遼西義縣棗茨山金剛山層古湖盆相沉積特征

遼西義縣棗茨山金剛山層古湖盆相沉積特征

晚中生代是中國東部高度伸展變形和裂谷作用的時期，形成了廣泛發(fā)育的裂谷盆地與伸展盆地的聯(lián)合系統(tǒng)。遼西地區(qū)位于中國東部北東或北北東向裂陷盆地帶的西部,該區(qū)自西向東發(fā)育有侏羅紀至早白堊世形成、演化的北票盆地、建昌盆地、金嶺—羊山盆地、阜新—義縣盆地,早白堊世義縣組廣泛分布于這些中生代盆地中。其中阜新—義縣盆地最具代表性,義縣盆地為阜新—義縣盆地中大凌河以南的次級凹陷區(qū),盆內(nèi)馬神廟—刀把地—三百壟—金剛山一帶為義縣階標準地層剖面出露地區(qū)(圖1)。近東西向的剖面為一套基性—中基性—中性—中酸性陸相噴發(fā)火山巖系,在其火山活動噴發(fā)間歇期形成了7個河湖相沉積夾層。義縣盆地內(nèi)義縣組頂部金剛山層沉積較為穩(wěn)定,從大定堡鄉(xiāng)中老虎溝以東,向北經(jīng)金剛山、棗茨山、佟綠山至羊草溝均有出露,在前楊鄉(xiāng)尖山子至吳家溝一帶,因斷層切割而殘存,由于受北北東向斷層的影響向北缺失。金剛山層屬義縣組頂部湖泊相沉積,富產(chǎn)鳥類、滿洲龜、滿洲鱷、狼鰭魚、葉肢介、介形類、昆蟲、腹足類以及植物、木化石和孢粉等,以金剛山化石點為代表,其生物群組合序列為室井氏狼鰭魚—滿洲龜組合。棗茨山金剛山層顯示湖相沉積過程,陸源對沉積的影響重要,具有與義縣組其它下伏沉積層相似的構(gòu)造背景。加強對義縣組建階剖面的典型剖面沉積巖石學、沉積相的研究,將為揭示早白堊世早期熱河生物群的生存古環(huán)境、古生態(tài)、古地理提供翔實的科學依據(jù)。1地層組成和層位金剛山層典型剖面位于義縣前楊鄉(xiāng)棗茨山北坡西山,剖面總厚度約60m左右(圖2)。義縣組頂部代表義縣期火山韻律的結(jié)束期,義縣盆地內(nèi)金剛山層具有正常、完整的湖盆充填和演化的沉積組合層序。依其巖石組成,剖面自下而上又可劃分為下、中、上三大組成部分。下部為一套與中基性火山作用有關(guān)的長石巖屑砂礫巖、長石巖屑凝灰?guī)r、含礫凝灰?guī)r、凝灰?guī)r,夾1～2層質(zhì)純膨潤土沉積層,頂部出現(xiàn)膨潤土化粉砂巖沉積層,該部分總厚度達35m;中部為一套湖坪相泥灰?guī)r、膨潤土化粉砂巖、膨潤土化粉砂質(zhì)頁巖、泥巖組合,厚約16m;上部為灰白色紙片狀頁巖、粉砂質(zhì)頁巖組合,為金剛山層古生物化石的主要賦存層位,厚約7m。沉積層組合特征指示了早白堊世的義縣期晚期該區(qū)域古湖盆沉積存在有湖盆邊緣沉積相、盆緣淺水湖坪相以及半深湖盆相古地理組合特征。1.1沉積相與韻律特征棗茨山金剛山層典型剖面下伏氣孔安山巖,氣孔定向拉長,巖石構(gòu)造裂隙發(fā)育,裂隙內(nèi)充填大量的灰綠色凝灰質(zhì)沉積(圖3a)。金剛山層下部發(fā)育的厚層火山碎屑巖沉積組合由灰綠色長石巖屑凝灰質(zhì)砂礫巖、雜色礫巖、灰白色含礫凝灰?guī)r以及薄層狀的凝灰?guī)r沉積層構(gòu)成,又可進一步詳細劃分為3個次一級粗—細粒序正遞變韻律。第1韻律由①～⑨沉積亞層組成,該韻律粗粒序沉積亞層為①～⑥,主要為灰綠色長石巖屑凝灰質(zhì)砂礫巖、灰綠(白)色凝灰?guī)r以及含粘土質(zhì)團塊凝灰?guī)r組成,礫石以安山質(zhì)巖屑為主,呈棱角狀,含量達20%～30%,局部沉積亞層含少量的鐵質(zhì)結(jié)核,結(jié)核大小為2～3cm,弱沉積層理發(fā)育。沉積亞層③中部夾3層翠綠色凝灰質(zhì)長石巖屑凝灰?guī)r(圖3b)。細粒沉積亞層⑦～⑨為土黃色凝灰?guī)r、灰綠色致密塊狀凝灰?guī)r。第2韻律由第⑩～(15)亞層組成,該韻律粗粒序沉積亞層包括(10)、(11),為雜色礫巖、凝灰質(zhì)礫巖、含礫長石晶屑凝灰?guī)r。雜色礫巖中礫石以巖屑為主,少見晶屑,礫石大小以3～5cm為主,含量高達40%?；野咨屹|(zhì)礫巖中礫石主要以凝灰?guī)r、扁平硅質(zhì)巖為主,礫石大小5～10cm,偶見30cm巨礫,礫石含量急劇降至5%?；野咨[長石晶屑凝灰?guī)r,晶屑約占5%,具層內(nèi)正粒序遞變層理。韻律細粒沉積為(12)～(15)的硅化凝灰?guī)r、土黃色凝灰?guī)r以及質(zhì)純膨潤土沉積亞層。第3韻律由(16)～(18)沉積亞層組成,該韻律與前2者具明顯差異,表現(xiàn)為粗粒序沉積部分明顯變細,巖性為灰白色含礫凝灰?guī)r,層內(nèi)向上遞變?yōu)榛揖G色凝灰?guī)r,單層厚度達7.76m。細粒序的(17)、(18)沉積亞層為土黃色凝灰?guī)r,局部膨潤土化,形成膨潤土團塊,其內(nèi)常含少量炭化植物化石碎片。1.2金剛山層沉積相特征金剛山層中部由(19)～(37)沉積亞層組成,主要巖性為膨潤土化粉砂巖、黑—灰互層狀頁巖、灰白色鈣質(zhì)粉砂巖、膨潤土化頁巖、灰白色沉凝灰?guī)r及泥灰?guī)r、含方解石細脈泥灰?guī)r等,形成了5個膨潤土化粉砂巖—泥灰?guī)r或膨潤土質(zhì)頁巖—泥灰?guī)r沉積韻律(表1)。第1韻律由灰綠色膨潤土化粉砂巖、膨潤土及灰綠色、米灰色泥灰?guī)r組成,其厚約3.46m,該韻律層非碳酸鹽巖沉積向上膨潤土含量逐漸增高;第2韻律自下而上為膨潤土、膨潤土化粉砂巖及含膨潤土泥灰?guī)r、含方解石細脈灰?guī)r,其厚約2.34m,韻律內(nèi)的碳酸鹽巖沉積向上呈膨潤土含量減低趨勢,且泥灰?guī)r、灰?guī)r中出現(xiàn)大量的方解石細脈;第3沉積韻律巖性為黑褐色紙片狀頁巖、黑—灰色紋層泥質(zhì)頁巖及膨潤土質(zhì)泥灰?guī)r組成,其厚約1.97m;第4韻律巖性主要為灰白色鈣質(zhì)粉砂巖、褐色膨潤土化鈣質(zhì)粉砂巖及灰白色、米灰色含方解石細脈泥灰?guī)r,其非碳酸鹽巖沉積與下伏組成不同,膨潤土含量明顯減低,韻律厚約2.81m;第5韻律由灰褐色膨潤土化粉砂巖、膨潤土質(zhì)頁巖、深黑色頁巖、灰白色鈣質(zhì)泥巖及灰白色泥灰?guī)r、含方解石細脈泥灰?guī)r組成,其中非碳酸鹽巖沉積層向上膨潤土含量遞減,且普遍發(fā)育水平層理,泥灰?guī)r中偶夾頁巖薄層,該沉積韻律厚約2.27m(圖3c,3d)。義縣組金剛山層頂部巖石主要為灰白色粉砂質(zhì)頁巖、紙片狀頁巖。巖石水平層理發(fā)育,單個沉積紋層理厚僅1mm。受沉積作用之后成巖作用影響形成的粉砂質(zhì)頁巖具有強硅化。另一類為粘土質(zhì)含量較高的紙片狀頁巖,該巖石較前者具強剝裂性。這兩類巖石為金剛山層頂部半深湖相、相對靜水相的沉積產(chǎn)物,該巖石組合為金剛山層化石賦存層位,且化石主要產(chǎn)于灰白色粉砂質(zhì)頁巖之中。義縣盆地內(nèi)的義縣組金剛山層之上覆蓋黃花山火山角礫巖,在棗茨山常形成陡崖地形。關(guān)于金剛山層及上覆黃花山層的歸屬問題長期以來意見不一,有人認為這兩個沉積層應(yīng)劃入義縣組之上的九佛堂組。義縣盆地內(nèi)的黃花山巖相和巖性分析認為其主體為火山作用參與的沉積巖系,主要為沖積扇相,黃花山層巨厚的沉積型角礫巖與火山巖型沉積,呈上下過渡關(guān)系,為義縣期火山韻律結(jié)束期的中酸性火山巖系及其沉積產(chǎn)物。黃花山層在義縣盆地內(nèi)東南部分布,近南北向展布,主要出露于宋八戶、棗茨山、劉溫屯、范家溝、大石堡一帶。黃花山角礫巖既不是正常的沉積巖類,也非純正的火山碎屑巖類,而是一套火山碎屑巖—火山碎屑沉積巖類。該巖系形成的早期以火山作用為主,向晚期的沉積巖作用為主。早期階段以火山熔巖溢流和劇烈火山爆發(fā)為主,在范家溝—大石堡地區(qū)形成酸性火山熔巖、火山碎屑巖互層,而在宋八戶—劉溫屯一帶形成成層性不明顯的巨厚層狀、粗巨礫的火山角礫巖。黃花山角礫巖層形成的晚期,形成成層性的厚—中層含粗角礫巖的中細角礫巖。2湖緣濁流形成演化金剛山層①～(18)沉積亞層以火山碎屑沉積巖為主,形成3個典型的粗—細粒度遞變沉積韻律。沉積韻律粗粒巖石單元為雜色、灰綠色含長石巖屑凝灰質(zhì)砂礫巖、礫巖、含礫凝灰?guī)r;細粒巖石單元為含礫凝灰?guī)r、灰綠色致密凝灰?guī)r、含膨潤土團塊凝灰?guī)r、質(zhì)純膨潤土沉積。每個韻律呈現(xiàn)粗—細的正粒序遞變,局部沉積亞層內(nèi)呈正粒序遞變沉積層理,厚度約占整個剖面的2/3,共達35m。3個粗—細的沉積韻律厚度分別為:19.5m,6.0m,9.2m。第1韻律粗粒巖段沉積厚度最大,而細粒巖石單元極薄;第2、3韻律極其相似,形成簡單的礫巖、含礫凝灰?guī)r正粒序遞變沉積層理。金剛山層下部的3個粗—細粒度遞變沉積為3次湖緣水下濁流沉積產(chǎn)物。大多數(shù)濁流是一種水下短暫的脈動型重力流。一次完整的脈動型濁流可分為頭部、體部和尾部三部分,且頭部流動最為紊亂,體部和尾部的流動相對平穩(wěn)。較強的流體擾動使得聚集在頭部的粗碎屑顆粒不斷被向外拋出,由于自身重力較大又掉落回頭部,結(jié)果使得頭部大量積聚較粗的顆粒,相反較細碎屑顆粒出現(xiàn)于體部和尾部。頭部相對較粗的碎屑以較快的速度發(fā)生沉降,從而形成沉積亞層內(nèi)彌散式正粒序遞變。例如第2沉積韻律底部第⑩、(11)沉積亞層以及第3韻律沉積底部第(16)沉積亞層,較粗碎屑顆粒向上變細從而形成彌散式正粒序遞變。較細碎屑顆粒由于其沉降速度緩慢,并被逐漸稀釋,從而演進為牽引流,結(jié)果形成平行(水平)層理或斜層理。金剛山層下部火山碎屑濁流沉積的細粒巖石單元主要以沉凝灰?guī)r、膨潤土沉積為主,發(fā)育水平層理。沉積韻律在沉積厚度具明顯差異,揭示了湖緣濁流作用第1次火山碎屑物質(zhì)輸入總量較多,第2、3期粗粒碎屑及細?；鹕交屹|(zhì)總量明顯減弱的地質(zhì)演化特征。金剛山層中部(19)～(37)沉積亞層為古湖盆的邊緣淺水湖坪相沉積組合。該部分沉積組合有5個沉積韻律組合構(gòu)成,前4者的沉積特征極其相似,底部為膨潤土化粉砂巖、質(zhì)純膨潤土、黑—灰(深—淺)互層頁巖沉積,頂部為灰綠色、米灰色泥灰?guī)r。每隔2.0m左右出現(xiàn)泥灰?guī)r沉積層,單個碳酸鹽巖泥灰?guī)r沉積層厚度僅0.25m,且泥灰?guī)r中泥粒度級成分含大量凝灰質(zhì),泥灰?guī)r中常發(fā)育方解石細脈,其為周期性干旱氣候條件下湖盆邊緣淺水湖坪相沉積產(chǎn)物。韻律組合中非碳酸鹽巖組合厚度變化范圍為1.5～3.0m。第5個韻律組合頂部為巨厚層狀含方解石細脈泥灰?guī)r,且層內(nèi)具向上方解石細脈增多趨勢。每一湖坪相的碳酸鹽巖沉積與下伏細?；鹕交屹|(zhì)沉積層厚度之比值變化范圍為0.11～0.47,其指示湖盆圍緣歷經(jīng)5期湖坪沉積作用,且每期之間時間間隔相等的演化規(guī)律。金剛山層頂部(38)、(39)沉積亞層巖性相對簡單,主要為灰白色膨潤土化粉砂巖—紙片狀頁巖,且未發(fā)現(xiàn)常見深水湖盆相、還原環(huán)境下形成的黑色(深色調(diào))泥頁巖。巖石水平層理發(fā)育,指示湖泊中心沉積水體較為穩(wěn)定半深湖環(huán)境,細粒懸浮質(zhì)碎屑物供給具有節(jié)律變化特征。3棗茨山金剛山層沉積相特征中元古代至義縣組形成之前,遼西義縣地區(qū)一直處于正地形的剝蝕環(huán)境,晚侏羅世末期,褶皺、逆沖作用發(fā)育,義縣組形成時期伸展斷陷作用使得該區(qū)處于快速沉降環(huán)境,形成義縣盆地雛形。進入早白堊世,義縣盆地內(nèi)區(qū)域干旱型氣候條件下,受季節(jié)性洪水作用在盆地周圍形成了小型洪(沖)積扇相、季節(jié)性流水沖積相以及湖泊相的馬神廟層、老公溝層沉積;業(yè)南溝層為湖泊—河流相的沉積組合;磚城子層、大康堡層主要以湖泊相沉積為主,且大康堡層沉積期為義縣組形成期最大湖泛期;朱家溝層為典型河道相交錯層理沉積;義縣組頂部的金剛山層為一套湖泊相沉積組合。早白堊世義縣組頂部棗茨山金剛山層詳細的沉積層研究分析得出如下幾點結(jié)論。(1)金剛山層自下而上可劃分為湖緣碎屑濁積相、淺水湖坪相和半深湖相3個沉積亞相。(2)下部湖緣碎屑沉積亞相由3個粗—細粒度遞變沉積韻律構(gòu)成,為湖盆圍緣水下碎屑濁流作用沉積產(chǎn)物。粗粒巖石單元為雜色、灰綠色含長石巖屑凝灰質(zhì)砂礫巖、灰白色含礫巖,其中常發(fā)育彌散型正粒序遞變層理;細粒巖石單元由含礫凝灰?guī)r、灰綠色致密凝灰?guī)r、質(zhì)純膨潤土和弱膨潤土化粉砂巖組成,沉積層中常具水平層理。中部湖緣湖坪相沉積由5個膨潤土化粉砂巖(或質(zhì)純膨潤土、頁巖)—泥灰?guī)r(含方解石細脈灰?guī)r)沉積韻律構(gòu)成。湖坪相的碳酸鹽巖沉積與下伏細粒火山灰質(zhì)沉積層厚度之比值分別為:0.16、0.47、0.17、0.11、0.21,指示古湖盆圍