徐州大北望地區饅頭組碳酸鹽－陸源碎屑混合沉積

王小豪，武 琳，張 嘎，吳 東

(中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008)

0 引言

混合沉積的研究對了解沉積環境的沉積動力學、海平面變化以及沉積速率和區域沉降速率、甚至古氣候和構造對沉積的控制作用等有著特殊意義?；旌铣练e的層位又常常是重要的沉積－層控礦床的控礦層位(張錦泉等，1989)。徐州大北望地區寒武系饅頭組就是混合沉積的一個實例。在野外觀察和結合地質資料分析的基礎上，結合薄片分析，對徐州大北望地區的混合沉積的沉積特征、沉積類型、沉積環境等方面進行了分析，并以沉積學原理為指導建立了徐州大北望地區饅頭組混合沉積模式，并對研究區混合沉積的控制因素進行歸納和討論。

1 區域背景

徐州大北望地區位于華北板塊的東南部。研究區繼承了震旦紀末上升的古陸的特點，遭受風化剝蝕，與整個華北古陸一樣，形成準平原化地貌，到早寒武世中期開始發生海侵并接受沉積(桑樹勛等，2002)。饅頭期是寒武紀海侵的開始階段，整個華北板塊并沒有完全被海侵淹沒(許效松等，2010)，因此陸源供應較多，而且海平面發生了較頻繁的波動，造成了該期碳酸鹽與陸源碎屑較頻繁的混合沉積(圖1)。

圖1 華北陸塊早寒武世饅頭期巖相古地理

研究區地層區劃屬華北地層區，區內基巖露頭面積很少，大部分為第四系覆蓋區。區內基巖出露面積較小，多為第四系覆蓋。古老的結晶底基地未見揭示，蓋層發育良好(王陸超等，2011)。饅頭組剖面分了3段:下部以泥巖、頁巖為主，底部為一層含海綠石灰巖和淺灰色灰巖;中部為中厚層—厚層灰巖、鏈條狀灰巖夾泥巖、泥灰巖;上部以紫色、黃色頁巖、粉砂質泥巖為主，夾薄層灰巖。

2 混合沉積特征

混合沉積巖石主要特征是碳酸鹽巖與陸源碎屑巖以較高頻率交互沉積及同一巖層中陸源碎屑組分與碳酸鹽組分混合沉積(江茂生等，1996)?；旌铣练e有2種定義:狹義的混合沉積是同一巖層中陸源碎屑與碳酸鹽組分的混合，即稱為“混積巖”(楊朝青等，1990);而廣義的混合沉積包括了狹義的和陸源碎屑與碳酸鹽巖層構成的交替互層或夾層的混合，即稱為“混積層系”(郭福生等，2003)。此外，還有大量的混積物與陸源碎屑或碳酸鹽的交互沉積以及混積物本身交互沉積形成的混積層系。研究區饅頭組的混合沉積既有混積巖，也有混積層系。

2.1 混積巖

研究區混積巖十分發育，接受的陸源碎屑以陸源泥為主，混積巖的類型有泥質灰巖、含泥灰巖、鈣質泥巖、含泥鮞?；規r等。其混合沉積特征是由不同類型的混積巖之間以及混積巖與碳酸鹽巖或陸源碎屑巖之間組成混積層系的形式出現。

2.2 混積層系

混積層系可劃分為4類:陸源碎屑與碳酸鹽的交互沉積，陸源碎屑與混積物交互沉積，碳酸鹽與混積物交互沉積和不同混積物本身的交互(董桂玉等，2007)。研究區這4類混積層系都有發育，而且不同混積層系類型的發育程度有所差異。

2.2.1 陸源碎屑巖與碳酸鹽巖層系 這類混積層系僅在研究區饅頭組的剖面下部發育，陸源碎屑巖為黃綠色泥巖，碳酸鹽巖為鮞粒亮晶灰巖。鮞粒灰巖分布在混積臺地邊緣的混積淺灘微相中。黃綠色巖分布在開闊臺地的混積灘間微相中，黃綠色泥巖以夾層的形式與鮞粒灰巖進行混合沉積。

2.2.2 陸源碎屑巖與混積巖層系 陸源碎屑巖主要以紫色頁巖、黃色頁巖為主，混積巖的類型有泥質灰巖、含泥質灰巖、含泥鮞?；規r、條帶灰巖等。紫色頁巖、黃色頁巖為混積局限臺地的潟湖微相。泥質灰巖、含泥質灰巖、條帶灰巖分布在沉積局限臺地中的潮上、潮間的混積泥坪微相、混積灰坪微相中，含泥鮞?；規r分布在混積臺地邊緣的混積灘間微相中。陸源碎屑巖和混積巖常以互層沉積的形式進行混合沉積。

2.2.3 碳酸鹽巖與混積巖層系 碳酸鹽巖的類型包括:竹葉狀礫屑灰巖、砂屑灰巖、含白云質灰巖?；旆e巖主要為泥質灰巖。竹葉狀礫屑灰巖、砂屑灰巖、含白云質灰巖分布在混積開闊臺地的混積灘間微相、混積淺灘微相和混積局限臺地潮上的混積云坪微相中。泥質灰巖分布在混積潮坪、上的混積泥坪微相中。碳酸鹽巖和混積巖以互層沉積或夾層的形式出現。

2.2.4 混積巖層系 形成混積巖層系的混積巖類型有:泥質灰巖、鈣質頁巖、含泥灰巖、含海綠石灰巖、含白云質泥質灰巖、含泥質砂質灰巖等?；旆e巖主要分布在混積開闊臺地的混積灘間微相、混積局限臺地的混積潟湖微相、混積云坪微相中?；旆e巖層系的混合沉積有單一類型的混積巖沉積和不同類型的混積巖互層或夾層沉積2種情況。

3 混合沉積環境

根據對研究區混合沉積特征的分析，可以將研究區饅頭期的混合沉積相可分為混積潮坪相、混積局限臺地相、混積開闊臺地相和混積臺地邊緣相4種類型。

3.1 混積潮坪

研究區混積潮坪只在饅頭組剖面的中部發育，為混積泥坪微相。以紫紅色頁巖、綠色頁巖為主，夾薄層泥質灰巖或灰巖透鏡體。紫紅色、綠色頁巖、泥質灰巖交互出現。紫紅色和黃綠色頁巖具水平層理，產三葉蟲化石。頁巖與泥質灰巖的交替沉積說明海平面的頻繁升降，而紫色頁巖和黃綠色頁巖的交替沉積則反映了氣候的干濕交替(圖2a)。

3.2 混積局限臺地

研究區饅頭組的混積局限臺地可進一步劃分為混積潟湖微相、混積灰坪微相和混積泥坪微相。混積潟湖微相主要發育豹皮狀灰巖和紫色頁巖、黃綠色泥巖，夾薄層泥質灰巖或灰巖透鏡體。豹皮狀灰巖的灰黃色豹斑主要由白云石組成，豹斑沿層面定向性排列，水平及波狀層理發育。頁巖具水平層理及小型波狀層理，頁巖層理間有方解石薄膜，泥巖中方解石含量較多，說明當時為水體鹽度較高的咸化潟湖環境?；旆e灰坪微相主要發育含白云質泥質灰巖、泥質灰巖、鏈條狀灰巖、條帶狀灰巖等。鏈條狀灰巖是由泥質含量高的泥灰巖或泥晶灰巖、鈣質泥巖呈薄層狀互層沉積，薄層一般為1 cm左右，泥晶灰巖薄層常似斷非斷，故稱為鏈狀灰巖(圖2b)。條帶狀灰巖為薄層的泥晶灰巖，其間夾有厚度小于5 cm的鈣質泥巖紋層，其中可見水平層理、波狀層理、鳥眼構造、縫合線構造等(圖2c)?；旆e泥坪微相發育有紫色鈣質頁巖夾少量薄層灰巖，紫色鈣質頁巖具水平層理，層面上含許多白云母碎片。

圖2 徐州大北望地區饅頭組混積巖特征

3.3 混積開闊臺地

混積開闊臺地按水動力條件可劃分為混積淺灘微相和混積灘間微相?；旆e淺灘水位較淺，海水循環良好，為水動力條件較強的潮下環境?；旆e灘間微相主要發育碳酸鹽巖，巖石類型有亮晶砂屑灰巖、竹葉狀灰巖、核形石灰巖等。砂屑灰巖可見大型浪成交錯層理、呈對稱狀，波長較大而波高較小。竹葉狀灰巖，礫屑有的呈疊瓦狀排列，也有的層段呈雜亂狀排列，礫屑呈雜亂狀排列者具有褐紅色的氧化圈，說明巖石形成過程中曾經暴露氧化。核形石灰巖的核形石呈球形、扁球形，核形石的核心為三葉蟲等生屑，同心紋層清楚。混積灘間微相是水動力較弱的潮下環境，主要發育有泥質灰巖、泥晶灰巖、含海綠石灰巖等(圖2d)。

可見灰色灰巖的對稱或不對稱波的橫切面，波谷中見到紫紅色泥灰巖薄層呈月牙形斷續地沿層面排列。泥晶灰巖顏色較暗、具水平層理。研究區饅頭組沉積常通過混積淺灘微相和混積灘間微相在剖面上的交互沉積實現混合沉積(圖2e)。

泥質灰巖以黃色或灰色為主，也發育有紫紅色泥灰巖，剖面上可見灰色灰巖的對稱或不對稱波的橫切面，波谷中見有紫紅色泥灰巖薄層呈月牙形斷續地沿層面排列。泥晶灰巖顏色較暗、具水平層理。研究區混積淺灘微相沉積和混積灘間微相沉積在剖面上以交互沉積的形式實現混合沉積(圖2e)。

3.4 混積臺地邊緣

混積臺地邊緣在研究區只發育混積淺灘微相，混積淺灘位于正常浪基面之上，屬于高能環境。主要發育鮞?；規r，夾薄層黃綠色灰巖、中厚層礫屑灰巖。鮞?；規r的鮞粒粒徑以1～2 mm為主，形狀為圓形或橢圓形，分選好，磨圓度高，以同心鮞為主，還有少量放射鮞，為亮晶膠結或部分亮晶膠結(圖2f)。

4 混合沉積模式

根據徐州大北望地區的混合沉積特征，重點參考了欒守亮等(2010)的“徐州大北望地區碳酸鹽臺地－陸表海沉積相模式”，并以董桂玉等(2009)的“環渤海灣地區寒武系混合沉積相模式”為基礎，建立了徐州大北望地區饅頭組混合沉積相模式(圖3)。

研究區混合沉積體系由混積潮坪、混積局限臺地、混積開闊臺地和混積臺地邊緣4種沉積環境單元組成。發生海侵時，隨著海平面的上升，混積臺地邊緣、混積開闊臺地、混積局限臺地和混積潮坪依次向陸遷移，并形成退積序列。反之，發生海退時，各沉積環境單元依次向海遷移，并形成進積序列。

圖3 徐州大北望地區饅頭組混合沉積相模式圖

5 混合沉積的控制因素

影響混合沉積的因素很多，也較復雜，并且大多數情況下都是相互影響、共同起作用的(張錦泉等，1989)。在前人研究的基礎上，結合研究區的具體情況，對影響混合沉積的控制因素進行了歸納和討論。

5.1 構造作用

構造升降運動控制著物源區和沉積區的分布和狀態，從而控制了物源的供給量和方向(張錦泉等，1989)。饅頭期的海侵僅淹沒了華北陸塊的中間造山帶及以東的華北古陸，但鄂爾多斯古陸仍為古陸(許效松等，2010)。研究區位于華北陸塊的東南部，主要為陸表海克拉通碳酸鹽臺地沉積，基地平緩，碳酸鹽巖相對發育;同時，西北部的鄂爾多斯古陸為混合沉積提供了充足的物源供給。構造運動還會控制海平面的相對升降來控制混合沉積。寒武紀無明顯的冰川活動，冰期和間冰期對海平面的影響應予排除，海水深淺、海平面變化主要取決于地殼的構造運動(殷鴻福，1988)。研究區經構造運動發生海進和海退，但升降幅度相對較小，海進時地表相對沉降接受物源陸源碎屑和碳酸鹽巖沉積，海退時地表相對隆起遭受剝蝕，混積巖與混積層序較發育。

5.2 海平面變化，海水進退

海平面變化可以從陸源物質的供應和生物的發育程度兩方面影響混合沉積作用和強度(江茂生等，1996)。徐州大北望地區饅頭期，在緩慢海侵的背景下海平面發生頻繁的顯著波動(桑樹勛等，2002)。當海平面發生升降時，沉積臺地與陸源物質的距離會發生變化，混合沉積的方式隨之產生變化。研究區距離陸源最近的混積潮坪相區主要發育陸源碎屑巖與混積巖層系，距離陸源物質較近的混積局限臺地相區主要發育混積巖層系，距離陸源物質較遠的混積開闊臺相區主要發育陸源碎屑巖與碳酸鹽巖層系，而距離陸源物質最遠的混積淺灘相區則主要發育碳酸鹽巖與混積巖層系。另一方面，海平面震蕩頻繁，沉積旋回周期較短，而旋回周期越短，海侵過程相對加快，從而發育較厚的潮下沉積物和較薄的潮坪相混積物(朱同興，1999)。研究區饅頭期海平面頻繁的波動，造成了研究區潮坪混合沉積層系以薄層沉積的互層為主，潮下的混合沉積互層以較厚層沉積的互層為主。

5.3 氣候條件

氣候對混合沉積的控制主要表現在通過降雨量影響物源的供給(張錦泉等，1989)。華北板塊早寒武世基本為干旱炎熱的氣候所控制(陳旭等，2001)。干旱炎熱的氣候不利于生物的大量繁殖，對碳酸鹽巖的產出不利，但當海水相對較深，或在氣候短期內較溫暖時，則會有利于碳酸鹽巖的產出。徐州大北望地區發育紫紅色頁巖，說明當時氣候干燥，降雨少，地表徑流不發育，所以粗的陸源碎屑無法從陸源區帶入，而粉砂級和泥級的陸源碎屑可以通過風力搬運入海。所以，氣候的波動對混合沉積作用會產生有利的影響。

5.4 物源

物源不僅通過物質的供給種類和數量直接影響混合沉積，它還會間接的影響碳酸鹽的生成。海相碳酸鹽沉積需要溫暖、淺水、清潔透光環境，海水渾濁則不利于大量碳酸鹽的生成(李學娣等，2011)?？拷镌吹牡貐^，陸源碎屑供應充足，但海水也會變得更加渾濁，對碳酸鹽生成的抑制作用也較強，碳酸鹽巖因此相對不發育，混合沉積的規模也較小。這就直接影響了研究區的不同混合沉積類型在各混合沉積相區的發育程度。

5.5 水動力條件

水動力一方面可以影響古生物的生存環境。早寒武世的三葉蟲、古杯類、腕足類等古生物生態類型比較單一，底棲類型占據主要地位，水動力條件過強則會使生物失去維持生存所需要的營養，從而對碳酸鹽生產帶來不利。另一方面，水動力能夠破壞未固結的碳酸鹽巖沉積物，然后搬運到異地重新沉積，如研究區發育的竹葉狀灰巖就是在這種條件下形成的。

6 結論

混合沉積的研究對了解沉積環境的沉積動力學、海平面變化以及沉積速率和區域沉降速率、甚至古氣候和構造對沉積的控制作用等有著特殊意義。另外，混合沉積的層位又常常是重要的沉積－層控礦床的控礦層位(張錦泉等，1989)。通過以上對大北望地區饅頭組混合沉積特征描述、模式的建立和控制因素的分析，可以得出以下幾點認識。

(1)研究區進行混合沉積的陸源物質以陸源泥為主，含少量粉砂;碳酸鹽主要為灰泥和生物碎屑為主。混合沉積特征為以陸源碎屑巖、碳酸鹽巖、混積巖相互疊加的混積層系為主，并在局部發育層內混合沉積。

(2)研究區主要的沉積相為混積開闊臺地、混積局限臺地和混積臺地邊緣，僅中部發育有混積潮坪。主要發育的微相類型有混積泥坪微相，積潟湖微相、混積灰坪微相、混積云坪微相、混積淺灘微相和混積灘間微相。

(3)影響研究區混合沉積發育特征的因素有:構造運動、海平面變化、氣候、物源供給、水動力條件等，這些因素相互影響、共同起作用。如構造運動控制了物源的供給方向和海平面變化，海平面的變化則影響著海水的水動力條件和物源的供給數量。

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