鄂尔多斯盆地西缘北部的克里摩里组沉积于中奥陶世达瑞威尔期, 在鄂尔多斯盆地内部对应于马家沟组六段。在华北地台及鄂尔多斯盆地内部, 中奥陶世最大海侵发生在马家沟组四段沉积时, 从马家沟组四段至六段, 海平面整体呈下降趋势。但马家沟组六段形成于3级海侵期^[29~32], 这和参数剖面上(La/Nd)_N值(图3)所反映出的海平面上升的总趋势相同, 与周边剖面对比, 可能相当于盆地南缘陕西省富平地区金粟山剖面B亚段^{[32, 33]}。克里摩里组下段以薄层石灰岩夹极薄层页岩为特征, 表明其沉积于水体较深的斜坡环境^[1~6]; 其水深大致在200~300 m, 相对于其下的桌子山组台地相碳酸盐岩沉积, 水体要深得多; 另外, 克里摩里组底部具有明显的海侵不整合界面^[32]。以上证据也说明克里摩里组形成于海侵时期。因此, 下面以海平面上升为背景, 对克里摩里组的垂向序列及其在剖面上的发育情况进行解释。

图3

Fig.3

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	图3 克里摩里组下段薄层石灰岩地球化学参数剖面图Fig.3 Geochemical profile for thin-bedded limestone in the lower part of Kelimoli Formation

克里摩里组共发育有4种类型的垂向序列(图4), 分别为双向序列、向上变薄序列、波动序列和向上变厚序列。其中岩层的单层厚度向上变薄、变厚及先变厚再变薄是规则地层常见的排列样式^[34], 其成因可分为外部控制因素和自身控制因素两大类^[35]。外部控制因素包括:① 可容性空间变化, 是指各种因素引起的沉积物可容性空间的增大和减小。以常见的海平面升降为例, 一般情况下, 海平面上升, 可容性空间增大, 发育向上变薄序列; 海平面下降, 可容性空间减小, 发育向上变厚序列; 但在海平面上升初期, 由于可容性空间的增大不足以平衡沉积物供给速率或碳酸盐生产率的增大, 往往发育向上变厚序列^{[1, 36]}。② 碳酸盐的生产率及相关化学沉积中有关离子浓度的规律性增长和削减。主要指由各种因素, 如温度、盐度、氧化还原性、气候、生物等引起的碳酸盐生产率的变化, 生产率逐渐增加形成向上变厚序列, 反之形成向上变薄序列^[37]; 有关离子浓度, 见报道的有随硅离子浓度的减少, 发育向上变薄的硅质岩序列^[38]。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 克里摩里组下段薄层状石灰岩旋回划分表 Table 2 The cyclicities of thin-bedded limestone in the lower part of Kelimoli Formation 层 号 层厚 /cm 旋回束划分 超旋回束划分 控制 因素 层 号 层厚 /cm 旋回束划分 超旋回束划分 控制 因素 编号 厚度 /cm 特点 编号 厚度 /cm 特点 编号 厚度 /cm 特点 编号 厚度 /cm 特点 38 5 10 - - 2 166 向上变薄序列转化为向上变厚序列 构造作用主控 76 9 18 - - 5 - - 海平面变化主控 37 9 9 20 变厚 75 4.5 17 35.5 变薄 4 226 双向到向上变薄序列 36 4 74 7 35 3 73 8 34 4 72 16 33 8.5 8 22 变厚 71 5 16 60 变薄 32 5 70 10 31 5 69 22 30 3.5 68 23 29 4 7 22.5 变薄 海平面主控 67 7 15 27 变薄 28 4 66 6 27 5.5 65 4 26 9 64 10 25 6 6 26 变薄 63 11 14 36 变厚 24 7 62 3 23 13 61 12 22 6 5 23 变薄 60 10 21 7 59 20 * * * 20 5 58 4 13 47 双向 19 10 57 6 18 120 * * * * * * 56 8 17 11 4 40 变薄 1 135 以向上变薄序列为主 55 14 16 12 54 3 15 17 53 12 14 9 3 26 波动 52 120 * * * * * * 构造作用主控 13 4 51 15 12 62 变厚 3 108 波动到向上变厚 12 8 50 11 11 5 49 18 10 5 2 32 变薄 48 10 9 6 47 8 8 9 46 16 11 46 波动 7 12 45 8 6 4 1 36.5 双向 44 15 5 9 43 7 4 8.5 42 120 * * * * * * 3 7 41 30 10 52 变厚 2 - - 2 8 40 10 1 12 39 7 层 号 层厚 /cm 旋回束划分 超旋回束划分 控制 因素 层 号 层厚 /cm 旋回束划分 超旋回束划分 控制 因素 编号 厚度 /cm 特点 编号 厚度 /cm 特点 编号 厚度 /cm 特点 编号 厚度 /cm 特点 113 7 26 50 变薄 6 265 四种垂向序列交替出现 构造作用与海平面变化综合控制 112 18 149 8 33 44 波动 7 345 以波动序列为主 海平面变化主控 111 21 148 6 110 9 25 53 波动 147 6 109 13 146 3 108 12 145 7 107 4 144 6 106 12 143 8 105 3 142 5 32 38 双向 104 14 24 40 变厚 141 5 103 11 140 14 102 6 139 5 101 9 138 3 31 50 波动 100 16 23 57 双向 137 11 99 21 136 5 98 13 135 10 97 7 134 9 96 27 22 60.5 变厚 5 232 以向上变薄序列为主 海平面变化主控 133 12 95 18 132 8 30 95 变薄 94 8.5 131 13 93 7 130 17 92 4 21 46.5 变薄 129 26 91 6.5 128 31 90 16 127 3 29 41 双向 89 20 126 13 88 12 20 71 变薄 125 15 87 13 124 10 86 21 123 15 28 77 波动 85 25 122 16 84 4 19 34 变薄 121 16 83 3 120 17 82 9 119 13 81 8 118 26 27 65 变厚 6 - - - 80 10 117 22 79 6 18 34 双向 116 9 78 6 115 8 77 13 114 4 26 - - 注: “ * ” 表示页岩层(薄的夹层页岩未列出); “ — ” 表示属于相邻的旋回束或超旋回束(按序号)

表2 克里摩里组下段薄层状石灰岩旋回划分表 Table 2 The cyclicities of thin-bedded limestone in the lower part of Kelimoli Formation

自身控制因素主要是指沉积流体自身的演化及有关沉积体的迁移, 具体如下:① 向上变厚序列由侧向加积形成, 主要发生在海底的重力流沉积之中。包括流体的侧向加积, 如浊流的溢岸沉积^[39]; 沉积体的侧向叠加, 如浊流叶状体的侧向迁移^{[40, 41]}、等深流叶状体的侧向迁移^[42]、浊流水道的侧向迁移^[43]等。② 向上变薄序列由空间上受限衰弱流沉积形成, 主要表现为各种形式和规模的水道充填沉积, 包括水道— 天然堤体系、海底扇、三角洲和决口扇等^[44~46]。③ 双向序列(薄— 厚— 薄序列)有2种形成机制, 一是周期性水流沉积形成, 常见的有潮汐(形成潮汐韵律)、等深流、风暴、洪水等^{[47, 48]}; 二是由不同沉积体的叠加, 如河道沉积与决口扇沉积叠加^[49]和浊流水道与叶状体叠加^[41]等。

桌子山地区克里摩里组下段基本沉积单元由石灰岩— 页岩对组成, 石灰岩— 页岩对又形成不同的垂向序列单元, 每个单元基本上由4~5个岩性对组成, 其基本厚度为20~60 cm。从基本单元的构成、垂向序列单元的构成及厚度来看, 均与米兰柯维奇旋回控制的深水石灰岩相同^{[1, 2, 7, 8]}, 石灰岩— 页岩对受岁差周期控制(2万年), 垂向序列单元受高频离心率旋回控制(约为10万年), 克里摩里组下段沉积时间照此推算约为3.5 Ma(加上3层页岩沉积的大致时间, 可由页岩厚度恢复和沉积速率估算), 约占达瑞威尔期的一半时间。

图4

Fig.4

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图4 克里摩里组薄层石灰岩垂向序列及相互关系 (a) 双向序列:受米兰柯维奇旋回控制的基本沉积旋回; (b)向上变薄序列:受3级海平面上升影响的沉积旋回; (c) 波动序列:受4级海平面振荡影响的沉积旋回; (d)向上变厚序列:受构造作用影响的沉积旋回Fig.4 Plots showing sedimentary sequences and its relationships of thin-bedded limestone in Kelimoli Formation (a) Bidirectional succession:Fundamental sedimentary succession controlled by Milankovitch cycle; (b) Thinning-up succession:Sedimentarysuccession effected by 3rd-order sea-level rise; (c) Waving-upward succession:Sedimentary succession effected by oscillation of 4rd-ordersea-level; (d) Thickening-up succession:Sedimentary succession effected by tectonism

桌子山地区克里摩里组中的等深流沉积前人已有报道^[50]。在野外观察中也在薄层状石灰岩单层中发现有细— 粗— 细晶粒变化序列、平行层— 均匀层— 平行层序列和条纹条带等沉积构造, 这些具有周期性变化的沉积构造反映了沉积流体的由弱变强再变弱的变化, 这种特征与深水环境中等深流的变化一致, 即在等深流事件中等深流低流速期与高流速期的交替, 因此将克里摩里组薄层状石灰岩解释为等深流沉积。依据该组下段19个石灰岩样品C, O同位素测试数据, 经过校正计算的古温度显示, 温度一般为22.2~30.7 ℃, 平均为26.4 ℃, 为温暖水流; 又考虑到温度较高的低密度水流若处于温度较低的高密度水体之下, 将处于不稳定状态^[51], 结合现今墨西哥湾风海流的影响深度, 推测为大洋表层环流中受气候驱动的风海流; 最后结合上述该组中与米兰柯维奇旋回控制的深水石灰岩相同的垂向序列, 推测等深流受米兰柯维奇旋回控制。综上所述, 形成克里摩里组薄层状石灰岩的沉积流体可能为受米兰柯维奇旋回控制的等深暖流。

依据岩石薄片观察结果, 克里摩里组石灰岩由泥晶、细粉晶和粗粉晶组成, 最初可能为深水原地化学沉积, 后经等深流改造, 因此沉积直接受碳酸盐补偿深度(Carbonate Compensation Depth, CCD)界面起伏的控制, 即受控于碳酸盐颗粒的沉积速率。界面较浅时, 碳酸盐颗粒沉积速率较小, 形成较薄的石灰岩层(薄层); 当CCD界面较深时, 碳酸盐颗粒沉积速率较大, 形成较厚的石灰岩层(中层)。由于海底热通量对深部水体的热贡献很小, 差不多只可提升0.4 ℃^[52], 因此, CCD界面可能通过深水等深暖流受控于米兰柯维奇旋回, 即等深暖流强时水体温度较高, CaCO₃溶解度低, CCD界面较深。因此, 双向序列单元(单层石灰岩厚度向上变厚再变薄序列)可能直接受控于静水碳酸盐生产率, 即受控于由米兰柯维奇旋回控制等深暖流强度。

从三级海侵海平面变化与垂向序列的关系来看, 海侵第一阶段后期, 沉积物沉积速率受可容性空间持续增大的控制, 形成向上变薄序列; 海侵第二阶段后期, 沉积物沉积受次级海平面波动影响, 如次级波动频繁, 则可形成波动序列^[53]。因此, 克里摩里组下段向上变薄序列与波动序列可能受控于海平面的变化, 即和海侵密切相关。在图3中, 第1部分和第3部分均以向上变薄序列为主, 如前所述, 第1部分相对低的(La/Nd)_N值说明受陆源物质的影响较小, 即远离海岸, 水体较深; Eu异常低值和稀土总量高值说明受温度的影响较小; V/Cr和V/(V+Ni)相对低值说明氧化性较强; 石灰岩的粉晶颗粒说明CCD界面较深。如果等深流为表层的风海流, 则会使作用到的深部水体变暖, 同时增强氧水体的氧化性, 故前2点说明水深增加和等深流强度变弱, 而后2点说明等深流强度增强, 这可能和流体的局部受限相关(如发育等深流水道)。因此, 向上变薄序列可能由海平面上升和等深流流体受限(水道充填)共同控制, 考虑到图3中第3部分各参数较明显的周期性, 在向上变薄序列集中发育层段, 海平面上升的作用可能更明显些。波动序列依据在剖面上岩层的厚度变化和前人的相关解释^[53], 可解释为受次级海平面波动的影响所致, 但同时可能也受等深流强度控制。

向上变厚序列集中发育在旋回束8~12, 即图3中的第2部分(下部阴影区), 该部分相对高的(La/Nd)_N值说明受陆源物质的影响较大, 即靠近海岸, 水体较浅; Eu异常高值和稀土总量低值说明受温度的影响较大; V/Cr和V/(V+Ni)相对高值说明氧化性较弱; 石灰岩的泥晶颗粒说明CCD界面较浅。如果单纯以海平面下降和等深流作用增强, 可解释前2点, 而后2点却表明等深流作用强度在减弱。考虑到奥陶纪达瑞威尔期是鄂尔多斯盆地西缘构造活跃期^{[15, 54]}, 阿拉善地块、华北地块与祁连地块可能于该时期开始拼接^[55~57], 当构造活动较强时, 深水斜坡较陡, 等深流在沿海底等高线流动的同时, 向盆地方向分支、发散, 相互叠加, 或形成叶状体相互叠加, 从而形成向上变厚序列^[42]。此外, 克里摩里组为海侵背景, 高的(La/Nd)_N值可能与构造活跃期大量的陆源物质输送到深水中有关, 而不是完全由于海平面下降(如4, 5级海退)造成的。因此, 克里摩里组下段向上变厚序列可能和等深流在水道中的侧向加积有关, 但向上变厚序列集中发育层段则可能受控于构造作用的强度。

综上所述, 克里摩里组下段薄层石灰岩的4种垂向序列均和等深流作用相关:双向序列可能直接受控于等深流强度, 反映出等深流强弱交替的流动特征; 向上变薄序列可能和等深流水下水道充填相关, 但向上变薄序列集中发育层段则主要受控于海平面上升; 向上变厚序列可能和等深流在水道中的侧向加积有关, 但向上变厚序列集中发育层段则可能受控于构造作用的强度; 波动序列则是在等深流作用的基础上, 受次级海平面波动的影响所致。

从前面的分析可以看出, 克里摩里组沉积于3级海侵背景, 构造作用、等深流作用强度与及海平面上升均在沉积中发挥作用。而该时期鄂尔多斯盆地西缘的大地构造作用兼具有被动大陆边缘、主动大陆边缘和岛弧性质^[58~60]。这说明中奥陶世时鄂尔多斯西缘的大地构造作用并不表现出典型的板块作用特征, 结合地球和地壳的演化史, 可以推测当时的地壳除了刚性之外, 还有塑性性质, 即为粘弹性的地壳, 在挤压作用下, 除了发生水平运动和缩减之外, 还伴随着地壳的形变, 也就是说当时的板块俯冲具有“ 软碰撞” 性质^[61]。以此为出发点, 本文在尽可能排除等深流作用强度之后, 给出克里摩里组下段沉积时构造作用与海平面升降互为消长的沉积演化模式(图5)。

克里摩里组下段为等深流改造沉积, 从前述的超旋回束组成(双向序列全段发育)和岩性组合(薄层石灰岩夹极薄层页岩为主)也可以看出等深流作用贯穿整个克里摩里组下段沉积, 在不同的层位可与构造作用及海平面升降等因素联合作用。而等深流的强弱又受控于天文旋回^{[37, 53]}, 主要包括岁差周期(石灰岩— 页岩对)、高频偏心率旋回(旋回束)和低频偏心率旋回(超旋回束)。鉴于完全由天文旋回控制的反映等深流强度变化的旋回束表现为双向序列^[8], 因此本文以前文划分的7个超旋回束为基础, 结合旋回束样式(序列类型)在剖面上的分布划分出5个阶段(图5)。

双向序列是在构造作用和海平面升降影响不明显的情况下, 主要由等深流强弱交替而形成的垂向序列, 反映了天文旋回的影响, 前文在超旋回束划分时多以双向序列为开始, 这里在进行沉积阶段划分时也主要考虑其他3种垂向序列在剖面上的组合特征, 因此5个阶段中的差异主要由构造作用和海平面变化引起。而达瑞威尔期是鄂尔多斯盆地西缘的构造转换期, 可能是阿拉善地块、华北地块与祁连地块开始拼接时期^[55~57], 因此, 该期大地构造在沉积剖面上应该所有响应。依据沉积序列特征则可以大致判断不同阶段的海侵位置^[53]和除等深流强度之外的主控因素(第二位), 进而可以判断垂向上的沉积演化特征。

第1阶段由旋回束1~7构成, 对应图3中第1部分(下部阴影以下部分), 以相对低的(La/Nd)_N和Mn/Fe值、V/Cr和V/(V+Ni)值及Eu异常值和相对高的稀土总量为特征, 垂向序列则以向上变薄的沉积序列为主。反映水体较深, 等深流受限的沉积环境(前文), 主要受海平面上升控制。属于早海侵体系晚期沉积, 为变深阶段初期沉积^[53]。这主要是由于在经历了海侵(3级)初期, 3级海平面变化不足以弥补由4或5级海平面下降所造成的高沉积速率而发育向上变厚序列之后, 台地继续被淹没, 使3级海平面上升变为沉积的主控因素, 可容性空间持续增大, 发育向上变薄序列。从海侵序列来看, 克里摩里组底部缺失海侵初期向上变厚序列。

图5

Fig.5

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	图5 克里摩里组薄层石灰岩沉积演化概念模式图 A.开始海侵阶段; B.变深阶段; C.转换阶段; D.淹没阶段; E.浅化阶段; F.“ 静态” 浅水阶段; CCD.碳酸盐补偿深度Fig.5 Conceptual model to illustrate the evolution of sedentary deposition of thin-bedded limestone in Kelimoli Formation A.Flooding phase; B.Deepening phase; C.Transitional phase; D.Drowning phase; E.Shallowing phase; F.“ Static” shallow water phase; CCD.Carbonate Compensation Depth

第2阶段由旋回束8~12构成, 对应图3中第2部分(下部阴影), 以相对高的(La/Nd)_N和Mn/Fe值、V/Cr和V/(V+Ni)值及Eu异常值和相对低的稀土总量为特征, 垂向序列则以向上变厚的沉积序列为主。按照海侵过程, 这样的序列应发育在开始海侵阶段或浅化阶段(图5中海平面变化阶段中的A或E), 这和整个剖面不协调, 结合鄂尔多斯盆地西缘达瑞威尔期构造运动情况^[55~57], 结合垂向序列特征和相关地球化学参数, 本文解释为受构造运动影响, 水下斜坡变陡, 由等深流向盆地方向侧向叠置而成^[42], 这是一个由构造作用主控的阶段(表1和图5), 同时, 4, 5级海平面下降也起到一定的作用, 按照在剖面上的位置, 可能处于海侵变深阶段后期。

第3阶段由旋回束13~22构成, 以向上变薄序列为主, 对应于图3中的第3部分(上、下阴影之间), 各地球化学参数基本上显示为一个较完整的变化周期, 说明随着海平面上升速率的减小, 4级或5级海平面变化的影响表现的越来越突出了。该阶段属于晚海侵体系早期沉积, 被称为转换阶段^[53]。这是一个最适宜于碳酸盐生产的深度, 尽管在4级或5级海退时期海平面持续上升, 但碳酸盐生产率在4级或5级海退时期能够恢复(即形成多个向上变薄序列), 当碳酸盐生产率不能恢复时便进入下一海侵阶段, 即淹没阶段, 发育波状序列。

第4阶段由旋回束23~27构成, 对应图3中第4部分(上部阴影), 各地球化学参数垂向上分布并不平稳, 出现较大的变化, 而垂向序列则交替频繁, 同时发育双向、变薄、变厚和波动4种序列。按照海侵过程, 在淹没阶段早期, 可能由于4级或5级海平面的影响还比较弱, 再加上奥陶纪达瑞威尔期鄂尔多斯盆地西缘构造活跃^{[15, 54]}, 各种影响因素均表现的较为突出。因此该阶段可能是由海平面上升、构造作用和等深流强度3项控制因素的作用彼此相当时而产生的。

第5阶段由旋回束28~33构成, 对应图3中第5部分(上部阴影之上), 发育典型的波状序列。由于该段样品较少, 结合克里摩里组的沉积特征, 中段主要由石灰岩夹页岩组成的岩石组合与页岩互层, 上段由发育有薄的水平纹层的页岩组成, 可判断整个克里摩里组可能为一个持续的海进过程, 至该组上段才达到最大水深。因此, 按照海侵过程, 本文归为晚期海侵的淹没阶段, 具有波状序列的石灰岩则可能是由于4级或5级海平面变化而引起的^[53]。

石峡谷剖面缺失海侵初期沉积(与桌子山组为断层接触), 从海侵第2阶段开始。具体如下:第1阶段, 构造作用微弱, 地壳微变形, 海侵开始, 随后海平面持续上升, 沉积向上变薄序列; 第2阶段, 构造作用强烈, 地壳变形较大, 斜坡变陡, 同时在4级或5级海退与构造下降的共同作用下, 使得海平面难以持续上升, 即相对滞后, 形成向上变厚的沉积序列; 第3阶段, 构造作用变弱, 海平面恢复持续上升, 形成向上变薄序列; 第4阶段, 构造作用再次活跃, 但海平面持续上升, 造成构造作用、海平面上升和等深流强度3种作用相互平衡的情形, 使得4种沉积序列交替出现; 第5阶段构造作用减弱, 海平面持续上升, 形成波状沉积序列。