本溪组总体厚度约为71 m。底部岩性为含铁质结核的灰色铝土质页岩(图 3-a), 与下伏奥陶系马家沟组白云岩呈平行不整合接触。向上发育铁质粉砂岩(图 3-b)及灰黑色薄层碳质泥岩(图 3-c)。上部岩性以灰白色细— 粉砂岩及粉砂质泥岩为主, 并夹有3~5层泥灰岩透镜体(图 3-d)。

图 3

Fig.3

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	图 3 秦皇岛地区上古生界本溪组岩性特征 a— 灰色铝土质页岩, 发育铁质结核, 与马家沟组白云岩呈平行不整合接触, 本溪组底部; b— 青灰色铁质粉砂岩, 本溪组下部; c— 灰黑色薄层碳质泥岩, 本溪组中部; d— 泥灰岩透镜体, 透镜体规模较小, 本溪组上部Fig.3 Lithologic characteristics of the Upper Paleozoic Benxi Formation in Qinhuangdao area

太原组厚约60 m, 岩性主要以灰白色、灰绿色砂岩与深灰色泥岩、煤层及深灰色灰岩组成。下部以青灰色含铁质中— 细粒岩屑杂砂岩(晋祠砂岩, 图 4-a)与本溪组为界, 向上过渡为黄褐色泥质粉砂岩, 或夹砂岩透镜体(图 4-b)。中、上部可划分为3个正旋回, 每个旋回底部为中砂岩— 细粒砂岩, 向上变为泥质细砂岩— 粉砂岩。砂体表面球形风化严重(图 4-c), 风化后呈黄褐色, 底部可见泥砾(图 4-d), 向上过渡为青灰色页岩夹灰岩透镜体(图 4-e, 4-f)。

图 4

Fig.4

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	图 4 秦皇岛地区上古生界太原组岩性特征 a— 中— 细粒岩屑杂砂岩, (+), 晋祠砂岩, 太原组底部; b— 砂岩透镜体, 发育在黄褐色泥质粉砂岩中, 太原组下部; c— 砂体表面风化严重, 整体以球形风化为主, 颜色以黄褐色为主, 太原组中部; d— 球形风化砂体底部发育泥砾, 太原组中部; e— 灰岩透镜体, 规模较小, 太原组上部; f— 泥晶灰岩, (-), 灰岩透镜体, 太原组上部Fig.4 Lithologic characteristics of the Upper Paleozoic Taiyuan Formation in Qinhuangdao area

山西组厚度约为70 m, 与上下地层呈整合接触。岩性主要以灰白色中— 细砂岩、粉砂岩、泥岩夹薄煤层为主, 整体可划分为3个旋回, 底部旋回以中砂岩— 细砂岩为主(图 5-a), 含泥砾; 中部旋回砂体粒度较粗, 以中砂岩为主(图 5-b); 顶部旋回以泥岩为主, 夹薄煤层(图 5-c)。泥岩中发育植物炭屑(图 5-d)、植物叶片化石(图 5-e)及植物根茎化石(图 5-f), 保存较为完整。

图 5

Fig.5

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	图 5 秦皇岛地区上古生界山西组岩性特征 a— 中砂质细砂岩, (+), 山西组底部砂体; b— 中砂岩, (+), 山西组中部砂体; c— 煤层, 并发生自燃现象, 烘烤相邻泥岩, 山西组顶部; d— 泥岩中发育植物碳屑, 山西组上部; e— 泥岩中发育植物叶片化石, 山西组上部; f— 泥岩中发育植物根茎化石, 山西组上部Fig.5 Lithologic characteristics of the Upper Paleozoic Shanxi Formation in Qinhuangdao area

下石盒子组厚度约为75 m, 底部以厚层灰绿色砂岩(骆驼脖子砂岩)与山西组为界。岩性以灰绿、灰白色砂岩及紫红色粉砂质泥岩为主。下段由黄绿色含砾中砂岩— 粗砂岩及泥质粉砂岩组成, 底部含砾石(图 6-a); 中段由含砾粗砂岩(图 6-b)及紫色泥质粉砂岩组成, 可见泥砾, 多被风化剥蚀(图 6-c); 上段为紫色泥质粉砂岩, 顶部以出现B层铝土矿与上覆上石盒子组为界。

图 6

Fig.6

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	图 6 秦皇岛地区上古生界下石盒子组、上石盒子组、石千峰组岩性特征 a— 砂体底部发育砾石, 下石盒子组; b— 含砾粗砂岩, 下石盒子组中部; c— 砂体中的泥砾被风化剥蚀, 下石盒子组中部; d— 砂体底部与下伏地层呈冲刷接触关系, 上石盒子组底部; e— 砂体中发育漂砾, 上石盒子组中部; f— 砂体中的泥砾呈定向排列, 上石盒子组上部; g— 含砾粗砂岩, 石千峰组下段; h— 石千峰组紫色泥岩, 石千峰组中下段; i— 紫红色中— 细砂岩, 石千峰组上段Fig.6 Lithologic characteristics of the Upper Paleozoic Xiashihezi Formation, Shangshihezi Formation and Shiqianfeng Formation in Qinhuangdao area

上石盒子组总体厚约210 m, 自下而上可划分为3段。下段岩性主要为灰白色中砂岩— 细砂岩及紫红色泥质粉砂岩, 砂岩底部可见冲刷面(图 6-d); 中段底部为灰白色含砾粗砂岩, 可见漂砾(图 6-e)及砾石层, 向上过渡为厚层灰白色中— 粗粒石英砂岩, 顶部主要为紫红色泥岩; 上段下部为灰白色含砾中砂岩, 可见泥砾定向排列(图 6-f), 上部为灰色泥质粉砂岩及紫红色泥岩, 顶部以出现鲜红色泥岩与上覆石千峰组地层为界。

石千峰组总体厚约160 m, 底部以K8砂岩与上石盒子组为界, 以大套紫色杂砂岩的出现作为顶界标志。受巨型季风气候的影响, 气候干旱, 地层整体颜色以紫色、紫红色为主。自下而上可分为2段。下段以紫红色含砾粗砂岩(图 6-g)及紫色泥岩(图 6-h)为主, 表现为下粗上细的正韵律; 上段以紫红色中— 细砂岩(图 6-i)及粉砂质泥岩为主, 同样表现为下粗上细的正韵律沉积特点。

潮坪相(图 7-a)是华北东部下古生界最重要的沉积相之一, 主要发育于本溪组和太原组。根据沉积物的粒度及沉积构造特征, 可进一步划分为泥坪、混合坪、砂坪、泥炭坪及潮汐水道等亚相。垂向沉积序列主要表现2种类型: 第1种为泥坪— 混合坪— 砂坪— 混合坪— 泥坪的沉积类型(图 7-b), 属于潮坪背景下的渐进性海侵— 海退的作用; 第2种为底部由潟湖相向上过渡为潮汐水道, 顶部发育泥坪的沉积类型(图 7-d), 属于潮坪背景下的渐进性海退的作用。

图 7

Fig.7

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	图 7 秦皇岛地区上古生界潮坪相沉积特征 a— 潮坪相宏观图, 太原组; b— 潮坪沉积序列, 发育泥坪、混合坪及砂坪, 太原组; c— 泥坪中夹薄层透镜状砂质条带, 本溪组; d— 潮坪沉积序列, 发育潮汐水道及泥坪, 潮汐水道砂体冲刷下伏潟湖相暗色泥岩, 本溪组; e— 潮汐水道宏观图, 本溪组Fig.7 Sedimentary characteristics of the Upper Paleozoic tidal flat facies in Qinhuangdao area

泥坪是潮坪中位于高潮线附近的潮上地带(朱筱敏, 2008), 属低能环境, 含植物化石, 并发育有生物扰动构造, 层理类型多以水平层理和缓波状层理为主, 常夹薄层透镜状砂质条带(图 7-c)及菱铁矿结核, 砂质条带厚约2 cm, 横向延伸距离不超过1 m, 菱铁矿结核沿层面成层分布。

混合坪是介于泥坪和砂坪之间的过渡沉积类型, 发育生物扰动粉砂岩相(朱筱敏, 2008), 以薄层砂、泥岩互层为典型特征, 波状、透镜状等潮汐层理十分发育, 常见生物扰动构造。

砂坪位于平均高潮线与平均低潮线之间的地带, 并靠近低潮线附近(朱筱敏, 2008), 沉积物受潮汐水流的影响, 一般由较纯净的砂组成, 发育低角度楔状交错层理、脉状层理及沙纹层理等。局部可见少量菱铁矿结核及植物化石, 可见生物潜穴及生物扰动构造。

泥炭坪是指在陆源碎屑供给不足的背景下, 在潮坪之上形成的泥炭堆积环境(侯中帅等, 2018b)。岩性主要为煤与碳质泥岩, 煤层分布面积广, 但厚度变化较大, 边缘分叉尖灭现象明显。

潮汐水道是外海与潟湖之间进行水体交换的主要通道。形态上呈顶平底凸的透镜体(图 7-e), 常以复数砂体叠置出现, 砂体间可发育泥质夹层, 层理类型以双向交错层理、板状交错层理及平行层理为主, 底部与下伏地层呈冲刷接触, 可见冲刷面, 并发育有砾石层, 局部可见冲刷下伏潟湖相暗色泥岩后裹携形成的泥砾。

潟湖是为海岸所限制、被障壁岛所遮拦与广海分隔开来的浅水盆地, 通过潮汐通道与广海相通或与广海呈半隔绝状态(庞军刚等, 2007), 垂向上通常与障壁岛相共生。由于障壁岛的遮拦作用, 潟湖中波浪作用较弱, 其环境相应地变得安静、低能, 属弱还原— 还原环境, 在野外剖面中由于受长期风化淋滤等影响, 表层泥岩颜色以灰绿色(图 8-a)为主。水平层理发育, 含植物化石碎片。受水体还原环境的影响, 局部可见椭球状菱铁矿结核, 属于成岩过程中形成的成岩结核(贾炳文和王平泽, 1992)。

图 8

Fig.8

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	图 8 秦皇岛地区上古生界潟湖相、障壁岛相及台地相沉积特征 a— 暗色泥岩, 表层风化后呈灰绿色, 潟湖相, 本溪组; b— 透镜状砂体, 障壁岛相, 太原组; c— 障壁岛沉积序列, 太原组; d— 泥晶灰岩, (+), 太原组; e— 灰岩透镜体, 太原组; f— 台地沉积序列, 太原组Fig.8 Sedimentary characteristics of the Upper Paleozoic lagoon facies, barrier island facies, and carbonate platform facies in Qinhuangdao area

障壁岛是平行于海岸且高出水面的斜长形砂体, 以其对海水起到遮拦作用而构成潟湖的屏障。障壁岛砂体在形态上呈与海岸平行的狭长带状, 笔直或微弯曲, 甚至具有弱分支, 横向上多呈底平顶凸的透镜体展布(图 8-b)。垂向上常表现为中间粒度粗, 上、下粒度细的“ 橄榄形” 沉积旋回。局部发育有板状交错层理、楔状交错层理, 砂岩成分成熟度和结构成熟度均较高, 颗粒以石英为主(曹忠祥等, 2002), 属于受波浪作用簸选的结果。在垂向沉积序列上表现为由障壁岛向上过渡为岛后泥炭坪、潟湖(图 8-c), 属于在障壁岛— 潟湖背景下的渐进性海退作用。

华北板块东部在本溪组— 太原组沉积期广泛发育陆表海台地(侯中帅等, 2017)。而本区主要发育局限台地相, 形态上多以薄层状灰岩(图 8-d)或灰岩透镜体(图 8-e)等形式存在, 反映较弱的海侵强度。研究区位于盆地边缘, 受陆源碎屑注入的影响较为强烈, 灰岩中生物化石数量较少, 且形态较为破碎。在垂向沉积序列上底部发育泥坪, 向上突变为台地相灰岩, 或泥坪中夹有薄层透镜状灰岩, 顶部又发育泥坪(图 8-f)。若为渐进式海侵, 岩性序列由下至上应为由粗到细的过渡变化, 而研究区此处岩性序列为泥岩— 灰岩— 泥岩, 存在相序缺失, 因此属于在潮坪背景下的突发性海侵作用(吕大炜等, 2015)。

秦皇岛剖面山西组整体上表现为明显的反旋回结构, 地层内部共发育有3个明显的三角洲沉积旋回, 呈阶段式发育, 并不断向海推进。

第一旋回时期(图 9-a), 研究区仍处于广阔的陆表海背景下, 碎屑物质可以搬运很长距离, 在旋回底部首先发育有0.5~1 m的前三角洲亚相泥岩(图 9-b)以及三角洲前缘河口坝微相, 河口坝砂体具有明显的反粒序结构, 并发育平行层理及楔状交错层理(图 9-c)。由于水体较浅, 砂体不能继承性持续发育, 因此砂体厚度较薄, 且横向上摆动较为频繁, 三角洲前缘水下分流河道微相与支流间湾微相交叉发育, 在垂向上具有薄层砂、泥岩互层的特点。垂向沉积序列上表现为三角洲前缘的河口坝、支流间湾过渡为三角洲平原的分流河道、分流间湾(图 9-d)。

图 9

Fig.9

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	图 9 秦皇岛地区上古生界浅水三角洲相沉积特征 a— 第一旋回, 浅水三角洲相, 山西组; b— 灰黑色泥岩, 前三角洲亚相, 第一旋回, 山西组; c— 槽状交错层理, 河口坝微相, 第一旋回, 山西组; d— 第一旋回沉积序列, 浅水三角洲相, 山西组; e— 第二旋回, 浅水三角洲相, 山西组; f— 薄层透镜状河道砂体相互叠置, 水下分流河道微相, 第二旋回, 山西组; g— 第二旋回沉积序列, 浅水三角洲相, 山西组; h— 分流河道微相砂体与支流间湾微相薄层灰黄色泥岩互层, 第二旋回, 山西组; i— 第三旋回, 浅水三角洲相, 山西组Fig.9 Sedimentary characteristics of the Upper Paleozoic shallow water delta facies in Qinhuangdao area

第二旋回时期(图 9-e), 河流作用增强, 碎屑物质供给充足, 前三角洲亚相消失, 三角洲前缘水下分流河道砂体厚度明显增大, 可见大量的砂岩透镜体相互叠置(图 9-f), 形态大小不一, 侧向迁移明显, 支流间湾中的泥岩厚度相对减薄。三角洲平原亚相中发育分流河道砂体, 粒度较粗, 颜色较浅, 沉积水动力较强, 河道砂体与下伏地层呈冲刷接触关系, 可见泥砾及碳质碎屑。顶部发育泛滥平原微相, 反映较强水动力条件下水体相对较浅的快速冲刷过程。垂向沉积序列上表现为由三角洲前缘的水下分流河道、支流间湾过渡为三角洲平原的分流河道、分流间湾(图 9-g), 属于在浅水三角洲背景下的进积沉积序列。

第三旋回时期(图 9-i), 随着三角洲朵叶体的不断向前推进, 三角洲平原亚相的面积不断扩大, 分流河道砂体多为透镜状, 垂向上可见分流河道砂体夹薄层支流间湾泥岩(图 9-h)。泛滥平原微相占主体, 发育厚层杂色(黄褐色、桃红色、杏黄色、灰黑色、紫色等)泥岩, 三角洲前缘亚相的面积相对减小, 水下分流河道砂体呈灰白色, 中间夹薄层灰黄色粉砂质泥岩, 为支流间湾微相。

秦皇岛地区上古生界主要发育有2种类型的河流相, 即曲流河与辫状河。

曲流河宏观上表现为大套的砂泥岩沉积旋回。下部发育河床底部滞留沉积与边滩沉积, 可见大型板状、槽状交错层理(图 10-b), 砂岩底部发育明显的冲刷界面, 砂体多呈孤立状分布(王越等, 2016)。上部主要为河漫亚相、堤岸亚相, 堤岸亚相可细分为天然堤与决口扇微相。垂向沉积序列上表现为薄层点砂坝砂体与侧积泥互层, 向上过渡为天然堤, 顶部发育河漫滩(图 10-a, 10-c)。

图 10

Fig.10

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	图 10 秦皇岛地区上古生界河流相沉积特征 a— 紫红色泥岩, 河漫滩微相, 曲流河相; b— 砂体中发育槽状交错层理, 边滩微相, 曲流河相; c— 曲流河相沉积序列; d— 厚层灰白色砂体, 心滩微相, 辫状河相; e— 辫状河相沉积序列; f— 槽状交错层理, 心滩微相, 辫状河相; g— 板状交错层理, 心滩微相, 辫状河相Fig.10 Sedimentary characteristics of the Upper Paleozoic fluvial facies in Qinhuangdao area

与曲流河类似, 辫状河在宏观上主要表现为大套的砂泥岩旋回沉积, 但与曲流河相比, 辫状河砂体的厚度明显增大(图 10-d), 砂体数量多, 粒度粗, 砂泥比增大, “ 二元结构” 更加明显。同时辫状河砂体底部薄层砾石增多, 砾石常呈定向排列或沿层面分布有漂砾, 砾石颜色多样, 成分复杂, 砂体发育槽状交错层理(图 10-f)及板状交错层理(图 10-g), 底部发育冲刷面; 上部发育河漫亚相, 以紫红色泥岩为主。垂向沉积序列上表现为辫状河相的厚层河道砂体叠置, 向上过渡为泛滥平原(图 10-e)。