魯西南汶上凹陷官莊群沉積特征及演化分析

王永魁

(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021)

汶上凹陷位于魯西南潛隆起區(qū)，并且全區(qū)被第四系覆蓋，第四系厚度在100～350 m，由于區(qū)內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)大型礦產(chǎn)地，地質(zhì)工作程度較低，缺少整體系統(tǒng)的研究。區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料主要以水文地質(zhì)調(diào)查、小比例尺區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查、水資源調(diào)查為主，且形成年代較久，對古今紀地層系統(tǒng)研究較薄弱。本文通過收集以往地質(zhì)資料，結(jié)合最新1∶5萬區(qū)調(diào)資料對汶上凹陷內(nèi)古近紀地層進行系統(tǒng)分析和劃分對比，建立區(qū)內(nèi)古近紀地層格架，為后期盆地原型恢復(fù)及構(gòu)造演化提供基礎(chǔ)資料[1]，探討其成礦的可能性。

1 地質(zhì)背景

汶上凹陷大地構(gòu)造位置位于華北板塊東南緣[2]，屬于魯西南潛隆起區(qū)，菏澤—兗州潛斷隆，汶上—寧陽潛凹陷(圖1)。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Geotectonic location map of the study area1—二級單元界線；2—三級單元界線；3—四級單元界線;4—五級單元界線;5—斷層及推測斷層;6—不整合界線;7—凹陷區(qū);8—隆起區(qū);9—研究區(qū)

北與東平凸起相鄰，西連菏澤潛凸起，東至寧陽凹陷，南為嘉祥潛凸起。周邊以斷裂為界，北側(cè)為汶泗斷裂，南側(cè)為鄆城斷裂，西側(cè)為嘉祥斷裂，東側(cè)為孫氏店斷裂。

研究區(qū)地表均被第四系覆蓋，第四系之下自上至下發(fā)育古近紀官莊群地層，石炭—二疊紀石盒子群、月門溝群地層，寒武—奧陶紀九龍群地層[3]。

2 官莊群地層特征

汶上凹陷內(nèi)古近紀地層發(fā)育官莊群，為隱伏地層，據(jù)收集鉆孔資料顯示，根據(jù)巖石組合特征將官莊群由老到新劃分為常路組、朱家溝組、大汶口組(表1，圖2)，底部與二疊紀石盒子群地層角度不整合接觸[4]，頂部與第四紀地層角度不整合接觸。

表1 汶上凹陷古近紀地層劃分表

圖2 研究區(qū)前第四系基巖地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of the former quaternary bedrock of the study area1—大汶口組；2—常路組；3—朱家溝組；4—石炭一二疊紀地層；5—馬家溝群；6—新太古代花崗閃長巖；7—泰山巖群山草峪組；8—隱伏地質(zhì)界線；9—隱伏平行不整合界線；10—隱伏角度不整合界線；11—隱伏斷裂；12—鉆孔位置及編號

2.1 常路組

根據(jù)鉆孔資料，常路組隱伏于汶上凹陷大部分地區(qū)，底與石盒子群孝婦河組角度不整合接觸，辛店斷裂以西，常路組頂與第四紀小埠嶺組角度不整合接觸，或與朱家溝組整合接觸，在辛店斷裂以東其頂與大汶口組整合接觸。巖性為一套棕紅色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾薄層礫巖，沉積環(huán)境主要為河流相—淺湖相沉積[5-7]，厚度約為205.7～237.6 m。

常路組自下至上發(fā)育1種基本層序，為灰色礫巖—粉、細砂巖—紫紅色—褐黃色粉砂質(zhì)泥巖—泥巖，局部缺失其中某些組分，表現(xiàn)為礫巖層向上厚度逐漸變厚，泥巖逐漸變薄的進積型基本層序(圖3a)。整體表現(xiàn)為向上粒度變粗、厚度變大的進積型準層序組，反映向上水體變淺，沉積環(huán)境為淺湖相—河流相沉積變化特征。

2.2 朱家溝組

為新1∶5萬東平汶上區(qū)調(diào)新劃分出地層，僅在汶泗斷裂南部沙河站鎮(zhèn)附近SSZK01、ZK67鉆孔見到，分布于寅寺鎮(zhèn)一帶，與下伏地層常路組整合接觸，巖性主要為灰褐、灰紅色礫巖，厚度大于88.42 m。

朱家溝組為一套灰—灰紫色礫巖，礫石成分復(fù)雜，上部礫石以花崗斑巖、安山巖、輝綠巖等為主，少量灰?guī)r礫石，向下灰?guī)r礫石逐漸增多。為山麓沖洪積相沉積[8]。與蒙陰地區(qū)朱家溝組對比，汶上凹陷內(nèi)礫石成分較蒙陰地區(qū)復(fù)雜，巖漿巖礫石較多。

2.3 大汶口組

區(qū)域上大汶口組為含鹽巖地層，根據(jù)鉆孔資料，大汶口組分布在辛店鄉(xiāng)與郭倉鄉(xiāng)一帶，以汶泗斷裂為北界，辛店斷裂為西界，沉積厚度為210.61 m。

大汶口組發(fā)育2種基本層序，下部為由泥質(zhì)粉砂巖—粉砂質(zhì)泥巖—泥巖—泥灰?guī)r組成的基本層序，總體向上泥灰?guī)r含量增加，沉積物粒度變細的退積型副層序組，沉積環(huán)境為由濱湖—淺湖相沉積；上部為由灰?guī)r、泥灰?guī)r—泥巖—石膏組成的基本層序[9]，向上粒度變粗，水體變淺的加積型副層序組，沉積環(huán)境為鹽湖相沉積(圖3b，c)。

圖3 官莊群基本層序圖Fig.3 Basic sequence diagram of Guanzhuang group

根據(jù)巖石組合大汶口組具明顯三分性，可分為下段、中段、上段。

下段：巖性主要為暗紫紅、灰綠色泥巖，底部粉砂含量較高，厚約13.12 m，該段形成環(huán)境為淺湖相沉積。

中段：為含膏鹽礦層，主要巖性為灰色、深灰色、黑色泥巖、鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r不等厚互層夾石膏層及泥膏巖。石膏呈粒狀、層狀和纖維狀，含量較高，厚約177.99 m。該段形成于鹽湖相沉積環(huán)境。

上段：巖性以灰色、灰白色灰?guī)r與褐灰色鈣質(zhì)頁巖、泥巖不等厚互層，富含介形蟲碎屑，厚約19.5 m。該段形成于淺湖相沉積環(huán)境。

2.4 地層對比

根據(jù)鉆孔資料(圖4)，汶上凹陷內(nèi)官莊群發(fā)育常路組、朱家溝組、大汶口組。古近紀早期首先發(fā)育河流—淺湖相沉積(常路組)，此時盆地尚處于形成初期，受汶泗斷裂影響，沉積厚度自南向北逐漸增厚，也有局部受地形影響沉積厚度較薄(ZK067孔)；隨著盆緣斷裂活動增強在汶泗斷裂附近沉積朱家溝組，巖性主要為山麓洪積相復(fù)成分礫巖；而后湖盆增大，沉積中心向東移動，在辛店斷裂以東沉積大汶口組下段、中段，沉積濱湖—淺灰相沉積，古近紀晚期沉積濱湖相大汶口上段，湖盆逐漸消失。

圖4 汶上凹陷官莊群鉆孔柱狀對比圖Fig.4 Borehole column comparison of Guanzhuang group in Wenshang sag

3 汶上凹陷充填序列

汶上凹陷自下而上分為常路組、朱家溝組和大汶口組(圖5)，可分為始新世早期和始新世晚期—漸新世2個沉積序列，分別代表新生代盆地的2個發(fā)展階段[10]。

圖5 汶上凹陷古近系充填序列(據(jù)李臨華，2009年5月，修改)Fig.5 The paleogene period filling sequence in Wenshang sag1—砂礫巖；2—砂巖；3—粉砂質(zhì)泥巖；4—泥巖；5—灰?guī)r；6—泥灰?guī)r；7—含膏泥灰?guī)r

3.1 始新世早期

始新世早期，沉積常路組和朱家溝組。

常路組是以泥巖、砂巖與礫巖不等厚互層為主的河流相、湖泊相沉積組合，在汶上凹陷內(nèi)厚度大于300 m，與下伏晚古生代地層角度不整合接觸。

朱家溝組為山麓沖積相組合，由灰褐色、紅灰色礫巖夾少量砂巖及泥巖組成，在汶上凹陷內(nèi)厚度大于92 m。

3.2 始新世晚期—漸新世

始新世晚期—漸新世，盆地沉積中心向東遷移，主要集中于研究區(qū)東部，汶上一帶，沉積了一套含石膏的濱淺湖—淺湖—半深湖相—淺湖相沉積組合，即大汶口組。

4 汶上凹陷形成與演化

汶上凹陷同整個魯西隆起一起，在古生代以前經(jīng)歷了強烈的構(gòu)造巖漿活動及結(jié)晶基底變質(zhì)旋回；到顯生宙下沉，接受了早古生代寒武—奧陶紀海相碳酸鹽巖沉積；至中奧陶紀末期，抬升露出海面經(jīng)受長期的風化剝蝕；到了晚古生代石炭—二疊紀又接受了海陸交互相沉積，形成了含煤建造[11]。

進入中生代，由于汶上凹陷處于魯西隆起區(qū)邊緣，距沂沭斷裂帶較遠，區(qū)內(nèi)地質(zhì)運動不強烈，總體處于剝蝕階段，因此缺失中生代侏羅紀—白堊紀地層。

新生代以來，受喜馬拉雅運動的影響，汶泗斷裂活動加強，斷裂性質(zhì)以張扭性為主，后期伴隨壓性、壓扭性活動，斷裂上盤持續(xù)下降，汶上凹陷進入發(fā)展階段，沉積了古近紀官莊群，前期沉積常路組、朱家溝組等發(fā)育邊緣相的粗碎屑沉積，沉積物來源為盆緣的寒武—奧陶紀灰?guī)r及前寒武紀基底花崗巖，隨著汶泗斷裂持續(xù)活動，斷裂上盤繼續(xù)下降，沉積大汶口組一段、二段淺湖—深湖相沉積(圖6a，b)。

至古近紀晚期，盆地進入消亡階段，沉積了濱湖相大汶口三段(圖6c)。

圖6 汶上凹陷不同演化階段斷面示意圖Fig.6 Sectional diagram of different evolutionary stages of Wenshang sag1—大汶口組三段；2—大汶口組二段；3—大汶口組一段；4—朱家溝組；5—常路組；6—石炭—二疊系；7—寒武—奧陶系；8—新太古代花崗閃長巖

汶上凹陷官莊群為一完整的沉積旋回，從碎屑巖逐漸過渡為碳酸鹽巖、蒸發(fā)巖，最后又以碎屑巖而告終。所表現(xiàn)的湖相變化為：淺水相→深水相→咸水相→淺水相，與盆地的形成→發(fā)展→萎縮→消亡相對應(yīng)。

5 成礦地質(zhì)條件分析

區(qū)域上官莊群大汶口組為含鹽巖地層，以大汶口盆地為典型[12]，其古近紀沉積厚度在3 000 m左右，根據(jù)巖石特征可劃分為下石膏段(>150 m)、中含鹽段(345.68 m)、上硬石膏段(>230 m)，形成環(huán)境為干旱鹽湖環(huán)境[13]。

根據(jù)現(xiàn)有資料汶上凹陷發(fā)育含鹽地層大汶口組，沉積厚度210.61 m，其中大汶口組中段為含石膏層，厚度177 m，多為硬石膏且以薄層為主，局部可見星點狀自然硫、煤線等。其特征與大汶口盆地中大汶口組下硬石膏段相似，沉積環(huán)境亦為干旱鹽湖環(huán)境。

汶上凹陷受東西向汶泗斷裂控制，隨著汶泗斷裂不斷活動，逐漸形成北斷南超、北陡南緩、北深南淺的構(gòu)造格局。凹陷北部與前寒武紀變質(zhì)基底斷裂接觸，南部官莊群地層超覆于古生代地層之上。構(gòu)造特征與大汶口盆地構(gòu)造特征基本一致。

汶上凹陷周邊亦廣泛發(fā)育寒武—奧陶紀地層，其內(nèi)方解石、白云石、石膏、硬石膏等長期風化勢必為凹陷內(nèi)沉積膏鹽提供物源條件。

綜合上述分析，汶上凹陷的構(gòu)造特征、物源條件、巖石組合及沉積環(huán)境特征均與大汶口凹陷特征基本一致，因此存在成鹽條件。并且汶上凹陷內(nèi)找鹽地質(zhì)工作程度較低，僅在20世紀80年代開展，僅有1個鉆孔控制，對區(qū)內(nèi)大汶口組控制明顯不足。

6 結(jié)論

區(qū)域上官莊群自下而上發(fā)育固城組、卞橋組、常路組、朱家溝組、大汶口組，為一完整從粗碎屑巖—碳酸巖、蒸發(fā)巖—碎屑巖—碳酸巖、蒸發(fā)巖結(jié)束，形成湖擴—萎縮—湖擴—萎縮的兩個沉積韻律。通過對比分析，汶上凹陷官莊群未發(fā)育固城組和卞橋組，只形成一個由碎屑巖—碳酸巖、蒸發(fā)巖巖石組合，沉積環(huán)境由河流相—濱湖相、淺湖相—濱湖相。形成始新世早期和始新世晚期—漸新世2個充填序列，汶上凹陷為新生代發(fā)展起來的斷陷盆地。汶上凹陷構(gòu)造特征、物源條件、巖石組合及沉積環(huán)境特征與大汶口盆地特征基本一致，存在成鹽條件。