鄂東武漢地區(qū)志留紀(jì)紅層的發(fā)現(xiàn)及其地質(zhì)意義

縱瑞文，劉一龍，尹家一，黃烈斌,3

1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074；3. 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650000

湖北是我國志留紀(jì)地層發(fā)育較好的地區(qū)之一，根據(jù)地層發(fā)育特征，可以分為三個(gè)沉積地層分區(qū)：恩施-京山區(qū)，大冶-崇陽區(qū)，竹溪-隨縣區(qū)（湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1990）。其中以位于恩施-京山地層分區(qū)的鄂西一帶研究程度較高，尤以三峽地區(qū)的蘭多維列統(tǒng)最具代表性，自下而上分別為筆石頁巖相的龍馬溪組、碳酸鹽巖與碎屑巖混合相的羅惹坪組和碎屑巖相為主的紗帽組（閆國順和汪嘯風(fēng)，1978；汪嘯風(fēng)等，1987），其中含有筆石、牙形石、幾丁蟲等重要的化石，對(duì)其時(shí)代已有較為清晰的認(rèn)識(shí)（陳立德等，2002；陳孝紅等，2017，2018；戎嘉余等，2019）。近年來在該地區(qū)還識(shí)別出了志留紀(jì)晚期的地層（王懌等，2018），為重新認(rèn)識(shí)華南地區(qū)中古生代的構(gòu)造-沉積古地理提供了新材料（王懌等，2021a）。

與之相比，在大冶-崇陽地層分區(qū)的鄂東、鄂東南一帶的志留系則為一套碎屑巖地層，巖性較單一，通常認(rèn)為主要由下部含筆石的高家邊組和上部的含殼相化石的墳頭組以及幾乎不含化石的茅山組（已被厘定為小溪組（王懌等，2017））組成（湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1990）。長期以來，鄂東武漢地區(qū)被認(rèn)為僅出露有墳頭組（湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1990；陳公信和金經(jīng)煒，1996；縱瑞文等，2011），盡管該地區(qū)在解放前就曾開展過志留紀(jì)地層調(diào)查工作（俞建章和郭鴻俊，1948），部分地點(diǎn)也曾發(fā)現(xiàn)過多門類化石（Zong R W et al., 2017），但除了少數(shù)層段之外大部分層位化石稀少，再加上植被覆蓋嚴(yán)重、露頭不佳，地層研究程度仍相對(duì)較低。近期，我們?cè)谖錆h東部原劃為墳頭組的地層中新識(shí)別出一套以紫紅色為主的碎屑巖地層，并在其中發(fā)現(xiàn)了多門類的動(dòng)物化石，對(duì)該套地層的歸屬、時(shí)代及古地理背景提出了新認(rèn)識(shí)。

1 地層特征與剖面描述

新識(shí)別出的這套地層目前僅在武漢東部梨山、古姆山、長嶺山、官塘井一帶有出露（圖1），為一套紫紅、紅褐色夾少量黃綠色的碎屑巖（圖2），可分為兩個(gè)巖性段，下部巖性較細(xì)，主要為一套紫紅色、紅褐色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖（圖2a），夾少量黃綠色泥巖、灰黃色細(xì)砂巖，以及薄層石英砂巖（圖2g），厚度大于300 m；上部粒度較粗，為紫紅色、棕褐色、黃褐色中細(xì)粒砂巖夾少量同色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及灰白色、灰黃色石英砂巖（圖2b, c, f），厚度大于60 m。粗碎屑巖中發(fā)育平行層理與交錯(cuò)層理（圖2h, i），靠近頂部的薄層碎屑巖層面上發(fā)育大量波痕構(gòu)造（圖2j）。該套地層在梨山剖面出露較為完整，古姆山剖面僅出露上部地層，剖面特征如下：

圖1 華南地區(qū)志留紀(jì)埃隆期古地理圖（a）與武漢地區(qū)志留系露頭及研究剖面分布圖（b、c）（圖a據(jù)馬永生等（2009）修改；圖b和c據(jù)湖北省地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)測量隊(duì)（1965）、Zong R W et al.（2017）修改）Fig. 1 Silurian Aeronian paleogeographic map of South China (a), and the Silurian outcrops in Wuhan area and distribution of the studied sections (b、c) (figure a modified from Ma Y S et al., 2009; figure b and c modified from Regional Geological Survey Team of Hubei Geological Bureau, 1965; Zong R W et al., 2017)

圖2 武漢志留系蘭多維列統(tǒng)清水組巖性特征及其中的沉積構(gòu)造Fig. 2 Lithologic characteristics and sedimentary structures of the Silurian Llandovery Qingshui Formation in Wuhana. 梨山剖面清水組第1層紫紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖；b. 梨山剖面清水組上部紅褐色中細(xì)粒砂巖；c. 梨山剖面清水組上部薄層泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖與石英砂巖不均勻互層；d. 梨山剖面清水組（S1q）與上覆墳頭組（S1f）接觸界線；e. 古姆山剖面清水組（S1q）與上覆五通組（D3w）平行不整合接觸；f. 古姆山剖面清水組上部粉砂巖夾薄層石英砂巖；g. 梨山剖面第1層上部紫紅色泥質(zhì)粉砂巖夾薄層石英砂巖；h. 官塘井剖面清水組棕褐色砂巖中的平行層理；i. 官塘井剖面清水組下部砂巖中的板狀交錯(cuò)層理；j. 古姆山剖面清水組上部薄層粉砂巖層面上的波痕構(gòu)造

1.1 梨山剖面（剖面起點(diǎn)坐標(biāo): N30°28′43.99″，E114° 33′57.90″）

1.2 古姆山剖面（剖面起點(diǎn)坐標(biāo): N30°29′15.80″，E114°35′33.64″）

2 地層歸屬及其時(shí)代討論

新識(shí)別出來的這套地層最初在1∶20萬《武漢幅》區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中稱為志留系中-上統(tǒng)（湖北省地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)測量隊(duì)，1965），之后在區(qū)域地質(zhì)資料中改稱為墳頭組（湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1990；陳公信和金經(jīng)煒，1996）。墳頭組創(chuàng)名于江蘇南京湯山墳頭村，主要分布于蘇皖及鄂東南一帶，定義為“下部黃綠、綠灰等色厚層細(xì)粒砂巖，局部為巖屑石英砂巖與粉砂質(zhì)泥巖相間或呈互層；上部黃綠、灰黃色泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖夾細(xì)砂巖，局部含磷”（徐學(xué)思，1996）。盡管在武漢地區(qū)墳頭組存在一定的相變（縱瑞文等，2011），但這套以紫紅色為主的碎屑巖地層從巖性組合上來看，與墳頭組的巖性差異非常明顯，而且地層時(shí)代與墳頭組也不同（見下文討論），顯然應(yīng)從原“墳頭組”中單獨(dú)分出來。在梨山剖面，僅上部第11-14層以灰黃色碎屑巖為主的一段地層可能相當(dāng)于墳頭組，整合覆在這套紫紅色為主的碎屑巖地層之上（圖2d）。

揚(yáng)子地區(qū)墳頭組及相當(dāng)層位（含秀山動(dòng)物群的層位）之下的紫紅色碎屑巖地層分布廣泛，即俗稱的“下紅層”（戎嘉余等，2012），其中最具代表性的當(dāng)屬上揚(yáng)子地區(qū)的溶溪組，但溶溪組總體是一套粒度較細(xì)的碎屑巖，以泥巖、粉砂巖為主（戎嘉余等，1990，2012），與武漢地區(qū)的這套地層不同。在鄂西的紗帽組以及下?lián)P子地區(qū)的侯家塘組甚至墳頭組下部中也有紫紅色碎屑巖（張全忠和焦世鼎，1985；戎嘉余等，2012；Liu J B et al., 2016），但厚度較小，以夾層的形式出現(xiàn)在灰黃、黃綠色碎屑巖中，也可與武漢的這套地層區(qū)分開。在揚(yáng)子板塊北緣（恩施-京山地層分區(qū)）的鐘祥、京山一帶的“龍馬溪組”上部至頂部和羅惹坪組中也發(fā)育一套紫紅色碎屑巖（中南地區(qū)區(qū)域地層表編寫小組，1974），但以頁巖為主，并多以夾層的形式出現(xiàn)在黃綠色頁巖之中，其中羅惹坪組中的紫紅色頁巖與灰黑色薄層灰?guī)r互層，這與武漢地區(qū)這套下細(xì)上粗并含石英砂巖的巖石組合不同。與之最為相似的是贛北含秀山動(dòng)物群的墳頭組（或夏家橋組）之下的清水組（劉亞光，1997），二者都是一套紫紅色為主（或紫紅色與黃綠色互層）的下細(xì)上粗的碎屑巖地層，且上部砂巖層面上普遍發(fā)育波痕構(gòu)造。因此，本文將武漢地區(qū)這套紫紅色為主的碎屑巖地層厘定為清水組。

武漢東部梨山、古姆山、長嶺山和官塘井的清水組構(gòu)成了一隱伏背斜的兩翼（圖1b, c），盡管四個(gè)地點(diǎn)距離很近，但其頂界卻存在明顯的差異：在梨山剖面，該套地層之上被墳頭組灰黃色碎屑巖整合覆蓋（圖2d）；而在背斜北翼的古姆山和長嶺山，僅出露清水組上部地層，大致相當(dāng)于梨山剖面的第4-8層，之上直接被五通組不整合覆蓋，缺失墳頭組（圖2e）；在官塘井剖面，出露約40米厚的灰黃、紅褐、棕褐色下粗上細(xì)的碎屑巖夾少量灰白色薄層石英砂巖，根據(jù)其中的灰黃色碎屑巖與梨山剖面的對(duì)比，該處露頭大致相當(dāng)于梨山剖面的第3層上部，其上直接被五通組不整合覆蓋；在周邊距離數(shù)公里的金雞山、黃金塘等地，厚達(dá)百余米的志留系全部為墳頭組，未見清水組，這種情況很可能和當(dāng)時(shí)的古地貌有關(guān)，導(dǎo)致志留紀(jì)地層抬升后風(fēng)化剝蝕的厚度不同。值得一提的是，向東南至黃石汪仁鎮(zhèn)一帶的原劃為墳頭組的底部也發(fā)育一套紫紅色為主的碎屑巖，厚度約三四十米（湖北省地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)測量隊(duì)，1975），很有可能也屬于清水組。這套紫紅色碎屑巖地層在鄂東南的陽新、通山等地也同樣存在，部分處在鄂贛交界的地區(qū)，在1∶20萬《瑞昌幅》地質(zhì)圖上已被劃為清水組（原稱橋頭組）（江西省地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)測量隊(duì)，1966），說明清水組在鄂東南、鄂東可能廣泛存在。

不同于揚(yáng)子地區(qū)“下紅層”化石稀少的情況（戎嘉余等，2012），武漢地區(qū)的清水組中化石較豐富，尤其是在梨山剖面清水組下部的棕褐色、黃褐色泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖（剖面第1層下部）及黃綠色泥巖夾層（剖面第3層）中，包括三葉蟲、腕足類、苔蘚蟲、珊瑚、雙殼類、腹足類、棘皮類、頭足類等，但全是內(nèi)?；騼?nèi)核保存狀態(tài)（圖3a-e, k）。其中三葉蟲包括Aulacopleura(Paraulacopleura)pijiazhaiensis(Zhang)、 ‘Encrinuroides’yichangensisYi、Gaotania hubeiensisYi、Hyrokybe gaotanensis(Zhang)、Japonoscutellum yichangense(Zhang) (=Kosovopeltis yichangensisZhang)、Latiproetus latilimbatus(Grabau)、Ptilillaenus lojopingensisLu（Zong R W et al., 2022），這一三葉蟲組合常見于上揚(yáng)子地區(qū)的羅惹坪組、石牛欄組、雷家屯組、香樹園組上部及相當(dāng)層位，均是埃隆中晚期Ptilillaenus組合（伍鴻基和Lane P D，1996）或者‘Encrinuroides’-Ptilillaenus-Latiproetus組合（戎嘉余等，2019）的代表分子。棘皮類包括Petalocrinus inferiorBather和Petalocrinussp.，前者在揚(yáng)子地區(qū)主要見于貴州東北部的雷家屯組（Mao Y Y et al., 2017）。

武漢地區(qū)清水組上部化石相對(duì)較少且保存不佳，主要是廣鹽性殼相化石及土著型魚類，在古姆山剖面采集到腕足類Paracraniops？sp.（圖3l）、Nalivkiniacf.elongata(Wang)（圖3m-n）、Lingulasp.（圖3j），雙 殼 類Modiolopsis？sp.（圖3o），中華 棘 魚 類Sinacanthus wuchangensisP’an、Sinacanthus triangulatusP’an et Liu、Neosinacanthus planispinatusP’an et Liu（圖3f-g）、Tarimacanthus bachuensisZhu（圖3i）、Sinacanthussp.（圖3h）及腹足類和板足鱟碎片。其中殼相化石的時(shí)限較長，如Paracraniops屬在奧陶紀(jì)晚期至志留紀(jì)早期地層中都有過報(bào)道（Rong J Y and Cocks L R M , 2014；陳迪和戎嘉余，2020）。Nalivkinia elongata是我國揚(yáng)子地區(qū)志留紀(jì)特有的腕足分子，出現(xiàn)在黔東北、鄂西南、四川東南秀山組中下部（楊學(xué)長和戎嘉余，1982；陳旭和戎嘉余，1996）、鄂西羅惹坪組和紗帽組（王淑敏，1984）、滇東北大路寨組（楊學(xué)長和戎嘉余，1982）及同期地層中。中華棘魚類與湘西的溶溪組和塔里木地區(qū)的塔塔埃爾塔格組的化石組合面貌較為相似（劉時(shí)藩，1997）。在梨山剖面清水組上覆地層墳頭組底部發(fā)現(xiàn)的Eosinacanthus shanmenensis也是我國志留系第一個(gè)中華棘魚類組合Hunanacanthus-Eosinacanthus的代表分子，出現(xiàn)層位為溶溪組和紗帽組下部（劉時(shí)藩，1997）。因此，武漢地區(qū)清水組上部地層的時(shí)代應(yīng)與湘西的溶溪組相近，均為特列奇早期。

圖3 武漢地區(qū)志留系蘭多維列統(tǒng)清水組中代表性化石照片F(xiàn)ig. 3 Representative fossils from the Silurian Llandovery Qingshui Formation in Wuhan areaa. 珊瑚內(nèi)模（標(biāo)本號(hào)：LS-1-91）；b. Ptilillaenus lojopingensis Lu尾甲（標(biāo)本號(hào)：LS-1-33）；c. Petalocrinus inferior Bather（標(biāo)本號(hào)：LS-1-10）；d、e. Latiproetus latilimbatus (Grabau)，d為頭蓋，e為尾甲（標(biāo)本號(hào)：LS-1-2, LS-1-46）；f、g. Neosinacanthus planispinatus P’an et Liu（標(biāo)本號(hào)：G-09a; G-09b）；h. Sinacanthus sp.（標(biāo)本號(hào)：G-11）；i. Tarimacanthus bachuensis Zhu（標(biāo)本號(hào)：G-10）；j. Lingula sp.（標(biāo)本號(hào)：GM-7-1）；k. Petalocrinus sp.（標(biāo)本號(hào)：LS-3-12）；l. Paracraniops ？ sp.（標(biāo)本號(hào)：GM-8-6）；m、n. Nalivkinia cf. elongate, m為腹瓣（標(biāo)本號(hào)：GM-8-3a）, n為腹瓣外模（標(biāo)本號(hào)：GM-8-3b）；o. Modiolopsis ？ sp.左殼（標(biāo)本號(hào)：GM-8-4）。a-e采自梨山剖面清水組第1層；f-i采自古姆山剖面第2層；j采自古姆山剖面第7層；k采自梨山剖面第3層；l-o采自古姆山剖面第8層。所有標(biāo)本保存在中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

綜合分析武漢地區(qū)的清水組中的多門類化石，將其時(shí)代定為埃隆中晚期至特列奇早期較為合適。在建立清水組層型剖面的贛北地區(qū)，其時(shí)代被認(rèn)為是特列奇早期，因此，武漢地區(qū)的清水組底界要明顯低于層型剖面的底界。但是，值得注意的是，贛北地區(qū)的清水組所含具有時(shí)代意義的化石極其稀少，其時(shí)代的確定主要依據(jù)上覆地層中含有秀山動(dòng)物群以及與上揚(yáng)子地區(qū)溶溪組的巖性對(duì)比 （戎嘉余等，1990；劉亞光，1997；張小樂，2015；Liu J B et al., 2016；王懌等，2021b），贛北地區(qū)的清水組底界是否像武漢地區(qū)的清水組一樣可以下延到埃隆期還需要更多的化石證據(jù)。

3 “下紅層”的穿時(shí)性及其古地理背景

揚(yáng)子地區(qū)的“下紅層”主要形成于近岸淺水環(huán)境，其中所含的化石以廣鹽性殼相化石和土著型魚類為主（潘江和曾祥淵，1985；曾祥淵，1988；陳旭和戎嘉余，1996；Zhao W J and Zhu M，2010），能夠精確限定地層時(shí)代的化石非常稀少，導(dǎo)致了其時(shí)代存在較大爭議（陳旭和戎嘉余，1996；王成源，1998，2011；耿良玉等，1999；Wang C Y and Aldridge R J, 2010）。戎嘉余等（2012）綜合分析了上揚(yáng)子地區(qū)“下紅層”中少量的化石及上下層位中的筆石、牙形石和幾丁蟲的時(shí)代，認(rèn)為“下紅層”的時(shí)代仍為早特列奇期。隨后，這一觀點(diǎn)在揚(yáng)子地區(qū)“下紅層”的時(shí)代研究中得到廣泛認(rèn)同（Zhang X L et al., 2014; 趙文金和朱敏，2014；張小樂，2015；Liu J B et al., 2016; 戎嘉余等，2019）。武漢清水組下部埃隆中晚期化石的發(fā)現(xiàn)，說明揚(yáng)子地區(qū)的“下紅層”在某些地區(qū)至少在埃隆期就已沉積，即“下紅層”的底界是穿時(shí)的，從埃隆中晚期穿時(shí)至特列奇早期。

“下紅層”的物源被認(rèn)為主要來自揚(yáng)子海南側(cè)的華夏古陸，并且越靠近古陸，紅層的層數(shù)越多、地層厚度越大（戎嘉余等，2012）。與鄂東南及贛北地區(qū)相比，武漢地區(qū)距離華夏古陸更遠(yuǎn)，如果武漢地區(qū)的清水組也全部來自華夏古陸的話，似乎很難解釋為何地層厚度較更靠近華夏古陸的鄂東南的“下紅層”厚，但其底界又比贛北地區(qū)的低。武漢地區(qū)清水組粗碎屑巖中多個(gè)層位發(fā)育交錯(cuò)層理（圖2i），通過對(duì)清水組不同層位基于交錯(cuò)層理的古流向分析發(fā)現(xiàn)，在官塘井剖面相當(dāng)于梨山剖面的第3層上部的3組古流向集中在250°～290°之間（圖4a-c），反映了物源主要來自東部。在古姆山剖面相當(dāng)于梨山剖面第4層，古流向反映物源主要來自東南方向（圖4d, e）。在梨山剖面第10層（清水組頂部），物源主要來自東北方向（圖4f），與上覆墳頭組古流向及其中的生物組合面貌分布情況反映的物源區(qū)及海陸格局基本一致（縱瑞文等，2011；Zong R W et al., 2017）。綜合以上分析，我們推測清水組下部的紅層物源很可能來自東部。上部幾十米厚的粗碎屑巖才是和揚(yáng)子地區(qū)其他的“下紅層”一樣主要來自華夏古陸。到頂部及之上的墳頭組，又接受了來自東北部的碎屑物沉積。反映了在埃隆中晚期至特列奇早期，武漢地區(qū)清水組的物源方向發(fā)生了明顯變化，物源區(qū)的不同可能也是導(dǎo)致武漢地區(qū)“下紅層”底界如此低的一個(gè)重要原因。

圖4 武漢地區(qū)志留系蘭多維列統(tǒng)清水組古流向演變圖Fig. 4 Evolution of paleocurrent in the Silurian Llandovery Qingshui Formation from Wuhan

4 結(jié)論

（1）本文將武漢東部原劃為墳頭組的由一套紫紅色為主的碎屑巖組成的地層重新厘定為清水組，相當(dāng)于志留紀(jì)蘭多維列世的“下紅層”；其下部含埃隆中晚期的三葉蟲和棘皮類化石，上部含特列奇早期的腕足類和魚類化石，表明揚(yáng)子地區(qū)的“下紅層”應(yīng)包含一部分埃隆中晚期沉積，即揚(yáng)子地區(qū)的“下紅層”底界存在穿時(shí)性，從埃隆中晚期穿時(shí)至特列奇早期。

（2）武漢地區(qū)清水組古流向分析表明，其下部物源主要來自于東部，上部才與其他地區(qū)“下紅層”一樣來自南部的華夏古陸。物源區(qū)的不同很可能是造成清水組底界穿時(shí)的一個(gè)重要原因。

三位審稿專家提出了寶貴的修改意見和建議，在此表示感謝！