四川宣漢七里峽T3x/T2l界線沉積環(huán)境演化分析①

魯 寧 謝小平 王永棟 李麗琴

(1.曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院 山東日照 276826;2.中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所 南京 210008;3.中國科學(xué)院資源地層學(xué)與古地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210008;4.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

四川盆地地處中國大陸西南，范圍在(28～32°N，103～108°E)之間，包括四川省的東部和重慶市的大部(圖1)。四川盆地發(fā)育有完整連續(xù)的晚震旦紀(jì)到第四紀(jì)的海相和陸相地層序列，出露一系列重要地質(zhì)界線，特別是區(qū)內(nèi)中—晚三疊世之交的海陸過渡相地層極為發(fā)育，保存了多條經(jīng)典地層剖面，在區(qū)域地層對(duì)比、古環(huán)境重建以及油氣資源勘探等相關(guān)研究中具有十分重要的參考價(jià)值［1］。

圖1 四川盆地三疊系—侏羅系地層分布及研究區(qū)宣漢七里峽剖面位置簡(jiǎn)圖Fig.1 Distribution of the Triassic and Jurassic deposits in the Sichuan Basin and the location of Qilixia Section in Xuanhan

三疊系歷來是四川盆地中生代地層研究的重點(diǎn)之一。最近幾十年來，隨著研究工作的不斷深入，論述四川盆地中—上三疊統(tǒng)界線以及小塘子組、馬鞍塘組和須家河組等過渡相地層層序劃分、古植物與孢粉、沉積相與沉積旋回等研究成果不斷發(fā)表［2-14］，為區(qū)域性和全球性的陸相地層對(duì)比和油氣資源勘探等方面提供了重要參考。2010年，王永棟等人編著的《四川盆地陸相三疊系與侏羅系》一書對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)［15］。

值得指出的是，由于受盆地構(gòu)造演化的控制，四川盆地下—中三疊統(tǒng)為典型的海相地層，上三疊統(tǒng)則以陸相地層為主［15］。因此，區(qū)內(nèi)的三疊系地層通常被分為海陸兩部分分別進(jìn)行研究［15］。在晚三疊世陸相地層及相關(guān)領(lǐng)域的研究方面，國內(nèi)沉積學(xué)研究者對(duì)須家河組地層的聚煤特征和勘探意義關(guān)注度較高［6-7］，有力促進(jìn)了四川盆地煤田和油氣資源地質(zhì)勘探工作的進(jìn)一步深入開展;但是對(duì)中—晚三疊世之交及其晚三疊世的環(huán)境變化、地質(zhì)事件等研究進(jìn)展較為局限。尤其是對(duì)于中—上三疊統(tǒng)界線處的沉積學(xué)研究，包括印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期的海平面升降、古地理環(huán)境演化、生物群落演替等內(nèi)容關(guān)注較少。

近年來，筆者等對(duì)于四川盆地三疊—侏羅紀(jì)轉(zhuǎn)換時(shí)期陸地生物多樣性變化和古環(huán)境演變開展了多學(xué)科的專題研究，包括地層序列和代表性剖面、孢粉組合以及孢粉植物群和古植物等①Li L Q，Wang Y D ，Liu Z S，et al.Late Triassic palaeoclimate and palaeoecosystem variations inferredby palynological record in the northeastern Sichuan Basin，China.Pal?ontologische Zeitschrift，2015.(in press)，［14-17］。本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外實(shí)測(cè)和室內(nèi)分析，重點(diǎn)對(duì)宣漢七里峽剖面中三疊統(tǒng)雷口坡組與上三疊統(tǒng)須家河組界線處(圖2)地層進(jìn)行沉積相及沉積環(huán)境演化方面的研究，以期為區(qū)域地層對(duì)比和古環(huán)境重建以及古氣候變化研究等提供參考。

1 研究區(qū)概況及剖面描述

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖2 四川宣漢七里剖面及其中—上三疊統(tǒng)界線A.剖面概貌;B.中—上三疊統(tǒng)界線(T2l:中三疊統(tǒng)雷口坡組，T3x:上三疊統(tǒng)須家河組)Fig.2 The Qilixia Section and the Middle-Upper Triassic boundary in Xuanhan of the Sichuan Basin.A.General view of the strata sequence;B.The Middle Triassic(T2l)and Upper Triassic(T3x)boundary

四川盆地的地質(zhì)構(gòu)造格局主要受北東—南西向及北西向兩條構(gòu)造線控制，整體呈現(xiàn)為自東北至西南的不規(guī)則菱形。在大地構(gòu)造上作為上揚(yáng)子地臺(tái)一部分的四川盆地，自晉寧運(yùn)動(dòng)后便進(jìn)入了穩(wěn)定型地臺(tái)建造期，震旦紀(jì)晚期至中三疊世發(fā)育了廣闊的海相碳酸鹽沉積;始于中三疊世拉丁期的印支早幕運(yùn)動(dòng)促成了瀘州—開江古隆起的抬升，結(jié)束了區(qū)內(nèi)大規(guī)模海域分布的歷史，導(dǎo)致了中下三疊統(tǒng)地層的剝蝕，除了瀘州地區(qū)尚有嘉陵江組殘留外，盆地其余大部分地區(qū)的上三疊統(tǒng)須家河組地層與中三疊統(tǒng)雷口坡組接觸，僅在盆地西緣有中三疊統(tǒng)上部天井山組和上三疊統(tǒng)下部的馬鞍塘組、垮洪洞組分布［18］。

在盆地中部、東部以及南部地區(qū)，上三疊統(tǒng)須家河組地層普遍假整合于殘留不全的中三疊統(tǒng)雷口坡組地層之上(表1)，以合川、廣元、宣漢、達(dá)川、開江等剖面上較為典型。位于四川宣漢七里鄉(xiāng)宣漢至開江公路界牌(31°11'50″N，107°44'37″E;海拔 421 m)附近的宣漢七里峽剖面發(fā)育良好，出露完整連續(xù)且層序清晰，動(dòng)植物化石豐富，無大的斷裂構(gòu)造，是較為理想的研究剖面。

宣漢七里峽上三疊統(tǒng)須家河組是一套含煤碎屑巖系，根據(jù)巖性、巖相和生物組合，可進(jìn)一步劃分為兩個(gè)亞組七個(gè)巖性段［19］(表1)。其中須一段相當(dāng)于諾利階—瑞替階界線［20］，本文重點(diǎn)研究須一段與中三疊統(tǒng)雷口坡組界線處地層。

1.2 地層剖面描述

剖面位于四川宣漢縣川東八面山隔擋式褶皺帶峨層山背斜北段七里峽峽谷的宣(漢)開(江)公路旁，地層出露完整連續(xù)且層序清晰，一至七段均有出露。根據(jù)野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合前人工作成果［5，15，22］，該剖面須家河組一段地層層序如下(圖3，4):

1.3 剖面孢粉學(xué)研究

須一段采集孢粉化石樣品四個(gè)，編號(hào)依次為QLX-1，QLX-2，QLX-3，QLX-4。對(duì)孢粉化石樣本進(jìn)行分析，其中QLX-4號(hào)樣品不含孢粉化石，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

2 沉積相分析

2.1 巖石類型

表1 四川盆地上三疊統(tǒng)地層劃分方案Table 1 Division and correlation of the Late Triassic strata in the Sichuan Basin

研究剖面的巖石類型以深灰—黑色泥頁巖為主，砂質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖較少，不含礫巖沉積。其中泥頁巖類約占剖面厚度的94.4%，砂質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖約占5.6%。泥頁巖主要是炭質(zhì)泥頁巖，約占剖面厚度的62.3%，而炭質(zhì)泥頁巖一般是湖泊沼澤、海濱沼澤產(chǎn)物;剖面近底部發(fā)育一層鈣質(zhì)泥巖，結(jié)合剖面整體巖性，應(yīng)為海洋、澙湖產(chǎn)物。碳酸鹽巖主要以菱鐵礦結(jié)核條帶狀或透鏡狀產(chǎn)出，僅占研究剖面厚度0.6%左右。

圖3 中三疊統(tǒng)雷口坡組和上三疊統(tǒng)須家河組一段部分沉積特征及化石A.中三疊統(tǒng)雷口坡組白云巖的刀砍狀構(gòu)造;B.植物根系化石;C.植物葉片化石;D.泥裂構(gòu)造Fig.3 Sedimentary characteristics and fossils in the Middle Triassic Leikoupo Formation and the 1stmember of the Upper Triassic Xujiahe Formation of the Qilixia Section，Xuhan，Sichuan

表2 四川宣漢七里峽上三疊統(tǒng)須家河組一段孢粉化石及其特征Table 2 Spore and Pollen fossilsfrom the 1stmember of the Upper Triassic Xujiahe Formation in Qilixia，Xuhan，Sichuan

2.2 沉積相標(biāo)志

2.2.1 顏色

沉積巖的顏色是由沉積巖中色素所決定的直觀而顯著的標(biāo)志，并與沉積環(huán)境條件密切相關(guān)。研究剖面沉積巖顏色主要以灰、深灰和黑色為主，主要因其有機(jī)質(zhì)(炭質(zhì))含量較高，而炭質(zhì)則與沼澤環(huán)境有關(guān)，結(jié)合其物質(zhì)組成，說明當(dāng)時(shí)應(yīng)為濕潤(rùn)氣候條件下的還原性沉積環(huán)境。

圖4 四川宣漢七里峽上三疊統(tǒng)須家河組一段巖性及沉積相綜合柱狀圖Fig.4 Generalized column of the lithologic section and sedimentary facies for the 1stmember of the Upper Triassic Xujiahe Formation of the Qilixia Section，Xuhan，Sichuan

2.2.2 構(gòu)造

沉積巖的構(gòu)造是反映沉積巖生成存在條件的重要特征之一，按其成因可分為機(jī)械構(gòu)造、化學(xué)構(gòu)造和生物構(gòu)造。在沉積作用為主的過程中形成的層理和層面構(gòu)造等機(jī)械成因構(gòu)造是水動(dòng)力條件的物質(zhì)表現(xiàn)，在古環(huán)境重建中具有十分重要的意義［23］。

(1)層理，研究剖面主要表現(xiàn)出塊狀層理和水平層理。

塊狀層理是在平靜水體(Fr＜＜1)中單一物質(zhì)垂向加積或粗碎屑未經(jīng)分選而快速堆積的結(jié)果，常見于泥質(zhì)巖層和砂巖層中。見塊狀層理泥質(zhì)巖層表征澙湖、湖泊、前三角洲等環(huán)境，見塊狀層理砂巖層則表征河口砂壩、河流等環(huán)境［24］。研究剖面塊狀層理主要由根土巖產(chǎn)出，并含有大量植物化石碎片，應(yīng)為澙湖—沼澤環(huán)境。

水平層理是在Fr＜＜＜1的極微弱水動(dòng)力條件或者靜水環(huán)境中，細(xì)碎屑物質(zhì)低速下落垂向加積而成的毫米級(jí)細(xì)層，呈直線型相互平行，連續(xù)或斷續(xù)狀［24］。研究剖面主要因其有機(jī)質(zhì)含量、粒度大小的不同表現(xiàn)出水平紋層，巖性主要是泥巖和頁巖，層面含較多植物化石碎片。

(2)層面構(gòu)造，研究剖面主要表現(xiàn)出泥裂。

泥裂是沉積物在未充分固結(jié)的情況下露出水面，因水分快速蒸發(fā)而干涸開裂時(shí)所形成的裂縫狀構(gòu)造。常見于泥巖、粉砂巖以及碳酸鹽巖中，表征大陸和濱海環(huán)境，特別是河漫灘、潮汐坪地和淺灘。代表沉積物露出水面的重要特征。

2.2.3 古生物及聚煤特征

生物的生存、演化和易受環(huán)境因素的影響，因而古生物化石與聚煤特征可以作為古環(huán)境溫度和濕度的有效指標(biāo)。

研究剖面的晚三疊世須家河組產(chǎn)豐富的植物化石和孢粉化石。其中須家河組第一段的植物化石類型較少，主要是有節(jié)類 Equisetites，Neocalamites、真蕨類Cladophlebis，以及蘇鐵類和松柏類等。以有節(jié)類和真蕨類為主，代表潮濕到半潮濕氣候;雙扇蕨科、馬通蕨科及蘇鐵類繁盛又反映氣候溫暖，屬于熱帶、亞熱帶型的氣候［6］。孢粉數(shù)據(jù)表明，研究剖面須一段以蕨類植物孢子數(shù)量最多，其次是裸子植物花粉，并含有少量苔蘚類植物孢子及藻類化石。蕨類植物孢子主要是雙扇蕨科孢子;裸子植物花粉主要是松柏類及蘇鐵類。這樣的孢粉組合表征的植被面貌屬于熱帶—亞熱帶植被類型［17-18，25］。

泥炭的堆積和保存需要足夠高的水位以覆蓋正在腐爛的植物并防止其被氧化，同時(shí)水位又要足夠的低以確?；钪闹参锊槐谎蜎]死亡。煤層的厚度受可容空間增加速率與泥炭堆積速率的控制［26］。研究剖面含煤性差，煤層以薄煤層或煤線狀產(chǎn)出，富含菱鐵礦結(jié)核，不具工業(yè)開采價(jià)值，說明陸源碎屑物質(zhì)供給足以破壞聚煤作用所依賴的還原環(huán)境。同時(shí)，多層薄煤層的形成也說明研究剖面沉積時(shí)期經(jīng)歷了水平面的多次升降，但氣候總體上還是較為濕熱。

2.2.4 包體類型及意義

研究剖面中所含包裹體主要是菱鐵礦、石膏和鈣質(zhì)結(jié)核。

菱鐵礦一般在陸源碎屑物質(zhì)較少而生物產(chǎn)率較高的淺?；螓}度正常的澙湖中生成［27］，多以結(jié)核狀、薄層狀產(chǎn)出于沉積巖，特別是煤系地層的泥質(zhì)與粉砂質(zhì)巖層中。研究剖面的菱鐵礦以薄層條帶狀產(chǎn)出，分帶特征明顯，據(jù)此可知應(yīng)具有一定水深條件。

石膏一般是高濃度鹵水中沉淀的原生硫酸鈣礦物，其持續(xù)沉淀要求 Ca2+、的過飽和溶液中不斷補(bǔ)充或H2O的不斷減少［28］。研究表明石膏的沉積主要是在封閉或半封閉的還原性淺水環(huán)境中通過氣—液界面的蒸發(fā)作用而達(dá)到［23］。研究剖面的石膏主要以薄層狀或透鏡狀產(chǎn)出，結(jié)合第4層層面風(fēng)化且發(fā)育鐵質(zhì)遺跡，說明在第4層沉積時(shí)期，蒸發(fā)作用極其顯著，水深迅速下降，并在沉積末期出露接受風(fēng)化。

鈣質(zhì)結(jié)核主要是由碳酸鈣組成的結(jié)核狀表生成巖期礦物，其形成與地下水的上升、蒸發(fā)、沉淀作用有關(guān)，可作為早期暴露的一種鑒定標(biāo)志［23］。現(xiàn)代研究表明在有利的沉積介質(zhì)和地形條件下，其形成一般表征了地質(zhì)氣候的短期交替，通常為溫度較高、氣候炎熱且蒸發(fā)量較大的淡水環(huán)境條件［29］。結(jié)合研究剖面7a層—7b層巖性由炭質(zhì)泥頁巖轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀囗搸r，有機(jī)質(zhì)含量降低也說明在須一段沉積末期氣候發(fā)生了短期變化。

2.2.5 有機(jī)碳同位素特征

須家河組泥巖段的有機(jī)碳同位素測(cè)試數(shù)據(jù)表明［20］，七里峽剖面的 δ13Corg基值為-25‰，在一段存在幅度達(dá)15‰～18‰的極度正偏，具有區(qū)域上的可識(shí)別性。結(jié)合國外相關(guān)研究［30］，四川盆地東緣須一段地層應(yīng)當(dāng)在諾利期末期至瑞替期初期前后開始沉積。

2.3 沉積相劃分

通過對(duì)野外剖面的實(shí)地測(cè)量，結(jié)合巖石類型、沉積構(gòu)造、古生物及孢粉和有機(jī)碳同位素等數(shù)據(jù)分析，對(duì)宣漢七里峽剖面須一段的沉積相及沉積環(huán)境分析，結(jié)果如圖4所示。并詳細(xì)描述如下。

剖面底部(即本文所劃分1層)為中三疊統(tǒng)雷口坡組一段灰色厚層狀泥晶白云巖，為蒸發(fā)臺(tái)地微相。須家河組一段發(fā)育典型的海陸過渡相沉積。剖面下部(主要是2～6層)發(fā)育濱淺海平原亞相，其中2～5層發(fā)育澙湖潮坪微相，第6層為潮上泥坪微相;剖面中部(即7a層)發(fā)育典型的濱岸沼澤環(huán)境下的泥炭沼澤微相;剖面上部(即7b層)發(fā)育濱湖沼澤微相。上覆地層須家河組二段下部為河口砂壩微相。巖層韻律和沉積相演變顯示了典型的海侵—海退旋回(圖5)。

3 沉積環(huán)境演化分析

沉積相是沉積物形成條件即古環(huán)境條件的物質(zhì)表現(xiàn)，而沉積模式則是根據(jù)現(xiàn)代沉積環(huán)境及古代沉積相的研究，對(duì)古代沉積作用機(jī)理所作的成因解釋模型。本文以劉寶珺關(guān)于沉積環(huán)境的分類和常見相及形成環(huán)境為依據(jù)，結(jié)合沉積物類型及特征、水動(dòng)力特點(diǎn)、古生物化石及聚煤特征和古地貌進(jìn)行沉積模式綜合分析［23］。

圖5 四川宣漢七里峽中—上三疊統(tǒng)之交的沉積模式圖Fig.5 The sedimentary facies and evolutionary patterns of the Middle and Upper Triassic transition for the Qilixia Section，Xuanhan，Sichuan

宣漢七里峽地區(qū)在中三疊世拉丁期隨開江古隆起抬升以后，結(jié)束了早期海域歷史，中三疊統(tǒng)地層剝蝕殆盡，研究剖面僅能觀察到雷口坡組一段部分地層殘余。結(jié)合前人對(duì)馬鞍塘組、小塘子組地層的研究［8，31-35］，研究剖面的沉積模式表明，始于晚三疊世卡尼期的持續(xù)海侵過程，直到諾利期后期才到達(dá)宣漢地區(qū)，并在川東北地區(qū)形成了障壁型河口海灣環(huán)境，發(fā)育澙湖潮坪和潮上泥坪沉積微相。諾利期末期，隨著華北古陸的擠壓和秦嶺造山帶的影響，宣漢地區(qū)的海水開始退出，并在川東北地區(qū)形成了濱海—濱湖沼澤環(huán)境，發(fā)育泥炭沼澤—濱湖沼澤沉積微相。進(jìn)入瑞替期，海水完全退出川東北地區(qū)，來自大巴山區(qū)的碎屑沉積物質(zhì)開始占據(jù)統(tǒng)治地位，發(fā)育一套典型陸相含煤地層。

須一段沉積時(shí)期，即諾利期末期至瑞替期初期，宣漢地區(qū)形成了以有節(jié)類和真蕨類為主，特別是雙扇蕨科、馬通蕨科和蘇鐵類繁盛的沼澤濕生植物群落，反映了屬于熱帶、亞熱帶海灣沿岸低地小型植物草本、灌木叢生境。在須一段沉積末期，宣漢地區(qū)氣候曾出現(xiàn)短暫向干燥氣候的更替，第7b層沉積物中的鈣質(zhì)結(jié)核說明了這點(diǎn)。

郭正吾等對(duì)上揚(yáng)子地區(qū)構(gòu)造演化，特別是印支運(yùn)動(dòng)的研究［7-8，32，35-38］表明，晚三疊世是四川盆地海陸轉(zhuǎn)換的重要時(shí)期。進(jìn)入晚三疊世，在龍門山造山帶崛起的影響下，揚(yáng)子地臺(tái)西緣發(fā)生沉降，海侵并沉積海相的馬鞍塘組和海陸過渡相的小塘子組(即須一段)。之后受秦嶺—大巴造山帶大規(guī)模崛起的影響，海水大規(guī)模向西退出四川盆地，并開始了四川盆地的陸相沉積歷史。這與本文的分析結(jié)果相吻合。

李佩娟、葉美娜、黃其勝等人對(duì)川東北地區(qū)植物群和古氣候的研究［2，4-6，10，25］表明，川東地區(qū)須家河植物群以真蕨和蘇鐵類為主，屬沿岸水生和沼澤濕生植物群落，反映了當(dāng)時(shí)炎熱潮濕的氣候特點(diǎn)。這與本文對(duì)孢粉和植物化石的分析結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

通過對(duì)宣漢七里峽剖面的實(shí)測(cè)及分析工作，對(duì)宣漢地區(qū)諾利期末期至瑞替期初期的沉積環(huán)境以及地層層序和沉積相進(jìn)行了詳細(xì)劃分和研究。宣漢地區(qū)在這一時(shí)期主要發(fā)育濱淺海環(huán)境下的澙湖潮坪相和濱岸沼澤相沉積，下伏中三疊統(tǒng)雷口坡組發(fā)育蒸發(fā)臺(tái)地相沉積，上覆須家河組二段發(fā)育河口砂壩相沉積。

對(duì)須一段地層的系統(tǒng)分析研究表明:本段地層以深灰—黑色泥頁巖為主，砂質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖較少，不含礫巖沉積;沉積厚度不大，一般為水平層理，斜層理不發(fā)育，泥裂極發(fā)育;沉積物中含有大量植物遺體，見植物根化石，含鈣質(zhì)結(jié)核和菱鐵礦結(jié)核，局部可見石膏。自下而上依次為菱鐵礦結(jié)核層、鈣質(zhì)泥巖層、粉砂質(zhì)泥巖層、砂質(zhì)泥巖層、泥巖層、炭質(zhì)泥頁巖層(夾薄煤層數(shù)層)和泥頁巖層6個(gè)不同的巖性層。

研究表明，四川盆地在經(jīng)歷了中三疊世拉丁期的大規(guī)模海退后，自晚三疊世卡尼期又發(fā)生了向東、向北、向南的大規(guī)模海侵，并在諾利期末期發(fā)生了自北東而南西的再一次大規(guī)模海退。對(duì)須一段沉積模式的重建表明:遲至諾利期后期，四川盆地的持續(xù)海侵到達(dá)并開始影響本區(qū)，在本區(qū)形成了障壁型河口海灣環(huán)境，并短暫發(fā)育海灣澙湖環(huán)境下的澙湖潮坪相沉積。而后隨著諾利期末期的再次海退，本區(qū)率先退出了海域范圍，在殘留沼澤環(huán)境中迅速發(fā)育泥炭沼澤和濱湖沼澤相沉積。并在進(jìn)入瑞替期后迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴嗪恿鳝h(huán)境下的河口砂壩相沉積。

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