豫西焦作中奥陶统马家沟组沉积构造及其环境解释.pdf

豫西焦作中奥陶统马家沟组沉积构造及其环境解释 刘顺喜 王 娟 河南理工大学 资源与环境学院 河南 焦作 454000 摘 要 豫西焦作缝山针公园中奥陶统马家沟组灰岩中沉积构造尤为发育 究其成因而言 可分为 物理 生物 化学三种 不同的沉积构造发育在不同的沉积环境中 特殊的沉积构造更能代表特定的沉积 环境 如丘状交错层理出现在正常浪基面以下的风暴沉积中 代表了动荡的高能环境 Chondrites生物 遗迹扰动构造常出现在缺氧的极端环境中等 关键词 中奥陶统 马家沟组 沉积构造 丘状交错层理 1 引言 沉积构造是一个地质实体 它是指沉积物内部 的宏观特征 从沉积期或沉积后通过物理的 化学 的 生物等的作用 在沉积物内部或沉积物与流体的 界面间所形成的构造 1 3 近年来 通过各种模拟 实验 4 和现代沉积环境的研究 对沉积岩构造形成 机理的解释有较大进展 5 有助于利用原生沉积构 造恢复古沉积环境 如古水流的水深 流速 流动方 向等 6 8 2 地质背景 图1 焦作缝山公园大地构造位置图 缝山针公园位于豫西焦作市区北山中部 西至 群英河 东至瓮涧河 南临影视大道 北与巍巍太行 山融为一体 占地面积40公顷 焦作北山地处华北 陆块的中南部 位于河南省西北部 太行山南段东 麓 主要是一套由古生代地层所组成的 大致向南南 东方向倾斜的单斜构造 图 1 缝山针公园为山前冲 积平原 地质构造较复杂 以断层为主 辅以轻微褶 曲 褶曲构造主要表现为走向方向上的挤压现象 有 单斜地垒构造 中部有一正断层 地势由西北向东南 倾斜 主要发育中奥陶统马家沟组地层 局部发育上 石炭统本溪组和太原组地层 3 实测地层 该地区的奥陶系石灰岩共含有八层 每层的厚 度 性质特征不同 由于怀远运动和加里东运动地壳 抬升引起的古侵蚀作用 使整个华北地区奥陶系没 有完整的沉积剖面 又由于地形及植被覆盖所限 此 次实测了马家沟组的一小段岩层 岩性主要为灰白 青灰 灰黑色石灰岩 灰黄 土黄 紫红色泥灰岩 以 下将该段地层的剖面描述如下 上覆地层 早石炭世本溪组 平行不整合接触 7 灰色 灰白色厚层状石灰岩 节理裂隙中见次 生方解石脉 滴加盐酸剧烈起泡 发育水行层理 6 15m 6 灰黄色薄层状泥质灰岩 具水平层理 藻类生 长构造 1 85m 5 灰黑色厚层状泥晶石灰岩 泥晶方解石 1 85m 4 土黄 紫红色薄层状泥质灰岩 局部发育藻灰 岩 具丘状交错层理 水平层理 3 9m 3 青灰色厚层状石灰岩 岩层中可见缝合线构 造 发育波状层理 3 65m 2 薄层状泥岩 0 2m 1 灰色 灰白色厚层状石灰岩 下部具水平层 73 2009年第16期 内蒙古石油化工 收稿日期 2009 05 21 基金项目 河南理工大学博士基金资助项目 B2009 93 理 上部发育遗迹化石 块状层理 8 45m 未见底 4 沉积构造类型及解释 焦作缝山针公园中奥陶统马家沟组岩性主要为 一套厚层灰岩夹薄层状泥灰岩 发育的沉积构造根 据其生成的因素可分为 物理成因的水平层理 图版 I A 丘状交错层理 图版I D 块状层理 图版I G 波状层理 图版I B 生物成因的叠层构造 图版I C 和生物扰动构造 图版I F 化学成因 的缝合线构造 图版I E 4 1 水平层理 horizontal bedding 纹层呈直线状相互平行 并且平行于层面 一般 认为这种层理是在比较稳定的水动力条件下 物质 从悬浮物或溶液中沉淀而成 层理的显现是由于进 入沉积物中的物质发生变更所致 如粒度变化 不透 明矿物的分布 云母片和碳质碎片的顺层排列等 水 平层理分布广泛 多在细粒的粉砂和泥质物中出现 常见于海湖的深水地带 闭塞海湾 泻湖 沼泽以及 牛轭湖等环境中 该地的水平层理说明焦作北山当 时沉积环境为浅海中较深的环境 4 2 丘状交错层理 hummocky cross bedding 是由一些宽缓波状层系组成的 顶面外形呈圆 丘状 纹层向四周倾斜 层系上部被侵蚀 纹层与层 系底界近乎平行 而中部呈发散 收敛状 纹层倾 角小而变化大 与之对应的是下洼状纹层 具有相似 特征 区别在于前者以上凸丘状层系为特征 后者以 下洼波状层系为特征 这些层理的产出 是风暴沉积 的主要标志 主要出现在近滨带和正常浪基面以下 风暴浪振荡作用环境中 4 3 块状层理 massive bedding 又称均匀层理或无层理 层内物质均匀 无组分 和结构的差异 甚至用仪器也辨认不出纹理或内部 物质排列的一种沉积构造 它的形成大致有3种成 因 A 由未经分选的沉积颗粒杂乱分布沉积而成 没有任何明显的沉积构造 B 由沉积物非常迅速沉 积或者高密度悬移物质快速沉积形成 C 原来的层 理被强烈的生物扰动 成岩压实作用 泄水作用或重 结晶交代作用所破坏而成 块状层理常见于泥岩或 厚层的粗碎屑岩中 见于浊积及洪水沉积环境 4 4 波状层理 wavy bedding 纹层呈对称或不对称的波状 但其总的方向平 行于层面 这种层理主要是由沉积介质的波浪振荡 运动造成的 其次是单向水流的前进运动造成的 前 者主要形成对称形态的波状层理 后者形成不对称 波状层理 同时叠覆层的相位错开 波状层理形成于 水介质稍浅的沉积环境 如在海 湖的浅水粉砂和泥 质交互沉积地带及河漫滩等沉积地区较常见 在海 湾 泻湖等地区也可见 在这些地区有大量沉积物供 给 并且当沉积速率大于侵蚀速率时 在波浪和水流 作用下 砂波迁移并显著向上生长 可保存连续的波 状层理 4 5 缝合线构造 stylolitic structure 是碳酸盐岩中常见的一种裂缝构造 也见于石 英砂岩 硅质岩及蒸发岩 在岩层的切面上 它呈现 为锯齿状的曲线 样子很象头盖骨的接缝 此即称为 缝合线 在平面上 即在沿此裂缝破裂面上 它呈现 为参差不平凹凸起伏的面 此即缝合面 从立体上 看 这些凹下或凸起的大小不等的柱体 称为缝合 柱 在这三种表现形式中 以缝合线最常见 缝合线 构造的大小差别甚大 构造的形态差别也很大 有的 参差起伏十分明显尖锐 有的则较平坦 以至逐渐与 层面一致而消失 缝合线构造 有的与层面平行 甚 至和层面一致 有的则与层面交叉 也可以几组相交 成网状 关于缝合线的成因有原生论及次生论两大观 点 原生论者认为缝合线是在沉积作用过程中生成 的 其证据有 缝合线被构造裂缝或方解石脉切割 缝合面平行层面 或者缝合面就是层面或沉积间断 面等 次生论者用缝合线的形成受构造裂缝控制 缝 合线切割构造裂缝或方解石脉 缝合线切割化石及 鲕粒等观点 认为缝合线构造在成岩作用或后生作 用阶段生成的 是次生的 目前 大多数人认为缝合 线构造是由于压力 溶解作用 主要是溶解作用 而 形成的 缝山公园的缝合线构造 其缝合面平行于岩 层面发育 是在在沉积作用过程中形成的 4 6 生物成因构造 biogenic structure 主要由蓝绿藻形成的叠层构造和生物扰动构 造 叠层构造是由席状生长的蓝绿藻丝及其粘液质 粘附 捕获细粒沉积物组成近平行微波状起伏的或 与重力方向相反的穹状隆起的暗 亮层相间的构造 生物扰动构造是生物在生活和觅食过程中 对沉积 物产生扰动 破坏或改变了原生的沉积构造 而留下 的扰动痕迹 缝山针公园马家沟组藻类叠层构造发 育在土黄色泥质灰岩中 平面上多呈连接的半球形 或球形穹状隆起 多形成与潮间带环境 生物扰动构 造主要是由Chondrites遗迹化石造迹生物形成的 该化石发育于深灰色的灰岩中 个体细小 分枝级别 一般为2级 分枝角度30 40 直径大多在1mm左 右 指示一种缺氧环境 10 5 沉积环境及演化 沉积环境是一个具有独特的物理 化学和生物 特征的自然地理单元 通过对焦作缝山针公园的地 83内蒙古石油化工 2009年第16期 93 2009年第16期 刘顺喜等 豫西焦作中奥陶统马家沟组沉积构造及其环境解释 层 岩性 沉积构造的分析 结合该时期整个华北盆 地的基本情况 认为中奥陶统马家沟组主要为浅海 陆棚相和潮坪相 奥陶纪时期 整个华北形成北厚南薄的总趋势 且岩性都较均一 中奥陶纪华北盆地相对广泛地接 受了一次海侵 9 这次海侵可能主要与全球海平面 的上升有关 沉积中心和沉降中心有向南东方向迁 移的趋势 缝山针公园中奥陶统马家沟组碳酸岩的沉积环 境是水体很浅的陆表海 以相带宽缓的潮间坪 潮上 坪为主体相 沉积经常暴露地表 陆源物质极少 沉 积速率慢 既不利于水生生物生长 更不利于其遗体 的保存 这是其有机质丰度低的根本原因 马家沟期 由于海平面的升降发生了一次海退和一次海进 从 而形成了两个三级旋回 沉积环境由发育开阔海演 变为潮坪再到开阔海 早期为开阔海沉积 形成了厚 层灰白色石灰岩 主要沉积构造为水平层理 说明水 体较深 局部出现了缺氧标志的Chondrites生物扰 动层 说明在开阔海局部出现闭塞区域沉积 随后 发生了一次海退 沉积环境变为潮上坪沉积 形成了 紫红色薄层状泥质灰岩 发育水平层理和波状层理 丘状交错层理代表了动荡环境的风暴沉积 一般出 现在潮下坪 局部可能受地形影响产生了岩性单一 的快速堆积物 出现了块状层理 藻类生长构造的出 现说明下一次的海进体系出现 水体略微加深 又向 开阔海演化 6 结论 6 1 豫西焦作缝山公园中奥陶统马家沟组灰岩发 育4种物理成因沉积构造 2种生物成因沉积构造和 1种化学成因沉积构造 6 2 通过沉积构造的分析 可知马家沟组沉积经过 了开阔海 潮坪 开阔海三个阶段的演化 参考文献 1 Selly R C A n introduction to sedimentology M London A cadem ic Press Inc 1976 208 209 2 冯增昭 沉积岩石学 第二版 M 北京 石油 工业出版社 1993 108 131 3 方邺森 任磊夫 沉积岩石学教程 M 北京 地质出版社 1987 74 4 Gerard V M iddleton 汪崎生 对沉积构造进 行水力学解释的进展 J 江汉石油学院情 报 1992 1 1 9 5 王青春 鲍志东 贺萍 内波沉积中指向沉积构 造的形成机理 J 沉积学报 2005 23 2 255 259 6 郑伟 齐永安 刘顺喜 张洲 河南云台山世界 地质公园云梦山组波痕类型及其成因分析 J 河南理工大学学报 2008 27 4 399 403 7 鲜本忠 姜在兴 胡书毅 初宝杰 宋修宪 黄河 三角洲冰冻沉积构造及其环境意义 J 沉积 学报 2003 21 4 586 592 8 胡斌 张利伟 齐永安 郭卫星 济源下侏罗统 鞍腰组沉积构造特征及环境解释 J 焦作工 学院学报 2004 23 1 18 22 9 陈霞 徐辉 华北地台奥陶系碳酸盐岩储集岩 成因类型与展布 J 沉积学报 1994 12 3 47 55 10 胡斌 王冠忠 齐永安 痕迹学理论与应用 M 中国矿业大学出版社 1997 126 127 Sedi mentary Structures and Environmental Interpretation of Majiagou Formation m iddle ordovician in Jiaozuo W estern Henan L IU S hun x i W A N G