遼西義縣盆地英窩山下白堊統義縣組磚城子層沉積巖石組合特征及古環境研究①

梁俊紅 鞏恩普 陳登輝 李永杰

(東北大學資源與土木工程學院 沈陽 110004)

遼西義縣盆地英窩山下白堊統義縣組磚城子層沉積巖石組合特征及古環境研究①

梁俊紅 鞏恩普 陳登輝 李永杰

(東北大學資源與土木工程學院 沈陽 110004)

遼西義縣盆地是中生代阜新-義縣斷陷盆地中大凌河以南的次級凹陷區,盆地內近東西走向的馬神廟-刀把地-三百壟-金剛山一帶為義縣組標準地層剖面出露地。作為義縣階標準地層剖面的義縣盆地英窩山磚城子層為一套早白堊世義縣組的湖相沉積組合。野外詳細沉積巖和地層學研究將磚城子層進一步劃分出三個沉積亞單元。英窩山磚城子層下部為一套膨潤土化凝灰質粗砂巖、雜色泥礫巖、灰綠色凝灰質礫巖、焦土黃色細礫巖組成的粗粒濁積巖段(T,Ta1,Ta2)與灰綠色膨潤土化凝灰質粉砂巖、含炭屑沉凝灰巖、泥巖組成的細粒濁積巖段(Tb1,Tb2)沉積巖組合。在濁流沉積與區域性構造運動綜合影響下,湖盆水體變深,從而遭受至少4期的濁流沉積作用,形成粗-細濁積巖段(Ta3-Ta6,Tb3-Tb6),并在細粒的濁積巖段(Tb)之上形成薄層白云巖沉積層。磚城子層中部為硅化白云巖、含燧石團塊白云質灰巖、紋層狀白云巖、白云質膠結滑塌沉積灰巖組成的古湖泊相碳酸鹽巖組合。磚城子層上部為凝灰質砂屑灰巖、含膨潤土泥灰巖、白云巖、膨潤土巖、膨潤土化凝灰質粉砂巖、深灰黑色頁巖組合,巖石呈現半深湖-深湖相至半深湖-淺湖相的巖石組合特征。磚城子層的沉積巖石組合特征揭示了早白堊世該區古湖泊邊緣發育濁流沉積、湖坪化作用、湖泊邊緣斜坡-半深湖相形成白云質灰巖、深湖相沉積紋層狀白云巖-頁(泥)巖、凝灰質碎屑以及大量陸源碎屑充填湖泊的地質演化過程。

濁積巖段 沉積相 磚城子層 義縣組 英窩山

遼西地區自西向東分布有侏羅紀至早白堊世形成、演化的北票盆地、建昌盆地、金-羊盆地、阜新-義縣盆地等[1～9]。其中阜新-義縣盆地為發育于中生代的斷陷型盆地。義縣盆地是阜新-義縣盆地中大凌河以南的次級凹陷區,盆地內的義縣組可與大凌河以北的相應地層對比。義縣縣城西南部近東西走向的馬神廟-刀把地-三百壟-金剛山一帶為義縣組標準地層剖面出露地區,該剖面研究表明義縣組為一套巨厚層基性-中基性-中性-中酸性陸相噴發的火山巖系,在其火山噴發活動間歇期,形成了7個河湖相的沉積夾層,自下而上分別為馬神廟層、老公溝層、業南溝層、磚城子層、大康堡層、朱家溝層、金剛山層。義縣組旋回中的沉積地層多數為火山噴發間歇期的河流相、湖相沉積,沉積厚度一般僅十幾米、幾十米和近百米,并具有較多的與火山噴發物有關的火山沉積層(如凝灰巖、凝灰質礫巖)以及薄的湖相沉積的碳酸鹽巖沉積層[10～12]。

義縣盆地磚城子層從刀把地東北向北到小閻家屯東呈弧形延伸到甘家屯河谷,在河谷東的英窩山南北、二道河子、腰馬山溝、金家溝直至大凌河楊家屯鐵路路塹有出露,且尤以英窩山出露較好。磚城子層富產昆蟲、葉肢介和植物以及木化石、介形類和保存不完好的鳥化石。對英窩山沉積層研究將會對義縣火山旋回中晚期義縣盆地重建陸相沉積環境、古地理和古氣候提供一定的科學依據。

1 英窩山磚城子層沉積巖石組合特征

英窩山剖面的磚城子層沉積巖厚度約為60 m,下伏黑褐色的氣孔-杏仁狀橄欖玄武巖。下部為與中基性火山噴發作用有關的膨潤土、膨潤土質礫巖以及膨潤土質粉砂巖,向上過渡為湖相碳酸鹽巖沉積層;中部為膨潤土質礫巖、灰黑色泥巖、頁巖夾層以及碳酸鹽巖沉積組合,向上過渡為深湖-半深湖相的碳酸鹽巖、紋層狀頁巖沉積;上部為與中基性火山噴發有關的膨潤土化凝灰質粉砂巖-灰褐色頁巖的粗-細沉積韻律。磚城子層上覆黑色粗玄武玢巖。本文將分別對下部、中部和上部三部分闡述其巖石組合特征(圖1)。

圖1 義縣盆地英窩山義縣組磚城子層剖面全景Fig.1 The Zhuanchengzi section panorama sketch of Yixian Formation in Yingwoshan area,Yixian Basin

圖2 英窩山磚城子層底部濁流沉積層剖面Fig.2 The turbidite deposit column of lower part of Zhuanchengzi layer in Yingwoshan area

圖3 英窩山磚城子層底部濁流沉積層剖面Fig.3 The turbidite deposit column of lower part of Zhuanchengzi layer in Yingwoshan area

1.1 磚城子層下部濁積巖沉積

英窩山磚城子層下部沉積層包括第①至○32沉積亞層,共厚約30 m(圖2,3)。該部分與下伏的灰黑色氣孔-杏仁狀橄欖玄武巖呈沉積侵蝕接觸關系。第①至⑨為與中基性火山噴發物有關的膨潤土化凝灰質礫巖、膨潤土沉積層夾薄層膨潤土化凝灰質粉砂巖沉積層;⑩至○32沉積亞層為膨潤土化凝灰質礫巖、薄層粉砂巖以及薄層碳酸鹽巖沉積層組合。

磚城子層T濁積巖段為黃褐色膨潤土化凝灰質粗砂巖和灰綠色砂質膨潤土沉積層,其中含有大量的凝灰巖質礫巖,具弱沉積層理,沉積厚度約2.5 m,指示該沉積層形成時大量的中基性火山灰質噴發作用的存在以及火山噴發的灰質成分經較長距離的空運作用。該濁積巖段具明顯反粒序的沉積特征。第③至⑨亞層組成兩個濁積巖段(T1,T2)。底部的粗粒雜色、灰綠色含礫凝灰巖和礫巖、雜色泥礫巖構成濁流沉積的濁積巖粗粒巖段(Ta1,Ta2)。頂部灰綠色膨潤土化凝灰質粉砂巖、沉凝灰巖、土黃色泥巖構成濁流沉積細粒巖段(Tb1,Tb2),其中水平層理發育,順層面含大量炭屑和少量的東方葉肢介化石,炭屑粒徑約2～5 mm(圖4)。粗粒濁積巖段Ta1中礫石主要以下伏玄武巖和凝灰巖質礫石為主,礫石呈次圓狀、次棱角狀,礫石大小為2～10 cm,且以2～5 cm為主。粗粒濁積巖段Ta2底部60 cm內具正粒序遞變的層內粒序遞變層理,向上粒度變得無序。

圖4 磚城子層底部濁流相沉積的細粒巖段Tb1的含炭屑膨潤土化粉砂巖(a),細粒巖段Tb3中水平層理(b),濁流相粗粒巖段Ta4的具弱沉積層理礫巖(c),磚城子層中部含燧石團塊白云質灰巖中的燧石團塊(d)Fig.4 The bentonitic siltstone containing carbon debris in fine division Tb1(a),horizontal bedding in Tb3(b), weak stratification in coarse division Ta4(c),flint nodule in dolomite in themiddle part of Zhuanchengzi layer(d)

第⑩至○33亞層組合出4個濁積巖段,每一濁積巖段基部均為灰綠色(雜色)玄武巖質礫巖、凝灰質礫巖、含礫泥質砂巖以及含礫粗砂巖構成的粗粒濁積巖段(Ta),頂部由含炭屑膨潤土化凝灰質粉砂巖構成細粒濁積巖段(Tb)以及上覆硅化白云巖沉積層構成。與上述的第1、2濁積巖段相比較第3、4的粗粒巖段(Ta3、Ta4)的厚度有明顯增大的趨勢,且呈現反粒序層內遞變層理。標準鮑瑪序列的濁積巖的Ta段只是出現礫巖沉積,向上出現正粒序遞變規律。對鮑瑪序列持否定、疑問的Shanmugam和Kenneth綜述性研究深入揭示了濁流沉積相的組合特征及其地質意義,他們認為當分析對象的研究尺度小時,底部的粗碎屑巖段往往會出現“異常”的反粒序沉積[13～15]。第5沉積旋回中的粗粒沉積巖段為凝灰質含礫泥巖、含礫粗砂巖、含礫泥巖、礫巖等沉積亞層組成,礫石含量較其下的粗粒濁積巖段有大幅度減少,且發育弱平行沉積層理(圖4),其中的粉砂巖、泥巖沉積層中含大量的炭屑。該沉積旋回的細粒濁積巖段(Tb5)由灰綠色的含炭屑膨潤土化凝灰質粉砂巖與含云母的泥質砂巖沉積層構成,水平層理發育,其中含大量片狀的炭屑、云母指示它們是濁流沉積的上部或尾部沉積產物[16]。濁積巖段T6由含膨潤土礫巖、含礫粗砂巖組成粗粒巖段(Ta6),礫石呈次圓狀、圓狀,少量為棱角狀,向上的細粒濁積巖段Tb6為含炭屑膨潤土化凝灰質粉砂巖,順層面產出大量的炭屑,且發育水平沉積層理。

1.2 磚城子層中部碳酸鹽巖沉積組合

磚城子層中部由碳酸鹽巖沉積為主的第○34至○45沉積亞層構成,厚約6 m(圖5)。第○34至○36沉積亞層為硅化白云巖、灰色粉砂巖、含燧石團塊砂屑灰巖沉積層,薄層狀的粉砂巖沉積層在橫向上厚度有所變化,變化范圍為1～5 cm。第○36至○39沉積層為含大量燧石團塊白云質灰巖(圖4)、紋層狀白云巖,碳酸鹽巖沉積紋層發育,第○39沉積亞層中夾薄層含黑云母長石砂巖。第○40沉積亞層為滑塌沉積灰巖,巖石風化面呈土黃色,內部的碎屑為下伏第○39沉積亞層的紋層狀白云巖、礫屑無磨蝕,呈棱角狀,占全巖的80%左右,膠結物為白云質,表現明顯的滑塌堆積特征[17]。第○40～○45沉積亞層為長石砂屑礫巖、含長石砂屑膨潤土質礫巖、含礫長石砂巖、含云母長石砂巖的沉積巖組合,巖石中均含大量的長石砂屑,砂屑粒級達粗砂-小礫級。礫巖沉積層中含大量的質純膨潤土礫屑,粒徑達1～2 cm,最大粒徑達5～6 cm,大小懸殊,其中偶含下伏紋層狀白云巖質礫屑,礫石經強烈磨蝕作用而呈圓狀、次圓狀。長石砂巖中含礫極少,礫石主要以膨潤土質為主,其含量占全巖的1%,少見1 mm的片狀黑云母,該沉積層為一套經短距離搬運的大量陸源沿湖盆邊緣斜坡堆積的產物。

圖5 英窩山磚城子層中部沉積層剖面Fig.5 The sedimentary column of themiddle part of Zhuanchengzi layer in Yingwoshan area

1.3 磚城子層上部碳酸鹽巖-粉砂巖-頁巖沉積

英窩山磚城子層上部巖石主要由砂屑灰巖、硅化白云巖、泥灰巖、紋層狀白云巖、膨潤土巖、膨潤土化凝灰質粉砂巖、頁巖組成。總體上講,巖石組合呈現基部為碳酸鹽巖沉積組合以及向上變為5個膨潤土巖(膨潤土化凝灰質粉砂巖)-紙片狀頁巖沉積韻律巖石組合(圖6)。

第○46沉積亞層為鐵銹色含凝灰質礫泥質膠結砂屑灰巖沉積層,本層厚約1.7 m,沉積層內礫石大小0.2～5 cm,1 cm左右常見,礫石呈圓狀、次圓狀,頂部含礫石約20%。第○47沉積層為下伏砂屑灰巖向粉砂巖過渡的沉積相,呈現正粒序遞變的沉積層理。向上的第○49沉積亞層為含膨潤土礫白云質泥灰巖,厚約3.4 m,本沉積層的中上部含礫40%左右,主要以<5 cm為主,層內的礫屑呈弱的正粒序遞變規律,沉積層底部具弱平行層理,層內礫屑較好的磨圓度指示隨水體有一定距離的運移。第○50～○54為一套砂巖-頁巖-白云巖沉積組合,厚達1.2 m,○50沉積亞層為灰白色-深黑色頁巖,水平沉積紋理發育,紋理厚約1 mm,其中夾2～5 mm土黃色泥巖沉積薄層,第○53沉積亞層與其相似,厚約0.1 m?！?1、○52沉積亞層分別為含白云質團塊的膨潤土、膨潤土化凝灰質粉砂巖,且后者含2～5 cm厚的碳酸鹽巖夾層,粉砂巖沉積層發育水平沉積紋理。上覆為紋層狀白云巖,頂部產狀97°∠24°。該部分湖泊相的砂巖-頁巖-白云巖沉積組合中廣泛、大量發育平行層理及水平沉積紋理,且碳酸鹽巖夾層沉積厚度在橫向上相對穩定等沉積特征指示其為靜水態的半深-深湖相沉積的產物。

本文將上部的○55沉積亞層細劃分出5個膨潤土巖或膨潤土化凝灰質粉砂巖和頁巖的沉積組合的正粒序遞變沉積韻律。第1個沉積韻律下部的膨潤土巖沉積層厚約4.5 m,上覆的黑色紙片狀頁巖厚度僅為0.12 m。第2至第5韻律粗粒序膨潤土化凝灰質粉砂巖沉積層的厚度明顯變薄,變化范圍0.25～ 1.70 m,細粒的黑色、灰褐色頁巖沉積層的厚度有較大的變化,為0.19～1.89 m。沉積巖性的頻繁變化的膨潤土化凝灰質粉砂巖-頁巖沉積組合指示強烈的中基性火山噴發作用,凝灰質成分含量較高,火山碎屑快速充填古湖泊,懸浮質陸源泥質成分在相對靜止水體中沉積,直至古湖泊萎縮的地質演化過程。

圖6 英窩山磚城子層頂部沉積層剖面Fig.6 The sedimentary column of the upper part of Zhuanchengzi layer in Yingwoshan area

2 英窩山磚城子層沉積相、古環境的演化

英窩山的磚城子層下部為一套膨潤土化凝灰質粗砂巖、雜色泥礫巖、灰綠色凝灰質礫巖、焦土黃色細礫巖組成的粗粒濁積巖段(T,Ta1,Ta2)與灰綠色膨潤土化凝灰質粉砂巖、含炭屑沉凝灰巖、泥巖組成的細粒濁積巖段(Tb1,Tb2)沉積巖組合。粗粒濁積巖段發育弱(無)沉積層理,沉積層內礫屑具正粒序遞變層理,礫屑的粒徑變化較大,磨圓度較差。細粒濁積巖厚度明顯較前者變小,且出現了明顯的水平沉積層理,片狀的炭屑以及大量的東方葉肢介順層面發育,為濁流的上部滯后的細粒懸浮沉積的結果。古湖盆由于大量的濁流沉積之后水體相對變淺,受區域性構造運動作用湖盆水體再次變深,從而遭受至少4期的濁流沉積作用,形成與下部具有相似性的粗-細濁積巖段(Ta3-Ta6,Tb3-Tb6),在細粒的濁積巖(Tb)之上沉積了薄層硅化白云巖沉積層,這一沉積現象指示受多期的濁流充填作用,沿古湖盆邊緣形成了湖坪,加上當時季節性的干旱、半干旱古氣候的作用,從而在時有出露水面淺水環境的湖坪上形成薄層的碳酸鹽巖。與前期濁流沉積相粗粒巖段(Ta1,Ta2)相比,隨后的粗粒巖段(Ta3,Ta4,Ta5,Ta6)沉積層的沉積層理發育,且出現了異常的反粒序遞變的沉積特征。特別是Ta5,Ta6中的粗粒巖段的碎屑平均粒徑明顯變小,在其中常含有大量的片狀炭屑、黑云母,這從另一側面指示湖盆水體在沉積細粒濁積巖段時,水體相對靜止、變淺的沉積規律。

磚城子層中部的沉積巖石以硅化白云巖、含燧石團塊白云質灰巖、紋層狀白云巖、白云質膠結滑塌沉積灰巖組成的古湖泊相碳酸鹽巖組合,合計厚度約6 m。該碳酸鹽巖沉積組合底部沉積層中常含大量的燧石團塊,指示半深湖相的沉積環境,向上過渡至紋層理發育的白云質灰巖,說明古沉積水體相對靜止、深度增加的趨勢。沿古湖盆邊緣相-半深湖形成的大量的碳酸鹽巖、濁積巖,由于某一突發因素(地震、突然物源大量的輸入等)使得其失去穩態,從而形成第○40沉積亞層的白云質膠結的滑塌沉積灰巖,沉積層內的碎屑(礫級)幾乎無磨蝕和弱磨蝕的特征,指示短距離滑塌遷移至半深湖快速膠結的沉積演化結果。第○41～○45的長石砂屑礫巖-長石砂屑膨潤土質礫巖-含礫長石砂巖-含云母砂巖由底向上均含有長石砂屑,且向上呈增多的趨勢,指示大量陸源碎屑輸入古湖盆,沿湖盆邊緣的斜坡快速沉積的地質特征。

磚城子層上部的沉積巖以第○46～○55沉積亞層組成,具有半深湖-深湖相至半深湖-淺湖相的巖石組合特征。底部的○46～○49沉積亞層為與中部相似的含凝灰質砂屑灰巖、含膨潤土泥灰巖、硅化白云巖的半深湖相碳酸鹽巖組合特征,指示大量的中基性火山噴發物隨水體懸浮遷移至半深湖相的沉積過程?！?0～○55是一套厚約2.5 m的紋層狀白云巖、膨潤土巖、膨潤土化凝灰質粉砂巖、灰白-深黑色頁巖組合,該組合為典型的深湖相的靜水沉積組合,沉積層在橫向上的厚度相對穩定、紋層構造發育。早白堊世遼西地區發生強烈的多期次的火山活動,當頻繁的中基性火山噴發時,大量的火山灰質通過空運或經過水體的懸移等方式遷移至古湖盆內快速沉積形成○55沉積亞層中的粗粒巖段,在其間歇期大量的陸源物質通過懸浮方式沉積于古湖盆中心,形成磚城子層頂部的第○55沉積亞層的紙片狀頁巖沉積層。在大量的物源供給以及季節性干旱、半干旱氣候的綜合作用下,使得相對封閉的古湖盆快速萎縮。

3 結論

早白堊世義縣組中的英窩山磚城子層詳細的沉積層研究分析,認為義縣期的磚城子沉積層經歷了沿古湖盆的濁流沉積作用,隨后在古湖盆邊緣形成季節性出露水面的湖坪,邊緣相變陡形成半深湖相的白云質膠結滑塌沉積灰巖、砂屑灰巖,之后水體加深形成半深湖相砂屑灰巖、含燧石團塊砂屑灰巖、硅化白云巖,古湖盆晚期受大量的火山噴發作用的物源供給以及干旱、半干旱氣候作用而萎縮。

(1)磚城子層下部為濁流作用形成的膨潤土質礫巖、細礫巖構成的粗粒巖段和膨潤土化凝灰質粉砂巖構成的細粒巖段。伴隨多期次的濁流沉積作用之后,沿古湖泊邊緣形成了較淺水湖坪沉積作用,從而形成了下部的粗粒巖段和細粒巖段以及湖坪相的薄層白云巖沉積組合。磚城子中部為含膨潤土白云巖、含燧石團塊的砂屑灰巖、白云質膠結滑塌沉積灰巖、白云質砂屑灰巖構成湖盆邊緣相、半深湖相碳酸鹽組合。磚城子層上部為砂屑灰巖、硅化白云巖、白云質泥灰巖、頁巖、膨潤土化凝灰質粉砂巖、紋層狀白云巖的半深湖-深湖相沉積組合,古湖盆演化晚期的快速萎縮形成5個淺湖相的膨潤土巖(膨潤土化粉砂巖)-頁巖沉積韻律。

(2)磚城子層自下而上出現了湖盆邊緣相、湖坪相、半深湖相、深湖相至淺湖相的古湖盆沉積相。

(3)受早、晚期存在強烈的、頻繁的、多期次中基性火山作用,大量的火山灰物質供給、季節性干旱、半干旱以及區域性構造運動等因素共同作用使得古湖盆快速萎縮。

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The Sedimentary Petrographic Association and Palaeoenvironment of Zhuanchengzi Layer of Lower Cretaceous Yixian Formation in Yingwoshan Area,Yixian Basin

LIANG Jun-hong GONG En-pu CHEN Deng-hui LIYong-jie
(Geology Department of Northeastern University,Shenyang 110004)

In western Liaoning province,the Yixian Basin is thoughtas the subdepression of Cretaceous Fuxin-Yixian Basin,the intra-basin Yixian Formation section is cropped out in Mashenmiao-Daobadi-Sanbailong-Jingangshan,strikingly from east towest.As themiddle partof Yixian Formation,Zhuanchengzi layer consists of lacustrine sediments in Yingwoshan area.These sedimentary piles are divided into three subdivisions.The lower part comprises coarser turbidites(T,Ta1,Ta2)and finer turbidites(Tb1,Tb2),the former ismade up of bentonitic gritstone,mottle gompholite, grayish-green tuffaceous conglomerate,earthy granular conglomerate,the latter is grayish-green bentonitic siltsone, containing carbonized debris,sedimentary tuffite and mudstone.Influenced by turbidity and regional tectonic processes,the water column becomes shallower,the coarser and finer turbidites divisions(Ta3-Ta6,Tb3-Tb6)were formed around lakemargin and thin-bedded silicified dolomite deposits on the finer turbidite divisions.The middle part of Zhuangchengzi layer consists of silicified dolomite,containing chert nodules,dolomitic limestone,laminae dolomite and slumping dolomitic limestone.The upper partof Zhuangchengzi layer is characterized by hemi-to deep and hemito shallow lacustrine facies,the rock assemblage is of tuffaceous calcarenite,bentoniticmarl,dolomite,bentonite and greyblack shale.The sedimentary rock association indicates that there were marginal turbidity processes,lacustrineplatenvironment,dolomitic limestone formed around lacustrine ramp,laminae dolomite-shale formed in deep lacustine facies,and a lot of volcanic and terrestrial clastic debris filled the basin.

turbidite division;sedimentary facies;Zhuanchengzi layer;Yixian Formation;Yingwoshan area

梁俊紅 男 1972年出生 博士 講師 沉積學 E-mail:liangjunhong@mail.neu.edu.cn

P512.2

A

1000-0550(2011)01-0014-09

①教育部高等學校博士學科點專項科研基金(編號:20060145016)和中央高校基本科研業務費項目(編號:N100401005)資助。

2009-11-05;收修改稿日期:2010-01-15