地层旋回性沉积记录及岩石.ppt

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1、第八章 地层旋回性沉积记录及岩石地层的相分析,第一节 异成因海平面变化旋回层序的特征第二节 异成因旋回层序的界面及其内部相序构成形式第三节 从地层的旋回性沉积记录对岩石地层系统进行合理厘定的两个实例,岩石地层学作为地层学的一个分支，在建立区域地层系统方面起着关键和基础的作用，它同生物地层学、年代地层学一起构成了地层学的三大基础。多种地层划分和对比的方法是在传统的统一地层学基础上的一次飞跃，20世纪70年代所制定的地层规范充分地体现了这一思想，这也是地层学家认识自然，更尊重自然事实的重要表现。但是，迄今为止，由于地层记录的复杂性和不完整性，没有哪一种方法十全十美，地层的划分和对比还是当代地质学的

2、一个难题。以“岩石的本质上的统一”来定义的岩石地层单位，在许多情况下常常带有人为性，众多的研究成果表明组成地层的岩石体在纵向上及横向上均存在频繁的变化，这也就给确定岩石,地层单位带来困难和混乱，特别是将组再分为段时尤为突出。再者，岩石地层单位，如根据70年代的地层规范来定义，往往避开地层记录中的各种不同规模的间断面。同一个岩石体，存在多种名称，岩石地层单位的界线往往随不同的学者，随研究者的重点不同而变，也就是说，虽然岩石地层单位的界线是天然界线，但是由于地层学与沉积学脱钩，造成确定这一天然界线的标准不统一；再加上不同研究者对岩石体的形成发育规律的认识程度不一致，更加剧了这方面的混乱。,在岩石地

3、层学忽视了地层记录中间断面的同时，以Vail等(1977，1988)为首的Exxon公司的地质学家们，运用沉积学的研究成果，在地震地层学的基础，对被动大陆边缘的地层充填序列进行了高度的概括和总结，创立了“层序地层学”这一分支学科。层序地层学，更加重视和强调了地层记录中的间断面，并把以暴露间断面为特征的界面分为两种类型，从而定义出两种类型的层序，把“层序”作为基本单位，并且从地层记录中分析出海平面变化信息。因此，层序地层学是地层学、地震地层学、沉积学有机结合的综台产物。层序地层学在地震剖面解译中显示出巨大的实用性，受到油气地质学家们的广泛应用，在生产实践中得到了高度重视和快速发展，因此有人声称层

4、序地层学的诞生是板块构造之后的又一次地学革命，它为长期以来地层学与沉积学相互脱节的困惑局面探索出一条光明的大道。,层序地层学的贡献主要表现在以下几点：层序地层学的研究成果表明，控制地层堆积作用的主因是海平面变化，它是造成沉积物容纳空间增长速度发生变化的主因，而海平面变化的驱动机制又是一个极为复杂的机制，既包括区域的和全球的因素，还包括天文因素；地层堆积作用过程是一个非渐变沉积过程，在两个较大规模的不整合面所框定的序列中，存在一个从退积作用经加积作用到进积作用的准层序叠加形式；伴随着海平面上升，沉积物容纳空间的增长速率在变大，因而在层序内存在两个重要的界面海侵面及最大海泛面，与最大海泛面相共生的

5、凝缩段具有近等时性地层学意义；层序地层学充分表明，不应该忽视地层记录中的间断面，而应该把间断面及其所反映的沉积特征作为划分和对比地层的标志，注意研究间断面所反映的沉积规律。,层序地层学的贡献主要表现在以下几点：层序地层学的研究成果表明，控制地层堆积作用的主因是海平面变化，它是造成沉积物容纳空间增长速度发生变化的主因，而海平面变化的驱动机制又是一个极为复杂的机制，既包括区域的和全球的因素，还包括天文因素；地层堆积作用过程是一个非渐变沉积过程，在两个较大规模的不整合面所框定的序列中，存在一个从退积作用经加积作用到进积作用的准层序叠加形式；伴随着海平面上升，沉积物容纳空间的增长速率在变大，因而在层序

6、内存在两个重要的界面海侵面及最大海泛面，与最大海泛面相共生的凝缩段具有近等时性地层学意义；层序地层学充分表明，不应该忽视地层记录中的间断面，而应该把间断面及其所反映的沉积特征作为划分和对比地层的标志，注意研究间断面所反映的沉积规律。,作为一门新分支学科，层序地层学也存在自己的适用范畴及局限性，这主要表现在：在地震剖面解释中，层序地层学根据层序界面、最大海泛面及海侵面在地震剖面的显示，识别出层序类型及其内部的体系域划分；在地震剖面中，难以识别出米级旋回层序及其有序叠加形式，层序内部的岩相及相序特征难以分辨；在露头研究中，能直观地观察和识别出岩相类型、相序组构，但对层序的空间变化，只能根据若干个剖

7、面点进行综合分析如果露头研究只是分析到“层序”及其体系域划分，那研究程度又未免过粗，机械地进行层序界面类型的识别和体系域划分就是犯“层序病”的主要表现；层序地层学所依据的沉积学模式只是适用于被动大陆边缘，对于广泛的克拉通盆地层序地层学的方法太粗略太简单化，特别是碳酸盐地层更加明显；,对于只存在零星露头点的老地层来说，层序地层学显得束手无策，更进一步讲如果只是识别到层序，有时一个组只归属到一个层序中，对地层划分和对比层序地层学的作用并不大；层序地层学对地层中不同级别的以“成因相关的相序”为特征的旋回层序及其有序叠加形式重视不够，只分辨出进积型、加积型、退积型准层序及准层序组，过于简单化；因为层序

8、地层学对地层记录的沉积学规律研究不够，在露头研究中划分和识别层序时缺乏一个共同标准，从现有的研究资料看层序在露头上的识别人为性很大，层序与相序、层序界面与相变面的关系等常常是模糊不清的。,在我国，岩石地层单位的定义和识别可以分为以下几个阶段：,第一阶段，自19世纪末至1949年，老一辈学者如丁文江、李四光、孙云铸、高振西、尹赞勋等，主要根据岩石体的宏观岩性来划分和命名岩石地层单位，由于历史的限制，当时所确定的岩石地层单位很少包含沉积学内容，但以宏观岩性来划分和命名为我国的地层学奠定了坚实的基础。第二阶段，自1949年至1976年，或到1979年，这一段时间由于大规模的地质勘探工作的展开，在全国

9、范围内进行l：20万区域地质调查工作，并在50年代制定了地层规范。由于受到前苏联的影响，这一阶段的地层学研究以“统一地层学”为特征，阶与组相统一，以生物带代表的年代地层来确定岩石地层单位及其界线，如张夏阶等于张夏组。这一阶段，生物地层学的研究程度大大提高，受统一地层学的影响，岩石地层学的研究处于停滞阶段，造成沉积学家与地层学家相互脱节的现象。,同时，由于政治上的原因，在70年代以赫德伯格为首的地质学家已经制订出新的地层规范，并提出多重地层单元的概念时，我国许多学者还坚持己见，认为“多重划分等于不划分”，并运用所谓的辩证法思想“生物的、岩石的变化是统一的，并统一到时间上来”去批判多重地层单位，造

10、成了许多地层单位概念不清、同一地层体存在多种叫法的混乱情况。第三阶段，从1979年至t990年，我国新一代地层规范的制订并使用，接受了“多重地层单元”的概念，并在1：20万及新开展的l：5万区域地质填图中推广这一方法，修正了以前的错误认识。但由于对沉积学规律重视不够，犯了传统的岩石地层学本身的“岩性岩相的统一”来定义岩石地层单位的错误，有时出现同一地层体在各自不同的图幅中出现不同的名称的奇怪现象，对以前的混乱未得到全面的纠正。,第四阶段，自1990年至今，为全面认识阶段，在这一阶段1：5万区域地质填图的全面展开对以前岩石地层单位混乱的现象进行全面清理工作，并且在地质填图中引入了层序地层学等方面

11、的研究，使地层学进入了一个新阶段。但是，从现在进行的工作来看，还存在以下几方面的问题：第一，在地层清理工作中，对沉积学研究还不够重视；第Z-对70年代国际地层规范中“岩石地层单位”的定义存在的错误认识不足；第三，机械地套用层序地层学，“层序病”还普遍流行；第四，在强调岩石地层的同时，忽视了生物地层学的更进一步研究；第五，地层学家与沉积学家各自为政的现象还继续存在；第六，出现了一些错误的认识，如用“层序地层”填图之类的认识，忽视了层序地层学本身的局限性。,第一节 异成因海平面变化旋回层序的特征,一、空间上相序的有序性二、时间上环境变化的同步性,一、空间上相序的有序性,一个旋回层序，不管它是何种级

12、别，首先应该是一个“有成因相关的相序”，其成因相关的确切含义是该相序是一个海平面升降旋回过程的产物，是伴随着海平面上升产生的“环境加深效应”及海平面下降产生的“环境变浅效应”过程的产物。有序，即是有规律可循，主要包括以下几个方面：,第一，在一个剖面点上，由一个有成因相关的相序构成的旋回层序本身能反映出其相应级别的海平面升降过程，相序的反复性即代表地层记录的旋回性。第二，旋回层序存在级别，不同级别旋回层序之间存在一个有规律的叠加形式。图752所示的复合海平面变化旋回层序，叠加在四级海平面变化旋回的上升阶段发育的米级旋回层序则以LM型为主，在下降阶段则以发育鲕粒灰岩的中缓坡型及浅缓坡型为主；叠加在

13、三级海平面上升阶段的四级海平面变化旋回其加深效应比变浅效应明显，因此第一、第二个四级旋回层序向上变浅达不到浅缓坡而只能达到中缓坡。,第三，在不同地点，由于古地理背景不同，不同地点旋回层序的相序组构存在差异，但它们的空间变化有规律可循。从理论上讲，即使是米级旋回层序，随着古地理背景的不I司，其类型将发生变化，但存在一个有规律的环境变化谱系(图81)。图81所代表的碳酸盐米级旋回层序的环境变化谱系，特征是从深到浅由LM型经潮下型变到环潮坪型，这表明米级旋回层序本身，至少也可以作为一个相标志来使用。米级旋回层序的环境变化谱系表明，只有在米级旋回层序的时空层次上，沃塞尔相律(等时相是等位相的统一)才适

14、用；在更大的时空层次上，地层的堆积作用序列会出现加积、进积、退积序列三种情况，沃塞尔相律就不适用了。,图8-1 典型的碳酸盐米级旋回层序环境变化谱系图,我们把图8-1建立一个相模式(图8-2)，可得出垂向上“远洋相黑色钙质泥岩半远相薄层泥晶灰岩颗粒灰岩颗粒泥晶灰岩白云岩”的演化序列，且在横向上也存在相应的变化序列，但在更大的时问范围上看情况就变得复杂(图8-3)，而出现进积、加积、退积三种堆积序列。,图8-2 由图8-1综合推断出的沉积模式,图8-3 米级旋回层序的三种叠置序列沉积模式,二、时间上环境变化的同步性,时间上变化的同步性是指：在不同的古地理背景下，同一级别的旋回层序内部相序组构不同

15、，但这些特征各异的相序所反映的海平面升降变化规程在时问上是同步的。时间上变化的同步性并不是指异成因旋回层序是严格等时的，而是代表其时间变化过程的一致性，不严格等时的原因是由于旋回层序界面代表的沉积间断时间在空间上的不致。图8-1所示的米级旋回层序环境变化谱系，表明了在同一次高频率海平面变化旋回过程中，由于不同的古地理背景中所产生的沉积环境的古水深不一，从而产生不同的岩相序列形成不同类型的米级旋回层序。但是，高频率海平面变化产生的环境加深及环境变浅效应对一定古地理背景的水探变化影响幅度不太大，持续时间也较短，在较深或较浅的古地理背景中尤为显著，不发育米级旋回层序(“失去节拍”)，图8-l所示的米

16、级旋回层序环境变化谱系常常只能推断出，难以从实际的地层记录中直接观察到。,长周期三级、四级旋回层序所反映的时间变化同步性要明显得多，这也为在露头上确定“三级层序”及“四级亚层序”提供了方便。如图7-52所示的北京西山张夏组的复合海平面变化旋回层序，所代表的三个四级层序叠加成的一个三级旋回层序，在华北地台北部均能追索(图84)，尽管在不同地点其内部岩性及岩相组成存在不一致性，也就是说它们所反映的长周期海平面变化过程是同步的。,图8-4 华北地台北缘寒武系张夏组四级旋回层序及其空间对比,从时间变化的同步性方面讲，根据相序确定的旋回层序在地层学上具有等时性年代地层学意义，但并不是说这些旋回层序的形成

17、时限是严格等时的，只是它们的形成过程是等时的，它们也可能是斜交时间界面的，原因是其界面代表的间断时间在各地的不一致。一个旋回层序的形成时限是指在其界面处于过渡连续的地方所代表的时限。如果配合详尽的生物地层学资料，便可以更好地确定其年代地层格架，更好地研究地层体的时空变化规律，这一点是传统的岩石地层学无法比拟的。,第二节 异成因旋回层序的界面及其内部相序构成形式,旋回层序的界面首先是一个“相变面”，但是从图82、8-3中可知，地层记录中广泛分布着各种各样的相变面：第一种是由于古地理背景不同，在沉积环境的时间动态变化过程中，由于岩相体随古水深变化产生的横向迁移，即产生岩石体的进积和退积作用所产生的

18、相变面，如图82、83中各种岩相体之间的接触面，这种相变面常常斜交时间面；第二种是地层的堆积作用过程中，岩石体的垂向叠加所产生的相变面，例如米级旋回层序内部各岩石单元之间的接触面，也就是各岩石体的顶底界面，这种相变面可能与时间重叠，也可能斜交时间面；第三种是与沉积间断或非沉积作用有关的相变面，只有这种相变面才可能成为旋回层序的界面。,旋回层序界面与一般的相变面的本质区别包括以下几个方面：,(1)旋回层序界面除了具有一般相变面的特征外，常常与间断面共生。这种间断面有两种：加深饥饿间断面和暴露间断面。加深饥饿间断面是海平面相对快速上升产生的环境加深过程中，沉积物的生产和堆积速率突然降低而造成的沉积

19、作用间断，这种类型的间断面在碳酸盐地层中较发育，与Goldhammer(1990)、Schlager(1981，1990)所定义的“淹没不整合面”一致。暴露间断面是指沉积基底露出水面而产生的沉积间断面，层序地层学所定义的类型I及类型界面均属于暴露间断面。作为旋回层序的界面，间断面与一般相变面的本质区别是：界面之下的岩石或地层具总体向上变浅，界面之上的地层具向上变深，界面上、下地层或岩石之间相带不连续、相变突然，它是下伏地层或岩石代表的沉积环境向上变浅、上覆岩石或地层所代表的沉积环境总体向上加深的综合过程的产物。,(2)如果是暴露间断面，间断面之下的地层或岩石常常存在暴露标志，如喀斯特面与喀斯特

20、角砾岩、硅结壳、钙结壳、古土壤、强烈的白云石化和淡水成岩作用特征、渗流豆粒等等，而且随着古水深由浅变深，界面变为连续界面。(3)加深饥饿间断面，常缺乏暴露标志，其直观标志是：下伏地层向上变浅，上覆地层向上变深，而且加深的幅度和规模较大，常常是远洋和半远洋相的深水或半深水沉积物直接覆盖在浅水沉积之上，界面上下的地层或岩石相带不连续，相变突然，型层序的界面、潮下型米级旋回层序的界面均为此类型间断面，也就是说远洋及半远洋的具“凝缩段”性质的慢速沉积直接覆盖在浅水沉积之上。凝缩段直接覆盖在浅水沉积之上即形成该类型界面，但不是所有的“凝缩段”之下均为加深间断面的旋回层序界面，作为界面它一定具有下伏地层或

21、岩石向上变浅、上覆地层突然变深的相序突然变化特征。如图8-5所示，华北地台北缘张夏组之顶界面与底界面均为“加深饥饿间断面”。其底界面特征是徐庄组顶部的由浅缓坡(滩相)型米级旋回,序构成的块块厚层鲕粒灰岩沉积，上覆地层为张夏组底部的以发育LM型碳酸盐米级旋回层序的深水沉积物，二者之间相变突然，且相带不连续；其顶界面是以张夏组顶部的浅滩相鲕粒灰岩与崮山组部的深水钙质泥岩及条带灰岩直接相接触为特征。,图8-5 加深饥饿间断面（sb）代表的三级旋回层序界面以北京西山张夏组为例,如图8-4所示，张夏组内部包含的三个四级旋回层序间的界面也为加深饥饿间断面。随着古地理背景由深变浅，该类型间断面逐渐变为连续沉

22、积型界面。加深饥饿间断面主要发育在碳酸盐地层中。旋回层序是“一个有成因相关的相序”。不管是哪一种类型碳酸盐米级旋回相序均为“总体向上变浅相序”，而且多不对称的相序。只有在少数情况下，才见到由几个岩石单元构成的能反映环境变深然后变浅的相序型式，如贵阳花溪垄头三叠系垄头组灰岩中发育的碳酸盐米级旋回层序(图86)就具有这种相序特征，它由“含生物壳泥晶灰岩(a)核形石凝决石灰岩(b)发育钙质结壳的渗流豆粒灰岩(c)”构成，代表“潮下低能较深水相(a)一潮下至潮问动荡浅水相(b)暴露相(c)”的相序特征，反映了沉积环境在海平面升降旋回中向上变深、然后又向上变浅的沉积过程。,图8-6 近似对称型碳酸盐米级

23、旋回层序以贵阳花溪三叠系垄头组为例,长周期三级四级旋回层序，也可分为对称或准对称型、非对称型相序两类。非对称型相序代表的三级和四级旋回层序可分为两种：一种是在地壳沉降的幅度和速度较大的背景下，叠加于其上的长周期海变面变化产生的环境加深效应强于变浅效应，在快速海平面上升时常在层序界面上形成凝缩段，从而形成一个非对称的总体向上变浅序列这以型层序(CS+HST序列)以及以淹没间断面为特征的四级旋回层序(CS+RHST序列)，图84所示的华北地台张夏组的三级、四级旋回层序即为这种类型的非对称总体向上变浅相序；另一种是三级或四级平面上升虽然没有产生淹没事件，但其加深效应强于变浅效应，从而形成一个总体向上

24、变浅的相序，这种情况常常是叠加在二级或一级海平面变化的相对上升阶段(或海侵阶段)形成的三级或四级旋回层序(图87，8-8示)。,图 8-7 元古宇雾迷山组中发育的三级旋回层序以河北兴隆为例,图8-8 元古宇常州沟组的三级层序相序特征以河北兴隆为例,图87是元古宇雾迷山组中常见的非对称总体向上变浅相序构成的三级旋回层序，在三级海平面上升期间主要发育以“潮下相厚层块状叠层石白云岩潮上坪白云质泥岩”型米级旋回层序，潮下相叠层石白云岩(叠层礁)与薄层泥晶白云岩、泥质白云岩、白云质泥岩构成的米级旋回层序，在海平面下降期间主要发育泥晶白云岩及泥质白云岩为特征潮间坪至潮上坪相沉积，局部发育“泥晶白云岩+泥质

25、白云岩+白云岩泥页岩，偶见潮下相叠层石白云岩与泥晶白云岩或泥质白云岩”为特征的米级旋回层序。,图8-8是元古宇常州沟组砂岩中上部发育的以不对称相序为特征的三级旋回层序，在其三级海平面变化上升期间主要沉积厚层至块状细粒石英砂岩，砂岩中见脉状潮汐层理，发育大型槽状、楔状交错层理及冲刷面，冲刷面之上由粒径较大的石英砂及部分细砾石充填而形成正粒序层，又称“海滩型风暴岩”，因此这种砂岩是潮下高能带环境的产物；在其三级海面下降期间，主要发育潮间至潮上局限坪砂页岩，见波状及透镜状交错层理，见泥裂，偶夹潮道砂体。由此而构成从潮下高能砂体到潮间潮上坪砂页岩为特征的总体向上变浅序列，三级旋回层序界面以类型界面为特

26、征，在向古地理背景较深的地方变为连续沉积的过渡型界面，但仍是一个相变面。,在某些情况下，长周期三级旋回层序的相序组构能反映海平面升降变化，在层序地层学中介绍的发育“凝缩段”的I型及型层序的相序多属此类，即型层序的SMT和TST具向上变深的相序，CS代表最深时期，HST又具向上变浅相序组构；在型层序中。LST(低水位体系域)和TST具向上变深的相序特征，在浅海陆架中，如果盆地基底沉降幅度不大，常没有凝缩段，但从相序上具有向上变深然后向上变浅近似对称的相序，如贵阳乌当志留系地中发育的三级或四级旋回层序就是以对称型相序为特征。该套地层以“潮上坪泥页岩潮间坪砂页岩潮下坪灰岩潮间坪砂页岩潮上坪泥页岩斗暴

27、露相的紫红色泥页岩”的岩石序列为特征(图89)。,图8-9 贵阳乌当志留系地层中典型的相序形式,整个志留系由这种岩石序列反复发育而成，包含六个四级旋回层序，归属为两个三级旋回层序。正因为岩石序列的反复性发育，故对该套地层进行岩石地层划分时，即使分为两个段难以找出其上下段的独特标志，更何况进行组的划分，但对其旋回性记录进行研究之后，岩石地层划分也就迎刃而解了。综上所述，在露头上进行地层研究时，岩相分析与相序建立非常重要，离开了相序，不但会把“层序识别错，而且还会产生混乱，这不但不利于岩石地层单位的厘定，更不利于对地层的沉积规律进行有效全面的分析。,第三节 从地层的旋回性沉积记录对岩石地层系统进行

28、合理厘定的两个实例,一、华北北都晚寒武世的旋回性沉积记录及成因岩石地层系统二、河北兴隆元古宇雾迷山组的异成因旋回性沉积记录及“段”的划分,地层记录具有以下几个特征：第一，不完整性，从任何一个地区的区域地层表均可知道。第二，非渐变性，地层的堆积作用是个非渐变过程，这是由于地层记录中充满着各种各样的、时间幅度不同的沉积间断面和非沉积作用面，包括暴露间断面及饥饿问断面。第三，旋回性，它主要反映在岩石序列及岩相序列的反复发育或重复发育方面，并且旋回的周期具有不同的级别，因而形成不同级别的旋回层序。第四，复杂性，一个地层体记录了相应地质时代的各种生物的、化学的和物理的变化，包含着各种各样的地质信息，迄今

29、为止我们还不敢轻言我们已经可以完全识别出地层记录所包含的各种变化和信息。,相分析不但是沉积学研究的核心，也应该是地层学，特别是层序地层学及旋回地层学研究的核心。在进行相分析时，不要轻易地对某一个组或段的地层下结论，以前常出现的某某组是滨海相地层之类的说法，均是很粗略的，哪怕是几米或只有几十厘米厚的地层，都可能包含有若干种岩相单元。建立在相分析基础上识别出的地层记录的旋回性，也应该作为地层记录的一个属性特别是对那些宏观岩性变化不大但厚度巨大的地层体，我们更应在相分析方面下功夫。下面举两个例子来说明这类问题。,一、华北北都晚寒武世的旋回性沉积记录及成因岩石地层系统,(一)米级旋回层序及其环境变化谱

30、系(二)晚寒武世的长周期旋回层序(三)从旋回性地层记录论华北部晚寒武世的岩石地层系统,1923年以前将崮山组以上晚寒武地层名日“炒米店灰岩”。1924年孙云铸教授唐山赵各庄一带的晚寒武世地层自下而上划分为崮山层、长山层、风山层，并将炒米店一名限于上寒武统下部，与长山层相当。1956年中国科学院地质研究所等单位将三河、昌黎一带的崮山组、长山组、风山组划归炒米店统。1991年河北地质学院将井陉至平山一带的晚寒武世地层称“炒米店群”，包括崮山灰岩、长山灰岩、凤山灰岩。在1994年河北省多重地层划分研究报告中，将晚寒武世地层分为崮山组和炒米店组，认为炒米店级包括部分早奥陶世地层，指出崮山组与炒米店组的

31、岩石划分标志也不清楚，有待今后研究。这似乎存在“复古”现象，重新确定炒米店组但叉未找到它与崮山组的划分标志；同样根据三叶虫化石带确定的崮山阶、长山阶、凤山阶，以及相对应的崮山组、长山组、凤山组，均存在划分标志不清楚的问题。,存在以上几种争论的岩石地层划分方案，是基于华北北部晚寒武世地层的宏观岩性以“竹叶灰岩及条带灰岩”为特征，但不管哪种划分方案均未得到广泛承认，原因可能还是对晚寒武世地层的岩相及相序研究不够所致。20世纪80年代以来，一些地质学家对华北北部晚寒武世地层的沉积学方面的研究，如王祥珍(1981)、管守锐(1982)对“竹叶灰岩”成因的研究，孟祥化、乔秀夫等(1986)对晚寒武世碳酸

32、盐风暴沉积的研究王英华等(1989)关于碳酸盐岩石学方面的研究，冯增昭等(1990)关于岩相古地理方面的研究，这些研究也没有从沉积学上指出该地区晚寒武世岩石地层的划分和识别标志。,(一)米级旋回层序及其环境变化谱系,在华北北部晚寒武世地层中，主要发育以下成因岩石及岩相单元(图8-l0之ag)：(1)盆地相泥页岩及砂质泥页岩发育水平纹层，时夹风暴砾屑灰岩及含海绿石生物屑灰岩透镜体，为透光带之下或附近宁静深水弱还原环境的产物。(2)深缓坡相具风暴韵律层(毫米级)的薄层含泥质泥晶灰岩，偶夹泥质条带；风暴韵律层厚13mm，以来自于浅水台地的砂屑及粉屑构成的韵律层为特征，透光带之上，风暴浪基面之下的深水

33、宁静体环境的产物。,图8-10 典型的完整岩石序列及相序,(3)深缓坡相薄层泥质泥晶灰岩，夹少量泥质条带，为透光带之上，风暴浪基面之下或附近的深水宁静环境的产物，时夹风暴砾屑灰岩。(4)中至浅缓坡相生物潜穴及生物扰动灰岩，发育生物扰动构造，见垂直和斜交层面的生物潜穴，呈中厚层至块状，亦见由砂屑充填的冲刷面，属浪基面附近浅水动荡环境的产物。这种灰岩有时局部白云石化，且生物潜穴处云化较强而呈“豹斑状”，有些学者形象化地称之为“豹斑灰岩”及“豹皮状灰岩”。,(5)浅缓坡相中厚层鲕粒灰岩，见交错层理，偶见冲刷面，冲刷面之上由细砾屑、砂屑及鲕粒充填，为浪基面附近及其上的浅水动荡环境的产物。(6)浅缓坡相

34、生物丘灰岩，呈均一的厚层状一块状，发育丘状及柱状叠层石，有的为凝块石及藻屑灰岩，常与鲕粒灰岩呈横向相变共生，属浪基面之上浅水动荡环境的产物。(7)风暴砾屑灰岩，由扁平状砾石构成，习称为“竹叶灰岩”，多为两种：一种是由具紫红色铁质浸染圈的扁平状砾石构成，这种类型的风暴岩常与盆地相泥页岩共生，为异地型风暴岩；另一种是不具铁质浸染圈的砾石构成的风暴岩，与薄层泥晶灰岩共生，多为薄层泥晶灰岩经风暴作用原地改造而形成，为原地型风暴岩。如果把上述岩石从深到浅组成一个向上变浅序列，即得到如图8-10所示的相序。但在地层记录中，这种完整的相序极为罕见，常见的是由两个岩石单元构成的“米级旋回层序”(图811)，许

35、多国外学者称之为“碳酸盐对偶层(carbonat couplet)”，它们是高频率(周期为万年至10万,图8-11 米级旋回层序及其环境变化谱系,年级别)海平面变化旋回产生的环境加深及环境变浅过程的产物。在不同的古地理背景下，它们在同一次海平面相对升降变化旋回中形成特征各异的岩石序列及相序，从而构成米级旋回层序的环境变化谱系(图811)。在图811中，(1)和(2)属深缓坡型米级旋回层序，与LM型米级旋回层序相同；(3)和(4)属中缓坡型米级旋回层序；(5)和(6)为浅缓坡型米级旋回层序。从深到浅，深水相岩石单元(如盆地相泥页岩、薄层泥晶灰岩、具毫米级风暴韵律层的薄层泥质泥晶灰岩)变薄，浅水相

36、岩石单兀(鲕粒灰岩、生物潜穴灰岩、生物丘灰岩)增厚。它们的共同特征是：岩层向上变厚、颗粒向上变粗、环境向上变浅，为潮下型碳酸盐米级旋回层序。,这些米级旋回层序常3至5个(多为4个)构成更大级别的也以“总体向上变浅”为特征的旋回层序(图812)，其总体向上变浅表现为从下至上，深水相岩石单元变薄、浅水相岩石单元增厚的趋势。这种1：4的叠置序列说明了米级旋回层序的形成与米兰柯维奇旋回有关，即单个米级旋回层序是与短偏率旋回(周期为10万年，六级旋回)有关的海平面变化旋回的产物，由4个米级旋回层序有序叠加成一个与长偏心率旋回(周期为40万年)有关的旋回层序。这与Osleger等(1991)对北美晚寒武世

37、地层研究结果具相似之处，这种有序叠加形式在Swarzacher(1993)的著作中有详细系统的论述，把它们归为五级和六级旋回层序符合C.EBrett(1990)与梅冥相(1992)的旋回层序级别分类。,图8-12 米兰克维奇机制控制下的米级旋回层序及其有序叠加形式,(二)晚寒武世的长周期旋回层序,根据米级旋回层序及其垂向有序叠加形式，以及由此反映出的相序特征，在华北北部的晚寒武世地层中识别出四个三级旋回层序(相当于层序地层学定义的“层序”)。这些层序均以“盆地相一缓坡相”的总体向上变浅的沉积相序列为特征(图813，8-14)，它们是在华北北部地壳沉降相对较快的背景下、叠加于其上的三级海平面变化

38、旋回产生的“环境加深效应”比“环境变浅效应”显著的沉积过程的产物，形成型层序(以CS+HST序列为特征)，这与Goldhammer等(1990)关于欧州Alpine地区三叠纪地层研究中提出的“淹没不整合型碳酸盐层序”相似，华北中寒武世张夏组的旋回层序，中国南方贵阳附近三叠纪大冶组灰岩石发育的两个三级旋回层序也属于这种类型。这种型层序以凝缩段(cs)直接覆盖在层序界面之上为特征，从而与I型层序(LST+TST+CS+HST)和型层序(SMT+TST+CS+HST)形成明显的区别，主要发育在碳酸盐地层中。,图8-13 三级旋回层序的相序特征,从图8-13可看出，这些三级旋回层序均以总体向上变浅的不

39、对称相序为特征，在三级相对平面快速上升期间，环境加深速度较快(可能超过了碳酸盐的生产和堆积速率)，产生淹没事件，环境的变深不利于碳酸盐的生产和堆积，而且又加剧了淹没过程，故形成凝缩段(CS)，以深水相的盆地相泥页岩(局部为粉砂质泥页岩)及少量薄层泥质泥晶灰岩为特征，常见海绿石物屑灰岩透镜体及异地型风景砾屑灰岩，局部发育图811所示的(1)和(2)型米级旋回层序；在三级海平面相对停滞及下降期间，随着水体环境的逐渐变浅，故发育中缓坡及浅缓坡型米级旋回层序。只是在晚寒武世末期才发育一个较大规模的变浅事件或暴露事件，这主要表现在晚寒武世末的地层在各剖面点均可见到的厚度不一的潮坪相白云岩。,图8-14

40、华北北部晚寒武世三级旋回层序及其横向对比,从图814可知，尽管在不同地点晚寒武世地层中发育的4个三级旋回层序的相序组构特征不完全一致，如山西省浑源县悬空寺剖面的长山组旋回层序的HST单元为较厚的生物丘灰岩；保定清醒剖面的第四个层序的CS单元为海绿石生物壳及生物屑灰岩，各剖面顶部潮坪相白云岩的厚度不一致等，但它们所反映的海平面升降变化过程是同步的，而且它们的相序特征有规律可查。这也充分地体现了异成因海平面变化旋回层序的两大特点：空间上相序组构的有序性及时间上环境变化的同步性，而且岩相在垂向上及横向上都会产生明显的相变，且这些相变是有序的。,(三)从旋回性地层记录论华北部晚寒武世的岩石地层系统,大

41、约自20世纪50年代末以来，华北北部晚寒武世地层的岩石地层序列为三个组：崮山组、长山组、凤山组。中国科学院南京地质古生物研究所的地质学家们根据三叶虫化石带将晚寒武世分为三个阶：崮山阶、长山阶、凤山阶，并把这三个阶对应于三个组。这种划分方案自60年代至80年代末为大多数学者所用。当时，这种划分是建立在统一地层学思想上的，故出现了崮山阶对应于崮山组之类的情况。自70年代末以后，随着“多重地层单位划分”的概念的广泛应用，发现了三个组的划分方案存在以下问题：首先是把阶与组混同，在化石产出不丰富或缺乏的地方难以确定组与组的划分标志；其次是对晚寒武世的沉积岩石学特征缺乏详尽的研究。,自80年代后期至今，随

42、着1：5万区域地质填图的开展，发现该套地层都以“竹叶灰岩及条带灰岩”为特征，可划分的标志不清楚，故有人把该套地层命名为炒米店群，或者分为崮山组和炒米店组。实际下，奥陶系下产部的地层如冶里组与亮甲山组的中下部也以“竹叶灰岩及条带灰岩”的特征，因而又认为炒米店组还包括奥陶系的一部分地层。既便如此，炒米店组与崮山组的划分标志还不清楚；把晚寒武世的地层以“条带灰岩及竹灰岩”为特征统称为炒米店群也存在一个问题，其底界与张夏组鲕粒灰岩分界清楚，但根据宏观岩性又找不到寒武系与奥陶系地层的分界，因此炒米店群叉可以包含部分奥陶系地层。,造成以上岩石地层划分方案的不确定性的关键是对该套地层的岩性、岩相、相序的研究

43、不够，这反映了一个突出的问题：岩石地层学在定义和识别岩石地层单位的标准是“岩性、岩相的本质统一”。实际上，在绝大多数情况下任何地层体的岩性及岩相总存在横向与纵向变化，但是这种变化是有规律可循的。当把这种变化的规律认识和解析出后，才有可能找到天然的岩石地层划分依据。,如图813和图814所示，华北北部晚寒武世地层包含四个三级旋回层序，总体上崮山阶地层构成一个，长山阶地层构成一个，凤山阶地层构成两个。每一个三级旋回层序的底均以深水相岩石(盆地相泥页岩及深缓坡相薄层泥晶灰岩)为特征，即表明每一个三级旋回层序的底界面为相应的海泛事件面和与之可对比的面(又称加深饥饿间断面或淹没不整合面)而这种特征的面是

44、一个反应下伏地层向上变浅、上覆地层向上加深的突然相变面，它们在较大的区域范围内均能追索，完全可以作为岩石地层单位的界面。晚寒武世末在各地发育的厚度不一的潮坪相白云岩，表明了寒武世纪末是具有一个暴露间断面(sb2界面)，根据北美地台的资料(Osleger，1990；Osleger等，1991)，该暴露间断面具有全球性，即寒武纪末的海退事件具全球性。,其实，为什么在以前大部分学者认为是连续沉积的华北北部找不到真正连续沉积的、可以作为寒武-奥陶纪界线层型的剖面，原因就是这个暴露间断面的存在。梅冥相在与梅仕龙博士测制河北保定清醒剖面时，发现根据生物地层资料确定的阶的界线总是滞后于三级旋回层序界面，地层

45、厚度相差11.5m，这是否表明生物变化要滞后于沉积环境的变化，还有待今后进一步探索。,从旋回性记录研究表明，晚寒武世地层完全可划分为崮山组、长山组、凤山组，每个组的底界均是海泛事件面(型界面)，凤组的顶界面为一以暴露间断为特征的型界面。崮山组对应于一个三级旋回层序，长山组对应一个，凤山组包含两个三级旋回层序。这些三级旋回层序均以“盆地组一缓坡相”的总体向上变浅序列为特征，尽管在不同地方由于古地形的差异，所形成的相序相构及岩性特征存在某些方面的变化，但这些反复发育的总体向上变浅相序所反映海平面升降变化(或海侵一海退过程)在时间上大致是同步的。这三个组的岩石地层单位也可能是穿时的，原因是作为界面的

46、间断面(加深饥饿间断面及暴露间断面)在各地的间断时间幅度不一致。旋回性地层记录的研究必须是详尽、全面、系统的沉积学研究，同时应辅之以较系统的生物地层工作，而且不能只看一个剖面，应该是多个剖面广泛研究。,从另一方面讲，相序本身就是一个有规律可循的岩石组合，同旋回性可以作为确定岩石地层单位的标志。在运用地层的旋回性记录来确定岩石地层单位时，要注意以下问题：第一，不要轻易根据旋回性记录重新命名岩石地层单位，应尊重优先法原则去修订岩石地层单位和丰富岩石地层单位的内容。第二，岩石地层单位是根据岩性、岩相的变化规律来定义的，不要把岩石地层单位的群、组、段与旋回层序的级别等同起来，岩石地层单位有优先命名法则

47、，还有一个实用性问题，后者是由沉积规律所确定的而且不存命名问题。,第三，在研究地层的旋回性沉积记录时，不能机械地套用层序地层学的方法如层序地层学是建立在地震地层学基础上的，对地震剖面解译较实用。在缺乏地震剖面的露头研究中，岩性、岩相、相序是研究的关键和基础，根据相序的反复发育识别出的旋回性不同级别旋回层序及其有序叠加形式才是研究的核心，而且应该是从点到面，最后找出区域变化规律。,二、河北兴隆元古宇雾迷山组的异成因旋回性沉积记录及“段”的划分,(一)雾迷山组的岩相特征及其米级旋回层序类型(二)雾迷山组的长周期旋回层序(三)从旋回性沉积记录分析雾迷山组的分段,雾迷山组即高振西等(1934)所称的“

48、雾迷山灰岩”。1959年全国地层学会议之后称雾迷山组，沿用至今未变。本组岩稳定，富镁碳酸盐占绝对优势(含量达99以上)，岩性组合主要为页片状含砂内碎屑白云岩、燧石条带白云岩、厚层至块状叠层石白云岩夹泥青质白云岩及燧石层，在研究区域的河北兴隆一带厚2500m左右，可分为四段，见河北省北京市天津市区域地质志。,一段，下部为灰色中厚层含粉砂泥晶白云岩，与燧石条带白云岩互层，偶夹级层状泥青质白云岩；上部为灰、深灰色中层及厚层含燧石条带粗晶白云岩、泥青质白云岩，夹灰色厚层至巨厚层粉砂质泥晶白云岩，韵律性明显。偏上部见有白色、黑色硅质小型叠层石白云岩，底部具一层厚度不稳定(07m)的页片状含粉砂泥晶白云岩

49、。二段，下部由灰色厚层燧石细晶白云岩、泥青质泥状白云岩及穹状叠层石白云岩和燧石层组成韵律层；上部由粉砂质泥晶白云岩、杂色厚巨厚层粗晶含灰白云岩、深灰色纹层状泥青质白云岩、燧石条带白云岩及黑色燧石层构成韵律层。,三段，底部为层数不等的紫红色泥状白云岩，下部为灰色、浅灰色含粉砂泥晶白云岩、含白云质砂砾岩、泥晶灰质白云岩、黑色燧石条带燧石和硅质层构成韵律层；上部为深灰色厚层泥晶灰质白云岩，含灰白色硅质条纹和条带；顶部可见鲕粒白云岩，泥晶灰质白云岩及紫红色中层碎屑泥晶白云岩，具硅质条带、条纹及礁状穹形叠层石。四段，底部为灰白色白云质砂岩、砂质白云岩；下部为灰白色含灰粗晶白云岩和深灰色燧石条带白云岩及葡

50、萄状藻屑白云岩、泥青质白云岩、叠层石白云岩；上部为浅灰色燧石条带白云岩、厚层状叠层石白云岩。,一、二段硅质白云岩中小型柱状、杯状叠层石发育，区域较稳定；三段燧石形态复杂，为放射状、葡萄状、暖气片状，叠层石为大型锥柱状。四段灰质白云岩中含泥青质块体，缝合线发育，偶见黄铁矿晶体；此外，层理一般较平直，或呈微波状，有时可见斜层理和波痕，层面上有干裂等。雾迷山组地层岩性复杂，但各段之间又缺乏明显的划分标志，各段之间的界线确是难以确定。本书作者之一梅冥相在参加河北省隆县两幅1：5万地质填图中，对这一套厚达2500m的碳酸盐地层进行了旋回性沉积记录研究以二级旋回层序作为分段标志，分为六个段，并把这六个段分