米倉山南緣中志留統(tǒng)羅惹坪組風(fēng)暴巖沉積特征及其意義①

白志強(qiáng) 劉樹根 宋金民 彭瀚霖 林 彤 柳存喜

(1.成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610059;2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院 成都 610059;3.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院 成都 610059)

風(fēng)暴巖首先由 Ager［1］和 Kelling［2］等人提出，主要是指風(fēng)暴流擾動(dòng)過后再沉積形成的一套沉積組合;隨后 Kumar［3］，Sanders［4］和 Aigner［5-6］將其范圍擴(kuò)大為風(fēng)暴沉積，主要是指非正常天氣風(fēng)暴作用所形成的一系列的沉積。國內(nèi)外對于風(fēng)暴沉積的研究相對成熟，并且已經(jīng)取得了不少的成果。在地層剖面內(nèi)的風(fēng)暴沉積巖層巖往往與下伏巖石成突變接觸，代表了一種災(zāi)變性的事件沉積，這種沉積對于指示沉積環(huán)境，研究古板塊演化、古緯度、古地理和古氣候、油氣礦產(chǎn)以及區(qū)域性的地層等時(shí)對比具有重要的意義［7］。張廷山等［8］就川西北地早志留世風(fēng)暴巖進(jìn)行過研究，并未發(fā)現(xiàn)中志留統(tǒng)的風(fēng)暴巖，馬文辛等［9］四川盆地東南緣中下志留統(tǒng)韓家店組曾發(fā)現(xiàn)過風(fēng)暴介殼灰?guī)r層，但未進(jìn)行過詳細(xì)的研究。南江剖面中志留統(tǒng)羅惹坪組上部風(fēng)暴巖的發(fā)現(xiàn)，對于該區(qū)中上志留系古地理和古氣候的研究、區(qū)域上的地層對比具有重要的意義，為揚(yáng)子海盆的演化提供了資料，為研究區(qū)生物碎屑沉積的發(fā)現(xiàn)提供了指示性線索。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

南江地區(qū)位于四川省與陜西省交界處，米倉山南部，剖面羅惹坪組上部出露清楚，發(fā)現(xiàn)多套典型風(fēng)暴巖沉積(圖1)，適于對風(fēng)暴巖的研究。研究區(qū)在構(gòu)造位置上位于米倉山前緣構(gòu)造帶南側(cè)四川盆地北緣。中志留世，由于受到加里東運(yùn)動(dòng)的影響，揚(yáng)子古陸開始抬升，地臺內(nèi)部的水下隆起和江南隆起也逐漸露出水面，沉積水體逐漸變淺;到了晚志留世，海水僅殘存于欽防及滇東地區(qū)，使得盆地內(nèi)中晚志留統(tǒng)地層遭受剝蝕，其后，受印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、喜山運(yùn)動(dòng)影響［10-11］，形成了現(xiàn)今的以北東東—南西西向?yàn)橹鞯臉?gòu)造。研究剖面羅惹坪組主要以灰綠色泥頁巖、粉砂巖為主，夾有薄層生屑微晶灰?guī)r及透鏡體，其下與下志留統(tǒng)龍馬溪組地層整合接觸，其上與下二疊統(tǒng)梁山組地層呈平行不整合接觸，接觸面為梁山組灰白色鋁土質(zhì)頁巖，含有結(jié)核狀黃鐵礦，剖面羅惹坪組厚275.6 m，其上部地層發(fā)育9套風(fēng)暴巖。

2 研究區(qū)風(fēng)暴巖沉積特征

通過野外巖性的觀察及室內(nèi)鏡下鑒定，研究區(qū)羅惹坪組上部與風(fēng)暴沉積有關(guān)的巖石類型主要有灰綠色泥頁巖、淺灰色或灰色微晶灰?guī)r和生屑微晶灰?guī)r。泥頁巖成分主要為泥級石英、泥質(zhì)及碳酸鹽巖，并且含有少量有機(jī)質(zhì)、生物碎屑;微晶灰?guī)r內(nèi)偶見生物碎屑;生屑灰?guī)r內(nèi)大量發(fā)育三葉蟲、珊瑚、海百合、苔蘚蟲、有孔蟲、雙殼類等生物屑。

風(fēng)暴沉積是一種突發(fā)的高能沉積事件［7］。高能環(huán)境也就使得風(fēng)暴沉積序列形成了一些獨(dú)特的沉積構(gòu)造，通過這些沉積構(gòu)造也可以較好的識別風(fēng)暴沉積。通過對研究剖面的野外觀察，羅惹坪組上部9套3種不同類型的風(fēng)暴巖(圖1)，具有以下幾種典型的風(fēng)暴沉積構(gòu)造。

圖1 南江剖面位置及剖面綜合柱狀圖Fig.1 The study area map and stratigraphic column of Nanjiang section

(1)風(fēng)暴侵蝕構(gòu)造

風(fēng)暴侵蝕構(gòu)造主要發(fā)育風(fēng)暴沉積序列的底部，與正常沉積的下伏地層形成一種突變接觸，是識別風(fēng)暴巖的重要標(biāo)志［12］。在剖面中主要發(fā)育在 1、5、6、7、8套風(fēng)暴沉積底面(圖2A)。此構(gòu)造為風(fēng)暴高峰期對原地沉積物的沖蝕、撕裂以及重新沉積形成的產(chǎn)物，代表一種高能的沉積環(huán)境。剖面中的侵蝕構(gòu)造主要為沖刷面構(gòu)造，且沖刷面呈波狀起伏，起伏幅度1～5 cm，為風(fēng)暴引起的水流或渦流產(chǎn)生對陸棚未固結(jié)的沉積物進(jìn)行沖蝕或旋切所形成。沖蝕面上下巖性發(fā)生突變，其下部位灰綠色泥頁巖或微晶灰?guī)r，上部為深灰色生屑灰?guī)r巖夾微晶灰礫屑。

(2)粒序?qū)永?/p>

在研究剖面所有風(fēng)暴巖層中均有正粒序?qū)永戆l(fā)育，發(fā)育在風(fēng)暴侵蝕面以上的生屑微晶灰?guī)r內(nèi)、礫屑巖層及透鏡體內(nèi)。風(fēng)暴作用產(chǎn)生的風(fēng)暴密度流在風(fēng)暴高峰期過后，一方面由于重力的作用而發(fā)生分異沉降，另一方面由于沉積環(huán)境水動(dòng)力條件能量的降低，形成了正粒序?qū)永怼ＵＰ驅(qū)又饕苑坌?、生物屑為主，其中為三葉蟲、珊瑚、苔蘚蟲等生物顆粒，為具粒序?qū)永淼谋印袑訝钌嘉⒕Щ規(guī)r，是一種微觀上的正粒序結(jié)，而在礫屑層內(nèi)礫石大小逐漸變小，呈現(xiàn)宏觀上的正粒序結(jié)構(gòu)(圖2B)。

(3)礫屑結(jié)構(gòu)

由于風(fēng)暴流對沉積物的撕裂、破碎作用，使得海床的沉積物形成一些同生沉積產(chǎn)物，常常形成了一些特殊排列的扁平狀礫屑灰?guī)r，呈倒“小”字、放射狀、疊瓦狀或平行排列排列［13-14］。在研究剖面的1、5、6、7、8套風(fēng)暴巖中，礫屑巖層主要以扁平狀礫屑層及粒序礫屑層發(fā)育。礫屑層扁平狀礫屑呈平行或疊瓦狀排列(圖2C，D)，礫屑層厚10～20 cm，礫屑長 5～15 cm，寬1～2 cm，由于風(fēng)暴流的作用，礫石往往具有一定的方向性，指示了風(fēng)暴流及其回流方向(圖2C)，具有粒序結(jié)構(gòu)的礫屑記錄了風(fēng)暴密度流風(fēng)暴高峰期的沉積，其撕裂構(gòu)造發(fā)育，結(jié)構(gòu)成熟度低，水動(dòng)力強(qiáng)且紊亂，沉積速率快。

3 風(fēng)暴巖沉積序列類型及沉積環(huán)境

3.1 剖面風(fēng)暴沉積序列、類型及特征

風(fēng)暴成因的生屑灰?guī)r以微晶灰?guī)r灰?guī)r，橫向上與泥頁巖之間呈現(xiàn)突變或漸變關(guān)系，在縱向上的堆積體的沉積序列有3種不同的成因類型(圖3)，且3種不同的序列之間存在一定的相似性和繼承型。

圖2 南江剖面羅惹坪組風(fēng)暴巖野外特征Fig.2 The outcrop characteristics of Luoreping Formation in Nanjiang section

(1)風(fēng)暴沉積序列I:主要分布于羅惹坪組上部風(fēng)暴巖層的第1、5、6、7、8套，它由下至上分別由中層狀礫屑、生屑灰?guī)r—泥頁巖與薄層狀生屑灰?guī)r互層—泥頁巖生屑灰?guī)r透鏡體構(gòu)成，生屑、礫屑灰?guī)r底部侵蝕面清晰可見且起伏不大、頂面平緩，中層生屑、礫屑灰?guī)r厚5～15 cm，生屑灰?guī)r與泥頁巖互層段厚10～20 cm，泥頁巖夾生屑灰?guī)r透鏡體段厚度較大。

(2)風(fēng)暴沉積序列II:主要分布于羅惹坪組上部風(fēng)暴巖層的第2套，其由數(shù)層泥頁巖與薄層狀生屑微晶灰?guī)r及微晶灰?guī)r組成，自下而上灰?guī)r層逐漸變稀疏，灰?guī)r層厚度為2～5 cm，最終灰?guī)r層過渡為透鏡狀產(chǎn)出，透鏡體厚度分布2～5 cm，寬度分布5～50 cm，灰?guī)r層及透鏡體底面可見較為小型的沖涮構(gòu)造，頂面平緩(圖2E)。

(3)風(fēng)暴沉積序列III:主要分布于羅惹坪組上部風(fēng)暴巖層的第3、4、9套，以灰綠色泥頁巖為主，夾有微晶灰?guī)r及生屑微晶灰?guī)r透鏡體，透鏡體厚度分布在2～5 cm，寬度分布在3～20 cm，灰?guī)r底面呈不明顯的沖刷構(gòu)造，頂面相對平緩(圖2F)。由此可見，III型沉積序列是II型沉積序列的繼承，II型是I型的繼承，反映了三種不同類型的風(fēng)暴沉積序列在形成時(shí)，古水深存在的差異性，且由III型至I型沉積水體變淺，縱向上指示了研究剖面水體深度的變化。

圖3 南江剖面風(fēng)暴巖沉積序列模式及特征Fig.3 The sedimentary sequence model and characteristics of the tempestites in Nanjiang section

前人根據(jù)風(fēng)暴沉積物與物源區(qū)的距離、形成的環(huán)境以及結(jié)構(gòu)特征，多將風(fēng)暴劃分為近源型和遠(yuǎn)源型2種:近源風(fēng)暴巖和遠(yuǎn)源風(fēng)暴巖［14］(圖4)。①近源風(fēng)暴巖:近源風(fēng)暴沉積序列主要發(fā)育在具有強(qiáng)烈風(fēng)暴流作用的內(nèi)陸棚、開闊臺地、局限臺地以及潮坪，風(fēng)暴浪基面附近及其以上地區(qū)［15］。由于處于較強(qiáng)的風(fēng)暴流往復(fù)振蕩作用，使其底部侵蝕面起伏較大，常發(fā)于大型口袋狀、沖刷充填、渠模等構(gòu)造，并伴有淚珠狀生物潛逃構(gòu)造等［16］，風(fēng)暴巖層上頂面呈上下起伏的云朵狀等不平整狀，風(fēng)暴層沉積厚度大，層內(nèi)發(fā)育礫屑層、粒序?qū)印⒋笮偷那馉顚永?、楔板狀交錯(cuò)層理等沉積組構(gòu)，其中在礫屑層內(nèi)，礫屑分布雜亂，呈放射狀、菊花狀、倒小狀等形態(tài)，沉積物主要為細(xì)砂—粉砂—砂級顆粒，同時(shí)發(fā)育棘屑等生物化石［17-18］。②遠(yuǎn)源風(fēng)暴巖:遠(yuǎn)源風(fēng)暴沉積序列主要發(fā)育在內(nèi)陸棚外側(cè)至外陸棚區(qū)，風(fēng)暴浪基面附近及其以下區(qū)域，由于風(fēng)暴流作用的減弱，風(fēng)暴巖底部侵蝕面起伏不大，頂面平緩，風(fēng)暴巖沉積厚度薄，從幾厘米至幾十厘米，內(nèi)部可發(fā)育礫屑層、平行層理及粒序?qū)永淼?，沉積物主要為粉砂—泥級顆粒為主，含有腕足屑、介屑、三葉蟲屑、棘屑，腹足屑、瓣鰓等化石［19］。本次研究剖面發(fā)現(xiàn)的風(fēng)暴巖生物化石含量多且雜，沉積厚度薄，沉積風(fēng)暴巖粒度以粉砂—泥級顆粒為主，是典型的遠(yuǎn)源型風(fēng)暴沉積，且此次研究剖面多類型遠(yuǎn)源風(fēng)暴巖的發(fā)現(xiàn)，完善了遠(yuǎn)源型風(fēng)暴巖的沉積模式。

圖4 南江剖面羅惹坪組風(fēng)暴巖產(chǎn)出環(huán)境、水動(dòng)力條件和沉積模式Fig.4 Sedimentary environments，hydrodynamic conditions and model of Luoreping Formation in Nanjiang section

3.2 風(fēng)暴巖沉積環(huán)境

南江剖面羅惹坪組風(fēng)暴巖典型的遠(yuǎn)源型風(fēng)暴沉積特征指示了其沉積環(huán)境。首先，其風(fēng)暴巖底部風(fēng)暴侵蝕不明顯，頂面平緩，巖層沉積厚度薄，巖性為灰色生屑微晶灰?guī)r、泥質(zhì)微晶灰?guī)r及灰綠色泥頁巖為主，表明風(fēng)暴巖沉積時(shí)風(fēng)暴強(qiáng)度較小，且III型小于II型小于I型，風(fēng)暴巖粒度為粉砂—泥級顆粒為主且泥頁巖主要成分為石英泥級顆粒，表明其搬運(yùn)時(shí)間長、距離物源區(qū)遠(yuǎn)特點(diǎn)。其次，研究剖面風(fēng)暴巖沉積序列內(nèi)不發(fā)育丘狀交錯(cuò)層里，說明了當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境不利于其發(fā)育或保存，影響丘狀層理發(fā)育的因素是多方面的，如風(fēng)暴強(qiáng)度及作用時(shí)間、沉積物的粒度大小、海底地形等，且主要發(fā)育在正常浪基面以下至風(fēng)暴浪基面之上區(qū)域［20］，綜合分析研究剖面沉積序列認(rèn)為，丘狀層理在研究區(qū)應(yīng)該是不發(fā)育，而不是被后期改造沒有被保存。因此，通過分析可知，研究區(qū)中晚志留世羅惹坪組晚期處于風(fēng)暴浪基面及其以下環(huán)境，風(fēng)暴巖為淺水陸棚相沉積，其沉積環(huán)境如圖4。

4 意義

風(fēng)暴沉積作為一種事件性的沉積，本身形成的沉積組合對于風(fēng)暴作用機(jī)制有著重要的意義［21］，同時(shí)對于地層的解釋和對比和古沉積環(huán)境、古地理、古氣候恢復(fù)、古板塊、海盆的演化以及生物碎屑層的發(fā)現(xiàn)具有重要意義。

前人在研究羅惹坪組地層時(shí)［22］，對于生物灰?guī)r透鏡體的解釋較少，其可能沉積成因未知，本次風(fēng)暴巖研究透鏡狀生屑風(fēng)暴巖的發(fā)現(xiàn)較好的解釋了羅惹坪組泥頁巖地層內(nèi)發(fā)育的生物灰?guī)r透鏡體的成因;其發(fā)現(xiàn)也有助于對米倉山南部南江地區(qū)志留系羅惹坪組上部地層沉積時(shí)期淺海陸棚范圍的界定，為研究揚(yáng)子海盆的演化提供了資料。與此同時(shí)，風(fēng)暴巖作用具有一定的區(qū)域性，風(fēng)暴形成的礫屑、生屑灰?guī)r的可作為該區(qū)地層等時(shí)對比的標(biāo)志。

前人研究表明，風(fēng)暴作用主要形成于南、北緯5°～20°地區(qū)，其影響范圍多在 5°～30°之間，風(fēng)暴巖的多次重復(fù)出現(xiàn)往往指示了低緯度熱帶氣候［23-24］。研究區(qū)風(fēng)暴巖在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了9次，雖然規(guī)模比較小，但其出現(xiàn)次數(shù)之頻繁反映了研究區(qū)志留系羅惹坪組曾處于熱帶亞熱帶風(fēng)暴作用強(qiáng)烈的低緯度地區(qū)，進(jìn)一步表明中志留世揚(yáng)子板塊處于低緯度區(qū)域，為古板塊的演化提供一定的參考。

研究區(qū)生屑風(fēng)暴巖的發(fā)現(xiàn)，對于生物碎屑沉積層的發(fā)現(xiàn)提供了指示意義。生物碎屑層對于沉積環(huán)境、海平面的變化具有重要的意義［25］。風(fēng)暴巖內(nèi)生屑灰?guī)r發(fā)育說明在其上發(fā)育生物碎屑沉積，對于研究該區(qū)海平面的變化有一定的貢獻(xiàn)，但海平面與風(fēng)暴巖形成的機(jī)制之間存在怎樣的耦合關(guān)系還不確定［7］。

5 結(jié)論

(1)羅惹坪組上部風(fēng)暴巖沉積主要發(fā)育3種沉積序列，均為遠(yuǎn)源型風(fēng)暴巖沉積，沉積環(huán)境為淺水陸棚，3種序列之間存在著一定的繼承性。同時(shí)，通過風(fēng)暴巖沉積序列的研究，建立了研究區(qū)遠(yuǎn)源風(fēng)暴巖的沉積模式。

(2)羅惹坪期風(fēng)暴巖的研究，較好地解釋了羅惹坪組生屑灰?guī)r透鏡體的成因，對于區(qū)域上的地層對比提供了新的標(biāo)尺，對古揚(yáng)子海盆的演化提供了資料。

(3)研究區(qū)羅惹坪組上部風(fēng)暴巖的發(fā)現(xiàn)說明了該區(qū)羅惹坪期處于低緯度風(fēng)暴高發(fā)區(qū)域，對于古地理、古氣候的恢復(fù)，古揚(yáng)子板塊的演化提供了參考。

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