中元古代串岭沟组沉积构造研究进展综述

中元古代串岭沟组沉积构造研究进展综述魏明辉 陈树清 谷振飞 杨 云 全素桃（河北省地矿局第三地质大队 张家口 075000）摘 要 华北地台中元古界串岭沟组暗色页岩中发育一种特殊的砂质脉状构造。近年来对众多学者对其成因进行了分析和研究，并以各种理论进行了解释，本文主要对已取得的成果进行简单介绍。关键词 中元古代 串岭沟组 沉积构造 砂脉体串岭沟组主要分布于燕辽地区，岩性以黑-灰黑色粉砂质页岩为主，与下伏常州沟组厚层石英砂岩以及上覆团山子组厚层白云岩之间均为整合接触（陈晋镳，1980；朱士兴等，1994；陆松年，1998；武铁山，2002）。据对辽宁凌源，河北平泉、宽城、兴隆、怀来、宣化、赤城，北京十三陵、昌平、怀柔等地串岭沟组中下部层段的观察与研究，暗色页岩中普遍发育一种形态特殊的浅色砂质脉状构造（砂脉体），层面上表现为不规则密集分布的细长砂脊或弯曲的砂质条带，垂向上多由不连续薄砂层和近于直立“肠状”弯曲的小型脉状体交互组成。其以特有的沉积构造特征为地质学家所瞩目，以下就相关内容及研究进展情况进行简单论述。1 砂质脉状构造概述1.1 产出层位串岭沟组中砂质脉状构造产出层位较多，尤其在距底黑色泥岩-灰黑色粉砂质页岩段中相当密集，特征清楚。从地层分布特征看，主要集中于海进体系域（TST）层段，特别在薄层砂质条带发育的副层序中比较丰富。在缺乏细砂质条带的层位，较少发育特征显著的砂质脉状构造。1.2形态特征砂脉体在层面上表现为不规则的低砂脊状，略突出于围岩13mm，直或弯曲，略向两端收尖，风化后可呈浅沟状；曾被误认为遗迹化石（刘洪福和刘池洋，1992）。大多数砂脉宽25mm，个别达8mm；长414cm，个别可达20cm。砂脉色浅，多呈灰黄-灰白色；而围岩黑色-黑灰色。两者在颜色上形成鲜明的对比。砂脉在层面上密集散乱排列，无明显方向选择性（图1）。在垂直于岩层层面的断面上，砂质脉状构造以两种形式出现，一种表现为平行于层理的薄砂层或砂质条带，厚39mm，个别达15mm，长度可达30cm，但很少穿层且横向上不连续，薄砂层在垂向上密度较高，间距210cm不等，厚度不均匀，并向两侧变薄，与暗色泥质层交互构成似层理状或脉状层理结构，其内偶见低角度砂纹层理。薄砂层本身很少构成层理面，在层面上实际表现为大小不一、厚度不匀的砂质斑块。由于砂层厚度小，风化后很少能完整保存，这可能是层面上很少观察到完整砂层的重要原因。另一种表现为小型砂脉体，与层理面近垂直或斜交。大多数砂脉体呈“肠状”形态，一般宽27mm，高26cm不等；穿达层面时表现为略凸的砂脊。砂脉体多发育于薄砂层之下，密集程度或脉体间距变化很大。多数砂脉（92）具下窄上宽的特征，顶端与上部砂层接触，或向上穿越砂层（约2），但延伸不远。在不发育上砂层的部位，一般很少出现砂脉构造。当砂脉向上穿越薄砂层时，砂脉两侧往往存在宽0.52mm的间隙。由于成岩期压实作用，常见砂脉上端刺穿上砂层（多发生于较薄砂层之下）或向上顶起砂层（常见于较厚砂层之下）形成小的帐篷状尖顶构造。砂脉下端明显较细，并向下尖灭。肠状弯曲更为显著；绝大多数（96）不与其下方的砂层相连，并常独立出现在不发育下砂层部位。图1 砂质脉状构造（砂脉体）形态特征A-砂脉体在层面上的特征；B-薄砂层与砂脉体特征2 矿物组成2.1 砂脉体野外观察与室内镜下研究表明，砂脉与薄砂层的成分相对较纯，由较均一的细粒-粗粉砂级石英颗粒（6080）和泥质（1030）组成，含少量长石（5）、云母片（小于5）和微量暗色矿物（小于1），偶见岩屑。总体上颗粒分选较好，而磨圆较差。砂脉与薄砂层在矿物成分上无显著不同。发育于同一层面上的砂脊（同期）在矿物成分与结构特征上完全一致，而与不同层面上的砂脊（不同世代）则往往有差别。通过肉眼观察和岩石薄片镜下鉴定发现，砂脉体中普遍存在微量碳酸盐矿物，如微晶等粒白云石、菱铁矿，以及形态不规则的微-隐晶碳酸盐斑块状胶结物。另外，黄铁矿数量较多，除自形较好的四方体和八面体外，还有较多草莓状黄铁矿集合体，白云石与黄铁矿常共生在一起，在砂脉和薄砂层与泥质围岩的接触带较集中。在近水平的薄砂层中，微晶白云石常沿炭质纹层分布，并形成白云石细层。黄铁矿也常出现在围岩附近，呈微层状或簇状分布。2.1.1 碳酸盐矿物岩石薄片的显微镜观察表明，碳酸盐沉淀在垂直层面的砂脉和平行层面的薄砂层以及泥质围岩中均有发育。据碳酸盐岩的产出特征，可以分为两种类型。一类表现为顺层发育，横向上较连续的条带状微晶质等厚薄层。另一类呈横向上不连续的微晶-隐晶质斑块或斑点，散布于基质或以胶结物形式存在于粒间空隙中。第1种类型在沉积物胶结较好或炭质纹层密集发育的部位发育较好，特别是在砂脉与泥质围岩的接触带比较集中。碳酸盐沉淀的出现大致平行于炭质纹层，在碳酸盐与炭质纹层的接触带，常发育有暗色条带。在垂直于层面的砂脉中碳酸盐发育一般较少，但在相邻的带状碳酸盐微层之间存在有细的连接构造。从共生关系上看，碳酸盐一般很少单独产出，而常与黄铁矿相伴生；在碳酸盐微层的边部常出现有丰富的黄铁矿颗粒。第2种类型一般多发育在沉积物颗粒胶结不太好的部位，主要集中在薄砂层和含砂较多、但炭质纹层不很发育的基质中。这种碳酸盐沉淀多呈斑块产出，或以胶结物形式存在于粒间空隙中，横向上大多不连续。部分碳酸盐岩斑块可以在纵向上相互连通，形成微小的微晶白云石脉。与第1类相比较，这类碳酸盐的边界部位一般很少有微生物膜和黄铁矿发育。2.1.2其他矿物砂脉体中发育有丰富的黄铁矿，包括草莓状集合体和颗粒状黄铁矿两种形式。草莓状黄铁矿主要出现在砂脉周边的泥质沉积中，在砂脉与泥质围岩的接触带较集中。莓球集合体一般直径约1020m，内部由更小的黄铁矿微粒组成，微粒数量约为100颗。在砂脉中常见颗粒状黄铁矿，其内部一般发育有暗色核心；部分黄铁矿颗粒还发育有围绕内核的环带状结构。颗粒状黄铁矿直径约10m，一般具有较好的立方体晶型；在薄片上因切片角度不同可显示为菱形。在基质中部分黄铁矿可发育在微生物席碎片的内部，并常常使微生物席矿化而易于保存。这种黄铁矿颗粒大都非常细小，直径多在0.10.3m，常密集地充填于整个微生物席碎片之中，并表现为微层状。在砂脉中不仅发育铁硫化物矿物，也发育有少量铁碳酸盐矿物，如菱铁矿，呈菱形晶体，粒径约10m。菱铁矿常与斑块状碳酸盐沉淀伴生出现，或呈斑点状，其边缘常发育明显的微生物膜。扫描电镜（SEM）观察在砂脉体的基质中也发现有大量的铁硫化物胶黄铁矿（Fe3S4）和黄铁矿（FeS2）。由于后期的地质改造，其原始的化学成分已经发生了交代作用，大多表现为黄铁矿假型。2.2 围岩砂脉体围岩为黑-黑灰色和页岩，粉砂质不均匀，含丰富的伊利石粘土矿物（王欢等，2005）和有机质。有机质含量较高，局部有机碳（TOC）含量达513%（甚至更高），但一般成熟度过高，镜反射率（Ro）达5.7（王杰等，2004）。在围岩中也发现有碳酸盐矿物和黄铁矿；尤其邻近砂脉和薄砂层附近，其含量明显较高。局部为富钾页岩，K2O含量最高可达1718。3 沉积构造成因串岭沟组暗色页岩中所发育的形态特殊的砂质脉状构造，成因有多种解释，概括起来主要有以下三种：地震泄水构造（乔秀夫等，2000）、微生物原生沉积构造（梅冥相等，2007）、细砂质灌入甲烷气体逃逸通道形成的沉积构造（史晓颖等，2008）。3.1地震泄水构造火山活动会引发地震，同时出现砂体液化流动以及液化脉出现，也会产生沉积滑动。在粉砂泥岩与粗粉砂岩互层之间，较粗粉砂质容易发生砂体液化和泄水脉，因为砂质组分比泥质组分含水多。另一种显微层内错动也可能系地震产生。值得指出的是显微层内错动多数是正断层状，呈阶梯状，与燕山坳拉槽形成时受拉张应力作用相一致。经研究发现，串岭沟组泥岩中的铱元素（Ir）含量高，铼（Re）、锇（Os）及同位素比值也有异常显示；此外，金含量11.310-9，明显高于泥岩平均值。且在砂质脉状构造发育层段铱含量非常高。由于铱、铼锇及金含量的异常常与火山、地震活动有关，据此乔秀夫、宋天锐等人（1988）推断在燕山裂陷槽形成时期，一系列地震及火山活动从常州沟期、串岭沟期就开始。造成砂体液化流动以及液化脉出现，最终形成地震泄水构造。3.2微生物原生沉积构造串岭沟组暗色页岩中产较丰富的微古植物化石（陈晋镳等，1980；阎玉忠和刘志礼，1998；孙淑芬和朱士兴，2000），并发现有宏观藻类（阎玉忠和刘志礼，1998；牛绍武，2002；孙淑芬等，2004）和疑源类化石（彭永波等，2007）。串岭沟组生物标志的研究（李超和阎玉忠，2001）表明曾有活跃的微生物活动，可能包括硫细菌、喜盐古菌类和其他菌类。微生物及其粘状细胞外聚合物质像粘结有机物套一样能选择性将沉积物颗粒覆盖和包裹起来。这些有机包裹物或覆盖物被定义为“微生物膜”，在合适的生态条件下微生物膜继续生长而形成较厚的、较明显的层而被定义为“微生物席”。微生物席可以覆盖较大面积的沉积面。微生物形成的非突出于地层的正向生长构造（如叠层石），被定义为第五类原生沉积构造。微生物席粘结的沉积物具有较强的收缩性，在微生物席中粘结沉积物的有机物质所占的体积可达75，而这些有机质又含有99的水。后期成岩过程中这些粘性、柔软性较好的原生沉积构造受压实作用，最终形成奇形怪状的砂脉体。3.3 砂质灌入甲烷气体逃逸通道形成的沉积构造串岭沟组富含有机质，表明沉积期微生物相当发育，在缺氧环境沉积中埋藏的微生物席腐烂分解形成气体（甲烷为主）。由于气体向上运移，在泥质沉积中形成裂隙状通道，后者在同沉积期被砂质充填，形成砂脉构造（史晓颖等，2008）。从薄砂层的产出特征分析，其原先沉积表层不均匀分布的斑块状砂质薄层受后期压实的影响，周边略有减薄和变形。垂向砂脉的上端较宽，大多数与水平薄砂层相连或接触，向下明显变窄并尖灭，但下端大多不与薄砂层相连。垂向砂脉受压实作用的影响较大，大多数被挤压变形，呈不同程度的肠状褶曲。薄砂层纵向上密集重现但横向上不连续的分布特征，很可能是由风暴或其他周期性重复发生的高能事件将海岸带或障壁砂坝附近的砂质带入受限的低能泻湖环境而形成。另外，大部分甲烷可能进入大气圈，构成重要的温室气体，从而导致中元古代长期气候温暖和无冰川发育。4 结论与讨论（1）砂质脉状构造在串岭沟组中下部厚达百米的地层中密集发育，代表了较长的地质时期，且砂脉规模不大，以往研究大多认为非地震事件所致；（2）前寒武纪微生物因缺少钙化外壁而很少能保存为实体化石，难以找微生物证据，串岭沟组暗色页岩特殊的砂质脉状构造是否为微生物原始构造，有待进一步研究；（3）暗色页岩反映低能的静水环境条件，而薄砂层则为高能的环境特征，二者边界截然，无混染带，是否完全由风暴将海岸带或砂坝细砂带人低能环境而形成，有待商榷；（4）除了串岭沟组暗色页岩中的砂质脉状构造，在燕山地区元古代地层中还发育许多奇形怪状的原生沉积构造，有待于应用新观念、新理论进一步的观察与研究。参考文献1 史晓颖，蒋干清，张传恒等华北地台中元古代串岭沟组页岩中的砂脉构造：17亿年前甲烷气逃逸的沉积标示？J地球科学-中国地质大学学报，2008，33(5):