北京西山下苇甸中上寒武统风暴沉积特征及模式

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.2.17

摘要/Abstract

摘要：

通过对北京西山下苇甸剖面中典型风暴成因竹叶状灰岩的野外实测和镜下薄片分析,明确了59套风暴沉积特征,确定了风暴沉积序列并建立了陆表海风暴作用沉积模式,主要取得如下认识:(1)北京西山下苇甸寒武系共有泥晶灰岩相、含砾屑泥晶灰岩相、颗粒泥晶灰岩相和泥晶颗粒灰岩相4种岩相类型。(2)鲕粒灰岩-砾屑灰岩型序列发育原地型风暴岩,泥岩和粉砂岩-砾屑灰岩型序列发育近源型风暴岩,泥晶灰岩-砾屑灰岩型序列发育远源型风暴岩。(3)原地型风暴岩发育侵蚀面,砾屑含量高,长短轴比大;近源型风暴岩砾屑定向性好,可见递变层理;远源型风暴岩基质含量高。(4)竹叶状灰岩沉积在陆表海背景下的潮下带,原地型、近源型和远源型风暴岩沉积范围以正常浪基面和风暴浪基面为界,距风暴中心距离和搬运距离依次增加。本次研究不仅补充了下苇甸寒武系的风暴沉积记录,而且为该时期的古环境研究提供了证据。

关键词: 下苇甸, 风暴沉积, 竹叶状灰岩, 寒武系, 碳酸盐岩

Abstract:

Based on field survey and thin section analysis of tempestites in the Xiaweidian section, western Beijing, 59 sets of storm deposits are characterized. The storm sedimentary sequences are determined, and an epicontinental sea deposition model is established. There are four sedimentary facies types in the Cambrian, Xiaweidian section: micritic limestone, pebbled micritic limestone, wackstone and packston, where in-situ, proximal and distal tempestites are developed in sequences of oolitic-gravel limestone, mudstone/siltstone-gravel limestone and micritic-gravel limestone, respectively. In-situ tempestites develop erosion surfaces and have high grain content and large axial ratio; proximal tempestites contain flat peebles with good orientation and show graded bedding; and distal tempestites have high matrix content. The three tempestites types are deposited in the subtidal zone under epicontinental sea environment, with the in-situ, proximal and distal types deposited from top to bottom and separated by normal- and storm-wave bases, respectively, in the order of increasing distance from the storm center and thus increasing transport distance. Results of this study not only complement the storm deposition records of the Cambrian in Xiaweidian, but also provide evidence for the study of palaeoenvironment in this period.

Key words: Xiaweidian, storm deposition, tempestites, Cambrian, carbonate rocks

中图分类号:

吴淳, 刘航宇, 芦飞凡, 刘波, 石开波, 何卿. 北京西山下苇甸中上寒武统风暴沉积特征及模式[J]. 地学前缘, 2023, 30(6): 110-124.

WU Chun, LIU Hangyu, LU Feifan, LIU Bo, SHI Kaibo, HE Qing. Storm deposition characteristics and models for the Middle and Upper Cambrian in Xiaweidian, Xishan area, Beijing[J]. Earth Science Frontiers, 2023, 30(6): 110-124.

图/表 14

图1 北京西山下苇甸剖面位置及寒武系露头地层特征(c据文献[28]补充修改) a—华北板块地理位置图;b—华北板块张夏期岩相古地理图;c—下苇甸剖面位置及区域地质图;d—下苇甸寒武系综合柱状图。

Fig.1 Position of outcrop profile and stratigraphic characteristics of Cambrian in the western mountains of Beijing. c modified after [28].

表1 北京西山中上寒武统碳酸盐岩岩石相/微相的宏观、微观特征及沉积环境解释

Table 1 Macroscopical and microscopical characteristics of Middle and Upper Cambrian carbonates lithofacies/microfacies and interpretation of sedimentary environment in the western mountains of Beijing

岩石相/微相类型		宏观特征	微观特征	沉积位置	沉积环境	水动力条件
泥晶灰岩		深灰色,薄层-中层为主,条带状构造	纹层状构造,含少量生屑、内碎屑、鲕粒(<10%)	风暴浪基面以下	深潮下带下部	弱
含砾屑泥晶灰岩		深灰色,薄层-中层为主,透镜状次之;基质支撑结构;砾屑近圆形顺层分布	砾屑含量为5%~10%,粒径为2~5 mm,砾屑和基质成分均为泥晶方解石	风暴浪基面以下的远源风暴沉积	深潮下带下部	弱
岩石相/微相类型		宏观特征	微观特征	沉积位置	沉积环境	水动力条件
粒泥灰岩	生屑砾屑泥晶灰岩	浅灰白色,薄层-中层;基质支撑结构	砾屑含量为30%~40%,成分为生屑和泥晶,长轴长为1~20 cm,平均为10 mm;基质中生屑含量为20%~30%,多为三叶虫碎屑,长轴长为1~8 mm	风暴浪基面以上的近源风暴沉积	深潮下带中部	较弱
	鲕粒砾屑泥晶灰岩	浅灰白色,薄层-中层,基质支撑结构	砾屑含量为35%~60%,成分为鲕粒和泥晶,长轴长为8~10 mm;基质成分为鲕粒,鲕粒含量为25%~35%,粒径为0.5~1 mm	风暴浪基面以上的近源风暴沉积	深潮下带中部	较弱
	含颗粒砾屑泥晶灰岩	浅灰白色,薄层-中层,基质支撑结构,底部发育侵蚀面,具粒序层理	含多种颗粒类型,如生屑、砾屑、鲕粒等。砾屑含量为50%~60%,长轴长为1~16 mm,平均为10 mm,呈椭圆形;基质含有鲕粒和生屑,含量10%~15%,生屑长轴长为1~2 mm,鲕粒粒径为0.25~0.5 mm	风暴浪基面附近的远源风暴沉积	深潮下带下部	弱
泥粒灰岩	泥晶砾屑灰岩	灰白色,薄层-厚层;颗粒支撑结构;砾屑呈扁平状、长条状分布	砾屑成分为泥晶,长轴长2~15 cm,含量为70%~90%	正常浪基面附近的原地风暴沉积	潮下带上部	强
	泥晶鲕粒灰岩	灰色,中层-厚层为主;颗粒支撑结构	鲕粒含量为60%~70%,包括放射鲕、同心鲕、复鲕等多种类型,含有少量生屑和砾屑,含量<10%	正常浪基面附近	潮间带或浅潮下带	强
	泥晶含砾屑鲕粒灰岩	灰色,薄层-中层;颗粒支撑结构	砾屑含量为10%~15%,长轴长2~3 mm;基质中鲕粒含量为60%,含有少量生屑和砂屑,含量<10%	风暴浪基面之上的近源风暴沉积	深潮下带上部	较强

表1 北京西山中上寒武统碳酸盐岩岩石相/微相的宏观、微观特征及沉积环境解释

岩石相/微相类型		宏观特征	微观特征	沉积位置	沉积环境	水动力条件
泥晶灰岩		深灰色,薄层-中层为主,条带状构造	纹层状构造,含少量生屑、内碎屑、鲕粒(<10%)	风暴浪基面以下	深潮下带下部	弱
含砾屑泥晶灰岩		深灰色,薄层-中层为主,透镜状次之;基质支撑结构;砾屑近圆形顺层分布	砾屑含量为5%~10%,粒径为2~5 mm,砾屑和基质成分均为泥晶方解石	风暴浪基面以下的远源风暴沉积	深潮下带下部	弱
岩石相/微相类型		宏观特征	微观特征	沉积位置	沉积环境	水动力条件
粒泥灰岩	生屑砾屑泥晶灰岩	浅灰白色,薄层-中层;基质支撑结构	砾屑含量为30%~40%,成分为生屑和泥晶,长轴长为1~20 cm,平均为10 mm;基质中生屑含量为20%~30%,多为三叶虫碎屑,长轴长为1~8 mm	风暴浪基面以上的近源风暴沉积	深潮下带中部	较弱
	鲕粒砾屑泥晶灰岩	浅灰白色,薄层-中层,基质支撑结构	砾屑含量为35%~60%,成分为鲕粒和泥晶,长轴长为8~10 mm;基质成分为鲕粒,鲕粒含量为25%~35%,粒径为0.5~1 mm	风暴浪基面以上的近源风暴沉积	深潮下带中部	较弱
	含颗粒砾屑泥晶灰岩	浅灰白色,薄层-中层,基质支撑结构,底部发育侵蚀面,具粒序层理	含多种颗粒类型,如生屑、砾屑、鲕粒等。砾屑含量为50%~60%,长轴长为1~16 mm,平均为10 mm,呈椭圆形;基质含有鲕粒和生屑,含量10%~15%,生屑长轴长为1~2 mm,鲕粒粒径为0.25~0.5 mm	风暴浪基面附近的远源风暴沉积	深潮下带下部	弱
泥粒灰岩	泥晶砾屑灰岩	灰白色,薄层-厚层;颗粒支撑结构;砾屑呈扁平状、长条状分布	砾屑成分为泥晶,长轴长2~15 cm,含量为70%~90%	正常浪基面附近的原地风暴沉积	潮下带上部	强
	泥晶鲕粒灰岩	灰色,中层-厚层为主;颗粒支撑结构	鲕粒含量为60%~70%,包括放射鲕、同心鲕、复鲕等多种类型,含有少量生屑和砾屑,含量<10%	正常浪基面附近	潮间带或浅潮下带	强
	泥晶含砾屑鲕粒灰岩	灰色,薄层-中层;颗粒支撑结构	砾屑含量为10%~15%,长轴长2~3 mm;基质中鲕粒含量为60%,含有少量生屑和砂屑,含量<10%	风暴浪基面之上的近源风暴沉积	深潮下带上部	较强

图2 北京西山中上寒武统风暴沉积结构示意图 a—鲕粒灰岩-砾屑灰岩型;b—泥岩、粉砂岩-砾屑灰岩型;c—泥晶灰岩-砾屑灰岩型。

Fig.2 Schematic diagram of storm sedimentary profile structure of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

图3 北京西山中上寒武统风暴沉积剖面综合柱状图

Fig.3 Bar chart of storm sedimentary profiles of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

图4 北京西山中上寒武统风暴层厚度统计图 a—风暴层厚度频率分布直方图;b—风暴层厚度纵向变化。

Fig.4 Statistical chart of storm layer thickness of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

表2 北京西山中上寒武统风暴岩类型特征

Table 2 Characteristics of tempestites of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

风暴岩类型		砾屑占比	砾屑平均长轴长/cm	砾屑长短轴比	砾屑定向性	砾屑结构特征	基质成分	沉积构造特征	沉积水体深度	风暴流性质
原地堆积型	原地半破碎型	70%~85%	7	1~10	较差	磨圆和分选一般	65%颗粒(鲕粒), 35%泥晶	无	浅	风暴浪、风暴潮
原地堆积型	原地完全破碎型	80%~90%	8	1~10	一般	磨圆和分选较好	70%颗粒(鲕粒), 30%泥晶	底部侵蚀面	较浅	风暴浪、风暴潮
近源堆积型		30%~70%	5	1~7	较好	磨圆较好, 分选一般	55%颗粒(生物碎屑、鲕粒),45%泥晶	粒序层理、撕裂构造	较深	风暴浪、风暴涡流
远源堆积型		<30%	3	1~5	好	磨圆和分选好	80%泥晶,20%颗粒 (生物碎屑)	无	深	风暴浊流

图5 北京西山中上寒武统原地半破碎型风暴岩沉积特征 a—宏观特征图;b—宏观素描图;c—全景扫描和微观特征图。

Fig.5 Sedimentary characteristics of in situ semi-broken tempestite of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

图6 北京西山中上寒武统原地完全破碎型风暴岩沉积特征 a—宏观特征图;b—宏观素描图;c—全景扫描和微观特征图。

Fig.6 Sedimentary characteristics of in situ completely broken tempestite of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

图7 北京西山中上寒武统原地完全破碎型风暴岩宏观特征 a—倒“小”字形结构;b—风暴撕裂构造;c—风暴撕裂构造;d—叠瓦状排列形态;e—差异风化特征;f—定向形砾屑。

Fig.7 Macroscopical characteristics of in situ completely broken tempestite of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

图8 北京西山中上寒武统近源型风暴岩沉积特征 a—宏观特征图;b—宏观素描图;c—全景扫描和微观特征图。

Fig.8 Sedimentary characteristics of proximal tempestite of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

图9 北京西山中上寒武统近源型风暴岩宏观特征 a—风暴撕裂构造;b—粒序层理;c—串珠状构造;d—侵蚀面构造;e—火焰状构造;f—砾屑边缘发育缝合线。

Fig.9 Macroscopical characteristics of proximal tempestite of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

图10 北京西山中上寒武统远源型风暴岩沉积特征 a—宏观特征图;b—宏观素描图;c—全景扫描和局部特征图。

Fig.10 Sedimentary characteristics of distal tempestite of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

图11 北京西山中上寒武统远源型风暴岩宏观和微观特征 a—丘状交错层理;b—粒序层理;c—大量三叶虫生物碎屑;d—长条状砾屑顺层分布。

Fig.11 Macroscopical and microscopical characteristics of distal tempestite of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

图12 北京西山中上寒武统风暴沉积模式图 a—下苇甸陆表海沉积模式;b—风暴沉积模式;c—风暴沉积特征规律。

Fig.12 Storm deposition model of Middle and Upper Cambrian in the western mountains of Beijing

参考文献 37

[1]	KUMAR N, SANDERS J E. Storm deposits[M]//FAIRBRIDGE R W, BOURGEOIS J. Encyclopedia of sedimentology. Stroudsburg: Dowden Hutchinson and Ross, 1978: 767-770.
[2]	ALLEN J R L. Introduction to volume II[M]//Sedimentary structures their character and physical basis (Volume II). Amsterdam: Elsevier, 1982: 5.
[3]	纪友亮. 层序地层学[M]. 上海: 同济大学出版社, 2005.
[4]	王伟. 东濮凹陷文南—刘庄地区沙二下亚段浅湖风暴沉积[J]. 地球科学与环境学报, 2011, 33(4): 384-389.
[5]	袁静. 沉积学基础及应用[M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2014.
[6]	KELLING G, MULLIN P R. Graded limestones and limestone-quartzite couplets: possible storm-deposits from the Moroccan Carboniferous[J]. Sedimentary Geology, 1975, 13(3): 161-190. DOI URL
[7]	AIGNER T. Calcareous tempestites: Storm-dominated stratification in upper muschelkalk limestones(Middle Trias, SW-Germany)[C]// EINSELE G, SEILACHER A. Cyclic and event stratification. Heidelberg, Berlin: Springer, 1982: 180-198.
[8]	刘宝珺, 张继庆, 许效松. 四川兴文四龙下二叠统碳酸盐风暴岩[J]. 地质学报, 1986, 60(1): 57-124.
[9]	朱筱敏. 层序地层学[M]. 东营: 石油大学出版社, 2000.
[10]	BRENCHLEY P J, PICKERILL R K, STROMBERG S G. The role of wave reworking on the architecture of storm sandstone facies, Bell Island Group(Lower Ordovician), eastern Newfoundland[J]. Sedimentology, 1993, 40(3): 359-382. DOI URL
[11]	林彤, 刘树根, 宋金民, 等. 川北南江地区下三叠统飞一段风暴沉积特征及地质意义[J]. 沉积学报, 2015, 33(5): 899-908.
[12]	刘焕杰, 贾玉如, 龙耀珍, 等. 华北石炭纪含煤建造的陆表海堡岛体系特点及其事件沉积[J]. 沉积学报, 1987, 5(3): 73-80, 188.
[13]	吴贤涛, 胡斌, 王观忠, 等. 豫西焦作地区上石炭统浅海碳酸盐岩中的风暴沉积[J]. 沉积学报, 1987, 5(4): 1-13, 164.
[14]	姚旭, 周瑶琪, 李素. 豫西地区早二叠世碳酸盐岩台地沉积环境及地球化学特征[J]. 现代地质, 2013, 27(6): 1340-1347.
[15]	王保平, 王海生. 山西中晚石炭世陆表海的沉积特征[J]. 太原理工大学学报, 1998, 29(5): 479-483, 487.
[16]	FRIEDMAN G M. Upper Cambrian-Lower Ordovician (Sauk) platform carbonates of the northern Appalachian (Gondwana) passive margin[J]. Carbonates and Evaporites, 1994, 9(2): 143-150. DOI URL
[17]	DATTILO B F, BRETT C E, TSUJITA C J, et al. Sediment supply versus storm winnowing in the development of muddy and shelly interbeds from the Upper Ordovician of the Cincinnati region, USA[J]. Canadian Journal of Earth Sciences, 2008, 45(2): 243-265. DOI URL
[18]	宋金民, 杨迪, 李朋威, 等. 中国碳酸盐风暴岩发育特征及其地质意义[J]. 现代地质, 2012, 26(3): 589-600.
[19]	马瑞申, 张良, 杜远生, 等. 豫北地区寒武系风暴岩沉积特征及其地质意义[J]. 地质科技情报, 2011, 30(4): 15-20.
[20]	马志鑫, 张万平, 刘伟, 等. 黔东镇远地区早寒武世清虚洞组潮坪风暴沉积特征及古地理意义[J]. 沉积学报, 2012, 30(5): 787-794.
[21]	景宇轩, 刘建波, 闫振, 等. 利用风暴沉积类型恢复海平面变化: 以北京西山下苇甸剖面寒武纪中晚期风暴沉积为例[J]. 古地理学报, 2015, 17(5): 653-668.
[22]	冯宇翔, 宋金民, 刘树根, 等. 川西地区雷口坡组风暴沉积特征及其地质意义[J]. 沉积学报, 2023, 41(3): 661-672.
[23]	黄程, 沈宇葳, 文馨. 四川广元清风峡剖面上泥盆统风暴沉积特征及其古环境意义[J]. 古地理学报, 2021, 23(6): 1094-1109.
[24]	KREISA R D. Storm-generated sedimentary structures in subtidal marine facies with examples from the Middle and Upper Ordovician of southwestern Virginia[J]. Journal of Sedimentary Research, 1981, 51 (3): 823-848.
[25]	MCFARLAND S, WESTROP S R, CHEEL R J. Allogenic versus autogenic processes in the genesis of Middle Ordovician brachiopod-rich shell beds, Verulam Formation, Ontario[J]. Palaios, 1999, 14(3): 282-287. DOI URL
[26]	刘树臣. 风暴岩的基本特征及其与浊积岩的区别标志[J]. 沉积与特提斯地质, 1989, 9(5): 44-55, 43.
[27]	马永生. 碳酸盐岩微相分析、解释及应用[M]. 北京: 地质出版社, 2006.
[28]	刘仪. 华北板块寒武系张夏组鲕粒灰岩成因机制研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2020.
[29]	孟祥化, 乔秀夫, 葛铭. 华北古浅海碳酸盐风暴沉积和丁家滩相序模式[J]. 沉积学报, 1986(2): 1-18.
[30]	钟建华, 倪良田, 孙宁亮, 等. 青岛灵山岛下白垩统湖泊风暴沉积与风暴作用[J]. 地质学报, 2020, 94(10): 3036-3061.
[31]	冯乔, 田方正, 邹开真, 等. 柴达木盆地大煤沟地区多泉山组风暴沉积及其意义[J]. 新疆石油地质, 2017, 38(6): 701-706.
[32]	乔秀夫, 邢裕盛, 高林志, 等. 皖北震旦系张渠组风暴沉积: 向上变浅的碳酸盐沉积序列[J]. 地质学报, 1989, 63(4): 297-309, 383.
[33]	李壮福, 郭英海. 徐州地区震旦系贾园组的风暴沉积[J]. 古地理学报, 2000, 2(2): 19-27.
[34]	冉宗媛, 肖倩, 佘振兵, 等. 北京周口店雾迷山组碳酸盐岩风暴沉积序列研究[J]. 古地理学报, 2022, 24(4): 634-648.
[35]	许安涛, 李凤杰, 刘奎, 等. 北川甘溪下泥盆统风暴岩沉积特征及其沉积模式[J]. 中国地质, 2018, 45(5): 1049-1061.
[36]	王龙, 吴海, 张瑞, 等. 碳酸盐台地的类型、特征和沉积模式: 兼论华北地台寒武纪陆表海—淹没台地的沉积样式[J]. 地质论评, 2018, 64(1): 62-76.
[37]	马永生, 仲力. 风暴沉积、风暴岩的研究现状[J]. 地质科技情报, 1990(3): 9-14.