辽宁本溪牛毛岭马家沟组顶部剖面微相分析与沉积环境

孙宝亮，梁俊红，温守钦，崔卫利

东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110004

0 引言

本溪国家地质公园牛毛岭景区（石炭纪公园）是华北地区晚石炭世本溪组的标准地层剖面所在地，位于本溪市溪湖区，本溪湖以西柳彩线上，北边为豆腐房沟村，南边为蚂蚁沟村，西边有新洞沟村［1］.本溪组不整合覆盖于中奥陶统马家沟组灰岩之上.本次实测的马家沟组顶部剖面位于牛毛岭景区的东部（图1），由一套灰色—黄色调含黏土矿物碳酸盐岩组成.剖面野外实测厚达56.1 m，出露部分45.7 m，被掩盖10.4 m.对该剖面开展精细地层研究，恢复沉积环境，可为重建辽宁省奥陶纪沉积古地理提供基础地质资料.

图1 本溪市地质简图及剖面位置（引自文献［1］）Fig.1 Geological sketch map of Benxi City with position of Niumaoling section（From Reference［1］）

微相分析（或者称为微相分析与解释）有2层含义：其一对微相观察分析，确定有代表性的微相类型，总结该微相类型的基本特征和环境指示意义；其二是以微相类型的环境指示意义为主来恢复沉积环境.Flügel总结了标准微相类型和缓坡微相类型的特征及环境意义，并进一步归纳总结这2种微相类型标准和碳酸盐岩相模式中相带之间的对应关系，用标本的微相类型确定其所处相带，即确定标本代表的地层的沉积环境［2］.这样就将微相分析具体化、便捷化、可行化，为牛毛岭马家沟组顶部碳酸盐岩剖面沉积环境的恢复提供了理论依据.本研究以微相分析为主要手段恢复此剖面各层的沉积环境，再分析和总结此剖面沉积环境变化的规律，并进一步探讨此剖面的古地理条件.

1 地质背景

东北地区南部在前中生代处于华北古陆块区东段，本溪地区属于渤海东陆块太子河－浑江陆表海盆地构造单元［3-4］.本溪市奥陶系属于华北地层区，辽东地层分区，太子河小区［5］，下奥陶统见冶里组、亮甲山组，中奥陶统仅发育马家沟组［5-6］，分为马家沟组一段、二段、三段［6］（图2）.华北板块中奥陶统马家沟组沉积后，大部分地区发生沉积间断，缺失部分中奥陶统和上奥陶统、志留系、泥盆系及下石炭统，华北板块东部马家沟组与上覆上石炭统本溪组为区域性平行不整合面接触.

牛毛岭马家沟组顶部碳酸盐岩剖面属于中奥陶统达瑞威尔阶马家沟组三段.本溪市牛心台地区马家沟组三段厚106.35 m，由海侵体系域、凝缩段和高水位体系域组成.其中高水位体系域厚约60 m，岩性为灰色中厚层状白云质砂屑灰岩，灰黄色薄层—中厚层状含灰质白云岩夹透镜状膏盐层，沉积环境为干旱蒸发条件下的潮间—潮上带封闭水体［7］.牛毛岭剖面距牛心台的直线距离约20 km，与马家沟组三段顶部的高水位体系域岩性相似.据《辽宁省区域地质志》，上马家沟组代表性剖面位于本溪的太平沟，厚达558.6 m，豆房沟剖面厚280.4 m［8］，牛毛岭马家沟组顶部剖面实际就是豆房沟剖面的顶部.综合以上信息，认为此剖面属于马家沟组三段顶部的高水位体系域（图2）.

图2 华北板块东部中奥陶统地层划分与对比（据文献［5－6］修改）Fig.2 Division and correlation of Middle Ordovician stratigraphy in the eastern North China Plate（Modified from References［5－6］）

在寒武纪海洋中，钙化骨骼的分异度和丰度很低，特别是在早寒武世晚期古杯类的崩溃之后.直到中奥陶世达瑞威尔期（Darriwilian）—晚奥陶世桑比期（Sandbian）的奥陶纪大生物多样化事件，出现了新的骨骼类群，并且明显多样化，以生物骨骼为媒介形成的碳酸盐岩才有显著增长［9-11］.因此相较于一般情况下的微相标准［2-3］，在达瑞威尔期的马家沟组顶部碳酸盐岩中生物碎屑含量应该定得比实际含量略高，才能较好地确定标本的微相类型.

前人总结出华北板块的寒武纪—奥陶纪碳酸盐沉积基本符合碳酸盐缓坡相模式［12-13］.辽宁、本溪的寒武纪—奥陶纪沉积也适用碳酸盐缓坡相模式［14］.芙蓉世和早奥陶世为“贫乏骨骼的风暴海洋”［9］，直到中奥陶世达瑞威尔期以骨骼为主形成的碳酸盐才开始有显著增长，不太可能有后生动物建礁改造地形，形成镶边台地.从这个意义来说，华北板块的寒武纪—奥陶纪也适用碳酸盐缓坡相模式.牛毛岭马家沟组顶部剖面各个地层沉积环境的恢复，采用碳酸盐岩缓坡相模式.

2 标本微相类型

牛毛岭马家沟组顶部剖面共计采集标本44块，对其中31块标本磨制薄片，用来确定微相类型.与微相标准相对照，有些标本微相特征很好符合标准，有些标本的微相与标准符合程度一般.因为剖面是连续沉积，沉积环境变化不大，对于符合程度一般的情况，需要参考上下相近层位标本微相类型来确定微相类型.确实存在2种微相类型共存于同一标本的现象，如标本B4、B8、B10、B19、B20、B34.

2.1 微相标准

微相分析的第一层含义是确定有代表性的微相类型，总结该微相类型的基本特征和环境指示意义.本次微相分析严格按照Flügel建立并总结的标准微相类型（SMF）、缓坡微相类型（RMF）和风暴岩微相类型（Storm－SMF）为标准来确定标本的微相类型［2］.较标准微相类型而言，缓坡微相类型的标准相对模糊，约束条件较少，标准图版也偏少，因此该类型标本确定较为困难.

牛毛岭马家沟组顶部剖面标本可划分出14种微相类型，包括：Storm－SMF4风暴岩微相类型1种；RMF2、3、14、18、19、22、23、24、29缓坡微相类型9种，其中的RMF3与SMF8，RMF22与SMF19，RMF23与SMF21，RMF29与SMF15－同心鲕粒有相同的定义和解释；SMF16、23、24标准微相类型3种；参照缓坡微相类型思路自定义的微相类型1种MF1.5个有代表性的微相标准进一步说明如下.

Storm－SMF4：岩屑泥粒灰岩、砾屑灰岩和紧密堆积的漂浮岩.近源风暴岩的常见微相，以风暴层下的岩层改造形成的砾状泥晶灰岩碎屑为特征.

陶洪兴等［15］通过实例获得的沉积环境结论符合RMF22（SMF19）和SMF16－非纹层的定义和解释，Cariou［16］的实例符合SMF16－非纹层的定义和解释.

RMF18：含介形虫的生物碎屑粒泥灰岩，出现于受保护和低能量（局限）的内斜坡环境.这个微相的约束条件较少，不易被准确使用，本文将它局限于起码介形虫壳体围起圆或半圆的薄片视域面积，在生物碎屑中是最大［16］.如果生物碎屑是单一的介形虫，可以定为RMF18［17］；如果多种生物碎屑中，介形虫含量最多，也可以定为RMF18；如果介形虫含量虽多但含海绵骨针，不定为RMF18［16-18］，同样在连续沉积中，含介形虫层与含海绵骨针层共生时，也不能定为RMF18［19］.

自定义的微相MF1：缓坡上到处都有掘穴，但在浪基面和风暴浪基面以下尤其丰富［2-3］.RMF2是一种极端情况，掘穴的密度和程度高，指示中、外缓坡环境.RMF19是另一种极端情况，没有掘穴，指示内缓坡的潟湖或潮缘环境.自定义的微相MF1是指掘穴程度介于RMF2与RMF19之间，即有少量掘穴，但不含生物碎屑的灰泥灰岩.MF1的沉积环境可以借鉴同一标本内共存的或上下相近标本微相指示的环境，通过对标本B6、B34、B39的分析，MF1指示的沉积环境近似于RMF19指示的沉积环境——内缓坡的潟湖或潮缘环境，或者更远岸略深的内缓坡环境.

2.2 标本微相分析

2.2.1 RMF22微相特征

有多达12个标本确定为RMF22，其中9个为黄色调含黏土矿物的灰岩、含泥质灰岩或泥灰岩，3个为灰色灰岩.按顿哈姆（Dunham）灰岩分类方案，其应命名为灰泥灰岩或黏结灰岩，特征是基本不含生物碎屑，无掘穴.该微相类型标本的纹层厚度存在差异，镜下的明暗相间纹层呈如下3种形式.

（1）“异类岩性层理”纹层.为泥级、砂级的不规则互层的纹层，具体表现为泥晶或球粒泥晶纹层和球粒亮晶纹层互层，为水力携带和搬运沉积作用的结果.标本B8、B24、B26、B30具有这一沉积特征，平行纹层略有起伏，泥晶或球粒泥晶纹层厚0.1～1.6 mm，球粒亮晶纹层厚0.1～1 mm（图3a）.

（2）泥晶纹层与亮晶纹层相间纹层.由微生物席支撑、构建而成，甚者形成纹层状黏结灰岩.该现象在标本B21、B22、B29存在，为略起伏（或直）的平行纹层.泥晶纹层多，偶见由球粒亮晶至泥晶渐变的逆递变层理纹层，厚度在0.03～0.1 mm和0.7～5 mm两个范围.亮晶纹层少，表现为鸟眼构造，大小0.5～2 mm；与纹层平行的鸟眼构造链；亮晶点与泥晶斑驳状的纹层，厚1～4 mm；薄亮晶线，即层状小窗状孔，厚度在0.03～0.1 mm和1 mm左右两个范围（图3b）.

（3）黑线状泥晶勾勒微亮晶纹层.标本有B4、B34、B38、B40、B41，其中B4、B34、B38为灰色灰岩.黑线状泥晶纹层或直且平行，或起伏弯曲，厚0.3～2 mm.微亮晶纹层厚度在0.1～5 mm和1～10 mm两个范围（图3c）.B40和B41分别为土黄色灰质白云岩和含白云质灰岩，表面呈砂糖状，镜下白云石晶粒呈菱形、方形，自形程度高，粒径20～70 m（图3d）.

图3 微相类型RMF 22显微照片Fig.3 Microphotographs of microfacies type RMF 22

2.2.2 除RMF22外的微相类型及标本特征

此剖面中，有4个标本确定为RMF18，3个确定为RMF19，3个确定为自定义MF1，以及各有2个标本确定为RMF14、RMF23、SMF16－非纹层.以上的除RMF22外的微相类型和标本微相特征列于表1.

表1 微相类型和对应标本的微相特征Table 1 Microfacies types and microfacies characteristics of corresponding specimens

表鲕是指皮质厚度明显小于整个鲕粒直径一半的鲕粒.在搅动水能量大的情况下，鲕粒为沉积物中最大颗粒时，表鲕可以与正常鲕粒一样用于判断沉积环境的能量，具有环境指示意义.偏心鲕粒是由表鲕组成的球形和卵形复合颗粒［2］.B10含有表鲕和少量偏心鲕粒.表鲕通常只显示1或2个纹层，1层鲕层（亮晶环）和泥晶包膜为1个纹层.

图4 各微相类型显微照片Fig.4 Microphotographs of microfacies types

3 沉积环境恢复

微相分析的第二层含义是以微相类型的环境指示意义来恢复沉积环境.Flügel归纳总结了切实可行的方法，总结出标准微相类型和缓坡微相类型与碳酸盐岩缓坡相模式中相带之间的对应关系，用标本的微相类型确定其所处相带，并辅助以未列入微相标准中的颜色、结构、构造等个别特征，进一步确定标本所在地层的沉积环境［2］.下面由下至上逐层叙述牛毛岭马家沟组顶部剖面沉积环境（图6）.

图6 牛毛岭马家沟组顶部剖面综合柱状图Fig.6 Comprehensive column for the section of top Majiagou Formation in Niumaoling Scenic Area

分层①灰色薄层灰岩（厚6.26 m）.标本B1和B4的微相类型是RMF19，B4也有小部分定为RMF22.总体沉积环境是内缓坡的潟湖或潮缘.

分层②黄色调为主的中薄层灰岩（厚1.91 m）.标本B8的灰黑色内碎屑层（微相类型是Storm－SMF4）斜切了下边的土黄色纹层（RMF22），有的地方形成槽形底痕，宽4 mm，深4 mm，内碎屑层是此剖面仅见的一处风暴沉积.B6是自定义MF1，借鉴其上B8的RMF22，二者为潮缘环境，记录了短暂的或者规模小的风暴作用.B10是由下部的表鲕泥粒灰岩（RMF29），和上部的内碎屑灰岩（SMF24）组成，上部灰岩内碎屑是由表鲕泥粒沉积破碎而成的.B10含有少数偏心鲕粒，指示低能浅海潟湖的周期性无搅动环境.B10反映了在沉积时是内缓坡的沙滩和沙堤这样的较高能环境，但也有周期性无搅动低能时候；在破碎后形成的是潮汐水道和潮坪滞留沉积物的潮缘.分层②的总体沉积环境是内缓坡的潮缘或潟湖、沙滩和沙堤.

分层③灰色厚层灰岩（厚11 m）和分层④灰黑色薄层灰岩（厚0.38 m）.标本B12的微相类型是RMF18，为局限的内缓坡.B14是RMF19，为潟湖或潮缘.B15是RMF14，是此剖面中生物碎屑种类最多的之一，为开放的内缓坡.B16是RMF18，为局限的内缓坡.B17是RMF14，为开放的内缓坡.B18是RMF18，为局限的内缓坡.B19大部分是RMF18，小部分是SMF16－非纹层，而B20的大部分是SMF16－非纹层，小部分是RMF18，二者是两种微相类型共存，为局限的内缓坡.除了B14外，分层③④的总体沉积环境是较远岸的、局限或开放的内缓坡.

分层⑤黄色薄层含泥质灰岩、泥灰岩（厚3.64 m）.由下至上的7个标本，基本是灰泥灰岩和黏结灰岩，有或多或少的微生物席.标本B21、B22、B24、B26、B29、B30的微相类型是RMF22，为潮缘.其中B29有微生物席，有层状小窗状孔隙，有垂直纹层和平行纹层的干燥裂缝，因此定B29为潮间、潮上带.B27是RMF23，为潮缘.顶部的B33是RMF24，含有2个砂屑属于黑卵石，能指示潮间或浅潮下带［2］，还含有1个由Rothpletzella组成的砾屑，为潮缘.总体沉积环境为潮缘的浅潮下带，只有B29为潮上、潮间带.

分层⑥厚层灰色灰岩（厚5.12 m）.标本B34的微相类型既有RMF22又有自定义的MF1，为潮缘.B35是RMF2，是此剖面中掘穴形态最好的.B37是RMF3，沉积物中生物碎屑含量和生物碎屑种类是此剖面中最高（多）的，二者为中缓坡.总体沉积环境是中缓坡.

分层⑦中薄层灰色灰岩（厚0.88 m）.标本B38的微相类型是RMF22.标本B39是自定义的MF1，掘穴密度较大，借鉴相邻上、下标本的微相类型RMF22.沉积环境为潮缘的浅潮下带.

分层⑧中薄层黄色调含白云质灰岩或灰质白云岩（厚5.47 m）.标本B40和B41的微相类型是RMF22.沉积环境为潮缘的浅潮下带.

图5 各微相类型和硬石膏假晶显微照片Fig.5 Microphotographs of microfacies types and anhydrite pseudomorphs

分层⑨中薄层黄色白云岩（厚9.57 m）.标本B42和B43都是蒸发岩溶塌角砾岩，有树枝状裂纹，基本没有破裂成完全的碎块，未破裂部分起连接作用，紧密吻合，棱角状—次棱角状，大小为5～20 mm.发育明显的裂隙，宽为1～10 mm，含0.2～5 mm黄色小碎块，胶结物土色.蒸发岩溶塌角砾岩指示了海平面下降，也可能指示阶段性暴露.综合标本B42的纹层黏结灰岩、RMF23微相类型、白云岩和蒸发岩溶塌角砾岩信息，认为分层⑨沉积环境为潮缘，潮间、潮上带的蒸发潟湖.

分层⑩厚层土黄色白云岩（厚4.56 m）.标本B44的微相类型是SMF23，砂糖状白云岩，含星散状的硬石膏假晶.沉积环境为潮缘，干旱气候的潮间、潮上带的蒸发海岸（萨布哈）.

4 剖面沉积环境恢复

牛毛岭马家沟组顶部剖面的碳酸盐岩基本呈2类颜色：灰色和黄色调.黄色调较为丰富，变化范围包括黄色、黄白色、黄红色、略微黄色的灰色、黄灰色.在此剖面中，相较于灰色灰岩，黄色调灰岩的黏土含量高，且黏土矿物含量和黄色调间是正相关关系.

此剖面出露地层厚度45.7 m，由下至上灰色灰岩和黄色调含黏土矿物碳酸盐岩3次交替出现.这3次灰色灰岩向黄色调含黏土矿物碳酸盐岩变化，实质为3个向上变浅的潮缘旋回，每个潮缘旋回都是低能型向上变浅序列，反映的沉积环境变化情况如下（图6）.

旋回一，由分层①②组成，厚度为8.17 m，占出露地层厚度的18%.虽然分层②与分层①为连续沉积，但在颜色和黏土矿物含量上为突变关系，分层②内部在颜色上也具突变特征.沉积环境变化为：内缓坡的潮缘或潟湖—沙滩和沙堤—潮汐水道的潮缘.

旋回二，由分层③—⑤组成，厚度为13.74 m，占出露地层厚度的30%.分层③—⑤为连续沉积，颜色和黏土矿物含量上为连续渐变，黏土矿物含量在泥灰岩B30和B31处达到最高，是整个剖面中最高者；颜色在B28和B29处达到黄红色.沉积环境由局限或开放的内缓坡，至潮缘的浅潮下带和个别层位的潮间、潮上带.

旋回三，由分层⑥—⑩组成，厚度为23.79 m，占出露地层厚度的52%.本旋回内在颜色和黏土矿物含量上为连续渐变，黏土矿物含量和颜色在顶部土黄色含泥质白云岩B44处达到最高.沉积环境由灰色灰岩的中缓坡到潮缘，再到黄色调碳酸盐岩的潮缘的浅潮下带，至潮间、潮上带的蒸发潟湖，至干旱气候下的潮间、潮上带的蒸发海岸.旋回三最为典型，其向上变浅序列完整、详细，变化缓慢.

5 剖面古地理分析

从牛毛岭马家沟组顶部剖面的第三个潮缘旋回来看，向上越浅黏土矿物含量越高，颜色越黄，说明染色Fe3＋和黏土矿物为陆源；海平面下降，海退后，此剖面点离陆更近，而接受更多陆源的含Fe3＋黏土矿物.在旋回三中，同样是潮缘沉积环境的灰色和黄色调碳酸盐岩，根据生物相分析，都为无氧—贫氧的沉积环境，说明不是富氧气底层水在沉积物表层氧化而成的染色Fe3＋.如果是硫酸盐还原菌的缺乏、或其他条件导致的浅埋藏而成的染色Fe3＋，那么颜色很可能会突变，说明也不是上述原因而成的染色Fe3＋.总之推断染色的Fe3＋和黏土矿物为陆源.

相较于旋回三，旋回二的灰岩颜色近红色，黏土矿物含量为此剖面中最高，推断这些物质为陆地来源，且叠加有某种特别地质作用，如物源区强烈的风化作用、长时间的洪泛作用等，使得更多黏土矿物和Fe3＋进入海洋.

如果缓坡环境连接到大片陆地，那么内缓坡潮缘环境的潮间、潮上带会沉积有黏土矿物和石英砂.牛毛岭马家沟组顶部剖面的灰岩只含有黏土矿物，即使旋回二的黄色调灰岩黏土矿物含量为此剖面中最高，也不含石英砂，判断此剖面点处不是大片陆地的潮缘环境，而是碳酸盐岩孤岛（洲）的潮缘环境.

牛毛岭马家沟组顶部剖面的旋回三与王一刚等［20］和洪海涛等［21］恢复的四川盆地下三叠统飞仙关期古地理中的碳酸盐岩蒸发台地类似.环开江－梁平海槽的碳酸盐岩蒸发台地发育在川东北地区和川西北地区，飞仙关组鲕粒灰岩出现在中、下部，其上覆蒸发潮坪的膏岩、含膏泥晶灰岩发育，飞仙关组上部由多个潮坪旋回组成［20］.而环开江－梁平海槽的碳酸盐岩蒸发台地远离康滇古陆，之间隔着冲击平原、半局限海、开阔台地相带［20-21］.牛毛岭马家沟组顶部剖面点处是碳酸盐岩孤岛（洲）的潮缘环境这一推断与四川盆地下三叠统飞仙关期的碳酸盐岩蒸发台地远离古陆的结论相近.

6 结论

（1）依据标本研究，牛毛岭马家沟组顶部剖面可划分出14种微相类型，包括Storm－SMF4风暴岩微相类型1种，RMF2、3、14、18、19、22、23、24、29缓坡微相类型9种，SMF16、23、24标准微相类型3种，1种自定义的微相类型MF1.

（2）牛毛岭马家沟组顶部剖面自下而上为3个低能型向上变浅潮缘旋回，由灰色—黄色调含黏土矿物碳酸盐岩组成.旋回一的沉积环境由内缓坡的潮缘或潟湖，至沙滩和沙堤，至潮汐水道的潮缘.旋回二沉积环境为由局限或开放的内缓坡，至潮缘的浅潮下带和个别层位的潮间、潮上带.旋回三最为典型，其序列完整、详细，变化缓慢.其沉积环境由灰色灰岩的中缓坡，至潮缘，再到黄色调碳酸盐岩的潮缘浅潮下带，至潮间、潮上带的蒸发潟湖，至干旱气候下的潮间、潮上带的蒸发海岸.

（3）牛毛岭马家沟组顶部剖面中染色Fe3＋和黏土矿物具有陆源性，古地理为不是大片陆地的潮缘环境，而是碳酸盐孤岛（洲）的潮缘环境.

致谢：审稿专家和编辑老师认真、细致审阅本文并给予指正和建设性意见，使本文更为完善；王恒、孙野平、李阳、刘林和罗明鑫同学参与野外实测剖面工作，并在微相分析中给予启发和帮助，在此一并衷心感谢！