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华北克拉通南缘中—新元古界沉积充填特征及演化

吕奇奇 罗顺社 官玉龙 汪泽成 王铜山 张严

吕奇奇, 罗顺社, 官玉龙, 汪泽成, 王铜山, 张严. 华北克拉通南缘中—新元古界沉积充填特征及演化[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1123-1139. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.012
引用本文: 吕奇奇, 罗顺社, 官玉龙, 汪泽成, 王铜山, 张严. 华北克拉通南缘中—新元古界沉积充填特征及演化[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1123-1139. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.012
LÜ QiQi, LUO ShunShe, GUAN YuLong, WANG ZeCheng, WANG TongShan, ZHANG Yan. Sedimentary Filling Characteristics and Evolution of Meso⁃Neoproterozoic Strata in the Southern Margin of the North China Craton[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1123-1139. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.012
Citation: LÜ QiQi, LUO ShunShe, GUAN YuLong, WANG ZeCheng, WANG TongShan, ZHANG Yan. Sedimentary Filling Characteristics and Evolution of Meso⁃Neoproterozoic Strata in the Southern Margin of the North China Craton[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1123-1139. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.012

华北克拉通南缘中—新元古界沉积充填特征及演化

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.012
基金项目: 

国家科技重大专项 2016ZX05004001⁃004

油气资源与探测国家重点实验室开放课题 PRP/open⁃1804

地质资源与地质工程一流学科开放基金项目 TD2019⁃13

详细信息
    作者简介:

    吕奇奇,男,1986年出生,博士,讲师,沉积学及储层地质学,E⁃mail: lvqiqiabcd@163.com

    通讯作者:

    罗顺社,男,教授,E⁃mail: lss8061069@163.com

  • 中图分类号: P534.3 P542

Sedimentary Filling Characteristics and Evolution of Meso⁃Neoproterozoic Strata in the Southern Margin of the North China Craton

Funds: 

National Science and Technology Major Project of China 2016ZX05004001⁃004

the Foundation of State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing PRP/open⁃1804

Open Foundation of Top Disciplines in Yangtze University TD2019⁃13

  • 摘要: 华北克拉通南缘中—新元古代地层广泛发育、出露较好。以华北克拉通南缘熊耳裂陷槽中—新元古代地层为研究对象,在总结对比前人研究成果的基础上,以4条典型基干剖面实测、3条重点辅助剖面观察与描述,从岩石颜色、岩石组合类型、岩石结构、沉积构造等众多方面,对华北克拉通南缘中—新元古界的沉积相类型、特征、展布规律以及沉积充填序列进行了深入分析。结果表明:1)研究区中—新元古界发育障壁型海岸相、无障壁型海岸相、浅海陆棚相、碳酸盐岩台地相、扇三角洲相及冰川相6种沉积相、10种亚相及15种微相;并详细阐述了各种相、亚相以及微相的沉积特征;2)明确了研究区中—新元古代在不同地质时期发育的主要沉积相类型及特征;3)深入探讨了研究区中—新元古界的沉积充填特征,并将其划分出大陆裂谷早期沉积(熊耳群)、大陆裂谷晚期沉积(小沟背组—云梦山组)、中元古代被动大陆边缘沉积(白草坪组—黄连垛组)和新元古代被动大陆边缘沉积(董家组—东坡组)等4个沉积充填序列。
  • 图  1  华北克拉通前寒武纪主要构造格架图(a)[2128]及研究区前寒武纪地质概况简图(b)[2930]

    Figure  1.  (a) Precambrian tectonic framework map of the North China Craton[2128]; (b) Precambrian geological profile map of the southern margin of the North China Craton[2930]

    图  2  研究区中—新元古界障壁型海岸相沉积特征

    (a)紫红色粉砂质泥岩,碎屑岩潮坪潮上带,山西永济,白草坪组;(b)透镜状层理,浅灰色细砂岩,碎屑岩潮坪潮间带,山西永济,白草坪组;(c)板状交错层理,浅红色细砂岩,碎屑岩潮坪潮间带,山西永济,白大尖组;(d)羽状交错层理,浅灰色细砂岩,碎屑岩潮坪潮下带,山西永济,白草坪组

    Figure  2.  Sedimentary characteristics of barrier coastal facies of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

    图  3  研究区中—新元古界无障壁型海岸相和浅海相沉积特征

    (a)棕红色薄层粉—细砂岩,后滨亚相,河南云台山,云梦山组;(b)冲洗交错层理,浅灰色细砂岩,前滨,河南黛眉山,云梦山组;(c)纺锤状微生物成因构造(MISS构造),前滨,河南云台山,云梦山组;(d)波痕,棕红色细砂岩,近滨,河南鲁山,三教堂组;(e)深灰色页岩夹薄层粉砂岩,过渡带,河南鲁山,崔庄组;(f)黑色页岩,滨外陆棚,山西永济,崔庄组

    Figure  3.  Sedimentary characteristics of barrier⁃free coastal facies and neritic facies of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

    图  4  研究区中—新元古界碳酸盐台地相沉积特征

    (a)纹层状叠层石,浅灰色泥晶白云岩,碳酸盐岩潮坪潮上带,山西永济,龙家园组;(b)浅灰色泥晶白云岩,燧石条带,碳酸盐岩潮坪潮间带,山西永济,龙家园组;(c)粉晶白云岩,碳酸盐岩潮坪潮间带,山西永济,洛峪口组,(+)×50;(d)半球状叠层石,碳酸盐岩潮坪潮间带,山西永济,龙家园组;(e)含粉砂内碎屑白云岩,碳酸盐岩潮坪潮下带,山西永济,北大尖组,(+)×50;(f)含砂鲕粒白云岩,碳酸盐岩潮坪潮下带,山西永济,北大尖组,(+)×50

    Figure  4.  Sedimentary characteristics of carbonate platforms facies of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

    图  5  研究区中—新元古界扇三角洲相和冰川相沉积特征

    (a)大型交错层理,肉红色含砾粗砂岩,扇三角洲平原,河南新安,小沟背组;(b)冲刷面,紫红色粗砂岩夹灰绿色泥岩,扇三角洲平原,河南伊川,兵马沟组;(c)棕黄色砾岩层,砾石大小不一,扇三角洲平原,河南伊川,兵马沟组;(d)棕红色粉砂质泥岩,扇三角洲平原分流间湾,河南黛眉山,小沟背组;(e)冰碛砾岩,砾石大小不一,分选磨圆极差,呈棱角状—次棱角状,冰碛亚相,鲁山下汤,罗圈组;(f)冰碛砾岩,砾石大小不一,砾石表面可见冰川擦痕,冰碛亚相,鲁山下汤,罗圈组

    Figure  5.  Sedimentary characteristics of fan delta and glacial facies of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

    图  6  华北克拉通南缘中—新元古界地层对比与沉积相演化图

    Figure  6.  Stratigraphic correlation and sedimentary facies evolution pattern of Meso⁃Neoproterozoic strata in the southern margin of the North China Craton

    图  7  华北克拉通南缘熊耳裂陷槽中—新元古界沉积充填序列图

    Figure  7.  Sedimentary sequences diagram of Meso⁃Neoproterozoic strata of Xiong’er aulacogen in the southern margin of the North China Craton

    图  8  研究区中—新元古界沉积充填特征

    (a)熊耳群马家河组与长城系小沟背组呈不整合接触,河南汝阳;(b)小沟背组紫红色砾岩、(含砾)粗砂岩,扇三角洲沉积,河南黛眉山;(c)云梦山组棕红色中—细粒石英砂岩,碎屑岩滨岸沉积,河南云台山;(d)白草坪组紫红色页岩与黄褐色、浅红色砂岩互层,碎屑岩潮坪沉积,山西永济;(e)马鞍山组灰白色厚层状石英砾岩、紫红色中粒石英砂岩,碎屑岩潮坪沉积,河南伊川万安山;(f)崔庄组深灰色泥页岩夹薄层细—粉砂岩、洛峪口组紫红色粉晶白云岩、龙家园组浅灰色粉晶白云岩,浅海陆棚—碳酸盐岩潮坪,山西永济;(g)三教堂组肉红色、黄白色细粒石英砂岩,碎屑岩滨岸沉积,河南鲁山下汤;(h)罗圈组底部的冰碛砾岩,冰川沉积,河南鲁山下汤

    Figure  8.  Sedimentary filling characteristics of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

    图  9  熊耳裂陷槽中—新元古代构造演化示意图

    Figure  9.  Tectonic evolution schematic diagram of Meso⁃Neoproterozoic strata of Xiong’er aulacogen in the southern margin of the North China Craton

    表  1  华北克拉通南缘各地层分区中—新元古界对比表(地层年龄据文献[3448])

    Table  1.   Meso⁃Neoproterozoic strata correlation table of stratigraphic division in the southern margin of the North China Craton (stratigraphic age data based on references [34⁃48])

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    表  2  研究区中—新元古界沉积相类型及特征

    Table  2.   Types and characteristics of sedimentary facies of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

    沉积体系 亚相 微相 主要发育层位
    海相碎屑岩沉积体系 障壁型海岸相 碎屑岩潮坪 潮上带 潮间带 潮下带 白草坪组、北大尖组
    无障壁型海岸相 后滨 后滨砂 云梦山组、马鞍山组
    前滨 前滨砂(砾) 云梦山组、三教堂组、董家组、马鞍山组、二道河组和三川组
    近滨 近滨砂
    浅海陆棚相 过渡带 过渡带砂泥 崔庄组和罗圈组
    滨外陆棚 滨外陆棚泥
    海相碳酸盐岩沉积体系 碳酸盐台地相 碳酸盐岩潮坪 潮上带 北大尖组上部、洛峪口组、黄连垛组、龙家园组
    潮间带
    潮下带
    海陆过渡相沉积体系 扇三角洲 扇三角洲平原 分流河道 小沟背组、兵马沟组
    分流间湾
    冰川沉积 体系 冰川 冰碛 冰碛砾岩 罗圈组
    冰海 浅水冰海
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-26
  • 刊出日期:  2020-12-25

目录

    华北克拉通南缘中—新元古界沉积充填特征及演化

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.012
      基金项目:

      国家科技重大专项 2016ZX05004001⁃004

      油气资源与探测国家重点实验室开放课题 PRP/open⁃1804

      地质资源与地质工程一流学科开放基金项目 TD2019⁃13

      作者简介:

      吕奇奇,男,1986年出生,博士,讲师,沉积学及储层地质学,E⁃mail: lvqiqiabcd@163.com

      通讯作者: 罗顺社,男,教授,E⁃mail: lss8061069@163.com
    • 中图分类号: P534.3 P542

    摘要: 华北克拉通南缘中—新元古代地层广泛发育、出露较好。以华北克拉通南缘熊耳裂陷槽中—新元古代地层为研究对象,在总结对比前人研究成果的基础上,以4条典型基干剖面实测、3条重点辅助剖面观察与描述,从岩石颜色、岩石组合类型、岩石结构、沉积构造等众多方面,对华北克拉通南缘中—新元古界的沉积相类型、特征、展布规律以及沉积充填序列进行了深入分析。结果表明:1)研究区中—新元古界发育障壁型海岸相、无障壁型海岸相、浅海陆棚相、碳酸盐岩台地相、扇三角洲相及冰川相6种沉积相、10种亚相及15种微相;并详细阐述了各种相、亚相以及微相的沉积特征;2)明确了研究区中—新元古代在不同地质时期发育的主要沉积相类型及特征;3)深入探讨了研究区中—新元古界的沉积充填特征,并将其划分出大陆裂谷早期沉积(熊耳群)、大陆裂谷晚期沉积(小沟背组—云梦山组)、中元古代被动大陆边缘沉积(白草坪组—黄连垛组)和新元古代被动大陆边缘沉积(董家组—东坡组)等4个沉积充填序列。

    English Abstract

    吕奇奇, 罗顺社, 官玉龙, 汪泽成, 王铜山, 张严. 华北克拉通南缘中—新元古界沉积充填特征及演化[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1123-1139. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.012
    引用本文: 吕奇奇, 罗顺社, 官玉龙, 汪泽成, 王铜山, 张严. 华北克拉通南缘中—新元古界沉积充填特征及演化[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1123-1139. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.012
    LÜ QiQi, LUO ShunShe, GUAN YuLong, WANG ZeCheng, WANG TongShan, ZHANG Yan. Sedimentary Filling Characteristics and Evolution of Meso⁃Neoproterozoic Strata in the Southern Margin of the North China Craton[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1123-1139. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.012
    Citation: LÜ QiQi, LUO ShunShe, GUAN YuLong, WANG ZeCheng, WANG TongShan, ZHANG Yan. Sedimentary Filling Characteristics and Evolution of Meso⁃Neoproterozoic Strata in the Southern Margin of the North China Craton[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1123-1139. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.012
      • 中—新元古界的油气资源潜力业已引起国际地质界的密切关注。迄今为止,世界上多个国家和地区中—新元古界油气勘探获重大发现,已发现了数十个原生油气田,并形成了商业性油气开采[12],从而表明中—新元古界完全具备形成与富集规模性油气资源的条件。华北克拉通在1.90~1.85 Ga完成了最终的克拉通化之后,在结晶基底之上沉积了一套分布广、较为完整的中—新元古代地层,厚度可达数千至万余米。近年来,新的钻探资料证实,在华北克拉通中—新元古代地层不仅含有丰富的有机质,发现大量油气苗和大型沥青脉;且在裂陷槽内发育多套优质烃源岩及生储盖组合,显示具有巨大的油气勘探潜力[24]

        华北克拉通南缘广泛发育中—新元古代地层,以熊耳裂陷槽为沉积中心,出露较好且未经明显变质作用。多年来,众多学者对于华北克拉通南缘中—新元古界的油气勘探做出了一定的贡献,并形成了优质烃源岩分布及生储盖组合与其沉积充填特征和相应的沉积演化具有密不可分的关系的共识[14]。但前人对于华北克拉通南缘沉积特征的研究在纵向上主要是针对某个系(如长城系、蓟县系、震旦系等)[56]、某个群或组(如汝阳群、高山河群、洛峪群、栾川群、兵马沟组、小沟背组、云梦山组、罗圈组、东坡组等)[719]开展,且对各时期的地层沉积相划分不统一;在平面上一般仅局限于某个较小的区域或剖面,而缺乏对华北克拉通南缘中—新元古界的沉积特征及演化进行系统、全面的分析。因此,基于对华北克拉通南缘新安黛眉山、鲁山下汤镇尧山、山西永济及河南伊川4条典型基干剖面实测,河南渑池、陕西洛南、山西阳城3条重点辅助剖面观察,主要从岩石颜色、岩石组合类型、岩石结构、沉积构造等众多方面,对华北克拉通南缘中—新元古界各层系的沉积充填特征和沉积环境的整体演化进行了全面、系统地分析研究,从而为区内油气勘探提供重要的依据。

      • 华北克拉通前寒武纪构造格架是由三个主要构造单元所组成:即东部陆块、中部造山带和西部陆块(图1a)[2028],而东、西陆块经历了古元古代晚期的变质事件(吕梁运动或称中条运动)在约~1.85 Ga沿中部带拼合导致华北克拉通基底的最终形成[2125]。之后,华北克拉通开始进入了裂谷系的发育与演化,并在结晶基底之上沉积了一套分布广、较为完整的中—新元古代地层;裂谷系可大致分为东北缘燕辽裂陷槽、南缘熊耳裂陷槽以及北缘裂谷带、东南缘徐淮裂谷[1,4,28]

        图  1  华北克拉通前寒武纪主要构造格架图(a)[2128]及研究区前寒武纪地质概况简图(b)[2930]

        Figure 1.  (a) Precambrian tectonic framework map of the North China Craton[2128]; (b) Precambrian geological profile map of the southern margin of the North China Craton[2930]

        华北克拉通南缘中—新元古代地层广泛发育、出露较好,以熊耳裂陷槽为沉积中心,主要位于豫晋陕三省交界处,呈三叉裂谷状[2930];由于该区地理环境的差异,中—新元古代地层表现出不同的沉积特征。根据区内的中—新元古代地层的发育特征、层序特征、沉积类型及古地理条件等基本地质因素,结合区域地质志及前人对该地区的研究成果[3033],本文将熊耳裂陷槽划分为中条山—王屋山(Ⅰ区)、渑池—确山(Ⅱ区)、小秦岭—栾川(Ⅲ区)以及嵩山—箕山(Ⅳ区)等四个地层小区(图1b),各小区中—新元古代地层发育特征如表1

        表 1  华北克拉通南缘各地层分区中—新元古界对比表(地层年龄据文献[3448])

        Table 1.  Meso⁃Neoproterozoic strata correlation table of stratigraphic division in the southern margin of the North China Craton (stratigraphic age data based on references [34⁃48])

      • 在4条野外基干剖面实测、3条野外重点剖面观察与描述基础上,依据岩石颜色、岩石组合类型、岩石结构、沉积构造等沉积相划分标志,将华北克拉通南缘中—新元古界沉积相划分为海相碎屑岩沉积体系、海相碳酸盐岩沉积体系、海陆过渡相沉积体系以及冰川沉积体系(表2);其中海相碎屑岩沉积体系主要包括障壁型海岸相、无障壁型海岸相及浅海陆棚相;海相碳酸盐岩沉积体系主要包括碳酸盐岩台地相;海陆过渡相沉积体系主要为扇三角洲相;冰川沉积体系主要为冰川相;并根据其沉积特征进一步划分出10种亚相及15种微相。

        表 2  研究区中—新元古界沉积相类型及特征

        Table 2.  Types and characteristics of sedimentary facies of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

        沉积体系 亚相 微相 主要发育层位
        海相碎屑岩沉积体系 障壁型海岸相 碎屑岩潮坪 潮上带 潮间带 潮下带 白草坪组、北大尖组
        无障壁型海岸相 后滨 后滨砂 云梦山组、马鞍山组
        前滨 前滨砂(砾) 云梦山组、三教堂组、董家组、马鞍山组、二道河组和三川组
        近滨 近滨砂
        浅海陆棚相 过渡带 过渡带砂泥 崔庄组和罗圈组
        滨外陆棚 滨外陆棚泥
        海相碳酸盐岩沉积体系 碳酸盐台地相 碳酸盐岩潮坪 潮上带 北大尖组上部、洛峪口组、黄连垛组、龙家园组
        潮间带
        潮下带
        海陆过渡相沉积体系 扇三角洲 扇三角洲平原 分流河道 小沟背组、兵马沟组
        分流间湾
        冰川沉积 体系 冰川 冰碛 冰碛砾岩 罗圈组
        冰海 浅水冰海
      • 研究区障壁型海岸相主要发育碎屑岩潮坪亚相,以黏土岩、粉砂岩和中—细砂岩为主;受潮汐作用影响,由海向陆,其沉积物粒度由粗变细,具有明显的分带性。

        在潮上坪,主要由泥岩或粉砂质泥岩组成,泥岩颜色多呈紫红色、棕红色等氧化色(图2a);在潮间坪,沉积物具有泥砂混合的特点,发育透镜状(图2b)、脉状、波状层理(图2c)、波痕等,同时可见具有指相意义的潮坪沉积构造—扁平泥砾;其粒度概率曲线主要为两段式,跳跃组分多为两个次总体,含量较高,悬浮组分次之。在潮下坪的潮汐通道内,沉积物粒度较潮间带粗,以中—细粒石英砂岩为主,泥岩比较少见,经过海水的淘洗,碎屑物比较纯净,分选和磨圆都比较好,成分成熟度和结构成熟度较高,发育羽状(图2d)、板状、楔状等大型交错层理、平行层理、波痕等沉积构造;其砂岩粒度概率曲线主要呈现为两段式,由三个或两个粒度次总体组成,以跳跃组分为主,悬浮组分、滚动组分含量较少。该相带主要发育在研究区中元古界长城系白草坪组和北大尖组。

        图  2  研究区中—新元古界障壁型海岸相沉积特征

        Figure 2.  Sedimentary characteristics of barrier coastal facies of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

      • 根据岩性、沉积构造等特征,研究区无障壁型海岸相可进一步划分为后滨、前滨和近滨3种亚相。

        后滨亚相:后滨水体能量较弱,以薄层细粒砂岩为主(图3a),碎屑成分较为纯净,以石英为主,分选磨圆较好;发育低角度交错层理、小型板状交错层理、平行层理及小型波痕等;其砂岩粒度概率曲线主要为两段式,或三段式,以跳跃组分为主,悬浮、滚动组分含量较少。该相带主要发育在渑池—确山地层小区云梦山组,嵩山—箕山地层小区马鞍山组。

        图  3  研究区中—新元古界无障壁型海岸相和浅海相沉积特征

        Figure 3.  Sedimentary characteristics of barrier⁃free coastal facies and neritic facies of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

        前滨亚相:前滨以间歇性暴露为特征,水体能量相对较强,受海水冲洗作用,沉积物粒度为中—细砂岩,砂质纯净,成分主要为石英,石英含量约90%,碎屑物分选磨圆极好,多为次圆状,层理构造也极为发育,见冲洗交错层理(图3b)、大型板状交错层理、楔状交错层理、平行层理、波痕,并发育海绿石。在砂岩层面中代表间歇性暴露标志的微生物成因构造也极为发育(图3c),而且形态各异,有纺锤状、鸟足状、网格状等;其砂岩粒度概率曲线带主要呈现为两段式,以跳跃组分、悬浮组分为主,滚动组分含量较少。该相带主要发育在渑池—确山地层小区的云梦山组、三教堂组和董家组,嵩山—箕山地层小区的马鞍山组,小秦岭—栾川地层小区的二道河组和三川组等。

        近滨亚相:近滨水体动能最大,碎屑物主要成分为石英,粒径主要为细砂,分选磨圆较好,由于受波浪作用影响强烈,平行层理、大型板状交错层理、波痕发育(图3d)。在近滨的下部由于水深较大,波浪影响作用有限,沉积物粒度变细,可见粉砂岩、泥质粉砂岩及少量泥岩薄层,水平层理发育;其砂岩粒度概率曲线带主要呈两段式,以跳跃组分为主、悬浮组分次之,滚动组分几乎不发育。该相带主要发育在渑池—确山地层小区的云梦山组、三教堂组和董家组,嵩山—箕山地层小区的马鞍山组,小秦岭—栾川地层小区的二道河组和三川组等。

      • 过渡带亚相:过渡带水动力较弱,沉积物主要为粉砂岩、灰绿色页岩(图3e)、褐黄色页岩夹灰白色粉砂岩条带,局部含海绿石及鲕绿泥石自生矿物,可见微细水平层理。该相带主要发育在渑池—确山小区的崔庄组和罗圈组。

        滨外陆棚亚相:滨外陆棚水动力更弱,沉积物主要为灰黑、深灰色页岩(图3f)、黑色硅质页岩,水平层理发育。该相带主要发育在渑池—确山地层小区的崔庄组、和罗圈组,中条山—王屋山地层小区的崔庄组。

      • 研究区碳酸盐台地相主要为碳酸盐岩潮坪亚相沉积,岩性主要为白云岩,可根据岩性、沉积构造、叠层石形态等,将其进一步划分为潮上带、潮间带及潮下带3个微相。

        在潮上带,岩性以浅灰、褐灰色、棕红色泥晶白云岩、泥质白云岩为主,含陆源碎屑物质,可见石膏及石盐假晶、干裂、纹层状叠层石(图4a)等构造。在潮间带,以泥—粉晶白云岩为主(图4b,c)、细晶白云岩次之,叠层石尤其发育,由下向上可呈现出不同的形态,半球状叠层石(图4d)、短柱状叠层石、柱状叠层石,并可见燧石团块、燧石条带(图4b)。在潮下带,岩石类型多为细—粉晶白云岩或灰岩、凝块石白云岩、鲕粒白云岩等;潮下带沉积环境动荡,鲕粒、内碎屑较为常见(图4e,f)。该亚相主要发育在熊耳裂陷槽的北大尖组上部、洛峪口组、黄连垛组、龙家园组。

        图  4  研究区中—新元古界碳酸盐台地相沉积特征

        Figure 4.  Sedimentary characteristics of carbonate platforms facies of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

      • 研究区扇三角洲相主要为扇三角洲平原亚相。其岩性为厚层或块状紫红色砾岩、(含砾)粗砂岩(图5a~c),局部夹中—薄层状杂色泥质粉砂岩或泥页岩(图5d);砾石成分混杂,粒径多为1~15 cm,砾石磨圆度较好,呈次棱角状—次圆状;发育楔状、槽状及板状交错层理(图5a)、透镜状层理等,底部可见冲刷面(图5b)。该亚相主要发育在河南黛眉山小沟背组、河南万安山兵马沟组。

        图  5  研究区中—新元古界扇三角洲相和冰川相沉积特征

        Figure 5.  Sedimentary characteristics of fan delta and glacial facies of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

      • 研究区中—新元古界冰川沉积体系主要为冰川相,主要发育冰碛和冰海2个亚相,分布在灵宝以西、宜阳、确山、汝州、鲁山下汤、汝阳、遂平等地区,其地层厚度不稳定。

        冰碛亚相:冰碛亚相主要岩性为一套冰碛砾岩、块状杂砾岩组成,其成分混杂,较为常见的为石英砂岩,其次为碳酸盐岩、石英岩、燧石及脉石英等;砾石大小不一,分选磨圆极差,呈棱角状—次棱角状(图5e);在较大砾石表面可见冰川擦痕(条痕、刻痕及冰溜面等)(图5f)。

        冰海亚相:冰海亚相可以细分为浅水冰海微相,其主要岩性为含冰碛砾石砂质页岩,紫红色、灰绿色粉砂质页岩。相比冰碛亚相,其细粒物质较多,表现出韵律层,具有零散而间断性坠落的砾石所形成的落石构造,常表现出与纹层杂砾岩共生。

      • 为了更直观的研究熊耳裂陷槽中—新元古界沉积相在空间上的横向展布规律,根据本区区域地质背景,结合研究区中—新元古代地层分布实际情况,选取了横跨整个熊耳裂陷槽和各地层小区的沉积相对比剖面(图6),包括陕西洛南黄龙铺—留题口[1]、山西永济陶家湾、河南伊川万安山—嵩箕、河南鲁山下汤等4条剖面。其中河南鲁山下汤剖面中—新元古界地层发育较为完整,自下而上发育长城系:熊耳群、汝阳群(小沟背组、云梦山组、白草坪组、北大尖组)、洛峪群(崔庄组、三教堂组、洛峪口组),蓟县系(黄连垛组)[47],新元古界青白口系(董家组)[47]和震旦系(罗圈组);山西永济陶家湾剖面长城系下部熊耳群、小沟背组、云梦山组以及中上部的三教堂组均缺失,但蓟县系发育龙家园组,可与黄连垛组对比;陕西洛南黄龙铺—留题口剖面自下而上发育中元古界长城系(熊耳群、鳖盖子组、二道河组、陈家涧组)和蓟县系(龙家园组、巡检司组、杜关组、冯家湾组),新元古界震旦系(罗圈组);河南伊川万安山—嵩箕剖面自下而上发育中元古界长城系(熊耳群、兵马沟组、马鞍山组、葡萄峪组、骆驼畔组、何家寨组)和新元古界震旦系(罗圈组)。

        图  6  华北克拉通南缘中—新元古界地层对比与沉积相演化图

        Figure 6.  Stratigraphic correlation and sedimentary facies evolution pattern of Meso⁃Neoproterozoic strata in the southern margin of the North China Craton

        长城系熊耳群:研究区长城系熊耳群地层厚度变化很大,山西阳城李圪瘩熊耳群沉积厚度6 000 m以上,而山西永济陶家湾剖面熊耳群不发育,区域地质资料显示,熊耳群地层厚度大多在3 000~7 000 m,分布受三叉裂谷断裂带控制明显。研究区熊耳群发育一套巨厚的火山熔岩夹少量沉积岩或火山碎屑岩沉积,主要为火山岩相。

        长城系汝阳群:该时期研究区地层分布继承性明显;除部分地层缺失外,各剖面汝阳群沉积岩岩性组合基本相同,岩性主要为一套碎屑岩夹泥页岩沉积。小沟背期,主要发育一套含砾石英粗砂岩、中—细粒石英砂岩,为扇三角洲平原沉积环境;云梦山期,主要发育一套中—细粒石英砂岩,为无障壁型海岸沉积环境;白草坪—北大尖期,主要发育一套中—细粒石英砂岩、暗红色—肉红色长石石英砂岩夹紫红色页岩,为碎屑岩潮坪夹浅海陆棚沉积环境;北大尖晚期发育沉积了一套砂质或内碎屑白云岩,沉积环境转变为碳酸盐岩潮坪沉积环境。

        长城系洛峪群:研究区洛峪群发育差异性明显、各剖面沉积厚度变化较大。崔庄期,主要发育一套泥岩、页岩夹细—粉砂岩沉积,为浅海陆棚沉积环境;三教堂期,主要发育一套细粒石英砂岩,为无障壁型海岸沉积环境;洛峪口期,主要发育一套粉晶白云岩、砂质白云岩、含叠层石白云岩夹少量页岩,为碳酸盐岩潮坪沉积环境。

        蓟县系:研究区蓟县纪厚度变化也较大。在该时期主要沉积了一套粉晶白云岩或硅质白云岩,为碳酸盐岩潮坪沉积。

        青白口系:研究区青白口系仅在河南鲁山下汤剖面发育董家组、沉积厚度较小,厚131.25 m;该时期岩性自下而上发育砾岩—含砾粗粒石英砂岩—长石石英砂岩—砂质白云岩、泥晶白云岩,沉积环境由无障壁型海岸沉积转变为碳酸盐岩潮坪沉积。

        震旦系:研究区震旦系罗圈组沉积厚度较小,主要发育灰黄色冰碛砾岩、浅黄色含冰碛砾石砂质页岩,紫红色、灰绿色粉砂质页岩,属冰川—浅海陆棚沉积。

        整体来看,沉积环境自下而上(垂向上)发育扇三角洲(小沟背期)—无障壁型海岸(云梦山期)—碎屑岩潮坪(白草坪—北大尖期)—碳酸盐岩潮坪(北大尖晚期)—浅海陆棚(崔庄期)—无障壁型海岸(三教堂期)—碳酸盐岩潮坪(洛峪口期—蓟县纪)—无障壁型海岸(董家期)—碳酸盐岩潮坪(董家组晚期)—冰川(罗圈组早期)—浅海陆棚(罗圈组晚期)环境。

      • 本次在对熊耳裂陷槽新安黛眉山、鲁山下汤镇尧山、山西永济及河南伊川4条基干剖面和河南渑池、陕西洛南、山西阳城等观察剖面中—新元古代地层的岩性特征、接触关系、垂向序列、形成的构造背景、沉积特征等研究基础上,结合区域地层及构造背景等资料,认为熊耳裂陷槽中—新元古界沉积充填序列结构明显,在中元古代经历了3个阶段:即大陆裂谷早期、大陆裂谷晚期和被动大陆边缘,而新元古代青白口系—震旦系(从董家组开始)的形成是新的被动大陆边缘阶段(图7)。

        图  7  华北克拉通南缘熊耳裂陷槽中—新元古界沉积充填序列图

        Figure 7.  Sedimentary sequences diagram of Meso⁃Neoproterozoic strata of Xiong’er aulacogen in the southern margin of the North China Craton

      • 序列I位于熊耳裂陷槽长城系底部,主要包括整个熊耳群(大古石组、许山组、鸡蛋坪组和马家河组)。其中,该序列底部熊耳群与下伏太古界太华群片麻岩基底或古元古界双房群黑云石英片岩等呈角度不整合接触,该不整合面为“中条山运动”的产物。

        由于地壳伸展作用,华北南部华山—熊耳山地区形成了一定规模的裂陷槽,沉积了一套火山熔岩夹少量沉积岩或火山碎屑岩沉积(熊耳群)。在熊耳群底部大古石组为一套陆源碎屑岩沉积,济源地区该组底部为一套底砾岩,镜下薄片可见底砾岩中见大量长石和岩屑,表明其为熊耳裂陷槽的大陆裂解初期,向上为含砾砂岩、砂岩及页岩组成的韵律层,中部为紫红色页岩、泥岩;上部以砂岩为主;该地区厚度最大(212 m),向四周逐渐变薄、尖灭。栾川磨石沟地区,大古石组也有分布(最厚达92 m),岩性相似,但普遍夹有以玄武安山岩为主的火山岩夹层。此外,山西垣曲东部、河南洛宁、汝州、豫西熊耳山、崤山一带也有零星出露。整体来看,大古石组有近源快速堆积的特征,为冲积扇—扇三角洲沉积环境。

        在大古石组之上发育一套巨厚的火山岩沉积,主要包括许山组、鸡蛋坪组和马家河组。许山组主要为一套以安山岩、安山玄武岩为主的火山岩夹流纹岩及火山碎屑岩,主要分布于洛宁、栾川、济源、鲁山、卢氏等地,厚度一般在481~3 000 m,具有由北西向东变薄趋势;鸡蛋坪组主要为一套以英安岩、流纹岩、石英斑岩为主的火山岩夹火山碎屑岩,主要分布于熊耳山、崤山和王屋山等地,厚度一般在173~2 478 m;马家河组与许山组岩性较为相似,主要为一套以安山岩、玄武安山岩为主的火山岩夹流纹岩、英安岩、火山碎屑岩及沉积岩等(图8a),以沉积岩夹层厚而多为特征。主要分布于熊耳山、王屋山、崤山和外方山等地,为熊耳群中分布最广的地层,厚度一般在1 590~1 750 m。该套火山岩下部为一套枕状玄武岩夹片岩沉积,表明此时海侵已到达熊耳裂陷槽。区域地质资料及航磁资料显示:该套火山岩在阳城地区厚近6 000 m,洛南地区熊耳群为一套玄武质火山岩沉积,其出露不完整,但推测比阳城地区熊耳群的厚度更大,表示洛南地区更靠近地幔柱的核心;山西永济野外地质剖面显示长城系熊耳群无巨厚火山岩系发育,但根据航磁资料分析,永济地区仍发育巨厚火山岩系;熊耳群主要分布于豫陕—吕梁三叉裂谷系中。

        该序列代表大陆裂谷早期沉积。大古石组为大陆裂解初期沉积,在经历短暂的地壳初始开裂之后,随着地幔柱的快速上隆,岩石圈被剧烈拉张、减薄,大量岩浆物质沿三叉裂谷喷发至地表和海底,导致豫陕—吕梁三叉裂谷系的发育,形成了许山组—马家河组一套巨厚的火山岩沉积。

      • 序列Ⅱ位于熊耳裂陷槽长城系下部,主要包括小沟背组和云梦山组。其中,该序列底部小沟背组与下伏熊耳群呈角度不整合接触,该不整合面为“王屋山运动”的产物(图9)。

        图  8  研究区中—新元古界沉积充填特征

        Figure 8.  Sedimentary filling characteristics of Meso⁃Neoproterozoic strata in the study area

        图  9  熊耳裂陷槽中—新元古代构造演化示意图

        Figure 9.  Tectonic evolution schematic diagram of Meso⁃Neoproterozoic strata of Xiong’er aulacogen in the southern margin of the North China Craton

        豫西地区小沟背组以砾岩、(含砾)粗砂岩及中—细砂岩为主,下部砾石含量高,多呈次棱角状,局部呈叠瓦状分布,中上部粒度变细,岩性为中—粗粒长石砂岩及岩屑长石砂岩;发育大型交错层理、透镜状层理、平行层理及冲刷面等构造,表示为扇三角洲沉积(图8b);该组在汝阳地区厚约900 m,万安山地区厚527.12 m;黛眉山地区厚度减薄,仅88 m。云梦山组主要为一套中—细粒石英砂岩夹泥页岩(图8c),发育大量交错层理,层面可见波痕,为碎屑岩滨岸沉积环境;区域地质资料显示,其广泛分布于豫西、太行山及王屋山地区,且区域性厚度变化较大,一般厚93~1 008 m。

        在洛南地区,与云梦山组相当沉积期的高山河群鳖盖子组主要为一套紫红色中—厚层状石英砂岩及粉砂质板岩沉积,发育波痕和干裂纹,沉积厚度为300~818 m;为碎屑岩滨岸沉积环境。

        熊耳群沉积之后,研究区小沟背组和云梦山组两者的沉积厚度超千米,并以一套粗碎屑沉积为特征,小沟背组沉积期,以砾岩、(含砾)粗砂岩等粗碎屑沉积为主,其沉积背景为海陆过渡相扇三角洲沉积环境;云梦山期海水入侵,经海水的冲刷作用,形成了云梦山组最底部的底砾岩,其后海平面继续上升,陆源碎屑供给较充足,水动力较大,波浪作用强,主要为砂砾岩、中—细粒石英砂岩夹泥页岩沉积,形成海侵时滨海沉积环境。小沟背组和云梦山组整体表现为海进环境下的裂谷晚期沉积。

        在永济地区普遍缺失小沟背组—云梦山组,表明熊耳裂陷槽裂陷晚期阶段的裂陷规模有所减弱,地壳的继续开裂仅发生在持续受剪切应力作用的裂谷中心和地幔柱中心,其他地区不在发生裂陷,在裂陷早期所形成的可容纳空间多被早期火山活动沉积物所充填,导致序列Ⅱ地层不发育。

      • 序列Ⅲ位于熊耳裂陷槽长城系白草坪组—蓟县系,主要包括白草坪组、北大尖组、崔庄组、三教堂组、洛峪口组与黄连垛组(图9)。该序列底部白草坪组与下伏云梦山组多呈整合接触,在中条山地区,白草坪组超覆不整合于熊耳群之上;该序列顶部黄连垛组与董家组呈平行不整合接触。

        白草坪组沉积期,熊耳裂陷槽海水普遍受到限制,水动力主要为潮汐作用,形成了一套泥页岩夹少量砂岩沉积(图8d),发育羽状交错层理、波痕等;沉积厚度具有北薄南厚的特征,为碎屑岩潮坪潮间—潮下带沉积环境。在嵩山—箕山地层小区,这一阶段由于地壳的抬升,没有接受沉积。

        北大尖组沉积期基本是继承了白草坪期的沉积环境,形成了一套石英砂岩、长石石英砂岩夹页岩,发育板状交错层理、楔状交错层理、羽状交错层理、波痕构造、MISS构造等,为碎屑岩潮坪沉积环境;北大尖晚期,海水由北向南逐渐退去,陆源碎屑物质供给不足,开始发育白云质石英砂岩、砂砾屑白云岩,沉积环境也逐渐过渡到碳酸盐岩潮坪沉积;主要分布于豫西、中条山、王屋山等地区,其厚度一般为190~400 m。在嵩山—箕山地层小区,马鞍山组与北大尖组岩性与沉积环境基本相似(图8e),区内主要分布于嵩山东西两侧一带,厚度为121~645 m。

        崔庄组早期遭受海侵,海平面上升,沉积一套褐色、白色石英砂岩,发育小型交错层理、波痕构造,反映早期为近滨—前滨沉积环境;崔庄组中晚期,随着海侵的继续,海水持续加深,水动力条件逐渐减弱,形成了灰黑色、灰绿色页岩、粉砂质页岩夹紫红色薄层铁质砂岩沉积,发育大量水平层理、波痕构造、MISS构造,并可见海绿石及褐铁矿,反映中—晚期为水体变深的浅海陆棚沉积(图8f)。在嵩山—箕山地层小区,葡萄峪组与崔庄组相似,沉积了一套粉砂岩和黑色页岩,表明此时为最大海侵,海水已沿裂谷深入到克拉通内部。

        三教堂组沉积期,海平面下降,形成了一套细粒石英砂岩沉积(图8g),发育平行层理、交错层理、波痕构造,并可见海绿石、石榴子石、褐铁矿,属水体逐渐变浅的滨岸沉积。在嵩山—箕山地层小区,骆驼畔组与三教堂组的岩性与沉积环境基本相似,厚度为17~68 m。

        洛峪口组沉积早期,形成了一套灰绿色、紫红色泥页岩、粉砂质页岩,反映为水体较安静的过渡带沉积环境,中晚期海水受到限制,由于缺乏陆源碎屑物供给,主要沉积物为一套灰紫色、灰白色白云岩,夹少量的薄层杂色页岩,含有柱状叠层石,沉积环境转变为碳酸盐岩潮坪沉积(图8f)。在嵩山—箕山地层小区,何家寨组与洛峪口组的的岩性与沉积环境基本相似,其主要分布于嵩山东西两侧一带,厚度为160~329 m。

        黄莲垛早期,水动力较强,陆源碎屑物供给充足,沉积一套碎屑岩沉积物,岩性为灰白色层状砂砾岩,白色细—中粒石英砂岩;随后,海水加深,沉积环境逐步转化为还原环境,沉积物主要岩性为白云岩、浅灰白色硅质条带白云岩,硅质条带具有条纹状、波状和层状构造,其中含叠层石,为碳酸盐岩潮下带—潮间带沉积环境。黄连垛组主要在下汤、叶县、舞钢及泌阳一带,沉积厚度133~445 m,舞钢九头崖以东沉积缺失,同期在小秦岭—栾川地层小区沉积有官道口群龙家园组和巡检司组。

        序列Ⅲ主要发育碎屑岩滨岸—浅海陆棚—碳酸盐岩台地等沉积环境,说明其裂谷发育停止,裂谷作用结束,整体转变为被动大陆边缘沉积。在被动大陆边缘早期沉积阶段,发育一套石英砂岩、粉砂岩、泥页岩沉积,在渑池—确山地层小区沉积了白草坪组、北大尖组、崔庄组与三教堂组;在中条山—王屋山地层小区沉积了白草坪组、北大尖组与崔庄组,不发育三教堂组,可能该区在该时期构造隆起,造成地层缺失;在嵩山—箕山地层小区沉积了五佛山群马鞍山组、葡萄峪组和骆驼畔组,在洛南地区沉积了高山河群二道河组和陈家涧组。在被动大陆边缘晚期,主要发育以碳酸盐岩为主的陆表海沉积,在渑池—确山地层小区沉积了洛峪口组和黄连垛组;在中条山—王屋山地层小区沉积了洛峪口组和龙家园组;在嵩山—箕山地层小区沉积了五佛山群何家寨组,在洛南地区沉积了官道口群。

      • 在同一地质历史时期的燕辽裂陷槽待建系,被认为是主动大陆边缘沉积,考虑到1 200~1 000 Ma时期正是Rodinia超大陆的形成期,或对应于格林维尔造山(Grenville orogeny)阶段,推测受此影响,熊耳裂陷槽在大庄组之后的大段沉积缺失是由于大陆碰撞,构造抬升引起的[44]。因此将熊耳裂陷槽青白口系—震旦系沉积划分为新一轮被动大陆边缘沉积(图9)。

        序列Ⅳ位于熊耳裂陷槽新元古界,在渑池—确山地层小区主要包括董家组、罗圈组与东坡组;在小秦岭—栾川地层小区主要包括三川组、南泥湖组、煤密沟组、大红口组与鱼库组。该序列底部董家组与下伏黄连垛组多呈平行不整合接触,该序列顶部东坡组与上覆寒武系辛集组平行呈不整合接触。

        青白口纪,在渑池—确山地层小区,董家组接受了一次海侵,但范围较之前的小。早中期主要沉积物为浅黄色、浅肉红色砂砾岩、长石石英砂岩、石英砂岩和海绿石砂岩等,砾岩中砾石主要成分为白云岩、条带状硅质岩、脉石英等,磨圆度较高,砂岩中普遍发育交错层理、浪成波痕,常呈粗—细相间的韵律产出,反映为碎屑岩滨岸沉积环境。晚期水体受到限制,沉积一套浅灰红色泥—粉晶白云岩,水平层理、条带状构造较为发育,为碳酸盐岩潮坪沉积环境。而小秦岭—栾川地层小区,青白口系为一套陆源碎屑岩-碳酸盐岩建造,自下而上主要分为三川组、南泥湖组、煤密沟组和大红口组,主要分布于栾川地区,在南召、方城、确山、卢氏、洛南等地断续分部。嵩箕地层小区在蓟县纪和青白口纪由于构造运动导致地壳上升隆起,并没有接受沉积。

        南华纪,熊耳裂陷槽仅在小秦岭—栾川地层小区内发育鱼库组,主要为灰色-灰白色厚层白云质大理岩、含硅质条带大理岩,石英岩和黑云绢云石英片岩,同生角砾岩层,显示海水逐渐变浅,主要发育一套碳酸盐岩建造,岩性主要为含叠层石白云石大理岩,反映为碳酸盐台地潮坪沉积环境;主要分布于栾川、卢氏等地,厚度一般为653~1 650 m。

        震旦纪,在渑池—确山地层小区鲁山地区罗圈期进入冰期阶段,主要发育一套冰碛泥砂质砾岩、含砾砂岩及含砾页岩,具坠石构造,为一套典型的冰川沉积(图8h)。震旦末期,华北板块发生抬升,古陆面积进一步增大,由于气变暖,冰川融化,再一次大规模海侵,东坡组底部为细砂岩,向上为页岩夹粉砂岩沉积,为临滨—浅海陆棚沉积环境。

        序列Ⅳ主要发育碎屑岩滨岸—碳酸盐岩台地—冰川—碎屑岩滨岸—浅海陆棚沉积环境,说明其为被动大陆边缘沉积。

      • (1) 在野外基干剖面实测、重点剖面观察以及部分镜下薄片观察与描述的基础上,依据岩石颜色、岩石组合类型、岩石结构、沉积构造等沉积相划分标志,将研究区中—新元古界沉积相划分为障壁型海岸相、无障壁型海岸相、浅海陆棚相、碳酸盐岩台地相、扇三角洲相及冰川相6种沉积相,并根据其沉积特征进一步划分出10种亚相及15种微相。其中无障壁型海岸相、碳酸盐岩台地相、浅海陆棚相为研究区中—新元古界主要沉积相类型。

        (2) 华北克拉通南缘熊耳裂陷槽中—新元古界横向上发育不稳定,在不同剖面地层部分缺失、沉积差异性明显。总体上,沉积环境自下而上(垂向上)发育扇三角洲(小沟背期)—无障壁型海岸(云梦山期)—碎屑岩潮坪(白草坪—北大尖期)—碳酸盐岩潮坪(北大尖晚期)—浅海陆棚(崔庄期)—无障壁型海岸(三教堂期)—碳酸盐岩潮坪(洛峪口期—蓟县纪)—无障壁型海岸(董家期)—碳酸盐岩潮坪(董家组晚期)—冰川(罗圈组早期)—浅海陆棚(罗圈组晚期)环境。

        (3) 在对燕辽拗拉槽中—新元古代地层的岩性特征、接触关系、垂向序列、形成的构造背景及以及典型基干剖面和横向对比剖面沉积环境等研究基础上,结合区域地层及构造背景等资料,认为熊耳拗拉槽先后经历了中元古代大陆裂谷早期(熊耳群)、大陆裂谷晚期(小沟背组—云梦山组)、被动大陆边缘(白草坪组—黄连垛组)等3个阶段,而新元古代青白口系—震旦系(从董家组开始)的形成是在新的被动大陆边缘阶段。

    参考文献 (48)

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