郭榮濤

中國地質大學（北京）地球科學與資源學院，北京 100083

0 引言

在前寒武紀漫長的地球演變史中，地球動力機制和地表狀況與顯生宙存在巨大差異，并且前寒武紀地層化石記錄貧乏且保存不好、受后期改造破壞程度較深［1－4］，這些因素給前寒武系的沉積相研究和盆地原型恢復帶來許多困難。目前所知，燕山地區(qū)是全球中元古代地層發(fā)育和保存最好的地區(qū)，剖面連續(xù)性強、出露廣泛、頂?shù)捉缇€清晰［5－7］，是研究中元古界的理想地區(qū)。自1934年高振西等在薊縣剖面建立“霧迷山灰?guī)r”以來，許多地質學家從沉積學［8－15］、生物地層學［16－19］、層序地層學［20－22］角度對發(fā)育于燕山地區(qū)的霧迷山組進行了卓有成效的研究。筆者以系統(tǒng)的野外和室內工作為基礎，結合前人研究成果，對發(fā)育于燕山西段的霧迷山組巖相單元和沉積體系進行了研究，并且建立了層序地層格架柵狀圖，為恢復燕山地區(qū)的前寒武紀古地理環(huán)境提供了研究資料。

1 區(qū)域地質背景

早在20世紀40年代，蘇聯(lián)地質學家沙茨基在研究古地臺構造時就發(fā)現(xiàn)在古地臺邊緣常存在“橫向邊緣構造”，并將其稱為橫向邊緣拗陷。60年代，沙茨基正式將這種構造命名為裂陷槽，指位于地臺內部的兩個性質相同的構造帶之間的槽溝型復雜構造［23］?；舴蚵?、狄畏、貝克等認為裂陷槽是三叉裂谷系中未能充分擴展或中途夭折的一支，另外兩支充分發(fā)展擴張成寬闊海洋的是地槽［24］。通過系統(tǒng)研究，黃學光［25］認為燕山裂陷槽控制的中、新元古代盆地是歷時10億a（1 800～800Ma）的罕見長壽盆地，經歷了裂陷海槽向陸表海的轉化。

早元古代末期，華北地臺是呂梁運動形成的規(guī)模最大、固結最早的剛性地塊［26－27］。中元古代早期，包括華北地臺、西伯利亞地臺在內的克拉通大陸開始了大規(guī)模三叉型破裂：北側兩支發(fā)展成大洋（古亞洲洋），首次成為華北地臺的北緣邊界；南側一支成為夭折的裂谷——燕山裂陷槽，形成一個北東向半地塹式楔形槽地，北西為五臺古陸，東為山海關古陸［26，28－30］。長城紀常州溝組至大紅峪組沉積期為裂陷槽的發(fā)生發(fā)展階段，大紅峪組沉積期末段裂陷作用逐漸消亡；高于莊組至霧迷山組沉積期為裂陷槽向克拉通盆地轉化的過渡階段，總體沉積環(huán)境為陸表海，形成大套以潮坪沉積為主的碳酸鹽巖系；從洪水莊組沉積期開始，全區(qū)進入克拉通盆地階段，表現(xiàn)出同升同降特征，抬升時整體抬升，如鐵嶺上升、芹峪上升、蔚縣上升，沉降時全區(qū)普遍沉積，巖性和厚度基本相似，表現(xiàn)出穩(wěn)定的地臺型蓋層沉積特點［30－33］。

研究區(qū)燕山西段是指燕山裂陷槽西部，包括現(xiàn)代的燕山山脈西段和太行山山脈北段，北起赤城附近，西界渾源、繁峙，南以曲陽一線為界。

2 巖相及相序特征

霧迷山組的巖相特征在燕山西段沒有明顯變化，整體以碳酸鹽巖為主，陸源碎屑物質貧乏，普遍發(fā)育疊層石。這與當時的陸表海沉積環(huán)境有關，霧迷山組系陸表海碳酸鹽巖潮坪清水沉積產物［9－10］。通過野外露頭觀察和室內研究，根據巖性組合特征和疊層石形態(tài)等沉積構造特征，筆者將燕山西段霧迷山組的陸表海沉積環(huán)境進一步分為潮下坪、潮間坪、潮上坪、瀉湖4個相帶（表1）。

燕山西段霧迷山組主要由下列巖相單元組成（圖1）：1）潮下坪高能疊層石白云巖，疊層石類型屬于“Pseudogymnosolen－Conophoton”組合［17－19］，它們構成獨特的厚層塊狀疊層石生物層或巖礁；2）潮下坪高能凝塊石白云巖，該單元以凝塊石為主，發(fā)育少量核形石，屬于潮下高能動蕩環(huán)境的產物；3）潮間坪硅化疊層石白云巖，疊層石以微波狀和水平狀為主，發(fā)育沖刷面、交錯層理和板刺狀角礫夾層，硅化作用和白云石化作用較強是該巖相單元的主要特征；4）潮間坪含砂泥晶白云巖，?？捎^察到泥裂、硅結殼、石鹽假晶，硅化作用較強；5）潮上坪泥質和砂質白云巖，隨著環(huán)境變淺，發(fā)育更多的泥裂、硅結殼和微喀斯特角礫，硅化作用也進一步增強；6）瀉湖相白云質泥頁巖，黏土礦物主要有海泡石、蒙脫石、伊利石、坡縷石、滑石和高嶺石［34］，該巖相單元的主要特征是鈣結殼和硅結殼所表征的強烈溶蝕作用；7）紅褐色白云質泥頁巖構成的古土壤層，是瀉湖相白云質泥頁巖經暴露風化形成的，是地層間斷的典型標志［35］。

表1 霧迷山組巖相單元及沉積特征Table 1 The lithofacies unit and sedimentary characteristics of the Wumishan Formation

圖1 燕山西段霧迷山組野外露頭照片F(xiàn)ig.1 Field outcrop photos of the wumishan Formation in western Yanshan Mountains

這些巖相單元有序疊加成環(huán)潮坪型米級旋回［36－37］，不同的沉積環(huán)境形成不同的相序組合。隨著沉積環(huán)境由深變淺，米級旋回從厚基底型轉變?yōu)楸』仔?，組成一個有規(guī)律的環(huán)境變化譜系。厚基底型米級旋回下部單元主要由厚層塊狀疊層石白云巖或凝塊石白云巖組成，層厚90～200cm；上部單元以硅化疊層石白云巖為主，層厚10～30cm。薄基底型米級旋回下部單元以水平狀疊層石白云巖為主，發(fā)育燧石團塊和結核，層厚10～30cm；上部單元由灰黃色泥晶白云巖、泥質白云巖和白云質泥頁巖組成，層厚5～10cm。

3 層序地層劃分

王松山等［38］通過40Ar/39Ar－39Ar/38Ar等時技術，測出霧迷山組的頂、底界年齡分別為（1 207±10）Ma和（1 310±20）Ma，形成時限約100Ma。雖然近年來通過高精度測年得出侵入霧迷山組中的輝綠巖床為（1 345±12）Ma和（1 353±14）Ma［39］，但是并沒有明確公布霧迷山組頂、底界線的年齡值，還有待于進一步研究?！逗颖笔”本┦刑旖蚴袇^(qū)域地質志》［40］中把霧迷山組分為4個段，并進行了詳細描述，對霧迷山組研究具有非常大的指導意義。但是在河北省興隆縣1∶5萬地質填圖過程中，梅冥相等［21，41］發(fā)現(xiàn)霧迷山組各段之間缺乏明顯的劃分標志，確定界限存在困難，所以根據二級旋回所反映的旋回性記錄，把霧迷山組分為6段。

燕山西段霧迷山組巖性組合和巖相序列整體相對穩(wěn)定，空間差異主要表現(xiàn)為厚度變化和某些地層的缺失。延慶千溝是研究區(qū)霧迷山組發(fā)育最為完整的地區(qū)，所以本次以延慶千溝剖面為例對燕山西段霧迷山組的層序特征進行介紹（圖2）。

以沉積相及其有序疊加形式為基礎，通過對層序界面的識別，筆者對延慶千溝剖面霧迷山組進行了層序地層劃分，共識別出26個三級層序，進一步歸為6個二級層序。這些三級層序三分性明顯，都由海侵體系域（TST）、早期高水位體系域（EHST）和晚期高水位體系域（LHST）組成，且?guī)r性組合相似，沉積環(huán)境均為向上變淺的潮下坪—潮間坪—潮上坪—瀉湖，形成進積序列。

S.1.1—S.2.4：TST和 EHST以潮下至潮間坪相厚基底型米級旋回為特征，米級旋回的下部單元由丘狀和微波狀疊層石白云巖組成，局部發(fā)育小柱狀疊層石，單元層厚60～150cm；上部單元由水平狀和微波狀疊層石白云巖組成，疊層石紋層多數(shù)已硅化，單元層厚5～20cm。LHST以潮間至潮上坪相薄基底型米級旋回為特征，米級旋回的下部單元主要以水平狀疊層石白云巖為主，單元層厚10～30cm；上部單元由灰黃色泥晶白云巖和泥質白云巖組成，單元層厚5～10cm。

S.3.1—S.5.5：TST 和 EHST 以潮下坪至潮間坪相厚基底型米級旋回為特征，米級旋回的下部單元由厚層塊狀疊層石白云巖組成，單元層厚80～200cm；上部單元由水平狀和微波狀疊層石白云巖組成，疊層石紋層多數(shù)已硅化，單元層厚5～20cm。厚層塊狀疊層石白云巖中的疊層石形態(tài)向上逐漸由丘狀演變?yōu)橹鶢詈湾F狀，凝塊石白云巖非常發(fā)育，并且單元層明顯變厚，這都指示出該階段的海侵作用和持續(xù)時間比之前明顯加強。LHST以潮間至潮上坪相薄基底型米級旋回為特征，米級旋回的下部單元主要以水平狀疊層石白云巖為主，單元層厚10～30cm；上部單元由灰黃色泥晶白云巖和泥質白云巖組成，單元層厚5～10cm。

S.6.1—S.6.5：總體特征與S.1.1—S.2.4非常相似，TST和EHST以厚基底型米級旋回為特征，米級旋回的下部單元主要發(fā)育潮下至潮間坪相丘狀和波狀疊層石白云巖，單元層厚80～160cm；上部單元由水平狀和微波狀疊層石白云巖組成，疊層石紋層多數(shù)已硅化，單元層厚5～20cm。LHST以潮間至潮上坪相薄基底型米級旋回為特征，主要發(fā)育硅化紋層疊層石白云巖、泥質泥晶白云巖、白云質泥頁巖組成的韻律層，單元層厚5～10cm。

4 層序地層格架及古地理演化

確定年代－巖石地層格架是地層學研究的基本內容，以巖相和相序為基礎，可以建立不同級別的層序地層格架［42］。通過建立層序地層格架，對層序進行大范圍追索和對比，也是古地理重建的有效途徑之一，尤其對于地層分辨率普遍較低的前寒武系更是具有重要意義［1－4，43］。

在對燕山西段延慶千溝、赤城大嶺堡、涿鹿黑山寺、淶水金水口等剖面的詳細研究和綜合分析前人資料的基礎上，運用層序地層學方法［44－48］，通過對層序界面進行橫向追索，初步分析了霧迷山組的空間分布，建立了層序地層格架柵狀圖，并在一定程度上對巖相古地理進行了恢復。

圖2 延慶千溝剖面霧迷山組層序劃分Fig.2 Sequence stratigraphic division of the Wumishan Formation in Qiangou section

4.1 霧迷山組第一個二級層序S.1

二級層序S.1相當于霧迷山組一段，在研究區(qū)范圍內，僅在延慶千溝剖面發(fā)育，可以識別出3個三級層序S.1.1—S.1.3。從延慶千溝剖面向北西至赤城大嶺堡剖面、向南西至懷來剖面，S.1都存在迅速變薄尖滅現(xiàn)象。這指示出裂陷槽在進入過渡階段后，控制沉積盆地的構造運動仍然不太穩(wěn)定，前一階段的裂陷作用影響還時隱時現(xiàn)，表現(xiàn)為盆地的不均衡沉降、沉積中心與裂陷槽兩側地層厚度差別巨大；在抬升期，盆地邊緣抬升和間斷表現(xiàn)明顯，而沉降中心則表現(xiàn)不明顯，甚至許多地區(qū)表現(xiàn)為連續(xù)沉積［30］。

4.2 霧迷山組第二個二級層序S.2

二級層序S.2相當于霧迷山組二段，在延慶千溝剖面發(fā)育相對最為完整，可以識別出4個三級層序S.2.1—S.2.4。從延慶剖面向北西至赤城千溝剖面，S.2厚度減薄，并且缺失三級層序S.2.1。從延慶千溝剖面向西至涿鹿黑山寺剖面，S.2變薄，三級層序發(fā)育不完全，缺失S.2.1和S.2.2；再向西至陽原揣古瞳剖面，S.2整體尖滅。從延慶剖面向西南方向至淶水金水口剖面，S.2逐漸減薄，缺失三級層序S.2.1；再往西至靈丘石磊剖面，S.2整體尖滅。向南至曲陽地區(qū)也完全缺失S.2（圖3a）。

根據S.2地層格架柵狀圖所顯示的沉積區(qū)域變化，可以在一定程度上恢復當時的古地理環(huán)境。在S.2形成期間，研究區(qū)的最大沉積區(qū)仍然在北京附近，此處水體最深，沿南西方向逐漸變淺。與霧迷山組第一個二級層序S.1形成時期相比較，整體沉積區(qū)具有較大的繼承性，但是海域面積明顯擴大，代表了霧迷山組沉積早期的緩慢海侵過程。北京地區(qū)至赤城、懷來、淶源、淶水地區(qū)水體較深，為潮間至潮下坪沉積區(qū)，以厚層疊層石白云巖所占比例較大為特征；再向西至宣化、蔚縣、靈丘，向南至曲陽、阜平地區(qū)水體變淺，主要是潮間至潮上坪和瀉湖沉積區(qū)，泥質白云巖和白云質泥頁巖比較發(fā)育，屬于靠近古陸邊緣的相帶（圖3b）。

4.3 霧迷山組第三個二級層序S.3

圖3 S.2地層格架柵狀圖及巖相古地理簡圖Fig.3 Sequence stratigraphic framework and lithofacies paleogeography map of S.2

二級層序S.3相當于霧迷山組三段，延慶千溝剖面發(fā)育最為完整，可以識別出4個三級層序S.3.1—S.3.4。從延慶千溝剖面向北西至赤城大嶺堡剖面，4個三級層序發(fā)育完整，僅厚度稍微變薄，顯示出向北海水變淺幅度不大。從延慶千溝剖面向西至涿鹿黑山寺剖面，雖然4個三級層序發(fā)育也相對完整，但是厚度明顯變??；再向西至陽原揣骨瞳鎮(zhèn)剖面，S.3厚度迅速變小，且缺失三級層序S.3.1；進一步向西至望狐剖面，S.3整體尖滅。淶水金水口剖面4個三級層序發(fā)育齊全，向西至靈丘石磊剖面迅速變薄為3個三級層序S.3.2—S.3.4；進一步向西至茶坊子剖面，S.3整體尖滅。從淶水金水口剖面向南西至曲陽下河鄉(xiāng)剖面和楊砂侯剖面，S.3逐漸變薄，顯示出沿裂陷槽主軸方向水體向南西方向緩慢變淺的趨勢（圖4）。

根據S.3沉積相帶的展布特征可以推測出，與霧迷山組第二個二級層序S.2形成時期相比較，雖然整體沉積格局具有較大的繼承性，但是海域面積明顯進一步擴大。深水區(qū)向西達到宣化、蔚縣、靈丘等地區(qū)，向南達到阜平、曲陽等地區(qū)，為潮下坪和潮間坪沉積環(huán)境，巖性組合以疊層石白云巖地層厚度比例大為主要特征。再向西至陽原、渾源、繁峙，向南越過曲陽、阜平地區(qū)，水體變淺，主要是潮間至潮上坪和瀉湖沉積環(huán)境，疊層石白云巖地層厚度比例明顯變小，白云質泥頁巖和白云質泥巖明顯增多，屬于靠近古陸邊緣的相帶（圖5）。

4.4 霧迷山組第四個二級層序S.4

圖4 S.3地層格架柵狀圖Fig.4 Sequence stratigraphic framework of S.3

圖5 S.3的巖相古地理簡圖Fig.5 Lithofacies paleogeography map of S.3

二級層序S.4相當于霧迷山組四段，延慶千溝剖面是研究區(qū)厚度最大、發(fā)育最為完整的剖面，可以識別出5個三級層序S.4.1—S.4.5。從延慶千溝剖面向北西至赤城大嶺堡剖面，5個三級層序發(fā)育齊全，只是厚度稍微變小，顯示向北西水體緩慢變淺趨勢。從延慶千溝剖面向西至涿鹿黑山寺剖面，雖然三級層序發(fā)育齊全，但是整體厚度明顯變??；再向西至陽原揣古瞳剖面，S.4整體尖滅。從延慶千溝剖面向南西至淶水金水口剖面，雖然厚度減小，但是5個三級層序發(fā)育齊全；再向西至靈丘石磊剖面，S.4厚度明顯變小，只發(fā)育三級層序S.4.1；進一步向西至繁峙茶坊子剖面，S.4整體尖滅。從延慶千溝剖面向南西至淶水金水口剖面，再向南至曲陽下河鄉(xiāng)剖面，雖然第5個三級層序S.4.5僅殘留了海侵體系域，但是三級層序發(fā)育相對齊全，厚度逐漸減薄，顯示出沿裂陷槽主軸方向水體向南西方向緩慢變淺的趨勢。

從曲陽下河鄉(xiāng)剖面向西至曲陽楊砂侯剖面，S.4整體厚度減薄，缺失三級層序S.4.4和S.4.5；再向西至阜平吳王口剖面，地層缺失更加嚴重，剖面明顯變??；S.4在繁峙茶坊子剖面整體尖滅（圖6）。

根據S.4地層格架柵狀圖的空間展布特征可以推測出，S.4與S.3形成時期的古地理環(huán)境具有極大的相似性，共同組成了霧迷山組沉積期的最大海侵階段，海域范圍達到了最大值。深水區(qū)向西達到宣化、蔚縣、靈丘等地區(qū)，向南達到阜平、曲陽等地區(qū)，為潮下坪和潮間坪沉積環(huán)境，形成地層以疊層石白云巖厚度比例大為主要特征。再向西至陽原、渾源、繁峙，向南越過曲陽、阜平地區(qū)，水體變淺，主要是潮間至潮上坪和瀉湖沉積環(huán)境，疊層石白云巖地層厚度比例明顯變小，白云質泥頁巖和白云質泥巖明顯增多，屬于靠近古陸邊緣的相帶（圖7）。

4.5 霧迷山組第五個二級層序S.5

二級層序S.5相當于霧迷山組五段，延慶千溝剖面仍然是研究區(qū)厚度最大、發(fā)育最為完整的剖面，可以識別出5個三級層序S.5.1—S.5.5。從延慶千溝剖面向北西至赤城大嶺堡剖面，5個三級層序發(fā)育齊全，只是厚度逐漸變小，顯示向北西方向水體緩慢變淺趨勢。從延慶千溝剖面向西至涿鹿黑山寺剖面，S.5明顯變薄，且三級層序發(fā)育不完全，缺失S.5.4和S.5.5；再向西至陽原揣古瞳剖面，S.5整體尖滅。從延慶千溝剖面向南西至淶水金水口剖面，雖然厚度減小，但是5個三級層序發(fā)育仍然相對齊全，再向南西至靈丘石磊，向南至曲陽地區(qū)，S.5整體尖滅（圖8a）。

根據二級層序S.5的層序地層柵狀圖所表征的沉積相帶空間展布可以推測出，與霧迷山組第四個二級層序S.4形成時期相比較，雖然整體沉積格局具有較大的繼承性，但是霧迷山組五段在陽原、靈丘、阜平、曲陽等地區(qū)的整體缺失，說明陸表海在S.5沉積期向沉降和沉積中心發(fā)生大規(guī)模收縮。深水區(qū)向西退至涿鹿、淶源，向南退至淶水，為潮下坪和潮間坪沉積環(huán)境，形成的地層以疊層石或凝塊石白云巖所占厚度比例較大為主要特征。向西至蔚縣、靈丘，向南至阜平、曲陽等地區(qū)，水體變淺，主要是潮間至潮上坪和瀉湖沉積環(huán)境，疊層石和凝塊石白云巖地層厚度比例明顯變小，白云質泥頁巖和白云質泥巖明顯增多，屬于靠近古陸邊緣的相帶（圖8b）。

4.6 霧迷山組第六個二級層序S.6

二級層序S.6相當于霧迷山組六段，延慶千溝剖面是研究區(qū)厚度最大、發(fā)育最為完整的剖面，可以識別出5個三級層序S.6.1—S.6.5。研究區(qū)內除延慶千溝剖面外，只有北西方向的赤城大嶺堡剖面和南西方向的淶水金水口剖面發(fā)育S.6，并且厚度明顯減小，三級層序發(fā)育不完全，都缺失S.6.4和S.6.5。從二級層序S.6的層序地層柵狀圖可以推測出，與霧迷山組第五個二級層序S.5形成時期相比較，雖然整體沉積區(qū)具有較大的繼承性，但是海域面積進一步明顯縮小，涿鹿黑山寺等地區(qū)都已退出了沉積區(qū)（圖9a）。

圖6 S.4地層格架柵狀圖Fig.6 Sequence stratigraphic framework of S.4

圖7 S.4的巖相古地理簡圖Fig.7 Lithofacies paleogeography map of S.4

根據二級層序S.6的層序地層柵狀圖所表征的沉積相帶空間展布可以推測出，與霧迷山組第五個二級層序S.5形成時期相比較，海域在S.6沉積期向沉降和沉積中心再次發(fā)生了明顯收縮。深水區(qū)向西退至懷來，向南退至淶水，為潮下坪和潮間坪沉積環(huán)境，厚層疊層石白云巖比較發(fā)育。向西至涿鹿，向南至淶源等地區(qū)水體較淺，主要是潮間至潮上坪和瀉湖沉積環(huán)境，白云質泥頁巖和白云質泥巖比較發(fā)育，屬于靠近古陸邊緣的相帶（圖9b）。

圖8 S.5地層格架柵狀圖及巖相古地理簡圖Fig.8 Sequence stratigraphic framework and lithofacies paleogeography map of S.5

圖9 S.6地層格架柵狀圖及巖相古地理簡圖Fig.9 Sequence stratigraphic framework and lithofacies paleogeography map of S.6

5 結論

1）霧迷山組沉積期，燕山西段進入向克拉通盆地轉變的過渡階段，整體為陸表海沉積環(huán)境，地層以環(huán)潮坪型碳酸鹽巖為主，包括潮下坪、潮間坪、潮上坪、瀉湖4個沉積相帶。

2）延慶千溝剖面是研究區(qū)霧迷山組發(fā)育最為完整的剖面，可以識別出26個三級層序，歸為6個二級層序，每個層序都代表了一個復雜有序的海平面升降旋回。這些三級層序在二級層序內部構成有規(guī)律的垂直疊加樣式，即二級海平面上升期間形成的三級層序海侵體系域厚度較大，晚期高水位體系域厚度較小，這與二級海平面下降期間的情況正好相反。

3）霧迷山組一段沉積期間，古海水覆蓋范圍很小，研究區(qū)內只有北京周圍為沉積區(qū)；霧迷山組二段沉積期間，發(fā)生海侵，古海水范圍向北覆蓋河北赤城，向南覆蓋淶源、淶水一帶；霧迷山組三段沉積期間，繼續(xù)海侵，古海水覆蓋范圍向西覆蓋蔚縣、靈丘一帶，向南覆蓋曲陽；霧迷山組四段沉積期，海域范圍達到峰值，古海洋分布與霧迷山組三段沉積期極度相似；霧迷山組五段沉積期間，發(fā)生海退，古海岸線向沉降中心發(fā)生大規(guī)模收縮，陽原、靈丘、阜平、曲陽等地區(qū)退出沉積區(qū)；霧迷山組六段沉積期間，古海水覆蓋范圍達到最小值，僅河北赤城、涿鹿、淶源以西、淶水以北被海水覆蓋，研究區(qū)的其他地方再一次轉變?yōu)榉浅练e區(qū)。

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