对华北中元古代海侵初期“河流相”沉积的重新认识：以天津蓟县剖面为例.docx

1、Vol.13No.1Feb.2011古地理学报JOURNALOFPALAEOGEOGRAPHY文章编号；1671-1505(2011)Ul-0021-09对华北中元古代海侵初期“河流相”沉积的重新认识：以天津蓟县剖面为例钟席'赵亮东小陈留勤梅冥相】，21中国地质大学(北京)地质过程与奸产资源国家重点实验室，北京1000832中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京100083摘要作为中元古代海侵初期一套摩达400余米的非成熟含砾砂岩地孱，常州沟蛆第一段皆被解释为一奈河流相沉根序列。然而，来自于蓟县剖面的实际资料表明需要重新审视前人的解释。在葡县剖面常州沟组最底部的含编砾粗砂岩中，双

2、向交错层理及冲刷面的频繁发育表明了其具有潮汐作用的沉积特点，这种认识否定了海侵初期大面积发育河流而衍生出的“河海"的错误柢念，并且从另一侧面表明华北克拉通在中元古代早期地充尚未稳定，不具备形成厚400余米的河流沉积背景。因此，对中元古代初期“河流相”的再申视，为古地理环境重建提供了一个思考的新途径和也要的实际资料。关键词河流沉枳潮坪沉积常州沟组蓟县剖面中元古界第一作者简介钟加男，1985年生，矿产普查与勘探专业琪士研究生。E-mail：zonycyle°通讯作者简介梅冥相，男，现为中国地质大学(北京)地球科学与雀源学院教授。中图分类号：P512.32文献标识玛：ANewun

3、derstandingof"fluvialfaciesndepositionoftheearlytransgressionperiodofMesoproterozoic:AnexamplefromJixiansectioninTianjinZhongYan',2ZhaoLiangdong1,2ChenLiuqin1,2MeiMingxiang1,21StaleKeylaboratoryofGeologicalProcessesandMineralResources,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing1000832Scho

4、olofEarthSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083AbstractTheimmatureconglomerate-bearingsandstonestrataweremorethan400mthickintheearlytransgressionperiodoftheMesoproterozoic.TheMember1oftheChangzhougouFormationwasonceexplainedasaseriesoffluvialfaciessequence.However,t

5、heactualdatafromtheJixiansectionindicatethatanewunderstandingtotheexplanationofpreresearchersneedstobemade.Intheconglomerate-bearingsandstoneofthebottomoftheChangzhougouFormationattheJixiansection,theoccurrenceofbimodalcrossbeddingsandfrequentdevelopmentofscouringsurfacesindicatedthesedimentarychara

6、cteroftidalprocess.Thiscognitiondenied*fluvialtransgression"whichwasderivedfromtheimproperconceptthatthespaciousriversappearedduringtheearlytransgression,andindirectlyindicatedthetectonicbackground,收粮日期：2010-02-20改回日期：2010-03-24thatthecrustoftheNorthChinaCratonwasnotstableandwasimpropertodeposi

7、tthe400mthickfluvialstrataatthesametime.Therefore,anewunderstandingaboutthe"fluvialdeposition"oftheEarlyMeso-proterozoicprovidedanewinspirationandimportantactualdataforreconstructionofpalaeogeography.Keywordsfluvialdeposition,tidalflatdeposition,ChangzhougouFormation,Jixiansection,Mesoprot

8、erozoicAboutthefirstauthorZhongYan,bomin1985,isamastercandidateofmineralresourceprospectingandexplorationofChinaUniversityofGeosciences(Beijing).E-mail:zonycyle.AboutthecorrespondingauthorMeiMingxiangisaprofessorofChinaUniversityofGeosciences(Beijing).图】燕山地区常州沟组早期岩相古地理图（据王长尧，1986,有修改）Fig.1Lithofacie

9、spalaeogeographicmapoftheearlydepositionofChangzhougouFormationinYanshanarea（modifiedfromWangChangyao,1986）】一中低山区；2低山丘陵区；3-冲、洪积前；4一山间盆地；5河流主流线；6-河流流向；7山何急波河一巨砾岩长石杂砂岩相区；8山间急流河一细砾宕石英杂砂岩相区；9一长石；10-J6名常州沟组系指底部不整合于太古宙片麻岩之上的一套碎屑岩组合，主要由砂砾岩和石英岩状砂岩组成，其次为粉砂岩、页岩。该组广泛分布于河北北部和辽宁西部，厚度变化较大，以蓟县为中心向西渐薄，并缺失部分层位；向东北方向

10、则变厚，在宽城地区最大厚度可达1390m,辽西凌源地区厚度为1281600m。与下伏地层诸如燕山地区的迁西群、朱杖子群，太行山中段的甘陶河群及辽西的建平群等皆呈不整合接触（陈晋镀和武铁山，1997）o根据已获得的同位素年龄数据，常州沟组于1800Ma左右开始沉积。王K尧（1986）根据华北地区常州沟组一段中的交错层理及砾石排列方向，绘制了燕山中段区域常州沟期占河流流向玫瑰图及岩相古地理图（图I）,并首次将常州沟组一段解释为河流沉积；随后和政军等（1994）在对燕山地区长城纪沉积演化的研究中，采纳了该认识并改进了王长尧（1986）的河流分布模型，提出了以宽城等地为代表的轴向湖泊被后期小规模进积型

11、三角洲充填的演化模式（和政军等，2000；和政军和牛宝贵，2004）；孙立新等（1999）在上述研究的基础上，总结了燕山中段地区常州沟蛆底砾岩的成因类型；黄学光等（2001）在划分蓟县剖面层序体系时则指出，常州沟组一段作为河流沉积，其分布范围及岩层厚度在区域内的变化应与河流主河道的分布和流向在裂陷早期受裂陷中心的控制有关；随着对华北地区、特别是北京十三陵地区长城系研究的不断深入，前人根据岩性及岩层中的构造特征将十三陵地区的常州沟组第一段含长石粗砂岩序列解释为海侵阶段的河口湾沉积环境（宋天锐和高健，1987；宋天锐等，1991；宋天锐，2007）0然而，对于这套广泛分布于河北和辽宁北部且岩性、岩

12、相变化较稳定的长城群底部砾岩，前人曾明确提出其应属海相成因（宋天锐和赵澄林，1994）。此外，志留纪以前的河流，由于缺乏植被根系对沉积物的粘结、障积以及捕获等作用，应表现为短时性地表径流、较低的河岸稳定性、京含底负载的宽广河道并具有较高的河道迁移速率等特点（Erikssonelal.t1998,2006a,2006b；Long,2006）,这些特征显然与燕山地区常州沟期发育的具有支流河道、主河道较稳定的砂质曲流河的河流形式不符合。基于这种概念上的矛盾，梅冥相等（2000）在划分华北地区元古界层序地层格架时，将常州沟组作为潮汐动力型碎屑岩米级旋回层序的垂向叠加（梅冥相，1998）,即潮汐环境中的

13、沉积相序列。由于常州沟组位于燕山地区中元古界最底部层位，将常州沟组下部的非成熟砂砾岩地层解释为河流沉积，不但与前寒武纪河流沉积样式（Erikssonetal.,1998,2006a,2006b；Long,2006）相悖，而且会错误地导出河侵的概念，最为重要的是，来自于蓟县剖面的实际资料表明这种认识还需要童新审视。1地质背景距今1.85Ga的吕梁运动是华北克拉通所经历的最为重要的事件之一，由其引发的华北克拉通东、西部地块的聚合及克拉通内部和边缘大最厚层碎屑岩和碳酸盐岩的堆积同时也是华北克拉通可作为古元古代至中元古代时期的超大陆一哥伦比亚超大陆一部分的证据（Zhaoeta/.,2004；Lueta

14、l.,2008）o而位于东部地块的蓟县地区作为燕辽裂陷槽的沉降中心，堆积了厚近万米的中、新元古代地层，底部不整合于太古界变质岩系之上的常州沟组，与上覆串岭沟组、团山子组和大红峪组一起构成长城群，中国地质学家将其称为长城系（陈晋缄等.1980；朱士兴等，1994；LueraZ.,1996）O关于长城系划分的不同意见还有很多，比如认为该套地层还包括上覆高于庄组（陈晋键和武铁山，1997）、将大红峪组归并至上部蓟县系中（孙大中和陆松年，1985）以及将大红峪组与上覆高于庄组合并为新系一南口系（朱士兴等，2005）o根据最近获得的中元古界下马岭组年龄数据（乔秀夫等.2007；高林志等，2008）及已有

15、的大红峪组年龄数据，考虑到大红峪组与上攫高于庄组之间存在区域性不整合面，长城系包括4个组的方案相对较合理（乔秀夫和高林志，2007；高林志等，2008；梅冥相等，2009）o蓟县剖面中长城群的岩性序列，总体可作为一个经历长期海平面升降旋回的沉积序列。底部的常州沟组覆盖于太古宇变质岩系之上，其间缺失古元古界，沉积间断长达0.7Ga,由一段的非成熟砂砾岩和二段的高能石英砂岩组成，该区常州沟组最底部实际上为一层厚约10cm的粉砂质泥岩而并非真正意义上的底砾岩（图2）；上覆串岭沟组表现为以粉砂质泥页岩为主的沉积序列.该组下部还发育大量成因机制尚有争议的粉砂岩岩墙（乔秀夫等，2006；梅冥相等，2007

16、；乔秀夫和高林志，2007；梅冥相等，2009；汤冬杰等，2009）；团山子组是一套砂泥质含量较高的白云岩序列，其内部发育叠层石；顶部的大红峪组则由富含火山灰的砂岩和登层石白云岩构成（陈晋镀和武铁山，1997）。根据万渝生等（2003）由常州沟组砂岩中图2常州沟组不整合上覆于太古宇变质岩系之上Fig.2TheChangzhougouFormationoverlaystheArcheanmetamorphicrockseries箭头所指为区域不整合面；Che常州沟组；Al太古宇变质岩系碎屑饴石获得的SHRIMP年龄数据，长城群开始沉积的时间不早于1800Ma,而来自于上覆串岭沟组伊利石的年龄数据

17、最晚不超过1705Ma（陆松年等,1989；KuskyandLi,2003）,因此常州沟组的分布时限大致可限定为18001705Ma。根据2009年GSA和ICS制定的地质年代表，古元古代和中元古代以1600Ma为界，因而常州沟组应归属古元古界固结系，考虑到国内习惯，文中将沿用常州沟组属于中元古界的提法。高林志等（1996）将蓟县剖面常州沟组作为一个由一段低水位体系域（LST）及两段海侵体系域（TST）组成的三级层序，反映了由河流相到海相的沉积相序列；与此不同的是，梅冥相等（2000）将常州沟组划分为由4个三级层序组成、归属长城群一级超层序的二级层序，并提出将常州沟组作为潮汐环境沉积序列的认识

18、。根据沉积相序列在时间变化过程中所显示的旋回性（梅冥相等，2000）,作者将蓟县剖面中的常州沟组划分为由4个三级层序构成的一个二级层序，同时识别并划分了该组中的米级旋回层序及其堆叠形式（图3）。2宏观沉积特征常州沟组在蓟县剖面厚近千米，可以解释为河流沉积的常州沟组一段厚428.63m（图3）,最底部似河流沉积的含砾砂岩层不整合覆盖于太古宇变质岩系之上。该组底部的交错层理和冲刷面等将成为分析沉积环境的直观证据。2.1交错层理的主要类型常州沟组一段发育大最的双向楔状交错层理（图4）、偶见楔状交错层理（或槽状交错层理）与其他类型层理的组合；部分层位中发育鱼骨状交错层理及双黏土层和潮成束状体。总体而言

19、，常州沟组一段中的楔状交错层理由下向上表现出发育密度逐渐降低、层系组厚度变小、底积层边界及其与前积层接触关系由平直变为曲线状、同一层系组中细层单元收敛角的指向及方位由相反变为一致等特征，这些变化指示了早期双向水流的消失（或者双向水流之间的动力差异较大）（ReadingetaZ.,1986；Friedmaneta/.,1987）；而岩层中所见的不同类型交错层理的组合则与沉积环境中流体性质的变化有关。值得一提的是，在一段中部保存了较完好的潮道沉积体系，其内部可见由潮流引起的特征性沙波、沙丘等底面形态（Readingeta/.,1986；Friedmanetal.,1987）o该体系的发育也从另一侧

20、面证明了一段部分层位中发育的鱼骨状交错层理及双黏土层和潮成束状体应为潮汐成因。2.2 冲刷面构造的沉积相意义蓟县剖面中常州沟组一段频繁发育冲刷而，由下向上发育密度逐渐降低，冲刷面之上堆积大量磨圆度较高的砂砾沉积物，砾石的长轴指向及扁平面优势方位大多与层面平行，通常堆积物的分选程度较低（图5-a）、部分冲刷面之上的堆积物可构成正粒序层理、偶见反粒序端中砾石磨圆度较低、分选较差的双向粒序层理（图5-b）°冲刷面作为代表沉积间断的标志，通常发育于沉积环境不稳定的沉积体系之中。频繁发存的冲刷而构造及砾石堆积而成的粒序层理（图5）,可能与高频海平面变化及该区不稳定的构造背景有关：早期堆积的砂砾

21、岩经受风化剥蚀后差异沉降堆积并定向排列至与海岸线平行，经过多次类似的沉降一剥蚀一沉降过程后形成由冲刷面分隔的正粒序层理，而双向粒序层理则可能是与该区构造活动相关的业件沉积。2.3 潮汐动力型米级旋回与河流粒序层的区别潮汐动力型米级旋回发育于浅海相陆源碎屑岩地层中，是异成因机制控制下的自旋回沉积作用过程的产物（梅冥相等，2000）o以潮汐为主要沉积营力的碎屑岩层中主要发育：&-潮下高能砂岩（含砾砂岩），发育大型交错层理和冲刷面，是潮下高能动荡浅水环境的产物；b-潮下坪砂岩，发育交错层理，部分层位可见冲刷面，是潮下坪环境的产物；c-潮间坪泥质砂岩，发育波状潮汐层理，偶见波状交错层理，为潮间

22、坪环境的产物；d-潮间坪砂质泥岩，主要发育波状交错层理，也是潮间坪环境的产物，但其水体动力能量更低；e-潮上坪砂质泥页岩，发育透镜状潮汐层理和泥裂，见水平纹层，为潮上坪极浅水静水环境产物。上述岩相单元常常叠置成若干类型的潮汐动力型米级旋回层序，但是由完整的“b&bc（d）e”岩相序列所组成的米级旋网层序在地层记录中是罕见的，更多的是体现为如图3所示的ac、ad.bd、bdc或bdce三级层序沉枳类乘坪科潮”坪相豆aw：志斗；.¥污:公路地名制面位S状腰状层憧汐平腰9波汐透湖水蚊泥-48OOMa-瞄器岩匚1砂岩组azm：*G3繇ES溢三冲蜘图3天津箭县削面常州沟组沉积序列及层序

23、划分和交通位曾Fig.3Trafficlocation,sequencedivisionanddepositionsequencesoftheChangzhougouFormationatJixiansectioninTianjinA-常州沟组沉枳序列及层序划分，其中&为潮下高能砂岩（含砾砂岩），b为潮下坪砂岩c为湖间坪含泥砂岩，d为潮上坪砂质泥岩，e为潮上坪砂质泥页岩；B制面交通位置理图4常州沟组一段中的双向交借层理（箭头指示层系组内细层收敛角的指向）Fig.4BimodalcrossbeddingsoftheMember1ofChangzhougouFormation等序列所组成的

24、层序类型，其基本特征是沉积环境水体总体向上变浅、岩层向上变薄、颗粒向上变细，以瞬时暴露间断面或相应的突然相变面作为米级旋回层序的界面。与此类似的是，一个完整的河流粒序层也表现出水体向上变浅、颗粒向上变细的正粒序特征（Readingeta/.,1986;Friedmaneta/.,1987）；但是河流粒序层是因河道迁移形成的岩相序列，其岩性和构造直接受控于水动力条件。以蓟县剖面常州沟组一段为例，如果将其解释为河道滞留沉积的底砾岩,则难以解释本应缺乏交错层理的砾岩相（Reading201】年2月eta/,1986）中却大量发育冲刷面和交错层理的矛盾；同时，根据一段含细砾粗砂岩并非典型底砾岩的事实，

25、如果将其归属为河道沉积交错层理砂岩相，则又缺乏可以将该岩层序列解释为河流沉积的直接证据。因此，根据来自于蓟县剖面的实际资料，常州沟组一段似乎更像是在二级海侵过程中，沉积基准面旋回性升降，高频、短期旋回性海侵、海退形成的成因层序，沉积相演化序列为潮下高能砂砾质海滩一潮下坪一潮间坪，其三级层序界面为潮上坪沉积间断面：早期高能潮下砂砾滩水动力较强且其涨潮流和落潮流具有近似的搬运、冲蚀能力，因此形成层系厚度较大且底形保存不完好的双向楔状层理。随着海平面下降，潮下滩演化为水动力条件较弱但更稳定的潮下坪、潮间坪，落潮流侵蚀能力减弱、沉积楔状体被涨潮流冲蚀改造，因此仅能保存潮汐涨潮流形成的单向楔状交错层理；

26、另外，由于沉积环境更稳定，此时该区可保存各种事件成因沉积构造，如不同类型的交错层理组合即可能与短期的相对海平面升降导致的流体性质变化有关（Col.linsonandThompson,1982）o与此同时，一段大量发育的冲刷面及粒序层理等也指示了高频海平面变化及其形成米级旋回层序的可能性。3微观特征图5常州沟组一段中的冲刷面及堆积的砾石（箭头均指示砾石排列的优势方位）Fig.5ScouringsurfacestructureandstackinggravelsoftheMember1ofChangzhougouFormation一冲刷面及大致平行层面排列的砾石；b冲刷面上星双向粒序层理堆枳、呈顺

27、层、定向排列的砾石常州沟组是一套由非成熟砂砾岩至高能石英砂岩所组成的沉积序列，其二段中发育的大套石英砂岩在横向上延伸较远并呈毯状分布，其中发育的交错层理及冲刷面等构造、岩层的结构、成分成熟度均与典型的高能潮汐控制的浅海相毯状砂体一“朱拉石英岩”相似（Readingefa/.,1986）。虽然蓟县剖面常州沟组一段含砾砂岩的成分成熟度较低，但其较稳定的横向分布、岩层中的沉积构造特点均指示该套岩层同样也可作为“毯状砂体”，而对一段含砾砂岩及二段石英砂岩样品微观特征的对比研究将为该认识提供岩性特征方面的证据。3.1组分特征在显微镜F,常州沟组一段主体为成熟度较低的含细砾粗砂岩，中一粗粒不等粒结构，杂基

28、支撑。石英含辱小于50%；岩屑、矿屑（如长石、石英等）含扯大于10%；杂基平均含枇约为30%,以泥质、粉砂质为主，少质砂质（图6-a,6-b）。二段主体为成熟度较高的纯净石英砂岩，细粒等粒结构，颗粒支撑，饿嵌胶结（图6-c,6-d）。值得注意的是，前人根据蓟县地区常州沟组一段的重矿物组合及钻石的标型特征，提出其物源区应为紫苏麻粒岩区、片麻岩区和黑云母斜长片麻岩区（宋天锐等，1991）,并以此作为其是河流沉积的证据之一。但是根据近年来的研究成果，华北克拉通东部地块的太古宇变质岩系大致在2500Ma时期即为绿片岩一麻粒岩相（Lueta/.,2008）,这意味着常州沟组一段的重矿物极有可能是近源沉积

29、物而并非一定由河流搬运而来。相对于二段的海相砂岩，常州沟组一段的颗粒图6常州沟组一段及二段岩石薄片显微照片Fig.6MicrophotosoftheMembersIand2ofChangzhougouFormationo.。一分别为一段及二段样品皿偏光下图像；bd-分别为a、c中矩形区域正文光下的放大图像99.9999.9990.10.015OOOOOOOOO5998765432195000000000599987654321名佃会IE略眺99.99一99.9-10123456-10123456粒径/6粒径/中图7常州沟组一段及二段底部样品粒度分析结果Fig.7Diagramsshowingr

30、esultsofgrainsizeanalysisoftheMembers1and2ofChangzhougouFormationa一一段样品；b二段底部样品；1一累积曲线；2概率累积曲线；3频率曲线；、一平均值；度；S。一分选系数；S、一偏度磨圆度同样较高，但其分选程度及成分成熟度则低于二段样品。在粗粒物质含量很低的情况下（图7）,较高的颗粒磨圆程度仅反映沉积物经历了长期的冲蚀改造，而与其经历的搬运过程中发生的机械碰撞无关（郑浚茂，1982）；较低的沉积物分选程度及成分成熟度，则可解释为快速沉降所致。3.2粒度特征图7为常州沟组一段含细砾粗砂岩与二段石英砂岩典型样品的粒度分析图。可以看到，一

31、段样品的粒径分布范围较大，但粗粒端沉积物含量较低，沉积颗粒以中砂为主（图7-a）；而二段石英砂岩粒度分布曲线较好地反映了其高能潮下毯状砂体的粒度特征（图7-b）o根据郑浚茂（1982）关于沉积环境粒度分布曲线的分析，一段样品可作为快速沉降所形成的分选不均的海相砂岩，其近似单峰式的频率曲线、三级次总体概率累计曲线均较好地反映出与二段海相砂岩相似的特征。基于一段与二段典型样品在组分特征及粒度特征12的对比分析可知，将常州沟组一段解释为高能潮下含砾砂滩环境所形成的毯状砂体是可行的，正是由于K期的沉积间断引发了高频海平面变化过程中的快速沉降，形成了在横向I：分布稳定、内部发育交错层理和冲刷面、磨圆度较

32、高但成分成熟度较低的毯状砂体。4结语燕山地区的中元古界作为该区第一套沉积盖层，以天津蓟县剖面最为典型。中元古界最底部的常州沟组砂岩地层，角度不整合覆盖在太古界迁西群变质岩系之上，该不整合而代表的地层间断大于700Ma。常州沟组一段含较多不稳定组分的含细砾粗砂岩地层，经过系统的研究认为应属于海侵初期的近岸潮汐砂滩沉积，从而改变了前人将其归为“河流沉积”的认识。这种沉积相归属的更新认识表明，元古代早期（】8001700Ma）前的华北克拉通远远没有发育到能形成厚400余米的河流沉积的大陆背景，从而为该时期的占地理重建提供了一个思考途径和重要的实际材料。参考文献陈皆镶.武佚山.1997.华北区区域地层

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