要由 Wnb、Blw、Db、Bch、Blx等巖相組成，沉積物主要由疊層石白云巖、紋層白云巖、泥晶白云巖和礫屑白云巖組成，泥晶白云巖粒度較細(xì)，薄層紋層狀，呈灰白色;疊層石局部發(fā)育，為饅頭狀。

(4)碎屑巖和碳酸鹽巖潮坪混合沉積相。碎屑巖和碳酸鹽巖潮坪混合沉積相形成于陸源碎屑供應(yīng)充分向供應(yīng)不充分的轉(zhuǎn)換過渡的環(huán)境，主要發(fā)育在北大尖組上部，包括潮下微相和潮間微相。主要由Blx、Djx和Bsj等巖相組成。沉積物主要由含白云礫石細(xì)砂巖、細(xì)砂石英石巖、礫屑白云巖(圖4-1)和白云質(zhì)石英砂巖(圖4-2)為主。

3 汝陽群上部沉積相序類型及特征

根據(jù)上述巖相和沉積相分析，結(jié)合研究區(qū)沉積旋回特征，汝陽群上部自下向上可歸納為7種沉積相序類型(圖5)。這些相序類型較好地反映了汝陽群上部沉積體系的各個階段特征，有助于解釋研究區(qū)沉積演化特征，恢復(fù)古環(huán)境和古地理。

圖4 混合潮坪沉積構(gòu)造特征Fig.4 Sedimentary structure characteristics of tidal flat deposits

3.1 相序類型分述

(1)類型1。該類型以碎屑潮坪沉積為主，最上部為過渡帶沉積。潮坪沉積以潮間混合坪為主，沉積類型以砂泥互層為主，主要發(fā)育水平層理，最下層為指相過渡帶的灰綠色頁巖(圖5-A)。該類型代表初期穩(wěn)定的碎屑潮坪沉積相。

(2)類型2。以海灘沉積為主，夾有淺海過渡帶沉積。海灘沉積以下臨濱沉積為主，厚度分別為8 m和15.3 m，主要發(fā)育沖洗交錯層理、平行層理、塊狀層理、波痕等。該類型最為典型是一層厚為20 m的過渡帶頁巖相。該類型代表了中期穩(wěn)定的海灘為主、淺海相沉積為輔的沉積類型(圖5-B)。

(3)類型3。該類型以淺海相沉積為主，夾有海灘沉積。淺海沉積頁巖厚度為15m，代表了最大海泛面，其過渡帶沉積更為典型，即厚度達(dá)45.7 m的含磷質(zhì)粗晶白云巖結(jié)核頁巖沉積，主要發(fā)育水平層理和砂泥互層(圖5-C)。該類型代表了前期穩(wěn)定的淺海相沉積為主、海灘沉積為輔的沉積相。

(4)類型4。該類型發(fā)育在北大尖組下部，以碎屑潮坪沉積為主。在最底部為約0.5 m厚的指相海灘滯留沉積的粗砂雜礫巖相沉積，向上為2個旋回的潮下沉積和潮間沉積，最上部為11.5 m厚的潮上沉積泥巖相(圖5-D)。該類型代表了中期相對穩(wěn)定碎屑潮坪沉積。

(5)類型5。該類型發(fā)育在北大尖組中下部，以碎屑潮坪沉積為主。沉積類型較為豐富，主要發(fā)育水平層理、平行層理、楔狀交錯層理、塊狀層理以及砂泥互層等，該類型地層剖面厚度變化較大，從0.25 m到15 m，變化較為頻繁(圖5-E)。該類型代表了中期穩(wěn)定環(huán)境頻繁海進(jìn)海退的潮坪沉積相。

(6)類型6。該類型發(fā)育在北大尖組中上部，以碎屑潮坪沉積為主，夾有淺海相沉積。淺海頁巖沉積厚度為18.3 m，代表了該類型的最大海泛面，其過渡帶沉積為5.3 m厚大型砂泥互層，下部為潮坪潮下沉積，最為典型的是一層厚20 m的灰褐色中厚層狀含白云巖礫石中粒石英砂巖，潮間沉積以30 m厚的大型砂泥互層，沉積構(gòu)造以水平層理和塊狀層理為主(圖5-F)。代表了中末期穩(wěn)定的潮坪和淺海沉積。

(7)類型7。該類型(圖5-G)發(fā)育在北大尖組上部，以碎屑潮坪、碳酸鹽巖潮坪、碎屑潮坪和碳酸鹽巖潮坪混合沉積為主，三者交替出現(xiàn)。下部4層為碎屑潮坪沉積，總厚度約36 m，向上為一層厚約17 m的細(xì)砂巖與礫屑白云巖的碎屑巖和碳酸鹽巖混合潮坪沉積，其上為2層指相碳酸鹽潮坪沉積的礫屑白云巖夾含礫紋層白云巖，厚約34 m，再向上為兩層碎屑潮坪沉積，最上部為碎屑巖和碳酸鹽巖混合潮坪沉積。該類型代表了末期陸源碎屑供應(yīng)相對不足的碎屑潮坪沉積、碳酸鹽巖潮坪沉積和碎屑巖和碳酸鹽巖混合潮坪交替出現(xiàn)的過渡沉積。

3.2 汝陽群上部沉積演化關(guān)系

如圖6，根據(jù)相序類型 A、B、C、D、E、F 和 G 在白草坪組和北大尖組整個地層的位置，可以概括出它們之間存在的演變關(guān)系。類型A以潮坪沉積為主，沉積物以砂泥互層為主，仍延續(xù)著下部云夢山組穩(wěn)定的潮坪沉積，變化不是太大，較為不同的是出現(xiàn)了指相過渡帶的灰綠色頁巖。類型B為初期穩(wěn)定的海灘沉積，并出現(xiàn)了近20 m厚的指相過渡帶沉積的厚頁巖相。類型C以淺海相沉積為主，其淺海相沉積頁巖達(dá)15 m，為本類型最大海泛面，同時發(fā)育一層45.7 m的含磷質(zhì)粗晶白云巖結(jié)核頁巖沉積，開始初顯陸源碎屑相對不足，水體逐漸加深。類型D以潮坪沉積為主，相對其他類型地層剖面厚度變化較大，表明相對穩(wěn)定環(huán)境中小規(guī)模頻繁海進(jìn)海退。類型E與類型F較為相似，仍以碎屑潮坪沉積為主。類型F較類型E地層較厚，表明E延續(xù)了類型D的穩(wěn)定環(huán)境中的頻繁海進(jìn)海退，到類型F的淺海沉積達(dá)到相對穩(wěn)定。一層厚20 m含白云巖礫石中粒長石石英砂巖潮下沉積，根據(jù)其砂巖類型三角圖分析表明(圖7)，熊耳古陸已經(jīng)侵蝕到較深出的高級變質(zhì)巖和花崗巖，沉積物才富含長石(梅冥相，2005;張芳榮等，2009)。因此表明陸源碎屑不足已經(jīng)開始顯現(xiàn)，碳酸鹽巖沉積逐漸開始。類型G以碎屑潮坪、碳酸鹽巖潮坪和碎屑潮坪和碳酸鹽潮坪混合沉積為主，三者交替出現(xiàn)，表明碎屑沉積和碳酸鹽巖沉積反復(fù)更迭，是碎屑沉積向碳酸鹽巖沉積的過渡過程。因此，通過7個沉積類型的白草坪組和北大尖組的沉積模式圖(圖8、圖9)，以及它們在整個地層中的位置可以看出，類型A至類型G代表了研究區(qū)汝陽群上部沉積環(huán)境的發(fā)展趨勢，從A型初期白草坪組較為穩(wěn)定的海灘沉積、潮坪沉積以及淺海相沉積，一直到北大組碎屑潮坪穩(wěn)定的沉積模式，逐漸過渡到陸源碎屑相對不足的碎屑巖和碳酸鹽巖混合沉積，以及單純的碳酸鹽巖沉積。

圖5 豫西魯山汝陽群上部發(fā)育的7種相序類型Fig.5 Seven types of vertical successions in Upper Ruyang Group，Western Henan

圖6 豫西魯山汝陽群上部沉積垂向相序變化特征Fig.6 The vertical succession change of Upper Ruyang Group，Western Henan

4 結(jié)論

(1)在魯山中元古界汝陽群上部沉積體系中劃分出25種巖相類型;識別出了6種沉積相:海灘沉積亞相、碎屑潮坪沉積亞相、碳酸鹽巖潮坪沉積亞相、碎屑巖和碳酸鹽巖潮坪混合沉積相、過渡帶沉積相和淺海沉積相，10個沉積微相:下臨濱微相、上臨濱微相、前濱微相、碎屑巖潮下微相、碎屑巖潮間砂坪微相、碎屑巖潮間混合坪微相、碳酸鹽巖潮下微相、碳酸鹽巖潮間微相、碎屑巖和碳酸鹽巖潮坪混合沉積潮下微相和潮間微相。

圖7 研究區(qū)北大尖組砂巖類型三角圖Fig.7 Triangular diagram of sandstone types of Beidajian Formation

圖8 白草坪組沉積類型綜合模式圖Fig.8 The synthetical model of the vertical succession in Baicaoping Formation

圖9 白草坪組沉積類型綜合模式圖Fig.9 The synthetical model of the vertical succession in Beidajian Formation

(2)七個典型相序中，類型A表示海侵初期穩(wěn)定的陸源碎屑海灘沉積，類型B、C代表海侵前、中期穩(wěn)定的海灘沉積為主、淺海沉積為輔的沉積類型，類型D代表了中期相對穩(wěn)定潮坪沉積，類型E代表了中期穩(wěn)定環(huán)境頻繁海進(jìn)海退的潮坪沉積，類型F代表中末期穩(wěn)定的潮坪和淺海相沉積，類型G代表了汝陽群上部末期陸源碎屑從充足轉(zhuǎn)變到相對不足的碎屑潮坪沉積、碳酸鹽潮坪沉積和碎屑巖和碳酸鹽混合潮坪交替出現(xiàn)的沉積類型。從七個相序的演化我們可以看出，魯山地區(qū)熊耳裂陷槽經(jīng)歷了早期地殼拉伸沉降、火山強(qiáng)烈噴發(fā)的活動構(gòu)造后，在中元古代中期已經(jīng)進(jìn)入相對穩(wěn)定的緩慢沉降期，基地沉降速率不太快，古地理分異不明顯，到中元古代末期出現(xiàn)陸源補(bǔ)給相對不足，出現(xiàn)碳酸鹽巖沉積。

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