河南省巩义市二叠系岩石粒度分析及沉积环境探讨

向传华　孙成永　魏杰　王志强

摘 要： 选取巩义市马岭实测剖面的42个样品进行分析，采用薄片粒度法结合剖面及概率累积曲线图来分析反映该测区地层岩石特征。同时揭露了石盒子组云盖山段（P1-2sy）、平顶山段（P1-2sp）、孙家沟组一段（P3s1）、孙家沟组二段（P3s2）、孙家沟组三段（T1s3）、刘家沟组（T1l）的地层沉积环境特征。结果表明：区内经历了从海相到陆相的环境变化，从早二叠世早期的陆表海过渡到早二叠世晚期的滨海沼泽，中二叠世以后形成三角洲沉积环境，在晚二叠世早期形成滨海海滩环境，晚二叠世晚期为近海湖泊沉积环境。

关键词： 地质特征;粒度分析;沉积环境;巩义

中图分类号：P534.46    文獻标识码：A   文章编号：1007-1903（2019）04-0110-07

bstract： The characteristics of the fluid mechanics properties can be reflected by sediment size changes， at the same time， it is a kind of important basis for analysis of the sedimentary environment. The total 42 samples for grain size analysis from the Maling measured section in Gongyi are selected to reflect the hydrodynamic condition and stratum lithology， which are composed of sediment grains from such strata as Yungaishan Member of Shihezi Formation （P1-2sy）， Pingdingshan Member of Shihezi Formation （P1-2sp）， Member 1 of Sunjiagou Formation （P3s1）， Members 2 of Sunjiagou Formation （P3s2）， Member 2 of Sunjiagou Formation （T1s3）， Liujiagou Formation （ T1l ）. The results show that the study area has undergone environmental changes from sea to land， i.e.， from the early Early Permian epicontinental sea to the late Early Permian coastal marshes; delta sedimentary environment after Middle Permian; the early Late Permian coastal beach environment; the late Late Permian coastal lake sedimentary environment.

Keywords： Geological characteristics; Grain size analysis; Sedimentary environment; Gongyi City

0 前言

河南巩义市二叠系地层岩性复杂，零星出露于中部的大峪沟一带，少量出露于西南部的涉村一带，整合于石炭系之上，包括下二叠统山西组，下-中二叠统石盒子组。为了更好揭露其沉积环境，本次采用粒度分析法，结合实测剖面，通过样品粒度参数的变化，揭露地层的递变层理。

1 测区概况

测区属华北地层区豫西地层分区嵩箕地层小区（图1），山脉连绵，地形切割强烈，区内褶皱和断裂均比较发育，基底以褶皱为主，断层次之。第四系在北部分布，具有南老北新的特点。

2 研究方法

2.1 薄片粒度法

为了研究沉积物的结构特征，对本次样品采用薄片粒度法，在显微镜下，测量薄片中颗粒的直径，每片统计300颗粒，并对其进行分组，计算各组内颗粒百分数。选取具有代表性的42个样品进行粒度分析，主要岩性有粉砂岩、泥岩、灰岩、细砂岩、长石石英砂岩、砂砾岩。该套地层整体分布相对较稳定，横向变化不明显。粉砂岩以0.01～0.06mm的粉砂为主，少量为0.04～0.1mm的微细砂，主呈次棱角状，少部分呈次圆状，杂乱分布;泥岩：灰色，薄层或透镜体，具水平层理、局部夹砾岩、粉砂质泥岩，常见有钙质结核;灰岩：由晶屑、岩屑、玻屑组成，粒度一般0.5～2mm，杂乱分布，斜长石零星分布，具轻微绢云母化;砂砾岩：砂质砾状结构，块状构造。其中砾石主为岩屑，多显次棱角状、次圆状，杂乱分布。砂粒多显次棱角状、棱角状等，填隙于砾石之间。碎屑大小以2～25mm的砾石为主，0.1～2.0mm的砂粒较少。

2.2 实测剖面分析

（1）巩义市老井沟山西组（P1s）-石盒子组云盖山段（P1-2sy）实测地质剖面

该剖面位于巩义市老井沟采石场土路边，人工露头较完整，该剖面测于涉村同斜向斜的北东翼，故地层倒转。起点坐标Y19 685937.00、X 3839115.00、H431m，终点坐标Y19 685375.00、X 3839005.00、H351m，全长654m。山西组与下伏太原组为整合接触，与上覆石盒子组为整合接触（图2）。

石盒子组云盖山段（P1-2sy） 厚167.58m

41. 黄绿色泥岩夹薄层细砂岩 21.22m

40. 黄绿色中厚层细粒长石砂岩 4.92m

39. 黄绿色中厚层粗粒长石石英砂岩 1.97m

38. 黄绿色中厚层细粒长石砂岩夹薄层泥岩（煤线） 10.83m

37. 黄绿色泥岩夹煤线 6.00m

36. 黄绿色泥岩 16.89m

35. 黄绿色中厚层细粒砂岩 1.37m

34. 黄绿色泥岩 7.30m

33. 黄绿色中厚层细粒长石砂岩 5.48m

32. 绿色薄层状泥质细粒长石砂岩 1.98m

31. 黄绿色中厚厚层细粒长石砂岩 17.86m

30. 黄绿色泥岩 10.26m

29. 肉红色厚层状粗粒长石石英砂岩 7.16m

28. 黄绿色泥岩 5.05m

27. 黄绿色中厚厚层细粒长石砂岩 4.75m

26. 黄绿色泥岩 15.35m

25. 黄绿色中厚层细粒长石砂岩 6.06m

24. 黄绿色泥岩 1.21m

23. 黄绿色中粗粒长石砂岩 2.42m

22. 黄绿色泥岩 1.62m

21. 黄绿色中薄层泥质细砂岩 3.58m

20. 黄绿色泥岩 10.01m

19. 黄绿色厚层状中粗粒长石砂岩 4.29m

——————整合接触——————

石盒子组小风口段（P1-2sx） 厚105.47m

18. 黄绿色、杂色泥岩（煤线） 3.85m

17. 黄绿色中厚层细粒长石砂岩 4.55m

16. 黄绿色中厚层中粗粒长石砂岩夹泥页岩（煤线） 0.45m

15. 黄绿色厚层砂质泥岩 4.97m

14. 黄绿色中厚层细粒长石砂岩 0.68m

13. 土黄色厚层状泥岩 1.61m

12. 灰黄色泥质细粒长石砂岩 1.43m

11. 灰黄色中厚层细粒长石砂岩 20.68m

10. 土黄色粉砂质泥岩夹薄层细粒长石砂岩 48.77m

9. 黄绿色中厚层长石砂岩夹薄层泥岩 18.48m

——————整合接触——————

早二叠统山西组（P1s） 厚59.11m

8. 灰黄色泥岩 1.88m

7. 黄绿色中厚层长石砂岩 2.51m

6. 黄绿色薄层状砂质泥岩 4.57m

5. 灰绿色中厚层细粒长石砂岩 4.39m

4. 黄绿色泥岩夹中薄层细粒长石砂岩 3.14m

3. 灰绿色巨厚层细粒长石石英砂岩 11.23m

2. 暗红色长石细粒砂岩 21.14m

1. 杂色铝土泥岩 10.25m

——————整合接触——————

下伏地层：石炭系—二叠系太原组（C2-P1t）

（2）巩义市天台沟石盒子组云盖山段（P1-2sy）、平顶山段（P1-2sp）实测地质剖面

该剖面位于涉村镇北山天台沟，起点坐标Y19686907.00、X3835747.00、H466m，终点坐标Y19686894.00、X3835195.00、H396m，全长616m。石盒子组平顶山段与下伏云盖山段为整合接触，与上覆石千峰群孙家沟组为整合接触（图3）。

上覆地层：石千峰群孙家沟组一段（P3s1）黄褐色薄层中粗粒长石石英砂岩

——————整合接触——————

石盒子组平顶山段（P1-2sp） 厚59.18m

27. 灰白色厚层细粒长石石英砂岩 3.89m

26. 灰白色细粒长石石英砂岩灰白色薄层状中粗粒长石石英砂岩 10.08m

25. 灰白色细粒长石石英砂岩 1.37m

24. 灰白色细中粒长石石英砂岩 3.42m

23. 灰白色巨厚层粗粒长石石英砂岩 1.03m

22. 灰白色巨厚层中细粒长石石英砂岩 2.74m

20. 弱破碎长石石英砂岩 1.03m

19. 灰白色厚层中粗粒长石石英砂岩 2.74m

18. 灰白色厚层中细粒长石石英砂岩 4.79m

17. 灰白色厚層中粗粒长石石英砂岩 1.37m

16. 灰白色厚层中细粒长石石英砂岩 12.68m

15. 灰白色厚层中细粒岩屑石英砂岩 14.04m

——————整合接触——————

石盒子组云盖山段（P1-2sy） 厚127.11m

14. 紫红色中厚层状中粗粒长石石英砂岩与紫红色薄层状杂砂岩 0.46m

13. 紫红色中厚层状中粗粒长石石英砂岩与灰黄色薄层状杂砂岩 0.46m

12. 紫红色薄层状中粗粒长石石英砂岩与灰黄色泥质粉砂岩 1.38m

11. 黄褐色中细粒岩屑石英砂岩 2.79m

10. 黄褐色薄层状中细粒长石石英砂岩夹黄褐色微层状粉砂岩 21.96m

9. 黄褐色薄层细粒石英砂岩 29.32m

8. 黄褐色薄层粉砂岩 46.23m

7. 黄褐色薄层粉砂质岩屑石英砂岩 2.43m

6. 黄褐色薄层岩屑石英砂质粉砂岩 3.45m

5. 黄褐色薄层状中细粒长石石英砂岩与青灰色砂质页岩互层 1.02m

4. 黄褐色薄层粉砂岩 2.04m

3. 黄褐色薄层岩屑石英砂质粉砂岩 1.78m

2. 黄褐色薄层细粒岩屑石英砂岩，含大量植物化石 2.54m

1. 黃褐色薄层细粒长石石英砂岩 11.25m

未见底

上覆地层：石千峰群孙家沟组一段（P3s1）黄褐色薄层中粗粒长石石英砂岩

2.3 概率累积曲线分析

为了更好的揭露沉积物形成的环境（蒋明丽，2009;肖晨曦等，2006），本次选取具有代表性粉砂岩、泥岩、灰岩、长石石英砂岩进行绘制概率累积曲线，从沉积物概率累积曲线可得它们分别代表着样品中的滚动搬运组分、跳跃搬运组分和悬浮搬运组分特征，如图4所示，并对42个样品绘制C-M图进行分析（王亚东等，2005;张汉成等，2006;李忠惠，1994），如图5所示。

粒度变化反映了沉积时的水动力状况，反映了一定粒级颗粒的主要搬运机制（刘治帅，2012;徐强，2002;曲政，2001）。 实测剖面PM5-3出露地层岩性及岩石组合特征，将本区出露的地层拟定为6个岩性段，从西—东依次为石盒子组云盖山段（P1-2sy）、平顶山段（P1-2sp）、孙家沟组一段（P3s1）、孙家沟组二段（P3s2）、孙家沟组三段（T1s3）、刘家沟组（T1l）。云盖山段主要岩性为土黄色、灰白色中粗粒石英杂砂岩、砂质泥岩夹少量砾岩层;平顶山段为土黄色粘土岩、灰绿色含膏粘土岩夹土黄色中细粒长石石英砂岩、中粗粒长石石英砂岩及极少量含砾砂岩层;孙家沟组岩石组合特征为杂色砾岩与土黄色泥岩互层产出，夹杂砂岩、粉砂岩;刘家沟组岩性为一套紫红色石英砂岩。地层出露岩性粒度范围如表1所示。

3 沉积环境分析

一次洪水期，洪水泛滥，经过长期冲刷沉积形成泛滥平原，当水动力较强时，大颗粒物质首先沉积下来，随着水动力减弱，小颗粒物质沉积下来，此时形成石盒子组云盖山段石英杂砂岩和砂质泥岩，粒度由粗到细呈递减趋势。某次洪水期，峰洪较高，流量大，来势凶猛，退潮时间快，水动力强，此时形成石盒子组平顶山段长石石英砂岩，岩性单一，粒度粗，分选较好，磨圆度较差。又某次洪水期，此时水动力开始较强，来势凶猛，大颗粒物质快速沉积，随后水动力逐渐减弱，小颗粒悬浮物质逐渐沉积下来，水流反复如此，形成石盒子组孙家沟一段、二段、三段的砂岩、泥岩交错出现。颗粒粒度上呈粗-细循环出现规律。某次洪水携带物质成分单一，水体较干净，洪水流量大，水动力强，退潮快，沉积物快速沉积，沉积物再经过长期氧化还原反应，此时形成石盒子组刘家沟紫红色石英砂岩。颗粒分选性较好，磨圆度差。结合实测剖面与粒度分析可以推测该区层沉积顺序示意图如6所示。

该组地层下部主要为土黄色、灰白色中粗粒长石石英砂岩、泥质粉砂岩及泥岩夹少量砾岩层组成，岩性组合较为复杂，具有曲流河平原沉积相模式（孙有斌等，2001;周秉根等，2000;于秋莲等，2010）;中部主要由土黄色泥岩、灰岩组成，局部夹薄层砾岩组成，主要由曲流河“二元结构”上部细粒端元组分组成，砾岩、中粗粒砂岩等粗粒端元成分不发育，具有冲积平原沉积相模式特点;上部岩石组合以粉砂岩及杂色砾岩为主，横向上不连续。根据粒度分析，反应了该区的成矿规律。该成矿规律是以地层中分散的元素为基础，早期深层次的韧性剪切，氧化作用，使含矿元素迁移，在迁移过程中由于大气降水及其它水源的加入进行萃取，改变了介质的物理、化学条件，因而在有利的空间聚积成矿。

4 讨论

（1）沉积地层顺序

从C-M图可以判断岩石沉积环境为浊流沉积，悬浮颗粒大部分聚集在底部，使得底部密度增加，此时沉积物分选性较差，表现为递变层理。在一次洪水泛滥期，海平面上升，形成自上而下的陆相—海陆过渡相—海相叠覆现象。水动力强时大颗粒物质沉积富积，随后水动力渐弱小颗粒物质沉积。经过水流的反复作用，形成石盒子组云盖山段、平顶山段、成孙家沟一段、二段、三段的地层交错出现现象，结合实际资料及古沉积环境资料，绘制该区域古沉积环境图如7所示。

（2）沉积地层对比讨论

区域上孙家沟组厚度为126～227m。在新安县吴家坡厚约200m，中下部为紫红、砖红色泥岩夹岩屑砂岩、粉砂岩，上部为紫红色泥岩夹砂质灰岩。渑池仁村下部紫红色长石石英砂岩，中上部为紫红色粉砂岩夹长石砂岩，厚227.3m。在宜阳县庙沟厚约126m，底部暗紫色泥岩，下部黄绿色砂岩夹紫色泥岩，上部为暗紫色泥岩夹钙质石英砂岩、泥晶灰岩。在登封东金店厚约157m，底部为紫红色泥岩，中下部为黄色长石砂岩、粉砂岩、紫红色泥岩互层，上部为黄色长石石英砂岩、钙质砂岩、粉砂质泥岩夹灰岩透镜体（含有孔虫）。在禹州市鸠山乡犁辕山厚205.2m，下部紫红色、灰黄色泥岩、含长石铁质石英砂岩夹灰红色、灰黄色薄层状、块状含长石细粒石英砂岩、长石粉砂岩;上部灰黄色、灰红色薄-厚层状、长石粉砂岩、含钙质岩屑石英砂岩夹薄-厚层状砾屑砂质灰岩、页片状泥质粉砂岩。在夹津口红石咀厚167.07m，下部为紫红、砖红色泥岩夹岩屑砂岩、粉砂岩，上部为黄绿色长石石英砂岩、钙质砂岩、粉砂质泥岩夹灰岩透镜体。

孙家沟组在区内无化石，在宜阳南天门含古植物Ullmannia bronnii， Pseudovoltzia cf libeana， P. sp.， Pityospermun junduense， Quadrocladus cf. orobiformis， Sphenobaiera sp.等，时代为晚二叠世晚期。在登封市大金店镇安庙附近下三叠统刘家沟组中，含丰富的孢粉化石（欧阳舒，1982），孢粉组合中裸子植物占64.1%，主要有∶Alisporites cf. australis A. fusiformis A. cf. grauvogeli， Klausipollenites decipiens， platysaccus conexus， pteruchiplollenites reticorpus， podocarpieites cf. prolongatus， pinuspollenites latilus， Triangulisaccus henanensis， Taeniaesporites dengfengensis， Scuatsporites unicus， Labiisporites songshanensis， Nuskoisporites sp.， Fuldaesporites concavus等，蕨类孢子占35.1%，以Aratrisporites coryliseminis（占10.8%）为主，其次为Calamospora tener， punctatisporites cf. minutus， Osmundacites cf. Wellmanii ， Lycopodiacidites cf. rugulatus， polycingulatisporites sp.， lundbladispora sp.等（王军等，1996;欧阳舒等，1982;薛良伟等，2004;阎国顺等，2008）。孢粉组合中有二叠系成分，说明所在层位靠近二叠系和三叠系的界线，组合中相当多的成分是以往常见于国外早三叠世地层中。与孢粉组合同层曾发现哺乳动物化石Di cynodon sp，该属绝大多数生活于晚二叠世，极少数可能生存到三叠世初期。

5 结论

（1）以沉积岩填图的新理论、新方法为指导，通过薄片粒度法结合剖面，经综合分析研究，初步建立了测区地层系统。

（2）通过粒度分析，对上二叠统—下三叠统孙家沟组的沉积环境进行了研究。

（3）进行了层序地层和生物地层划分，并进行沉积地层对比讨论，与前人结果基本吻合。

参考文献

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