內蒙古阿爾山地區下寒武統蘇中組混合沉積特征及形成環境研究①

曹桐生 田景春,2 朱迎堂 趙榮華 解 惠 田江飛 楊辰雨

(1.成都理工大學沉積地質研究院 成都 610059;2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室 成都理工大學 成都 610059; 3.海南省海洋地質調查局 海口 570206)

內蒙古阿爾山地區下寒武統蘇中組混合沉積特征及形成環境研究①

曹桐生1田景春1,2朱迎堂3趙榮華1解 惠1田江飛1楊辰雨1

(1.成都理工大學沉積地質研究院 成都 610059;2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室 成都理工大學 成都 610059; 3.海南省海洋地質調查局 海口 570206)

以內蒙古阿爾山地區下寒武統蘇中組為研究對象,綜合區域地層、巖石結構、剖面特征、粒度分布特征,對蘇中組碳酸鹽巖夾碎屑巖的沉積環境進行了深入分析。從粒度分布特征來看,蘇中組砂巖粒度分布表現出雙峰和多峰不對稱,偏度以正偏為主,峰度數值多且比較低,分選性差,以粗粒物質為主等特征;運用薩胡圖解投點、判別函數計算確定內蒙古阿爾山地區下寒武統蘇中組砂巖形成于海成三角洲沉積環境。但由于碎屑沉積物粒度普遍偏粗,而且粒度分布與淺海波浪帶砂類似,但懸浮組分相對淺海波浪砂偏高,砂巖與灰巖構成透鏡狀層理和韻律層理,綜合認為砂巖是在潮控三角洲的混合坪沉積的。從灰巖特征來看,灰巖主要表現為灰白色細晶灰巖、白云質灰巖、砂質灰巖,表面呈蜂窩狀,具重結晶,顯示水平層理,綜合分析其形成于灰坪環境。

阿爾山 寒武系 蘇中組 混合沉積 粒度參數 潮坪

內蒙古阿爾山地區下寒武統蘇中組分布于阿爾山市伊爾施鎮西部胡德仁高京及北部蘇呼河(圖1),該套地層在1984年之前一直被劃入志留系-早泥盆統。如寧奇生等人1957年在報道大興安嶺區域地層時把該套地層劃入志留系,并建立了鹿溝組。蘇中組是從寧奇生等人1959年建鹿溝組中分出的一部分。黑龍江區測二隊1976年在科爾沁右翼前旗伊爾施蘇呼河以北該地層中首次發現古杯化石,根據古杯化石Ajacicyathus sp。,Densocyathus sp。,Robustocyathus yavorskii,Archaeocyathus yavorskii,A.sp。,Ethmophyllum hinganense,E.simplex,E.sp。,Protopharetra cf.bipartita,P.sp。,Syringocyathus?sp。,Syringocnema sp。, Coscinocyathus sp。確認是早寒武世,命名為蘇中組[1,2]。蘇中組含義是指烏蘭浩特以北的一套早寒武世地層,厚157.1 m,主要由碳酸鹽巖組成,夾少量碎屑巖,其頂、底均與泥盆系下統呈斷層接觸,認為早寒武世蘇中組為淺海相沉積環境[3]。

位于胡德仁高京附近的寒武紀地層出露面積很小,約為1 km2,但此套地層是大興安嶺地區少有的寒武紀沉積巖地層,對于分析西北利亞板塊東南部沉積環境及成礦背景具有重要的意義。前人認為,自早寒武世海侵開始,該區就發育了與阿爾泰、薩彥嶺地區相同的古杯類,當時的海槽兩地可能是溝通的,而后地殼上升、缺失中-晚寒武世的沉積[3]。針對研究區前人對早寒武世蘇中組沉積環境研究較少,且相對籠統,本次研究重點對蘇中組灰巖及透鏡狀砂巖夾層的特征進行了詳細研究。

1 地質背景

根據板塊構造理論,內蒙古阿爾山地區在大地構造上位于西伯利亞板塊東南部邊緣蒙古-興安造山帶[3],東南與華北板塊相鄰。自晚古生代-早中生代,該區經歷了古亞洲洋收縮、蒙古一鄂霍茨克海的閉合以及華北陸塊與西伯利亞地臺的最終拼貼等過程。華北地塊、蒙古地塊與西伯利亞地塊在晚侏羅世碰撞,形成了蒙古-鄂霍茨克縫合帶,這次碰撞作用不僅造成東亞地區地殼變形,而且也影響到廣大的中亞東部和中國西北地區,造成古亞洲南部地區普遍發生變形和重新活動。研究區古生代地層強烈褶皺,在中生代又受到了濱西太平洋陸緣活化帶的疊加,古生代地層殘缺不全(圖1)。因此,古生代地層是大興安嶺地區基礎研究的重點內容。

圖1 研究區區域構造與地層圖Fig.1 Tectonic and geologicalmap in the study area

圖2 胡德仁高京蘇中組(∈1 s)剖面圖1.含鈣質不等粒石英砂巖;2.鈣質板巖、粉砂巖;3.細晶灰巖、微晶灰巖;4.細中晶砂質灰巖;5.微細晶含白云質灰巖Fig.2 The cross section of the Suzhong Formation in Huderengaojing

2 區域地層特征

2.1 胡德仁高京蘇中組剖面及特征

本次工作測制了內蒙古阿爾山市胡德仁高京下寒武統蘇中組(∈1s)剖面(圖2),在該套地層中,1到4層為下寒武統蘇中組(∈1s),主要為一套結晶灰巖和成層砂巖,總厚度186.3 m。該剖面總體上看為一向斜構造,南東被第四系覆蓋,未見底;北西與中下泥盆統泥鰍河組(D1-2n)之間被一北東南西走向的斷層錯段。其中4層為向斜核部,1、2、3層分別為其兩翼,兩翼產狀對稱,南東翼328°∠70°,北西翼為146°∠75°。

其層序:

上覆地層 中下泥盆統泥鰍河組(D1-2n)青灰色鈣質板巖粉砂巖

下寒武統蘇中組(∈1s)地層自上而下分為4層(圖3)

總厚度186.3 m

4.灰白色薄層狀中細粒砂質微晶灰巖:向斜構造的核部,其北西翼與南東翼產狀大致對稱 25.51 m

3.灰黃、灰白色厚薄互層狀微-細晶灰巖,風化面蜂窩狀,具重結晶,顯示水平層理 36.75 m

2.厚層狀微細晶含白云質灰巖與薄層狀微細晶含白云質灰巖互層,并且構成3個碳酸鹽巖旋回;同時夾有似層狀、透鏡狀中粗粒石英砂巖位于旋回頂部,與灰巖構成潮汐層理86.02 m 1。灰白色薄層狀細中晶含砂質灰巖,灰巖風化面呈蜂窩狀,顯示水平層理 37.96m

其中2層的碳酸鹽巖旋回在地形上沿剖面方向呈三個波浪狀起伏的小山包(圖4);推測為薄層結晶灰巖與頁巖抗風化能力差且位于向斜的兩翼巖體比較破碎易于風化所致。具體劃分如下:

表1 碳酸鹽巖旋回劃分Table1 The carbonate cyclic stratigraphy division of Suzhong Formation

如表1與圖5所示,第一、二旋回的頂部見含鈣質中粗粒石英砂巖條帶,石英砂巖呈似層狀、透鏡狀,與結晶灰巖構成透鏡狀層理,構成旋回的頂界;往底部砂質條帶逐漸變薄與砂質微晶灰巖組成近乎水平的韻律層理;到底部砂質條帶消失,巖石類型表現為砂質灰巖、白云質結晶灰巖。

2.2 與建組剖面對比情況

筆者從巖性、厚度、結構、構造等方面對胡德仁高京蘇中組和蘇呼河蘇中組建組剖面進行了對比(圖5)。兩者有眾多相同的地方,也有一些差異。二者剖面的主要巖性都是厚、薄層蜂窩狀的結晶灰巖,厚度相當,與鄰區地層地層接觸關系均為斷層接觸,蘇呼河蘇中組的砂質條帶筆者認為和本文中的透鏡狀互層的砂巖為同一套東西。不同之處是建組剖面比胡德仁高京蘇中組剖面多出了頁巖這種巖性,且建組剖面頂層厚層結晶灰巖中含有古杯和三葉蟲化石。

圖3 內蒙古阿爾山地區阿爾山市胡得仁高京下寒武統蘇中組綜合地層柱狀圖Fig.3 Sedimentary section of the tidal flat deposition in the Lower Cambrian Suzhong Foramtion

同唐守賢觀點一致,筆者認為胡德仁高京和蘇呼河的蘇中組為同一套東西。胡德仁高京剖面為一向斜構造,在成巖后期經過局部的構造抬升擠壓和變形,缺失最上層的含有古杯和三葉蟲化石的厚層結晶灰巖;而胡德仁高京剖面在地表地形上沿剖面方向上可見幾個結晶灰巖組成的起伏不平的小山包,山包凹槽部分極有可能是原來沉積的頁巖遭受后期風化侵蝕而成。

圖4 剖面上的三個碳酸鹽巖旋回及沉積構造特征Fig.4 Three carbonate cycles of the section and sedimentary structure characters

圖5 胡德仁高京與蘇呼河蘇中組對比圖(據文獻[3]補充)Fig.5 A comparison about the Suzhong Formation between Huderengaojing section and founded section (from Tang Shouxian,1985)

3 混合沉積巖石學特征

混合沉積是一種沉積機理特殊而又有重要意義的沉積現象,對沉積動力學、古地理環境及相關成礦作用的研究提供新的研究思路和依據[4]。雖然混合沉積現象普遍存在,在陸源碎屑巖和碳酸鹽巖的研究與應用已很成熟的今天,人們給予的混合沉積的重視程度卻不夠。

混合沉積可以是由碳酸鹽與陸源碎屑結構混合組成的混積物和“純”碳酸鹽與碎屑沉積物的互層、夾層及橫向相變[5]。內蒙古阿爾山地區下寒武統蘇中組所發育的混合沉積為一套典型的陸源碎屑、碳酸鹽混合沉積產物,包括層內的混合沉積物又包括互層的混合沉積物兩種類型。

3.1 灰巖巖石學特征

內蒙古阿爾山地區早寒武世蘇中組中發育灰白色薄層、厚層狀細中晶砂質灰巖、微細晶含白云質灰巖和微細晶灰巖,灰巖具重結晶,顯示水平層理并夾有砂質條帶。

通過顯微鏡觀察(圖6a),蘇中組灰白色微細晶砂質灰巖由方解石、白云石、石英組成。巖石中方解石呈細晶顆粒,具他形-半自形晶顆粒,分布較均勻,粒度為0.1～0.25 mm,在巖石中較均勻分布,在細晶方解石粒間約有 42%的方解石粒度為 0.03～ 0.076 5 mm,微晶方解石較均勻的分布在細晶方解石的間隙中,狀如多斑結構。白云石呈微晶顆粒,組成集合體,均勻分布在微晶方解石集合體中。石英呈不等粒砂狀顆粒,粒度0.035～0.486 mm,不均勻分布在巖石中。

圖6 a鏡下微觀特征(a灰巖(+)b砂巖(+))Fig.6 a.Characteristics of limestone undermicroscope b.Characteristics of sandstone undermicroscope

3.2 砂巖巖石學特征

研究區碎屑沉積物表現為灰黃色含鈣質不等粒石英砂巖,鈣質膠結。該地層巖性以灰巖為主,砂巖層較薄,厚度一般不超過5 cm,多呈透鏡狀作為灰巖的夾層存在,屬于碎屑巖與碳酸鹽巖互層的沉積物。

鏡下來看(圖6b),碎屑巖表現為灰黃色含鈣質中粗粒石英砂巖,巖石由石英、石英碎屑和絹云母雜基及方解石膠結物組成。巖石中,石英等碎屑具棱角狀、次棱角狀和次圓狀外形,磨圓度一般,無明顯分選性,碎屑中無一粒級占優勢,碎屑粒度大小為0.035 ～1.52 mm,最大可達2 mm,碎屑粒間由絹云母雜基充填,碎屑由方解石膠結。

3.3 混合沉積構造特征

含鈣質石英砂巖與砂質、白云質灰巖在沉積構造特征上表現為透鏡狀層理和潮汐韻律層理(圖4)。透鏡狀互層的巖石中,砂巖和灰巖透鏡體厚度相當,一般單層厚度2～5 cm;而在呈韻律層理的巖石中,則以灰巖為主,兩者大致呈水平層理,灰巖單層厚3 ～4 cm,砂巖薄層厚度0.5 cm左右。細層狀砂巖表現為灰黃色,灰巖灰白色。

4 碎屑沉積物粒度分布特征

碎屑巖的粒度分布及分選性是搬運營力和搬運能力的度量尺度[6],是判別沉積環境及水動力條件的良好標志,而且碎屑巖的物性也與其粒度密切相關,因此粒度分析是研究碎屑巖巖相的重要手段[7,8]。本文采用薄片圖象分析法對內蒙古阿爾山地區蘇中組的碎屑巖沉積物從粒度參數和概率累計曲線兩個方面進行了分析,試圖為蘇中組的沉積環境解釋提供依據。

4.1 粒度參數特征

本文粒度參數采用福克-沃德提出的四種參數[9],即平均粒徑(Mz)、分選系數(σ1)、偏態(Sk1)和峰態(Kg)。

蘇中組沉積物粒度參數及分布見表2。

表2 內蒙古阿爾山地區下寒武統蘇中組剖面沉積物粒度參數(圖解法)Table2 Grain size parameters of sediments from the Suzhong Formation which lies in Aershan area of Inner M ongolia(graphic m ethod)

平均粒徑(Mz):蘇中組沉積物粒徑0.99φ～ 1.36φ,平均1.19φ,同區碳酸鹽巖為2.61;碎屑巖平均粒徑較粗,表明沉積環境水動力條件較強。

標準偏差(σ1):蘇中組沉積物標準差0.86～ 1.7,平均1.44,碳酸鹽巖為0.68,較小,根據分選等級表,分選較差。

偏態(Sk1):蘇中組沉積物偏態0.14～0.49,平均0.38;同區灰巖為0.06。在蘇中組沉積物的頻率曲線中峰偏向粗粒度一側,細粒一側有低的尾部,說明沉積物以粗組分為主。據福克和沃德的分級標準,該區砂巖分選性差,灰巖分選較差。

峰態(Kg):沉積物粒度參數主要反映沉積物來源和沉積環境。[10,11]一般認為,沉積物平均粒徑和分選系數與沉積物來源關系密切,偏態和峰態反映的是沉積環境對粒度的改造結果。蘇中組沉積物的峰態1.68～4.6,平均3.68;Kg非常高。

通過薩胡[12]判別分析法,做出的不同沉積環境關系圖解,可以對濁流、潮汐三角洲、淺海、海灘及風成環境的沉積物進行分析判斷。薩胡圖解中不同沉積環境間都有明顯的分界,同時圖上還標示了能量及流動性下降的方向[13]。

如圖7所示,蘇中組沉積物在圖解上所投點為P,位于潮汐三角洲和淺海交界處形成環境能量較強,流動性中等;且距離濁流、風和濱海沉積環境都比較遠,從而排除蘇中組形成于這些環境的可能性。所以蘇中組沉積物可能來自潮汐三角洲或淺海沉積環境。沉積環境進一步判定則要通過薩胡總結出的各種沉積環境間的判別函數來區分。蘇中組沉積物的粒度參數平均值Mz為1.19,σ1為1.44,Sk1為0.38, Kg為3.68;代入淺海與潮汐三角洲沉積環境鑒別函數Y=0.2852Mz-8.7604σ12-4.8932Sk1+0.0482 Kg[13,14]可得 Y值為-19.508 217遠小于臨界值-7.419 0。

4.2 粒度概率圖特征

蘇中組沉積物粒度頻率分布累計曲線和概率累積曲線見圖8。樣品均發育三個粒度總體,以跳躍總體為主要成分,粒度集中在0.7φ～2φ,占70%～ 80%,粒度偏大說明沉積環境水動力條件偏高;傾斜約80o說明跳躍組分的分選較好。滾動組分粒度很粗,占15%～20%,傾斜40o～60o;分選較差,說明水動力條件較強卻又不足夠強。懸浮組分含量較少,傾斜也僅有5o左右,分選極差。

5 沉積環境探討

圖7 蘇中組沉積環境鑒別圖(據文獻[12])Fig.7 The diagram used to differentiate sedimentary environment of the Suzhong Formation(from Jiang Zaixing,2003)

研究區早寒武世地層碳酸鹽巖旋回發育,旋回頂部的透鏡狀以及韻律互層的鈣質石英砂巖和結晶灰巖是典型層間混合沉積特征,旋回底部的中粗粒砂質灰巖是層內混合沉積的產物。透鏡狀層理和韻律層理是識別三角洲潮坪的重要標志。蘇中組碳酸鹽巖多為灰白色,碎屑巖表現為灰黃色,同類巖石顏色單一,因此巖石中的韻律層理并非由于氣候季節性變化所形成的季節性韻律層理,此套地層中的混合沉積現象很可能是由于潮汐環境中潮汐的周期性變化形成的。

圖8 粒度分布參數統計Fig.8 Frequency grain size curve of the sediments of the Suzhong Formation

蘇中組含鈣質中粗粒石英砂巖含石英和硅質成分較多,即成分成熟度高;可見搬運以及成巖過程中遭受環境改變嚴重,分選并不明顯;此套巖石可能形成于如潮控三角洲這樣水動力條件較強但沉積速率較快的沉積環境中。

蘇中組沉積物峰態極高,充分說明其在沉積作用過程中遭受改造強烈;該沉積物是經過前期改造進入新環境,或者新環境對它的改造特別顯著。標準差平均1.44,較小,其原因可能與長期反復作用的水動力有關;而這種反復作用的水動力就是潮汐漲落導致的。

潮控三角洲位于河流的入海處,是由海與陸交替作用而形成的沉積復合體,包括了各種亞環境,不同亞環境的粒度分布特點也不一樣。潮控三角洲的粒度分布與淺海波浪帶砂類似[12,15,16],這與粒度參數在薩胡的圖解上的投點結論一致。研究區蘇中組沉積物粒度參數在薩胡圖解中投點在潮控三角洲和淺海中間,薩胡鑒別函數對于淺海和潮控三角洲的計算結果遠小于臨界值,表明蘇中組沉積物最有可能形成于潮控三角洲沉積環境中。

綜合區域地層、巖石結構、剖面特征、結合該地層中發現的混合沉積的透鏡狀互層狀的砂巖和灰巖,以及通過粒度分析所得到的頻率曲線表現出的雙峰和多峰不對稱曲線,偏度以正偏為主且變化較大,峰度數值多且比較低,分選性差,粒度以粗粒物質為主等眾多指示特征;運用薩胡圖解的投點、判別函數的鑒定從而推定大興安嶺下寒武統蘇中組形成于海成三角洲沉積環境。但由于碎屑沉積物粒度普遍偏粗,而且粒度分布與淺海波浪帶砂類似,但懸浮組分相對淺海波浪砂偏高。因此,綜合認為該套地層形成于潮控三角洲環境,主要受潮流控制,在碳酸鹽巖旋回中石灰巖和砂巖互層形成的透鏡狀層理和韻律層理是由于潮流的漲落而形成的特殊構造現象;蘇中組含鈣質中粗粒石英砂巖形成于潮汐三角洲的混合坪沉積環境,砂質灰巖、白云質灰巖則形成于潮汐三角洲的灰坪環境。

根據本研究區的大地構造位置和周緣剖面特征總結出內蒙古阿爾山地區下寒武統蘇中組沉積模式(圖9)。分析此區域下寒武統蘇中組地層形成過程為:

Ⅰ:首先是海侵期或高水位期,可容納空間增加,靠近碳酸鹽臺地的地方在碳酸鹽巖形成過程中,少量陸源碎屑注入,位于潮下淺灘帶的薄層結晶灰巖得以沉積,沉積物巖性表現為砂質灰巖,且呈現出典型的水平層理是有力的證明;

Ⅱ:接下來在海退或低水位期,海平面上升,由于受潮汐和波浪的反復作用,在潮下混合坪和潮間灰坪環境中形成3個碳酸鹽巖旋回,砂巖和灰巖得以互層并形成透鏡狀層理、潮汐韻律層理的混合沉積特征;

Ⅲ:高水位期,在潮下帶的淺灘環境中以碳酸鹽巖沉積為主并再次有少量的陸源碎屑物質注入,形成4層的砂質結晶灰巖;

Ⅳ:古亞洲洋收縮、蒙古-鄂霍茨克海閉合、華北地塊與蒙古地塊以及西伯利亞地塊在晚侏羅世碰撞,造成古亞洲南部地區普遍發生變形和重新活動,研究區蘇中組巖層遭受地殼抬升、擠壓變形形成向斜構造,缺失頂層含古杯化石灰巖,頁巖也被風化侵蝕掉;

圖9 內蒙古阿爾山地區下寒武統蘇中組混合沉積模式Fig.9 Mixing Sedimentarymodel of the sediments of the Suzhong Formation in Aershan area of Inner Mongolia

Ⅴ:地殼再沉降接受泥盆系地層沉積,而后上覆第四紀地層。

黃汲清認為早寒武世的造山運動(興凱運動)使興凱時期的島弧和邊緣海沉積物褶皺隆起,焊接或增生于西伯利亞陸塊之上。內蒙古阿爾山地區胡德仁高京早寒武世蘇中組是在潮控三角洲這個海陸頻繁交替作用的環境下形成的,這在一定程度上也支持了這一推測。

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Depositional Characteristics and Environment of M ixing Sediments of Lower Cambrian Suzhong Formation in Aershan Area,Inner M ongolia

CAO Tong-sheng1TIAN Jing-chun1,2ZHU Ying-Tang3ZHAO Rong-hua1XIE Hui1TIAN Jiang-fei1YANG Chen-yu1
(1.Sedimentary Geology School of Chengdu University of Technology,Chengdu 610059; 2.State Key Laboratory of Oil/Gas Reservoir Geology and Exp loitation,Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology,Chengdu 610059;3.Bureau of M arine Geological Survey of Hainan Province,Haikou 570206)

Depositional characteristics and environment of the Lower Cambrian Suzhong Formation in Aershan area of Inner Mongolia are analyzed through integrating areal stratum,lithology,section characteristics,and distribution of the grain size.Grain size of the sandstone in the Suzhong Formation presents the following characters:with double or multimodal anisomerous peaks in grain size distribution frequency curves;mainly in positive skewed distribution;numerous but low peak values;poor sorting andmostof the grain consists of those of coarsematerials.Based on the size parameters,we located in the Sahu diagram and calculated with discriminate function,it is ascertained that the sandstone in the Lower Cambrian Suzhong Formation which lies in Aershan area of Inner Mongolia are deposited in marine delta environment.Nevertheless,most clastic deposits of the Suzhong Formation is macrograin materials with their grain size distribution similar to wave sand of neritic,and with larger suspension population aswell;themixing deposited sandstone and limestone appears lenticular bedding and rhythmic bedding;so we conclude that the sandstone of this area is deposited in themixed flat of tide dominate delta.The limestone in the area studied mainly are Greyish white sandy limestone,dolomitic limestone,being recrystallized,with honeycombed surface and horizontal bedding, through these,we draw the following conclusion that limestone of the Lower Cambrian Suzhong Formation in Aershan area of Inner Mongolia are deposited in limemud flat.

Aershan;Lower Cambrian;Suzhong Formation;Mixing sediments;grain size parameter;tidal flat

曹桐生 男 1984年出生 碩士 沉積地質學 E-mail:liushafeiyang@163.om

P581

A

1000-0550(2011)01-0055-09

①國家油氣重大專項課題(編號:2008ZX05007-05);內蒙古國土廳阿爾山等五幅1∶5萬區域礦產地質調查項目(編號:NMKD2006-08)資助。

2009-12-10;收修改稿日期:2010-02-02