遼西義縣盆地下白堊統(tǒng)義縣組沉積相特征及其古地理意義

遼西義縣盆地下白堊統(tǒng)義縣組沉積相特征及其古地理意義

在遼寧西部的白亞統(tǒng)一區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的脊柱、沒有脊椎化石和植物珍稀化石。動(dòng)物化石主要包括魚類、兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物、鳥類和母乳。沒有脊椎和植物化石，主要是貽貝、腹部、河豚、昆蟲、輪藻和水生植物。近期對保存于義縣組中完整脊椎動(dòng)物化石及其組合的深入研究,為解決鳥類、哺乳類和被子植物的起源、鳥類飛行起源、鳥與恐龍的系統(tǒng)關(guān)系等一系列問題提供了重要的依據(jù)。但有關(guān)義縣組地層形成的古地理、古氣候、古環(huán)境方面的研究還較薄弱和零散,因而對典型地區(qū)的義縣組形成的沉積環(huán)境、古地理等深入研究必將會(huì)為進(jìn)一步探討中生代熱河生物群特征和演化提供科學(xué)依據(jù)。1地質(zhì)背景和剖面位置義縣組廣泛分布于遼西諸多中生代盆地,其中阜新—義縣盆地最具代表性。義縣盆地內(nèi)馬神廟—宋八戶地區(qū)義縣組發(fā)育較全,厚度較大(>2890m),義縣組內(nèi)各火山亞旋回之間巖性差異明顯、火山巖厚度較大,且被延伸較穩(wěn)定的沉積層分隔。該組主要由中—基性火山熔巖、火山碎屑巖及湖泊相沉積巖構(gòu)成,其巖石同位素測定結(jié)果認(rèn)為義縣組形成于早白堊世。義縣組在盆地西緣與中元古界大紅峪組和高于莊組地層傾向相反,呈不整合接觸,接觸關(guān)系可在馬神廟村東見到。盆地東側(cè)出露九佛堂組(K1jf)和沙海組(K1sh)。最新1/5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告和義縣階標(biāo)準(zhǔn)剖面和典型地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)剖面的建立為研究義縣組沉積環(huán)境的研究奠定了基礎(chǔ),但對義縣組底部界線的認(rèn)識尚存一定爭議。本文研究剖面位于馬神廟—宋八戶的剖面線上,近東西向分布,從底到頂發(fā)育有馬神廟層、老公溝層、業(yè)南溝層、鷹窩山的磚城子層、王家溝大康堡層、朱家溝層、棗茨山金剛山層(表1)。該剖面底部沉積層馬神廟層、老公溝層為義縣盆地早白堊世的最初沉積產(chǎn)物,通過對其沉積相分析必將對義縣組沉積序列的演化獲得新的認(rèn)識,從而可以揭示義縣盆地早期演化的古地理、古氣候地質(zhì)特征,同時(shí)也會(huì)對義縣組底界的確定提供科學(xué)依據(jù)。2馬神廟層扇相沉積層馬神廟層分布于馬神廟村東側(cè),北東向斷續(xù)出露(延伸)約6~8km,其中以馬神廟東側(cè)沖溝中出露最為完全。該沉積層從下到上可劃分出6個(gè)沉積亞層,總體表現(xiàn)為下部洪(沖)積扇相沉積層,中部出現(xiàn)含薄層中基性沉凝灰?guī)r夾層的洪(沖)積扇相沉積層,上部為與中基性火山有關(guān)的火山沉積層。馬神廟層不整合接觸于中元古界的大紅峪組石英巖、石英砂巖上,下伏的大紅峪組灰白色石英砂巖,產(chǎn)狀281°∠26°,不整合面產(chǎn)狀122°∠40°。不整合面上礫石多呈次棱角狀,礫石<6cm,其中1.5~2cm占45%,1.5~0.2cm占50%,2~6cm占5%。礫石主要為石英礫、長英質(zhì)礫,石英礫占80%,巖石以硅質(zhì)膠結(jié),石英礫呈淺黃綠色、煙灰色、土黃色多色性,其來源于下伏大紅峪組地層。2.1沉積相沉積層該沉積層從下到上可以劃分出6個(gè)亞層(圖1)。下部為洪(沖)積扇相沉積,上部為與中基性火山作用有關(guān)的沉積層,各沉積亞層的巖石組合特征從下至上(第1亞層至第6亞層)描述如下:第1亞層:灰白色復(fù)成分礫巖,礫石主要為泥巖、頁巖等,基質(zhì)為泥砂質(zhì),礫石小于5cm,偶見10cm大小的礫石,礫徑0.2~1cm占70%,1~2cm占10%,2~5cm占20%?？拷徽厦娴暮倭康氖r礫石,向上泥、頁巖礫增多,礫石呈棱角狀、次棱角狀,自下而上長石含量明顯增加。盆地形成初期,盆地邊緣地勢差較大,外源的泥巖、頁巖巖屑經(jīng)季節(jié)性流水作用短距離的搬運(yùn)、快速堆積,從而形成一套成熟度極低的沉積巖。本層巖石組合為洪(沖)積扇相底部沉積產(chǎn)物。第2亞層:灰白色復(fù)成分礫巖層,灰紅色—灰白色互層,巖石具有弱沉積層理,礫石以泥巖、長石晶屑、石英巖礫為主,基質(zhì)為泥砂質(zhì),礫徑多數(shù)<1cm,礫石磨圓較好。沉積層底部含泥礫較多,長石含量較第1亞層明顯增多。本沉積層中較多的長石晶屑、泥礫說明沉積碎屑短距離搬運(yùn)、快速沉積的地質(zhì)特征,應(yīng)為洪(沖)積扇的底部沉積相。第3亞層:雜色復(fù)成分礫巖,礫石主要由石英巖、變質(zhì)巖以及下伏第2亞層沉積巖碎屑組成。本層礫巖礫徑變化較大,1.0~20.0cm,礫石無分選,無磨圓。野外礫徑分析結(jié)果表明礫石分布呈多眾數(shù)性:10~20cm為一眾數(shù),1.0~5.0cm為一眾數(shù),<1cm為一眾數(shù),它們分別占全巖的10%、40%、40%,本沉積層巖石基質(zhì)為泥砂質(zhì),基質(zhì)占10%。沉積層橫向延伸較差,無沉積層理,指示該沉積層位于洪(沖)積扇相中部,為沿洪(沖)積扇面上的沖槽充填山洪突發(fā)事件的槽洪沉積相。第4亞層:薄層中基性凝灰質(zhì)夾層,層厚約0.5m,該層下部為紫紅色,上部呈灰白色,含1%左右的云母礦物。本層指示義縣盆地演化早期有少量中性火山噴發(fā),隨盆地邊緣季節(jié)性的洪水搬運(yùn)或直接沉積于洪(沖)積扇扇面。第5亞層:灰白色復(fù)成分礫巖層,礫石成分為石英巖、凝灰質(zhì)角礫,礫徑<7cm,且5~7cm占10%,1~5cm占40%,<1cm占50%,巖石為凝灰質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié),巖石成層性較差,碎屑礫石多呈棱角狀。本沉積相為洪(沖)積扇上部沉積物,是由洪水侵蝕作用將下伏凝灰?guī)r破碎形成礫石與盆緣風(fēng)化的石英巖經(jīng)過短距離的搬運(yùn)沉積形成。第6亞層:灰綠色英安質(zhì)凝灰沉積層,巖石中長石斑晶約5mm,占全巖50%,本層上下較為均一,且其中的長石斑晶具有弱的定向性。上覆強(qiáng)風(fēng)化的灰白色、灰黃色中基性火山集塊巖。2.2盆地沉積特征從中元古代到早白堊世義縣盆地經(jīng)歷了復(fù)雜的演化歷史,盆地形成早期邊緣地形起伏較大,大量的石英巖原地風(fēng)化、崩解與少量經(jīng)短距離搬運(yùn)的異源長英質(zhì)巖屑膠結(jié)成巖構(gòu)成馬神廟層(圖2a)。馬神廟沉積層第1~2亞層復(fù)成分礫巖,礫石一般<1cm,主要為石英巖、泥巖、頁巖、長石晶屑;礫石呈棱角狀、次棱角狀;第1亞層內(nèi)自下到上及第2亞層較第1亞層長石含量明顯增加;具有較弱的沉積層理等地質(zhì)特征。第1~2亞層復(fù)成分礫巖的沉積巖石組合、沉積組構(gòu)等地質(zhì)特征指示盆地形成初期地形起伏較大,氣候較為干旱,期間季節(jié)性的洪積作用將盆內(nèi)的碎屑物質(zhì)經(jīng)短距離搬運(yùn)、快速沉積于盆地邊緣形成洪(沖)積扇(圖2b,c)。第3亞層的雜色復(fù)成分礫巖,巖石無沉積層理發(fā)育,橫向展布不大,巖屑礫徑變化較大,呈多眾數(shù),無分選性揭示沉積作用的突發(fā)性、快速充填的地質(zhì)特征,為洪(沖)扇扇面上的突發(fā)事件槽洪充填沉積相(圖2d)。第4、5亞層沉凝灰質(zhì)夾層、泥質(zhì)膠結(jié)的復(fù)成分礫巖沉積層及第6亞層的灰綠色英安質(zhì)凝灰沉積層,指示義縣盆地演化早期多期火山噴發(fā)作用的存在。盆內(nèi)存在大量的火山侵入、噴發(fā)作用,形成安山玢巖巖墻、英安質(zhì)凝灰?guī)r沉積層、中基性侵入體和大量的中基性火山集塊巖。3油氣沉積變形的地質(zhì)原因:沉積型的角礫,積典型的老公溝沉積層分布于老公溝村東北的老公溝溝里,本沉積層出露連續(xù)性較馬神廟沉積層差。老公溝沉積層下伏英安質(zhì)角礫巖,火山角礫一般呈三角形、長方形,受后期構(gòu)造應(yīng)力作用使得角礫形成定向破碎的現(xiàn)象,角礫由硅質(zhì)膠結(jié),呈現(xiàn)出與馬神廟層頂部火山作用的繼承性和連續(xù)性,指示義縣盆地形成后復(fù)雜的地質(zhì)演化歷史。依地層出露的空間位置劃分出老公溝層的底部、被中基性侵入體所穿切的中部、頂部沉積層。老公溝層底部為泥質(zhì)粉砂巖、含凝灰質(zhì)礫長石雜砂巖、含礫粗砂巖—礫巖—粗砂巖沉積組合,為洪(沖)積扇向湖盆中心過渡的沉積相;老公溝的底部沉積層與頂部的沉積層之間存在大量的中基性的火山作用的產(chǎn)物,主要以侵入巖的形式產(chǎn)出;頂部為膨潤土化粉砂巖、膨潤土、碳酸鹽巖組合,該巖石組合沉積厚度較大,沉積層理發(fā)育,為一套典型的靠近盆地邊緣發(fā)育的濱淺湖沉積相。3.1亞層的沉積小韻律層老公溝層底部為粉砂質(zhì)泥巖、含凝灰質(zhì)礫長石雜砂巖、含礫粗砂巖—粗砂巖沉積,出露于老公溝溝頭,進(jìn)一步又可以劃分出3個(gè)亞層,從下至上詳細(xì)描述如下(圖3):第1亞層;紫紅色粉砂巖—粉砂質(zhì)泥巖,其中含較多介形類化石、少量雙殼類和植物化石碎片,巖石呈淺紫紅色,局部蛋青色,沉積層理發(fā)育,呈小頁片狀。本層的厚度大于1m。第2亞層為焦土黃色含凝灰質(zhì)團(tuán)塊長石雜砂巖,厚約0.5m,巖石強(qiáng)烈風(fēng)化,沉積層理不發(fā)育,其中的凝灰質(zhì)團(tuán)塊占全巖的15%~20%,凝灰質(zhì)礫徑呈1.5~20cm、0.2~0.5cm的雙眾數(shù)分布,長石的含量達(dá)40%~50%,該巖石的成熟度較低。第3亞層為灰褐色含礫粗砂巖、礫巖、粗砂巖沉積層,巖石組合經(jīng)詳細(xì)的巖相分析可進(jìn)一步劃分出次一級的3個(gè)沉積小韻律層。第1小韻律層為含礫粗砂巖—粗砂巖—含礫粗砂巖——粗砂巖組合,厚度約0.25m。第2小韻律層為礫巖—含礫粗砂巖—礫巖—含礫粗砂巖組合,厚約0.3m。礫巖層中的礫石大小以0.2~7cm,礫徑出現(xiàn)了反序的變化,無定向性,呈棱角狀—次棱角狀,礫石主要以巖屑和石英巖為主。含礫粗砂巖中礫石最大達(dá)1cm,礫石含量1%。第3小旋回為礫巖—粗砂巖—礫巖—粗砂巖,厚約0.35m。巖石組合中礫石的主要成分是巖屑,礫徑最大達(dá)6cm,呈棱角狀—次棱角狀;1~2cm的礫石占10%,呈棱角—次圓狀,<1cm的礫石占90%,呈圓狀。第3小韻律層所含礫石的磨圓現(xiàn)象,表明在小礫石粒級范圍內(nèi),一定的搬運(yùn)距離內(nèi)較小的礫石要比較大的損失更大一些,這可能與小粒級別碎屑受到大粒級碎屑的碰撞作用有關(guān)。第3亞層的沉積相分析表明該巖石組合的3個(gè)沉積小韻律層可以指示沉積作用的多期性、快速沉積特征,從洪(沖)積扇到盆地中心的搬運(yùn)過程中出現(xiàn)了弱的、短期的分選,進(jìn)而形成了下粗上細(xì)的正常沉積粒序,其中棱角狀—次棱角狀礫石指示碎屑物質(zhì)只是經(jīng)過相對短距離的運(yùn)移。老公溝底部1亞層紫紅色粉砂質(zhì)泥巖含較多介形類化石、少量雙殼類化石,指示該沉積層為濱淺湖相沉積特征。由水流作用從高比降的洪(沖)積扇頂向相對低比降的邊緣流動(dòng)及其湖泊水體的頂托作用時(shí),水流速度降低、搬運(yùn)能力減小,從而將其攜帶的粉砂質(zhì)、泥質(zhì)的碎屑物質(zhì)卸載。干旱、半干旱地區(qū),由于季節(jié)性的洪水作用又可以將盆地內(nèi)的碎屑經(jīng)過相對更長距離將粗砂、礫級的碎屑搬運(yùn)到洪(沖)積扇的邊緣向盆地中心過渡區(qū)域—季節(jié)性流水的河床,形成含礫粗砂巖—礫巖—粗砂巖組合的第2、3沉積亞層。3.2巖石學(xué)界面發(fā)育的沉積相老公溝層頂部以黃綠色膨潤土化粉砂巖、土黃色泥頁巖、膨潤土、碳酸鹽巖組成,沉積層厚度較大,>8m,為一套盆地中心的淺湖相沉積物,上覆黑褐色玄武巖。對頂部的詳細(xì)沉積相分析可以劃分出4個(gè)亞層(圖3),其巖石組合特征自下而上描述如下:第1亞層(0.3m):底部為未見底灰白色、白色膨潤土沉積層,上覆板狀層理發(fā)育,灰白色、白色硅化白云巖。白云巖中夾淺灰色黑色頁巖薄層,其中含少量的植物化石碎片。第2亞層(0.8m):頁巖—膨潤土化粉砂巖—膨潤土—薄層膨潤土化粉砂巖—白堊沉積巖組合。底部頁巖沉積紋理發(fā)育,紋理厚約2~3mm,在垂直層面方向發(fā)育有碳酸鹽細(xì)脈,脈寬1mm,紋層系有灰褐色硅質(zhì)含量高的泥巖與土黃色的鈣質(zhì)泥巖組成,巖石紋層系發(fā)育表示多次水體中懸浮物質(zhì)的頻繁沉積作用。膨潤土化粉砂巖—膨潤土—薄層膨潤土化粉砂巖沉積組合說明此時(shí)盆地周圍長期存在中基性火山噴發(fā)作用,噴發(fā)凝灰質(zhì)隨著水體搬運(yùn)或直接落入湖泊中沉積形成。由于大量的火山灰輸入湖內(nèi),使得水體深度變淺,再加上相對干旱的區(qū)域氣候,湖泊中水體的鹽度急劇增高,從而快速從水中結(jié)晶形成薄層—中厚層理的白堊沉積層。第3亞層(0.9m):膨潤土化鈣質(zhì)粉砂巖—硅化白云巖組合,底部為淺黃色、疏松膨潤土化鈣質(zhì)粉砂巖,巖石風(fēng)化強(qiáng)烈,其內(nèi)夾1.5cm左右的薄層土黃色泥巖。該亞層頂部為硅化白云巖,巖石呈致密塊狀,風(fēng)化面呈土黃色—焦土黃色,垂直層發(fā)育有1mm寬的方解石細(xì)脈。該亞層巖石組合說明處于盆地中心的湖盆水體,由于有間歇性、季節(jié)性流水的輸入之后,湖泊水深再度加深,從而形成大量的膨潤土化粉砂巖、膨潤土沉積層,并形成薄層的泥質(zhì)夾層,大量碎屑物的輸入使得水深再度變淺從而湖水的鹽度劇增形成頂部的硅化白云巖。第4亞層(4.8m):膨潤土化粉砂巖—膨潤土化細(xì)砂巖—白云質(zhì)灰?guī)r組合。該亞層底部為灰黃色厚層膨潤土化粉砂巖夾薄層膨潤土,該層厚1.2m,中上部夾薄層泥巖,隨著大量的中基性火山灰質(zhì)與陸相碎屑節(jié)律性輸入水中,此時(shí)水體具有再度變淺的趨勢。湖泊的水深不斷的變淺,從而在其中沉積厚層的白云質(zhì)灰?guī)r。白云質(zhì)灰?guī)r,風(fēng)化面呈土黃色,風(fēng)化面可見清晰的沉積層理,致密塊狀。巖石內(nèi)部常見有2~3mm寬的方解石細(xì)脈。由于受到區(qū)內(nèi)干旱氣候、大量火山噴發(fā)物和陸源沉積碎屑的輸入等因素的綜合作用,位于義縣盆地邊緣的湖泊水體不斷變淺,逐漸萎縮,隨后發(fā)生大規(guī)?；曰鹕降膰姲l(fā)形成大量的黑褐色的玄武巖。3.3月相古巖巖石組合老公溝層底部為干旱氣候條件下形成的洪(沖)積扇邊緣相的粉砂巖、含凝灰質(zhì)礫長石雜砂巖,洪(沖)積扇邊緣向盆地中心過渡區(qū)的季節(jié)性河流沉積形成的含礫粗砂巖、粗砂巖巖石組合(圖5a)。頂部為盆地中心濱淺湖相的膨潤土化粉砂巖、膨潤土、碳酸鹽巖組合(圖5b,c)。在區(qū)域干旱氣候條件下,湖泊水體受陸相沉積碎屑和火山凝灰質(zhì)物質(zhì)的影響發(fā)生頻繁波動(dòng),直至湖泊萎縮,最后盆內(nèi)發(fā)生大規(guī)模基性火山噴發(fā)作用形成玄武巖沉積蓋層,從而結(jié)束了老公溝層的沉積演化史。4構(gòu)造巖石學(xué)特征結(jié)果在遼西義縣地區(qū),中元古代至義縣組形成之前,該地區(qū)一直出在剝蝕環(huán)境(正地形),晚侏羅世末期,褶皺、逆沖作用發(fā)育,而在義縣組形成時(shí)期伸展斷陷作用使得該區(qū)處于快速沉降環(huán)境(負(fù)地形),形成義縣盆地雛形。進(jìn)入早白堊世,義縣盆地內(nèi)區(qū)域氣候?yàn)楦珊敌?受季節(jié)性洪水作用在