宋慧波 胡 斌 張 璐 劉順喜 牛永斌

(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院河南省生物遺跡與成礦過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南焦作 454003)

河南省太原組沉積時期巖相古地理特征①

宋慧波 胡 斌 張 璐 劉順喜 牛永斌

(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院河南省生物遺跡與成礦過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南焦作 454003)

河南省早二疊世太原組沉積區(qū)位于華北盆地南部北秦嶺褶皺帶欒川-固始深斷裂以北地區(qū),當(dāng)時的沉積盆地受華北地塊西隆東傾的構(gòu)造古地理控制,是晚古生代華北陸表海盆地或碳酸鹽巖臺地沉積的一部分,發(fā)育了一套以碳酸鹽巖為主夾碎屑巖和煤為特色的陸表海沉積。太原組巖性以灰-深灰色薄-中厚層狀生物屑灰?guī)r為主,夾薄-中厚層狀的泥巖、泥灰?guī)r、細(xì)砂巖、粉砂巖及煤層,局部出現(xiàn)淺灰色厚層中一細(xì)粒砂巖、粗砂巖或灰白色石英砂巖,產(chǎn)有豐富的紡錘蟲、牙形石、腕足、珊瑚、海百合、雙殼類和植物化石等。在沉積序列上,自下而上分為三個巖性段,即①下部灰?guī)r段,主要由4～5層灰?guī)r組成;②中部碎屑巖段,主要由砂、泥巖組成,夾不穩(wěn)定生物屑微晶灰?guī)r1～3層;③上部灰?guī)r段,含灰?guī)r2～3層,局部可達(dá)4～5層。基于地層厚度、碳酸鹽巖厚度和砂/泥比等值線的變化趨勢分析以及遺跡化石、指相化石和沉積類型的組成與分布特征,可以劃分出5種沉積相(潮坪相、潟湖相、障壁島或砂壩相、局限臺地相和開闊臺地相)、12種沉積類型、3種沉積組合類型和3種巖相區(qū),包括局限臺地-潮坪泥晶灰?guī)r、泥巖相區(qū)、開闊臺地-潮坪-潟湖灰?guī)r、碎屑巖相區(qū)、開闊臺地-障壁島-潮坪灰?guī)r、碎屑巖相區(qū)。太原組沉積期的古地理特征表現(xiàn)為:海域分布廣泛,海相灰?guī)r幾乎遍及全區(qū);海陸邊界已向南、向西擴(kuò)至靈寶-洛寧-嵩縣-方城-泌陽一線,該線以西為伏牛古陸,三門峽至濟(jì)源一線以北為中條古陸,古地勢呈現(xiàn)為北西高、南東低,西陡東緩,最大厚度沉積區(qū)位于東北部及東部的特點(diǎn);海水自東和北東兩個方向侵入,并自北西向南東方向退去。由于沉積區(qū)域內(nèi)地形比較平緩,海水進(jìn)退頻繁,形成了一套受限陸表海的碳酸鹽巖與濱岸潮坪含煤碎屑巖多次交互出現(xiàn)的沉積,在河南省境內(nèi)濱海平原上的泥炭坪大面積發(fā)育,許多地區(qū)形成了具有工業(yè)價值的可采煤層。

沉積相 巖相古地理 太原組 早二疊世 河南省

0 前言

河南省下二疊統(tǒng)太原組系一套以碳酸鹽巖和陸源碎屑巖為主的沉積,沉積區(qū)位于華北盆地南部北秦嶺褶皺帶欒川-固始深斷裂以北地區(qū)(圖1)。前人在古生物地層學(xué)、沉積環(huán)境和聚煤規(guī)律等方面已做過專門調(diào)查研究工作[1～3]。在沉積環(huán)境和巖相古地理研究方面,郭熙年等[4]在開展“河南省晚古生代聚煤規(guī)律”課題研究時已經(jīng)做過大量工作,提出了“陸表海碳酸鹽臺地-碎屑堡島復(fù)合沉積體系與沉積模式”。本文在前人工作的基礎(chǔ)上,又增加了部分野外露頭和隱伏區(qū)新勘探資料的沉積相、遺跡化石研究等研究工作,較系統(tǒng)分析了全省各地太原組代表性剖面的沉積相和沉積類型的分布特征,繪制了地層厚度等值線、碳酸鹽巖厚度等值線和砂/泥比等值線圖,并將單因素分析與綜合因素分析相結(jié)合,繪制了河南省早二疊世(太原組沉積期)巖相古地理圖。這一成果將可為河南省晚古生代時期的潛力資源評價提供盆地沉積背景方面的理論依據(jù)和重要基礎(chǔ)性資料。

1 區(qū)域構(gòu)造古地理背景

從區(qū)域構(gòu)造上看,河南省境內(nèi)晚古生代沉積區(qū)位于欒川至固始一線以北的中朝板塊華北地塊南部(圖1),包含南華北盆地主體部分。在石炭紀(jì)末至早二疊世,中朝板塊(華北地塊)與西伯利亞板塊發(fā)生了碰撞造山作用,西伯利亞板塊俯沖加劇。隨著擠壓應(yīng)力從板緣向板內(nèi)逐步傳遞,不僅在板塊北緣活動帶形成了海西期興蒙造山帶,使早古生代弧-陸碰撞形成的加里東期燕山-陰山造山帶進(jìn)一步隆升,而且也使中朝板塊(華北地塊)中南部擠壓坳陷,形成沉積盆地。此時,秦嶺-大別地塊與華北地塊發(fā)生了雙剪刀狀反向的、斜向穿時的俯沖碰撞(點(diǎn)接觸碰撞)作用,并且首先發(fā)生點(diǎn)接觸碰撞的地區(qū)是丹鳳-商南-鎮(zhèn)平-桐柏一帶(圖1)。在點(diǎn)接觸碰撞的造山作用下,北秦嶺構(gòu)造帶開始隆升。與點(diǎn)接觸碰撞地區(qū)相對應(yīng),首先隆升的地區(qū)是小泰嶺和伏牛山地區(qū)。而華北地塊南部擠壓沉降,在早二疊世時期,由構(gòu)造高地演化為陸表海盆地[5]。在這種構(gòu)造作用背景下,構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致了華北地塊北升南降的的“翹板式”構(gòu)造運(yùn)動,形成北西高、南東低的地勢,南部表現(xiàn)為西陡東緩,沉積中心偏向東北部及東部的特點(diǎn)。早二疊世時期,整個華北地塊海侵十分活躍、海域分布相當(dāng)廣泛,海相灰?guī)r幾乎遍及全區(qū)。此期,華北地區(qū)經(jīng)歷了最大海侵和逐漸海退的全過程。由于沉積區(qū)域內(nèi)地形比較平緩,海水進(jìn)退頻繁且時限較短暫,區(qū)內(nèi)沉積了一套受限陸表海的碎屑巖與碳酸鹽巖交互地層。在河南省境內(nèi)濱海平原上的泥炭坪沼澤大面積發(fā)育,許多地區(qū)形成了太原組可采煤層。

圖1 河南省太原組研究區(qū)范圍示意圖(據(jù)郭熙年等,1991修改)Fig.1 Showing the study area of the Early Permian Taiyuan Formation in Henan province(modified from Guo Xinian,et al.,1991)

2 地層發(fā)育特征

河南省下二疊統(tǒng)太原組是一套陸表海碳酸鹽巖、濱岸碎屑巖沉積,以灰-深灰色薄-中厚層狀生物屑灰?guī)r為主,由泥巖、灰?guī)r、細(xì)砂巖、粉砂巖及煤層組成,夾厚度不等的灰色中-細(xì)粒砂巖、粗砂巖或灰白色石英砂巖,產(chǎn)有豐富的動,植物化石,主要有紡錘蟲類、有孔蟲、牙形石、介形類、腕足類、海百合及雙殼類、珊瑚、古植物等。在縱向沉積序列上,太原組常分為下部灰?guī)r段,中部碎屑巖段和上部灰?guī)r段(圖2)。上部灰?guī)r段由深灰色中厚-厚層狀含燧石灰?guī)r、生物屑灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤組成,本段含灰?guī)r2 ～3層,局部可達(dá)4～5層,其中下部2～3層灰?guī)r發(fā)育較穩(wěn)定,本段灰?guī)r總厚度大于碎屑巖總厚度;中部碎屑巖段由灰白、灰色中、細(xì)粒石英砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖夾簿煤層(2～3層)及不穩(wěn)定生物屑微晶灰?guī)r(常呈透鏡體,1～3層)組成,本段灰?guī)r總厚度小于碎屑巖總厚度;下部灰?guī)r段由4～5層灰?guī)r組成,夾薄層細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和煤層(煤線),本段灰?guī)r總厚度大于碎屑巖總厚度。本組灰?guī)r以生物碎屑灰?guī)r為主,次為含生物碎屑灰?guī)r和泥晶灰?guī)r,常含燧石結(jié)核或條帶,具不規(guī)則丘狀交錯層理。太原組厚22.5 ～169 m,平均68 m,多數(shù)地區(qū)常為70～90 m,豫東北及東部地區(qū)厚,豫西南地區(qū)薄。太原組頂界以最上一層灰?guī)r或含腕足類化石的海相泥巖(或硅質(zhì)泥巖)頂面與山西組整合接觸,其底界大多數(shù)地區(qū)是以最底部一層較穩(wěn)定的灰?guī)r底與本溪組整合接觸,西部少數(shù)地區(qū)是以底部砂巖與其下本溪組鋁土質(zhì)泥巖整合接觸。

圖2 河南省下二疊統(tǒng)太原組沉積相柱狀圖Fig.2 The sedimentary facies column of the Lower Permian Taiyuan Formation in Henan province

值得說明的是,研究區(qū)太原組因含紡錘蟲化石Pseudoschwagerina組合帶和植物化石斯氏鱗木-斜方鱗木-卵脈羊齒組合帶(Lepidodendron szeianum-L.posthumii-Neuropteris ovata Assemblage Zone)[6],所以其地質(zhì)時代定為早二疊世紫松期-隆林期,相當(dāng)于國際標(biāo)準(zhǔn)阿瑟爾(Asselian)中期至亞丁斯克期(Artinskian)[3]。此外,其他化石還發(fā)現(xiàn)有大量的牙形石[3,7～11]、介形類[3,12,13]、腕足類[8,14]、珊瑚類[8]和有孔蟲類[15]等,這些化石在河南省內(nèi)的時代大體一致,大多是早二疊世常見分子。

3 沉積相及其沉積特征

根據(jù)巖性、沉積構(gòu)造、實(shí)體化石、遺跡化石的組成和分布特征,本研究區(qū)太原組可劃分出五種沉積相帶,即:潮坪-沼澤相帶、海灣-潟湖相帶、障壁島(砂質(zhì)灘、壩)相帶、近岸淺海相帶和遠(yuǎn)岸淺海相帶。通過對各相帶縱向沉積序列的分析,已識別出12種沉積類型(圖2,3)。

現(xiàn)將各相帶的沉積特征及沉積類型簡述如下:

3.1 潮坪-沼澤相帶及沉積特征

該相帶沉積由深灰色、灰黑色的粉砂巖、深灰、灰黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤組成。含有較多的植物葉片和根化石,泥巖中黃鐵礦結(jié)核常見。典型的沉積構(gòu)造有波狀層理、透鏡狀層理和砂、泥互層層理等。生物擾動構(gòu)造及生物潛穴在互層的沉積物中發(fā)育,生物潛穴以層面拖進(jìn)和層內(nèi)高角度傾斜或近乎直立的潛穴為主,如Thalassinoides,Ophiomorpha,Rhizocorallium和Gordia等,反映了水體較淺,水動力較強(qiáng),并且周期性暴露水面的沉積環(huán)境。

研究區(qū)早二疊世太原組潮間帶非常發(fā)育,受潮汐的周期性變化影響較大,形成所謂的渾水沉積碎屑巖潮坪。在研究區(qū)內(nèi),潮汐作用形成的潮道和潮坪沉積有三種沉積序列類型,分別是(1)混合坪+泥坪沉積序列(含煤層)沉積序列(圖3,Ⅰ-1),(2)混合坪+泥坪(不含煤層)沉積序列(圖3,Ⅰ-2)和(3)混合坪+潮道+混合坪+泥坪+泥炭坪沉積序列(圖3,Ⅰ-3)。各類沉積特征分述如下:

①潮道沉積特征:潮道沉積是在較強(qiáng)的潮汐水流作用下形成的,因此沉積物顆粒較粗,巖性一般為含礫細(xì)砂巖和中粒砂巖,常見大型楔狀和板狀交錯層理,化石稀少。

②砂坪沉積特征:在研究區(qū)內(nèi)砂坪細(xì)粒砂巖中的沉積物以石英為主,其次是云母和巖屑,分選和磨圓均較好,發(fā)育板狀交錯層理,常見植物化石。

圖3 河南省太原組沉積類型及其環(huán)境分布模式圖Fig.3 The sedimentary types and their environment distribution mode of the Taiyuan Formation,Henan Province

③混合坪沉積特征:混合坪沉積以細(xì)粒砂巖、粉砂巖和泥巖的互層為特征,常見水平層理、透鏡狀層理、緩波狀層理等。在研究區(qū)的各個小層序中幾乎都可見到砂、泥混合坪沉積組合。

④泥坪沉積特征:泥坪沉積主要為深灰色泥巖、灰色砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。在泥坪沉積中常見遺跡化石以及植物根系等,具塊狀層理、水平層理等。

⑤泥炭沼澤沉積特征:潮坪上的泥炭沼澤是在陸表海環(huán)境下不斷受到海水侵蝕的沼澤環(huán)境,它的發(fā)育、發(fā)展至成煤的各個階段均受到海平面變化的控制。當(dāng)潮汐流作用減弱,潮坪常出現(xiàn)沼澤化,如果氣候適宜的話,則進(jìn)一步變?yōu)槟嗵空訚?是一種近海的受海水影響的低位沼澤。由潮坪背景演化而來的泥炭沼澤分布范圍廣且較為穩(wěn)定,其巖性以暗色泥質(zhì)和粉砂質(zhì)沉積為主,具水平層理,含豐富植物化石。由于太原組沉積時期,海侵頻繁發(fā)生,所以保存下來的泥炭層常形成薄層煤,僅局部可采,大多不可采。

3.2 海灣-潟湖相帶及沉積特征

該相帶是指海灣地帶因出現(xiàn)一些障壁島或?yàn)嗡纬傻囊詽暫橹黧w的沉積相帶,主要發(fā)育在太原組中部碎屑巖段和上部灰?guī)r段,巖性為灰、深灰、灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,夾薄層粉、細(xì)砂巖,含生物碎屑泥晶灰?guī)r。泥巖中發(fā)育水平層理和緩波狀層理。常見植物碎屑。含半咸水的動物化石,偶見海綿骨針,含有Zoophycos遺跡化石,這些沉積特征顯示其為一種較閉塞、水體較平靜且還原程度較高的沉積環(huán)境。沿層理面還分布有大量的橢球狀菱鐵質(zhì)結(jié)核和較多的黃鐵礦結(jié)核,表現(xiàn)出停滯缺氧的半咸水盆地的沉積特征。在灰色、紅褐色含生物碎屑泥晶灰?guī)r中,可見Zoophycos遺跡化石及百合莖、紡錘蟲類、苔蘚蟲、珊瑚、腕足類化石及碎片。該相帶在豫西地區(qū)廣泛分布,依據(jù)垂向巖性組合序列的不同,可分為二種沉積序列類型,分別是(1)潟湖+泥坪沉積序列(圖3,Ⅱ-1)和(2)砂坪+潟湖+混合坪+潟湖沉積序列(圖3,Ⅱ-2)。

3.3 障壁島(砂質(zhì)灘、壩)相帶及沉積特征

太原組中的障壁島-潟湖-潮坪沉積體系主要在中部碎屑巖段中發(fā)育。障壁島相沉積主要巖性以成熟度較高的中、細(xì)粒石英砂巖為主,石英含量達(dá)95%以上,分選性好,磨圓度高,硅質(zhì)膠結(jié),常見楔狀、波狀、板狀交錯層理。這種巖性特征反映了濱岸地帶的強(qiáng)水動力條件以及沉積物經(jīng)過較長距離搬運(yùn)的結(jié)果。由于該相帶處于高能水動力條件,不利于生物活動和化石的保存,所以,未發(fā)現(xiàn)完整的實(shí)體化石,遺跡化石也相當(dāng)稀少。從縱向沉積序列分析,該相帶主要發(fā)育潟湖+障壁島+潮坪沉積序列(圖3,Ⅲ-1)。

3.4 近岸淺海(局限臺地)相帶及沉積特征

近岸淺海(局限臺地)相帶屬臺地相區(qū)浪基面之上、水體相對較淺的沉積區(qū)域。在該相帶內(nèi),主要巖性為灰色中厚-厚層狀亮晶生物屑灰?guī)r、鮞?；?guī)r及泥晶生物屑灰?guī)r,局部發(fā)育不規(guī)則的交錯層理。生物碎屑豐富,由多種生物介殼組成。含有有孔蟲、紡錘蟲類、腕足、珊瑚、海百合莖等化石,種屬單調(diào),個體小,反映海水環(huán)流不暢的環(huán)境。遺跡化石大多為Zoophycos,伴生有U形具蹼狀構(gòu)造的潛穴Rhizocorallium、近水平具回填紋構(gòu)造的Taenidium和沿層面分布的管狀潛穴Planolites等。這些遺跡化石常出現(xiàn)在近岸淺海并經(jīng)常受多種水流影響的沉積環(huán)境,大量介殼碎屑和鮞?；?guī)r的出現(xiàn)也證明了這一點(diǎn)。總體特征表現(xiàn)為局限臺地相的沉積特征。由于研究區(qū)太原組形成于陸表海背景之下,水體深度不大,因此大部分碳酸鹽巖沉積形成于該相帶,主要受潮汐作用和地方性風(fēng)暴作用影響。所以,風(fēng)暴沉積非常發(fā)育。具風(fēng)暴沉積的灰?guī)r中常夾較多碎屑,往往形成生物碎屑滯積層或條帶。不具風(fēng)暴沉積的灰?guī)r,成分往往較為純凈一致,沒有明顯的生物碎屑滯積層?；诖瓜蛏铣练e組合特征分析,該相帶可以分為以下5種沉積序列類型:

類型1,含泥晶生物屑灰?guī)r+生物屑泥晶灰?guī)r沉積序列(圖3,Ⅳ-1)。主要沉積特點(diǎn)表現(xiàn)為:①底部介殼層比較薄,為2～4 cm;②序列中不發(fā)育紋理層;③生物屑泥晶灰?guī)r中出現(xiàn)的生物擾動層全區(qū)穩(wěn)定,并在介殼層和生物擾動層之間發(fā)育大型Zoophycos和少量Rhizocorallium和Planolites遺跡化石,其中上角狀珊瑚Caninia呈堆狀聚積且不連續(xù)分布。此類型僅見于L5和L6灰?guī)r中。

類型2,含泥晶生物屑灰?guī)r+含生物屑泥晶灰?guī)r+泥晶灰?guī)r沉積序列(圖3,Ⅳ-2),其特點(diǎn)為:①紋理層普遍出現(xiàn),包括丘狀交錯層理、波狀交錯層理和平行層理,并可見逃逸構(gòu)造;②遺跡層系指泥晶灰?guī)r中含有豐富的遺跡化石,其生物擾動中等,定形遺跡化石的種類與類型Ⅰ相似,但遺跡化石Zoophycos個體相對較小;頂部常有星點(diǎn)狀分布的Syringopora群體珊瑚。

類型3,泥晶生物屑灰?guī)r+泥晶灰?guī)r沉積序列(圖3,Ⅳ-3),此類型具強(qiáng)烈的侵蝕基底、紋理層不發(fā)育和生物擾動程度不高等特點(diǎn)。該類型的波狀基底面的起伏幅度大,一般波長15～18 cm、波高7～12 cm,延伸長度較大。在剖面上多次風(fēng)暴沉積疊加可形成串珠狀構(gòu)造,并可見類似渠模的沖蝕構(gòu)造。生物滯積層中較少見完整化石,大多為破碎的介殼碎屑。上段僅見少量的Zoophycos遺跡化石。此沉積類型沉積層的厚度較薄,常小于20 cm,但其在太原組灰?guī)r中出現(xiàn)頻率最高。

類型4,泥晶生物屑灰?guī)r+含生物屑泥晶灰?guī)r沉積序列(圖3,Ⅳ-4),一般厚16～25 cm。主要特點(diǎn)是:①生物滯積層中的生物顆粒除部分紡錘蟲化石外,其它幾乎完全破碎為分選良好的介殼碎屑,且數(shù)量減少,但藻粒、鮞粒及粉屑和泥屑等內(nèi)碎屑顆粒大量出現(xiàn),泥質(zhì)和基質(zhì)含量亦明顯增高;②紋理層基本不發(fā)育,僅局部可見薄而不規(guī)則的紋理層;③遺跡化石較少,但仍可見零星小型的Zoophycos和近垂直的管狀或袋狀潛穴。

類型5,泥晶生物屑灰?guī)r+泥晶灰?guī)r(圖3,Ⅳ-5)。由含完整生物化石的泥晶灰?guī)r構(gòu)成,巖石成分主要為方解石、灰泥,珊瑚類與腕足類共同發(fā)育,生物碎屑不發(fā)育。腕足類化石在局部比較集中,并且保存完整,為原地底棲生物組合;并且大型單體珊瑚在珊瑚中所占的比例較大,鱗板帶加寬。該類型形成于正常浪基面附近較低能環(huán)境,遺跡化石豐度、分異度都較高。

3.5 遠(yuǎn)岸淺海(開闊臺地)相帶及沉積類型

遠(yuǎn)岸淺海(開闊臺地)相屬臺地相區(qū)浪基面之下、水體相對較深的沉積區(qū)域。在該相帶內(nèi),沉積特征以深灰色薄-中厚層狀泥晶生物屑灰?guī)r、生物屑泥晶灰?guī)r為主,具生物屑粒序?qū)永?、不?guī)則的丘狀交錯紋理和水平紋理,含大量的淺海生物化石,種類繁多,主要有紡錘蟲、牙形石、海百合、腕足、珊瑚、苔蘚蟲、有孔蟲、介形蟲、雙殼類和鈣質(zhì)海綿等。生物化石與碎屑混雜堆積,分選差,所以為原地埋藏。其中,遺跡化石十分豐富,尤其是在深灰色泥晶灰?guī)r及鈣質(zhì)泥巖中,Zoophycos遺跡化石大量出現(xiàn),并且潛穴充填物為黑色沉積物,伴生的其他遺跡化石還有 Nereites, Chondrites,Teichichnus和Planolites等。據(jù)遺跡學(xué)研究,這些遺跡化石常出現(xiàn)在海水相對較深而且水體較平靜的海底沉積物中。有時還出現(xiàn)斑狀生物擾動層(如L5灰?guī)r中部),說明當(dāng)時在較平靜的海底有大量生物在底層中活動。故推測其形成在浪基面以下、水體相對較深的淺海沉積環(huán)境。此外,在該臺地相帶沉積的碳酸鹽巖中還出現(xiàn)多層風(fēng)暴沉積[16]。

該相帶常出現(xiàn)的沉積類型為泥晶生物屑灰?guī)r+生物屑泥晶灰?guī)r+泥晶灰?guī)r沉積序列(圖3,Ⅴ-1)。該沉積序列的下部為泥晶生物屑灰?guī)r,由深灰色泥、亮晶方解石組成,含大量的淺海生物化石,如珊瑚、海百合、腕足類、藻類和苔蘚蟲等,生物化石碎屑與巖石碎屑混雜堆積,分選差,出現(xiàn)在正常浪基面和風(fēng)暴浪基面之間上部環(huán)境中;中部為生物屑泥晶灰?guī)r,由深灰色泥晶方解石組成,生物化石碎屑包括腕足類和苔蘚蟲等,遺跡化石Zoophycos大量出現(xiàn),并且潛穴充填物為黑色沉積物,伴生的其他遺跡化石還有Teichichnus和Planolites等,出現(xiàn)在正常浪基面和風(fēng)暴浪基面之間下部環(huán)境中;上部為泥晶灰?guī)r:由灰黑和深灰色泥灰?guī)r組成,發(fā)育水平層理,以Nereites和Chondrites的大量出現(xiàn)為特征,出現(xiàn)風(fēng)暴浪基面之下的平靜沉積環(huán)境中。

4 巖相古地理特征

4.1 單因素分析

(1)地層厚度等值線圖

根據(jù)區(qū)內(nèi)46個代表性鉆孔和露頭剖面點(diǎn)的厚度資料,結(jié)合晉南和魯西等地外圍資料點(diǎn)的數(shù)據(jù),勾繪出河南省早二疊世太原組地層等厚線圖(圖4)。由圖可知:

①沉積區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)太原組厚度在50～130 m之間,最大厚度為152.72 m(豫東永城地區(qū)),最小厚度約32.22 m(豫西澠池地區(qū))。

②豫北和豫東地區(qū)厚度較大,厚度為110～130 m;在濟(jì)源下冶-洛陽-汝州一線以西及汝州-魯山-確山一線以西地區(qū)厚度變小,大多在50 m以下直至尖滅。反映了當(dāng)時沉積基底地形有明顯差異,地層厚度變化總體表現(xiàn)為由北向南、由東向西變薄的趨勢,也說明在這兩條線以西地區(qū)近乎到古陸邊緣,也就是說,地層等厚線的變化反映了該時期西部和西南部的古地形相對較高的古地理格局,當(dāng)時的古陸應(yīng)在盆地西側(cè)中條古陸和西南側(cè)伏牛古陸一帶。海侵從東和北東方向入侵河南,并可推測當(dāng)時物源主要來自盆地西側(cè)的古陸剝蝕區(qū)。

③等厚線顯示在豫中鄭州附近、豫東柘城至永城一帶和豫東北鶴壁-安陽-濮陽一帶沉積厚度均大于120 m,顯然,太原組沉積期至少有三個較大沉積厚度區(qū)。

圖4 河南省太原組地層等厚圖Fig.4 Isolinemap of thickness(m)of the Taiyuan Formation in Henan province

(2)砂/泥比等值線圖

依據(jù)研究區(qū)內(nèi)42個露頭和鉆孔剖面的砂巖和泥巖含量的資料,參照部分冀南和魯西等地外圍資料點(diǎn)的數(shù)據(jù),勾繪出河南省早二疊世太原組砂/泥比等值線圖(圖5)。該圖顯示:砂/泥比等值線大于0.6的區(qū)域有四個分布區(qū),一是位于豫北鶴壁北部豆馬莊一帶,范圍不大;二是位于鄭州三李-新密-登封王莊地區(qū)(嵩箕地區(qū)),范圍較大;三是豫西新安至澠池一帶,范圍也較大;四是豫東的柘城-商丘-永城地區(qū),范圍稍大于嵩箕地區(qū)。結(jié)合沉積相類型分析,這四個含砂量相對較多的地區(qū),主要是障壁島(砂島)或砂坪沉積發(fā)育區(qū)。

(3)碳酸鹽巖厚度等值線圖

根據(jù)已知37個相關(guān)露頭和鉆孔剖面資料,勾繪出河南省太原組中碳酸鹽巖厚度等值線圖(圖6)。從圖中可以看出,太原組中的碳酸鹽巖分布由西向東逐漸變厚,新安至汝州一線以西小于厚度15 m,至古陸邊緣尖滅,往東最大厚度在永城一帶,厚度大于60 m。本區(qū)的北部邊緣(安陽以北)和西南部邊緣(魯山至確山一線以西)碳酸鹽巖的厚度也明顯變薄,小于15 m。厚度大于35 m的有禹州、鄭州、新鄉(xiāng)和永城等地區(qū)。說明這些地區(qū)在當(dāng)時有較好的碳酸鹽巖沉積背景。

(4)指相化石的分布特征

依據(jù)露頭和鉆孔剖面中發(fā)現(xiàn)的化石,主要由以下四大類組成,第一類為正常淺海沉積環(huán)境中常見的紡錘蟲類、腕足類、珊瑚、苔蘚蟲、牙形石、有孔蟲、海百合莖以及雙殼類和介形蟲等動物化石,主要分布在各地太原組淺海相灰?guī)r中;第二類為潟湖(半咸水)沉積環(huán)境中常見的雙殼類、腹足類、介形類(Lobabairdia,Cryptobairdia等)、腕足類Lingula等動物化石以及動、植物化石碎片,主要分布在泥灰?guī)r和泥巖中;第三類為植物化石,大多為斯氏鱗木-斜方鱗木-卵脈羊齒組合帶(Lepidodendron szeianum-L.posthumii-Neuropteris ovata Assemblage Zone)的常見分子,植物群類型較單調(diào)而貧乏,以東方型鱗木為主體,次為科達(dá)綱植物,并有少數(shù)節(jié)蕨植物、真蕨植物和種子蕨植物,多產(chǎn)自潮坪(常出現(xiàn)在泥坪)沉積環(huán)境,主要分布于濟(jì)源、宜陽、登封、禹縣、平頂山、陜縣、澠池等地;第四類為遺跡化石,已識別出三種遺跡化石組合:(1) Zoophycos-Nereites遺跡組合,出現(xiàn)在水體相對較深、浪基面之下且沉積底層內(nèi)氧氣貧乏的開闊臺地沉積環(huán)境;(2)Zoophycos-Taenidium遺跡組合,產(chǎn)生于水體相對較淺的浪基面之上的局限臺地沉積環(huán)境;(3) Ophiomorpha-Thalassinoides遺跡組合,發(fā)育于海岸帶潮坪或海灣、潟湖沉積環(huán)境,遺跡化石往往保存在生物屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r或鈣質(zhì)粉砂巖和薄層細(xì)砂巖中[17]。

(5)沉積組合類型及分布特征

通過對42個露頭和鉆孔剖面出現(xiàn)的沉積相分析,研究區(qū)內(nèi)太原組在垂直沉積序列上主要發(fā)育三種沉積組合類型(圖7),即,類型Ⅰ由局限臺地相(海灣相)碳酸鹽巖和潮坪相砂巖、泥巖及煤組成,分布在豫西濟(jì)源-新密-許昌-平頂山-駐馬店一線以西地區(qū)并沿古陸邊緣分布;類型Ⅱ由開闊臺地相碳酸鹽巖和潮坪相砂巖、泥巖和煤以及潟湖相泥灰?guī)r、泥巖組成,分布在豫西濟(jì)源-新密-許昌-平頂山-駐馬店一線以東大部分地區(qū),范圍廣大;類型Ⅲ由開闊臺地相碳酸鹽巖、障壁島相中-細(xì)粒砂巖、潮坪相砂巖、泥巖和煤以及潟湖相泥灰?guī)r、泥巖組成,主要分布在豫北的鶴壁-安陽-濮陽一帶和豫東的柘城-商丘-永城一帶。

4.2 古陸及巖相區(qū)的劃分

(1)古陸剝蝕區(qū)

圖5 河南省太原組砂/泥比等值線圖Fig.5 Isolinemap of the ratio of sand tomudstone of the Taiyuan Formation in Henan province

本區(qū)早二疊世太原組與下伏本溪組為整合接觸,二者沉積時的盆地范圍基本一致。由太原組厚度等值線圖(圖4)的變化趨勢可以看出,在濟(jì)源下冶一洛陽一汝州一線以西及汝州-魯山-確山一線以西地區(qū)厚度變小,大多在50 m以下,往西厚度漸漸變薄直至尖滅。反映了當(dāng)時沉積基底的古地形由東向西變薄的趨勢,也說明在這兩條線以西地區(qū)近乎到古陸邊緣,據(jù)此推測上述兩條線以西地區(qū)厚度變?yōu)榱銜r則為古陸剝蝕區(qū)邊緣或邊界,當(dāng)時沉積區(qū)西緣的古陸分別為西側(cè)的中條古陸和西南側(cè)的伏牛古陸。

圖6 河南省太原組碳酸鹽巖厚度等值線圖Fig.6 Isolinemap of thickness(m)of the carbonate rock of the Taiyuan Formation in Henan province

圖7 河南省太原組沉積組合類型示意圖Fig.7 Sedimentary assemblage types of the Taiyuan Formation in Henan province

(2)巖相區(qū)的劃分及分布特征

前已述及,河南省太原組沉積區(qū)位于欒川至固始斷裂以東和以北地區(qū),通過對已知各露頭和鉆孔剖面的沉積相和多因素綜合分析,區(qū)內(nèi)太原組主要由局限臺地(海灣)相、開闊臺地相、潟湖相、潮坪相和障壁島(砂壩)相這五種類型組成,按照這五種相的沉積在垂向上和橫向上的分布規(guī)律、砂/泥比等值線圖、碳酸鹽巖厚度等值線圖、指相化石和沉積組合類型分析,可以在平面上劃分出三種類型的巖相區(qū)(圖8)。

相區(qū)Ⅰ為局限臺地-潮坪泥晶灰?guī)r、泥巖相區(qū),依據(jù)以下三種沉積標(biāo)志劃分邊界線:①靠近古陸剝蝕區(qū)以地層厚度等值線推測為零的界線;②由沉積組合類型為Ⅰ的各剖面點(diǎn)勾出邊界線,也就是說該相區(qū)內(nèi)各剖面點(diǎn)主要為海灣(局限臺地)相和潮坪相沉積;③該相區(qū)的分布范圍位于地層厚度小于70 m的等值線以內(nèi)。在該相區(qū)范圍內(nèi)各種沉積標(biāo)志反映出海灣(局限臺地)相和潮坪相沉積的特點(diǎn),由沉積組合類型Ⅰ構(gòu)成,其主要沉積特征為:①具有含較豐富海相動物化石和少量植物化石;②巖性主要為泥晶灰?guī)r、薄-中厚層狀的砂巖、薄層狀泥巖和粉砂巖泥巖,夾有煤線或薄煤層。該相區(qū)分布于豫西濟(jì)源-新密-許昌-平頂山-駐馬店一線以西地區(qū),沿著古陸邊緣延展。

圖8 河南省早二疊世(太原組沉積期)巖相古地理圖Fig.8 The lithofacies paleogeographicmap of the Early Permian(sedimentary period of the Taiyuan Formation)in Henan Province

相區(qū)Ⅱ?yàn)殚_闊臺地-潮坪-潟湖灰?guī)r、碎屑巖相區(qū),依據(jù)兩種沉積標(biāo)志劃分邊界線:①由沉積組合類型為Ⅱ的各剖面點(diǎn)勾出邊界線,也就是說該相區(qū)內(nèi)各剖面點(diǎn)主要由開闊臺地、潮坪和潟湖相沉積組成;②砂/泥比值<0.5等值線的地區(qū)。在該相區(qū)范圍內(nèi)各種沉積標(biāo)志反映出開闊臺地、潮坪和潟湖相沉積的特點(diǎn),由沉積組合類型Ⅱ構(gòu)成,其主要沉積特征為:①既具有豐富正常鹽度的海相動物化石,如紡錘蟲、腕足類、珊瑚、苔蘚蟲、牙形石、海百合莖等化石,也有少量非正常鹽度的動物化石和植物化石;②巖性主要為生物屑灰?guī)r、泥灰?guī)r、薄層狀泥巖和粉砂質(zhì)泥巖,夾有煤線或薄煤層,僅局部含有少量中-厚層狀細(xì)砂巖。該相區(qū)分布于豫西濟(jì)源-新密-許昌-平頂山-駐馬店一線以東地區(qū),位于相區(qū)Ⅰ和相區(qū)Ⅲ之間,分布范圍廣大。

相區(qū)Ⅲ為開闊臺地-障壁島-潮坪灰?guī)r、碎屑巖相區(qū),依據(jù)砂/泥比值>0.5的等值線劃出邊界線,并且包含有沉積組合類型Ⅲ的地區(qū)。在該相區(qū)范圍內(nèi),各種沉積標(biāo)志反映出開闊臺地相、障壁島相和潮坪相沉積的特點(diǎn),主要由沉積組合類型Ⅲ構(gòu)成,局部可出現(xiàn)沉積組合類型Ⅱ的沉積,其沉積特征與相區(qū)Ⅱ相比,主要差別表現(xiàn)在有較大范圍的障壁島相粗-細(xì)粒砂巖沉積。該相區(qū)主要分布在豫北的鶴壁-安陽-濮陽一帶和豫東的柘城-商丘-永城一帶,分布區(qū)域范圍相對較小。

4.3 巖相古地理(沉積期)特征

進(jìn)入早二疊世太原期,海陸分布發(fā)生了新的變化,隨著海平面的上升,河南境內(nèi)的華北古陸海域范圍大大向南、向西擴(kuò)展,海岸線向西、向南推進(jìn)至靈寶-洛寧-嵩縣-魯山-確山一線以西地區(qū),該線以南和以西為當(dāng)時的古陸剝蝕區(qū)(伏牛古陸和中條古陸),以北和以東地區(qū)為沉積區(qū)。沉積盆地總體地勢表現(xiàn)為西部和西南部較高、東北部和東南部較低且中部(開封-蘭考-長垣-封丘一帶)有一較大水下隆起區(qū)的古地理格局(圖8)。海侵從東和北東方向入侵河南,并可推測當(dāng)時物源主要來自盆地西側(cè)的古陸剝蝕區(qū)。在豫中鄭州附近、豫東柘城至永城一帶和豫東北鶴壁-安陽-濮陽一帶為三個較大沉積厚度區(qū)。

總的來說,早二疊世太原期古地理輪廓基本繼承了本溪期的特點(diǎn),該時期仍為受限陸表海沉積背景。其沉積古地理特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面:①海侵范圍擴(kuò)大,海陸邊界已向南、向西擴(kuò)至靈寶-洛寧-嵩縣-方城-確山一線以西地區(qū);②本溪期原存在于盆地內(nèi)部的一些島嶼和高地大多被海水淹沒,轉(zhuǎn)為水下高地;③海水自東和北東兩個方向侵入,并自北西向東南方向退去。④海水進(jìn)退頻繁,形成了淺?；?guī)r與濱岸潮坪含煤碎屑巖多次交互出現(xiàn)的沉積,局部地區(qū)形成具有工業(yè)價值的可采煤層。

5 結(jié)論

本次研究工作在進(jìn)行大量野外地質(zhì)剖面考察、室內(nèi)測試分析和圖件繪制的基礎(chǔ)上,取得了以下幾點(diǎn)認(rèn)識及成果。

(1)河南省早二疊世太原組沉積區(qū)位于華北盆地南部北秦嶺褶皺帶欒川-固始深斷裂以北地區(qū),當(dāng)時的沉積盆地受華北地塊西隆東傾的構(gòu)造古地理控制,主要為陸表海沉積環(huán)境,區(qū)內(nèi)發(fā)育了一套以碳酸鹽巖為主夾碎屑巖和煤為特色的陸表海沉積。

(2)對研究區(qū)典型地質(zhì)剖面進(jìn)行了沉積特征、沉積類型和沉積相分析,劃分出12種沉積類型、3種沉積組合類型和5種沉積相(潮坪相、潟湖相、障壁島或砂壩相、局限臺地相和開闊臺地相)。

(3)采用馮增昭教授倡導(dǎo)的單因素分析法、多因素綜合編制巖相古地理圖的方法及原則,繪制了地層厚度、碳酸鹽巖厚度和砂/泥比等值線圖和沉積類型分布圖,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合指相化石、遺跡化石和沉積組合類型的分布特征,編制了河南省太原組沉積期的巖相古地理圖,劃分出3種巖相區(qū),包括局限臺地-潮坪泥晶灰?guī)r、泥巖相區(qū)、開闊臺地-潮坪-潟湖灰?guī)r、碎屑巖相區(qū)和開闊臺地-障壁島-潮坪灰?guī)r、碎屑巖相區(qū)。

(4)太原組沉積期的古地理特征表現(xiàn)為:豫西為伏牛古陸,三門峽至濟(jì)源一線以北為中條古陸,古地勢呈現(xiàn)為北西高、南東低,西陡東緩,最大沉積厚度區(qū)位于東北部及東部的特點(diǎn);本溪期原存在于盆地內(nèi)部的一些島嶼和高地大多被海水淹沒,轉(zhuǎn)為水下高地;海水自東和北東兩個方向侵入,并自北西向南東方向退去。由于沉積區(qū)域內(nèi)地形比較平緩,海水進(jìn)退頻繁,形成了一套受限陸表海的碳酸鹽巖與濱岸潮坪含煤碎屑巖多次交互出現(xiàn)的沉積,在河南省境內(nèi)濱海平原上的泥炭坪大面積發(fā)育,許多地區(qū)形成了具有工業(yè)價值的可采煤層。

值得提出的是,太原組沉積期盆地西緣和西南緣的邊界問題,由于欒川至固始深斷裂的出現(xiàn),實(shí)際上現(xiàn)在采用的編圖邊界不是原始沉積盆地邊界,恢復(fù)原型盆地的沉積邊界還有待今后做進(jìn)一步深入細(xì)致的研究工作。

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Characteristics of Lithofacies Paleogeography of the Taiyuan Formation Sedimentary Period,Henan Province

SONG Hui-bo HU Bin ZHANG Lu LIU Shun-xi NIU Yong-bin

(Institute of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Key Laboratory of Biogenic Traces&Sedimentary M inerals of Henan Province,Jiaozuo,Henan 454003)

AbatractThe sedimentary area of the Early Permian Taiyuan Formation in Henan Province is located in the south of north China basin and to the north of Luanchuan-Gushi deep fault in the North Qingling fold belt,at that time,this sedimentary basin was controlled by the tectono-paleogeographic features of thewest uplift in the North China platform block.The Taiyuan Formation was a partof deposits of the North-China epicontinental sea or carbonate platform in the Late Paleozoic,and developed a set of deposits of the epicontinental sea characterized by the carbonate rocks intercalated some clastic rocks and coal.This section ismainly composed of gray,dark gray,thin-medium bedded bioclastic limestones,intercalated with thin-medium bedded mudstone,micritic limestone,fine sandstone,siltstones and thin coals,locally appeared light gray thick beded moderate-fine grained sandstone,coarse sandstone or gray-white quartz sandstone,with very abundant body fossils,such as fusulinids,conodonts,brachiopods,corals,crinoids,bivalves and plants fossils and so on.According to the analysis of sedimentary sequence,the Taiyuan Formation can be divided into three units from bottom to top:the lower limestone unit,mainly containing 4～5 limestone layers;the middle clastic unit,dominated by sandstone andmudstone,intercalated with 1～3 layers of limestone,unstable bioclasticmicrocrystalline limestone;the upper limestone unit,composed of 2～3 layers of limestone,locally,4～5 layers.Based on the isoline trend analysis including the thickness of the formation and carbonate rock and the ratio of sand to mudstone,along with the composition and distribution features of ichnofossils,facies fossils and sedimentary assemblage types,5 sedimentary facies(tidal-flat,lagoon,barrier island or sand bar,restricted carbonate platform and open carbonate platform facies),12 kinds of sedimentary types,3 sedimentary assemblage types and 3 types of lithofacies areas as the micritic limestone and mudstone lithofacies area of restricted flatform-tidal flat setting,limestone and clastic lithofacies area of open platform-tidal-lagoon setting and limestone and clastic lithofacies area of open platform-barrier island-tidal flat setting can be suggested.The Lithofacies palaeogeographic characteristics of Henan province during the deposit of the Taiyuan Formation display:(1)The marine invasion is widespread and limestone of shallow sea facies is almost throughout the whole sedimentary region;(2)Sealine extended eastward and southward to Lingbao-Luoning-Songxian-Fangcheng-Biyang zone;(3)Old land areas are situated the Funiumountain to sorthwest of this basin and Zhongtiao Mountain to west of this basin;(4)Paleotopography shows steep in the west,gentle in the east,high relief in the northwest,and low relief in the southeast;(5)The sedimentary zone of largest thickness of this formation is in the northeast and east of this basin;(6)Seawater invasion was from the eastand northeast,and regression from northwest to southeast.In the Taiyuan Formation sedimentary period,the basement terrain of this sedimentary basin was relatively gentle and sea water was frequently progressive and regressive,thereby,the interbeds of carbonate rocks of the restricted epicontinental sedimentary environment and coal-bearing clastic rock of tidal flat sedimentary setting were generated,and the larger area peat flatwere developed in the coastal plain in Henan Province, and the coal layers with industrial value were formed in many parts。

sedimentary facies;lithofacies paleogeography;the Taiyuan Formation;the Early Permian;Henan province

宋慧波 女 1979年出生 講師 博士研究生 古生物學(xué)和沉積學(xué) E-mail:songhuibo2005@hpu.edu.cn

胡斌 E-mail:hub@hpu.edu.cn

P512.2

A

1000-0550(2011)05-0876-13

①國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:40872001、41102002),國家高校博士點(diǎn)專項(xiàng)基金(編號:20094116110002),河南省科技計劃項(xiàng)目(編號: 092300410167),河南省生物遺跡與成礦過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(編號:OTMP0904)聯(lián)合資助。

2010-08-28;收修改稿日期:2010-12-21