在寒武纪, 中朝板块为一个孤立的板块, 位于北半球低纬度地区, 其大部分地区被陆表海覆盖(Dalziel, 1997)。作为中朝板块的主体, 华北地块东部以浅海碳酸盐夹陆源碎屑沉积为主, 向西逐渐变深, 转变为半深海含碳酸盐硅质沉积, 直至北祁连海槽(冯增昭等, 2002a, 2002b)。华北地块在寒武纪经历过多次海进海退, 并形成大套的浅海碳酸盐岩地层:第三世早期, 开始经历海退过程; 之后, 低水位状态在第三世持续, 整个华北地块被大量鲕粒碳酸盐岩所覆盖(狄明信等, 1986; 余素玉, 1985; 陈建强等, 1998; 柳永清等, 1999; 赵鹏沄等, 2011; 陈小炜等, 2012; 梅冥相, 2012), 同时发育有生物丘、风暴沉积等(范开强等, 1990; 彭阳和乔秀夫, 1999); 第三世末期, 海平面升高, 并在芙蓉世中期达到顶峰, 华北地块大量发育有潮下带的泥晶灰岩、泥岩和生屑泥晶灰岩等; 最后, 华北地块经历海退过程, 直至寒武纪结束(马永生, 1994; 冯增昭等, 2002b; 梅冥相和马永生, 2003)。

华北地块寒武系中风暴沉积发育, 主要集中于第三统和芙蓉统, 并在整个华北地块上分布广泛。下苇甸剖面位于北京市门头沟区下苇甸至丁家滩地区G108国道南侧铁路旁(图 1)。该剖面寒武系出露连续、完整, 自下而上为:第二统昌平组、馒头组, 第三统毛庄组、徐庄组、张夏组, 芙蓉统崮山组、长山组和凤山组。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 北京西山下苇甸地区地质图(修改自孟祥化等, 1986; 张旭等, 2009)Fig.1 Geological map of Xiaweidian area of Western Hills, Beijing(modified from Meng et al., 1986; Zhang et al., 2009)

下苇甸剖面作为华北地块的经典剖面, 最早在20世纪80年代就被研究(管守锐, 1982; 孟祥化等, 1986)。随后, 学者对下苇甸剖面进行了多方面的工作, 如:层序地层学(乔秀夫和高林志, 1990; 章雨旭和万渝生, 1990)、鲕粒灰岩相(王成述等, 1990)、成因地层学(王宗起和丁孝忠, 1990)、角砾岩成因(范开强等, 1990)。王祥珍在1981年针对寒武系中普遍存在的竹叶状灰岩提出其是由构造地震作用以及构造引起的海啸产生的。管守锐在1982年首次描述了下苇甸地区的竹叶状灰岩, 并认为竹叶状灰岩的砾屑是由下伏的条带状灰岩就地破碎而成。孟祥化等(1986)将北京西山地区的竹叶状灰岩归入风暴沉积, 并认为竹叶状灰岩形成于间歇高能或持续高能环境。章雨旭和万渝生(1990)认为竹叶状灰岩是由偶发的风暴巨浪击碎形成, 并经历机械磨蚀和化学溶蚀形成扁平状砾石。

本次研究的寒武系第三统和芙蓉统厚度约294 m, 由下到上包括徐庄组、张夏组、崮山组、长山组和凤山组(图 2)。其中, 徐庄组厚度约75 m, 主要岩性为泥质条带灰岩和泥晶灰岩, 中间可见薄层至中层生屑泥晶灰岩、内碎屑泥晶灰岩和鲕粒泥晶灰岩; 张夏组厚度约78 m, 主要岩性为厚层泥晶鲕粒灰岩夹中层鲕粒泥晶灰岩、泥晶灰岩等; 崮山组厚度约39 m, 岩性以条带状灰岩为主, 夹中— 厚层内碎屑灰岩、中— 薄层鲕粒泥晶灰岩; 长山组厚度约40 m, 主要岩性为泥质条带灰岩和泥晶灰岩, 可见薄层至中层生屑泥晶灰岩; 凤山组厚度约59 m, 主要岩性为泥质条带灰岩, 中间夹少量薄层含生屑泥晶灰岩和内碎屑泥晶灰岩(图 2)。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统地层柱状图及海平面变化曲线Fig.2 Stratigraphic column and relative sea level of the Third Stage and Furongian of Cambrian at Xiaweidian section of Western Hills, Beijing

根据岩石的沉积结构和构造特征, 下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统可识别出5种沉积相:泥岩相、泥晶灰岩相、含生屑泥晶灰岩相、颗粒泥晶灰岩相和泥晶颗粒灰岩相。各沉积相/亚相的沉积结构、构造特征及其环境解释请见表1。有关风暴沉积的特征及分类将在后文中描述。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统沉积相和亚相的结构构造特征及其环境解释 Table1 Features and environmental interpretation of sedimentary facies and subfacies in the Third Stage and Furongian of Cambrian at Xiaweidian section of Western Hills, Beijing 沉积相/亚相 沉积结构 沉积构造 沉积环境解释 泥岩相 (图 4-A) 以黏土质为主, 可见极少量三叶虫碎屑, 含量小于10%, 长轴0.5~1 mm 深灰色, 薄层; 少数岩层可见纹层; 部分层位含有灰岩透镜体 正常天气为页岩盆地沉积; 灰岩透镜体为风暴事件产生的风暴末端沉积 泥晶灰岩相 (图 4-B, 4-C) 泥晶基质, 可见极少量(< 10%)三叶虫碎屑, 长轴长度为0.5~2 mm 灰色, 薄层至中层, 或瘤状结构。可见泥质条带夹在较纯灰岩层间 深潮下带下部或页岩盆地的正常天气碳酸盐沉积 含生屑泥晶灰岩相 (图 4-D) 泥晶基质; 生物碎屑为较完整的三叶虫碎屑, 长轴长度为0.5~1 mm, 含量为10%~15% 灰色, 薄层为主; 基质支撑; 部分含生屑泥晶灰岩岩层会产生变形 深潮下带下部, 为正常天气碳酸盐沉积 颗粒泥晶 灰岩相 泥晶基质; 颗粒(25%~50%)为内碎屑、生屑、鲕粒。鲕粒含量为10%~50%, 粒径1~3 mm, 分选好, 以同心构造为主, 部分为偏心鲕; 生屑含量为10%~35%, 长轴长度2~5 mm, 分选好, 磨圆中等, 主要为破碎三叶虫化石; 砂屑含量为10%~25%, 粒径约2 mm, 分选一般, 磨圆好; 砾屑全部为扁平砾屑, 含量为10%~15%, 长轴长度为20~50 mm, 磨圆好, 泥晶结构 灰色, 薄层至中层; 基质支撑; 颗粒均匀分布在基质内部, 生物碎屑无定向 正常浪基面以下的深潮下带环境 扁平砾屑泥晶 灰岩亚相 (图 4-F) 扁平砾屑含量约20%, 长轴长度约20 mm, 分选好, 磨圆好, 具泥晶结构 灰色(风化后呈黄绿色), 薄层至中层; 基质支撑; 扁平砾屑顺层定向 风暴浪基面附近的深潮下带上部, 为正常天气碳酸盐沉积 扁平砾屑生 屑泥晶灰岩亚相 (图 4-E) 扁平砾屑含量约15%, 长轴长度为20~50 mm, 磨圆好, 泥晶结构; 生屑含量约30%, 长轴长度为2~5 mm, 主要为破碎三叶虫化石 灰色, 薄层至中层; 基质支撑; 扁平砾屑在层内多顺层出现; 其他颗粒均匀分布在泥晶基质内 深潮下带上部或下部, 为近源风暴沉积 泥晶颗粒灰岩相 泥晶基质, 颗粒(25%~50%)为生屑、内碎屑、鲕粒。鲕粒含量为50%~70%, 粒径为1~5 mm, 分选好, 磨圆好, 大部分为同心鲕, 部分为偏心鲕; 扁平砾屑(10%~70%), 长轴长度为10~100 mm, 分选差到好, 磨圆差到好, 泥晶结构, 含颗粒泥晶结构或颗粒泥晶结构; 砂屑含量为10%~40%, 粒径为2~5 mm, 分选一般到好, 磨圆一般到好, 可见破碎鲕粒; 生物碎屑含量为10%~30%, 以三叶虫碎屑为主, 含少量腕足类碎片, 粒径小于2 mm 灰色, 薄层至厚层; 颗粒支撑 浅潮下带下部和深潮下带 泥晶内碎屑鲕 粒灰岩亚相 (图 5-D) 扁平砾屑含量为15%, 长轴长度为20~50 mm, 分选好, 磨圆好, 泥晶结构为主; 砂屑含量为15%, 粒径约2 mm, 分选好, 磨圆好 灰色, 薄层至中层; 颗粒支撑; 多以透镜体产出; 扁平砾屑多顺层定向; 具递变层理 较深的近源风暴沉积 泥晶鲕粒 灰岩亚相 (图 5-A) 颗粒几乎全部为鲕粒, 含量为50%~60%, 粒径为2~5 mm, 分选好, 磨圆好, 大部分具同心构造, 部分为偏心鲕 灰色, 厚层为主; 颗粒支撑 靠近鲕粒滩的浅潮下带深部 泥晶砾屑 灰岩亚相 (图 5-B, 5-C) 砾屑含量为50%~80%, 分为:(1)不规则砾屑, 大多为泥晶结构, 少量为颗粒泥晶结构, 长轴长度为10~100 mm, 分选差, 磨圆差; (2)扁平砾屑, 全为泥晶结构, 长轴长度为20~50 mm, 分选好, 磨圆好 灰色(风化后呈黄色), 薄层至中层; 颗粒支撑; 棱角状砾屑无定向, 扁平砾屑排列方式分顺层定向和不顺层定向2种 浅潮下带下部或深潮下带上部, 为近源风暴沉积

表1 北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统沉积相和亚相的结构构造特征及其环境解释 Table1 Features and environmental interpretation of sedimentary facies and subfacies in the Third Stage and Furongian of Cambrian at Xiaweidian section of Western Hills, Beijing

综合各沉积相特征、成因和沉积环境差异, 上述沉积相可归入3种相组合, 其分别形成于浅潮下带、深潮下带及页岩盆地环境(图 3)。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统沉积相模式Fig.3 Sedimentary model of the Third Stage and Furongian of Cambrian at Xiaweidian section of Western Hills, Beijing

1)页岩盆地相组合:主要由泥岩、泥质条带灰岩和泥晶灰岩组成, 可见少量泥晶灰岩瘤、含生屑泥晶灰岩和泥质泥晶灰岩(图 3)。颗粒含量低(图 4-B), 通常小于10%。泥质灰岩中可见水平纹层构造(图 4-A, 4-C)。生物碎屑主要以破碎三叶虫为主(图 4-D)。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统岩石显微照片(一)Fig.4 Microscope photographs of lithology of the Third Stage and Furongian of Cambrian at Xiaweidian section of Western Hills, Beijing(Ⅰ )

该相组合沉积于风暴浪基面以下的页岩盆地内。颗粒含量低、泥晶基质为主、基质支撑、无波痕等高能沉积构造, 指示沉积环境相对平静, 底部水流能量较低。水平纹层发育, 沉积物粒度细, 说明沉积物多为自然沉降、沉积速率缓慢, 反应其沉积环境为能量极低的静水环境。雨痕、泥裂等暴露构造的缺失, 指示沉积环境并非是低能潮坪或潮间带环境。碳酸盐岩含量较低, 反映碳酸盐物源供给较少, 沉积水体较深。生物碎屑含量小, 指示为安静、贫氧的盆地环境。

2)深潮下带相组合:主要由泥晶灰岩、含生屑泥晶灰岩和颗粒泥晶灰岩组成(图 3)。各沉积相均为泥晶基质支撑, 泥晶基质含量大于50%。颗粒类型主要为生物碎屑、内碎屑和少量鲕粒。生物碎屑以三叶虫碎片为主, 大小为0.5~5 mm(图 4-E)。鲕粒主要为同心鲕, 分选好, 粒径为1~2 mm。砂屑磨圆好、分选好, 粒径为0.5~2 mm。砾屑分选好, 磨圆好, 全部为扁平砾屑, 长轴长度为0.2~100 mm, 含量低, 大部分为泥晶结构, 极少量为含生屑泥晶结构(图 4-F)。

本相组合沉积于正常浪基面以下、风暴浪基面以上的环境。泥晶基质和基质支撑结构为主, 表明沉积时水流不足以颠选底部沉积物并带走其中的细粒沉积物, 指示相对较弱的水动力环境, 沉积物没有受到正常风浪影响。碳酸盐颗粒含量较低, 反映较低的碳酸盐供给量, 同样指示较低的底部水流能量。颗粒的磨圆好、分选好, 反应颗粒经历过较长距离的搬运。鲕粒全部为同心鲕, 无破碎鲕粒, 反映鲕粒由较浅位置搬运而来并且沉积时水流能量较低。生物碎屑全部为三叶虫, 指示沉积环境接近于底栖三叶虫在碳酸盐岩缓坡潮下带的生活环境。

3)浅潮下带相组合:主要由颗粒泥晶灰岩和泥晶颗粒灰岩组成(图3)。颗粒含量30%~70%, 颗粒类型主要为鲕粒、生物碎屑、内碎屑。鲕粒主要为同心构造, 粒径为1~5 mm, 分选好(图 5-D)。生物碎屑含量为10%~15%, 以破碎的三叶虫为主, 可见腕足类和棘皮类。砂屑含量10%~40%, 粒径约2 mm, 分选好、磨圆好, 可见破碎的鲕粒(图 5-A)。砾屑以扁平状为主, 分选差到一般, 磨圆一般到好, 长轴长度为10~200 mm, 主要为泥晶结构, 也可见含生屑泥晶结构和颗粒泥晶结构(图 5-B, 5-C, 5-D, 图6)。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统岩石显微下照片(二)Fig.5 Microscope photographs of lithology of the Third Stage and Furongian of Cambrian at Xiaweidian section of Western Hills, Beijing(Ⅱ )

该相组合沉积于平均海平面与正常浪基面之间的浅潮下带环境。颗粒含量高、具颗粒支撑结构等特征, 指示底部水流能量较高, 有足够大的能量将大量更浅水的碳酸盐颗粒搬运至此沉积组合。颗粒分选度、磨圆度相比于深潮下带相组合更差, 反映颗粒经历的搬运距离较短, 沉积水体较浅。生物碎屑主要为三叶虫类, 但部分层位可见腕足类和棘皮类, 生屑分异度高, 反映本相组合沉积环境更加靠近腕足类生活环境。由于在寒武纪晚期, 腕足动物的生活环境相对于底栖三叶虫的生活环境更浅, 因此本相组合相对于深潮下带沉积组合沉积水深更浅。部分层位鲕粒含量极高, 反映沉积位置接近浅水鲕粒滩沉积环境; 鲕粒分选好, 可见部分破碎鲕粒, 指示鲕粒经历过高能底部水流的搬运。

通过野外详细观察和描述, 将下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统划分为397个岩性分层, 并识别出49个风暴沉积层(图 2)。风暴沉积在整个寒武系第三统和芙蓉统内出露不均匀, 主要分布在徐庄组下部、张夏组底部、崮山组、长山组上部、凤山组顶部和底部。

根据沉积结构和构造差异, 将这些风暴沉积层划分为4个大类和12个亚类。风暴沉积层大类的区分是根据推断的风暴沉积物搬运距离, 由近到远将其分为:原地未破碎风暴沉积、原地破碎风暴沉积、近源风暴沉积和远源风暴沉积(表 2)。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统风暴沉积分类和特征 Table2 Fabrics and classification of the Third Stage and Furongian storm deposits at Xiaweidian section of Western Hills, Beijing 类 亚类 砾屑类型 砾屑含量/% 颗粒粒径/mm 砾屑全部扁平 砾屑全部变形 砾屑顺层排列 原地未破碎 1 挤压变形未破碎 80~90 50~100 是 否, 变形 — 2 原地脆性变形 80~90 50~100 是 否, 变形 — 原地破碎 3 不顺层原地破碎沉积 70~90 50~200 是 是 不顺层 4 顺层原地破碎沉积 70~90 50~200 是 是 顺层 近源沉积 5 ~70 20~100 否 是 顺层 6 ~50 20~100 是 是 不顺层 7 ~50 20~100 否 否 — 8 ~50 2~30 否 否 — 9 ~20 1~20 否 是 不顺层 远源沉积 10 ~10 1~5 — - — 11 ~20 5-20 是 是 不顺层 12 ~10 5-20 是 是 不顺层

表2 北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统风暴沉积分类和特征 Table2 Fabrics and classification of the Third Stage and Furongian storm deposits at Xiaweidian section of Western Hills, Beijing

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统岩石光面照片Fig.6 Scanning photographs of slabs of the Third Stage and Furongian of Cambrian at Xiaweidian section of Western Hills, Beijing

3.1 原地未破碎风暴沉积类

特征描述:此类风暴沉积为浅灰色、薄层至中层, 具颗粒支撑结构, 颗粒类型为砾屑, 含量为70%~90%, 砾屑磨圆差到好、分选一般到好, 长短轴比为1~10。颗粒长轴长度为50~200 mm。

本类风暴沉积由2个亚类组成:(1)亚类1(挤压变形未破碎亚类)(图 7-A), 砾屑含量80%~90%, 分选好、磨圆好, 原岩韧性变形, 砾屑间多保持原有的接触关系; (2)亚类2(原地脆性变形亚类)(图 7-B), 原岩脆性形变, 砾屑含量80%~90%, 分选一般, 磨圆差, 砾屑间保持原有的接触关系。本类风暴沉积主要分布在崮山组中部、长山组中部和凤山组上部(图 2)。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统风暴沉积野外照片(一)Fig.7 Outcrop photographs of storm deposits of the Third Stage and Furongian of Cambrian at Xiaweidian section of Western Hills, Beijing(Ⅰ )

沉积环境解释:砾屑基本保持原始沉积产状、无磨圆等沉积特征说明砾屑为沉积物破碎形成, 但并未经历过搬运。此类风暴沉积的沉积环境与原岩沉积环境一致, 为浅潮下带下部或深潮下带上部。风暴沉积底部水流多为离岸方向搬运(Kazmierczak and Goldring, 1978; Carr and Scott, 1990; Myrow and Hiscott, 1991; Myrow and Southard, 1996; Golf et al., 2010; Perez-Lopez and Perez-Valera, 2012)。由于本类风暴沉积并未经历过搬运, 因此此类风暴沉积为本研究中沉积环境最浅的风暴沉积类型。塑性形变的砾屑反映高能的底部水流挤压未完全固结的沉积物, 使沉积物在挤压时破碎并产生形变。脆性形变的砾屑则为高能底流破碎完全固结后沉积物的产物, 但并未经历颠选和搬运作用(Carozzi and Gerber, 1978; Kwon et al., 2002; Plint and Macquaker, 2012)。挤压变形未破碎类的原沉积物相对于原地脆性变形类的原沉积物含有更多的碳酸盐颗粒, 沉积水深更浅。

3.3 近源风暴沉积类

特征描述:以深灰色、薄层至中层为主, 部分呈透镜体状, 具基质支撑或颗粒支撑结构。颗粒类型主要为砾屑和砂屑, 部分层位可见鲕粒和生物碎屑等, 粒径为1~100 mm, 颗粒含量为20%~70%, 磨圆差到好, 分选差, 长短轴比为1~10。在风暴沉积岩层内, 砾径向上逐渐变小, 形成特征的风暴砾屑递变层理。风暴沉积层底部发育有起伏较小的底部侵蚀面。

依据颗粒含量、粒径、底部侵蚀程度, 本类风暴沉积分为5个亚类:(1)亚类5的颗粒含量70%, 粒径20~100 mm, 底部发育轻微起伏的侵蚀面(图 7-E); (2)亚类6的颗粒含量50%, 粒径20~100 mm, 底部发育轻微起伏的侵蚀面(图 7-F); (3)亚类7的颗粒含量50%, 粒径10~30 mm(图 8-A), 底部发育水平侵蚀面; (4)亚类8的颗粒含量30%, 粒径2~30 mm, 底部发育水平侵蚀面(图 8-B); (5)亚类9的颗粒含量20%, 粒径2~30 mm(图 8-C), 底部发育水平侵蚀面。本类风暴沉积主要分布在徐庄组下部、张夏组下部、崮山组、长山组、凤山组上部(图 2)。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统风暴沉积野外照片(二)Fig.8 Outcrop photographs of storm deposits of the Third Stage and Furongian of Cambrian at Xiaweidian section of Western Hills, Beijing(Ⅱ )

沉积环境解释:递变层理反映一次风暴事件能量的衰弱过程, 底部粒度较大的砾屑是在风暴能量最高时沉积的, 随着风暴能量逐渐降低, 在同一沉积位置沉降的颗粒粒径逐渐变小(Carozzi and Gerber, 1978; Wanless et al., 1987; Kwon et al., 2002; Myrow et al., 2004)。底部侵蚀面指示风暴水流拥有侵蚀底部底层的能量。较为平坦的底部侵蚀反映底流有着微弱的剥蚀能力, 但不足以造成明显的下切。相比于前2个大类, 本类沉积内部的砾屑磨圆度更好, 颗粒粒径更小, 含量较低, 反映砾屑经历过一定距离的搬运, 在搬运的过程中, 砾屑与周围的其他颗粒和基质不断碰撞。本类风暴沉积的水深相对于第2类更深。随着搬运距离的增加, 底部侵蚀作用变弱, 颗粒的粒度变小, 含量降低, 磨圆、分选好(Wanless et al., 1987; Ding et al., 2008)。因此, 沉积亚类5到9, 指示风暴沉积水深由浅到深。

在寒武纪, 中朝板块为稳定的克拉通盆地环境, 并未经历剧烈的构造活动(冯增昭等, 2002a, 2002b), 其古水深变化趋势可以良好地反映海平面变化趋势。根据不同风暴沉积亚类在研究剖面地层中的分布特征及其沉积环境, 笔者试图恢复了北京西山地区寒武纪中晚期的相对海平面变化曲线(图 9)。

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 北京西山下苇甸剖面采用正常沉积与风暴沉积恢复的海平面曲线及对比Fig.9 Relative sea level curves reconstructed from changes of storm sub-types, fair weather deposits at Xiaweidian section of Western Hills of Beijing and their comparison with previous curves

徐庄组下部的风暴沉积以近源风暴沉积为主, 指示该时期处于高海平面状态。张夏组底部的风暴沉积出现从原地未破碎风暴沉积类向远源沉积类转变的事件, 代表该时期存在1个明显的海退过程。在整个张夏组缺乏风暴沉积, 之后崮山组下部出现原地未破碎风暴沉积和近源风暴沉积, 指示海平面虽从张夏组顶部开始升高, 但尚处在较低水平。长山组下部出现远源风暴沉积, 指示一个持续海平面升高的过程; 而随后的海平面降低事件, 使长山组中部的风暴沉积逐渐转变为近源类型, 出现原地未破碎类的风暴沉积。凤山组中上部风暴沉积再次以原地破碎风暴沉积和近源风暴沉积为主, 代表寒武纪末期新一次海平面降低事件。由此可见, 北京西山地区在寒武纪中晚期经历了一个海平面下降上升再下降的过程(图 9)。

为了验证上述海平面变化曲线的正确性, 基于研究剖面非风暴沉积的相分析结果, 建立了一条海平面变化曲线(图9), 该曲线反映出北京西山地区在寒武纪中晚期同样经历了一个海平面下降上升再下降的过程。徐庄组的沉积相主要为泥晶灰岩与泥质条带灰岩, 沉积于高海平面时期的深潮下带下部和页岩盆地; 张夏组沉积初期经历了一个较明显的海退过程, 沉积物主要为泥晶鲕粒灰岩和鲕粒泥晶灰岩, 沉积于浅潮下带下部靠近鲕粒滩的位置。崮山组底部主要以页岩盆地环境的泥晶灰岩和泥质条带灰岩为主, 可见少量的薄层含生屑泥晶灰岩和颗粒泥晶灰岩, 形成于海平面升高时期。此次海平面升高事件一直持续到长山组中部沉积之前。长山组中部沉积时有一个明显的海退过程, 沉积相变为以深潮下带和浅潮下带沉积组合, 并出现生物扰动灰岩(图9)。在长山组沉积末期有一个短暂的小幅海进, 出现了小段以页岩盆地沉积组合为主的地层, 随后在该组沉积后期经历过一次较低海平面状态(图9)。

本研究恢复的2条海平面变化曲线与前人建立的北京西山(孟祥化和葛铭, 2004)和鲁西地区(李庆平等, 2005)的海平面曲线在整体变化上具有相同的趋势。由此可见, 与非风暴沉积一样, 风暴沉积类型的长期变化同样受到水深的控制。在正常天气下, 不同水深环境有着不同的碳酸盐岩供给和水动力条件, 从而产生不同的颗粒类型和颗粒含量(Flü gel, 2009)。而在风暴沉积中, 不同水深位置的沉积颗粒, 经历过不同远近的搬运距离, 会产生不同的风暴沉积特征结构和构造(Aigner, 1985; Boyer and Droser, 2003; Eolf, 2014)。因此下苇甸剖面的寒武系第三统和芙蓉统风暴沉积在海平面偏高时期主要是以异地沉积的近源或远源类型(亚类5~12)为主, 而海平面相对较低时期则形成近原地形成的风暴沉积类型(亚类1~4)(图 9)。其次, 风暴沉积类型的长期变化应受到全球气候变化的影响。风暴沉积的沉积特征除了受到水深影响外, 还与风暴强度有关。而风暴强度的长期变化会受到全球气温变化的影响(Brandt and Elias, 1989; Garrison et al., 2013; Masselink and Van Heteren, 2014)。在全球变暖的过程中, 由于赤道与两极温差加大, 风暴形成时的能量会更高(Dezileau et al., 2011)。前人研究表明, 整个寒武纪全球气候是一个稳定升温的过程(Brandt and Elias, 1989; Veizer et al., 1999), 从而使利用风暴沉积类型恢复的海平面曲线在寒武纪第三世早期相对偏低, 而在芙蓉世晚期相对偏高。

需要指出的是, 下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统风暴沉积类型变化所反映的海平面变化趋势与正常沉积变化趋势有着一定的差异, 主要表现在短期变化上(图 9)。这主要是因为, 虽然风暴沉积类型在不同水深表现不同的类型, 但在短期内风暴事件的强度同样会影响到风暴沉积的类型(Donnelly and Woodruff, 2007; Dezileau et al., 2011)。在同一沉积水深, 不同的风暴强度使得同一深度的风暴沉积形成不同的沉积特征。在徐庄组下部、长山组中上部和凤山组上部的地层中, 短期内海平面变化并不大, 但风暴沉积亚类的分布差异较大(图 9)。在同一沉积位置, 一次较强的风暴事件可以使得底部侵蚀面变得更起伏、砾屑的磨圆更差、粒径更大、砾屑含量更高、其他颗粒含量变少等(Aigner, 1985; Carr and Scott, 1990; Myrow, 1992; Mohseni and Al-Aasm, 2004; Myrow et al., 2004; Ding et al., 2008; Sabatier et al., 2008; Colombie et al., 2014), 最终导致短期内, 虽然海平面并没有明显的变化, 但是同一地点形成的风暴沉积会存在一定的差异。

综上所述, 风暴沉积类型的长期变化主要受到水深的影响, 利用风暴沉积类型在地层中的分布特征进行海平面变化分析是可行的。采用本研究所提出的风暴沉积分类进行海平面变化的恢复, 可以应用到其他地区和其他地质时期。

1)基于野外和室内沉积学分析, 在北京西山下苇甸剖面寒武系第三统和芙蓉统中识别出了5种沉积相, 分属页岩盆地、浅潮下带、深潮下带3个相组合。

2)识别出49个风暴沉积层; 根据相关沉积结构和构造特征, 划分为4个大类和12个亚类, 并讨论大类和亚类的相对沉积水深。

3)依据各个风暴沉积亚类的地层分布特征和沉积环境解释, 尝试建立北京西山地区寒武纪中晚期海平面变化曲线, 该曲线与使用正常沉积恢复的海平面变化曲线具有相同的变化趋势。

4)风暴沉积虽然受到多种环境因素的影响, 但其类型变化可以较好地反映长期海平面变化趋势。

致 谢 北京大学史前生命与环境科学研究所孙元林教授在成文过程中提出大量有益意见和建议, 北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室贾秋月老师制作薄片, 野外工作期间得到北京大学史前生命与环境科学研究所郭文、清华大学徐思然和中国人民大学田雪松的大力协助, 在此一并感谢。本研究是IGCP 591项目“ 早、中古生代生物事件” 的阶段成果。