神農(nóng)架地區(qū)中元古界混合沉積特征及其發(fā)育模式
——以神農(nóng)頂亂石溝組—臺子組剖面為例

王昌勇，劉帥，李胡蝶，常玖，許興斌，范亞楠，曠紅偉

1.成都理工大學沉積地質(zhì)研究院，成都 610059

2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京 100037

0 引言

自1984年Mount首次提出“mixed sediments”的概念以來[1]，碳酸鹽沉積與陸源碎屑的混合沉積即受到廣泛的關(guān)注和研究[2-7]?；旌铣练e主要包括“混積巖”[3]和“混積層系”[6]兩種類型[8]，其中，“混積巖”指陸源碎屑與同期沉積的碳酸鹽在結(jié)構(gòu)組分上的混合，其巖石組構(gòu)主要包括陸源碎屑顆粒、生物成因的碳酸鹽顆粒、化學沉淀的碳酸鹽[9]及黏土等，可根據(jù)黏土、陸源碎屑及碳酸鹽含量進一步分為混積巖質(zhì)黏土巖或泥巖、含陸源碎屑—碳酸鹽混積巖、陸源碎屑質(zhì)—碳酸鹽混積巖、含碳酸鹽—陸源碎屑混積巖、碳酸鹽質(zhì)—陸源碎屑混積巖等類型[2,10]；而“混積層系”為陸源碎屑巖與碳酸鹽巖互層。多年來的研究表明，我國陸相湖泊相和海相地層中混合沉積均較為發(fā)育[11-20]，但海相地層特別是淺海陸棚沉積中更為常見，在現(xiàn)代大陸架環(huán)境正在發(fā)生[21]。Mount根據(jù)淺海陸棚沉積環(huán)境的不同和混積過程的差異，將混合沉積劃分為間斷混合（或“事件突變沉積混合”）、相混合（或“相緣漸變沉積混合”）、原地混合和母源混合（或“侵蝕再沉積混合”）4種成因類型[1,6,10,22]，其中：間斷混合成因的混積巖成分復雜、分選較差，通常為風暴、地震等突發(fā)事件導致的重力流快速堆積；相混合主要發(fā)生在過渡相環(huán)境，通常與波浪、潮水及沿岸流等作用導致不同類型沉積物的側(cè)向遷移有關(guān)，主要發(fā)生在相邊界附近，形成的混積巖結(jié)構(gòu)和組分與上下巖石呈漸變關(guān)系；原地混合成因的混積巖中碳酸鹽組分主要來自生物碎屑，通常與原地的陸源粉砂及泥質(zhì)形成混合沉積；母源混合主要指早先形成的碳酸鹽巖遭受抬升和侵蝕，并與陸源碎屑一起堆積下來形成的混積巖，不具有環(huán)境指示意義[10]?；旌铣练e的發(fā)育受物源、區(qū)域構(gòu)造活動、全球海平面變化、氣候及水動力條件等因素影響和控制[13,23-24]，其中豐富的陸源碎屑供給是混合沉積廣泛發(fā)育的主要原因[21]。混合沉積在不同地質(zhì)時代的沉積巖中廣泛發(fā)育，分析混合沉積的構(gòu)造背景、沉積環(huán)境和形成過程，對區(qū)域構(gòu)造演化分析和巖相古地理恢復具有重要意義。

本文主要根據(jù)巖石組合及沉積構(gòu)造特征、結(jié)合巖石薄片分析，對神農(nóng)架地區(qū)神農(nóng)頂剖面亂石溝組—臺子組沉積相進行了研究，分析了其混合沉積成因類型，并通過陰極發(fā)光測試結(jié)果對陸源碎屑的來源進行了推測。通過對神農(nóng)架地區(qū)亂石溝組—臺子組混合沉積主控因素分析，建立了亂石溝組—臺子組混合沉積模式，對恢復中元古代神農(nóng)架地區(qū)乃至揚子臺地北緣巖相古地理具有重要意義，同時也對了解揚子臺地的構(gòu)造演化過程具有一定的參考價值。

1 地質(zhì)背景

神農(nóng)頂剖面位于神農(nóng)架林區(qū)，元古代時期該區(qū)位于揚子克拉通臺地北緣，北部鄰近南秦嶺造山帶[25-27]（圖1a，b）。神農(nóng)架地區(qū)元古界發(fā)育較為完整、時間跨度較大，其中，神農(nóng)架群主要為一套海相碳酸鹽巖與陸源碎屑巖互層沉積，其間夾少量輝長輝綠巖、玄武巖、安山巖以及基性火山碎屑巖，其形成時代主要歸屬于中元古代待建紀[25,28-29]。神農(nóng)架群屬于神農(nóng)架褶皺基底單元，覆蓋于黃陵結(jié)晶基底的崆嶺高級變質(zhì)地體之上，但與崆嶺基底的界線至今尚未被發(fā)現(xiàn)[30-31]。由于地層出露不連續(xù)，長期以來神農(nóng)架群內(nèi)部地層劃分和對比存在較大爭議，最新的研究成果表明神農(nóng)架群依次發(fā)育大巖坪組、馬槽園組、亂石溝組、大窩坑組、礦石山組、臺子組、野馬河組、溫水河組、石槽河組、送子園組及瓦崗溪組，在神農(nóng)架地區(qū)神農(nóng)架群上部地層遭受不同程度的侵蝕、與南華系蓮沱組及南沱組冰期沉積呈不整合接觸（圖1c）。中元古代神農(nóng)架地區(qū)處于準穩(wěn)定的海相裂谷背景，發(fā)育（混積）潮坪、（混積）陸棚、斜坡、碳酸鹽緩坡（陸表海）、碳酸鹽巖臺地等多種沉積相類型，可劃分為3個大的海平面升降旋回[27]。亂石溝組、大窩

圖1 神農(nóng)架地區(qū)區(qū)域位置及地質(zhì)簡圖（據(jù)文獻[25￣27]修改）Fig.1 Regional location and geological map of Shennongjia area (modified from references [25￣27])

坑組、礦石山組及臺子組屬于中元古界上部地層[25-26,,32-34]，在神農(nóng)頂剖面出露較為完整，巖石類型豐富，主要發(fā)育泥微晶白云巖、疊層石白云巖、砂屑白云巖、礫屑白云巖、鮞粒白云巖、石英砂巖與泥巖等巖石類型（圖2~4），具有混合沉積的特點。亂石溝組、大窩坑組及礦石山組為淺水碳酸鹽臺地相沉積，而對臺子組特別是其石英砂巖形成環(huán)境仍然存在較大爭議[27,33,35]，亂石溝組—臺子組混積類型和特征存在較大差異，混積模式與各時期沉積環(huán)境存在密切聯(lián)系。

2 沉積構(gòu)造特征

神農(nóng)頂剖面亂石溝組—臺子組發(fā)育豐富的層理構(gòu)造、層面構(gòu)造及生物成因構(gòu)造，不同層位沉積構(gòu)造組合存在較大差異（圖2）。

（1） 亂石溝組沉積構(gòu)造

亂石溝組下段灰色泥微晶白云巖中發(fā)育球狀疊層石（圖2，照片①）及柱狀疊層石（圖2，照片④），主要反映水動力條件較強的潮下帶及潮間帶環(huán)境；上段紅褐色泥微晶白云巖中發(fā)育大量沙紋層理（圖2，照片②）、波狀層理、水平層理及韻律層理（圖2，照片③），可見雙向交錯層理（圖2，照片⑤），主要反映長期暴露、水動力條件相對較弱的潮上帶環(huán)境。

（2） 大窩坑組沉積構(gòu)造

大窩坑組底部發(fā)育硅質(zhì)礫石層，與下伏亂石溝組沖刷接觸，礫石層具正粒序（圖2，照片⑥），其上鄰層層面發(fā)育浪成波痕（圖2，照片⑦）和帳篷構(gòu)造[35]，反映淺水和間歇暴露的環(huán)境，為潮上帶及潮間帶潮汐水道沉積。大窩坑組局部發(fā)育的鮞粒白云巖（硅化）中發(fā)育大型交錯層理（圖2，照片⑧），為潮下帶高能淺灘環(huán)境的產(chǎn)物。大窩坑組疊層石類型豐富，其中波狀疊層石最為發(fā)育，主要反映能量相對較弱的潮間帶環(huán)境，而少量發(fā)育的紋層狀及錐狀疊層石，則表明其沉積時期該區(qū)同時發(fā)育能量較低的潮上帶和水動力較強的潮下帶環(huán)境（圖2）。

（3） 礦石山組沉積構(gòu)造

礦石山組白云巖中以發(fā)育大量疊層石為特征，疊層石形態(tài)以柱狀、穹窿狀（圖2，照片⑨）及錐狀（圖2，照片⑩）為主，局部發(fā)育少量層狀疊層石，與亂石溝組及大窩坑組相比，該組疊層石規(guī)模有明顯變大的趨勢，特別是穹窿狀疊層石的發(fā)育表明其沉積時期地形起伏變大、疊層石有往生物礁方向發(fā)展的趨勢，總體反映該沉積時期研究區(qū)水體加深、能量增強的特征，主要為碳酸鹽巖臺地邊緣高能環(huán)境。

（4） 臺子組沉積構(gòu)造

神農(nóng)頂剖面臺子組底部主要以一套復成分礫巖與下伏礦石山組沖刷接觸，礫石磨圓較好，其上過渡為角礫狀白云巖及石英砂巖、礫屑灰?guī)r，角礫及石英砂巖碎屑顆粒分選較差，但礫屑灰?guī)r中礫屑分選及磨圓較好、礫屑呈漂浮狀，其間為泥微晶基質(zhì)充填（圖2，照片?）。臺子組中段主要為一套透鏡狀石英砂巖夾灰黑色泥巖，石英砂巖中無明顯層理構(gòu)造發(fā)育，其底部發(fā)育渠模及溝模（圖2，照片?），灰黑色泥巖夾層中普遍發(fā)育水平層理（圖2，照片?），局部發(fā)育管狀黃鐵礦集合體（圖2，照片?），其上部普遍與石英砂巖沖刷接觸。臺子組上段為一套灰黑色泥巖（圖2，照片?），發(fā)育水平層理并富含大量黃鐵礦集合體。薄片分析結(jié)果表明該石英砂巖碎屑顆粒磨圓極好，但分選較差、雜基含量較高（圖4j，k，l），結(jié)合與之共生的灰黑色泥巖中發(fā)育水平層理、黃鐵礦集合體等特征，確定其應為較深水強還原環(huán)境下重力流沉積的產(chǎn)物，而非淺水濱岸帶沉積，但石英碎屑極好的磨圓度指示其主要來源于早先形成的濱岸沉積物。

圖2 神農(nóng)架地區(qū)亂石溝組—臺子組沉積綜合柱狀圖①球狀疊層石；②沙紋層理；③波狀層理、水平層理及韻律層理；④柱狀疊層石；⑤雙向交錯層理；⑥正粒序；⑦波痕；⑧大型交錯層理；⑨穹窿狀疊層石；⑩柱狀、錐狀疊層石；?礫石層；?管狀黃鐵礦集合體；?水平層理；?溝模；?灰黑色泥巖Fig.2 Lithology and sedimentary facies of the Luanshigou Formation￣Taizi Formation in Shennongjia area

3 混合組分特征

混合沉積主要包括4種成因類型，其中間斷混合主要與事件搬運和異地沉積作用有關(guān)，相混合主要發(fā)生在濱岸—潮坪過渡相帶，原地混合一般發(fā)生在陸源泥為主、生產(chǎn)力較高的潮下帶（可能與藻類活動或者無機碳酸鹽巖的沉積有關(guān)）[1,36]，而母源混合則主要與早期碳酸鹽巖沉積區(qū)的暴露和侵蝕有關(guān)。神農(nóng)頂剖面亂石溝組—臺子組混合沉積的分布及其成因類型具有以下特征：亂石溝組及大窩坑組下段屬于相混合，主要發(fā)生在潮坪淺水或暴露環(huán)境，以陸源碎屑分散出現(xiàn)在碳酸鹽沉積中為主（圖2，3、圖4a~f）；伴隨相對海平面的上升和水體逐漸加深，陸源碎屑難以通過波浪及潮流搬運至神農(nóng)頂?shù)貐^(qū)，相混合終止，大窩坑組上段及礦石山組主要發(fā)育清水碳酸鹽巖沉積；臺子組則主要屬于間斷混合沉積，表現(xiàn)為較純的陸源碎屑巖（圖2、圖4g~l）與下伏較純的碳酸鹽巖呈突變接觸，同時伴隨水體的突然變深，其成因與重力流作用有關(guān)[35]。

圖4 亂石溝組—臺子組陸源碎屑特征Ⅰ.燧石，由砂屑發(fā)生硅質(zhì)交代而成，陰極發(fā)光下不發(fā)光；Ⅱ.來自巖漿巖的陸源碎屑石英，陰極發(fā)光條件下發(fā)藍紫色光；Ⅲ.來自巖漿巖的陸源碎屑鉀長石，陰極發(fā)光條件下發(fā)亮藍色光；Ⅳ.來自變質(zhì)巖的陸源碎屑石英，陰極發(fā)光條件下發(fā)棕褐色光；（a，d，g，j）單偏光；（b，e，h，k）正交偏光；（c，f，i，l）陰極發(fā)光Fig.4 Terrestrial debris, Luanshigou and Taizi Formations

神農(nóng)架地區(qū)元古界碳酸鹽巖地層中含大量石英及燧石等硅質(zhì)碎屑，硅質(zhì)組分主要包括陸源碎屑石英、硅化的碳酸鹽顆粒、脈石英及硅質(zhì)巖巖屑等部分（圖3）：硅化的碳酸鹽顆粒極為常見，大部分磨圓度一般或較差的燧石為砂屑硅化而成（圖3a，b，顆粒Ⅱ；圖3e，f，顆粒Ⅴ），局部見交代殘余的白云石（圖3c，d，顆粒Ⅱ），陰極發(fā)光條件下不發(fā)光（圖4a~f，顆粒Ⅰ），少量具殘余核心的圓形燧石為鮞粒硅化所致（圖3e，f，顆粒Ⅳ）；脈石英主要充填于裂縫中，石英晶粒呈鑲嵌狀排列（圖3a，b，脈體Ⅲ）；而陸源碎屑石英通常為磨圓度較高的砂級單晶石英（圖3a，b，g，h，顆粒Ⅰ）。除陸源碎屑石英外，大窩坑組下部混合沉積中還含有大量來自陸源的砂級微斜長石（圖3g，h，顆粒Ⅷ）、鉀長石碎屑顆粒（圖4d~i，顆粒Ⅲ）、沉積硅質(zhì)巖礫石（圖3i，j，顆粒Ⅶ）及花崗巖巖屑（圖3k，l，顆粒Ⅵ）。

圖3 大窩坑組混積巖特征Ⅰ.陸源碎屑石英，單晶，磨圓較好； Ⅱ.硅質(zhì)交代的砂屑（燧石化），部分見交代殘余的白云石；Ⅲ.裂縫充填的脈石英；Ⅳ.硅質(zhì)交代的鮞粒（燧石化），可見殘余鮞粒結(jié)構(gòu)；Ⅴ.硅質(zhì)交代的砂屑（燧石化，部分已重結(jié)晶為石英）；Ⅵ.花崗巖巖屑；Ⅶ.硅質(zhì)巖巖屑，發(fā)育脈石英充填的裂縫；Ⅷ.微斜長石碎屑；（a，c，e，g，i，k）單偏光，茜素紅染色；（b，d，f，h，j，l）正交偏光Fig.3 Characteristics of mixed rocks in the Dawokeng Formation

4 陸源碎屑來源及混積模式

陰極發(fā)光分析對指示石英來源非常有效[37-38]，亂石溝組、大窩坑組及礦石山組混合沉積中陸源碎屑石英主要具藍紫色陰極發(fā)光特征，少量具棕褐色發(fā)光特征（圖4），表明其主要來源于巖漿巖，少量來自變質(zhì)巖母巖，結(jié)合微斜長石、鉀長石、紋層狀硅質(zhì)巖等其他陸源組分的出現(xiàn)，推測亂石溝組—臺子組沉積時期神農(nóng)頂?shù)貐^(qū)鄰近古陸，該古陸應有大量花崗巖出露，兼有少量變質(zhì)巖及沉積巖母巖供給。

臺子組石英砂巖底部大量發(fā)育的溝模及渠模走向玫瑰花圖主要指示NNW—SSE方向（圖5）[39]，表明其沉積時期重力流主要沿該方向流動和搬運，古陸可能位于神農(nóng)頂剖面的西北面或者南東面。神農(nóng)架基底崆嶺群中部被1.85 Ga的圈椅埫鉀長花崗巖體[40]和1.85 Ga的基性巖脈侵入[41]，表明崆嶺群形成時代早于1.85 Ga，理論上具有向神農(nóng)架地區(qū)提供陸源碎屑的能力，即：黃陵地區(qū)秭歸—興山一帶可能為中元古代古陸所在位置，但亂石溝組—臺子組陸源碎屑是否來源于東南部的崆嶺群花崗巖結(jié)晶基底仍有待于更明確的指向構(gòu)造及碎屑鋯石定年等方法進一步佐證。

圖5 神農(nóng)頂剖面臺子組溝模及渠模Fig. 5 Pattern of trenches and channels in Taizi Formation,Shennongding section

亂石溝組及大窩坑組沉積早期，神農(nóng)架地區(qū)屬水體較淺、離古陸較近的陸表海環(huán)境（圖2），風暴、波浪、潮水等均能攜帶大量陸源碎屑進入碳酸鹽巖沉積區(qū)形成“相混式”混積巖，特別是海平面下降時期，陸源碎屑更容易穿越臺地與古陸之間的洼地，因此相混合模式下大量出現(xiàn)的陸源碎屑指示海平面的下降（圖6a）。

大窩坑組沉積晚期及礦石山組沉積時期，神農(nóng)架地區(qū)水體逐漸加深，神農(nóng)頂一帶以發(fā)育清水碳酸鹽巖沉積為特征，疊層石大量發(fā)育（圖2）。中元古代，神農(nóng)架地區(qū)所在的揚子臺地北緣主要為被動大陸邊緣，拉張的構(gòu)造背景導致神農(nóng)架地區(qū)水體不斷加深，在研究區(qū)與古陸之間開始出現(xiàn)較深的洼地，陸源碎屑再難以搬運至神農(nóng)頂一帶（圖6b）。

臺子組沉積時期，持續(xù)的構(gòu)造拉分作用導致水體進一步加深，研究區(qū)已演變?yōu)殛懢壓Ｉ钏h(huán)境，而非濱岸—淺緩坡相[33]，臺子組“石英砂巖”應為碎屑流沉積而非碎屑潮坪，臺子組暗色泥巖應為深水陸棚泥而非潟湖沉積。臺子組碎屑磨圓好、分選差、雜基含量高的“石英砂巖”主要為不同粒度的淺水濱岸沉積再次搬運至異地深水區(qū)堆積的結(jié)果。這一沉積時期，早前濱岸帶沉積的石英砂巖可能受斷層影響發(fā)生崩塌，大量未固結(jié)的濱岸帶不同亞相帶的砂、粉砂及泥質(zhì)沉積物混雜在一起，并以碎屑流方式向研究區(qū)搬運（圖6c），與深水安靜環(huán)境下發(fā)育水平層理的灰黑色泥巖共生，形成了臺子組間斷式混合沉積的剖面結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖6 神農(nóng)架地區(qū)亂石溝組—臺子組沉積模式圖Fig.6 Sedimentary model of Luanshigou Formation￣Taizi Formations, Shennongjia area

Dickinson[42]將被動大陸邊緣的構(gòu)造演化分為新生洋盆、窄大洋、開闊洋盆及陸堤4個階段，神農(nóng)架地區(qū)亂石溝組—臺子組混合沉積的分布特征和混合沉積的類型主要與被動大陸邊緣的構(gòu)造演化有關(guān)：亂石溝組及大窩坑組沉積早期，揚子臺地北緣尚處于窄大洋演化階段，構(gòu)造相對穩(wěn)定，臺地與古陸之間海底地形平緩、水體較淺，來自古陸的碎屑容易搬運至臺地區(qū)，形成相混合式沉積；大窩坑組沉積晚期及礦石山組沉積時期，揚子北緣開始強烈拉張，進入開闊洋盆演化階段，臺地區(qū)與古陸區(qū)及陸源碎屑海岸由較深水分隔，臺地區(qū)主要發(fā)育清水碳酸鹽沉積；礦石山組沉積晚期及臺子組沉積時期，持續(xù)的拉分最終導致濱岸帶沉積物重力流的形成，發(fā)育間斷式混合沉積。

神農(nóng)架地區(qū)亂石溝組—臺子組巖性自下而上呈“相混合—清水碳酸鹽沉積—間斷混合”的組合特征表明：與拉張背景相關(guān)的箕狀斷裂自臺地→古陸方向逐漸擴展，大窩坑組沉積早期發(fā)生的斷裂造成了神農(nóng)頂?shù)貐^(qū)與古陸之間的分裂和“相混合”的終止，而臺子組沉積時期發(fā)生的斷裂導致濱岸帶沉積垮塌形成重力流并搬運至神農(nóng)頂深水區(qū)、形成“間斷混合”，否則，如果古陸方向濱岸帶首先發(fā)生斷陷，那么伴隨水體的不斷加深，研究區(qū)“相混合”之后應隨之發(fā)生“間斷混合”。

5 結(jié)論

（1） 神農(nóng)架地區(qū)相對海平面的上升導致亂石溝組—大窩坑組相混合終止，而后期構(gòu)造拉張導致濱岸帶沉積物崩塌是形成臺子組間斷混合沉積的重要原因。

（2） 神農(nóng)架地區(qū)亂石溝組—臺子組沉積時期，揚子北緣構(gòu)造拉張形成的一系列箕狀斷層自深水區(qū)向淺水區(qū)和古陸方向逐漸擴展。

（3） 亂石溝組—臺子組沉積時期為揚子臺地北緣由窄大洋向開闊洋盆演化的重要時期，臺子組沉積之后，神農(nóng)架地區(qū)徹底與古陸分隔，包括野馬河組、溫水河組、石槽河組、送子園組及瓦崗溪組在內(nèi)的中元古界上部地層，基本不再發(fā)育細砂級以上的陸源碎屑。