李红霞;白生明;金学强;胡志瑞
【摘 要】通过对石炭纪地层单元的岩石特征、沉积特征和层序结构分析，认为宁夏贺兰山地区石炭纪地层发育良好，层序连续，其岩石地层序列自下而上可划分为土坡组和太原组；岩石组合以陆源碎屑岩、泥质岩和碳酸盐岩沉积为主；贺兰山地区石炭系沉积相演化序列总体呈后退型浅水三角洲沉积层序；在晚石炭世到早二叠世。三角洲体系的沉积构成样式发生了明显变化，反映出早期受波浪作用较强、中期潮汐作用明显、晚期河流作用迅速增强的沉积演化规律．%Analysis of characteristics of the rocks of Carboniferous strata unit, the structure of sedimentary features and sequence shows that Carboniferous strata developed well and sequence continuously in Helan Mountains area, and litbostratigraphic sequences from bottom to up can be divided into the Tupo Fm and the Taiyuan Fm. The rock association mainly consists of terrigenous clastic rock, argillaceous rock and carbonate rock sedimentary. As to the rock characteristics, stratigraphic sequence, facies and environment evolution characteristics, Helan Mountains area of carboniferous sedimentary evolution of the sequence is a retreat-type shallow water delta sedimentary sequence in the genera]. In the late carboniferous to the early Permian, constituent style of deposition has changed significantly in the delta system, it shows a rule that there is strong wave action in early stage, tidal effects become obvious in middle stage, and fluvial sedimentary evolution increases rapidly in late stage.
【期刊名称】《宁夏工程技术》 【年(卷),期】2012(011)003 【总页数】5页(P201-205)
【关键词】贺兰山地区;石炭纪;岩石特征;地层层序;沉积环境;演化规律 【作 者】李红霞;白生明;金学强;胡志瑞
【作者单位】宁夏回族自治区国土资源调查监测院,宁夏银川750004;宁夏回族自治区国土资源调查监测院,宁夏银川750004;宁夏回族自治区国土资源调查监测院,宁夏银川750004;宁夏回族自治区国土资源调查监测院,宁夏银川750004 【正文语种】中 文 【中图分类】P534.45
贺兰山不但是宁夏、内蒙古的自然分界，也是我国内流区和外流区的分界，起着扼制西北寒风侵袭银川平原、阻挡腾格里沙漠东移的天然屏障作用.其大地构造位于秦祁昆造山系（Ⅳ）和华北陆块区（Ⅱ）2个Ⅰ级构造单元的过渡地区，地处鄂尔多斯陆块（Ⅱ-5）、北祁连弧盆系（Ⅳ-1）与阿拉善陆块（Ⅱ-7）3个Ⅱ级构造单元的接合部位[1]（图1）.综合地层区划属华北地层大区（Ⅴ），总体上以贺兰山三关口向东南（牛首山以东、青龙山以西）至固原以东一线为界，西部属秦祁昆地层区（Ⅴ1）之祁连—北秦岭地层分区（Ⅴ12）；东北－东部属晋冀鲁豫地层区（Ⅴ4）之华北西缘地层分区（Ⅴ41）和鄂尔多斯地层分区（Ⅴ44）[2].
近年来，宁夏回族自治区国土资源调查监测院在贺兰山地区开展了1∶250 000及1∶50 000区域地质调查工作，取得了一些有价值的成果和资料.笔者在整理已有
文献区域地质调查成果报告的基础上，对贺兰山地区石炭纪岩石地层沉积特征、层序结构、沉积相和沉积环境演化特点进行了分析. 1 岩石地层特征
宁夏贺兰山地区石炭纪地层主要分布于贺兰山北-中段胡鲁斯台、石炭井、李家沟、马莲滩和苏峪口响水—插旗口等地.各组岩石地层特征如下. 1.1 土坡组（C2t）
图1 贺兰山地区及邻区大地构造位置略图
土坡组与下伏地层呈不整合接触，与上覆太原组呈整合接触．岩性为灰-灰白色粗-细粒石英砂岩与深灰-黑灰色粉砂岩、粉砂质页岩、页岩、泥岩呈韵律状互层，夹灰-深灰色泥灰岩、生物碎屑灰岩透镜体及薄煤层．灰岩产头足类、腕足类、腹足类及牙形石等动物化石，泥页岩产植物化石．
贺兰山北段胡鲁斯台一带，土坡组厚464.2 m．下部岩性为中厚层石英砂岩、页岩夹中厚层生物碎屑灰岩（透镜体）；中-上部岩性为中厚层中粗粒石英砂岩与页岩不等厚互层，夹少量灰黄色中厚层生物碎屑灰岩及二层烟煤.石炭井地区李家沟一带，本组厚464.2 m.岩性为页岩、粉砂岩、中厚层石英砂岩，夹中层生物碎屑灰岩、泥灰岩及薄煤层（线）.砂岩普遍发育板状斜层理和平行层理.贺兰山中段苏峪口响水一带，土坡组厚159.19 m.下部岩性以厚层-块状砾岩、中层细粒石英砂岩为主；上部则以粉砂质页岩、页岩为主，夹泥灰岩及薄煤层.贺兰山南段科学山东麓一带，本组厚>365.29 m.上部岩性为细粒石英砂岩、泥质粉砂岩、页岩，夹少量灰岩透镜体；下部岩性为微晶灰岩、砂屑灰岩与石英砂岩、粉砂岩、页岩不等厚互层[3-4].
综上所述，本组岩石组合特征：下部为石英砂岩夹页岩及灰岩透镜体，中、上部则为石英砂岩与粉砂岩、砂质页岩、页岩呈不等厚互层，其中砂岩单层稳定性均较好，普遍发育板状斜层理和平行层理，显示了一套三角洲的沉积环境.
1.2 太原组（C2P1t）
太原组与下伏土坡组、上覆山西组均为整合接触.岩性为深灰-灰黑色页岩、炭质页岩、粉砂质页岩、泥岩，夹灰-灰白色薄-中厚层中细粒长石石英砂岩、粉砂岩、灰-灰黄色生物碎屑灰岩及2～4层可采煤层.泥页岩含植物化石，灰岩含蜓类、腕足类、腹足类及牙形石化石.厚412.89 m.
贺兰山北段胡鲁斯台一带，太原组厚412.89 m.岩性为页岩、砂质页岩，夹中厚-薄层中细粒石英砂岩、生物碎屑灰岩、可采烟煤层及薄煤层、煤线.贺兰山中段响水一带，太原组厚189.59 m.岩性以页岩为主，夹厚层-中薄层中粗粒石英砂岩、泥灰岩、生物碎屑灰岩及煤层.另据这一带煤田普查的地表资料表明，含煤12层，一般不稳定，厚0.3～2.4 m不等.贺兰山南段一带本组地表未出露.
本组在一般情况下，以灰-灰黑色页岩、泥岩为主，夹灰岩透镜体和砂岩等，含可采煤层；野外宏观色调以灰黑色为主，其中所夹砂岩单层稳定性较差，且在剖面上页岩数量相对较少，在贺兰山地区以大量灰黑色页岩（泥岩）终结，以灰黄色厚层砂岩（底部有一层煤）的底界作为本组顶界、山西组底界.本组厚度变化小，一般为110～180 m，胡鲁斯台地区最厚达412.89 m[4-5].
综上所述，太原组岩石组合以碎屑岩类和黏土岩类发育为特征，横向变化主要表现在有无碳酸盐岩夹层和含煤多少上.沉积厚度以内蒙古阿拉善左旗胡鲁斯台最大，向北向南均有变薄之趋势. 2 基本层序 2.1 土坡组基本层序 土坡组基本层序见图2. 图2 土坡组基本层序图
（1）Ⅰ类.呈粉砂质泥（页）岩、粉砂岩、细砂岩-砂岩-页岩夹灰岩向上变粗再变细层序.该层序发育于下段至上段.层序厚20～100 m，以30～50 m为主.下部由
浅灰、浅黄灰色粉砂质泥（页）岩、粉砂岩、中薄层细粒砂岩构成，向上变粗的特征明显，泥（页）岩含植物，粉砂岩、砂岩发育沙纹层理；中部为浅灰、浅黄灰、灰白色厚-中层含钙质中细粒石英砂岩、长石石英砂岩夹少量粉砂-细砂岩、泥（页）岩，向上变细的特征明显，含植物茎杆，发育槽状交错层理、板状斜层理（侧积交错层理）、平行层理、沙纹层理；上部以黑色页岩、炭质页岩为主，夹不稳定层状、透镜状灰岩，偶夹煤层（线），页岩含双壳类、头足类、昆虫、植物化石和菱铁矿结核、铁钙质结核及次生石膏等，灰岩含腕足类、双壳类、腹足类和头足类化石等.由下部向上变粗（粉砂质泥（页）岩-粉砂岩-细砂岩）特征明显，中部为明显向上变细的砂体，有时为数个砂体叠置的复合砂体.中部与下部呈侵蚀接触.上部厚度小于下部和中部.该类层序显示了三角洲前缘相沉积特征，下、中、上三部分分别属分支流河口沙坝、远沙坝与海盆沉积亚相[6].
（2）Ⅱ类.呈砂岩-页岩夹灰岩向上变细层序.发育于下段和上段，层序厚15～105 m.下部为浅灰、浅黄灰、灰白色厚-中层含钙质中细粒石英砂岩、长石石英砂岩夹少量粉砂-细砂岩、泥（页）岩，为明显向上变细的砂体；上部以黑色页岩、炭质页岩为主，夹透镜状、不稳定层状灰岩，偶夹煤层（线）.上部厚度大于下部，显示了三角洲前缘相沉积特征，下部和上部分属远沙坝与海盆沉积亚相.
（3）Ⅲ类.呈砂岩-（粉砂岩）-泥（页）岩向上变细层序.该类层序不发育，仅见于上段.层序厚20～50 m.下部为浅灰、褐灰、灰白色中厚层含钙质中细粒长石石英砂岩，含植物茎杆，发育槽状交错层理、板状交错层理（侧积交错层理）、平行层理、沙纹层理，自下而上粒度由粗变细，成层厚度由厚变薄，层理构造由大型变为小型，显示水动力条件由强变弱；上部由浅灰、灰白、深灰色（炭质）泥岩、炭质页岩、煤层（线）组成，时见夹粉砂岩，含大量植物化石和钙质结核，上部厚度大于下部.该类层序显示了三角洲平原亚相沉积特征，下部和上部分属分支河道亚相和沼泽亚相.
2.2 太原组基本层序 太原组基本层序见图3. 图3 太原组基本层序图
（1）Ⅰ类.呈砂岩-粉砂岩-泥（页）岩向上变细层序.发育于太原组下部，层序厚10～15 m不等.层序自下而上由中厚层中粗粒、中细粒砂岩、中薄层细砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥（页）岩及煤层（线）构成，底部时见砾岩、砂砾岩，砂岩发育大型板状斜层理、槽状交错层理、平行层理.粉砂岩、泥（页）岩含丰富的植物化石.该类层序向上变细的特征明显，具三角洲平原相沉积特征，下部与上部分别属分支河道亚相和沼泽微相.
（2）Ⅱ类.呈粉砂质泥（页）岩、粉砂岩、细砂岩-砂岩-泥（页）岩夹灰岩向上变粗又变细层序.发育于中-上部，层序厚10～55 m不等.层序下部为粉砂质泥（页）岩、粉砂岩夹中薄层细砂岩，细砂岩发育沙纹层理；中部为发育大型板状斜层理、槽状交错层理、平行层理的中厚层砂岩，底部时含砾岩，向上明显变细，时见夹粉砂岩；上部以黑色页岩、炭质页岩、泥岩等黏土岩类为主，夹灰色中厚层生物碎屑灰岩及煤层（线），页岩含双壳类及植物化石，灰岩含腕足类、蜓类、双壳类及虫迹等动物化石.该层序具三角洲前缘相沉积特征，下、中、上三部分分别属分支流河口沙坝、远沙坝与海盆沉积亚相[5].
（3）Ⅲ类.呈砂岩-（泥）页岩夹灰岩向上变细层序.层序厚15～50 m，层序下部为一个或数个叠置的砂体，其特征与上述Ⅱ类层序中部砂体相似；上部以黑色页岩、炭质页岩为主，夹灰岩、煤层（线），其特征与上述Ⅱ类层序上部相似.下部厚度一般小于上部.该类层序较发育，具三角洲前缘相沉积特征，下部、上部分别属远沙坝亚相和海盆沉积亚相. 3 沉积相分析 3.1 土坡组沉积相
土坡组主要由陆源碎屑岩、泥质岩和少量碳酸盐岩及煤层（线）组成，前二者分别约占总厚度的31%和67%，碳酸盐岩约占总厚度的2%.从沉积特点来看，土坡组具有三角洲沉积环境特征，具体可细分为三角洲前缘相和三角洲平原相，而前三角洲相不发育. 3.2 太原组沉积相
太原组主要以陆源碎屑岩和黏土岩为主，夹碳酸盐岩及煤层（线），前二者分别约占总厚度的36%和62%，碳酸盐岩、煤层（线）各占总厚度的1%左右.从沉积特点看，太原组仍属三角洲沉积环境特征，分为三角洲前缘相和三角洲平原相，而前三角洲相仍不发育.
4 沉积相及沉积环境演化特点 4.1 沉积相序演化特点
贺兰山地区石炭系沉积相演化序列见图4.总体看来，这是一个后退型浅水三角洲层序.在寒武纪的古剥蚀面之上，从土坡组底部的沉积开始，以三角洲平原河道相沉积为底，到晚石炭世末太原组顶部的三角洲相结束，构成了一个大的海进旋回.这与区域上的研究成果完全吻合.根据三角洲推进-回缩的演化，可进一步分出6个亚旋回[5].
图4 石炭系沉积相序图
从亚旋回的韵律性的频繁交替出现可以看出,其沉积环境长期处于动荡状态.在三角洲平原沼泽相中的劣质煤线、煤层多次产出，却不能形成较厚的工业开采煤，也说明沼泽相未稳定发育形成成煤沼泽以前，就被三角洲平原河道微相或支流间湾微相，甚至前三角洲所取代.这种频繁交替的环境及沼泽化进程的短暂不利于成煤沼泽的形成.只有在太原组中有两次成煤沼泽出现，尤其是第二次成煤沼泽发育好，形成煤层最厚，且该成煤沼泽相未被三角洲平原河道相冲刷破坏，煤层之上直接由前三角洲相灰岩所覆盖，成为石炭系的主采煤层.
沉积相序的这种演化特点不仅控制了沉积层的粒度分布规律，而且也控制了剖面沉积序列的出现规律.在三角洲的回缩阶段，即从下到上由三角洲平原河道微相-三角洲平原沼泽微相-支流间湾微相-（河口沙坝、前缘沙坝）-前三角洲相演化时，表现为向上变细的沉积序列，在三角洲平原亚相中也表现了向上变细的沉积序列（图5），反映了一般河流沉积的二元结构层.但在三角洲推进阶段，即从下到上由前三角洲相-三角洲前缘沙坝微相-三角洲平原亚相演化时，表现为向上变粗的沉积序列（图6），反映了三角洲沉积的三元结构层.
本区沉积相序演化的另一个特点是在三角洲平原亚相中，分流河道砂岩与泥炭沼泽、分流间湾等沉积频繁交替，其泥岩、页岩含量比砂岩丰富，属于“泥”包“砂”式结构，显示出该三角洲平原河流沉积为网状河流型.
从整个相序旋回曲线可以看出，该三角洲沉积中前三角洲相沉积及三角洲沙坝和河口沙坝微相沉积不发育，而广泛发育的是三角洲平原相沉积及三角洲前缘亚相中的支流间湾微相沉积，该特点也说明测区的三角洲为浅水型[2，5]. 图5 三角洲回缩阶段的沉积序列
图6 内蒙古呼鲁斯台上石炭统上部三角洲相沉积序列 4.2 沉积环境演化特点
本区自晚奥陶世整体上升成陆，中间缺失上奥陶统至下石炭统的沉积.直到早石炭世晚期测区才重新下降，遭受海侵.海水自南-西南向北-北东方向直达贺兰山北段和内蒙古桌子山区，沉积了有三角洲沉积环境特征的土坡组和太原组.
根据与本区石炭系有关的区域地质资料及石炭系地层发育情况，晚石炭世早期以前，祁连海区的东延部分景泰—中卫海湾向东大体只延伸到贺兰山南段，并未到达贺兰山中、北段.直到晚石炭世晚期，景泰—中卫海湾继续扩大，越过灵武、银川等地，到达贺兰山中、北段，使石炭系地层由南向北逐渐向上超出不同时代的老地层，在贺兰山地区内沉积了晚石炭世早期地层土坡组及晚石炭世-早二叠世早期太原组.
晚石炭早-中期，贺兰山地区一直处于一个向南西开口的海湾，并靠近西北缘.因为在贺兰山地区胡鲁斯台一带土坡组出露较全，而在柴达朗沟一带缺失土坡组中下部地层，所以土坡组上部地层直接不整合于寒武系之上.显然此时海湾延伸到了胡鲁斯台，而未进入柴达朗沟一带.晚石炭世中期末，海水才进入柴达朗沟一带，但此时一起处于水下高能环境，其沉积厚度比胡鲁斯台一带薄得多.
晚石炭世晚期，贺兰山地区海侵范围有所扩大，特别是海湾东部的鄂尔多斯古陆下陷，使原来的海湾与华北海连成一片.整个沉积格局发生了较大改变，使石炭系的格局变为一个广阔的海陆交互环境，而不再限于古海湾沉积环境.
晚石炭世晚期至早二叠世早期，祁连海与华北海沟通，整个华北同祁连—走廊区一样，呈现为广阔的陆表海环境.在频繁的海水进退作用下，沉积了太原组.太原组以三角洲平原相为主，三角洲前缘相次之，前三角洲相发育差.
早二叠世早期末，本区抬升隆起，海水退出，结束海相沉积历史.海水主要是由南-西南向北-北东方向侵进的，早石炭世晚期以海进作用为主，沉积环境基本为半封闭的海湾，沉积相以碎屑岸线为主.晚石炭世至早二叠世早期整体演化为陆表海环境，海水时进时退（总体处于海退），发育进积类的浅水河控，并受潮汐作用影响的三角洲沉积.早二叠世早期末，海水退出本区. 5结语
本文通过对石炭纪地层单元的岩石特征、沉积特征和层序结构分析，认为宁夏贺兰山地区石炭纪地层是由一套陆源碎屑岩、泥质岩、黏土岩及少量碳酸盐及煤层（线）组成的，具有三角洲沉积环境特征.从沉积相及沉积环境演化特点来看，该三角洲沉积中前三角洲相沉积、三角洲沙坝和河口沙坝微相沉积不发育，而广泛发育的是三角洲平原相沉积及三角洲前缘亚相中的支流间湾微相.在晚石炭世到早二叠世，三角洲体系的沉积构成样式发生了明显变化，反映出早期受波浪作用较强、中期潮汐作用明显、晚期河流作用迅速增强的沉积演化规律[6].
【相关文献】
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