遷安山葉口常州溝組一段巖石學特征

肖竣文

摘 要：在沉積盆地分析中，對特定地質歷史時期沉積的地層進行巖石學特征研究，是反映盆地演化特征和恢復古沉積環境的必要步驟。研究了遷安山葉口地區常州溝組一段的巖石學特征，對巖石沉積結構和構造進行了分析，對古水流方向進行了統計與分析，并探討了該套地層形成時的古沉積環境。結果表明：本區常州溝組一段巖性為一套巨礫巖、砂巖，砂巖巖性以成分成熟度低的長石砂巖為主，巨礫巖礫石成分主要為成分成熟度較高的石英砂巖、石英巖和硅質巖。礫巖層序總體上表現為一個向上變細的正旋回，代表了水體向上逐漸變深的特征，3種典型的韻律特征形式。古水流優勢方向為南東向，主要物源區可能位于今秦皇島一帶，沉積環境為干旱炎熱氣候下山間盆地中水流湍急的不成熟直流河，由于構造活動等因素逐漸向成熟的河流演變。

關鍵詞：巖石學;礫石;層序;沉積環境

Abstract： In the sedimentary basin analysis， it is necessary to study the petrological characteristics of the strata deposited in a specific geological history period in order to reflect the evolution pattern of the basin and restore the sedimentary environment. In this paper， the petrological characteristics of the first member of the Changzhougou formation in the Shanyekou area of Qian'an are studied; the sedimentary structure of the rocks are analyzed; the paleocurrent direction is measured and analyzed; and the palaeosedimentary environment during the formation of this set of strata is also discussed. The result shows that the lithology of the first member of Changzhougou formation is a strata of boulder conglomerate and sandstone， lithology of the sandstone is mainly composed of feldspar sandstone with low compositional maturity. Gravels of the boulder conglomerate is mainly composed of quartz sandstone， quartzite and siliceous rock with high compositional maturity. In general， the conglomerate demonstrates a fining-upwards sequence， which means that the water body gradually deepens upward， and three typical rhythmic patterns can be extracted. The dominant direction of paleocurrent is toward southeast， which reveals that the main provenance may be located in the present Qinhuangdao area. The sedimentary environment of the area in the early Changzhougou stage is an immature direct river with rapid currents in the inter-mountain basin under dry and hot climate， which gradually evolve to become a mature river due to tectonic activities and other factors.

Keywords： petrological; conglomerate; sequence; sedimentary environment

古元古代末期，受呂梁運動影響，燕山地區所在的華北地臺東部基底固結上升為古陸。中元古代以來，華北地臺西緣隆起，產生了張性斷裂。此斷裂北自遼寧北票附近開始，經平泉、古北口、昔陽直到長冶附近，總體走向呈北東-南西向，成為控制燕山地區從元古宙沉積開始的盆地的主要構造（陳晉鑣，1980;和政軍等，1994）。常州溝組一段的厚層礫巖作為此次構造運動在燕山中段的沉積響應，至今仍保存良好。前人對該套地層的研究多以薊縣剖面為標準（孫立新等，1999;吳夢源，1985），鐘焱等（2011）通過分析天津薊縣剖面常州溝組礫巖的巖性、沉積構造及粒度特征，認為其為一套海相礫巖。陳賢等（2014）認為該段具有河流相的沉積特征，并對底部河流相砂巖斜層理傾向進行了統計，結合常州溝組底部的重礦物分析，探討了該套巖石的物源區方向。在遷安山葉口地區，常州溝組一段多見巨礫、粗礫巖，對于該區域常州溝組的巖石學特征研究，一直未見報道。本文深入探討了此套礫巖層巖石學特征，并分析了其層序韻律特點。

1 地質概況

研究區位于河北省遷安市屬唐山市管轄。構造位置地處華北克拉通北緣，位于馬蘭峪復式背斜的中部，構造甚為復雜（陳晉鑣，1983;申慶榮等，1958;俞建章等，1964;丁文君等，2009）。長期以來，該區經歷了呂梁運動、薊縣運動、燕山運動等構造活動的多次疊加形變，改造強烈。長城系發育完整，出露較好，主要分布在遷安市的西部、西南部和北部邊界附近，平均厚度約千余米。長城系底部的常州溝組為一套粗碎屑巖，厚度在108.8～544.8 m之間，與下伏新太古界遷西巖群呈不整合接觸，在現代地貌上表現為地形陡峻，峰林亓突（武紅梅等，2011;Xiao et al.，2016）。

2 實測地層剖面特征

筆者在遷安市山葉口選擇了3條剖面進行實測。現以山葉口清風足浴嶺西北坡剖面（圖1）為例進行描述。剖面的起點位置海拔高度188 m，常州溝組礫巖出露良好，地層連續。實測剖面長度150.4 m，其頂部為常州溝組二段紅褐色厚層粗砂巖，底部可見與下伏太古宇遷西群的不整合接觸面（圖2a）。實測剖面描述如下：

3 巖石學研究

據剖面描述可知，遷安常州溝組一段礫巖層單層厚度多在1 m以上，最厚者可達34 m。該段巖石整體呈紅色—紅褐色，礫石支撐結構，分選性差。在礫石顆粒直接接觸處可見刻蝕凹坑，砂質孔隙式膠結，砂巖透鏡體發育。其中礫石具有很高的磨圓度，多呈圓狀—次圓狀，其中以巨礫和粗礫居多，平均粒徑在240 mm以上（圖2b）。對礫石進行取樣，并挑選67件樣品送河北省地礦局區調研究所進行薄片分析，分析結果表明其巖性以成分成熟度較高的石英砂巖、石英巖和硅質巖占優勢，巖石分別具中—粗粒砂狀結構和粒狀變晶結構，石英顆粒內可見波狀消光（圖2c、圖2d）。

礫巖層間所夾的砂巖整體為紅褐色，發育板狀、槽狀交錯層理，主要成分為成熟度極低的巖屑砂巖（76.2%）和長石砂巖（14.3%），少見石英砂巖（9.5%）。部分砂巖中含有少量的黑云母，亦指示了較低的成分成熟度。

4 沉積層序分析

研究區內常州溝組一段層序，總體上表現為一個向上變細的正旋回，代表了水體向上具有逐漸變深的特征，底部普遍發育沖刷面，共有3種典型的韻律特征形式（圖3）。由圖3所示，層序下部多為急流粗礫相，這一部分也是巨礫和粗礫的主要發育層段，礫石分選差。偶見巨大型板狀及槽狀交錯層理的緩流粗砂相和中流砂礫相呈透鏡狀產出，反映了以強的水動力條件為主;中部為5～6個主要由急流粗礫相與緩流粗砂相組成的正韻律層，礫巖層單層厚度相對減薄，礫石粒徑減小，砂礫巖的巖性互層代表了洪水期與平水期的交替;上部主要為中流砂礫相和緩流粗砂相，發育楔狀交錯層理和平行層理，礫巖與砂巖的比值明顯減小，急流粗礫相極不發育，說明在這一時期水體變深。

上述3種類型的典型層序，反映了礫巖沉積時期，水流總體由強變弱的過程。

5 古流向分析

礫巖中的礫石由于自身形態等特點，若它們順水流方向表現出定向性，就可成為古流向的指示標志。扁平礫石的ab面（即最大扁平面）傾斜方向與水流方向相反，往往呈迎流式疊瓦狀排列。遷安山葉口地區常州溝組一段中礫石具有定向排列，從而可用來指示古流向。在山葉口地區選擇17個1 m×1 m的礫巖出露區，在每個區塊均選擇30個以上的礫石對其最大扁平面（ab面）的傾向進行了測量，以典型且最大扁平出露較好的礫石為主。結合地層產狀，用StrGraphPrj 1.0軟件進行了構造校正，并以校正后的數據分別繪制了各區塊礫石ab面傾向古流向圖，其中部分區塊的古流向如圖4所示。

結合各工區古流向數據，繪制總體古流向圖（圖5），通過圖5可以看出，礫石的ab面主要指示了兩股優勢水流方向，南東方向最密，而北西向相對較為稀疏，屬于單向型，為穩定的流水成因，說明從總體上來看，底礫巖層主流向明顯，表現了南東、北西向水流較為穩定，也是主要的物源方向，幾乎沒有來自于其他方向的水流作用。

6 討論

通過山葉口地區常州溝組一段地層的剖面實測和巖石學宏觀、微觀特征綜合分析表明，常州溝組一段地層中礫石主要巖性為成分成熟度較高的石英砂巖、石英巖和硅質巖，且礫石具有很高的磨圓度，粒徑較粗，以礫石支撐結構為主，礫巖層多厚度較大。而相比之下，地層中的砂巖基質石英含量少，成分成熟度極低，色調以紅褐色為主，反映了干旱炎熱的沉積環境。考慮到礫石的高成熟度，分析該區在當時可能處于離物源區不遠的山間盆地中，在水流湍急的近源直流河作用下，迅速沉積，形成了這套不整合面之上的厚層底礫巖。王長堯等（1986）通過對薊縣剖面常州溝組的深入研究，結合燕山地區常州溝組系統的區域地質調查，肯定了常州溝組早期河流的存在，并提出了古河流水系的展布和流向，認為常州溝早期多為山地地形。本文與其觀點一致。

常州溝組一段地層的層序特征表現為一個不完整的正旋回，越往上粒度越細，這也代表了在常州溝早期本區發育的河流并非是成熟的曲流河，而隨著時間的推移才漸漸呈現出成熟的河流二元特征，這也受到構造作用的影響。砂巖層中發育的斜層理也是典型的河流相特征。其古水流方向的研究表明，該套巖層古流向具有單峰型且低變化的特點，方位離散度小，與河流沉積特征吻合，主要物源區可能位于緊鄰本區的秦皇島一帶。

7 結論

通過對遷安山葉口常州溝組一段的巖石學特征研究，包括巖性、沉積結構和構造的綜合分析，認為山葉口地區在常州溝早期可能處于氣候干旱的山間盆地，離物源區較近，該套地層符合河流相沉積特征;而對其層序特征的分析表明，本區在常州溝早期，水動力條件極強，而隨著時間的推移，水深逐漸加大，水動力條件減弱，從而造就了該套地層巖石粒度向上變細的韻律特征。

沿燕山地區北東向槽地發育的常州溝早期河流，代表著燕山地區的狹長沉積盆地開始形成，其分布始終受盆地北西緣興隆-凌源斷裂及南東側遷安-撫寧斷裂的控制。

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