Question

沉积体系及其沉积相特征

Answer 1

前人许多研究表明（李增学等，1995，1997，2000，2001 ；何志平，2005；宋立军等，2004），华北地台石炭-二叠系发育一套由海向陆过渡的海陆交互相含煤岩系，晚石炭世为一套滨外碳酸盐陆棚与障壁砂坝混合沉积体系，早二叠世早期发展为三角洲沉积体系，到早二叠世晚期及晚二叠世早期，基本为一套陆相冲积沉积体系，到晚二叠世晚期，发育一套陆相河流-湖泊沉积。

在野外剖面、钻孔岩心宏观沉积相分析及岩相类型的归纳总结基础上，根据各类岩相在垂向上的组合关系及平面上的分布，识别出5种沉积体系1 1种沉积相类型（表2.2）。

表2.2 研究区及其外围石炭-二叠纪沉积体系及沉积相单元

2.1.2.1 河流沉积体系及沉积相

河流体系在含煤岩系中占有重要的位置，各种类型的含煤岩系中均有发育。在长期沉降的潮湿地区，河流所携带的沉积物大量堆积下来，在河流中、下游，尤其是在近海地区形成冲积平原。河流沉积体系可以细分出次一级沉积相类型，如河床、浅滩、天然堤、河漫滩和决口扇等，其沉积物各具特色。在太行山东麓及燕山南麓晚二叠世上石盒子组和石千峰组以及北京、兴隆地区的早二叠世晚期到晚二叠世与下石盒子组、上石盒子组及石千峰组相当的地层中广泛发育河流沉积。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（或心滩）、天然堤、决口扇、泛滥盆地等沉积单元，在垂向上表现为向上变细的正粒序结构（图2.7）。

图2.7 研究区曲流河垂向沉积模式

（1）河床滞留沉积

河流携带的沉积物的粒度变化范围很宽，除了悬移的粉砂、泥质等组成上部沉积旋回的物质以外，砂是最主要的停积对象。粗的砾石碎屑的搬运是很缓慢的，它只是在河水流量最高峰的时期作短距离的搬运。因此，在正常的情况下，由于流水的冲刷与分选作用，细粒的物质不断被带走，而粗粒的砾石则残留在河床底部，呈透镜体产出，谓之河床滞留砾岩沉积。它常常位于河流沉积剖面的底部，向上逐渐过渡为边滩沉积。

河床滞留砾岩沉积发育槽状交错层理细砾岩相和大型板状交错层理含砾粗砂岩相，岩石类型以细砾岩、含砾粗砂岩为主，分选和磨圆差-极差，成分成熟度低，块状层理，与下伏岩层呈冲刷接触，砂体形态多呈小的透镜体，砾石呈明显的定向排列，其最大扁平面倾向河流上游。

（2）边滩沉积

边滩是曲流河最主要的流水地貌，是河床侧向迁移作用的必然产物。河水在河道中呈螺旋状前进，并不断对外岸进行冲刷侵蚀作用，又由于横向环流将河流中的搬运物带到内岸沉积下来。开始仅仅形成浅滩，随着河流的不断侧向迁移，浅滩也不断增长，并在河流内湾部分形成宽阔的边滩。底流在侧向运动中的强度是逐渐减弱的，因而引起了搬运物的机械分异作用。在边滩下部，也是比较靠近河心的部位，沉积的是较粗粒的碎屑，在离河心更远的边滩上部，则沉积的是较细粒的物质。边滩沉积的厚度近似于河床的深度，其宽度则决定于河流的大小，河流大的边滩发育就宽阔。

研究区及其外围边滩沉积以发育板状、槽状交错层理粗砂岩相和槽状交错层理中砂岩相为代表，岩性主要为中粗粒长石石英砂岩、成熟度较低，杂基含量较高。沉积构造发育有大型板状交错层理及侧向迁移交错层理，也可见到槽状交错层理，反映为单向式水流条件（图2.8）。

图2.8 研究区曲流河河道沉积特征

（3）天然堤沉积

天然堤的形成是由于洪水期河水漫越河岸，当河水变浅、流速降低时，大量河水携带的搬运物质很快在岸边沉积下来，形成天然堤。天然堤沉积的岩石粒度比边滩细，比远离河道的洪泛盆地沉积要粗，主要由粉砂岩与泥质岩组成，在岩性组合上最突出的特点是粉砂质层与泥质层组成薄互层，砂岩层一般厚几十厘米，泥岩层一般厚几厘米至几十厘米。

在研究区及其外围，天然堤沉积以发育水平层理细砂岩相和沙纹层理细砂岩相为代表，由细粒长石质石英砂岩和粉砂质泥岩及泥岩组成，见平行层理及沙纹层理，含少量的植物碎片及根化石，偶见生物潜穴。

（4）决口扇沉积

在高水位时，过量的洪水冲决天然堤，并在堤岸靠平原一方的斜坡上形成树枝状水系的舌状堆积物，称为决口扇。决口扇有时可以延伸到邻近的河漫盆地中。决口扇沉积是一种舌状体的砂体，剖面上呈透镜体状。厚度一般不大，从十几厘米到几米。粒度常常都比与之相连的堤岸沉积要粗，主要为细砂及部分粉砂粒级物质。层理主要是各种小型交错层理，局部可以为中型的交错层理。其他的常见构造有冲刷与充填构造，以及植物或其他生物残骸，它们都是河水带来的。研究区的决口扇沉积岩性主要由粗粒砂岩、中-细粒砂岩组成，砂体在横向上表现为延伸不太远的透镜体，具典型的小型沙纹层理，与下伏岩层常有冲刷现象。

（5）泛滥盆地沉积

泛滥盆地是冲积平原上位置最低的部分，包括河漫湖泊和河漫沼泽，河漫湖泊与一般的停积盆地一样，主要是洪水期流水带来的悬移载荷的沉积。河漫湖泊的大小、形状和位置决定于冲积平原的发展历史，一般长度比宽度大得多。

在研究区，泛滥盆地沉积以发育含植物碎屑粉砂岩相和紫红色、紫灰色块状泥岩相为特征，泛滥盆地微洪水泛滥形成的广阔平坦的河漫沉积区，主要由垂向加积的细粒沉积物组成，一般由互层状的泥岩、粉砂质泥岩和粉砂岩组成，局部发育水平或水平波状层理，含丰富的植物化石碎片及根化石。根据沉积物的特征，又可细分为河漫滩、河漫湖泊和岸后沼泽（河漫沼泽），其中河漫滩以砂质沉积物为主，河漫湖泊以泥质沉积为主，而岸后沼泽也以泥质沉积为主，但一般都有泥炭沉积，形成煤线或煤层。

2.1.2.2 三角洲沉积体系及沉积相

三角洲是地质学中最古老的概念之一。三角洲一词早在公元前400年就由Herodotus等人使用，他发现尼罗河口冲积平原在形态上像希腊文字母 “△”（delta），从那时起三角洲这一术语就产生了。三角洲的最初定义是Barrel（1912）提出的，认为 “三角洲是由注入或仅靠永久性水体的河流所建造的部分属于陆面上的沉积体”。许靖华（1979）对三角洲的定义是：一条河流入海和入湖的河口部分，坡度渐平缓，沉积物大量堆积，河流形成许多分流，通常把第一个分支以下经常受到河流影响的沉积区称为三角洲。一般来说，在河流与海洋或湖泊的汇合处沉积成锥形大沉积体，即三角洲。三角洲是一个以陆源碎屑沉积占优势的区域，属于海陆过渡环境。三角洲沉积体是河流作用和海洋作用在河口地区相互影响的结果，其发育状况的最重要因素是河流供给大量沉积物和沉积区的下沉。理想的三角洲形状是锥形的，然而实际中很难达到理想形状。受气候、水流量、沉积负载、河口作用过程、波浪、潮汐、水流、风、陆棚斜坡以及沉积水盆地的构造及几何形态等多种作用的影响，三角洲沉积地区的环境极为复杂，河流分叉后，从第一个分叉开始起算进入该区沉积范围，在分汊河道之间尚有湖泊、沼泽沉积体，靠近海岸尚有滨海沉积物混入。因此三角洲环境的沉积物为混合体——称为三角洲体系。

在研究区，三角洲沉积从山西组至上石盒子组均发育，垂向上，三角洲旋回性清楚，表明受海平面变化影响明显。煤层比较发育，横向分布上比较连续。三角洲体系包括上三角洲平原、下三角洲平原、三角洲前缘、前三角洲及三角洲间湾等沉积相（图2.9）。

图2.9 研究区曲流河-三角洲沉积特征

（1）上三角洲平原相

理论上上三角洲平原位于河流第一个分叉口至最高湖（海）平面之间，为三角洲沉积的陆上部分，是与河流有关的沉积体系在海滨区的延伸。其沉积环境和沉积特征与河流相有较多共同之处，在一定程度上为河流相的缩影。岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥岩（包括泥炭、煤等）。砂质沉积与泥炭、煤共生是该亚相的重要特征。砂质碎屑的分选性差，层理构造复杂，视环境不同而异，见雨痕、干裂、足迹等层面构造。生物化石少，且多为淡水动物化石和植物残体。岩体呈透镜状，横向变化大。分流河道和沼泽沉积构成该亚相的主体，这是与一般河流的重要区别。上三角洲平原亚相可进一步分为分流河道、天然堤、决口扇、泛滥盆地、间湾湖泊等沉积类型。

1）分流河道沉积：该相构成上三角洲平原的主体，在本区山西组、石盒子组比较发育，主要发育低角度交错层理中砂岩相和槽状交错层理中砂岩相，岩石类型以中粒砂岩为主，分选中等—较差，具向上变细的正粒序，底部为含粗砂岩组成的滞积层和明显的冲刷面，发育大型板状、槽状交错层理。垂向上常与天然堤和泛滥盆地共生（图2.10）。

图2.10 三角洲平原分流河道沉积特征

2）天然堤沉积：发育在河道堤岸的两侧，垂向上位于分流河道之上，是在洪水期由洪水中悬浮的较粗物质在河道两岸堆积而成。发育水平层理细砂岩相和沙纹层理细砂岩相，岩石类型主要为粉砂岩和细砂岩。具小型交错层理、水平层理，局部可见生物搅动构造。

3）决口扇沉积：岩性主要为细砂岩及泥质粉砂岩，是由于切过河岸天然堤的树枝状水系形成的。因为快速堆积，所以岩石中碎屑分选和磨圆度差，成熟度低，常含较多的杂基，见有小型槽状交错层理及沙纹交错层理，有时具水平层理，平面上呈扇形，剖面上呈小型透镜状。

4）泛滥盆地沉积：发育含植物碎片粉砂岩相、灰色及深灰色泥岩相和炭质泥岩相，以湖泊、沼泽沉积为主体，岩石类型由泥岩及粉砂质泥岩组成，含少量的植物化石和碎片，常见有菱铁质结核，沉积构造多为水平层理、水平波状层理或块状层理。

5）间湾湖泊：当盆地持续下降，上三角洲平原分流河道间长时间覆水时，分流间湾就会转化为局部性间湾湖泊。其岩相类型主要有灰色-灰黑色含植物碎片的粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、炭质泥岩。以湖泊、沼泽沉积为主体，常见菱铁矿结核，煤层发育，沉积构造以水平层理、低角度波状层理和块状层理为主。

（2）下三角洲平原相

下三角洲平原位于最高湖（海）平面与最低湖（海）平面之间，相当于三角洲平原的水陆过渡地带。与上三角洲平原相比，下三角洲平原分流河道砂体规模继续减小。在分流河道向海（湖）延伸的过程中，河道加宽，深度减小，分叉增多，流速减缓，堆积速度增大。沉积物以砂、粉砂为主，泥质极少。常发育交错层理、波状层理及冲刷-充填构造，并见有层内变形构造。砂体横剖面呈透镜状，侧向变为细粒沉积物。

下三角洲平原由与决口扇沉积作用、分流间湾充填沉积作用，以及与水下和地表物质形成的天然堤有关的作用而形成，因此其特征是河道显著地分流，分流间湾发育。分流河道沉积在垂向上和侧向上与分流间湾沉积有密切关系，分流间湾沉积以深灰色至黑色泥岩为主，也有不规则分布的石灰岩和菱铁矿。

研究区的下三角洲平原相主要包括分流河道、分流间湾等沉积单元（图2.11）。

图2.11 研究区湖泊-三角洲沉积特征

1）分流河道沉积：以冲刷面及大型板状交错层理及大型槽状交错层理向上变细的中粗砂岩、细砂岩、粉砂岩及泥岩为代表，主要发育低角度交错层理中砂岩相和槽状交错层理中砂岩相，底部冲刷面规模变小。冲刷面上常见树干化石及泥砾，古水流方向以单向为主。

2）分流间湾沉积：这是被天然堤或沼泽隔开并与开阔海水之间有一定连通的微咸水体，发育沙纹层理细砂岩相，灰色、深灰色泥岩相和炭质泥岩相。其沉积物主要为深、暗色的泥岩、含炭泥岩和粉砂质泥岩，常夹有决口形成的砂体透镜体，发育水平层理、水平波状层理及发育小型沙纹层理，含有少量植物根和叶化石，并含较多的菱铁质结核，微咸水-半咸水环境，垂向上常与分流河道和分流河口坝共生。

（3）三角洲前缘相

三角洲前缘是三角洲的水下部分，呈环带状分布于三角洲平原向海一侧边缘。在海相三角洲形成过程中，因河水密度小于蓄水体密度，低密度的河水离开三角洲平原后，会悬浮于高密度的海水之上呈平面喷流，其携带的泥砂质沉积会逐渐沉降下来堆积于河口附近，形成以砂质沉积为主的河口坝和以粉砂质沉积为主的远砂坝。

1）水下分流河道：是下三角洲平原分流河道在水下的自然延伸，水下分流河道常呈块状，粒序性不甚清楚，电测曲线形状多呈箱形，有些也呈钟形。

2）河口坝沉积：河口坝又称分流河口坝，位于分流河道的河口处，沉积速率最高，海水的冲刷及簸选作用使泥质沉积物被带走，砂质沉积物被保存下来，故河口坝沉积物主要由分选好、质纯净的细砂和粉砂组成，具较发育的槽状交错层理，厚度为中、厚层。可见水流波痕和浪成波痕，河口坝随三角洲向海推进而覆盖于前三角洲泥质沉积之上，生物化石稀少。

研究区河口坝沉积主要由比较干净的细砂岩和中砂岩组成，分选中等—较好，泥质杂基含量较低，可能是在河口处受波浪、潮汐作用反复筛选的结果。发育泥砾岩相、槽状交错层理细砂岩相、槽状交错层理中砂岩相及板状交错层理中砂岩相，层理类型有大型楔状交错层理、低角度交错层理及大型槽状交错层理，有时还看到包卷层理以及共生的泥砾。古水流方向受河流和潮汐水流影响较大，常出现向陆方向或多方向变化的分量。砂体在剖面上呈透镜状，粒度由下向上变粗，测井曲线常呈倒钟形，顶部突变或渐变，底部渐变。顶部常被三角洲平原分流河道切割，在垂向上常与分流间湾共生（图2.12）。

图2.12 研究区三角洲前缘与前三角洲沉积特征

3）远砂坝沉积：远砂坝是三角洲前缘环境向海倾斜的边缘部分。以纹层状粉砂和黏土及细砂组成；沉积构造以粉砂和黏土组成水平层理为特征，但交错层理、冲刷充填构造、侵蚀面等也较常见，普遍可见大小不同的潜穴、生物扰动层及介壳，在沉积序列上，它位于河口砂坝之下、前三角洲的泥岩之上，形成了由下向上逐渐变粗的层序。

远砂坝沉积在本区以发育沙纹层理细砂岩相、平行层理细砂岩相和生物扰动粉砂岩相为代表，以薄层到中厚层状的中细砂岩与粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩的互层为特征发育小型沙纹层理，还有薄的砂泥互层的韵律层理及一些生物扰动构造。与河口坝沉积一起构成粒度向上变粗的序列。

（4）前三角洲相

前三角洲相位于三角洲前缘的前方，是三角洲舌状体向海的继续延伸，特别是在海相三角洲低密度的河水与高密度的海水混合过程中，粗粒的砂质和粉砂质沉积在河口附近沉积，泥质沉积则可呈悬浮状态搬运得更远，从而在三角洲前缘向海一侧沉积下来形成前三角洲泥质沉积。

研究区前三角洲相以发育灰色、深灰色泥岩相为代表，主要由粉砂质泥岩、泥岩及薄层菱铁矿层等细粒沉积物组成，发育水平层理，偶见动物化石。前三角洲与三角洲前缘沉积一起总体上以向上变粗为特征，在测井曲线上为典型的倒松塔形，易于识别。

（5）三角洲间湾相

三角洲间湾是指位于大型三角洲朵状体之间的海湾，具有半咸水到正常海水的沉积环境，这里水体受两侧三角洲朵体的限制而水体能量较低，水深较浅，沉积物常较细，主要为泥岩、炭质泥岩和菱铁质泥岩，水体变浅使得地下水位高于海平面则可发育泥炭沼泽并形成厚度较大的煤层。

2.1.2.3 湖泊沉积体系及沉积相

湖泊体系在本区主要发育于上、下石盒子组，以一套巨厚层状灰色粉砂质泥岩、粉砂岩沉积为特征，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（图2.13）。

2.1.2.4 障壁-潟湖沉积体系及沉积相

障壁岛、潟湖、潮坪位于海陆过渡区，和三角洲一样，同属于海陆过渡相组，它们是一个综合的沉积体系，障壁-潟湖体系的沉积环境主要包括障壁砂坝（或岛）、障壁岛前的滨外陆棚、障壁岛后的潮坪、潟湖、潮汐三角洲以及冲越扇等（图2.14）。

（1）障壁砂坝相

研究区的障壁砂坝沉积主要为上临滨沉积，发育于晚石炭世本溪组和太原组地层中，岩性以细、中、粗砂岩为主，分选中等-好，成分成熟度高，在垂向上常呈向上变粗的逆粒序。发育低角度交错层理中砂岩相，沉积构造常见有大型交错层理，特别是低角度交错层理（图2.15）。

（2）冲越扇相

发育于障壁砂坝后的潟湖之中，由风暴浪将障壁砂坝上的粗粒沉积携带到低能的潟湖中沉积而成，岩性一般为细砂岩，磨圆较好但分选较差，砂体中厚到厚层状，顶底界面突变，测井曲线向上变粗。砂岩中生物扰动构造比较发育，层理构造因生物扰动而变得不清，甚至岩石本身因生物扰动构造发育而变得成分混杂，垂向上常与潟湖沉积共生。

图2.13 研究区湖泊暗色泥质岩沉积特征

图2.14 太原组滨外碳酸盐陆棚-障壁砂坝-潮坪沉积序列

图2.15 研究区障壁砂坝沉积特征

图2.16 研究区潮坪-潟湖沉积特征

（3）潟湖相

主要发育于研究区上石炭统本溪组和太原组中，岩性主要为黑-灰黑色泥岩、粉砂岩，含有较多的菱铁质鲕粒和结核，说明为还原环境，常含有生物化石，但较为单调，比较多见的为腕足类、软体动物等，另外，见有生物潜穴，层理类型以代表较平静的水平层理为主，偶尔发育透镜状层理，更多的为块状层理，潟湖是被障壁砂坝与广海相隔、同时又以通道与广海相连的一种封闭或半封闭的浅水盆地，水介质条件多变，以半咸水—微咸水条件为主（图2.16）。

（4）潮坪相

潮坪相是本区重要的沉积相之一，尤其是在上石炭统太原组的沉积物中较发育。潮坪沉积一般具有向上变细的垂直层序，底部多以砂坪开始，向上为混合坪、泥坪。相当于现代海岸沉积的潮滩沉积（王颖等，2003）。

砂坪位于平均高潮线和平均低潮线之间靠近低潮线附近，沉积物多为砂质物质，潮汐作用在该处较强，属较高的能量环境，沉积物受其影响一般由较纯净的砂组成，其岩石类型以细、中粒砂岩为主，夹薄层粉砂岩，砂岩分选中等-好，层理构造较特征，具低角度的交错层理、脉状层理和沙纹层理。局部见少量菱铁矿结核和植物化石，并可见生物扰动构造及潜穴。

混合坪是介于泥坪和砂坪之间的过渡类型沉积，发育生物扰动粉砂岩相，岩性以粉砂岩为主，以薄层浅色细砂岩与深色泥岩或砂质泥岩频繁交替的薄互层为特征，波状、脉状和透镜状等潮汐层理十分发育，尤其以薄的砂泥互层层理为典型，常见生物扰动构造。

泥坪在潮坪沉积中位于高潮线附近及潮上地带，属低能环境，以发育灰色、深灰色泥岩相和炭质泥岩相为特征，主要由泥岩、炭质泥岩和砂质泥岩组成，偶尔夹有大潮时带来的粉砂质沉积，含有植物化石，并发育生物扰动构造，层理类型多为水平层理和缓坡状层理。

2.1.2.5 滨外陆棚沉积体系及沉积相

（1）滨外泥质陆棚

位于障壁砂坝外侧正常浪基面之下的滨外地带，水体能量低，但盐度正常。发育生物扰动粉砂岩相和灰色、深灰色泥岩相，沉积物主要为泥岩和粉砂岩，发育水平层理和沙纹层理，含狭盐性动物化石及生物扰动构造，向下和向上分别过渡为滨外碳酸盐陆棚和障壁砂坝沉积（图2.17至图2.19）。

图2.17 研究区滨外陆棚沉积特征

图2.18 研究区滨外泥质陆棚沉积特征

图2.19 研究区滨外碳酸盐陆棚沉积特征

（2）滨外碳酸盐陆棚

鲁西南地区本溪组和太原组中12～14层石灰岩层和泥灰岩层发育，主要是一些生屑颗粒质泥岩和泥质颗粒岩，生物碎屑比较发育，生物化石常见有孔虫、介形虫、腕足等原地生物组合，以及一些异地搬运的生物化石碎片组合。生物碎屑类型也十分丰富，大小混杂，主要有腕足、介形虫棘屑和藻屑以及软体动物碎片等。此外，发育反映局限平静—较为开阔动荡的遗迹化石，如动藻迹（Zoophycos）、根珊瑚迹（Rhizocorallium），二者常共生，常见水平、倾斜潜穴、垂直潜穴等。石灰岩中层理一般不发育，但有时可看到丘状交错层理及粒序层理，反映沉积环境时常受到风暴浪的影响。当有风暴作用发生时，水动力条件剧变，形成风暴沉积物——风暴岩。风暴沉积过后，转为好天气的沉积。前者形成具冲刷面、粒序层理和丘状交错层理的颗粒岩和泥质颗粒岩，后者形成具生物扰动构造的灰泥岩。

上述特征反映该相主要形成于位于低潮面以下的滨外碳酸盐陆棚沉积环境，其水动力条件一般比较弱，但也时常受到风暴浪的影响。海水的盐度基本正常，生物较发育，有机质供给充沛。研究区本溪组—太原组石灰岩基本都形成于此环境。