賀蘭山中段奧陶系米缽山組砂巖磁組構(gòu)特征及古水流分析＊

王浩霖，田鵬州，李印寶

（河南省煤田地質(zhì)局一隊(duì)，河南 新鄭，451150）

自從Graham（1954）提出將磁組構(gòu)（亦稱巖石磁化率各向異性）作為一種無(wú)損傷性測(cè)量巖石組構(gòu)的研究方法以來，因其具有快速、準(zhǔn)確及經(jīng)濟(jì)適用性等特點(diǎn)，目前已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于巖漿巖石學(xué)、沉積地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、礦田構(gòu)造學(xué)、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)以及水文環(huán)境等領(lǐng)域的研究［1］。巖石內(nèi)部磁性礦物分布排列方式的特點(diǎn)稱為磁組構(gòu)，研究認(rèn)為分析沉積物磁化率的量值橢球體長(zhǎng)軸（磁線理）方位與磁面理傾向，可達(dá)到分析古水流方向的目的［2］。

賀蘭山位于華北陸塊和阿拉善地塊之間南北向的構(gòu)造帶，南西連接祁連地槽，奧陶系米缽山組為賀蘭山構(gòu)造帶沉積發(fā)育的標(biāo)志性沉積地層（圖1）。前人對(duì)賀蘭山構(gòu)造帶及米缽山組做了大量研究工作，主要對(duì)沉積特征及元素地球化學(xué)背景等方面的研究較多，而對(duì)巖石古地磁方面的研究較少。由于米缽山組碎屑流沉積構(gòu)造不發(fā)育，難以判斷古水流方向，前人尚未針對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行研究。在腰壩等四圖幅1：5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作的基礎(chǔ)上，研究賀蘭山中段米缽山組發(fā)育的復(fù)理石建造及典型濁積巖鮑馬序列，首次采用濁積砂巖磁組構(gòu)分析方法判斷古水流方向，以填補(bǔ)該區(qū)相關(guān)研究領(lǐng)域的空白。

1 米缽山組沉積特征

項(xiàng)目組在賀蘭山西麓（圖1）白楊溝地區(qū)實(shí)測(cè)一條剖面（圖2），該剖面地層出露相對(duì)較好且內(nèi)部連續(xù)，重力流和濁流沉積發(fā)育，巖相變化較大。

圖1 賀蘭山中段米缽山組分布圖（據(jù)文獻(xiàn)［3］修改）Fig．1 Distribution map of Miboshan Formation in the middle section of Helan Mountain

圖2 米缽山組白楊溝實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面（PM301）Fig．2 Measured stratigraphic section（PM301）of Baiyanggou area in Miboshan Formation

白楊溝實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面（圖2）地層頂部見石炭系上統(tǒng)太原組，二者呈斷層接觸，斷層面上下地層變形較小，地層產(chǎn)狀基本一致。結(jié)合華北陸塊西緣整體缺失奧陶系上統(tǒng)至石炭系上統(tǒng)之間地層的特征，斷定該剖面的頂部即為米缽山組的頂部；底部與古元古界趙池溝組變質(zhì)巖呈斷層接觸，由此推斷白楊溝剖面地層應(yīng)為米缽山組的上部或中上部。

對(duì)剖面巖性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該套巨厚地層巖性表現(xiàn)為多個(gè)礫石含量逐漸減少、粒度由粗變細(xì)的巖性段，巖性變化具有旋回性和多期次性的特點(diǎn)，為多個(gè)旋回的疊加，顯示沉積基準(zhǔn)面的旋回變化（即海平面的升降）。通過對(duì)巖石粒度變化和礫石含量統(tǒng)計(jì)分析，將白楊溝地質(zhì)剖面的沉積變化劃分三個(gè)次一級(jí)旋回（圖3），即三個(gè)有規(guī)律的巖性段。

圖3 研究區(qū)米缽山組巖性旋回性變化（圖例同圖2）Fig．3 Lithologic cyclicity variation of the Miboshan Formation in the studied area

由圖3可知，各段巖性的三分性顯著，下部灰?guī)r角礫巖大量發(fā)育，單層灰?guī)r層厚度大，夾黃色砂礫巖、砂巖、砂板巖；中部為?。泻駥雍[中砂巖、細(xì)砂巖與灰綠色粉砂質(zhì)板巖互層夾礫屑灰?guī)r、并夾少量中厚層礫屑灰?guī)r；上部以含礫砂巖、細(xì)粉砂巖與灰綠色板巖的韻律層理為主?？傮w看，下部地層巖性較粗，上部地層巖性較細(xì)，即由下向上變細(xì)，顯示海平面由淺變深，說明賀蘭海槽至少經(jīng)歷3次以上的海平面動(dòng)蕩變化，表明賀蘭山海槽為深海、高速動(dòng)力流沉積。

2 樣品采集及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)研究區(qū)米缽山組沉積特征，在白楊溝實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面的5、14、19和20層共采集12塊砂巖手標(biāo)本，經(jīng)室內(nèi)巖心柱鉆取，共切割為2．5×2．2cm 標(biāo)準(zhǔn)柱狀樣66塊。

在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品進(jìn)行加熱退磁處理，磁化率及磁組構(gòu)的測(cè)量使用KLY－3 型卡帕橋，天然剩磁測(cè)量使用SMD－88旋轉(zhuǎn)磁力儀。

3 磁組構(gòu)特征

前人研究發(fā)現(xiàn)磁化率各向異性度P 值在三大巖類中最?。ǎ?．1），磁面理F＞磁線理L。米缽山組砂巖磁化率特征測(cè)試結(jié)果如表1，可見其磁化率參數(shù)P值均＜1．073；磁面理F＞磁線理L。天然剩磁測(cè)量結(jié)果表明本組地層天然剩磁微弱，SMD－88旋轉(zhuǎn)磁力儀精度范圍為10－1～10－6mAm2，近乎超出量程范圍。

4 古水流方向分析

雖然磁化率量值橢球的長(zhǎng)軸平行于沉積面，但其指向視具體沉積環(huán)境而定。Hrouda［4］結(jié)合天然沉積巖及室內(nèi)模擬沉積實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)動(dòng)力沉積環(huán)境下磁性礦物顆粒長(zhǎng)軸大致垂直于水流方向，而在弱動(dòng)力或滯流沉積環(huán)境下磁性礦物顆粒長(zhǎng)軸則大致平行于水流方向；Ellwood（1979）［5］對(duì)Vema海峽的深海沉積物的磁各向異性進(jìn)行研究，認(rèn)為磁化率量值橢球的Kmax軸向垂直于海底流流向。據(jù)此，針對(duì)研究區(qū)為深海高速動(dòng)力流的特征，對(duì)量值橢球長(zhǎng)軸即最大磁化率主軸方向分析如下。

試驗(yàn)測(cè)量標(biāo)本坐標(biāo)系數(shù)值，并轉(zhuǎn)換至地理坐標(biāo)系下投影，求解磁化率量值橢球體3個(gè)主軸方向的磁化率值：Kmax（長(zhǎng)軸），Kint（中軸），Kmin（短軸），標(biāo)記平均值與區(qū)間（圖4）及3個(gè)主軸平均方向（表2）。根據(jù)圖形統(tǒng)計(jì)的量值橢球體長(zhǎng)軸K1方向區(qū)間（圖5）和平均方向以及由長(zhǎng)軸方向反映的古水流方向（圖5）如下。

圖4 地理坐標(biāo)系統(tǒng)下磁化率量值橢球體3個(gè)主軸方向量值區(qū)間Fig．4 Three principal axes value intervals of the magnetic susceptibility ellipsoid in geographic coordinate system

圖5 橢球體長(zhǎng)軸及古水流方向區(qū)間示意圖Fig．5 Interval schematic diagrams of the ellipsoid axis and paleocurrent direction

表1 米缽山組砂巖磁化率特征Table 1 Magnetic susceptibility characteristics of sandstones from Miboshan Formation

表2 米缽山組砂巖磁組構(gòu)主軸平均方向Table 2 Average directionS of magnetic fabric’s spindle of the sandstones from Miboshan Formation

A 組磁組構(gòu)長(zhǎng)軸方向?yàn)?22．6°∠65．3°，反映這一地層沉積時(shí)的古水流方向?yàn)镹W－SE；

E／F 組磁組構(gòu)長(zhǎng)軸方向?yàn)?90．4°∠14．5°，反映這一地層沉積時(shí)的古水流方向?yàn)镹E－SW；

G 組磁組構(gòu)長(zhǎng)軸方向?yàn)?97．0°∠47．7°，反映這一地層沉積時(shí)的古水流方向?yàn)镹E－SW；

H 組磁組構(gòu)長(zhǎng)軸方向?yàn)?55．6°∠25．5°，反映這一地層沉積時(shí)的古水流方向?yàn)镹E－SW。

所得地層總體古水流方向?yàn)镹W－SE 和NESW。鑒于賀蘭山海槽海底北淺南深的古地貌特征［6］，認(rèn)為該區(qū)古水流總流向以NE－SW 為主，亦有NW－SE?？赏茰y(cè)樣品砂巖的物源方向以NE 為主，賀蘭山海槽的北東側(cè)為華北陸塊西緣，即砂巖物源來自華北陸塊西緣，與王浩霖等（2012）［7］砂巖元素地球化學(xué)研究的物源區(qū)正好吻合。地層沉積古水流的多向性顯示海底扇水流多向性，是由于海底扇地貌特征和水道取向等因素決定的每一次沉積事件都有可能出現(xiàn)特定的補(bǔ)給水道，因而導(dǎo)致海底扇沉積物流的多向性。

5 結(jié) 論

首次在該區(qū)采用磁組構(gòu)分析方法研究米缽山組砂巖沉積的古水流方向，研究發(fā)現(xiàn)米缽山組砂巖磁組構(gòu)特征為磁面理F＞磁線理L，天然剩磁微弱。通過對(duì)地理坐標(biāo)系下投影及磁化率量值橢球主軸方向研究，確定研究區(qū)米缽山組海底扇濁流沉積的古水流總流向?yàn)橛蒒E 向SW，亦有由NW 向SE，認(rèn)為砂巖物源來自于賀蘭山海槽NE側(cè)的華北陸塊西緣。

［1］潘永信，朱日祥．磁組構(gòu)研究現(xiàn)狀［J］．地球物理學(xué)進(jìn)展，1998，13（01）：52－59．

［2］叢友滋，臧啟運(yùn)，李培英，等．用磁組構(gòu)研究底層流流向的初步探討［J］．海洋學(xué)報(bào)，1990，12（3）：347－351．

［3］黃喜峰，錢壯志，逯東霞，等．賀蘭山中南段奧陶系米缽山組的沉積環(huán)境與構(gòu)造背景分析［J］．地球?qū)W報(bào)，2009，30（1）：65－71．

［4］Hrouda F．Magnetic anisotropy of rocks and its application in geology and geophysics［J］．Geophys，1982，（5）：37－82．

［5］EIIwood B B，Ledbetter M T．Paleocurrent indicators in deepsea sediment［J］．Science，1979，（208）：1335－1337．

［6］寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局．寧夏回族自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)志［M］．北京：地質(zhì)出版社，1990．

［7］王浩霖，常山．賀蘭山中段奧陶系米缽山組砂巖地球化學(xué)及構(gòu)造背景分析［J］．資源調(diào)查與環(huán)境，2012，33（3）：198－205．