徐州－淮北地区张渠组层序地层格架

刘为付（东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆163318）



徐州－淮北地区张渠组层序地层格架

刘为付
（东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆163318）

摘 要：因新元古代地层缺少古生物化石，地层对比至今仍是难点．徐州－淮北是衔接我国南北新元古代地层对比中的关键地区，其中张渠组是新元古代地层对比中的关键层位．以露头界面识别和米级旋回叠置规律研究为基础，利用沉积过程中发生的重要沉积事件——最大海泛事件、风暴事件及臼齿碳酸盐岩事件，并结合费希尔图解和海进海退经水深校正建立海平面变化曲线等层序划分对比方法，实现了对张渠组地层的等时性划分对比，将张渠组划分为6个三级层序，建立了张渠组层序地层对比格架．根据Sr同位素测年资料，张渠组底部和顶部绝对年龄分别为811和792Ma，每个三级层序的年限约为3．1Ma．

关 键 词：张渠组；层序地层；海平面变化；新元古代；徐州－淮北地区

0 引 言

徐州－淮北处于华北地台东南缘，是衔接我国南北新元古代地层对比的关键地区［1－2］，张渠组是徐州－淮北新元古代地层对比中的关键层位．近年来，地质学家在区域调查的基础上，对该区新元古代地层进行了划分和对比，并取得了重要进展［3－6］．但由于新元古代地层缺少古生物化石，根据该区现有的地质测年资料，在同一组地层中测得的年龄值相差较大，并且上下地层年代存在倒置现象．因此，长期以来该区新元古代地层划分对比一直争议较大，尤其是张渠组的徐州和淮北分属2个地层区，地层统一对比一直是难题．

当缺少古生物化石时，新元古代地层对比主要依靠岩性，由于古地理环境不同，同期沉积过程形成的岩性差异较大，加之岩性穿时问题，即同相异期，不能进行地层等时对比，导致地层对比出现错误．在海相地层沉积过程中，海平面变化所形成的沉积事件具有等时性，可作为地层等时对比的标志［7］，避免因缺少古生物资料仅依靠岩性对比的缺点，从而提高地层对比的可靠性．因此，查明张渠组在沉积过程中海平面的变化规律及其所形成的沉积事件是实现徐州－淮北新元古代地层等时对比的关键和前提．笔者在对研究区张渠组露头剖面详细研究的基础上，利用海进海退引起的海平面变化及沉积过程中发生的沉积事件，结合费希尔图解，对张渠组地层实现了等时性对比，建立了层序地层格架，有效解决了张渠组地层划分对比的不确定性问题，可为缺少古生物化石的新元古代地层划分对比提供借鉴．

1 地质概况

徐州－淮北位于华北地台东南缘，郯庐断裂带西侧．该区新元古代地层大部分被第四纪沉积覆盖，露头出露零散．张渠组在徐州芦山、梁棠和淮北张渠地区剖面出露较好、层位稳定、厚度大，本次研究详细测量了这3个剖面（见图1），考察了该区其他张渠组出露地层．该区张渠组为一套海相碳酸盐岩沉积，地层分为上、下两部分：下部为缓坡沉积环境，岩性主要为泥晶灰岩夹砾屑灰岩，含叠层石及臼齿碳酸盐岩；上部为潮坪沉积环境，岩性主要为白云岩及白云质灰岩，含叠层石，可见干裂及波痕构造．张渠组地层在张渠地区厚度最大，向北及向西地层减薄．张渠组与上覆魏集组及下伏九顶山组均为连续沉积整合接触；其中，魏集组主要以中厚层泥晶灰岩为主，富含叠层石，为潮坪－内缓坡沉积环境；九顶山组主要以中厚层灰岩和白云岩为主，为缓坡沉积环境．

2 张渠组地层对比方法

徐州－淮北张渠组由于古地理背景差异较大，地层对比一直是难点，到目前为止仍然存在较大争议［8］．笔者在详测露头剖面的基础上，对张渠组海平面变化及沉积事件进行了对比研究，实现了地层等时性对比．

图1　徐州－淮北新元古代地层分布及张渠组剖面位置Fig．1 Neoproterozoic distribution of Xuzhou－Huaibei area and the profile position of Zhangqu Formation

2．1 最大海泛事件对比

最大海泛期是沉积物供给速率最低，海平面上升到最高点，可容纳空间最大时形成的沉积［9］．在同一时代的地层沉积中，古地理环境的差异可能导致沉积序列不同，但最大海泛期在同一盆地的沉积具有等时性，成为层序地层等时对比的关键标志．在露头剖面米级旋回层序分析的基础上，识别了徐州－淮北张渠组最大海泛期沉积．由经水深校正的费希尔图解可见，最大海泛期沉积发育在第2个三级旋回层序的下部（见图2），是海平面上升到最高点、水深达到最深时形成的产物，为外缓坡沉积，岩性上由反映最大海泛期沉积特征且具有典型的纹层状泥晶灰岩组成，全区发育，易于对比．利用Sr同位素得到最大海泛事件的时限为805Ma，这对实现该地层的等时性对比具有重要意义．

2．2 风暴事件对比

风暴沉积是指浅水沉积物受到风暴扰动后的再沉积产物，风景沉积分布广，特征明显［10］，可作为地层等时对比的标志．根据露头剖面米级旋回层序和费希尔图解分析，识别出了徐州－淮北地区张渠组风暴沉积．从费希尔图解可见，风暴沉积发育在张渠组第4个三级旋回层序的中部（见图2）．岩性由浅灰色薄层砂屑灰岩与浅灰色中厚层泥晶灰岩互层组成．砂屑灰岩中广泛发育丘状交错层理及粒序层理，局部可见波状层理、水平层理及包卷层理，底部具冲刷－充填构造，为典型的风暴沉积构造．此段地层连续、均衡，风暴沉积与正常沉积交替出现，风暴沉积分布更广泛，易于识别对比．

图2　徐州芦山与淮北张渠剖面张渠组Fischer曲线对比Fig．2 Stratigraphic correlation of Fischer curves between Lushan profile of Xuzhou and Zhangqu profile of Huaibei in Zhangqu Formation

2．3 费希尔图解旋回层序对比

费希尔（Fischer）图解用来定义长周期相对海平面变化，反映原始沉积时期的可容纳空间特征，主要应用于海相碳酸盐岩的旋回层序分析［11］．从徐州－淮北张渠组的费希尔曲线对比资料来看，张渠组沉积层序可进行等时性对比．淮北张渠剖面张渠组连续完整，岩性稳定，由灰色中厚层泥晶灰岩与结晶白云岩组成，含叠层石，厚度由东向西递减．徐州粱棠剖面和芦山剖面张渠组岩性均为灰色中厚层泥晶灰岩夹砾屑灰岩，含叠层石，地层厚度由南向北减薄．徐州－淮北张渠组沉积环境由潮上带－外缓坡组成，由徐州到淮北沉积时水体加深．由经水深校正的费希尔曲线可见，淮北和徐州地区的张渠组，三级旋回层序具有较好的可对比性（见图2）．

2．4 臼齿碳酸盐岩事件对比

臼齿碳酸盐岩分布具有特定时限及特殊沉积环境，成为对比徐州－淮北新元古代地层新的标志．从目前的研究来看，臼齿碳酸盐岩主要分布在1500～650Ma地质时期［12］，最大峰值限于900～700 Ma［13］，因此，臼齿碳酸盐岩可作为时间界限，对于缺少古生物化石的新元古代地层划分与对比具有重要意义．臼齿碳酸盐岩在前寒武纪台地边缘缓坡环境中广泛发育，具有重要的环境指示意义［14－15］．对徐州－淮北地区新元古代臼齿碳酸盐岩沉积环境及层序分布的研究表明：臼齿碳酸盐岩主要分布在碳酸盐岩缓坡沉积环境，发育在内缓坡下部、中缓坡、外缓坡上部；不同沉积环境的臼齿碳酸盐岩形态不同，具有环境指示意义（见图3），研究表明，垂直（M1）主要分布在内缓坡下部，斜交（M2）主要分布在中缓坡上部，杂乱（M3）主要分布在中缓坡下部，平行（M4）主要分布在外缓坡上部．臼齿碳酸盐岩在层序中的不同分布可作为层序对比的标志，在米级旋回中，主要发育在每个向上变浅米级旋回的下部，在层序中，主要发育在海进体系域和高位体系域下部，高位体系域的上部不发育．因此，臼齿碳酸盐的分布可作为徐州－淮北新元古代地层对比的新标志．

图3　臼齿碳酸盐岩在徐州－淮北张渠组的分布模式Fig．3 Distribution pattern of molar－tooth carbonates in Zhangqu Formation of Xuzhou－Huaibei area

3 张渠组层序地层格架

依据最大海泛事件、风暴事件、臼齿碳酸盐岩事件及海平面变化的费希尔图解，对徐州－淮北张渠组所测的3个剖面进行了对比研究，划分出6个三级层序（见图4）．Sr同位素是用于前寒武纪地层测年的一种新方法［16］，笔者利用Sr同位素测年，得到张渠组底部的绝对年龄为811Ma，顶部绝对年龄为792Ma，这2个测年数据非常重要，为实现张渠组地层的等时性对比提供了重要依据．张渠组每个三级层序的年限约为3．1Ma，整个张渠组为一个超旋回层序．

3．1 层序1

层序1底部为一明显的岩相转换面．海进体系域为内缓坡沉积，但岩性在淮北和徐州有差别；淮北张渠剖面岩性由中薄层泥晶灰岩和中厚层砂屑灰岩组成；徐州梁棠剖面和芦山剖面岩性由薄层泥晶灰岩与砾屑灰岩互层组成，砾屑灰岩单层厚度大部分小于0．4m，当砾屑灰岩厚度大于0．4m时，由几个单层叠加组成，中间有间断面．凝缩段为中缓坡沉积，岩性由泥晶灰岩组成．高位体系域为内缓坡沉积，在淮北张渠剖面岩性由中薄层泥晶灰岩和中厚层砂屑灰岩组成，在徐州梁棠剖面和芦山剖面由薄层泥晶灰岩与竹叶状砾屑灰岩互层组成．总体来看，海水在淮北张渠剖面入侵较快，水体较深，在徐州梁棠剖面和芦山剖面入侵减缓，水体变浅（见图4）．

3．2 层序2

层序2底部为一沉积转换面，海水突然加深，由内缓坡上部沉积突然转变为中缓坡沉积．徐州－淮北3个剖面连续完整，沉积层序基本相同．海进体系域为海平面突发性上升形成的滞后沉积，具有深水、宁静、慢速沉积特征，米级旋回由薄层泥晶灰岩与中厚层泥晶灰岩叠加组成，属于中缓坡沉积．海进体系域其上凝缩段，由外缓坡纹层泥灰岩与薄层泥晶灰岩组成的米级旋回叠加构成，具有典型的最大海泛期沉积特征，形成于海平面持续上升至缓慢回落时期．高位体系域由向上变浅、变薄、变细的米级旋回构成，属于内缓坡沉积，形成于海平面开始回落时期．整体上，层序2的最大海泛期由外缓坡沉积的纹层状泥灰岩组成，全区发育，构成了重要的区域对比标志，其下的米级旋回层序构成海侵体系域，其上的米级旋回层序构成高位体系域，该层序最大海泛期上、下地层中臼齿碳酸盐岩发育，是构成区域对比的另一重要标志（见图4）．

3．3 层序3

层序3底部为一明显的岩相转换面，界面之下为内缓坡沉积的中厚层砂屑和砾屑灰岩，之上为潮坪沉积的白云质灰岩．海进体系域为潮坪－内缓坡沉积，由向上变深的米级旋回叠加组成，岩性向上变细．凝缩段由中缓坡沉积的泥晶灰岩组成，臼齿碳酸盐岩发育，构成重要的对比标志层．高水位体系域为内缓坡－潮坪沉积，由向上变浅的米级旋回叠加组成，高位体系域上部在淮北张渠剖面以灰岩为主，到徐州梁棠剖面和芦山剖面变为白云质灰岩．整体上，沉积水体在淮北张渠剖面较深，到徐州梁棠剖面和芦山剖面水体变浅（见图4）．

3．4 层序4

层序4底部为一明显的岩性转换面，界面之下为浅灰色中厚层粉晶白云质灰岩，之上为浅灰色中厚层砾屑白云岩．海进体系域为潮坪沉积，由浅灰色中厚层粉晶白云质灰岩夹紫红钙质页岩组成；凝缩段为内缓坡－中缓坡沉积，由灰色中层泥晶灰岩与风暴碎屑流沉积互层构成，泥晶灰岩中水平层理发育，风暴碎屑流发育丘状层理，具有典型的风暴沉积构造，是全区重要的对比标志；高位体系域由潮间带沉积的灰色薄层微晶白云质灰岩构成，发育潮间层理，产叠层石．整体上，由淮北张渠剖面到徐州梁棠和芦山剖面，水体变浅，沉积厚度明显减薄，沉积环境由潮间带－中缓坡转变为潮上带－内缓坡；风暴沉积全区发育，易于识别，是重要的等时对比标志层（见图4）．

3．5 层序5

层序5底部为岩性转换面，界面之上为砾屑白云岩，之下为粉屑白云质灰岩．海进体系域由潮上－潮间带沉积的白云质灰岩及白云岩组成；凝缩段由潮间带沉积的白云质灰岩和钙质页岩组成，白云质灰岩具有层理发育，页岩中见水平层理；高位体系域由潮上带沉积的浅灰色厚层粉屑白云岩组成．整体上，淮北张渠剖面与徐州梁棠剖面和芦山剖面岩性略有差别，淮北以白云质灰岩为主，徐州以白云岩为主（见图4）．

3．6 层序6

层序6底部仍为岩性转换面，界面之下为粉屑白云岩，之上为砾屑白云岩．海进体系域由潮上－潮间带构成的米级旋回叠加组成，凝缩段由潮间带浅灰色中厚层粉晶白云质灰岩组成，高位体系域由向上变浅的潮上带米级旋回叠加组成．高位体系域顶部为暴露侵蚀面，其后水体变深沉积了魏集组灰色薄层泥晶灰岩．整体上，淮北张渠剖面以浅灰色白云质灰岩为主，含叠层石；徐州梁棠剖面和芦山剖面以灰白色白云岩为主（见图4）．

图4　徐州－淮北张渠组层序划分及对比格架Fig．4 Sequence framework of division and correlation of Zhangqu Formation in Xuzhou－Huaibei area

4 结 论

在对徐州－淮北张渠组3个露头剖面米级旋回详细研究的基础上，利用最大海泛事件、风暴事件和臼齿碳酸盐岩事件，结合费希尔图解和海进海退所建立的海平面变化曲线，实现了对张渠组层序地层等时性划分对比，建立了层序地层格架．最大海泛事件是层序地层对比的重要标志，同一时代的地层，因古地理和沉积环境的差异，沉积序列会有不同，但最大海泛期沉积在同一盆地的具有等时性，张渠组层序2识别出了最大海泛期沉积，在其控制下，对比了张渠组地层旋回层序．风暴沉积面积大，分布广泛，具有特殊的沉积岩石类型及层理构造，张渠组层序4识别出了风暴沉积，全区发育，成为重要的等时对比标志．臼齿碳酸盐岩在地质历史中具有特定的分布时限和沉积环境，是层序对比的新标志；张渠组臼齿碳酸盐分布广泛，发育在内缓坡下部、中缓坡与外缓坡上部，在米级旋回中发育在每个向上变浅米级旋回层序的下部，在层序中发育在海进体系域和高位体系域下部；根据张渠组臼齿碳酸盐的发育分布状况，进行了层序对比．在对徐州芦山剖面、梁棠剖面和淮北张渠剖面米级旋回层序分析的基础上，应用Fischer图解，进行了张渠组海进海退变化曲线对比，三级旋回层序具有较好的可对比性．基于以上旋回层序对比标志和方法，张渠组划分为6个三级层序，全区可进行等时对比，经Sr同位素测年，每个三级层序约为3．1Ma，建立了张渠组层序地层的对比格架．

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Sequence stratigraphic framework of Zhangqu Formation in Xuzhou－Huaibei area

LIU Weifu（College of Geosciences，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang Province，China）

Journal of Zhejiang University（Sci－ence Edition），2016，43（1）：057－063

Abstract：Neoproterozoic stratigraphic correlation is still difficult due to the lack of the fossil record．Xuzhou－Huaibei is the key region to bridging the stratigraphic correlation of Neoproterozoic in China’s northern and southern region，thus Zhangqu Formation is the key position of Neoproterozoic stratigraphic correlation．Therefore，it is necessary to establish the sequence stratigraphic framework of Zhangqu Formation．This study is based on the identification of the outcrop interface and the research of the regularly vertical stacking patterns of the meter－scale cyclic sequences，and uses the important events of the sedimentary processes，namely the maximum flooding events，storm sedimentary events and molar－tooth carbonate events．Combing with the Fischer diagram and the transgression－regression by water depth correction of sea level change curves，the isochronous stratigraphic division and correlation of the Zhangqu formation are implemented and achieved．Zhangqu Formation is divided into six third－order cyclic sequences，and the sequence stratigraphic correlation framework is established．According to the Sr isotope dating data，the absolute geological ages of the bottom and top of Zhangqu Formation are 811and 792Ma，respectively，and the geological age of every third－order cyclic sequence is about 3．1Ma．

Key Words：Zhangqu Formation；sequence stratigraphy；sea level change；Neoproterozoic；Xuzhou－Huaibai area

DOI：10．3785／j．issn．1008－9497．2016．01．010

作者简介：刘为付（1962－），男，博士后，主要从事沉积学和层序地层学研究，E－mail：liuwfdq＠163．com．

基金项目：东北石油大学培育基金项目（XN2014119）；全国油气资源战略选区调查与评价项目（2014XQ0102）；国家自然联合基金项目（U1262106）．

收稿日期：2014－12－24．

中图分类号：P 534．3

文献标志码：A

文章编号：1008－9497（2016）01－057－07