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1、第 卷 第期 年月地学前缘（中国地质大学（北京）；北京大学）（）；）收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；教育部创新团队项目（）；基本科研业务费项目（）；国家科技重大专项（）作者简介：张元福（），男，副教授，主要从事油气沉积学和致密储层研究。：北京延庆硅化木公园地质剖面陆相层序地层特征分析张元福，魏小洁，徐杰，王航中国地质大学（北京）能源学院，北京 ，（），“”，（）：，“”“”，“”“”“”，：；摘要：陆相层序地层的研究是由海相层序地层研究演变而来，但陆相层序控制因素的不同造成陆相层序在规模、体系域发育特征等与海相层序都具有很大的区别。陆相层序受构造、事件沉积和气候等多因
2、素影响，往往很难找到发育完整又易于观察的层序剖面。文中以北京北部延庆硅化木公园的中生界侏罗系“花盆”盆地为研究对象，通过露头观察、自然伽马点测和采样分析等地质方法，细致观察和分析了整个地质剖面，根据沉积和层序特征，划分出个陆相层序，在各个层序内部又细分出各种不同体系域类型并确定了识别标志。根据研究结果，总结了陆相山间盆地层序地层的一些典型特征，初步划分出种典型的陆相层序。同时将本区广泛出现的硅化木化石成因解释为大规模湖泛和火山作用的综合结果，并将木化石的出现作为大规模湖泛出现的标志。研究成果完整呈现了受构造、气候和事件沉积等多重影响的小型陆相山间盆地的湖泊层序典型特征，具备一定的代表性。关键词
3、：陆相层序；山间盆地；事件层序；侏罗系；北京延庆中图分类号：文献标志码：文章编号：（）张元福，魏小洁，徐杰，等地学前缘（），（）层序地层学理论是在被动大陆边缘海相地层基础上提出的，经过不断充实和完善，建立了成熟的海相层序地层理论和方法体系，并在油气勘探开发中发挥着巨大的作用。世纪 年代中期层序地层学的理论和方法引入我国后，在指导陆相盆地油气勘探的过程中，发现来自海相盆地的层序地层学理论不完全适用于陆相盆地。陆相盆地与海相盆地的层序地层存在显著的地质差异，这些差异表现在构造、沉积和层序形成的主控因素等方面。在陆相盆地层序地层的研究中，划分、对比层序，以及建立等时格架与模式，需要新的思路和更精细有
4、效的方法。而陆相层序由于受构造，事件沉积，气候等多因素影响，往往很难找到发育完整又易于观察的层序剖面。考察区位于北京市延庆县东北部的千家店镇辛栅子村北坡的硅化木国家地质公园中心区及其附近，俗称“花盆”盆地。盆地距延庆县城约 。本文以延庆硅化木公园的中生界侏罗系“花盆”盆地为研究对象，研究受构造、气候和事件沉积等多重影响的小型陆相盆地的湖泊层序的典型特征。地质和构造背景 构造背景和火山活动情况“花盆”盆地位于燕山褶皱带花盆四海凹褶的东侧，盆地的形成时期为中生代中晚侏罗世，主要充填序列为上侏罗统土城子组（），形成时间约 。河北曾将该地层命名为“土井子组”、“后城组”和“万全红砂砾岩”等。年代中期在
5、岩石地层清理过程中，河北、辽宁和内蒙古等地质矿产局统一称之为“土城子组”。盆地所在的燕山地区自元古宙末的吕梁运动（约 ）形成统一的华北克拉通以后，中元古代至晚古生代区域构造长期保持相对稳定，未发生重大构造变形事件。中生代以来，华北地块与相邻地块的碰撞和相互作用，使得华北克拉通北部发生了强烈的构造变形和陆内造山作用。由于西伯利亚板块与华北板块的南北向运动，中侏罗世晚侏罗世形成了南北向的挤压应力场造成了北东向（）褶皱和逆断层系，同时，也造成了北西向的走滑正断层系。土城子期在南北向挤压构造背景下形成了复杂的地质结构和盆地分割，造就许多山间坳陷盆地。这些构造体系，尤其是走滑正断层系，是形成侏罗世时期“
6、花盆”盆地的主要构造控制单元，也是层序地层形成的重要控制因素。燕山期还是中国东部地区又一次较强烈的岩浆活动时期，岩浆分布面积达到全国出露面积的四分之一。整个侏罗世时期，火山活动极为发育，多沿北东向断裂喷发。在“花盆”盆地中，侏罗系的沉积地层中火山岩占很大比例。从区域上土城子组内部河湖相沉积和火山事件沉积的分布及其接触关系可以看出，两者经常伴生。多期次的火山喷发，对盆地内部的层序地层构型产生了深远影响。综合构造研究成果，侏罗纪土城子期“花盆”盆地性质为挤压作用下形成的陆内山间火山沉积盆地，南北狭长（图）。这种类型的盆地为研究典型的陆相层序地层提供了丰富的素材。地层情况“花盆”盆地位于燕山褶皱带花
7、盆四海凹褶的东侧，出露地层主要为中元古界蓟县系雾迷山组和中生界侏罗系土城子组。雾迷山组的岩性为一套白云岩、硅质条纹条带及团块白云岩组合。土城子组不整合于雾迷山组之上，为盆地主要的充填地层序列。岩石组合主要为浅绿色页岩、含粉砂页岩、浅绿色暗紫色含角砾凝灰岩、凝灰质粗砂岩、凝灰质细砂岩、粉砂岩、复成分砾岩，少量粗面安山岩、安山岩、复成分火山角砾岩等；在浅绿色页岩及含粉砂页岩中发育有硅化木化石群 。研究步骤和方法本次研究以野外露头观察为主，并结合少量的室内研究内容，重点观察了条露头线路共 个野外露头点（图）。其中线路包含个观察点，涵盖了盆地边界和一套底部层序；线路包含个观察点，基本涵盖了盆地内部不出
8、露的全部地层，并包含有明显的火山事件沉积。露头点观察以识别层序边界和层序内部分界面特征为主要目的，详细识别了各露头点生物化石情况、岩性特征、构造特征和沉积特征。线路和线路分别进行了自然伽马的离散点测，共测数据点 个，建立了研究剖面的自然伽马反射曲线。通过曲线分析，可以进一步判定研究区的水平面变化特征，进而研究其层序特征，并可作为划分层序界面的辅助手段。通过对野外采集的 个样品进行室内薄片观察，确定了露头点的准确岩性和物性特征。张元福，魏小洁，徐杰，等地学前缘（），（）图延庆地区区域地质和露头路线图 ，长城群高于庄组；长城群大红峪组；长城群常州沟组；蓟县群杨庄组和雾迷山组；蓟县群洪水组和铁岭组；
9、侏罗系后城组（土城子组）。研究结果 底部湖盆层序的划分路线的个露头点整体位于盆地下部，底部与中元古界蓟县系雾迷山组白云岩不整合接触，顶部地层少量缺失，并覆盖第四系沉积。但结合本区线路的观察，推测其正常发育的顶部应为一套与砾岩呈不整合接触的灰色泥岩，所以可以将这套完整地层整体划分为一套以不整合接触的层序（，图）。又可进一步分为低位体系域（）、湖侵体系域（）和高位体系域（）（图）。盆地边界（不整合）和冲积扇在露头点可以发现明显的控盆断层边界。断层上盘和下盘的地层发生明显的错动（图）。断层为正断层，下盘为中元古界雾迷山组白云岩，上盘为断层角砾岩构成的破碎带，砾石成分为白云岩。沿剖面进一步观察，可以看
10、到中元古界和中生界之间明显的不整合接触，两套地层之间存在约 的沉积间断。中生界侏罗系土城子组的碎屑岩沉积物直接覆盖在白云岩上（图）。冲积扇主要由红色泥岩和砾岩组成，砾岩的磨圆和分选较差，颗粒呈高角度排列，表明这是一种相对快速且近源的沉积。沉积物支撑类型为杂基支撑，推断这主要是由碎屑流导致的冲积扇沉积。下切河谷沉积在冲积扇之上的露头点，可见多期充填河道叠置构成的大型下切河谷（图），其底部砾岩整体呈“”字形侵蚀其下伏的泥岩层。单个河道充填呈顶平底凸的正韵律沉积。砾岩主要由多种白云岩构成，多为棱角状或次棱角状，且分选较差，支撑类型为杂基支撑，有一定的高角度定向排列。这些沉积特征表张元福，魏小洁，徐杰
11、，等地学前缘（），（）明沉积物距物源区较近，且沉积退积速率较快。总体上符合辫状河特征，部分反粒序的透镜状砾岩体显示了一定的河口坝特征，结合绿色的还原色泥岩，可以判定下切河谷发育的是辫状河三角洲沉积。湖泛面和顶部砂体沉积在冲积扇和下切河谷的上部发现了横向展布稳定的 左右厚层灰绿色泥岩，它表明了湖水位开始迅速抬升，这套泥岩以下未见到厚度稳定的泥岩，所以确定这套泥岩是初次（主要）湖泛面发育的特征。在发育有若干套薄砂层之后，又发现一套左右的深灰色泥岩，上覆植被丰富。由于其泥岩厚度在整套地层中达到最大，所以这套泥岩可以被认为是在最大湖泛期形成的。同时在这套泥岩中发现了代表浅湖沉积的双壳类化石（图），表明
12、此时盆地已进入稳定的湖泊沉积期。在厚层泥岩上继续发育了一层细层粉砂岩，砂岩的厚度逐渐增长，并且颗粒粒度向上变粗（图），呈反韵律特征，反映了砂体的进积特征。这说明在最大湖泛期之后，湖泊水体逐渐变浅，即湖退期开始。体系域的划分相对经典的海相层序地层理论，可以将这套以不整合面为界面的陆相层序分为个体系域，分别是 张元福，魏小洁，徐杰，等地学前缘（），（）张元福，魏小洁，徐杰，等地学前缘（），（）盆地边界和初次湖泛面之间的低位体系域，初次湖泛和最大湖泛之间的湖侵体系域，以及最大湖泛面与顶部不整合面之间的湖退体系域。其划分依据是岩性和沉积特征变化等直接证据以及自然伽马点测曲线。其中从点测曲线上可以看到最
13、大湖泛面位于自然伽马高值段的中部，而初次（主要）湖泛面则位于自然伽马值进入高值段的起始位置（图）。低位体系域位于层序的最底部，整体厚度大约为。在靠近盆地边界处观察到的低位体系域为典型的下切谷。下切特征明显，整体形态呈“”型。下切谷内发育有多期水道充填。单个水道呈碟形，顶平底凸，河道最大宽幅为。多期水道的整体横向展布约。河道的侧向相变十分剧烈，向两侧直接相变河道间泥岩。下切谷两侧的泥岩为灰绿色泥岩，经初步判断为浅湖泥岩。而下切谷内为有序列的砾岩沉积，砾石成分几乎全部为多种白云岩，证明下切谷的沉积充填的物源来自下伏的雾迷山组白云岩。砾石的磨圆差，指示了近源特征，结合发育位置，判断下切谷内发育的沉积
14、相为辫状河三角洲。湖侵体系域位于层序的中部，整体厚度大约为。以初次湖泛面为底界，最大湖泛面为顶界，本区湖侵体系域以发育硅化木为典型特征，发育有大套湖泛泥岩。湖侵体系域在低位体系域发育下切谷的露头剖面上也发育有辫状河三角洲的辫状水道沉积，位置在湖侵体系域的底部；原因是补偿低位体系域时期的强烈下切造成的负地形。湖退体系域位于层序的顶部，整体厚度大约为。以最大湖泛面为底界，不整合面为顶界。本区高位体系域以发育滨浅湖滩坝为主要特征，细砂岩广泛发育。高位体系域发育在本露头可以观察到个准层序，构成了一个进积准层序组。整体上湖平面平稳波动，向上逐渐降低。砂岩向上有微弱的加厚趋势，反映了水体逐渐变浅。整体层序
15、划分包含已经观察到的，在整体露头剖面上还观测到了套地层序列，其中第套地层主要有砾岩、粗粒砂岩、细粒砂岩、灰色泥岩和绿色泥岩组成。与 的界限也很容易找到，是粗粒砂岩侵蚀下伏泥岩的侵蚀面。第套地层的整体特征与 相似。第、套地层主要由细粒砂岩、凝灰质细粒砂岩、灰色泥岩和少量粗粒砂岩组成。而粗粒砂岩主要在这两套层序中不发育，而且凝灰质细粒砂岩已经开始出现。第到第套地层可以看作次火山事件形成的火山碎屑沉积。因为每一套都以火山集块岩开始，逐渐过渡到火山角砾岩，再以火山凝灰岩结束（图）。因此推测这期间曾发生过次强烈的火山活动。根据露头观察和古构造分析，可以将“花盆”盆地整体上分为种主要的层序类型：型，正常沉
16、积、具备完整湖相旋回的正常层序；型，受火山活动影响形成的事件层序；型，受双重影响的混合层序。在延庆硅化木公园剖面观测到“花盆”盆地沉积地层总厚度约为 ，基底为中元古界蓟县系雾迷山组白云岩，上面直接覆盖上侏罗统土城子组地层。二者呈角度不整合接触，同时也可观察到沉积盆地的底界，顶界剥蚀严重，未见顶。总共可以划分出个层序（图），其中层序、为型层序，层序、为 型层序，层序、为 型层序，都属于火山事件层序，其沉积物整体上都属于火山沉积。但是从事件发育的角度，仍可将其划分为早期、中期和晚期。早期以大型火山集块岩为主，中期逐渐过渡为小型火山集块岩，并向火山凝灰岩过渡，晚期为火山凝灰岩。这是完整的火山事件层序
17、，通常，这个体系域也会受到正常沉积物的影响，从而形成复杂的过渡型层序。对于过渡型层序，可以根据研究的重点确定采用正常层序或事件层序的研究方法。盆地层序、的沉积厚度较大，其发育时期经历了两个比较大的构造沉降，构造因素是层序、发育的主控因素 。讨论 本区山间火山盆地陆相层序发育的典型特征根据化石和沉积特征判断，“花盆”盆地侏罗系为典型的湖泊沉积，并受到频繁的火山事件影响。复杂的构造和沉积条件使盆地内部层序地层的构成也具有独特性。（）层序类型。其中层序、为典型的、受构造和气候控制的正常湖泊层序，其层序的构型可以与经典的海相层序地层类比；层序、为火山事件层序，通常以火山事件周期为层序周期：早期以大型火
18、山集块岩为主，中期逐渐过渡为小型火山集块岩，并向火山凝灰岩过渡，晚期为火山凝灰岩。这类层序与经典的海相层序不具有可对比性，也可以作为事件沉积单独考虑。层序、为过渡型层序，对于 张元福，魏小洁，徐杰，等地学前缘（），（）张元福，魏小洁，徐杰，等地学前缘（），（）图层序（）和层序（）分界面 过渡型层序，可以根据研究的重点确定采用正常层序或事件层序的研究方法 。（）发育规模。研究区为山间盆地，整个盆地发育规模有限。以典型的湖相层序 为例，其整体层序厚度为，低位体系域，湖侵体系域，湖退体系域。其中低位体系域的下切河谷展布，单一充填河道厚度 ，宽。（）高位体系域。在 的观察中，可以发现，在最大湖泛期的泥
19、岩之上没有观察到典型的加积地层序列，即与经典层序地层的“高位体系域”对应的地层单元，而是直接观察到了一套进积的互层沉积。这种现象表明，受盆地规模、构造活动和气候变化频次的限制，湖泊层序的整体可容空间变化较快，在最大湖泛之上，直接进入了湖退期，高位体系域的加积地层发育不明显。这种现象也造成了层序边界特点的不同，因为以湖退期为主的高位体系域和下一期湖泊层序的低位体系域直接相连，其界面因此不易识别。有可能不能找到一个明显的不整合面，如 和 的层序就是以一个砂岩和砾岩之间明显的冲刷面作为层序界面（图）。本区陆相层序地层的可容空间变化规律对陆相层序地层的研究是由海相层序地层研究演变而来，传统的海相层序地
20、层的控制因素如表。表海平面变化周期及成因 层序级次地质时间 成因一级 泛大陆的形成和解体二级 板块运动和大洋中脊体积变化三级 全球性大陆冰盖生长和消亡、洋中脊变迁、构造挤压作用和板内应力调整四级 或 大陆冰盖生长和消亡、天文驱动力五级 或 米兰科维奇冰川全球海平面变化旋回和天文驱动力从表中可以看出，对于海相的三级以上层序来说，其可容空间变化规律可以用海平面变化和构造沉降之和来表示，而构造沉降对三级以上层序影响有限，所以沉降速率相对比较稳定，可容空间等于构造沉降及海平面变化的加和。而对于陆相层序来说，如果层序发育期间构造运动不强烈，湖平面变化只与气候变化有关，那么其可容空间变化规律与海相相同，即
21、可容空间等于构造沉降及气候控制的湖平面平面变化的加和；由于本区湖泊与海洋不连通，是典型的山间挤压盆地，所以局部的构造运动往往对可容空间形成剧烈影响，即构造活动有明显的周期性，其沉降速率从逐步加强再到逐步减弱，具有变 张元福，魏小洁，徐杰，等地学前缘（），（）图 海相和路相盆地可容纳空间变化规律 海相层序可容纳洞见变化规律；气候控制湖相层序可容纳空间变化规律；山间盆地湖相层序可容纳空间变化规律。化周期。在这一过程中，气候影响相对较弱，可以影响到高频层序。在这种情况下，构造沉降和沉积充填最终决定了可容空间的变化，即可容空间等于构造沉降减去沉积堆积厚度（图）。总体上，盆地形成早期经历了两个比较大的构
22、造沉降，产生两次大的湖泛旋回，从而形成底部的 和 两套层序和个体系域。构造因素是层序、发育的主控因素，受火山事件的影响较小。但在层序的内部，以层序为例，还发育有不同规模的准层序及准层序组。每套准层序可以认为是一次湖泛的结果，厚度大约为。这些小规模的准层序通常认为是气候变化在短期内形成的一些周期相对较小的高频旋回。本区硅化木的形成原因及在层序地层研究中的指示意义在层序的湖侵体系域的厚层泥岩中，可以发现大量保存较好的硅化木。硅化木埋藏方向大多垂直地层，说明多为原地沉积。而这种大型树木（直径达）的原生环境必然不是这套湖泛泥岩指示的浅湖半深湖，而应该是湖岸的沼泽带或者远离湖泊的森林地带。结合盆地的基本
23、特征，在湖盆形成早期，发生两次相对较大的构造沉降，发育两次较大的湖泛旋回，所以硅化木的出现与大规模湖泛关系密切。但是，硅化木的形成需要有特定的条件，只有在偏酸性的沉积环境才可能发生硅酸交代作用，从而形成硅化木化石。普通的湖泛不足以提供足够的酸性物质，通过对本区泥岩样品的薄片观测研究，发现在层序的 部 分 泥岩 中夹 有 极 薄 的 凝 灰 岩 层（），说明在湖泛发育期伴随有火山活动，火山碎屑提供的酸性物质为硅化木的形成提供了必要条件。综上所述，本区的硅化木是大规模湖泛和火山活动的综合产物，而硅化木的出现也可以作为本区识别最大湖泛期的典型标志。结论（）本区层序地层具有一些典型特征，除发育有火山事
24、件层序外，正常的湖泊层序也具有体系域发育规模有限，湖退体系域发育，及以大型冲刷面为层序边界等典型的陆相特征。（）对本区山间盆地的层序地层研究可以借鉴经典海相的层序地层学理论。但两者的控制因素存在差异，影响本区三级层序发育的可容空间变化主要受构造沉降和沉积堆积速率的影响，而气候变化则影响更高频次的层序发育。（）本区的硅化木化石的形成是大规模湖泛和张元福，魏小洁，徐杰，等地学前缘（），（）火山活动的综合产物，其出现可以作为识别最大湖泛期的标志。参考文献 ：，：，：，（）：梁洪杰，张英利承德地区土城子组沉积特征及其构造意义大地构造与成矿学，（）：陈书平，金之钧，孙海龙库车前陆区中、新生代盆山波合西安
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