徐州地區(qū)寒武系豹皮灰?guī)r的巖性特征及其成因機(jī)制分析

龍 剛，黃 萍，林劍懷，李偉康

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州;2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

0 引言

豹皮灰?guī)r在徐州地區(qū)寒武系地層中分布普遍，主要以中厚—厚層狀分布在下寒武統(tǒng)饅頭組和中寒武統(tǒng)張夏組地層中;國內(nèi)外不同地區(qū)的豹皮灰?guī)r的成因也大不相同;主要分為以下幾大類觀點(馮增 昭，1989):原生沉淀作用，準(zhǔn)同生白云巖化作用，超咸水條件下的白云巖化作用，低鹽度的混合水條件下白云石化作用，生物爬行跡經(jīng)過回流滲透白云巖化作用。

認(rèn)識本區(qū)豹皮灰?guī)r的巖性特征對以寒武系灰?guī)r為主要地基持力層的當(dāng)?shù)亟ㄖ袠I(yè)具有較為重要的意義，了解它的成因?qū)τ谛熘莸貐^(qū)沉積環(huán)境的判斷和古地理氣候的恢復(fù)以及當(dāng)?shù)赜蜌獾目碧介_發(fā)也具有十分重要的地質(zhì)意義(欒守亮等，2010)。

1 地質(zhì)背景

徐州地區(qū)的地層屬于華北地層區(qū)魯西北分區(qū)，在寒武紀(jì)早期，華北地臺開始逐漸抬升(馮增 昭，1990)，遭受風(fēng)化剝蝕并開始了第一次大規(guī)模海侵，從早寒武世—中寒武世基本上為潟湖、碳酸鹽巖臺地交替沉積環(huán)境，碎屑物質(zhì)來自華北古陸。晚三疊世—早侏羅世的印支—燕山運動使本區(qū)地臺蓋層遭受的最強(qiáng)烈的構(gòu)造變形作用，形成了大北望剖面猴家山背斜和賈汪復(fù)式向斜以及徐—宿弧形構(gòu)造。

2 豹皮灰?guī)r的巖石學(xué)特征

2.1 宏觀特征

選取徐州大北望剖面為主干剖面(圖1)，賈汪剖面為輔助剖面，對寒武系的豹皮狀灰?guī)r進(jìn)行詳細(xì)的研究。豹皮灰?guī)r是指表面含有不規(guī)則斑塊的石灰?guī)r，巖石可以分為豹斑和基質(zhì)兩部分，二者在外觀上差別明顯(武永強(qiáng)等，1995)，豹斑部分表現(xiàn)為淺黃色或灰黃色，基質(zhì)部分表現(xiàn)為灰色或深灰色，可見少量蟲孔構(gòu)造;形似豹皮上的斑狀結(jié)構(gòu)。

豹皮灰?guī)r野外產(chǎn)狀特殊，基本呈中厚—厚層狀，水平波狀層理發(fā)育，巖層的厚度穩(wěn)定;豹斑與基質(zhì)成分不同(表1)及其裂隙發(fā)育程度的不同導(dǎo)致二者的抗風(fēng)化能力不同，形成了巖石表面凹凸不平的現(xiàn)象;在野外用體積分?jǐn)?shù)為5%的稀鹽酸滴在基巖新鮮面上，基質(zhì)部分比豹斑部分起泡要劇烈;豹斑一般呈條帶狀、樹枝狀、云朵狀等(陳戰(zhàn)杰等，1991)，其排列具有一定的方向性，多以水平方向分布為主。

圖1 徐州大北望實測地層剖面圖

表1 豹皮灰?guī)r成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比

2.2 微觀特征

將豹皮灰?guī)r切片后用茜紅素試劑進(jìn)行染色，再置于顯微鏡下觀察;由于偏光鏡下的方解石被染為紅色，白云石不被染色，所以可將兩者清晰地分辨出來。

2.2.1 微觀結(jié)構(gòu) 巖石的豹斑主要成分是以粉晶結(jié)構(gòu)為主的白云石，晶粒為較規(guī)則的菱形體，多呈自形—半自形(圖2-1)，晶徑約為0.05～0.1 mm;未白云巖化的石灰?guī)r部分以含生物碎屑球粒泥晶灰?guī)r為主，局部夾有少量屬于泥晶膠結(jié)的砂屑灰?guī)r，晶間孔隙呈三角形及不規(guī)則多邊形(圖2-2)，孔隙大小為0.1～0.4 mm，連通性好;基質(zhì)部分由泥晶方解石組成，平均粒徑約為0.03 mm，并含有不等量的生物碎屑，包括棘皮動物、三葉蟲、腹足類及藻類(圖2-3)，生物碎屑部分發(fā)生了白云巖化作用。

2.2.2 微觀構(gòu)造 巖石中發(fā)育著大量規(guī)模大小不一，被方解石充填的裂隙(圖2-9)及鋸齒狀縫合線(圖2-7)，方解石脈大小為1～5 mm不等，充填的方解石晶體均為半自形—他形(圖2-5);部分方解石脈同時切割了豹皮灰?guī)r的基質(zhì)部分與豹斑部分(圖2-8);縫合線的大小多為1 mm及1 mm以下，可見到少量白云石晶體顆粒發(fā)生了自身溶蝕作用(圖2-6)以及與方解石發(fā)生了交代作用(圖2-4)，這些都是豹皮灰?guī)r在成巖作用后期由于巖層受到了上覆巖層的壓力或構(gòu)造應(yīng)力等作用的影響所形成的產(chǎn)物。

3 豹皮灰?guī)r成因機(jī)制分析

本區(qū)豹皮灰?guī)r的斑狀構(gòu)造是由于不完全白云巖化所形成的，當(dāng)潟湖中的高鎂重鹽水向海水方向發(fā)生回流，鹽水的w(Mg)/w(Ca)比值增 大，在沿著巖層的層面進(jìn)行滲透時，使得CaCO3被白云石交代，所以才形成了沿著巖層層面水平分布的豹斑。白云石發(fā)生交代的原理:2CaCO3+Mg2+=CaMg(CO3)2+Ca2+(馮增 昭等，1989)，觀察顯微鏡下豹皮灰?guī)r的切片，由基質(zhì)和白云石間的過渡現(xiàn)象可以知道大多數(shù)的豹斑是次生白云石交代所形成，屬于次生白云石。豹皮灰?guī)r中極其發(fā)育的方解石脈屬于成巖后期受到應(yīng)力作用的產(chǎn)物，它同時切割了豹皮灰?guī)r的基質(zhì)和豹斑兩部分(圖2-8)，并且在基質(zhì)中觀察到極少量亮晶膠結(jié)物部分被白云石所交代，所以可以判斷本區(qū)寒武系中的豹皮灰?guī)r是在成巖作用的早期形成的(Pray et al，1965)。

圖2 豹皮灰?guī)r的巖石薄片顯微鏡圖

在顯微鏡下觀察薄片的過程中尚未發(fā)現(xiàn)像石膏等蒸發(fā)巖類夾層，也未見到石膏或其他鹽類礦物晶體及其假晶，這表明本地區(qū)的豹皮灰?guī)r不可能是在超咸水的環(huán)境下發(fā)生白云巖化作用形成的;由于豹皮灰?guī)r所在巖層的下伏巖層為泥巖、鈣質(zhì)泥巖等，該類巖石形成于水動力條件較弱的沉積壞境，且?guī)r層中發(fā)現(xiàn)較多三葉蟲化石(賈振遠(yuǎn)等，1984)可以說明當(dāng)時的海水鹽度比較正常，適合海洋古生物的生長;其上覆巖層有砂屑灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r等，可見有波痕，說明當(dāng)時為一種潮下帶淺水的高能環(huán)境(桑樹勛等，2002);泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與石灰?guī)r交替出現(xiàn)，并在泥巖中發(fā)現(xiàn)有云母碎片存在，且不含生物化石，說明當(dāng)時這種鹽度不正常的潟湖沉積環(huán)境(里丁，1985)。由豹皮灰?guī)r所在的巖層位置可以推斷出當(dāng)時的古地理沉積環(huán)境是由一種水動力條件較緩的淡水環(huán)境向高能、高鹽度咸水環(huán)境過渡的。從豹皮灰?guī)r切片樣品中由泥晶方解石組成的基質(zhì)可以知道它是和顆粒一起沉淀的，即泥晶基質(zhì)的存在表明了該沉積物分選不好，是形成于一種水體較為局限的、水動力能量中等偏弱的環(huán)境，比如潮坪與開闊的低鹽度淺水潟湖(Rivers et al，2012)。綜上所述得出本地區(qū)的豹皮灰?guī)r在成巖作用時期發(fā)生的白云巖化作用模式假想圖(圖3)。

圖3 白云巖化作用示意圖

4 結(jié)論

(1)對豹皮灰?guī)r的微觀特征研究可知，它的成巖是由于原有的石灰?guī)r發(fā)生了白云巖化作用，形成了表面以粉晶為主的豹斑結(jié)構(gòu)和未被白云巖化的泥晶方解石基質(zhì)部分。(2)由徐州地區(qū)古地理沉積環(huán)境和豹皮灰?guī)r巖層所在猴家山背斜的核部附近位置，加之碳酸鹽巖的可溶性可知，巖層中的溶洞和裂隙十分發(fā)育，白云石格架之間的晶間孔數(shù)量較多、連通性好，所以豹皮灰?guī)r巖層可作為當(dāng)?shù)亓己玫挠蜌鈨Σ貙?小穆爾，1986)。(3)通過對豹皮灰?guī)r的巖性特征研究并結(jié)合古地理環(huán)境綜合分析得出結(jié)論:豹皮灰?guī)r的白云巖化作用發(fā)生在成巖作用早期，是在低鹽度的混合水動力環(huán)境下經(jīng)過回流滲透白云巖化作用所形成的。

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