中上揚(yáng)子晚奧陶世赫南特期巖相古地理

劉 偉 許效松 余 謙 閆劍飛 門玉澎 張海全

（成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，成都610082）

中上揚(yáng)子地區(qū)奧陶紀(jì)沉積與巖相古地理研究，前人成果豐碩［1－6］。近年來，針對(duì)晚奧陶世赫南特期的年代地層、生物地層、地球化學(xué)等研究資料豐富，已取得重要進(jìn)展［7－16］。大量相關(guān)研究的開展，為進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)赫南特期沉積與巖相古地理奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

赫南特階是奧陶系最頂部的一個(gè)地層單位，包括Normalograptus extraordinarius帶和N.persculptus帶，時(shí)限約2.0Ma［17］。

該時(shí)期是全球氣候劇烈變化的地史時(shí)期之一。全球性的氣候變冷事件中，岡瓦納古陸極地冰蓋分布于現(xiàn)今的非洲、南美洲、阿拉伯半島及歐洲部分地區(qū)，經(jīng)歷了2期冰蓋擴(kuò)張與消融并保留有消融期的沉積記錄——冰磧巖。揚(yáng)子陸塊處于低緯度地區(qū)［18，19］。典型沉積是觀音橋組灰色、灰黑色泥灰?guī)r及鈣質(zhì)泥巖，富產(chǎn)全球廣泛分布的赫南特動(dòng)物群，即Hirnantia－Dalmanitina動(dòng)物群，無冰磧巖沉積，但有機(jī)碳同位素（δ13Corg）正偏移現(xiàn)象具有全球可對(duì)比性，可與勞倫、波羅的、西伯利亞等陸塊進(jìn)行對(duì)比［11，20－23］。冰蓋擴(kuò)張導(dǎo)致全球海平面快速下降，高峰時(shí)期海平面下降幅度50～100m之間［24］。在此背景下，出現(xiàn)了觀音橋組赫南特動(dòng)物群的短暫繁榮，其物種的多樣性及個(gè)體密度在觀音橋組呈上升趨勢(shì)，含氧量和生物擾動(dòng)強(qiáng)度也呈增加的趨勢(shì)［25］。

隨著觀音橋組資料的不斷補(bǔ)充完善，目前已證實(shí)康滇古陸東側(cè)及黔中－武陵古隆起北側(cè)邊緣斷續(xù)帶狀分布有單體珊瑚及海百合莖化石，對(duì)應(yīng)缺少泥質(zhì)的粉－細(xì)晶灰?guī)r。適宜珊瑚及海百合棲息的水體環(huán)境較殼相生物更嚴(yán)苛，水體更為清潔，進(jìn)而為古地理恢復(fù)提供了新的線索。本文結(jié)合野外工作及資料搜集整理，從奧陶系五峰組－觀音橋組主要巖性、沉積構(gòu)造、生物組合及區(qū)域分布入手，探討赫南特期古地理格局，以期能將相關(guān)研究引向深入。

2 沉積相劃分

中上揚(yáng)子地區(qū)，赫南特階由下而上主要包括五峰組上部N.extraordinarius帶頁巖、觀音橋組及龍馬溪組底部N.persculptus帶頁巖，其中龍馬溪組底部N.persculptus帶筆石頁巖屬于志留紀(jì)海侵初期沉積，地層厚度一般僅數(shù)十厘米，因而不作為赫南特階的優(yōu)勢(shì)巖相，本文不作討論。

區(qū)域研究表明，揚(yáng)子沉積區(qū)受漢南古陸、康滇古陸、川中古隆起、黔中－武陵古隆起的圍限，顯示半局限陸表海格局。沉積區(qū)主要?jiǎng)澐譃槌逼合嗪蜏\海陸棚相（圖1）。

潮坪相區(qū)，赫南特階由下而上包括五峰組上部N.extraordinarius帶頁巖及觀音橋組炭泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖。觀音橋組巖石中普遍含泥質(zhì)較高，底棲生物繁盛。生物以腕足、瓣鰓、三葉蟲為主，個(gè)體完整，局部呈現(xiàn)介殼生物層。相對(duì)清潔的水體中有海百合、單體珊瑚棲息，淺灘化過程中，海水變渾濁或擾動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致海百合、珊瑚從短暫繁盛至快速死亡。這樣，由潮下帶向淺灘演化，觀音橋組巖性向含泥質(zhì)較少的生物碎屑灰?guī)r、礫屑灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r等顆?；?guī)r轉(zhuǎn)變。古陸邊緣沉積物中出現(xiàn)陸源碎屑礦物，伴有生物遺跡，顯示低能的碎屑潮坪環(huán)境。

淺海陸棚相，赫南特階主要為五峰組N.extraordinarius帶炭質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖及含放射蟲硅質(zhì)巖，硅質(zhì)含量普遍較高。水體寧靜且不適宜赫南特貝等底棲生物生活，缺失觀音橋組。五峰組與上覆龍馬溪組炭質(zhì)筆石頁巖界線平整，常夾數(shù)厘米鐵質(zhì)黏土層，野外容易辨識(shí)。

淺水區(qū)首先發(fā)育適合赫南特動(dòng)物群的棲息地，盆地中的較深水域隨著全球海平面的下降，才逐漸形成適合該動(dòng)物群棲息的古環(huán)境［10］。在此過程中，淺海陸棚向潮坪過渡；潮坪相區(qū)，潮下灰泥質(zhì)沉積向內(nèi)碎屑淺灘或碎屑潮坪過渡。

3 沉積相時(shí)空展布特征

統(tǒng)計(jì)表明，川中古隆起－黔中古隆起－康滇古陸之間、黃陵背斜－神農(nóng)架、重慶城口、鄂東南宋溪等沉積區(qū)總體為潮下低能帶，觀音橋組厚度一般數(shù)十厘米，生物組合為腕足－三葉蟲；上揚(yáng)子北部－中揚(yáng)子大部地區(qū)、上揚(yáng)子西部洪雅－康定等地為淺海陸棚，主要為五峰組上部炭硅質(zhì)泥巖，生物組合以筆石為主，局部地區(qū)見放射蟲及海綿骨針。古陸與古隆起邊部發(fā)育礁灘，厚度可達(dá)數(shù)米不等，生物組合除腕足、三葉蟲外，尚見單體珊瑚、海百合、頭足、藻等，如圖2所示。

圖1 中上揚(yáng)子赫南特階地層對(duì)比（左）及觀音橋組腕足生物層（右）Fig.1 Strata correlation for Hirnantian Stage in the middle－upper Yangtze area and brachiopoda－biostromes in Guanyinqiao Formation

3.1 內(nèi)碎屑灘與陸源碎屑灘

潮下帶向內(nèi)碎屑淺灘或陸源碎屑灘的過渡，主要發(fā)生于古陸與古隆起邊部淺水沉積區(qū)。目前可查證的資料中，以黔中古隆起北側(cè)內(nèi)碎屑淺灘、漢南古陸南側(cè)砂灘保留較為清楚。

3.1.1 黔中古隆起北側(cè)內(nèi)碎屑灘

內(nèi)碎屑淺灘主要分布于貴州省畢節(jié)－仁懷－桐梓－湄潭－重慶秀山等地，巖性以生物碎屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，厚度一般數(shù)米。局部地區(qū)，如鳳岡硐卡拉觀音橋組厚度可達(dá)11.5m，由灰色中厚層鮞粒灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r組成，指示中－高能淺灘環(huán)境［26］。由剖面向東南200m則減薄為1～2m灰色中厚層砂質(zhì)灰?guī)r，向北至觀音塘也減薄為0.5m生物碎屑灰?guī)r，表明內(nèi)碎屑淺灘的規(guī)模不大，可能成點(diǎn)狀出現(xiàn)，形成東西向斷續(xù)帶狀分布。

石阡雷家屯、本莊、武隆興隆場(chǎng)等地，觀音橋組與下伏澗草溝組、上覆龍馬溪組之間存在暴露沉積間斷，并有微弱的侵蝕，證實(shí)缺失了五峰組［26，27］。這樣，海平面總體下降的背景下，該地區(qū)觀音橋組向古隆起一側(cè)小幅上超造成缺失五峰組黑色頁巖。海平面下降的背景下局部地區(qū)構(gòu)造沉降可能為形成的原因。

生物方面，除腕足、三葉蟲，甘洛、畢節(jié)、仁懷、桐梓、綏陽、石阡等地還先后發(fā)現(xiàn)豐富單體四射珊瑚［9，16，28］，隆起邊緣內(nèi)碎屑灘內(nèi)產(chǎn)出，盆內(nèi)則鮮有發(fā)現(xiàn)。對(duì)現(xiàn)代珊瑚礁調(diào)查表明，形成非礁型珊瑚群聚主要受如下條件限制：造礁珊瑚種類少；水溫低，造礁作用弱；侵蝕作用強(qiáng)烈；海水濁度高、亮度不足等［29］。赫南特期寒冷的氣候背景下，珊瑚種類及造礁作用都會(huì)產(chǎn)生影響，觀音橋組四射珊瑚總計(jì)18屬39種，遠(yuǎn)不及早志留世的98屬［15］。潮下帶巖石普遍含泥質(zhì)較高，也是不利于珊瑚廣泛生活繁衍的因素。

3.1.2 漢南古陸南側(cè)陸源碎屑灘

漢南古陸作為揚(yáng)子北部的主要物源區(qū)，向沉積區(qū)提供了相對(duì)豐富的陸源碎屑，代表了砂質(zhì)邊緣相沉積。南鄭福成觀音橋組厚0.27m，巖性為黑色薄層細(xì)砂巖、炭泥質(zhì)粉砂巖，管狀生物遺跡豐富，頂部灰白色中粒石英砂巖［30］，西側(cè)南江沙灘頂部也見石英砂巖。砂質(zhì)沉積物在深水區(qū)迅速尖滅，西南側(cè)旺蒼雙匯五峰組頂部薄層含放射蟲硅質(zhì)巖與龍馬溪組含粉砂炭質(zhì)頁巖接觸，缺失觀音橋組沉積物（圖3－A，B）。

3.2 生物礁

上揚(yáng)子西部四川漢源、洪雅等地原地生物礁發(fā)育，在揚(yáng)子區(qū)比較特殊［31］。該地區(qū)西鄰巴顏喀拉海，屬開闊沉積環(huán)境。含氧量、養(yǎng)料及水體的清潔度等綜合條件較好，滿足了生物繁盛的條件。

圖2 觀音橋組生物面貌及厚度等值線圖Fig.2 Biological assemblage and the sedimentary thickness isoline of Guanyinqiao Formation

圖3 淺海陸棚相典型剖面證實(shí)缺失觀音橋組沉積Fig.3 Typical sections showing no deposits in Guanyinqiao Formation in deep－water shelf facies

漢源轎頂山觀音橋組開闊臺(tái)地相淺灰、灰及深灰色泥晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r夾砂、頁巖。泥晶灰?guī)r中含較多原地生長的珊瑚、腕足等化石，砂巖具小型交錯(cuò)層理及沙紋層理。轎頂山、大瓦山等地發(fā)育臺(tái)緣藻礁。礁體類型主要為點(diǎn)礁和小環(huán)礁，規(guī)模為20m至數(shù)百米，最小僅2m。相鄰深水陸棚相（以洪雅老礦山為例），五峰組黑灰色薄層－條帶狀硅質(zhì)巖、硅質(zhì)白云巖、含錳灰?guī)r，厚10～50m，富含硅質(zhì)放射蟲和海綿骨針。上覆龍馬溪組黑色筆石頁巖，但觀音橋組不發(fā)育。

除此，該地區(qū)現(xiàn)今處于康滇古陸與川中古隆起間的狹窄水道中，可能為后期構(gòu)造擠壓造成距離縮短。

3.3 泥質(zhì)潮下帶

主要指川南－黔北及中揚(yáng)子潮下低能帶沉積。

川南－黔北沉積區(qū)，以重慶綦江觀音橋剖面為代表。觀音橋組厚度為0.3～0.7m，巖性為灰黑色含炭質(zhì)灰?guī)r夾黑色炭質(zhì)條紋。剖面下部黑色炭泥質(zhì)灰?guī)r筆石與腕足混生，常含星點(diǎn)狀黃鐵礦；上部有豐富的腕足化石，與龍馬溪組界線平整。中揚(yáng)子沉積區(qū)以黃陵背斜周緣出露區(qū)研究較為深入，并建立了全球赫南特階底界層型剖面［11，32］。觀音橋組富泥質(zhì)灰?guī)r中零星可見粉砂級(jí)石英碎屑，表明黃陵背斜－神農(nóng)架（或局部）可能存在短暫的暴露。

3.4 淺海陸棚

旺蒼雙匯、來鳳三堡嶺［13］、洪雅老礦山［31］等剖面已表明淺海陸棚相未見典型觀音橋組沉積。五峰組上部富硅質(zhì)巖石代表了這些地區(qū)赫南特階的優(yōu)勢(shì)巖相。局部地區(qū)發(fā)現(xiàn)界線處存在厚度不等的鐵質(zhì)黏土層，如貴州石阡、重慶巫溪、陜西西鄉(xiāng)［33］、湖北恩施、利川及鐘祥等地（圖3－C，D）。

4 古地理格局與沉積演化

4.1 凱迪期晚期古地理格局（沉積基座）

晚奧陶世凱迪期晚期，對(duì)應(yīng)巖石地層主要為五峰組下部頁巖。五峰組頁巖（下部）可細(xì)分出3類巖性組合，代表不同沉積環(huán)境。（1）炭質(zhì)泥巖－硅質(zhì)泥巖－硅質(zhì)巖組合（包括含放射蟲硅質(zhì)巖），主要分布于上揚(yáng)子北部－中揚(yáng)子大部地區(qū)及上揚(yáng)子西緣四川雷波－漢源等地，所在區(qū)域是揚(yáng)子克拉通的淺海陸棚深水相區(qū)。出現(xiàn)硅質(zhì)沉積及放射蟲，說明揚(yáng)子陸表海與外海良好的連通性［34］。（2）炭質(zhì)泥巖－粉砂質(zhì)泥巖組合，主要分布于川中古隆起與黔中古隆起間的淺海陸棚淺水相區(qū)。（3）含鈣質(zhì)粉砂巖－鈣質(zhì)泥巖組合，分布區(qū)域狹小，僅限黔中古隆起－康滇古陸北側(cè)近岸邊緣相區(qū)，屬低能潮坪。平面上，由（3）→（2）→（1）組合的過渡，反映出遠(yuǎn)離陸地、水體加深的趨勢(shì)，總體表現(xiàn)出揚(yáng)子局限海水域西淺東深的格局（圖4）。

4.2 赫南特期古地理格局與沉積演化

赫南特期延續(xù)了凱迪期晚期半局限海沉積格局。隨著海平面下降，淺水沉積區(qū)面積略有擴(kuò)大（圖5）。

圖4 中上揚(yáng)子凱迪期晚期半局限海沉積格局Fig.4 Semi－restricted sea depositional pattern in the middle and upper Yangtze region in the late Katian of Late Ordovician

圖5 中上揚(yáng)子赫南特期半局限海沉積格局Fig.5 Semi－restricted sea depositional pattern in the middle and upper Yangtze region in Hirnantian of the Late Ordovician

區(qū)域上，上揚(yáng)子北部－中揚(yáng)子大部地區(qū)、上揚(yáng)子西部洪雅－康定等地總體繼承了凱迪期晚期基座的深水環(huán)境。隨著海平面降至最低，這些沉積區(qū)仍然不適宜赫南特動(dòng)物群棲息，僅有黃陵背斜－神農(nóng)架地區(qū)、重慶城口地區(qū)、鄂東南宋溪等地，沉積相由淺海陸棚相→潮下帶（或淺灘）變遷，沉積了觀音橋組殼相泥灰?guī)r。

川中古隆起－黔中古隆起－康滇古陸間的潮坪沉積區(qū)，多數(shù)剖面顯示炭泥質(zhì)灰?guī)r并未向淺灘高能環(huán)境變遷。觀音橋組相對(duì)高能的淺灘相沉積，如粉細(xì)晶灰?guī)r、礁灰?guī)r、含珊瑚灰?guī)r、礫屑灰?guī)r等，主要分布于黔中隆起北側(cè)邊緣，呈東西向展布的狹長區(qū)帶，大致對(duì)應(yīng)地層厚度高值區(qū)。相帶內(nèi)顆?；?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖，表明海平面的下降過程為多個(gè)短期變淺旋回的疊加。除此，淺水陸棚相區(qū)局部可能存在相對(duì)低洼的地帶，缺失觀音橋組。

漢南古陸向沉積區(qū)提供了較多粉－細(xì)粒石英碎屑，但厚度較?。豢档峁抨憱|側(cè)邊緣沉積區(qū)含粉砂，鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)。這些特征表明邊緣相總體為低能水體環(huán)境，并暗示了穩(wěn)定的構(gòu)造背景。

隨著海平面逐漸下降至最低位，古隆起、古陸面積呈擴(kuò)大的趨勢(shì)。局部地區(qū)地層接觸關(guān)系為龍馬溪組與臨湘組或?qū)毸M接觸，因而推測(cè)海平面下降末期存在短暫的暴露區(qū)或剝蝕區(qū)。如圖5，可識(shí)別出湖北五峰、漢南古陸邊緣地區(qū)。根據(jù)區(qū)域沉積演化，推測(cè)赫南特末期黃陵背斜－神農(nóng)架、贛西北修水地區(qū)也存在小范圍的暴露區(qū)或剝蝕區(qū)。

5 結(jié)論

綜上，赫南特期延續(xù)了凱迪期晚期半局限海沉積格局，淺水沉積區(qū)面積呈擴(kuò)大的趨勢(shì)。觀音橋組主要代表了潮坪相的內(nèi)碎屑淺灘及潮下低能帶沉積，淺海陸棚相區(qū)相變?yōu)槲宸褰M上部富硅質(zhì)沉積。內(nèi)碎屑淺灘及陸地邊緣砂灘，生物易受水體攪動(dòng)或波浪改造而破碎殘缺，且分布面積狹小。川南－黔北及中揚(yáng)子潮下帶水體寧靜，觀音橋組腕足生物（層）個(gè)體完整，代表了原地或近原地保存狀態(tài)。

晚奧陶世赫南特期處于早古生代重要的構(gòu)造轉(zhuǎn)換時(shí)期。揚(yáng)子陸塊與華夏陸塊的俯沖碰撞，使陸塊邊緣形成了一些帶狀隆起區(qū)，如黔中－武陵古隆起（或稱之為都勻運(yùn)動(dòng)），揚(yáng)子主體沉積區(qū)成為隆后盆地。在此背景下，隆后盆地具不斷沉降的演化趨勢(shì)，導(dǎo)致局部出現(xiàn)小范圍相對(duì)海平面上升（如貴州湄潭地區(qū)）；但從剖面沉積序列特征、古地理格局變遷來看，赫南特期無疑反映了海平面的下降過程。由此看來，短時(shí)期內(nèi)冰蓋的擴(kuò)張與消融對(duì)海平面升降變化起到了主要控制作用。冰磧巖是冰蓋消融的沉積記錄，而富產(chǎn)赫南特動(dòng)物群的觀音橋組是冰蓋擴(kuò)張的沉積記錄，為該特殊地史時(shí)期的事件沉積。

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