2023, Vol. 32
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2. 中国地质科学院, 北京 100037;
3. 中国地质大学 地球科学与资源学院, 北京 100083
2. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
3. College of Geosciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
近年来，古亚洲洋的闭合时间和地点一直是地质学者们研究的热点问题，额里图组作为晚古生代形成的一套富含丰富地质信息的沉积建造一直受到广泛关注. 对于其形成的沉积古环境一直存在争论：朱俊宾、和政军等研究认为额里图组是中二叠世早期的正常陆相沉积的产物[1-2]；陈井胜等认为额里图组的沉积环境是海陆过渡相、三角洲相[3]；朱如凯等研究表明额里图组的沉积环境为陆相、海陆交互相和滨浅海相[4]；梅杨对正镶白旗地区二叠系的地层特征对比研究，认为额里图组是在海相、滨海相沉积的三面井组沉积后形成的陆相火山岩和湖相碎屑岩[5]；张永生团队针对内蒙古东部及邻区晚古生代—早中生代的研究认为该区晚古生代还存在通畅的海洋环境[6-14].
然而，随着科技的进步、分析技术手段的不断提高、多学科的交叉融合为沉积地质的研究提供了诸多便利和新的方法，尤其是数理统计方法在地学中的应用. 例如，建立在随机事件中的概率学模型——马尔可夫链分析方法，在地质学的应用越来越广泛，并且取得了很好的成果. 早在20世纪40年代，马尔可夫链模型开始应用于垂直岩性模拟[15]；近些年随着该方法的不断发展，国内外的相关研究人员成功地运用该方法对沉积地层的沉积序列进行模拟分析，从而构建沉积地层的沉积旋回模式，并结合地质学相关理论综合分析沉积环境[15-29]. 文献[27]统计了近些年利用马尔可夫链模拟研究地层旋回模式及沉积相的代表，并用该方法对南盘江盆地中三叠统复理石韵律进行了研究，取得了很好的成果认识. 近年来，该方法已经尝试性地运用于模拟油气岩相储层中，并取得了良好的效果[19, 26, 29].
本研究通过野外地质剖面实测，详细识别记录了建组剖面各层岩性特征，采用马尔可夫过程探讨的额里图组下岩性段的沉积旋回和沉积模式，结合野外地质资料，以期对研究区额里图组的沉积古环境达到准确的认识，进而为我国北方新区新层系油气地质调查评价优质沉积相带提供依据.
1 地质背景区域上，研究区位于中亚造山带的东段（兴蒙造山带）南缘的温都尔庙－翁牛特旗造山带[30]，是一个典型的显生宙增生造山带[31]. 额里图牧场剖面处于以西拉木伦河断裂为界限的华北板块北缘和以二连－贺根山断裂缝合带为界的西伯利亚板块南缘之间，靠近华北板块北缘（图 1）. 额里图组在内蒙古自治区东部广泛分布，1976年由内蒙古地质局（内蒙古地质研究院）命名，为一套晚古生代大陆边缘弧后滨岸盆地沉积，下部为杂色含砾粗粒长石砂岩、石英砂岩、细砂岩、粉砂岩、粉砂质页岩夹火山碎屑岩，上部为灰与灰黑色凝灰角砾岩、安山岩. 含叶肢介Concherisma、Glyptoasmussia，植物Pecopteristenuicostata、Sphenop-terisgrabaui、Odontopterischui、Taeniopterisnorinii、Annulariagracilescens、Gigantonoclea等及腕足类等化石，整合于下伏三面井组和上覆于家北沟组之间[31].
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图 1 内蒙古正镶白旗地区地质简图（据文献[2]修改） Fig.1 Geological sketch map of Zhengxiangbai Qi, Inner Mongolia(Modified from Reference[2]) 1—新近系－第四系（Neogene-Quaternary）；2—侏罗系（Jurassic）；3—下二叠统三面井组（Lower Permian Sanmianjing fm.）；4—中二叠统额里图组（Middle Permian Elitu fm.）；5—燕山期花岗岩（Yanshanian granite）；6—华力西期花岗岩（Variscan granite）；7—加里东期花岗岩（Caledonian granite）；8—剖面位置（section location） |
在地质历史过程中的地质事件大多属于随机过程，而马尔可夫模型就是建立在随机事件中的概率学模型. 马尔可夫过程的表述如下：t0+1时刻的状态在与t0－1时刻的状态无关，只与t0时刻的状态有关；同理，t0时刻的状态只与t0－1时刻的状态有关[16, 26-28]. 因此，这一“无后效性”说明了将来状态的发生只与现阶段状态有关，与过去是如何发展到现阶段的状态无关. 然而，根据沃尔索相律——只有横向上成因相近且紧密相邻而发育着的相，才能在垂向上依次叠覆出现而且没有间断. 也就是说，在没有沉积间断的情况下，最新形成的地层只与相邻的老地层存在联系，而与更老的地层在成因上无关. 这正好与马尔可夫链的表述相一致. 因此，地学中常用它来进行模拟地层在垂直于地层面方向上的发育情况[23]. 通过马尔可夫转移概率矩阵可以直接刻画出地层岩相之间的转移概率的大小[21-26].
2.2 建模过程根据地层发育情况，按照岩性粒度可划分出砂岩、泥岩、灰岩、粉砂岩、粉砂质泥岩5种代表不同水体深度或不同水动力条件的岩性，地质学上称之为“相”，在马尔可夫链分析方法里称作“状态”. 一般而言，粗粒的砂岩被认为是水动力条件较强环境的产物；泥岩代表了安静水环境的产物，常常在深海（湖）、泛滥平原最为发育；灰岩主要是温暖的浅海环境，一般与生物作用有关；粉砂岩、粉砂质泥岩则存在于多种环境下，如浅海陆棚、半深海、泛滥平原等等环境均有粉砂岩、粉砂质泥岩存在. 因砂岩中通常含有细砾，具有大致类似的水动力条件，本文将含砾砂岩归入砂岩相. 根据额里图剖面的实际岩性由底到顶的叠覆关系构建的岩相转移数据排列如下：
ADCECEAECACADACACAEDEAEDECDCDCDAECD
ACDCEADACDBEDADEAEAEAEBDADABDCABCBA
其中，A为砂岩，B为灰岩，C为粉砂岩，D为泥岩，E为粉砂质泥岩. 据此统计出转移频数矩阵（表 1）.
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表 1 岩相转移频数矩阵 Table 1 Lithofacies transfer frequency matrix |
可得到：
| $ \begin{aligned} & m=5 ; n=69 \\ & n_{1 \cdot}=19, n_{2 \cdot}=5, n_{3 \cdot}=15, n_{4 \cdot}=16, n_{5 \cdot}=14 \\ & n_{\cdot 1}=19, n_{\cdot 2}=5, n_{\cdot 3}=15, n_{\cdot 4}=16, n_{\cdot 5}=14 \end{aligned} $ |
根据公式：
| $ \chi^2=\sum\limits_{i=1}^m \sum\limits_{j=1}^m\left(n_{i j}-\frac{n_{i \cdot} n_{\cdot j}}{n}\right)^2 / \frac{n_{i \cdot} n_{\cdot j}}{n} $ | (1) |
| $ n_{i \cdot}=\sum\limits_{j=1}^m n_{i j} $ | (2) |
| $ n_{\cdot j}=\sum\limits_{i=1}^m n_{i j} $ | (3) |
求得岩相向上转移频数，进行马氏检验（表 2）.
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表 2 岩相转移频数矩阵马氏检验 Table 2 Markov test of lithofacies transfer frequency matrix |
计算得到
岩相转移频数矩阵中各元素除以该元素所在行上的和得到其转移概率矩阵Pij（表 3）.
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表 3 岩相转移概率矩阵 Table 3 Lithofacies transfer probability matrix |
进一步求得岩相转移差值矩阵Kij（表 4）.
| $ K_{i j}=P_{i j}-n_{j \cdot} /\left(N-n_{i \cdot}\right) $ | (4) |
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表 4 岩相转移差值矩阵 Table 4 Lithofacies transfer difference matrix |
由岩相状态差值矩阵建立相变进程关系转换图（图 2），再根据剖面地层的发育情况构建沉积序列概率模式图（图 3）.
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图 2 相变关系图 Fig.2 Lithofacies change relation transformation diagram |
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图 3 沉积序列概率模式图 Fig.3 Probability model of sedimentary sequence a— A－E－C－D－A旋回（A－E－C－D－A sedimentary sequence）；b— A－B－D－A旋回（A－B－D－A sedimentary sequence）；c— A－E－A旋回（A－E－A sedimentary sequence）；d— C－D－C旋回（C－D－C sedimentary sequence）；1—砂岩（sandstone）；2—粉砂岩（siltstone）；3—粉砂质泥岩（silty mudstone）；4—灰岩（limestone）；5—泥岩（mudstone） |
由图 2可看出，额里图牧场额里图组主要由A－E－C－D－A和A－B－D－A两个旋回构成，并包含A－E－A和C－D－C的小旋回（图 3）. 其中A－E－C－D－A旋回为砂岩－粉砂质泥岩－粉砂岩－泥岩－砂岩，代表了海进旋回的深水浊积岩相序；A－B－D－A旋回为砂岩－灰岩－泥岩－砂岩，代表海进过程浅海礁滩相环境；A－E－A和C－D－C分别为砂岩－粉砂质泥岩－砂岩和粉砂岩－泥岩－粉砂岩，代表A－E－C－D－A和A－B－D－A两个旋回中的震荡旋回.
3 讨论 3.1 马尔可夫沉积旋回1）砂岩－粉砂质泥岩－粉砂岩－泥岩－砂岩旋回
该旋回在额里图牧场剖面主要发生在陆棚－斜坡－深水盆地（海槽）－斜坡环境，在第1—23层多次出现. 该旋回的显著特点是砂岩发育较厚时，会夹杂较厚层的砾岩或含砾砂岩，而以被较厚层的粉砂岩或粉砂质泥岩包裹的砂岩则厚度不大. 这是由于物源的供给速率差异以及海平面变化导致的. 前者是在物源充足、水体较浅的情况形成的，后者是在物源供给速度较低、水体较为平静的情况下形成. 其中，第1—6层为一个砂岩－粉砂质泥岩－砂岩旋回过程，即图 2中的A－E－A过程，这实际上是砂岩－粉砂质泥岩－粉砂岩－泥岩－砂岩旋回过程中因为水动力较强，泥质多被带出沉积，因此砂岩发育而泥岩不发育，其中第6层的砂岩可作下一周期的砂岩旋回的开始. 第6层到第16层为相对完整的砂岩－粉砂质泥岩－粉砂岩－泥岩－砂岩旋回（图 2中A－E－C－D－A旋回），其中底部的砂岩发育得很厚，泥岩也比较厚，而粉砂质泥岩相对发育较薄. 这与物源供给有关，说明水动力相对降低，水体深度相对增加. 其中砂岩－粉砂质泥岩－粉砂岩－泥岩－砂岩旋回——图 2中A－E－C－D－A旋回，并包含有A－E－A（第16层—18层）和D－C－D旋回（如第17层）——过程，在第15层到第23层的中上部甚至第24层顶部之间都很发育（图 4）.
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图 4 额里图组实测剖面综合柱状图与沉积序列概率模式对比图 Fig.4 Comprehensive stratigraphic column of surveyed section of Elitu Formation with comparison to the probability model of sedimentary sequence 1—中细砂岩（fine-medium sandstone）；2—含砾中粗砂岩（gravel medium-coarse sandstone）；3—凝灰质中粗砂岩（tuffaceous medium-coarse sandstone）；4—角砾状砾岩（brecciated conglomerate）；5—粉砂岩（siltstone）；6—泥岩（mudstones）；7—粉砂质泥岩（silty mudstone）；8—中砂岩（medium sandstone）；9—细砂岩（fine sandstone）；10—粗砂岩（coarse sandstone）；11—页岩（shale）；12—藻纹层灰岩（algal lamellar limestone）；13—灰岩（limestone）；14—喷发角砾岩（eruptive breccia）；15—安山岩（andesite）；16—凝灰质角砾岩（tuffaceous breccia）；17—塔状礁（tower reef）；18—生物化石（biological fossil）；19—透镜状层理（lenticular bedding）；20—水平层理（horizontal bedding）；21—包卷层理（convolute bedding）；22—生物遗迹（biogenic trace）；a— A－E－C－D－A旋回（A－E－C－D－A sedimentary sequence）；b— A－B－D－A旋回（A－B－D－A sedimentary sequence）；c— A－E－A旋回（A－E－A sedimentary sequence）；d— C－D－C旋回（C－D－C sedimentary sequence） |
2）砂岩－灰岩－泥岩－砂岩旋回
该旋回过程仅仅发育在剖面的中上部，其标志是灰岩的出现，反映出浅水的静水环境的出现. 该过程从剖面的23层顶部开始到28层，整体上呈现由砂岩－灰岩－泥岩－砂岩的旋回过程. 而底部的粗粒碎屑物到灰岩生物礁，说明了水体由斜坡变浅到陆棚环境.
3.2 剖面地层沉积相分析根据沉积旋回的特点，结合剖面上的其他证据，识别出了陆棚相、斜坡相和盆地相（海槽），并识别出了潮坪滩相、滩前斜坡相、浊积滩坝相、滩相、斜坡盆地相、缓坡相、深水海槽相和礁滩相（图 4）. 由此推测的海平面变化曲线，整体上由两次海侵半旋回（第1—7层和第8—16层）和一次完整的海侵－海退旋回（第17层以后）组成. 沉积相分析如下：
剖面第1—3层主要为灰绿色中细粒含白云母长石岩屑砂岩、含砾中粗粒长石岩屑砂岩，局部见有棕红色砂岩，具有动荡的潮坪碎屑滩环境的特点. 尤其是第3层，发现赤铁矿小斑点和棕红色的砂岩，表明出现过短暂的暴露. 第4层主要是滑塌砾岩，次圆状－次棱角状，表明是潮坪环境中存在局部地形较陡的地段，在重力作用下形成滑塌砾岩. 第5层为土黄色粉砂岩、粉砂质泥岩夹灰绿色中细粒砂岩透镜体，反映潮坪环境中的泥砂坪中夹碎屑滩的浅海环境.
剖面第6—8层为斜坡相. 主要岩性为灰绿色薄中层状长石岩屑砂岩，发育包卷层理，滚动球核. 第6层和第8层发育包卷层理，岩性均为灰绿色长石石英砂岩，显示滩前斜坡环境堆积特征. 第7层为灰黄色－灰绿色粉砂岩，发育灰绿色中细粒凝灰质砂岩滚动球，其沉积环境可能为斜坡中局部较为平缓的滩坝，根据其镜下特征（图 5a、b），反映出一种近源快速堆积的特征. 到第7层为第一次海侵.
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图 5 内蒙古正镶白旗额里图组剖面典型岩石特征 Fig.5 Typical rock features of Elitu Formation in Zhengxiangbai Qi, Inner Mongolia a、b—第7层的灰绿色含白云母长石石英细砂岩（gray-green muscovite－bearing feldspar quartz fine sandstone in the 7th layer）；c—砂质滚动球碾压形成的平行凹槽（parallel grooves formed by rolling sandy spheroid）；d—砂质滚动球核（sandy spheroid）；e、f—第26层的具有水平层理的藻纹层灰岩（algal lamellar limestone with horizontal bedding in the 26th layer） |
第9—10层为陆棚相. 其中第9层为灰白色含砾粗粒长石岩屑砂岩，见到砂质滚动球和遗迹化石，表明其沉积环境为浅水滩. 第10层为灰白色粗砂岩夹黄绿色页岩、灰黄色细砂岩与粉砂岩互层，显示水体逐渐加深，由滩相向斜坡相转换的过渡带环境.
第11—19层为斜坡相. 第11层为灰色、灰绿色薄板状中细砂岩与薄层泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层，发育包卷层理. 第12层为灰白色－浅灰绿色薄板状中细砂岩与薄层泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层，并发育有砂质滚动球（图 5d，其成因可参考文献[14]），表明其环境为滩前斜坡相，水体继续加深. 图 5c中近平行的槽型模，推测为砂质滚动球滚动经过该处碾压形成. 第13—15层主要为深灰色粉砂质泥岩、泥质页岩、浊积成因细砂岩、泥岩夹灰绿色砂岩透镜体组成，发育植物化石碎片（图 6a、b），富含叶肢介，可见水平纹层理，表明其水动力较缓，为碎屑流成因，据其成分特征推测为斜坡中的盆地环境. 第16—19层主要为灰白色中细粒长石石英砂岩，灰绿色－深灰色薄层状粉砂质泥岩、粉砂岩和页岩，浅白色－深灰色薄层状粉砂质泥岩、粉砂岩夹灰白色中砂岩，局部夹灰绿色长石岩屑细砂岩，其中第17层砂岩中发育包卷层理，表明其沉积环境过渡到斜坡相的底部缓坡地带. 到第16层为第二次海侵半旋回.
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图 6 内蒙古正镶白旗额里图组剖面古生物特征 Fig.6 Paleontological features of Elitu Formation in Zhengxiangbai Qi, Inner Mongolia a—第14层黑色泥岩中的芦木化石（fossilized Calamites preserved in black mudstone in the 14th layer）；b—第14层黑灰色粉砂岩中的栉羊齿化石（Pecopteris preserved in black gray siltstone in the 14th layer）；c、d—第23层黑色薄板状粉砂泥岩中的双壳化石（bivalve fossils preserved in black lamellar siltpelite in the 23rd layer）；e、f—第23层中的苔藓虫、古石孔藻生物格架礁（Bryozoan and Archaeolithoporella preserved in organic framework reef limestone in the 23rd layer）；g—第25层灰白色－浅灰黄色凝灰质粉砂岩中的海百合茎化石（fossilized Crinoidea stem preserved in offwhite-gray yellow tuffaceous siltstone in the 25th layer） |
第20—23层中下部为盆地相（海槽），主要为细粒物质，并且厚度大. 岩性以黑色、灰黑色粉砂岩泥岩、页岩夹砂质滚动球为主. 第21层见到包卷层理，第23层中下部的灰绿色粉砂质泥岩中发育大量植物化石碎片（主要是栉羊齿、芦木）、双壳类化石（图 6c、d）. 推测为深水环境.
第23层中部—24层为斜坡相. 其中第23层顶部发育一套次圆状－次棱角状的砂砾岩，24层为深灰绿色、灰黑色粉砂质泥岩夹几条灰白色－浅灰绿色中细粒砂岩，反映斜坡相的陡坡地带沉积特征. 而23层中部的浅灰色细砂岩和灰绿色粉砂质泥岩应该是斜坡下部的缓坡地带. 这与前面的砂岩－灰岩－泥岩－砂岩旋回相吻合.
第25—28层为陆棚礁滩相. 主要特征为发育生物礁，生物礁主要以苔藓虫、古石孔藻为格架（图 6e、f），包覆有蓝绿藻. 礁体层位之间往往发育细粒沉积，主要是泥岩和粉砂岩，夹少量细砂岩，并且在25层灰白色－浅灰黄色凝灰质粉砂岩中发现了海百合茎化石（图 6g），反映静水环境. 第26层发育的藻纹层灰岩的水平层理（图 5e）也证明了静水沉积环境.
3.3 马尔可夫沉积旋回与剖面沉积相对比经过剖面地层和马尔可夫链分析结果综合对比，发现马尔可夫链分析结果完全出现在整个剖面的地层旋回中（图 4）. 存在的差异可作如下解释：马尔可夫链分析结果中，砂岩－粉砂质泥岩－粉砂岩－泥岩－砂岩旋回和砂岩－灰岩－泥岩－砂岩旋回中的砂岩可以是一次旋回的开始和结束，也可以是下一次旋回的开始或上次旋回的结束. 用马尔可夫链分析结果表示该剖面的实际地层发育情况大致为A－E－A－E－C－D－C－D－A－B－D－A过程，即砂岩－粉砂质泥岩－砂岩－粉砂质泥岩－粉砂岩－泥岩－粉砂岩－泥岩－砂岩－灰岩－泥岩－砂岩过程. 其中A－E－A和C－D－C过程，即砂岩－粉砂质泥岩－砂岩和粉砂岩－泥岩－粉砂岩过程是在短时间内沉积环境周期性变化的结果. 因此，马尔可夫链分析结果与剖面实际地层完全一致.
4 结论1）根据马尔可夫链建立的沉积序列概率模式，定量此分析了沉积地层最为有利的转换方向. 整体上形成两个下粗上细的旋回序列，其一为砂岩－粉砂质泥岩－粉砂岩－泥岩的海进旋回的浅海陆棚—深水浊积岩相序，其二为砂岩－灰岩－泥岩形成的以海进为特点的陆棚浅海礁滩相环境. 整个剖面的岩性转换大致为砂岩—粉砂质泥岩—砂岩—粉砂质泥岩—粉砂岩—泥岩—粉砂岩—泥岩—砂岩—灰岩—泥岩—砂岩过程.
2）根据正镶白旗额里图组剖面岩性特征、沉积构造特征、古生物发育情况，额里图组下岩段的沉积环境为海相沉积. 划分出了陆棚、斜坡和盆地（海槽）3个相. 进一步识别出了潮坪滩相、滩前斜坡相、浊积滩坝相、滩相、斜坡盆地相、缓坡相、深水海槽相和礁滩相等亚相. 整个剖面由两次海侵半旋回和一次海侵海退完整旋回组成，与马尔可夫链分析结果一致，证明古亚洲洋的最终闭合时间应该在额里图组时期之后.
致谢: 感谢中国地质科学院地质研究所的田树刚老师和防灾科技学院黄静宜老师在地质认识上提供的指导和帮助，以及一起进行采样、记录、拍照、剖面测制的同学们，在此真心地向他们一并表示感谢!向对本文提出了宝贵修改意见的专家老师和同学表示衷心的感谢!..
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