山東濟南—淄博地區寒武系風暴巖及其研究發展

熊玉強

(中化地質礦山總局山東地質勘查院,山東 濟南 250013)

0 引言

風暴巖主要分布在中南和東北一帶,眾多學者在山東新泰、沂水楊莊地區均發現報道了寒武系風暴沉積[1]。晚寒武世,華北地臺不僅為克拉通內穩定的淺海沉積環境,且處于低緯度赤道颶風帶控制之下,風暴作用頻繁,風暴沉積極其發育,在該區的上寒武統地層中留下了豐富的風暴沉積記錄,風暴巖廣泛分布于九龍群炒米店組[2-3]。對風暴沉積進行研究,不僅是該區晚寒武世沉積作用、沉積環境的研究的重要方面,而且對華北地臺沉積環境及古地理、古氣候的研究具有重要意義。本次主要從礫屑灰巖的分類、沉積構造、沉積序列、形成機制等方面研究了山東濟南—淄博地區內上寒武統風暴沉積的特征,對其沉積特征和沉積環境進行了分析,研討了該區的沉積模式。

1—一級單元界線;2—二級單元界線;3—三級單元界線;4—四級單元界線;5—五級單元界線;6—斷裂及推測斷裂;7—不整合界線;8—單元代號;9—研究區范圍

1 風暴礫屑灰巖的分類

根據礫屑的來源與搬運距離的遠近關系,將礫屑灰巖分為原地型礫屑灰巖和異地型礫屑灰巖2種類型[6-7]。

1.1 原地型礫屑灰巖

為風浪就地沖積、掀起、擠壓、破碎已固結的碳酸鹽沉積物原地堆積而成,頂面云朵狀,其礫屑呈扁平狀,單一礦物成分,與下伏巖層成分一致,磨圓、分選性皆差,基本無氧化圈,顆粒支撐結構,放射狀、協調皺紋狀排列等,下部平緩,上部直立(圖2,照片1)。

圖2 文祖石門炒米店組呈協調皺紋狀排列的原地型風暴礫屑灰巖素描圖

1.2 異地型礫屑灰巖

為風暴潮流將破碎的碳酸鹽礫屑搬運至外地堆積而成,據其搬運距離可分為近源和遠源2種。遠源礫屑灰巖產出水體較深,上下皆為較深水薄層泥灰巖,近源礫屑灰巖產出水體相對較淺,皆是風暴回流碎屑流再次搬運堆積而成,礫石成分較復雜,常具有氧化圈,與下伏層面為沖刷接觸,與上覆巖層呈平行連續沉積,菊花狀、輻射狀至雜亂排列(照片2,圖3)。

照片1 竹葉狀灰巖(濟南市市中區仲宮鎮侯家莊)

照片2 炒米店組具紫紅色氧化圈礫屑灰巖(層面)(濟南市歷城區港溝鎮瓦屋脊)

圖3 文祖娘娘廟炒米店組異地型風暴礫屑灰巖礫石排列素描圖

2 風暴成因的沉積構造

早寒武世炒米店組風暴作用形成的沉積構造發育,且種類繁多,除具備風暴礫巖礫石成分和排列特征外,發育底面構造、頂面構造、丘狀層理、截切充填構造等,本次主要對該區風暴成因的沉積構造及與環境的關系進行研述[8]。

Bose.P.K通過對硅質碎屑巖中丘狀層理的大量研究,提出了一個關于HCS形成深度的判別標志,利用丘狀層理的波長、丘高、二者的比率及丘狀或凹狀層理的比率等參數,可判斷形成深度。在我國華北地臺的早寒武世的風暴沉積中,丘狀層理的波長/丘高的比率和主動/被動HCS的比率也具有重要的環境指示意義[6,9-10]。對石匣、娘娘廟等地的丘狀層理的波長、丘高數據進行了統計測量,作出了丘狀層理各參數值散點圖(圖4),與Bose提出的標準進行對比,發現圖4a、圖4b、圖4c圖中波長、波高及波長/波高比相差不大,根據波長/波高比,水深范圍在40～65m,相應層位巖性組合為泥質條帶灰泥巖、粉砂屑灰巖和礫屑灰巖不等厚互層,可判斷形成環境為中緩坡。圖4d中根據波長/波高比,水深范圍65～80m,相應層位巖性組合為薄層灰泥巖夾頁巖夾礫屑灰巖,形成環境為深緩坡。圖4中波長/波高比判斷的沉積環境和根據巖性組合判別的環境基本一致,而波長、波高則遠遠小于Bose依據硅質碎屑巖研究建立的標準中相應環境的波長、波高。

1—波長;2—波高;3—波長/波高

3 風暴沉積序列

正常天氣沉積與風暴天氣沉積交替構成風暴沉積,上部為正常天氣沉積和下部為風暴沉積構成一個風暴沉積旋回即風暴沉積序列,該序列往往發育不全,該區可識別的沉積序列主要有2類4種。

3.1 原地型風暴沉積序列

3.1.1 中緩坡原地型風暴沉積序列

如圖5所示,于寒武紀九龍群炒米店組中上部發育,其構造特征見表1。

表1 中緩坡原地型風暴沉積序列特征

1—下伏的正常天氣沉積;2—破碎的條帶灰巖,為風暴對下伏巖層的破壞和改造;3—風暴高峰期旋渦流形成的雜亂或直立排列礫屑灰巖沉積;4—風暴后正常天氣披蓋沉積;5—上覆的正常天氣沉積

3.1.2 淺緩坡原地型風暴沉積序列

如圖6Ⅰ所示,炒米店組中上部較發育,其構造特征見表2。

表2 淺緩坡原地型風暴沉積序列特征

1—下伏正常天氣沉積;2—風暴天氣沉積;3—風暴衰減期懸浮顆粒沉積;4—風暴過后披蓋沉積

3.2 異地型風暴沉積序列

3.2.1 深緩坡風暴碎屑流沉積序列

如圖6Ⅱ所示,炒米店組中部發育,其構造特征見表3。

表3 深緩坡風暴(異地型)碎屑流沉積序列特征

3.2.2 中緩坡生物丘—風暴碎屑流沉積序列

如圖6Ⅲ所示,于寒武世中部發育,其構造特征見表4。

表4 中緩坡生物丘—風暴(異地型)碎屑流沉積序列特征

4 風暴礫屑灰巖沉積機制

該區早寒武世風暴成因的礫屑灰巖發育廣泛,炒米店組的各個層位中皆有分布,根據前人的研究[5-6,8,11-16],結合該區的風暴沉積特征,將風暴成因的礫屑灰巖的形成機制概括為3種:風暴漲潮流—回流、風暴漫流和風暴旋流。

4.1 風暴漲潮流—回流

風暴漲潮流的回流的能量很大,可將大量的海岸沉積物搬運到離岸較遠的陸棚區再沉積,發育遞變層理沉積。

4.2 風暴漫流

風暴漲潮面超過濱岸,發生浸漫流,侵蝕沖刷后濱、潮坪沉積物從而形成漫流碎屑流沉積。

4.3 風暴旋流

風暴氣旋為熱帶低氣旋,產生強大的剪切作用,導致海底未固結或半固結的沉積物產生變形、改造、再沉積,從而成為原地型風暴礫屑灰巖。

該區這3種機制形成的風暴礫屑灰巖都存在,其中,深—中緩坡發育的遠源異地型礫屑灰巖多為第一種成因,特征是:風暴礫屑灰巖上下往往皆是較深水的薄層灰泥巖,礫屑大多來自較淺水環境,成分復雜、分選性差,呈菊花狀、放射狀已至雜亂排列,形成環境較深。較淺的淺緩坡(淺緩坡上部)發育的異地型礫屑灰巖多為第二種成因,其特征:礫屑粒度較粗,分選、磨圓度較好,可發育氧化圈,大多呈基質支撐結構,基質成分為細內碎屑,與下伏層面呈沖刷接觸,形成環境較淺。原地型的礫屑灰巖多為第三種成因,其特征為:頂面呈云朵狀,單一成分,與下伏巖層一致,磨圓、分選性皆差,呈顆粒支撐結構,基質與正常天氣原地沉積物粒度和成分相同。

5 結論

(1)風暴巖主要發育于早古生代寒武紀九龍群炒米店組,集中分布于該組中下部層位,且風暴巖由開始到結束,表現為層厚由薄-厚-薄的變化規律,反映了風暴事件所能影響的水體深度由淺到深再到淺的特征。

(2)區域對比,炒米店組巖性相對穩定,對比性強,但厚度變化明顯,在九曲、章丘等地厚度明顯較厚,在范莊、仲宮厚度則明顯減薄,說明該期海侵方向為由東至西向,該區可識別的沉積序列主要有2類4種。

(3)形成機制大致分為3類:深—中緩坡發育的遠源異地型礫屑灰巖多為風暴漲潮流—回流成因;較淺的淺緩坡(淺緩坡上部)發育的異地型礫屑灰巖多為風暴漫流成因;原地型的礫屑灰巖多為風暴旋流成因。