湖南省西部桑植地區(qū)棲霞期相對海平面變化

韋恒葉， 遇 昊， 郭 兵， 汪建國

(1.東華理工大學地球科學學院，江西 南昌 330013;2.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源重點實驗室，北京 100029;3.中國石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西 延安 716000)

中國南方揚子地區(qū)在中二疊世棲霞至茅口早期發(fā)育發(fā)育碳酸鹽緩坡(牟傳龍等，1997;秦建雄等，1998;陳洪德等，1999;徐強等，2004)。碳酸鹽巖緩坡地層的旋回性較為明顯，特別是湖南省桑植地區(qū)，棲霞組發(fā)育多個向上變淺的米級旋回，地層旋回性規(guī)律明顯。如此規(guī)律的疊加樣式一般受絕對海平面變化、沉降速率以及沉積產(chǎn)物的控制(Hardie et al.，1986;Crevello et al.，1989)。冰川和構造的旋回會引起相對海平面的變化，而相對海平面的變化是形成沉積旋回疊加樣式的主要因素(Goldhammer et al.，1990)。沉積地層的疊加樣式反映相對海平面的變化(Wilgus et al.，1988)。在棲霞期，中上揚子地區(qū)(包括研究區(qū))構造穩(wěn)定，沉積物的供應較為穩(wěn)定。因而，棲霞組層序地層的構成蘊含著相對海平面變化特征(Hesselbo，2008)。本文通過桑植地區(qū)棲霞組碳酸鹽巖旋回地層的分析，以及三級層序地層劃分結果(韋恒葉等，2011)，重構該區(qū)棲霞期相對海平面變化特征，并初步分析引起相對海平面變化的原因。

1 地質(zhì)背景

研究的野外露頭剖面位于湖南省西部桑植縣陳家河鎮(zhèn)夾石河305省道公路邊(坐標為北緯30°11'40″，東經(jīng) 109°28'22.2″)(圖 1)。剖面地層連續(xù)、受風化影響少，地層旋回性明顯(圖2)。在中二疊世棲霞至茅口早期，中上揚子地區(qū)(包括桑植地區(qū))位于熱帶-亞熱帶溫濕氣候區(qū)，構造穩(wěn)定，陸源碎屑供應少，發(fā)育北北東向傾斜的碳酸鹽緩坡臺地(牟傳龍等，1997;秦建雄等，1998;陳洪德等，1999;徐強等，2004)。碳酸鹽緩坡體系的盆地環(huán)境主要發(fā)育在贛湘桂裂陷盆地和鄂西臺內(nèi)盆地(馮增昭等，1997;Wang et al.，2000;周小進，2009)(圖3)。中二疊統(tǒng)棲霞組以不整合面風化殼鋁土巖與下伏上泥盆統(tǒng)黃家蹬組粉細砂巖相接觸。不整合面之上沉積了2 m厚的煤線陸源碎屑物，也即所謂的梁山段(圖4)。往上，棲霞-茅口組均為碳酸鹽巖。

圖1 剖面地理位置Fig1 Geographical location of the Sangzhi section.

圖2 桑植剖面野外總體面貌，地層旋回性明顯Fig.2 General view of Sangzhi section in the field，showing significant cyclicity

2 巖相及旋回地層特征

棲霞組以及茅口組下部巖性主要為生物碎屑石灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r以及鈣質(zhì)頁巖(圖4和5)。生物碎屑石灰?guī)r主要包括顆粒質(zhì)灰泥石灰?guī)r以及灰泥質(zhì)顆粒石灰?guī)r，為中層、厚層甚至塊狀，生物碎屑常見介形蟲、有孔蟲、苔蘚蟲、海百合、海星、腕足以及米齊藻、粗枝藻、裸松藻、二疊鈣藻等綠藻類。泥晶灰?guī)r一般呈灰色薄層至厚層狀，生物化石稀少。泥質(zhì)灰?guī)r一般呈薄層狀，深灰色的顏色說明其泥質(zhì)以及有機質(zhì)含量較高。鈣質(zhì)頁巖中反映水平層理的紋層狀沉積組構較為發(fā)育，一般為灰黑色至黑色，富含有機質(zhì)以及葉枝藻紅藻。野外觀察發(fā)現(xiàn)地層旋回性明顯。每一個旋回其巖性向上由鈣質(zhì)頁巖變?yōu)槟嗑Щ規(guī)r或生物碎屑石灰?guī)r，顏色由深變淺，泥質(zhì)含量逐漸降低，構成向上變淺的米級旋回性(圖4和5)，另一種米級旋回則是由泥晶灰?guī)r向上變?yōu)樯锼樾蓟規(guī)r(圖4)。這兩種米級旋回在地層中重復出現(xiàn)，構成了該區(qū)地層的韻律性。除了桑植地區(qū)，在中上揚子區(qū)的其它地區(qū)棲霞組均廣泛發(fā)育地層的韻律旋回(顏佳新等，1994;Wei et al.，2012)。野外研究層段總共可以識別出18個米級旋回，每個天旋回厚約2～15 m;而每5～8個米級旋回又組成一個大的旋回組(圖4)，每個旋回組厚約33～50 m。這三個旋回組在野外地形上表現(xiàn)為波浪起伏的特征(圖2)。這種結構的地層旋回性一般受地球軌道力驅(qū)動的海平面起伏變化的控制 (Goodwin et al.，1985;Read et al.，1986;Goldhammer et al.，1987，1990;Masetti et al.，1991;Chen et al.，2003)。這三個旋回組分別對應三個三級沉積層序S1、S2和S3。S2和S3層序主要由海侵體系域和高位體系域組成，其低位體系域不發(fā)育，未見水上暴露沉積標志，也即I型層序邊界不發(fā)育，層序邊界類型為II型。S1層序的底部發(fā)育不整合面風化殼鋁土巖，為I型層序邊界。

3 相對海平面變化及其控制因素

海侵體系域以及高位體系域記錄著相對海平面的上升和下降，通過旋回地層的分析，結合沉積相帶的變化以及巖相古水深分析(韋恒葉等，2011)，可以重構相對海平面變化曲線，如圖4所示。研究區(qū)目的層段由3個三級海平面變化旋回組成，每個三級海平面變化旋回上又包含有若干個四級海平面波動。以Jin et al.(1999)對中國二疊紀年代地層的劃分與對比為基礎，將桑植地區(qū)棲霞期相對海平面變化與二疊紀全球絕對海平面變化曲線(Ross et al.，1995)對比(圖 6)。Ross(1995)的曲線中，在早、中二疊世由若干個三級海平面變化旋回組成，總體表現(xiàn)為長期(二級)下降的趨勢，其中，在棲霞至茅口組下部沉積時期則包含有3個三級海平面變化旋回。該3個三級海平面變化旋回與桑植地區(qū)對應層段的三級海平面變化旋回具有良好的可比性(圖6)。均表現(xiàn)為前兩個三級海平面變化旋回時間相對較長，后一個旋回較短;每一個三級海平面變化旋回由快速的海平面上升以及緩慢的海平面下降半旋回組成;三級海平面變化旋回上包含有次一級的海平面波動。不同的是，Ross(1995)的曲線中，棲霞至茅口早期海平面最高點出現(xiàn)在第一個三級海平面變化旋回，也即棲霞早期，而桑植地區(qū)的海平面最高點出現(xiàn)在棲霞末期至茅口早期;Ross的三個三級旋回的海平面下降幅度基本上差不多，而桑植地區(qū)的第一個三級海平面變化旋回中的海平面下降幅度最大，這可能與我國發(fā)生在早二疊世的黔桂運動引起的地殼抬升有關。然而，總體上，桑植地區(qū)的三個三級旋回的變化周期以及變化特點與Ross和Ross的曲線極為相似，說明桑植地區(qū)棲霞期相對海平面變化反映全球海平面變化特點。

圖4 湖南西部桑植剖面巖性、旋回地層及相對海平面變化。S1，S2，S3:三級層序Fig.4 The lithostratigraphy，cyclestratigraphy and relative sea level of the Chihsian to lower Maokou Formation in Sangzhi section，western Hunan province.S1，S2，S3:third order sequence.

圖5 野外露頭中米級旋回特征Fig.5 Metre-scale cycle in the outcrop

圖6 湖南西部桑植剖面棲霞至茅口組下部(灰色層段)相對海平面變化與全球海平面變化對比Fig.6 Diagram of relative sea level change correlation with eustatic sea level chang of the Chihsian and lower Maokou Formation

相對海平面變化主要是是全球絕對海平面變化和沉降速率的綜合表現(xiàn)，這兩者均可以形成周期性海平面波動。被動大陸邊緣和臺地內(nèi)部的沉降速率緩慢(Schlager，1981)，沉降速率長期保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)(Bott，1982)。研究區(qū)屬于被動大陸邊緣碳酸鹽巖緩坡環(huán)境(牟傳龍等，1997;陳洪德等，1999)，沉積速率穩(wěn)定，僅靠長期的沉降不可能形成如此顯著的旋回性地層，其相對海平面的變化最有可能是受到該時期全球海平面變化的控制。而棲霞期全球海平面的波動可能與晚古生代冰室氣候中冰期與間冰期的交替出現(xiàn)有關。早、中二疊世屬于晚古生代冰室氣候時期，F(xiàn)ielding et al.(2008a)將早中二疊世劃分出4個冰期，分別為G1(299～291 Ma)、G2(287～280 Ma)、G3(273～268 Ma)以及G4(267～260 Ma)冰期(圖6)。G1是晚古生代冰室氣候最大的冰期，G2冰期冰川則廣泛發(fā)育于Pangea聯(lián)合古陸的岡瓦納大陸。G1和G2冰川覆蓋極地以及溫帶地區(qū)，甚至到達亞熱帶邊緣(Ziegler et al.，1997)。而G3和G4是晚古生代冰期減弱時期，大部分岡瓦納冰川消失，只在局部地區(qū)如澳大利亞東部以及西伯利亞地區(qū)出現(xiàn)(Chumakov，1994;Isbell et al.，2008;Fielding et al.，2008a，2008b)。這四個冰期極有可能是控制二疊紀全球海平面變化的主要因素。在中二疊世，棲霞至茅口早期包括G3冰期和G4冰期早期(圖6)。梁山段的含煤沉積反映溫暖潮濕氣候條件，與G2與G3之間的間冰期相對應，海平面處于快速上升時期。S1層序上部和S2層序上部的海平面下降都處在G3冰期范圍內(nèi)。G3冰期冰川體積隨氣候的周期性變化很可能是造成桑植地區(qū)棲霞期相對海平面變化的主要因素。G3和G4冰期之間的間冰期是全球海平面快速上升時期，密集的洋流上涌帶來了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，沉積了棲霞組頂部以及茅口組底部的深灰色至灰黑色富含硅質(zhì)結核和磷質(zhì)結核的薄層狀富有機質(zhì)的泥質(zhì)灰?guī)r。因此，該區(qū)棲霞期三級海平面變化旋回主要受冰期-間冰期旋回的影響，反映二疊紀岡瓦納大陸百萬年級別的氣候變化(Chumakov，1994;Osterloff et al.，2004;Raymond et al.，2004;Trosdtorf et al.，2005;Caputo et al.，2008;Fielding et al.，2008b;Henry et al.，2008;Isbell et al.，2008a，b;Martin et al.，2008;Mory et al.，2008;Stollhofen et al.，2008)。

4 結論

桑植地區(qū)棲霞組至茅口組下部地層由多個向上變淺的米級旋回組成，而米級旋回又組成三個更長周期的旋回組，分別組成三個三級沉積層序S1、S2和S3。以地層旋回分析為基礎重構出三個三級相對海平面變化曲線。將該曲線與全球海平面變化曲線對比研究發(fā)現(xiàn)，兩者有相同的變化趨勢，具有良好的可比性，說明桑植地區(qū)棲霞至茅口早期的相對海平面變化極有可能反映的是全球海平面變化的特點。將海平面變化與Fielding等(2008)劃分的冰期-間冰期旋回比對，發(fā)現(xiàn)棲霞早期和末期分別對應著兩個不同的間冰期，棲霞中期和茅口早中期分別對應不同的冰期。說明，該區(qū)三級相對海平面變化旋回主要受冰期-間冰期旋回的影響，反映二疊紀岡瓦納大陸百萬年級別的氣候變化。

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