山东济南—淄博地区寒武系风暴岩及其研究发展

熊玉强

(中化地质矿山总局山东地质勘查院,山东 济南 250013)

0 引言

风暴岩主要分布在中南和东北一带,众多学者在山东新泰、沂水杨庄地区均发现报道了寒武系风暴沉积[1]。晚寒武世,华北地台不仅为克拉通内稳定的浅海沉积环境,且处于低纬度赤道飓风带控制之下,风暴作用频繁,风暴沉积极其发育,在该区的上寒武统地层中留下了丰富的风暴沉积记录,风暴岩广泛分布于九龙群炒米店组[2-3]。对风暴沉积进行研究,不仅是该区晚寒武世沉积作用、沉积环境的研究的重要方面,而且对华北地台沉积环境及古地理、古气候的研究具有重要意义。本次主要从砾屑灰岩的分类、沉积构造、沉积序列、形成机制等方面研究了山东济南—淄博地区内上寒武统风暴沉积的特征,对其沉积特征和沉积环境进行了分析,研讨了该区的沉积模式。

1—一级单元界线;2—二级单元界线;3—三级单元界线;4—四级单元界线;5—五级单元界线;6—断裂及推测断裂;7—不整合界线;8—单元代号;9—研究区范围

1 风暴砾屑灰岩的分类

根据砾屑的来源与搬运距离的远近关系,将砾屑灰岩分为原地型砾屑灰岩和异地型砾屑灰岩2种类型[6-7]。

1.1 原地型砾屑灰岩

为风浪就地冲积、掀起、挤压、破碎已固结的碳酸盐沉积物原地堆积而成,顶面云朵状,其砾屑呈扁平状,单一矿物成分,与下伏岩层成分一致,磨圆、分选性皆差,基本无氧化圈,颗粒支撑结构,放射状、协调皱纹状排列等,下部平缓,上部直立(图2,照片1)。

图2 文祖石门炒米店组呈协调皱纹状排列的原地型风暴砾屑灰岩素描图

1.2 异地型砾屑灰岩

为风暴潮流将破碎的碳酸盐砾屑搬运至外地堆积而成,据其搬运距离可分为近源和远源2种。远源砾屑灰岩产出水体较深,上下皆为较深水薄层泥灰岩,近源砾屑灰岩产出水体相对较浅,皆是风暴回流碎屑流再次搬运堆积而成,砾石成分较复杂,常具有氧化圈,与下伏层面为冲刷接触,与上覆岩层呈平行连续沉积,菊花状、辐射状至杂乱排列(照片2,图3)。

照片1 竹叶状灰岩(济南市市中区仲宫镇侯家庄)

照片2 炒米店组具紫红色氧化圈砾屑灰岩(层面)(济南市历城区港沟镇瓦屋脊)

图3 文祖娘娘庙炒米店组异地型风暴砾屑灰岩砾石排列素描图

2 风暴成因的沉积构造

早寒武世炒米店组风暴作用形成的沉积构造发育,且种类繁多,除具备风暴砾岩砾石成分和排列特征外,发育底面构造、顶面构造、丘状层理、截切充填构造等,本次主要对该区风暴成因的沉积构造及与环境的关系进行研述[8]。

Bose.P.K通过对硅质碎屑岩中丘状层理的大量研究,提出了一个关于HCS形成深度的判别标志,利用丘状层理的波长、丘高、二者的比率及丘状或凹状层理的比率等参数,可判断形成深度。在我国华北地台的早寒武世的风暴沉积中,丘状层理的波长/丘高的比率和主动/被动HCS的比率也具有重要的环境指示意义[6,9-10]。对石匣、娘娘庙等地的丘状层理的波长、丘高数据进行了统计测量,作出了丘状层理各参数值散点图(图4),与Bose提出的标准进行对比,发现图4a、图4b、图4c图中波长、波高及波长/波高比相差不大,根据波长/波高比,水深范围在40～65m,相应层位岩性组合为泥质条带灰泥岩、粉砂屑灰岩和砾屑灰岩不等厚互层,可判断形成环境为中缓坡。图4d中根据波长/波高比,水深范围65～80m,相应层位岩性组合为薄层灰泥岩夹页岩夹砾屑灰岩,形成环境为深缓坡。图4中波长/波高比判断的沉积环境和根据岩性组合判别的环境基本一致,而波长、波高则远远小于Bose依据硅质碎屑岩研究建立的标准中相应环境的波长、波高。

1—波长;2—波高;3—波长/波高

3 风暴沉积序列

正常天气沉积与风暴天气沉积交替构成风暴沉积,上部为正常天气沉积和下部为风暴沉积构成一个风暴沉积旋回即风暴沉积序列,该序列往往发育不全,该区可识别的沉积序列主要有2类4种。

3.1 原地型风暴沉积序列

3.1.1 中缓坡原地型风暴沉积序列

如图5所示,于寒武纪九龙群炒米店组中上部发育,其构造特征见表1。

表1 中缓坡原地型风暴沉积序列特征

1—下伏的正常天气沉积;2—破碎的条带灰岩,为风暴对下伏岩层的破坏和改造;3—风暴高峰期旋涡流形成的杂乱或直立排列砾屑灰岩沉积;4—风暴后正常天气披盖沉积;5—上覆的正常天气沉积

3.1.2 浅缓坡原地型风暴沉积序列

如图6Ⅰ所示,炒米店组中上部较发育,其构造特征见表2。

表2 浅缓坡原地型风暴沉积序列特征

1—下伏正常天气沉积;2—风暴天气沉积;3—风暴衰减期悬浮颗粒沉积;4—风暴过后披盖沉积

3.2 异地型风暴沉积序列

3.2.1 深缓坡风暴碎屑流沉积序列

如图6Ⅱ所示,炒米店组中部发育,其构造特征见表3。

表3 深缓坡风暴(异地型)碎屑流沉积序列特征

3.2.2 中缓坡生物丘—风暴碎屑流沉积序列

如图6Ⅲ所示,于寒武世中部发育,其构造特征见表4。

表4 中缓坡生物丘—风暴(异地型)碎屑流沉积序列特征

4 风暴砾屑灰岩沉积机制

该区早寒武世风暴成因的砾屑灰岩发育广泛,炒米店组的各个层位中皆有分布,根据前人的研究[5-6,8,11-16],结合该区的风暴沉积特征,将风暴成因的砾屑灰岩的形成机制概括为3种:风暴涨潮流—回流、风暴漫流和风暴旋流。

4.1 风暴涨潮流—回流

风暴涨潮流的回流的能量很大,可将大量的海岸沉积物搬运到离岸较远的陆棚区再沉积,发育递变层理沉积。

4.2 风暴漫流

风暴涨潮面超过滨岸,发生浸漫流,侵蚀冲刷后滨、潮坪沉积物从而形成漫流碎屑流沉积。

4.3 风暴旋流

风暴气旋为热带低气旋,产生强大的剪切作用,导致海底未固结或半固结的沉积物产生变形、改造、再沉积,从而成为原地型风暴砾屑灰岩。

该区这3种机制形成的风暴砾屑灰岩都存在,其中,深—中缓坡发育的远源异地型砾屑灰岩多为第一种成因,特征是:风暴砾屑灰岩上下往往皆是较深水的薄层灰泥岩,砾屑大多来自较浅水环境,成分复杂、分选性差,呈菊花状、放射状已至杂乱排列,形成环境较深。较浅的浅缓坡(浅缓坡上部)发育的异地型砾屑灰岩多为第二种成因,其特征:砾屑粒度较粗,分选、磨圆度较好,可发育氧化圈,大多呈基质支撑结构,基质成分为细内碎屑,与下伏层面呈冲刷接触,形成环境较浅。原地型的砾屑灰岩多为第三种成因,其特征为:顶面呈云朵状,单一成分,与下伏岩层一致,磨圆、分选性皆差,呈颗粒支撑结构,基质与正常天气原地沉积物粒度和成分相同。

5 结论

(1)风暴岩主要发育于早古生代寒武纪九龙群炒米店组,集中分布于该组中下部层位,且风暴岩由开始到结束,表现为层厚由薄-厚-薄的变化规律,反映了风暴事件所能影响的水体深度由浅到深再到浅的特征。

(2)区域对比,炒米店组岩性相对稳定,对比性强,但厚度变化明显,在九曲、章丘等地厚度明显较厚,在范庄、仲宫厚度则明显减薄,说明该期海侵方向为由东至西向,该区可识别的沉积序列主要有2类4种。

(3)形成机制大致分为3类:深—中缓坡发育的远源异地型砾屑灰岩多为风暴涨潮流—回流成因;较浅的浅缓坡(浅缓坡上部)发育的异地型砾屑灰岩多为风暴漫流成因;原地型的砾屑灰岩多为风暴旋流成因。