华北中南部地区石盒子群沉积环境研究新进展

李增学，李晓静，王东东，刘　莹，陈晓燕，吕大炜，张增奇，梁吉坡，刘海燕，王平丽

1）山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室， 山东青岛 266590； 2）山东科技大学地球科学与工程学院， 山东青岛 266590；3）河北省煤炭综合开发利用协同创新中心， 河北邯郸 056038；4）山东黄金地质矿产勘查有限公司， 山东莱州 261400； 5）山东省地质科学研究院， 山东济南 250013

华北中南部地区石盒子群沉积环境研究新进展

李增学1，3），李晓静1，2），王东东1，2），刘莹1，2），陈晓燕4），吕大炜1，2），张增奇5），梁吉坡5），刘海燕1，2），王平丽1，2）

1）山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室， 山东青岛 266590； 2）山东科技大学地球科学与工程学院， 山东青岛 266590；3）河北省煤炭综合开发利用协同创新中心， 河北邯郸 056038；4）山东黄金地质矿产勘查有限公司， 山东莱州 261400； 5）山东省地质科学研究院， 山东济南 250013

华北地区石盒子群的沉积环境长期以来一致存在较大的争议， 大多数研究者认为该时期完全为陆相沉积， 也有一些学者在该地层中发现了海相沉积物。本文着重对鲁西、河南等地区石盒子群的奎山砂岩进行岩石学、沉积学、地球化学等指标研究， 在该砂岩中发现了冲洗交错层理， 并在该砂岩中上部发现了海绿石的存在。通过详细分析奎山砂岩中海绿石的显微特征、元素地球化学特征， 并进行比较研究发现， 华北地区奎山砂岩中海绿石的化学成分、含量与国内外古代的海相、过渡相海绿石基本一致， 推断其为滨浅海富氧环境的产物。华北地区奎山砂岩中发育的沉积构造和所含海绿石的元素地球化学特征， 揭示了该时期曾发生过海侵， 反映了石盒子群沉积期沉积环境的复杂性。华北地区石盒子群奎山砂岩中上部海相沉积环境的确定， 可能改变华北盆地二叠纪以来单纯为陆相沉积的认识， 这为精细研究华北地区中晚二叠世的盆地格局、充填演化及恢复古地理景观， 提供了新的思路和重要依据。

石盒子群； 奎山砂岩； 海绿石； 冲洗层理； 元素地球化学； 沉积环境

华北地区晚古生代沉积环境、盆地演化等方面的研究已经开展多年， 研究者大都认为华北地区晚古生代总体上是一个海退旋回， 华北地区（尤其是中—北部）中、上二叠统为单一的陆相沉积（程宝洲等， 1992； 陈钟惠等， 1993； 尚冠雄， 1997； 李增学等，1998， 2007， 2011， 2015； 陈世悦等， 2000）。但是， 有些学者在华北地区中、上二叠统中发现了一些海相沉积物， 如在上石盒子组发现了硅质海绵岩、泥质海绵岩及含海绵骨针化石的硅质泥岩以及含量不等的海绿石（黄凯芬和彭应照， 1981； 兰昌益， 1981； 葛宝勋和李春生， 1983； 王仁农， 1988）。华北地区石盒子群中海绿石的来源及成因一度成为学者们关注的热点。

20世纪90年代以来， 国内外许多学者对海绿石的发育环境、地球化学及岩石学、矿物学特征及其形成温度、盐度、pH值、水深等因素进行了深入研究， 发现海绿石的成因是多样的， 也是比较复杂的， 并提出了许多新的认识（Odin and Matter， 1981；Rongbing， 1989； Rao et al.， 1995； 李东明等， 1996；Muller et al.， 2000； Kim and Lee， 2000； Giresse and Wiewióra， 2001； Pasquini et al.， 2004； Eder et al.，2007； Khalifa et al.， 2008； Mete and Varol， 2009； 李响等， 2010； Baioumy and Boulis， 2012； Andre et al.，2013； 陈淑慧等， 2014； Kamel et al.， 2015）。

图1　鲁西地区地质简图及野外露头、钻孔位置图Fig. 1 Geological map of Luxi area showing field outcrop and drilling locations

海绿石既可以形成于海洋环境， 也可以形成于陆相湖泊环境， 湖相海绿石具有Al2O3、K2O含量高、FeO含量低的特点。现代海洋原生海绿石则多形成于一定的沉积、地层和岩相环境， 高能环境和高沉积速率条件下， 也可以形成海绿石（Chafetz and Reid， 2000）。

近年来， 本课题组对华北地区石盒子群的沉积特征、环境演化等方面进行了研究（李增学等， 1998，2006； 孟兆磊， 2010； 王芳， 2011； 陈晓燕， 2012； 杜林涛， 2015； Lü et al.， 2015）， 特别是在淄博地区的东黑山、西黑山野外地质剖面、济宁地区东滩煤矿、菏泽单县等地区进行了较为详细的研究（图1）， 认为奎山砂岩中发育的沉积构造类型以及海绿石的元素地球化学特征， 是判断该时期存在海相沉积的重要证据； 宏观沉积构造和海绿石地球化学指标， 形成了判断沉积环境的证据链。

1 华北地区石盒子群奎山砂岩沉积特征

华北地区上二叠统石盒子群自下而上可以划分为3个组（图2）： （1）万山组， 以泥岩夹粉砂岩为主，砂岩为长石、石英砂岩； （2）奎山组， 主要为中粗粒的石英砂岩， 厚度较大， 沉积构造发育， 为较好的标志层； （3）孝妇河组， 以杂色泥岩夹薄层砂岩为主，在淄博地区， 中、上部夹有十余米深灰至灰黑色泥岩， 含腕足类化石（Lingula sp.）， 其对比意义很大。

奎山砂岩是奎山组中上部发育的一套厚层致密坚硬的（含长石）石英砂岩， 主要分布在鲁西、南华北等地区。正层型剖面位于淄川区昆仑镇大奎山，是一套白色-灰黄色（略带肉红色）厚层中、粗粒长石石英砂岩及杂色砂岩， 局部为纯的石英砂岩。在淄博、章丘一带厚23～65 m。虽然各地奎山砂岩的结构及成分有所不同， 但由于层位大致相当， 厚度较大， 标志性明显， 可作区域对比标志层。

鲁西地区奎山砂岩中发育的沉积构造类型较多， 下部层段发育大型楔状、板状和槽状交错层理，中上部层段发育冲洗交错层理和平行层理（图3）。冲洗交错层理是波浪在海滩的滩面上产生向岸和离岸往复的冲洗作用形成的， 层系呈楔状， 层系界面成低角度相交， 一般2°～10°， 相邻层系的细层倾向可相同或相反， 细层平直， 延伸较长， 层系顶部被侵蚀而底部完整， 纹层内粒度分选好， 可有粒度变化，常出现在后滨-前滨带及沿岸沙坝等沉积环境中（Harms， 1975）。此外， 奎山砂岩中上部还可以观察到不同粒度纹层叠覆、不同重矿物纹层叠覆或两者同时存在的现象， 反映了沉积时水动力较强的特点；奎山砂岩顶部层段为厚层块状黄褐色砂砾岩， 后期风化作用和铁质侵染较严重； 砾石主要是纯净的石英， 分选、磨圆中等-偏好， 成熟度较好， 反映了滨海地带击岸浪往返运动频繁， 是长期改造反复淘洗的结果。砂砾岩体中部粒度较底部和顶部稍细， 局部发育板状交错层理， 其上下界面平直， 各层系厚度稳定不变或变化不大， 每个层系内的细层倾向一般为同向； 该层段也发育大量波痕构造， 具有滨浅海的沉积特征（图2）。

图2　华北地区石盒子群沉积特征柱状图（根据山东淄博东黑山野外地质剖面和西黑山野外地质剖面整理）Fig. 2 Geological columnar section showing sedimentary characteristics of Shihezi Group （modified after Dongheishan field geological section and Xiheisha field geological section in Zibo， Shandong Province）

鲁西地区石盒子群奎山砂岩中上段的岩石薄片中识别出的海绿石， 单偏光下呈翠绿、淡绿和黄绿色圆， 粒状、卵状、条状和不规则粒状， 粒径0.05～0.2 mm； 正交偏光下呈现集合偏光。在高倍镜下观察， 海绿石由极细小的鳞片状集合体所组成（图4）， 硬度小， 性脆并极易破碎。

图3　淄博剖面奎山砂岩中上部层段低角度交错层理（冲洗层理）Fig. 3 The low angle cross-bedding in upper Kuishan sandstone of Zibo section （wash cross-bedding）a-淄博东黑山奎山砂岩中上部上段剖面； b-淄博东黑山奎山砂岩中上部追踪剖面； c-淄博西黑山奎山追踪剖面；d-淄博西黑山奎山砂岩露头； e-淄博西黑山奎山砂岩剖面追踪a-the upper section of Kuishan sandstone in Dongheishan profile of Zibo； b-the upper Kuishan sandstone track section in Dongheishan profile of Zibo； c-the Kuishan sandstone track section in Xiheishan profile of Zibo； d-Kuishan sandstone outcrops of Xiheishan profile in Zibo； e-the Kuishan sandstone track section in Xiheishan profile of Zibo

图4　上石盒子组海绿石偏光显微照片（东滩补33孔， 348.10～352.34 m）Fig. 4 Glauconite microscopic microphotograph of Upper Shihezi Formation （Dongtanbo well 33， 348.10～352.34 m）A-单偏光B-正交偏光A-plainlight； B-crossed nicols

2 华北地区石盒子群含海绿石奎山砂岩微量元素特征

地层中不易受次生变化影响的元素， 可反映原始的沉积介质条件。本次研究采用研究区含海绿石奎山砂岩的全岩样品进行的微量元素测试分析， 测试仪器使用ELEMENT XR 等离子体质谱分析仪，分析标准依据GB/T 14506. 30—2010《硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分： 44个元素量测定》。一般沉积物中的B元素主要是从海水中吸取的， 淡水中一般B含量极少， 且海相沉积中B含量一般大于100×10-6。华北地区奎山段砂岩中上段B的含量为（1100～3800）×10-6， 远远超过100×10-6。此外， 一般认为B/Ga比值小于4为淡水沉积， 大于7为海水沉积（王益友等， 1979）； 华北地区奎山砂岩中上段的B/Ga比值大于7， 甚至高达70以上； Ni/Co比值小于5.0为富氧环境， 比值在5.0～7.0之间是贫氧环境（Jones and Manning， 1994）， 华北地区奎山砂岩的Ni/Co比值在0.27～1.0之间， 远小于5.0， 为富氧环境； V/Cr大于4.25时为厌氧环境， 在4.25～2.00之间为贫氧环境， 小于2.00时为富氧环境（Jones and Manning， 1994）， 华北地区奎山砂岩的V/Cr比值在0.27～0.6之间， 为富氧环境（表1）。海绿石化学成分最显著的特征是含一定量的K（约2.49％～7.47％），K2O含量一般为3％～9％。华北地区奎山砂岩中的海绿石也含有一定数量的Fe、K， 其数值均在海绿石的变化范围之内（表2）。Amorosi等（2007）研究了西欧25个地点、覆盖了白垩纪至上新世各种成熟度的深海海绿石的主要矿物成分， 发现这些海绿石的Fe2O3含量为22％～26％， K2O含量为6％～8.5％。

表1　菏泽单县ZKM1井砂岩填隙物微量元素定量分析Table 1 Quantitative analyses of trace elements in andstone interstitial fillings of well ZKM1， Heze

表2　研究区内海绿石能谱定量分析Table 2 Spectrum quantitative analyses of glauconite in the study area

表3　研究区内海绿石与其它地区海绿石电子探针成分对比（据陈瑞君， 1980）Table 3 Element comparison of glauconite between the study area and other areas （after CHEN， 1980）

华北地区奎山砂岩海绿石的Al2O3含量为7.02％～19.23％， 平均16.24％， K2O含量为7.74％～8.78％， 平均8.43％， FeO为7.61％～18.71％，平均11.61％（表3， 图5， 6）。与古代国内外典型的海相海绿石相比， 奎山砂岩海绿石中Al、Fe、K等含量与之相当， 这成为奎山砂岩海绿石属于海相成因的有力佐证。但与现代海相海绿石相比， 奎山砂岩海绿石具有高Al、高K、低Fe的特征。

图5　山东淄博HSKSS1-1-1海绿石图像Fig. 5 Glauconite image of HSKSS1-1-1 in ZiboA-单偏光； B-电子探针二次电子像A-plainlight； B-electron microprobe secondary electron image

图6　山东菏泽单县24-1-B2-1海绿石图像Fig. 6 Glauconite image of 24-1-B2-1， in HezeA-单偏光； B-电子探针背散射电子成分像A-plainlight； B-electron microprobe back scattering electronic components

海绿石中K和Fe离子含量随着产出的地质时代和岩性的不同而变： 一般早古生代的海绿石K2O含量较高， 现代海洋的海绿石Fe含量较高。另外，海绿石团粒中亦可能混入一些粘土矿物， 如伊利石、水云母等， 致使其Al2O3含量增加， 而K2O含量更高。

综上可以说明， 华北地区石盒子群奎山砂岩海绿石的形成是与海水环境是息息相关的； 根据其微量元素类型、含量与元素比值分析结果， 可以推断华北地区奎山砂岩形成于富氧的滨海、潟湖、海湾、三角洲、潮坪等近岸带沉积； 但对于这种富氧环境的成因， 目前还没有较清晰的认识。

3 华北地区石盒子群古地理演化特征

鲁西菏泽地区石盒子群中， 沉积环境敏感元素的种类及含量的垂向变化， 可以反映古地理环境的演化特征， 本研究对鲁西地区含海绿石砂岩进行全岩微量元素分析。沉积过程中， Ba可以形成可溶性重碳酸盐、氧化物和硫酸盐进入水溶液， 但Ba的化合物溶解度低， 河水携带的Ba2+在与富含相遇时易形成BaSO4； 因此， 多数近岸沉积物中富含Ba，而向海洋方向沉积物的Ba含量逐渐降低。菏泽地区石盒子群地层中， 自下而上Ba含量呈现由低到高的规律性变化， 反映出整体为海退沉积序列（表4，图7）。地层中Fe/Mn比值大小可以判断水体深度变化， 其比值与水体深度呈负相关关系（田景春等，2006）。菏泽地区石盒子群地层中Fe/Mn比值最大为1070， 最小为2.8（表4和图7）， 说明沉积期水深变化较大， 且呈现反复性， 推测盆地遭受了多次海侵。菏泽ZKM1孔奎山砂岩中Ni/Co比值在0～2之间，反映富氧环境。但奎山组中部存在异常的高Ni/Co比值层（8.5）， 为贫氧环境； 且该层Fe/Mn比值较相邻位置低， Ba值含量极低， 可以判断该层沉积代表了一次较强海侵。地层中Sr/Ba比值一般随着远离海洋而逐渐增大（Francombe， 1960）。菏泽地区石盒子群地层中的Sr/Ba值最高为0.63， 最低为0.02， 变化范围较大。比较分析发现， Sr/Ba相对于B、B/Ga其对海相环境的敏感性差。说明奎山砂岩沉积环境可能是受陆、海环境交叉影响的滨岸带或三角洲。

表4　 菏泽单县ZKM1井石盒子群微量元素/电子探针测试结果Table 4　Electron microprobe analyses of trace elements in ZKM1 of Shihezi Group，Heze

图7　菏泽单县ZKM1井孝妇河组、奎山组及万山组地球化学特征变化图（图例见图1　）（实测数据超出示数±20％用空心圆区分）Fig. 7 Geochemical characteristics variation of Xiaofuhe Formation， Kuishan Formation and Wanshan Formation of well ZKM1 in Shanxian County， Heze （for legends see Fig. 1）（the measured data， beyond the number of±20％， is marked by hollow circular）

上述分析可知， 华北晚石炭世至早二叠世大型陆表海盆地沉积结束之后， 海水对盆地的影响并没有停止。特别是对奎山砂岩的沉积学、岩石学及地球化学研究可知， 中、晚二叠世含海绿石砂质沉积为典型的海侵沉积， 当时盆地格局曾发生过重大变革事件， 很可能自南华北至华北中部一带存在一个特殊的古前海台地。

4 讨论

通过对山东及邻区奎山砂岩沉积构造特征、微观岩石学与微量元素定量分析， 结合盆地演化及古地理背景分析， 可以获得以下几点认识：

（1）华北中、晚二叠世古地理景观认识改变。

传统的研究认为华北地区在中、晚二叠世由陆表海盆地转为陆相盆地， 海水全部退出华北。本次研究在奎山砂岩中不仅发现了海绿石的存在， 而且综合确定其为海相成因， 动摇了华北地区中、晚二叠世沉积环境的传统认识。另外， 研究山东及邻区石盒子群奎山砂岩的沉积特征及沉积环境， 不单单是解决该层位的沉积环境问题， 更是为了重新厘定华北地区二叠纪以来盆地属性发生重大变化的机制。

（2）奎山砂岩海侵沉积研究的意义和价值。

海绿石的成因虽然具有多样性和复杂性， 但是通过精细的沉积构造和微观特征及元素定量分析，可以获得更多、更丰富的数据和资料， 作为恢复古地理景观的有力佐证。本次研究的意义和价值在于将奎山段砂岩海绿石的地球化学分析与宏观沉积构造研究结合起来， 形成恢复沉积环境的证据链。本研究可以给出一个重要启示： 以奎山砂岩为代表的中、晚二叠世含海绿石砂质沉积为典型的海侵沉积，揭示了华北盆地格局曾发生过重大事件， 其在恢复短时或瞬时古地理景观方面具有重要作用。

（3）进一步研究华北中、晚二叠世古生态特征是华北地区今后工作的重要方向。

20世纪80年代， 前人发现二叠系一些层位的海相化石、含海绵骨针层， 具有奠基意义； 但没有集中获得大量有关海侵沉积的生物资料， 难以确认其区域上的意义和作用， 进而对古地理景观、盆地属性的认识没有突破性的改变。除了沉积学、微观岩石学及地球化学方面的研究仍然是重点外， 对石盒子群微体古生物学及古生态学研究显得十分重要和迫切， 这是今后研究的方向之一。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China （No. 41272172）， and Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education， Ministry of Education of China（No. 20123718110004）.

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New Progress in the Study of Sedimentary Environment of Shihezi Group in Central and Southern Region of North China

LI Zeng-xue1，3）， LI Xiao-jing1，2）， WANG Dong-dong1，2）， LIU Ying1，2）， CHEN Xiao-yan4）， LÜ Da-wei1，2），ZHANG Zeng-qi5）， LIANG Ji-po5）， LIU Hai-yan1，2）， WANG Ping-li1，2）
1） Key Laboratory of Depositional Mineralization & Sedimentary Mineral of Shandong Province， Qingdao， Shandong 266590；2） College of Earth Science and Engineering Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590；3） Hebei Collaborative Innovation Center of Coal Exploitation， Handan， Hebei 056038；4） Shandong Gold Geology and Mineral Resources Co.， Ltd.， Laizhou， Shandong 261400；5） Geological Institute of Shandong Province， Jinan， Shandong 250013

Previous researcher mostly held that the North China Basin was turned into continental basin in the sedimentary period， and the sea water was all over after filling of the epicontinental sea basin during Late Carboniferous to Early Permian. In this paper， the sedimentology， petrology and geochemistry characteristics of Kuishan sandstone were studied， and the glauconite was discovered. Through quantitative analysis of microscopic characteristics and elements of glauconite， in combination with Kuishan sandstone sedimentary structure features，the authors consider that the chemical composition of glauconite in Upper Kuishan sandstone is similar to that of the other parts of the ancient and modern glauconite formed in marine facies or transitional facies environment，which were both formed in the oxygen enrichment of the offshore environment. The well-developed sedimentary structure and the element geochemical characteristics of the contained glauconite reveal that marine transgression happened in this period， and this reflects the complexity of the sedimentary environment during the sedimentation ofthe Shihezi Geoup. Therefore， the determination of marine sedimentary environment in Upper Kuishan sandstone of Shihezi Group might change the conclusion that the North China basin has been purely continental basin since Permian. The important value of this study is to identify the transgressive deposition in Upper Kuishan sandstone，which reveals that the important transgressive process happened in this period， and there might have existed a special kind of ancient oceans in the North China basin during Middle-Late Permian. The results obtained by the authors provide a new train of thought and important basis for further study of the pattern and evolution of the North China basin and the restoration of its ancient geographical landscape during Middle-Late Permian.

Shihezi Group； Kuishan sandstone； glauconite； wash cross bedding； element geochemistry；sedimentary environment

P534.46； P595

A

10.3975/cagsb.2016.05.09

本文由国家自然科学基金项目（编号： 41272172）和教育部高等学校博士学科点专项科研基金（编号： 20123718110004）联合资助。

2015-12-23； 改回日期： 2016-02-20。责任编辑： 张改侠。

李增学， 男， 1954年生。博士， 教授， 博士生导师。主要从事沉积学与层序地层学研究。通讯地址： 山东省青岛市经济技术开发区前湾港路579号。电话： 0532-80681109。E-mial： lizengxue@126.com。