陜西寧強(qiáng)胡家壩地區(qū)震旦系燈影組風(fēng)暴沉積特征

劉明博，林晉炎，高 硒，王曉偉，華 洪，徐 喬

（西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710069）

國(guó)外對(duì)風(fēng)暴沉積的研究歷史較長(zhǎng)，始于20世紀(jì)50年代，并于70—80年代之間達(dá)到高潮。前人麥基（Mckee，1959）、海伊（High，1969）和鮑爾（Ball，1967）等人先后研究了碳酸鹽巖風(fēng)暴沉積。隨后沃爾頓（Walton，1970）、辛格（Singh，1972）和桑德斯（Sanders，1976）等則重點(diǎn)研究了陸源風(fēng)暴沉積（梁桂香，1994）。經(jīng)過眾多研究學(xué)者的長(zhǎng)期探索，創(chuàng)建了風(fēng)暴流沉積理論，堪稱沉積學(xué)領(lǐng)域的豐碑。我國(guó)從80年代中期開始引進(jìn)風(fēng)暴巖的概念，研究進(jìn)展迅速（劉寶珺等，1986；邵龍義，1993；周靜高等，1999），風(fēng)暴巖沉積特征的指示在沉積相分析與古環(huán)境恢復(fù)中具有重要的地質(zhì)意義。本文對(duì)研究區(qū)寧強(qiáng)胡家壩震旦系燈影組風(fēng)暴沉積進(jìn)行分析和探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

陜西寧強(qiáng)地區(qū)前寒武地層出露較為完整，發(fā)育最古老的結(jié)晶基地為古元古代后河雜巖（米倉(cāng)山區(qū)）和子午雜巖（漢南區(qū)），中元古代為綠片巖相變質(zhì)的三花石群，主要巖性為變沉積巖、變中酸性凝灰?guī)r和基性火山巖，不整合在古元古代變質(zhì)基地之上（趙鳳清等，2006）。新元古代南華紀(jì)地層總體特征是由寒冷冰期為主間以濕氣候的間冰期的沉積物所組成（尹崇玉等，2007），震旦紀(jì)陡山沱組和燈影組為陸表海碳酸鹽巖—碎屑巖沉積（陳高潮等，2012）。寧強(qiáng)、勉縣一帶震旦系屬于峽東型（王欣等，2010），下統(tǒng)燈影組與湖北峽東黃陵地區(qū)相似，主要巖性為鎂碳酸鹽巖，夾少量灰?guī)r及砂質(zhì)頁(yè)巖。研究區(qū)位于寧強(qiáng)縣胡家壩（圖1），燈影組根據(jù)古生物、巖性和沉積構(gòu)造的差異，三分性明顯，高家山段風(fēng)暴巖具有一定的沉積特征（圖2）。

圖1 陜西寧強(qiáng)—勉縣區(qū)域地質(zhì)概況Fig.1 The regional geology map of Ningqiang-Mianxian Shaanxi province

圖2 高家山剖面地層序列及沉積相劃分Fig.2 The stratigraphic sequence and sedimentary facies of gaojiashan section

2 風(fēng)暴沉積巖石學(xué)特征

2.1 高家山剖面巖石學(xué)特征

高家山剖面實(shí)測(cè)燈影組三分性明顯，藻白云巖段、高家山段和碑灣段均可見到，碑灣段與下寒武統(tǒng)郭家壩組呈假整合接觸，未見到藻白云巖段與下部陡山沱組的界限。高家山剖面起點(diǎn)坐標(biāo)為北緯32°57′13.1″，東經(jīng)106°27′58.2″，高程913m；終點(diǎn)坐標(biāo)為北緯32°57′40.7″，東經(jīng)106°27′48.1″，高程695m，實(shí)測(cè)剖面長(zhǎng)度為1250m，巖層累計(jì)真厚度為941m。高家山段地層主要巖性為：含礫白云巖、灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)砂巖，在高家山段末端可見碎屑砂巖；顏色以灰、淺灰、深灰色、灰綠色為主。經(jīng)鏡下觀察，碳酸鹽巖以細(xì)粉晶白云巖、粉屑灰?guī)r（顆粒分選較差，半徑0.02～0.05 mm，最大可見到0.07mm，次棱角—次圓，填隙物主要是灰泥雜基。）常見，并且含有少量石英（粒徑在0.03～0.16mm之間，基本都為次棱角—棱角狀。），偶見黑云母；碎屑巖常見粉砂巖、粉細(xì)砂巖，以泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)，顆粒主要為石英，長(zhǎng)石少見，石英含量占到50%以上，分選較差，粒徑0.65～1.65mm之間，多呈次棱角—棱角狀，巖屑可見云母、變質(zhì)巖屑（石英定向排列）、火山巖屑。

2.2 獅子崖剖面巖石學(xué)特征

獅子崖剖面位于胡家壩電廠對(duì)面，實(shí)測(cè)剖面長(zhǎng)度約0.368km，燈影組出露較為完整，巖相變化大，具有三分性。高家山段與風(fēng)暴層序相關(guān)的巖性有泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r和末端的中—粗砂巖、含礫粗砂巖、礫巖，顏色以淺灰、灰色、深灰色為主。在鏡下觀察：灰?guī)r為泥晶、細(xì)粉晶和粗粉晶，其中泥晶、細(xì)粉晶較為普遍，偶見有石英（粒徑分布0.02～0.11mm，主要為0.02～0.05mm之間，顆粒次棱角—棱角狀，偶見次圓狀。）；中—粗砂巖長(zhǎng)石普遍達(dá)到礫級(jí)，石英分選較差，粒徑在0.35～0.55mm之間，次棱角—次圓，偶見圓，泥質(zhì)膠結(jié)，出現(xiàn)石英巖巖屑。

3 沉積構(gòu)造特征

風(fēng)暴沉積具有特定的識(shí)別標(biāo)志，最具典型的是風(fēng)暴浪作用形成的丘狀或洼狀交錯(cuò)層理；以及垂向?qū)有蛏?，下為平行紋層理，上為波狀紋層理（朱筱敏，2008；白萬(wàn)備等，2011）。

通過對(duì)高家山剖面詳細(xì)野外觀測(cè)，識(shí)別出高家山剖面高家山段風(fēng)暴沉積識(shí)別標(biāo)志包括丘狀交錯(cuò)層理、灰?guī)r的側(cè)向不穩(wěn)定展布、生物逃逸化石（圖3C）以及粉砂巖與泥巖的韻律組合（馬冀等，2008）。獅子崖剖面高家山段碳酸鹽巖發(fā)育水平層理，幾乎不見丘狀交錯(cuò)層理，碎屑巖可見丘狀—波狀層理、滯留顆粒沉積、溝模以及底面侵蝕—充填構(gòu)造。

圖3 胡家壩地區(qū)風(fēng)暴沉積構(gòu)造特征Fig.3 Sedimentary structure of storm deposit in Hujiaba

3.1 化石保存特征

高家山生物群為埃迪卡拉型生物群的晚期代表，高家山碑灣—牛落坑剖面是高家山生物群的命名產(chǎn)地和經(jīng)典剖面（李朋，2008）。高家山段化石 豐 富（Shaanxilithes Helminthopsis、Conotubus-Gaojiashania-Protolagena、Sinotubulites-Cloudina）（華洪等，2001；張易錄等，2001），黃鐵礦化軟軀體化石（Cai et al，2006）的發(fā)現(xiàn)在世界范圍內(nèi)占有重要地位，不僅可以更深入的了解前寒武生物群，而且對(duì)于探討黃鐵礦化軟軀體化石的機(jī)理和過程具有重大意義（李朋，2008）。快速埋藏是化石保存條件之一，高家山生物群的埋藏屬于風(fēng)暴沉積事件（Cai et al，2007），野外資料主要依據(jù)：（1）化石層位巖石橫向上變化較快，容易尖滅；（2）化石層位丘狀交錯(cuò)層理普遍存在；（3）灰?guī)r和碎屑巖中普遍存在滯留沉積泥礫和石英顆粒；（4）錐管蟲和高家山蟲都顯示了遭受不同程度的風(fēng)暴窒息作用（smothering）和簸選作用（winnowing）的影響（馬冀等，2008；李朋，2008；蔡耀平，2011）。高家山下段含有Shaanxilithes ningqiangensis化石層位在橫向上比較穩(wěn)定，巖性為灰綠色含海綠石砂質(zhì)頁(yè)巖。大量蠕形動(dòng)物爬跡不僅層面出現(xiàn)，還出現(xiàn)許多粗短的垂直潛穴（華洪等，2000），爬跡（圖3C）為帶狀印痕，印痕寬度基本穩(wěn)定，順層展布，并且長(zhǎng)短不一，彎曲程度也不一樣，比較直，橫向皺紋在印痕上比較多（華洪等，2001），應(yīng)為風(fēng)暴事件致使逃逸痕跡。

3.2 丘狀交錯(cuò)層理

丘狀交錯(cuò)層理曾經(jīng)被人們稱為：“不穩(wěn)定的層理”“亞濱海帶席狀砂巖”和“切割的（浪成）波狀層理”（Campbell，1966；Goldring，1973），于1975年由哈姆斯（Harms）正式定名（Harms et al，1975）。隨著研究深度的加強(qiáng)，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為丘狀交錯(cuò)層理是風(fēng)暴浪作用下的一種特殊沉積構(gòu)造（Dot et al，1982；Leckie et al，1989），由大而寬緩的一系列波狀層理組成，其曲面既有上凸也有下凹（賴志云等，2010）。丘狀交錯(cuò)層理在高家山剖面實(shí)測(cè)中常見，呈現(xiàn)非常寬緩的波狀交錯(cuò)層里，下凹上凸均不明顯，內(nèi)部發(fā)育明暗相間紋層，多發(fā)育不完整（圖3A-3B，3D）。丘狀交錯(cuò)層理在研究區(qū)高家山段主要有以下幾個(gè)特征：（1）產(chǎn)出丘狀層理的巖性主要以含砂細(xì)粉晶、粉屑灰?guī)r和粉晶灰?guī)r為主，并且夾有鈣質(zhì)或泥質(zhì)粉砂巖。（2）研究區(qū)丘狀層多呈長(zhǎng)丘長(zhǎng)波狀產(chǎn)出，波長(zhǎng)與波高的比值在9∶1～13∶1之間常見，也見有長(zhǎng)高比16∶1超長(zhǎng)丘狀層。（3）丘狀薄層中發(fā)育明暗相間丘狀紋層，并且在縱向上發(fā)育不完整，有錯(cuò)斷（趙燦等，2013）。

3.3 遞變層理

沖刷面之上，一般形成風(fēng)暴沉積底部滯留沉積（顆粒較粗）（陸鹿等，2013）。粒序?qū)永淼男纬蓺w因于巖石的礦物粒度大小和成分的變化，風(fēng)暴作用下包括兩種粒序?qū)樱海?）位于沖刷面之上的底部滯留沉積和上部的細(xì)粒懸浮沉積物。（2）風(fēng)暴巨浪強(qiáng)烈沖刷海岸沉積物并使其成懸浮狀態(tài)，在回流作用下帶回海中，并形成砂泥含量很高的密度流，當(dāng)處于水體安靜的風(fēng)暴浪基面之下時(shí)，便形成鮑馬序列的濁流沉積物（朱筱敏，2008）。研究區(qū)剖面碎屑巖中粒序?qū)樱▓D3E、3G、3H）應(yīng)該都屬于風(fēng)暴作用下的濁流沉積。圖3E中地層底部到頂部存在多個(gè)礫巖—細(xì)砂巖的旋回，礫石主要為石英（粒徑2～5mm，呈次棱角—次圓。）圖3G由下往上為砂礫巖—細(xì)粉砂巖，厚度在橫向上不穩(wěn)定，巖性變化處存在突變界面，顆粒主要為石英，分選較差，多分布于3～4mm，最大為6mm，呈次棱角到次圓狀，且沖刷面較為平緩。圖3H中砂巖顆粒較細(xì)，以粗—細(xì)砂為主，沉積物底面相對(duì)較為平整，沖刷面構(gòu)造不明顯；表現(xiàn)為正粒序，厚度一般為2.6～8.5cm，沿垂向上有3個(gè)粒序?qū)拥寞B加。

3.4 沖刷—充填構(gòu)造

風(fēng)暴強(qiáng)流作用（沖刷和掏蝕）于海底沉積物表面，便會(huì)形成各種侵蝕構(gòu)造，存在于沉積物底面的侵蝕構(gòu)造是識(shí)別風(fēng)暴巖的重要標(biāo)志（Aigner，1982）。當(dāng)?shù)酌鏄?gòu)造被上覆沉積物所覆蓋后，就形成充填構(gòu)造。研究區(qū)獅子崖剖面高家山段上部碎屑巖發(fā)育，可見風(fēng)暴巖底面構(gòu)造有溝模（一般可以與槽模伴生，多出現(xiàn)在濁流砂巖底部）（朱筱敏，2008；袁靜，2006；白萬(wàn)備等，2011）、沖刷面，其中沖刷面較為常見。沖刷面是強(qiáng)烈風(fēng)暴沖刷基底所形成的，在區(qū)內(nèi)（圖3I）呈凹槽狀或者波狀不平坦?fàn)?，充填物為具丘狀或者波狀層理的砂礫巖或者塊狀砂巖。

4 沉積相分析

4.1 宏觀剖面特征

經(jīng)過對(duì)研究區(qū)內(nèi)兩條剖面的野外實(shí)測(cè)觀察和室內(nèi)資料整理分析，認(rèn)為高家山剖面高家山段風(fēng)暴巖主要有以下特征：①巖性主要為灰?guī)r（含有一定的碎屑石英顆粒）、泥質(zhì)粉砂巖和鈣質(zhì)粉砂巖為主；②灰?guī)r層丘狀交錯(cuò)層理發(fā)育，波長(zhǎng)與波高集中于9∶1～13∶1，呈寬緩狀，粉砂巖發(fā)育水平層理；③灰?guī)r在縱向上不穩(wěn)定，常常被錯(cuò)斷；④高家山段頂部發(fā)育一層較厚的碎屑巖粒序?qū)?；⑤在高家山段下部砂?yè)巖中見到陜西跡化石。獅子崖剖面高家山段風(fēng)暴巖特征：①巖性主要為灰?guī)r（碎屑石英顆粒少見）、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖；②灰?guī)r平行層理大量發(fā)育，幾乎不見丘狀交錯(cuò)層里，粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂發(fā)育水平層理；③灰?guī)r層順層方向上穩(wěn)定延伸；④高家山段上部發(fā)育大量碎屑巖，可見底面構(gòu)造、粒序?qū)樱ǔ识鄠€(gè)粗—細(xì)的正旋回）。

4.2 微觀巖石學(xué)特征

本文對(duì)高家山段中部含化石層位灰?guī)r作鏡下分析，采樣點(diǎn)和鏡下照片如圖4所示。主要有以下認(rèn)識(shí)：（1）灰?guī)r中都有碎屑石英顆粒，圖4D中的石英含量較圖4C中的高；圖4D中石英顆粒粒徑主要分布于0.02～0.10mm，最大為 0.16mm，呈次棱角—次圓狀，而圖4C中石英顆粒粒徑集中于0.01～0.02mm，最大可見0.04mm，次棱角—次圓狀常見，可見圓狀。（2）圖4F中，顆粒粒徑較圖4E大，以粉晶粉屑灰?guī)r為主，可見泥屑，次棱角—次圓狀為主，偶見不完整的菱形，以灰泥膠結(jié)；圖4E中粒徑大小均為泥級(jí)，在胡家壩獅子崖剖面灰?guī)r類型為泥晶灰?guī)r。

圖4 化石層位灰?guī)r顯微照片F(xiàn)ig.4 photomicrograph of limestone in fossil bearing horizon

4.3 沉積環(huán)境分析

高家山段中部層位以灰?guī)r與碎屑巖為主，經(jīng)過宏觀與微觀分析，認(rèn)為灰?guī)r層屬風(fēng)暴事件沉積，而碎屑巖則為風(fēng)暴間歇期的正常沉積，風(fēng)暴巖沉積理想層序如圖5所示。

以野外宏觀和室內(nèi)鏡下為基礎(chǔ)，再結(jié)合前人（Dun- ham，1962）對(duì)鈣質(zhì)風(fēng)暴巖的分類（A類和B類）及（proximality trend，Aigner，1985）利用鈣質(zhì)風(fēng)暴巖分類對(duì)風(fēng)暴沉積遠(yuǎn)近源的判別，認(rèn)為：A類鈣質(zhì)風(fēng)暴巖位于海水較深的環(huán)境，主要分布于獅子崖剖面中部；B類鈣質(zhì)風(fēng)暴巖位于相對(duì)海水較淺的沉積環(huán)境，分布于高家山剖面高家山段中—上部。同時(shí)，沉積物粒度分布特征能反映沉積時(shí)的水動(dòng)力條件，前人就粒度分析和沉積環(huán)境的關(guān)系已做過很多工作（陳瑞君，1980）。其中，沉積物顆粒的大小是水動(dòng)力的直接反應(yīng)，細(xì)粒沉積物往往處于水體較深的環(huán)境。水動(dòng)力作用下，礦物顆粒的磨圓度和豐度與搬運(yùn)距離相關(guān)，搬運(yùn)距離越遠(yuǎn)，礦物（就研究區(qū)主要指石英顆粒）的磨圓度越好，但是豐度越低。兩個(gè)剖面化石層位灰?guī)r顯微鏡下照片對(duì)比（圖4中C與D，E與F）如表1所示，即獅子崖剖面礦物顆粒搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)，處于水體較深的環(huán)境。

圖5 風(fēng)暴巖沉積理想層序Fig.5 Ideal depostional sequence of tempestite

表1 高家山段中部化石層位灰?guī)r鏡下特征對(duì)比Tab.1 characteristic contrast of limestone in the central fossil bearing horizon gaojiashan

4.4 風(fēng)暴巖源劃分

風(fēng)暴巖按照沉積場(chǎng)所的水深、形成的位置和距離海岸線的遠(yuǎn)近，分為3種：原地風(fēng)暴巖、近源風(fēng)暴巖和遠(yuǎn)源風(fēng)暴巖。風(fēng)暴浪基面之下的安靜水體中形成具鮑馬序列的濁流沉積物。當(dāng)在風(fēng)暴浪底與晴天浪底之間時(shí)，觸及海底的巨浪峰谷在這些沉積物表面經(jīng)過時(shí)，由于它的運(yùn)動(dòng)無(wú)固定方向，從而形成了具丘狀交錯(cuò)層理（以機(jī)械動(dòng)力篩選為主，代表淺海高能環(huán)境）的風(fēng)暴沉積（王欣等，2010；朱筱敏，2008）。綜合以上沉積構(gòu)造、巖石學(xué)特征和沉積環(huán)境分析，認(rèn)為高家山剖面含化石層位是處于相對(duì)遠(yuǎn)源風(fēng)暴巖不遠(yuǎn)的近源風(fēng)暴巖，而獅子崖剖面相應(yīng)層位為遠(yuǎn)源風(fēng)暴巖。

5 總結(jié)

（1）研究區(qū)震旦系燈影組高家山段發(fā)育了一套碎屑巖與碳酸鹽巖，高家山剖面高家山段主要以粉晶粉屑灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖為主，獅子崖高家山段以泥晶灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖為主。

（2）風(fēng)暴巖沉積構(gòu)造在高家山和獅子崖表現(xiàn)不一，高家山主要以鈣質(zhì)風(fēng)暴巖的丘狀交錯(cuò)層理和和生物化石特征為主，碎屑風(fēng)暴特征不明顯；獅子崖處以碎屑風(fēng)暴巖沉積構(gòu)造為主，可見底面構(gòu)造、粒序?qū)?、丘狀和波狀交錯(cuò)層理，灰?guī)r主要發(fā)育平行或者水平層理。

（3）通過對(duì)高家山和獅子崖剖面高家山段中部化石層位灰?guī)r的宏觀和微觀的對(duì)比分析，認(rèn)為高家山剖面高家山段化石層位處于海水較淺的近源風(fēng)暴沉積，而獅子崖高家山段相應(yīng)層位處于海水較深的遠(yuǎn)源風(fēng)暴沉積。