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湘西北龙山、永顺地区龙马溪组潮控三角洲沉积的发现①——志留纪“雪峰隆起”形成的新证据

2014-12-02周恳恳牟传龙葛祥英

沉积学报 2014年3期
关键词:永顺龙马层理

周恳恳 牟传龙 梁 薇 葛祥英

(1.中国地质科学院 北京 100037;2.成都地质矿产研究所 成都 610082;3.国土资源部沉积盆地与油气资源重点实验室 成都 610082)

中晚奥陶世—早志留世是华南早古生代构造—盆地演化最重要的转型期。受扬子陆块与华夏地块(群)之间的汇聚挤压[1~6]以及全球性冰川事件[7~11]等影响,中上扬子东南缘出现带状的“构造隆起区”(如黔中—雪峰隆起等)(图1),盆地呈现快速的相对海平面变化。而中上奥陶统—下志留统沉积地层无疑是相关演化过程的最直接记录。

靠近“黔中—雪峰隆起带”西北侧的湘西北地区(图1)是构造—盆地演化的敏感响应区之一。在该区与相邻地区的早志留世中、晚期地层(相当于小河坝组及其以上层位)中,发育三角洲相、滨岸相与潮坪相等浅水沉积[12~17],被认为是“黔中—雪峰隆起带”形成的重要证据。而对早志留世早期“龙马溪组”的认识则较为单一,通常以“浅海相”或“陆棚相”[1,4,18~21]泥页岩代表其整体岩性与沉积环境。然而笔者考察湘西北龙山、永顺地区典型剖面后发现,龙马溪组自下而上的相序演化与岩相组合并不单一。本文将通过露头沉积学和岩石学分析,首次揭示该区域龙马溪组中发育的潮控三角洲沉积,并探讨其构造—古地理意义。

1 区域地层与剖面概况

1.1 研究区志留纪地层划分

湘西北地区大致以吉首—常德一线为界(图2),其西北、东南两侧的地层特征迥异:

西北侧的龙山、永顺等地为本文研究区,志留系岩石地层单元自下而上为龙马溪组、小河坝组、溶溪组、辣子壳组、吴家院组和小溪组(表1)。依据地层古生物研究结果[18,22,23],与中上扬子绝大部分地区相同,研究区志留系仅发育最下部的兰多维列统及温洛克统底部。其中龙马溪组对应于鲁丹阶和埃隆阶中下部,小河坝组(相当于石牛栏组、罗惹坪组)大致对应于埃隆阶上部和特列奇阶下部。本区龙马溪组中发育的笔石与中上扬子大部分地区对比良好[18,22,23],主要包括 Akidograptus acuminatus,Monograptus cf.gemmatus,M.sedgwickii,Rastrites destans bellulu,Petalolithus palmeus,Pseudoclimacograptus sculptus,Pristiograptusgregarious等,为岩石地层的准确对比提供了依据。

东南侧为白垩系覆盖的“沅陵—麻阳盆地”,大致相当于早志留世“雪峰隆起”范围。而再向东南至湘中溆浦、新化等地,下志留统以“周家溪组”(表1)碎屑浊积岩为主,不在本文讨论范畴。

图1 华南中上扬子地区早志留世构造—盆地模式与古地理简图(据刘宝珺等[2]修改)Fig.1 Tectonic-basin pattern and simplified palaeogeographic map in Upper-Middle Yangtze region of South China during the Early Silurian,and the location of the study area(modified after Liu Baojun et al.[2])

图2 研究区地层分布与剖面位置简图1.龙山比洞;2.龙山红岩溪;3.永顺颗砂;4.永顺塔卧;5.永顺勺哈Fig.2 Sketch map showing the distribution of Silurian outcrops and location of the sections

1.2 剖面概况

本次选取龙山比洞、龙山红岩溪、永顺勺哈、永顺颗砂和永顺塔卧五条剖面(图2),开展龙马溪组的沉积相研究。其中比洞和红岩溪两条剖面龙马溪组顶底序列最完整,露头清晰连续,是本次研究的主干剖面。龙马溪组在比洞剖面厚538.4 m,红岩溪剖面厚624 m;永顺勺哈、颗砂和塔卧三条剖面出露不全,厚度在191~680 m之间。

表1 研究区与邻区早志留世地层划分对比简表[18,22]Table 1 Early Silurian stratigraphic division and correlation of the study area and adjacent areas(after Chen et al.[18,22])

值得一提的是,永顺颗砂、塔卧两条剖面的早志留世三角洲沉积已有报道[24],但前人将龙马溪组整体归为了“前三角洲相泥岩”(图3),认为“原地泥页岩占龙马溪组厚度的95%以上”,这与以往对龙马溪组的单一认识并无本质区别。

在野外剖面上确定龙马溪组的顶、底界线是研究的重要前提,主要依据为:(1)晚奥陶世赫南特期冈瓦纳大陆冰川事件导致的整体海平面下降[7~11,23],造成龙马溪组底部与上奥陶统不同层位(五峰组或临湘组)呈平行不整合接触,这一区域性重要不整合面极易识别。例如在龙山红岩溪,上奥陶统临湘组紫红色瘤状灰岩与龙马溪组暗色泥岩平行不整合接触,其间为1~1.5 m厚的风化层;在永顺颗砂,上奥陶统五峰组与龙马溪组间见3~5 cm的古黏土层,亦表明一定时限的沉积间断。(2)龙马溪组顶界岩性标志明显。本组顶部为一套灰色泥岩夹细砂岩,富产笔石化石;而小河坝组底部为黄褐色薄层细砂岩,产介壳及珊瑚化石,含管状虫迹,向上迅速转为厚层泥晶灰岩、生屑灰岩。

图3 湘西北早志留世三角洲相序(据王泽中[24])Fig.3 Deltaic depositional sequences of Lower Silurian in northwest Hunan province(after Wang Zezhong[24])

2 三角洲沉积相特征

以露头沉积学观察为主,结合岩石组构分析,识别出龙马溪组三角洲沉积的三个亚相和10个微相。

2.1 前三角洲亚相

主要见于龙马溪组下段,包括两种微相:

(1)滨外泥页岩

沉积于浪基面之下的低能还原环境,多呈深灰色、灰黑色或青灰色,有机质含量较高。单层厚2~7 cm和10~25 cm为主,常见球状风化。石英粉砂含量不超过5%,偶见星点状黄铁矿,发育大量水平层理(图版Ⅰ-A)与笔石化石(图版Ⅰ-B)。

(2)低密度浊积岩

以夹层形式产出于龙马溪组下部的滨外泥页岩中,与上下岩性形成突变。在永顺勺哈最为典型,仅见6层,单层厚50~110 cm不等。岩性为青灰色—灰色中—厚层状含云母石英杂砂岩。石英含量约45%~55%,粒径以0.03~0.06 mm为主;泥质杂基占30%以上,并含10%左右的云母。具杂基支撑结构,颗粒磨圆差,以棱角状—次棱角状为主(图版Ⅰ-C),排列杂乱。

此类浊积砂岩以发育大量撕裂状泥屑和重荷模构造为特征。在每一个砂岩层的近底部,可见大量顺层展布的扁平状泥屑,其成分与下伏泥岩完全相同。泥屑在层截面上表现为断续的条带、条纹,仅宽2~3 mm,而在岩层面上呈现不规则分布(图版Ⅰ-D),大小在0.4~3 cm不等。此类泥屑来自于流体对下伏软泥层的刨蚀,并在黏性的重力流中与更粗的砂质成分共存,再在搬运、堆积时被压扁、拉长甚至撕裂,其特殊形态完全区别于牵引流作用形成的泥质砾屑。

重荷模亦见于砂岩与下伏泥岩层之间,凸出于砂岩底面形成大小不等的圆丘(图版Ⅰ-E),直径在2.5~13 cm之间。圆丘风化脱落后形成椭球体,其成分与围岩完全一致。此类构造形成于沉积后、固结前的同生期,常见于各类重力流沉积物中,由上覆高密度砂层与下伏低密度软泥层之间的密度差导致。因塑性软泥承受砂质层的不均匀负荷压力,从而引发砂层向下陷落和软泥补偿性向上迁移。

上述浊积砂岩以滨外泥页岩为背景,无牵引流作用特征,应沉积于浪基面之下。最初应为低密度河流带入海中,以“层流”形式承载搬运至较远地带,继而在三角洲前缘陡坡带形成浊流,并最终堆积于坡脚的平缓陆架之上。

2.2 三角洲前缘

在龙马溪组各段中均发育良好,为黄灰色石英粉—细砂岩、粉砂岩与黄绿色泥岩韵律互层,间夹黄灰色薄—中层状岩屑石英杂砂岩。包括四种微相:

(1)前缘席状砂

此微相最为发育,主要为层面平直、席状展布的薄—中层状石英粉—细砂岩,常与泥岩韵律互层(图版Ⅱ-A),砂泥比约1∶1。单层厚10~60 cm为主,偶见110 cm的巨厚层。此类砂岩多由河口沙坝经潮汐、波浪改造后侧向迁移形成,故结构—成分成熟度较高。砂岩质纯坚硬,石英占90%以上,碳酸盐与泥质杂基不超过8%,具颗粒支撑结构(图版Ⅱ-B)。石英颗粒分选较好,粒径以0.08~0.12 mm为主;磨圆中等,以次圆状—次棱角状为主。发育小型交错层理(图版Ⅱ-C)、沙纹层理、干涉波痕、直脊波痕等。在红岩溪龙马溪组下部,可见此类砂岩与低能的灰黑色泥页岩组成高频韵律(图版Ⅱ-D)。每一韵律层仅厚18~25 cm,反映了沉积环境在三角洲前缘与滨外陆架交界地带(浪基面附近)的快速转换,指示出相对海平面的频繁波动。

(2)河口砂坝

由于潮、浪改造破坏强烈,此微相并不多见。在永顺勺哈等地较典型,以黄灰色中层状岩屑石英杂砂岩为主,砂岩结构—成分成熟度较低(图版Ⅱ-E)。夹于发育大量潮汐层理的灰绿色泥岩中,砂岩与下伏泥岩间见冲刷面(图版Ⅱ-F),并发育小型交错层理。

(3)远砂坝

以薄层状粉砂岩、泥质粉砂岩为代表,单层厚度仅3~12 cm,常与滨外泥页岩韵律互层,是三角洲前缘的远端细粒沉积。受波浪作用改造而发育沙纹层理(图版Ⅱ-G)、波状层理和浪成波痕。

(4)分流间湾

由青灰色—灰绿色泥岩、粉砂质泥岩组成,总厚度占据三角洲前缘序列的50%以上。发育大量透镜状层理(图版Ⅱ-H)、砂质条带,显示强烈的潮汐作用。层面发育浪成对称波痕,在永顺红岩溪见直脊型波痕,波长6~10 cm,波高0.7~1.1 cm。在永顺塔卧发育水平虫迹(图版Ⅱ-I)。

在永顺地区还可见一种薄层席状砂岩(图版Ⅱ-J),同样属分流间湾沉积。砂岩单层仅厚2~5 cm,但延伸稳定,层面发育极低缓的对称波痕。这种薄层席状砂通常代表受波浪改造的河口砂嘴、小型河口坝、甚至三角洲平原的溢流决口扇沉积物,自三角洲水下部分延伸至水上,充填于宽广的分流间区域,是三角洲沉积的典型标志之一。

综上所述,三角洲前缘发育的微相类型丰富,相标志明显。发育大量潮汐、波浪沉积构造,加之高成熟度的前缘席状砂常见而河口砂坝相对匮乏,均表明海水作用对三角洲前缘的明显改造。

2.3 三角洲平原

见于龙马溪组中、上段。主要为黄褐色中厚层状—块状长石石英砂岩与黄绿色—青灰色泥岩互层,间夹极薄层—薄层状粉—细砂岩。包括四种微相:

(1)分流河道(潮道)

以“上平下凹”的透镜状潮道砂体(图版Ⅰ-F,G)为显著特征,夹于发育潮汐层理的泥岩中。在永顺颗砂、塔卧等地可见7~8层,最厚为55~110 cm不等,砂体宽度20~60 m。未见下粗上细的典型河道充填序列,沉积物也以较细的长石石英杂砂岩为主。砂岩具颗粒支撑结构,泥质填隙物占15%~18%;碎屑物中石英占80%左右,长石含量约20%。颗粒分选中等—较好,粒径以0.1~0.15 mm为主;磨圆中等,以次圆状—次棱角状为主。受潮汐作用改造强烈,发育底冲刷面、沙纹层理、平行层理与双向交错层理等沉积构造。

(2)分流间湾

岩相特征与水下分流间湾基本相同,潮汐层理极发育。缺乏浅水暴露标志,可能与陆屑供给较弱、三角洲进积速率和海退幅度较小有关。

(3)天然堤与决口扇

以黄灰色薄层状粉砂岩、粉砂质泥岩为主,粒度低于河道砂岩。最显著特征为发育大量单向流水波痕和浪成对称波痕。流水波痕以直脊型与舌型为主(图版Ⅰ-H),波长9~13 cm,波高1.5~2.5 cm。对称波痕多为直脊波痕、干涉波痕(图版Ⅰ-I),波长8~11 cm,波高0.8~1.2 cm。

(4)河间沼泽

以深灰色—灰黑色中—厚层状泥岩为主,代表间歇性被淹没的河间低洼地区。发育少量透镜状层理与断续的灰色砂质纹层、条带(图版Ⅰ-J),前者指示潮间带海水作用,后者则由洪泛期的河流带入。

总体上,三角洲平原亚相以潮道砂体发育、砂岩粒度细、潮汐构造普遍为特征,缺乏大型河道层序与粗粒沉积,指示出低流量、宽而浅的辨状河滩环境,并受海水作用的影响。

3 沉积序列与相对海平面变化

以层序发育最完整的龙山比洞剖面为主,综合对比其它剖面,建立了研究区龙马溪组三角洲垂向演化序列(图4),主要特征如下:

(1)在奥陶系/志留系平行不整合面之上、龙马溪组的最底部,发育一套陆棚相黑色泥页岩,在龙山比洞厚12.2 m,在红岩溪厚约20 m。这套黑色泥页岩在整个中上扬子广泛分布,是志留系底部的重要标志层[7~11,22],代表了冈瓦纳冰川消融之后广泛而快速的相对海平面上升。这表明研究区在志留纪伊始(鲁丹期最早期)同样处于遍及华南全区的海侵背景之中。然而本区龙马溪组在底部黑色泥页岩之上迅速进入以“前三角洲和三角洲前缘亚相”为主的沉积旋回,体现出与中上扬子其它地区在古地理位置、沉积环境上的显著区别,表明相邻的构造隆升开始成为沉积主控因素。

(2)以龙山比洞剖面为例,龙马溪组自下而上由三个大的三角洲反旋回和顶部一个潮坪相正旋回构成。第一反旋回(基本相当于龙马溪组下段)厚118.4 m,包括6个次级旋回(厚12~36 m不等);第二反旋回(相当于龙马溪组中段)厚174.7 m,包括6个次级旋回(厚16~37 m不等);第三反旋回(基本相当于龙马溪组上段)厚187.8 m,包括5个次级旋回(厚19~65 m不等)。每一旋回均具下细上粗的进积型结构,指示因基底抬升和沉积物堆积造成的渐进式海退。顶部的潮坪相正旋回厚45.3 m,以发育大量潮汐层理的粉砂岩、泥岩为主。上述序列特征与其它地区龙马溪组的单一泥页岩序列形成鲜明反差。

第一反旋回主要由前三角洲和三角洲前缘亚相组成,沉积环境由浪基面之下向浪基面之上过渡,表明该时期研究区已受到隆起地形的影响。第二反旋回主要为三角洲前缘亚相向三角洲平原亚相的演化,表明地形的抬升更为显著。而第三反旋回以三角洲平原亚相为主,与三角洲前缘亚相交替出现,典型的河道(潮道)砂体均在此段发育,并见大量潮间带沉积标志。这表明此阶段相对海平面已降至最低、地形抬升达到高峰。顶部的潮坪相正旋回则表明龙马溪组晚期的环境重新受海水作用主控,直至下一阶段小河坝期更大规模海退的出现。

图4 湘西北地区下志留统龙马溪组三角洲沉积序列与相对海平面变化Fig.4 Deltaic sedimentary sequences in Lungamachi Formation,showing the cycles of relative sea level change

(3)表现出潮汐主控的破坏型三角洲特征。三角洲平原层序与潮坪层序伴生,以发育小型潮道为特点,不发育大型河道序列,也缺乏河流相粗粒沉积与暴露面之上的浅水序列,表明河流物质供给量与三角洲推进速率较低。在潮、浪作用改造下,三角洲前缘与三角洲平原层序组成频繁、不规则的旋回,指示了复杂的海平面波动或构造运动。前缘席状砂等较为常见,而发育大量潮、浪作用标志的分流间湾沉积物更是占据了整体序列厚度的50%以上。这些特征均表明龙马溪组三角洲的发育主要受以潮汐为代表的海水作用控制。

总之,研究区龙马溪组具有清晰的潮控三角洲沉积序列,记录了从志留纪伊始的冰期后快速海侵到相邻隆起抬升的过程,包含了在远离隆起的龙马溪组泥页岩沉积区难以直接体现的丰富地质信息。

4 龙马溪组三角洲沉积与“雪峰隆起”

4.1 古流向与物源

本次在龙马溪组各层段中共测得古流向数据10组(见表2),所产层位(图4)基本涵盖了各种岩相类型。数据主要来自对称或非对称波痕构造,而各类交错层理、沙纹层理的古流向则因难以准确恢复而暂未采用。分析表明,北西向或北西—南东双向的数据共8组,占据绝对优势,很可能代表来自陆源剥蚀区的主导流向,即入海的河流流向或海水垂直于海岸线进出三角洲的方向。另外2组数据为北东—南西向,大致与主导流向垂直,可能指示了潮汐、波浪的沿岸流方向。这些仅有的古流向证据进一步表明龙马溪组三角洲沉积的物源区应为东南侧的“雪峰隆起”。

表2 研究区龙马溪组古流向数据统计表Table 2 The paleocurrent directions in Lungamachi Formation of the study area

4.2 “雪峰隆起”的形成时间

关于“雪峰隆起”发育的时限,有观点提出是从早—中奥陶世开始、晚奥陶世形成,主要依据是认为上奥陶统五峰组页岩仅出现在隆起西侧。而实际上,隆起东侧的湘中益阳、安化、隆回、新化等地均有五峰组页岩沉积,其生物群面貌和沉积特征与西侧相似,证明五峰期两侧海域相通,雪峰隆起并未形成[13]。近年来,小河坝期三角洲相或滨岸相沉积常被认为代表沉积环境的重要改变[12~17],其中朱志军等[12]和侯明才等[13]根据渝东南、黔北、黔南、湘西等地小河坝组(石牛栏组)三角洲前缘砂体的发育,提出雪峰隆起的形成时间为早志留世小河坝期(石牛栏期),相当于埃隆期末—特列奇期早期。

本次湘西北龙马溪组三角洲沉积的发现,表明雪峰隆起很可能在“龙马溪期中晚期”(即鲁丹期中晚期—埃隆期)就已形成,从而为重建扬子东南缘早志留世构造—古地理转型的时限与过程提供新的证据。特别是考虑到中上扬子大部分地区龙马溪组均以陆棚相泥页岩为主,难以直接反映构造—盆地演化过程,来自隆起边缘区的沉积证据就更加具有不可替代的重要意义。

5 结论与讨论

(1)通过露头沉积学研究与岩石学分析,首次在湘西北龙山—永顺地区下志留统龙马溪组中发现完整的三角洲沉积,包括前三角洲、三角洲前缘和三角洲平原三个亚相和10种微相,并与潮坪相沉积伴生。这一发现突破了以往对中上扬子地区龙马溪组沉积相的单一认识。

(2)岩石组构、沉积相标志、沉积微相组合与垂向序列特征均表明龙马溪组三角洲属于潮汐作用为主的破坏型三角洲。

(3)这一三角洲沉积的发现,可能表明“雪峰隆起”的形成时间是在龙马溪组沉积的中、晚期(即鲁丹期中晚期—埃隆期),早于前人普遍认为的小河坝期(埃隆期末—特列奇期早期)。而三角洲垂向序列所指示的沉积环境与相对海平面变化,进一步反映了隆起演化的阶段性。

(4)如对龙马溪组三角洲沉积物的组构、粒度、地化特征以及物源等开展进一步研究,并与靠近“雪峰隆起”的类似区域进行对比,应当能为探讨志留纪

“雪峰隆起”的形成演化乃至中上扬子东南缘隆盆耦合过程提供更多证据。

图版Ⅰ说明 前三角洲亚相(A-E)、三角洲平原亚相(F-J)沉积特征与岩石组构:A.灰黑色泥岩中的水平层理,龙马溪组近底部;B.泥页岩富产笔石化石,龙马溪组近底部;C.含云母的石英杂砂岩,成分—结构成熟度低,悬浮搬运组分为主,龙马溪组下部浊积岩,正交偏光,10×10;D.扁平状泥屑在层面上的特征,龙马溪组下部浊积岩;E.砂岩底面的重荷模构造,龙马溪组下部浊积岩;F、G.上平下凹的分流河道透镜状砂体,龙马溪组中、上部;H.粉砂岩中发育大量舌型流水波痕,龙马溪组中部;I.直脊型浪成波痕与干涉波痕,具双向或多向古流向,龙马溪组中、上部;J.分流间湾泥质沉积中的砂质条纹,由洪泛期流水带入,龙马溪组中、上部。

图版Ⅱ 三角洲前缘亚相沉积特征与岩石组构图版Ⅱ说明 A.前缘席状砂与暗色泥页岩韵律互层,龙马溪组下部;B.海水改造形成的较高成熟度砂岩,颗粒支撑结构,分选、磨圆较好,龙马溪组下部,正交偏光,20×10;C.小型交错层理,龙马溪组下部;D.石英砂岩与低能的暗色泥页岩高频韵律,显示海平面频繁波动,龙马溪组下部;E.成熟度较低的河口砂坝砂岩组构特征,龙马溪组中、下部,正交偏光,10×10;F.砂岩与下伏泥岩间的冲刷面,龙马溪组中、下部;G.远砂坝中的沙纹层理,龙马溪组下部;H.分流间湾泥岩发育大量透镜状层理,显示强烈的潮汐作用,龙马溪组中部;I.泥岩层面的水平虫迹,龙马溪组中、上部;J.发育低缓浪成波痕的薄席状砂岩,龙马溪组上部。

致谢 感谢成都地质矿产研究所许效松研究员关于华南构造—盆地转型演化问题的讨论与具体指导。

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