豫西陽坡地區(qū)中元古界洛峪口組疊層石特征及沉積環(huán)境分析

肖立志

河南理工大學資源環(huán)境學院 河南焦作 454000

1 概述

疊層石作為地球上最古老也最常見的微生物巖之一，以其廣泛的分布范圍和對大氣圈氧化過程的參與而受到廣泛關(guān)注[1-6]。自疊層石發(fā)現(xiàn)以來，人們通過研究不斷對疊層石的定義進行細化和規(guī)范，最終確定疊層石是以藍細菌為主的微生物在繁殖和代謝活動的過程中黏附和沉淀礦物質(zhì)或捕獲礦物的顆粒而形成的一種生物沉積構(gòu)造[7-8]。近年來，隨著油氣勘探程度的加深，一些學者認為微生物碳酸鹽巖可以作為良好的油氣儲層，具有廣泛的開發(fā)利用前景[9]。同時隨著地球生物學的不斷發(fā)展，微生物巖能夠反映的地質(zhì)信息也逐漸被揭露出來，微生物碳酸鹽巖的發(fā)育和分布可以在一定程度上記錄地質(zhì)歷史時期的重大地質(zhì)事件，這對古氣候、古海洋及古環(huán)境的研究具有重要意義[10]。

2 研究區(qū)地質(zhì)概況

洛峪口組廣泛出露于豫西地區(qū)，主要分布于洛陽確山地區(qū)的洛峪群上部。本論文研究剖面位于河南汝州寄料鎮(zhèn)陽坡村附近[13]，區(qū)內(nèi)洛峪口組發(fā)育齊全，保存完整，剖面疊層石現(xiàn)象豐富。該組巖性主要為泥晶白云巖、粉晶白云巖和少量泥巖，自下而上碳酸鹽巖礦物逐漸增多[11-12]。洛峪口組與下伏地層三教堂組含礫石英砂巖呈整合接觸關(guān)系，與上覆羅圈組紫紅色冰磧巖呈平行不整合接觸，該剖面總厚度為117.8m。

3 洛峪口組巖石學特征

洛峪口組在豫西地區(qū)廣泛分布，以泥巖出現(xiàn)為標志，與下伏三教堂組磚紅色含礫石英砂巖整合接觸；與上覆羅圈組冰磧礫巖平行不整合接觸。陽坡地區(qū)洛峪口組主要巖性為白云巖、泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，白云巖中沉積豐富的疊層石，并有多處發(fā)育臼齒狀構(gòu)造。結(jié)合前人研究成果，將洛峪口組實測剖面分為上、下兩段。下段巖層主要為白云巖與泥巖互層，中上部白云巖中發(fā)育大量的臼齒構(gòu)造，厚度為88.4m[圖1(a、b)]。上段巖層巖性以白云巖為主[圖1(c)]，底部可見灰綠色與紫紅色泥巖互層，厚度為29.4m。在上段白云巖中疊層石十分發(fā)育[圖1(d)]，而且形態(tài)多樣，有層狀、波狀、丘狀等類型。

(a)泥巖；(b)白云巖；(c)臼齒構(gòu)造；(d)疊層石圖1 陽坡洛峪口組地層情況

該研究區(qū)的剖面巖性以泥頁巖和白云巖為主，并發(fā)育有較多典型的沉積構(gòu)造，自下而上表現(xiàn)為泥巖—泥巖與白云巖互層—白云巖的過渡關(guān)系。將巖性變化與不同類型的沉積構(gòu)造在巖層垂向上的差異分布進行分析，可以反映沉積環(huán)境在不同時期的變化。

4 洛峪口組疊層石特征

疊層石宏觀形態(tài)特征與其沉積環(huán)境的關(guān)系十分密切[14-17]。本文通過對豫西中元古代洛峪口組疊層石的宏微觀形態(tài)特征與上下層位巖性以及伴生構(gòu)造進行詳細研究，將該地區(qū)疊層石分為層狀、波狀、丘狀和柱狀疊層石四種。

4.1 疊層石宏觀特征

層狀疊層石紋層呈近水平的層狀或輕微波狀，具水平狀紋層結(jié)構(gòu)，層厚均一，且紋層橫向延伸范圍較廣，無明顯的突起。疊層石明暗紋層相間而生，明層厚度一般大于暗層，明層厚度約為2～4mm，暗層充填于明層之間，厚度大約在1～2mm左右。剖面上層狀疊層石在主要出現(xiàn)于洛峪口組上段。

波狀疊層石的紋層呈波浪狀，具有較大的波狀起伏，具有波峰和波谷，紋層橫向延伸范圍較廣。明暗紋層整體厚度大致相等，均在1mm左右，亦有部分明層厚度較大，可達3mm。剖面上波狀疊層石主要分布在洛峪口組上段。

丘狀疊層石的形態(tài)呈具有清晰的明暗紋層相間排列的丘狀或半球形的突起，紋層發(fā)育連續(xù)，形態(tài)向頂部凸起,拱度中等，與波狀疊層石較為相似，但是橫向分布范圍較為局限。剖面上丘狀疊層石主要分布在洛峪口組上段。

柱狀疊層石橫切面呈圓形或橢圓形，疊層石柱體主要為不分叉的圓柱狀或次圓柱狀，柱體較高，柱狀疊層石的紋層在橫向上彎曲弧度較低。

4.2 疊層石微觀特征

疊層石微觀特征即是指疊層石基本層本身的構(gòu)造特征，包括明層、暗層的形態(tài)學、厚度、特征和亮暗層之間的關(guān)系和它們在橫縱方向上的變化趨勢。剖面上層狀疊層石均賦存于白云巖中，圍巖中常見泥巖或白云巖礫屑，明暗紋層相對較明顯，起伏較為平緩，明層厚度大于暗層，明層厚約0.5mm，暗層為0.03mm[圖2(a、b)]；波狀疊層石多賦存于晶粒較細的白云巖中，明暗紋層厚度分布較為均勻，多為0.5mm，明層中常見有較大的白云石顆粒[圖2(c)]，波狀疊層石較層狀疊層石而言起伏更大，紋層連續(xù)性也更差[圖2(d)]；丘狀疊層石明暗條紋相對較明顯，但成層性較差，明層多呈透鏡狀夾于暗層之中[圖2(e)]；剖面疊層石樣品中常見凝塊構(gòu)造[圖2(f)]，凝塊常見于疊層石明層的白云石大顆粒中，大小不一，多為0.05～0.3mm，最大可達0.5mm。

(a、b)層狀疊層石(×40，單偏光)；(c)波狀疊層石(×40，單偏光)；(d)波狀疊層石(×40，單偏光)；(e)丘狀疊層石(×40，正交光)；(f)凝塊構(gòu)造(×100，正交光)

研究區(qū)疊層石微構(gòu)造主要包括線狀[圖3(a、b)]和帶狀[圖3(c～f)]兩種類型。疊層石暗紋層的厚度小于0.2mm使其在薄片中表現(xiàn)為線狀，亮紋層相對較寬，兩種紋層平均厚度約為0.25mm，為規(guī)則線狀微構(gòu)造[圖3(a)]；疊層石紋層厚度約為0.15mm，且在暗層中偶爾可見與暗紋層不呈同一層理的凝塊，為含凝塊斷續(xù)線狀微構(gòu)造[圖3(b)]。疊層石基本層中的明暗紋層界限清楚[圖3(c)]，明暗紋層反差大，分布相對均勻，其紋層厚度大約為0.4mm，為窄帶狀微構(gòu)造；中等帶狀微構(gòu)造的明暗紋層厚度相差較大，大多明暗紋層為0.5～0.8mm之間[圖3(d、e)]；帶狀微構(gòu)造中紋層橫向延伸性好，顏色反差不大[圖3(f)]。紋層中顆粒物主要為白云石，很細且均勻。在暗紋層密集區(qū)域，亮紋層的厚度遠遠大于暗紋層。其紋層厚度大約為1～3mm之間，厚度較為穩(wěn)定，為厚帶狀微構(gòu)造。

(a)線狀微構(gòu)造(×40，正交光)；(b)線狀微構(gòu)造和微凝塊(×40，正交光)；(c-e)帶狀微構(gòu)造(×40，正交光)；(f)帶狀微構(gòu)造(×40，單偏光)

5 沉積環(huán)境分析

通過野外剖面實測和文獻資料，可將陽坡剖面洛峪口組沉積環(huán)境劃分為局限臺地潮坪亞相。對陽坡剖面洛峪口組巖性特征、疊層石形態(tài)特征進行綜合分析，可將其進一步劃分為潮上帶、潮間帶、潮下帶三個微相。

5.1 潮上帶

本剖面潮上帶巖性為薄層泥質(zhì)白云巖、泥晶白云巖以及粉晶白云巖。層內(nèi)常見泥礫和板條狀白云巖礫，白云石晶粒較小，常為泥晶、粉晶級。干裂與溶解面在野外露頭上不明顯，但巖層發(fā)育大量層狀疊層石，疊層石波狀紋層起伏較小，呈近水平產(chǎn)出，橫向延伸穩(wěn)定。疊層石明暗層呈互層產(chǎn)出，暗層連續(xù)性不完整，一般表現(xiàn)為厚層連續(xù)，薄層斷續(xù)，厚度在0.5～0.8mm之間。明層充填于暗層之間，厚度<0.5mm。曹瑞驥和袁訓來[18]對前寒武紀疊層石的宏觀形態(tài)與水動力條件的關(guān)系進行了研究，結(jié)果表明：層狀疊層石沉積環(huán)境主要為水動力很弱的潮上帶。

5.2 潮間帶

本剖面潮間帶巖性主要以泥質(zhì)白云巖、泥晶白云巖和粉晶白云巖為主，顏色多樣，主要介于土黃—肉紅色，淺灰—灰紫色之間。其中泥質(zhì)、泥晶白云巖層厚與粉晶白云巖相比普遍偏薄，粉晶級別的白云石含量逐漸增多，說明水動力條件較層狀疊層石所處條件有所增強。同時白云巖中發(fā)育大量不同形態(tài)的疊層石，自下而上分別為波狀疊層石。其中波狀疊層石有一定起伏，其層理界限一般較發(fā)育，可見均勻波狀，在野外見到的波狀疊層石，局部可見大緩波狀。其宏觀形態(tài)特征清晰，呈現(xiàn)出明顯的波狀，微觀特征清晰度一般，明暗紋層顏色反差不大。丘狀疊層石的平面為較規(guī)則的同心圓狀，該疊層石與圍巖界限明顯，層理多為穹形。在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，微觀紋層特征清晰，相對于波紋狀疊層石，丘狀疊層石暗層厚度明顯變薄并出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，明暗紋層界限明顯。顏色反差較大，顆粒物粒度較大，可見少量碎屑，反映了丘狀疊層石生長時期水動力條件強。丘狀疊層石的上下層均為波狀疊層石，該現(xiàn)象反映水動力能量高低的變化。王英華等[19]對華北地臺早古生代碳酸鹽巖的研究表明：波狀疊層石和丘狀疊層石沉積環(huán)境主要為潮間帶，而波狀疊層石主要反映潮間低能帶，丘狀疊層石則主要反映潮間高能帶。

5.3 潮下帶

在本剖面中下段巖性主要為泥晶、泥質(zhì)白云巖，野外可見柱狀疊層石，其手標本為深灰黑色疊層石白云巖，疊層石明暗紋層不明顯。圓柱狀疊層石剖面和平面形態(tài)特征明顯，剖面為垂直柱狀或微傾斜柱狀；平面多為同心圓或同心橢圓狀，微觀明暗對偶紋層等相對較規(guī)則且大多清晰。Andres和Reid[20]以巴哈馬Highborne Cays為例，研究了現(xiàn)代海相條件下柱狀疊層石的生長環(huán)境，結(jié)果表明：柱狀疊層石生長在水體較深且水動力相對較低的后礁潟湖環(huán)境或潮下帶環(huán)境。

6 沉積環(huán)境演化

河南省汝州洛峪口組陽坡剖面沉積環(huán)境整體上為碳酸鹽巖臺地，其環(huán)境變化也在一定程度上反映了華北克拉通南緣的裂谷演化的被動陸緣背景[21]。本文在參考前人的研究成果的基礎上，對疊層石的沉積學特征進行研究，最終對疊層石形態(tài)與環(huán)境特征的關(guān)系做出進一步分析。汝州陽坡洛峪口組以碳酸鹽巖沉積為主，根據(jù)疊層石宏觀形態(tài)以及微觀特征，對其沉積環(huán)境進行劃分。

洛峪口組下段巖性以泥—粉晶白云巖為主，因此洛峪口組下段的沉積環(huán)境可能為潮下帶沉積環(huán)境。結(jié)合前文上段下部柱狀疊層石的出現(xiàn)反映了潮下高能帶環(huán)境；洛峪口組上段中部出現(xiàn)了層狀疊層石與丘狀疊層石，可以判斷為潮間低能帶—高能帶的過渡環(huán)境；上段中上部出現(xiàn)了臼齒構(gòu)造與丘狀、波狀疊層石，從而判斷為潮間高能帶過渡到潮間低能帶再過渡到潮間高能帶的沉積環(huán)境演化；到洛峪口組上段上部，巖性與下段相比出現(xiàn)了明顯的改變，大量連續(xù)沉積的肉紅色、土黃色泥粉晶白云巖構(gòu)成了本段沉積。除巖性變化之外，本段出現(xiàn)的層狀疊層石能也表明洛峪口組上段沉積環(huán)境與下段相比出現(xiàn)了較為明顯的改變，水體深度明顯變淺，因此洛峪口組上段顯示潮上帶特征。由此可知，洛峪口組沉積環(huán)境向上整體變淺，本剖面沉積環(huán)境從早到晚的演變大致為潮下帶—潮間低能帶—潮間高能帶—潮間低能帶—潮間高能帶—潮上帶，洛峪口組沉積環(huán)境演化較為復雜，但是總體上呈現(xiàn)水體變淺的趨勢。

7 結(jié)論

(1)豫西陽坡剖面洛峪口組主要發(fā)育一套碳酸鹽巖沉積，巖性主要為泥晶白云巖、粉晶白云巖、疊層石白云巖、泥巖等，自下而上泥巖含量逐漸減少，至中上部已全部變?yōu)榘自茙r。

(2)根據(jù)疊層石宏微觀形態(tài)特征，可將豫西陽坡剖面洛峪口組中的疊層石分為層狀、波狀、丘狀和柱狀疊層石四種類型，這些疊層石及其組合依次出現(xiàn)于潮上帶、潮間帶和潮下帶沉積環(huán)境。

(3)洛峪口組的巖相和疊層石特征反映其沉積環(huán)境自下而上經(jīng)歷了潮下帶—潮間低能帶—潮間高能帶—潮間低能帶—潮間高能帶—潮上帶的演變過程。