Question

沉积构造及其特征

Answer 1

沉积构造，特别是物理成因的原生沉积构造，最能反映沉积物形成过程中的水动力条件，兼之它们在成岩阶段受影响又较小，所以一直被视为分析和判断沉积环境的重要标志。近 30 年来，沉积相研究中的一个新的进展是从应用孤立的沉积构造标志进而发展为综合利用沉积构造序列建立沉积相模式，使得沉积构造的作用和意义更为扩大。由于沉积构造序列是当时沉积物理变化过程的产物，客观地记录着当时的水动力条件和生物活动情况，因而是确定沉积相类型最为直接的标志之一。张河湾地区地表露头中保存有相当丰富的各种沉积构造，成为划分沉积相的有效资料，下面就常见构造予以介绍。

一、层理构造

层理构造是沉积岩中最重要的一种构造。它是沉积物沉积时在层内形成的成层构造。层理由沉积物的成分、结构、颜色及层的厚度、形状等沿垂向的变化而显示出来。

层或一个单层是在基本稳定的介质条件下沉积的一个单元，它由成分上基本一致的沉积物组成。层与层之间有层面分隔，层面代表了短暂的无沉积或沉积作用突然变化的间断面，层的厚度变化很大，可由数毫米至数米。按层的厚度可划分为:

张河湾地质-旅游实习教程

张河湾地区的沉积岩，层理类型多样，其中主要是受牵引流搬运沉积作用产生的各种层理。

1. 块状层理

层内物质均匀，组分和结构上无差异，不显细层构造的层理，又称均匀层理。张河湾地区的块状层理主要见于寒武系馒头组一段，主要岩性为钙质泥岩、紫红色泥岩。岩石结构均匀，风化成碎块。

2. 水平层理

沉积岩中彼此平行的纹层，与沉积岩层面一致，称水平层理。水平层理主要产于泥质岩、粉砂岩、泥晶灰岩及粉晶白云岩中。张河湾地区的水平层理分布广泛，主要见于寒武系馒头组、崮山组和炒米店组、三山子组，长城系赵家庄组。主要岩性为页岩、细晶、粉晶白云岩、泥晶灰岩及泥晶球粒灰岩。水平层理是在比较弱的水动力条件下，由悬浮物沉积而成，因此，它出现在低能的环境中。本区的水平层理大都产于潮坪环境或滞流的深水环境。

发育于碳酸盐岩之中的水平层理，其细层多以毫米级为主，由不同的颜色或结构呈现周期性的变化，它可以是连续而清晰的，也可以是断续的。它常与波纹层理共生。

3. 平行层理

平行层理 ( 图版Ⅰ －6) 主要产于砂岩中，在外貌上与水平层理极相似，是在高流态条件下产生的一种层理类型，牵引流和密度流沉积中均可出现。张河湾地区的平行层理见于长城系常州沟组砂岩中，形成环境为河道砂坝、海滩，与大型板状及槽状交错层理共生，主要是水流能量比形成大型交错层理更大的高流态下，切割底床形成的。

4. 交错层理

交错层理是最常见的层理类型之一，它是由一系列斜交于层系界面的纹层组成。形成的斜纹层单层常相互重叠、交错、切割，故称交错层理。由于纹层是倾斜的，过去又称斜层理。张河湾地区的交错层理常见的有大型板状、楔状、人字形斜层理、低角度斜层理、浪成斜层理。

( 1) 板状斜层理

板状斜层理见于封龙山组 ( 图版Ⅸ －2) 、常州沟组、张夏组及三山子组等地层之中。主要由石英砂岩、粉砂岩、白云岩、鲕粒灰岩及鲕粒砂屑灰岩等岩石组成。按层系厚度可分为小型 ( ＜3cm) 、中型 ( 3 ～10cm) 、大型 ( ＞10cm) ，按细层与层系界面的关系分为切线型、凹线型及角度型。区内可见各种形态，层系一般为 3 ～ 30cm 厚。板状斜层理是沙浪沿床底移动而形成的，它形成于下部流动体制 ( Fr ＜ 1) ，随着水流速度的增大，相应出现角度型 － 切线型 － 上凹型。

( 2) 楔状斜层理与槽状斜层理

楔状斜层理见于封龙山组 ( 图版Ⅰ －5，图版Ⅻ －2) 、常州沟组与张夏组之中，主要由石英砂岩、铁质石英砂岩及鲕粒灰岩组成。它是由沙浪移动或潮汐水道中形成的，前者细层于层系界面交角较低，后者交角较高。楔状斜层理在垂直水流的剖而中常呈槽状斜层理 ( 图版Ⅰ －7) 。区内楔状斜层理的层系厚一般为 5 ～35cm。

( 3) 人字形斜层理

人字形斜层理主要见于张夏组及常州沟组之中，由石英砂岩及鲕粒灰岩等组成，层系厚 5 ～40cm 不等。它形成于潮汐双向水流作用，多见于潮汐水道环境之中。

( 4) 低角度斜层理

低角度斜层理主要见于封龙山组 ( 图版Ⅰ － 6) 、常州沟组 ( 图版Ⅸ － 4，图版Ⅻ －1) 、张夏组之中，由石英砂岩及鲕粒灰岩组成，细层与层系界面交角小于 10°，有时为 8°以下。主要形成了前滨冲洗带及鲕粒浅滩等环境。

( 5) 浪成斜层理

浪成斜层理主要见于常州沟组、张夏组与炒米店组之中。由石英砂岩、鲕粒灰岩及粉屑灰岩组成，前积层弯曲呈波状排列，成束状上叠，层系厚3. 2 ～12cm，细层倾向为140°及 350°。主要由波浪作用而成。顶面上常见对称波痕。当受风暴作用时，可形成丘状及洼状层理 ( 图版Ⅸ －5) 。

5. 脉状层理、波状层理及透镜状层理

这三种层理又称潮汐层理，它们是在泥 ( 或灰泥) 、砂 ( 或碳酸盐岩中的颗粒) 都有供应和较活跃的水动力条件与缓慢或停滞的水动力条件相互交替的情况下形成的，一般出现在砂泥互层的序列中，常见于细 － 粉砂岩、泥质粉砂岩或粉砂质泥岩中。

脉状层理是在水流或波浪作用较强，而且砂的供应、沉积和保存较泥质物更为有利的条件下形成的。其特点是泥质沉积物主要分布在砂质波痕的彼谷中，而在波脊上很薄或缺失，以便使泥质沉积物呈脉状体分布在砂岩之中。本区脉状层理主要见于长城系、馒头组、张夏组及炒米店组之中，泥质脉体分布在石英砂岩、粉砂岩及泥晶灰岩之中。

透镜状层理是在水流和波浪作用较弱，并且砂的供应不足，而泥的供应、沉积和保存条件较砂更为有利的情况下形成的，其特点是砂质透镜体被包围在泥岩之中。本区透镜层理主要见于馒头组、张夏组及炒米店组之中，透镜体由粉砂岩、细砂岩或泥晶灰岩、生物碎屑灰岩等组成，长4 ～20cm 不等，高2 ～10cm，之中可见有小型斜层理，呈不连续的凸镜体分布于页岩、泥灰岩之中，常见与波状层理及水平层理共生。形成于潮汐环境。

波状层理是介于上述两种层理之间的过渡类型，是在砂、泥都有供应，而且砂、泥的沉积和保存都较为有利，强、弱水动力条件交替的情况下形成的。这种层理是由波状泥层和波痕状砂层彼此交替而形成，而且都是连续的层。本区波状层理见于馒头组、张夏组及炒米店组之中，主要由页岩、粉砂岩及泥晶灰岩等组成。在细碎屑岩之中，主要由粉砂与泥组成，两者呈彼状弯曲的互层，细层多为毫米级，也见厘米级，碳酸盐岩中的波状层理，表现为泥晶或泥质与粉屑灰岩 ( 白云岩) 组成的波状韵律层，主要形成于潮坪环境，在张夏组鲕灰岩之中可见由鲕粒灰岩与含鲕粒泥晶灰岩组成的波状层理，细层厚为 3 ～5cm。形成于浅滩潮坪环境。

6. 粒序层理

粒序层理见于封龙山组 ( 图版Ⅰ －3) 与炒米店组之中，由角砾岩、含角砾砂岩或砾屑灰岩等组成，在碎屑岩之中，表现为角砾向上变细的序列，形成于重力流沉积。在碳酸盐岩之中，由砾屑组成向上变细或变粗的粒序层。形成于浪基面以下，由风暴流沉积而成。

二、层理序列

太行山中段沉积地层中以常州沟组与张夏组层理最发育 ( 表 3 －3) ，表现为类型多、纹理清楚、垂向变化连续等特征，它们的序列组合特征可判断其沉积环境及演化特点。

表 3 －3 张河湾地区盖层层理类型特征

续表

1. 海滩体系的层理序列

分布于常州沟组，主要由石英砂岩及石英岩状砂岩组成，形成于中高能海滩环境，序50·列中可见有沙席形成的平行层理，沙浪形成的板状斜层理沙垅形成的楔状斜层理及潮汐形成的人字形层理。常州沟组之中可划分为四个组合序列 ( 图 3 －2a) ，每个序列由三部分组成: ①主要由板状斜层理及平行层理组成，形成于中高能沙质海滩近滨环境; ②由人字形斜层理组成，之中夹有楔状斜层理、平行层理，形成前滨下部潮道环境; ③由浪成层理及低角度斜层理、冲洗层理组成，形成于前滨冲洗带。

图 3 －2 常州沟组的层理序列

图 3 －2b 表示了海滩体系的另一个剖面自下而上由前滨带形成的低角度斜层理，砂坝相的楔状斜层理，近滨带的板状斜层理及前滨带下部的波纹层理，并与浪成对称波痕共生。

2. 浅滩体系的层理序列

分布于张夏组二段，主要由鲕粒灰岩、砂屑灰岩、叠层石灰岩等组成，滩前主要由波状层理组成，主滩由人字形层理、楔状斜层理及板状斜层理组成，滩后由波状层理夹板状斜层理及叠层石构造。

三、层面构造

本文所说的层面构造是泛指在岩层顶面或底面上的宏观构造现象，常见波痕及冲刷面构造等。

1. 波痕

波痕是床沙形态在迁移过程中所保留在沉积层面上的有规律的波状起伏现象，所以，波痕和层理的成因是密切相关的，它们都可以反映不同的沉积环境和水动力条件。

太行山中段沉积盖层中波痕较发育，主要有对称型、不对称型、削顶型、干涉型和孤立波痕等类型 ( 表 3 －4) 。按波脊线可分为直线、弯曲状和链状等类型。按成因主要为浪成波痕。

表 3 －4 常见的波痕类型

( 1) 对称波痕

见于赵家庄组 ( 图版Ⅵ －5、6) 、常州沟组 ( 图版Ⅷ －7) 、馒头组、张夏组及炒米店组之中。波长一般为3 ～56cm，波高为0. 5 ～7cm，波痕指数为2. 1 ～16. 2cm，波脊呈圆弧状及尖锐状，波谷圆滑，波脊线有直线状、弯曲状和链状，内部有时见前积纹层。其中，常州沟组波长小于 7cm，馒头组波长小于 22cm，张夏组波长 15 ～56cm，后两者以直线状为主。

( 2) 不对称波痕

见于各组之中，不对称波痕的波长为 3. 5 ～ 22cm，波高为 0. 5 ～ 1. 6cm，波痕指数为4 ～ 14. 7，不对称指数为小于 3，波脊线为直线状，波脊较圆滑。主要为浪成波痕。

( 3) 干涉波痕

见于常州沟组及炒米店组。由两组交叉呈网状，每组波脊线互相平行，呈直线形对称波痕，两组交角 20° ～70°不等，波长 8 ～10cm，波高 1. 5 ～2cm。为浅水环境中两个不同方向水流流动而成。

( 4) 削顶波痕

见于高于庄组、馒头组及炒米店组，常州沟组偶见，波长 2. 5 ～ 7cm、波高 0. 4 ～2cm，波痕指数 4. 7 ～ 6. 3，波谷呈圆弧状，波脊被削平，波脊线呈直线或弯曲状。形能于浅水瞬时高能环境。

( 5) 孤立波痕

见于馒头组及张夏组。波高 2 ～10cm，推测波长 8 ～40cm，表现为小透镜体，由粉屑灰岩或鲕粒灰岩或石英细砂岩等组成。形成于粗粒物质供应不充分的饥饿条件。

2. 冲刷面构造

冲刷面是高流态下产生的一种层面构造，由较强水流流经尚未完全固结的沉积物表面时，对下伏沉积物侵蚀冲刷而成的凹凸不平的面。由于水流强度的不同，往往冲刷的深浅规模不等。本区长城系常州沟组、赵家庄组砂砾岩中可见规模较大的冲刷面构造，冲刷面上充填似层状、透镜状含砾砂岩及砂砾岩。在寒武系炒米店组也可见到规模不等的冲刷面构造，它们一般是潮汐水流冲刷而成，是潮汐水道的标志。

四、其他沉积构造

1. 干裂

干裂又称泥裂，系指泥质沉积物或灰泥沉积物暴露于地表，通过干缩与压实作用而产生的一系列收缩裂隙，将沉积物表面分别成许多多边形的泥块，表面呈龟裂网状，裂隙呈“V”字形，上宽下窄，尖端指向下伏地层，内含砂质沉积物。张河湾地区干裂极为发育，主要见于长城系常州沟组石英砂岩 ( 图版Ⅹ －2、3) 、寒武系馒头组泥岩，是潮坪环境的产物。

2. 盐类假晶

泥质和碳酸盐等沉积物中如含有石膏或石盐等盐类晶体，在成岩过程中，沉积物被压实并失水，其体积的收缩远较晶体显著，造成晶体突出于岩层表面，并可嵌入到上覆岩层中去的现象，称盐类的晶体印痕，晶体往往被其他物质所交代，称盐类假晶。张河湾地区的石盐假晶主要见于寒武系馒头组，反映当时气候较为干燥。

3. 结核

结核是岩石中自生矿物的集合体，这种集合体在成分、结构，颜色等方面与围岩有显著的不同，常呈球状、椭球状、条带状及不规则的团块状产出，大小不一，既有孤立存在的，也有呈串珠状出现的，其成分主要有钙质、硅质及铁质等。按形成阶段可分为同主结核、成岩结核及后生结核。张河湾地区的铁质结核见于长城系，硅质结核一般产于寒武系和奥陶系，类型和形成环境多样。

4. 缝合线

张河湾地区的缝合线构造在寒武系、奥陶系灰岩中广为发育，在垂直层面的切面中呈锯齿状微裂缝，颇似头盖骨接缝，从立体上看则为参差不齐的垂直小柱 ( 缝合柱) 。石灰岩中的缝合线形态多样，常见锯齿状或波状，缝合线的起伏幅度不一，从 1mm 至几厘米，甚至几十厘米，其与层面的关系，可以平行、斜交或垂直，也可以有几组相交成网状。关于缝合线的成因，多数人认为是压溶作用形成的，即在上覆岩层的静压力和构造应力的作用下，岩石发生不均匀的溶解而成。缝合柱上的滑动擦痕以及被缝合线切断的方解石脉位移，都说明缝合线生成时有压力作用，在缝合面上有一层泥质薄膜的不溶残余物，表明缝合线生长时伴有溶解作用。

5. 假层理

在沉积岩层中，有一系列形状不大规则的同心圈状的色环，有人称为韵环构造，又称为李泽岗环，常被误认为层理，其实是假层理。张河湾地区的假层理在多处层位出现，其形成主要是由于胶体溶液铁的氢氧化物在岩层中发生周期性沉淀而成，也是一种扩散作用的结果，多形成红黄色调深浅相间的色环。这种假层理的分布不广，与层理的关系无一定规律。

6. 叠层石构造

叠层石构造又称叠层构造。叠层石由两种基本层组成: ①富藻纹层，又称暗层，藻类组分含量多，有机质高，在显微镜下透明度低，故呈色暗; ②贫藻纹层，又称亮层，藻类组分含量少，有机质少，在显微镜下透明度较高，故呈色浅。这两种基本层交互出现，即成叠层石构造。叠层石的形态变化多样，明显地受环境因素的控制，张河湾地区的叠层石构造产于滹沱系、长城系 ( 图版Ⅶ － 6、7) 和寒武系，大部分呈柱状、层状或波状，因此它是形成于水动力条件弱的潮坪环境中。

五、古流向分析

沉积岩中可常见到各种定向构造及组构，它们乃是古水流搬运沉积物的遗迹，交错层理就是其中的定向构造之一，运用它的倾向研究古流向是常用的方法之一。有关的研究( 如 Brinknann，1983; Hamblin，1958; Pelletier，1958; Pryoe，1960) 均取得了一定的成果。一般的研究方法是: 通过测量斜层理细层及地层的产状，求出细层的原始倾向，然后计算交错层倾向的主中值及标准偏差，并用来表示主流或平均流向及具有环境意义的离散性数值。

古流向在时间上具有惊人的稳定性和持久性。苏格兰的莫恩统 3660m 剖面的交错层自上而下方位是一致的。佩利蒂尔 ( Pelletier，1958) 指出: 在美国马里兰州和宾夕法尼亚州，从上泥盆统到宾夕法尼亚亚系地层的平均水流方向保持一致，这表明在这期间古斜坡基本上保持恒定。

本区常州沟组及寒武系之中，古地理基本上没有明显的变化，由此可作为两个单元分析它们各自的古流向特征。通过对常州沟组及寒武系斜层理倾向的测量、校正和分组统计等分析可得出如下结果，如表 3 －5 所示。

表 3 －5 古流向统计分析表

常州沟组在 37 个实测数据中，最大频数位于 210° ～240°的组距中，中值为 179°，标准偏差为 94. 4°，从玫瑰图中可以看出为多峰态的类型，定向性不明显，这反映了海滩沉积的基本特征，主要受向岸流、离岸流及沿岸流的水动力条件所控制而形成。从代表古斜坡的主中值 ( 179°) 来看，古斜坡对水流方向的控制作用并不明显，但它垂直于滨岸线和倾向。

在寒武系 34 个实测数据中，最大频率数位于 120° ～150°组距中，中值为 168. 3°，标准偏差为 92. 7°，具玫瑰花图也为多峰态型，但它有一个更明显的优势方位和两个相对弱的优势方向，三者夹角为 120°，反映了浅滩呈北东向分布。而寒武系古斜坡 ( 168. 3°)与常州沟组的方向 ( 179°) 很接近，这表明了常州沟组沉积之后古斜坡倾向由近于正南转变为南南东向，但变化并不明显。这可能是局部隆起影响的结果。