鄂东南地区下三叠统风暴成因类型及特征

鄂东南地区下三叠统风暴成因类型及特征

随着keell等人的提出和阿格尔重新定义风暴岩后，风暴岩成为国内外学术界的研究热点。Einsele等对风暴沉积进行了系统总结,并发表了大量有关风暴岩,尤其是古生代以来海相碳酸盐风暴岩的论著。国内对华南地区三叠纪的风暴岩也有报道,前人的研究主要从风暴流及风暴碎屑流的沉积特征等方面进行了深入研究,笔者着重从鄂东南地区早三叠世不同类型的风暴沉积序列入手,对不同类型风暴岩和风暴浊流沉积的环境意义予以探讨。1不同类别地层的日进程鄂东南包括黄石市、咸宁市、赤壁市和大冶、阳新、通山等县(图1)。三叠系在研究区内广泛发育,包括下三叠统大冶组、嘉陵江组,中三叠统蒲圻群和上三叠统鸡公山组。风暴岩主要发育于大冶组和嘉陵江组。大冶组可分为4段:第一段以黄绿色页岩夹瘤状泥质灰岩为主;第二段为灰黄色、灰色薄层瘤状泥质灰岩、页岩夹中层-厚层竹叶状灰岩和砂屑灰岩;第三段为灰色薄层状泥质灰岩、钙质页岩、韵律状灰岩-页岩;第四段为中厚层-厚层状泥晶灰岩、砂屑灰岩、白云岩化灰岩、角砾状灰岩和鲕粒灰岩。朱利东等的研究结果表明,大冶组第一段中下部含大量双壳类、头足类、腕足类化石,主要有头足类化石Hypophicerassp.,Lytophicerassp.,Ophicerassp.,Paranoritescf.ovalis,Flemingitessp.等;双壳类化石Claraiasp.,C.griesbachi,C.wangi,C.concentrica,C.radialis,C.aurita,Bekevelliapannonica等;腕足类化石Cathasissinuate,Waagenitesbarusiensis等,其时代为早三叠世早期(格里斯巴赫期-亭纳尔期)。第一段上部—第四段含头足类化石Paranoritescf.ovalis,Koninckites?sp.,Pseudosagecerasstriatum,Xinodiscoidescf.planatus,Flemingitessp.;双壳类化石Claraiaaurita,Pleuronectitessp.,Posidoniasp.和牙形石Neospathoduswaageni等,其时代为早三叠世晚期(史密斯期—斯派斯期)。嘉陵江组可以分为5段:第一段以灰白色、灰色中厚层状白云岩、白云质灰岩、泥晶灰岩、内碎屑和生物碎屑灰岩为主;第二段为灰色中厚层状泥晶灰岩、碎屑灰岩;第三段为暗灰色中厚层-厚层状白云岩、含石膏假晶白云岩、膏溶角砾岩;第四段为灰色中厚层状泥晶灰岩、碎屑灰岩;第五段为浅灰色中厚层-厚层状白云岩、含石膏假晶白云岩、膏溶角砾岩。嘉陵江组化石稀少,在大冶铁山和阳新大王殿一带第五段中获得牙形石化石Hindeodellasuevica,Neospathodushomeri,N.triangularis,Neohindeodellasuevica,N.Triassia,Enantiognathussp.,Cypridodellasp.,Xaniognatussp.,其时代为早三叠世晚期。2风暴侵蚀构造鄂东南地区早三叠世风暴岩主要为各种竹叶状砾屑灰岩,在大冶组第一、二段较发育,在大冶组第三、四段和嘉陵江组局部发育。风暴成因的竹叶状砾屑灰岩为未完全固结的碳酸盐岩在风暴高峰期被风暴撕裂、扯起、打碎后沉积形成的。砾石成分多为泥晶灰岩,夹有少量的含鲕粒砾屑。砾屑形态多呈椭圆形、长条形、棱角形,以长条形为主。砾石最大为9.5cm×4.5cm,长度以2.0～3.0cm为主;分选性差,磨圆度中等。砾屑沿长轴定向排列(顺层排列),局部砾屑呈风暴作用特有的菊花状、倒“小”字状排列。风暴沉积中发育一系列风暴作用形成的特殊沉积构造,即风暴侵蚀构造、风暴撕裂构造、风暴浪构造、风暴涡流构造、风暴浊流构造及风暴期后快速沉积构造等。(1)风暴侵蚀构造是由风暴涡流、潮流、回流以及风暴重力流对海底沉积物进行冲刷、削切、掏蚀、撕扯而留下的各种侵蚀充填构造。鄂东南地区早三叠世风暴岩的风暴侵蚀构造主要有渠铸型构造和冲刷面构造。渠铸型构造主要发育于大冶沙田、黄石黄荆山大冶组第二段风暴沉积底部,规模较小,长可达40mm,深约为18mm,充填物以钙质砾屑为主(图2-A)。冲刷面构造主要发育于鄂东南各风暴岩底部和大冶沙田风暴浊流沉积底部,冲刷面呈波状起伏,冲刷面之下冲刷截切下伏岩层,冲刷面之上为异地钙质砾屑。(2)风暴撕裂构造仅发育于黄石黄荆山大冶组,其突出特征是砾屑层与下伏岩层无明显界线,露头剖面上可见砾屑多呈弯曲状、不规则状(图2-B)分布,为风暴涡流将原地半固结岩层击碎、卷起,部分砾屑被带走,其余砾屑迅速堆积而形成的。(3)风暴浪构造主要包括丘状交错层理、洼状交错层理、平行层理等构造,主要见于黄石黄荆山和大冶沙田等地。丘状或洼状交错层理的主要特征为各层组有一低角度的侵蚀剖面并以低角度斜交(一般<15°),纹层上凸的为丘状交错层理,纹层下凹的为洼状交错层理,Dot和Bourgeois于1982年认为这是特大波浪作用的产物。大冶组丘状、洼状交错层理可以分为简单式和复合式2种类型。简单式为单个层系组成单个丘状体,单个丘状体长50～100cm,高1.5～4.5cm,纹层平缓,与平行层理相互过渡演化。复合式由2个或2个以上丘状体叠置而成,丘状体间常具截切关系,单个丘状体长50～120cm,高5～8cm。丘状、洼状交错层理常发育于风暴层序上部的钙质砂屑灰岩中。(4)风暴涡流构造主要表现为上旋流水构造,是风暴沉积特有的沉积构造。鄂东南地区的多向流水构造主要有放射状、菊花状、倒“小”字状构造等(图3),发育于黄石黄荆山、大冶沙田、阳新新屋铺和大王殿、通山枫梓山、赤壁火车站等地的大冶组风暴层段中。放射状、倒“小”字状构造由竹叶状砾屑排列而成。放射状、菊花状、倒“小”字状构造反映水流具有旋转、向上的力,一般认为,只有风暴涡流才能提供这种水动力,因此,通常认为它是风暴作用唯一的、典型的识别标志。(5)风暴浊流构造主要形成于与典型风暴沉积共生的具块状层理(图2-A)、递变层理的砾屑灰岩—砂屑灰岩中,并形成完整或不完整的鲍马序列(图4-d)。大冶沙田、黄石黄荆山发育完整的具鲍马序列的砾屑灰岩—砂屑灰岩,为典型的风暴浊流沉积。(6)风暴期后快速沉积构造主要表现为风暴过后细粒悬浮物快速沉积形成的块状层理。同时风暴停息后生物在刚沉积的灰泥上觅食、栖息而形成扰动构造。块状层理和生物扰动构造主要发育于大冶沙田的大冶组风暴层段顶部,由含泥质泥晶灰岩构成,层面上生物扰动强烈。3岩相类型及序列一次风暴事件的水动力条件变化,塑造了各阶段对应的沉积层序和沉积特征。鄂东南地区三叠系风暴沉积层序包括A、B、C、D、E、F、G7种岩相类型:A为具块状层理的竹叶状砾屑灰岩;B为具递变层理的砾屑灰岩;C为具丘状、洼状交错层理和平行层理的砂屑灰岩;D为具平行层理的砂屑灰岩;E为具波痕交错层理的砂屑灰岩;F为具水平层理的粉屑灰岩;G为具块状或水平层理的泥状灰岩。它们组成以下4种典型的风暴沉积序列:风暴潮序列(序列1);潮下带风暴流序列(序列2);内陆棚风暴流序列(序列3);外陆棚风暴浊流序列(序列4)。(1)潮上带具鸟眼构造的白云岩、模式见于通山枫梓山嘉陵江组第一段,其背景沉积为典型的碳酸盐潮坪序列(图4-A)。潮坪沉积包括潮上带具鸟眼构造的白云岩、潮间带具鸟眼构造的藻纹层白云质灰岩、潮下带具均质层理的灰岩。风暴沉积的块状竹叶状砾屑灰岩夹于潮间带藻纹层白云质灰岩中部,砾屑灰岩厚约75cm,底界面为冲刷侵蚀面。竹叶状砾石大多平行层面排列,可见放射状排列,反映为风暴潮波及潮坪形成的风暴沉积。(2)风暴沉积单元见于黄石黄荆山、阳新龙港新屋铺大冶组上部,其背景沉积为潮下带的含砂屑的泥状灰岩。在黄荆山剖面该风暴序列厚为75cm(图4-b),包括A、D、E、G4个沉积单元:A为具块状层理的竹叶状砾屑灰岩(底面为冲刷侵蚀面或冲刷渠);D为具平行层理的砂屑灰岩;E为具波痕交错层理的砂屑灰岩;G为具水平层理的泥状灰岩。该风暴沉积的竹叶状砾石一般长3～5cm,最大长度可达12cm,厚1～2cm。砾石的定向排列不明显,常见放射状、涡旋状排列,反映以风暴涡流为主的沉积。平行层理的灰岩代表风暴作用衰减过程中的高能沉积;波痕交错层理的灰岩为风暴过后的正常波浪改造沉积。该沉积序列为风暴影响正常浪基面以上的潮下带的近源风暴沉积。(3)具状层理的基岩其广泛分布于鄂东南各地,在大冶沙田、黄石黄荆山、阳新大王殿和龙港新屋铺、赤壁火车站的大冶组第二段最为典型。其背景沉积为陆棚相的水平层理泥状灰岩或泥质条带灰岩。该层序厚40～60cm,包括A、C、G3个沉积单元:A为具块状层理的竹叶状砾屑灰岩(底部为冲刷侵蚀面或冲刷渠)(图2-A);C为具丘状、洼状交错层理和平行层理的砂屑灰岩;G为具块状或水平层理的泥状灰岩(图4-c)。具块状层理的竹叶状砾屑灰岩中砾石大小一般为1～5cm×0.5～1.0cm,可见厚度为20～40cm的撕裂状砾石,砾石大多平行层面排列,局部呈菊花状、倒“小”字型排列(图3)。具丘状、洼状交错层理和平行层理的砂屑灰岩厚度为5～15cm,简单式或复合式丘状、洼状交错层理较发育,局部发育平行层理。具块状或水平层理的泥状灰岩厚度为10～30cm,其内常见生物扰动构造。该层序的风暴浪成因的丘状交错层理和内陆棚相薄板状泥质灰岩的背景沉积反映其为风暴浪基面和正常浪基面之间的风暴流沉积。(4)积序列岩相类型仅见于大冶沙田大冶组第二段下部(图4-d)。其背景沉积也是陆棚相的水平层理泥状灰岩或泥质条带灰岩。该沉积序列厚度为110cm,包括B、D、E、F、G5种岩相类型:B为具递变层理的砾屑灰岩(底部为冲刷侵蚀面);D为具平行层理的砂屑灰岩;E为具波痕交错层理的砂屑灰岩;F为具水平层理的粉屑灰岩;G为具块状或水平层理的泥状灰岩,上述岩相类型组成典型的鲍马序列,代表风暴影响外陆棚(风暴浪基面之下)的风暴浊流沉积。4风暴作用及沉积相风暴作为一种热带海洋气旋,多形成于南、北纬5～20°的热带洋面上,其影响范围可达南、北纬35°(如西北太平洋)到40°(如北大西洋)。风暴多形成于海温较暖期间,北半球多形成于7～11月,南半球多形成于1～3月。风暴为暖性低压,其地面流场为气旋式复合流场,在卫星照片上显示它是一条螺旋形云带。风暴具有巨大的能量,其风速一般为40～60m/s,最大可达110m/s。风暴引起的风暴潮流的流速可达2m/s(1961年墨西哥湾)。在水下6m深处,风暴流流速仍可达1.6m/s(1969年8月“卡米尔”飓风),而正常天气的海流速度仅为0.1m/s。由于风暴为气旋式涡旋,其风暴中心附近引起的风暴流具有较大的侵蚀力和负荷力,可以搬运较多的沉积物。凡风暴经过的地区,都会受到风暴或多或少的干扰。但风暴对滨岸浅海及湖泊区影响更显著,风暴产物也最易于保存在地质记录中。对风暴结构的研究表明,对下伏水体影响最大的是风暴低层气流流入层,该层大气呈涡旋式流动,并有向内的气流作用。因此该层气流与水体表面摩擦就形成强大的涡流层,该涡流层除存在与气流涡流一致的大涡流外,内部还包含一系列不规则的、大小不等的小规模涡旋。风暴涡流是贯穿风暴作用始终的一种重要的动力作用,广泛作用于风暴浪基面以上的不同地带。除了风暴涡流外,风暴潮流是风暴作用于水体引起的另一种重要流体。风暴潮面可比正常高潮面高6m以上,因此风暴潮流、风暴回流、风暴浪、风暴触发的沉积物重力流可影响到潮上—陆棚下部的不同地带。各风暴作用的流体在风暴的不同部位是不同的,在风暴浪基面之上,为风暴作用带,该带风暴流可触及海底沉积物;在风暴浪基面之下,风暴流不触及海底,为风暴浊流作用带。在正常高潮面之上主要为风暴潮作用,因此称风暴潮作用带。在正常浪基面以上虽然风暴作用强烈,但风暴浪形成的丘状交错层理由于受风暴后正常波浪的影响而保存不好;在正常浪基面与风暴浪基面之间由于在风暴过后不受正常波浪的影响而保存完好。不同环境单元的风暴作用方式如表1所示。鄂东南地区早三叠世风暴沉积记录了自潮坪到风暴浪基面以下各环境单元不同类型的风暴沉积,保存了不同类型的沉积构造和沉积组构,形成不同类型的沉积序列(表1,图5)。从背景沉积看,鄂东南地区下三叠统大冶组—嘉陵江组为一向上变浅的充填序列,从大冶组第一段—第二段底部的外陆棚沉积、大冶组第二段上部—第三段的内陆棚沉积、第四段的内陆棚—潮下带沉积,到嘉陵江组的碳酸盐岩潮坪和局限盆地的交互沉积,自大冶组到嘉陵江组第一段的这些沉积均受风暴影响而形成风暴沉积。其中大冶组第二段下部保存了深陆棚背景下形成的具鲍马序列的风暴浊流沉积;大冶组第二段上部为中陆棚背景下的典型风暴流沉积,具典型风暴流沉积的三单元序列结构;大冶组第三段为浅陆棚背景下的风暴流沉积,发育