柳江盆地竹葉狀灰?guī)r巖石特征及沉積環(huán)境分析①

楊得雨 蔣佳坤 潘昆林 張星悟 鄭一航

長(zhǎng)春工程學(xué)院勘查與測(cè)繪工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000

柳江盆地寒武系沉積了一套全區(qū)穩(wěn)定可對(duì)比追蹤的寒武紀(jì)海相碳酸鹽巖夾碎屑巖地層[1]。前人已經(jīng)對(duì)寒武系的遺跡化石、碳酸鹽巖微相、沉積相劃分以及沉積旋回性分析等方面做過(guò)了專門調(diào)查研究工作[2-5]，但是對(duì)寒武系竹葉狀灰?guī)r的研究還很少。柳江盆地寒武系剖面出露良好，地層連續(xù)，且發(fā)現(xiàn)沉積有大量的竹葉狀灰?guī)r。因此，本次研究以柳江盆地寒武系野外實(shí)測(cè)及相關(guān)室內(nèi)研究為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)該地區(qū)竹葉狀灰?guī)r進(jìn)行詳細(xì)的分析，對(duì)研究區(qū)不同類型的竹葉狀灰?guī)r的古環(huán)境意義進(jìn)行探討。

1 剖面概述

柳江盆地的古生界主要出露在柳江向斜的東西兩翼，東翼因其產(chǎn)狀較緩，古生界出露的寬度為西翼的五倍左右，且完整[6-7]。研究區(qū)內(nèi)崮山組、長(zhǎng)山組和鳳山組含大量出露良好的竹葉狀灰?guī)r[8]。

崮山組（?3g）主要出露于盆地周圍，原揣莊北牛圈至285高地剖面已破壞，現(xiàn)以東部落西剖面為最好，為該區(qū)崮山組的標(biāo)準(zhǔn)剖面。崮山組總厚102m，屬淺海相沉積。根據(jù)巖性特征可分下、中、上三部分。紫色礫屑灰?guī)r、紫色粉砂巖以及紫色竹葉狀灰?guī)r是下部和上部的主要巖石組成；中部則是灰?guī)r（包括泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、藻灰?guī)r等），與下伏張夏組間有明顯的水下沖刷面，界線非常明顯，接觸部位兩者的巖石顏色和結(jié)構(gòu)、成分變化明顯，差別大。張夏組的頂部是灰色藻灰?guī)r，崮山組的底部是紫色礫屑灰?guī)r或紫色粉砂巖互層。

長(zhǎng)山組（?3c）主要出露在柳江向斜東翼潮水峪、東部落、揣莊至駐操營(yíng)相石門寨至傅水寨一帶。本組在區(qū)內(nèi)出露厚度很小，只有18m左右，屬淺海相沉積。巖性為紫色礫屑灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r、粉砂巖與頁(yè)巖互層，夾有藻灰?guī)r及生物屑灰?guī)r。與下伏地層崮山組為整合接觸，兩者分界清楚。本組中的藻灰?guī)r為柱狀藻，紫色氧化圈非常明顯，與崮山組的有所不同。

鳳山組（?3f）分布同長(zhǎng)山組，出露好的剖面是揣莊一帶，揣莊288高地東坡可作鳳山組的標(biāo)準(zhǔn)剖面。本組厚92m，屬淺海沉積相。鳳山組以黃灰色泥灰?guī)r夾竹葉狀灰?guī)r為主，部分綠色鈣質(zhì)頁(yè)巖以及薄層泥狀質(zhì)條帶灰?guī)r。本組特點(diǎn)是泥質(zhì)成分較多，容易被風(fēng)化，風(fēng)化后形成黃色土狀，礫屑成為小團(tuán)塊狀（俗稱疙瘩狀）。鳳山組與下伏長(zhǎng)山組為整合接觸。長(zhǎng)山組的分界是以底部的青灰色礫屑泥灰?guī)r為標(biāo)志層（圖1）。

圖1 東部落-潮水峪地質(zhì)路線剖面圖Fig 1 Section of geological route of Dongbuluo-Chaoshuiyu

2 竹葉狀灰?guī)r的巖性特征

通過(guò)對(duì)研究區(qū)竹葉狀灰?guī)r剖面分析，這套礫屑灰?guī)r對(duì)沉積環(huán)境的反映主要集中在兩方面：是否具有反映暴露環(huán)境的紫紅色氧化圈層；礫屑的排列狀態(tài)(定向排列、半定向排列以及雜亂排列)。不同的礫屑從形狀、顏色、分布及組合特征都代表了不同的成因[9]。最終把該地區(qū)的竹葉狀灰?guī)r分為四類：

第一類為豬肝色無(wú)氧化圈排列無(wú)序竹葉狀灰?guī)r。

這類灰?guī)r主要分布在崮山組中，竹葉狀灰?guī)r基本都是礫屑結(jié)構(gòu)的豬肝色竹葉狀灰?guī)r（圖2）。礫屑中大部分礫屑形態(tài)為長(zhǎng)橢圓形，形成竹葉狀；棱角明顯。其粒徑在0.5～10cm之間，多數(shù)為5cm左右，最大礫屑可達(dá)20cm。巖石無(wú)氧化圈，分選較差，排列無(wú)序，竹葉層厚度大，塊狀構(gòu)造。該竹葉狀灰?guī)r中多為方解石質(zhì)礫屑占了70%左右，礫屑成分復(fù)雜，還含有10%左右的方解石微晶和10%的白云石，其余為粘土礦物和碎屑礦物。

圖2 崮山組竹葉狀灰?guī)rFig 2 Edgewise limestone of Gushan formation

第二類為紫紅色無(wú)氧化圈排列半定向竹葉狀灰?guī)r。

這類竹葉狀灰?guī)r，風(fēng)化面呈暗紫色，礫屑結(jié)構(gòu)，大部分礫屑形態(tài)為長(zhǎng)橢圓形，形似竹葉狀，少部分為橢圓形；礫屑的粒徑在0.3～4cm，多數(shù)為2.5cm。巖石無(wú)氧化圈，分選性一般，排列略有序，竹葉層厚度中等（圖3）。這類竹葉狀灰?guī)r主要分布在長(zhǎng)山組。

第三類為灰色有一定分選的竹葉狀灰?guī)r。

灰色竹葉狀灰?guī)r，新鮮面為灰色，風(fēng)化面為土黃色；結(jié)構(gòu)為竹葉狀中-粗粒礫屑結(jié)構(gòu)，大部分為橢圓形，少部分為長(zhǎng)橢圓形；其礫屑粒徑在0.5～4cm，大多數(shù)在2.5cm左右，最大可達(dá)10cm；該組竹葉狀灰?guī)r無(wú)氧化圈，磨圓好，分選性較好，排列有序，竹葉狀厚度不大；其構(gòu)造為塊狀構(gòu)造（圖4）。這類竹葉狀灰?guī)r主要分布在鳳山組內(nèi)。

圖3 長(zhǎng)山組竹葉狀灰?guī)rFig.3 Edgewise limestone of Changshan formation

圖4 鳳山組竹葉狀灰?guī)rFig.4 Edgewise limestone of Fengshan formation

第四類為含有氧化圈的紫紅色竹葉狀灰?guī)r。

這種竹葉狀灰?guī)r的礫屑表面薄薄一層表皮被氧化，呈現(xiàn)紫紅色氧化圈，礫石在巖層內(nèi)分布有方向性，大小不等的礫屑混合分布，大的礫屑可達(dá)十多厘米，小的礫屑幾厘米。其礫屑略成餅狀，被含有氧化鐵的鈣質(zhì)膠結(jié)（圖5）。這類竹葉狀灰?guī)r主要在崮山組頂部及長(zhǎng)山組底部。

圖5 具氧化圈竹葉狀巖Fig.5 Edgewise limestone with oxidation ring

3 竹葉狀灰?guī)r沉積環(huán)境分析

竹葉狀灰?guī)r一般為原地或半原地沉積，因此從其相鄰層位巖性特征如薄層泥灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r等方面分析，早期沉積物應(yīng)為薄層碳酸鹽巖。此外，竹葉多為不規(guī)則的薄板狀，未見不規(guī)則塊狀，說(shuō)明早期沉積物不是塊狀，而是薄板狀，且層面清晰，易于剝離。其早期的薄板狀沉積物具有特定的沉積環(huán)境[10]。

3.1 無(wú)氧化圈無(wú)定向-半定向排列紫紅色竹葉狀灰?guī)r

研究區(qū)崮山組主要沉積灰?guī)r，包括鮞狀灰?guī)r與疊層石灰?guī)r、紫色竹葉狀灰?guī)r與紫色粉砂質(zhì)頁(yè)巖、鮞狀灰?guī)r互層、泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r互層等，是韻律變化層序。根據(jù)巖石學(xué)特征分析，崮山組紫紅色竹葉狀灰?guī)r，礫屑在巖層內(nèi)呈放射狀（圖2）、菊花狀以及不規(guī)則的雜亂排列，基本為原地堆積，礫石未受到磨蝕，礫屑具有次棱角狀、棱角狀，根據(jù)其顯微鏡下薄片觀察，填隙物為泥晶、粉屑和砂屑，偶見鮞粒和生物碎片。膠結(jié)類型既有基質(zhì)支撐，也有顆粒支撐，膠結(jié)物中含有自生海綠石礦物，表明該此類型竹葉狀灰?guī)r形成于淺海動(dòng)蕩的環(huán)境。礫屑排列無(wú)序，其形成環(huán)境與風(fēng)暴潮汐有關(guān)，能量巨大的風(fēng)暴浪沖刷海底沉積物，且礫石都有揉曲狀變形，說(shuō)明它們是處在未完全固結(jié)的狀態(tài)下，受到水的機(jī)械沖刷，風(fēng)暴渦流將沉積物沖碎和揉曲，經(jīng)海水沖擊、擠壓、磨蝕后近原地沉積形成[11]。沉積時(shí)水動(dòng)力條件為潮下低能環(huán)境到高能動(dòng)水環(huán)境重復(fù)出現(xiàn)。

3.2 帶氧化圈紫紅色竹葉狀灰?guī)r

崮山組頂部及長(zhǎng)山組底部出現(xiàn)的帶氧化圈的紫紅色竹葉狀灰?guī)r，其礫石成分、結(jié)晶程度和顏色上是一致的，而且膠結(jié)物成分也與礫石成分一致，應(yīng)當(dāng)屬于華北陸表海海盆地同生沉積的產(chǎn)物，也說(shuō)明柳江盆地在此期間為潮坪氧化環(huán)境，曾經(jīng)暴露地表。柳江盆地在此期間為強(qiáng)蒸發(fā)環(huán)境，泥質(zhì)含量較高，多形成薄層泥灰?guī)r，有利于后期風(fēng)暴的再一次破碎。

3.3 灰色有分選有磨圓竹葉狀灰?guī)r

研究區(qū)鳳山組竹葉狀灰?guī)r主要由方解石和異地沉積的竹葉礫屑所組成，基質(zhì)部分的亮晶方解石為它形粒狀，主要以0.05mm以下的粉晶為主，竹葉礫屑中的微亮晶方解石顆粒粒徑主要在0.02～0.05mm。該竹葉狀灰?guī)r為短分選、磨圓較好，沒(méi)有氧化圈。肉眼和顯微鏡下都可見扁平的礫屑，長(zhǎng)短軸比例1∶7或者更高，且礫石的扁平面與巖層層面基本一致，說(shuō)明礫石經(jīng)過(guò)了一定距離的搬運(yùn)，為異地堆積，表明在此期間柳江盆地沉積環(huán)境為高能淺灘環(huán)境，是較強(qiáng)的水流反復(fù)作用分選的結(jié)果。

通過(guò)對(duì)華北地臺(tái)長(zhǎng)山組灰?guī)r樣品進(jìn)行全巖碳氧同位素分析。碳氧同位素測(cè)試結(jié)果顯示，δ13C（PDB）值在0.24‰～0.5‰之間，為低正值，δ18O（PDB）在-6.85‰～-6.95‰之間，為中負(fù)值，這一特征與灰?guī)r形成所需的水體環(huán)境相吻合：也就是灰?guī)r形成于淺緩坡海相環(huán)境中[12]，而華北板塊在早古生代一直處于赤道兩側(cè)的低緯度帶，風(fēng)暴頻發(fā)，最終形成研究區(qū)內(nèi)各種竹葉狀灰?guī)r。

4 結(jié)論

（1）柳江盆地竹葉狀碎屑灰?guī)r分為4個(gè)類型，分別為無(wú)氧化圈無(wú)定向排列的豬肝色竹葉狀灰?guī)r、無(wú)氧化圈有微定向的紫紅色竹葉狀灰?guī)r、帶氧化圈紫紅色的竹葉狀灰?guī)r以及灰色有分選有磨圓的竹葉狀灰?guī)r。

（2）研究區(qū)崮山組沉積時(shí)水動(dòng)力條件為潮下低能到高能水環(huán)境重復(fù)出現(xiàn)，長(zhǎng)山組發(fā)育的竹葉狀灰?guī)r含有氧化圈，說(shuō)明此時(shí)期柳江盆地為潮坪環(huán)境，曾暴露出地表，鳳山組內(nèi)的灰色有定向排列的竹葉狀灰?guī)r為高能淺灘環(huán)境，是較強(qiáng)的水流反復(fù)作用分選的結(jié)果。

（3）竹葉狀碎屑的磨圓、分選、有無(wú)紫紅色氧化圈等巖性特征反映了竹葉狀灰?guī)r的再沉積環(huán)境。