柳江地区奥陶系碳酸盐岩沉积特征及沉积演化

贺 萍，王青春，申方乐，惠 婧

HE Pinga，WANG Qing-chuna，SHEN Fang-leb, HUI Jinga

河北地质大学 a.地球科学学院，河北 石家庄 050031，b.华信学院，河北 新乐 050799

Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031，China

柳江地区位于河北省秦皇岛市以北约25 km，南北长近20 km，东西宽近12 km。柳江地区地层发育较为齐全，地质现象丰富，是研究华北地台古生界沉积地层的重要场所。管守锐[1-2]、冯增昭等[3-5]、王英华等[6]、郑秀才等[7]、李相明等[8]均对华北地台下古生界岩石学特征、沉积相和岩相古地理等进行过研究。本文在前人研究基础之上[1-14]，以野外实测剖面和岩矿鉴定为一手资料，对柳江地区奥陶系岩石学特征、沉积相类型和沉积演化特征等进行了系统研究，并建立了沉积模式，为柳江地区早古生代岩相古地理特征研究及盆地演化分析提供了一定参考。

1 区域地质概况

柳江地区属于华北地台北缘燕山台褶带东段的山海关台拱区[15-16]。燕山台褶带为准地台上活动性较强的二级构造单元，向东延入辽宁省，北、西、南分别为内蒙古地轴、山西断隆和华北断拗，彼此之间的分界线均为深大断裂。山海关台拱区是燕山台褶带东段的三级构造单元，北、西、南均以断裂为界，平面上呈指向西南的锐角三角形（图1）。

图1 柳江地区大地构造位置图（据文献［15］修改）Fig.1 Geotectonic location map of Liujiang area

柳江地区与华北地台的地质演化基本一致，经历了基底形成、盖层演化和构造变形改造3个阶段，即太古代—早元古代结晶基底形成期，中元古代—中生代盖层形成期，印支期和燕山期褶皱侵入活动及喜山期强烈差异升降[14-16]。侏罗纪的燕山运动，奠定了柳江地区现今构造格局的基本轮廓。柳江地区北、西、东三面由新太古界绥中花岗岩体和燕山期花岗岩体构成，研究区内部为新元古界、古生界和中生界构成的低洼丘陵和平原，是一个西翼陡、东翼缓的较宽缓向斜构造，称为柳江向斜，由新元古界—中生界地层构成，核部主要为二叠系，大多被侏罗系火山岩不整合覆盖，两翼主要为寒武系、奥陶系和石炭系。

2 野外剖面及地层特征

2.1 野外剖面特征

剖面位于秦皇岛市海港区石门寨镇以北亮甲山的南侧，主要出露下奥陶统冶里组中、上部，亮甲山组全部和中奥陶统马家沟组中、下部。各组地层之间的界线清晰，每组地层的岩性特征明显，且规律性较强，易于识别，是一条较为标准的地层剖面[16]。本次实测剖面如图2所示，具体剖面特征描述如下：

图2 柳江地区亮甲山奥陶系实测地层剖面Fig.2 The measured stratigraphic section of Ordovician from Liangjiashan in Liujiang area

中奥陶统（O2）

马家沟组（O2m）

中奥陶统马家沟组与亮甲山组为整合接触关系。总厚28 m，未见顶。

（25）黄灰色含燧石结核灰质白云岩，见丘状、球状叠层石。 14 m

（24）黄灰色中厚层白云质灰岩。 5 m

（23）黄灰色厚层细晶白云岩，夹灰色豹皮状含燧石结核白云质灰岩。含头足类化石；腹足类化石—蛇卷螺未定种。 7 m

（22）土黄色中厚层含燧石条带白云质灰岩。含头足类化石—链角石；腹足类化石—蛇卷螺未定种。2 m

下奥陶统（O1）

亮甲山组（O1l）

亮甲山组整合于冶里组之上。总厚55 m左右。

（21）灰色中厚层泥质条带泥晶灰岩。 0.6 m

（20）灰色中厚层豹皮状灰岩。 2.5 m

（19）灰色中厚层泥质条带泥晶灰岩。 2.9 m

（18）灰色中厚层豹皮状灰岩。 6.5 m

（17）灰色泥晶灰岩，上部为亮晶含生屑砂屑灰岩。 7.1 m

（16）灰色中厚层豹皮状灰岩，见白色方解石脉，含头足类、海绵类和腹足类化石。 9.7 m

（15）灰色厚层泥质条带泥晶灰岩与砾屑灰岩互层。 9.7 m

（14）灰色厚层泥晶灰岩与豹皮状灰岩互层，含头足类化石。 2.5 m

（13）灰色厚层泥质条带泥晶灰岩。 0.5 m

（12）灰色厚层豹皮状灰岩，顶部为7 cm厚黄绿色薄层页岩。 1.0 m

（11）灰色中厚层—薄层泥晶灰岩与黄绿色薄层页岩互层。 6.1 m

（10）灰色中厚层砾屑灰岩。 1.5 m

（9）灰色中厚层泥质灰岩。 1.0 m

（8）灰色中厚层豹皮状灰岩，夹泥质条带泥晶灰岩。 1.5 m

（7）灰色薄层含泥质条带泥晶灰岩，夹黄绿色薄层页岩。 1.1 m

（6）灰色中厚层豹皮状灰岩夹泥晶灰岩，含头足类化石；腹足类化石—蛇卷螺未定种。 0.8 m

冶里组（O1y）

由于被第四系冲积砂砾石覆盖，未见冶里组底部。厚12 m左右。

（5）灰色厚层泥晶灰岩，夹黄绿色薄层钙质页岩。含三叶虫、正形贝、笔石和介形虫。 2.6 m

（4）灰色薄层含泥质条带泥晶灰岩。 0.4 m

（3）深灰色厚层泥晶灰岩。 1.9 m

（2）灰色中厚层砾屑灰岩。 0.4 m

（1）深灰色中厚层泥晶灰岩，夹虫孔状灰岩，未见底部。 6.7 m

2.2 地层特征

通过野外踏勘、剖面测制及前人资料分析表明[11-12,16]，柳江地区下奥陶统冶里组主要在288高地、小王山和亮甲山出露；下奥陶统亮甲山组主要分布在亮甲山、小王山、潮水峪等地；中奥陶马家沟组以亮甲山和北部茶庄北山发育较好。各组地层特征如下：

2.2.1 冶里组（O1y）

冶里组与下伏的上寒武统凤山组呈整合接触，以灰色砾屑灰岩与凤山组分界。冶里组下部为灰色中厚层泥晶灰岩夹砾屑灰岩、虫孔状灰岩，虫孔状灰岩中见虫迹构造；上部为灰色薄层含泥质条带泥晶灰岩、厚层泥晶灰岩、含砂屑生屑泥晶灰岩夹黄绿色薄层页岩，含泥质条带泥晶灰岩层面可见干涉波痕（图3a）。灰岩中产三叶虫化石，页岩中产笔石、介形虫、正形贝和腹足类化石。

2.2.2 亮甲山组（O1l）

亮甲山组与冶里组呈整合接触，底部以中厚层豹皮状灰岩与冶里组分界。亮甲山组以灰色中厚层豹皮状灰岩、泥质条带泥晶灰岩、泥晶灰岩和含砂屑生屑泥晶灰岩为主，下部夹少量灰色中厚层砾屑灰岩和黄绿色薄层钙质页岩，上部夹灰色豹皮状含云灰岩和亮晶含生屑砂屑灰岩，顶部出现灰色粗粉晶白云岩。岩石中产头足类化石—满洲角石；腹足类化石—蛇卷螺；三叶虫、介形虫、古杯（图3b）及海绵等化石。

2.2.3 马家沟组（O2m）

马家沟组与亮甲山组整合接触，底部以土黄色含燧石条带白云质灰岩与亮甲山组分界。马家沟组主要为黄灰色白云质灰岩、灰色含燧石结核灰质白云岩（图3c）夹细晶白云岩、细晶—粉晶白云岩、含燧石结核豹皮状白云质灰岩，顶部为含泥质灰岩，风化后呈黄色。白云岩多具刀砍纹。该组产头足类化石—阿门角石（图3d）、链角石；腹足类化石—蛇卷螺（图3e）、马氏螺；三叶虫等化石（图3f）。马家沟组上部见丘状叠层石和球状叠层石（图3g，3h）。研究区在奥陶纪晚期上升为陆地，直到晚石炭世下降接受沉积，因此缺失了上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统。马家沟组与上覆上石炭统本溪组为平行不整合接触。

图3 柳江地区奥陶系沉积构造以及古生物特征Fig.3 The sedimentary structures and paleontologic features of Ordovician in Liujiang area

3 碳酸盐岩类型及特征

通过野外观察和室内岩矿鉴定，发现柳江地区奥陶系碳酸盐岩岩石类型丰富，共鉴定出16种类型。

3.1 砾屑灰岩

研究区奥陶系灰色砾屑灰岩夹于泥晶灰岩中，或与泥质条带泥晶灰岩互层。岩石中砾屑含量90%左右，呈菊花状或不规则状杂乱排列。平面上，砾屑呈薄饼状，剖面上呈狭长状（图4a），长轴长1～10 cm，短轴长0.5～2 cm。砾屑大小混杂，分选性差，呈棱角—次棱角状。砾屑为泥晶灰岩或微晶泥灰岩经破碎而成的。砾屑间充填泥晶方解石，且多发生白云石化，形成菱形白云石晶体，晶体具雾心亮边环带构造（图5a）。岩石中砾屑杂乱排列，而且分选性和磨圆差，推测为受风暴作用形成的原地砾屑灰岩。砾屑灰岩主要分布在冶里组中，在亮甲山组中、下部也可见。

图4 柳江地区奥陶系碳酸盐岩岩性特征Fig.4 Lithologic characteristics of carbonate rocks of Ordovician in Liujiang area

3.2 亮晶含生屑砂屑灰岩

灰色亮晶含生屑砂屑灰岩中砂屑含量45%左右，主要为细砂屑，少量中砂屑，大小0.1～0.5 mm，分选性较好，圆状，主要为泥晶灰岩的碎屑（图5b）；生物碎屑含量10%左右，主要为三叶虫碎片，大小为0.2～1.2 mm；亮晶胶结物含量40%左右，为粒状结晶结构；含少量泥晶方解石基质。岩石以亮晶方解石胶结为主，并且生物碎屑较为破碎，推测为浅滩等高能环境的产物。亮晶含生屑砂屑灰岩主要分布在亮甲山组上部。

3.3 含砂屑泥晶灰岩

灰色含砂屑泥晶灰岩具水平层理构造。岩石中砂屑含量12%左右，粒径为0.05～0.8 mm，主要为泥晶灰岩的碎屑，分选性较好，次圆—圆状；含少量生屑，含量低于8%，粒径0.12～3.3 mm，主要为三叶虫碎片，具玻纤结构，少量介形虫和腹足类化石。填隙物含量80%左右，主要为泥微晶方解石，含量为72%，局部发生白云石化作用，形成菱形白云石晶体；少量亮晶方解石胶结物，含量为8%（图5c）。含砂屑泥晶灰岩主要分布在亮甲山组。

方法1 第一步：运用转化划归的思想方法．将问题转化为求方程f(x)-ax=0恰有两个不同的实根时a的取值范围．

3.4 含砂屑生屑泥晶灰岩

深灰色含砂屑生屑泥晶灰岩中生屑含量为15%左右，主要为三叶虫碎片，粒径为0.12～2 mm，玻纤结构，含少量介形虫、腕足类碎片；砂屑含量10%左右，粒径为0.05～0.9 mm，分选性较好，呈圆状，主要为泥晶灰岩的碎屑。填隙物约占75%，主要为泥晶方解石，含量在65%以上，且部分发生重结晶作用；少量亮晶方解石胶结物（图5d）。含砂屑生屑泥晶灰岩主要分布在冶里组。

3.5 含生屑泥晶灰岩

灰色含生屑泥晶灰岩的矿物成分主要为方解石（92%），少量白云石（5%）和自生石英（3%）。石英呈细小粒状，大小0.01～0.05 mm。结构组分由生屑（15%）和泥晶方解石基质（85%）组成。生屑主要为三叶虫、介形虫和藻类等。泥晶方解石局部发生重结晶作用（图5e）。含生屑泥晶灰岩主要分布在亮甲山组。

3.6 泥晶灰岩

研究区奥陶系泥晶灰岩新鲜面为青灰色，风化后为灰色，呈中厚层块状构造。泥晶灰岩中含少量生屑，含量少于5%，生屑主要为介形虫、三叶虫。岩石发生了明显的重结晶作用（图4b）。泥晶灰岩主要发育在冶里组和亮甲山组中。

3.7 虫孔状灰岩

黄灰色虫孔状灰岩的形成是由于灰泥沉积物中底栖生物钻孔，孔道穿过了细层，并在成岩后得以保存，最终形成虫孔状灰岩。虫孔后期被泥质充填，造成风化后岩石表面常呈现出很多的土黄色虫孔状凹坑（图4c）。虫孔状灰岩常见于冶里组下部。

3.8 叠层石灰岩

叠层石灰岩呈灰色或黄灰色，叠层石呈丘状和球状。叠层石中的藻组分主要是丝状或球状的蓝绿藻。丘状和球状叠层石形态反应其形成于潮间带低能环境。研究区奥陶系叠层石灰岩主要分布在亮甲山剖面马家沟组上部（图4d）。

3.9 含云泥晶灰岩

灰色含云泥晶灰岩主要由泥晶方解石（88%）和白云石晶粒（10%）组成，少量生屑（2%）。白云石晶粒呈菱形，大小主要为0.1～0.2 mm。生屑主要为三叶虫和介形虫（图5f）。含云泥晶灰岩主要分布在马家沟组底部。

3.10 豹皮状含云灰岩

豹皮状含云灰岩整体呈灰色，带土黄色白云质斑块，白云质斑块分布不均匀（图4e）。岩石为晶粒结构，见多条方解石脉。矿物成分主要为方解石（80%），白云石（20%）。结构组分主要由微粉晶方解石和细晶白云石组成。晶粒呈他形，等粒，大小为0.005～0.05 mm（图5g）。白云质花斑内以自形白云石为主，保留有少量的方解石残余晶体，表明为白云石不均匀交代方解石所致。研究区豹皮状含云灰岩主要呈中厚层状，且可见正常海生物，如三叶虫、头足类和腕足类等，说明为潮下低能带的产物。豹皮状含云灰岩主要分布在亮甲山组。

图5 柳江地区奥陶系碳酸盐岩显微镜下特征Fig.5 Microscopic characteristics of carbonate rocks of Ordovician in Liujiang area

3.11 白云质泥晶灰岩

白云质泥晶灰岩风化面为土黄色，新鲜面为黄灰色，具水平层理构造。矿物成分主要为方解石（70%）和白云石（30%），含微量氧化铁矿物。矿物分布不均匀，白云石富集处为肉红色，在显微镜下可见交代方解石的特点。结构组分主要由泥晶方解石和白云石晶粒组成。白云石晶粒呈正方形或菱形，自形，等粒，大小为0.03～0.09 mm（图5h）。白云质泥晶灰岩主要分布在马家沟组上部。

3.12 泥灰岩

3.13 灰质白云岩

灰色灰质白云岩中白云石含量在25%～50%之间，方解石含量50%以上。岩石中含较多黑色燧石条带（图4g），呈不规则条带状。灰质白云岩主要分布在马家沟组上部，其上多是细晶白云岩。

3.14 粗粉晶白云岩

灰色粗粉晶白云岩具水平层理构造。矿物成分主要为白云石，含微量氧化铁矿物。白云石晶粒呈正方形或菱形，自形，等粒，大小主要为0.05～0.09 mm，主要发育在亮甲山组顶部（图5i）。

3.15 细晶—粉晶白云岩

深灰色细晶—粉晶白云岩主要由粉晶白云石（70%）和细晶白云石（30%）组成，晶粒呈半自形—他形，不等粒，大小0.005～0.2 mm，晶粒间界线呈平直状或弧形（图5j）。细晶—粉晶白云岩主要发育在马家沟组顶部。

3.16 细晶白云岩

灰黄色细晶白云岩为细晶结构，是白云石交代镁方解石后形成的岩石，常与白云质灰岩共生。细晶白云岩中常含黑色、灰黑色燧石结核或条带（图4h），分布在岩层内。细晶白云岩主要分布在马家沟组上部。

4 沉积相类型及特征

根据柳江地区奥陶系碳酸盐岩沉积特征，综合考虑区域地质背景，认为研究区碳酸盐岩主要形成于潮坪相、局限台地相和开阔陆棚相（图6），可进一步划分为潮上带、潮间带、潟湖、浅滩、滩间海和浅海风暴沉积等6种亚相类型[17-28]。

图6 柳江地区奥陶系沉积相综合分析图Fig.6 Comprehensive sedimentary facies profile of Ordovician in Liujiang area

4.1 潮上带

潮上带处于最大高潮面和平均高潮面之间，只有在特大风暴到来时，才有可能被海水掩没，属于长期持续的低能沉积环境[28]。潮上带沉积主要分布马家沟组中、上部。岩石颜色主要为黄灰色，岩性以含燧石结核灰质白云岩为主，颗粒碳酸盐岩不发育，生物化石稀少。

4.2 潮间带

潮间带处于平均高潮面和平均低潮面之间的近岸浅水地区，受潮汐作用，水位变化比较频繁，处于间歇性暴露、高低能交替的沉积环境[28]。潮间带沉积主要分布在马家沟组下部和底部。岩石颜色主要为土灰色、黄灰色，岩性以含燧石条带（或结核）白云质灰岩、细晶白云岩以及叠层石灰岩为主，叠层石呈丘状和球状。岩石中水平层理发育，可见头足类、腹足类、三叶虫等生物碎屑，它们是由潮汐作用从下部带到潮间带沉积下来的。

4.3 潟湖

澙湖是水体受浅滩或者障壁岛阻隔的局限台地，由于水体循环受到限制，其盐度一般高于正常海。研究区潟湖沉积主要分布在亮甲山组的顶部和中部。岩性以灰色、深灰色中厚层泥晶灰岩、豹皮状灰岩、泥质条带灰岩为主，夹少量黄绿色薄层页岩。岩石中底栖化石罕见。岩石内部无层理，没有层理的泥晶石灰岩通常是蠕虫类生物扰动所致，反映还原性略弱的贫氧还原环境。

4.4 浅滩

浅滩水体较为动荡，是以颗粒石灰岩为主的高能浅水环境。研究区浅滩沉积主要分布在亮甲山组上部。岩性以灰色亮晶含生屑砂屑灰岩为主，砂屑分选性较好，呈圆状。岩石中含少量三叶虫碎片，为异地搬运而来。

4.5 滩间海

滩间海处于正常浪基面之下，水体循环良好，海底富氧，生物化石较丰富。研究区滩间海沉积主要分布在冶里组上部，以及亮甲山组中、下部。岩性以灰色中厚—厚层泥晶灰岩、豹皮状灰岩、泥质条带灰岩为主。岩石呈块状，内部不显层理。岩石中见头足类、腹足类、三叶虫、介形虫、腕足类和海绵类等生物化石。

4.6 浅海风暴沉积

开阔陆棚环境的水体相对较安静，沉积的条带状灰岩在风暴作用下破裂形成灰岩砾屑，当风暴过后，就会沉积下来，形成原地砾屑灰岩。浅海风暴沉积主要分布在亮甲山组中、下部和冶里组上部，岩性以灰色中厚层砾屑灰岩为主，砾屑含量90%左右，砾屑之间主要为灰泥充填，颗粒支撑。砾屑成分为泥晶灰岩。砾屑分选和磨圆均较差，呈杂乱或菊花状排列。

5 沉积演化及沉积模式

对奥陶系沉积相在纵向上的演化规律进行分析（图6），表明研究区奥陶系沉积经历了两次较大的海侵—海退过程，形成了两个较长周期的沉积旋回。下部的沉积旋回变化从局限台地沉积开始，海水逐渐加深变为开阔陆棚沉积，之后海水逐渐变浅，过渡到局限台地沉积。上部的沉积旋回变化从局限台地沉积开始，海水逐渐加深变为开阔陆棚沉积，然后海水逐渐变浅，过渡到潮坪沉积。

早奥陶世冶里期，研究区沉积了一套灰色泥晶灰岩、泥质条带灰岩，上部夹砾屑灰岩、黄绿色薄层页岩，为局限台地和开阔陆棚沉积。局限台地几乎不含生物化石，开阔陆棚富含三叶虫、头足类和腕足类等正常海生物化石。从纵向上相序演变来看，早奥陶世冶里期是一个海进的过程。

亮甲山组沉积早期，研究区沉积了一套灰色中厚层豹皮状灰岩夹砾屑灰岩、泥质条带灰岩，含头足类、腹足类等化石，为开阔陆棚沉积。随着海平面下降，沉积了一套灰色中厚层—薄层泥晶灰岩与黄绿色薄层页岩互层，生物化石罕见，为局限台地沉积。亮甲山组沉积中期，沉积了一套灰色厚层—中厚层泥晶灰岩、豹皮状灰岩、泥质条带灰岩夹亮晶含生屑砂屑灰岩、砾屑灰岩，富含三叶虫、介形虫、海绵类、头足类和腹足类化石，为开阔陆棚沉积。亮甲山组沉积晚期，沉积了一套灰色中厚层豹皮状灰岩和泥质条带灰岩，几乎没有生物化石，为局限台地潟湖沉积。从纵向上相序演变来看，早奥陶世亮甲山期开阔陆棚沉积与局限台地沉积交替出现，反映了两次海平面升降变化的过程。

中奥陶世马家沟期，研究区沉积了一套黄灰色中厚层白云质灰岩、灰质白云岩和细晶白云岩夹含燧石结核豹皮状白云质灰岩和叠层石灰岩，含头足类、腹足类生物化石，水平层理发育，为潮坪沉积。从纵向上相序演变来看，从亮甲山组沉积晚期到马家沟期海平面不断下降。

综上所述，建立了柳江地区奥陶系碳酸盐岩沉积模式[28-34]（图7）。研究区奥陶系向海方向依次为潮坪—局限台地—开阔陆棚环境。潮坪环境位于最大高潮面和平均低潮面之间，地形平缓，以潮汐作用为主，可进一步划分为潮上带和潮间带。局限台地位于平均低潮面之下，由于受浅滩遮挡，水体循环受限，造成海底贫氧或缺氧，盐度多高于正常海水的盐度，几乎不含生物化石。开阔陆棚一般位于正常浪基面之下，水体循环良好，海底富氧，富含头足类、海绵类等正常海生物化石，可进一步划分为浅滩、滩间海和浅海风暴沉积。

图7 柳江地区奥陶系碳酸盐岩沉积模式图Fig.7 Carbonate depositional model of Ordovician in Liujiang area

6 结论

（1）野外实测剖面分析和室内岩矿鉴定表明，柳江地区奥陶系碳酸盐岩种类多样，共识别出16种岩石类型，主要有砾屑灰岩、亮晶含生屑砂屑灰岩、含砂屑泥晶灰岩、含砂屑生屑泥晶灰岩、含生屑泥晶灰岩、泥晶灰岩、虫孔状灰岩、叠层石灰岩、含云泥晶灰岩、豹皮状含云灰岩、白云质泥晶灰岩、泥灰岩、灰质白云岩、粗粉晶白云岩、细晶—粉晶白云岩、细晶白云岩等。

（2）柳江地区奥陶系碳酸盐岩主要形成于潮坪相、局限台地相和开阔陆棚相等3种沉积环境，主要发育潮上带、潮间带、潟湖、浅滩、滩间海和浅海风暴沉积等6种亚相。

（3）柳江地区奥陶系碳酸盐岩经历了两次较长周期的海侵—海退过程，形成了两个完整的沉积旋回：早奥陶世冶里期—亮甲山早期局限台地→开阔陆棚→局限台地沉积演化过程；早奥陶世亮甲山中期—中奥陶世马家沟期局限台地→开阔陆棚→局限台地→潮坪沉积演化过程。据此，建立了柳江地区奥陶系碳酸盐岩沉积模式。