湖南四都坪南沱組沉積特征與古氣候變化耦合關系

蔡雄飛,羅中杰,葉 琴

(中國地質大學生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室,武漢430074;中國地質大學地球科學學院,武漢430074)

湖南四都坪南沱組沉積特征與古氣候變化耦合關系

蔡雄飛,羅中杰,葉 琴

(中國地質大學生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室,武漢430074;中國地質大學地球科學學院,武漢430074)

運用現(xiàn)代冰川理論并結合南沱組冰磧巖研究現(xiàn)狀,根據(jù)湖南四都坪南沱組宏觀地層序列和微觀構造特征,識別并總結2期冰期和2期間冰期沉積特點,認為冰磧巖前緣是沉積作用活躍地帶,以重力碎屑流、濁流為特點,間冰期以深水和淺水的牽引流為特點。結合沉積作用與古氣候、海平面變化特征,認為該區(qū)南沱組冰磧巖由古氣候控制,海平面的起落導致形成不同的沉積類型。

冰磧巖;沉積特征;古氣候;南沱組;湖南

新元古代末期華南地區(qū)分布南沱和古城2次冰期,其中南沱冰期時間約為650～635 Ma,古城冰期時間約為710～720 Ma。早期的南沱冰期和古城冰期厚度小、規(guī)模小,橫向不穩(wěn)定,分布不廣泛[1-2];晚期的南沱冰期和古城冰期橫向穩(wěn)定,廣泛分布于華南各地。

由于晚期的南沱冰期分布廣泛、橫向較穩(wěn)定,在南華系沉積演化中具有重要地位,尤其對華南南華系古氣候研究具有重要意義。因此,加強其基礎地質理論研究是必要的。

1 南沱組研究概況

南沱組冰磧巖在1907年被提出[3],1922年葛利普采用了該術語[4]。李四光等調查長江峽東地質時建立了宜昌蓮沱地區(qū)震旦系層序,正式確立了作為巖石地層單位的南沱冰磧層[5],并沿用至今。

21世紀90年代前,一些學者認為南沱組冰磧巖是陸上冰川堆積的地層[6-10],另有部分學者認為其屬于冰海相—淺海相[11-12]。近些年關于南沱組冰磧巖的形成環(huán)境,一種認為其屬于大陸冰川[13],另一種認為其屬于近源的冰海相[5,14]。筆者在神農(nóng)架宋洛地區(qū)南沱組下部間冰期黑色炭質泥、頁巖中發(fā)現(xiàn)大量宏體碳質壓膜化石,不僅具有宏觀體積,且具有明顯的形態(tài)分異性。這些底棲宏體生物需要穩(wěn)定的生存空間,可能更適于生活在泥質底質上。此外,藻類的生長、繁殖需要光合作用,因而其生活環(huán)境應是開放水域的透光帶。宏體藻類的發(fā)現(xiàn),可進一步佐證南沱組冰磧巖非大陸冰川類型。

南沱冰期一直被作為地層進行研究,對其巖石學、沉積相劃分及冰期論述較少,僅部分學者對古氣候進行過相關研究[15-18]。近年來,隨著對“雪球”事件和華南南華系的進一步研究,南沱組冰磧巖引起地質界的重視。因此,尋找一個完整的、出露較好的南沱組冰磧巖剖面是進一步研究華南“雪球”事件的地質基礎。四都坪地區(qū)南沱組地層出露較佳,有學者提出“南沱組不具層層性、具碎屑流沉積”等認識[13,19]。

2 沉積特征

2.1 剖面簡介

該剖面位于湖南張家界四都坪鄉(xiāng)公路對岸河邊,底、頂齊全,發(fā)育連續(xù)、無掩蓋、厚度不大、沉積特征清晰、旋回發(fā)育完整,是揚子區(qū)北緣已知較佳的剖面,也是南沱組冰磧巖研究的重要場所(圖1,圖2)。

圖1 四都坪南沱組實測剖面圖Fig.1 Measured section of the Nantuo Formation in Siduping1-角礫巖;2-砂屑、泥質角礫巖;3-中—細砂質泥質角礫巖;4-礫質粗—細砂質泥巖;5-泥、砂質膠結石英細砂巖;6-泥質細砂巖;7-粉砂質泥巖;8-白云巖;9-早南華世五強溪組;10-晚南華世南沱組第一段;11-晚南華世南沱組第二段;12-早震旦世陡山沱組第一段

陡山沱組第一段:總厚6.0 m

10.灰色中—薄層粉晶白云巖,內部發(fā)育紋層,紋層較平直。3.0 m

9.灰白色厚—巨厚層微晶白云巖,層理面發(fā)育波狀起伏的滲流構造。3.0 m

—整合—

南沱組第二段:總厚58.0 m

8.綠灰色中—巨厚層泥鈣質膠結石英細砂巖,內部發(fā)育平行層理,具板狀層理。1.5 m

7.深灰色塊狀礫質粗—細砂質泥巖。11.8 m

6.灰綠色塊狀中—細砂質泥質角礫巖。38.4 m

5.灰色塊狀—巨厚層角礫巖。6.3 m

南沱組第一段:總厚39.4 m

4.深灰色中—巨厚層細粉砂質泥巖,內部發(fā)育韻律層理,灰黃相間。14.9m

3.灰色中—厚層泥質細砂巖,向上為灰色夾韻律層理泥質細砂巖。9.4 m

2.灰色巨厚—厚層砂屑、泥質角礫巖。16.1 m

—平行不整合—

早南華世五強溪組:

1.灰綠色巨厚—中厚層石英細、中砂巖。

2.2 基本序列

根據(jù)冰期與間冰期縱向旋回特征,該剖面可劃分為2段。下段由灰色巨厚—厚層砂屑、泥質角礫巖、灰色中—厚層泥質細砂巖,向上為灰色夾韻律層理粉砂質泥巖組成;上段由灰色塊狀—巨厚層角礫巖、深灰色塊狀中—細砂質泥質角礫巖、礫質粗—細砂質泥巖、綠灰色中—巨厚層泥鈣質膠結石英細砂巖組成?？v向上2期冰期和間冰期旋回,下旋回規(guī)模相對較小,上旋回規(guī)模較大(圖3)。

南沱組第一段基本序列由粗碎屑巖和細碎屑巖組成。粗碎屑巖厚度小,單層厚35～80 cm,礫石約0.2～15 cm。礫石以砂質為主,少量花崗質,多呈圓狀、次角狀。上部為間冰期細碎屑巖,往上為灰色夾韻律層理粉砂巖和中—巨厚層粉砂質泥巖,內部發(fā)育韻律層理,灰黃相間的是泥質細砂巖與粉砂質泥巖。

南沱組第二段基本序列由粗碎屑巖和細碎屑巖組成。冰磧巖由塊狀—巨厚層角礫巖、塊狀中—細砂質泥質角礫巖、礫質粗—細砂質泥巖組成。冰磧巖自下而上逐漸變小。冰磧巖底部由塊狀—巨厚層角礫巖組成,礫石含量50%～60%。礫石大小不一,多為棱角狀,少數(shù)次圓狀。礫石成分多為砂質,也有暗色粉砂巖。砂質可見原生板狀層理,個別為隱晶質灰質礫。礫石具有定向性,長軸順層理面方向排列,由下向上逐漸變小。塊狀層中可見淺色巖層體,成分為砂質,順層排列。冰磧巖下部為塊狀角礫巖,單層厚5～6 m,礫石含量30%～40%,以淺色砂質為主,次為灰綠色硅質,少量礫石為花崗質,不具定向性,次圓狀—棱角狀,以棱角狀居多。冰磧巖上部以塊狀礫質粉砂巖為主,單層厚＞6 m,內部不具層理,礫石含量10%～15%,大小不一,多為砂質,硅質,次圓—棱角狀。粉砂巖具隱晶質,含量85%～90%,其上間冰期由中—巨厚層泥鈣質膠結石英細砂巖組成,單層厚25～130 cm,砂巖呈粒狀,堅硬,石英含量達90%以上,內部發(fā)育平行層理。

圖2 四都坪南沱組沉積特征Fig.2 Sedimentary characteristics of the Nantuo Formation in Siduping9層-蓋帽白云巖;8層-具平行層理石英砂巖;7層-礫質粉砂巖;6層-角礫巖中“落石構造”;5層-角礫巖中原始巖層;4層-水平層理粉砂巖;2層-角礫巖

南沱組第一、二段基本序列表明,下部冰磧巖規(guī)模明顯比上部小,沉積演化沒有上部完整。其上間冰期二者表現(xiàn)不同,下部由水平層理、韻律層理泥質細砂巖、粉砂質泥巖組成,上部為強水動力發(fā)育的平行層理、板狀交錯層理泥、鈣質石英細砂巖組成。

2.3 沉積特征

該剖面南沱組雖厚度不大,但沉積作用活躍,既有正常沉積的間冰期泥、砂巖,又有非正常沉積的冰期重力流。正常沉積可劃分為較深水和淺水,非正常沉積的冰期重力流可劃分為碎屑流和泥石流。2期冰期下部冰期規(guī)模小,上部冰期規(guī)模大,沉積作用和演化特征顯著。

重力流主要發(fā)育在冰期,在該剖面第二期冰期尤為突出。早期發(fā)育大量碎屑流和礫、砂、泥混雜沉積,碎屑流表現(xiàn)為塊體流沉積,塊體長0.5～4 m,厚30～40 cm,呈多條來自下伏五強溪組原始砂巖層,順層排列,具定向性,主要集中在底部,屬重力流碎屑流沉積(圖2(5層上,5層下),圖3)。礫、砂、泥混雜,礫巖含量40%～50%,成分主要為砂質,礫石可見原生板狀層理,個別可見微晶質灰?guī)r礫,磨圓度為次圓狀—棱角狀。礫石分布具定向性,長軸順層理面排列。礫石由下向上逐漸變小,具遞變性。礫石混雜沉積和來自下伏塊體流沉積,指示南沱組上部冰期早期處于斜坡環(huán)境。

圖3 四都坪南沱組實測綜合柱狀圖Fig.3 Measured synthetic histogram of the Nantuo Formation in Siduping1-角礫巖;2-砂屑、泥質角礫巖;3-中—細砂質泥質角礫巖;4-礫質粗—細砂質泥巖;5-泥、砂質膠結石英細砂巖;6-不等粒石英砂巖;7-泥質細砂巖;8-粉砂質泥巖;9-碳質泥巖;10-白云巖;11-滲流構造;12-板狀交錯層理;13-平行層理;14-韻律層理

重力流泥石流主要發(fā)育在第二期冰期中、上部,野外表現(xiàn)為塊狀層普遍發(fā)育遞變層序列,鏡下表現(xiàn)為礫、砂、泥混雜結構,砂巖具不等粒結構,粗、細砂混雜(圖2(6層、7層),圖3,圖4a)。礫石成分以砂質為主,含量由中期的30%～40%降至后期的10%～15%,指示斜坡相水下泥石流由強至弱變化的沉積環(huán)境。

南沱組冰期具有以下特征。山地強烈隆起,地形起伏較大,構造古地理位置緊靠母源區(qū)山地前緣,占據(jù)高地與海盆地之間的空間;坡降大、流程短、具備流體由位能轉為動能的底床條件,海床比降越大,越容易發(fā)生重力流;母源區(qū)的地質構造復雜,活動較強烈。這些條件是影響重力流的碎屑流、泥石流形成和運移的重要因素[20]。

早期正常沉積主要表現(xiàn)在間冰期,以細、粉砂巖、泥巖為主,內部發(fā)育毫米級、厘米級水平層理與韻律層理,以低能、水深為特征(圖2(4層),圖4d,圖4e)。晚期正常沉積表現(xiàn)在第2期冰期之后,即南沱組頂部泥、鈣質膠結的石英細砂巖,鏡下石英含量90%以上,粒度均一,以細粒為主,磨圓度以次圓狀為主,少量次棱角狀。野外沉積構造發(fā)育平行層理、板狀交錯層理,顯示高成熟度、中等磨圓的特征,沉積環(huán)境應為淺水環(huán)境沉積(圖2(8層))。

圖4 南沱組偏光鏡鏡下特征Fig.4 Microscopic characteristics of the Nantuo Formation under polariscopea-泥鈣質石英砂巖;b-含礫不等粒粗—細砂巖;c-含礫不等粒中—細砂巖;d-粉砂質泥巖;e-泥質細砂巖;f-砂屑、泥質角礫巖

從該區(qū)南沱組冰磧巖演化特征看,早期冰期規(guī)模不大,巖性為砂屑、泥質混雜角礫巖,應為斜坡相沉積,間冰期巖性細、顏色暗、水平紋層發(fā)育,為較深水陸棚相沉積。晚期冰期間冰期發(fā)育齊全,在湘西北、湘西和華南大部分地區(qū)不多見,特別是由冰后泥、鈣質石英細砂巖直接與陡山沱組鈣帽白云巖接觸,在鄂、湘地區(qū)很少見及,是該剖面特色之一。晚期冰期由重力流的碎屑流變?yōu)橹亓α鞯哪嗍鳌?/p>

斜坡重力流是在重力作用下以塊體搬運移動的非牛頓流體,按運動和沉積方式分為滑坡、塊體流和流體流[21-22]。根據(jù)成因,該區(qū)重力流是沉積物重力流不同階段的演化產(chǎn)物。該區(qū)南沱組冰磧巖內部雖不乏重力流的塊狀層,但層理發(fā)育,自下向上均具層層性,是該剖面冰海相沉積的重要特征。神農(nóng)架東測南陀組下部發(fā)現(xiàn)大量宏體生物,進一步證明該區(qū)為冰海相成因。冰海相沉積厚度較穩(wěn)定,具有少量夾層,具層理性,含宏體生物,顯示海相沉積特征,非冰海相沉積厚度變化大,不穩(wěn)定,幾乎無夾層,不顯層理。此外,冰海相沉積構造常見落石構造,非冰海相沉積冰溜遺痕及研磨礫石常見,無落石構造。

運用“將今論古”理論,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代冰川環(huán)境中的沉積物有原生沉積物和改造沉積物2種類型。原生沉積物是典型的原生冰磧物,其碎屑物直接來自冰川活動,未經(jīng)任何改造或再沉積作用[23]。冰川邊緣,當冰磧物堆積至一定厚度,溫度升高,滲入冰水之后,經(jīng)某種觸發(fā)作用,發(fā)生塊體重力運動,形成沉積物重力流。各種類型冰水沉積和冰川前緣的泥石流,均為冰磧物改造再沉積的產(chǎn)物,如在阿拉斯加現(xiàn)代冰前地帶,重力流占沉積物50%以上,南極的羅斯海,浮冰帶來的冰磧物導致碎屑流作用等[24-25]。

進一步探討南沱組冰期時冰蓋活動規(guī)律可知,南沱組沉積作用自下向上演化受古氣候控制。一個完整冰期的古氣候經(jīng)歷“由高溫至低溫、到極低溫,然后逐漸升溫,直到冰期結束”的過程。當冰期古氣候達到低溫至極低溫即形成冰蓋,面積達最大,海平面達最低。冰蓋雖然由固體冰組成,但仍流動,其沉積作用主要發(fā)生在冰蓋前沿和冰前部分。在冰蓋內部沉積作用難以發(fā)生,這期間主要的沉積區(qū)是陸架以外的陸坡。陸坡一般具有一定坡度,受氣候周期性波動影響不明顯。當氣溫從極低值開始上升,冰蓋前沿逐漸后退,海平面逐漸上升,當前沿退至與研究區(qū)一定距離后,海平面也上升至相應高度。這時該區(qū)冰蓋處于半浮半沉狀態(tài),氣候波動較大,因為隨冰退的發(fā)展,沉積作用將發(fā)生在陸架上。由于陸架坡度小,氣侯波動將控制海平面波動,影響冰蓋前沿的沉浮。南沱組2期冰期之后的沉積是該種古氣候突變形成的沉積類型。

3 古氣候、海平面變化耦合關系

該區(qū)南沱組冰磧巖沉積作用與古氣候、海平面變化密切相關。古氣候寒冷時形成冰蓋,海平面快速下降。當古氣候升溫,海平面也緩慢上升,這期間由于主要的沉積區(qū)是陸架以外的陸坡,氣候周期性波動影響不明顯。由于坡度較大,重力作用強烈,冰蓋前緣冰磧物為滲入冰水,經(jīng)某種觸發(fā)作用,發(fā)生塊體重力運動和水流改造,形成沉積物重力流。該區(qū)南沱組第2期冰磧巖發(fā)育的重力流,冰磧物融入水,被水流改造是古氣候從寒冷開始升溫的標志。

古氣候不斷升溫,冰蓋前沿逐漸后退,海平面逐漸上升。當海平面上升至相應高度時,該區(qū)出現(xiàn)間冰期,海水變深,出現(xiàn)以色暗、巖性細碎屑巖系的深水沉積和極淺水沉積的泥、鈣質石英細砂巖。南沱組頂部出現(xiàn)鈣質膠結的石英細砂巖,一方面反映基底母巖存在石英質,另一方面反映母巖區(qū)風化以化學風化為主,泥、鈣質石英細砂巖的出現(xiàn),代表南沱組冰期結束。

南沱組自下向上,古氣候劇烈變化導致南沱組海平面呈跳躍式變化。對冰川而言,氣候對海平面影響并不亞于全球構造運動。據(jù)現(xiàn)代冰川研究,南極大陸冰體如果全部融化,將使全球海平面上升40～50 m。如第四紀更新世冰川鼎盛時期,全球海平面下降約100 m。南沱組冰期與間冰期巖性在華南各地均為突變接觸,是古氣候劇烈引起海平面起落的表現(xiàn),這種沉積作用與古氣候、海平面變化呈耦合關系。

4 討 論

該剖面2期冰期與間冰期序列保存較好,發(fā)育完整,尤其在河邊剖面層層性明顯。該剖面冰期與間冰期縱向上巖性、巖相變化劇烈,落石構造在冰期沉積中普遍發(fā)育,屬于冰海相沉積。該剖面冰期與間冰期橫向上巖性、巖相變化不大。神農(nóng)架—湘西北楊家坪—湘西四都坪巖性、巖相穩(wěn)定,沉積作用方式、特點較相似(圖5),但該區(qū)旋回性最為完整。

通過系統(tǒng)研究沉積特征,發(fā)現(xiàn)冰期與間冰期沉積均為突變接觸,與冰期、間冰期古氣候變化相關。因此,南沱組沉積特征和沉積類型變化受古氣候控制。古氣候變化導制南沱組海平面起落,控制沉積類型。該剖面南沱組頂部石英鈣質細砂巖是古氣候的標志。石英細砂巖的出現(xiàn)反映母巖區(qū)以化學風化為主。對印度半島岡瓦那超群5個不同砂巖相研究認為,砂巖含量80%以上,屬于溫暖半潮濕的古氣候環(huán)境,石英含量占99%,屬溫暖潮濕環(huán)境,石英含量少,長石和巖屑多,屬冰川、干旱氣候環(huán)境[26]。該區(qū)南沱組頂部泥、鈣質石英細砂巖可作“準鈣帽”標志,華南一些地區(qū)南沱組上部冰磧巖直接與上覆陡山沱組鈣帽白云巖接觸,表明華南板塊內部古氣候存在顯著差異。

該區(qū)南沱組頂部石英鈣質細砂巖與上覆陡山沱組鈣帽白云巖的關系值得進一步研究。華南陡山沱組鈣帽白云巖研究表明,底界鈣帽白云巖不具有全球“等時性”,該區(qū)南沱組頂部石英鈣質細砂巖的發(fā)現(xiàn)即為佐證。

5 啟 示

(1)選擇剖面時,需要更加注重剖面的內部巖性、層序、沉積構造等特征,選擇較發(fā)育、沿河(水庫)邊的剖面。華南地區(qū)南沱組剖面多數(shù)見不到層層性,原因可能為對剖面的選擇不當。

(2)應運用“類比分析”研究南沱組冰磧巖,用現(xiàn)代冰川理論和方法恢復南沱組冰磧巖。

(3)研究南沱組冰磧巖,需結合古氣候、海平面、構造背景等進行耦合關系研究。

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圖5 神農(nóng)架—黔東北南華系地層格架Fig.5 Stratigraphic framework of the Nanhua System at Shennongjia and Qiandongbei1-蓋帽白云巖;2-隆升;3-礫巖;4-含礫雜砂巖;5-石英質礫巖;6-含礫石英砂巖;7-含礫鈣質粉砂巖;8-礫質、鈣質粉砂巖;9-含礫鈣質石英砂巖;10-含長石不等粒石英砂巖;11-含泥不等粒石英砂巖;12-塊狀冰磧巖(鈣質砂泥巖膠結);13-冰磧巖;14-含礫鈣質泥巖;15-含錳、泥粉砂巖;16-泥巖;17-白云巖;18-角度不整合;19-平行不整合;20-相變

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Sedimentary characteristics of the Nantuo Formation in Siduping, Hunan and its coupling relationship with paleoclimate

CAI Xiong-fei,LUO Zhong-jie,YE Qin
(State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology,Wuhan 430074,China; School of Earth Sciences,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

On the basis of the modern theory of glacier and research progress of the Nantuo Formation tillite,this study summarized the sedimentary features of the two glacial periods and two interglacial periods in combination to the macroscopic stragtigraphic sequences and microscopic structures of the Nantuo Formation in Siduping of Hunan Province.The results show that the front margin of the tillite is an active zone of sedimentation characterized by gravitational debris flow and turbidity current.And the interglacial period was characteristic of deep and shallow water tractive current deposits.The sedimentation of the Nantuo Formation and change characteristic of paleoclimate and sea level suggest that the tillite of the Nantuo Formation was controlled by the paleoclimate and the big fluctuations of sea level resulted in various sedimentary types.

tillite;sedimentary characteristics;paleoclimate;Nantuo Formation;Hunan Province

P588.2

A

2096-1871(2017)02-091-08

10.16788/j.hddz.32-1865/P.2017.02.002

2016-06-24

2016-08-18 責任編輯:譚桂麗

中國地質調查局“神農(nóng)架―雪峰山地區(qū)區(qū)域地質專項調查(項目編號:12120114066301)”資助。

蔡雄飛,1952年生,男,研究員,主要從事地層學和沉積學研究。