北京西山上二叠统红庙岭组沉积现象特征及沉积环境分析

北京西山上二叠统红庙岭组沉积现象特征及沉积环境分析摘要北京西山上二叠统红庙岭组是一套具有多个旋回沉积序列的砂岩泥岩页岩地层。在本次西山地质实习中，我们观察了上二叠统红庙岭组的一套砂岩为主夹有泥页岩的地层，根据沉积物的沉积特征，按照沉积物颗粒粗细，颜色变化，我们将其划分为几个不同沉积相沉积的产物。结合我们所学知识，对北京西山上二叠统红庙岭组进行沉积环境分析。关键词砂岩河流相沉积沉积旋回区域背景分析北京地区从太古宙以来经历了前吕梁期的地台结晶基底形成发展、后吕梁期一印支期的地台盖层发育和燕山一喜马拉雅板滨太平洋大陆边缘活动3个构造发展阶段，区域构造格架表现为早期的东西向或近东西向隆起坳陷或褶皱断裂为后期北东、北北东或近南北向褶皱、断裂的交切复合的特点。经历了由强烈下陷、褶皱活动为主，发展为以稳定隆起坳陷为主，复又再活动为隆起褶皱、断陷以至拉张，呈断块式不断掀斜，形成多旋回螺旋式推进，继承活动和较新地壳构造运动相互交替的发展演化过程。时间上表现为多旋回、多期次性，空间上表现为多层次性。地质构造发展划分为3大阶段，即早前寒武纪的陆块结晶基底形成发展阶段、中元古代显生宙盖层发育阶段、中新生代构造变形阶段。沉积现象描述上二叠统红庙岭组地层分布在北京西山，我们的实习地点在火车道旁，实习区区内地层出露良好，可见良好的地层露头。在实习区内我们观察到该组地层具有明显的粒度变化，颜色变化，沉积物具有明显的分层现象。在部分地区可见水平层理（低角度交错层理）、板状交错层理，此外还可观察到有明显的水流冲蚀痕迹，部分地区可见明显的冲刷充填构造。根据沉积物的粒度变化，结合该地区大的沉积演化背景，我们将上二叠统红庙岭组划分出八个沉积旋回。下面是对划分地层所列出的地层层序描述，因为没有测绳等专业工具，故没有地层厚度标识，但对所要讨论的沉积环境及水动力条件变化在宏观上没有影响。45土黄色粉砂岩44土黄色细粒砂岩43中粗粒石英砂岩42土黄色细砂岩（风化面紫红色）————————————————————————————————41粗粒砂岩40细粒砂岩39粗粒砂岩38细粒砂岩37中粒砂岩————————————————————————————————36粗粒砂岩35土黄色页岩34土黄色粉砂岩（风化面紫红色）33土黄色中细粒砂岩32灰白色中粗粒砂岩（板状交错层理）31土黄色页岩30土黄色中细粒砂岩29土黄色页岩（风化面紫红色）————————————————————————————————28粗粒砂岩风化面紫红色27土黄色页岩26灰色泥质粉砂岩————————————————————————————————25中粗粒砂岩24青灰色含砾砂岩23青灰色中粗粒砂岩22土黄色细砂岩————————————————————————————————页岩21土黄色中粗粒砂岩20青灰色中粗粒含砾砂岩（风化面土黄色）19青灰色中细粒砂岩（风化面紫红色）18石英脉断层泥17青灰色细砂岩16青灰色粉砂岩15中灰深灰色灰岩（水平层理，低角度交错层理）14青灰色中粗粒砂岩13青灰色泥质粉砂岩————————————————————————————————12青灰色中粗粒含砾砂岩11暗红色泥质粉砂岩10青灰色粗粒含砾砂岩9浅灰色粉砂岩8青灰色中细粒砂岩————————————————————————————————7青灰灰白色中粗粒含砾砂岩6青灰灰白色含砾粗砂岩5土黄色泥岩4青灰色中粗粒砂岩（板状交错层理）3土黄色页岩2青灰色中细粒砂岩1灰黑色页岩沉积物的颜色变化在观察中我们发现该套地层具有明显的颜色变化，根据我们所学的沉积物颜色特征及其所反映的沉积环境特点，我们知道该地区处于氧化环境与还原环境的不断变化之中，因此该地区的颜色变化反映了该地的水深在深与低角度交错层理浅之间来回变化。这反映了一种由于海进海退带来的水平面变化特点。由此我们可以推测在上二叠纪时期海平面是在不断变化的，但这种变化是不断往复波动的。虽然我们无法获得确切的海平面变化资料，但由此可以分析由于沉积环境水水体深度的变化而对沉积物物源带来的影响。在我们分析砂岩的粒度粗细变化时可以根据水深不同，水动力条件不同，从而对沉积环境进行划分。2沉积旋回的分析在第一个沉积旋回中观察到沉积物的变化是从细到粗顺序是带有页理的粘土岩页岩，然后变为中细粒砂岩，再变回页岩，然后变为中粗粒砂岩，并且在中粗粒砂岩中发育有板状交错层理，接着又变回泥岩，粗砂岩，到含砾砂岩。在本旋回中，又包含三个小的沉积物粒度旋回变化。根据观察知道，该旋回中沉积物开始时沉积的是粘土型沉积物，颗粒较细，这反映了一种稳定的水动力条件。其沉积环境可能是河流三角洲、湖泊的半深湖到深湖地区或浅海。然后我们观察到有细砂岩到中砂岩的过渡，这表明该地的沉积环境由静水环境逐渐向水动力弱的环境开始转变。符合该沉积物沉积的环境有河流、湖泊、滨海。接下来又观察到页岩到中粗粒砂岩的变化，在中粗粒砂岩中我们观察到有板状交错层理发育，并且有冲刷面的出现。在5，6，7三个地层中粒度变化与1,2；3,4；变化基本相似，但在7层中出现了砾石，砾石的出现反映了该地区水动力条件较强。根据上述分析，我们可以判断在最初红庙岭组沉积环境应该是由静水环境向动荡的环境过渡，这与河流和湖泊的交汇处相符。在第二个沉积旋回中我们可以观察到沉积物由细砂岩到中砂岩粗砂岩的过渡，中间出现明显的跳级现象，这反映了该地区水动力条件变化较快，且逐渐变强，根据相序定律，可以知道该地区在该时期水体是由深水向浅水过渡的，这说明在该时期本地区的水体整体上是在变浅的。整体的水体变浅揭示了当时的大沉积环境可能是干旱的，这与相关文献中研究的结果大致相同。在第三个和第四个沉积旋回中，沉积物粒度变化具有层次感，从细砂岩到中砂岩再到中粗粒砂岩，沉积物的粒度变化和第一个第二个旋回的变化基本相似，也符合沉积环境是河湖相，可推测该时期沉积环境与第一和第二个旋回沉积环境相同。在第五个沉积旋回中，沉积物粒度变化比较突兀，从页岩一下子就变化到了中粗粒砂岩，在这中间出现了明显的跳级现象，根据相序定律，只有在横向上连续的沉积环境在垂向上才会出现地层叠覆，这与相序定律明显不符。违反了相序定律，但是相序定律也并不一定完全适用。通过进一步分析，我们由此可知在该沉积旋回内有剧烈的环境变化，由此而带来水动力条件变化，在极短的时间内，沉积物物源由粘土型沉积物转变为碎屑性沉积物。这期间该地区水体应该是急剧变浅，若原来是深湖则在短时间内变为浅湖，若是河流，则是有三角洲前缘向后三角洲变化。在第六个沉积旋回中页岩向砂岩的过渡与第五个沉积旋回类似，在该旋回中有三次沉积物粒度变化，都是由页岩开始到粗粒砂岩结束，其变化更多，跳级现象更明显，根据对第二个沉积旋回的表述，这里与其一致，在此就不再重复阐述。第七个旋回主要是砂岩粒度的变化这表明在一段时期内，该地区是水动力条件在缓慢变化，沉积物物源变化也不太明显，中砂，粗砂的变化说明该地区水动力条件较强，有可能是河流的下游河口三角洲处，也可能是浅湖环境。因为在开始的分析时候已经排除了该地区是海相环境，故此处也不在做过多的阐述。第八个旋回中沉积物的粒度较细，明显的反应水动力条件的特征是静水环境，在该时期水动力变化不太明显。根据前面的分析，可以判断该时期沉积环境应该是再一次向静水环境变化。板状交错层理浅海相沉积、河流相沉积和湖泊相沉积的辨析1河流相沉积河流相，冲积平原河流相完全属于陆相组，按泛滥盆地发育程度可将河流沉积体系再划分为曲流河和辫状河。其中辫状河河道砂岩发育，泛滥盆地不太发育，砂泥比较高，曲流河则相反。沉积相单元包括河床滞流沉积、边滩、心滩、天然堤、决口扇、泛滥盆地等沉积单元，其中河床滞流沉积、边滩及心滩属于河道亚相，天然堤、决口扇属于堤岸亚相，泛滥盆地属于岸后亚相。河流相总体上表现为向上变细的正粒序结构。河道亚相：河道沉积以粗碎屑岩为主，由底部河床滞留沉积和向上粒度变细、沉积构造规模变小的边滩或心滩沉积组成。河床滞留沉积以细砾和粗砂为主，并有来自因凹岸掏蚀而产生的滑塌碎块，如泥砾、树干等。碎屑多呈棱角状，分选也很差。河床滞留沉积位于河道底部，与下伏地层冲刷接触，一般厚0．5～1m。局部地区，河道砂岩具多个冲刷面，说明河道频繁地来回迁移，或者反映了洪水周期性泛滥。在滞留沉积之上过渡到边滩或心滩沉积。河流沉积具典型的“二元结构”，由下部河道充填沉积和上部堤岸及泛滥盆地沉积组成。曲流河相因为上部单元特别是泛滥盆地沉积比较发育，所以在断面上常形成“泥包砂”现象，辫状河相则以下部的河床滞留沉积及心滩沉积为主，上部的堤岸及泛滥盆地沉积不发育，心滩是辫状河的重要沉积类型，由细砾岩、砂砾岩和含砾粗砂岩组成，发育大型槽状交错层理和板状交错层理，底面及层间见冲刷一充填构造，上部泛滥盆地细粒沉积不发育，且常被上覆河道所冲刷，所以辫状河沉积在断面上常构成“砂包泥”现象。根据我们观察到的现象，若该地区为河流相沉积，再解释页岩向砂岩的过的时候可以解释为由于海退的影响，原来的河流三角洲前缘，因为水体变浅，前三角洲变为后三角洲，因此沉积物粒度发生变化，从而形成泥页岩上面出现砂岩，可以较好地解释该地区的沉积特征，但还是存在一些问题。首先，河流相沉积无法准确解释为什么会出现页岩到粗砂岩的变化。虽然在河流三角洲地区可以沉积粘土型沉积物形成页岩，但是若是假定页岩河流三角洲沉积的产物，又会出现新的问题，在河口三角洲处，沉积物的粒度变化在垂向上的连续就会因为跳级想象的出现而出现问题。此外还有就是河流三角洲地区水动力变化条件较快，无法解释在垂向上连续的粒度变化的出现。综上所述，排除该地区为纯粹的河流相沉积。2浅海相沉积假设该地区是浅海相沉积，虽然可以解释页岩的出现，以及由于海进海退带来的水深变化引起的水动力跳进变化，和沉积物物源在垂向上出现的粒度变化和跳级现象。但是由于该地区大的沉积环境背景，在上二叠纪，该地区出现前海环境的可能性几乎可以不用讨论。故可以排除是浅海沉积环境。3湖泊相沉积湖泊相发育灰色、紫红色巨厚层状灰色粉砂质泥岩、粉砂岩沉积为特征，夹中细粒砂岩，湖泊相地层厚度较大，而含砂率较低，发育水平层理和沙纹层理，主要是一些滨、浅湖沉积。滨湖沉积由中细砂岩或含砾粗砂岩夹粉砂岩、砂质泥岩薄层组成，包括滨湖三角洲沉积和滨湖坝沉积，见水流交错层理等；浅湖沉积由泥岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩和细砂岩薄层组成，发育水平层理、平行层理及小型交错层理。滨湖沉积与浅湖沉积在垂向上常交替出现、互层共生。湖泊相沉积按照水深可分为滨湖、浅湖、半深湖、深湖。将该地环境假定为湖泊相环境。我们在分析沉积物的邢晨演化史可以将页岩向砂岩的过渡解释为由于湖泊水便签，原来的浅湖半深湖地区变为滨湖区，因此后形成的沉积物覆盖在先前已经形成的沉积物上面。因为半深湖水体变浅，成为滨湖，所以在该地区沉积砂岩，由于水体的进一步变浅，所以沉积物粒度进一步变粗，直至出现砾岩。对于反向粒度变化，可以解释为水体逐渐变深，这样由于湖水的深浅变化从而形成现在的沉积环境特征。结论综上所述，我认为上二叠统红庙岭组沉积环境是河湖相环境。第一，河湖相环境与该地区在上二叠及时期大的沉积环境背景比较符合。第二，湖泊具有和海洋相似的水动力条件特征，主要表现为波浪和岸流作用。这可以很好的解释板状交错层理和冲刷面的存在，也可以解释在出现的水平层理（低角度交错层理）的出现。第三，河湖相环境，因为河流与湖泊的交汇可以带来丰富的沉积物质，由于河流的良好分选作用，和河流的沉积特征从而揭示沉积物的颗粒变化，以及风化面的颜色变化。第四，河湖相环境可以解释沉积物中出现的跳级现象和反粒序变化。[1]刘庆余．北京西山的地质研究及其地质实习基地的历史回顾[J]．地球科学，1990，15(6)：697—704．[2]周园园，邵龙义，贺聪，等．北京西山潭柘寺地区石炭一二叠纪层序地层与聚煤作用研究[J]．中国煤炭地质，2011，23(3)：5—10．[3]邵龙义，何志平，鲁静．环渤海湾西部石炭系一二叠系层序地层及聚煤作用研究[M]．北京：地质出版社，2008．[4]朱筱敏.沉积岩石学石油工业出