下揚子鄂東南地區寒武紀巖相古地理基本格局與沉積作用研究

張漢金, 葉 琴, 何仁亮, 鄧乾忠, 夏獎利, 孔令耀, 雷 霖

(1.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034; 3.湖北省富硒產業研究院 ,湖北 武漢 430034)

下揚子鄂東南地區寒武紀巖相古地理基本格局與沉積作用研究

張漢金1, 葉 琴1, 何仁亮1, 鄧乾忠1, 夏獎利2, 孔令耀1, 雷 霖3

(1.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034; 3.湖北省富硒產業研究院 ,湖北 武漢 430034)

下揚子鄂東南地區寒武紀于通山—崇陽一帶南北兩側,存在兩種明顯不同的沉積地層體,通過對它們沉積特征、古生態面貌和沉積作用的系統研究,可分為三個不同的沉積相區,以北的下揚子地層區為臺地相碳酸鹽巖沉積,以南的江南地層區為盆地相泥質巖沉積,沿此界線為斜坡帶沉積,可劃分二種斜坡類型,早期主要為緩斜坡型碳酸鹽巖軟泥滑動流動,晚期為陡斜坡型碳酸鹽巖重力滑塌之角礫巖楔,這種陡坡沉積特征一直延至早奧陶世。這種臺、盆、斜坡沉積格局由早至晚受海平面升降作用影響,明顯具南北擺動遷移特點。

古地理基本格局；沉積作用；寒武紀；鄂東南；下揚子

20世紀60年代以來,不少地質工作者認為,下揚子鄂東南通山—崇陽一帶于早古生代存在一條近東西走向深大斷裂,并控制和形成著南北兩種不同沉積類型的地層體。這條斷裂被稱為崇陽—通山斷裂或江南斷裂[1],以北屬下揚子地層區,以南屬江南地層區。近十多年來,通過開展鄂東南地區1∶5萬區域地質礦產調查,發現分布于通山—崇陽一帶大量中晚寒武世碳酸鹽巖角礫巖,為臺地前緣斜坡相垮塌之角礫巖楔[2]。為此,筆者通過修編湖北省地質志,對該斜坡帶兩側巖石地層沉積特征、古生態面貌和沉積作用進行系統研究,確認該區寒武紀沉積階段自北向南,由碳酸鹽巖臺地[3]、斜坡和盆地邊緣三個相區組成一幅十分完整的巖相古地理格局(圖1)。

1 鄂東南寒武紀巖石地層與巖相古地理基本特征

自早寒武世始,鄂東南地區已明顯分異出下揚子和江南地層區[4]兩種不同環境的沉積地質體。整個寒武紀時期,于陽新富水水庫—通山板橋—崇陽縣一線,可分為三種類型的沉積區(圖2),其北部為下揚子臺地碳酸鹽巖沉積區,南部為江南盆地邊緣泥質巖沉積區,沿此界線便是斜坡帶。該帶早期主要表現為緩斜坡,沉積物為碳酸鹽巖軟泥,這種碳酸鹽巖軟泥具有沿緩斜坡向盆地邊緣滑移流動特點;晚期則形成陡斜坡,主要表現為臺地碳酸鹽巖的垮塌、崩塌和滑動,形成角礫巖巖楔。受寒武紀全球海平面上升作用影響,斜坡帶及其兩側沉積地層常發生南北向擺動和遷移。當海平面下降,則向盆地進積;當海平面上升,則向臺地方向退積。這種臺、坡、盆沉積格局一直延至早奧陶世早期。

1.1 下揚子臺地碳酸鹽巖沉積特征

該地依據《湖北省巖石地層》從下至上劃分為牛蹄塘組、石牌組、天河板組、石龍洞組、高臺組和跨紀的婁山關組。

牛蹄塘組(∈1n) 由劉之遠1942年命名的“牛蹄塘頁巖”演變而來,創名地點在貴州省遵義牛蹄塘。本組下部為深灰色含粉砂質頁巖,向上粘土質成分增高,局部含1～2 cm錳質結核,含海綿和海綿骨針,底部見石煤層；上部為深灰色薄—中層微晶灰巖夾炭質頁巖,發育水平層理,含三葉蟲Hebediscusorientalis,Bergeroniellus,Ichamgia等、腕足類及海綿、海綿骨針等化石,通山珍珠口厚264.18 m,與下伏老堡組整合接觸。

圖1 鄂東南寒武紀巖相古地理基本格局圖Fig.1 The graph of lithofacies paleogeography in Cambrian,southeast Hubei1.灰巖類;2.白云巖類;3.碳酸鹽巖角礫巖;4.泥質巖類;5.碳酸鹽巖臺地;6.斜坡;7.盆地邊緣。

圖2 鄂東南寒武紀相關沉積相區巖石地層單位沉積特征及其對比圖Fig.2 The graph of characteristics and comparison of sedimentary rock stratigraphic unit in related deposition zone in Cambrian,southeast Hubei1.灰巖;2.礫屑灰巖;3.灰巖角礫巖;4.白云巖;5.鮞粒白云巖;6.白云巖角礫巖;7.頁巖;8.粉砂質頁巖;9.灰質扁豆體頁巖;10.細砂巖;11.硅質巖;12.平行不整合;13.古杯;14.海綿;15.海綿骨針;16.腕足;17.三葉蟲;18.牙形石;19.二型界面;20.海侵體系域;21.饑餓段;22.高水位體系域。

橫向延伸較穩定,由下而上泥質含量增高,粉砂質成分減少,下部顯示弱退積型、中—上部具加積—進積型基本層序特點。屬陸棚盆地邊緣環境沉積。

石牌組(∈1s) 由李四光等1924年創建的“石牌頁巖”演變而來,創名地點在宜昌市西北20 km長江南岸石牌村。其下部主要為黃綠色、深灰色含粉砂質水云母頁巖、水云母頁巖；上部為灰黃色粉砂質頁巖夾薄層粉砂巖及灰泥巖透鏡體,通山珍珠口厚167.74 m。生物化石主要為三葉蟲,時見腕足類,與下伏牛蹄塘組整合接觸。該組下部具加積型基本層序,上部表現為進積型基本層序,屬淺海陸棚環境沉積。

天河板組(∈1t) 由張文堂等1957年創建的“天河板石灰巖”演變而來,創名地點在宜昌市西北20 km長江南岸石牌村—石龍洞之間的天河板。其巖性主要為灰、深灰色薄層粘土質條帶狀灰泥灰巖、薄—中層狀含白云質灰泥灰巖,具水平層理、條帶狀構造,由下至上表現為退積—弱進積特點。厚44.86 m,與下伏石牌組整合接觸。為開闊臺地環境沉積。

石龍洞組(∈1sl) 由王鈺1938年創建的“石龍洞石灰巖”演變而來,創名地點在宜昌市西北18 km長江南岸石龍洞。淺灰色厚層細晶白云巖與砂礫屑白云巖互層。砂礫屑白云巖中礫屑含量較高,分選性和磨圓度多呈次圓和次棱角狀。厚54.87 m。與下伏天河板組整合接觸。基本層序顯示進積型結構,為局限臺地之潮坪—潮道環境沉積。

高臺組(∈1-2g) 由尹贊勛等1945年創建的“高臺石灰巖”演變而來。創名地點在貴州湄潭縣高臺鎮。淺灰色中—厚層狀細晶白云巖、藻紋層白云巖、鮞粒白云巖、白云巖角礫巖,中上部夾粘土質粉砂巖,細粒石英砂巖,塊狀層理,具鳥眼構造,方解石晶洞較發育,厚513.85 m,總體反映進積型層序特征,與下伏石龍洞組呈整合接觸。屬臺地相潮間—潮上帶環境沉積。

婁山關組(∈2O1l) 由丁文江1930年創建、1942年發表的“婁山關石灰巖”演變而來,創名地點在貴州省遵義與桐梓之間的婁山關。淺灰色厚—巨厚層狀顆粒白云巖、中—細晶白云巖,夾白云巖角礫巖,巖石風化面刀砍紋發育,塊狀層理和少量斜層理及水平紋層等,頂部晶洞及鳥眼構造發育,常形成暴露溶蝕界面,厚169.27 m,與下伏高臺組呈整合接觸。為進積型基本層序,屬局限臺地潮坪相之潮間—潮上帶環境沉積。其頂部呈波狀面,并見有少量粘土質、泥質風化產物,形成一暴露溶蝕面而與上伏奧陶紀南津關組呈平行不整合接觸。

1.2 江南盆地邊緣區沉積特征

依據《湖北省巖石地層》和《江西省巖石地層》該區由下向上劃分為王音鋪組和觀音堂組[5]、楊柳崗組、華嚴寺組及西陽山組。

王音鋪組(∈1w) 原稱王音鋪系,為李毓堯1933年創立,創名地點在江西省武寧縣橫路鄉王音鋪(黃鷹鋪)。主要為深灰、灰黑色炭質、硅質頁巖,向上為水云母頁巖,產海綿骨針Protospngiasp.,底部見穩定石煤層,為一次缺氧環境之沉積。向上炭質含量減少,總體巖性較穩定,厚135.78 m。表現為退積—加積型基本層序特點,體現水體較深、沉積速率較低的盆地邊緣環境沉積。與下伏地層呈整合接觸。

觀音堂組(∈1g) 原稱觀音堂層,為李四光1931年創名于廬山(星子縣)隘口鄉觀音堂。主要為深灰、灰黃色水云母頁巖,上部頁巖中含粉砂質成分,巖石中普遍見有鐵質斑點,產三葉蟲Redlichiacf.chinensis,厚146.50 m。主要表現為加積型—弱進積型層序特點。總體為水體較深、沉積速率較低的半深海盆地相沉積。

楊柳崗組(∈1-2y) 原稱楊柳崗石灰巖,由盧衍豪、穆恩之等1955年創建。創名地點在浙江省江山市大陳東北約3.5 km楊柳崗。下部以灰、深灰色薄—中層狀灰泥灰巖、粒泥灰巖為主,以水平層理為主,反映其為進積型基本層序；中、上部為灰—深灰色薄層條帶狀灰泥巖夾灰泥巖透鏡體,具水平層理或水平紋層,中部主要由薄層灰泥巖與泥質條帶組成韻律沉積,且含深海放射蟲,反映為水體較深的加積型層序特點；上部由薄層微晶灰巖,夾炭質頁巖組成加積—弱進積層序,局部見棘皮類及放射蟲生物碎屑,常見碳酸鹽巖軟泥流動變形構造。厚177.84 m,與下伏地層呈整合接觸。總體屬臺地下方的碳酸鹽巖軟泥沉積。

華嚴寺組(∈2h) 原稱華嚴寺石灰巖,由盧衍豪、穆恩之等1955年創名。創名地點在浙江省常山縣華嚴寺。下部為灰、深灰色薄—中層含砂粉屑灰巖夾薄層泥質條帶狀灰泥灰巖；上部為灰色薄—極薄層灰巖與含生物屑粉屑灰巖組成韻律層,其間夾雜少量粘土礦物及炭質、鐵錳質集合體。水平層理、水平細紋層發育。巖石中生物屑以三葉為主,少量為棘皮類,含量可達10%。厚89.47 m,與下伏楊柳崗組整合接觸。具加積—弱退積型層序特點。屬臺地下方的碳酸鹽巖軟泥沉積。

西陽山組(∈3x) 原稱西陽山頁巖,由盧衍豪、穆恩之等1955年創名。創名地點在浙江省常山縣城南1.5 km西陽山。為灰、深灰色薄層泥質條帶含粉屑灰巖,向上為薄層含砂屑粉屑灰巖,頂部夾一巨厚層礫屑礫巖。巖層普遍含灰泥灰巖透鏡體,水平層理為主,透鏡狀層理發育。厚152.42 m。與下伏華嚴寺組呈整合接觸。總體反映加積—弱進積層序特點,為臺地下方的碳酸鹽巖軟泥—陸棚環境沉積。

值得提及的是該盆地具較好儲氣條件,特別是王音鋪組和觀音堂組的巖性、厚度及所含古生物特點,皆是頁巖氣生成的良好地層體,是開展頁巖氣勘探的重要地層層位。同時,兩個組還是湖北省釩礦的重要產出層位,有很好的釩礦勘查前景。

1.3 斜坡帶類型及沉積特征

該斜坡帶[6]沿陽新富水—通山板橋—崇陽縣一帶分布,寬數千米,可分為陡坡型和緩坡型二種類型。

緩坡型 發生于早寒武世,主要為北部臺地區之牛蹄塘組、石牌組、天河板組和石龍洞組,與此同時盆緣區則與之對應沉積王音鋪組、觀音堂組和楊柳崗組之沉積。

陡坡型 發生于晚寒武世,由臺地相區高臺組和婁山關組之碳酸鹽巖因重力作用向盆內坍塌堆積而成的灰巖角礫巖(圖3)組成,呈巖楔或巖舌[7]產出,寬度一般幾十米—上百米,角礫成分由顆粒灰巖、生物灰巖和灰泥巖等組成,這些混雜的角礫巖基本可恢復其原始巖石地層單位,角礫多呈棱角狀,大小不等、大者50 cm×80 cm或更大,膠結物由細小角礫組成。調查中發現最為壯觀的為通山板橋巖楔,這種滑塌角礫巖在區域上呈線狀分布,長期被誤認為是“江南斷裂”的重要證據,因此,應特別注意識別這類垮塌作用之灰巖角礫巖。

圖3 鄂東南寒武紀巖相古地理及其沉積演化模式圖Fig.3 The graph of sedimentary facies and sedimentary evolution model in Cambrian,southeast Hubei1.頁巖;2.灰泥灰巖;3.粒泥灰巖;4.礫屑灰泥灰巖;5.含細礫灰泥灰巖;6.白云巖;7.鮞粒白云巖;8.含白云質生物灰巖;9.垮塌碳酸鹽角礫巖;10.相變界線。

2 鄂東南寒武紀巖石地層充填樣式與沉積作用

通過對鄂東南1∶5萬區調圖幅工作成果總結(圖1),從根本上揭示出該區寒武紀自北向南由臺地、斜坡、盆地[8]組成巖相古地理基本格局(圖2),由三個三級層序地層反映出不同相區沉積物因海平面遷移擺動而發生沉積作用變化,而如圖3所展現寒武紀由早期—中晚期巖石地層格架的沉積演化模式。

鄂東南寒武紀具有較復雜的充填樣式和沉積作用過程。早寒武世之初,通山—崇陽以南繼承晚震旦世向南傾斜的古地貌特征,并逐步形成斜坡帶。早寒武世早期,因海平面快速上升作用影響,使該區長時期處于海平面升降幅度較小的盆地邊緣環境,因此,大量泥質巖沉積,該斜坡帶總體呈現緩斜坡,形成二個三級層序[9]:北側沉積牛蹄塘組、石牌組碳泥質巖；南側沉積王音鋪組、觀音堂組和楊柳崗組硅泥、碳泥和鈣泥巖之沉積實體；緩斜坡帶內,因大量鈣質軟泥堆積,加之緩斜坡逐漸變陡,所以帶內鈣質軟泥常發生滑移流動。早寒武世晚期,海平面達到高位,海水穩定,北部下揚子區碳酸鹽巖臺地逐漸形成,其中天河板組形成海侵體系域(TST)和饑餓段(SS),石龍洞組—高臺組之初形成穩定的高水位體系域(HST),該階段碳酸鈣飽和,海綿、苔蘚、三葉蟲等海生生物繁盛；與此同時,斜坡帶以南廣大盆緣地區則相應沉積楊柳崗組上部之細粒碳酸鹽巖,繼續保持盆地邊緣較深水沉積環境。

寒武世中晚期具如下充填樣式和沉積作用:中寒武世階段,海平面仍處于高位,北部下揚子區碳酸鈣過飽和,海綿、苔蘚、三葉蟲及藻類生物大量繁盛,生物礁體出現[10],形成高水位體系域之堡堤式鑲邊碳酸鹽巖臺地；斜坡帶南部盆緣地區,海平面也略有上升,相應沉積華嚴寺組灰泥質碳酸鹽巖,繼續保持盆地邊緣較深水沉積環境。寒武世晚期,海平面下降,全面海退到來,沉積物由臺地向盆地內發生側向進積,斜坡帶北側由于臺地碳酸鹽巖不斷堆積,這種堆積超過有效載荷后,臺緣地帶再也不能承受,便產生了重力作用,上部固結和半固結之碳酸鹽巖則發生大量坍塌、滑移、崩裂,并堆積于下方斜坡帶之上,形成高水位角礫巖楔和巖舌。同時,斜坡帶南部盆緣地區海平面也發生下降,相應沉積西陽山組含顆粒灰泥質碳酸鹽巖,并夾鈣泥質巖及分選不完全的灰泥巖透鏡體,形成逐漸變淺的盆地邊緣環境。晚寒武世晚期,海平面進一步上升,盆地向南逐漸遷移,但臺地、斜坡、盆地格局依然沒有改變。這種格局于寒武紀進入奧陶紀留下短期轉折證據后,仍保持它們原有狀態開始新的海平面變化和沉積作用。

綜上所述,作者通過實地調查和總結研究認為,鄂東南寒武紀地層的差異并非深大斷裂所致,更不是“江南斷裂”造成,而是古海洋地理地貌和海水進退的沉積作用所造就的自然巖石地層格架。

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(責任編輯：于繼紅)

Research of Lithofacies Paleogeography and Sedimentation in Cambrian ofLower Yangtze in Southeast Hubei

ZHANG Hanjin1, YE Qin1, HE Renliang1, DENG Qianzhong1, XIA Jiangli2, KONG Lingyao1, LEI Lin3

(1.HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034; 2.HubeiGeologicalEnvironmentalStation,Wuhan,Hubei430034; 3.HubeiSeleniumIndustrialResearchInstitute,Wuhan,Hubei430034)

There are two different sedimentary formation bodies on both sides of Tongshan-Chongyang region in Cambrian,in southeast Hubei.Through systematic research for sedimentary characteristics,paleoecology visage and sedimentation of the two sedimentary formation bodies,the authors think there are three different sedimentary facies in southeast Hubei:the sedimentary facies in the northern of Tongshan-Chongyang where belongs to lower Yangtze is carbonate platform,in the southern belongs to Jiangnan stratigraphic zone is basin facies,the sedimentary facies along Tongshan-Chongyang region is slope.And the slope belt can be divided into two types:the belt in the early stage the sedimentary facies is flat gradient carbonate platform,and develop slip-type or flow-type sedimentary structures,and in the late stage is sharp gradient carbonate platform,and develop breccia which is a kind of gravity sliding structure,and the sharp gradient carbonate platform continued to Ordovician.The pattern of carbonate platform,basin and slope is influenced by the sea level fluctuation from early to late,and the Tongshan-Chongyang region has a north-south swing characteristic.

paleogeographic pattern; sedimentation; Cambrian; southeast Hubei; lower Yangtze

2015-06-01;改回日期:2015-06-23

本文為中國地質調查局項目(編號:121201088162,1212013012800)資助。

張漢金(1955-),男,教授級高級工程師,地質礦產專業,從事地質礦產調查、地層學和沉積盆地環境分析研究。E-mail:490195541@qq.com

P534.41

A

1671-1211(2015)04-0365-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504001

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1501.022.html 數字出版日期:2015-06-19 15:01