山西芮城水峪地區羅圈組海侵沉積物

周懇懇,許效松,牟傳龍

(成都地質礦產研究所,四川 成都 610081)

山西芮城水峪地區羅圈組海侵沉積物

周懇懇,許效松,牟傳龍

(成都地質礦產研究所,四川 成都 610081)

華北陸塊南緣、西南緣廣泛分布的羅圈組及其相應地層多被認為是新元古代末期冰川沉積。山西南部芮城水峪剖面位于華北南緣羅圈組出露范圍的最北端,羅圈組受下伏薊縣系龍家園組白云巖風化面形態控制,橫向巖性變化劇烈,分別由準原地堆積的風化角礫巖、紫紅色含礫泥巖及一套特殊的“含礫砂質鮞粒白云巖”組成,均為溫暖氣候下海侵或海侵改造產物,與冰川作用無關。“含礫砂質鮞粒白云巖”在華北南緣羅圈組中尚屬首次發現,具有明顯的指相意義。該地區羅圈組海侵沉積物的存在,可能表明華北南緣羅圈組在各地區存在沉積環境乃至地層時代的巨大差異,不能簡單以某一冰期的“冰磧巖”籠統看待。

新元古代冰川;羅圈組;芮城;水峪;鮞粒白云巖;海岸牽引流

在華北陸塊南緣的豫西、陜中、晉南等地,早寒武世滄浪鋪期含磷碎屑巖系 (辛集組)之下、中-新元古界乃至更老地層之上,發育一套以礫巖、含礫砂泥巖為主的地層,統稱為羅圈組。因在陜西洛南、河南靈寶、汝州、魯山等地發現冰川沉積構造[1～2],羅圈組已被大多數研究者認為屬新元古代末期冰磧巖。然而通過對比華北南緣若干典型剖面,可以看出各地的羅圈組不僅在下伏地層上差別巨大 (表 1),其本身的巖性也不盡相同。曾有少數研究者根據羅圈組沉積巖相組合、沉積構造及垂向序列演化等依據,提出其屬于坳陷帶正常重力流或濱-淺海牽引流沉積[3],甚至可作為華北南緣早古生代海侵序列的“底礫巖”看待[4]。

因此,對不同地區羅圈組沉積物性質與沉積環境的界定,對于研究華北南緣新元古代末-早古生代初構造-盆地屬性以及中國主要克拉通陸塊之間古氣候-古地理對比具有重要意義。筆者通過對山西南部芮城水峪剖面的研究,從巖相組合、沉積特征等方面證實了該地區羅圈組海侵沉積物的存在,為不同地區羅圈組沉積環境的對比提供了重要依據。

表 1 華北南緣主要剖面羅圈組與上下地層關系Table 1 Stratigraphic division and correlation of the Luoquan Formation and overlying and underly ing strata on the southern margin of the North China landmass

1 剖面概況

羅圈組的分布大致沿華北陸塊南緣呈北西-南東向展布,主要出露于陜西洛南、河南靈寶、盧氏、宜陽、魯山和山西永濟、芮城等地 (圖 1)。芮城水峪剖面位于山西省最南部,與河南省以中條山脈一山相隔,基本處于羅圈組出露范圍的最北端。

圖 1 華北南緣羅圈組主要出露范圍與水峪剖面位置Fig.1 Distribution of the Luoquan Fo rmation and location of the Shuiyu section in the Luoquan Formation on the southern margin of the North China landmass

水峪剖面上沿中條山山腰出露,地層產狀平緩。羅圈組與上下地層露頭良好,序列清晰。羅圈組下伏的龍家園組白云巖與豫西盧氏、靈寶等地巖性及所含疊層石組合完全一致,歸屬薊縣紀無疑[5];而羅圈組之上的早古生界海相地層是整個華北陸塊上發育相對最為完整的,自下寒武統滄浪鋪階辛集組至中奧陶統馬家溝組連續產出,其中辛集組為華北地區寒武系時代最老的地層單元。

2 地層形態與巖相變化

羅圈組及上覆辛集組均受下伏薊縣系龍家園組白云巖風化面形態控制,以短距離內出現劇烈巖相變化為顯著特征:

羅圈組與下伏薊縣系龍家園組之間為平行不整合 /微角度不整合 (圖 2a)。龍家園組可見厚度大于300m,以含燧石條帶泥-粉晶白云巖、疊層石白云巖為主,其中均含有大量砂質成分,約占 20%以上。龍家園組自中元古代后遭受長期剝蝕,形成了規模巨大、高低起伏的風化面,可見高差在 35m以上,導致其上沉積的羅圈組整體呈透鏡狀產出,巖相、厚度變化劇烈 (圖 3):風化面低凹處羅圈組以白云質角礫巖、含礫泥巖為主,厚度大于 20m;而高凸處僅厚3～40cm(圖 2b),為一套特殊的“含礫砂質鮞粒白云巖”,在華北南緣羅圈組中屬首次發現。寒武系辛集組與羅圈組亦為平行不整合接觸,其地層產狀與巖相變化也明顯受到底界面形態控制 (圖 3):在相對低凹處,辛集組以一套透鏡狀的濱岸相“底礫巖”覆于羅圈組含礫泥巖之上,形成典型的底沖刷面 (圖 2c);而在相對高凸處,辛集組的含礫白云質石英砂巖直接超覆于羅圈組之上,缺失“底礫巖”(圖2d)。

3 羅圈組巖相組合與沉積特征

3.1 “含礫砂質鮞粒白云巖”

1.結構組分

(1)鮞粒。作為巖石中最主要的組分,鮞粒總體占到 50%以上,形成顆粒支撐結構。鮞粒多為橢圓狀、長條狀,少數則形狀不規則呈次棱角狀,均明顯受其核心形態控制。鮞核均為陸源碎屑顆粒,其中石英和巖屑顆粒基本各半,另有極少量玉髓等,石英顆粒大多呈棱角狀 (圖 4a)。粒徑以 0.3～2 mm為主,少數條狀鮞甚至可長 6～8mm,大小懸殊。考慮到其結構相同、成因一致,為避免混亂,本文不以“豆粒”等名稱將其區分而統一稱為“鮞粒”。鮞粒超過半數為“薄皮鮞”,包殼厚度大都小于核心顆粒半徑;常見復鮞,多由 3～5個單鮞擁有共同而完整的包殼組成(圖 4b)。同心環狀圈層明顯,正交偏光下顯十字消光,且呈現極細的明暗交疊特征。結合上述特征,不排除可能是由藻類包裹、捕捉作用形成的藻鮞。

(2)礫石。與鮞粒共同堆積有大量礫塊,約占20%。礫石大小以 2～10cm為主,分選一般。礫石成分較為單一,絕大多數為下伏龍家園組藻白云巖巖塊,礫石內部常見藻紋層疊層構造,偶見石英質(硅質)礫石。藻白云巖礫石以次圓狀為主,靠近下部的礫石磨圓程度明顯更好,多為橢圓狀 (圖 5a)。值得注意的是,硬度更大的硅質礫石磨圓程度也較好,甚至可見滾圓狀,結合其成分、形態判斷,很可能來自下伏龍家園組白云巖中的燧石結核。

腕表直徑38毫米，表盤采用砂金石材質，呈現為深藍色，上面布滿閃亮的星星，打造出令人沉醉的觀星旅程。七個砂金石轉盤以同心環的方式裝嵌于表盤內，各自隨著機心的運行獨立旋轉，勾勒出浩瀚神秘的宇宙。

(3)內碎屑。含量不超過 10%,主要位于層的中上部。內碎屑主要來自于前期原地沉積的鮞粒白云巖,是在半固結狀態下被打碎后又原地堆積的一種結構組分,與來自下伏龍家園組地層的藻白云巖礫塊有本質區別,不能等同視之。內碎屑顆粒均具有不清晰的邊界,且內部結構與本層的鮞粒白云巖相同 (圖 5b),因此與藻白云巖礫塊完全可以區分。

(4)填隙物。除粒屑、礫石等組分外,填隙物約占 10%～15%,主要為粉砂-中砂級石英顆粒與少量泥質雜基。鏡下統計,石英顆粒多在 0.03～0.2mm之間,磨圓較差 (圖 4c)。

通常在穩定的流水作用下形成的粒屑碳酸鹽巖具有比較簡單的結構組成,即粒屑與填隙物。粒屑在水動力作用下通常具有比較單一而規則的堆積方式,而填隙物雖視水動力條件的強弱而異,但基本都是碳酸鹽泥晶基質或亮晶膠結物。本層“含礫砂質鮞粒白云巖”與正常粒屑碳酸鹽巖相比具有特殊性,表現為:

圖 2 芮城水峪剖面羅圈組與上下地層界面特征a.羅圈組與龍家園組不整合面;b.羅圈組“含礫鮞粒白云巖”受下伏風化面形態控制呈透鏡狀層;c.羅圈組泥巖與與辛集組底礫巖間的沖刷面;d.辛集組含礫砂巖直接覆于羅圈組之上,缺失“底礫巖”Fig.2 Contacts between the Luoquan Formation and its overlying and underlying strata within the Shuiyu sectiona.Parallel unconformity between the Luoquan Formation and Longjiayuan Fo rmation;b.Special kind of“oolitic dolostones”from the Luoquan Formation;c.Scour surface between the mudstones from the Luoquan Formation and basal conglomerates from the Xinji Formation;d.Gravel-bearing sandstones overlain upon the“oolitic dolostones”from the Luoquan Formation

圖 3 芮城水峪剖面羅圈組地層產狀特征Fig.3 Stratal occurrence in the Luoquan For mation

圖 4 羅圈組“含礫砂質鮞粒白云巖”顯微組構特征a.鮞粒核心均為石英、巖屑等陸源碎屑顆粒;b.常見復鮞,由 3～5個單鮞組成;c.石英砂質填隙物;d.右側為一塊疊層石白云巖礫石,破碎變形的鮞粒、砂粒與之混雜堆積Fig.4 Microscopic fabrics of the“oolitic dolostones”from the Luoquan Fo rmationa.Oolitic cores composed of quartz and lithoclastics;b.Composite ooids composed of several single ooids;c.Quartz sand fillings;d.Chaotic accumulation of stromatolitic dolostones,deformed ooids and sands

①成分復雜。野外觀察時曾將樣品粉碎后滴稀鹽酸,起泡反應微弱,不符合通常情況下碳酸鹽巖特征。鏡下觀察方探明其原因:不僅鮞粒的核心均為石英、巖屑等非碳酸鹽礦物,而且填隙物也以陸源碎屑尤其是粉砂-中砂級石英顆粒為主。從其磨圓度、成分特征上看,這些碎屑物質均未經長距離搬運,應當來自下伏龍家園組砂質白云巖的風化產物。此外還含有大量來自下伏地層的礫石和同生期形成的內碎屑,導致巖石總體成分更加復雜。總之,羅圈組“含礫砂質鮞粒白云巖”是一種陸源碎屑成分比重頗大的“非典型”粒屑碳酸鹽巖。

②結構特殊。巖石中可見多種組分混雜,因此辨別各組分的結構屬性十分重要。仔細觀察發現,在礫石、內碎屑含量較小的區域鮞粒更為富集,其堆積也較為規則,70%以上的條狀或橢圓狀鮞粒具有順層的長軸 (圖 5c),形成厚 5—10cm的薄層,側向延伸可達 1-2.5m,由此可見的確存在形成正常鮞粒結構的環境;但當礫石、內碎屑富集時,鮞粒的排列明顯被打亂,或圍繞礫石堆積,或形成極不連續的順層條帶 (圖 5d)。此時,條狀鮞粒也會表現為多向的疊置,少數鮞粒甚至接近豎直排列,反映出至少兩個方向的水流作用和較為快速的堆積。不僅如此,鏡下常可見到許多鮞粒破碎、變形,與礫石、石英砂粒、內碎屑混雜堆積 (圖 4d)。

由此可見,羅圈組的本層“含礫砂質鮞粒白云巖”與單一穩定環境下形成的正常粒屑碳酸鹽巖有很大不同,是多源物質混雜堆積并受同生期水流改造的產物。其中藻白云巖礫石大都來自原地下伏地層風化物,藻鮞形成于間歇性的動蕩水體,內碎屑來自同生期水流對前期沉積物的改造,石英粉砂及少量泥質則多為原地風化殘留物。

2.沉積特征

圖 5 羅圈組“特殊鮞粒白云巖”沉積特征a.羅圈組鮞粒白云巖中含大量白云質、硅質礫石,磨圓良好;b.鮞粒白云巖內碎屑;c.長條狀鮞粒順層規則排列;d.鮞粒與礫石、內碎屑混雜堆積;e.龍家園組之上的鐵硅質薄層風化殼;f.羅圈組“含礫鮞粒白云巖”垂直貫入風化面裂隙Fig.5 Sedimentary features of the“oolitic dolostones”from the Luoquan Formationa.Well-rounded oolitic dolostones containing abundant dolomite and siliceous gravels;b.Oolitic dolostones with intraclastics;c.Elongated ooids in regular arrangements;d.Chaotic accumulation of ooids,gravels and intraclastics;e.Thin-bedded ferrosiliceous residues above the Longjiayuan For mation;f.Oolitic dolostones vertically penetrating into the fissureswithin the weathering surface

不僅如此,薊縣系龍家園組白云巖頂面除表現出典型的風化暴露面特征外,經過仔細觀察,未發現任何刻蝕溝槽、羊背石、礫石擦痕等與冰川作用相關的沉積構造,是否受到所謂“羅圈冰期”的影響頗有疑問。同時,本層沉積物對下伏面具有十分明顯的“填平補齊”作用 (圖 2b),使得超覆其上的辛集組濱海相含礫石英砂巖得以擁有相對平坦的“沉積基面”,從而在本區剖面上成層穩定出現。

3.2 白云質角礫巖

在龍家園組白云巖風化面低凹處,羅圈組以一套灰黃色-褐紅色白云質角礫巖直接覆于其上,可見厚度約 0.5～1.5m。角礫巖層與下伏龍家園組地層產狀基本一致,地層界面平直,未見沖刷面或刻蝕面特征。屬典型的單成分礫巖,礫石均來自下伏龍家園組白云巖,其中常可見到疊層石構造與燧石條帶。礫石大小在 0.5-30cm不等,不具分選性,且均為棱角狀-次棱角狀,磨圓極差 (圖 6a)。礫石雜亂排列,大小礫石均混雜堆積,無明顯粒序特征。填隙物以砂泥為主,呈現紫紅色-褐紅色,應與鐵質氧化物含量較高有關。

從該層角礫巖礫石成分、分選磨圓特征判斷,極可能就是前人所稱的“中條山地區冰磧礫巖”。但通過本次研究,未發現其中具有任何冰川沉積的明顯證據。從礫石來源、巖層產出位置、橫向巖相對比及填隙物成分等方面來看,應屬于就地或短距離搬運快速堆積的風化角礫巖。這種類型的角礫巖在母巖不堅固的地區 (如碳酸鹽巖區)較為常見,常常隨母巖風化破碎快速堆積于地勢低凹處,例如石灰巖碎屑組成的近岸陡崖、坡腳或是生物礁翼側等。

3.3 含礫泥巖

在白云質角礫巖之上、辛集組底礫巖之下,羅圈組以一套單調的紫紅色含礫泥巖為主,可見厚度約15～20m。由于風化剝蝕嚴重,僅見到其與辛集組底礫巖的不整合界面,未見與下伏角礫巖層的直接接觸關系。但根據橫向追索,該層泥巖產出十分穩定。泥巖中礫石含量小于 5%,多為砂巖、白云巖礫石,磨圓良好,以次圓狀為主 (圖 6b)。礫石大小在2～8cm之間,條狀或橢圓狀礫石排列較規則,長軸大多順層。泥巖中可見不清晰的水平層理與波狀層理。

圖 6 水峪剖面羅圈組白云質角礫巖 (a)與紫紅色泥巖 (b)Fig.6 Dolomitic breccias(a)and purplish red mudstone(b)in the Luoquan Formation

4 水峪羅圈組沉積環境

與華北南緣許多地區相同,芮城水峪地區在薊縣系龍家園組沉積后經歷了漫長的沉積間斷和風化剝蝕期,形成了高低不平的龍家園組頂部風化面和凹凸起伏的古地形。這樣的背景決定了羅圈組沉積可容空間的復雜形態,也決定了羅圈組乃至其上辛集組沉積的快速相變。

龍家園組白云巖長期風化形成的白云質、硅質礫石與陸源碎屑為羅圈組的沉積提供了豐富物源,也造成了其結構組分與堆積方式的復雜性。當海侵到達本區后,這些風化產物首先在低凹處快速堆積。由于沉積速率較高,加之可能處于低能海岸體系,水體能量較低,這些沉積物并未受到太多的改造,遂形成大量角礫。而與此同時,龍家園組白云巖風化面的高凸部位則可能形成類似于“水下隆起”或“臺緣淺灘”的地形,所受到的波浪、潮汐作用顯然更為強烈。需要指出,長期風化作用可能已使母巖中的不穩定組分如泥質消失殆盡,殘留的石英、玉髓、巖屑等較穩定組分并不妨礙本區成為有利于碳酸鹽生成的“清水”環境。因此當氣候等外界條件適宜時,“水下隆起處”受海水的反復洗蕩 (可能還有藻類捕捉作用的參與),即形成大量以石英、巖屑、玉髓等陸源碎屑顆粒為核心的鮞粒以及磨圓良好的礫石,這些無疑都是海侵牽引流作用的明顯標志。薄膜狀鐵硅質風化殼與“鮞粒層”的密切關系也可能指示了溫暖的氣候和淺水氧化環境,而這樣的沉積環境顯然與冰川無關。

隨著豐富的碎屑物質堆積完畢,海侵作用的沉積產物轉而以細粒的泥巖為主,并出現少量相對遠源礫石的加入。此時本區可能仍然處于低能海岸的潮間-潮下帶環境,水深并無明顯變化,致使泥巖中出現水平層理、波狀層理。

最終,隨著海水的再次退卻,本區結束了羅圈組的海侵沉積史,再次接受暴露剝蝕,直至早寒武世辛集期大規模海侵的到來。

5 結論與討論

(1)山西芮城水峪地區的羅圈組受下伏薊縣系龍家園組白云巖高低起伏的風化面形態控制,巖性、厚度變化明顯。羅圈組主要由紫紅色含礫泥巖、準原地堆積的風化角礫巖及一套特殊的“含礫砂質鮞粒白云巖”組成,均為溫暖氣候下海侵或海侵改造產物,與冰川作用無關。其中“含礫砂質鮞粒白云巖”在華北南緣的羅圈組中尚屬首次發現,具有明顯的指相意義。

(2)本區羅圈組的沉積物性質與沉積環境顯然與前人在河南、陜西等地發現的“羅圈組冰磧巖”截然不同。通過本區羅圈組正常氣候下海侵牽引流沉積物性質的確定,對于華北南緣不同地區羅圈組的對比提出了疑問:是否同時存在“冰期”和“非冰期”沉積的羅圈組?兩者在沉積環境乃至地層時代上是否存在巨大差異?由此可見,對于不同地區的羅圈組,應視其具體特征認真甄別其沉積物性質與沉積環境,才能為恢復華北南緣新元古代末-早古生代初構造-古地理格局提供更為準確的依據。

成都地調中心閆劍飛、康建威、鄭尚均等參與野外考察與采樣,在此表示感謝。

[1] 牟用吉.羅圈組的冰磧成因和時代[J].河南國土資源,1983,(02):35-46.

[2] 吳瑞棠,關保德.論羅圈組的冰成特征及重力流改造[J].地質學報,1988,62(1):78-89.

[3] 河南省地質礦產局.河南省區域地質志[M].北京:地質出版社,1989.117～118,342～343.

[4] 馮增昭,彭勇民,金振奎,等.中國寒武紀和奧陶紀巖相古地理[M].北京:石油工業出版社,2004.

[5] 武鐵山主編,山西省地質礦產局.山西省巖石地層[M].武漢:中國地質大學出版社,1997.

Transgressive deposits from theLuoquan Formation in Shuiyu,Ruicheng,Shanxi

ZHOU Ken-ken,Xu Xiao-song,MOU Chuan-long
(Chengdu Institute of Geology and M ineral Resources,Chengdu610081,Sichuan,China)

The Luoquan Formation and its equivalents on the southern and southwestern margins of the North China landmass have long been interpreted as the latest Neoproterozoic glaciogenic deposits. In the Shuiyu region,Ruicheng,Shanxi,the Luoquan Formation shows a horizontal dramatic change due to the controls of the erosional surface of the underlying strata,and only consists of a succession of extraordinary“gravel-bearing sandy oolitic dolostones”containing parautochthonous gravels and intraclastics.Viewed from lithology,sedimentary textures and structures,and sed imentary facies,the authors in the present paper argue that the“oolitic dolostones”in the Luoquan Formation should be originated from the coastal tractional currents under the conditions of war m climates rather than from the glaciation.The first report of the“oolitic dolostones”has important implications for the recognition of the sed imentary environments of the Luoquan For mation.

Neoproterozoic glaciation;Luoquan Formation;Ruicheng; Shuiyu;oolitic dolostone; coastal tractional current

1009-3850(2010)03-0039-07

2010-06-29;改回日期2010-08-08

周懇懇 (1981-),博士研究生,從事沉積學與巖相古地理研究

中國地質調查局《中國巖相古地理編圖》項目,編號:1212010916060;中國石化《中國南華紀-新近紀巖相古地理編圖與綜合研究》項目,YHP08108

P588.24+5

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