北大巴山與志留紀火山作用相關的碳酸鹽巖沉積學特征及形成環境①

閆 臻 王宗起 張英利 向忠金 閆全人 王 濤

(1.中國地質科學院地質研究所 北京 100037;2.中國地質科學院礦產資源研究所 北京 100037)

北大巴山與志留紀火山作用相關的碳酸鹽巖沉積學特征及形成環境①

閆 臻1王宗起2張英利2向忠金1閆全人1王 濤1

(1.中國地質科學院地質研究所 北京 100037;2.中國地質科學院礦產資源研究所 北京 100037)

生物碎屑灰巖、生物礁是造山帶內最為常見的巖石類型之一,它們可以形成于多種構造環境。研究這些巖石組合的結構組成及生物賦存狀態可為古地理恢復及造山帶演化提供依據。分布于北大巴山地區與富TiO2堿性火山巖緊密相關的碳酸鹽巖組合長期以來被認為是被動陸緣臺地相組合。該套碳酸鹽巖組合主要由生物礁、生物碎屑灰巖、砂屑灰巖、泥質灰巖、角礫灰巖共同構成。砂屑灰巖及生物灰巖中常伴隨有薄層凝灰巖夾層;同時這些碳酸鹽巖中富含不同比例的火山碎屑成分,發育粒序層理、平行層理、波紋斜層理和滑塌構造。生物碎屑灰巖通常與凝灰質砂巖、泥巖構成韻律層,火山質碎屑在類巖石中主要表現為粒徑0.5～3 mm的棱角狀-次棱角狀玄武巖和凝灰巖碎屑,具有近源沉積特征;生物礁中通常出現1～2.5 cm棱角狀-次棱角狀玄武巖碎屑,且在生物礁之間的砂巖夾層中含有豐富的0.5～1 mm的次圓狀玄武巖碎屑;砂屑灰巖中含有棱角狀-次棱角狀玄武巖和輝石兩類碎屑,其中輝石碎屑粒徑通常為1～2 mm,同時該類巖石中還含有豐富的黃鐵礦,這些黃鐵礦通常因其粒徑變化而發育粒序結構特征。角礫狀灰巖可分別由砂屑灰巖、生物礁及生物碎屑灰巖構成,也可由三者共同構成,玄武巖碎屑僅出現于角礫狀生物礁灰巖中。這些碳酸鹽巖中的生物化石具有曾經歷過明顯的搬運改造特征,其中生物碎屑灰巖和砂屑灰巖中的化石碎屑以次圓狀為主,生物礁中的生物化石平行于砂巖夾層分布且發生不同程度的壓扁和擠壓變形,巖石中普遍發育滑塌沉積構造。這些特征共同表明,該套碳酸鹽巖與下伏的堿性玄武巖形成密切相關,二者共同構成了與現代大洋中典型洋島/海山相一致的結構特征,且這些碳酸鹽巖多沿著下伏玄武巖的周邊沉積,具有深水-斜坡環境的沉積組合,同時因其中所包含的生物化石經歷了一定距離搬運作用而發生再沉積,進一步表明這些生物發育時代可能要略微早于該套火山-沉積組合的形成時代。

生物礁 生物碎屑灰巖 火山-沉積作用 洋島/海山 志留系 北大巴山地區

生物碎屑灰巖、生物礁是造山帶內最為常見的巖石類型之一。現代海洋地質學研究表明,生物碎屑灰巖、生物礁、濁積巖及滑塌堆積組合可形成于大陸邊緣陸棚及鄰區,也可形成于海山、洋島、大洋高原和島弧環境并作為這些地貌單元的重要組成部分[1,2]。現代大洋深海鉆探(ODP)研究則進一步表明,形成于海山、洋島及島弧環境的生物灰巖、礁灰巖中以富含火山碎屑成分為典型特征[3]而有別于陸緣淺水環境生物灰巖、生物礁[2]。盡管海山、洋島、大洋高原以及島弧在板塊俯沖增生造山作用過程中通常被肢解和破壞,致使這些不同大地構造相的巖石組合以構造殘片/塊體形式散落于造山帶增生雜巖內[4～6],但這些構造殘片/塊體良好地記錄了古板塊和古地理格局演化。因此,通過鑒別和甄理造山帶內碳酸鹽巖的賦存狀態并研究其組成和生物化石產態,可為古地理格局恢復以及造山帶大地構造相研究提供依據。

北大巴山地區志留系分布廣泛,地層發育相對齊全。在紫陽縣紅椿壩-嵐皋縣斷裂南北兩側,志留系在巖性、巖相、古生物豐度、沉積環境及火山-巖漿作用等方面存在一定差異,前人曾對其古生物分布特征、相互關系、地層穿時性以及火山-巖漿作用地球化學特征進行了不同程度研究[7～12]。其中沿著紅椿壩-嵐皋縣斷裂兩側出露的志留系(圖1)中有豐富的生物碎屑灰巖、砂屑灰巖、泥質灰巖及富含生物化石碎屑的砂礫巖組合,其歸屬和時代長期以來存在較大爭議。1966年,陜西省區調隊在1/20萬《紫陽幅》地質圖及說明書中將其歸為中志留統;1988年,陜西省區調隊在進行1∶20萬《紫陽幅》地質圖修測過程中將該套組合與下伏的塊狀、枕狀玄武巖以及深綠-灰綠色厚-塊狀火山角礫巖、火山角礫凝灰巖、熔結凝灰巖、凝灰質礫巖、凝灰質砂巖等火山碎屑巖組合共同命名為“陡山溝組”,并根據其中的珊瑚和腕足類化石將其時代厘定為早志留世。1999年,陜西省地勘局地質七隊在1∶5萬《嵐皋縣幅、洛河街幅、八仙街幅》地質圖及區域地質調查報告中將該套組合命名為“滔河口組”;同年,陜西省地勘局區域地質礦產研究院在1∶5萬《嵐河口幅、佐龍街幅》地質圖及區域地質調查報告中則將嵐皋縣紅椿壩-嵐皋縣斷裂南側小鎮白崖埡九條溝一帶呈北西-南北向展布的生物碎屑灰巖、砂屑灰巖、泥質灰巖及富含腕足、珊瑚、海百合莖、層孔蟲化石的火山質砂巖、礫巖組合命名為“白崖埡組”,而將其下部深綠-灰綠色厚層輝石玄武巖、輝石玄武質凝灰巖、基性火山角礫巖、凝灰巖、凝灰質砂巖、局部夾海相陸源碎屑巖和生物碎屑灰巖組合命名為“滔河口組”,并認為白崖埡組與滔河口組之間為整合接觸,且白崖埡組與上覆的富含中志留世筆石化石的陸源碎屑濁積巖之間為整合接觸,結合這些巖石組合內的化石進而分別將白崖埡組和滔河口組的形成時代厘定為早志留世晚期和早志留世。這些研究進一步表明,前人逐漸將北大巴山地區的碳酸鹽巖組合與其下伏的火山巖組合分裂開來進行對待,且主要集中于形成時代方面的研究,而相對缺乏對這些碳酸鹽巖組合的成分及其與下伏火山巖之間的有機成因聯系研究,進而影響了該地區構造環境的認識。

圖1 北大巴山地區紅椿壩-嵐皋縣斷裂兩側早古生代碳酸鹽巖分布地質簡圖(據1∶20萬《紫陽幅》地質圖修改)① 陜西省地質礦產局。1∶200000《紫陽幅》地質圖修測,1988。Fig.1 Geologicalmap of early Paleozoic carbonates along the both sides of the Hongchunba-Langao fault in the North Daba Mountains(Modified after Geological Map of Ziyang,1∶200000)

本研究將對分布于紅椿壩-嵐皋縣斷裂兩側的碳酸鹽巖組合(白崖埡組)以及火山巖組合(滔河口組)中生物灰巖透鏡體的野外產出狀態、空間分布、碎屑組成特征和化石賦存狀態進行全面分析,并結合前人對下伏火山巖的研究結果,探討北大巴山地區火山-沉積作用形成構造環境。

1 基本地質特征

我們通過對嵐皋縣小鎮銀盤及民主鎮土包寨一帶進行了詳細的野外地質路線調查研究以及小鎮銀盤1∶1萬地質圖填圖工作基礎上,綜合分析該區已有的各種地質資料結果表明,分布于紅椿壩-嵐皋縣斷裂南側志留紀地層內的生物碎屑灰巖、生物礁或以透鏡體形式存在于基性火山巖、角礫狀火山熔巖以及火山質濁積巖組合中,或被夾持于富含火山碎屑物質的砂礫巖層中。其中前者主要見于嵐皋縣小鎮茨溝、民主鎮土包寨、滔河口以西的廟溝、四季河、柿坪及其以東芳流鄉一帶;后者見于嵐皋縣小鎮白崖埡九條溝、銀盤及楓樹村。

火山巖組合中的碳酸鹽巖類型為生物碎屑灰巖和生物礁兩類,但以生物碎屑灰巖為主。除了這兩類巖石以透鏡體形式被夾持于片理化細粒塊狀玄武巖中,生物礁也可以透鏡狀形式分布于生物碎屑灰巖層間。生物碎屑灰巖單層厚度一般為8～10 cm,而生物礁灰巖透鏡體單層厚度為10～15 cm。該類碳酸鹽巖組合主要見于小鎮茨溝露頭(圖2a)。在小鎮楓樹村一帶,火山巖中的碳酸鹽巖透鏡體主要是生物碎屑灰巖,二者之間為斷層接觸(圖2b),灰巖兩側的火山巖為富含輝石斑晶(含量為15%;粒徑通常為3 mm)的塊狀玄武巖;該類灰巖通常為厚層狀,露頭寬度為5.3 m。然而,在民主鎮土包寨一帶,生物礁灰巖(圖2c)、生物灰巖(圖2d)與巖屑晶屑凝灰巖、凝灰質粉砂巖、黑色薄層泥質粉砂巖之間為整合接觸,以夾層形式分布于這些碎屑巖組合中。露頭上,凝灰巖、粉砂巖、灰巖組合與下伏的枕狀玄武巖、火山角礫巖組合構成一個在剖面上具有向上熔巖減少以沉積巖為主的火山-沉積組合序列;枕狀玄武巖之上的火山角礫巖中可見豐富的海百合莖和少量珊瑚化石及化石碎屑。在小鎮白崖埡一帶,可見黃褐色粗砂巖、灰色中-厚層生物礁灰巖、鈣質粗砂巖、生物碎屑灰巖組合構成多個韻律層,單個韻律層厚度一般為6～ 10 m,直接整合于塊狀玄武巖之上。

圖2 北大巴山志留系中碳酸鹽巖產出特征野外露頭照片a.火山巖中生物碎屑灰巖透鏡體(灰白色);b.灰巖與火山巖(左)和礫巖(右)之間為斷層接觸;c.生物礁以夾層(箭頭所指)形式分布于深灰色凝灰巖(左)及粗砂巖(右)層間;d.生物碎屑灰巖(淺灰色)與黑色泥巖構成韻律層;e.中-薄層生物碎屑灰巖與薄層凝灰質砂巖互層(箭頭所指)整合于淺灰色中厚層粗砂巖之上;f.生物碎屑灰巖與富含火山巖巖屑粗砂巖構成韻律層Fig.2 Photographs of Silurian carbonates in the North Daba Mountainsa.lenticular bioclastic limestone within volcanic rocks(pointed by arrow);b.fault between the limestone and volcanic beds(left)and conglomerate beds(right);c.biohermal limestone interlayer(pointed by arrow)between the deep-gray pyroclastic rocks(left)and coarse-grained sandstones(right);d.rhythmically thin alternating layers of light-gray bioclastic limestones and dark mudstones;e.alternating layers ofmedium-thinner bioclastic limestones and thinner pyroclastic sandstones(pointed by arrow) overlie the light-graymedium-thick coarse-grained sandstones conformably;f.alternating layers of bioclastic limestones and coarse-grained sandstoneswith abundant volcanic fragments

對于分布于黃褐色(新鮮面為灰綠色)砂、礫巖組合中的碳酸鹽巖而言,在研究區內不同地段也呈現出不同的巖石組合類型。在小鎮銀盤一帶,露頭剖面上,下部表現為生物灰巖(厚度為3.5 m)直接上覆于粗砂巖之上(圖2e),且薄層生物灰巖(厚度一般為5 ～7 cm)與灰綠色薄層凝灰巖互層;中部主要為厚層塊狀生物礁灰巖(厚度一般大于3 m)與礫巖組合,雖然后期構造作用破壞使得這些礁體的規模難以估測,但構造塊體內部仍然清晰保留著生物礁灰巖與礫巖間整合接觸關系;上部為薄層生物灰巖(露頭寬度為2.5 m),整合于含礫粗砂巖之上,并與含中志留世筆石化石的五峽河組之間為斷層接觸。在小鎮楓樹村露頭,可見生物灰巖與凝灰巖構成韻律層(圖2f),露頭寬度約500 m,與灰綠色塊狀玄武巖之間為斷層接觸;白崖埡一帶,灰色含泥質條帶生物灰巖、厚層生物礁灰巖則與上覆早志留世黑色含筆石碳泥質板巖之間也為斷層接觸。在嵐皋縣滔河口一帶,砂屑灰巖、生物碎屑灰巖以夾層形式分布于礫巖、鈣質粗砂巖之中。

此外,在小鎮銀盤一帶,可見角礫狀生物灰巖與生物礁灰巖以構造透鏡體形式夾持于五峽河組黑色泥巖、泥質粉砂巖、薄層硅質巖中。在民主鎮銅硐灣一帶,生物礁灰巖表現為角礫狀,與早志留世灰綠色薄層粉砂巖、泥巖之間為整合接觸,但與礫巖之間的關系因地表覆蓋則難以確認。

總之,區域填圖表明,這些碳酸鹽巖在走向上分布十分不穩定,絕大多數集中分布于火山巖周邊,并與凝灰質砂礫巖、火山角礫巖的分布緊密相關。

2 碳酸鹽巖巖石學特征

通過野外露頭詳細觀察和手標本的詳細研究,研究區內碳酸鹽巖可分為四類:(1)生物碎屑灰巖,(2)生物礁灰巖,(3)砂屑灰巖,(4)角礫灰巖。這四類巖石均未發生重結晶作用以及任何變質變形作用的改造,因此野外及其容易辨認。

(1)生物碎屑灰巖

手標本上,此類巖石以富含生物碎屑化石以及少量火山巖碎屑為典型特征。其中生物化石以珊瑚和海百合莖為主,并有少量苔蘚蟲,主要以化石碎片/屑形式存在。火山巖碎屑有玄武巖和凝灰巖兩類(圖3a),其含量約為5%～6%,最高可達10%,主要為棱角狀-次棱角狀,粒徑一般為1～2.5 mm;這些火山巖屑實際上以“礫石”形式分布于此類碳酸鹽巖中,粒徑變化范圍較大(0.5～3 mm),具有近源沉積特征(圖4a)。該類巖石在研究區內經常與灰綠色薄層凝灰質砂巖、黑色泥巖互層出現(圖2d,e);凝灰質粗砂巖含有個體相對較小(一般小于2 cm)的珊瑚、海百合莖等化石碎屑,與生物碎屑灰巖形成多個韻律層(圖3b),并在單個韻律層中發育底沖刷面及粒序層(圖2f)等沉積構造。

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(2)生物礁灰巖

剖面上,該類巖石通常以厚層塊狀形式位于生物碎屑灰巖之上,其中分布有大量的珊瑚、海百合莖和苔蘚蟲,并在滔河口一帶還含有腕足類化石。這些化石相對于生物碎屑灰巖中的化石而言,個體大(一般大于2 cm,最大可達11 cm),以平行于巖層層面生長為典型特征(圖3c),同時這些化石多呈現不同程度的壓扁、拉長以及扭曲變形特征。不同造礁生物之間膠結物為富含棱角狀-次棱角狀玄武巖巖屑(含量為5%;粒徑變化于1～2.5 cm)的粗砂以及凝灰質成分。露頭上,此類巖石中未見火山巖礫石,但多見厚度為1～2 cm火山質砂巖夾層(圖3e)。

相對于生物碎屑灰巖而言,生物礁灰巖中部分生物化石發生了重結晶作用,野外露頭及手標本難以觀察清楚其結構特征。該類巖石除了因生物化石個體大小差異形成的正粒序結構特征外(圖3e),滑塌褶皺(圖3d)十分發育。此外,這些生物礁灰巖之間的凝灰質粗砂巖中常保存有部分個體相對完好的珊瑚、海百合莖等化石,并發育斜層里(圖3f)。該類巖石中的火山巖碎為次棱角狀-次圓狀,含量(圖4b,c)較低,粒徑相對較小,一般為0.5～1 mm,最大者可達3 mm;這些火山巖屑主要分布于生物化石間隙中,其長軸方向與生物化石生長方向相一致(圖4b)。

(3)砂屑灰巖

砂屑灰巖在研究區內分布相對較少,主要見于嵐皋縣滔河口火山巖組合以及小鎮銀盤五峽河組中。灰巖中的砂屑主要為棱角狀-次棱角狀輝石及玄武巖碎屑,含量大于8%。輝石碎屑顆粒粒徑通常為1 ～2mm,最大者可達1.2 cm;玄武巖屑一般為1.5～2 mm,最大者為3 mm(圖4d);其含量一般不低于8%,局部露頭中其含量可能高達15%。該類灰巖中含有少量珊瑚、海百合莖及腕足類化石碎屑,發育正粒序構造。在小鎮銀盤露頭,砂屑灰巖與薄層(2～3 cm)黑色碳質泥巖構成韻律層。這些砂屑灰巖內普遍發育團塊狀、星點狀以及紋層狀黃鐵礦,黃鐵礦紋層寬度變化于0.5～3 cm。通常情況下,砂屑灰巖層下部以富含粗粒化石碎屑和粗粒、團塊狀黃鐵礦為特征,向上黃鐵礦隨著化石碎屑粒徑變小及其含量變少也發生相似變化特征,并在頂部逐漸過渡為平行紋層狀,從而在剖面上呈現“正粒序”結構的分布特征(圖3g)。

(4)角礫灰巖

該類巖石主要見于小鎮銀盤五峽河組中,與砂屑灰巖一起構成碳酸鹽巖透鏡體并夾持于黑色碳質泥巖、粉砂巖。角礫可分別由砂屑灰巖、生物碎屑灰巖、生物礁構成,但區內主要由砂屑灰巖和生物碎屑灰巖共同組成(圖3h),大小混雜,膠結物為灰色砂屑灰巖,局部可見同沉積滑塌褶曲。然而,角礫全部為棱角狀生物礁灰巖僅在銅硐灣一帶出現,且其中富含(含量為15%)粒徑小于3 mm的棱角狀玄武巖碎屑(圖3i)。該類巖石中的角礫大小差異較大,以礫質支撐為主(圖3h),分布于灰黑色生物礁灰巖層之間,厚度為30～55 cm。

圖3 各類碳酸鹽巖成分野外露頭照片a.含火山巖碎屑(深灰色)生物碎屑灰巖;b.具有韻律結構生物碎屑灰巖;c.具有定向排列分布特征的生物礁灰巖;d.生物礁灰巖中的滑塌構造(箭頭指示);e.生物碎屑灰巖中的凝灰巖夾層(箭頭所指);f.發育斜層理鈣質火山質粗砂巖整合于生物碎屑灰巖之上;g.發育粒序層構造砂屑灰巖,其中黃鐵礦紋層(箭頭所指)也具有粒序層特征;h.同沉積礫巖,礫石由生物礁灰巖(箭頭所指)及砂屑灰巖共同組成,膠結物與含凝灰質生物碎屑灰巖相同;i.富含火山巖(玄武巖)碎屑(箭頭所指)的生物礁灰巖.Fig.3 Photographs of limestoneswith different componentsa.bioclastic limestone with volcanic fragments(deep-gray);b.bioclastic limestone with rhythmically structure;c.biohermal limestone with orientational characters;d.slide deformation within biohermal limestone(pointed by arrow);e.pyroclastic interlayers(pointed by arrow)within bioclastic limestones;f.calcareous,volcanic sandstones with cross-bedding overly the bioclastic limestones conformably;g.sandy limestone with graded bedding,and pyrite lamination(pointed by arrow)also showing graded bedding; h.synsedimentary conglomerates with biohermal limestone(pointed by arrow)and calcarenitic limestone clasts;I.biohermal limestone containing abundant volcanic(basalt)fragments(pointed by arrow)

圖4 灰巖顯微組分照片a,b.生物礁灰巖;c.生物碎屑灰巖;d.砂屑灰巖Fig.4 Photographs of limestonemicro-componentsa,b.biohermal limestone;c.bioclastic limestone,d.calcarenitic limestone

3 碳酸鹽巖中生物化石賦存狀態及地層形成時代

古生物化石的存在與否是確定地層形成時代的依據之一,然而這些古生物化石的賦存狀態以及所含化石的巖石同周邊巖層關系則是厘定地層形成時代的關鍵。在造山帶內,形成于被動大陸邊緣、洋島、海山及島弧等環境的生物碎屑灰巖及生物礁通常由于造山作用而發生肢解和破壞,并使其原始產態發生位移,從而使得其以各種塊體形式裹夾于相鄰沉積巖層內。因此,在進行造山帶內地層時代研究時,需要重點研究化石產態、含生物化石巖石與周邊巖石之間的接觸關系,進而為地層形成時代確定提供可靠依據。

北大巴山滔河口組和白崖埡組灰巖含有豐富的生物化石,包括珊瑚、層孔蟲、苔蘚蟲、腕足,前人曾對這些化石的種屬和形成時代進行了研究。林寶玉[13]根據珊瑚化石Mesofavosite oculiporides(中巢珊瑚)、Halysites yumeuensis(鏈珊瑚)等將白崖埡組時代厘定為中志留世;雒昆利等[12]根據生物灰巖中的珊瑚化石Riphaeolites regulariformis和苔蘚蟲化石Batostoma quijingense以及黑色頁巖內筆石化石將北大巴山火山-沉積組合時代厘定為早志留世中、晚期;陜西省地勘局區域地質礦產研究院①陜西省地勘局區域地質礦產研究院。《嵐河口》(I49E021004)。《佐龍街》(I49E022004)1∶50000地質調查報告。1999。根據生物灰巖夾層中的早志留世珊瑚化石Fauosites nanshanensis Yu(南山蜂巢珊瑚),Almptexoides raritatulatus He(稀板似包珊瑚)化石和層孔蟲Cetexodi-ctyon sp。化石,將其與下伏的火山巖組合即滔河口組時代厘定為早志留世;同時根據砂礫巖中生物碎屑灰巖夾層內的珊瑚Mesofauosites sp。(中巢珊瑚)、Mesofauosites regalurifoymiscin(規則形中巢珊瑚)、Pilopngllia sp。(似皮珊瑚)、Palaeofauosites helitoieslin(日射形古巢珊瑚)、Try-plasm sp。(單體珊瑚)等化石,將白崖埡組時代定為早志留世晚期。陜西地勘局第七地質隊①陜西省地勘局第七地質隊。《嵐皋縣》(I49E023004)、《洛河街》(I49E023005)、《八仙街》(I49E024005)1∶50000地質調查報告。1999。根據凝灰質生物碎屑灰巖或生物礁中的珊瑚化石 Favosites nanshanensis Yu(南山蜂巢珊瑚)、Almptexoides raritatulatus He(稀板似包珊瑚)、Fletcherilla sichuanensis Lin (弗萊切爾珊瑚四川種)、Amplexoides sp。(似包珊瑚)、Heuolits decipiensmccoy(日射珊瑚)以及層孔蟲Inexodictyon sp。(紐層孔蟲)等將滔河口組時代厘定為早志留世。從這些資料來看,分布于北大巴山地區紅椿壩斷裂兩側的堿性火山巖及上覆的富含火山碎屑成分的碳酸鹽巖組合目前被多數研究者認為是早志留世中-晚期產物,主要依據其中所產出的化石形成時代來得出該認識的,相對缺乏這些化石的賦存狀態研究資料,導致該套組合的形成時代還存在有一定的分歧。

總之,目前已有資料共同表明這些碳酸鹽巖內的化石組合包含有早志留世[12]和中志留世[13]兩個不同時代的珊瑚化石,且中志留世化石主要出現于白崖埡組中,早志留世化石主要出現于白崖埡組之下的滔河口組火山巖組合中。同時,我們也于2008年夏天在小鎮銀盤村生物礁灰巖(屬于白崖埡組)內采獲早志留世晚期-中志留世哈氏珊瑚化石Mesofavosites khalfini Dziubo(經西安地質礦產研究所曹宣鐸研究員鑒定)。野外露頭和室內顯微結構分析綜合表明,北大巴山滔河口組及白崖埡組中灰巖內所含生物化石均以生物化石碎屑形式(圖2f,3b和4)存在為典型特征;生物礁灰巖內的珊瑚、海百合莖化石主要是平行于巖層層面分布和生長,同時這些化石具有被彎曲、拉長等構造變形特征。這些基本地質事實進一步表明,北大巴山地區分布于紅椿壩斷裂兩側火山巖組合內部及上覆碳酸鹽巖層中的生物化石及其碎屑并非原地生長而是曾發生一定距離搬運,具有異地搬運再沉積特征[14～16],其自身生長時代并不能代表其所在的火山-沉積作用序列(即滔河口組和白崖埡組)的形成時代。因此,我們初步認為北大巴山地區的滔河口組和白崖埡組共同代表的火山-沉積序列時代可能晚于中志留世。

4 沉積環境分析

研究區內的生物灰巖與凝灰質砂巖往往構成韻律層,其中生物灰巖層內因其中所包含的生物碎屑粒度變化而形成正粒序層(圖3e和5a),且在其上覆砂巖層中發育斜層理(圖3f)。火山碎屑含量及粒度變化使得砂屑灰巖層(圖3g)也以發育正粒序構造為特征,同時其中所含黃鐵礦也表現為向上粒度逐漸變細而形成正粒序層。黃鐵礦在砂屑灰巖中的最大粒徑為3 mm,且集中分布于巖層下部。發育正粒序層構造的灰巖厚度一般為4～6 mm,最大厚度為10 mm;其中的凝灰質砂巖單層厚度則為1～2 mm,垂向上發育波紋斜層理構造的泥質粉砂巖及泥質灰巖厚度相對增大,變化于5～40 mm。正粒序層、波紋斜層理、平行層理構造是砂屑灰巖、鈣質粉砂巖組合中最為常見的沉積構造(圖5a,b)。這些沉積構造組合表明北大巴山地區志留系生物碎屑灰巖具有碎屑流/濁流沉積特征。其中發育粒序層構造的生物碎屑灰巖或砂屑灰巖相當于Bouma序列Ba段,其上覆的具有平行紋層構造泥質灰巖相當于Bb段,而發育波紋層理構造的泥質粉砂巖/泥質灰巖相當于Bc段。垂向上,由生物碎屑灰巖與凝灰質泥巖主要構成Bab組合,厚度一般為5～7 cm;砂屑灰巖、泥質灰巖及凝灰質泥巖構成Babcd組合,厚度一般變化于1.9～4.9 cm。然而,當砂屑灰巖底部出現角礫狀灰巖時,其上覆組合則表現為由砂屑灰巖、泥質灰巖及鈣質泥巖共同構成厚度8～13 cm的Babc組合。

除了上述沉積構造組合外,野外還可見到同沉積礫巖(圖3h)和發育槽狀交錯層理(圖5c)的砂礫巖。其中前者由生物礁灰巖與砂屑灰巖角礫構成,在嵐皋縣芳流鄉中壩村以及小鎮銀盤村一帶均有出露,生物礁灰巖露頭厚度為7.6 m,砂屑灰巖露頭厚度為1.7 m。空間上,這些角礫狀生物灰巖與上覆生物灰巖之間為漸變過渡關系。在滔河口及白崖埡一帶,由同沉積角礫狀灰巖、生物碎屑灰巖、沙屑灰巖、泥質灰巖共同構成的碳酸鹽巖透鏡體內含有豐富的黃鐵礦紋層,以透鏡體形式夾持于富含中志留世筆石化石和黃鐵礦條帶(寬度5～8 mm)的黑色泥巖及凝灰質粉砂巖組合中(五峽河組)。具有槽狀交錯層理(圖5c)的砂礫巖主要見于小鎮銀盤村一帶,側向延續性差,分布局限,剖面上出露于碳酸鹽巖碎屑流之下;其中礫巖層中的礫石全部為橢圓-圓形玄武巖礫石,大小混雜,礫質支撐為主,局部發育疊瓦狀構造,而砂巖中的巖屑主要為棱角狀凝灰巖和玄武巖碎屑;該套沉積組合可能代表了近岸斜坡水道沉積或潮下水道沉積。

圖5 碳酸鹽巖及鈣質砂巖內的沉積構造a.具有正粒序層構造生物碎屑灰巖;b.具有正粒序層、平行層理及波紋層理構造碳酸鹽巖濁積巖;c.鈣質砂巖內的斜層理Fig.5 Sedimentary structures of carbonates and calcareous sandstonesa.Normally graded-bedding of the bioclastic limestone;b.Carbonate turbidite with normally graded, parallel and wavy beddings;c.cross-bedding of calcareous sandstones

上述這些特征表明,北大巴山地區“下志留統”碳酸鹽巖具有碎屑流/濁流沉積特征,其中所包含的生物化石具有近源再沉積特點,從而形成具有粒序層理構造的生物碎屑灰巖。同時,該套碎屑流沉積曾沿著古斜坡隆起邊緣形成。通過對碳酸鹽巖相鄰砂礫巖層內斜層理測量,結果表明與這些碳酸鹽巖相關的砂巖、礫巖層組合形成于一火山作用凹地內,而這些碳酸鹽則主要形成于火山凹地周邊隆起位置,從而導致現今野外所觀察到的碳酸鹽巖多沿火山巖出露位置斷續分布特征,并在局部形成生物礁直接連續沉積于火山巖之上的特征。

5 形成構造環境及大地構造意義

空間上,北大巴山地區“下志留統”碳酸鹽巖與火山巖緊密相伴,其中含有豐富的火山巖碎屑組分;同時在這些生物灰巖之間還發育含生物化石的凝灰質粉砂巖夾層。表明這些碳酸鹽巖形成時曾伴隨有強烈的火山活動,進而為碳酸鹽巖沉積提供了部分物質來源,同時在生物活動繁盛期火山作用相對較弱,其中的碎屑成分主要來自近源火山巖的剝蝕產物。現代大洋盆地研究表明,淺水碳酸鹽巖、生物礁灰巖、硅質巖和碎屑沉積巖除了在海山、洋島和大洋高原之上及周圍形成外,還可形成于島弧環境[1]。相對于洋島/海山環境而言,潟湖和大陸邊緣斜坡沉積組合是島弧環境碳酸鹽巖的兩個重要沉積相組合,且在剖面上島弧巖石組合序列中缺乏灰巖與火山碎屑巖互層沉積組合序列[1]。與島弧碳酸鹽巖相比較,北大巴山地區“下志留統”中的碳酸鹽巖主要為生物礁、生物碎屑灰巖、淺海斜坡以及火山質濁積巖的沉積組合,缺乏潮坪相和潟湖相沉積組合,顯然不屬于島弧構造環境碳酸鹽巖,應屬于洋島/海山組合序列。

傅力浦等[7]通過對北大巴山地區志留紀地層研究表明,早-中志留世時期北大巴山地區為連續海相沉積;黃月華等[17]根據紫陽縣蒿坪一帶火山巖的結構構造和這些火山巖與相鄰沉積巖之間的關系,指出北大巴山地區早古生代火山巖為海底溢流噴發。巖石學和地球化學研究結果[10,17]表明,北大巴山地區早古生代火山巖為富鈦(TiO2含量通常大于3w t%)的堿性火山巖,形成于伸展背景環境;輝石單礦物地球化學成分研究則表明這些火山巖中形成于板內環境。事實上,這些火山巖中含有豐富的鈦輝石和局部地段富含金云母也表明其具有深源特征。垂向上,由塊狀/枕狀粗粒堿性玄武巖、細粒堿性玄武巖、角礫狀玄武巖向上逐漸變為富含金云母-輝石晶屑凝灰巖、凝灰質砂巖、礫巖、含生物化石碎屑鈣質砂巖、生物灰巖的組合序列。沉積相分析表明,凝灰巖、礫巖及生物灰巖具有濁流沉積特征,并在凝灰巖和生物灰巖中發育滑塌沉積構造。我們通過對火山巖之上砂礫巖的碎屑組成及古水流綜合分析,表明這些砂礫巖中富含豐富的輝石以及玄武巖碎屑,是下伏火山巖直接風化產物,屬于近源沉積,且其上的生物灰巖中也含有豐富的火山巖碎屑。這些特征表明,北大巴山地區早古生代沉積作用過程中伴隨有較強的火山作用,其巖石組合序列與現代大洋洋島/海山結構特征[1,3,5,6]相一致。

近年來,在北大巴山地區早古生代火山-沉積序列中相繼發現了重晶石礦床、螢石礦床、與火山-巖漿作用相關的Zn-Cu礦床、構造熱液相關Cu-Au礦床,其中重晶石礦床主要分布于寒武紀地層中,其它類型礦床主要分布于志留紀火山-沉積組合序列中。巖石地球化學和Si、O、Sr、Nd同位素研究[18]共同表明,北大巴山地區的重晶石礦床的形成與火山活動緊密相關。志留系碳酸鹽巖碎屑流沉積與下伏的堿性火山巖、火山角礫巖及火山質砂礫巖共同構成了洋島/海山的巖石組合序列,其中的化石組合及其產態研究表明該洋島/海山火山沉積作用可能終止于晚志留世甚至泥盆紀。這些基本地質事實進一步表明,北大巴山地區在志留紀時期火山活動強烈,從而為該區礦床形成提供物質來源。

致謝 姜春發、高聯達研究員在野外給予指導和幫助;曹宣鐸研究員進行了珊瑚化石鑒定;寫作過程中與陳俊璐博士進行了探討;匿名評審者和貴刊編輯對本文提出了建設性修改意見。在此一并表示衷心感謝!

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Sedimentary Features and Tectonic Environments of Silurian Volcanic-Related Carbonates in the North Daba M ountains

YAN Zhen1WANG Zong-qi2ZHANG Ying-li2XIANG Zong-jin1YAN Quan-ren1WANG Tao1
(1.Institute of Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037; 2.Institute of M ineral Resources,Chinese Academ y of Geological Sciences,Beijing 100037)

Bioclastic and biohermal limestones,which are widely exposed in the orogenic belt,should be formed in different tectonic environments.Identifying their composition and fossil occurrence state is of fundamental importance for palaeogeographical reconstructions and orogenic evolution.Carbonate rocks,which are closely related to alkaline basaltswith high TiO2abundance,have been regarded as platform deposits of passive margin in the North Daba Mountains.They are composed of biohermal limestone,bioclastic limestone,calcarenite,and marlstone with abundant bioclastic and volcanic fragments.Thinner pyroclastic interlayers generally occur in the calcarenite and bioclastic limestone assemblages.Graded,parallel,wavy beddings and slump structure are very common in the outcrops.Bioclastic limestone,tuffaceous sandstone and mudstone generally show rhythmic features.Volcanic fragmentswithin the bioclastic limestone aremainly composed of0.5 to 3 mm angular-subangular basalt and tuff,indicating proximal sedimentary deposits.Volcanic fragments of the biohermal limestone are dominated by 1～2.5 cm angular-subangular basalts and 0.5-1 mm subrounded basalt fragments are also abundant in the sandstone bedswhich are interbeded within the biochermal limestone beds.Two types of volcanic fragments occur in the calcarenite:basalt and pyroxene.They are angular and subangular,and pyroxene fragments range from 1 to 2 mm in size.Abundant pyrite grains in the calcarenite show normal graded structures because of their size variation.Breccia limestone is composed of calcarenite, biohermal and bioclastic limestones,and basalt fragments only exist in the breccia biohermal limestone.Fossil clasts/ fragments in the calcarenite and bioclastic limestone aremainly subrounded,suggesting that these fossil fragments had ever been transported for a long distance.Additionally,the growth orientation and distribution of fossils in the biochermal limestone are generally parallel to the sandstone interbeds,and slump structures are very common in this lithology.These characters coevally suggest that these carbonate assemblages are sincerely associated with the underlying basaltswith alkaline geochemical affinity spatially;they have the similar framework and constitute characters of modern oceanic island/seamountain.The carbonate generally developed around the underlying basalts and deposited in the deep-water and slope environments.Moreover,fossils within these carbonates should be derived from other place and weremodified during transport,indicating the ages of these fossils should be earlier to the age of carbonate rocks.

biohermal limestone;bioclastic limestone;volcano-sedimentation;oceanic island/sea Mountain;Silurian;North Daba Mountains

閆臻 男 1970年出生 博士 造山帶沉積學 E-mail:yanzhen@mail.igcas.ac.cn

P588.24+5

A

1000-0550(2011)01-0031-10

①國家自然科學基金項目(批準號:40772137)、中國地質科學院基本科研業務費(編號:J0709)、中國地質調查局地質調查項目(編號: 1212010611807)和國家“十一五”科技支撐計劃項目(編號:2006BAB01A11)共同資助。

2009-11-05;收修改稿日期:2010-03-15