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再论华北寒武系竹叶状灰岩丘成因

陈吉涛

陈吉涛. 再论华北寒武系竹叶状灰岩丘成因[J]. 沉积学报, 2023, 41(6): 1662-1672. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.071
引用本文: 陈吉涛. 再论华北寒武系竹叶状灰岩丘成因[J]. 沉积学报, 2023, 41(6): 1662-1672. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.071
CHEN JiTao. Origin of Cambrian Flat-Pebble Conglomerate Mounds in the North China Platform[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(6): 1662-1672. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.071
Citation: CHEN JiTao. Origin of Cambrian Flat-Pebble Conglomerate Mounds in the North China Platform[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(6): 1662-1672. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.071

再论华北寒武系竹叶状灰岩丘成因

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.071
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41302077

现代古生物学和地层学国家重点实验室自主部署项目 20221101

详细信息
    作者简介:

    陈吉涛,男,1981年出生,博士,研究员,沉积学,E-mail: jtchen@nigpas.ac.cn

  • 中图分类号: P534.41

Origin of Cambrian Flat-Pebble Conglomerate Mounds in the North China Platform

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41302077

State Key Laboratory of Palaeobiology and Stratigraphy 20221101

  • 摘要: 目的 竹叶状灰岩通常被解释为风暴沉积,但其沉积过程,尤其是含竖直砾屑的竹叶状灰岩丘的成因,仍存在很大争议。 方法 对鲁西寒武系芙蓉统炒米店组的此类竹叶状灰岩开展了传统沉积学研究,以示其蕴含的复杂的沉积过程。 结果 该竹叶状灰岩发育在两中厚层鲕粒灰岩之间,以底平顶凸的丘形为特征,也见不规则形态。竹叶状砾屑是由先前沉积的薄板状球粒颗粒灰岩,被风暴引起的强水流或波浪破碎而成;这些砾屑在鲕粒灰岩硬底构造之上,由风暴混合流改造搬运,最终呈不连续的丘状或不规则状堆积起来。杂基中的化石碎屑、破碎的鲕粒、钙化微生物团块等也指示了高能动荡的水体环境。在竹叶状砾屑沉积时,微生物在其之上或之间生长、钙化,并将砾屑黏结,阻止了砾屑被再次改造而保存为一些竖直或倾斜的排列状态;同时钙化微生物黏结或障积更多的竹叶状砾屑,而最终形成大小不一的竹叶状丘或滩。竹叶状砾屑丘在沉积之后,其边缘和顶部不断地被强水流和波浪侵蚀,并被随之沉积的鲕粒覆盖。 结论 研究揭示了丘形竹叶状灰岩复杂动荡的沉积过程,指示其经历了多次风暴事件的沉积、侵蚀和改造。基于详细系统的沉积学特征,对竹叶状灰岩的成因解释,将对深时风暴的频率、强度及沉积过程等具有一定的指导意义。
  • 图  1  鲁西寒武系综合地层;本文研究层位位于炒米店组中部,红色箭头指示的是右边柱状图的层位,柱状图标彩色的层位即是本文关注的竹叶状灰岩丘的发育层位

    Figure  1.  Integrative stratigraphy of the Cambrian in western Shandong province, showing the stratigraphic position of the studied flat⁃pebble conglomerate mound

    Fig.1

    图  2  山东莱芜九龙山剖面竹叶状灰岩丘出露和观察点

    (a)谷歌地图;(b)野外照片

    Figure  2.  Outcrop sections of the flat⁃pebble conglomerate mounds in the Jiulongshan section

    (a) Google map showing location of the six studied outcrops; (b) Field photo showing three outcrops

    图  3  竹叶状灰岩丘及共生岩相素描与野外照片(九龙山剖面露头1)

    Figure  3.  Sketch and photograph of the flat⁃pebble conglomerate mounds and associated facies in outcrop 1 of the Jiulongshan section

    Fig.3

    图  4  竹叶状灰岩丘共生岩相

    (a)鲕粒灰岩B亚层顶部的硬底构造(箭头),硬底构造之上为含砾鲕粒灰岩;(b)竹叶状灰岩丘发育在硬底构造之上;(c)硬底构造之上发育的球粒颗粒灰岩亦被截切,并由含砾鲕粒灰岩覆盖;(d)硬底构造之上发育的球粒颗粒灰岩由竹叶状灰岩丘覆盖;(e,f)鲕粒灰岩顶部发育的对称浪成波痕构造;(g)亚层C竹叶状灰岩,砾屑多呈叠瓦状排列,顶部为一层球粒颗粒灰岩,且被截切(箭头);(h)鲕粒灰岩B亚层顶部硬底构造之上的竹叶状灰岩席,且其顶部被截切(蓝色箭头),此处硬底构造多被缝合线改造(白色箭头);(i)鲕粒灰岩B亚层顶部硬底构造之上的竹叶状灰岩透镜体,被竹叶状灰岩丘覆盖

    Figure  4.  Associated facies of the flat⁃pebble conglomerate mounds

    hardgroud surface (arrows) at the top of oolite sublayer B, above which are planar cross⁃stratified gravelly oolites (a), flat⁃pebble conglomerate mound (b), and intact thin peloidal grainstone (c, d); (e, f) the top of oolite sublayer A shows symmetric wave ripples; (g) the entire oolite bed is underlain by limestone conglomerates with imbricated and horizontal, polymictic clasts; (h) thin, discontinuous (lens⁃shaped) limestone conglomerate within oolites, containing imbricated, red⁃rimmed clasts, overlain by gravelly oolites with a sharp boundary (blue arrows); (i) conglomerate lens, overlain by a flat⁃pebble conglomerate mound with a recognizable boundary (dash line)

    图  5  竹叶状灰岩丘几何形态及边缘特征

    (a,b)竹叶状灰岩在野外露头1和3呈丘形出露的三维形态及素描;(c)露头2发现的呈不规则状几何形态;(d)竹叶状灰岩丘边缘呈不规则状且被周围鲕粒灰岩截切,左边的小块已与竹叶状灰岩丘脱离;(e)鲕粒灰岩中产出的独立的不规则状竹叶状灰岩块体;(f,g)侧面和平面显示竹叶状灰岩丘具截然且平缓的顶面(硬底构造)

    Figure  5.  Geometry and margin of the flat⁃pebble conglomerate mounds

    (a, b) three⁃dimensional (3D) exposure and schematic drawings of the mound⁃shaped flat⁃pebble conglomerate in outcrops 1 and 2; (c) highly irregular geometry of the flat⁃pebble conglomerate in outcrop 2; (d) irregular and sharp contact, with a chunk of flat⁃pebble conglomerate detached from the mound; (e) isolated, irregular⁃shaped flat⁃pebble conglomerate debris in oolite; (f, g) vertical section and plan view of the sharp, smooth upper surface (hardground) of the flat⁃pebble conglomerate mound

    图  6  竹叶状灰岩砾屑和杂基特征

    (a)主要含纹理状球粒颗粒灰岩砾屑,见少量具红色氧化圈的泥状灰岩和生物碎屑颗粒灰岩砾屑,以及鲕粒灰岩砾屑;(b~d)杂基中的叠层石;(e)叠层石交替出现的泥晶和亮晶方解石的纹层,见明显的泥晶化的钙化微生物团块;(f,g)砾屑上侧原地发育的葛万菌和似肾形菌;(h,i)杂基中的钙化葛万菌团块;(j)杂基中的破碎鲕粒和多期次鲕粒和海绿石颗粒等;(k)杂基中的三叶虫和钙藻等生物碎屑;(l)杂基局部被白云岩化

    Figure  6.  Characteristics of clasts and matrix of the flat⁃pebble conglomerate mound

    (a) mostly subrounded peloidal grainstone clasts, with a few rounded, red⁃rimmed lime mudstone and bioclastic grainstone clasts, and an oolite clast; (b⁃d) convex⁃up laminated (stromatolitic) matrix; Note a sharp truncation surface (white arrow) by the overlying oolites in (d); (e) photomicrograph of stromatolitic matrix, with fragment of calcified microbes along the lamina; (f, g) calcified microbial filaments (Girvenalla and Renalcis) along the clast, indicating in situ growth of cyanobacteria; (h, i) fragments of calcified microbes in matrix; (j) broken and multigeneration ooids, fossil fragments, and glauconite grains in matrix; (k) fossil fragments (mainly calcareous algea and trilobites) in matrix; (l) dolomites in matrix

    图  7  竹叶状灰岩丘沉积过程

    Figure  7.  Depositional processes of the flat⁃pebble conglomerate mounds

    Fig.7

  • [1] Sepkoski J J. Flat-pebble conglomerates, storm deposits, and the Cambrian bottom fauna[M]//Einsele G, Seilacher A. Cyclic and event stratification. Berlin: Springer, 1982: 371-385.
    [2] Bottjer D J, Hagadorn J W, Dornbos S Q. The Cambrian substrate revolution[J]. GSA Today, 2000, 10(9): 1-7.
    [3] Wilson M D. Origin of Upper Cambrian flat pebble conglomerates in the northern Powder River Basin, Wyoming[M]//Longman M W, Shanley K W, Lindsay R F, et al. Rocky mountain carbonate reservoirs: A core workshop. McLean: SEPM Society for Sedimentary Geology, 1985: 1-50.
    [4] 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,1986,4(2):1-18.

    Meng Xianghua, Qiao Xiufu, Ge Ming. Study on ancient shallow sea carbonate storm deposits (tempestite) in North China and Dingjiatan model of facies sequences[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 1986, 4(2): 1-18.
    [5] Mount J F, Kidder D. Combined flow origin of edgewise intraclast conglomerates: Sellick Hill Formation (Lower Cambrian), South Australia[J]. Sedimentology, 1993, 40(2): 315-329.
    [6] 田海芹,马玉新,狄明信. 山东新泰盘车沟地区崮山组和长山组风暴沉积特征[J]. 石油大学学报(自然科学版),1994,18(6):8-13.

    Tian Haiqin, Ma Yuxin, Di Mingxin. Storm deposits of Gushan and Changshan Formations at Panchegou region of Xintai in Shandong province[J]. Journal of the University of Petroleum, China, 1994, 18(6): 8-13.
    [7] Meng X H, Ge M, Tucker M E. Sequence stratigraphy, sea-level changes and depositional systems in the Cambro-Ordovician of the North China carbonate platform[J]. Sedimentary Geology, 1997, 114(1/2/3/4): 189-222.
    [8] Myrow P M, Tice L, Archuleta B, et al. Flat-pebble conglomerate: Its multiple origins and relationship to metre-scale depositional cycles[J]. Sedimentology, 2004, 51(5): 973-996.
    [9] 吴淳,刘航宇,芦飞凡,等. 北京西山下苇甸中上寒武统风暴沉积特征及模式[J/OL]. 地学前缘, doi:10.13745/j.esf.sf.2023.2.17 .

    Wu Chun, Liu Hangyu, Lu Feifan, et al. Characteristics and models of storm deposition in the Middle and Upper Cambrian in Xiaweidian, Western mountains of Beijing[J/OL]. Earth Science Frontiers, doi: 10.13745/j.esf.sf.2023.2.17 .
    [10] Bouchette F, Seguret M, Moussine-Pouchkine A. Coarse carbonate breccias as a result of water-wave cyclic loading (uppermost Jurassic-South-East Basin, France)[J]. Sedimentology, 2001, 48(4): 767-789.
    [11] Chough S K, Kwon Y K, Choi D K, et al. Autoconglomeration of limestone[J]. Geosciences Journal, 2001, 5(2): 159-164.
    [12] Chen J T, Chough S K, Chun S S, et al. Limestone pseudoconglomerates in the Late Cambrian Gushan and Chaomidian Formations (Shandong province, China): Soft-sediment deformation induced by storm-wave loading[J]. Sedimentology, 2009, 56(4): 1174-1195.
    [13] Chen J T, Han Z Z, Zhang X L, et al. Early diagenetic deformation structures of the Furongian ribbon rocks in Shandong province of China: A new perspective of the genesis of limestone conglomerates[J]. Science China Earth Sciences, 2010, 53(2): 241-252.
    [14] Chen J T, Chough S K, Han Z Z, et al. An extensive erosion surface of a strongly deformed limestone bed in the Gushan and Chaomidian Formations (late Middle Cambrian to Furongian), Shandong province, China: Sequence-stratigraphic implications[J]. Sedimentary Geology, 2011, 233(1/2/3/4): 129-149.
    [15] Chen J T, Lee H S. Soft-sediment deformation structures in Cambrian siliciclastic and carbonate storm deposits (Shandong province, China): Differential liquefaction and fluidization triggered by storm-wave loading[J]. Sedimentary Geology, 2013, 288: 81-94.
    [16] van Loon A J, Han Z Z, Han Y. Origin of the vertically orientated clasts in brecciated shallow-marine limestones of the Chaomidian Formation (Furongian, Shandong province, China)[J]. Sedimentology, 2013, 60(4): 1059-1070.
    [17] Chen J T. Origin of the Furongian limestone breccias in the North China Platform[J]. Science China Earth Sciences, 2015, 58(5): 770-775.
    [18] van Loon A J, Han Z Z, Han Y. Slide origin of breccia lenses in the Cambrian of the North China Platform: New insight into mass transport in an epeiric sea[J]. Geologos, 2012, 18(4): 223-235.
    [19] van Loon A J, Han Z, Han Y. Changes in the shape of breccia lenses sliding from source to sink in the Cambrian epeiric sea of the North China Platform[M]//Mazumder R. Sediment provenance. Amsterdam: Elsevier, 2017: 277-295.
    [20] Chough S K, Chen J T. Generation of subsurface injection flow in a carbonate platform[J]. Geosciences Journal, 2013, 17(1): 3-8.
    [21] Yang R C, van Loon A J, Fan A P, et al. Evidence for fault activity during accumulation of the Furongian Chaomidian Formation (Shandong province, China)[J]. Journal of Palaeogeography, 2021, 10(4): 509-528.
    [22] Lee H S, Chen J T, Han Z Z, et al. Depositional processes and environmental changes during initial flooding of an epeiric platform: Liguan Formation (Cambrian Series 2), Shandong province, China[J]. Geosciences Journal, 2018, 22(6): 903-919.
    [23] Lee H S, Chough S K. Depositional processes of the Zhushadong and Mantou Formations (Early to Middle Cambrian), Shandong province, China: Roles of archipelago and mixed carbonate-siliciclastic sedimentation on cycle genesis during initial flooding of the North China Platform[J]. Sedimentology, 2011, 58(6): 1530-1572.
    [24] Woo J, Kim Y H S, Chough S K. Facies and platform development of a microbe-dominated carbonate platform: The Zhangxia Formation (Drumian, Cambrian Series 3), Shandong province, China[J]. Geological Journal, 2019, 54(4): 1993-2015.
    [25] Chen J T, Chough S K, Lee J H, et al. Sequence-stratigraphic comparison of the Upper Cambrian series 3 to Furongian succession between the Shandong region, China and the Taebaek area, Korea: High variability of bounding surfaces in an epeiric platform[J]. Geosciences Journal, 2012, 16(4): 357-379.
    [26] Lee J H, Chen J T, Woo J. The earliest Phanerozoic carbonate hardground (Cambrian stage 5, series 3): Implications to the paleoseawater chemistry and early adaptation of hardground fauna[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2015, 440: 172-179.
    [27] 黄汲清. 北京西山之寒武纪及奥陶纪地层[J]. 中国地质学会志,1927,6(2):69-82.

    Huang Jiqing. Cambrian and Ordovician Strata of the Western hill section, Beijing[J]. Chinese Geological Society, 1927, 6(2): 69-82.
    [28] 刘宝珺. 沉积岩石学[M]. 北京:地质出版社,1980:1-120.

    Liu Baojun. Sedimentary petrology[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1980: 1-120.
    [29] 王祥珍. 关于“竹叶状灰岩”的命名、分类、分布和形成机理的探讨[J]. 矿物岩石,1981,1(5):31-41.

    Wang Xiangzhen. Study on nomenclature, classification, distribution, and formative mechanism of flat pebble conglomerates[J]. Minerals and Rocks, 1981, 1(5): 31-41.
    [30] 章雨旭,万渝生. 北京西山竹叶状灰岩的成因[J]. 中国地质科学院地质研究所所刊,1990,22:56-64.

    Zhang Yuxu, Wan Yusheng. Origin of the flat pebble conglomerates in the Western hills, Beijing[J]. Bulletin of the Institute of Geology Chinese Academy of Geological Sciences, 1990, 22: 56-64.
    [31] 梅冥相,马永生. 华北北部晚寒武世层序地层及海平面变化研究:兼论与北美晚寒武世海平面变化的对比[J]. 地层学杂志,2001,25(3):201-206.

    Mei Mingxiang, Ma Yongsheng. Study on sequence-stratigraphy and sea-level changes of Late Cambrian in northern part of North China: Discussion on the correlation of sea-level change with that of North America[J]. Journal of Stratigraphy, 2001, 25(3): 201-206.
    [32] 梅冥相,马永生. 华北地台晚寒武世层序地层及其与北美地台海平面变化的对比[J]. 沉积与特提斯地质,2003,23(4):15-26.

    Mei Mingxiang, Ma Yongsheng. Sequence stratigraphy of the Late Cambrian strata on the North China Platform and the correlation of the sea-level changes with the North America Platform[J]. Sedimentary Geology and Tethyan Geology, 2003, 23(4): 14-26.
    [33] Ding Y, Bai Z Q, Liu J B, et al. Multiple origins for flat-pebble limestones and sedimentary environments of the Upper Cambrian Gushan Formation at Tangwangzhai in Shandong province[J]. Journal of Palaeogeography, 2008, 10(2): 125-138.
    [34] 朱茂炎,孙智新,杨爱华,等. 中国寒武纪岩石地层划分和对比[J]. 地层学杂志,2021,45(3):223-249.

    Zhu Maoyan, Sun Zhixin, Yang Aihua, et al. Lithostratigraphic subdivision and correlation of the Cambrian in China[J]. Journal of Stratigraphy, 2021, 45(3): 223-249.
    [35] Braccini E, de Boer W, Hurst A, et al. Sand injectites[J]. Oilfield Review, 2008, 20(2): 34-49.
    [36] 陈吉涛. 软沉积物变形构造研究进展[J]. 地层学杂志,2020,44(1):64-75.

    Chen Jitao. Research progress of soft-sediment deformation structures[J]. Journal of Stratigraphy, 2020, 44(1): 64-75.
    [37] Allen P A. Hummocky cross-stratification is not produced purely under progressive gravity waves[J]. Nature, 1985, 313(6003): 562-564.
    [38] Dumas S, Arnott R W C. Origin of hummocky and swaley cross-stratification: The controlling influence of unidirectional current strength and aggradation rate[J]. Geology, 2006, 34(12): 1073-1076.
    [39] Smith B P, Edie S M, Fischer W W. Tracing energy inputs into the seafloor using carbonate sediments[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2023, 120(9): e2215833120.
  • [1] 李安鹏, 高达, 胡明毅, 赵玉茹, 朱传勇, 戴逸晨.  川中地区灯影组四段微生物岩沉积模式及主控因素 . 沉积学报, 2023, 41(4): 1080-1096. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.156
    [2] 黄迟强, 陈世悦, 赫庆庆, 李强, 马培领, 韩长伟, 陈湘飞, 刘军.  山东杨庄地区寒武系风暴沉积特征及沉积模式 . 沉积学报, 2022, 40(4): 1073-1082. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.022
    [3] 张懿, 陈龙, 李建, 王东歌, 吴庆铭, 韦轶, 史强, 旷红伟, 柳永清, 廖志伟.  渝东北陡山沱组碳酸锰微生物岩沉积环境初探 . 沉积学报, 2021, 39(6): 1387-1405. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.066
    [4] 余晶洁, 宋金民, 刘树根, 杨迪, 王瀚, 赵聪, 邓双林, 何宇, 李立基.  川东北地区下寒武统龙王庙组白云岩成因分析 . 沉积学报, 2020, 38(6): 1284-1295. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.108
    [5] 刘梦瑶, 齐永安, 史云鹤, 高星, 苏中堂, 张立军.  华北寒武纪—奥陶纪豹皮状碳酸盐岩系生物扰动成因 . 沉积学报, 2020, 38(1): 91-103. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.042
    [6] 辛浩, 肖恩照, 王龙, 李屹尧, 张震武.  肥城邓家庄剖面寒武系微生物碳酸盐岩沉积序列 . 沉积学报, 2020, 38(1): 64-75. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.071
    [7] 朱筱敏, 谈明轩, 董艳蕾, 李维, 秦祎, 张自力.  当今沉积学研究热点讨论——第20届国际沉积学大会评述 . 沉积学报, 2019, 37(1): 1-16. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2018.185
    [8] 王龙, 李伟强, 王皓, 吴海, 辛浩.  华北地台马沟剖面寒武系苗岭统微生物岩的组构特征、沉积环境和地质意义 . 沉积学报, 2019, 37(6): 1193-1209. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.018
    [9] 王鹏万, 斯春松, 张润合, 李娴静, 马立桥, 黄羚, 徐云俊, 鲁慧丽.  滇黔北坳陷寒武系碳酸盐岩古海洋环境特征及地质意义 . 沉积学报, 2016, 34(5): 811-818. doi: 10.14027/j.cnki.cjxb.2016.05.001
    [10] 焦学文, 巩磊, 王超勇, 孙旭, 亓乐.  川南先锋地区二叠系—三叠系界线附近碳酸盐微相及沉积演化 . 沉积学报, 2015, 33(5): 865-877. doi: 10.14027/j.cnki.cjxb.2015.05.003
    [11] 白志强, 刘树根, 宋金民, 彭瀚霖, 林彤, 柳存喜.  米仓山南缘中志留统罗惹坪组风暴岩沉积特征及其意义 . 沉积学报, 2015, 33(2): 226-231. doi: 10.14027/j.cnki.cjxb.2015.02.002
    [12] 余宽宏, 畅通, 邱隆伟, 孙沛沛.  华北地台早古生代竹叶状灰岩岩石特征及成因研究进展 . 沉积学报, 2015, 33(6): 1111-1125. doi: 10.14027/j.cnki.cjxb.2015.06.005
    [13] 微生物碳酸盐岩油气储层研究现状与展望 . 沉积学报, 2013, 31(05): 807-823.
    [14] 湘鄂西寒武系烃源岩地球化学特征与沉积环境分析 . 沉积学报, 2013, 31(6): 1122-1132.
    [15] 郭建军.  塔里木盆地寒武系烃源岩的研究新进展 . 沉积学报, 2008, 26(3): 518-524.
    [16] 邓长瑜, 张秀莲, 陈建文, 王贤.  黔东南地区寒武系碳酸盐岩成岩作用分析 . 沉积学报, 2004, 22(4): 588-596.
    [17] 杜远生, 韩欣.  滇中中元古代昆阳群因民组碎屑风暴岩及其意义 . 沉积学报, 2000, 18(2): 259-261.
    [18] 梁百和, 朱素琳.  湘西吉首地区寒武系碳酸盐岩沉积环境的初步探讨 . 沉积学报, 1992, 10(2): 39-44.
    [19] 郑荣才, 曾允孚.  湘西渔塘早寒武世生物礁沉积相特征 . 沉积学报, 1988, 6(2): 61-67.
    [20] 吴贤涛, 胡斌, 王观忠, 张国成.  豫西焦作地区上石炭统浅海碳酸盐岩中的风暴沉积 . 沉积学报, 1987, 5(4): 1-13.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-24
  • 修回日期:  2023-08-10
  • 录用日期:  2023-08-25
  • 网络出版日期:  2023-08-25
  • 刊出日期:  2023-12-10

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    再论华北寒武系竹叶状灰岩丘成因

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.071
      基金项目:

      国家自然科学基金项目 41302077

      现代古生物学和地层学国家重点实验室自主部署项目 20221101

      作者简介:

      陈吉涛,男,1981年出生,博士,研究员,沉积学,E-mail: jtchen@nigpas.ac.cn

    • 中图分类号: P534.41

    摘要: 目的 竹叶状灰岩通常被解释为风暴沉积,但其沉积过程,尤其是含竖直砾屑的竹叶状灰岩丘的成因,仍存在很大争议。 方法 对鲁西寒武系芙蓉统炒米店组的此类竹叶状灰岩开展了传统沉积学研究,以示其蕴含的复杂的沉积过程。 结果 该竹叶状灰岩发育在两中厚层鲕粒灰岩之间,以底平顶凸的丘形为特征,也见不规则形态。竹叶状砾屑是由先前沉积的薄板状球粒颗粒灰岩,被风暴引起的强水流或波浪破碎而成;这些砾屑在鲕粒灰岩硬底构造之上,由风暴混合流改造搬运,最终呈不连续的丘状或不规则状堆积起来。杂基中的化石碎屑、破碎的鲕粒、钙化微生物团块等也指示了高能动荡的水体环境。在竹叶状砾屑沉积时,微生物在其之上或之间生长、钙化,并将砾屑黏结,阻止了砾屑被再次改造而保存为一些竖直或倾斜的排列状态;同时钙化微生物黏结或障积更多的竹叶状砾屑,而最终形成大小不一的竹叶状丘或滩。竹叶状砾屑丘在沉积之后,其边缘和顶部不断地被强水流和波浪侵蚀,并被随之沉积的鲕粒覆盖。 结论 研究揭示了丘形竹叶状灰岩复杂动荡的沉积过程,指示其经历了多次风暴事件的沉积、侵蚀和改造。基于详细系统的沉积学特征,对竹叶状灰岩的成因解释,将对深时风暴的频率、强度及沉积过程等具有一定的指导意义。

    English Abstract

    陈吉涛. 再论华北寒武系竹叶状灰岩丘成因[J]. 沉积学报, 2023, 41(6): 1662-1672. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.071
    引用本文: 陈吉涛. 再论华北寒武系竹叶状灰岩丘成因[J]. 沉积学报, 2023, 41(6): 1662-1672. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.071
    CHEN JiTao. Origin of Cambrian Flat-Pebble Conglomerate Mounds in the North China Platform[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(6): 1662-1672. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.071
    Citation: CHEN JiTao. Origin of Cambrian Flat-Pebble Conglomerate Mounds in the North China Platform[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(6): 1662-1672. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.071
      • 竹叶状灰岩是一种特殊的碳酸盐内碎屑砾岩,以其侧切面似竹叶而得名,国外多称之为扁平砾石砾岩(flat-pebble conglomerate)而更形象地描述了砾屑的三维形态。竹叶状灰岩是寒武系全球普遍发育的一种碳酸盐岩相,因其在特定地层中发育,被认为可能指示了寒武纪温室气候下独特的古海洋和古生态环境[12]。同时,竹叶状灰岩通常被认为是风暴沉积,由风暴浪打碎已固结的条带灰岩,经过搬运改造沉积而成[34]。而风暴沉积在恢复古气候和古地理演变、古板块位置等方面都具有重要指示意义。尽管如此,对风暴作用过程的认识,现代海洋观察和相关实验室模拟研究均较为匮乏,因此对很多竹叶状灰岩的成因,尤其是竖直或倾斜排列的(如倒“小”字、菊花状等)扁平砾屑的沉积过程,一直是沉积学的争论热点[1,59]。近年来,也有很多国内外相关研究表明,一些竹叶状灰岩可能是在早期成岩过程中由软沉积物变形而成[1017],并不能直接反映风暴气候及海底强水动力环境。因此,十分有必要对竹叶状灰岩的沉积过程进行精细剖析。

        竹叶状灰岩层位几何形态多种多样,多以侧向相对连续沉积为特征,但也有不同形态的透镜体状、河道状、丘状、不规则状等。在鲁西莱芜九龙山剖面寒武系芙蓉统炒米店组中部发育了一层颇为壮观的丘形竹叶状灰岩,近年来引起多位学者的关注,并对其成因进行了不同角度的探讨[1821]。因其得到广泛关注,且成因解释各不相同,又缺乏相关的沉积学证据,或会引起学界同仁的误读。作为对上述研究的补充,本文对该丘形竹叶状灰岩开展了详细系统的观察和描述,并对其成因提出新的见解。在传统沉积学研究中,对任何沉积现象的成因解释须基于翔实的野外和镜下沉积学特征,希望本文能起到抛砖引玉之作用,引起沉积学同仁的关注。

      • 华北台地是典型的陆表海碳酸盐岩台地,形成于华北板块(又称为中朝板块)稳定克拉通之上[7]。华北台地寒武系主要是一套以碎屑岩和碳酸盐岩交互沉积为特征的稳定沉积序列(图1)。鲁西地区发育的多个寒武系剖面是华北台地寒武系标准剖面(如馒头山剖面、唐王寨剖面、九龙山剖面等)。现将鲁西地区寒武系岩石地层由下至上简要介绍如下:李官组(厚约40 m)主要在临沂和淄博地区发育,上覆于前寒武纪花岗片麻岩或变质沉积岩之上,主要含交错层理石英砂岩和纹理状泥岩[22]。朱砂洞组(厚15~40 m)主要以纹理状泥状白云岩、叠层石、及灰绿色泥岩等为特征[23]。馒头组(厚220~250 m)以砖红色—紫红色泥岩、丘状交错层理砂岩及少量鲕粒灰岩等为特征[23]。张夏组(厚约180 m)以巨厚层鲕粒灰岩、凝块石、树形石为特征,在莱芜、沂南等地,张夏组中部发育盘车沟页岩段[24]。崮山组(厚50~105 m)主要以紫红色和黄绿色页岩夹薄板状、瘤状灰岩和竹叶状灰岩为特征[14]。炒米店组(厚190~260 m)主要以多种碳酸盐岩相为特征,包括条带灰岩、薄板状灰岩、生屑粒泥—泥粒和颗粒灰岩、鲕粒灰岩、微生物岩及多层竹叶状灰岩[14,25]。上覆三山子组白云岩的原生沉积岩相与炒米店组类似,但其在鲁西地区有较大的穿时性[25],这也导致其下的炒米店组的厚度有一定变化。

        图  1  鲁西寒武系综合地层;本文研究层位位于炒米店组中部,红色箭头指示的是右边柱状图的层位,柱状图标彩色的层位即是本文关注的竹叶状灰岩丘的发育层位

        Figure 1.  Integrative stratigraphy of the Cambrian in western Shandong province, showing the stratigraphic position of the studied flat⁃pebble conglomerate mound

      • 本研究关注的丘形竹叶状灰岩层发育在九龙山剖面炒米店组中部层位(图1),属于寒武系芙蓉统江山阶,即原长山阶中上部(图1)。笔者针对该层在九龙山剖面的6个露头点进行追踪研究(图2),在九龙山剖面的南侧距离800多米的三个露头点(露头1~3)以及北侧的两个露头(露头4~5),均发现在鲕粒灰岩层中发育形态不尽相同的丘形或不规则状竹叶状灰岩,但再向东侧追踪到露头6,在该鲕粒灰岩中没有发现竹叶状灰岩丘。

        图  2  山东莱芜九龙山剖面竹叶状灰岩丘出露和观察点

        Figure 2.  Outcrop sections of the flat⁃pebble conglomerate mounds in the Jiulongshan section

      • 竹叶状灰岩丘发育在一层横向产出稳定的碳酸盐岩相中,该岩层之下为薄板状泥状灰岩夹页岩,之上为钙质泥岩夹薄板状—瘤状泥状灰岩(图1)。该岩层主要含上部具波状层理的鲕粒灰岩(亚层A和B)及下部具交错层理或叠瓦状构造的竹叶状灰岩(亚层C),三个亚层均由清晰的截切面分隔(图3)。鲕粒灰岩A和B亚层之间发育清晰、突变、平缓的界面(图4a),该界面截切之下的鲕粒,横向可追踪上千米,是典型的硬底构造[26],竹叶状灰岩丘发育在该硬底构造之上(图3图4b)。

        图  3  竹叶状灰岩丘及共生岩相素描与野外照片(九龙山剖面露头1)

        Figure 3.  Sketch and photograph of the flat⁃pebble conglomerate mounds and associated facies in outcrop 1 of the Jiulongshan section

        图  4  竹叶状灰岩丘共生岩相

        Figure 4.  Associated facies of the flat⁃pebble conglomerate mounds

        鲕粒灰岩中偶夹一层2~4 cm厚、横向不连续的球粒颗粒灰岩,且具清晰的上下界面(图4c,d)。鲕粒灰岩主要含有同心鲕、少量椭圆形鲕粒、球粒及生物碎屑,亮晶方解石胶结。硬底构造之上的鲕粒灰岩A亚层下部含有少量扁平状砾屑,具板状交错层理,或呈叠瓦状或平伏状排列(图3图4a,c)。两层鲕粒灰岩普遍发育波状层理,其层面见对称浪成波痕构造(图4d,e),偶见板状—槽状交错层理。鲕粒灰岩B亚层横向(向东)厚度变薄,但其上的硬底构造依然清晰可见。

        该岩层下部的C亚层是具交错层理的竹叶状灰岩,砾屑主要为细至粗砾大小(granule⁃cobble)的泥状灰岩和球粒颗粒灰岩(图4g)。杂基主要含有球粒颗粒和生物碎屑等,一般为亮晶方解石胶结。砾屑大多具有红色氧化圈、分选较差、磨圆较好,见一端呈棱角状的破碎砾屑。少量较大的砾屑无红色氧化圈,且磨圆较差。砾屑多呈平伏状或叠瓦状,上部见板状交错层理(图3b)。竹叶状灰岩底界清晰突变,明显侵蚀下伏薄板状、具纹理的泥状灰岩;顶面亦清晰突变,该竹叶状灰岩内的砾屑和杂基被截切,其上覆为波状层理鲕粒灰岩B亚层。偶见该竹叶状灰岩由几厘米厚的一薄层含砾球粒颗粒灰岩覆盖,该颗粒灰岩也被截切,截切面偶被缝合线改造,上覆为鲕粒灰岩(图4g)。

        竹叶状灰岩席或透镜体也出现在鲕粒灰岩B亚层顶部的硬底构造之上(图3图4h,i),厚度仅为几厘米,略具平缓起伏状,有时见底部呈下凸状,类似于浅水道;砾屑主要为具红色氧化圈的泥状灰岩和少量球粒颗粒灰岩、鲕粒灰岩、和生屑颗粒灰岩,磨圆较好,但有些砾屑破碎呈棱角状;杂基多为球粒颗粒灰岩;砾屑多呈叠瓦状排列。此类竹叶状灰岩席或单独出现在鲕粒灰岩中(图4h),其顶部砾屑和杂基被截切;或位于竹叶状灰岩丘底部且二者界面可识别(图4i)。

      • 在野外露头剖面上,竹叶状灰岩丘多呈底平顶凸并向两侧逐渐变薄的丘形(图3),在不同方向的露头均可见丘形(图5a,b),表明其三维形态为圆形或椭圆形丘的可能性较大(图5a,b)。但通过一个侧面的观察,也见不规则状(图5c)。虽然如果垂向露头并非绝对平面可导致圆形丘侧切面形态不规则,但也很可能反映该竹叶状灰岩的三维形态就是不规则的。竹叶状灰岩丘两侧下部多呈清晰突变的不规则状边缘(图5d),见竹叶状灰岩团块脱离岩丘(图5d,e)。所观察到的竹叶状灰岩丘厚度多小于鲕粒灰岩的厚度,但也见其与鲕粒灰岩层顶面一致,丘厚度可达33 cm。在竹叶状灰岩丘与鲕粒灰岩层厚度一致时,竹叶状灰岩丘顶部则多呈平缓或极平坦状(图5f,g)。

        图  5  竹叶状灰岩丘几何形态及边缘特征

        Figure 5.  Geometry and margin of the flat⁃pebble conglomerate mounds

      • 丘形竹叶状灰岩主要含中至粗砾砾屑,砾屑主要岩性为具纹理状球粒颗粒灰岩,次棱角—次磨圆状(图6a~c)。见少量具红色氧化圈的均质泥状灰岩和生物碎屑颗粒灰岩砾屑,磨圆较好(图6a),偶见含海绿石鲕粒灰岩砾屑(图6a)。砾屑多呈扁平状,见弯曲起伏状。竹叶状灰岩主要为砾屑支撑、砾屑杂乱状排列、无定向结构。竹叶状灰岩丘底部见较为完整的薄板状球粒颗粒灰岩和平伏的砾屑,而其上部多为倾斜和竖直排列的砾屑,且上部的砾屑和杂基均被截切(图6d),顶部竖直砾屑360°均有排列(图5g)。

        图  6  竹叶状灰岩砾屑和杂基特征

        Figure 6.  Characteristics of clasts and matrix of the flat⁃pebble conglomerate mound

        杂基主要含有白色、具纹理状或凝块状微生物岩(多为泥晶—微晶方解石),以及褐色白云岩(图6a~d)。见叠层石发育在砾屑之上,呈小型隆起构造,几至几十厘米宽、几厘米高(图6b~d);镜下可见交替出现的泥晶(钙化微生物?)和亮晶方解石的纹层,沿纹理也见明显的泥晶化的钙化微生物团块(图6e)。砾屑上侧常见原地发育的葛万菌(Girvanella)和似肾形菌(Renalcis)等钙化蓝细菌(图6f,g)。杂基也含钙化葛万菌碎屑和团块(图6h,i),见破碎鲕粒和多期次鲕粒(图6j),生物碎屑包括三叶虫、棘皮类、腕足类、钙藻等,以及球粒、海绿石等颗粒(图6k)。杂基局部被白云岩化,形成自形白云石晶体(图6l)。

      • 我国学者对竹叶状灰岩的研究可追溯到20世纪20年代[27],之后很多学者对竹叶状灰岩的成因展开讨论[4,6,9,13,17,2833],其成因大多被解释为风暴沉积。竹叶状灰岩一般呈现不同形态的层位几何形态和砾屑的排列状态等特征,因此也被解释为风暴流不同程度搬运和改造之后在不同沉积环境下的沉积(如原地和异地沉积)。鲁西寒武系炒米店组鲕粒灰岩中发育的丘形竹叶状灰岩,因见其在一些露头中有较为规则的丘状形态,其成因解释引起诸多讨论[1821]

        非常遗憾地指出,van Loon et al.[1819]没有经过系统细致观察,认为这些竹叶状灰岩丘均含有相同的成分和组构,而且这些竹叶状灰岩丘具有“头部和尾部”,以及“底部的剪切带”等特征,但据本文上述特征可以看出,其实均不然。而作者据此将这些竹叶状灰岩丘解释为滑移(sliding)而成。但如果是滑移,那么这些丘形竹叶状灰岩是怎么被破碎而成的?若如作者所述,可能是风暴破碎而成,又为何未在地层中广泛出现?因为没有直接的地质证据,只能推测,可能是由于极强风暴引起竹叶状灰岩岩块的滑移(及随后的不断破碎),但风暴引起的什么沉积过程和水动力条件将之破碎?云云,不得而知。

        而在其后的研究中[21],van Loon作为通讯作者在其2012年的文章基础上,又增加了一些新的野外照片,以佐证其相关论点,但对一些岩性的描述是完全错误的。如将寒武系典型的条带灰岩,即浅灰色泥状灰岩(lime mudstone)和黄色泥灰岩(marlstone)互层,分别描述为鲕粒灰岩和泥状灰岩(文献[21]中图14);将一些竹叶状灰岩杂基中的白云岩描述为鲕粒灰岩(文献[21]中图15)。另外,作者在该文中提出新的观点,否定了之前的猜测,认为风暴不可能打碎一个横向连续的岩层,也无法让其移动并滑移[21]。作者又提出海啸可触发上述现象的推论,但海啸同样会引起其他沉积现象,而他们却没有发现这类证据(也没有进一步解释)。最终,该文作者提出最可能引起竹叶状灰岩层破碎并滑移的机制是地震作用,且地震作用是由同沉积断层引起;其推测的同沉积断层是由于不均一的沉积速率和载荷导致,这一论断也没有任何地质证据或参考文献佐证,而且作者在后文中又提及(华北)陆表海并非以显著的水深变化为特征。既是如此,又何来不均一的沉积速率和载荷导致同沉积断层?貌似自相矛盾。更何况整个鲁西地区炒米店组(及其之上的三山子组)原生沉积岩相类型和厚度并没有较大变化[14,25,34]

        另一方面,笔者与研究生导师根据前期工作认为这些竹叶状灰岩丘并非丘形,也可能像是底平顶凸的“隧道”形状[20],并将之解释为液化的含竹叶状砾屑的流体,在外力触发下注入到鲕粒灰岩中。虽然注入岩(injectite)的确经常发育在碎屑岩体系中,并形成多种几何形态,如碎屑岩墙、岩床、沙火山等[3536],但文中所描述的竹叶状灰岩若是由含砾屑的液化流注入鲕粒灰岩,又为何没有突出于该鲕粒灰岩层之上,即便其之上的泥岩比鲕粒更难以固结,也没有发现任何挤入泥岩的现象。相反的是,竹叶状灰岩的顶面最多与鲕粒灰岩层同高(图3),并以平滑的硬底构造为特征。

        因此,本文认为这些竹叶状灰岩丘并非是由碎屑岩墙的挤入形成的[20],也非风暴、海啸或地震引起的竹叶状灰岩层的破碎及滑移而成[1819,21],应该是在初始沉积过程中堆积、改造形成。具体沉积过程详细阐述如下。

        亚层C竹叶状灰岩中的板状交错层理、叠瓦状构造等特征指示其沉积于较强的牵引流作用之下(图7a)。大多砾屑和杂基由该牵引流搬运、磨圆,甚至再次破碎,并在此沉积,而少量较大的、形状不规则的砾屑则可能是由强水流在原地侵蚀、破碎薄板状灰岩形成。破碎的和磨圆较好的砾屑均指示高能状态下砾屑之间强烈的碰撞。该竹叶状灰岩或其之上局部堆积的球粒颗粒灰岩均被截切,表明其在遭受侵蚀之前已经固结为硬底构造。波浪不断磨蚀竹叶状灰岩亚层C之上的硬底构造,同时沉积形成波状层理鲕粒灰岩(亚层B,图7b)。鲕粒灰岩亚层B在胶结后也被侵蚀,形成广阔的硬底构造。在该硬底构造面之上,风暴混合流搬运并沉积薄层的、横向不连续的竹叶状灰岩(图4h,i),并在其之上沉积一定厚度的丘状交错层理球粒颗粒灰岩(图7c)。这些薄板状球粒颗粒灰岩被风暴浪原地破碎成砾屑(图7d),并可能继续侵蚀之下的鲕粒灰岩硬底构造。在硬底构造之上,强大的风暴浪加之风暴引起的盆地回流相互干涉形成的混合流,将从上游或附近搬运而来的砾屑以及先前原地破碎的砾屑,堆积成初始的竹叶状砾屑丘或不连续的、厚度不均的砾屑层(图7e);在风暴过后,砾屑之上和之间的空隙被蓝细菌充填,并形成叠层石。叠层石的黏结阻碍了竖直砾屑被再次改造,并进一步黏结或障积下次风暴流带来的砾屑,最终逐渐形成大小不均的竹叶状砾屑丘或滩(图7e)。之后,可能由风暴引起的强水流携带少量砾屑和鲕粒,搬运并堆积形成A亚层下部的板状交错层理含砾鲕粒灰岩;在风暴之后,在以正常波浪主导的鲕滩环境中,波状层理鲕粒灰岩逐渐堆积(图7f)。在竹叶状砾屑丘或滩堆积形成之后,不断地遭受水流和波浪的冲刷改造,形成清晰的边缘,而竹叶状砾屑丘顶部可能遭受波浪长时间的磨蚀,形成平坦的硬底构造(图7f)。这之后,可能由于相对海平面上升,钙质泥岩沉积于正常浪基面之下。

        图  7  竹叶状灰岩丘沉积过程

        Figure 7.  Depositional processes of the flat⁃pebble conglomerate mounds

        由此可见,这几十厘米厚的岩层中,蕴藏着多次风暴事件引起的、跌宕起伏的沉积过程和水动力条件的变化,加之钙化微生物的参与,使得这种含竖直扁平砾屑的竹叶状灰岩丘最终堆积保存于鲕粒灰岩中。以上是对该竹叶状灰岩丘沉积成因定性的分析和讨论。风暴引起的混合流能搬运细砂级沉积物并在正常浪基面之下、风暴浪基面之上形成丘状—洼状交错层理[3738]。强大的风暴引起的混合流能否搬运并堆积竹叶状砾屑,并形成砾屑丘或滩,尚需水槽实验或计算机模拟等对水动力机制进行定量研究[39]

      • 鲁西寒武系炒米店组在鲕粒灰岩中发育的竹叶状灰岩丘应该是再风暴引起的初始沉积过程中堆积、并被后期的水流和波浪改造而成,其反映了复杂的沉积过程和水动力条件。先前由风暴混合流形成的薄板状球粒颗粒灰岩再次被后来强大的风暴引起的水流或波浪破碎、搬运、并堆积成似丘状形态。在沉积之后,钙化微生物的黏结作用使得竖直状扁平砾屑得以保存,并可再次黏结或障积砾屑或其他碳酸盐颗粒,最终竹叶状灰岩丘在水流和波浪的不断侵蚀下,被同时沉积的鲕粒埋藏。

        对该竹叶状灰岩丘成因的探讨,是基于对其详细野外特征的过程解释,若有不当之处,敬请学界前辈和同仁批评指正、不吝赐教。因篇幅有限,未能展示该层的所有野外和镜下特征,如有同仁对此感兴趣或有异议,抑或想了解更多相关特征,欢迎随时与笔者联系,也可同去野外现场讨论。

    参考文献 (39)

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