黃遲強,陳世悅,赫慶慶,李強,馬培領(lǐng),韓長偉,陳湘飛,劉軍
1.中國石油東方地球物理公司研究院庫爾勒分院,新疆庫爾勒 841000
2.中國石油大學(xué)(華東),山東青島 266580
3.中國石油塔里木油田分公司,新疆庫爾勒 841000
風(fēng)暴沉積,是由風(fēng)暴作用影響海水進而影響海底沉積物引發(fā)的一種特殊的事件沉積。風(fēng)暴巖是指在風(fēng)暴影響下在海洋和盆地中形成的沉積巖。風(fēng)暴沉積、風(fēng)暴巖的概念自20世紀70年代被提出[1],之后學(xué)者針對風(fēng)暴巖的沉積特征、垂向序列進行了系統(tǒng)研究,建立了經(jīng)典的風(fēng)暴沉積序列[2-3]。自20 世紀80年代,劉寶珺等[4]率先將“tempestite”翻譯為“風(fēng)暴巖”并引入國內(nèi),針對風(fēng)暴沉積的研究迅速展開并掀起熱潮。經(jīng)過近35年研究發(fā)展,對其沉積構(gòu)造、沉積演化取得了一系列認識[5-6]。風(fēng)暴沉積作為特殊的沉積類型,不僅對古氣候變化、古地理分析具有指示作用[7-9],而且可作為區(qū)域地層對比的標志[10],同時前人也注意到了風(fēng)暴與成礦作用之間存在一定聯(lián)系[11-13]。華北地區(qū)早古生代風(fēng)暴作用頻發(fā),風(fēng)暴巖主要分布在中南和東北一帶[14],眾多學(xué)者在北京西山丁家灘地區(qū)[5]、山東新泰[15]、徐州大北望[16]、豫北及豫西地區(qū)[17-18]均發(fā)現(xiàn)報道了寒武系風(fēng)暴沉積,但是關(guān)于山東楊莊地區(qū)卻未見相關(guān)文獻報道。筆者通過野外剖面考察,在山東楊莊地區(qū)寒武系發(fā)現(xiàn)了多層位廣泛分布的風(fēng)暴巖,識別了典型的風(fēng)暴沉積構(gòu)造,厘定了沉積序列,并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景,建立了研究區(qū)風(fēng)暴演化模式。該區(qū)寒武系風(fēng)暴沉積的發(fā)現(xiàn),補充了華北地區(qū)風(fēng)暴沉積研究材料,對早古生代古環(huán)境、古氣候、古地理恢復(fù)具有重要意義。
楊莊地區(qū)剖面位于山東省臨沂市沂水縣,馬站鎮(zhèn)至富官莊之間,距楊莊鎮(zhèn)大約2 km(圖1)。沂沭斷裂四條主干斷裂活動形成“兩塹夾一壘”地形,寒武系剖面位于其中地壘構(gòu)造單元,地層出露連續(xù)。震旦系沉積后,該區(qū)經(jīng)受了近億年的暴露剝蝕,于寒武紀第二世開始沉降接受海侵,發(fā)育一套碎屑巖—碳酸鹽巖混合沉積建造[19-22]。
研究區(qū)屬于華北地層區(qū)魯西地層分區(qū),寒武系自下而上依次劃分為李官組、朱砂洞組、饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組及三山子組C 段[23-24],整體厚度大約710 m。寒武紀早期古沂沭海峽再現(xiàn),并向魯西地區(qū)海侵[25],沉積地層李官組,平行不整合于震旦系黃綠色白云巖之上[25],巖性為砂礫巖,屬于濱岸相[26]。朱砂洞組厚約80 m,下段以中厚層灰色泥晶灰?guī)r夾核形石灰?guī)r為主,中段見中層白云質(zhì)灰?guī)r及薄層礫屑灰?guī)r,上段沉積厚層泥晶灰?guī)r,見生物碎屑,塊狀構(gòu)造,朱砂洞組沉積期海侵作用持續(xù)增強[27],由下至上逐漸由較弱水動力的局限臺地變?yōu)殚_闊臺地。饅頭組厚約185 m,可分為上、中、下明顯三段,下段巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r,顏色為土黃色或灰白色,薄層或中層板狀,屬于局限臺地相;中段沉積紫紅色粉砂巖、頁巖,夾薄層鮞?;?guī)r,沉積環(huán)境水體淺,氧化作用明顯,為潮坪相;上段沉積大套的鮞?;?guī)r及紅色中砂巖,該段地層交錯層理極為發(fā)育,水動力較強,屬于濱岸及臺緣灘沉積[28]。張夏組厚150 m,早期發(fā)育穩(wěn)定臺緣灘,沉積厚層鮞?;?guī)r;向上過渡為黃綠色頁巖夾薄層灰?guī)r,局部見生物擾動構(gòu)造,為水體安靜、沉積速率慢、還原性的陸棚環(huán)境[29];上段再次沉積厚層塊狀鮞?;?guī)r,見大量生物碎屑,為典型臺緣灘相。崮山組厚約75 m,底部以薄層灰?guī)r與頁巖互層同張夏組區(qū)分,夾礫屑灰?guī)r,礫屑及基質(zhì)均被明顯氧化,沉積于水體較淺氧化性較強的潮坪相;上段巖性發(fā)育泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r及鮞?;?guī)r,層狀或塊狀構(gòu)造,海平面較早期升高,為局限臺地及臺緣灘相。炒米店組厚80 m,底部為深灰色泥晶灰?guī)r,向上過渡為礫屑灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶灰?guī)r,礫屑灰?guī)r夾疊層石灰?guī)r,為臺地前緣斜坡到潮坪相的水退旋回[30];三山子組C段厚130 m,巖性主要為大套厚層塊狀白云巖,為穩(wěn)定的局限臺地沉積。該區(qū)風(fēng)暴作用頻發(fā),風(fēng)暴巖常見,風(fēng)暴沉積構(gòu)造多樣,是良好的風(fēng)暴沉積觀察場所(圖2)。
圖1 楊莊地區(qū)地質(zhì)簡圖及剖面位置Fig.1 Geological map of the Yangzhuang area and location of the studied section
風(fēng)暴沉積作為事件沉積的一種,多由礫屑段及丘狀交錯層理為標志[31-33]。在不同沉積環(huán)境,水體深度不同,風(fēng)暴作用強度具有差異,形成的沉積構(gòu)造也具有多樣性。研究區(qū)寒武紀風(fēng)暴作用頻發(fā),在多層位、各種巖性段均見到顯示。識別典型的風(fēng)暴沉積構(gòu)造包括風(fēng)暴侵蝕構(gòu)造、礫屑段、丘狀構(gòu)造以及粒序?qū)永怼?/p>
圖2 楊莊地區(qū)寒武系綜合柱狀圖Fig.2 Column of the Cambrian strata in the Yangzhuang area
風(fēng)暴侵蝕構(gòu)造是風(fēng)暴作用下常見的沉積構(gòu)造之一。一次風(fēng)暴事件劃分為高峰期、衰減期和停息期三個階段[34],而風(fēng)暴侵蝕構(gòu)造形成于風(fēng)暴作用高峰期,此時水體能量最強,風(fēng)暴作用深度范圍最大,不同水深的沉積環(huán)境風(fēng)暴侵蝕特征也具有一定差異[35]。研究區(qū)觀察到兩種典型的侵蝕構(gòu)造:一是在風(fēng)暴浪作用下,未固結(jié)或半固結(jié)的薄層灰?guī)r發(fā)生形變,形成的波狀侵蝕構(gòu)造(圖3a,b)。平面上類似波痕,具有波峰、波谷,橫向沒有明顯的演變規(guī)律,呈雜亂峰谷相間分布特征。剖面上可見迎浪面,為典型波浪作用證據(jù)(圖3b)。此外,單層灰?guī)r的頂?shù)酌婢哂衅鸱卣鳎瑢娱g由泥質(zhì)雜基不均一充填,橫向上局部被打斷,形成“類石香腸構(gòu)造”,為具有一定韌性特征的灰泥沉積物,在泥質(zhì)雜基侵入摩擦與風(fēng)暴外力共同作用的結(jié)果[36]。這類侵蝕構(gòu)造形成環(huán)境風(fēng)暴浪作用較弱,侵蝕面波峰、波谷起伏幅度小,整體為1~2 cm,并且地層泥質(zhì)含量高,具有近源、弱水動力特點,薄層狀,單層厚度2~5 cm,沉積速率較慢,屬于潮坪相帶。二是風(fēng)暴回流作用帶來的高密度流體,對下伏巖層強烈的沖刷,形成起伏不平的侵蝕面。侵蝕面上下巖性特征突變,上部為一套礫屑灰?guī)r或含礫灰?guī)r,下部為正常的薄層灰?guī)r夾頁巖(圖3c)。并且,這類風(fēng)暴侵蝕面切割作用明顯,局部發(fā)育典型渠模構(gòu)造(圖3d),兩壁高角度斜切下伏地層呈不對稱的U型,渠模規(guī)模較小,寬約3 cm,深1 cm,內(nèi)部充填含礫鮞粒灰?guī)r,礫石為泥晶灰質(zhì)(圖3e),風(fēng)暴流異地搬運造成了這類沉積物混合的特征,鮞粒及下伏深灰色薄層泥灰?guī)r證明其發(fā)育在距臺緣灘較近的臺地前緣斜坡相帶,與前人針對不同沉積環(huán)境發(fā)育渠模特點的研究一致[32]。渠模也可反映風(fēng)暴作用強度及判斷古風(fēng)暴流向。
圖3 楊莊地區(qū)典型風(fēng)暴沉積構(gòu)造Fig.3 Typical storm sedimentary structures in the Yangzhuang area
礫屑段一般與風(fēng)暴侵蝕構(gòu)造伴生。研究區(qū)礫屑段巖性主要為礫屑灰?guī)r和含礫灰?guī)r,礫屑成分多樣,包括泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和鮞?;?guī)r。根據(jù)礫屑段距離風(fēng)暴中心遠近可劃分出原地型和異地遠源型兩種類型[5,37]。
(1)原地型礫屑段,是在風(fēng)暴作用下未固結(jié)或半固結(jié)巖層被打碎、攪動卷揚而起,原地或經(jīng)過短距離搬運快速沉降堆積形成。研究區(qū)觀察到的該類型礫屑段厚35~40 cm,礫屑直徑長度5~20 cm(圖3c),單個礫屑厚度較均勻,約1 cm,成分為灰色泥晶灰?guī)r,礫屑厚度與下伏薄層狀灰?guī)r單層厚度基本一致,這表明礫屑段內(nèi)的礫屑來源于受風(fēng)暴作用侵蝕的下伏薄層狀灰?guī)r。礫屑呈次圓—次棱角狀,礫屑支撐,雜亂堆積無定向性,局部可見指示風(fēng)暴渦流作用的放射狀或菊花狀礫屑堆積結(jié)構(gòu)(圖3c)。原地型礫屑段顯示為較強的風(fēng)暴改造作用,礫屑巖性通常與下伏巖性一致或接近,反映該礫屑段為風(fēng)暴原地侵蝕、原地堆積的特征。礫屑分選及磨圓較差,雜亂堆積、無明顯定向性,礫屑間多為線接觸。
(2)異地遠源型,是指風(fēng)暴作用打碎的巖石,在風(fēng)暴衰減期回流作用下,搬運至異地接受沉積,整體上,礫屑體積分數(shù)相較原地型礫屑段更低。該類型礫屑段沉積時受明顯牽引作用,礫屑長軸方向弱定向—定向性,呈平行—疊瓦狀排列。長距離的搬運下,礫屑棱角明顯被磨損,大多呈次圓狀。此外,異地遠源型礫屑分選較差,由于搬運過程中礫屑的滾動、撞擊造成破碎,形成礫徑較小的礫屑混雜其中,一起快速沉積下來(圖3c,f)。研究區(qū)還觀察到氧化環(huán)境的異地遠源型礫屑段(圖3g),該段厚約55 cm,礫屑呈次圓—圓狀,帶氧化圈。礫屑長軸具有定向性(圖3h),礫屑間接觸方式多樣,點—線接觸,為典型流體搬運結(jié)果。礫屑直徑0.5~10 cm,厚度1~3 cm,而下伏地層為薄層灰?guī)r,單層厚度約1 cm,因此該段礫屑與下伏地層并非同一環(huán)境下產(chǎn)物,屬于異地來源。
丘狀構(gòu)造近年來被學(xué)者報道[33],主要指內(nèi)部沒有明顯的紋層或?qū)永恚螒B(tài)上具有丘狀特征的沉積構(gòu)造。研究區(qū)觀察到該類型丘狀沉積整體以及丘狀交錯層理,二者作為風(fēng)暴沉積的判別標志,這里統(tǒng)稱為丘狀構(gòu)造。其中在臺緣灘沉積環(huán)境,沉積物主要為具有顆粒結(jié)構(gòu)特征的鮞粒,在流體作用下,在層內(nèi)形成成層構(gòu)造。具體表現(xiàn)為上部為多個寬緩的頂面上凸弧形層系組成,紋層向四周傾斜,下部為洼狀層系,層系兩端被上部界面截切,為典型的丘狀-洼狀交錯層理(圖3i);在臺地前緣斜坡環(huán)境觀察到的丘狀構(gòu)造,頂面形態(tài)與波痕類似,為風(fēng)暴作用下產(chǎn)生的震蕩且整體定向的水流作用下形成,具有波形起伏特征。與波痕不同的是,在一定區(qū)域內(nèi),波痕一般具有相同高度的波峰和波谷,但是丘狀構(gòu)造峰、谷特征具有明顯的不均一性,波峰高度變化不等,波谷位置不定,不是正常波浪作用結(jié)果,而是在風(fēng)暴衰減期形成的振蕩水流作用下形成的沉積構(gòu)造。同時,由于沉積在水體較深的弱水動力環(huán)境下,水體流動力弱,所以丘狀構(gòu)造內(nèi)部未觀察到明顯層系、層理(圖3f)。
粒序?qū)永硎浅练e物在搬運、沉積過程中,由于風(fēng)暴作用衰減,流水強度減小攜帶能力變?nèi)酰诔练e分異作用下按粒度大小依次先后沉降而形成。研究區(qū)粒序?qū)永戆l(fā)育在風(fēng)暴侵蝕構(gòu)造之上的礫屑灰?guī)r中,礫屑礫徑由下至上逐漸變小,為典型正粒序特征。該套礫屑灰?guī)r中可見明顯兩段正粒序?qū)?,表明沉積期至少受兩次風(fēng)暴流影響(圖3g)。
風(fēng)暴沉積是由一次或多次風(fēng)暴流引發(fā)的事件性沉積。一次典型的風(fēng)暴流可分為風(fēng)暴初期、增強期、高峰期、衰減期和平息期5 個階段,不同的風(fēng)暴作用階段沉積不同的風(fēng)暴序列。前人研究碳酸鹽巖風(fēng)暴沉積中典型的沉積構(gòu)造[3],建立了類似鮑馬序列的風(fēng)暴沉積理想序列,反映風(fēng)暴流由強變?nèi)醯倪^程。通過剖面考察,筆者在楊莊地區(qū)識別出了風(fēng)暴沉積4個沉積單元,包括風(fēng)暴侵蝕底面、礫屑段、粒序?qū)永矶魏颓馉顦?gòu)造,根據(jù)不同沉積單元及發(fā)育環(huán)境,劃分出3種序列類型(圖4)。
圖4 楊莊地區(qū)發(fā)育風(fēng)暴沉積序列Fig.4 Storm deposit sequences found in the Yangzhuang area
該序列包括風(fēng)暴侵蝕底面、礫屑段及粒序?qū)永矶稳糠郑▓D3g)。風(fēng)暴沉積下部巖性為灰綠色頁巖夾薄層石灰?guī)r,以頁巖為主,暴露風(fēng)化作用導(dǎo)致了其嚴重破碎。向上突變?yōu)轱L(fēng)暴礫屑段的礫屑灰?guī)r,該段厚度約55 cm,礫屑為泥晶灰質(zhì)成分,礫徑從不到1 cm至十幾厘米不等,次圓—圓狀磨圓,礫屑之間接觸方式多樣,包括不接觸、點接觸和線接觸。整體上,礫屑具有一定的定向性,長軸方向平行于層面,表明礫石形成經(jīng)過了流體搬運作用,再接受沉積。同時,礫石被明顯氧化,大多帶有氧化圈或整體被氧化呈紫紅色,這種特征表明其處于長期暴露的淺水環(huán)境[38]。礫屑段底部發(fā)育不規(guī)則的侵蝕面,侵蝕面向上礫屑礫徑由大變小,典型的粒序?qū)永硖卣?,為隨著風(fēng)暴作用強度減弱,風(fēng)暴流搬運強度降低,形成沉積分異的結(jié)果,并且該段發(fā)育至少兩個明顯正韻律結(jié)構(gòu),表明存在多期風(fēng)暴作用影響。礫屑段之上巖性突變?yōu)楸拥捻搸r夾灰?guī)r,說明風(fēng)暴高峰期結(jié)束后,重新接受正常沉積。因此,該類型風(fēng)暴序列發(fā)育在水體淺、氧化作用強、水動力較弱的近岸潮坪環(huán)境。
該類型序列包括風(fēng)暴侵蝕底面、礫屑段及丘狀構(gòu)造三段(圖3f)。序列之下為灰色薄層泥晶灰?guī)r,夾泥質(zhì)條帶。風(fēng)暴侵蝕底面起伏較小,表明風(fēng)暴作用高峰期海浪并未對該沉積環(huán)境造成較大改造作用,應(yīng)處于較深水的沉積背景。礫屑段中,礫屑成分為灰色泥晶灰?guī)r,與下伏巖性相似,其長軸方向大多與層面平行。分選較差,礫徑1~10 cm,棱角—次圓狀磨圓,波浪改造作用較小,搬運距離不遠。局部見礫屑破碎現(xiàn)象,礫屑之間充填灰泥雜基,可見懸浮礫屑。該段厚度約18 cm,橫向上呈透鏡狀產(chǎn)出。礫屑段之上發(fā)育丘狀構(gòu)造,二者界線清晰且具有一定的起伏。丘狀構(gòu)造段巖性為深灰色泥晶灰?guī)r,頂面具獨特的波峰—波谷不均一的特征。隨著風(fēng)暴作用平息,其上沉積泥質(zhì)條帶灰?guī)r。該類型反映在深水環(huán)境下,風(fēng)暴影響作用較弱形成的局限分布風(fēng)暴巖的特點,位于臺地前緣斜坡靠近陸棚的沉積區(qū)。
該序列包括礫屑段和丘狀構(gòu)造兩段(圖5a),礫屑段底部不發(fā)育風(fēng)暴侵蝕構(gòu)造。礫屑段整體厚度約1 m,其中礫屑礫徑1~50 cm 不等,切面形態(tài)多樣,包括橢圓形、月牙形、三角形、不規(guī)則形等,多為次圓狀磨圓,礫屑之間點接觸或不接觸(圖5b)。礫屑成分為鮞?;?guī)r,礫屑之間基質(zhì)同樣為鮞粒成分,對比這二者發(fā)現(xiàn),兩種鮞粒分選均較好,但是粒徑明顯不同,通常認為鮞粒粒徑大小與沉積時水動力條件具有一定相關(guān)性,因此礫屑與基質(zhì)形成于不同環(huán)境。此外,礫屑長軸方向多與層面一致,說明其經(jīng)過流體的搬運作用后在此沉積下來。礫屑段上部為丘狀構(gòu)造段,厚度約35 cm。丘狀構(gòu)造內(nèi)部層系發(fā)育,可見風(fēng)暴渦流的影響下形成的典型洼狀交錯層理,單個洼狀層系長10~15 cm,縱向高2~5 cm,呈現(xiàn)為多個洼狀體交錯截切的特征。序列Ⅲ下部觀察到槽狀交錯層理(圖5c),指示沉積區(qū)強烈的水流作用。該套地層發(fā)育鮞?;?guī)r典型巖性及豐富的層理構(gòu)造,推測其沉積于水動力強的臺緣灘環(huán)境。
圖5 風(fēng)暴沉積剖面結(jié)構(gòu)及其他特征Fig.5 Structure and other characteristics of the storm sediment profile
風(fēng)暴沉積模式主要受控于平均海平面、正常浪基面和風(fēng)暴浪基面3 個重要界面?;谘芯繀^(qū)沉積環(huán)境、沉積背景,結(jié)合前人研究成果[14,39],建立了該風(fēng)暴沉積模式(圖6)。風(fēng)暴浪能影響到臺地前緣斜坡,對未固結(jié)或半固結(jié)的巖石具有破壞性,風(fēng)暴發(fā)展高峰期打碎的礫石被搬運至異地接受沉積。潮坪相帶,由一次或多次大型風(fēng)暴浪帶來的礫屑迅速堆積,礫屑間基質(zhì)為弱水動力下的泥質(zhì)成分,該相帶長期暴露,氧化作用明顯,導(dǎo)致礫屑帶有氧化圈或整體被氧化;臺緣灘相,風(fēng)暴浪作用下,較淺水地區(qū)沉積顆粒灰?guī)r被打碎,搬運至灘后或灘腳沉積,礫屑間充填臺緣灘環(huán)境鮞粒成分;在正常浪基面附近,風(fēng)暴浪最強[5,14],風(fēng)暴營力主要為風(fēng)暴回流及風(fēng)暴渦流,礫屑呈疊瓦狀或菊花狀排列,礫徑較大,并且磨圓度不高,為原地或近原地堆積。
圖6 楊莊地區(qū)風(fēng)暴沉積模式Fig.6 Storm sedimentary model in the Yangzhuang area
現(xiàn)代研究表明,風(fēng)暴多形成在緯度5°~20°之間,可影響緯度范圍為5°~40°,因此風(fēng)暴沉積常常作為一種古環(huán)境、古地理的判斷依據(jù)[40-41]。早古生代華北板塊為陸表海沉積環(huán)境,海水面積廣闊,水體較淺,并且與板塊外的大洋直接相鄰,有利于海洋風(fēng)暴的侵襲[5,38]。華北地區(qū)風(fēng)暴沉積在苗嶺統(tǒng)、芙蓉統(tǒng)中尤為常見,并且多由正常天氣與風(fēng)暴天氣的交互沉積序列組成。針對楊莊地區(qū)研究表明,寒武紀沉積了7套厚度較大風(fēng)暴巖,第二統(tǒng)—芙蓉統(tǒng)均有發(fā)育,不同沉積環(huán)境如潮坪、臺緣灘、臺地前緣斜坡、局限臺地等均可受風(fēng)暴作用影響,苗嶺統(tǒng)及芙蓉統(tǒng)中還觀察到多期次風(fēng)暴影響。如此頻發(fā)的風(fēng)暴作用證明該地區(qū)寒武紀位于赤道附近低緯度地區(qū),這與前人古地磁判斷[42-43](18.5°~29.2°)相吻合。同時,研究區(qū)自第二世至芙蓉世沉積地層中經(jīng)常見到鮞粒發(fā)育,而現(xiàn)代鮞粒大多分布在緯度20°附近,其沉積需要在動蕩的水體、溫暖濕潤的環(huán)境下,所以鮞粒常常作為識別氣候的標志[44],從沉積物的角度也印證了研究區(qū)寒武紀位于低緯度熱帶地區(qū)。
(1)楊莊地區(qū)寒武紀頻發(fā)風(fēng)暴作用,沉積7套風(fēng)暴巖,典型的沉積構(gòu)造包括風(fēng)暴侵蝕構(gòu)造、礫屑段、丘狀構(gòu)造以及粒序?qū)永怼?/p>
(2)風(fēng)暴沉積在多種沉積環(huán)境均發(fā)育,包括潮坪、局限臺地、開闊臺地、臺緣灘、臺地前緣斜坡。不同沉積環(huán)境下,礫屑堆積方式以及來源存在差異。潮坪環(huán)境礫屑為雜亂—半定向堆積,且氧化作用明顯,多為異地來源。較深水的臺地前緣斜坡,礫屑異地或原地來源,以強水動力下形成的疊瓦狀、菊花狀堆積方式為特點。
(3)風(fēng)暴沉積頻發(fā)可作為低緯度熱帶氣候的標志,楊莊地區(qū)寒武系多期風(fēng)暴巖的發(fā)現(xiàn)為這一論斷提供了新的沉積學(xué)證據(jù)。
致謝 馬帥、曾涵鈺共同參與了野外考察,審稿專家對本文提出了寶貴的修改意見,使筆者受益匪淺,在此一并表示感謝。