王璽童，王懷廠，官玉龍，劉文香，羅順社，呂奇奇，張 嚴

1 長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院；2 油氣資源與探測國家重點實驗室；3 中國石油長慶油田勘探開發(fā)研究院；4 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心

0 前 言

隨著能源供需矛盾的日益突出及勘探技術(shù)的發(fā)展，古老地層逐漸成為油氣勘探的新方向［1-2］。中—新元古界作為全球范圍內(nèi)的一個重要沉積層序引起了國際地質(zhì)學(xué)者的廣泛關(guān)注［3］。近幾十年來的研究發(fā)現(xiàn)，在華北克拉通的燕山地區(qū)中—新元古界發(fā)育有大量的原生液體油苗和固體瀝青，而且發(fā)育多套優(yōu)質(zhì)烴源巖及生儲蓋組合，油氣勘探潛力巨大［4-6］。

長城系常州溝組作為中元古界最早的一個地層單元，其研究難度和不確定性都非常大。地質(zhì)學(xué)家對不同區(qū)域的常州溝組做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)常州溝組沉積相各不相同。其中，燕山地區(qū)的常州溝組是中元古界最底部不整合于太古宙片麻巖之上的一套碎屑巖組合，屬于近岸潮汐沙灘沉積［7］；而北京十三陵地區(qū)的常州溝組屬于濱淺海碎屑巖沉積［8］。由于太行山地區(qū)的山西黎城位于常州溝組分布的邊緣區(qū)，地層出露程度均不如其他地區(qū)，地層巖性、構(gòu)造特征較復(fù)雜，導(dǎo)致對其真實的沉積相認識不清。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文通過對野外地質(zhì)剖面的觀察與實測，并結(jié)合室內(nèi)薄片鑒定、粒度分析及X-衍射分析等資料，對山西黎城中元古界長城系常州溝組沉積環(huán)境進行詳細的討論和分析，以期對研究區(qū)中—新元古代沉積古地理的恢復(fù)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

華北克拉通在1.90～1.85 Ga 期間完成了最終的克拉通化（呂梁運動），之后在結(jié)晶基底之上沉積了中—新元古界［9］。中元古界自下而上劃分為長城系（包含大河組、趙家莊組、常州溝組、串嶺溝組、團山子組及大紅峪組）、薊縣系（包含高于莊組、楊莊組、霧迷山組、洪水莊組及鐵嶺組）和待建系（下馬嶺組），其中長城系在華北克拉通的分布最為廣泛［8-13］。常州溝組為長城系下部地層，主要由石英巖狀砂巖組成，廣泛分布于河北北部和遼寧西部，厚度變化較大，以薊縣為中心向西厚度逐漸減薄，并缺失部分層位，向東北方向則變厚［12］。山西省東南邊緣的太行山一帶零星分布有中元古界露頭，經(jīng)過多年的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，認為太行山地區(qū)中元古界可以與燕山地區(qū)長城系和薊縣系進行良好的對比，可直接沿用燕山地區(qū)的地層劃分方案，其中常州溝組分布最廣［13］。太行山地區(qū)的常州溝組可以與澠池—確山地區(qū)汝陽群的北大尖組進行對比［14-16］。

研究區(qū)位于NNE—SSW 向的太行山隆起的中南段（圖1），處于由中元古代—古生代地層構(gòu)成的寬緩背斜的軸部和西翼［17］。太行山隆起是我國華北地區(qū)重要的構(gòu)造地貌單元，東緣和南緣構(gòu)成了我國構(gòu)造地貌的第2 級階梯帶，同時也是一條巖石圈尺度的構(gòu)造變異帶［18-19］、地殼和巖石圈厚度的陡變帶以及現(xiàn)今的地震活動帶［20-21］。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖（據(jù)文獻［22］修改）Fig.1 Regional geological map of the study area（cited from reference［22］，modified）

研究區(qū)在長城紀時位于燕遼裂陷槽西南端太行灣北部［23］。中元古代早期，除東北方向外，太行灣周邊均為古陸環(huán)繞，不同地區(qū)可接受沖積作用、洪積作用帶來的陸源碎屑。隨著伸展構(gòu)造運動的進行，燕遼裂陷槽逐漸形成，北部元古亞洲洋的海水沿燕遼裂陷槽從東北向西南侵入，太行灣逐漸演變?yōu)殛懕砗！獮I淺海環(huán)境，水體變清、變淺，開始接受海相沉積［23］。

2 野外露頭地層特征

本次研究主要的實測剖面為山西黎城縣西井鎮(zhèn)背坡村—大井盤公路旁的露頭（圖1），坐標(biāo)為：東經(jīng)113°23′、北緯36°46′，實測總厚度為879.37 m。該剖面地層出露較好，自下而上發(fā)育中元古界長城系趙家莊組、常州溝組和串嶺溝組，地層連續(xù)性極好；常州溝組與下伏趙家莊組、上覆串嶺溝組均呈整合接觸。按照巖性及其組合特征，以及陡峭—較陡—陡峭的地貌變化，將常州溝組自下而上分為3段（圖2）。

常州溝組一段（簡稱常一段）為1—12 層，厚153.1 m。巖性主要為白色中至厚層中—細粒石英砂巖，夾少量含長石石英砂巖，局部含有鐵質(zhì)，發(fā)育浪成波痕（圖3a）、大型交錯層理（圖3b，3c）等沉積構(gòu)造，與下伏趙家莊組、上覆常二段均呈整合接觸。

常二段為13—33 層，厚413.0 m。巖性主要為灰白色、黃褐色、淺紅色、紫紅色中—薄層中—粗粒石英砂巖、長石石英砂巖，夾薄層含長石石英砂巖，中部夾紅色薄層泥頁巖或砂質(zhì)泥巖（圖3d），局部含有鐵質(zhì)，偶見礫石；厚度大小及顆粒粗細不同的巖層形成遞變互層或韻律層，發(fā)育楔狀、羽狀、槽狀交錯層理（圖3e,3f）及平行層理、波痕（圖3g）、紡錘狀生物成因構(gòu)造（MISS 構(gòu)造，圖3h），偶見泥礫（圖3i）；與上覆常三段（寺垴段）呈整合接觸。

常三段為34—63 層，厚226.1 m。巖性主要為灰白色中層狀細粒石英砂巖，夾少量長石石英砂巖、海綠石石英砂巖或赤鐵礦砂巖，發(fā)育羽狀交錯層理（圖3j）、MISS 構(gòu)造（圖3k）及脈狀、波狀（圖3l）、透鏡狀層理和波痕等；上覆地層為串嶺溝組灰綠色、黑色頁巖，呈整合接觸。

3 巖石學(xué)特征

本次研究的64 塊樣品均取自黎城縣西井鎮(zhèn)背坡村—大井盤公路旁剖面的常州溝組，通過鏡下薄片觀察（64 塊）、粒度分析（11 塊）、黏土礦物和常見非黏土礦物X 射線衍射分析（20 塊），對黎城常州溝組砂巖的組分特征與結(jié)構(gòu)特征進行了系統(tǒng)的研究。

3.1 砂巖組分特征

通過對64個鏡下薄片的觀察，按照砂巖中石英（Q）、長石（F）、巖屑（R）的相對百分含量進行分類，常州溝組砂巖類型主要為石英砂巖，少量為長石石英砂巖、含長石石英砂巖（圖4a），其中長石含量較高的樣品主要來自常二段、常三段。

對20個樣品的全巖X-衍射分析結(jié)果表明：常州溝組砂巖礦物成分以石英為主，含量為76.9%～99.2%，平均值為89.4%；黏土含量為0.8%～9.3%，平均為3.4%；部分樣品中含有鉀長石，含量為0～17.5%；此外還有個別樣品中含有少量菱鐵礦、黃鐵礦、鈣芒硝等礦物。縱向上由下往上石英含量略微變小，黏土含量先變少再變多又變少，長石含量逐漸增多（圖4b）。

3.1.1 碎屑組分

常州溝組砂巖碎屑組分以石英為主（圖5a，5b），大部分樣品碎屑組分中石英含量在90%以上，石英顆粒主要為單晶，見波狀消光，次生加大強烈。長石在常二段、常三段的樣品中出現(xiàn)（圖5c），含量為0～15%，個別樣品中含量可達25%左右。整體上巖屑含量較少，占0～5%，且?guī)缀跞繛楣栀|(zhì)巖屑。另外，個別層位中可見少量的鐵質(zhì)結(jié)核（圖5d）及海綠石（圖5e）。

3.1.2 填隙物

常州溝組砂巖粒間填隙物主要為膠結(jié)物，約占5%～20%，雜基含量極低，普遍不到1%。膠結(jié)物主要有硅質(zhì)（圖5a）、泥鐵質(zhì)（圖5f，5g），在常二段的個別樣品中可見方解石、白云石膠結(jié)。硅質(zhì)膠結(jié)為常州溝組砂巖中主要的膠結(jié)形式，主要表現(xiàn)為石英的次生加大邊，以及多期加大邊的現(xiàn)象。另外，泥鐵質(zhì)膠結(jié)多見于常二段中部以及常三段上部，表現(xiàn)為在石英顆粒邊緣形成一圈泥鐵質(zhì)膜，局部可見泥鐵質(zhì)斑狀分布，部分的泥質(zhì)重結(jié)晶為伊利石（圖5h）。

圖3 山西黎城常州溝組沉積特征Fig.3 Sedimentary characteristics of Changzhougou Formation in Licheng,Shanxi

圖4 山西黎城常州溝組砂巖巖石類型三角圖及礦物成分圖Fig.4 Triangular diagram of sandstone rock types and mineral compositions of Changzhougou Formation in Licheng,Shanxi

圖5 山西黎城常州溝組砂巖顯微照片F(xiàn)ig.5 Photomicrographs of sandstone of Changzhougou Formation in Licheng,Shanxi

3.2 砂巖結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)本次所測得的11 個樣品的粒度分析數(shù)據(jù)，山西黎城常州溝組中粒徑1～2 mm 的巨砂含量很低，僅占總量的0.48%；粒徑0.5～1 mm 的粗砂占總量的10.71%；粒徑0.25～0.5 mm 的中砂含量較高，占總量的31.31%；粒徑0.1～0.25 mm 的細砂含量最高，占總量的39.60%；粗粉砂、細粉砂及黏土級別的組分含量較少，分別占總量的6.87%、8.87%和2.17%。可見常州溝組砂巖粒度主要集中在中砂、細砂（圖6a）。

由巖石組分分析（圖4a）可知，常州溝組砂巖類型主要為石英砂巖，砂巖中石英顆粒主要為單晶，成分成熟度整體較高，這表明石英顆粒經(jīng)過長距離搬運和改造。薄片觀察及粒度分析顯示，砂巖分選以中等為主：其中分選好的占20.59%，分選中等的占52.94%，分選差的占26.47%（圖6b）。如圖5i 碎屑顆粒之間呈線接觸、凹凸接觸，局部見有縫合線接觸，支撐類型主要為顆粒支撐，雜基含量極低，整體小于5%；碎屑顆粒磨圓好—極好，基本為次圓狀—圓狀，部分碎屑顆粒呈現(xiàn)為滾圓狀，結(jié)構(gòu)成熟度高。

圖6 山西黎城常州溝組砂巖粒徑分布及分選柱狀圖Fig.6 Percentage histograms of grain size and sorting of sandstone of Changzhougou Formation in Licheng,Shanxi

4 沉積相分析

應(yīng)用野外露頭剖面觀察與實測、鏡下薄片觀察、粒度分析、X-衍射分析等資料，在對巖性標(biāo)志、結(jié)構(gòu)標(biāo)志、沉積構(gòu)造標(biāo)志等沉積相標(biāo)志進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，確定常州溝組的沉積相、亞相和微相類型，進而對研究區(qū)沉積相演化進行詳細的探討［22-26］，并建立了山西黎城中元古界長城系常州溝組沉積模式。

4.1 沉積相標(biāo)志

4.1.1 巖性標(biāo)志

（1）顏色

顏色是沉積巖最主要也是最直接的宏觀特征之一，它與自身的巖性屬性和形成環(huán)境以及后期的改造作用密切相關(guān)。研究區(qū)常二段可見紅褐色、棕紅色砂質(zhì)泥巖、泥巖（圖3d），為巖石中含鐵氧化物或者氫氧化物（如赤鐵礦、褐鐵礦等）染色的結(jié)果，代表著氧化或者強氧化的水上暴露環(huán)境。此外，連續(xù)沉積于常州溝組之上的串嶺溝組下部，見有深灰色、灰黑色泥巖（圖7a），代表了串嶺溝組沉積期處于還原或強還原的環(huán)境，水體流通較局限。

（2）巖性

不同巖石類型及其組合反映著不同的沉積環(huán)境，是進行沉積相研究最基本的標(biāo)志。研究區(qū)常州溝組巖性以石英砂巖為主，夾少量長石石英砂巖、含長石石英砂巖，常二段、常三段長石含量較常一段豐富，常三段泥質(zhì)含量較多。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)：常州溝組砂巖的礦物成分比較單一，碎屑顆粒分選為一般—好，磨圓呈次圓狀—滾圓狀，顯示出較高的成分成熟度。這表明常州溝期海平面較為動蕩，沉積物可能受到波浪反復(fù)淘洗后，導(dǎo)致長石等不穩(wěn)定礦物分解而石英含量占主導(dǎo)；常二段、常三段沉積期的波浪作用較常一段的稍弱。常三段頂部發(fā)現(xiàn)有海綠石（圖5e），證明了其海相沉積的背景；在常一段砂質(zhì)沉積中，見有由強潮流作用形成的大型沙壩（圖7b），證明常一段可能處于障壁后的低能環(huán)境；在常二段頂部發(fā)育有泥礫（圖3i），并通過對其上部串嶺溝組底部沙壩的詳細研究，識別出障壁壩存在（圖7c），這也佐證了常州溝組應(yīng)屬于障壁型海岸相。

4.1.2 沉積構(gòu)造

沉積構(gòu)造是沉積物中最常見的宏觀特征之一，原生沉積構(gòu)造可以用來確定沉積物的搬運方式、沉積速率、沉積方式及水動力條件。研究區(qū)常州溝組野外剖面的沉積構(gòu)造豐富，主要發(fā)育層理構(gòu)造、層面構(gòu)造、生物成因構(gòu)造等3類沉積構(gòu)造。

層理構(gòu)造在研究區(qū)常州溝組比較常見，主要發(fā)育平行層理、交錯層理和脈狀、波狀、透鏡狀層理等。平行層理主要發(fā)育在常一段，代表了一種急流或者高能的水體環(huán)境；交錯層理以大型、中型居多，在常一段、常二段、常三段均有發(fā)育，可進一步識別出楔狀交錯層理（圖3c）、槽狀交錯層理（圖3f）、羽狀交錯層理（圖3e,3j），表明水體整體能量較強，特別是羽狀交錯層理代表了反向水流的存在，是潮坪沉積的重要標(biāo)志之一，代表了潮間、潮下環(huán)境；脈狀、波狀（圖3l）、透鏡狀層理在常三段上部比較常見，它們是由于水動力強弱交替、沙泥間歇沉積而產(chǎn)生，是潮汐沉積中的一種典型的標(biāo)志，代表了潮間環(huán)境。

層面構(gòu)造主要為波痕（圖3a,3g），在常一段、常二段均有分布，代表了一種動蕩的水體環(huán)境。

生物成因構(gòu)造主要為大量分布的MISS構(gòu)造［27］，即微生物成因構(gòu)造，是微生物席或者微生物膜與其他物理作用營力共同作用的結(jié)果，是一種廣義的生物遺跡化石，代表了間歇性暴露的潮間環(huán)境（圖3h，3k）。

4.1.3 結(jié)構(gòu)標(biāo)志

粒度分析是判別沉積環(huán)境和水動力的良好標(biāo)志，并得到了廣泛的應(yīng)用［28-29］。根據(jù)測得的粒度數(shù)據(jù)，進行了?？撕臀挚肆６葏?shù)計算，得出常州溝組砂巖11 個樣品的平均粒徑（Φ值）為1.28～4.14（表1），以中、細粒為主；標(biāo)準偏差（σ）為1.06～2.13，分選系數(shù)為1.36～2.25，分選一般；偏度（SK）為0.41～0.67，正偏態(tài)，表現(xiàn)出粗粒組分稍占優(yōu)勢；峰度（KG）為1.12～2.07，較為尖銳。這些參數(shù)具有較強的指向性，體現(xiàn)了較強的水動力條件。

圖7 山西黎城障壁型海岸相巖性特征照片F(xiàn)ig.7 Field photos showing the lithologic characteristics of barrier coastal facies in Licheng,Shanxi

表1 山西黎城常州溝組粒度參數(shù)及環(huán)境判別表Table 1 Granularity parameters and environmental discrimination of Changzhougou Formation in Licheng,Shanxi

以上分析認為研究區(qū)屬于海岸相沉積，因此首先根據(jù)薩胡（Sahu）沉積環(huán)境判別函數(shù)的第一公式與第二公式［30］對山西黎城地區(qū)的沉積相進行判別（表1）：由第一公式（風(fēng)成沙丘與濱海的判別函數(shù)）計算的結(jié)果均判別為濱海，由第二公式（海灘與淺海的判別函數(shù)）計算的結(jié)果均判別為淺海。然后綜合野外剖面及室內(nèi)薄片資料分析，進一步明確研究區(qū)為發(fā)育潮道的障壁型海岸相潮坪沉積。

常州溝組粒度累積曲線主要為二段式或三段式（圖8），反映跳躍總體和懸浮總體2 個粒度總體，跳躍組分含量較多，懸浮組分含量較少，滾動總體比較少見。跳躍總體一般為一段或者兩段，斜率均較陡，說明其分選性好，符合潮坪砂巖的沉積特征［31］。但與現(xiàn)代潮坪沉積相比跳躍組分總體粒度偏粗，沖刷-回流界面位于粒度（Φ值）1 對應(yīng)的位置，可能與沉積物埋藏成巖過程中的經(jīng)歷有關(guān)。

圖8 山西黎城常州溝組粒度概率累積曲線Fig.8 Granularity probability cumulative curve of Changzhougou Formation in Licheng,Shanxi

4.2 沉積相類型及特征

綜合以上研究認為山西黎城中元古界長城系常州溝組主要發(fā)育障壁型海岸相碎屑巖潮坪亞相，進一步可細分為潮上帶、潮間泥坪、潮間混合坪、潮間沙坪與潮下帶等5 種沉積微相，各沉積微相的特征及分布層位見表2、圖8。

4.2.1 潮下帶

潮下帶主要分布在常一段和常三段下部，沉積期海平面處于較低的位置，碎屑物質(zhì)受到海水的淘洗，顆粒以中—細粒石英為主，碎屑物比較純凈，分選和磨圓都比較好，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度較高，發(fā)育波痕（圖3a）和板狀、楔狀（圖3b,3c）、羽狀（圖3j）交錯層理及平行層理、泥礫（圖3i）等沉積構(gòu)造。其砂巖粒度概率曲線主要為三段式（圖8），跳躍組分多為兩個次總體，含量較高，懸浮組分含量較少。

表2 山西黎城常州溝組沉積相類型及特征Table 2 Types and characteristics of sedimentary facies of Changzhougou Formation in Licheng,Shanxi

4.2.2 潮間帶

潮間帶主要分布在常二段和常三段上部，沉積物具有泥沙混合的特點，可進一步細分為沙坪、混合坪、泥坪。沙坪沉積物出現(xiàn)羽狀（圖3e）、楔狀交錯層理和平行層理、波痕（圖3g）等沉積構(gòu)造；混合坪沉積物發(fā)育脈狀、波狀（圖3l）、透鏡狀層理和MISS 構(gòu)造（圖3h,3k）、波痕等；泥坪以粉砂巖、泥巖沉積為主，發(fā)育水平紋層、波狀紋層等。此外，潮間帶還發(fā)育槽狀交錯層理（圖3f），可能是其中發(fā)育有潮道所致，其砂巖粒度概率曲線主要呈現(xiàn)為兩段式或三段式（圖8），以跳躍組分為主，跳躍組分為一段或者兩段，懸浮組分次之。

4.2.3 潮上帶

研究區(qū)潮上帶分布較少，僅在常二段中部少量發(fā)育，主要由泥巖或粉砂質(zhì)泥巖組成，泥巖顏色多呈紫紅色、棕紅色等氧化色（圖3d），發(fā)育細小的平行紋層、波狀紋層。

4.3 沉積模式

通過對巖石學(xué)特征和沉積環(huán)境的分析，并結(jié)合前人的研究，認為研究區(qū)常州溝期構(gòu)造運動穩(wěn)定、古地貌平緩，沉積物分布主要受物源及水深變化的影響，主要發(fā)育障壁型海岸相碎屑巖潮坪沉積，研究區(qū)內(nèi)潮汐作用顯著，沉積物被海水改造明顯。常一段沉積期水體較深、能量高，發(fā)育以砂質(zhì)為主的潮下帶，并在水下形成沙壩。至常二段沉積早期，水體逐漸變淺，發(fā)育潮間帶沙坪及暴露在水上的以紅褐色泥巖沉積為主的潮上帶；隨后，常二段沉積中晚期海水動蕩，水體總體呈加深趨勢，主要發(fā)育潮間帶（泥坪、沙坪）沉積。到了常三段沉積期，水體再次變淺，向上發(fā)育潮下帶—潮間混合坪沉積。研究區(qū)障壁型海岸相碎屑巖潮坪沉積模式如圖9 所示。

圖9 山西黎城常州溝組障壁型海岸沉積模式Fig.9 Barrier coastal depositional model of Changzhougou Formation in Licheng,Shanxi

5 結(jié) 論

（1）山西黎城中元古界長城系常州溝組以石英砂巖和長石石英砂巖為主，夾少量泥頁巖或砂質(zhì)泥巖，其成分成熟度與結(jié)構(gòu)成熟度均較高。粒度主要以中砂、細砂為主，概率累積曲線具有二段式、三段式，反映以跳躍組分、懸浮組分為主，跳躍組分斜率大，表明分選較好。碎屑顆粒磨圓好—極好，基本為次圓狀—圓狀，部分呈現(xiàn)為滾圓狀；碎屑物質(zhì)主要為石英，膠結(jié)類型以硅質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)為主，顆粒支撐，接觸類型主要為線接觸、凹凸接觸，雜基含量極低，結(jié)構(gòu)成熟度高。

（2）根據(jù)巖性及組合特征認為常州溝組沉積環(huán)境主要為障壁型海岸相碎屑巖潮坪。常一段巖性主要為細粒石英砂巖，為潮下帶沉積；常二段巖性主要為石英砂巖、長石石英砂巖，為潮上帶—潮間沙坪沉積；常三段巖性主要為細粒石英砂巖，夾少量長石石英砂巖，為潮下帶—潮間混合坪沉積。常州溝組沉積過程中水動力條件變化為強—弱—強—弱的過程，海平面變化表現(xiàn)為上升—下降—上升的特征。建立了障壁型海岸相碎屑巖潮坪沉積模式。