羅軍梅，羅順社，朱俊強(qiáng)，董文藝

(1.中石化江蘇油田分公司物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 210046;2.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023;3.中石化中原油田分公司采油四廠，河南 濮陽(yáng) 457176)

引言

風(fēng)暴巖(tempestite)是在風(fēng)暴影響下在海洋或湖泊中形成的沉積巖，一般形成于潮坪、淺海、深海3種環(huán)境［1］。自1973年 Kelling提出以來(lái)，其研究得以迅速發(fā)展，特別是建立的風(fēng)暴流理論與50年代出現(xiàn)的濁流理論一樣，被公認(rèn)為沉積學(xué)乃至地質(zhì)學(xué)發(fā)展的里程碑。風(fēng)暴沉積或風(fēng)暴巖的概念被引入沉積學(xué)中進(jìn)行系統(tǒng)研究，是繼20世紀(jì)50年代濁流理論之后的又一劃時(shí)代的突破。

風(fēng)暴沉積是事件沉積中的一種類型，具有一定的周期性和規(guī)律性。它的出現(xiàn)并不是孤立的，而是與米蘭柯維奇旋回等天文因素和構(gòu)造作用形成復(fù)雜海底地貌等因素有關(guān)。風(fēng)暴沉積特征的研究，可用于推斷古水動(dòng)力條件和古水深、恢復(fù)古氣候、判斷距海岸線的相對(duì)位置，并在地層對(duì)比、重塑古地理、沉積盆地分析和沉積成礦作用研究等方面均有潛在的實(shí)用價(jià)值。

在中國(guó)，風(fēng)暴巖廣泛出露于中元古界－三疊系，以及沿海地區(qū)的近代海相沉積物中。國(guó)內(nèi)對(duì)前寒武紀(jì)風(fēng)暴巖的研究，主要集中于華北中元古代碳酸鹽巖風(fēng)暴巖。燕山地區(qū)中新元古界高于莊組和霧迷山組地層古緯度處在赤道附近偏北，受赤道風(fēng)暴帶影響較大，這就為本區(qū)霧迷山組風(fēng)暴沉積的發(fā)育提供了一個(gè)有利的地理?xiàng)l件［2］。研究區(qū)風(fēng)暴巖主要發(fā)育于高于莊組和霧迷山組地層中，沉積環(huán)境主要為潮間帶。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

燕山地區(qū)西起張家口，北臨內(nèi)蒙地軸，東到北票、阜新一帶，橫跨冀、京、津、遼兩省兩市，呈一條近東西向展布，東段轉(zhuǎn)為北東向延伸的帶狀山區(qū)。在大地構(gòu)造區(qū)劃上，燕山地區(qū)隸屬于華北地臺(tái)，稱之為“燕山沉降帶”，是華北地臺(tái)上的活動(dòng)性構(gòu)造單元，可劃分為兩個(gè)古隆起:山海關(guān)隆起和密懷隆起;5個(gè)古坳陷:宣龍坳陷、京西坳陷、遼西坳陷、冀北坳陷和冀東坳陷(圖1)。

圖1 燕山地區(qū)中新元古界實(shí)測(cè)剖面位置示意圖(據(jù)王鐵冠等，1979，有修改)Fig.1 Location of the measured sections of the Meso-to Neoproterozoic strata in the Yanshan region(modified from Wang Tieguan et al.，1979)

研究區(qū)地層出露良好，分布廣泛，具有代表性，可作為中、新元古界地層研究的理想剖面。在研究區(qū)實(shí)測(cè)剖面上，冀北坳陷長(zhǎng)城系高于莊組厚938.62 m，薊縣系霧迷山組厚2947.15 m;宣龍坳陷長(zhǎng)城系高于莊組厚801.19 m，宣龍坳陷薊縣系霧迷山組厚1874.92 m。研究區(qū)內(nèi)風(fēng)暴巖主要發(fā)育于高于莊組和霧迷山組地層中，鐵嶺組也可見(jiàn)少量風(fēng)暴沉積。

霧迷山組和高于莊組地層剖面分別位于遼寧省凌源縣大河北鄉(xiāng)魏杖子村、河北省寬城縣下板城鄉(xiāng)尖山子村。按巖性、化學(xué)成分、疊層石和沉積旋回等，霧迷山組劃分為8個(gè)巖性段，高于莊組劃分為10個(gè)巖性段(表1)。

2 風(fēng)暴巖的巖石學(xué)特征

中新元古界高于莊組、霧迷山組和鐵嶺組為淺海碳酸鹽巖沉積，發(fā)育了類型豐富的風(fēng)暴沉積，主要有砂礫屑白云巖和灰?guī)r、風(fēng)暴硅巖、泥晶云巖、含硅質(zhì)條帶白云巖和藻疊層白云巖等。

2.1 砂礫屑白云巖和灰?guī)r

2.1.1 砂礫屑白云巖

巖石為灰色，砂礫屑含量最高亦可達(dá)75%以上，以竹葉狀為多見(jiàn)。分選較差，具快速堆積的特征，為風(fēng)暴沉積(圖版Ⅰ-1)。礫屑成分以白云石為主，還含有少量砂屑及陸源物質(zhì)，填隙物以泥晶為主。礫屑白云巖主要形成于潮下帶，潮間帶也見(jiàn)發(fā)育。砂屑白云巖中見(jiàn)有波痕，表明生成于水體較淺的潮間帶環(huán)境。該類型巖石主要發(fā)育于鐵嶺組第一段下部，以礫屑白云巖和含礫屑白云巖為主，夾頁(yè)巖及細(xì)粉晶白云巖。在景兒峪組上部也有部分發(fā)育。

2.1.2 礫屑灰?guī)r

礫屑灰?guī)r中砂礫屑含量最高可達(dá)75%以上，以竹葉狀為多見(jiàn)(圖版Ⅰ-2)。礫屑成分以泥(粉)晶灰?guī)r為主，含少量陸源泥質(zhì)及鐵質(zhì)。礫屑灰?guī)r呈條帶狀或小透鏡狀，礫屑排列雜亂，分選很差，有快速堆積的特征，反映沉積于高能的潮汐環(huán)境，多形成于潮下帶，為風(fēng)暴重力流沉積。

2.2 風(fēng)暴硅巖

灰白色為主，主要成分為燧石，礫屑呈菊花狀、放射狀至雜亂狀排列。單個(gè)燧石礫屑呈板條狀，無(wú)磨圓;板條狀燧石礫屑之間由硅質(zhì)膠結(jié)，少量白云質(zhì)膠結(jié)(圖版Ⅰ-3)。該巖石致密堅(jiān)硬，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與其它巖類共生時(shí)，常位于巖層風(fēng)化面之上。

2.3 泥晶白云巖

以淺灰色-深灰色為主，部分由于含錳風(fēng)化后呈灰黃-棕紅色，因含鐵而呈褐灰色或者灰黑色(圖版Ⅰ-4)。以薄-中層狀為主，局部見(jiàn)厚層狀。泥晶白云巖中常含硅質(zhì)、泥質(zhì)，硅質(zhì)呈條帶或者結(jié)核狀。具隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，常含泥質(zhì)和生物化石碎片。

2.4 含硅質(zhì)條帶白云巖

黑色或灰色，硅質(zhì)為灰黃色條帶狀，紋層發(fā)育，具隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖版Ⅰ-5)。白云巖內(nèi)常發(fā)育疊層石，鏡下觀察疊層石破碎現(xiàn)象較明顯。

2.5 藻疊層白云巖

層狀疊層石可分為密紋層和普通紋層兩種類型。密紋層疊層石中單個(gè)紋層厚度一般小于0.1mm，其顏色比普通紋層較深(深灰-灰黑)。在密紋層狀藻疊層白云巖中常見(jiàn)到放射狀、倒小字型直立狀礫屑組成的沉積透鏡體，透鏡體內(nèi)碎屑成分與圍巖一致，認(rèn)為是潮下帶的原地風(fēng)暴沉積(圖版Ⅰ-6)。

3 風(fēng)暴沉積構(gòu)造特征

風(fēng)暴沉積構(gòu)造獨(dú)特，類型多樣。風(fēng)暴沉積的組合特點(diǎn)，是風(fēng)暴流在風(fēng)暴事件中，不同部位、不同階段的發(fā)展演化過(guò)程的記錄。也正是根據(jù)其沉積構(gòu)造特征，風(fēng)暴沉積的形成機(jī)制和時(shí)空位置才得以判別和確定。一次風(fēng)暴事件可包括5個(gè)階段:風(fēng)暴前期、風(fēng)暴增強(qiáng)期、風(fēng)暴高峰期、風(fēng)暴衰減期和風(fēng)暴后期［3］。 野外露頭區(qū)的各種風(fēng)暴巖沉積構(gòu)造，主要是風(fēng)暴事件中后4個(gè)階段的產(chǎn)物，而前期的沉積物及其特征常因后來(lái)的風(fēng)暴流改造而較少保存。經(jīng)筆者詳細(xì)研究，研究區(qū)主要發(fā)育礫屑放射狀構(gòu)造、底模構(gòu)造、沖刷構(gòu)造、丘狀交錯(cuò)層理和波狀層理等沉積構(gòu)造。

表1 燕山地區(qū)中新元古界地層劃分簡(jiǎn)表Table 1 Stratigraphic division of the Meso-to Neoproterozoic strata in the Yanshan region

3.1 礫屑放射狀構(gòu)造

礫屑放射狀構(gòu)造是風(fēng)暴渦流形成的特有的沉積構(gòu)造，表現(xiàn)為竹葉狀礫屑呈菊花狀、倒小字排列。該構(gòu)造為板條狀硅質(zhì)礫屑在剖面上呈放射狀排列所致，平面上呈波狀彎曲，立體觀察形似菊花，因而又名菊花狀或放射狀構(gòu)造。花朵呈直立式、平臥式和雜亂式，花瓣長(zhǎng)3～10cm不等，寬約2mm，單個(gè)花朵最大直徑達(dá)7cm(圖2與圖版Ⅰ-7)。菊花狀或放射狀構(gòu)造是原地型風(fēng)暴沉積特征，是風(fēng)暴將原地沉積物擠壓、破碎、磨蝕近地堆積而形成，是風(fēng)暴沉積唯一的、典型的識(shí)別標(biāo)志。

3.2 底模構(gòu)造

這種構(gòu)造曾被命名為渠模、袋?；蚶從！ＧＪ秋L(fēng)暴流典型的沉積構(gòu)造［4］，為具波浪和渦流雙重性質(zhì)的風(fēng)暴流對(duì)海底沉積物進(jìn)行沖刷、淘蝕和改造的結(jié)果。研究區(qū)高于莊組和霧迷山組渠模構(gòu)造規(guī)模均較小，模體填積物為礫屑白云巖。

3.3 沖刷構(gòu)造

發(fā)育在風(fēng)暴沉積層的底面，構(gòu)成與下伏巖層之間的突變底界，是風(fēng)暴高潮期風(fēng)暴流在流動(dòng)過(guò)程中對(duì)海底沉積物沖刷淘蝕而形成，并被上覆沉積物充填(圖版Ⅰ-8)。沖刷構(gòu)造為最常見(jiàn)的沉積構(gòu)造，是風(fēng)暴期次的標(biāo)志，它的凸凹程度反映風(fēng)暴作用的大小及基底巖性特征，其上常發(fā)育泥礫。

3.4 丘狀交錯(cuò)層理

丘狀交錯(cuò)層理是風(fēng)暴事件后期形成的最典型的層理構(gòu)造，是區(qū)別于濁流等沉積類型的指相標(biāo)志，由風(fēng)暴浪在近底部產(chǎn)生強(qiáng)大的振蕩水流和多向底流改造底部床沙而成［5］，形成于正常浪基面之下、風(fēng)暴浪基面之上。研究區(qū)風(fēng)暴巖為風(fēng)暴硅巖在三維空間觀察時(shí)的宏觀構(gòu)造，其剖面上呈透鏡體，丘體長(zhǎng)0.3～0.75m，丘體高 5～25cm(圖版Ⅰ-9)。丘狀構(gòu)造的形成與風(fēng)暴浪有關(guān)，其規(guī)模與波浪強(qiáng)度和波長(zhǎng)的大小有關(guān)。丘狀層理的厚度、上凸幅度和紋層的收斂度與風(fēng)暴浪震動(dòng)力的強(qiáng)度成正比，與作用點(diǎn)距岸的遠(yuǎn)近成反比［6］。

3.5 波狀層理

紋層為一系列對(duì)稱或不對(duì)稱的波狀，但總體上平行于層面(圖版Ⅰ-10)。主要由沉積介質(zhì)在波浪動(dòng)蕩水體中形成，其次為單向水流形成。本區(qū)中所見(jiàn)的波狀層理紋層表現(xiàn)為對(duì)稱波狀，且位于其上正粒序?qū)又稀＿@正是風(fēng)暴沉積的特點(diǎn)，其主要形成于正常浪基面之下至風(fēng)暴浪基面以上的淺海陸棚環(huán)境中。

圖版說(shuō)明Ⅰ-1河北省懷來(lái)縣新保安鎮(zhèn)趙家山剖面鐵嶺組第一段第18層礫屑白云巖Ⅰ-2遼寧凌源魏杖子剖面霧迷山組七段323層風(fēng)暴礫屑灰?guī)rⅠ-3河北省赤城縣東卯鎮(zhèn)古子房剖面霧迷山組第五段第230層白云質(zhì)硅質(zhì)巖中的硅質(zhì)，為玉髓，呈放射狀(+)4×4Ⅰ-4河北省赤城縣東卯鎮(zhèn)古子房剖面高于莊組第九段第123層含鐵(褐灰白色)泥晶云巖Ⅰ-5河北省赤城縣東卯鎮(zhèn)古子房剖面高于莊組第一段第5層含硅質(zhì)條帶的泥晶云巖Ⅰ-6遼寧省凌源市大河北鄉(xiāng)魏杖子剖面霧迷山組第一段第34層紋層狀疊層石云巖Ⅰ-7河北省赤城縣東卯鎮(zhèn)古子房剖面霧迷山組第六段第293層風(fēng)暴沉積中的放射狀構(gòu)造Ⅰ-8遼寧省凌源市大河北鄉(xiāng)魏杖子剖面霧迷山組第一段第49層沖刷面Ⅰ-9河北省寬城縣下板城鄉(xiāng)尖山子剖面高于莊組第十段第171層風(fēng)暴巖B段中的丘狀交錯(cuò)層理Ⅰ-10河北赤城古子房剖面霧迷山組七段311層小型波狀層理

圖2 風(fēng)暴巖菊花狀構(gòu)造形態(tài)Fig.2 Chrysanthemum-shaped structure in tempesitites

4 風(fēng)暴沉積序列

風(fēng)暴作用作為一種突發(fā)事件，從發(fā)生、發(fā)展到結(jié)束都有其獨(dú)特的水動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，并能形成特殊的沉積構(gòu)造和沉積序列［7］。風(fēng)暴作用沉積序列是在風(fēng)暴作用過(guò)程中，由于風(fēng)暴事件作用的方式不同形成的沉積單元的規(guī)律組合［8］。一般來(lái)講，在風(fēng)暴過(guò)程中，最初風(fēng)暴作用加強(qiáng)過(guò)程中形成的沉積通常被破壞和改造。因此風(fēng)暴沉積序列主要保存有風(fēng)暴作用衰減過(guò)程中的沉積序列，其實(shí)質(zhì)是風(fēng)暴流沉積與正常天氣沉積的交互相序。這種沉積序列在遼寧凌源地區(qū)霧迷山組發(fā)育為標(biāo)準(zhǔn)的垂向序列，具有典型的代表性。整個(gè)剖面由底部單元(a)、下部單元(b)、中部單元(c)、上部單元(d)和頂部單元(e)5部分組成(圖3)。其特征如下:

a.底部單元，厚度50cm，灰黑色泥質(zhì)泥晶白云巖，發(fā)育塊狀層理，為正常淺海沉積。

b.下部單元，厚度25～30cm，礫屑泥晶白云巖。礫屑呈棱角狀、長(zhǎng)條狀雜亂排列，礫屑成分為泥晶白云巖、硅巖，組成下細(xì)上粗的兩個(gè)沉積旋回。底部具有明顯的沖刷面，沖刷面之上含有泥礫，為風(fēng)暴初期的產(chǎn)物。

c.中部單元，厚度20cm，風(fēng)暴硅巖，具丘狀構(gòu)造，板條狀硅質(zhì)礫屑呈菊花狀或放射狀排列，底部具清晰的沖刷面，為風(fēng)暴高潮期的產(chǎn)物。

d.上部單元，厚度40cm，黑色殘余顆粒云巖，顆粒成分為泥-粉晶，是風(fēng)暴剛剛平息后的產(chǎn)物。

e.頂部單元，含硅質(zhì)條帶疊層石白云巖，是正常天氣條件下的產(chǎn)物。

從底部單元至頂部單元代表一期完整的風(fēng)暴沉積的演化發(fā)展過(guò)程，特征明顯，序列典型，可代表本區(qū)風(fēng)暴沉積的標(biāo)準(zhǔn)序列。上述c、d、e單元有時(shí)多次重復(fù)呈韻律性排列，這表明有多次風(fēng)暴事件相繼活動(dòng)過(guò)。

圖3 霧迷山組風(fēng)暴沉積剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Vertical sequence through the tempesitites in the Wumushan Formation，Lingyuan，Liaoning

通過(guò)野外和室內(nèi)的觀察、分析和研究認(rèn)為，研究區(qū)風(fēng)暴巖形成于碳酸鹽臺(tái)地相中水體較淺的潮間環(huán)境。表現(xiàn)為:本區(qū)風(fēng)暴期沉積單元的厚度都不大，一些剖面結(jié)構(gòu)特征還顯示出曾有過(guò)周期性風(fēng)暴活動(dòng)。在中元古界剖面中?？砂l(fā)現(xiàn)，自風(fēng)暴沉積層位向上，地層的沉積環(huán)境總體上有逐漸變淺的趨勢(shì)。如霧迷山組下部可見(jiàn)由具水下滑動(dòng)構(gòu)造的暗色硅質(zhì)條帶白云巖→具丘狀層理的砂礫屑白云巖→波狀層理或水平層理的泥質(zhì)白云巖或粉屑白云巖→水流波痕、疊層石礁及泥裂構(gòu)造等這樣自下而上的沉積序列。即由較深水的潮間環(huán)境逐漸演化至潮上環(huán)境，構(gòu)成一次海退旋回。在整個(gè)霧迷山組沉積時(shí)期，此類旋回多次形成。這標(biāo)志著同時(shí)海水的深度有著波動(dòng)式的演化特征，這種旋回性也有助于地層的精細(xì)劃分和對(duì)比。

5 結(jié)論

(1)燕山地區(qū)中新元古界高于莊組和霧迷山組沉積期，研究區(qū)發(fā)育豐富的風(fēng)暴沉積，主要有菊花狀、丘狀、底模和沖刷等典型的風(fēng)暴成因構(gòu)造。

(2)研究區(qū)風(fēng)暴巖理想的沉積序列從下至上劃分為5個(gè)單元，分別是塊狀層理泥晶白云巖段、遞變層理段、丘狀交錯(cuò)層理段、顆粒白云巖段和含硅質(zhì)條帶疊層石白云巖段。

(3)通過(guò)野外和室內(nèi)的綜合研究認(rèn)為，研究區(qū)風(fēng)暴巖形成于碳酸鹽臺(tái)地相中水體較淺的潮間環(huán)境。

(4)研究區(qū)風(fēng)暴沉積因其結(jié)構(gòu)成熟度高、原生孔隙發(fā)育、儲(chǔ)集性能良好、距烴源巖近，可成為潛在的油氣儲(chǔ)集層，為油氣勘探開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域。

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