黔南石炭纪层序地层研究

黔南石炭纪层序地层研究

0加强层序地层研究的地质工作自1978年exoliven等人提出以来，八年前，经过vail、sun、michum、vaggor、sarg、haq和lootit等许多科学家的发展和完善，它形成了一个完整的理论体系，并在实际应用中取得了显著成功。这是国内外地学界的热门话题。然而，碳酸盐岩层序的层析成像相对较弱。在沉积层秩序、海平面变化驱动机制以及不同相带之间的层序比较方面存在不同的认识。研究区内的石炭系,前人已做过许多生物地层和岩相古地理工作,具较高的研究程度,但尚无开展层序地层学研究的报道.笔者以露头层序地层学原理和方法为指导,通过1993年春、夏两次野外工作,测制剖面1500余米,采集标本约500块,室内工作中鉴定薄片147片,对马平组的部分标本做了碳、氧同位素和阴极发光测试.在上述工作的基础上,对研究区石炭纪的层序地层和海平面变化有了新认识,特别是对马平组碳酸盐岩中存在冰川型全球海平面变化的研究,获得了重要的进展.1层序地层界线问题研究区位于黔南,包括独山和贵阳乌当(图1).前者石炭系发育完整,研究程度较高,是我国下石炭统分层的标准.岩性除下石炭统的汤耙沟组和祥摆组出现较多碎屑岩外,余者均以碳酸盐岩为主.石炭纪时研究区属于浅海环境,早石炭世主要为局限一半局限台地相、滨岸沼泽相沉积,早石炭世末到晚石炭世为开阔台地相沉积.区内化石丰富,以底栖腕足、珊瑚及为主,已建立可进行区域对比的化石带.石炭系底界究竟划在何处,历来争论较大.笔者根据野外剖面露头沉积层序分析,参考邻区同期层位牙形类和孢子组合研究成果,认为石炭系底界放在Cystophrentis带之上更为合理,也便于同国际统一划分方案接轨.但精确的年代地层界线与层序地层界线之间的关系尚待进一步深入研究.国内以往将石炭系顶界置于梁山煤系之底.本文采用国际上流行的方案,以Pseudoschwagerina出现作为二叠系开始.考虑到马平组为一套碳酸盐岩,故仍将其作为一个整体进行沉积层序分析.2型层序界面.我们根据露头层序地层学原理和方法,结合研究区石炭系不同阶段岩石沉积组构的具体特点,分别采用重视沉积层序关键界面(keysurface)和沉积体系域配套或副层序(parasequenoe)微相和叠置型式研究之不同途径,并参考黔南、桂北间台地和斜坡相带的可对比性,首次在石炭系内识别出10个三级层序.其中岩关阶2个、大塘阶3个、威宁阶2个、马平组3个(见图2).下面分别介绍有关层序的主要特征及划分依据.层序1位于岩关阶下部,与之相对应的岩石地层单位是汤耙沟组近底部含Pseudouralinia灰岩到中部厚层石英砂岩.层序底界主要表现为:(1)下伏层序高水位体系域,顶部为厚约10m的灰黑色似瘤状灰岩(属汤耙沟组底部),含有高达70%～90%的藻粪粒和少量有孔虫,生物地层上处于Cystophrentis-Pseudouralinia间隔带层位,是一次重要海退事件的反映.该层位可与长顺睦化剖面上泥盆纪末期海退相长顺页岩对比,是全球性海退事件的良好标志.(2)区域上汤耙沟组上超在下伏地层之上.(3)以Pseudouralinia为代表的石炭纪新生动物群出现.从区域资料看该层序底界可能属Ⅱ型层序界面.海进体系域(TST)由半局限台地相的泥晶灰岩、粉砂质页岩构成向上变浅的韵律层,在其林寨剖面上,野外统计达87个之多.部分泥晶灰岩底部可见海泛冲刷面,代表副层序的界面,其形成机制待进一步研究.剖面自下而上,灰岩比例增多,泥岩比例减少,反映海水加深过程.相当最大海泛面(以下简称mfs)的层位出现灰黑色瘤状泥晶灰岩,富含保存完整的腕足类化石(图版Ⅰ,7).高水位体系域(HST)由泥晶灰岩、含粉砂质页岩和石英砂岩组成,化石稀少.区域资料表明石英砂岩分布不稳定,横向上相变为灰岩,可能是HST末期由北侧古陆带来的少量陆源碎屑透镜体.层序2位于岩关阶上部,与之相对应的岩石地层单位为其林寨汤耙沟组上部,自铝土质页岩开始到顶部灰岩结束.该层序底部的薄层含粉砂的铝土质页岩为TST的开始,它的存在与先前陆上暴露密切相关.区域上未见有河流相沉积及河谷下切现象,属于Ⅱ型层序.TST铝土质页岩之上为含大量泥质和粉砂质的页岩状泥晶灰岩,腕足、海林檎等生物化石繁盛.与最大海泛面相当的层位由黑色粉砂质页岩组成,腕足类化石富集,保存完好.HST由灰黑色中层状泥晶灰岩、含燧石团块泥晶灰岩及少量页岩组成.该层序内部次级旋回性较差,且中上部覆盖较多,副层序识别有一定困难.层序3位于大塘阶下部,与之相对应的岩石地层单位包括祥摆组、旧司组及上司组下部灰岩段.区域上祥摆组砂岩上超在不同时代的地层上,为Ⅰ型层序.TST下部是潮坪—海滩环境的石英砂岩夹粘土岩、砂质页岩、黑色炭质页岩和薄煤层(祥摆组).在独山至平塘公路334.5km处砂岩SiO2含量高达98%,是典型的TST海滩砂沉积.TST上部由旧司组下部含燧石团块的泥晶灰岩和页岩组成.与最大海泛面相当的层位由黑色页岩夹少量泥晶灰岩为代表,化石丰富,其中珊瑚、腕足类富集成层,并含角石.HST由中厚层泥晶灰岩组成(上司组的下灰岩段),含大量Kueichouphyllum等,近顶部在惠水一带发育藻纹层灰岩,反映水体变浅的趋势.层序4对应的岩石地层单位是上司组砂页岩段和上灰岩段.层序底界为Ⅱ型序层界面.TST下部由具交错层理的厚层细粒砂岩组成,上部为泥晶灰岩.TST开始出现Hexaphyllia.Aulina等新分子.与最大海泛面相当的层位由薄层瘤状泥晶灰岩组成.HST下部主要由中厚层泥晶灰岩组成,灰岩中燧石团块顺层分布,上部为具藻纹层的白云质灰岩,是海退阶段的产物(图版Ⅰ,5).层序5对应的岩石地层单位是摆佐组.区域上有些地方缺失上司组,并形成摆佐组上超,是Ⅰ型层序.在独山至平塘公路小于330km处TST底部海侵面之上为绿、紫色泥质岩,厚约20cm.上覆的白云质灰岩岩层厚度向上变薄,至含密集燧石结核成层分布的部位,可能相当于最大海泛面的层位(图版Ⅰ,6).HST由厚层白云岩组成.层序6对应的岩石地层单位是滑石板组、达拉组底部.在独山至平塘公路上见到滑石板组与摆佐组之间存在不平整接触面,层序底界为Ⅰ型层序界面.TST是由中厚层含生物碎屑微晶灰岩组成.与最大海泛面相当的层位为深灰色含菊石灰岩.HST由厚层白云岩和灰岩构成,内部次级旋回尚待进一步研究.本层序顶部的厚层白云岩与下伏灰岩间界线清晰,目前归入达拉组底部.层序7对应的地层单位为达拉组大部.层序底界暂称SB1面.TST主要是由中厚层生物碎屑灰岩组成,在独山—平塘公路329.1km处可见明显海侵冲蚀面.与最大海泛面相当的层位由中层含单体珊瑚的灰岩组成,珊瑚成层分布.HST由厚层灰岩、白云岩组成,偶夹泥质岩薄层,上部有腹足类富集层,为局限台地环境条件下的沉积.2.2层序界面与沉积体系域马平组剖面位于独山至平塘公路二层坡(328.1～328.8km)一带(图1),地层出露完整,生物化石丰富,具明显的旋回性(图版Ⅰ,5).前人曾划分出11个沉积旋回,但总体上看碳酸盐岩组构较为单调,沉积层序关键界面的物理标志不很明显,需要从碳酸盐岩微相和旋回性分析入手,首先建立以海泛面为底界的副层序,进而根据副层序叠置方式判别沉积体系域,并结合多学科手段确定层序界面.遵循上述高分辨率层序地层学研究的技术路线,共识别出3个三级层序和30个副层序.由于马平组顶部存在水平距约20m的覆盖,实际上副层序数量可能略多于30个(图3).马平组内旋回性基本层序发育良好,其岩性自下而上依次为:含少量生物屑微晶、泥晶灰岩,含单体珊.瑚微、晶、亮晶生物屑灰岩,含微晶、亮晶生物屑灰岩,含藻团块和具鸟眼构造、藻纹层泥晶灰岩.岩性与生物组合特征反映了上述基本层序是由开阔台地潮下到潮坪环境的演变过程,潮上带具有暴露及淡水淋滤标志(图4).间断加积旋回(Punctuatedaggradationalcycles)的特征是每一旋回底部界面均为他成因造成的沉积间断面,代表沉积环境的突然变化.分析马平组内的旋回性基本层序可知其均属PAC旋回,每一旋回自底部海泛面开始,海水突然加深,然后向上逐渐变浅(图3、4,右侧).这样一个以海泛面为底界的向上变浅的旋回也代表一个副层序.纵观马平组内30个副层序界面,可以发现各个副层序顶部岩石组合类型保存情况并不相同(图3),有的保存了图5所示的完整序列(如副层序9),有的只保存含灰岩和泥晶灰岩(如副层序17),有的则仅保存含单体珊瑚灰岩(如副层序4).这种现象可能由上覆副层序底部海泛面的明显海侵侵蚀作用所引起.Weimer1988年曾指出,海平面上升和海水入侵过程中,临滨带和浅水陆架区可以形成明显的海侵侵蚀面(TSE),对下伏地层的侵蚀程度最多可达10m,应当指出,马平组内PAC旋回所具有的快速海侵和缓慢海退特征,恰好与大陆冰盖消长周期中快速融化和缓慢增长的机制相一致.因此,马平组内副层序底部海侵侵蚀面的意义值得重视.在四级PAC旋回发育的马平组碳酸盐岩内,我们可以根据单个副层序内部微相序列保存完整程度、厚度大小和类化石演化特征,建立起代表三级海平面变化趋势的副层序组根据这种副层序叠置型式可以确定三级层序的边界及其内部的沉积体系域.根据传统的(Exxonian)层序模式,完整的层序是由低水位体系域(LST)或陆架边缘体系域(SMST)、海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)三部分组成.但在碳酸盐台地或缓坡层序模式中往往只见到海侵体系域和高水位体系域,低水位体系域以大型塌积角砾岩形式出现于斜坡趾部位(图5),陆架边缘体系域罕见.另外,碳酸盐台地或缓坡水深较浅,例如镶边台地边缘大都小于10m冰期中的海平面变化幅度较大(60～100m±),几乎都形成Ⅰ型层序界面.上述特征在黔南、桂北马平组及相当层位内都有典型的反映.分析马平组内3个层序的副层序叠置型式与沉积体系域关系,我们看到有这样的规律(图6):(1)TST内副层序均表现为向上变厚趋势,并且潮下环境泥晶灰岩比例高于潮坪环境的藻灰岩,为退积型副层序叠置型式,反映了TST内一系列副层序由下至上可容纳空间逐渐增加.(2)HST在碳酸盐台地或缓坡背景下较为发育,根据副层序的叠置型式又可分为早期高水位阶段(EHST)和晚期高水位阶段(LHST).EHST主要表现为仍以厚的潮下环境泥晶灰岩为主,但可容纳空间已不再增加,如副层序14～15.LHST表现为副层序的厚度明显变薄,潮坪环境灰岩比例超过潮下环境灰岩,并伴有上覆海侵侵蚀面造成的副层序发育不全,如副层序16～17.Tucker将潮坪相发育薄的副层序视为低水位期产物,我们认为这值得商榷.从图5的层序模式可知在碳酸盐台地范围内,一个层序只是由TST和HST构成.因此将容纳空间变薄的副层序视为晚期高水位阶段产物,可能更为合理(图6).前人认为在威宁阶和马平组之间应存在由冈瓦纳大陆冰川事件引起的海退事件,但这一物理界面一直未能在地质上检索到[121.我们通过两次野外调查,在独山至平塘公路328.89km处,首次在马平组和威宁阶之间发现了明显的地层结构转换面(图版Ⅰ,2)和上超面(图版Ⅰ,1),前者出露在公路北侧对面峭壁上,可见马平组中厚层灰岩(TST)与达拉组巨厚层白云质灰岩(HST)截然相接.后者见于公路南侧328.8km处的陡壁上,表现为马平组底部中厚层灰岩(TST)向东北上超在达拉组顶部巨厚层白云质灰岩(HST)之上.室内化石鉴定发现,上超面之下为Fusulina-Fusulinella带,而上超面之上为Triticites带,层序界面与生物地层界线吻合.另外,碳同位素δ13C‰)测定结果表现为由达拉组顶的正值到马平组底的负值(图3).确证了该上超面是由于冰川消长引起的海平面下降和再次上升阶段的产物.层序8的底界为Ⅰ型层序界面,表现为上超面.层序界面特征前已述及,在此不再赘述.层序9的底界为Ⅰ型层序界面,划在层序8的第10个副层序之顶(图3),表现为具鸟眼构造的藻纹层泥晶灰岩,代表潮上暴露的沉积环境.碳同位素(δ13C‰)呈负的最大值(图3).暴露面之上的副层序11底部为具棱角的粒屑灰岩,是快速海侵背景下的潮下环境产物.层序界面之上Triticites明显繁盛.层序10的底界为Ⅰ型层序界面,划在层序9的第17个副层序之顶(图3),表现为富含的含泥质较高的薄层灰岩(图版Ⅰ,4).副层序16、17的厚度较其他副层序明显减薄,并且发育也不完整,是遭受快速海退和海侵侵蚀叠加作用的结果,碳同位素(δ13C‰)表现为由正值向负值变化.层序界面之上Pseudoschwagerina首次出现.层序10顶有轻微覆盖,与上覆煤系地层——梁山组间为Ⅰ型层序界面.层序10内部副层序22处也出现碳同位素负异常,其意义尚待查明.独山地区以北的贵阳乌当剖面(图7,左一),位于黔北古陆边缘近岸带,岩关期尚无沉积,大塘期发育滨岸碎屑夹煤线和碳酸盐岩.据彭茂华等1986年所测的田坝头剖面资料,在总厚度仅32m的地层中,很可能存在相当于独山地区旧司组至上司组层位的2个层序,前者不整合超覆在上泥盆统尧梭组之上,底部出现3～4cm褐铁矿风化壳沉积物,TST含粉砂粘土岩中存在早韦宪期孢子组合,HST出现厚层白云岩和石英岩.后者的TST中富含上司组珊瑚、腕足类,顶部可能缺失HST相应层位.在马角沟一带我们见到摆佐组直接覆盖在大塘期碎屑岩之上,有可能只保存前一个层序.马角沟出露的摆佐组底部为7cm厚的薄层泥岩,风化后呈黄绿、紫红色,代表一个层序底部海侵超覆面上的TST沉积,与独山地区有类似之处.摆佐组主体为厚层白云质灰岩和白云岩,具风暴成因的包卷层理等,代表HST近岸潮下—潮间环境.摆佐组顶部见到凹凸不平的古喀斯特面和红色古风化壳残留物,在下伏的HST块状白云岩中,方解石晶洞顺层发育,上覆中厚层白云质灰岩层理清晰,代表新的TST产物(图版Ⅰ,8).显然,此古喀斯特面是石炭纪中期大规模海退的重要见证.乌当地区由于位处古陆边缘部分,与独山地区相比陆上暴露标志更为清晰.乌当地区摆佐组之上的白云岩和白云质灰岩以往笼统地归入晚石炭世早期,并认为不存在马平期沉积.我们在这套白云岩、白云质灰岩内部也发现2个清楚的古喀斯特面,均伴生有红色古风化壳残积物,很可能代表独山地区达拉组下部和马平组底部的层序界面(图7,左侧),但尚需通过生物地层研究予以验证.独山地区以南的桂北宜山、南丹一带,位于斜坡和盆地环境.据冯庆来(见本期)研究证明,岩关阶和大塘阶也有5个层序,可以分别和独山地区台地环境的层序对比(图7,右二).笔者通过桂北六寨附近斜坡带南丹组的工作,也证实存在3个层序,各个层序底部出现LST灰岩角砾层,角砾直径达10～20cm,层序顶部为HST灰岩.据现有化石资料,南丹组3个层序(图7,右一)可与独山地区台地部位的马平组3个层序对比(图7,左二).上述初步研究成果启示了黔南和桂北不同古地理部位、不同岩相类型之间的三级沉积层序可以进行对比,显示了层序地层学具有巨大的理论意义和实用价值.4不同级别旋回北美中大陆晚石炭世(Pennsylvanian)地层历来以旋回性清晰和研究历史悠久而闻名于世.80年代以来旋回地层学和层序地层学研究也获得了巨大的进展.Ross等根据海岸上超记录的统计,将北美中大陆晚石炭世的17次海侵-海退旋回视为沉积层序.Heckel则在上石炭统内进一步区分出大、中、小不同级别旋回,并估算出大型旋回延续时间达235～400ka,小型旋回为40～120ka,分别得出接近米兰科维奇轨道参数的偏心率和斜度周期结论.应当指出,北美中大陆晚石炭世数量众多(>55个)的沉积旋回并不代表三级层序,一般视为四级至五级层序,甚至认为属于四级至六级旋回,北美中大陆上石炭统内由于高频率层序十分发育,关于三级层序的建立反而缺乏报道.黔南独山地区麦粒带内识别出的沉积旋回与北美中大陆同期的沉积旋回具有以下共同点:(1)都有17个旋回,同属Pseudoschwagerina带之下的Triticites(Tr)带范围,延续时间均为9Ma(295～286Ma);(2)都具快速海侵—缓慢海退的间断加积旋回(PAC)性质;(3)Triticities带最顶部的旋回中都缺乏海退期沉积记录.据此,黔南和北美中大陆间Triticites带的17个沉积旋回可以进行对比,是当时存在冰川型全球海平面变化的有力证据.4.2层序形成机制黔南地区麦粒带中各类沉积旋回所代表的层序地层级别意义和北美中大陆不同,显然和两地所处的大地构造环境及其构造沉降、沉积速率条件差异有关.北美中大陆晚石炭世处于毗邻阿帕拉