內蒙古、河北交界區中二疊世三面井期島弧型陸緣環境

田樹剛, 范嘉松, 施立志, 汪 彪

1)中國地質科學院地質研究所, 北京 100037;

2)中國科學院地質與地球物理研究所, 北京 100029;

3)中國地質科學院礦產資源研究所, 北京 100037

三面井組屬華北板塊北緣中二疊世沉積, 其條帶狀出露于內蒙古、河北交界的化德、康保、正鑲白旗、正藍旗和多倫等地, 深入研究對恢復興—蒙褶皺帶演變和普查找礦具有重要意義。前人對該巖組曾做過大量工作(李裕民, 1958; 鞠紫云, 1959; 盛金章, 1962; 韓建修, 1980; 谷峰等, 1983; 李文國等,1986), 但由于巖石成因分類、地層劃分對比和大地構造背景的認識不同, 而存在多項爭論。問題主要有: 二段(安山巖段)時代歸屬爭論較大, 尚未采到可供限定時代的化石; 二段底界性質不確定, 多數人認為是不整合;

三面井組構成以火山碎屑巖為主, 卻大多被定為噴出熔巖或淺成侵入巖(黑云石英閃長巖、安山玢巖和閃長玢巖)。

本文在國家自然科學基金項目(No. 41472027)和中國地質調查局地質調查項目(No. DD20160168)的資助下, 運用多學科多方法, 將兩條代表剖面(三面井剖面和朝海圖剖面)重點實測與區域輔助剖面研究相結合, 使上述問題解決取得顯著進展(圖1)。特別是通過鋯石U-Pb 測年、同生沉積構造和火山碎屑生物礁深入研究, 進一步確定三面井組沉積屬火山島弧型陸緣環境。

圖1 三面井(a)和朝海圖(b)剖面位置及地質略圖Fig. 1 Strato-section seats and geological sketch map of Sanmianjing (a) and Chaohaitu (b)

1 地層描述和相序劃分

1.1 三面井剖面地層描述

三面井組研究存在爭論, 致使三面井剖面(建組剖面)地層描述缺乏統一標準(河北省地質礦產局,1989; 內蒙古自治區地質礦產局, 1991), 因此本文將該剖面重新實測、地層描述和相序劃分(圖2A)。三面井剖面位于河北省康?？h北部, 起點坐標為42°04'05"N、114°49'01"E, 終點坐標為42°03'35"N、114°48'33"E。

中二疊統三面井組二段(P2s2), 厚＞379 m

(新近系覆蓋)

25. 深灰色薄層板狀粉砂巖和粉砂質泥巖, 夾滑塌含礫砂泥巖透鏡體。＞68 m

24. 灰色、淺灰色中-厚層中-細晶安山玢巖, 夾淺灰色中層狀凝灰角礫巖。45.6 m

23. 灰色、淺灰色中-厚層中-細晶安山玢巖, 夾灰綠色薄層狀晶屑凝灰巖。83.8 m

22. 灰色、灰綠色薄-中層狀晶屑凝灰巖。層內散布大量凝灰球(火山灰球)和凝灰球質滾動球,凝灰球直徑 1～3 cm; 滾動球直徑 20～30 cm。31.4 m

21. 灰色、灰綠色中-厚層凝灰質巖屑長石砂巖夾薄層狀凝灰巖。砂巖內順層密集排列凝灰球質滾動球。滾動球直徑30～35 cm, 凝灰球直徑2～3 cm。25.2 m

20. 灰色、灰綠色薄板狀晶屑凝灰巖, 夾凝灰球質坍塌礫巖和零星凝灰球質滾動球, 滾動球直徑約30～40 cm。32.5 m

19. 灰紫色、褐紅色薄層板狀粉砂質泥巖, 夾薄-中泥質細粉砂巖。層內散布大型泥質礫屑滾動球,直徑2～3 m, 礫屑以凝灰球為主。24.3 m

18. 灰色、灰綠色薄-中層凝灰質膠結含角礫巖屑長石砂巖和板狀晶屑凝灰巖。層內散布大小不一的凝灰角礫滾動球, 底部大型滾動球直徑＞7 m(圖4g)。69.2 m

中二疊統三面井組一段(P2s1), 厚373 m

17. 深灰色薄板狀粉砂質泥巖和泥巖, 夾細粒長石砂巖和砂屑灰巖透鏡體。灰巖透鏡體含豐富?類(名單見《河北省、北京市、天津市區域地質志》174 頁第12 層), 及少量腕足類和海綿等化石。26.2 m

16. 深灰色、灰綠色薄板狀粉砂質泥巖, 夾中層細粒雜砂巖。18.6 m

15. 深灰色、灰黑色板狀粉砂質泥巖和泥巖。17.5 m

14. 灰色、深灰色薄板狀粉砂質泥巖, 夾中層細粒雜砂巖。泥巖內見零星大型雜砂質滾動球; 砂巖內含大量小型泥砂質滾動球。33.1 m

13. 灰色、深灰色薄板狀粉砂質泥巖, 夾薄-中層細粒雜砂巖。層內含中細粒雜砂巖透鏡體和大型雜砂質滾動球。35.6 m

12. 灰色、深灰色薄板狀粉砂質泥巖與中層細粉雜砂巖互層。19.8 m

11. 灰色、淺灰褐色薄-中層凝灰質膠結細粉雜砂巖, 夾柱礁密集排列而成的大型透鏡層狀隆起。11.3 m

10. 灰色、灰綠色板狀粉砂質泥巖, 夾薄-中層細粉石英長石砂巖。15.3 m

9. 灰色、淺灰褐色薄-中層中細粒雜砂巖, 層內散布大型鈣藻塔礁。12.5 m

8. 灰色、灰綠色薄板狀粉砂質泥巖。9.6 m

7. 灰白色中-厚層狀中-粗粒雜砂巖。層內散布大型鈣藻堤礁。36.1 m

6. 灰色、灰綠色薄層板狀粉砂巖和粉砂泥巖。層內含零星散布小型柱礁。11.2 m

5. 灰色、灰綠色中層狀中-細粒雜砂巖與板狀粉砂質泥巖互層。21.4 m

4. 灰色、深灰色薄層-板狀粉砂質泥巖和頁巖,夾中-細石英長石砂巖透鏡體。31 m

3. 灰色薄-中層夾厚層含細砂屑生物介殼灰巖。層內含?類(名單見《河北省、北京市、天津市區域地質志》174 頁第3 層)、腕足類、苔蘚蟲和海百合莖等化石。4.2 m

2. 灰色、深灰色中-厚層含燧石生物介殼灰巖?；?類為主, 及少量腕足類等(名單見《河北省、北京市、天津市區域地質志》174 頁第2 層)。26 m

1. 灰黃色中-厚層含角礫不等粒雜砂巖, 頂部約6 m 為薄層泥質粉砂巖內夾大量藻席層礁、滾動紡錘體和泥裂構造。43.9 m

下伏加里東期石英閃長巖

1.2 三面井剖面相序劃分

三面井剖面三面井組以雜砂巖、火山碎屑巖和熔巖(安山玢巖)為特征, 尤其是含具有特殊指相意義的各類生物礁和同生沉積構造, 顯示典型火山島弧型陸緣環境。該剖面下伏加里東期石英閃長巖,與上覆三面井組呈不整合接觸。

一段(P2s1)總體屬邊緣陸棚環境, 可劃分五種沉積相。底部(1～3 層)為灰黃色含角礫不等粒雜砂巖和灰色生物灰巖。雜砂巖夾有層礁、滾動紡錘體及泥裂, 灰巖內生物化石以?類為主, 為邊緣潮坪相。下部(4～6 層)為灰色、灰綠色板狀粉砂巖、泥巖和頁巖, 夾雜砂巖透鏡體, 第6 層散布小型柱礁,為瀉湖相(邊緣坳陷或前陸盆地)。中部(7～9 層)黃褐色、灰白色厚層中-粗粒雜砂巖, 夾灰綠色薄層板狀凝灰質細粉砂巖; 層內密集排列大型堤礁, 第6 層散布大型塔礁, 為陸棚礁灘相(邊緣隆起)。上部(10～14 層)為灰色、灰綠色細粉雜砂巖和粉砂質泥巖,夾小型柱礁密集排列而成的透鏡層狀凸起, 及大量泥砂質滾動球體, 為陸棚斜坡相。頂部(15～17 層)為深灰色、灰黑色板狀粉砂質泥巖、泥巖和頁巖, 夾灰綠色薄-中層雜砂巖和灰色灰巖透鏡體, 屬深水海盆相(弧后盆地)。

二段(P2s2)為主動陸緣火山島弧環境, 由三種沉積相組成。下部(18～21 層)灰綠色凝灰質巖屑長石砂巖和板狀砂屑凝灰巖為主, 夾紫褐色薄層板狀細粉砂巖和粉砂泥巖。層內含大量凝灰角礫滾動球、泥砂質滾動球和凝灰球質滾動球, 屬火山島弧后斜坡相。上部(22～24 層)為灰色中-厚層安山玢巖, 夾灰綠色薄-中層晶屑凝灰巖和凝灰角礫巖, 屬火山噴發中心相。頂部(25 層)僅出露底部深灰色薄層板狀粉砂巖和粉砂質泥巖, 夾滑塌砂礫巖透鏡體, 屬火山島弧前斜坡相。

1.3 朝海圖剖面相序劃分

朝海圖剖面為火山島弧型陸緣近源相的代表(圖2B), 屬噴發中心鄰近區域沉積。剖面上發育豐富多彩的火山碎屑生物礁, 替代了火山熔巖和各類球枕狀同生沉積構造。剖面底部被燕山期花崗巖侵入截斷。

圖2 研究區三面井剖面和朝海圖剖面實測略圖與相序Fig. 2 Measured sketch geological section and facies sequences of the Sanmianjing section and the Chaohaitu section in the study-area

一段(P2s1) 沉積與研究區其他剖面相似, 屬邊緣陸棚環境, 由五種沉積相組成。底部(1～4 層)為灰黃色中-粗粒石英長石砂巖和灰色介殼-顆粒灰巖;層內夾藻席、滾動紡錘體、泥裂, 及豐富的多類生物化石, 為邊緣潮坪相。下部(5～8 層)為灰色、灰綠色板狀粉砂巖、泥巖和頁巖, 夾雜砂巖透鏡體, 第8層散布小型柱礁, 為瀉湖相(邊緣坳陷或前陸盆地)。中部(9～10 層)黃褐色、灰白色厚層中-粗粒石英長石砂巖, 夾灰綠色薄層凝灰質粉砂巖; 層內密集排列大型塔礁和堤礁, 為陸棚礁灘相(邊緣隆起)。上部(11～12 層)為灰色、灰綠色細粒雜砂巖和泥質粉砂巖,夾雜砂巖透鏡體; 第11 層散布大型塔礁, 為陸棚斜坡相。頂部(13～19 層)為深灰色、灰黑色板狀粉砂質泥巖和頁巖, 夾多條柱礁密集排列而成的透鏡狀隆起, 屬深水盆地相(弧后盆地)。

二段(P2s2) 以單一火山碎屑沉積為特征, 屬島弧近源環境。剖面第24 層橫向東350～500 m 發現火山熔巖(閃長玢巖), 屬火山噴發中心。二段由三種沉積相組成。下部(20～24 層)為灰色、灰綠色薄層板狀晶屑凝灰巖和中-厚層含角礫巖屑長石砂巖, 夾濁積砂巖透鏡體; 層內密集排列或稀疏散布的塔礁,屬島弧內側斜坡。中部(25～27 層)為黃褐色、灰白色厚層塊狀中-粗粒巖屑長石砂巖, 夾灰綠色板狀凝灰質細粉砂巖; 層內發育密集的大型堤礁和圓丘礁,屬島弧頂部礁灘。上部(28～29 層)為灰綠色薄層凝灰質中-細粒砂巖和灰色板狀粉砂質泥巖; 細粉砂巖內散布大型塔礁, 屬島弧外側斜坡。

2 二段(P2s2)時代和底界

二段時代未定和底界性質是三面井組研究存在的主要問題。當前文獻多數依據三面井組一段(碎屑巖段)二段(安山巖段)間巖性突變, 及二段底部存在大量火山角礫, 確定其底界為不整合; 按巖性特征和相對位置, 將二段歸入中二疊統呼格特組。

2.1 火山巖鋯石U-Pb 測年

為解決二段時代歸屬問題, 本文作者從三面井剖面和朝海圖剖面鄰近分別采集二段火山熔巖(安山玢巖和閃長玢巖)樣品, 從中分離出晶形完整、晶面光潔的鋯石, 測得U-Pb 年齡(表1-3)。經對照《中國地層表(2014)》(全國地層委員會, 2018), 證明研究區三面井組二段地質時代屬中二疊世早期(三面井期)(圖3)。

表1 火山巖鋯石U-Pb 同位素測試數據表(SMJ--23)Table 1 Isotope data of the zircon U-Pb test in volcanic rocks (SMJ--23)

三面井剖面二段上部的安山玢巖, 曾被認為屬晚侏羅世張家口組的火山巖“蓋層”(內蒙古自治區區域地質測量隊, 1974a)。但重新實測發現安山玢巖地層產狀與剖面其他層位一致(圖2A), 因此本文采集第23層安山玢巖(SMJ-23)樣品(圖 3g), 并測得鋯石206Pb/238U 年齡為(277.3±1.9) Ma, 證明原“二段上覆安山玢巖”為中二疊世三面井期火山島弧噴出熔巖。

在朝海圖剖面, 三面井組二段(第20～28 層)曾被定為燕山期淺成侵入的閃長玢巖脈(內蒙古自治區區域地質測量隊, 1974b)。經區內橫向追索研究,筆者發現在實測剖面(圖2B)東側300～400 m 出現閃長玢巖夾晶屑凝灰巖。閃長玢巖局部堆疊成大型丘狀隆起, 隆起內發育中-厚層層理, 層厚橫向延展穩定, 應屬火山噴發熔巖堆積(圖3h)。筆者在相當實測剖面的第24 層(19-CHT-24)和第25 層(19-CHT-25)層位分別采樣, 測得鋯石206Pb/238U 年齡為(273.7±2.0) Ma 和(272.3±1.2) Ma。巖層特征和測試數據顯示該地為火山島弧, 熔巖噴發時代為中二疊世早期(三面井期)。

圖3 三面井組火山熔巖的鋯石U-Pb 諧和圖和206Pb/238U 年齡圖Fig. 3 The U-Pb concordia diagrams and the 206Pb/238U age sketches in volcanic lava zircons of the Sanmianjing Formation

2.2 二段底界性質

(1)底界大型滾動球 三面井剖面線上, 二段底部砂屑凝灰角礫巖呈顯著陡垃凸起, 其下伏一段頂部深灰色板狀泥巖和粉砂泥巖, 這就是前人所定的“界線不整合”。經本文作者研究, 該陡垃凸起實為體型巨大的凝灰角礫滾動球(圖4p), 其沿“火山斜坡”滾動粘附形成。滾動球停積地巖性為灰綠色薄板狀砂屑凝灰巖。

二段底界的大型滾動球, 直徑＞6.5 m, 內部結構呈二部分。其球核直徑約1.2 m, 由火山角礫組成;圈層＞4 層, 單層中-厚狀, 巖性為含細角礫砂屑凝灰巖。滾動球的安山角礫球核是從滑塌安山角礫扇狀體脫離出來的, 而并非“殘積礫巖”。脫離狀態的球核已被找到(圖4n)。下伏一段頂部泥巖夾濁積長石砂巖透鏡體屬“盆地斜坡”相, 證明界線上下地層同屬斜坡環境; 而界線上下“巖性突變”是突發劇烈火山噴發造成的。

(2)界線連續沉積剖面 本文作者為解決二段底界問題, 沿界線延續橫向追索, 在三面井剖面線E 側約360 m 處找到不夾滾動球和滑塌角礫巖的界線剖面(圖4h)。該界線剖面上, 二段底部為灰綠色薄板狀砂屑凝灰巖和中-厚層含角礫巖屑長石砂巖; 而一段頂部為深灰色板狀泥巖夾濁積長石砂巖透鏡體。界線上下地層產狀無明顯變化, 界線層面未見風化剝蝕現象, 證明三面井組一段二段間為連續沉積。

表2 火山巖鋯石U-Pb 同位素測試數據表(CHT--24)Table 2 Isotope data of the zircon U-Pb test in volcanic rocks (CHT--24)

表3 火山巖鋯石U-Pb 同位素測試數據表(CHT--25)Table 3 Isotope data of the zircon U-Pb test in volcanic rocks (CHT--25)

3 球枕狀同生沉積構造

同生沉積構造中具包卷層理的球枕狀體, 曾被認為是受震動和垂向重力“沉陷”形成的, 不限于特定沉積環境(Potter and Pettijonhn, 1977; 張錦泉,1981)。田樹剛等(2018)在內蒙古南部上二疊統林西組和額里圖組, 發現大量具包卷層理的球枕狀構造;經深入研究各種球枕狀體的成份和內部結構構造特征, 證明它們各自形成于特定環境。

本文作者最近在內蒙古、河北交界區三面井組, 也找到形態各異以滾動球體為主的球枕狀構造。它們以雜砂屑、火山碎屑和凝灰物質構成為特征, 反映火山噴發頻繁的島弧型主動陸緣環境(圖4)。

(1)滾動紡錘體 三面井組的滾動紡錘體呈紡錘狀或透鏡狀, 一般體長30～55 cm, 體高15～40 cm。按物質組成與內部結構構造特征, 可分為“雜砂屑紡錘體”和“凝灰粉砂質紡錘體”。雖然它們均為受水流驅動而往返滾動粘附基底物質形成, 但具體環境條件(水流、基底和沉積相帶)明顯不同。

雜砂屑紡錘體(圖4a, b)內部圈層規則的包卷狀,由黃褐色鈣藻(如葛萬藻Girvanella)泥紋層和土黃色或灰白色新月形石英長石砂質薄層交互組成, 包裹核心為泥砂質團塊, 圈層大部因暴露被泥裂截斷,并且裂隙為棕色泥砂質充填。雜砂屑紡錘體顏色、物質組成和內部結構特征反映潮水動能較強與間歇暴露的潮間砂坪。

凝灰粉砂質紡錘體(圖4c, d)內部圈層呈不規則新月形和泡沫狀, 由彎曲的棕褐色泥紋層與灰色凝灰質粉砂粘附體組成, 包裹核心為凝灰質同生團礫。寓含地層的沉積相分析證明這類紡錘體形成于大型堤礁帶后的泥砂坪環境。紡錘體是受水下沿岸流驅動, 到處翻滾并粘附基底的粉砂屑凝灰物質形成的。

(2)泥砂質滾動球 三面井組的泥砂質滾動球一般圓形或近橢圓形(圖4e, f, g, h); 個體明顯較小,直(或長)徑一般0.15～0.20 m, 大個體可達0.42 m。圈層由致密的泥質膠結細粉砂組成, 呈紋層-板狀,層數約6～15 層; 球核與圈層成份相近, 為泥質粉砂橢圓球體, 說明球核源于前期沉積泥砂質層的塑性包卷變形。

泥砂質滾動球保存地層為灰色、深灰色薄板狀粉砂質泥巖夾中層細粒雜砂巖, 相序分析結果證實地層屬邊緣陸棚斜坡下部(緩坡過渡帶)沉積; 這些滾動球受斜坡重力影響, 在緩坡帶的泥砂質基底上脫離成核、滾動粘附和停積。

(3)雜砂質滾動球 三面井組的雜砂質滾動球(圖4m, o)圓形或近橢圓形, 個體較大, 一般直徑2～3 m, 由凝灰質(或泥質)膠結的雜砂屑組成。內部圈層呈不規則的薄-中層狀, 層數5～8 層; 球核直徑0.3～0.5 m, 為雜砂屑滑卷層脫離體。

這些滾動球可以出現在兩種沉積相帶內, 即陸棚斜坡相的灰色、灰綠色細粉雜砂巖和泥質粉砂巖,及火山島弧近源相的灰綠色晶屑凝灰巖和巖屑長石砂巖。它們在陡峭的陸棚或島弧斜坡上滾動、粘附和停積, 只有零星球體滾落到盆地相粉砂泥巖和泥頁巖中。

(4)凝灰球質滾動球與凝灰球滑塌礫巖 凝灰球(ash-ball)又稱火山灰球, 小團球狀, 成份為單一的凝灰物質, 說明受水體動蕩影響, 它們由降落的火山灰在淺水中凝聚而成。三面井組的凝灰球直徑0.02～0.05 m,內部晶屑分布均一, 未見同心紋層構造。

大量凝灰球沉降堆積和彼此粘結, 并順火山島弧斜坡向下滾動, 形成凝灰球質滾動球。凝灰球礫滾動球多數僅經短距離滾動, 球體較小, 直徑0.30～0.40 m; 它們分散保存在薄層板狀晶屑凝灰巖中(圖4j), 或平行排列中-厚層巖屑長石砂巖內(圖4i)。少數滾動距離較長, 體形巨大, 直徑可達約3.20 m(圖4k); 其內部聚集多個小型凝灰球礫滾動球, 外表包裹多層板狀泥砂質粘附層; 它們散布在深灰色薄層板狀粉砂泥巖內。

如果島弧斜坡較陡, 凝灰球堆積發生扇狀坍塌,就形成凝灰球坍塌礫巖(圖4l)。坍塌礫巖扇狀體主要由凝灰球單體和小型凝灰球礫滾動球, 及砂泥質混雜而成; 其長約3.0 m, 零星分布在灰色、灰綠色板狀砂屑凝灰巖中。凝灰球礫滾動球和坍塌礫巖均發育在火山島弧斜坡環境, 僅坍塌礫巖發育的斜坡相對陡峭。

(5)凝灰角礫滾動球 三面井組二段下部火山碎屑巖產有許多凝灰角礫滾動球和滑塌角礫巖扇狀體, 指示陡峭的火山斜坡環境; 同時反映島弧形成初期, 劇烈的火山噴發帶來大量碎屑堆積, 促使島弧快速隆起。

凝灰角礫滾動球體形較大, 一般直徑2.0～3.0 m;圈層3～4 層, 中-薄層狀, 巖性為含細角礫砂屑凝灰巖; 球核由安山角礫組成, 直徑0.5～1.0 m。其中三面井村剖面見到的凝灰角礫滾動球(圖4p)明顯巨大,它停積在二段底界上, 直徑＞6.5 m。

凝灰角礫滾動球的球核(圖4n), 從滑塌角礫巖扇狀體脫離而來; 其圈層巖性與球體周鄰地層的巖性一致, 說明球體在斜坡上滾動中粘附基底沉積物的發育過程。

圖4 三面井組球枕狀構造與地層界線剖面Fig. 4 Ball-pillow form structures and strato-boundaries of the Sanmianjing Formation

4 火山碎屑生物礁與建造環境

研究區三面井組以發育火山碎屑巖為主, 這些巖層大多夾有各式各樣的古生物礁, 古生物礁指示鄰近火山噴發中心的近源和分散環境。田樹剛等(2016, 2019)曾發現和研究華北板塊北緣的石炭—二疊紀火山碎屑生物礁?；鹕剿樾荚旖竿黄屏恕吧锝笧樘妓猁}建隆”的傳統定義(賀克爾和雅布隆斯基, 1989; 鞏恩普等, 2013)。

本文對區內三面井組古生物礁深入研究, 證明它們主要由巖屑、晶屑和凝灰物質建造, 并具有原地生長的生物(葛萬菌Girvanella、仙掌藻Halimedia和小型海綿Ossimimus等)障積粘結格架。這些火山碎屑建造明顯符合生物礁基本特征, 即“原地生長,具完整生物骨(格)架, 呈一定規模的隆起, 并能指示特定生態環境”。島弧型陸緣的頻繁火山噴發帶來大量碎屑物質和豐富營養, 為生物繁盛、造礁和礁體發育創造極好條件。

本文按礁體形態和古地理位置特征分類(曾鼎乾, 1988; 王國忠等, 2013), 將研究區三面井組火山碎屑生物礁分為層礁、點礁、堤礁、塔礁和柱礁。

(1)層礁(或稱岸礁、裙礁、塊礁) 層礁一般呈層厚均勻并穩定延伸的層狀體, 多見于潮汐作用為主的近岸潮坪和三角洲頂積平原。三面井組層礁見到二類, 雜砂屑藻席(圖5a)和泥灰質層礁(圖5b),發育在近岸潮坪環境。其中灰泥層礁由鈣質灰泥膠結的內屑顆粒和生物碎片組成, 中-厚層狀, 夾在該巖組底部碳酸鹽巖層中。這些層礁大部具有葉狀藻(鈣葉藻Calicifolium)叢狀障積格架; 頂部覆蓋菌藻類(葛萬菌Girvanella)粘結藻席, 呈波狀起伏。

雜砂屑藻席由黃褐色富藻泥質紋層與灰白色藻絲雜砂薄層疊復而成。富藻泥質紋層一般厚1～3 cm, 橫向延伸層厚相對穩定, 顯示退潮期菌藻類(葛萬菌Girvanella)繁盛生長的準暴露環境。雜砂薄層由中-細粒雜砂組成, 局部含有粗砂和細礫; 一般厚3～8 cm, 層厚變化較大, 橫向常常呈現透鏡狀彎曲; 綜合特征反映漲潮期的砂屑堆積和菌藻類障積作用。

(2)點礁(或稱丘礁、補丁礁) 點礁常呈小型橢圓透鏡體, 或不規則丘狀體。很多生物可以建造點礁, 以致它們內部結構多樣化; 如鈣藻點礁的叢狀格架和紋層格架, 苔蘚蟲和海綿點礁的立體網狀聯結骨架, 及菌藻類隱結構灰泥丘等。點礁可以出現在動能較低的多種泥砂質沉積相帶。目前三面井組找到點礁較少, 只有零星鈣藻點礁和海綿點礁。其中碳孔藻(Anthracoporella)點礁(圖5c, d)呈小型丘狀體, 成分為灰褐色粉砂泥質, 具叢狀障積格架,長40～60 cm, 寬30～40 cm。這些點礁出現在弧后盆地斜坡和堤礁后低能環境。

(3)堤礁(或稱臺緣礁、堡礁、障壁礁) 堤礁呈高大巨厚弧形凸起的生物建隆, 常具叢狀障積格架和立體聯結骨架, 橫向上堤礁斷續結成障壁礁鏈。堤礁指示高能動蕩的準暴露環境, 多沿碳酸鹽臺地邊緣或深大斷裂的斷崖生長, 也大多出現在陸棚坡折帶和島弧向海一側。

三面井組的堤礁(圖5e, f)非常發育, 呈巨大丘狀堤堰, 橫向鏈接形成紫紅色、粉紅色厚層塊狀的弧形障壁。它們具有仙掌藻(Halimedia)叢狀格架或小型海綿(Ossimimus)立體網狀骨架, 障積巖屑、晶屑和凝灰物質建造而成, 指示邊緣陸棚和近源島弧的頂部高能礁灘環境。

(4)圓丘礁(或稱灘礁) 一般呈橢圓或近圓形的丘狀體, 主要發育在高能淺水的碳酸鹽臺地礁灘、陸棚邊緣隆起帶和火山島弧近源環境。研究區三面井組的圓丘礁(圖5g)由火山碎屑建造, 發現在朝海圖剖面“島弧近源”環境, 及散布在頂部準暴露的高能礁灘。它們一般個體較大, 直徑3～5 m, 體高受剝蝕不詳; 多具包覆結構, 即由仙掌藻(Halimeda)叢狀格架障積砂屑組成“內核”和葛萬菌(Girvanella)粘結粗粒砂屑構成的“外殼”。

(5)塔礁 前人(曾鼎乾, 1988)沒有區分塔礁和柱礁, 統稱塔柱礁; 塔柱礁體高底面直徑之比“＞5”, 礁體形成被認為是持續生長與海平面上升速度平衡的結果。由于三面井組的塔礁和柱礁在形態、規模、造礁生物和形成環境明顯不同, 所以本文區分二者并分別描述。

三面井組的塔礁(圖5h, i)礁體均大型圓錐塔狀,一般底面直徑1.5～3.0 m, 體高約3.5～12.0 m, 底面直徑體高之比為“3.5 ～ 5.0”。造礁生物以仙掌藻(Halimedia)或管殼石(Tubiphytes)為主, 枝體垂直或傾斜構成叢狀障積格架; 外表披覆菌藻類(葛萬菌Girvanella)薄層。礁體底面顯示套錐狀內部結構, 厚-薄圈層形成與障積粘結的物質不同(砂屑粒度、凝灰物質)有關, 反映海平面的周期升降。塔礁生長在陸棚邊緣隆起和近源島弧兩側的斜坡上部, 稀疏散布或局部密集排列成透鏡狀障壁。

圖5 研究區三面井組火山碎屑生物礁Fig. 5 Volcaniclastic reefs of the Sanmianjingian Formation in the study area

(6)柱礁 三面井組的柱礁(圖5j, k, l, m)呈小型近圓柱體, 底面直徑體高之比“＞5”。一般體高0.65～1.85 m; 底面直徑0.12～0.42 m。礁體多為管殼石(Tubiphytes)叢狀支撐障積與葛萬菌(Girvanella)粘結披覆聯合造礁?？v剖面和橫斷面顯示內部為不規則套錐狀。礁核由叢狀管殼石障積凝灰質膠結雜砂屑而成, 起支撐作用; 外部圈層為葛萬菌披覆粘結粉砂屑凝灰物質組成的層對。礁體橫斷面淺色圈層可見密集飄蕩的藻絲。三面井組的柱礁常常散布在陸棚和島弧的斜坡下部, 或在深水的溝槽盆地密集排列成帶狀凸起。這兩種相帶水體動能相對較弱,均利于柱礁向上生長。

另外需要說明, 柱礁橫斷面上的圈層構造與某些巖層的“氧化暈”相似?！把趸瘯灐睘榈叵滤貛r層節(層)理和孔隙滲入內部, 所攜帶的低價金屬離子(如Fe2+)在巖層中氧化、浸染和堆積, 形成棕褐色暈圈。氧化暈與柱礁易于區別。氧化暈各圈層代表地下水滲入的不同期次, 受巖層節理和孔隙發育不均一影響, 圈層形狀常常不規則; 特別是這些巖層不具有生物格架和飄蕩藻絲。

5 火山島弧型陸緣環境

地質學家(Klein, 1987; 馬文璞, 1992)依據沉積作用、動力學機制和古地理特征, 將主動大陸邊緣劃分二種類型, 即島弧型(溝-弧-盆體系型或西太平洋型)和陸緣弧型(溝-弧體系型或東太平洋型); 將火山島弧(巖漿弧)沉積分為三種相帶, 噴發中心相、近源相和分散相。

本文在解決存在地層問題基礎上, 綜合研究巖性組成、球枕狀構造、古生物礁和相序環境, 證明內蒙古、河北交界區三面井組的古地理單元特征與上述劃分相吻合。三面井組屬島弧型主動大陸邊緣沉積。噴發中心相以火山熔巖為特征; 近源相以火山碎屑巖為主; 分散相為火山碎屑巖夾某些沉積巖。本文選擇三面井剖面和朝海圖剖面為代表, 總結論述研究區三面井期各古地理單元沉積特征(圖6)。

圖6 研究區三面井期火山島弧型陸緣環境Fig. 6 Epicontinental conditions of the volcanic island-arc in Sanmianjingian Stage in the study area

(1)海岸潮坪 海岸潮坪位于陸棚的近岸一側。地層沉積受潮汐漲退影響, 呈粗-細疊置的海侵序列, 底界不整合覆蓋在老地層或巖漿巖體之上。

三面井期地層下部多為灰黃色含細礫中-粗粒雜砂巖夾泥質膠結粉細砂巖; 富含藻席、滾動紡錘體和泥裂, 屬潮間帶。上部為灰色生物碎片和內屑顆粒灰巖, 夾鈣藻障積層礁和點礁; 富含?類、苔蘚蟲及腕足類等化石, 屬潮下淺水環境。

(2)邊緣坳陷 也稱“前陸盆地”, 出現在海岸潮坪與陸棚隆起之間。其成因為大陸板塊運移推動,使主動陸塊邊緣發生彎曲褶皺, 出現邊緣坳陷和陸棚隆起排列。

邊緣坳陷沉積屬瀉湖盆地相, 主要為黑灰色、深灰綠色泥頁巖和板狀粉砂質泥巖, 夾生物屑灰巖或細礫雜砂巖透鏡體。坳陷沉積內未見底棲動物化石, 僅在近陸棚隆起一側粉砂質泥巖內散布零星小型柱礁。

(3)陸棚隆起 陸棚前緣坡折受板塊運移推動,形成陸棚隆起。三面井組的陸棚隆起沉積主要為土黃色、灰白色厚層塊狀中-粗粒雜砂巖, 夾灰色、灰綠色薄層凝灰質粉砂巖和粉砂泥巖; 剖面深入研究和橫向追索, 均未發現噴出熔巖。二條代表剖面上陸棚隆起的生物礁和球枕狀構造發育存在明顯差異,反映橫向隆起上覆水體深度不同。

三面井剖面的陸棚隆起頂部散布低矮堤礁和個別塔礁, 而隆起外側斜坡出現密集排列的小型柱礁, 散布零星大型雜砂質滾動球和大量小型泥砂質滾動球, 反映上覆水體較深、物質來源豐富和斜坡相對平緩。

朝海圖剖面的陸棚隆起頂部遍布大型堤礁, 并聯結形成障壁; 兩側的高大塔礁密集排列, 形成透鏡層狀凸起。隆起頂部含很多滾動紡錘體, 指示準暴露高能灘相環境; 斜坡相地層僅為一層(厚17 m)薄層狀粉砂巖和粉砂泥巖, 夾濁積雜砂巖透鏡體, 反映陸棚斜坡陡峭。

(4)弧后盆地 也稱“邊緣?！? 指邊緣陸棚與火山島弧之間的深水海區; 其輪廓常呈不規則溝槽狀, 地層沉積依是否鄰近噴發火山存在差異。

“噴發火山”背后(如三面井剖面)的弧后盆地沉積相對較粗, 以粉砂泥巖和泥巖, 夾薄-中層細粉砂巖及雜砂巖透鏡體為主, 未見生物礁存在。而距離“噴發火山”稍遠(如朝海圖剖面)的弧后盆地沉積明顯較細, 為泥巖與頁巖交互層, 夾含密集排列柱礁的大型砂屑凝灰質透鏡狀凸起。

(5)火山島弧 研究區火山島弧內可區分“噴發火山”和“島弧近源”二種環境, 分別沉積“噴發中心相”和“近源相”。

噴發火山發育以三面井剖面為代表, 主要為噴發熔巖(安山玢巖)、凝灰角礫巖和含凝灰球的晶屑凝灰巖?；鹕絻蓚刃逼露逊e灰綠色含角礫巖屑長石砂巖、薄層砂屑凝灰巖和灰褐色薄板狀粉砂巖和粉砂泥巖; 發育大小不等的凝灰角礫質滾動球、泥砂質滾動球和凝灰球質滾動球。

島弧近源以朝海圖剖面為代表, 島嶼隆起上發育近源相火山碎屑巖。其頂部主要為土黃色、灰白色厚層中-粗粒巖屑長石砂巖, 夾灰綠色薄層凝灰質粉砂巖; 層內發育密集的堤礁和圓丘礁, 屬高能礁灘環境。隆起兩側斜坡為灰色、灰綠色不等粒凝灰質膠結巖屑長石砂巖和砂屑凝灰巖; 層內發育密集排列或散亂分布的大型塔礁。經橫向追索研究, 在朝海圖剖面(第24～25 層)東約350 m 開始出現噴發熔巖(閃長玢巖)。

(6)弧前盆地 研究區內弧前盆地地層大多被草地覆蓋, 剖面上僅見地層底部零星出露, 巖性主要為深灰色粉砂質泥巖、泥頁巖夾含角礫砂泥巖透鏡體。

6 結論

(1)通過多學科多方法綜合研究, 使三面井組研究取得突破性進展。安山巖鋯石U-Pb 測年證實, 二段出露的火山巖屬中二疊世三面井期; 新發現界線地層剖面和滾動球成因表明, 三面井組一段二段間為連續沉積, 性質應為整合; 火山碎屑巖(雜砂巖、硬砂巖)與火山熔巖(安山玢巖、閃長玢巖)分別描述, 各自代表“噴出相”和“近源相”。

(2)系統研究三面井組內大量球枕狀構造和火山碎屑生物礁。其中球枕狀構造包括滾動紡錘體、泥砂質滾動球、雜砂質滾動球、凝灰球礫滾動球和凝灰球礫滾動球; 生物礁分為層礁、點礁、圓丘礁、堤礁、塔礁和柱礁。研究再次證明它們具有分別指示特定環境的作用。

(3)在綜合地層研究進展、球枕狀構造和火山碎屑生物礁的基礎上, 建立三面井剖面和朝海圖剖面的沉積相序, 恢復研究區中二疊世三面井期二類島弧型陸緣環境模式。環境模式古地理單元包括6 個,即濱岸潮坪、邊緣坳陷、陸棚隆起、弧后盆地、火山島弧和弧前盆地。

致謝: 本文火山巖鋯石U-Pb 同位素測試由西北大學大陸動力學國家重點實驗室承擔, 具體包志安和范超負責完成; 防災科技學院黃靜宜講師和學生程韓宇、王家發、付智鵬、張成志等參加野外工作; 在此一并表示衷心致謝。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41472027), and China Geological Survey (No. DD20160168).