Storm Deposit Characteristics and Their Environmental Model in the Taiyuan Formation on the Eastern Margin of the Ordos Basin

风暴沉积作为季节性台风或飓风所致的独特事件性沉积,既可重塑地质历史灾变事件,亦在古环境、古地理恢复与重建及地层研究等方面具有重要意义,20世纪60年代就有专文发表^[1],后来70—80年代逐渐受到沉积学界诸多学者的关注^[2⁃9]。

关于华北地区早二叠世太原组风暴沉积的研究,前人已取得许多成果。如刘光华^[10⁃11]在豫西地区考察时,依据水深变化提出四种不同类型的风暴岩；又如吴贤涛等^[9]在豫西北焦作地区结合遗迹化石,判识出至少四种风暴沉积类型。进入20世纪90年代,又有多位学者对华北多地太原组风暴岩进行科考并卓有建树^[12⁃16]。步入21世纪,伴随对遗迹化石的深入研究,胡斌等^[17]对豫西北及晋东南地区太原组碳酸盐岩中的风暴沉积及所含遗迹化石的组成与分布特点进行精细研究后,划分出7种风暴沉积类型,分别形成于海湾—潟湖,潮间—潮下浅滩,局限台地和潮下开阔台地沉积背景。然而,在鄂尔多斯盆地,迄今未见太原组风暴沉积研究成果的正式报道。本次工作详细考察了位于鄂尔多斯盆地东缘山西乡宁地区甘草山一带太原组的露头剖面,识别出5种风暴沉积类型,分析了各种类型的沉积背景,提出了本地区太原组风暴沉积的沉积环境模式。该成果不仅为鄂尔多斯盆地东缘太原组碳酸盐岩及其沉积环境提出了新的认识,而且可为该地层油气资源勘探与开发提供沉积环境分析和古地理重建方面的沉积佐证。

鄂尔多斯盆地北起伊盟隆起,南至渭北隆起,东至陕晋交界的晋西挠褶带,西至宁夏境内西缘逆冲带^[18]（图1）,构造隶属于华北克拉通的一部分,为西部典型的克拉通边缘叠合盆地,整体呈一个东翼缓而长、西翼陡而短、南北翘起的大向斜^[19]。

Figure 1.  Location of study area and the Lower Permian the Taiyuan Formation outcrop section (modified from reference [18])

作为华北地台的次级构造单元,鄂尔多斯盆地构造演化与华北地台相一致。晚古生代华北地台处于南北向挤压应力场中,演化受秦祁海槽和兴蒙海槽的构造活动影响巨大。晚石炭世,区域古地理格局以中央古隆起为界分为东西两个海域,古地形南隆北倾。晚石炭世末期受西伯利亚板块向南俯冲挤压作用,华北地台北缘因洋壳消减而抬升,区域构造体制转而北隆南倾。早二叠世,随北隆南倾构造体制的建立,东部海水由东—东南方向侵入并越过中央古隆起与西部海域汇合,形成统一陆表海,沉积格局呈南北向相分异。早二叠世早期,随着盆地区域性沉降持续,海侵遍及华北盆地^[20]。因此,太原组沉积期,本盆地在东西部统一为陆表海碳酸盐岩与碎屑岩混合沉积环境,盆地东缘主要发育潟湖和浅海陆棚沉积,障壁岛零星分布^[21]。总体上,太原组碳酸盐岩形成于水体较浅、气候温暖且受较多风暴影响的陆表海环境^[17]。

研究区下二叠统太原组露头剖面位于山西省临汾市乡宁县仁马庄甘草山一带（图1）,隶属于鄂尔多斯盆地东缘,出露良好,厚约65.6 m（图2）,与下伏本溪组和上覆山西组呈整合接触。本溪组平行整合于奥陶系马家沟组灰岩之上,厚约14 m,以薄层状灰白、灰黄色铁铝质泥岩与灰黄、灰白色砂岩互层为主,水平层理发育,顶部以L₂灰岩底与太原组分界。太原组在垂向上可划分为3段（图2）,下部灰岩段自下而上依次发育混积潮坪相—浅海相—混积潮坪相—碎屑岩潮坪相—浅海相—碎屑岩潮坪相—浅海相沉积；中部碎屑岩段依次发育碎屑岩潮坪相—潟湖相—碎屑岩潮坪相—障壁岛相—潟湖相—碎屑岩潮坪相沉积；上部灰岩段依次发育浅海相—混积潮坪相—浅海相—碎屑岩潮坪相—浅海相—碎屑岩潮坪相—潟湖相沉积。太原组顶部为一层灰黑色泥岩,其上为山西组底部厚层砂岩（俗称北岔沟砂岩）,即灰黄色厚—巨厚层状中—细粒砂岩,发育楔状、槽状交错层理,属三角洲平原分流河道沉积。

Figure 2.  Sedimentary facies division and main sedimentary characteristics of the Taiyuan Formation in the study area

风暴岩通常是指在风暴影响下,在海洋盆地或湖盆中形成的沉积岩。在海洋沉积环境中,风暴沉积是由风暴作用于海底沉积物所诱发的一种紊流事件沉积^[22],主要发生在浅海正常浪基面和风暴浪基面之间,是一种向海运移的风暴营力带动下的异动流,以震荡与水平运动方式作用于沉积物颗粒,其沉积特征表现为不同海底部位形成的风暴沉积序列及沉积构造具有明显差异。通过实地考察,在研究区太原组灰岩中发现了多层风暴岩,主要发育于太原组L₂、L₃、L₄和L₅的灰岩中,每层风暴岩都显示出明显的波状侵蚀基底（图3）,并且往往多层叠加,有时上下层有截切现象。

Figure 3.  Storm deposition characteristics of the Taiyuan Formation in the study area

一般来讲,一次完整的风暴沉积通常会经历高峰、衰减和停息三个阶段,能量从高到低逐步减弱。在高峰期,得益于风暴流强力的冲刷掏蚀,通常形成了不规则的波状侵蚀—冲刷基底,向上发育粗粒滞留沉积或粒序层,并可能会伴随生物逃逸构造；当风暴进入衰减期,常出现包括丘状或洼状的各种规则或不规则交错层理以及平行层理在内的各类纹层段；最终在风暴停息或间隙期,形成含泥质沉积。因而整体上看,风暴沉积序列呈现出向上变细的粒度变化。以往研究表明,风暴岩的典型序列特征自下而上依次为风暴侵蚀基底与生物碎屑滞积层、粒序层、纹理层、生物成因构造（遗迹化石或生物扰动构造）及泥灰岩或灰质泥岩层段^[3,23⁃24]。各层段主要沉积特征简述如下。

侵蚀基底构造发育在风暴沉积层底面,是高峰阶段高流态风暴涡流对沉积底面侵蚀、冲刷、掏蚀、撕裂和再沉积充填而形成的沉积构造,是风暴沉积十分典型的辨识标志^[6]。由于风暴涡流强度与距离风暴中心远近存在差异,导致风暴沉积的底面侵蚀构造具有不同的表现形式。可按冲刷差异程度将其分为两种：其一为较低能风暴侵蚀作用形成的波状侵蚀基底构造,常为不规则波状侵蚀基底面。在露头剖面上,常见多层风暴层叠加的现象（图3）,有时上层的波状侵蚀基底截切到下层,在纵向剖面上常呈现为类似“串珠状”的构造形态^[17],这是多次风暴水流作用的结果；其二为具强侵蚀作用的高能风暴作用形成的呈“Ｖ”或“Ｕ”型沟渠状构造,通常被称为渠模或口袋构造^[25]。本剖面渠模构造呈锥状（图4）,上部宽度介于12~23 cm,深度介于10~22 cm,是风暴流冲刷、掏蚀和短距离搬运、搅动的结果。

Figure 4.  Gutter cast structure characteristics of tempestite bottom in the Taiyuan Formation from the upper⁃middle storm deposit layer of L₂ in the study area

一般而言,渠模构造越发育代表侵蚀冲刷面起伏程度越大,其沉积时遭受的风暴强度越强或沉积水体越浅^[26]。太原组L₃,L₄灰岩段风暴层中见有渠模构造,但发育数量和规模均不如L₂,L₅灰岩且未见渠模构造,说明这4层灰岩中风暴沉积所遭受的风暴强度或沉积水深有一定差别。整体而言,研究区太原组中风暴沉积层的侵蚀底面凹凸度,基本能够反映太原期风暴能量的强弱程度及风暴离岸的远近变化。

风暴滞积层,也叫生物碎屑滞积层,是风暴浪搅起的生物碎屑在重力作用下沉积而成。在本剖面中滞积层厚1~5 cm,侵蚀冲刷面之上发育的生物碎屑大小混杂、分布凌乱,直径从0.2 mm到6.0 mm均有出现（生屑含量占比10%~40%,粒间由灰泥和粉晶级颗粒充填）,一般解释是快速密度流所致的沉积结果^[9]。滞积层底部含杂乱分布的介壳碎片（图5）,通常代表风暴涡流（紊流）对底层沉积物进行了充分搅动后,较快速率沉积形成,其同样为高峰期的沉积产物^[26]。

Figure 5.  Characteristics of grain sequence changes in carbonate storm deposits from the Taiyuan Formation

粒序层也称递变层理或正粒序层理,发育于风暴侵蚀面之上,是风暴高峰期时搅起的悬浮颗粒流,在风暴衰减时由于水体中涡流支撑作用能量逐步衰减,或重力大于剪切力时,有序沉降形成粒序堆积^[6]。在碎屑岩风暴沉积的粒序层中,常见的变化序列为粗砂岩—中粒砂岩—细砂岩—粉砂岩,而在碳酸盐岩风暴沉积的粒序层中,下粗上细的正粒序变化往往表现为生物碎屑颗粒岩或粒状灰岩—泥粒灰岩—粒泥灰岩—泥晶灰岩,粒度逐步变小。在太原组风暴沉积中粒序层大多呈同样的变化,但其厚度不等,可从几厘米到十几厘米。镜下鉴定显示,序列下部为较粗的生物碎屑颗粒灰岩,含生物碎屑滞积层（图5a,e）,向上变为泥粒灰岩（图5a,d）和粒泥灰岩（图5a,c）并逐渐过渡为泥晶灰岩（图5a,b）。

纹理层段常见于风暴粒序层之上,岩性主要为粒泥灰岩和泥晶灰岩,纹理常见有丘状交错层理（图6a）、洼状丘状交错层理（图6b）和缓波状交错层理（图6c）。浅海环境中,丘状交错层理形成在风暴高峰期后,为典型的风暴沉积构造之一。

Figure 6.  Lamination bedding characteristics of storm deposits in the Taiyuan Formation from the study area

不同的纹理,形成机制是不同的。纹理层段中的丘状交错层理一般被解释为受控于风暴诱导的强振荡水流和多向底流作用,即随着风暴强度的减小,先期被风暴流卷起的细粒沉积物迅速沉降,受多向底流影响,细粒沉积物被掏蚀冲刷成无定向排列的丘形和凹形,尔后在这种冲刷的丘形和凹形面上,被底流携带的细粒纹层沉积覆盖所致^[27]。在垂向剖面上,丘状底形上发育较好的纹理形态,往往为多层宽缓的顶面向上凸的弧形纹层,纹层向四周倾斜（上凸的圆丘状,纹层倾角呈四周收敛）；而在下凹底形上则发育向下凹的弧形纹层,即洼状交错层理。当水体较深、沉积物粒度变细（如泥灰岩或灰质泥岩）时,丘状—洼状交错层理不发育^[22,28]。缓波状交错层理（图6c）的出现可能与不规则侵蚀底形相关,并且还与能量逐渐衰减条件下的沉积速率有关。

丘状交错层理多发育于风暴沉积序列的中上部,发育程度与风暴流强度、沉积时的水深、沉积物粒度、地形等要素有关^[26]。陈林洲等^[29]将丘状交错层理分为简单式、复合式和叠加式。研究区太原组风暴岩中出现的丘状交错层理多为简单式与复合式。

在风暴沉积序列的中上部,常见生物成因构造,包括特征明显的遗迹化石与斑状生物扰动构造,它是风暴平息期或间隙期生物活动的记录。因为风暴过后,沉积物中有机质含量较高,利于生物栖息、觅食和繁衍等生命活动。研究区太原组各层灰岩中发育丰富的遗迹化石,主要产自风暴间歇期沉积的泥晶灰岩层或泥灰岩层。

该构造是大量底栖生物在软底沉积物中活动产生的,这种生物活动一方面破坏了原始沉积构造,另一方面因底质较软并且生物强烈活动造成潜穴多次相互穿插,从而形成不具有确定形态的斑状潜穴。太原组灰岩中的斑状生物扰动构造常出现在风暴沉积序列中上部的泥灰岩或泥晶灰岩中,呈不均匀的斑点状分布。这表明风暴间歇期,在营养供应依然充足的情况下,底栖滤食性生物活动十分活跃,从而产生斑点状生物扰动构造^[17]。

浅海风暴沉积中的遗迹化石统称为二叶石迹遗迹群落（Cruziana ichnocoenoses）。该遗迹群落的生态类型以进食迹、爬行迹和极少量的居住迹为特征。在砂质风暴沉积中,Cruziana遗迹相中的分子多数见于风暴砂层底面、或砂层与粉砂质泥层层间面上,而Skolithos遗迹相中的分子则保存在风暴砂层内^[30]；在碳酸盐岩风暴沉积中,遗迹化石大多产于序列的中—上部。研究区太原组灰岩中的遗迹化石最常见的是Zoophycos,多产于风暴沉积序列的中—上部,仅有少数穿插在纹理层中。

风暴过后海水处于相对平静时期,被风暴水流搅起的泥质沉积物在重力作用下逐渐沉积下来,形成泥灰岩或灰质泥岩,一般认为这种泥质沉积物是风暴衰减末期或结束之后^[31],正常天气或接近正常天气条件下水中悬浮的细小颗粒沉积而成。研究区太原组中风暴沉积序列的上部或顶部常由灰—深灰色泥灰岩或灰质泥岩组成。这里应该指出的是,该层段在风暴岩中往往保存较少,因为它易被后来的风暴水流冲蚀掉,尤其在浅水地带,只有在水体相对较深或风暴流能量较小时,才可能不被冲蚀掉而得以保存。

在风暴沉积作用过程中,由于风暴能量,作用位置（距离海岸的远近）和水深等因素的差异,致使风暴沉积序列形成不同沉积单元的规律组合。完整的沉积单元是详实记述风暴各阶段作用强度、大小、方式、沉积特征的线索,但是风暴作用与后期沉积环境不同,导致后续沉积被不断改造,难以见到完整的风暴沉积序列^[6]。因此,各异的沉积序列反映不同规模和不同沉积背景的风暴事件。

基于对本区太原组露头剖面上风暴岩沉积的序列特征（侵蚀基底构造、粒序层、纹理层段、生物成因构造和泥灰岩段或灰质泥岩）的精细描述和分析,已识别出以下5种风暴沉积序列类型,各类型的主要沉积特征及其沉积环境分述如下。

类型A的沉积序列由不规则波状侵蚀基底和粒序层构成（图7）。该类型的风暴沉积序列在L₂和L₃灰岩层中上部、L₄灰岩层下部和上部（L₄-1,L₄-10）均有发育。风暴岩单层厚8~20 cm,局部厚度可达25 cm,主要岩性为深灰色薄—中厚层状泥粒灰岩、粒泥灰岩和泥晶灰岩。侵蚀基底常见渠模构造,纵剖面上最大渠模宽4~18 cm,深15 cm,两侧与底层面的角度为50°~65°（图4）；侵蚀面波谷波峰起伏幅度较大,表明由强大的涡流掘蚀、淘洗而成；横向剖面上,可见相邻的上层风暴层基底侵蚀截切到下层风暴层,形成“香肠”构造^[32]。粒序层厚5~10 cm,自下而上由泥粒灰岩—粒泥灰岩渐变至泥晶灰岩,镜下观察可见䗴类、腹足类、棘皮类和有孔虫等古生物化石,镜下生物碎屑大多破碎,完整介壳很少。该类型缺乏纹理层,说明风暴活动区水体较浅或接近于风暴中心,风暴能量强度大,受多期次风暴作用影响,基底截切作用明显。该类型与川北泥盆系风暴岩相似^[33],唯独缺乏砾屑结构,综合分析后,推测类型A的沉积背景为近岸潮间带,处于水动力极强,水体较浅的正常天气浪基面附近,属于近源型风暴沉积。在这种水体能量较强的沉积背景下所产生的风暴沉积层,仅保存风暴沉积序列的a段和b段,而纹理层段（c段）和泥灰岩或灰质泥岩层段（d段）易被风暴水流侵蚀掉。

Figure 7.  Sequence characteristics of storm deposit type A from the Taiyuan Formation in the study area

类型B的沉积序列由波状侵蚀基底、粒序层和纹理层三个层段构成（图8）。该类型的风暴沉积层在L₂、L₃、L₄和L₅灰岩层中都有出现,尤其在L₄下部的露头上十分明显,风暴岩单层厚10~28 cm,最厚处达32 cm,主要岩性为深灰色薄—中厚层状泥粒灰岩、粒泥灰岩和泥晶灰岩。风暴层底部侵蚀面上偶尔见有渠模、冲刷充填等构造,可见渠模宽5~6 cm,深4 cm。粒序层由粒泥灰岩向上渐变为泥晶灰岩。纹理层发育清晰的丘状—洼状交错层理（图8）,丘状交错纹理的波长15~40 cm,波高0.5~1.0 cm,丘状交错与洼状交错层理相差一个相位,且互不切割,属于复合式丘状交错层理^[29],层内见大量生物碎屑,顶面多受风暴流冲蚀而缺失泥灰岩层。由此推断该类型处于较为动荡的浅水区域,因风暴流冲刷侵蚀作用较强烈,导致风暴间隙期的沉积往往缺失。但与类型A相比,基底冲蚀面的波状起伏较缓,部分纹理层又得以保存,说明其形成的水体相对较深。这种特征与川南志留系石牛栏组风暴沉积类型Ⅱ^[34]比较相似。以往研究表明,丘状交错层理层易在风暴浪基面与正常天气浪基面之间保存^[35]。由此可见,该类型的沉积背景可解释为潮下带、正常天气浪基面与风暴浪基面之间的上部沉积环境。在这种比类型A更深的沉积背景下所产生的风暴层,常保存a段、b段和c段（纹理层段）三种沉积单元,而d段的泥灰岩或灰质泥岩易被风暴水流侵蚀掉。

Figure 8.  Sequence characteristics of storm deposit type B from the Taiyuan Formation in the study area

该类型由波状侵蚀基底、粒序层、纹理层和顶部泥灰岩层等4个层段组成（图9）,风暴层厚度为25 cm左右,底部见薄层的生物滞留沉积（图9a）,厚度为1~2 cm,向上变为粒序层（图9b）,厚4~10 cm,岩性由生物碎屑颗粒岩、泥粒灰岩、粒泥灰岩和泥晶灰岩组成,再往上出现丘状和洼状交错层理及缓波状层理（图9c）,厚度8~10 cm,横向上不稳定,断续分布。类型C中的丘状—洼状交错层理较明显,二者并不截切或相割,属于类型中的简单型,纹层厚约0.2 mm,中上部波形纹理较平缓,说明风暴流的能量较低。顶部为风暴间隙期形成的泥灰岩沉积层（图9d）,属风暴间歇期泥质悬浮组分沉积,厚约11 cm。经过区域比较分析,该类型与川南柏香田地区志留系石牛栏组风暴岩类型Ⅲ^[34]和鄂尔多斯盆地寒武系徐庄组风暴岩序列Ⅳ^[36]相似。类型C保存a段、b段、c段和d段这四种沉积单元,其沉积特征表明,该类型形成于正常天气浪基面与风暴浪基面之间的下部环境。该类型与上述类型B相比,水体有所加深,风暴浪和风暴流作用的能量减弱,所以泥灰岩层段得以保存。

Figure 9.  Sequence characteristics of storm deposit type C from the Taiyuan Formation in the study area

该类型沉积序列主要由侵蚀基底及生物滞积层、粒序层、生物扰动层和泥灰岩层段组成（图10）,层厚18 cm左右,发育于L₃灰岩层上部。该类型基底侵蚀面较平缓,说明仅受到轻微风暴流的冲刷作用影响,基底低洼处见有滞积层且厚度较小（1~2 cm）。沉积序列的中—上部为斑点状生物扰动潜穴,潜穴充填物颜色呈浅灰色或灰白色,明显浅于宿主岩。通常,该层段解释为风暴间隙期沉积,因大量底栖生物在软底沉积物内进行摄食活动,从而形成斑点状生物扰动构造。该序列的顶部沉积为薄层泥灰岩,同样是风暴停歇期慢速沉积的产物。与类型C相比,类型D缺失纹理层段,表明水体更深,与山西附城地区太原组风暴沉积类型Ⅰ比较相似^[17],除生物扰动层中缺少明显遗迹化石这一特征外,其他特征基本一致。因此,类型D可解释其形成于风暴浪基面附近,属远源型风暴沉积。在这种水体相对较深的沉积背景下所产生的风暴类型,其a段和b段厚度较薄,纹理层段往往不发育,而在中—上部c段出现较强烈的斑点状生物扰动构造,顶部沉积为薄层泥灰岩（d段）。

Figure 10.  Sequence characteristics of storm deposit type D from the Taiyuan Formation in the study area

该类型由微波状侵蚀底面、粒序层、遗迹化石层和泥灰岩层构成（图11,12）,层厚25~50 cm。该风暴沉积序列的波状侵蚀面起伏幅度小,较为平缓,反映风暴流到达沉积区域时能量很弱,对底层没有产生大的侵蚀作用。粒序层同样较薄,也说明此处风暴流对底层沉积物影响不大。中—上部泥晶灰岩出现大量生物潜穴Zoophycos（动藻迹）。潜穴充填物为灰色（图11）和灰黑色（图12）。据前人研究,具灰色—深灰色和灰黑色充填物的Zoophycos潜穴常出现于风暴浪基面以下的沉积环境^[37]。区域对比显示,该类型与山西附城太原组L₁和L₇风暴沉积类型Ⅶ相似^[17]。与上述类型D相比,二者生物扰动构造层相似,但是类型E中Zoophycos潜穴特征明显,并且充填物颜色有深灰或灰黑色,显示氧气含量要低于类型D。由此可见,类型E所产生时的水体更深,沉积物颗粒更细,可解释为形成于风暴浪基面之下,氧化还原界面之上,处于一种弱还原—还原的底层环境,此处风暴流的影响相对较弱。

Figure 11.  Sequence characteristics of storm deposit type E from the Taiyuan Formation in the study area

Figure 12.  Zoophycos with gray⁃black filling in storm deposit type E of the Taiyuan Formation

综上所述,鄂尔多斯盆地东缘甘草山一带太原组露头剖面,发育多层碳酸盐岩风暴沉积,可识别出5种代表不同水深位置的风暴沉积序列类型（图13）。类型A发育于正常天气浪基面之上风暴能量较大的滨岸带,属于近源型风暴沉积,缺乏纹理层和风暴间隙期的泥灰岩沉积；类型B和类型C分别产生于正常浪基面与风暴浪基面之间的上部和下部沉积环境,属于过渡型风暴沉积,常见丘状和洼状交错层理；类型D和类型E出现于风暴浪基面附近和之下的沉积环境,属于风暴能量较小的远源型风暴沉积,以斑点状生物扰动与Zoophycos潜穴大量呈现为标志。

Figure 13.  Depositional environment model of storm deposit types in the Taiyuan Formation, eastern Ordos Basin

鄂尔多斯盆地东缘乡宁县甘草山一带下二叠统太原组剖面出露良好,为本次研究太原组碳酸盐岩风暴沉积提供了良好的地层露头条件。基于对各层灰岩的沉积学与遗迹学研究,取得以下两个方面的新进展。

（1） 详细分析了各灰岩层的岩性、沉积构造、遗迹化石和沉积序列,总结了碳酸盐岩中风暴沉积序列的组成特征,包括侵蚀基底构造与生物碎屑滞积层、粒序层、纹理层、生物成因构造（遗迹化石及斑点状生物扰动构造）和泥灰岩或灰质泥岩层的主要特征。

（2） 依据不同灰岩层中风暴沉积序列的垂向组成特点,厘清了5种风暴沉积序列类型（类型A~E）；并在精细描述和对比分析每种风暴沉积类型及其沉积特征的基础上,提出了研究区太原组风暴沉积类型的沉积环境分布模式。