樊愛萍　李誠　楊仁超　韓作振　吳祥生

關鍵詞 海平面升降；碳酸鹽巖；巖相；寒武系；饅頭組；張夏組；沉積環(huán)境

第一作者簡介 樊愛萍，女，1978年出生，教授，儲層地質學、油氣地質學、巖石學，E-mail： xiaofan781026@sina.com通信作者 楊仁超，男，教授，E-mail： yang100808@126.com

中圖分類號 P581 文獻標志碼 A

0 引言

海平面升降不僅控制了海陸分布、古地理格局，而且控制了水體深度、水動力條件、陸源沉積物供給、古生物繁衍、碳酸鹽巖沉積類型、沉積速率等[1?3]，進而控制了沉積環(huán)境和沉積相的變化[4?5]。研究表明，寒武紀整體處于全球海平面及溫度的上升時期，全球板塊陸表海環(huán)境廣泛發(fā)育[6]，而在地貌起伏低緩的陸表海環(huán)境中，海平面的小幅變化往往會引起更大范圍的沉積相帶遷移[7]。在華北早古生代陸表海淺水環(huán)境中，更易于發(fā)育大量高能風暴沉積[8?9]。因此，加強海平面升降研究，對于深入理解巖相變化、預測沉積相帶遷移和演化序列具有重要的科學意義。

山東蒼山地區(qū)寒武系張夏組和饅頭組出露連續(xù)，巖石類型多樣，主要發(fā)育碳酸鹽巖、砂巖與頁巖，垂向上變化頻繁，是研究寒武紀海平面升降與巖相變化關系的理想場所，而前人針對該區(qū)域的研究鮮有報道。因此，本文在詳細野外剖面觀測、顯微鏡下觀察和綜合分析的基礎上，對其巖相、沉積環(huán)境進行系統(tǒng)分析，探討了海平面變化與巖相變化的關系，并重點對微生物碳酸鹽巖進行分析，以期為寒武紀古地理、古環(huán)境和古氣候研究提供參考。

1 地質背景

研究區(qū)位于山東省西南部，區(qū)域構造隸屬于華北克拉通（華北板塊）魯西地塊東南部（圖1）。魯西地塊西北側以聊蘭斷裂、齊廣斷裂為界，至廣饒縣南側向南經青州市向東，經昌樂、濰坊北至昌邑南，安丘—莒縣斷裂相接；東南側以安丘—莒縣斷裂為界。魯西地塊寒武紀地層分布廣泛，出露良好；其基底為前寒武紀泰山巖群。早古生代接受沉積，形成了寒武紀陸源碎屑巖和碳酸鹽巖沉積建造[10]。研究區(qū)寒武系饅頭組、張夏組出露完整（圖2）。饅頭組在本區(qū)自下而上分別發(fā)育石店段、下頁巖段和洪河段。石店段主要發(fā)育灰白色生屑灰?guī)r及灰色微晶灰?guī)r，發(fā)育生物丘構造及小型波狀交錯層理；下頁巖段主要發(fā)育綠色粉砂質泥巖，生物擾動現象明顯，可見透鏡體構造，發(fā)育水平層理及波痕構造；洪河段發(fā)育棕黃色細砂巖，含大量白云母，具交錯層理構造，頂部可見磨圓度較好的礫石。張夏組自下而上發(fā)育下灰?guī)r段、盤車溝頁巖段和上灰?guī)r段。下灰?guī)r段以底部厚層灰色鮞?；?guī)r與下伏地層區(qū)分開來；中部盤車溝頁巖段發(fā)育黃綠色—深灰綠色泥頁巖，夾中薄層泥晶灰?guī)r，上部夾層較多，化石豐富；頂部上灰?guī)r段發(fā)育厚層鮞粒灰?guī)r、泥晶灰?guī)r及微生物灰?guī)r（圖2）。

2 沉積相標志

2.1 巖石學特征分析

碳酸鹽巖的顆粒類型及特征是劃分微相類型、分析沉積環(huán)境的重要依據[11?12]。根據巖石的顆粒類型、填隙物類型、化石特征及結構特征，認為蒼山地區(qū)主要發(fā)育以下幾種巖石類型。

2.1.1 鮞?；?guī)r

主要出露在張夏組，顏色以灰白色—深灰色為主，多呈厚層狀（圖3a，b）。按其結構進一步細分為亮晶鮞?；?guī)r和泥晶鮞粒灰?guī)r。

其中亮晶鮞粒灰?guī)r（圖3c，d），在張夏組下灰?guī)r段較發(fā)育，亮晶膠結物約占40%；鮞粒約占60%，橢圓—圓形，粒徑為0.2～0.5 mm，分選較好，鮞粒核心多為生屑，紋層呈同心層狀。有些鮞粒后期發(fā)生重結晶作用，紋層被破壞，形成單晶鮞、多晶鮞（圖3c）；有些鮞粒白云石化作用較強，并發(fā)育壓溶作用，可見不透明鐵礦物析出。亮晶鮞?；?guī)r是高能環(huán)境的產物[13]，屬于臺地邊緣的淺灘沉積。

泥晶鮞?；?guī)r（圖3e，f），出露在張夏組上灰?guī)r段，鮞粒約為60%，藻粒為15%，泥晶膠結為20%，亮晶膠結物為5%，其中鮞粒大小約為0.2 mm，呈放射狀，重結晶作用明顯，并發(fā)育壓溶和白云石化作用；藻粒個體較小，呈黑色球狀或長棒狀。放射狀鮞粒多形成于靜水低能環(huán)境[11?12]。

2.1.2 生屑灰?guī)r

生屑灰?guī)r在整個中寒武統(tǒng)均較發(fā)育，其中生屑以雙殼類為主（圖4a，b），其他生屑（如腕足、三葉蟲）次之。饅頭組石店段的生屑灰?guī)r（圖4c，d）可見陸源碎屑，發(fā)育羽狀交錯層理，生屑破碎，判斷水體動蕩，位于潮汐通道處[12]。張夏組上灰?guī)r段，生屑也有破碎的特點，種類有雙殼類、腕足類、棘皮類和三葉蟲等（圖4e～i），形成于能量相對較高的沉積環(huán)境[14]。

2.1.3 泥頁巖

泥頁巖主要在饅頭組下頁巖段及張夏組盤車溝段發(fā)育。其中饅頭組下頁巖段以粉砂質頁巖為主（圖5a～e），顏色以灰綠色、淺紫色為主，透鏡體、波痕、生物擾動等構造發(fā)育，也形成于相對低能、水體較淺環(huán)境。

張夏組盤車溝段頁巖（圖5f）以灰綠、黃綠色為主，可見鈣質結核，水平層理發(fā)育，形成于相對穩(wěn)定的靜水或半封閉環(huán)境。

2.1.4 灰質砂巖

饅頭組發(fā)育的灰質砂巖中方解石礦物含量為15%，陸源沉積物含量為85%。陸源沉積物中碎屑顆粒平均含量為50%，雜基平均含量為35%。碎屑顆粒中石英含量高達95%，白云母含量約為5%，碎屑顆粒粒徑為0.02～0.1 mm，分選、磨圓均較差，呈次棱角狀，基底式膠結。

2.1.5 微生物灰?guī)r

研究區(qū)微生物巖有三類，包括凝塊石灰?guī)r、樹形石灰?guī)r和附枝菌灰?guī)r（圖6）。其中凝塊石灰?guī)r由微生物黏結顆粒和自身鈣化形成，研究區(qū)內饅頭組下部發(fā)育大型生物丘狀凝塊石，高2～4 m，寬1～1.5 m，中間填充紫紅色頁巖和鈣質砂巖（圖6a）；張夏組也發(fā)育大型丘狀凝塊石，高0.7～4 m，寬0.6～2 m，丘間充填鮞粒、生屑灰?guī)r（圖6b）。樹形石具有樹枝狀構造，宏觀上往往呈丘狀體和柱狀體。研究區(qū)樹形石宏觀上呈柱狀體特征，縱向上呈分叉樹枝狀，微生物部分構成樹枝，樹枝之間被生屑充填，樹枝高約0.3 m，寬0.05～0.2 m，橫剖面上呈現凝塊狀（圖6c）。附枝菌格架巖不具備典型的紋理構造、凝塊構造、樹枝構造或隱晶構造，往往由Epiphyton 菌構成生長骨架而成巖（圖6d）。

2.2 巖相類型分析

2.2.1 鮞粒灰?guī)r相

根據不同的鮞粒類型，研究區(qū)可劃分出以下幾種不同類型巖相類型。

（1） 亮晶鮞?；?guī)r相。為高能環(huán)境產物，多呈亮晶鮞粒結構，鮞粒約占60%，粒徑為0.2～0.5 mm，分選較好，核心多為生屑，呈橢圓形—圓形，多見單晶鮞、多晶鮞和負鮞，白云石化作用較強，同時可見不透明鐵礦物析出。亮晶膠結物約含40%，呈嵌晶狀分布（圖3c）。壓溶作用發(fā)育，縫合線上可見鮞粒溶蝕，鐵泥質析出（圖3d）。

（2） 含砂亮晶鮞?；?guī)r相。亮晶鮞粒結構，粒徑為0.2～0.3 mm，多呈圓球狀（圖7a），鮞粒核心多為石英，含量約為65%，約有40%的鮞粒發(fā)生白云石化和重結晶作用，少數鮞粒可見同心紋層。石英含量約為5%，除了在鮞粒核心分布以外，鮞粒之間多為亮晶方解石膠結，亦可見少量石英顆粒，長石偶見。指示高能的動蕩水體環(huán)境，一般多為潮間帶沉積產物。

（3） 殘余結構的鮞?；?guī)r相。鮞粒礫屑結構，礫屑約為35%，粒徑為2～50 mm，形態(tài)各異，雜亂排列（圖7b）；鮞粒約含25%，鮞粒內部重結晶及破碎強烈。填隙物約占40%，主要為亮晶方解石，呈刀刃狀或粒狀，指示高能動蕩的水體環(huán)境。

（4） 含藻亮晶鮞?；?guī)r相。多發(fā)育在臺地邊緣的淺灘沉積環(huán)境，呈亮晶膠結藻團塊鮞狀結構，鮞粒約含50%，粒徑為0.2～1 mm，核心以藻屑及泥晶為主，鮞的形成與藻類關系密切，不僅核心多為藻屑，紋層中亦可見較多藻粒多為同心鮞、復鮞（圖7c）。藻團塊含量約為10%，直徑為2～4 mm，多呈橢圓狀，長柱狀，或不規(guī)則團塊狀（圖7d），含少量棘皮類，黑色，呈不規(guī)則狀，可見藻穿孔現象。亮晶膠結物約含35%，多呈櫛殼狀或馬牙狀。

（5） 泥晶鮞?；?guī)r相。泥晶含藻鮞粒結構，鮞粒含量約為60%，呈放射狀，粒徑約為0.2 mm，鮞粒重結晶作用明顯，且核心可見白云石化。藻粒含量約為15%，呈黑色球狀或長棒狀，填隙物約占25%，泥晶含量為20%，亮晶膠結物含量約為5%（圖3e）。壓實作用強烈，鮞粒有破碎，壓溶作用和白云石化作用均發(fā)育（圖3f）。此類巖石多形成于靜水或低能環(huán)境。

2.2.2 亮晶生屑灰?guī)r相

該巖相類型多形成于高能水體環(huán)境，饅頭組亮晶生屑灰?guī)r多發(fā)育羽狀交錯層理，主要為潮汐通道產物。張夏組生屑和鮞粒常伴生，生屑破碎嚴重，劃分為生屑淺灘相。

2.2.3 泥灰（灰泥）巖相

該巖相類型多形成于靜水或低能水體環(huán)境，一般對應于開闊臺地灘間海沉積。按泥質含量及生屑的種類含量等，分為以下幾種不同的巖相類型。

（1） 完整生屑粒泥灰?guī)r相。生屑種類較多，均具有完整外形，有雙殼類、腕足類、棘皮類和三葉蟲（圖7e，f）。其中，泥晶顏色較深且富含隱藻，含量約占60%，亮晶膠結物往往占10%，主要發(fā)育在三葉蟲內側；另外也有部分充填雙殼類。生屑無包殼和鉆孔現象。

（2） 灰泥石灰?guī)r相?；旧喜缓?，全為灰泥基質，部分發(fā)生重結晶和白云石化。偶見生屑，多為海綿骨針，零散分布在泥晶基質之中，無分選、磨圓現象，另有一部分發(fā)生重結晶，呈粉晶粒狀（圖7e）。還可見少量藻類，零星分布在泥晶灰?guī)r基質中（圖7f）。

2.2.4 灰質砂巖相

灰質砂巖多形成于海陸交互環(huán)境，一般對應于潮上帶砂坪沉積（圖7g）。

2.2.5 微生物灰?guī)r相

（1） 葛萬菌格架灰?guī)r相。此種巖相野外露頭表明為中型生物丘構造（圖6a），丘與丘之間捕獲有沉積物。丘體之間的填隙物有兩種，代表著不同的沉積環(huán)境。鏡下觀察發(fā)現，饅頭組丘體主要為葛萬菌呈團塊狀（圖7h），填充物為阻擋的泥質礦物。張夏組則表現為葛萬菌捕獲泥晶方解石顆粒和少量生屑，丘體之間填充物為生屑和鮞粒，其中生屑種類有雙殼、腕足、軟舌螺和三葉蟲，生屑破碎嚴重，分選差，磨圓較好，指示較強的水動力條件。

（2） 樹形石灰?guī)r相。此種巖相野外露頭呈現樹枝狀特點，枝狀體之間充填生屑，生屑數量多，破碎嚴重呈半定向排列，主要形成于潮下低能帶（圖6c）[15]。

（3） 附枝菌灰?guī)r相。顯微鏡下此類巖相表現出和野外完全不同的特點，附枝菌含量介于30%～50%，呈樹枝狀、叢狀、獨立長棒狀或橢圓狀，分布于微晶—亮晶方解石膠結物中，多呈單一方向排列，顯示其向上生長的狀態(tài)，偶見生屑（圖7i），多形成于能量相對較高的環(huán)境[16]。

3 沉積環(huán)境分析

3.1 饅頭組微生物巖的環(huán)境指示意義

由于控制微生物丘中各類微生物巖發(fā)育的因素較多[17?25]，故難以判斷不同微生物巖類型發(fā)生變化時對應的水體能量的臨界值，但水體能量變化是影響它們形成的決定因素[26]。饅頭組底部發(fā)育微生物丘，丘體內為凝塊石灰?guī)r，說明饅頭組底部適宜的水體深度和強度為微生物的生長提供了有利條件。凝塊巖從潮下帶至潮上帶均有分布[27]，沉積水體相對較深，通常發(fā)育于低等—中等能量的沉積環(huán)境[22?28]，且在光照強度較強、營養(yǎng)物質豐富的地方較易形成凝塊[29]。

偏光顯微鏡下，可見丘體內為凝塊狀石灰?guī)r，見大量葛萬菌菌絲體集合體，有的呈單體管狀，有的呈纏繞狀。葛萬菌菌絲體的特征和丘體之間充填泥質礦物，均反映了當時水體較淺，水動力較弱，這些絲狀體不需要抵御水體的動蕩，呈雜亂纏繞或單體形態(tài)生長。隨著水動力的持續(xù)減弱，水體變淺，微生物丘消失，向上過渡為泥頁巖，發(fā)育水平層理。至此，水動力又開始新的變化，逐漸過渡為粉砂巖和泥巖互層的韻律層理，層面上發(fā)育生物擾動構造。隨著水深增加，水動力增強，出現羽狀交錯層理，接著發(fā)育樹形石微生物巖。樹形石頂面—橫剖面呈團塊狀小凸起，凝塊大小為3～5 cm，縱剖面呈規(guī)則的樹枝狀紋理構造，高為30 cm，其下部發(fā)育40 cm的生屑灰?guī)r?？梢钥闯觯畡恿τ兴黾?，但樹形石規(guī)模較小，抗御水體動力仍不強[15]，總體反映了饅頭組石店段凝塊石灰?guī)r—泥頁巖—樹形石灰?guī)r這樣一個旋回，反映了隨海平面升降、水體能量具有周期性變化。

3.2 張夏組上灰?guī)r段鮞?；?guī)r、微生物巖形成環(huán)境

張夏組沉積時期，隨著海侵持續(xù)進行，海平面相對上升。在平均低潮面以下，葛萬菌等藍細菌開始大量繁殖，進行光合作用，捕捉和黏結碳酸鹽微粒以及發(fā)生自身鈣化，從而形成大量凝塊石灰?guī)r。形成丘狀構造，丘狀構造之間充填中粗粒鮞粒、生屑，反映了水動力較饅頭組增強；另一方面，該剖面發(fā)育附枝菌格架灰?guī)r，附枝菌鈣化體保存較完整，縱截面呈樹枝狀直立向上生長，且主要為亮晶方解石膠結，反映了附枝菌生長時水體相對較淺，水動力條件較強，具有豐富的營養(yǎng)物質和充足的光照強度，形成50 cm厚附枝菌灰?guī)r。

張夏期上灰?guī)r段鮞?；?guī)r與微生物巖共生，反映了該時期海平面升降、水體能量變化頻繁。該段底部發(fā)育厚層的鮞?；?guī)r，反映了此時水動力較強，為潮下高能帶環(huán)境。隨后海平面逐漸上升，水動力減弱，動蕩的環(huán)境消失，有合適的光照，水體能量以及水體透明度，葛萬菌大量生長，形成凝塊石灰?guī)r；隨水體能量增強，水體加深，凝塊石灰?guī)r向上漸變?yōu)楦街規(guī)r，附枝菌石灰?guī)r厚度為2 m，反映了葛萬菌逐漸停止生長，附枝菌大量繁殖，捕獲水中的鈣離子以及自身發(fā)生鈣化作用，從而形成附枝菌石灰?guī)r；此后又向凝塊石灰?guī)r轉變，且為漸變過渡關系。最終，水體不再清澈、透亮，變化，沉積緩慢，形成較薄的泥灰層。從鮞粒灰?guī)r—凝塊石灰?guī)r—附枝菌灰?guī)r—凝塊石灰?guī)r—泥灰?guī)r這種沉積模式在張夏期周而復始地進行著，反映了水體能量、深度，光照、清澈程度的旋回性變化，以及沉積微環(huán)境變化的復雜性。沉積環(huán)境從鮞粒灘—開闊臺地—局限臺地演化，與饅頭組相比，張夏組水動力條件更強。

4 海平面升降與沉積環(huán)境演化

在前人研究成果的基礎上[30?39]，結合研究區(qū)的地質背景和野外宏觀特征，參照威爾遜模式[12]分析了山東蒼山地區(qū)寒武紀的沉積環(huán)境與海平面升降的關系（圖8）。

4.1 饅頭組沉積時期

饅頭組沉積時期，海平面總體處于較低的水平，海水存在小幅度震蕩，整體表現為擴大的趨勢。隨著海平面的整體上升，巖相逐漸由砂巖、頁巖向石灰?guī)r方向變化。石店段巖性復雜，發(fā)育凝塊石灰?guī)r—泥頁巖—樹形石灰?guī)r沉積旋回，發(fā)育羽狀交錯層理，沉積環(huán)境屬于潮間帶上部。下頁巖段和洪河砂巖段，巖相主要為砂泥巖相，發(fā)育波痕構造，距古陸較近，主要為障壁島—潟湖沉積產物（圖9）。

4.2 張夏組沉積時期

與之前的饅頭組沉積期相比，張夏組沉積時期的海侵范圍較大。在海平面持續(xù)上升過程中，沉積了下灰?guī)r段；至張夏組盤車溝頁巖沉積時期，海侵范圍更大，海平面達到前所未有之高度；在海平面相對穩(wěn)定的情況下，隨著沉積作用的進行，水體逐漸變淺，水動力條件逐漸增強，或者在海平面小幅度下降的情況下，沉積了張夏組上灰?guī)r段各類石灰?guī)r。張夏組沉積各階段的沉積環(huán)境和巖性變化均受控于海平面的變化。

張夏組下灰?guī)r段呈厚層—巨厚層狀，以亮晶鮞?；?guī)r為主，夾少量亮晶生物碎屑灰?guī)r，發(fā)育波狀交錯層理和平行層理。鮞粒紋層為同心圓狀，且鮞粒之間為亮晶充填。鮞粒的形成需要充足的碳酸鹽水體以及動蕩的環(huán)境，通常出現于水體較淺、水動力較強的灘相環(huán)境[40?42]。由此，鮞粒、破碎的生物碎屑以及保存完好的交錯層理，代表高能水下淺灘環(huán)境，該時期海平面逐漸上升，沉積環(huán)境為生屑灘和鮞粒灘環(huán)境。

張夏組盤車溝段主要發(fā)育薄層泥巖、頁巖，薄板狀泥晶灰?guī)r及少量生屑灰?guī)r，無砂巖等粗碎屑巖，表明水動力很弱，水體安靜，僅沉積細粒陸源物質和化學沉積物質。此階段，沉積環(huán)境為灘間海環(huán)境，海平面上升至最大。

張夏組上灰?guī)r段沉積時期，海平面小幅度下降；或者由于垂向加積作用的進行，水體逐漸變淺。發(fā)育鮞?；?guī)r—凝塊石灰?guī)r—附枝菌灰?guī)r—凝塊石灰?guī)r—泥灰?guī)r組合，沉積環(huán)境從鮞粒灘—開闊臺地—局限臺地演化，反映了張夏組水動力條件較此前增強，且水體能量、深度、光照及清澈程度的旋回性變化，影響著微生物的生長以及沉積環(huán)境的復雜性。

5 結論

（1） 山東省蒼山寒武系饅頭組、張夏組主要巖石類型為鮞?；?guī)r、生屑灰?guī)r、微生物灰?guī)r，泥頁巖、砂巖次之，并將其劃分為鮞?；?guī)r相、生屑灰?guī)r相、泥灰?guī)r相、灰質砂巖相、微生物灰?guī)r相、頁巖相及砂巖相等7種巖相。

（2） 該剖面饅頭組石店段發(fā)育凝塊石灰?guī)r—泥頁巖—樹形石灰?guī)r沉積旋回，沉積環(huán)境屬于潮間帶上部。饅頭組下頁巖段和洪河砂巖段，沉積環(huán)境為潟湖和障壁島；張夏組下灰?guī)r段沉積相為生屑灘和鮞粒灘環(huán)境；盤車溝段主要為灘間海沉積，上灰?guī)r段沉積環(huán)境從鮞粒灘向開闊臺地和局限臺地演化，反映了張夏組水動力條件更強，且水體能量、深度、光照及清澈程度的旋回性變化，影響著微生物的生長以及沉積環(huán)境的復雜性。

（3） 對于構造較穩(wěn)定的華北克拉通而言，寒武紀主要發(fā)育陸表海淺水沉積，海平面的小幅升降即可影響到沉積環(huán)境的大范圍變遷，進而沉積水動力條件發(fā)生快速的變化，山東蒼山剖面寒武系巖相的頻繁變化反映了海平面升降和沉積環(huán)境的垂向變化。

（4） 海平面上升或處于高海平面時期，開闊臺地占據主導地位，其高能相帶有利于發(fā)育鮞?；?guī)r、生屑灰?guī)r沉積；開闊臺地潮下低能帶有利于微生物灰?guī)r丘、疙瘩狀灰?guī)r的發(fā)育。海平面上升初期或下降期，局限臺地、潮坪等主導淺水區(qū)沉積，多發(fā)育泥晶灰?guī)r、泥質灰?guī)r；潮坪環(huán)境水動力條件變化頻繁，可發(fā)育生屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、頁巖和砂巖等多種類型的沉積巖相。