宁夏贺兰山北段晚石炭—早二叠纪沉积环境演化特征

王学宁

摘 要：依据岩石组合和生物组合特征，将宁夏贺兰山北段的晚石炭纪至早二叠纪地层划分为土坡组和太原组两个组级岩石地层单位；岩石组合以陆源碎屑岩、石英砂岩、泥（页）岩和少量碳酸盐岩及煤层（线）沉积为主；从岩石特征、地层层序、沉积相及沉积环境演化特点看，晚石炭纪本区基底拗陷下沉，以海进作用为主，海水由南西向北东方向侵进，形成南西—北东向狭长海域，随着盆地范围的不断扩大，形成了半封闭沉积环境的海湾，至早二叠纪早期演化为陆表海环境。

关键词：贺兰山北段 晚石炭—早二叠纪 岩石特征 沉积环境演化

中图分类号：Q914 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（c）-0051-03

宁夏贺兰山北段晚石炭-早二叠纪地层发育齐全，依据岩石组合和生物组合特征，将其地层划分为土坡组和太原组两个组级岩石地层单位；其地层沉积范围基本一致，主要出露于胡鲁斯台、石炭井、李家沟、马莲滩和敖包图等地。综合地层区划属于华北地层大区（V）之晋冀鲁豫地层区（V4）之华北西缘地层分区（V41）[1]。

1 岩石地层特征

1.1 土坡组（C2t）

岩性为灰—灰白色粗—细粒石英砂岩与深灰—黑灰色粉砂岩、粉砂质页岩、页岩、泥岩呈韵律状互层，夹灰—深灰色泥灰岩、生物碎屑灰岩透镜体及薄煤层[2]。在胡鲁斯台和石炭井地区李家沟一带厚464.2m。本组不整合于下伏地层之上，与上覆地层太原组呈整合接触。

其岩石组合特征是：中、上部为石英砂岩与粉砂岩、砂质页岩、页岩呈不等厚互层，下部为石英砂岩夹页岩及灰岩透镜体，为一套三角洲相的岩石地层组合。

1.2 太原组（C2P1t）

本组与下伏的土坡组、上覆的山西组均为连续沉积。本组在贺兰山北段沉积厚度110～180m，内蒙阿左旗胡鲁斯台沉积厚度412.89m，向北向南均有变薄趋势。岩性主要以灰-灰黑色页岩、砂质页岩、泥岩为主，间夹浅灰色中厚薄层、中细粒石英岩状砂岩、石英砂岩、生物碎屑灰岩、含 2～4层可采煤层及薄煤层、煤线，在生物碎屑岩中富腕足类、蜓类等化石，页岩中富含植物化石。野外以出现灰黄色厚层砂岩、底部有一层煤的底界作为本组顶界、山西组底界的识别标志[1，2]。为一套三角洲平原亚相为主，三角洲前缘亚相次之，前三角洲亚相发育差的岩石地层组合。

2 基本层序

2.1 土坡组基本层序

（1）粉砂质泥（页）岩—砂岩—页岩夹生物碎屑灰岩向上变粗再变细层序（见图1a、b）。

该层序在土坡组的下段和上段发育。层序厚15～90m，以25～50m为主。层序下部为浅灰色粉砂质泥岩，向上为粉砂岩、细砂岩，显示自下向上逐步变粗特征，发育沙纹层理。层序中部为浅灰、灰白色中-细粒石英砂岩夹少量粉砂-细砂岩、泥（页）岩（含植物茎杆）。底部含砾石，呈现向上变细的特征明显，发育槽状交错层理、板状斜层理、平行层理等；中部与下部呈侵蚀接触。层序上部以黑色页岩为主，间夹灰岩透镜体不稳定层，偶夹煤线，在黑色页岩中含菱铁矿结核、铁钙质结核等。从沉积厚度看，中、下部沉积度均大于上部厚度。该类层序显示了三角洲前缘亚相沉积特征，上、中、下三部分分别属分属支流间湾微相、水下分流河道、河口砂坝。

（2）粉砂质页岩、粉砂岩、细砂岩—页岩夹灰岩向上变粗再变细层序（见图1b中部）。

本层序厚10～32m，构成形式和特征与上述A层序下部和上部相同，即由河口砂坝微相和支流间湾微相组成。

（3）砂岩-页岩夹灰岩向上变细层序。发育于下段和上段。层序厚14～102m。下部与上述A层序中部岩性特征相似，为明显向上变细的砂体；上部与A层序上部沉积特征相似，以黑色页岩为主，夹透镜状灰岩不稳定层，偶夹煤线。该沉积层序与A层序中-上部相近，为一套三角洲前缘亚相沉积特征，上部与下部分别属支流间湾微相和水下分流河道微相。

（4）砂岩—（粉砂岩）—泥（页）岩向上变细层序（见图1c）。该层序仅发育于上段。底部为浅灰、灰白色中层含砾钙质长石石英砂岩，自下而上粒度由粗变细，成层厚度由厚变薄；砂岩发育槽状层理、板状交错层理、平行层理、沙纹层理，层理构造由大型变为小型，显示水动力条件由强变弱；上部由深灰色泥岩、炭质页岩、煤层组成，偶夹粉砂岩。该层序为一套三角洲平原亚相沉积特征，上部与下部分别属沼泽微相和水上分流河道微相。

2.2 太原组基本层序

（1）砂岩—粉砂岩—泥（页）岩向上变细层序（图2a）。

该层序底部含砾岩，向上的砂岩成层厚度由中厚层变为中-薄层，岩石结构由中粗变为中-细粒，砂岩上部发育含丰富植物化石的炭质泥（页）岩及煤层（线）；沉积构造主要有槽状交错层理、大型板状斜层理和平行层理等。该类层序显示了一套三角洲平原亚相沉积特征，上部与下部分别属沼泽微相和水上分流河道微相。

（2）粉砂质页岩—砂岩—泥（页）岩夹灰岩向上变粗又变细层序（图2b）。层序底部含砾，下部为夹中薄层细砂岩的粉砂岩和泥（页）岩，细砂岩中发育沙纹层理；中部的中厚层中细粒砂岩中发育大型板状斜层理、槽状交错层理、平行层理等层理构造；上部以灰黑色粘土岩类（页岩、泥岩、炭质页岩）为主，夹中厚层生物碎屑灰岩及煤层、煤线。该层序为一套三角洲前缘亚相沉积特征，上、中、下三部分分别属分属支流间湾微相、水下分流河道和河口沙坝。

（3）粉砂质泥（页）岩、粉砂岩、细砂岩—（泥）页岩夹灰岩向上变粗再变细层序（图2b）。该类层序不发育。层序厚10～20m，构成形式与上述B类层序下部和上部相似，无中部水下分流河道砂体。

（4）砂岩—页岩夹灰岩向上變细层序（图2b）。该类层序一般厚15～40m。层序下部沉积特征与B层序中部砂岩相近；上部以黑色页岩、炭质页为主，偶夹灰岩、煤层（线），其沉积特征与B层序上部相近。该层序较发育，具三角洲前缘亚相沉积特征，上部与下部分别属支流间湾微相、水下分流河道微相。endprint

3 沉积相分析

3.1 土坡组沉积相

土坡组主要由陆源碎屑岩与石英砂岩、泥（页）岩和少量碳酸盐岩及煤层（线）组成，分别约占总厚度的30%、68%和2%。其沉积层序自下而上发育4个基本层序：粉砂质泥（页）岩-砂岩-页岩夹生物碎屑灰岩向上变粗再变细层序（图1a、b）；粉砂质页岩、粉砂细砂岩-页岩夹灰岩向上变粗再变细层序（图1b中部）；砂岩—页岩夹灰岩向上变细层序（图1b中-上部）；砂岩—（粉砂岩）—泥（页）岩向上变细层序（图1c）。主要的层理构造有槽状交错层理、板状斜层理、平行层理、沙纹层理4个层理，最典型层理有双向交错层理、鱼骨状层理，岩石层面上常见不对称波痕。从沉积特点分析，土坡组具有三角洲沉积环境特征，可细分为三角洲平原亚相（水下分流河道微相、分流间湾微相、沼泽微相）、三角洲前缘亚相（河口砂坝微相、远砂坝微相）和前三角洲亚相。反映当时的沉积环境应处于弱还原或还原环境，并周期性被海水淹没的过渡性环境。

3.2 太原组沉积相

该组岩性主要由陆源碎屑岩与石英砂岩、粘土岩和间夹碳酸盐岩及煤层（线）构成，分别占总厚度的32%和66%，碳酸盐岩、煤层（线）占2%左右。其沉积层序自下而上发育4个基本层序：砂岩—粉砂岩—泥（页）岩向上变细层序（图2a）；粉砂质页岩—砂岩—泥（页）岩夹灰岩向上变粗又变细层序（图2b）；粉砂质泥（页）岩、粉砂岩、细砂岩—（泥）页岩夹灰岩向上变粗再变细层序（图2b）；砂岩—页岩夹灰岩向上变细层序（图2b）。主要的层理構造：在砂岩中发育中-大型板状、楔状、槽状斜层理；在细砂岩中发育平行层理、中-小型波状斜层理和双向交错层理；在泥（页）岩中发育水平层理、沙纹层理。从沉积特点分析，太原组具有三角洲沉积环境特征，可细分为三角洲平原亚相（三角洲平原河道微相、三角洲平原泥炭沼泽微相）、三角洲前缘亚相（河口砂坝微相、远砂坝微相、支流间湾微相）和前三角洲亚相。反映当时的沉积环境应为典型的海相弱还原或还原环境，并周期性被海水淹没的过渡 性环境。

4 沉积环境演化征

根据区域地质和本区实测地质资料分析，在晚石炭世早期以前，祁连海区向东扩展至贺兰山南段，形成一个海湾，海水并未到达贺兰山中、北段；直到晚石炭世晚期，海湾继续扩大，越过灵武、银川等地，到达贺兰山中、北段，使石炭系地层由南向北逐渐上超于不同时代的老地层之上，在贺兰山北段沉积了晚石炭世早期地层土坡组及晚石炭世—早二叠世早期地层太原组[3]。

晚石炭早-中期，海湾继续沿南西-北东方向扩展，土坡组在胡鲁斯台的出露地层最全，沉积总厚度达到464.2m，其直接不整合于寒武系地层之上。在其东南的柴达朗沟、石炭井、李家沟、马莲滩一带的沉积地层该组缺失中、下部，不整合于寒武系及其他更老地层之上，表明海湾在晚石炭世早-中期末，海侵一致向北东方向发展，逐步形成一个向南西开口的海湾，土坡组的沉积过程始终处于水下高能环境[4]。

晚石炭世晚期，贺兰山地区海侵范围有所扩大，特别是海湾东部的鄂尔多斯古陆下陷，使原来的海湾与华北海连成一片。整个沉积格局发生了较大改变，使石炭系的格局变为一个广阔的海陆交互环境，而不再限于古海湾沉积环境。

晚石炭世晚期至早二叠世早期，祁连海与华北海沟通，整个华北同祁连—走廊区一样，呈现为广阔的陆表海环境。在频繁的海水进退作用下，形成了太原组三角洲相沉积。太原组以三角洲平原亚相为主，三角洲前缘亚相次之，前三角洲亚相发育差[5]。

早二叠世早期末，由于受区域构造运动的影响，本区抬升隆起，海水退出，结束了本区的海相沉积历史。

5 结语

本文通过对每个地层单元的岩石特征、地层层序、沉积相及沉积环境演化分析，笔者认为宁夏贺兰山地区石炭纪地层是由一套陆源碎屑岩、泥质岩、粘土岩及少量碳酸盐及煤层（线）组成，具三角洲沉积环境特征。从岩石特征、地层层序、沉积相及沉积环境演化特征分析，贺兰山北段早石炭世晚期-早二叠世早期地层是在基底拗陷下沉、盆地范围不断扩大的构造背景条件下形成的。其中在晚石炭早-中期，本区以海进作用为主，处于南西向开口的水下高能海湾环境。晚石炭世晚期-早二叠世早期本区演化为陆表海环境，频繁的海进、海退作用，形成了太原组的三角洲相。

参考文献

[1] 宁夏回族自治区地质矿产局.宁夏回族自治区岩石地层[M].武汉：中国地质大学出版社，1996.

[2] 白生明，王成.1∶25万吉兰泰幅（J48C001003）区域地质调查报告[R].银川：宁夏地质环境监测总站，2007.

[3] 孟祥化，葛铭.沉积建造学讲座[J].岩相古地理，1991（4）：36-40.

[4] 宁夏回族自治区地质矿产局.宁夏回族自治区区域地质志[M].北京：地质出版社，1990.

[5] 白生明，金学强，杨国安，等.宁夏回族自治区成矿地质背景研究成果报告[R].银川：宁夏国土资源调查监测院，2013.endprint