华北地区寒武系第三统鲕粒滩的展布特征及其控制因素

2012-08-20陈小炜牟传龙成都地质矿产研究所四川成都610081

石油天然气学报 2012年11期

关键词：华北地区台地寒武

陈小炜，牟传龙（成都地质矿产研究所，四川成都610081）

葛祥英（山东科技大学地质科学与工程学院，山东青岛266510）

康建威，周恳恳（成都地质矿产研究所，四川成都610081）

寒武系中统是华北地区鲕粒滩形成及发育的重要时期，但在该时期内各个阶段鲕粒滩的分布位置以及其发育厚度、范围均各有不同（图1），对进一步认识华北地区寒武纪古地理以及各相带中亚相等特征有着重要的意义。

图1 华北地区中寒武世鲕粒灰岩典型剖面分布范围及鲕粒灰岩出露层位图

刘怀书[1]在研究张夏组时曾提出鲕粒灰岩出现具有穿时性。赵鹏沄[2]、沙庆安[3]等学者在对鲁西以及京津冀晋等地区的鲕粒灰岩研究的时候均提到了鲕粒灰岩出现的时期早晚不一，最早甚至有的地区可追溯到馒头组沉积期，其层位由东向西逐渐抬高，具有明显的穿时性[4]，笔者在对华北东南缘寒武系剖面进行实测时也发现类似现象。由于鲕粒滩的发育受古海平面的变化制约，多出现在海水深度小于10m的条件下。因此，分析研究各阶段鲕粒滩在华北地区的分布范围以及出现的时限，也就成了研究鲕粒滩的展布及其相带如何随着海侵推进的关键。

1 沉积相带的展布

中国北方地区在寒武系第三统包括毛庄组沉积时期、徐庄组沉积时期、张夏组沉积时期和崮山组沉积时期[5，6]。毛庄组－张夏组沉积时期，华北处于寒武纪海侵的大背景下，海侵范围在张夏组沉积时期达到了最大，仅仅在鄂尔多斯北部残留小部分陆地；到了崮山组沉积时期则转入海平面的停滞期或者下降早期。因此，华北板块在该时期整体为一个稳定陆表海沉积环境，早期发育碎屑岩作为 “垫板”，中后期则进入到碳酸盐缓坡沉积环境，岩性以碳酸盐岩为主，夹有少量的泥页岩、粉砂岩等细粒的陆源碎屑物质，整个华北地块呈现出 “西高东低，北高南低”的古地理格局。

在大量野外地质考察的基础上，结合地震、钻井等资料的解释以及前人对中国北方古地理的研究[7～10]，根据其沉积特征并结合 “优势相＋特殊相”编图方法，认为寒武系第三统华北板块内围绕着鄂尔多斯古陆核向华北板块周缘延伸依次发育潮坪相、局限台地相以及开阔台地相等3种沉积单元（图2）。

潮坪相沉积区主要分布于鄂尔多斯盆地及其周缘地区，西至磴口－吴起－合水一带，南至铜川，东以临汾－凉城为界；发育白云质灰岩、泥质条带灰岩以及泥质白云岩为主；其环境能量相对较高，向古陆核内部水动力条件有逐步变弱趋势，泥质以及其他陆源碎屑物质含量均有增高，泥质条带亦相对发育；向外则以白云质灰岩、灰岩为主，灰岩所占比例增加。根据其岩相的变化以及展布，仍可划分出泥云坪以及云灰坪2个亚相。

局限台地相区则呈环带状展布于潮坪相周围，从华北地区西缘的乌海－庆阳到山西的运城，向NE方向延展至太原－大同直至张家口和辽宁朝阳一带。其外缘受到鲕粒滩的围限，属于水动力条件较差的相对低能沉积区。普遍发育页岩、泥灰岩与灰岩为主，白云岩以及鲕粒灰岩次之。页岩与灰岩多为互层产出，从典型的剖面特点来看，在这种灰泥互层以及细碎屑岩夹碳酸盐岩的形式多出现在中寒武系的中下部的毛庄组、徐庄组沉积时期，剖面多呈现向上变深的结构序列。

图2 华北地区寒武纪第三世岩相古地理图

图3 华北地区鲕粒灰岩横向对比剖面

开阔台地相毗邻局限台地相外侧分布，几乎占据华北板块东、南、西三面大部分地区，呈 “凹”字型展布，属于相对高能的相区，岩性以灰岩、鲕粒灰岩、以及含泥质条带灰岩的岩相组合为主，并以该相带内出现大量的鲕粒滩为主要特征；尤其到了张夏组沉积时期，鲕粒滩的分别范围也达到了最大，到了崮山组沉积时期则开始转换为发育大量的砾屑滩[11]。华北东部除郯庐断裂带以东的山东半岛地区为一剥蚀区外，整个东部地区发育缓坡型不具镶边的碳酸盐台地，开阔台地相中发育小型的高能点滩，在河北承德、保定、山东莱芜、枣庄、济宁等地均有分布。在华北板块西缘、南缘情况类似，在石嘴山、苏峪口包括南缘的开封、平顶山以及安徽淮北一带从中寒武纪早－中期均开始有鲕粒滩的出现，最早出现高能鲕粒浅滩的地区主要在华北板块东南缘的山东新泰、安徽淮南，上述地区早在毛庄组沉积时期便有鲕粒滩的发育。由于华北板块寒武系地层具有一定的穿时性，鲕粒灰岩是随着海侵、相迁移而在不同地方依次形成（图3）。这也验证了发生在华北地区寒武纪的海侵是从其东南侧开始，逐步向北、西方向推进。

2 鲕粒滩的特征及其空间展布

Land[12]在研究巴芬湾的鲕粒后得出的统计结果显示，波浪扰动作用强的地点发育同心鲕粒较多，反之水动力条件较弱之处则以放射状鲕粒为主。近些年的研究也表明，国内外大多数学者都认可 “高能产同心鲕，低能产放射鲕”的说法[13～16]。因此，通过各个时期鲕粒类型及其空间展布特征的研究，就可以进而分析当时沉积环境特征，以及与鲕粒滩的形成有着怎样的相互关系[17]。

2.1 毛庄组沉积时期

从图1可以看出，毛庄组沉积时期最先出现鲕粒灰岩的地区主要分布在华北板块的东南缘的安徽淮南与鲁西的新泰地区。以毛庄组开始出现鲕粒灰岩的地区为例，淮南地区发育于毛庄组的中上部地层，为中－厚层状含泥质纹层的鲕粒灰岩，露头厚度约为23m左右，向上泥质含量减少，鲕粒大小以1mm左右的反映低能环境的放射状鲕粒为主，基质成分多为泥晶物质。徐州地区毛庄发育组的亮晶－鲕粒含海绿石灰岩中，鲕粒占岩石的70%～80%，鲕粒以圆形为主，其次为椭圆形，鲕粒的分选性好，粒径普遍为1mm左右，为同心－放射鲕，鲕粒表面光滑，呈灰黑色，胶结物为亮晶方解石，接触式胶结为主，厚度约17m。河南洛阳地区毛庄组在紫红色粉砂岩、页岩夹少量灰岩的垫板之上的顶部发育约20m厚的厚层鲕状泥质灰岩，以同心－放射状鲕粒为主，局部为略大的豆粒灰岩，这也反映了华北南缘由碎屑岩潮坪向碳酸盐浅滩的转换。鲁西地区出现鲕粒的剖面中鲕粒厚度均不大，且出现的地点也较为分散，可能是在鲕粒形成之后受到水流作用的影响发生搬运迁移的原因，多在泥质灰岩当中发育有含生物碎屑的亮晶鲕粒灰岩，鲕粒类型则以放射状鲕粒为主，总厚约10～13m。

综合以上4个地区毛庄组沉积时期的典型剖面鲕粒类型来看，既有高能环境的同心鲕也混杂有低能环境的放射鲕，在开阔台地相带内，鲕粒类型所反映的水动力条件的能量分布，基本上也是从靠近局限台地相一侧开始，由内而外能量有逐步降低的趋势。这些放射状的鲕粒可能形成于海侵早期的潮坪或者相对平静的局限海域，后来由于海水环境的变化局部出现高能的滩相，导致了后来原地形成的同心状鲕粒。因此，对同心鲕粒滩的分布定位大致可以推测出当时开阔台地相中滩发育的位置。毛庄组沉积时期的开阔台地相区主要出现在三门峡－平顶山－徐州一线以南和临沂－泰安－淄博一线以东地区。其环境能量中等偏高，盐度正常，局部能量高，易于发育鲕粒浅滩，而其中的鲕粒浅滩则主要分布于豫西南、徐淮地以及鲁西地区开阔台地相内向华北板块内部一侧的边缘，大致呈不连续的带状由S向NE向展布，向华北板块内部NW方向展布依次则为局限台地相、潮坪相（图4）。

图4 华北地区毛庄组沉积时期鲕粒滩展布图

2.2 徐庄组沉积时期

随着海侵的进行，华北地区仅剩下伊盟、吕梁、濮阳和燕辽4个小古陆块，开阔台地相也不断向华北板块内部推移。因此，开阔台地相内侧的鲕粒浅滩带也随着海侵方向向华北板块内部迁移，北至承德，西至山西浑源一带，华北板块南缘也推至陕西韩城－河南郑州一线，华北板块西侧的开阔台地相边界大致沿磴口－平凉－咸阳一线展布（图5）。华北板块的边缘有更多的地方出现新的鲕粒滩，在华北西缘的桌子山、苏峪口一带也开始出现高能的鲕粒滩，由于海平面的上升，在浅滩带内原来滩发育的位置，其范围会有所缩小或者消失。徐庄组沉积时期的潮坪相和局限台地相内的剖面结构仍以碎屑岩为优势岩相，到了顶部才开始出现鲕粒灰岩。可以认为，张夏组沉积时期鲕粒滩大面积出现基本上是在徐庄组沉积时晚期华北板块部河北、山西、陕西等地鲕粒灰岩的基础上发展起来的。到了张夏组沉积时期，由于海泛持续时间较长且相对稳定，在潮坪相带内也开始发育一些高能环境的鲕粒滩带。受两边高能鲕粒滩带发育所夹持的影响，中间的局限台地相内出现的鲕粒灰岩大多为低能环境的放射鲕粒为主，并混有少部分来自于高能相带的鲕粒。因而在张夏期的寒武系地层当中表现出来的便是整个华北大部均有育鲕粒灰岩的出现。

图5 华北地区徐庄组沉积时期鲕粒滩展布图

2.3 张夏组沉积时期

华北板块寒武纪大海侵在张夏组沉积时期达到了最大。海水的深度和范围达到了最大值。此时的华北地区大部分已经被海水淹没，仅在内蒙古杭锦旗、伊盟地区残留了小块陆地，而局限台地相和潮坪相则继续向华北板块内部迁移，围绕着陆地边缘展布的潮坪相也压缩至鄂尔多斯古陆核内部。局限台地相更多的可能受到鄂尔多斯陆核以及华北板块中间裂陷带的控制，其边界没有迁移深入至鄂尔多斯古陆核的内部，大致沿鄂尔多斯盆地边缘展布。开阔台地相也不断向鄂尔多斯盆地外缘推进，并占据了华北板块东南侧的大部分地区。张夏组沉积时期是整个寒武系地层当中鲕粒滩最为发育的时期，其呈不连续的点滩状分布，这些点滩大多沿着开阔台地相内侧靠近局限台地一侧分布（图6）。

因此，寒武纪第三世的鲕粒滩基本上也随着相带位置的变化而发生迁移，而在早期发育滩的地区，滩的规模及位置均有不同程度地变化，从现有的典型剖面分析，毛庄组、张夏组沉积时期内的典型剖面中，鲕粒的出现时间顺序大概有以下3种特征：

1）该时期均稳定发育高能鲕粒滩发育，只是发育的程度基本是由少至多，范围由小变大，如徐州大北望剖面、安徽淮南剖面等[18]。

2）仅在其中的1～2个时期内鲕粒灰岩连续发育，随着时间的变化、鲕粒滩位置的变化而减少或消失，如河北平泉、乌海桌子山等地。

3）间断式发育，毛庄组和张夏组沉积时期发育鲕粒，但是徐庄组沉积时期缺失鲕粒，如山东济南明水、新泰青龙山等。这种情况可能是由于海平面的过快上升，而导致利于鲕粒发育的浅滩又物源补给不足，沉积速率小于海平面上升速率所致，当到了张夏组沉积时期最大海泛期，海平面上升速率减慢，沉积物补给速率大于海平面上升速率，海水深度再次达到形成滩的有利深度时，便再次发育鲕粒滩，由于海平面在高水位体系域中有海平面上升晚期、停滞期和下降早期，海平面保持相对稳定高度的时间持续较长，也有利于华北地区鲕粒滩的稳定可持续的发育，这也是整个华北地区各相带内在张夏组沉积时期均大量出现鲕粒灰岩的重要因素之一。

图6 华北地区张夏组沉积时期鲕粒滩展布图

3 鲕粒滩形成的控制因素讨论

该文将从影响并控制鲕粒滩形成的背景因素进行分析。众所周知，鲕粒的形成需要一个最基本的条件：温暖、浅水、动荡的海水环境，在这样的环境下才能发育相当规模的鲕粒滩。那么鲕粒滩的出现又在什么样的大背景上才能形成呢？

1）根据 “构造控盆、盆地控相”的研究思想[19]，构造背景明显控制着华北陆表海台地的发育和展布。由于中新元古代整个华北地块依然处于构造拼贴以及造山隆起阶段，积累起了相对较厚的陆壳克拉通基底，古地貌相对较高，尤其在鄂尔多斯古陆核的内部，应该是华北地块的相对制高点，古地貌基本上呈 “西高东低，北高南低，整体平缓”的特点[20，21]。而这些古地貌特征影响着华北古陆发生大范围海侵、古地理环境发生了重大的改变之后各个时期相带的展布。也正是海侵过后不断向内陆方向扩大的碳酸盐开阔台地环境，造就了适合鲕粒生长发育的浅滩相。

2）控制鲕粒滩在开阔台地内发育的另一个直接因素就是古水下微地貌。整个华北板块的东南大部当时应该是一个相对平缓的地带，当海水淹没后只有在那些相对隆起的浅海区才是水动力条件达到最佳的区域，由于水下隆起的围限作用，碳酸盐物质以及形成鲕粒核心碎屑物质也相对富集，而鲕粒滩大多发育在这些水下地貌相对较高的地区（如图7）。而这些呈点状分布的水下隆起除了由构造因素造成之外，更多的是继承了原先大陆的原始地貌，因此海侵以前的大陆地貌也是导致陆海转变之后鲕粒滩分布的控制因素之一。

图7 华北地区鲕粒灰岩发育模式及其沉积环境

3）海平面的的变化也直接影响着鲕粒滩的迁移、发育的范围以及其鲕粒组构特征等。鲕粒滩的迁移方向基本上与海侵的方向一致，并具有穿时性，在华北地区的东部尤为明显，随着海侵的向西推进，鲕粒滩相出现的层位也相应逐步抬高。且海平面的上升和下降会造成环境水体中介质物理化学条件、能量状况和沉积物组分等因素的变化，因此，在低水位的时候能量相对较低的潮坪、泻湖等环境下多产生粒径较小的鲕粒、或者多以放射鲕粒为主；反之，在相对高能的浅滩内则容易形成体型较大的同心状结构鲕粒。

4 结论

1）华北板块寒武系第三统古地理是在碎屑岩 “垫板”的基础上形成的碳酸盐陆表海台地。该时期华北地区主要发育潮坪相、局限台地相以及开阔台地相等3种沉积单元。

2）3大沉积相带制约着华北地区鲕粒滩的发育和展布的范围，其中高能的鲕粒滩主要分布于开阔台地相，其次为潮坪相当中，而局限台地相内仅发育反映低能环境的放射鲕粒为主。鲕粒滩受到沉积相带控制且大多分布于潮缘区以及开阔台地中靠近局限台地的一侧，并随着相区沿海侵的方向往内陆推进而不断迁移。

3）鲕粒滩形成的控制因素与当时的环境背景息息相关。首先构造背景决定的华北古陆相对稳定且平缓的古地貌，古地貌则对海侵过后华北陆表海台地中各个相带的展布产生影响；其次，海水淹没后水下的微隆起地区也为鲕粒滩的形成提供良好的水下条件，而这些水下微隆起大多由古丘陵或者是在此基础上碳酸盐岩不断加积形成，并形成鲕粒等碳酸盐物质的富集点；最后，海平面的变化也是鲕粒滩形成的重要外因，并且短周期内的高频海平面升降也对鲕粒滩发育的范围以及其中鲕粒的结构产生重要影响。

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