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燕山西段雾迷山组层序地层格架及古地理演化

2014-12-25郭荣涛

关键词:层序延庆白云岩

郭荣涛

中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

0 引言

在前寒武纪漫长的地球演变史中,地球动力机制和地表状况与显生宙存在巨大差异,并且前寒武纪地层化石记录贫乏且保存不好、受后期改造破坏程度较深[1-4],这些因素给前寒武系的沉积相研究和盆地原型恢复带来许多困难。目前所知,燕山地区是全球中元古代地层发育和保存最好的地区,剖面连续性强、出露广泛、顶底界线清晰[5-7],是研究中元古界的理想地区。自1934年高振西等在蓟县剖面建立“雾迷山灰岩”以来,许多地质学家从沉积学[8-15]、生物地层学[16-19]、层序地层学[20-22]角度对发育于燕山地区的雾迷山组进行了卓有成效的研究。笔者以系统的野外和室内工作为基础,结合前人研究成果,对发育于燕山西段的雾迷山组岩相单元和沉积体系进行了研究,并且建立了层序地层格架栅状图,为恢复燕山地区的前寒武纪古地理环境提供了研究资料。

1 区域地质背景

早在20世纪40年代,苏联地质学家沙茨基在研究古地台构造时就发现在古地台边缘常存在“横向边缘构造”,并将其称为横向边缘拗陷。60年代,沙茨基正式将这种构造命名为裂陷槽,指位于地台内部的两个性质相同的构造带之间的槽沟型复杂构造[23]。霍夫曼、狄畏、贝克等认为裂陷槽是三叉裂谷系中未能充分扩展或中途夭折的一支,另外两支充分发展扩张成宽阔海洋的是地槽[24]。通过系统研究,黄学光[25]认为燕山裂陷槽控制的中、新元古代盆地是历时10亿a(1 800~800Ma)的罕见长寿盆地,经历了裂陷海槽向陆表海的转化。

早元古代末期,华北地台是吕梁运动形成的规模最大、固结最早的刚性地块[26-27]。中元古代早期,包括华北地台、西伯利亚地台在内的克拉通大陆开始了大规模三叉型破裂:北侧两支发展成大洋(古亚洲洋),首次成为华北地台的北缘边界;南侧一支成为夭折的裂谷——燕山裂陷槽,形成一个北东向半地堑式楔形槽地,北西为五台古陆,东为山海关古陆[26,28-30]。长城纪常州沟组至大红峪组沉积期为裂陷槽的发生发展阶段,大红峪组沉积期末段裂陷作用逐渐消亡;高于庄组至雾迷山组沉积期为裂陷槽向克拉通盆地转化的过渡阶段,总体沉积环境为陆表海,形成大套以潮坪沉积为主的碳酸盐岩系;从洪水庄组沉积期开始,全区进入克拉通盆地阶段,表现出同升同降特征,抬升时整体抬升,如铁岭上升、芹峪上升、蔚县上升,沉降时全区普遍沉积,岩性和厚度基本相似,表现出稳定的地台型盖层沉积特点[30-33]。

研究区燕山西段是指燕山裂陷槽西部,包括现代的燕山山脉西段和太行山山脉北段,北起赤城附近,西界浑源、繁峙,南以曲阳一线为界。

2 岩相及相序特征

雾迷山组的岩相特征在燕山西段没有明显变化,整体以碳酸盐岩为主,陆源碎屑物质贫乏,普遍发育叠层石。这与当时的陆表海沉积环境有关,雾迷山组系陆表海碳酸盐岩潮坪清水沉积产物[9-10]。通过野外露头观察和室内研究,根据岩性组合特征和叠层石形态等沉积构造特征,笔者将燕山西段雾迷山组的陆表海沉积环境进一步分为潮下坪、潮间坪、潮上坪、泻湖4个相带(表1)。

燕山西段雾迷山组主要由下列岩相单元组成(图1):1)潮下坪高能叠层石白云岩,叠层石类型属于“Pseudogymnosolen-Conophoton”组合[17-19],它们构成独特的厚层块状叠层石生物层或岩礁;2)潮下坪高能凝块石白云岩,该单元以凝块石为主,发育少量核形石,属于潮下高能动荡环境的产物;3)潮间坪硅化叠层石白云岩,叠层石以微波状和水平状为主,发育冲刷面、交错层理和板刺状角砾夹层,硅化作用和白云石化作用较强是该岩相单元的主要特征;4)潮间坪含砂泥晶白云岩,常可观察到泥裂、硅结壳、石盐假晶,硅化作用较强;5)潮上坪泥质和砂质白云岩,随着环境变浅,发育更多的泥裂、硅结壳和微喀斯特角砾,硅化作用也进一步增强;6)泻湖相白云质泥页岩,黏土矿物主要有海泡石、蒙脱石、伊利石、坡缕石、滑石和高岭石[34],该岩相单元的主要特征是钙结壳和硅结壳所表征的强烈溶蚀作用;7)红褐色白云质泥页岩构成的古土壤层,是泻湖相白云质泥页岩经暴露风化形成的,是地层间断的典型标志[35]。

表1 雾迷山组岩相单元及沉积特征Table 1 The lithofacies unit and sedimentary characteristics of the Wumishan Formation

图1 燕山西段雾迷山组野外露头照片Fig.1 Field outcrop photos of the wumishan Formation in western Yanshan Mountains

这些岩相单元有序叠加成环潮坪型米级旋回[36-37],不同的沉积环境形成不同的相序组合。随着沉积环境由深变浅,米级旋回从厚基底型转变为薄基底型,组成一个有规律的环境变化谱系。厚基底型米级旋回下部单元主要由厚层块状叠层石白云岩或凝块石白云岩组成,层厚90~200cm;上部单元以硅化叠层石白云岩为主,层厚10~30cm。薄基底型米级旋回下部单元以水平状叠层石白云岩为主,发育燧石团块和结核,层厚10~30cm;上部单元由灰黄色泥晶白云岩、泥质白云岩和白云质泥页岩组成,层厚5~10cm。

3 层序地层划分

王松山等[38]通过40Ar/39Ar-39Ar/38Ar等时技术,测出雾迷山组的顶、底界年龄分别为(1 207±10)Ma和(1 310±20)Ma,形成时限约100Ma。虽然近年来通过高精度测年得出侵入雾迷山组中的辉绿岩床为(1 345±12)Ma和(1 353±14)Ma[39],但是并没有明确公布雾迷山组顶、底界线的年龄值,还有待于进一步研究。《河北省北京市天津市区域地质志》[40]中把雾迷山组分为4个段,并进行了详细描述,对雾迷山组研究具有非常大的指导意义。但是在河北省兴隆县1∶5万地质填图过程中,梅冥相等[21,41]发现雾迷山组各段之间缺乏明显的划分标志,确定界限存在困难,所以根据二级旋回所反映的旋回性记录,把雾迷山组分为6段。

燕山西段雾迷山组岩性组合和岩相序列整体相对稳定,空间差异主要表现为厚度变化和某些地层的缺失。延庆千沟是研究区雾迷山组发育最为完整的地区,所以本次以延庆千沟剖面为例对燕山西段雾迷山组的层序特征进行介绍(图2)。

以沉积相及其有序叠加形式为基础,通过对层序界面的识别,笔者对延庆千沟剖面雾迷山组进行了层序地层划分,共识别出26个三级层序,进一步归为6个二级层序。这些三级层序三分性明显,都由海侵体系域(TST)、早期高水位体系域(EHST)和晚期高水位体系域(LHST)组成,且岩性组合相似,沉积环境均为向上变浅的潮下坪—潮间坪—潮上坪—泻湖,形成进积序列。

S.1.1—S.2.4:TST和 EHST以潮下至潮间坪相厚基底型米级旋回为特征,米级旋回的下部单元由丘状和微波状叠层石白云岩组成,局部发育小柱状叠层石,单元层厚60~150cm;上部单元由水平状和微波状叠层石白云岩组成,叠层石纹层多数已硅化,单元层厚5~20cm。LHST以潮间至潮上坪相薄基底型米级旋回为特征,米级旋回的下部单元主要以水平状叠层石白云岩为主,单元层厚10~30cm;上部单元由灰黄色泥晶白云岩和泥质白云岩组成,单元层厚5~10cm。

S.3.1—S.5.5:TST 和 EHST 以潮下坪至潮间坪相厚基底型米级旋回为特征,米级旋回的下部单元由厚层块状叠层石白云岩组成,单元层厚80~200cm;上部单元由水平状和微波状叠层石白云岩组成,叠层石纹层多数已硅化,单元层厚5~20cm。厚层块状叠层石白云岩中的叠层石形态向上逐渐由丘状演变为柱状和锥状,凝块石白云岩非常发育,并且单元层明显变厚,这都指示出该阶段的海侵作用和持续时间比之前明显加强。LHST以潮间至潮上坪相薄基底型米级旋回为特征,米级旋回的下部单元主要以水平状叠层石白云岩为主,单元层厚10~30cm;上部单元由灰黄色泥晶白云岩和泥质白云岩组成,单元层厚5~10cm。

S.6.1—S.6.5:总体特征与S.1.1—S.2.4非常相似,TST和EHST以厚基底型米级旋回为特征,米级旋回的下部单元主要发育潮下至潮间坪相丘状和波状叠层石白云岩,单元层厚80~160cm;上部单元由水平状和微波状叠层石白云岩组成,叠层石纹层多数已硅化,单元层厚5~20cm。LHST以潮间至潮上坪相薄基底型米级旋回为特征,主要发育硅化纹层叠层石白云岩、泥质泥晶白云岩、白云质泥页岩组成的韵律层,单元层厚5~10cm。

4 层序地层格架及古地理演化

确定年代-岩石地层格架是地层学研究的基本内容,以岩相和相序为基础,可以建立不同级别的层序地层格架[42]。通过建立层序地层格架,对层序进行大范围追索和对比,也是古地理重建的有效途径之一,尤其对于地层分辨率普遍较低的前寒武系更是具有重要意义[1-4,43]。

在对燕山西段延庆千沟、赤城大岭堡、涿鹿黑山寺、涞水金水口等剖面的详细研究和综合分析前人资料的基础上,运用层序地层学方法[44-48],通过对层序界面进行横向追索,初步分析了雾迷山组的空间分布,建立了层序地层格架栅状图,并在一定程度上对岩相古地理进行了恢复。

图2 延庆千沟剖面雾迷山组层序划分Fig.2 Sequence stratigraphic division of the Wumishan Formation in Qiangou section

4.1 雾迷山组第一个二级层序S.1

二级层序S.1相当于雾迷山组一段,在研究区范围内,仅在延庆千沟剖面发育,可以识别出3个三级层序S.1.1—S.1.3。从延庆千沟剖面向北西至赤城大岭堡剖面、向南西至怀来剖面,S.1都存在迅速变薄尖灭现象。这指示出裂陷槽在进入过渡阶段后,控制沉积盆地的构造运动仍然不太稳定,前一阶段的裂陷作用影响还时隐时现,表现为盆地的不均衡沉降、沉积中心与裂陷槽两侧地层厚度差别巨大;在抬升期,盆地边缘抬升和间断表现明显,而沉降中心则表现不明显,甚至许多地区表现为连续沉积[30]。

4.2 雾迷山组第二个二级层序S.2

二级层序S.2相当于雾迷山组二段,在延庆千沟剖面发育相对最为完整,可以识别出4个三级层序S.2.1—S.2.4。从延庆剖面向北西至赤城千沟剖面,S.2厚度减薄,并且缺失三级层序S.2.1。从延庆千沟剖面向西至涿鹿黑山寺剖面,S.2变薄,三级层序发育不完全,缺失S.2.1和S.2.2;再向西至阳原揣古瞳剖面,S.2整体尖灭。从延庆剖面向西南方向至涞水金水口剖面,S.2逐渐减薄,缺失三级层序S.2.1;再往西至灵丘石磊剖面,S.2整体尖灭。向南至曲阳地区也完全缺失S.2(图3a)。

根据S.2地层格架栅状图所显示的沉积区域变化,可以在一定程度上恢复当时的古地理环境。在S.2形成期间,研究区的最大沉积区仍然在北京附近,此处水体最深,沿南西方向逐渐变浅。与雾迷山组第一个二级层序S.1形成时期相比较,整体沉积区具有较大的继承性,但是海域面积明显扩大,代表了雾迷山组沉积早期的缓慢海侵过程。北京地区至赤城、怀来、涞源、涞水地区水体较深,为潮间至潮下坪沉积区,以厚层叠层石白云岩所占比例较大为特征;再向西至宣化、蔚县、灵丘,向南至曲阳、阜平地区水体变浅,主要是潮间至潮上坪和泻湖沉积区,泥质白云岩和白云质泥页岩比较发育,属于靠近古陆边缘的相带(图3b)。

4.3 雾迷山组第三个二级层序S.3

图3 S.2地层格架栅状图及岩相古地理简图Fig.3 Sequence stratigraphic framework and lithofacies paleogeography map of S.2

二级层序S.3相当于雾迷山组三段,延庆千沟剖面发育最为完整,可以识别出4个三级层序S.3.1—S.3.4。从延庆千沟剖面向北西至赤城大岭堡剖面,4个三级层序发育完整,仅厚度稍微变薄,显示出向北海水变浅幅度不大。从延庆千沟剖面向西至涿鹿黑山寺剖面,虽然4个三级层序发育也相对完整,但是厚度明显变小;再向西至阳原揣骨瞳镇剖面,S.3厚度迅速变小,且缺失三级层序S.3.1;进一步向西至望狐剖面,S.3整体尖灭。涞水金水口剖面4个三级层序发育齐全,向西至灵丘石磊剖面迅速变薄为3个三级层序S.3.2—S.3.4;进一步向西至茶坊子剖面,S.3整体尖灭。从涞水金水口剖面向南西至曲阳下河乡剖面和杨砂侯剖面,S.3逐渐变薄,显示出沿裂陷槽主轴方向水体向南西方向缓慢变浅的趋势(图4)。

根据S.3沉积相带的展布特征可以推测出,与雾迷山组第二个二级层序S.2形成时期相比较,虽然整体沉积格局具有较大的继承性,但是海域面积明显进一步扩大。深水区向西达到宣化、蔚县、灵丘等地区,向南达到阜平、曲阳等地区,为潮下坪和潮间坪沉积环境,岩性组合以叠层石白云岩地层厚度比例大为主要特征。再向西至阳原、浑源、繁峙,向南越过曲阳、阜平地区,水体变浅,主要是潮间至潮上坪和泻湖沉积环境,叠层石白云岩地层厚度比例明显变小,白云质泥页岩和白云质泥岩明显增多,属于靠近古陆边缘的相带(图5)。

4.4 雾迷山组第四个二级层序S.4

图4 S.3地层格架栅状图Fig.4 Sequence stratigraphic framework of S.3

图5 S.3的岩相古地理简图Fig.5 Lithofacies paleogeography map of S.3

二级层序S.4相当于雾迷山组四段,延庆千沟剖面是研究区厚度最大、发育最为完整的剖面,可以识别出5个三级层序S.4.1—S.4.5。从延庆千沟剖面向北西至赤城大岭堡剖面,5个三级层序发育齐全,只是厚度稍微变小,显示向北西水体缓慢变浅趋势。从延庆千沟剖面向西至涿鹿黑山寺剖面,虽然三级层序发育齐全,但是整体厚度明显变小;再向西至阳原揣古瞳剖面,S.4整体尖灭。从延庆千沟剖面向南西至涞水金水口剖面,虽然厚度减小,但是5个三级层序发育齐全;再向西至灵丘石磊剖面,S.4厚度明显变小,只发育三级层序S.4.1;进一步向西至繁峙茶坊子剖面,S.4整体尖灭。从延庆千沟剖面向南西至涞水金水口剖面,再向南至曲阳下河乡剖面,虽然第5个三级层序S.4.5仅残留了海侵体系域,但是三级层序发育相对齐全,厚度逐渐减薄,显示出沿裂陷槽主轴方向水体向南西方向缓慢变浅的趋势。

从曲阳下河乡剖面向西至曲阳杨砂侯剖面,S.4整体厚度减薄,缺失三级层序S.4.4和S.4.5;再向西至阜平吴王口剖面,地层缺失更加严重,剖面明显变薄;S.4在繁峙茶坊子剖面整体尖灭(图6)。

根据S.4地层格架栅状图的空间展布特征可以推测出,S.4与S.3形成时期的古地理环境具有极大的相似性,共同组成了雾迷山组沉积期的最大海侵阶段,海域范围达到了最大值。深水区向西达到宣化、蔚县、灵丘等地区,向南达到阜平、曲阳等地区,为潮下坪和潮间坪沉积环境,形成地层以叠层石白云岩厚度比例大为主要特征。再向西至阳原、浑源、繁峙,向南越过曲阳、阜平地区,水体变浅,主要是潮间至潮上坪和泻湖沉积环境,叠层石白云岩地层厚度比例明显变小,白云质泥页岩和白云质泥岩明显增多,属于靠近古陆边缘的相带(图7)。

4.5 雾迷山组第五个二级层序S.5

二级层序S.5相当于雾迷山组五段,延庆千沟剖面仍然是研究区厚度最大、发育最为完整的剖面,可以识别出5个三级层序S.5.1—S.5.5。从延庆千沟剖面向北西至赤城大岭堡剖面,5个三级层序发育齐全,只是厚度逐渐变小,显示向北西方向水体缓慢变浅趋势。从延庆千沟剖面向西至涿鹿黑山寺剖面,S.5明显变薄,且三级层序发育不完全,缺失S.5.4和S.5.5;再向西至阳原揣古瞳剖面,S.5整体尖灭。从延庆千沟剖面向南西至涞水金水口剖面,虽然厚度减小,但是5个三级层序发育仍然相对齐全,再向南西至灵丘石磊,向南至曲阳地区,S.5整体尖灭(图8a)。

根据二级层序S.5的层序地层栅状图所表征的沉积相带空间展布可以推测出,与雾迷山组第四个二级层序S.4形成时期相比较,虽然整体沉积格局具有较大的继承性,但是雾迷山组五段在阳原、灵丘、阜平、曲阳等地区的整体缺失,说明陆表海在S.5沉积期向沉降和沉积中心发生大规模收缩。深水区向西退至涿鹿、涞源,向南退至涞水,为潮下坪和潮间坪沉积环境,形成的地层以叠层石或凝块石白云岩所占厚度比例较大为主要特征。向西至蔚县、灵丘,向南至阜平、曲阳等地区,水体变浅,主要是潮间至潮上坪和泻湖沉积环境,叠层石和凝块石白云岩地层厚度比例明显变小,白云质泥页岩和白云质泥岩明显增多,属于靠近古陆边缘的相带(图8b)。

4.6 雾迷山组第六个二级层序S.6

二级层序S.6相当于雾迷山组六段,延庆千沟剖面是研究区厚度最大、发育最为完整的剖面,可以识别出5个三级层序S.6.1—S.6.5。研究区内除延庆千沟剖面外,只有北西方向的赤城大岭堡剖面和南西方向的涞水金水口剖面发育S.6,并且厚度明显减小,三级层序发育不完全,都缺失S.6.4和S.6.5。从二级层序S.6的层序地层栅状图可以推测出,与雾迷山组第五个二级层序S.5形成时期相比较,虽然整体沉积区具有较大的继承性,但是海域面积进一步明显缩小,涿鹿黑山寺等地区都已退出了沉积区(图9a)。

图6 S.4地层格架栅状图Fig.6 Sequence stratigraphic framework of S.4

图7 S.4的岩相古地理简图Fig.7 Lithofacies paleogeography map of S.4

根据二级层序S.6的层序地层栅状图所表征的沉积相带空间展布可以推测出,与雾迷山组第五个二级层序S.5形成时期相比较,海域在S.6沉积期向沉降和沉积中心再次发生了明显收缩。深水区向西退至怀来,向南退至涞水,为潮下坪和潮间坪沉积环境,厚层叠层石白云岩比较发育。向西至涿鹿,向南至涞源等地区水体较浅,主要是潮间至潮上坪和泻湖沉积环境,白云质泥页岩和白云质泥岩比较发育,属于靠近古陆边缘的相带(图9b)。

图8 S.5地层格架栅状图及岩相古地理简图Fig.8 Sequence stratigraphic framework and lithofacies paleogeography map of S.5

图9 S.6地层格架栅状图及岩相古地理简图Fig.9 Sequence stratigraphic framework and lithofacies paleogeography map of S.6

5 结论

1)雾迷山组沉积期,燕山西段进入向克拉通盆地转变的过渡阶段,整体为陆表海沉积环境,地层以环潮坪型碳酸盐岩为主,包括潮下坪、潮间坪、潮上坪、泻湖4个沉积相带。

2)延庆千沟剖面是研究区雾迷山组发育最为完整的剖面,可以识别出26个三级层序,归为6个二级层序,每个层序都代表了一个复杂有序的海平面升降旋回。这些三级层序在二级层序内部构成有规律的垂直叠加样式,即二级海平面上升期间形成的三级层序海侵体系域厚度较大,晚期高水位体系域厚度较小,这与二级海平面下降期间的情况正好相反。

3)雾迷山组一段沉积期间,古海水覆盖范围很小,研究区内只有北京周围为沉积区;雾迷山组二段沉积期间,发生海侵,古海水范围向北覆盖河北赤城,向南覆盖涞源、涞水一带;雾迷山组三段沉积期间,继续海侵,古海水覆盖范围向西覆盖蔚县、灵丘一带,向南覆盖曲阳;雾迷山组四段沉积期,海域范围达到峰值,古海洋分布与雾迷山组三段沉积期极度相似;雾迷山组五段沉积期间,发生海退,古海岸线向沉降中心发生大规模收缩,阳原、灵丘、阜平、曲阳等地区退出沉积区;雾迷山组六段沉积期间,古海水覆盖范围达到最小值,仅河北赤城、涿鹿、涞源以西、涞水以北被海水覆盖,研究区的其他地方再一次转变为非沉积区。

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