艾 驍， 陳相兆， 孫柏濤

(中國地震局工程力學(xué)研究所， 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室， 哈爾濱 150080)

大同盆地云崗地區(qū)主要出露侏羅統(tǒng)陸源碎屑巖層系，出于地理位置的特殊性，對于大同盆地云崗地區(qū)的地質(zhì)研究，前人多集中于下侏羅統(tǒng)含煤層系，對中侏羅統(tǒng)河流相沉積的研究較少。同時，對于中侏羅統(tǒng)河流相沉積的研究，不同學(xué)者的研究成果也存在著分歧。陳庸勛等[1]認為中上侏羅統(tǒng)與下侏羅統(tǒng)雖然均為河流沉積，但具體沉積類型有所差別。其中下侏羅統(tǒng)接近平原型河流沉積，而中上侏羅統(tǒng)則為山間型河流沉積。王隨繼[2]則認為中侏羅世早期形成的曲流河沉積體系與下侏羅統(tǒng)含煤層系共生，并于中侏羅世中期演化成了辮狀河沉積體系。范雪松等[3]研究發(fā)現(xiàn)，大同盆地侏羅系因受后期河流切割和構(gòu)造作用的破壞，盆地充填序列在不同地區(qū)呈現(xiàn)不同巖性組合，進而嚴重影響了盆地沉積相空間變化特征研究。

鑒于上述原因，許多學(xué)者至今仍在進行著大同盆地侏羅系地層的研究工作。蘆建軍[4]對大同盆地沉積相進行系統(tǒng)分析，確定了山西侏羅紀地層與鄂爾多斯盆地侏羅紀地層具有等時性，且空間上為鄂爾多斯盆地侏羅紀地層的邊緣沉積。陳彬滔等[5]通過對云崗地區(qū)野外露頭的考察，著重分析了其砂質(zhì)辮狀河的巖相及構(gòu)型特征。任曉旭等[6]對山西大同侏羅系云崗組經(jīng)典砂質(zhì)辮狀河露頭進行考察,劃分了8種構(gòu)型要素類型及其內(nèi)部巖石相組合模式。為此，將研究區(qū)確定在大同盆地中侏羅統(tǒng)出露最佳的云崗地區(qū)，對露頭剖面進行實測與分析，對石窟段進行有關(guān)地層沉積結(jié)構(gòu)、沉積相類型及演化特征的研究。明確各期次辮狀河沉積的巖相組合與沉積結(jié)構(gòu)特征，并通過剖面及其相應(yīng)巖性特征之間的對比揭示各期次辮狀河沉積于時間與空間上的聯(lián)系，首次形成了該區(qū)的辮狀河沉積模式概圖。希望對今后進一步的探討該地區(qū)原始沉積面貌、沉積環(huán)境演化、資源開采等工作提供參考。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

大同盆地位于山西省北部，東經(jīng)112°15′～114°17′，北緯39°05′～40°33′，包括大同市、大同縣、懷仁縣、山陰縣、應(yīng)縣、渾源市、朔州市等7個縣市，平原區(qū)總面積約為7 440 km2。盆地周邊均以斷裂和基巖山區(qū)為邊界，其中北北東、北東向斷裂構(gòu)成盆地的基本構(gòu)造輪廓，盆地內(nèi)部又可分為多個次一級的構(gòu)造單元：懷仁凹陷、黃花梁凸起、陽高凹陷、冊田凹陷及馬營凹陷[7](圖1)。大同盆地由山西高原發(fā)展演化而成，其為大陸巖石圈伸展破裂區(qū)，具有裂谷的構(gòu)造特點[8-9],盆地及周鄰山區(qū)由于晚二疊世初-三疊世初西伯利亞板塊與華北板塊發(fā)生強烈碰撞，在三疊世發(fā)生強烈隆升，而未接受任何沉積。之后形成了陸內(nèi)具繼承性質(zhì)的早-中侏羅世第一世代含煤盆地[10]。

圖1 大同盆地內(nèi)部構(gòu)造及研究區(qū)位置Fig.1 Structural characteristics in Datong Basin and the location of study area

1.2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大同市西北部的晉華宮煤礦處，王隨繼[2]通過對此處野外露頭的研究，得出此處古河流流向為187°。該區(qū)主要發(fā)育地層為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系和侏羅系的地層。其中，本文研究的目的層段為中侏羅統(tǒng)云崗組中段，即石窟段(圖2)，其主要由黃綠色、暗紅色砂巖及泥巖組成，厚100～210 m[10-11]。沉積了巨厚層的辨狀河河流相砂巖，砂巖結(jié)構(gòu)和沉積構(gòu)造特征豐富，且本區(qū)著名的景點“云岡石窟”即為石窟段砂巖。

圖2 大同盆地地層表Fig.2 Stratigraphic column of Datong Basin

本文研究主要選取晉華宮正門東北處公路轉(zhuǎn)彎處的A-A′剖面以及沿晉華宮正門處公路西側(cè)約700 m處的B-B′及C-C′三條剖面(圖1)。

2 辮狀河沉積特征

辮狀河作為河流相儲層非常重要的類型之一，是中國油氣資源主要的碎屑巖儲集體[12-13]。眾多學(xué)者從復(fù)合河道、單一河道、河道內(nèi)部心灘壩等分級次闡述了辮狀河的沉積模式及其垂向、側(cè)向上的砂體疊置關(guān)系，并根據(jù)沉積層理、粒度變化等規(guī)律，進行辮狀河古水流恢復(fù)的研究[14-20]。典型的辮狀河通常顯示出的沉積特征為：沉積物粒度較粗，以礫石和砂質(zhì)沉積為主，局部夾有粉砂和黏土，于垂向上常常形成“砂包泥”的宏觀沉積特征，通常溢岸細粒沉積不發(fā)育。其側(cè)向變道頻繁，層理反應(yīng)較強的水動力，底部常見沖刷面或滯留沉積物，槽狀交錯層理發(fā)育，且大型槽狀交錯層理下部常有平行層理伴生[21-27]。

通過對該區(qū)的野外露頭觀察,可發(fā)現(xiàn)研究區(qū)辮狀河沉積微相類型主要為：河道、心灘和溢岸沉積，其中溢岸沉積主要為廢棄河道與泛濫平原的細粒沉積，這有別于人們所了解的辮狀河溢岸細粒沉積不發(fā)育的特征。

2.1 河道沉積

河道沉積通常顯示為辮狀河道底部的滯留及沖刷沉積，其沉積物主要由粗砂巖、含礫砂巖組成。通常層理不發(fā)育，與下伏層呈沖刷侵蝕接觸, 一般具明顯的沖刷面。研究區(qū)河道沉積主要體現(xiàn)為沉積物主要由砂礫巖組成且具有明顯的沖刷面。

2.2 心灘

心灘為辮狀河沉積的典型相特征，心灘壩砂體厚度一般大于河道沉積，剖面上形態(tài)顯示為“上凸下平”的特征，雖然整體粒度較粗但仍顯示出向上逐漸變細的趨勢。沉積構(gòu)造主要發(fā)育有槽狀交錯層理、底面沖刷，且大型槽狀交錯層理下部常有平行層理伴生，反映了較強的水動力條件。除此以外，在有些心灘壩內(nèi)部可見細粒物質(zhì)沉積，即“落淤層”。

2.3 溢岸沉積

研究區(qū)溢岸沉積主要包括廢棄河道及泛濫平原：廢棄河道沉積于曲流河沉積中較為常見，實際上在辮狀河中由于水流的頻繁改道，也可形成相應(yīng)的廢棄河道，沉積物主要為細粒沉積；泛濫平原為河道帶之間存在的與之相對的古地貌高地，雖然辮狀河水流頻繁改道，但仍有部分泛濫平原保留了下來。研究區(qū)廢棄河道主要為褐紅色泥巖充填，泛濫平原沉積整體顯示為泥巖與砂巖互層的現(xiàn)象，且于局部地區(qū)可見到具有曲流河沉積特征的近似“二元結(jié)構(gòu)”。

3 研究區(qū)剖面分析

本次于研究區(qū)所觀察到的三個剖面的分級原則采用了Miall[28]提出的一套由0級到8級的界面劃分方案：零級界面為紋層的界面；一級界面為交錯層的層系界面；二級界面為層系組界面；三級界面相當(dāng)于砂間發(fā)育的泥礫巖界面；四級界面相當(dāng)于大型沉積底形的頂、底面，通常是小型河道(水道)的底沖刷面或是側(cè)積、前積層的頂面；五級界面為河道充填復(fù)合體的大型砂的界面；六級界面為一組大型水道(河道)或古河谷的底面，可以是地震單元的反射面；七級界面為分散的異生事件主沉積體的邊界；八級界面為盆地充填復(fù)合體界面，是區(qū)域性的不整合面，響應(yīng)于大陸級或全球級的地質(zhì)事件。

對于此套界面劃分方案，其劃分原則有三條：①任何一級界面都可以被同級或較高級別的界面所削蝕，但不能被較低級的界面所切割；②由于界面通常記錄侵蝕事件，所以根據(jù)侵蝕時間之后，而不是之前的特征來確定界面往往更合乎邏輯。如大型床沙底形的頂面受四級界面所限定，除非被大型河道切割外，其底面一般由五級界面所構(gòu)成；③一至三級界面橫向上或側(cè)向上可以改變級別，如層系界變成層系組界。

3.1 A-A′剖面

A-A′剖面中可辨別出8組巖相(表1)，總體被兩組橫向延伸的泥巖層(即三級界面)分成4組大的沉積構(gòu)造，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ(圖3)，以下對于幾組沉積構(gòu)造進行分述。

圖3 A-A′剖面素描圖Fig.3 Sketch map of A-A′ section

表1 石窟段A-A′剖面巖相描述

Ⅰ組沉積構(gòu)造中可細分為兩組沉積構(gòu)造，其分組界面為一期河道沖刷面即四級界面，將此兩組沉積構(gòu)造分別編號為Ⅰ1、Ⅰ2進行分述。

Ⅰ1組巖性總體顯示為灰色含礫粗砂巖，其中夾少量褐紅色粉砂質(zhì)泥巖紋層，沉積構(gòu)造于下方多處可見到大型槽狀交錯層理，并且常有平行層理伴生圖4(a)、圖4(b)，且局部可見泥礫圖4(c)，代表此時水流沖刷能量較強。

Ⅰ2組巖性總體顯示為灰色含礫粗砂巖，Ⅰ1組中的褐紅色粉砂質(zhì)泥巖紋層消失，且不含泥礫，沉積構(gòu)造整體可見到小型槽狀交錯層理圖4(d)，代表著較弱的水流沖刷能量。

Ⅱ組中的巖性整體為灰色含礫粗砂巖，沉積構(gòu)造于局部可見大型槽狀交錯層理[圖4(e)]。

Ⅲ組沉積構(gòu)造中通過薄泥巖層界面(即三級界面)可細分為三組沉積構(gòu)造，將此三組沉積構(gòu)造編號為Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3進行分述。

Ⅲ1組巖性總體顯示為灰-黃色含礫粗砂巖，且下部與褐紅色泥巖接觸，沉積構(gòu)造于下部可見到典型滯留沉積現(xiàn)象[，圖4(f)]并有大型槽狀交錯層理。

Ⅲ2～Ⅲ3組沉積巖顏色整體偏黃，仍顯示為粗砂巖且不含礫，粒度向上有變細的趨勢但最細處仍為中砂巖。沉積構(gòu)造整體顯示為小型槽狀交錯層理。Ⅲ3中部夾一組褐紅色泥巖，整個泥巖層呈下凹上平的河道形狀，顯示一期廢棄河道的泥質(zhì)充填[圖4(g)]。

Ⅳ組巖性整體呈現(xiàn)兩組泥巖夾中間一層砂巖的現(xiàn)象且砂巖為中-粗粒砂巖，并且可見下方泥巖組夾砂礫巖透鏡體[圖4(h)]，泥巖整體由下至上逐漸由泥質(zhì)粉砂巖向泥巖過度。

圖4 A-A′剖面典型沉積構(gòu)造野外照片F(xiàn)ig.4 Typical sedimentary structure photos of A-A′ section

Ⅴ組沉積構(gòu)造被中間一組泥質(zhì)沉積劃分成兩小組，將此兩組與中間一組泥質(zhì)沉積構(gòu)造編號為Ⅴ1、Ⅴ2、Ⅴ3進行分述。

Ⅴ1組砂巖顏色總體由白色變?yōu)辄S色，下部為含礫粗砂巖，向上漸變?yōu)槟噘|(zhì)粉砂巖。沉積構(gòu)造可見到大型槽狀交錯層理及水平層理。

Ⅴ2組泥巖整體顯示為漸變的過程，由褐紅色泥質(zhì)粉砂巖漸變?yōu)槟鄮r，下部可見泥質(zhì)粉砂巖中夾薄層砂巖透鏡體。沉積構(gòu)造可見水平紋理。

Ⅴ3組泥巖整體為灰色中砂巖，沉積構(gòu)造于下部可見沖刷面、板狀交錯層理及多期滯留沉積，至上部可見到小型槽狀交錯層理。

綜上所述，A-A′剖面巖性整體顯示為中-粗粒砂巖，沉積物粒度較粗，且局部含礫，總體可分為四期沉積構(gòu)造：Ⅰ期沉積構(gòu)造即Ⅰ、Ⅱ組，兩組沉積構(gòu)造整體顯示為底平上凸的形態(tài)，且上部與泥巖接觸，內(nèi)部可見平行層理、槽狀交錯層理等典型沉積構(gòu)造現(xiàn)象，可判斷Ⅰ、Ⅱ組為側(cè)向疊置的心灘沉積；Ⅱ期沉積構(gòu)造為第Ⅲ組，其中下部沉積構(gòu)造顯示了較強的水動力條件，上部沉積構(gòu)造顯示了較弱的水動力條件，表明雖然Ⅲ組中河道頻繁遷移，但水動力條件逐漸減弱，直至最后廢棄出現(xiàn)廢棄河道沉積；隨著Ⅱ期沉積的結(jié)束，河道繼續(xù)不斷遷移，但水流作用變?nèi)?，故形成了Ⅲ期沉積即第Ⅳ組的溢岸沉積；Ⅲ期沉積結(jié)束以后，水流作用有所變強，加上河道的頻繁遷移，溢岸沉積遭到?jīng)_刷并于最終形成第Ⅳ期的沉積構(gòu)造，即Ⅴ組。

3.2 B-B′剖面

B-B′剖面中可辨別出4組巖相(表2)，其總體可分成兩期大的河道充填，即Ⅰ、Ⅱ，兩期之間分界面為五級界面(圖5)，以下對于兩期沉積構(gòu)造進行分述。

圖5 B-B′剖面素描圖Fig.5 Sketch map of B-B′ section

表2 石窟段B-B′剖面巖相描述表

Ⅰ組整體沉積構(gòu)造中根據(jù)小型河道沉積間的沖刷面即四級界面可細分為四期小型河道沉積[圖6(a)]，將此四期小型河道沉積分別編號為Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ4進行分述。

Ⅰ1組巖性為灰色粗砂巖，沉積構(gòu)造于中部見平行層理[圖6(b)]，至兩側(cè)變?yōu)樾⌒筒蹱罱诲e層理。

圖6 B-B′剖面典型沉積構(gòu)造野外照片F(xiàn)ig.6 Typical sedimentary structure photos of B-B′ section

Ⅰ2組巖性為黃色粗砂巖，沉積構(gòu)造可見大型槽

狀交錯層理，下部大型槽狀交錯層理伴生平行層理[圖6(b)]。

Ⅰ3組巖性為黃色粗砂巖，沉積構(gòu)造可見大型槽狀交錯層理[圖6(c)]。

Ⅰ4組巖性為灰色粗砂巖，沉積構(gòu)造于下部可見到兩組滯留沉積，兩組滯留沉積間隔隨短但仍能見到粒度由下至上變細的趨勢，滯留沉積上方可見到大型槽狀交錯層理[圖6(d)]。

Ⅱ組巖性與Ⅰ組相比較細，但整體仍顯示為含礫粗砂巖，與Ⅰ組相同，根據(jù)沖刷面可分成兩期小型河道沉積，將此兩期小型河道沉積分別編號為Ⅱ1、Ⅱ2進行分述：

Ⅱ1組巖性底部為滯留沉積砂礫巖，至上部黃色與灰色粗砂巖交互出現(xiàn)，但黃色砂巖較粗，灰色砂巖較細，局部顯示為下粗上細的正韻律[圖6(e)]，向上砂巖厚度逐漸減薄。隨著砂巖厚度的減薄，其沉積構(gòu)造也整體呈現(xiàn)出由下部的大型槽狀交錯層理過渡至上部的小型槽狀交錯層理，顯示了由強至弱的水動力條件。

Ⅱ2組巖性顯示為灰色粗砂巖，砂巖厚度與Ⅱ1組相比繼續(xù)減薄，于下部可見沖刷面，且最上部為薄層泥巖所覆蓋，沉積構(gòu)造整體為小型槽狀交錯層理。如上所述，B-B′剖面巖性總體顯示為兩期沉積構(gòu)造，Ⅰ期即第Ⅰ組，其巖性均為粗砂巖，沉積構(gòu)造幾乎均為大型槽狀交錯層理與平行層理，顯示了較強的水動力條件，顯示了辮狀河道多期沖刷、水淺流急、頻繁往復(fù)遷移的多期河道沉積特性；Ⅱ期沉積構(gòu)造即第Ⅱ組，總體形態(tài)顯示為下平上凸且上部有薄層泥巖層覆蓋，巖性為砂礫巖及中、粗砂巖，沉積構(gòu)造于下部可見典型滯留沉積，層理也由最下部的平行層理逐漸過渡至上部的小型槽狀交錯層理，由下及上顯示了水流強度逐漸減弱的趨勢，即Ⅱ期沉積為心灘沉積。B-B′剖面與A-A′剖面相比主要表現(xiàn)出辮狀河道水動力較強及其頻繁遷移的特性。

3.3 C-C′剖面

由于C-C′剖面整體延伸較遠，進行整體描述較復(fù)雜，故選取了其中最有代表性的三個部分進行詳述，即X-X′、Y-Y′、Z-Z′(圖7)。

圖7 C-C′剖面素描圖Fig.7 Sketch map of C-C′ section

X-X′剖面根據(jù)其巖石的顏色、粒度及產(chǎn)狀判斷整體的巖性為B-B′剖面中Ⅱ期沉積層位中的巖石，整體顯示為含礫粗砂巖，黃色與灰色粗砂巖交互出現(xiàn)，但黃色砂巖較粗，灰色砂巖較細，局部顯示為下粗上細的正韻律，向上砂巖厚度逐漸減薄。故可將C-C′剖面東側(cè)與B-B′剖面西側(cè)相連接(圖8)。

圖8 C-C′剖面東側(cè)與B-B′剖面西側(cè)連接處素描圖Fig.8 Sketch map of the connection between the east side of C-C′ section and the west side of B-B′ section

圖7中可見B-B′剖面中Ⅱ期沉積巖層在往西側(cè)延伸過程中體現(xiàn)了一個逐漸減薄至增厚的過程，導(dǎo)致C-C′剖面中總體顯示為Ⅱ期沉積巖層，Ⅰ期沉積巖層逐漸減薄至消失。其總體沉積構(gòu)造與B-B′剖面中觀察到的大體一致，包括大型槽狀交錯層理、小型槽狀交錯層理及平行層理。

沿X-X′剖面繼續(xù)往西側(cè)延伸將至Y-Y′處可見到最底層出現(xiàn)泥質(zhì)沉積(圖9)，Y-Y′剖面砂巖總體為上凸下平的形狀，其中可觀察到整體顯示由下至上沉積構(gòu)造從大型槽狀交錯層理過渡為小型槽狀交錯層理，最上方可見泥質(zhì)粉砂巖沉積，Ⅱ期沉積巖層夾有典型泥巖條帶，寬約0.7 m，延伸距離很遠，為落淤層(圖10)，其整體呈現(xiàn)出心灘沉積的特征。

圖9 X-X′剖面與Y-Y′剖面間泥質(zhì)沉積出露點Fig.9 Mud sediments between X-X′ section and Y-Y′ section

圖10 Y-Y′ 剖面內(nèi)部落淤層沉積素描圖Fig.10 Sketch map of silt layer deposit inside the Y-Y′ section

隨著泥質(zhì)沉積及落淤層的出現(xiàn)，Y-Y′剖面西側(cè)泥質(zhì)沉積越來越多，于西側(cè)觀測到了近似曲流河沉積特征的“二元結(jié)構(gòu)”。其由下至上沉積顆粒逐漸變細，最下部為黃色中砂巖且偶見小型槽狀交錯層理，向上變?yōu)辄S色薄層細砂巖但無明顯的沉積構(gòu)造，再向上顆粒繼續(xù)變細，直至最終變化為夾中砂巖透鏡體的褐紅色紋層狀泥巖沉積(圖11)。

圖11 “二元結(jié)構(gòu)”及其巖性分析Fig.11 Structure of river binary phase and its lithology analysis

Z-Z′剖面整體呈現(xiàn)砂泥互層的現(xiàn)象，泥層與砂層厚度大致相當(dāng)，泥巖呈褐紅色，發(fā)育水平層理，砂巖為中粗粒砂巖，主要呈塊狀與泥巖互層(圖12)。

圖12 Z-Z′剖面沉積構(gòu)造野外照片F(xiàn)ig.12 Sedimentary structure photos of Z-Z′ section

如上所述，C-C′剖面雖然整體延伸較遠，但通過對X-X′、Y-Y′、Z-Z′剖面及一些典型現(xiàn)象的分析，C-C′剖面整體表現(xiàn)了一個由東向西從河道沉積逐漸過渡至溢岸沉積的現(xiàn)象。

3.4 研究區(qū)辮狀河沉積特征

經(jīng)過上述對研究區(qū)典型的三處開鑿剖面的詳細分析后，將其整體按照自西向東的方向建立研究區(qū)各剖面間的對比圖(圖13)。圖13中可見，C-C′剖面自西向東泥質(zhì)沉積逐漸減少，由“二元結(jié)構(gòu)”逐漸過渡至B-B′剖面中的中粗砂巖與砂礫巖沉積。繼續(xù)向東至A-A′剖面，其巖性整體顯示為中-粗粒砂巖，沉積物粒度較粗，且局部含礫，可分為四期沉積構(gòu)造，總體顯示為河道與泛濫平原的沉積特征。通過上述分析，可見研究區(qū)自西向東的沉積相橫向變化趨勢大致為泛濫平原—河道沉積—泛濫平原。

圖13 研究區(qū)整體剖面間對比Fig.13 Comparison of overall sections in the study area

通過對三處開鑿剖面的整體分析，明確了其沉積相的橫向變化趨勢。筆者以此趨勢為出發(fā)點，并結(jié)合前人對研究區(qū)古河流流向的判斷，形成了研究區(qū)沉積相模式概圖(圖14)。

圖14 研究區(qū)沉積模式概圖Fig.14 Sedimentary model of the study area

4 結(jié)論

通過對研究區(qū)野外露頭中三條典型剖面的實測與分析，全面地總結(jié)了石窟段河流相沉積特征，并得出了如下結(jié)論。

(1) 研究區(qū)同時發(fā)育三種辮狀河道沉積亞相，其中河道沉積及心灘總體顯示出辮狀河道水淺流急，側(cè)向變道頻繁的特點。溢岸沉積于研究區(qū)主要為廢棄河道及泛濫平原沉積，沉積物為細粒沉積且于部分地區(qū)出現(xiàn)了類似曲流河沉積特征的似“二元結(jié)構(gòu)”。

(2)通過開鑿剖面間的橫向?qū)Ρ龋梢娧芯繀^(qū)沉積相大致按照自西向東的方向呈現(xiàn)出泛濫平原-河道沉積-泛濫平原的變化趨勢。

(3)根據(jù)研究區(qū)辮狀河沉積特征及由西向東的沉積相變化趨勢，形成了研究區(qū)沉積相模式概圖。古河流大致沿著自北向南的方向由北部山間匯入大同盆地，形成辮狀河道沉積，且于本次研究中可明確觀測到河道沉積、心灘、泛濫平原及廢棄河道這四種沉積亞相。