桌子山拉什仲剖面奥陶系层序地层分析

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一、沉积地层及古地理格局

鄂尔多斯盆地属于华北古大陆的一个重要组成部分，基底由太古宇—古元古界的结晶岩及部分沉积岩组成，其上沉积了近万米的沉积盖层，其中早古生代发育碳酸盐台地型沉积，晚古生代向内陆湖盆转化，中、新生代为陆相成盆期。

桌子山与岗德尔山地区，缺失相当于冶里组和亮甲山组及上奥陶统的地层，由老到新下奥陶统发育三道坎组、桌子山组和克里摩里组，中奥陶统出露乌拉力克组、拉什仲组、公乌素组和蛇山组（表3-2）。

三道坎组由一套灰紫色中厚层状具交错层理的石英砂岩与白云岩、白云岩化生物屑灰岩、含生物屑灰岩、粒屑灰岩的不等厚互层沉积组成。砂岩由北向南厚度渐次减少，至贺兰山、青龙山一带完全相变为灰岩，由此推断砂岩物源为鄂尔多斯盆地北部的乌兰格尔隆起。三道坎组的砂岩属于砂滩或海陆过渡相沉积，白云岩及灰岩为局限台地相夹台地边缘浅滩相沉积。

桌子山组主要为含生物屑灰岩或生物屑灰岩、粒屑灰岩及豹斑状灰岩，富含蓝绿藻丝状群体、管状体，见红藻屑、角石、腕足、棘屑、海绵骨针等生物屑，属于台地边缘生物滩或生物礁相。至贺兰山一带相变为暗色含燧石条带或结核的砾屑灰岩、白云岩、微晶灰岩、泥灰岩，称中梁子组，分析为盆地边缘相。

克里摩里组的沉积特色与下伏地层大相径庭，岩性为暗色薄层灰岩、泥灰岩，夹生物屑灰岩、黑色页岩、瘤状灰岩及燧石条带，水平纹理发育，具有低密度钙屑浊积岩及等深积岩，含浮游有孔虫、笔石、三叶虫、小腕足屑及海绵骨针，属于广海陆架相至斜坡相。贺兰山地区相当的层位发育浊流沉积，与本区拉什仲组沉积特征相似，为盆地边缘相和盆地相。

表3-2　鄂尔多斯盆地北部地层

克里摩里组沉积晚期，水体加深，黑色笔石页岩横向分布稳定。到乌拉力克组沉积初期，海平面下降，形成水下滑塌－碎屑流沉积，随后快速上升并发生几次振荡性海平面升降，沉积面貌总体上以黑色页岩为主，夹砾屑灰岩、低密度钙屑浊积岩和薄板状灰岩，属于盆地相与斜坡相（碎屑席）。西南方向的贺兰山一带呈盆地相与盆地边缘相。

拉什仲组主要由砂质、粉砂质浊积岩与页岩的不等厚互层沉积组成，属于盆地边缘相。

公乌素组下部为灰绿色粉砂质泥岩、页岩，上部为薄层灰岩夹砾屑灰岩和浊积砂岩，属于盆地边缘相及广海陆架相。

蛇山组下部为浊积砂岩，中部为粉砂岩与页岩夹薄层生物屑灰岩，上部为介屑灰岩。属于盆地边缘相至台地边缘浅滩相。

宏观古地理格局再造，有助于详细的沉积层序分析。

二、层序地层格架

层序地层学的主要任务是建立以不整合及与之可以对比的整合为界的、周期性的、成因上有联系的年代地层格架，并在这个格架内分析沉积地层的空间分布型式。

1.露头层序地层学分析步骤

虽然露头层序地层研究中三维控制因素仍而是一个殊而未决的难题，然而可以最大限度地获取地质信息。逐层详细分析，识别向上变粗或向上变细的成因地层单元，并由此划分出准层序，这是露头层序地层工作中的首要步骤。

在一次海平面升降周期中，沉积环境必然发生相对应的变化。因而，分析沉积相与古环境是很重要的。同时根据各种指相标志确定古水深，其中波基面和风暴浪基面是两个重要的水体深度分界面。

在此基础上，确定三个关键界面，建立层序地层格架及空间分布型式；由高分辨率的生物地层学、同位素及磁性地层学确立地层时代并编制海平面升降曲线。

2.几个重要界面的识别标志

层序及体系域是由层序边界、最大海泛面及首次海泛面区分开的。在建立层序地层格架时，首先需要识别最大海泛面与密集段。密集段横向上分布稳定，易于追踪，是一个良好的地层对比标志层，层序边界和首次海泛面必然位于相邻的两个密集段之间。

（1）密集段（CS）的识别标志。桌子山地区奥陶系典型的密集段由黑色笔石页岩和暗色泥页岩组成（例如CS12—CS22，图3-1和表3-3），也见由泥灰岩、灰质页岩、夹泥质层的微亮晶灰岩及海底硬底组成（例如CS5—CS11，图3-1和表3-3）。在近岸部位，特别是陆源碎屑沉积与碳酸盐岩混积的环境中，密集段可能由含生物屑灰岩或生物屑粉砂质灰岩（wackstone或packstone）组成（例如CS1—CS4，图3-1）。密集段形成于海进高潮期缺氧还原环境，可容纳空间相对最大，沉积速率最低，因而浮游生物或微体生物丰度最高、变异度最大，新分子易出现，露头上页岩中常见笔石顺层面分布（例如CS18和CS19，图版Ⅰ－1），灰岩中见盲眼三叶虫（例如CS14）。纯碳酸盐层序的密集段特征不典型，多见泥灰岩。

（2）首次海泛面（first flooding-surface）的识别标志。首次海泛面是区分低水位体系域与海进体系域的重要界面。该面在浅水区域相对容易识别。区内三道坎组几个层序的首次洪泛面附近，含内源砾石、外源砾石及大量顺层分布的腕足屑，即海进滞留砾岩（图版Ⅰ－2）。首次海泛面（ffs）之上，沉积标志具有水体加深或水质变清的证据。例如层序1,ffs之下为具交错层理的滨岸砂岩，其上砂层变薄，含粉砂质钙质泥岩及灰岩增厚；再如层序2和3,ffs之下为厚层砂岩，其上变为介屑灰岩、含生物屑灰岩。

图3-1　桌子山拉什仲剖面奥陶系层序地层分析

续图3-1　桌子山拉什仲剖面奥陶系层序地层分析

续图3-1　桌子山拉什仲剖面奥陶系层序地层分析

续图3-1　桌子山拉什仲剖面奥陶系层序地层分析

1—砂岩；2—泥岩；3—藻灰岩；4—陆架灰岩；5—介壳灰岩；6—泥灰岩；7—灰岩；8—鲕粒岩；9—白云岩；10—白云质灰岩；11—生物屑灰岩；12—鲕粒灰岩；13—燧石灰岩；14—竹叶状灰岩；15—砾屑灰岩

表3-3　桌子山拉什仲剖面奥陶系密集段的特征

（3）I型层序边界的识别特征。桌子山地区既有I型层序也有Ⅱ型层序，它们的识别是以层序边界性质为依据。I型层序边界的识别标志归纳如下：

① 地层缺失、削截标志：当相对水平面迅速下降、陆架坡折以上的可容纳空间（ac-comondation）急剧减小（甚至为零），则地层出露地表，前高水位期的沉积物遭受剥蚀，致使层序边界处出现削截标志；某些重大层序边界附近往往有大套地层缺失或由构造运动增强了不整合的信号（图3-2，图版Ⅰ－3、Ⅰ－4）。例如SB1，其下缺失了下奥陶统冶里组和亮甲山组的一套地层（图3-1和表3-4，图版Ⅰ－5），SB30之上缺失了上奥陶统的一套地层，其上直接覆盖石炭系具蜂窝状褐铁矿的粉砂岩（图3-1，表3-4），它们均为重大的层序边界。

表3-4　桌子山拉什仲剖面奥陶系层序边界特征

② 暴露标志：陆架出露地表，沉积物出现过路作用，除有侵蚀作用外，还会在层序边界部位出现暴露标志，例如古风化壳、干裂、雨痕、泡沫痕、大量生物垂直钻孔、赤铁矿及铁质浸染等（图3-2）。寒武系底界见古风化壳，SB1（图3-1，图版Ⅰ－6）见干裂等暴露标志。

图3-2　I型层序边界（SB）的识别标志

a—构造运动增强的不整合；b—古风化壳；c—层序边界之上地层上超；d—水下侵蚀（碎屑流）作用；e—浅水相覆盖在深水相之上；f—浑水沉积覆盖在清水沉积之上；g—层序边界之下发育白云岩，其上有帐篷、古溶洞构造；h—台地因淹没而消亡，层序边界之上发育大量碎屑浊积岩

③ 地层上超：包括滨岸上超和陆坡上超。在一些大的地层断面上（例如陡崖、广阔的露头），可以观察到某些层序边界之上有地层超覆的现象。例如SB1、SB3、SB4等之上见上超现象（图3-1和图3-2）。

④ 斜坡前缘侵蚀：I型层序边界形成时，会发生明显的斜坡前缘侵蚀，使台地、台地边缘和斜坡上的大量沉积物被搬运走，以密度流或牵引流的沉积作用而顺坡堆积下来。桌子山地区的斜坡前缘侵蚀主要表现为滑塌和碎屑流沉积，某些层序边界之上（例如SB19）出现几套碎屑流沉积。克里摩里组的SB14、SB15和SB16，乌拉力克组的SB19、SB20和SB21，这些层序边界之上均见碎屑流沉积（图3-1，图版Ⅰ－7），SB16附近还见碎屑流岩墙。碎屑流沉积以乌拉力克组特征显著，岩性为砾屑灰岩，砾屑成分有桌子山组的藻粘结灰岩、克里摩里组的薄层状灰岩、页岩、低密度钙屑浊积岩、下伏层位的碎屑流沉积；砾屑大小不一，最大可达lm以上，最小仅几毫米，一般几至几十厘米；砾屑随机分布，但是大部分顺层分布。这种侵蚀作用在台地上表现为下切谷的下切作用，桌子山青年农场克里摩里组多见，层序16为其一例（图版Ⅰ－8和图3-1）。

⑤ 浅水相覆盖在深水相之上：在低水位期，海平面下跌到陆架坡折以下，滨岸相向海洋盆地迁移，导致浅水相直接覆盖在深水相沉积之上。克里摩里组层序18就是一例（图3-1），SB18之上为潮坪沉积，其下为广海陆架相和斜坡相沉积。

⑥ 浑水沉积覆盖在清水沉积之上：碳酸盐岩和硅质碎屑岩在形成环境、海底地形、物源性质及沉积物供应速率或生产率、沉积作用和（或）扩散作用等方面都有很大的差异，当碳酸盐台地消亡而转化为硅质碎屑沉积时，或者在大套碳酸盐沉积之间插入相当厚的滨岸砂岩时，可以产生明显的不整合。三道坎组的五套（SB1-SB5之上）即为此例。以SB1之上的砂岩为例，下伏的寒武系地层为巨厚的碳酸盐台地型沉积，其上缺失了下奥陶统冶里组和亮甲山组的地层，接着沉积了约5m厚的具交错层理的滨岸砂岩或海陆过渡相砂岩，其间存在一个巨大的不整合。

⑦ 大规模浊积岩：台地消亡的起因，一是暴露消亡，在数千年的滞后时间后再次被淹没而台地重新发育；另一种情况是沉没消亡，即台地沉没到透光层之下被大量陆源碎屑沉积物覆盖而消失（图版Ⅱ－1、2、3，图版Ⅱ－1、Ⅱ－2、Ⅱ－3）。

桌子山地区在乌拉力克组沉积时，古环境发生了很大变化，古水深显著加大，黑色页岩占统治地位并逐步向陆源沉积物转化；到了拉什仲沉积期，由于水体深坡度大，海平面骤然下降而导致浊流发生。这些浊积岩规模大、阵发性强，底部往往含泥页岩内碎屑，相当于Mutti（1985）的I型或Ⅱ型扇体。根据槽模（图版Ⅱ－4）所测的古水流方向为40°～450，估计物源为北东方向的乌兰格尔隆起。区内厚层浊积岩之下通常发育相当厚的暗色泥页岩或粉砂质泥岩，因而层序边界位于浊积岩底部或邻近部位（图3-2）。缓坡台地沉没消亡时，层序边界与密集段可能在陆架坡折之上近陆部位重合。

⑧ 成岩作用标志：J.F.Sarg等（1988）认为：形成I型层序边界时出现两种主要作用，即斜坡前缘侵蚀作用和区域性淡水透镜体向海方向迁移，后者实质上与成岩作用有关，其中以白云岩化作用关系密切。

在高水位晚期，可容纳空间大幅度降低，干燥区蒸发作用强烈，可以形成萨布哈环境；在潮湿区，天水淋滤溶解早期沉积物，高镁方解石和文石被低镁方解石交代，镁离子出溶、迁移而发生白云岩化；或者天水与少量海水混合，构成大规模的混合白云岩化；或者在潜流带及大气水—海水混合带中发生白云岩化。总之白云岩化往往与台地暴露相关联。在桌子山地区，层序边界常见位于方解石质岩帽及白云化层之上或灰岩/白云岩的分界处（图3-1及3-2）。层序边界之下的亮晶方解石胶结物和大套白云岩，解释为海退的终结及暴露作用的发生。若层序边界规模小、暴露时间短，成岩作用只影响到浅部高水位期沉积、强度相对较弱，可以见到溶解作用、压溶作用、地下水胶结作用、帐篷构造等（图版Ⅱ－5），内陆架区具有显著的白云化作用。下奥陶统的I型层序边界之下普遍发育白云岩（图版Ⅱ－6，图3-2）。例如层序1的边界之下，寒武系上部出现大套白云岩，在阿不切亥沟、苏必沟及老石旦东山剖面上均见成岩作用向上愈来愈强烈的现象。

上述层序边界的识别标志是根据桌子山地区元古宙和古生代（AnZ—C；主要是奥陶系）的地层总结出来的，并非是惟一的，确定层序边界时需要综合多种标志、区域上进行对比和追索，才能得出合理的结论。

（4）Ⅱ型层序边界的识别标志

Ⅱ型层序边界形成时，海平面发生过短暂的下降，随之上升，因而识别特征没有I型层序边界显著。根据桌子山地区的观察结果，Ⅱ型层序边界有如下识别标志：

① 薄层褐色粉砂岩（滨岸下迁）：见于层序17边界之上，岩性为铁褐色、灰黄色泥质粉砂岩，仅5cm厚，与下伏地层呈整合接触关系，上覆地层见向北东方向超覆的特征。这种现象解释为滨岸向海的迁移，与I型层序边界之上的厚层砂岩本质不同，反映短时期的海平面下降（图3-1,SB17；图版Ⅱ－7）。

图3-3　内蒙古桌子山与华北和东北地区奥陶系剖面对比

（据长春地质学院，1979）

1—页岩；2—砂岩；3—石英砂岩；4—砾岩；5—泥灰岩；6—灰岩；7—泥质灰岩；8—砂质灰岩；9—竹叶状灰岩；10—鲕状灰岩；11—角砾状灰岩；12—含燧石灰岩；13—含变质角砾状灰岩；14—白云岩

② 暴露及成岩作用标志：Ⅱ型层序边界仅在近岸部位有微小的侵蚀。成岩作用强度相似于小规模的I型层序。在桌子山组见溶洞角砾岩、不稳定岩屑的溶解、粒间充填亮晶方解石胶结物、层序边界之下为白云质灰岩、具风化外貌的红色页岩片状泥岩（图3-1的SB6、SB8、SB11、SB13），克里摩里组见渗滤豆、帐篷构造等。

Ⅱ型层序主要发育于桌子山组，这与当时的构造背景有关，分析该期为具镶边的陆架或缓坡台地，构造运动相对较弱，由于碳酸盐岩产率高、不断向上建筑到使可容纳空间降低而形成的。

3.层序地层格架

由层序边界的识别，结合密集段的分布特征，通过横向追索与对比，在桌子山地区奥陶系地层中共识别出29个层序，其中I型层序共23个，Ⅱ型层序共6个。按底界值488Ma、顶界年龄458Ma计算，每个层序时间跨度平均约为1.035Ma，与Mitchum等（1991）所指的三级层序（0.5～3.0Ma）相当（表3-1），部分为高频层序。鄂尔多斯盆地3级层序和高频层序发育的原因是：①碳酸盐沉积对海平面变化的反映十分敏感；②早奥陶世时，区内构造运动弱，沉积速率相对较高，有利于高频层序发育；③中奥陶世时，局部构造运动造成盆地内部隆起或沉积很少，西缘为坳拉槽型盆地，受相邻几个海域的共同影响，形成了多旋回式沉积。根据层序地层学原理（Vail等，1988;Wagoner等，1990），一个完整的层序应该包括低水位或陆架边缘、海进和高水位体系域。盆地西缘地处“坡折”附近，地层记录比较完整，大多数层序旋回满足上述条件，这些旋回式沉积应称为“层序”，按时间尺度，部分为4级层序或高频层序。本区层序旋回及海平面升降曲线见第4章表4-3和图4-4。海平面升降曲线是根据可容纳空间的变化或相对容纳空间编制的，经对比，区内早奥陶世层序发育的频率高，具有高频层序的特征；奥陶世的层序旋回具有全球性规律。由“可容纳空间包络”看，区内早奥陶世与Exxon的全球性海平面变化规律不尽合拍，这是局部环境及局部构造运动造成的；中奥陶世完全合拍；与Arco公司（1994）的海平面升降曲线二级旋回吻合程度相当高。

图3-4　桌子山阿不切亥沟寒武纪地层系统（图例同图3-1）

另外，对于桌子山地层的时代归属问题，前人讨论甚多，并曾与华北和东北地区进行过对比（图3-3、图3-4）。

三、小结

（1）碳酸盐岩属于内源沉积物，层序的发育与台地的性质与演化、海水的进退、台地的淹没与暴露等因素有关；

（2）总结了露头层序地层工作方法；

（3）确定了密集段、首次海泛面和层序边界的识别标志；

（4）建立了高分辨率层序地层格架，在奥陶系识别出29个层序。密集段及其附近层位的暗色页岩可能是大气田区的主要源岩，岩隆、层序边界部位的白云岩及浊积岩是良好储层；

（5）为后续建立缓坡及镶边陆架层序及体系域模式，建立可容纳空间变化曲线，奠定了实际和理论基础。

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