第一作者简介 郭芪恒,男,1994年生,硕士研究生,研究方向为沉积学、层序地层学及储层地质学。E-mail: 1974735970@qq.com。
在充分调研前人研究成果的基础上,对京西坳陷青白口地区青白口系进行了野外实测、岩石薄片鉴定等研究,结合其岩性特征及沉积结构,细致划分了青白口系沉积相,建立了符合其沉积演化的沉积相模式。青白口系自下而上包括下马岭组、龙山组及景儿峪组,下马岭组为陆源碎屑浅海沉积体系,主要为较深水的陆棚相沉积,并且发育了砂质碎屑流;龙山组为陆源碎屑滨岸沉积体系,发育了大套的临滨及前滨砂体,主要受控于波浪和沿岸流的改造;景儿峪组为典型的碎屑岩—碳酸盐岩混积潮坪,由于古纬度相对变化,沉积环境相对干旱局限且低能,下部和上部主要为紫红色泥岩沉积,中部发育大套厚层的碳酸盐岩。由龙山组陆源输入的碎屑物质沉积为主过渡到景儿峪组的内生清水碳酸盐岩沉积为主的环境,代表其构造条件和古地理环境逐渐趋于稳定。
About the first author: Guo Qi-Heng,born in 1994,is a candidate for master's degree in China University of Petroleum(Beijing). He is mainly engaged in researches on sedimentology,sequence stratigraphy and reservoir geology. E-mail: 1974735970@qq.com.
Based on full investigation of previous research,we carefully determined the types of the sedimentary facies of the Qingbaikou system in the Qingbaikou area,Jingxi Depression,and established its sedimentary facies model,by analysis of the field measured data, thin sections, as well as their lithologic characteristics and sedimentary structures. The Qingbaikou system consists of Xiamaling Formation,Longshan Formation and Jing'eryu Formation from bottom to top. The results show that the Xiamaling Formation is mainly a set of relatively deep shelf deposits of the terrigenous clastic shallow-marine depositional system,and sandy debris flow deposits are first found; the Longshan Formation is a huge set of nearshore and foreshore sandy deposits of the terrigenous clastic shore depositional system,which is controlled by the modification of waves and longshore currents;and the Jing'eryu Formation consists of a set of typically clastic-carbonate mixed tidal flat deposits,of which the upper and lower part are mainly composed of purple mudstones and the middle part is a huge set of thick carbonate,due to arid,restricted and low-energy environment related to the palaeolatitudinal variation. The clastic deposits,related to terrigenous inputs in Longshan Formation,turned into endogenous clear-water carbonate deposits in Jing'eryu Formation,which suggests that the palaeogeographic environment gradually stabilized.
京西坳陷所在的燕山地区隶属于华北地台, 又称“ 燕山沉降带” , 构造上划分为2个古隆起和5个古坳陷(图 1)(吕奇奇等, 2011; 王铁冠和韩克猷, 2011), 坳陷中发育巨厚的古元古界长城系、中元古界蓟县系和新元古界青白口系, 上覆为古生界和中生界的沉积盖层。
燕山地区是中国新元古界青白口系出露最好、层序较为完整的区域(周洪瑞等, 2006)。自1977年以来, 在华北燕山地区发现中— 新元古界大量原生的液体油苗与固体沥青(黄醒汉和张一伟, 1979; 张长根和熊继辉, 1979; 王铁冠, 1980), 从而证明中— 新元古界是中国一个值得关注的重要能源资源领域(王铁冠和韩克猷, 2011)。对于燕山地区的研究主要集中在年代地层划分(温献德, 1997; 高林志等, 2007, 2008, 2010; 李怀坤等, 2009)、石油地质特征(黄醒汉和张一伟, 1979; 张长根和熊继辉, 1979; 王铁冠, 1980; 王杰和陈践发, 2001; 孙省利等, 2003; 付顺等, 2011; 刘清俊等, 2014)、层序地层对比等方面(高林志等, 2010; 胡国辉等, 2013), 为研究区积累了大量的地质基础资料。沉积相对油气勘探的有利区带具有重要的指导意义, 前人对燕山地区的岩相古地理也做了研究, 但主要集中在燕山地区的宣龙坳陷和冀北坳陷(王立峰等, 2000; 陈小军等, 2010, 2011, 2012; 罗顺社等, 2011; 徐述腾, 2015), 对于京西坳陷的岩相古地理研究涉及不多。在前人的研究基础上, 作者拟从岩石学、沉积学等方面研究入手, 探讨京西坳陷青白口系的沉积古地理演化, 为区域地质研究提供基础资料。
原青白口系主要包括下马岭组、龙山组和景儿峪组(乔秀夫, 1976; 孙大中和陆松年, 1985)。近年来通过对下马岭组新的锆石U-Pb测年, 打破了下马岭组原来在地层中的位置, 认为其应该归属中元古界(高林志等, 2007, 2008; 李怀坤等, 2009), 但由于下马岭组目前仍为待建系(翟明国等, 2014), 且其在原有地层序列中的顺序未改变, 本文在叙述上依然将其划为青白口系。
京西坳陷青白口地区新元古界出露良好, 除了下马岭组仅发育部分地层, 龙山组和景儿峪组发育完整地层, 层界限清晰, 易于识别。发生在中元古代蓟县纪末期的“ 芹峪上升” (曲永强等, 2010), 使燕山地区整体抬升, 并经历了一个短暂的剥蚀阶段。其后燕山地区沉降, 海侵开始, 沉积了一套以黑色页岩为主的下马岭组。发生在下马岭组沉积期末的“ 蔚县上升” (曲永强等, 2010), 使得北京地区遭受剥蚀, 缺失了下马岭组上部层位(罗顺社等, 2011), 形成了龙山组与下马岭组的平行不整合, 龙山组沉积了一套滨浅海相的砂岩或含砾砂岩。景儿峪组与龙山组为连续沉积, 以泥灰岩沉积为主, 景儿峪组沉积末期发生了蓟县运动(乔秀夫, 1976), 华北地台整体抬升, 结束了元古界沉积(图 2)。
青白口地区下马岭组岩性为黑色页岩、灰绿色粉砂质页岩和灰黑色粉细砂岩(图2), 其中以黑色页岩为主, 含黄铁矿, 水平层理发育, 黑色页岩中间发育灰绿色粉砂岩, 代表沉积水体相对变化, 说明本区海平面间歇性的变化, 但总体较深。特别的是, 下马岭组发育几层厚度为20~30cm的灰黑色粉细砂岩, 夹在深水还原环境形成的黑色页岩中。
华北地块北缘中元古界铁岭组顶部普遍发育红土型风化壳与铁矿层, 指示在下马岭组沉积前华北地块北缘曾发生过大规模抬升并经历了风化剥蚀, 后地壳下降, 海进开始, 京西坳陷三面隔绝的海盆地形, 造成了特有海进条件下的还原环境(乔秀夫, 1976), 在整个京西坳陷, 形成了含黄铁矿的厚层黑色页岩地层, 主要是浅海相还原环境中的陆棚沉积(图 3-a); 灰绿色粉砂质泥岩为滨海与内陆棚沉积的产物, 在风暴期间带来了大量陆源石英碎屑颗粒, 正常条件下为泥质沉积, 形成了内陆棚特有的粉砂质泥岩夹页岩沉积, 代表间歇高能的沉积环境(图 3-b)。
灰黑色块状粉砂岩是重力流的产物, 夹在深水还原环境中形成的黑色页岩中, 无粒序, 层理构造不发育, 上下地层均代表深水沉积环境, 主要成分为粉砂级的石英颗粒和泥质杂基, 发育极少的钙质胶结形象(Shanmugam, 1996; Reading, 2013)。砂岩层的横向展布与黑色页岩的层理方向一致, 顶底突变且接触面平整。碎屑流沉积一般具有上下2层韵律结构特征, 即上部为刚性筏流段, 以发育块状层理为主, 下部层流段以发育平行碎屑结构或似平行层理为典型特征(图 4-a, 4-b)(王德坪, 1991; 李林等, 2011; 高红灿等, 2012), 尤其是易碎的页岩碎屑的保存更指示了层流的存在, 在底部砂岩与页岩接触的地方采样磨片发现, 砂岩中发育长条状泥岩砾屑, 平行层面分布, 代表了底部的层流段(图 4-c), 上部以块状砂岩为主, 含泥岩撕裂屑(高红灿等, 2012; 操应长等, 2017)。由于缺少底部的滑水基质, 其在运动过程中会对底部黑色页岩产生牵引, 从而诱发下伏页岩地层发生不同程度的软沉积变形, 形成不对称褶曲(李林等, 2011)(图 4-d), 并且在碎屑流砂体中可见快速沉积液化形成的碟状泄水构造。从以上分析可以看出, 下马岭组发育的砂体为砂质碎屑流沉积的产物, 物源主要是临滨带的细粉砂岩, 触发机制可能为地震。
综上所述, 下马岭组为一个典型的陆源碎屑浅海沉积体系, 黑色泥岩主要沉积于外陆棚, 并在陆棚相中发育滨岸砂体滑塌作用形成的砂质碎屑流; 灰绿色粉砂质泥岩与黑色泥岩互层主要沉积于风暴浪基面与正常浪基面之间的内陆棚。
龙山组与下伏地层平行不整合接触, 相对浅水环境中沉积的滨岸砂体直接覆盖在浅海的黑色泥岩上, 主要发育灰白色砂岩、灰色粉砂岩及深灰色泥岩(图2)。结合野外观察描述、室内薄片鉴定结果, 认为龙山组主要为陆源碎屑浅海沉积体系及陆源碎屑滨岸沉积体系。
陆源碎屑浅海沉积体系: 龙山组中部地层以厚层状的深灰色页岩为主, 水平层理发育, 代表静水还原环境中的外陆棚沉积。该套泥岩厚度大, 分布广, 横向上分布较为稳定, 向上向下均过渡为滨岸相。
陆源碎屑滨岸沉积体系: 龙山组下部和上部地层沉积了大套厚层的砂岩段和砂泥互层段, 其中厚层粗砂岩分选好, 磨圆好, 次生加大极为发育(图 3-c, 3-d), 浪成波痕明显(图 3-e), 淘洗干净, 主要以石英颗粒为主, 发育极少的燧石和白云母, 代表了平均高潮线与平均低潮线之间的前滨沉积环境, 水体能量高, 沉积物粒度较大。砂泥岩互层段主要发育水平层理, 以粉细砂岩为主, 粒间泥质充填(图 3-f), 代表相对低能的临滨沉积。
龙山组由前滨临滨环境中沉积的砂岩过渡为外陆棚深色泥岩, 再向上过渡为临滨前滨砂岩沉积, 结束了龙山组的沉积, 代表了一次海进和海退的沉积过程, 由底部的退积变为中部的加积, 再变为顶部的进积, 形成了一个完整的沉积层序。
王立峰等(2000)通过对河北省怀来地区龙山组砂体研究, 其Sr/Ba值普遍偏低, 表明了海水淡化的特征, 龙山组是有河流参与的潮汐及波浪影响的滨浅海沉积环境; 张弛等(2017)通过对北京西山下苇甸龙山组研究, 建立了辫状河— 滨岸潮坪沉积模式, 但未在龙山组底部发现代表河道沉积发育冲刷面的砂砾岩沉积体, 主要为发育浪成波痕的含砾粗砂岩, 说明该区龙山底部不发育河道沉积, 主要为滨岸相, 以波浪和潮汐作用改造为主。
景儿峪组与龙山组之间为连续沉积, 该沉积时期, 陆源供给急剧减少, 为清水碳酸盐的沉积奠定了基础, 因此景儿峪组代表较为稳定的构造条件和古地理环境下比较单一的泥灰质及含泥白云质沉积(乔秀夫, 1976)。主要发育紫红色泥岩、白云质灰泥石灰岩和泥灰岩3种岩石类型。底部以1套厚层的紫红色泥岩覆盖在龙山组滨岸粗砂岩之上, 中部沉积厚层的白云质灰泥石灰岩及泥灰岩, 顶部紫红色泥岩与府君山组粉晶白云岩构成了区域性的不整合。
张文志和李普(1980)通过古地磁测量对天津蓟县青白口系进行了古纬度研究, 结果表明下马岭组和龙山组均处于30° 以内的低纬度地区, 为热带温暖潮湿的气候条件; 景儿峪组纬度在30° 以上, 甚至部分地区达到50° , 属于较高纬度下的偏寒冷气候。古纬度变化导致了气候变化, 在景儿峪组沉积时期, 陆缘风化剥蚀作用急剧减弱, 气候变得相对干旱, 缺少了河流供源的粗粒碎屑物, 在本区沉积了一套陆源细粒的碎屑岩— 碳酸盐岩混积地层。本区主要为潮坪相沉积, 根据其岩石类型及沉积构造, 可分为滨岸碎屑岩带、潮上云质灰坪、潮间灰坪、潮下灰坪4种沉积环境。
滨岸碎屑岩带: 缺少了陆源供应粗粒碎屑物质, 但由于滨岸长期暴露地表, 接受了大量风搬运来的泥质沉积和极少量的细粒碎屑, 相对干旱低能的条件形成了大套以水平层理为主的紫红色泥岩及少量的泥灰岩薄层沉积。
潮上云灰坪: 潮上带位于平均高潮面之上, 长时间的暴露蒸发的环境形成了蒸发泵成因的泥粉晶白云岩, 云化不是很彻底, 主要为云质灰岩, 由于白云化作用强烈, 普遍呈砂糖状(图 3-g), 由于紧邻滨岸碎屑岩带, 还可见少量薄层的泥灰岩。
潮间灰坪: 潮间带位于平均低潮面与平均高潮面之间, 间歇性地暴露和淹没, 为低能的潮间坪, 主要沉积了大套水平层理的薄层灰泥石灰岩, 没有泥裂、鸟眼等构造, 由于相对干旱, 在其中还发育了同沉积形成的云质结核(图 3-h), 推测可能为潮上带蒸发作用形成的泥晶白云岩碎块搬运到潮间带沉积形成。
潮下灰坪: 主要为局限低能的潮下坪, 不发育高能潮下坪中形成的滩, 主要为厚层块状的青灰色灰泥石灰岩, 并在其中发育水平层状分布的准同生泥晶白云石条带(图 3-i)。
景儿峪组整体上为低能的潮坪沉积环境, 为地形平缓、构造相对稳定的陆缘海沉积环境, 有陆源物质供应, 但缺少大型的河流输入, 以风力作用搬运的泥质为主, 形成了该区特有的碎屑岩— 碳酸盐岩混积地层。
根据京西坳陷青白口系各个组的岩石类型及沉积特征等标志, 建立了沉积模式图(图 5), 其中下马岭组主要为陆源碎屑岩浅海沉积体系(图 5-a), 发育了大套厚层的黑色泥岩, 并且含有黄铁矿, 代表深水低能还原的陆棚沉积环境, 并在陆棚的深色泥岩中, 发育砂质碎屑流沉积, 总体上代表了较深水沉积环境; 龙山组主要为陆源滨岸沉积体系, 以发育大套厚层的较为纯净的石英砂岩为特征(图 5-a); 景儿峪组为陆缘碎屑岩— 碳酸盐岩混积的低能局限的潮坪沉积环境(图 5-b), 由于古纬度的变化该时期气候变得相对干旱, 缺少了河流输入粗粒陆源碎屑, 为潮坪相的清水碳酸盐沉积奠定了基础。
总体上, 京西坳陷下马岭组海平面相对较高, 后期由于构造抬升作用, 遭受风化剥蚀, 因此普遍缺失下马岭组顶部地层; 龙山组初期海平面相对较低, 主要为碎屑岩滨岸相, 中期海侵, 海平面相对上升, 沉积了厚层的深色泥岩; 晚期海退, 又沉积了厚层的滨岸碎屑岩。景儿峪组沉积时期, 海平面相对龙山组末期未发生大的变化, 但气候的改变导致陆源碎屑物输入急剧减少至没有, 使得京西坳陷沉积了细粒的滨岸紫红色泥岩和局限低能的碳酸盐岩潮坪沉积。
1)京西坳陷青白口地区下马岭组主要为陆棚相黑色页岩沉积, 并在其中发育砂质碎屑流; 龙山组主要为陆源碎屑岩滨岸沉积体系, 沉积物主要为前滨、临滨砂体, 主要受控于波浪和沿岸流的改造; 景儿峪组主要为干旱且低能局限的碎屑岩— 碳酸盐岩混积潮坪, 陆源碎屑主要为风力搬运的细粒的泥质沉积物;
2)由下马岭组和龙山组的陆源碎屑岩建造到景儿峪组的碳酸盐岩沉积, 京西坳陷青白口地区沉积体系由陆源碎屑岩滨浅海过渡为陆缘碳酸盐岩潮坪, 古地理格局变得相对稳定, 景儿峪组沉积末期, 受蓟县运动影响, 地层抬升剥蚀, 结束了新元古界沉积。
作者声明没有竞争性利益冲突.
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