華北中南部地區石盒子群沉積環境研究新進展

李增學，李曉靜，王東東，劉　瑩，陳曉燕，呂大煒，張增奇，梁吉坡，劉海燕，王平麗

1）山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室， 山東青島 266590； 2）山東科技大學地球科學與工程學院， 山東青島 266590；3）河北省煤炭綜合開發利用協同創新中心， 河北邯鄲 056038；4）山東黃金地質礦產勘查有限公司， 山東萊州 261400； 5）山東省地質科學研究院， 山東濟南 250013

華北中南部地區石盒子群沉積環境研究新進展

李增學1，3），李曉靜1，2），王東東1，2），劉瑩1，2），陳曉燕4），呂大煒1，2），張增奇5），梁吉坡5），劉海燕1，2），王平麗1，2）

1）山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室， 山東青島 266590； 2）山東科技大學地球科學與工程學院， 山東青島 266590；3）河北省煤炭綜合開發利用協同創新中心， 河北邯鄲 056038；4）山東黃金地質礦產勘查有限公司， 山東萊州 261400； 5）山東省地質科學研究院， 山東濟南 250013

華北地區石盒子群的沉積環境長期以來一致存在較大的爭議， 大多數研究者認為該時期完全為陸相沉積， 也有一些學者在該地層中發現了海相沉積物。本文著重對魯西、河南等地區石盒子群的奎山砂巖進行巖石學、沉積學、地球化學等指標研究， 在該砂巖中發現了沖洗交錯層理， 并在該砂巖中上部發現了海綠石的存在。通過詳細分析奎山砂巖中海綠石的顯微特征、元素地球化學特征， 并進行比較研究發現， 華北地區奎山砂巖中海綠石的化學成分、含量與國內外古代的海相、過渡相海綠石基本一致， 推斷其為濱淺海富氧環境的產物。華北地區奎山砂巖中發育的沉積構造和所含海綠石的元素地球化學特征， 揭示了該時期曾發生過海侵， 反映了石盒子群沉積期沉積環境的復雜性。華北地區石盒子群奎山砂巖中上部海相沉積環境的確定， 可能改變華北盆地二疊紀以來單純為陸相沉積的認識， 這為精細研究華北地區中晚二疊世的盆地格局、充填演化及恢復古地理景觀， 提供了新的思路和重要依據。

石盒子群； 奎山砂巖； 海綠石； 沖洗層理； 元素地球化學； 沉積環境

華北地區晚古生代沉積環境、盆地演化等方面的研究已經開展多年， 研究者大都認為華北地區晚古生代總體上是一個海退旋回， 華北地區（尤其是中—北部）中、上二疊統為單一的陸相沉積（程寶洲等， 1992； 陳鐘惠等， 1993； 尚冠雄， 1997； 李增學等，1998， 2007， 2011， 2015； 陳世悅等， 2000）。但是， 有些學者在華北地區中、上二疊統中發現了一些海相沉積物， 如在上石盒子組發現了硅質海綿巖、泥質海綿巖及含海綿骨針化石的硅質泥巖以及含量不等的海綠石（黃凱芬和彭應照， 1981； 蘭昌益， 1981； 葛寶勛和李春生， 1983； 王仁農， 1988）。華北地區石盒子群中海綠石的來源及成因一度成為學者們關注的熱點。

20世紀90年代以來， 國內外許多學者對海綠石的發育環境、地球化學及巖石學、礦物學特征及其形成溫度、鹽度、pH值、水深等因素進行了深入研究， 發現海綠石的成因是多樣的， 也是比較復雜的， 并提出了許多新的認識（Odin and Matter， 1981；Rongbing， 1989； Rao et al.， 1995； 李東明等， 1996；Muller et al.， 2000； Kim and Lee， 2000； Giresse and Wiewióra， 2001； Pasquini et al.， 2004； Eder et al.，2007； Khalifa et al.， 2008； Mete and Varol， 2009； 李響等， 2010； Baioumy and Boulis， 2012； Andre et al.，2013； 陳淑慧等， 2014； Kamel et al.， 2015）。

圖1　魯西地區地質簡圖及野外露頭、鉆孔位置圖Fig. 1 Geological map of Luxi area showing field outcrop and drilling locations

海綠石既可以形成于海洋環境， 也可以形成于陸相湖泊環境， 湖相海綠石具有Al2O3、K2O含量高、FeO含量低的特點。現代海洋原生海綠石則多形成于一定的沉積、地層和巖相環境， 高能環境和高沉積速率條件下， 也可以形成海綠石（Chafetz and Reid， 2000）。

近年來， 本課題組對華北地區石盒子群的沉積特征、環境演化等方面進行了研究（李增學等， 1998，2006； 孟兆磊， 2010； 王芳， 2011； 陳曉燕， 2012； 杜林濤， 2015； Lü et al.， 2015）， 特別是在淄博地區的東黑山、西黑山野外地質剖面、濟寧地區東灘煤礦、菏澤單縣等地區進行了較為詳細的研究（圖1）， 認為奎山砂巖中發育的沉積構造類型以及海綠石的元素地球化學特征， 是判斷該時期存在海相沉積的重要證據； 宏觀沉積構造和海綠石地球化學指標， 形成了判斷沉積環境的證據鏈。

1 華北地區石盒子群奎山砂巖沉積特征

華北地區上二疊統石盒子群自下而上可以劃分為3個組（圖2）： （1）萬山組， 以泥巖夾粉砂巖為主，砂巖為長石、石英砂巖； （2）奎山組， 主要為中粗粒的石英砂巖， 厚度較大， 沉積構造發育， 為較好的標志層； （3）孝婦河組， 以雜色泥巖夾薄層砂巖為主，在淄博地區， 中、上部夾有十余米深灰至灰黑色泥巖， 含腕足類化石（Lingula sp.）， 其對比意義很大。

奎山砂巖是奎山組中上部發育的一套厚層致密堅硬的（含長石）石英砂巖， 主要分布在魯西、南華北等地區。正層型剖面位于淄川區昆侖鎮大奎山，是一套白色-灰黃色（略帶肉紅色）厚層中、粗粒長石石英砂巖及雜色砂巖， 局部為純的石英砂巖。在淄博、章丘一帶厚23～65 m。雖然各地奎山砂巖的結構及成分有所不同， 但由于層位大致相當， 厚度較大， 標志性明顯， 可作區域對比標志層。

魯西地區奎山砂巖中發育的沉積構造類型較多， 下部層段發育大型楔狀、板狀和槽狀交錯層理，中上部層段發育沖洗交錯層理和平行層理（圖3）。沖洗交錯層理是波浪在海灘的灘面上產生向岸和離岸往復的沖洗作用形成的， 層系呈楔狀， 層系界面成低角度相交， 一般2°～10°， 相鄰層系的細層傾向可相同或相反， 細層平直， 延伸較長， 層系頂部被侵蝕而底部完整， 紋層內粒度分選好， 可有粒度變化，常出現在后濱-前濱帶及沿岸沙壩等沉積環境中（Harms， 1975）。此外， 奎山砂巖中上部還可以觀察到不同粒度紋層疊覆、不同重礦物紋層疊覆或兩者同時存在的現象， 反映了沉積時水動力較強的特點；奎山砂巖頂部層段為厚層塊狀黃褐色砂礫巖， 后期風化作用和鐵質侵染較嚴重； 礫石主要是純凈的石英， 分選、磨圓中等-偏好， 成熟度較好， 反映了濱海地帶擊岸浪往返運動頻繁， 是長期改造反復淘洗的結果。砂礫巖體中部粒度較底部和頂部稍細， 局部發育板狀交錯層理， 其上下界面平直， 各層系厚度穩定不變或變化不大， 每個層系內的細層傾向一般為同向； 該層段也發育大量波痕構造， 具有濱淺海的沉積特征（圖2）。

圖2　華北地區石盒子群沉積特征柱狀圖（根據山東淄博東黑山野外地質剖面和西黑山野外地質剖面整理）Fig. 2 Geological columnar section showing sedimentary characteristics of Shihezi Group （modified after Dongheishan field geological section and Xiheisha field geological section in Zibo， Shandong Province）

魯西地區石盒子群奎山砂巖中上段的巖石薄片中識別出的海綠石， 單偏光下呈翠綠、淡綠和黃綠色圓， 粒狀、卵狀、條狀和不規則粒狀， 粒徑0.05～0.2 mm； 正交偏光下呈現集合偏光。在高倍鏡下觀察， 海綠石由極細小的鱗片狀集合體所組成（圖4）， 硬度小， 性脆并極易破碎。

圖3　淄博剖面奎山砂巖中上部層段低角度交錯層理（沖洗層理）Fig. 3 The low angle cross-bedding in upper Kuishan sandstone of Zibo section （wash cross-bedding）a-淄博東黑山奎山砂巖中上部上段剖面； b-淄博東黑山奎山砂巖中上部追蹤剖面； c-淄博西黑山奎山追蹤剖面；d-淄博西黑山奎山砂巖露頭； e-淄博西黑山奎山砂巖剖面追蹤a-the upper section of Kuishan sandstone in Dongheishan profile of Zibo； b-the upper Kuishan sandstone track section in Dongheishan profile of Zibo； c-the Kuishan sandstone track section in Xiheishan profile of Zibo； d-Kuishan sandstone outcrops of Xiheishan profile in Zibo； e-the Kuishan sandstone track section in Xiheishan profile of Zibo

圖4　上石盒子組海綠石偏光顯微照片（東灘補33孔， 348.10～352.34 m）Fig. 4 Glauconite microscopic microphotograph of Upper Shihezi Formation （Dongtanbo well 33， 348.10～352.34 m）A-單偏光B-正交偏光A-plainlight； B-crossed nicols

2 華北地區石盒子群含海綠石奎山砂巖微量元素特征

地層中不易受次生變化影響的元素， 可反映原始的沉積介質條件。本次研究采用研究區含海綠石奎山砂巖的全巖樣品進行的微量元素測試分析， 測試儀器使用ELEMENT XR 等離子體質譜分析儀，分析標準依據GB/T 14506. 30—2010《硅酸鹽巖石化學分析方法 第30部分： 44個元素量測定》。一般沉積物中的B元素主要是從海水中吸取的， 淡水中一般B含量極少， 且海相沉積中B含量一般大于100×10-6。華北地區奎山段砂巖中上段B的含量為（1100～3800）×10-6， 遠遠超過100×10-6。此外， 一般認為B/Ga比值小于4為淡水沉積， 大于7為海水沉積（王益友等， 1979）； 華北地區奎山砂巖中上段的B/Ga比值大于7， 甚至高達70以上； Ni/Co比值小于5.0為富氧環境， 比值在5.0～7.0之間是貧氧環境（Jones and Manning， 1994）， 華北地區奎山砂巖的Ni/Co比值在0.27～1.0之間， 遠小于5.0， 為富氧環境； V/Cr大于4.25時為厭氧環境， 在4.25～2.00之間為貧氧環境， 小于2.00時為富氧環境（Jones and Manning， 1994）， 華北地區奎山砂巖的V/Cr比值在0.27～0.6之間， 為富氧環境（表1）。海綠石化學成分最顯著的特征是含一定量的K（約2.49％～7.47％），K2O含量一般為3％～9％。華北地區奎山砂巖中的海綠石也含有一定數量的Fe、K， 其數值均在海綠石的變化范圍之內（表2）。Amorosi等（2007）研究了西歐25個地點、覆蓋了白堊紀至上新世各種成熟度的深海海綠石的主要礦物成分， 發現這些海綠石的Fe2O3含量為22％～26％， K2O含量為6％～8.5％。

表1　菏澤單縣ZKM1井砂巖填隙物微量元素定量分析Table 1 Quantitative analyses of trace elements in andstone interstitial fillings of well ZKM1， Heze

表2　研究區內海綠石能譜定量分析Table 2 Spectrum quantitative analyses of glauconite in the study area

表3　研究區內海綠石與其它地區海綠石電子探針成分對比（據陳瑞君， 1980）Table 3 Element comparison of glauconite between the study area and other areas （after CHEN， 1980）

華北地區奎山砂巖海綠石的Al2O3含量為7.02％～19.23％， 平均16.24％， K2O含量為7.74％～8.78％， 平均8.43％， FeO為7.61％～18.71％，平均11.61％（表3， 圖5， 6）。與古代國內外典型的海相海綠石相比， 奎山砂巖海綠石中Al、Fe、K等含量與之相當， 這成為奎山砂巖海綠石屬于海相成因的有力佐證。但與現代海相海綠石相比， 奎山砂巖海綠石具有高Al、高K、低Fe的特征。

圖5　山東淄博HSKSS1-1-1海綠石圖像Fig. 5 Glauconite image of HSKSS1-1-1 in ZiboA-單偏光； B-電子探針二次電子像A-plainlight； B-electron microprobe secondary electron image

圖6　山東菏澤單縣24-1-B2-1海綠石圖像Fig. 6 Glauconite image of 24-1-B2-1， in HezeA-單偏光； B-電子探針背散射電子成分像A-plainlight； B-electron microprobe back scattering electronic components

海綠石中K和Fe離子含量隨著產出的地質時代和巖性的不同而變： 一般早古生代的海綠石K2O含量較高， 現代海洋的海綠石Fe含量較高。另外，海綠石團粒中亦可能混入一些粘土礦物， 如伊利石、水云母等， 致使其Al2O3含量增加， 而K2O含量更高。

綜上可以說明， 華北地區石盒子群奎山砂巖海綠石的形成是與海水環境是息息相關的； 根據其微量元素類型、含量與元素比值分析結果， 可以推斷華北地區奎山砂巖形成于富氧的濱海、潟湖、海灣、三角洲、潮坪等近岸帶沉積； 但對于這種富氧環境的成因， 目前還沒有較清晰的認識。

3 華北地區石盒子群古地理演化特征

魯西菏澤地區石盒子群中， 沉積環境敏感元素的種類及含量的垂向變化， 可以反映古地理環境的演化特征， 本研究對魯西地區含海綠石砂巖進行全巖微量元素分析。沉積過程中， Ba可以形成可溶性重碳酸鹽、氧化物和硫酸鹽進入水溶液， 但Ba的化合物溶解度低， 河水攜帶的Ba2+在與富含相遇時易形成BaSO4； 因此， 多數近岸沉積物中富含Ba，而向海洋方向沉積物的Ba含量逐漸降低。菏澤地區石盒子群地層中， 自下而上Ba含量呈現由低到高的規律性變化， 反映出整體為海退沉積序列（表4，圖7）。地層中Fe/Mn比值大小可以判斷水體深度變化， 其比值與水體深度呈負相關關系（田景春等，2006）。菏澤地區石盒子群地層中Fe/Mn比值最大為1070， 最小為2.8（表4和圖7）， 說明沉積期水深變化較大， 且呈現反復性， 推測盆地遭受了多次海侵。菏澤ZKM1孔奎山砂巖中Ni/Co比值在0～2之間，反映富氧環境。但奎山組中部存在異常的高Ni/Co比值層（8.5）， 為貧氧環境； 且該層Fe/Mn比值較相鄰位置低， Ba值含量極低， 可以判斷該層沉積代表了一次較強海侵。地層中Sr/Ba比值一般隨著遠離海洋而逐漸增大（Francombe， 1960）。菏澤地區石盒子群地層中的Sr/Ba值最高為0.63， 最低為0.02， 變化范圍較大。比較分析發現， Sr/Ba相對于B、B/Ga其對海相環境的敏感性差。說明奎山砂巖沉積環境可能是受陸、海環境交叉影響的濱岸帶或三角洲。

表4　 菏澤單縣ZKM1井石盒子群微量元素/電子探針測試結果Table 4　Electron microprobe analyses of trace elements in ZKM1 of Shihezi Group，Heze

圖7　菏澤單縣ZKM1井孝婦河組、奎山組及萬山組地球化學特征變化圖（圖例見圖1　）（實測數據超出示數±20％用空心圓區分）Fig. 7 Geochemical characteristics variation of Xiaofuhe Formation， Kuishan Formation and Wanshan Formation of well ZKM1 in Shanxian County， Heze （for legends see Fig. 1）（the measured data， beyond the number of±20％， is marked by hollow circular）

上述分析可知， 華北晚石炭世至早二疊世大型陸表海盆地沉積結束之后， 海水對盆地的影響并沒有停止。特別是對奎山砂巖的沉積學、巖石學及地球化學研究可知， 中、晚二疊世含海綠石砂質沉積為典型的海侵沉積， 當時盆地格局曾發生過重大變革事件， 很可能自南華北至華北中部一帶存在一個特殊的古前海臺地。

4 討論

通過對山東及鄰區奎山砂巖沉積構造特征、微觀巖石學與微量元素定量分析， 結合盆地演化及古地理背景分析， 可以獲得以下幾點認識：

（1）華北中、晚二疊世古地理景觀認識改變。

傳統的研究認為華北地區在中、晚二疊世由陸表海盆地轉為陸相盆地， 海水全部退出華北。本次研究在奎山砂巖中不僅發現了海綠石的存在， 而且綜合確定其為海相成因， 動搖了華北地區中、晚二疊世沉積環境的傳統認識。另外， 研究山東及鄰區石盒子群奎山砂巖的沉積特征及沉積環境， 不單單是解決該層位的沉積環境問題， 更是為了重新厘定華北地區二疊紀以來盆地屬性發生重大變化的機制。

（2）奎山砂巖海侵沉積研究的意義和價值。

海綠石的成因雖然具有多樣性和復雜性， 但是通過精細的沉積構造和微觀特征及元素定量分析，可以獲得更多、更豐富的數據和資料， 作為恢復古地理景觀的有力佐證。本次研究的意義和價值在于將奎山段砂巖海綠石的地球化學分析與宏觀沉積構造研究結合起來， 形成恢復沉積環境的證據鏈。本研究可以給出一個重要啟示： 以奎山砂巖為代表的中、晚二疊世含海綠石砂質沉積為典型的海侵沉積，揭示了華北盆地格局曾發生過重大事件， 其在恢復短時或瞬時古地理景觀方面具有重要作用。

（3）進一步研究華北中、晚二疊世古生態特征是華北地區今后工作的重要方向。

20世紀80年代， 前人發現二疊系一些層位的海相化石、含海綿骨針層， 具有奠基意義； 但沒有集中獲得大量有關海侵沉積的生物資料， 難以確認其區域上的意義和作用， 進而對古地理景觀、盆地屬性的認識沒有突破性的改變。除了沉積學、微觀巖石學及地球化學方面的研究仍然是重點外， 對石盒子群微體古生物學及古生態學研究顯得十分重要和迫切， 這是今后研究的方向之一。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China （No. 41272172）， and Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education， Ministry of Education of China（No. 20123718110004）.

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New Progress in the Study of Sedimentary Environment of Shihezi Group in Central and Southern Region of North China

LI Zeng-xue1，3）， LI Xiao-jing1，2）， WANG Dong-dong1，2）， LIU Ying1，2）， CHEN Xiao-yan4）， Lü Da-wei1，2），ZHANG Zeng-qi5）， LIANG Ji-po5）， LIU Hai-yan1，2）， WANG Ping-li1，2）
1） Key Laboratory of Depositional Mineralization & Sedimentary Mineral of Shandong Province， Qingdao， Shandong 266590；2） College of Earth Science and Engineering Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590；3） Hebei Collaborative Innovation Center of Coal Exploitation， Handan， Hebei 056038；4） Shandong Gold Geology and Mineral Resources Co.， Ltd.， Laizhou， Shandong 261400；5） Geological Institute of Shandong Province， Jinan， Shandong 250013

Previous researcher mostly held that the North China Basin was turned into continental basin in the sedimentary period， and the sea water was all over after filling of the epicontinental sea basin during Late Carboniferous to Early Permian. In this paper， the sedimentology， petrology and geochemistry characteristics of Kuishan sandstone were studied， and the glauconite was discovered. Through quantitative analysis of microscopic characteristics and elements of glauconite， in combination with Kuishan sandstone sedimentary structure features，the authors consider that the chemical composition of glauconite in Upper Kuishan sandstone is similar to that of the other parts of the ancient and modern glauconite formed in marine facies or transitional facies environment，which were both formed in the oxygen enrichment of the offshore environment. The well-developed sedimentary structure and the element geochemical characteristics of the contained glauconite reveal that marine transgression happened in this period， and this reflects the complexity of the sedimentary environment during the sedimentation ofthe Shihezi Geoup. Therefore， the determination of marine sedimentary environment in Upper Kuishan sandstone of Shihezi Group might change the conclusion that the North China basin has been purely continental basin since Permian. The important value of this study is to identify the transgressive deposition in Upper Kuishan sandstone，which reveals that the important transgressive process happened in this period， and there might have existed a special kind of ancient oceans in the North China basin during Middle-Late Permian. The results obtained by the authors provide a new train of thought and important basis for further study of the pattern and evolution of the North China basin and the restoration of its ancient geographical landscape during Middle-Late Permian.

Shihezi Group； Kuishan sandstone； glauconite； wash cross bedding； element geochemistry；sedimentary environment

P534.46； P595

A

10.3975/cagsb.2016.05.09

本文由國家自然科學基金項目（編號： 41272172）和教育部高等學校博士學科點專項科研基金（編號： 20123718110004）聯合資助。

2015-12-23； 改回日期： 2016-02-20。責任編輯： 張改俠。

李增學， 男， 1954年生。博士， 教授， 博士生導師。主要從事沉積學與層序地層學研究。通訊地址： 山東省青島市經濟技術開發區前灣港路579號。電話： 0532-80681109。E-mial： lizengxue@126.com。