以北京西山下苇甸剖面和Zg10井为例, 描述冀中坳陷寒武系各组的岩性特征和测井响应特征。

下苇甸剖面府君山组以灰褐色白云岩为主, 同时还具有特征的角砾状白云岩和豹斑灰岩(图 4-A)。角砾状白云岩大小不一, 直径多小于5cm; 形态不规则, 呈棱角状; 分布杂乱。关于这套角砾状白云岩的成因, 前人一般认为是事件沉积作用形成, 如重力流沉积(王宗起和丁孝忠, 1990)、飓风或地震沉积(乔秀夫和高林志, 1990)。近年也有研究认为是后期岩溶作用下坍塌而形成的(康世龙等, 2016)。豹斑灰岩中, 白云石一般沿裂缝、生物扰动构造或虫孔分布。豹斑灰岩中白云石斑块与基质灰岩呈过渡状态, 无明显界线。它主要是由局限海沉积的含颗粒灰泥石灰岩经白云岩化而形成的(王英华等, 1989)。在北京地区, 豹斑灰岩可以作为府君山组的标志层(北京市地矿局, 1991)。府君山组顶部为一套数十厘米的风化壳性质的土黄色角砾状白云岩。向下为灰黑色细晶白云岩, 且越向府君山组中部, 白云岩含量越低。整体判断, 其主要为局限台地的沉积。府君山组顶部与馒头组呈不整合接触。Zg10井在府君山期没有沉积。

图 4

Fig.4

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	图 4 北京西山下苇甸剖面寒武系岩石类型 A— 府君山组底部发育的豹斑灰岩; B— 馒头组的紫红色泥岩中夹有块状层的粉晶白云岩; C— 毛庄组的深紫红色泥岩中夹有中— 薄层的粉晶白云岩; D— 徐庄组下段发育有大套的亮晶鲕粒石灰岩; E— 徐庄组上段发育含云母灰质粉砂岩; F— 张夏组的鲕粒石灰岩; G— 崮山组发育多个含叠层石藻丘, 藻丘内部发育有柱状叠层石; H— 长山组发育的竹叶状砾屑石灰岩, 砾屑具有氧化边; I— 凤山组的中上部发育条带状云泥质灰泥石灰岩和条带状灰泥石灰岩互层, 云泥质灰泥石灰岩风化后呈褐黄色Fig.4 Rock types in the Cambrian outcrop section in Xiaweidian section, Western Hills of Beijing

下苇甸剖面馒头组岩石类型主要为紫红色白云质泥岩, 夹有厚层的白云质灰泥石灰岩、或块状层的泥— 粉晶白云岩(图 4-B)。白云质泥岩和泥— 粉晶白云岩中偶见石盐假晶。馒头组下部具有和宿主岩石一致的角砾, 且向上角砾逐渐消失。根据岩性和结构特征判断其为膏盐溶解崩塌的产物。在馒头组中部还夹有约5m的泥— 粉晶白云岩, 可见层状叠层石。这些特征表明, 馒头组总体属于蒸发潮坪的环境。鉴于下苇甸剖面中白云岩厚度占地层厚度的50%以上, 泥岩厚度占25%~50%之间, 将其定为泥云坪。Zg10井岩性主要为紫红色泥岩和灰泥石灰岩, GR曲线表现为高低相间的锯齿状(图 5)。据各岩性含量, 将其岩相定为泥灰坪。

下苇甸剖面毛庄组岩性与馒头组类似, 岩石类型主要是暗紫红色泥岩, 夹有中— 薄层的泥— 粉晶白云岩(图 4-C)。与馒头组不同的是, 毛庄组的泥— 粉晶白云岩透镜体厚度薄(< 1m)、数量多, 且泥岩颜色更深。鉴于泥— 粉晶白云岩含量未达到10%, 因此将本组沉积相定为泥坪。Zg10井岩性与其相似, GR曲线表现为高值背景下的锯齿状(图 5)。根据各岩性含量, 将其定为泥坪。

图 5

Fig.5

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	图 5 冀中坳陷寒武系Zg10井综合柱状图Fig.5 Comprehensive columnar diagram of the Cambrian strata in Well Zg10, Jizhong Depression

在徐庄组的地层对比中, 由于前人经常在钻井上将徐庄组上段归于张夏组, 造成了露头和钻井对比的混乱; 此外徐庄组上段的岩性特征和电性特征与张夏组和徐庄组下段差异明显, 无论将其归于张夏组还是徐庄组, 均无法较为准确地反映古地理格局。因此本次研究将徐庄组分为徐庄组上段和徐庄组下段。整体来说, 徐庄组具有3个旋回的沉积特征。在下苇甸剖面表现为: 第1个旋回由灰绿色页岩、钙质粉砂岩、鲕粒石灰岩的岩性序列组成, 其中局部的鲕粒石灰岩中可见到大型鱼骨状交错层理, 鲕粒多为亮晶鲕粒石灰岩(图 4-D), 表明此时是一个潮汐作用主导的高能环境; 第2个旋回由陆棚相的灰绿色页岩、缓坡相的灰质粉砂岩(图 4-E)和台地相的灰泥石灰岩组成; 第3个旋回由潮坪相的灰泥石灰岩和白云质灰泥石灰岩组成。第1个旋回构成徐庄组的下段, 第2个旋回和第3个旋回构成徐庄组上段。根据各岩性含量, 将下苇甸剖面徐庄组下段和上段的沉积相分别定为台内鲕粒滩亚相和缓坡— 陆棚相。Zg10井徐庄组下段岩性为紫红色泥岩和白云岩, GR曲线呈高值的齿状, 将其定为泥云坪亚微相; 上段岩性以石灰岩和白云岩为主, GR曲线呈下凹上凸状。白云岩对应的GR曲线数值低, 表明白云岩中含泥质少, 结合相邻井岩性判断, 白云岩为非准同生白云岩, 其原岩为厚层灰泥石灰岩, 据此将其定为开阔台地。

张夏组岩性主要是灰泥石灰岩和亮晶鲕粒石灰岩(图 4-F)。张夏组的鲕粒石灰岩在华北地台广泛分布, 是具有标志性的岩石类型, 代表了一个高能鲕粒滩的沉积环境。这些鲕粒中广泛发育的鲕粒皮层, 与微生物(尤其是蓝细菌)的活动相关, 表明了寒武纪第三世海洋环境中蓝细菌繁荣的特点(马永生等, 2017); 下苇甸剖面中还可见到深水生物丘灰岩和柱状叠层石, 印证了寒武纪以来微生物更加繁盛的现象。此外, 在亮晶鲕粒石灰岩中常夹有风暴砾屑石灰岩透镜层、缓坡相沉积的泥质条带灰岩以及陆棚相的灰绿色钙质泥岩。这些特征表明, 在持续动荡的鲕粒滩发育时期, 还间歇性地发生了风暴和海侵。根据各岩性含量, 结合华北地台的沉积背景, 将下苇甸的沉积相定为台内鲕粒滩亚相。Zg10岩性和下苇甸剖面岩性相似, GR曲线表现为低平的特征(图 5), 将其沉积相定为台内鲕粒滩。

崮山组发育有深灰色灰泥石灰岩、叠层石石灰岩、粉砂质泥岩等。下苇甸剖面中, 在高能鲕粒滩中还发育有串珠状分布的叠层石生物丘(图 4-G), 内部为密集的柱状叠层石, 其内有较多的黄铁矿聚集物和典型的钙化蓝细菌化石, 表明了硫酸盐还原细菌和蓝细菌是叠层石的主要造席生物(梅冥相等, 2011)。崮山组的柱状叠层石, 无论是在北京西山下苇甸剖面, 还是在河北井陉南王庄剖面, 在叠层石柱间均可见漂浮状产出的鲕粒。这些叠层石中的蓝细菌化石和悬浮鲕粒, 不仅表明鲕粒的微生物成因(倪胜利, 2017), 也表明浅海高能的沉积环境。崮山组下部为泥灰岩夹钙质泥岩, 表明崮山初期处于较深水的缓坡和陆棚的沉积环境。向上出现鲕粒石灰岩、条带状灰泥石灰岩夹泥— 粉晶白云岩, 整体表现为变浅的沉积序列。根据各岩性含量, 将其定为开阔台地。Zg10岩性主要是白云岩, GR曲线表现为高低相差较大的指状(图 5)。根据白云岩的形态和坳陷内相似白云岩的研究, 认为这种白云岩是非同生或非准同生成因的。参照相邻井, 将该组的岩相定为开阔台地。

长山组的岩石类型在下苇甸剖面主要有陆棚相的钙质泥岩、缓坡相的泥质条带灰岩和竹叶状砾屑石灰岩(图 4-H)。竹叶状砾屑石灰岩可以在多种环境中形成, 如潮坪、开阔台地或斜坡等。不同砾屑的颜色、形状和分布等反映了不同的成因。有些砾屑呈氧化色, 有些砾屑呈还原色。氧化色的竹叶状砾屑石灰岩形成于潮上带或潮间带的暴露环境, 还原色的竹叶状砾屑石灰岩形成于开阔台地或陆棚环境, 无磨蚀作用的板条状砾屑形成于成岩期的地震或压实作用(余宽宏等, 2015)。无论竹叶状砾屑石灰岩属于何种类型, 目前一般认为条带状石灰岩是其物质基础, 而风暴浪是其形成的主要动力(Ding et al., 2008; 余宽宏等, 2015)。无论在北京西山下苇甸剖面, 还是在河北井陉南王庄剖面, 竹叶状砾屑石灰岩均以还原色为主。同时前人认为长山期对应了全球性的最大海泛事件(葛铭等, 1995; 孟祥化等, 1996), 这些表明长山期以开阔海的沉积环境为主, 如开阔台地沉积, 或缓坡— 陆棚沉积。由于下苇甸剖面的长山组以还原色的竹叶状砾屑石灰岩为主, 因此将其定为竹叶状砾屑滩。Zg10井长山组岩性和崮山组相似, 将其定为开阔台地。

凤山组在下苇甸剖面主要为条带状云泥质灰泥石灰岩和条带状灰泥石灰岩(图 4-I), 夹有薄层的竹叶状砾屑石灰岩。凤山组下部发育一套具有冲蚀沟槽的柱状叠层石, 厚约2m, 这套叠层石生物层表现为较深水背景下的微生物造礁作用(梅冥相等, 2015), 显示凤山初期处于较深水的沉积环境。中部云泥质灰泥石灰岩风化后呈褐黄色。灰泥石灰岩呈条带状、准竹叶状等形态夹于云泥质灰泥石灰岩中。竹叶状砾屑石灰岩中砾屑较小, 有时呈定向排列。这些特征表明沉积环境是间歇暴露的, 且具有定向的水流, 据此判断为潮间带的沉积环境。鉴于竹叶状灰岩含量大于50%, 将其沉积相定为竹叶状砾屑滩。在Zg10井主要为细晶白云岩, GR曲线表现为低平的特征(图 5)。通过露头及取心资料分析, 认为该白云岩的原岩为准同生的泥— 粉晶白云和条带状云泥质灰泥石灰岩, 据此将本组沉积相定为云坪。

整体来说, 府君山组沉积的豹斑灰岩代表了寒武纪海侵的开始。馒头组到毛庄组, 泥岩由紫红色向深紫色过渡, 泥质白云岩透镜体厚度减薄、数量增多, 表明水体变深, 海平面上升。徐庄组的灰绿色灰质粉砂岩和钙质泥岩表明地台处于较深水的缓坡— 陆棚环境。张夏组大量的亮晶鲕粒石灰岩表明, 水体变浅为台内滩。崮山组的钙质泥岩、灰泥生物丘向鲕粒石灰岩、条带状灰泥石灰岩的过渡, 表明了沉积环境逐渐变浅的特征。至长山组部分发育的氧化色竹叶状砾屑石灰岩和凤山组发育的条带状云泥质灰泥石灰岩, 表明水体逐渐变浅为潮坪的环境。

冀中坳陷寒武系沉积相对比剖面表明, 各区域的地层厚度差异小, 显示在沉积期全区地势平坦、开阔(图 6)。区域内构造活动平缓, 沉积相横向变化小, 处于陆表海的沉积环境。

图 6

Fig.6

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	图 6 冀中坳陷寒武系沉积相剖面对比图Fig.6 Well cross section of sedimentary facies of the Cambrian strata in Jizhong Depression

府君山组岩性以豹斑灰岩、灰质云岩、粉— 细晶白云岩为主, 白云岩含量南高北低。GR曲线呈现为较低的锯齿状。北部沉积环境为局限台地, 向南逐渐变为云坪、泥云坪, 表明水体南浅北深。Zg10井一带以南无沉积, 表明南部在这个时期还是陆地。馒头组岩性以紫红色泥岩为主, 并夹有巨厚层的白云岩。GR曲线呈现为较高的锯齿状, 且各井的曲线形态较为相似。沉积岩特征表明, 此时冀中坳陷气候干热, 处于潮坪的沉积环境, 主要发育泥云坪、泥灰坪和含云泥坪。

毛庄组岩性以暗紫红色泥岩为主, 其中白云岩夹层厚度小、数量多。GR曲线为高值背景下的微齿状。全区以潮上泥坪的沉积环境为主, 显示此时气候较馒头期更为干热。徐庄组下段在北京地区依次出现了灰绿色泥页岩、灰质粉砂岩、大套的鲕粒石灰岩, 表明徐庄早期处于缓坡— 陆棚的沉积环境, 随后水体变浅, 形成动荡的鲕粒滩; 而在中南部地区, 则以紫红色泥岩为主, 鲕粒石灰岩发育较少。地层中石灰岩和白云岩呈现出向南逐渐增厚的趋势。从垂向上看, 中南部地层中石灰岩和白云岩的含量逐渐增加, 表现出沉积期水体逐渐变深的趋势。徐庄组上段, 在北京西山下苇甸剖面发育有缓坡相的泥质粉砂岩, 表明此时水体再次加深。Zg10井、井陉地区等也以碳酸盐岩为主, 整体为开阔台地亚相。而中部地区的岩性仍以氧化色的泥岩为主, 表明这个时期中部的地势较高。全区仍以潮坪的沉积环境为主, 发育含云泥坪、含灰泥坪和泥灰坪等。GR曲线在北部表现为高值的锯齿状, 向南逐渐变为中间高上下低的钟型。张夏组全区发育鲕粒石灰岩。GR曲线在Wg1井以北的地区表现为高低起伏的齿型, 南部为低平的箱型。此时潮坪环境在全区消失, 海侵达到高潮。

崮山组在下苇甸剖面主要岩性为陆棚相的钙质泥岩、颗粒滩相的鲕粒石灰岩和潮坪相的条带状灰泥石灰岩夹泥— 粉晶白云岩, 总体组成一个向上变浅的沉积相序列。在井陉地区岩性主要为柱状叠层石石灰岩。在钻井剖面上, 岩性主要为泥质石灰岩、竹叶状砾屑石灰岩等, GR曲线呈高低起伏的指状。崮山组整体表现为较深水的开阔台地沉积环境。

长山组岩性主要为竹叶状砾屑石灰岩、钙质粉砂岩和泥质条带灰岩等。在北京和井陉的露头剖面中可见大量的竹叶状砾屑石灰岩, 显示长山期具有强烈的风暴沉积作用。此外, 还可见到中— 薄层的氧化色竹叶状砾屑石灰岩和紫红色的泥岩, 显示短暂的处于潮坪的沉积环境。在钻井剖面上, GR曲线表现为由高至低的坡状。这些岩性特征表明, 其主要形成于较深水的开阔台地环境, 岩相类型主要为竹叶状砾屑滩和开阔台地。

凤山组的岩性在南部和北部相差较大。北京下苇甸剖面主要为条带状云泥质灰泥石灰岩, 夹有准竹叶砾屑石灰岩; 而河北井陉南王庄剖面则以细晶白云岩为主。鉴于井陉剖面的细晶白云岩中多见竹叶状砾屑的残余构造, 表明凤山期也有风暴砾屑滩的发育。GR曲线表现为低平的锯齿状。综合露头及岩心资料判断, 凤山期全区处于潮坪沉积环境。岩相类型为竹叶状砾屑滩、灰坪以及云坪等。

采用冯增昭教授倡导的“ 单因素分析多因素综合作图法” (冯增昭, 2004)来编制岩相古地理图。以张夏组为例, 根据地层厚度(m)、泥质含量(%)、鲕粒石灰岩含量(%)等定量数据(表 1), 绘制了其等值线图件(图 7)。地层厚度是不同沉积环境下沉积作用的响应, 可以反映地层沉积期该地区的相对凹陷幅度。在张夏期, 易县、曲阳一带厚度最大, 显示其相对地势最低。对于泥质含量来说, 由于潮上坪或陆棚中含量高, 而开阔台地或高能颗粒滩中含量很低, 因此它可以反映不同的沉积环境。张夏期泥质含量普遍较低, 很少有泥页岩发育。鲕粒石灰岩含量反映沉积期滩的发育程度, 在冀中坳陷的某些区域, 张夏组的鲕粒石灰岩含量达到90%以上。由于白云岩分布少, 在平面上呈点状分布, 垂向上呈块状层的分布, 判断其并非准同生白云岩, 不能反映沉积环境, 因此该组的白云岩含量不作为判断沉积环境的依据。综合这些单因素图件, 结合地震等其他相关资料, 编制了张夏组的古地理图件。依据这种方法, 共编制了9张寒武纪岩相古地理图, 来分析冀中坳陷寒武纪古地理的演化过程。

图 7

Fig.7

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	图 7 冀中坳陷寒武系张夏组单因素含量等值线图 A— 地层厚度等值线; B— 泥质含量等值线; C— 鲕粒石灰岩含量等值线Fig.7 Isopach maps of single factor content(%)of the Cambrian Zhangxia Formation in Jizhong Depression

冀中坳陷寒武系府君山组超覆于元古界之上, 并在饶阳— 曲阳一带以南无沉积。府君山组在北京地区, 其下伏地层为元古界青白口系景儿峪组, 而在河北井陉一带, 则变成了长城系常州沟组。这种地层分布表明, 冀中坳陷在府君山期地势南高北低, 并在饶阳— 曲阳一带以南为陆地(图 8-A)。水体自北向南逐渐变浅, 并由局限台地向云灰坪、云坪、泥云坪过渡。

图 8

Fig.8

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	图 8 冀中坳陷寒武纪岩相古地理演化 A— 府君山期; B— 馒头期; C— 毛庄期; D— 徐庄早期; E— 徐庄晚期; F— 张夏期; G— 固山期; H— 长山期; I— 凤山期Fig.8 Evolution of the Cambrian lithofacies palaeogeography in Jizhong Depression

馒头期海侵扩大, 南部古陆消失(图 8-B)。全区以潮坪沉积为主。含云泥坪(准同生白云岩含量小于25%, 紫红色泥岩含量大于50%)位于曲阳— 保定— 霸州— 天津一带; 泥云坪(准同生白云岩含量在25%~50%之间, 紫红色泥岩含量大于50%)位于北京— 易县一带; 泥灰坪(泥岩含量在25%~50%之间, 灰岩含量大于50%)位于蓟县— 宝坻一带和饶阳— 衡水一带。紫红色泥岩中夹有多层的准同生白云岩和灰泥石灰岩, 表明在馒头期发生了多次的海进和海退。

毛庄期冀中坳陷地势平缓, 各地区海水相对温暖且较浅, 并且水深变化小。全区以潮上泥坪沉积为主(图 8-C), 在宝坻、南宫等附近发育含灰泥坪、含云泥坪、泥云坪等。

徐庄组岩性表现出3个旋回的沉积特征, 表明在徐庄期发生了3次大的海进海退旋回。徐庄期早期全区仍以泥坪为主, 为含灰泥坪(图 8-D)。在北部的北京西山下苇甸一带和南部的南宫— 临清一带, 出现海湾, 形成开阔台地的沉积环境, 并伴有鲕粒滩的发育。在北部的蓟县— 宝坻一带, 和中部的饶阳一带, 还有泥云坪的发育。徐庄期晚期海湾范围进一步扩大, 开阔台地和鲕粒滩的范围也变大(图 8-E)。在北部的北京西山下苇甸一带处于缓坡— 陆棚的环境, 表明水体较早期更深。此时全区海底地形差异较大, 保定— 霸州— 天津一带地势较高, 为含灰泥坪和含云泥坪; 向南北两侧地势降低, 为泥灰坪和开阔台地。

张夏期最典型的特征是发育大量的鲕粒滩(图 8-F)。这个时期潮坪的沉积环境消失, 全区汪洋一片, 是寒武纪海侵最大的时期。在整体为开阔台地的基础上, 发育大小不等的多个鲕粒滩。尤其在饶阳、石家庄、衡水、邢台等地区, 鲕粒滩特别发育。在北部地区, 鲕粒滩厚度大, 但规模较南部小。

崮山期开始海退, 水深由深变浅, 出现大量的柱状叠层石。整体以开阔台地为主(图 8-G), 鲕粒滩基本消失, 多处发育竹叶状砾屑滩, 并在井陉和Z65井附近分别发育灰坪和云坪。

长山期以竹叶状砾屑滩的大量发育为特征, 冀中坳陷整体为含泥的开阔台地(图 8-H)。泥岩虽然整体厚度不大, 但全区均有分布。此外, 在南部的J6井和Z65井附近还发育有泥云坪。整体来说, 长山期和崮山期相比, 水深变化不大, 古地理格局差异也较小, 岩性的差异主要体现在崮山组的柱状叠层石较多, 而长山组的竹叶状砾屑石灰岩较多。

凤山期全区岩性差异较大, 如在北京地区, 岩性主要为紫红色条带状云泥质灰泥石灰岩、竹叶状砾屑石灰岩等; 而在河北井陉地区, 岩性则主要为灰黑色粉细晶白云岩, 其原岩为鲕粒石灰岩、竹叶状砾屑石灰岩、薄层准同生白云岩和灰泥石灰岩等。根据岩性含量, 结合白云岩的原岩分析, 认为保定— 大城一带以北为灰坪, 曲阳— 饶阳一带以南为云坪(图 8-I)。下苇甸剖面、井陉南王庄剖面和邢台剖面中, 可见大量竹叶状砾屑石灰岩发育, 表明存在有竹叶状砾屑滩。

在露头剖面、单井剖面、地震相和连井相分析的基础上, 结合沉积相的平面分布, 建立了冀中坳陷的沉积相模式(图 9)。泥坪的主要岩性为紫红色、深紫红色泥岩。泥坪往往与含有准同生白云岩的云坪伴生。当泥坪中含有准同生白云岩或灰泥石灰岩时, 根据其岩性含量, 将其定为含云泥坪、含灰泥坪等。云坪的主要岩性为薄层的准同生白云岩。灰坪的主要岩性为薄层的条带状灰泥石灰岩。当含有泥岩时, 根据其含量, 将其定为泥云坪或泥灰坪等。云坪和灰坪位于泥坪向海一侧的地方。由于水体较浅而不稳定, 准同生白云岩和灰泥石灰岩频繁间互沉积, 这种情况, 将其定为云灰坪或灰云坪。局限台地的岩性主要是薄层到厚层的灰泥石灰岩, 少见化石, 是一种水体与广海交换受阻、水深在浪基面以下、水体贫氧的环境。鉴于局限的潮下带、潟湖等与局限台地不易区分, 因此将其归类为局限台地。开阔台地的岩性主要是含生物碎屑的灰泥石灰岩, 其处于水体与广海交换通畅、水深在浪基面以下但富氧的环境。开阔的潮下带和开阔台地往往不易区分, 因此将开阔潮下带归为开阔台地。滩的岩性主要是竹叶状砾屑石灰岩和鲕粒石灰岩。竹叶状砾屑石灰岩的形成受风暴浪的影响, 在潮坪和开阔台地中均可以形成。

图 9

Fig.9

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	图 9 冀中坳陷寒武纪沉积相模式Fig.9 Depositional model of the Cambrian strata in Jizhong Depression

鲕粒滩形成于台内的水下隆起处。鉴于冀中坳陷处于华北地台中部, 因此判断这种鲕粒滩为台内滩。缓坡相主要岩性为泥质条带灰岩和泥质粉砂岩, 偶夹有薄层页岩。其水深在风暴浪基面以下, 水体缺氧安静, 缺乏生物化石。浅海陆棚相以灰绿色泥页岩和粉砂质泥岩为主。冀中坳陷的陆棚相主要分布于徐庄组、崮山组和长山组的底部。