大同盆地云岗组石窟段河流相沉积特征

艾 骁， 陈相兆， 孙柏涛

(中国地震局工程力学研究所， 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室， 哈尔滨 150080)

大同盆地云岗地区主要出露侏罗统陆源碎屑岩层系，出于地理位置的特殊性，对于大同盆地云岗地区的地质研究，前人多集中于下侏罗统含煤层系，对中侏罗统河流相沉积的研究较少。同时，对于中侏罗统河流相沉积的研究，不同学者的研究成果也存在着分歧。陈庸勋等[1]认为中上侏罗统与下侏罗统虽然均为河流沉积，但具体沉积类型有所差别。其中下侏罗统接近平原型河流沉积，而中上侏罗统则为山间型河流沉积。王随继[2]则认为中侏罗世早期形成的曲流河沉积体系与下侏罗统含煤层系共生，并于中侏罗世中期演化成了辫状河沉积体系。范雪松等[3]研究发现，大同盆地侏罗系因受后期河流切割和构造作用的破坏，盆地充填序列在不同地区呈现不同岩性组合，进而严重影响了盆地沉积相空间变化特征研究。

鉴于上述原因，许多学者至今仍在进行着大同盆地侏罗系地层的研究工作。芦建军[4]对大同盆地沉积相进行系统分析，确定了山西侏罗纪地层与鄂尔多斯盆地侏罗纪地层具有等时性，且空间上为鄂尔多斯盆地侏罗纪地层的边缘沉积。陈彬滔等[5]通过对云岗地区野外露头的考察，着重分析了其砂质辫状河的岩相及构型特征。任晓旭等[6]对山西大同侏罗系云岗组经典砂质辫状河露头进行考察,划分了8种构型要素类型及其内部岩石相组合模式。为此，将研究区确定在大同盆地中侏罗统出露最佳的云岗地区，对露头剖面进行实测与分析，对石窟段进行有关地层沉积结构、沉积相类型及演化特征的研究。明确各期次辫状河沉积的岩相组合与沉积结构特征，并通过剖面及其相应岩性特征之间的对比揭示各期次辫状河沉积于时间与空间上的联系，首次形成了该区的辫状河沉积模式概图。希望对今后进一步的探讨该地区原始沉积面貌、沉积环境演化、资源开采等工作提供参考。

1 地质概况

1.1 区域地质概况

大同盆地位于山西省北部，东经112°15′～114°17′，北纬39°05′～40°33′，包括大同市、大同县、怀仁县、山阴县、应县、浑源市、朔州市等7个县市，平原区总面积约为7 440 km2。盆地周边均以断裂和基岩山区为边界，其中北北东、北东向断裂构成盆地的基本构造轮廓，盆地内部又可分为多个次一级的构造单元：怀仁凹陷、黄花梁凸起、阳高凹陷、册田凹陷及马营凹陷[7](图1)。大同盆地由山西高原发展演化而成，其为大陆岩石圈伸展破裂区，具有裂谷的构造特点[8-9],盆地及周邻山区由于晚二叠世初-三叠世初西伯利亚板块与华北板块发生强烈碰撞，在三叠世发生强烈隆升，而未接受任何沉积。之后形成了陆内具继承性质的早-中侏罗世第一世代含煤盆地[10]。

图1 大同盆地内部构造及研究区位置Fig.1 Structural characteristics in Datong Basin and the location of study area

1.2 研究区概况

研究区位于大同市西北部的晋华宫煤矿处，王随继[2]通过对此处野外露头的研究，得出此处古河流流向为187°。该区主要发育地层为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系和侏罗系的地层。其中，本文研究的目的层段为中侏罗统云岗组中段，即石窟段(图2)，其主要由黄绿色、暗红色砂岩及泥岩组成，厚100～210 m[10-11]。沉积了巨厚层的辨状河河流相砂岩，砂岩结构和沉积构造特征丰富，且本区著名的景点“云冈石窟”即为石窟段砂岩。

图2 大同盆地地层表Fig.2 Stratigraphic column of Datong Basin

本文研究主要选取晋华宫正门东北处公路转弯处的A-A′剖面以及沿晋华宫正门处公路西侧约700 m处的B-B′及C-C′三条剖面(图1)。

2 辫状河沉积特征

辫状河作为河流相储层非常重要的类型之一，是中国油气资源主要的碎屑岩储集体[12-13]。众多学者从复合河道、单一河道、河道内部心滩坝等分级次阐述了辫状河的沉积模式及其垂向、侧向上的砂体叠置关系，并根据沉积层理、粒度变化等规律，进行辫状河古水流恢复的研究[14-20]。典型的辫状河通常显示出的沉积特征为：沉积物粒度较粗，以砾石和砂质沉积为主，局部夹有粉砂和黏土，于垂向上常常形成“砂包泥”的宏观沉积特征，通常溢岸细粒沉积不发育。其侧向变道频繁，层理反应较强的水动力，底部常见冲刷面或滞留沉积物，槽状交错层理发育，且大型槽状交错层理下部常有平行层理伴生[21-27]。

通过对该区的野外露头观察,可发现研究区辫状河沉积微相类型主要为：河道、心滩和溢岸沉积，其中溢岸沉积主要为废弃河道与泛滥平原的细粒沉积，这有别于人们所了解的辫状河溢岸细粒沉积不发育的特征。

2.1 河道沉积

河道沉积通常显示为辫状河道底部的滞留及冲刷沉积，其沉积物主要由粗砂岩、含砾砂岩组成。通常层理不发育，与下伏层呈冲刷侵蚀接触, 一般具明显的冲刷面。研究区河道沉积主要体现为沉积物主要由砂砾岩组成且具有明显的冲刷面。

2.2 心滩

心滩为辫状河沉积的典型相特征，心滩坝砂体厚度一般大于河道沉积，剖面上形态显示为“上凸下平”的特征，虽然整体粒度较粗但仍显示出向上逐渐变细的趋势。沉积构造主要发育有槽状交错层理、底面冲刷，且大型槽状交错层理下部常有平行层理伴生，反映了较强的水动力条件。除此以外，在有些心滩坝内部可见细粒物质沉积，即“落淤层”。

2.3 溢岸沉积

研究区溢岸沉积主要包括废弃河道及泛滥平原：废弃河道沉积于曲流河沉积中较为常见，实际上在辫状河中由于水流的频繁改道，也可形成相应的废弃河道，沉积物主要为细粒沉积；泛滥平原为河道带之间存在的与之相对的古地貌高地，虽然辫状河水流频繁改道，但仍有部分泛滥平原保留了下来。研究区废弃河道主要为褐红色泥岩充填，泛滥平原沉积整体显示为泥岩与砂岩互层的现象，且于局部地区可见到具有曲流河沉积特征的近似“二元结构”。

3 研究区剖面分析

本次于研究区所观察到的三个剖面的分级原则采用了Miall[28]提出的一套由0级到8级的界面划分方案：零级界面为纹层的界面；一级界面为交错层的层系界面；二级界面为层系组界面；三级界面相当于砂间发育的泥砾岩界面；四级界面相当于大型沉积底形的顶、底面，通常是小型河道(水道)的底冲刷面或是侧积、前积层的顶面；五级界面为河道充填复合体的大型砂的界面；六级界面为一组大型水道(河道)或古河谷的底面，可以是地震单元的反射面；七级界面为分散的异生事件主沉积体的边界；八级界面为盆地充填复合体界面，是区域性的不整合面，响应于大陆级或全球级的地质事件。

对于此套界面划分方案，其划分原则有三条：①任何一级界面都可以被同级或较高级别的界面所削蚀，但不能被较低级的界面所切割；②由于界面通常记录侵蚀事件，所以根据侵蚀时间之后，而不是之前的特征来确定界面往往更合乎逻辑。如大型床沙底形的顶面受四级界面所限定，除非被大型河道切割外，其底面一般由五级界面所构成；③一至三级界面横向上或侧向上可以改变级别，如层系界变成层系组界。

3.1 A-A′剖面

A-A′剖面中可辨别出8组岩相(表1)，总体被两组横向延伸的泥岩层(即三级界面)分成4组大的沉积构造，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ(图3)，以下对于几组沉积构造进行分述。

图3 A-A′剖面素描图Fig.3 Sketch map of A-A′ section

表1 石窟段A-A′剖面岩相描述

Ⅰ组沉积构造中可细分为两组沉积构造，其分组界面为一期河道冲刷面即四级界面，将此两组沉积构造分别编号为Ⅰ1、Ⅰ2进行分述。

Ⅰ1组岩性总体显示为灰色含砾粗砂岩，其中夹少量褐红色粉砂质泥岩纹层，沉积构造于下方多处可见到大型槽状交错层理，并且常有平行层理伴生图4(a)、图4(b)，且局部可见泥砾图4(c)，代表此时水流冲刷能量较强。

Ⅰ2组岩性总体显示为灰色含砾粗砂岩，Ⅰ1组中的褐红色粉砂质泥岩纹层消失，且不含泥砾，沉积构造整体可见到小型槽状交错层理图4(d)，代表着较弱的水流冲刷能量。

Ⅱ组中的岩性整体为灰色含砾粗砂岩，沉积构造于局部可见大型槽状交错层理[图4(e)]。

Ⅲ组沉积构造中通过薄泥岩层界面(即三级界面)可细分为三组沉积构造，将此三组沉积构造编号为Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3进行分述。

Ⅲ1组岩性总体显示为灰-黄色含砾粗砂岩，且下部与褐红色泥岩接触，沉积构造于下部可见到典型滞留沉积现象[，图4(f)]并有大型槽状交错层理。

Ⅲ2～Ⅲ3组沉积岩颜色整体偏黄，仍显示为粗砂岩且不含砾，粒度向上有变细的趋势但最细处仍为中砂岩。沉积构造整体显示为小型槽状交错层理。Ⅲ3中部夹一组褐红色泥岩，整个泥岩层呈下凹上平的河道形状，显示一期废弃河道的泥质充填[图4(g)]。

Ⅳ组岩性整体呈现两组泥岩夹中间一层砂岩的现象且砂岩为中-粗粒砂岩，并且可见下方泥岩组夹砂砾岩透镜体[图4(h)]，泥岩整体由下至上逐渐由泥质粉砂岩向泥岩过度。

图4 A-A′剖面典型沉积构造野外照片Fig.4 Typical sedimentary structure photos of A-A′ section

Ⅴ组沉积构造被中间一组泥质沉积划分成两小组，将此两组与中间一组泥质沉积构造编号为Ⅴ1、Ⅴ2、Ⅴ3进行分述。

Ⅴ1组砂岩颜色总体由白色变为黄色，下部为含砾粗砂岩，向上渐变为泥质粉砂岩。沉积构造可见到大型槽状交错层理及水平层理。

Ⅴ2组泥岩整体显示为渐变的过程，由褐红色泥质粉砂岩渐变为泥岩，下部可见泥质粉砂岩中夹薄层砂岩透镜体。沉积构造可见水平纹理。

Ⅴ3组泥岩整体为灰色中砂岩，沉积构造于下部可见冲刷面、板状交错层理及多期滞留沉积，至上部可见到小型槽状交错层理。

综上所述，A-A′剖面岩性整体显示为中-粗粒砂岩，沉积物粒度较粗，且局部含砾，总体可分为四期沉积构造：Ⅰ期沉积构造即Ⅰ、Ⅱ组，两组沉积构造整体显示为底平上凸的形态，且上部与泥岩接触，内部可见平行层理、槽状交错层理等典型沉积构造现象，可判断Ⅰ、Ⅱ组为侧向叠置的心滩沉积；Ⅱ期沉积构造为第Ⅲ组，其中下部沉积构造显示了较强的水动力条件，上部沉积构造显示了较弱的水动力条件，表明虽然Ⅲ组中河道频繁迁移，但水动力条件逐渐减弱，直至最后废弃出现废弃河道沉积；随着Ⅱ期沉积的结束，河道继续不断迁移，但水流作用变弱，故形成了Ⅲ期沉积即第Ⅳ组的溢岸沉积；Ⅲ期沉积结束以后，水流作用有所变强，加上河道的频繁迁移，溢岸沉积遭到冲刷并于最终形成第Ⅳ期的沉积构造，即Ⅴ组。

3.2 B-B′剖面

B-B′剖面中可辨别出4组岩相(表2)，其总体可分成两期大的河道充填，即Ⅰ、Ⅱ，两期之间分界面为五级界面(图5)，以下对于两期沉积构造进行分述。

图5 B-B′剖面素描图Fig.5 Sketch map of B-B′ section

表2 石窟段B-B′剖面岩相描述表

Ⅰ组整体沉积构造中根据小型河道沉积间的冲刷面即四级界面可细分为四期小型河道沉积[图6(a)]，将此四期小型河道沉积分别编号为Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ4进行分述。

Ⅰ1组岩性为灰色粗砂岩，沉积构造于中部见平行层理[图6(b)]，至两侧变为小型槽状交错层理。

图6 B-B′剖面典型沉积构造野外照片Fig.6 Typical sedimentary structure photos of B-B′ section

Ⅰ2组岩性为黄色粗砂岩，沉积构造可见大型槽

状交错层理，下部大型槽状交错层理伴生平行层理[图6(b)]。

Ⅰ3组岩性为黄色粗砂岩，沉积构造可见大型槽状交错层理[图6(c)]。

Ⅰ4组岩性为灰色粗砂岩，沉积构造于下部可见到两组滞留沉积，两组滞留沉积间隔随短但仍能见到粒度由下至上变细的趋势，滞留沉积上方可见到大型槽状交错层理[图6(d)]。

Ⅱ组岩性与Ⅰ组相比较细，但整体仍显示为含砾粗砂岩，与Ⅰ组相同，根据冲刷面可分成两期小型河道沉积，将此两期小型河道沉积分别编号为Ⅱ1、Ⅱ2进行分述：

Ⅱ1组岩性底部为滞留沉积砂砾岩，至上部黄色与灰色粗砂岩交互出现，但黄色砂岩较粗，灰色砂岩较细，局部显示为下粗上细的正韵律[图6(e)]，向上砂岩厚度逐渐减薄。随着砂岩厚度的减薄，其沉积构造也整体呈现出由下部的大型槽状交错层理过渡至上部的小型槽状交错层理，显示了由强至弱的水动力条件。

Ⅱ2组岩性显示为灰色粗砂岩，砂岩厚度与Ⅱ1组相比继续减薄，于下部可见冲刷面，且最上部为薄层泥岩所覆盖，沉积构造整体为小型槽状交错层理。如上所述，B-B′剖面岩性总体显示为两期沉积构造，Ⅰ期即第Ⅰ组，其岩性均为粗砂岩，沉积构造几乎均为大型槽状交错层理与平行层理，显示了较强的水动力条件，显示了辫状河道多期冲刷、水浅流急、频繁往复迁移的多期河道沉积特性；Ⅱ期沉积构造即第Ⅱ组，总体形态显示为下平上凸且上部有薄层泥岩层覆盖，岩性为砂砾岩及中、粗砂岩，沉积构造于下部可见典型滞留沉积，层理也由最下部的平行层理逐渐过渡至上部的小型槽状交错层理，由下及上显示了水流强度逐渐减弱的趋势，即Ⅱ期沉积为心滩沉积。B-B′剖面与A-A′剖面相比主要表现出辫状河道水动力较强及其频繁迁移的特性。

3.3 C-C′剖面

由于C-C′剖面整体延伸较远，进行整体描述较复杂，故选取了其中最有代表性的三个部分进行详述，即X-X′、Y-Y′、Z-Z′(图7)。

图7 C-C′剖面素描图Fig.7 Sketch map of C-C′ section

X-X′剖面根据其岩石的颜色、粒度及产状判断整体的岩性为B-B′剖面中Ⅱ期沉积层位中的岩石，整体显示为含砾粗砂岩，黄色与灰色粗砂岩交互出现，但黄色砂岩较粗，灰色砂岩较细，局部显示为下粗上细的正韵律，向上砂岩厚度逐渐减薄。故可将C-C′剖面东侧与B-B′剖面西侧相连接(图8)。

图8 C-C′剖面东侧与B-B′剖面西侧连接处素描图Fig.8 Sketch map of the connection between the east side of C-C′ section and the west side of B-B′ section

图7中可见B-B′剖面中Ⅱ期沉积岩层在往西侧延伸过程中体现了一个逐渐减薄至增厚的过程，导致C-C′剖面中总体显示为Ⅱ期沉积岩层，Ⅰ期沉积岩层逐渐减薄至消失。其总体沉积构造与B-B′剖面中观察到的大体一致，包括大型槽状交错层理、小型槽状交错层理及平行层理。

沿X-X′剖面继续往西侧延伸将至Y-Y′处可见到最底层出现泥质沉积(图9)，Y-Y′剖面砂岩总体为上凸下平的形状，其中可观察到整体显示由下至上沉积构造从大型槽状交错层理过渡为小型槽状交错层理，最上方可见泥质粉砂岩沉积，Ⅱ期沉积岩层夹有典型泥岩条带，宽约0.7 m，延伸距离很远，为落淤层(图10)，其整体呈现出心滩沉积的特征。

图9 X-X′剖面与Y-Y′剖面间泥质沉积出露点Fig.9 Mud sediments between X-X′ section and Y-Y′ section

图10 Y-Y′ 剖面内部落淤层沉积素描图Fig.10 Sketch map of silt layer deposit inside the Y-Y′ section

随着泥质沉积及落淤层的出现，Y-Y′剖面西侧泥质沉积越来越多，于西侧观测到了近似曲流河沉积特征的“二元结构”。其由下至上沉积颗粒逐渐变细，最下部为黄色中砂岩且偶见小型槽状交错层理，向上变为黄色薄层细砂岩但无明显的沉积构造，再向上颗粒继续变细，直至最终变化为夹中砂岩透镜体的褐红色纹层状泥岩沉积(图11)。

图11 “二元结构”及其岩性分析Fig.11 Structure of river binary phase and its lithology analysis

Z-Z′剖面整体呈现砂泥互层的现象，泥层与砂层厚度大致相当，泥岩呈褐红色，发育水平层理，砂岩为中粗粒砂岩，主要呈块状与泥岩互层(图12)。

图12 Z-Z′剖面沉积构造野外照片Fig.12 Sedimentary structure photos of Z-Z′ section

如上所述，C-C′剖面虽然整体延伸较远，但通过对X-X′、Y-Y′、Z-Z′剖面及一些典型现象的分析，C-C′剖面整体表现了一个由东向西从河道沉积逐渐过渡至溢岸沉积的现象。

3.4 研究区辫状河沉积特征

经过上述对研究区典型的三处开凿剖面的详细分析后，将其整体按照自西向东的方向建立研究区各剖面间的对比图(图13)。图13中可见，C-C′剖面自西向东泥质沉积逐渐减少，由“二元结构”逐渐过渡至B-B′剖面中的中粗砂岩与砂砾岩沉积。继续向东至A-A′剖面，其岩性整体显示为中-粗粒砂岩，沉积物粒度较粗，且局部含砾，可分为四期沉积构造，总体显示为河道与泛滥平原的沉积特征。通过上述分析，可见研究区自西向东的沉积相横向变化趋势大致为泛滥平原—河道沉积—泛滥平原。

图13 研究区整体剖面间对比Fig.13 Comparison of overall sections in the study area

通过对三处开凿剖面的整体分析，明确了其沉积相的横向变化趋势。笔者以此趋势为出发点，并结合前人对研究区古河流流向的判断，形成了研究区沉积相模式概图(图14)。

图14 研究区沉积模式概图Fig.14 Sedimentary model of the study area

4 结论

通过对研究区野外露头中三条典型剖面的实测与分析，全面地总结了石窟段河流相沉积特征，并得出了如下结论。

(1) 研究区同时发育三种辫状河道沉积亚相，其中河道沉积及心滩总体显示出辫状河道水浅流急，侧向变道频繁的特点。溢岸沉积于研究区主要为废弃河道及泛滥平原沉积，沉积物为细粒沉积且于部分地区出现了类似曲流河沉积特征的似“二元结构”。

(2)通过开凿剖面间的横向对比，可见研究区沉积相大致按照自西向东的方向呈现出泛滥平原-河道沉积-泛滥平原的变化趋势。

(3)根据研究区辫状河沉积特征及由西向东的沉积相变化趋势，形成了研究区沉积相模式概图。古河流大致沿着自北向南的方向由北部山间汇入大同盆地，形成辫状河道沉积，且于本次研究中可明确观测到河道沉积、心滩、泛滥平原及废弃河道这四种沉积亚相。