湖南慈利溪口震旦系陡山沱組震積巖的發現及其地質意義①

趙 燦 李旭兵 李志宏 于玉帥 張 華 劉 安

(1.武漢地質產研究所 武漢 430223;2.中國地質科學院礦產資源研究所 北京 100037)

0 前言

震積巖是災變性事件巖的典型代表，它是具有震積構造和震積巖序列有一定成因聯系的一組巖石［1］。自20世紀60年代Seilacher研究美國加州地區中新世夢特里頁巖時首次提出“震積巖”(seismites)一詞以來［2］，國外有許多沉積學家就對地震作用與震積巖進行了研究。我國對震積巖的研究始于20世紀80年代［3］，近20年來，我國學者對不同地區和不同時代地層中的震積巖進行了廣泛的研究，時代涉及華北地臺元古代［4～7］、滇中元古代昆陽群［8］、皖北新元古代［9］、南盤江盆地中三疊統［10］、四川盆地上三疊統［11］和下侏羅統［12］、酒西盆地青西凹陷下白堊統［13，14］、濟陽坳陷古近系［15］等，并建立了諸如地震—海嘯序列、碳酸鹽巖震動液化序列［5，7］、震積巖與震積不整合序列［16，17］、薩布哈震積巖序列［7］等震積序列，同時還總結了包括斷裂遞變層、斷裂均一層、地裂縫、微同沉積斷裂(包括層內階梯斷裂)、重力斷層、微褶皺紋理在內的震積作用構造標志［18～20］。

地震這種常見的災害性地質作用，在現代仍然頻繁發生，且同時伴隨著一系列可供地質學家觀察的現象，這為“將今論古”這一地質學研究方法提供了極佳的途徑。如汶川8.0級大地震導致龍門山斷裂帶上就廣泛地發育有震裂縫、微褶皺、斷層和山體滑坡、地層滑塌等與地震作用直接有關的產物。

震旦紀陡山沱期處于南沱冰期之后，氣候轉暖，海水溫度升高的大背景下，是多細胞生物起源和發展的重要轉折時期和磷質聚集時期，是化學、氣候和環境變化的劇烈時期，同時也是Rodinia超大陸裂解的重要地質時期。陡山沱組的生物地層、巖石地層以及年代地層等方面已有許多成果，如:前人在陡山沱組二段和三段的燧石結核和條帶中發現有具刺疑源類、多細胞藻類、藍細菌等化石［21～23］，在四段中發現大量保存很好的被稱為廟河動物群的宏觀藻和疑似后生動物化石［24，25］，而對于陡山沱組中的“震積巖”報道卻極少。筆者在對湘西慈利溪口地區震旦紀陡山沱組地層進行沉積相、層序地層研究過程中，結合揚子陸塊在震旦紀的構造演化背景并通過野外實測剖面和室內分析，發現陡山沱組上部許多非正常沉積作用條件下形成的軟沉積變形構造，諸如階梯狀層內斷層、液化碳酸鹽巖脈、液化角礫巖、負荷構造以及微褶紋理等，這些沉積特征都是震積巖的標志性沉積構造，該時期震積巖的發現不僅是國內震積巖研究的又一例證，而且對研究震旦紀陡山沱期揚子陸塊構造活動期次和強度也具有重要意義。

1 地質背景

震旦紀是全球構造、環境發生重大變化的地史階段。伴隨全球氣候和環境的巨大變化，震旦紀成為生物輻射演化的重要時期，陡山沱組是南沱冰期冰川消融后引發的廣泛海侵初期的產物，廣泛分布于揚子地層區，揚子地區大規模的海侵構成了上揚子(云貴川)臺地、鄂西—湘北臺地和下揚子的開(化)臨(安)臺地以及巢(湖)寧(南京)碳酸鹽緩坡［26］北東—南西向展布的古地理構造格局(圖1)。湘西慈利溪口實測剖面(圖2)陡山沱組底部為南華系冰磧巖之上的“蓋帽白云巖”;中下部為黑色—深灰色薄層泥質灰巖、碳泥質白云巖和黑色碳質頁巖組成;上部以砂質灰巖(白云巖)、(含磷)泥晶灰巖(白云巖)為主;頂部見有含硅質條帶或結核的泥質白云巖、炭質頁巖及含云灰巖。整個陡山沱組構成一個完整的二級級層序:“蓋帽白云巖”構成該層序的海侵體系域(TST)，“蓋帽白云巖”之上富有機質的灰黑色碳泥質白云巖和硅質泥巖，自下而上所夾的增多變厚的白云巖層，分別構成二級層序的凝縮段(CS)與高水位體系域(HST)。研究區陡山沱組內部陡1～陡4段又細分為3個三級層序(SQ1～SQ3)。震積巖發育層位見于實測剖面陡山沱組頂部，GPS點位為:29°14'14.465″N、110°47'28.919″E、高程為 566 m，地層巖性以碳酸鹽巖為主，震積層僅在厚度約1.45 m范圍內出現，上下地層均為未受地震作用改造的砂質云巖與含磷質泥—微晶云巖薄互層為特征的正常沉積。

圖1 研究區陡山沱組巖相古地理及剖面位置圖Fig.1 Outlinemap showing the lithofacies and paleogeography of the Doushantuo Formation in the study area

圖2 溪口剖面陡山沱組綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive column of sedimentary facies and and sequence stratigraphy in the study area

2 震積巖成因類型和垂向序列

地震誘發沉積物變形，特別是軟沉積物變形是十分豐富的，地震作為一種自然災變事件，對沉積作用主要有兩種影響:其一是直接作用于沉積物，在沉積物中留下典型的震積記錄，如震裂縫、沉積斷裂、和震積角礫巖等;其二是作為觸發機制，誘使海嘯、山體滑坡、地層滑塌，甚至引起沉積物重力流滑塌和長距離的搬運與沉積，留下滑塌變形構造和重力流沉積［11］。總體說來，研究區陡山沱組震積巖具備如下特征:(1)該地區發育的震積巖屬于地震引起的對先成沉積物的原地改造成因，缺乏地震觸發的海嘯巖以及震濁積巖的識別標志，為原地震積巖。(2)階梯狀層內斷層、液化碳酸鹽巖脈、液化角礫巖、負荷構造以及微褶紋理等，是該地區震積巖的標志性沉積構造。(3)最常見的震積構造是階梯狀小斷層，在剖面結構上至下而上階梯狀斷層斷距變短，規模變小，直至消失，與液化碳酸鹽巖脈、液化角礫巖、負荷構造以及微褶紋理等震積構造是一系列成因上有聯系的地震作用的產物。(4)震積序列總體上顯示由階梯狀層內斷層—微褶皺層—液化碳酸鹽層—液化角礫巖層—未震動層的漸變過程。詳細的描述如下。

2.1 震積構造特征

2.1.1 階梯狀層內斷層

階梯狀層內斷層也可以稱為粒序斷層，是限制在一個巖層內部的一組斷距很小的小型或微型正斷層［27］。研究區所見層內斷層屬于震積作用形成的而非后期構造，其主要原因為:①所見層內斷層以張性正斷裂為特點(圖3-a，b)，斷裂面不具共軛性;而后期構造形成的斷裂常以張扭或壓扭性斷裂為多，斷裂面平直，斷裂縫為結晶方解石充填(圖3-f)②該剖面震積巖軟沉積物變形構造發育的同時，也有后期構造斷裂形成的構造裂縫產出，但是后期的構造縫的產狀與震積作用形成的層內斷層大為不同，且切割早期形成的地震斷裂(圖3-f)。

研究區階梯狀斷層規模不大，但局部可以密集發育，斷層間距小，一般在0.5～4 cm之間，斷距在0.2～2 cm之間，斷距向下逐漸增加，斷層產狀大多近似:傾向均在 165°～169°之間，傾角在 26°～35°之間，都限于層內發育，以張性正斷裂為特點，微斷層明顯截斷具沙紋層理的粗顆粒砂質白云巖(圖3-a)，上盤發生褶皺，下盤則具撕裂狀，微斷層在剖面上大都呈上盤依次下降排列的“階梯狀”或“鋸齒狀”(圖3-a、3-b)，僅少數微斷層呈孤立產出。其下伏碳酸鹽巖層常有液化現象，同時許多階梯狀斷層與卷曲變形及液化泄水脈共生，表明它們在成因上的聯系。階梯狀層內斷層是震積巖中最典型的構造類型，階梯狀層內斷層被認為是重要的古地震證據［2］。

2.1.2 微褶紋理

微褶紋理亦是研究區震積巖中的構造變形現象，與后期構造形成的褶皺變形不同，震積微褶皺屬于層內變形，即地震微褶皺紋理局限于地震擾動層之內，形態不規則、定向性差、尺度較小(圖3-c、3-d)。模擬試驗證明，發生液化的顆粒主要集中在0.01～0.3 mm之間，而粒度＞0.3 mm的顆粒基本不發生液化現象［28］。研究區常見的地震微褶皺紋理單個褶曲大小在1～6 cm之間，尤以1～3 cm之間者為多，呈小型褶曲(圖3-d)，有與階梯狀斷層伴隨產出的特點。

2.1.3 震積角礫巖(液化角礫巖)

研究區所見的震積角礫巖相當于杜遠生等提出的“自碎屑角礫巖”，是指地震顫動破壞原沉積層形成的初始斷裂角礫巖，這種角礫巖完全是原地原位的。前人通過對原地震積巖觀測，發現存在兩種不同角礫組成的角礫巖:一種是塑性角礫巖，另一種為脆性角礫巖［18］。本文的震積角礫巖呈軟沉積變形特征，角礫直徑大小在1～7 mm之間，角礫呈拉長狀或斷續相連的痕跡(圖3-e)，或近似于礫級內碎屑碳酸鹽顆粒的特點，屬于塑性角礫巖。這些角礫表面特征顯示沒有經過搬運的特征，而系粗顆粒的液化碳酸鹽巖脈穿刺圍巖(含磷質泥晶碳酸鹽巖)產生的巖石角礫巖化，同時與液化碳酸鹽巖脈共生(圖3-g)，且同一層內完成的。

2.1.4 液化碳酸鹽巖脈

研究區見到的液化碳酸鹽巖脈主要是液化的灰泥穿插軟沉積物層或充填地震微斷裂形成的，以液化的相對較粗的砂質碳酸鹽巖脈常見(圖3-gC)。脈體產狀主要為水平沿層的侵位，形成層狀液化巖脈。脈體在剖面上多呈不規則彎曲可以水平、低角度斜向穿插圍巖，脈體寬度在0.5～15 mm之間，長度1 cm至數十厘米不等。脈體的結構及成分特征基本相似，巖性為砂質云巖，與深色含磷泥晶云巖圍巖在成分、結構上差異明顯。液化的碳酸鹽脈體穿切圍巖時可見紋層發生彎曲，圍繞脈端形成上拱或者下凹狀彎曲(圖3-g)。

圖3 湘西慈利溪口地區陡山沱組常見的震積構造類型Fig.3 Common seismic structure of Doushantuo Formation in the study area

液化碳酸鹽巖脈的成因源于地震事件發生，富含水份、未固結的砂質碳酸鹽巖系發生液化，粗顆粒沉積物在地震活動中由于受到上部及四周壓力，向壓力小的方向移動，導致在向巖層內上方及下方兩個相反方向液化，擠入泥質沉積物。該類碳酸鹽巖細脈與其他震積構造同時產出，常也是被認為是地震成因的。

2.1.5 負荷構造

負載構造系上覆粗顆粒的沉積物下陷落入下伏相對細粒層中的一種在沉積物沉積之后固結之前的變形構造構造。此類構造在研究區亦為常見，以相對較粗的碳酸鹽顆粒組成的細層向下彎曲的向斜狀形態產出，宏觀上有類似于刻蝕、沖刷下伏泥晶碳酸鹽巖的特點(圖3-fA)。與其相伴生的是發育在負載構造之間的泥晶碳酸鹽構成的的火焰構造(圖3-fB)。

上述負載構造的宏觀產狀說明與負載體相連的母巖與下伏賦存負載體的巖層一定是發生液化的軟沉積物，否則上覆沉積物無法陷入下伏層內。負載構造雖然不完全排除非地震成因，但這些構造在地震過程中是可以形成的［18，29］。

2.2 震積巖垂向組合

沉積序列是沉積單元有規律的組合，它反映沉積環境的規律變化(環境)或沉積作用過程(事件相)。震積作用的沉積序列是在地震及其觸發的海嘯、重力流事件作用過程中形成的沉積單元的規律組合［18］。前文已經述及，研究區的震積巖成因主要是地震作用對先成沉積物的原地改造，受地震改造后的沉積物在剖面結構上體現出不同原巖成分對地震振動過程的不同反應類型，也反映了地震作用活躍、減弱直至停止的過程。實測剖面發育震積巖的位置自下而上可以觀察到有如下幾種序列，各序列的震積構造組合有:Ⅰ.下伏未震層—階梯狀層內斷層—微褶皺層—液化碳酸鹽層—上覆未震層(圖4Ⅰ);Ⅱ.下伏未震層—階梯狀層內斷層—液化碳酸鹽層—液化角礫巖層—上覆未震層(圖4Ⅱ);Ⅲ.下伏未震層—液化碳酸鹽層(及微褶皺層)—上覆未震層(圖4Ⅲ);三個序列層厚分別為46 cm、37.5 cm、72 cm，其中以序列Ⅰ最為常見，Ⅰ序列和Ⅱ序列中以階梯狀層內斷層為最典型的震積構造。總體上體現出剖面自下而上由階梯狀層內斷層—微褶皺層—液化碳酸鹽巖層—液化角礫巖層—未震動層的漸變過程，反映震積作用由強至弱的活動過程，而階梯狀層內斷層、液化層在研究區尤為發育，反映出地震規模、震級較大的特點。因為一般來說，震積角礫巖是微固結或半固結巖石表層部分發生振動破碎，與母巖分離的結果，微褶皺層的形成是半固結巖石下部(巖石基本上已整體化，但上部為可活動的弱自由面)在地震振動下整體塑性變形的結果，而微型遞變層是半固結或一部分已固結巖石在振動下呈剛性破裂變形的結果，是具備一定規模的地震作用的結果。與其它事件沉積序列一樣，很難在單一剖面上見到完整的震積巖垂向序列，這既與所觀察剖面的位置有關，也與地震震級和地震發生處的巖性有關［19］，以本文的研究為例，最典型的序列為Ⅰ型震積序列，震積構造以呈階梯狀排列、上盤下降、下盤上升的階梯狀斷層為最常見，階梯狀斷層在震積層下部—中部頻繁出現，而向上部層位逐漸消失，如在震積序列Ⅲ中并未見到層內小斷層。次常見的震積構造為液化沉積物脈，在各震積序列中均能識別出來。而呈拉長狀或斷續相連的震積角礫巖在溪口剖面出現的概率最小，僅在震積序列Ⅲ中常見。

圖4 研究區陡山沱組震積巖垂向序列特征Fig.4 Vertical sequence features of the seismites of the Doushantuo Formation in the study area

3 陡山沱組震積巖的地質意義

震積巖的研究有助于重新恢復古構造活動性，解決古構造、古斷裂、古環境以及同一個構造帶中地層等時對比與構造作用等時對比的問題［1］。地史時期的震積巖主要見于活動的構造帶，所以，可以通過震積巖的研究恢復古構造的活動性，幫助認識沉積盆地的大地構造背景。另外，從沉積環境來看，一方面要求沉積環境相對穩定，才能保留下地震信息;另一方面要求地層表現出構造活動的特點。顯然，震積作用及其產物是古地震作用和與之對應的沉積環境疊合的產物。

3.1 構造意義

如前文所述，地震主要發生在活動的大地構造背景下，依將今論古的原則，地史時期的地震同樣發生在大地活動的構造背景下，構造活動的階段性和非同步性，往往震積巖的軟變形構造中可以得到充分反映。為研究陡山沱期研究區的古構造特征，本文將華南震旦系陡山沱組已發現震積巖的另外兩處剖面進行了對比(圖5)，認為該時期震積巖層的發育反映出以下幾方面的特點:

(1)包括研究區慈利溪口、石門楊家坪以及黔中甕安南堡在內的三處震積巖剖面巖性雖有所差別，但震積巖發育的層位均為陡山沱組上部，記錄在震積巖中的液化碳酸鹽巖脈、液化磷質巖脈、液化角礫巖、以及層內斷層等震積構造在三個地方均被觀察到，同時層內斷層和液化碳酸鹽巖脈同為三處剖面最典型和常見的震積構造。

(2)缺乏震濁積巖和滑塌沉積代表的異地系統，震積構造主要是同生—準同生期的軟沉積物變形構造，表明陡山沱期晚期黔中、湘西一帶碳酸鹽巖臺地內部地形平緩(與陸表海環境吻合)，盆地呈現大范圍的沉降，處于饑餓沉積狀態。同時以黔中南堡剖面的磷質震積巖發育的多期次的特點來看(圖4)，陡山沱期晚期，揚子地區至少有過2次以上的地震高峰期［30］。

(3)慈利溪口、石門楊家坪以及黔中甕安南堡等地同時期震積巖的發現表明:陡山沱期晚期震積巖的發育也表明這一時期的揚子地區處于較為強烈的地震構造活動，也是震旦紀始的華南古大陸裂谷系不斷擴大，雪峰山以西地區的揚子陸塊的向被動陸緣(并基本上延續至海西期)演化的大地構造演化背景的響應。發生于該時期的地震，也應該與斷裂等構造活動有關，并對其沉積作用和沉積物產生影響。

3.2 地層對比意義

從目前的研究現狀看，在某些缺少可用于精細生物地層對比的古生物化石的新元古代地層中，作為陡山沱期晚期強烈的構造活動的響應，震積巖的出現無疑具有較好的等時對比意義，這對于震旦系陡山沱組地層在區域上的對比具有一定的參考價值，也不失為進行地層劃分的一種有效手段。但由于沉積物與震源距離的差異、震積巖記錄在地層中保存程度的不一，以及調查范圍的限制，用震積沉積在進行華南陡山沱組地層對比時還需要做進一步的工作。

3.3 沉積環境的指示意義

“雪球事件”之后的震旦紀早期(陡山沱期)，揚子板塊的氣候轉暖，海平面上升，環境發生了劇烈變化。在南華紀剝蝕夷平作用的基礎上，大規模的海侵由東而西侵入，除揚子板塊西南緣的中滇古陸外，大部均被淹沒于海水之下，在其西緣形成濱淺海環境，上、中揚子地區發育成碳酸鹽臺地的陸表海環境，黔東—湘西—鄂中一線以及以其東南地區成為大陸斜坡的半深海和深海海盆環境，從而構成大陸架呈北東—南西向的古地理格局［26］。圖1顯示研究區該時期主要為潮坪—開闊臺地沉積，然而，與宜昌天柱山、鄂西秭歸等地有所不同，陡山沱組上部泥晶白云巖、鮞粒、藻砂屑亮晶白云巖、結晶白云巖和白云質角礫巖等代表潮坪相的巖相在慈利溪口地區不常見，取而代之的是以泥質灰巖、泥—微晶白云巖和深黑色泥巖為主的巖石類型，水平層理常見，反映震積巖發育的沉積環境主要為開闊臺地相—灘間海、潮下靜水泥微相等低能靜水環境中。這種相對安靜的沉積環境無疑為地震信息在沉積物中的保存起到了不可或缺的作用。

3.4 與生物輻射、成磷事件的耦合

圖5 華南震旦系陡山沱期剖面震積巖地層分布對比Fig.5 Stratigraphic section through the Doushantuo Formation in South China，showing occurences of seismites

值得一提的是，在石門楊家坪以及黔中甕安南堡保存有震積巖記錄的相同層位，發育有以廟河生物群為代表的宏體多細胞藻類，以碳質壓膜形式保存的宏體后生動物，如 Eoandromeda octobrachiata［31～33］，以及可能的蠕蟲類化石Wenghuiia jiangkouensis［31］等。此外甕安生物群、皖南的藍田植物群、以及黔東北的甕會生物群等多細胞宏體生物群被發現于陡山沱期晚期的地層中，表明這一時期是多細胞生物起源、演化和發展的重要時期。同時，陡山沱期也是揚子地區首次重要的磷質成礦時期，前人的研究大多認為磷質成礦物質的主要為地幔，并有海底熱水成礦的特征［34～36］同時，甕安地區陡山沱期磷塊巖形成于淺海低等水生生物繁盛的含磷沉積環境。近期越來越多的研究證實，陡山沱組疑源類、多細胞藻類、宏體藻類及埃迪卡拉動物群的演化，可能同埃迪卡拉紀海洋的含氧量密切相關，而埃迪卡拉紀海洋有機碳庫氧化，為該時期碳同位素的漂移和生物的輻射提供了很好的解釋［37～41］。根據這些特征文本做出這樣推測:一方面，活躍的地震構造運動形成的斷層，震裂縫可以為磷質來源和熱水活動提供通道，而成為必要的疏導體系;另一方面，根據陳壽銘等2009年對峽東地區陡山沱組的碳同位素與世界相關地區對比研究，陡山沱組的第三次負偏移事件出現在陡山沱組上部—頂部，且對應生物多樣性的發展。那么活躍的地震構造運動可以促進海水升溫、加速有機碳庫的氧化，豐富水體中的磷等無機營養鹽，提供為多細胞生命的繁盛創造有利的環境，也有益于磷質礦物的生物富集作用，而石門、甕安剖面報道的震積巖更是直接出現在磷質巖中，且與甕安生物群的產出層位相當［30］。所以地震活動與該時期的生物輻射和成磷或許存在一定的關系，對生物的繁盛起到一定的促進作用。而生物變化、磷質富集與震積作用之間的具體關系有待于通過更全面系統的研究來加以系統闡釋。

4 結論

(1)階梯狀層內斷層、液化碳酸鹽巖脈、液化角礫巖、負荷構造以及微褶紋理是研究區典型的震積軟沉積物變形構造的地質記錄，震積序列在剖面結構上顯示自下而上由下伏未震動層—階梯狀層內斷層—微褶皺層—液化碳酸鹽巖層—液化角礫巖層—上覆未震動層的漸變過程。

(2)與華南目前已發現的另外兩處震積巖地層剖面進行對比研究，結果顯示:震積巖發育的層位在時、空上有良好的可對比性，是陡山沱期晚期相對活躍的構造運動的沉積響應。

(3)震積巖發育的沉積環境主要為開闊臺地相—灘間海、潮下靜水泥微相等低能靜水環境中。這種相對安靜的沉積環境無疑為地震信息在沉積物中的保存起到了不可或缺的作用。地震構造運動在一定程度上為促進海水升溫、有機碳的氧化、多細胞生命的繁盛、以及磷質礦物的富集創造了條件。

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