河南云臺山世界地質公園百家?guī)r景區(qū)中元古界砂巖沉積相特征與沉積環(huán)境分析

趙 汀,李 兵,吳珍漢,高林志,馬寅生,吳中海,劉 超,梁 飛

1)中國地質科學院礦產資源研究所,自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室,北京 100037;2)中國地質科學院,北京 100037; 3)中國地質科學院地質研究所,北京 100037;4)中國地質科學院地質力學研究所,北京 100081; 5)中國地質大學(北京),北京 100083

近二十年來,以原中國地質科學院趙遜研究員為首的研究團隊完成了《云臺山主要景觀地學背景研究——云臺地貌成因》、《云臺地貌特征及區(qū)域對比研究》、《云臺地貌與美國大峽谷地貌對比研究》系列研究成果,揭示了云臺地貌的形成演化過程,分析了典型地質景觀特征,提出“云臺地貌”是云臺山地區(qū)發(fā)育的,垂向上由河流階地、唐縣面和太行面等層狀地貌面所構成的典型的層狀地形及由其構成的河谷橫向上的“谷中谷”地貌景觀,開展區(qū)域和國際對比。攜手云臺山世界地質公園、美國大峽谷國家公園、美國科羅拉多大學開展了中美兩國峽谷地貌的學術交流研究,將云臺地貌的研究成果推向了世界(趙遜等,2005,2008,2009,2010; 趙汀和趙遜,2005)。

吳珍漢等(2000)和吳中海等(2003)以裂變徑跡測年為主的低溫熱年代學方法對華北地區(qū)晚白堊世以來山脈隆升歷史進行了研究,馬寅生等(2007)對太古界片麻巖和太行山南緣新生代夷平面進行了地質年代測定并對云臺山一帶出露的多個時期地層進行沉積相和沉積環(huán)境的劃分。

為研究云臺山紅色砂巖的形成時代,2003年高林志、趙汀等對云臺山世界地質公園紅石峽的云夢山組碎屑沉積巖的碎屑鋯石進行了 SHRIMP測年,碎屑鋯石的年齡峰值在～1.85 Ga和～1.4 Ga出現了兩個峰值,可能分別代表了華北克拉通古元古代末期和中元古代末期的兩次重大的構造熱事件。同時,云臺山地區(qū)紅色碎屑巖所捕捉的最小年齡的碎屑鋯石(6粒),其鋯石年齡為(1163±32) Ma,其年齡值極有可能代表了該碎屑沉積的最大沉積年齡(高林志等,2005)。

鄭偉等(2008)對園區(qū)云夢山組大量原生波痕進行分類分析,發(fā)現其波痕以小水流波痕和浪成波痕為主,少量存在有干涉波痕、削頂波痕和雙脊波痕,認為其沉積環(huán)境由極淺水的前濱過渡為淺水的臨濱環(huán)境。

鄭德順等(2011)利用掃描電子顯微鏡和能譜儀對云夢山組中上部的暗紫色和肉紅色石英砂巖進行了化學成分分析。研究結果表明,該組砂巖具有較高的成分和結構成熟度,暗紫色石英砂巖膠結物中Fe元素的含量明顯高于肉紅色石英砂巖中的含量。

綜上,前人對云臺山云夢山的研究主要集中在地貌演化及沉積巖沉積特征分析上,主要應用巖性及結構特征進行環(huán)境分析,對云夢山組沉積環(huán)境的研究還不夠深入,僅分析了云夢山組的沉積相,大多數人認為云夢山組是濱淺海環(huán)境,其形成時代、沉積亞相、微相及沉積模式等問題還存在爭議尚待完善。

1 研究區(qū)地質概況

風光秀麗的云臺山世界地質公園位于太行山南緣(圖 1),行政區(qū)劃隸屬于河南省西北部焦作市,處于山西省與河南省的省際邊界南側。在地質構造方面,云臺山屬于華北地臺山西臺隆的南部,具有34 Ga的巖石記錄和漫長的地質發(fā)展歷史(高林志等,2005),近水平的地層層序記錄了華北地臺自太古代以來海陸變遷和構造運動,經歷了太古宙—古元古代基底變質變形、中新元古代裂谷作用、寒武紀—中奧陶統(tǒng)穩(wěn)定淺海陸臺沉積、石炭—二疊紀含煤建造、中生代陸內造山和新生代盆—山構造地貌演化等不同發(fā)展階段(圖 2),形成了頗具特色的地質構造和地貌景觀(吳珍漢等,2000; 趙遜等,2003)。

圖1 河南焦作地區(qū)的地質圖及地質公園景點位置圖Fig.1 Geological Map of Jiaozuo area,Henan Province,showing geopark’s geosite localities

公園主要園區(qū)——云臺山園區(qū)面積84 km2,由紅石峽、百家?guī)r、泉瀑峽、潭瀑峽、獼猴谷、疊彩洞、茱萸峰、子房湖、萬善寺等九個景區(qū)組成,最高峰茱萸峰海拔1 297.6 m,與區(qū)內最低谷底相對高差1100 m。區(qū)內地層出露齊全,可見太古宇、元古宇、古生界及新生界; 此外,其間的不整合接觸面清晰明顯,地層內各種內部構造及地質營力所塑造的地質景觀極其典型(趙遜等,2003)。

百家?guī)r景區(qū)位于云臺山園區(qū)的最東端,是一處正在開發(fā)的景區(qū)。受黑龍王廟斷裂控制,景區(qū)出露地層下部為中元古界云夢山組的紫紅色石英砂巖,與上部寒武系的頁巖、灰?guī)r及白云巖呈不整合接觸。下部地層多構成“丹崖長墻”,氣勢恢弘; 而上部地層則構成典型的巖溶地貌。此外,景區(qū)內的人文資源極其豐富。以魏晉時期的竹林七賢為代表,在百家?guī)r活動長達 20年之久,對中國古代的園林文化從宮廷走向大自然,起到了承前啟后的作用,因而在中國歷史文化中有重要影響。

2 野外調查與樣品采集

野外調查分為兩條路線,路線一在紅石峽景區(qū),起點為紅石峽谷谷頂,經景區(qū)階梯一路向下到達深切河谷底部,沿峽谷底向南行 800 m,在峽谷的轉彎處結束,該觀察點見元古界汝陽群云夢山組碎屑巖直接不整合于太古界之上,云夢山組底部為底礫巖,底礫巖厚度變化較大,從零至數十米間變化,見太古代的黑云角閃片麻巖(圖2)。該路線主要完成分界點上下不整合接觸關系、巖性定性、樣品采集及周邊的地形地貌特征的觀察等。

圖2 云夢山組(Pt2y)與太古宇(AR)角度不整合接觸(云臺山紅石峽景區(qū))Fig.2 Angular unconformity between Yunmengshan Formation (Pt2y) and Archean strata (AR)(Hongshixia,Yuntaishan Geopark)

路線二在百家?guī)r景區(qū),是本次調查的主要研究區(qū)域。從百家?guī)r的頂部開始沿南西向的小路到底部結束,全長400 m,該景點云夢山組出露較厚,原生構造發(fā)育,頂部與百草坪組平行整合接觸分界清晰(圖3)。該路線主要完成云夢山組巖性、原生構造的觀察,與上覆地層的接觸關系等。兩條路線均采集了巖石樣品(圖 4),主要巖性為紫紅-灰綠色粉砂質頁巖夾石英砂巖及鈣質石英砂巖,紫紅-淺灰白色厚層石英砂巖、長石石英砂巖。

圖3 百草坪組與云夢山組平行不整合(云臺山百家?guī)r景區(qū))Fig.3 Disconformity between Yunmengshan Formation(Pt2y) and Baicaoping Formation (Pt2b)(Baijiayan,Yuntaishan Geopark)

3 百家?guī)r沉積剖面云夢山組沉積構造特征

本次工作在百家?guī)r景區(qū)采樣 14件,采集樣品主要為云夢山組的紫紅色、肉紅色石英砂巖,編號為 B-01、B-02、B-03、B-04、B-05、B-06、B-07、B-08、B-09、B-10、B-11、B-12、B-13、B-14(圖4)。

通過百家?guī)r地質剖面(圖 4)的測量發(fā)現,該套紫紅色砂巖厚度約 120 m,巖層產狀近水平,砂巖整體呈紫紅色與肉紅色相間分布,巖層剖面表面形成了一層灰白色的鈣膜,部分巖層表面有紫紅色光亮的氧化膜(李兵,2018)。這套紫紅色砂巖沉積序列的底部為薄層細砂巖夾泥巖,局部見礫巖,砂巖里見有 5 mm左右的泥粒,水平層理發(fā)育; 向上由薄層細砂巖與中厚層中砂巖互層過渡到厚層的中粒砂巖,產狀一致,巖石較致密,硬度大,發(fā)育平行層理、板狀交錯層理、羽狀交錯層理(圖版I); 再向上為中厚層中砂巖與粗砂巖的互層; 頂部為薄層粗砂巖夾礫巖層,粗砂巖顆粒較粗、孔隙度大,薄礫層中礫石被肉紅色的石英砂巖充填,礫石清晰可見無磨圓,上覆古生界寒武系關口礫巖或饅頭組,呈平行不整合接觸關系。

圖4 百家?guī)r剖面與采樣點位(李兵,2018)Fig.4 Baijiayan section and sampling sites (LI,2018)

百家?guī)r地層剖面云夢山組的砂巖層面上,普遍發(fā)育有泥質斑塊、多角形干裂紋和波痕。觀察其主要沉積構造特征為:

(1)波痕所在層巖性單一,顏色和粒度均變化較小。該組含波痕的地層巖性單一,主要為紫紅色細粒石英砂巖,石英顆粒具有較好的成分和結構成熟度,顆粒粒度變化不大,為水流及波浪對沉積物反復沖刷淘洗的結果。

(2)波痕以小水流波痕和浪成波痕為主,少量存在有干涉波痕、削頂波痕和雙脊波痕。云臺山云夢山組發(fā)育的波脊以圓頂和尖頂為主,形態(tài)主要為直線型,少量為波曲型; 波長 2.5～7.0 cm,少數大于20 cm,大于50 cm以上者少見,波高為0.2～0.6 cm,波痕指數大部分為 4.5～12,其大小只相當于Simons和Richardson水槽實驗中所觀察到的沙紋。上述特征說明形成波痕的水流的流速有一定的范圍。

據此從整套地層巖性和結構構造特征來判斷云夢山組屬于干熱氣候條件下濱海的淺水沉積環(huán)境,部分沉積特征表明為三角洲相特點,波浪對砂的來回沖洗形成了這種石英含量較高的砂巖。

4 云夢山組砂巖粒度特征

巖石樣品磨制薄片進行巖石礦物成分和結構構造的巖相學觀察。根據野外剖面記錄特征,進行地層巖性劃分與對比。開展巖石地層、沉積相方面的觀察和研究。結合沉積相各種判別標志,如巖石學、沉積構造學進行分析和巖石粒度數據整理,進一步分析沉積環(huán)境變遷和演化。

為了更準確的研究云夢山組沉積時的水動力條件和沉積環(huán)境,在百家?guī)r剖面選取了具有代表性的10塊樣品進行粒度分析(取樣位置見圖4)。粒度分析采用薄片激光掃描分析方法,薄片制作、觀察及粒度數據采集委托北京天和信礦業(yè)技術開發(fā)有限公司完成,實驗設備為西圖孔隙特征及粒度圖像分析系統(tǒng)軟件(V3.4)及 Carl Zeiss偏光顯微鏡Axioskop 40。按照GB/T 19077-2016《碎屑巖粒度分析方法》圖像法步驟,每個薄片統(tǒng)計 500個以上的顆粒粒徑(圖5),換算得到φ值進行統(tǒng)計的(表1)。

圖5 百家?guī)r砂巖樣品顯微照片Fig.5 Microphotographs of Baijiayan sandstone samples

碎屑巖的粒度特征是衡量搬運介質搬運營力和搬運能力大小的尺度,為判別水動力環(huán)境提供良好的標志,常用的粒度參數主要有平均粒徑MZ、標準偏差σ1、偏度SK1和峰度KG。根據上述粒度分析方法得到的數據,經過圖解法計算,得到了相應的粒度參數,如表1所示。

(1)平均粒徑

沉積物的平均粒徑表示粒度分布的集中趨勢,其數值大小受2個因素控制,即沉積介質的平均動力能(速度)和來源物質的原始大小,所以平均粒徑的變化可以反映出其形成時環(huán)境水動力條件的變化。從表1可以看出,樣品除了B-06外其他樣品的平均粒徑介于1.25～1.92 μm之間。整體上,從下到上值呈現出由大到小的趨勢,即粒度存在由細到粗的變化特征,認為是由于潮間帶的沙坪沉積過渡到潮下帶潮汐河道沉積,潮間坪由陸向海水動力變強,砂巖粒度變粗,由泥砂質沉積過渡到較純的砂質沉積。潮下帶潮汐作用強,能量高,沉積了以中粗砂為主的水下砂壩、沙灘沉積。這也可視為水動力條件變化的結果,與剖面觀測情況吻合。

表1 粒度參數統(tǒng)計Table 1 Statistics of grain size parameters

(2)標準偏差

標準偏差體現了顆粒大小的均勻程度,是表示沉積物分選程度的參數。而碎屑物質的顆粒大小和分選程度與沉積時的水動力條件和地理條件有著密切聯系,所以標準偏差的變化可以作為環(huán)境標志。樣品的標準偏差大都介于 0.7～1.7之間,其分選程度為差到中等,樣品 B-04分選較好,樣品 B-03、B-07、B-09、B-10分選差,樣品 B-01、B-02、B-05、B-06、B-08分選中等,整體上從下到上呈現中等到差的變化,這也反映了水動力強弱的變化。而分選中等則為潮間坪中低潮坪沉積物,而分選差可能是因為淺潮道碎屑流沉積夾層沉積物大小混雜,這與平均粒徑的變化基本一致。

(3)偏度和峰度

偏度和峰度都能反應沉積物頻率曲線的雙峰性及其尾部變化,偏度反應粒度分布的集中范圍,而且能表明均值與中位數的位置; 峰度是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的參數。樣品偏度由下到上為正偏態(tài)到很正偏態(tài),頻率曲線多成雙峰型,個別為單峰型或三峰型; 峰度在1.1～3.95之間,平均為2.163,峰態(tài)由尖銳、很尖銳、非常尖銳不等。結合偏度和峰度的特征,表明沉積區(qū)的多物源沉積性,推斷與碎屑流沉積物大小混雜或者水動力強弱的變化有關。

利用鑒別沉積環(huán)境的薩胡判別函數能對淺海/河流(三角洲)進行判定,經計算,樣品薩胡判別值除了 B-02外全部位于河流三角洲區(qū)間,由此也說明云夢山組為潮坪三角洲沉積。

(4)概率累計曲線特征

碎屑物的粒度概率累計曲線可以說明顆粒的搬運狀態(tài),解釋沉積環(huán)境,所以在沉積環(huán)境分析中應用廣泛、效果較好,下面選取 6個樣品的累計概率曲線進行了分析。樣品B-12、B-14累積曲線呈臺階狀多段式(圖6),呈現出多直線組成的臺階狀,滾動總體含量小于20%,跳躍總體含量一般為70%～80%,懸浮總體含量為10%～20%,S截點白值位于2.25φ～3φ之間。反映流體能量較小,但湍動性較強,推測其為潮間帶的中低潮坪的碎屑流沙坪沉積向潮坪砂壩或潮間道的過渡; 也可能是潮間道沉積物受多股水流影響,造成顆粒搬運方式復雜,從而使累積曲線呈現多段臺階狀。樣品B-01、B-08累計曲線為三段式(圖6),其中顆粒以跳躍為主,含量為80%以上,直線傾角在60°左右,分選很好,滾動組分含量很低,含量在 5%以下,直線傾角為 15°,分選差,同時還含有含量很低的懸移組分,與跳躍組分的交切點在 2.25φ～2.75φ之間,與潮間帶相比,跳躍總體含量增加,反映了水動力條件明顯增強。具有潮汐砂壩沉積物的特點。樣品B-02、B-07累積曲線呈兩段式(圖 6),該曲線由跳躍總體和懸移總體組成,細尾部分在 2.25φ附近斜率有明顯變化,跳躍總體約 75%～85%,直線傾角在 50°～60°; 懸移總體組分占總體 10%～20%,直線傾角為 20°～30°,推測其為潮間道的牽引流沉積,因為它是水體流動的主要通道,水動力條件相對較強,巖性較粗。

圖6 砂巖的粒度概率累計曲線Fig.6 Cumulative curves of grain size probability of sandstone

5 沉積相劃分及沉積模式分析

總體上該組巖石粒度分布均勻,分選一般,磨圓度較好,質較純,石英含量高,大部分為紫紅色石英砂巖,在地層剖面上粒度總體趨勢由下到上逐漸變粗,表明沉積環(huán)境是與波浪或水流沖刷有關的海岸砂沉積環(huán)境。從地層剖面圖可以看出沉積構造由下到上,是由泥裂、雨痕、水平層理、演化到小型交錯層理、羽狀交錯層理、波狀層理、再到平行層理的總體演化趨勢,表明了該環(huán)境是從極淺水的潮間帶中潮坪環(huán)境向淺水的低潮坪環(huán)境再到深水的潮下帶的水下砂壩、潮汐通道環(huán)境緩慢過渡的一次海侵過程。通過對該組波痕的分析可以看出波痕在地層剖面上由下部到上部總體是從小流水波痕、雙脊波痕、改造和干涉波痕演變到浪成波痕再到小水流波痕,符合由時常暴露地表的潮間帶環(huán)境過渡到淺水的潮下帶環(huán)境的海侵過程。

6 區(qū)域沉積環(huán)境演化淺析

河南云臺山云夢山組位于華北地臺的南部,屬于汝陽群,不整合于熊耳群之上,被認為是中元古界的典型地層。該組地層在河南省境內分布廣泛,在澠池-確山、太行山和嵩箕地層區(qū)內均有分布。在區(qū)域上,云夢山組厚度變化較大,云臺山地區(qū)出露的最老地層是太古宇登封群變質巖,其SHRIMP鋯石U-Pb年齡為3.4 Ga(高林志等,2005)。在其漫長的地質演化歷史中,經歷了多期構造變形、變質作用、沉積演化、隆升和剝蝕。根據區(qū)域地質發(fā)展歷史、古構造演化規(guī)律和古環(huán)境變遷過程,變質作用、沉積建造和構造變形綜合分析,云臺山世界地質公園的構造演化歷史可以劃分為三個大階段,即太古宙-古元古代克拉通結晶基底形成階段、中元古代-古生代穩(wěn)定克拉通蓋層演化階段和中新生代盆山構造與東亞裂谷形成演化階段。其中,克拉通蓋層演化階段又進一步分為中新元古代拗拉槽演化時期、早古生代穩(wěn)定淺海發(fā)育時期和晚古生代海陸交互盆地演化時期。

7 結論

(1)中元古界云夢山組在景區(qū)的不同地點與太古界呈不整合接觸,與古生界寒武系關口礫巖或饅頭組為平行不整合接觸。該界面缺失了近5億年的沉積記錄。根據華北地臺南緣新元古代地層發(fā)育的情況,說明云臺山地區(qū)新元古界后期一直處于地壘型的剝蝕區(qū)。寒武系全球大海侵時才又開始接受新的沉積。

(2)百家?guī)r、紅石峽等景區(qū)的主要成景地層云夢山組發(fā)育了各種類型的波痕、干裂和交錯層理,其沉積特征反映了華北地臺古老陸核在經過一系列構造運動后,開始接受快速的陸源沉積,而巨厚的石英砂巖沉積特征反映了華北地臺南緣沉降速率與陸源供給和海平面變化的一致性。

(3)云臺山云夢山組石英砂巖形成于濱海海灘-潮坪環(huán)境中,磨圓度較好,石英砂巖質較純,填隙物含量少,成分和結構成熟度較高。

(4)云臺地貌是長期地史演化的結果,是不可多得的世界自然遺產,其豐富的地質地貌遺跡,系統(tǒng)的記錄了太古代到新生代的地質歷史記錄,百家?guī)r、紅石峽等景點多彩的層狀砂巖組合,悠久的構造演化歷史,是階狀峽谷地貌的典型代表,具有全球科學對比研究價值,列入世界地質公園進行保護是人類的共同責任。

致謝:僅以此文紀念我的父親中國地質科學院趙遜研究員(1940—2012年),趙遜研究員是全球世界地質公園的發(fā)起者和奠基者之一,在國際上被譽為“中國地質公園之父”,他及其研究團隊中國地質科學院吳珍漢研究員、中國地質科學院地質研究所高林志研究員、中國地質科學院地質力學研究所馬寅生研究員、吳中海研究員等多年致力于推動全球地質遺跡保護運動以及地質公園建設,對云臺地貌等典型地質遺跡研究和保護做出了重大貢獻。本研究得到了河南省焦作市、修武縣政府、云臺山世界地質公園管委會的大力支持,焦作市團市委書記李明霖博士多方推動云臺地貌研究,在野外地質考察和研究過程中得到了云臺山世界地質公園領導及各部門的大力協助,在這里一并感謝。

Acknowledgements:

This study was supported by Jiaozuo,Henan Province (No.M1407),and China Geological Survey(No.1212010611810).

圖版說明

圖版I Plate I

圖版I Plate I

1-板狀交錯層理; 2-波狀層理; 3-波痕;

4-泥裂; 5礫巖; 6-礫巖砂巖互層

1-tabular cross bedding;

2-wavy bedding;

3-ripple marks;

4-mud cracks;

5-conglomerate;

6-interbed of conglomerate and sandstone