三峽東部地區泥盆系寫經寺組下部一套可能的海嘯沉積①

曾雄偉 周 鵬 劉 安 王建坡 杜遠生

(1．武漢地質礦產研究所 武漢 430223;2．生物地質與環境地質國家重點實驗室 武漢 430074)

海嘯是一種破壞力極強的水體運動，是由地震、火山、海底滑坡、外行星墜入海洋引起大量水體擾動所引發的長周期水波［1］。當海嘯進入淺海，巨大的水能轉變成波能，形成波高數米甚至數十米的水墻，往往給沿海人民造成生命財產損失。全球范圍內過去4 000年來可以確定的海嘯記錄超過2 000次［2］，僅在20世紀90年代就有83次［3］。相對海嘯發生的頻率而言，已報道的海嘯沉積則顯得太少，地質記錄中應該還有大多數的海嘯事件沒有被識別出來［4］。與國際上的研究熱潮相比，國內對海嘯沉積的識別較少，目前主要根據地震—海嘯序列來判斷［5，6］。

筆者在長江三峽地區開展1∶5萬區域地質調查中，發現宜昌、宣恩、長陽、建始等地晚泥盆世寫經寺組中均發育一套或數套薄—中層狀礫屑灰巖，上部的礫屑發育菊花狀、倒小字形等放射狀組構，無疑屬風暴沉積;而下部的礫屑發育反向疊瓦構造，且位于弗拉斯階—法門階(F－F)界線附近，可能代表了F－F之交一次強大的海嘯在古陸邊緣引起的沉積。本文試圖結合空間分布特征，討論寫經寺組下部礫屑灰巖為全球性海嘯沉積的可能性。

1 區域地質背景

加里東末期，受廣西運動影響，長江三峽地區于早志留世末期隆升為陸，到中泥盆世吉維期才重新接受沉積(圖1)。長江三峽地區泥盆系橫向變化較大，主要表現為黃陵穹窿東、西側及長江南、北地區的沉積存在明顯差異。一般而言，長江以南地區泥盆系出露相對齊全，吉維期至法門期都有沉積，而長江以北除宜昌官莊一帶發育上泥盆統外，其余地區只有云臺觀組。黃陵穹窿以西及南部的建始、長陽資丘一帶，寫經寺組的碳酸鹽巖尤為發育，而鮞狀赤鐵礦層薄且層數少，有時甚至完全消失;反之，東部地區鮞狀赤鐵礦層數多、厚度大，為著名的寧鄉式鐵礦的主要產地，而碳酸鹽巖則較薄，甚至僅僅呈灰巖透鏡體［7］。

圖1 峽東地區泥盆紀地層分布圖Fig．1 Map showing the distribution of Devonian strata in the East Yangtze Gorges area

長江三峽地區晚泥盆世沉積地層自下而上依次為黃家磴組、寫經寺組、梯子口組和長陽組。黃家磴組主要為淺—深灰色厚—中層狀夾薄層狀石英細砂巖，間夾灰綠色紋層狀粉砂質泥巖。寫經寺組由瘤狀灰巖、白云質灰巖、泥灰巖、鈣質泥巖夾少量生物碎屑灰巖、礫屑灰巖等組成，常夾1～3層鮞狀赤鐵礦，富含海相動物化石。梯子口組由石英細砂巖、粉砂巖、泥巖及粉砂質泥巖等組成，夾似層狀或結核狀菱鐵礦。長陽組為泥巖、鈣質泥巖夾灰巖或泥灰巖透鏡體，時夾鮞狀赤鐵礦，富含腕足類、牙形石等化石。

2 寫經寺組的地質時代

長江三峽地區泥盆紀生物繁盛。黃家磴組產腕足 Cyrtospirifer sinensis、Spinatrypina douvillii，植物 Leptophloeum rhombicum-Cyclostigma kiltorkens-Archaeopteris組合。寫經寺組產珊瑚Phillipsastrea hunanense，Mictophyllum zhuzhouense，Pseudozaphrentis?curvatum，Peneckiella sp．及 Crassialveolites sp．;牙形石 Polygnathus germanus germanus，P.brevis，P.brevilaminus，Aptyognathus varians;腕足 Yunnanella-Yunnanellina組合;介形蟲Mennerites-Knoxiella組合。梯子口組產植物Hamatophyton verticillatum-Lepidodendropsis hirmeri組合。長陽組含牙形石 Icriodus sp．，Neoporioniodus sp．，P.brevis;腕足 Cyrtospirifer sp．，Schuchertella sp．，S．cf．gelaohoensis等［8，9］。

依據腕足類Yunnanella-Yunnanellina組合，長期以來峽東地區的寫經寺組被劃歸法門階［8，10］。陳立德［11］在建始三道巖寫經寺組下部采獲 Pseudozaphrentis difficile等珊瑚化石群，并據其組合特征提出原定為晚泥盆世晚期的寫經寺組下部的時代應為晚泥盆世早期，可與歐洲的弗拉斯階對比。建始長梁子一帶寫經寺組底部珊瑚化石的發現［9］，進一步表明寫經寺組的地質時代為跨越弗拉斯期—法門期。最近的研究顯示，渝東南地區寫經寺組中產有法門期早期牙形石Palmatolepis quadrantinodosalobata及弗拉斯期晚期牙形石 Pa.semichatovae［12］，證實寫經寺組的時代為弗拉斯期晚期至法門期早期。

3 礫屑灰巖的特征及分布

通過詳細的考察與觀測，筆者發現峽東地區泥盆系寫經寺組地層中普遍發育一套或數套礫屑灰巖。依據礫石的排列方式和礫石成分，可劃分為下部和上部兩種不同層位、不同成因的礫屑灰巖，尤其以建始縣長梁子、長陽縣漁峽口和宜昌市官莊的礫屑灰巖最為典型(圖2)。

圖2 峽東地區弗拉斯階—法門階之交礫屑灰巖柱狀對比圖Fig．2 Correlation of the calcirudites across the F－F boundary in the East Yangtze Gorges area

3．1 建始縣長梁子剖面

長梁子剖面位于湖北建始縣長梁子鄉陰坡村，F－F之交的地層以泥質灰巖、瘤狀灰巖為主，下部和上部各夾一層礫屑灰巖。下部的礫屑灰巖厚12 cm，明顯由兩層竹葉狀礫屑組成，下層礫石分選、磨圓較好，長 1～4．5 cm，寬一般 0．2 cm;上層礫石磨圓中等，個別見撕裂特征，大小 0．1 cm×0．2 cm～0．3 cm×1．5 cm。兩層礫屑呈反向疊瓦狀排列(圖3A，B)，指示出雙向水流(古流向分別260°和80°)的作用。上部的礫屑灰巖厚7 cm，礫石磨圓度高、分選好，大小0．2 cm×0．3 cm～1 cm×2．5 cm，長軸多順層排列。

距下部礫屑灰巖8 cm之下的生物碎屑灰巖中產近原地保存的珊瑚化石，與文獻［9，11］描述的弗拉斯期珊瑚化石群為同一層位，表明該剖面下部的礫屑灰巖正好位于F－F界線之上。

3．2 長陽縣漁峽口剖面

漁峽口剖面位于湖北長陽縣漁峽口鎮東約2 km的清江北岸。F－F之交的地層主要由瘤狀灰巖、泥質灰巖夾鈣質泥巖組成，下部夾一層25 cm厚的礫屑灰巖，上部發育至少4層3～8 cm厚的礫屑灰巖層。下部的礫屑灰巖(圖3C)的礫石成分復雜，包括灰巖、粉砂巖、礫巖;礫石大小不等，分選差，大者呈長條狀，小者呈渾圓狀;其上下地層為鈣質泥巖、泥質灰巖，說明該套礫屑灰巖不是近原地形成。上部的礫屑灰巖(圖3D)的礫石成分多為泥質灰巖，磨圓、分選中等，大小 0．2 cm×0．3 cm～2 cm×10 cm，多順層分布或在局部集中形成透鏡狀。

3．3 宜昌市官莊剖面

官莊剖面位于湖北宜昌市官莊鎮長嶺崗，F－F界線附近的地層以灰黃色極薄層狀鈣質泥巖為主，夾少量薄層狀泥質灰巖、生物碎屑灰巖及礫屑灰巖。下部的礫屑灰巖厚6 cm，可分出兩層呈反向疊瓦狀排列的礫石(圖3E，古流向分別為 130°和 310°)，礫石磨圓、分選中等，礫徑一般0．8 cm～4 cm。上部的礫屑灰巖厚8 cm，礫石磨圓較好，大小3 cm×0．3 cm～1 cm×0．2 cm，多順層分布，局部可見菊花狀組構(圖3F)。

本次工作采集了4件牙形石樣品，獲得的牙形石都極為破碎，僅在距下部的礫屑灰巖底之下15 cm的生屑灰巖中獲得一枚牙形石Palmatolepis triangularis，該化石的發現表明官莊剖面下部的礫屑灰巖正好位于F－F界線上。

除上述3個剖面外，宣恩縣沙道、長陽縣西流溪、火燒坪及火石山等地寫經寺組的瘤狀灰巖、泥質灰巖中都發育有上部的礫屑灰巖。

圖3 峽東地區寫經寺組中的礫屑灰巖A、B．建始縣長梁子剖面下部的反向疊瓦狀礫屑;C．長陽縣漁峽口剖面下部的礫屑;D．長陽縣漁峽口剖面上部的礫屑;E．宜昌市官莊剖面下部的反向疊瓦狀礫屑;F．宜昌市官莊剖面上部的菊花狀礫屑。Fig．3 The calcirudites from the Xiejingsi Formation in the East Yangtze Gorges area

4 討論

自20世紀80年代末以來，海嘯沉積的研究成為國際沉積學領域的熱點之一［13］。雖然有學者提出了一些可用來識別海嘯沉積物的沉積特征［14］，但相似的特征往往也見于風暴沉積物中［15］。因此，如何將地質歷史時期中風暴和海嘯觸發的沉積物區分開來是沉積學迫切需要解決的問題之一。

理論上講，風暴和海嘯在傳播過程中都可以產生向陸方向的入射流和向海方向的回流。但由于海嘯的回流可能比入射流更具侵蝕性和能力更強［14］，使得雙向水流可以成為識別海嘯沉積物的顯著特征，而風暴沉積物往往只具有單向水流的特征。Nanayama et al.［16］研究了在日本北海道海岸的同一個溝內，與1993年日本海海嘯和1959年Miyakojima臺風相關的沉積物，發現海嘯沉積物顯示了向陸和向海的雙向水流;與之對比，風暴沉積物顯示了單向水流。Massari et al.［17］在意大利南部沿海的上新統中部發現多貝殼碎片的碳酸鹽沉積，貝殼層上部的砂層中發育大型的雙向(向海與向陸)流痕，并認為是海嘯作用的產物。Fujino et al.［18］描述了日本東北部Tanohata地區早白堊世的礫質海嘯巖，認為反向疊瓦構造反映了向海和向陸地方向的雙向水流，可以作為識別海嘯沉積物的重要證據。Morton et al.［19］研究了2個現代北美的風暴和2個海嘯沉積的例子，也認為雙向水流是海嘯沉積物的特有特征。

峽東地區泥盆系寫經寺組下部的礫屑灰巖發育反向疊瓦構造(長梁子和官莊剖面均由兩層礫屑組成，下層礫屑顯示出向陸方向，上層礫屑顯示出向海方向)，指示了雙向水流的存在，由于寫經寺組的地層總體為淺水陸棚相沉積，所以反向疊瓦構造不會是潮汐流形成;而且這套礫屑灰巖都位于F－F界線附近，因此它們應該是在一次海嘯中形成。寫經寺組上部的礫屑灰巖往往向兩側迅速尖滅，呈透鏡狀分布于瘤狀灰巖或泥灰巖中;礫屑排列多顯示單一水流特征(多數順層分布)，還常見風暴特有的菊花狀或倒小字型組構，并發育有直立的生物介殼，所以它們應該是多次風暴疊加影響的產物。

從側向相變關系來看，峽東地區F－F之交的礫屑灰巖由盆地中心(漁峽口剖面厚25 cm)向兩側(長梁子和官莊剖面分別厚12 cm和6 cm)厚度明顯減薄，礫石的粒徑和成分也由盆地中心向兩側變得均勻和單一。類似的現象也見于其他地區淺海相海嘯沉積物，如印度尼西亞1883年喀拉喀托火山爆發所引發的海嘯［20］。

從空間分布來看，F－F之交的事件沉積在整個華南都有分布(圖4)。橫縣六景、象州羅秀和巴漆、桂陽蓮塘等臺地邊緣斜坡相區F－F界線上發育粗礫巖或礫屑灰巖;臺間海槽相區的桂林楊堤和白沙、德保都安、武宣南洞和三里、象州香田和馬鞍山、崇左那藝、上林云攀等地F－F之交發育濁積巖;臺間海槽相區的南丹芒場、羅富和南丹—天峨公路F－F之交發育塊狀砂屑灰巖［1，21，22］。從世界范圍來看，比利時的Hony剖面、美國內華達的Devils Gate剖面、摩洛哥的Atrous剖面、俄羅斯的南烏拉爾、西伯利亞東北部的Fore－Kolyma、波蘭—摩拉維亞盆地南部(Holy Cross山脈，Cracow和Brno地區)法門階底部都發育有濁積巖和角礫巖［23］。如此廣泛的等時的事件沉積必然聯系到全球性的地質事件。

自McLaren［24］首先提出F－F之交的生物滅絕可能是天體撞擊地球所引起之后，眾多學者報道了與天體撞擊相關的物理化學證據。澳大利亞西部Canning盆地［25］、法國南部層型剖面區［26］、湖南祁東［27］等地F－F界線附近都發現了銥的地球化學異常，比利時Hony剖面［28］、湖南祁東剖面［29］F－F 之交發現微玻隕石類的撞擊玻璃，江蘇太湖附近五通組砂巖［30］、美國內華達南部Alamo角礫巖［31］中發現F－F界線附近與撞擊事件相關的撞擊石英，湖南錫礦山老江沖剖面F－F界線附近也發現多層微球粒層［32］。

Bai et al.［33］初步提出了華南 F－F 界線附近的濁流沉積可能是海嘯成因。龔一鳴和李保華［34］認為天體撞擊地球造成全球范圍的地震、火山爆發和撞擊型海嘯是F/F之交事件沉積的最可能的誘發因素。Du et al.［23］詳細討論了F－F之交小行星墜入海洋引起全球性海嘯的可能性。

雖然地震、火山、海底滑坡引起的海嘯也可以傳播很大的距離，但一般都限于一個大洋。全球性的海嘯常常是外行星墜入海洋引起的。目前在地球表面上發現的160多個隕石坑中有7個在現代海洋中，還有20多個所處的位置在地史時期也曾是海洋［14］。根據隕石對地球的撞擊頻率可知，在過去的35億年中有超過8 000個隕石撞擊海洋［35］。數字模擬得出，直徑大于1 km的小行星可以穿透5 000 m深的海洋并立即擾動整個水體，在瞬間引起與海洋深度相當的巨浪［36］。隨著水中空氣凹穴的破碎，這些水沿著撞擊坑邊緣從高到低迅速跌落，引發幾百米高的巨浪，在距隕石坑1 000 km的海域這樣的撞擊仍會產生約100 m高的波浪［37］。像這樣能產生浪高達100 m的海嘯的小行星每3 000～5 000年就會撞擊地球的任何部位［36］，而且地球表面的2/3被海洋覆蓋，所以那些中等大小的小行星、彗星與海洋之間的撞擊成為海嘯發生的一個重要原因［14］。由于海嘯波浪超過5 m就會在地史沉積中留下記錄［38］，因此大小中等的小行星可以留下它所形成的海嘯的證據。

圖4 華南泥盆紀法門期古地理和事件沉積分布圖(據［39］修改)1．古陸;2．三角洲;3．近濱—遠濱;4．混積陸棚;5．局限臺地;6．開闊臺地;7．臺地邊緣斜坡;8．臺內裂陷槽;9．深水海槽;10．事件沉積位置Fig．4 The Devonian Famennian paleogeographical map and sites of event deposits in the South China

從圖4可以看出，F－F界線上的事件沉積在華南的延伸范圍可達900 km;自臺內裂陷槽至古陸邊緣，事件沉積的厚度由數米～十幾米減少到幾公分～幾十公分，碎屑顆粒的粒徑也明顯降低。我們不難作出如下設想:弗拉斯期末—法門期初，一個小行星墜入古特提斯洋，引起全球性的海嘯;海嘯浪自臺內裂陷槽向古陸邊緣傳播的過程中，由于臺盆相間格局的屏蔽作用，加上傳輸距離之間廣闊的大陸架消耗海嘯的能量，到達峽東地區的海嘯已經是強弩之末;在海嘯入射流和海嘯回流的雙重作用下，形成了長梁子和官莊剖面的反向疊瓦狀礫屑;在海嘯回流為主的影響下，形成了漁峽口成分復雜的礫石。

5 結論

峽東地區泥盆系寫經寺組中普遍發育一套或數套薄—中層狀礫屑灰巖，上部的礫屑發育風暴沉積特有的菊花狀、倒小字形組構;下部的礫屑位于F－F界線上，在建始縣長梁子和宜昌市官莊見有反向疊瓦構造，在長陽縣漁峽口表現為成分復雜的礫石。結合華南乃至全球F－F界線上事件沉積的分布特征，認為峽東地區寫經寺組下部的礫屑灰巖可以和F－F之交小行星墜入到海洋中引起的全球性海嘯相聯系。

致謝 武漢地質礦產研究所牛志軍研究員和趙小明研究員在成文過程中給予了極大的幫助，徐從華處理牙形石樣品，在此一并表示感謝!

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