岩石地层结构与基本层序

5．2　岩石地层结构与基本层序

5.2.1　岩石地层结构的概念与类型

地层是由具有不同单层厚度的不同岩类叠置组合而成的，这种组合通常是有规律的，其组合方式称为地层结构(stratigraphic architecture)。对于层状延伸的地层而言，地层结构可简单地分为两类:均质型结构和非均质型结构(表5－4)。

如果地层序列中单层的岩性、结构基本相同，且单层厚相差不大，通常称为均一式结构，如灰白色厚层细粒石英砂岩。如果地层序列由两类岩性、结构组成，且单层厚度相似，单层规则或不规则交互，则称为互层式结构，如黑色薄层硅质岩与灰黑色薄层硅质泥岩互层。地层序列中如果以一种类型的单层为主，间夹有另外一种类型的单层，称为夹层式结构，如灰白色厚层中粒石英砂岩夹灰白色薄层粉砂岩，灰黄色厚层灰岩夹灰黄色薄层泥灰岩。

地层序列常常由3种或3种以上特征不同的单层组成，其组合方式部分很有规律，如各种旋回沉积序列，称为有序多层式。部分组合方式没有一定的规律，则称为无序多层式，如非旋回沉积。通常用图示更能反映地层结构，因此，野外必须对地层结构进行详细地观察、测量、素描或照相。通过对上述地层特征的识别，给岩层以正确的定名，并能识别出地层序列中各部分的差异，进而对地层进行划分和对比。

表5－4　地层结构类型(据杜远生，童金南，2009)

对于非层状延伸的地层，由于地层的侧向变化大，应该从三维的角度去认识地层的结构，表5－4中的斜列式结构是指组成地层的岩层以斜列的方式排列，如生物礁前缘斜坡和倒石堆形成的地层。叠积式结构是指一些丘状或块状的岩层在垂向上叠加而成的地层结构，典型的如连续垂向加积的生物礁形成的地层结构。嵌入式结构是指地层总体以某一种岩层为主，内夹有一些非层状或丘状、透镜状岩层，典型的如台地碳酸盐组成的地层中夹有小型生物礁体。

上述地层结构可以单独出现，也可以以不同的方式组合形成复合式结构，如均一式结构中夹有序多层式结构，互层式结构中夹均一式结构，无序多层式结构中夹有序多层式结构等。

地层结构是认识和划分地层的重要依据。一个岩石地层单位除具有一定的岩石特征外，还应该具备一定的地层结构。在地层描述中，地层结构通常以基本层序的形式来表达。不同的地层单位当其物质组分和成因背景不同时，其地层结构和基本层序也会存在明显的差别。

5.2.2　基本层序

5．2．2．1　基本层序的概念

基本层序(primary sequence)，也称基本地层单元，是沉积地层垂向序列中一般在露头尺度上能观测到的、按某种规律叠覆的、代表一定地层间隔发育特点的单层岩石分层或多层岩石组合，它是地史时期沉积物和沉积作用过程中自然记录的最小地层综合体，通常代表同一环境或亚环境的沉积产物的规律组合(或沉积序列)，一般上下都被明显的沉积界面分开(图5－1)。

基本层序在野外通常易于识别，典型河流沉积的基本层序(图5－1A)为河流的二元结构:下部为河道砂质沉积，上部为洪泛平原泥质沉积。浊流沉积中的基本层序(图5－1B)为鲍马序列。任何厚度巨大的地层体都可以被毫无遗漏地切分为一个个依次叠置在一起的基本层序，不同的地层单位其基本层序不同，因此，基本层序是地层划分的重要标志。

由于基本层序是沉积环境的产物，当地层序列中沉积环境改变时，基本层序类型也相应地发生变化。从图5－2冲庄剖面可以看出，间隔Ⅳ之上的①～○16基本层序为同一类型，均由砂岩和页岩的韵律组成，共同组成地层间隔Ⅴ。而上覆①～③为另一种类型，该类型下部为页岩，上部夹灰岩透镜体，共同组成地层间隔Ⅶ。

图5－1　河流沉积(A)和浊流沉积(B)中的基本层序
(据熊家镛，1998)

这两种类型的基本层序在垂向上虽然连续过渡，但存在着一个明显的转换带，即地层间隔Ⅵ，该地层间隔内地层不显旋回性。图5－2中共有7个地层间隔。

5．2．2．2　基本层序的类型和基本特征

基本层序的类型按其性质可划分为旋回性基本层序和非旋回性基本层序，其中旋回性基本层序中的一部分又可称韵律性基本层序。

旋回性基本层序(狭义的)指由3个或3个以上的单层按一定的顺序依次叠置，多在一定地层间隔内反复重现。因此，可以用基本层序的个数及代表性的单层组合来表示该地层间隔的组成与结构特征。旋回性基本层序多是某种周期性过程中他旋回与自旋回作用机制联合作用(以前者为主)的产物，它不仅是解开沉积作用和环境之谜的钥匙，而且其中一部分还可能成为精细测年的工具。

旋回性基本层序在滇东各时代的碳酸盐沉积、陆源碎屑沉积或两者的混合沉积的地层中普遍可见。图5－3中的A反映了文山古木街中泥盆世应堂期碳酸盐台地向上变浅的旋回性基本层序;B反映了蒙自老寨街中泥盆世东岗岭早期碳酸盐台地向上变深的旋回性基本层序。A、B均是他旋回作用机制(A是全球海平面下降时期，B是全球海平面上升时期)与自旋回作用机制(碳酸盐的自身沉积作用的产物)联合作用的产物。

在旋回性基本层序中还含有韵律性基本层序，即单调的中—薄层状韵律(如页岩－灰岩，泥灰岩－灰岩，砂岩－页岩等反复出现)沉积层序。尽管它们的成因可能是多种多样的，但从描述角度看，仍可根据单层特征，如粒度、厚度、颜色、层理、砂泥质富集趋势、生物扰动程度以及成岩特征等的变化规律，识别旋回性基本层序的特征。

图5－2　滇东南蒙自县早寒武世沧浪铺期－龙王庙期基本层序与地层间隔
(据熊家镛，1998)
∈1 c．屏边县冲庄剖面冲庄组第8－21层;∈1 d．蒙自县白牛厂矿区剖面大寨组
第7－10层;∈2 t．蒙自县白牛厂矿区剖面田蓬组

旋回性基本层序还可以根据其单层的宏观叠覆特征，分为向上变细或向上变粗，向上变薄或向上变厚以及混合型(向上变粗再变细)等基本层序类型。

非旋回性基本层序指凡肉眼看不出变化规律的沉积序列(地层间隔)的基本层序，如岩性均一的黏土岩、页岩，厚度为5～10m或更厚的岩性均一的灰岩、骨架礁灰岩、非旋回性的韵律沉积以及具有某种随机重复出现的夹层等。对于岩性均一的沉积序列，可以取任意一段地层间隔作为岩性均一的不显旋回性的基本层序，用以代表该地层间隔的特征。也可以其中明显的水下间断、冲刷面或陆上暴露面等为界来划分基本层序。

图5－3　滇东南地区泥盆纪部分基本层序及相模式
(据熊家镛，1998)
A．文山古木街泥盆纪剖面古木组中上部基本层序:a．含单体珊瑚、腕足类、层孔虫等完整个体的粉晶生物碎屑灰岩;b．泥粉晶灰岩，自下而上有灰黑—深灰—灰—灰褐色，含腕足类、珊瑚、层孔虫等原地生长的完整个体及碎片; c．具垂直生物钻孔的泥粉晶白云质灰岩(硬底);d．藻纹层灰质白云岩。B．蒙自老寨街泥盆纪剖面东岗岭组下部基本层序:a．厚层状含Bornthardtina内碎屑泥粉晶灰岩;b．中层状含竹节石、牙形刺内碎屑泥粉晶灰岩;c．薄层状含菊石、竹节石、牙形刺内碎屑粉晶灰岩

安塞尔的基本层序分类及其特点安塞尔(Einsele，1991)依据基本层序的形成机制、旋回有无、对称与否等不同特征，从不同侧面和不同特点进行观察分析，对基本层序进行了分类。这一分类比较全面地划分了基本层序的类别(图5－4)，现介绍如下。

安塞尔所划分的10种基本层序，基本上概括了区调工作中所能遇到的基本层序类型。它们的特点分别是:a为随机型基本层序，它的划分是时间界面;b～e为韵律型基本层序，它们的共同的特点都是由层对组成，其中b为事件型基本层序，由突发性地质事件(如地震、海啸、风暴等)形成，如斜坡带的重力流沉积、滨浅海的风暴沉积等。c，d，e三种基本层序具有周期性，可能是受气候或地球轨道的周期性变化影响的结果，c，d的形成与时间的关系呈线性，有固定的周期，层对比较均一，e的形成与时间的关系呈非线性，它的沉积速率在逐渐增大;f～i为通常野外可见的旋回性基本层序，由3种或3种以上的岩石组成，f为完全对称型，g～i为不对称型，且g的旋回性表现为向上变粗;j为由层束组成的基本层序。

图5－4　安塞尔的基本层序类型
(转引自熊家镛，1998;据Einsele，1991，略有修改)

需要补充的是，安塞尔的分类对于加积型沉积未能列出其基本层序。加积型沉积从垂向上观察其组成可分为4种情况:①颜色、成分、结构以及其他特征都均一的巨厚块状(厚大于2 m)岩石组成;②岩性特征完全相同的薄层或页岩组成;③如图5－4中的c所示;④由层理厚度无变化的层束组成。对于以上4种情况的基本层序划分则是任取其中的一段作为其基本层序。

基本层序界面研究是极其重要的，它是指相邻两个基本层序的分界面，亦即单个基本层序的顶、底面。其界面按其性质分为两类:不连续沉积界面与连续沉积界面。其性质的确定主要根据界面的侵蚀情况及界面上下沉积环境的变化。不连续沉积界面又分为有侵蚀的和无侵蚀的，有侵蚀的界面一般表现为起伏不平，其形成特征是，当一个新的基本层序开始沉积时，对前一个基本层序的顶部产生侵蚀、切割，有时甚至是强烈的截切。

5．2．2．3　基本层序调查与分析

(1)基本层序调查与划分。对基本层序的识别与划分必须在野外进行，其划分依据主要涉及到岩性、生物、厚度、地层界面及垂向变化。因此，野外基本层序调查首先要收集以下资料:①岩性组成:组成基本层序各个岩性单层的岩石成分、结构及其垂向变化;②生物组成:化石类别、组合、丰度、分异度及分布;③沉积构造:各种层理和层面构造，尤其是一些标志性的沉积构造;④厚度:基本层序内各岩性单层的准确厚度要直接测量;⑤界面性质及各岩性层之间的关系，大部分基本层序的界面均为侵蚀面所限定，因此，要注意侵蚀面及暴露面的识别;⑥地球化学及特殊的指相矿物。

通常在上述调查的基础上，对地层中的基本层序进行划分。基本层序一般是根据岩性在垂向上的变化规律来划分的。但是在一些岩性没有多大变化，而岩石单层厚度或化石组分在垂向上有明显变化规律的，也可以据此划分出基本层序。图5－5(a)是鄂东南志留系坟头组第二段中根据岩性变化划分出的基本层序;图5－5(c)所示为鄂东南志留系坟头组第三段中根据化石组分划分出的基本层序;图5－5(b)所示为鄂东南二叠系孤峰组硅质岩中根据单层厚度变化划分出的基本层序。最后要查明各地层间隔内基本层序的个数，了解各基本层序之间的关系，进而从地层间隔中众多的基本层序中选出一个最典型、最具代表性的单个基本层序作为该地层间隔内的代表性基本层序。

(2)基本层序分析。首先是单个基本层序的分析。由于基本层序是沉积亚环境的产物，因此，可以通过基本层序的类型及其内的相标志判断古环境，也可以通过其内的岩性、厚度及沉积构造的垂向变化，判断其是海侵还是海退的产物。图5－3中A代表的是一类潮缘地带海水由深变浅的基本层序;而图5－3中B则反映了潮下带海水由浅变深的基本层序。

图5－5　鄂东南志留系、二叠系的3种基本层序
(a)、(c)为湖北咸宁汀泗桥大港志留系剖面;(b)为湖北大冶笔架山二叠系剖面

其后则是基本层序的组合分析，即对垂向地层序列中的各地层间隔中的基本层序的演变进行分析，从中得出沉积作用类型、沉积作用机制、沉积环境及其变化规律，以及海平面变化情况。图5－2反映了滇东南地区下寒武统冲庄组至大寨组的地层间隔和基本层序;第1地层间隔由3个类型相同的基本层序组成，单个基本层序下部为灰白色石英粉砂岩，上部为黄绿色粉砂质页岩，粒度由粗变细，层理由厚变薄，沉积作用类型属退积型，代表海水加深的海侵过程;第2地层间隔由灰绿色粉砂质页岩组成，不显旋回性，粒度及层理无明显变化，属加积型沉积，为该段时间内海平面上升到最大时的产物;第3地层间隔由7个类型相同的基本层序组成，每个基本层序下部为粉砂质页岩，上部为石英粉砂岩，粒度由细变粗，层理由薄变厚，属进积型沉积，为海退期的产物。从第1个地层间隔至第3个地层间隔构成一个明显的海侵—海退旋回。

基本层序是地层的重要特征，是岩石地层单位的主要划分依据。采用基本层序表达地层特征比传统的岩石地层描述更准确、更直观，也更科学。虽然目前岩石地层划分对比中主要采用的还是传统的岩性、岩性组合、古生物化石、地球物理及地球化学特征，但已经开始有较多的地层工作者采用基本层序进行地层划分对比(图5－6、图5－7)。

图5－6　内蒙古林西县二叠系哲斯组基本层序类型

图5－6所示为内蒙古林西县二叠系哲斯组的主要基本层序类型，该类基本层序主要为向上变细、变薄的基本层序。每一类基本层序代表了一种岩石单层的组合关系，如(30)、(47)为厚层复成分砾岩(或含砾砂岩)夹薄层砂岩(或板岩)。

图5－7所示为浙江长兴志留系唐家坞组的基本层序类型，这些基本层序多为向上变厚、变粗的基本层序，代表海退的沉积序列，与导致海盆被不断填满的华南加里东运动有关。

图5－7　浙江长兴志留系唐家坞组基本层序类型
(据张克信等，2005)