迁安山叶口常州沟组一段岩石学特征

肖竣文

摘 要：在沉积盆地分析中，对特定地质历史时期沉积的地层进行岩石学特征研究，是反映盆地演化特征和恢复古沉积环境的必要步骤。研究了迁安山叶口地区常州沟组一段的岩石学特征，对岩石沉积结构和构造进行了分析，对古水流方向进行了统计与分析，并探讨了该套地层形成时的古沉积环境。结果表明：本区常州沟组一段岩性为一套巨砾岩、砂岩，砂岩岩性以成分成熟度低的长石砂岩为主，巨砾岩砾石成分主要为成分成熟度较高的石英砂岩、石英岩和硅质岩。砾岩层序总体上表现为一个向上变细的正旋回，代表了水体向上逐渐变深的特征，3种典型的韵律特征形式。古水流优势方向为南东向，主要物源区可能位于今秦皇岛一带，沉积环境为干旱炎热气候下山间盆地中水流湍急的不成熟直流河，由于构造活动等因素逐渐向成熟的河流演变。

关键词：岩石学;砾石;层序;沉积环境

Abstract： In the sedimentary basin analysis， it is necessary to study the petrological characteristics of the strata deposited in a specific geological history period in order to reflect the evolution pattern of the basin and restore the sedimentary environment. In this paper， the petrological characteristics of the first member of the Changzhougou formation in the Shanyekou area of Qian'an are studied; the sedimentary structure of the rocks are analyzed; the paleocurrent direction is measured and analyzed; and the palaeosedimentary environment during the formation of this set of strata is also discussed. The result shows that the lithology of the first member of Changzhougou formation is a strata of boulder conglomerate and sandstone， lithology of the sandstone is mainly composed of feldspar sandstone with low compositional maturity. Gravels of the boulder conglomerate is mainly composed of quartz sandstone， quartzite and siliceous rock with high compositional maturity. In general， the conglomerate demonstrates a fining-upwards sequence， which means that the water body gradually deepens upward， and three typical rhythmic patterns can be extracted. The dominant direction of paleocurrent is toward southeast， which reveals that the main provenance may be located in the present Qinhuangdao area. The sedimentary environment of the area in the early Changzhougou stage is an immature direct river with rapid currents in the inter-mountain basin under dry and hot climate， which gradually evolve to become a mature river due to tectonic activities and other factors.

Keywords： petrological; conglomerate; sequence; sedimentary environment

古元古代末期，受呂梁运动影响，燕山地区所在的华北地台东部基底固结上升为古陆。中元古代以来，华北地台西缘隆起，产生了张性断裂。此断裂北自辽宁北票附近开始，经平泉、古北口、昔阳直到长冶附近，总体走向呈北东-南西向，成为控制燕山地区从元古宙沉积开始的盆地的主要构造（陈晋镳，1980;和政军等，1994）。常州沟组一段的厚层砾岩作为此次构造运动在燕山中段的沉积响应，至今仍保存良好。前人对该套地层的研究多以蓟县剖面为标准（孙立新等，1999;吴梦源，1985），钟焱等（2011）通过分析天津蓟县剖面常州沟组砾岩的岩性、沉积构造及粒度特征，认为其为一套海相砾岩。陈贤等（2014）认为该段具有河流相的沉积特征，并对底部河流相砂岩斜层理倾向进行了统计，结合常州沟组底部的重矿物分析，探讨了该套岩石的物源区方向。在迁安山叶口地区，常州沟组一段多见巨砾、粗砾岩，对于该区域常州沟组的岩石学特征研究，一直未见报道。本文深入探讨了此套砾岩层岩石学特征，并分析了其层序韵律特点。

1 地质概况

研究区位于河北省迁安市属唐山市管辖。构造位置地处华北克拉通北缘，位于马兰峪复式背斜的中部，构造甚为复杂（陈晋镳，1983;申庆荣等，1958;俞建章等，1964;丁文君等，2009）。长期以来，该区经历了吕梁运动、蓟县运动、燕山运动等构造活动的多次叠加形变，改造强烈。长城系发育完整，出露较好，主要分布在迁安市的西部、西南部和北部边界附近，平均厚度约千余米。长城系底部的常州沟组为一套粗碎屑岩，厚度在108.8～544.8 m之间，与下伏新太古界迁西岩群呈不整合接触，在现代地貌上表现为地形陡峻，峰林亓突（武红梅等，2011;Xiao et al.，2016）。

2 实测地层剖面特征

笔者在迁安市山叶口选择了3条剖面进行實测。现以山叶口清风足浴岭西北坡剖面（图1）为例进行描述。剖面的起点位置海拔高度188 m，常州沟组砾岩出露良好，地层连续。实测剖面长度150.4 m，其顶部为常州沟组二段红褐色厚层粗砂岩，底部可见与下伏太古宇迁西群的不整合接触面（图2a）。实测剖面描述如下：

3 岩石学研究

据剖面描述可知，迁安常州沟组一段砾岩层单层厚度多在1 m以上，最厚者可达34 m。该段岩石整体呈红色—红褐色，砾石支撑结构，分选性差。在砾石颗粒直接接触处可见刻蚀凹坑，砂质孔隙式胶结，砂岩透镜体发育。其中砾石具有很高的磨圆度，多呈圆状—次圆状，其中以巨砾和粗砾居多，平均粒径在240 mm以上（图2b）。对砾石进行取样，并挑选67件样品送河北省地矿局区调研究所进行薄片分析，分析结果表明其岩性以成分成熟度较高的石英砂岩、石英岩和硅质岩占优势，岩石分别具中—粗粒砂状结构和粒状变晶结构，石英颗粒内可见波状消光（图2c、图2d）。

砾岩层间所夹的砂岩整体为红褐色，发育板状、槽状交错层理，主要成分为成熟度极低的岩屑砂岩（76.2%）和长石砂岩（14.3%），少见石英砂岩（9.5%）。部分砂岩中含有少量的黑云母，亦指示了较低的成分成熟度。

4 沉积层序分析

研究区内常州沟组一段层序，总体上表现为一个向上变细的正旋回，代表了水体向上具有逐渐变深的特征，底部普遍发育冲刷面，共有3种典型的韵律特征形式（图3）。由图3所示，层序下部多为急流粗砾相，这一部分也是巨砾和粗砾的主要发育层段，砾石分选差。偶见巨大型板状及槽状交错层理的缓流粗砂相和中流砂砾相呈透镜状产出，反映了以强的水动力条件为主;中部为5～6个主要由急流粗砾相与缓流粗砂相组成的正韵律层，砾岩层单层厚度相对减薄，砾石粒径减小，砂砾岩的岩性互层代表了洪水期与平水期的交替;上部主要为中流砂砾相和缓流粗砂相，发育楔状交错层理和平行层理，砾岩与砂岩的比值明显减小，急流粗砾相极不发育，说明在这一时期水体变深。

上述3种类型的典型层序，反映了砾岩沉积时期，水流总体由强变弱的过程。

5 古流向分析

砾岩中的砾石由于自身形态等特点，若它们顺水流方向表现出定向性，就可成为古流向的指示标志。扁平砾石的ab面（即最大扁平面）倾斜方向与水流方向相反，往往呈迎流式叠瓦状排列。迁安山叶口地区常州沟组一段中砾石具有定向排列，从而可用来指示古流向。在山叶口地区选择17个1 m×1 m的砾岩出露区，在每个区块均选择30个以上的砾石对其最大扁平面（ab面）的倾向进行了测量，以典型且最大扁平出露较好的砾石为主。结合地层产状，用StrGraphPrj 1.0软件进行了构造校正，并以校正后的数据分别绘制了各区块砾石ab面倾向古流向图，其中部分区块的古流向如图4所示。

结合各工区古流向数据，绘制总体古流向图（图5），通过图5可以看出，砾石的ab面主要指示了两股优势水流方向，南东方向最密，而北西向相对较为稀疏，属于单向型，为稳定的流水成因，说明从总体上来看，底砾岩层主流向明显，表现了南东、北西向水流较为稳定，也是主要的物源方向，几乎没有来自于其他方向的水流作用。

6 讨论

通过山叶口地区常州沟组一段地层的剖面实测和岩石学宏观、微观特征综合分析表明，常州沟组一段地层中砾石主要岩性为成分成熟度较高的石英砂岩、石英岩和硅质岩，且砾石具有很高的磨圆度，粒径较粗，以砾石支撑结构为主，砾岩层多厚度较大。而相比之下，地层中的砂岩基质石英含量少，成分成熟度极低，色调以红褐色为主，反映了干旱炎热的沉积环境。考虑到砾石的高成熟度，分析该区在当时可能处于离物源区不远的山间盆地中，在水流湍急的近源直流河作用下，迅速沉积，形成了这套不整合面之上的厚层底砾岩。王长尧等（1986）通过对蓟县剖面常州沟组的深入研究，结合燕山地区常州沟组系统的区域地质调查，肯定了常州沟组早期河流的存在，并提出了古河流水系的展布和流向，认为常州沟早期多为山地地形。本文与其观点一致。

常州沟组一段地层的层序特征表现为一个不完整的正旋回，越往上粒度越细，这也代表了在常州沟早期本区发育的河流并非是成熟的曲流河，而随着时间的推移才渐渐呈现出成熟的河流二元特征，这也受到构造作用的影响。砂岩层中发育的斜层理也是典型的河流相特征。其古水流方向的研究表明，该套岩层古流向具有单峰型且低变化的特点，方位离散度小，与河流沉积特征吻合，主要物源区可能位于紧邻本区的秦皇岛一带。

7 结论

通过对迁安山叶口常州沟组一段的岩石学特征研究，包括岩性、沉积结构和构造的综合分析，认为山叶口地区在常州沟早期可能处于气候干旱的山间盆地，离物源区较近，该套地层符合河流相沉积特征;而对其层序特征的分析表明，本区在常州沟早期，水动力条件极强，而随着时间的推移，水深逐渐加大，水动力条件减弱，从而造就了该套地层岩石粒度向上变细的韵律特征。

沿燕山地区北东向槽地发育的常州沟早期河流，代表着燕山地区的狭长沉积盆地开始形成，其分布始终受盆地北西缘兴隆-凌源断裂及南东侧迁安-抚宁断裂的控制。

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