川北南江地區下三疊統飛一段風暴沉積特征及地質意義①

林 彤 劉樹根，2 宋金民，2 李智武 白志強 彭瀚霖

(1．成都理工大學能源學院 成都 610059;2．成都理工大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室 成都 610059;3．成都理工大學沉積地質研究院 成都 610059;4．中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院 成都 610059)

風暴是在颶風作用下形成的特殊洋流，它是水體震蕩運動與水平運動的組合，具有密度流和牽引流的二重性，同時又具有渦流的特征［1-3］。其作為一種高能的突發性氣候事件，可以對濱岸、淺灘、潮下帶的異地或原地沉積物進行沖擊、掏蝕、簸選、搬運或改造［4］，并在地層中留下沉積學記錄。風暴作用雖時間短促，作用次數不多，但往往比長時期的經常作用遺留更加深刻的影響［5-6］，因此引起了國內外學者的強烈興趣。20世紀60～70年代，Kelling等［7］將風暴流擾動過后再沉積形成的沉積組合定義為“風暴巖”(Tempestite)，隨后 Kumar等［8-9］將該概念范圍擴大為風暴沉積，泛指風暴作用形成的沉積物。20世紀80年代開始我國才逐漸展開對風暴沉積的研究，以“風暴沉積”為關鍵詞可搜索到國內至今公開發表相關文章600余篇，涉及碳酸鹽巖風暴沉積與古氣候、古緯度、古海平面變化、古地理特征等多方面內容。

我國上揚子地區廣泛發育下三疊統海相沉積，著名的P-T顯生宙生物大滅絕后，微生物巖、蠕蟲狀灰巖、扁平礫石礫巖、紋層灰巖等錯時相沉積大量出現［10］，指示了當時紊亂、異常的大氣條件和海洋環境。早三疊世飛仙關期上揚子地區氣候處于極端異常的狀態，強盛的巨型季風導致風暴流的加強，大規模的風暴沉積物在全球下三疊統地層中廣泛出現［11］。然而國內對于四川盆地下三疊統地層已詳細報道的風暴沉積僅有青川大溝里［10］、廣元上寺［11-12］、重慶中梁山［2］以及重慶涼風埡［13］等少數幾例。本文將詳細研究位于四川盆地北部、開江—梁平海槽東部的南江剖面于下三疊統飛仙關組地層出露的多期風暴沉積，本套風暴沉積位于近P-T界線的飛一段地層中，這一發現將對早三疊世時期巨型季風條件影響下的開江—梁平海槽北段古氣候、古地理環境恢復具有重要意義。

1 地質背景

川北南江三疊系剖面位于四川省巴中市南江縣新壩村采石場附近。在大地構造位置上屬四川盆地北緣，米倉山前緣構造帶南側。受晚二疊世的“地裂運動”［14］和南秦嶺洋拉張作用［15］影響，晚二疊世長興期—早三疊世飛仙關期，四川盆地北部及鄰區發育一系列的深水海槽［16-17］，南江便處于開江—梁平海槽的北段東部［18］。受海槽的控制，通南巴地區飛仙關組一段整體表現為東陡西緩的臺地相不對稱模式［19-22］(圖1)。從飛一至飛四時期經歷了由潮濕向干旱氣候環境的過渡，陸表海向臺地的轉換，臺地邊緣逐漸向海槽推進的過程［23-25］。

圖1 四川盆地北部大巴山—米倉山前緣飛仙關早期巖相古地理圖(據趙政璋［26］，2011)Fig．1 The tempestites distribution of the Early Triassic in Sichuan Basin(after Zhao，2011)

南江地區剖面整體露頭良好，二疊系—三疊系出露完全，飛仙關組與底部長興組整合接觸。自下而上發育有:上二疊統長興組深灰色含硅質微晶灰巖、中灰色—中深灰色泥晶灰巖，主要為深水海槽相沉積;下三疊統飛仙關組一段黃綠色灰質泥巖、生屑微晶灰巖、顆粒灰巖、極薄層泥晶灰巖、紋層狀泥灰巖、泥巖、青灰—中灰色粉細砂屑微晶灰巖等，主要為陸棚斜坡沉積環境。早三疊世風暴沉積發育于近P-T界線處的飛仙關組一段地層，由底到頂共發育14套風暴沉積序列，每套風暴沉積厚度0．25～2．5 m不等，期間夾飛一段正常環境沉積。

2 沉積特征

完整的風暴沉積經歷風暴作用由發生到強盛再到衰減的過程，Allen［27］詳細地把風暴事件劃分為前期、增強期、高峰期、衰減期和后期;Kreisa和 Bambach［28］將此過程簡化為高峰期、衰減期和停息期;Aigner［29］結合風暴流沉積事件性的特點建立了經典的風暴沉積序列，由侵蝕底面、粒序段、平行層理段、丘狀交錯層理段、泥巖段組成。結合國內實際資料情況，宋金民［3］等將理想的碳酸鹽巖風暴沉積序列從底到頂總結為:a．侵蝕底面及礫屑段;b．粒序段;c．平行紋層段;d．丘狀紋層段;e．遠源風暴濁流(e1)、水平層理泥巖和泥晶灰巖段(e2)。結合本文南江剖面飛仙關組一段風暴沉積特征，本文將采用Kreisa［28］的劃分方式，將風暴沉積過程簡要劃分為高峰期(Sa)、衰減期(Sb)、停息期(Sc)三個階段。

2．1 風暴沉積的識別

伴隨著風暴活動由高峰期到衰退期，然后再進入停息期，不同階段的風暴沉積由于風暴作用階段與強度的不同表現出不同的沉積特征。

Sa段代表了風暴高峰期的沉積作用產物，由具有明顯突變的底面侵蝕構造和塊狀風暴礫屑層組成，是識別風暴沉積的一種典型標志［30］。風暴高峰期時，高流態的風暴渦流對沉積底面進行強烈的侵蝕、沖刷和掏蝕形成槽狀的凹陷或波狀起伏的不平坦面(圖2D，J，N)，起伏幅度為2～15 cm，其凹凸程度的變化可以反映風暴強度及與風暴中心的相對距離［31］。底面侵蝕構造上部為風暴撕裂作用等形成的風暴礫屑層，礫屑層層厚15～60 cm不等，發育典型的菊花狀構造(圖2B，E)，分選很差的扁豆狀或長橢圓狀礫屑或粗砂屑呈倒“小”字型(圖2O)或放射狀排列(圖2L，N)，為風暴作用下礫屑快速雜亂堆積的結果。

Sb段代表了風暴衰減期的沉積作用產物，由平行層理(圖2F，G)和丘狀交錯層理組成，發育在泥晶粉屑灰巖中。風暴衰減期時，隨著風暴強度的減弱，細粒沉積物迅速從懸浮狀態沉積下來，當風暴掀起的巨浪觸及海底，巨浪的峰和谷在沉積物的表面經過時，鑄造成大的緩波狀起伏的表面，形成丘狀交錯層理，表現為向上隆起的圓丘狀，向四周緩傾斜(圖2A，C)，南江剖面中較缺少丘狀交錯層理，觀測到的丘體一般長30～70 cm，高2～15 cm。

Sc段代表停息期的沉積作用產物，主要為泥微晶灰巖或泥灰巖(圖2J)。為風暴過后，風暴懸浮的最細粒沉積物和非風暴期懸浮沉積物緩慢沉降堆積后形成，層厚10～30 cm，往往因剖面位置、后期風暴改造等原因缺失。

2．2 風暴層序結構類型

由于風暴層序結構類型不僅受風暴浪的相對大小、運動頻率、持續時間的改造影響，更與剖面的相對水深及所處位置直接相關［12，27，32］，因此層序結構類型常具有多樣性。風暴強度越大，運動頻率越高，持續時間越久，水體深度越小，風暴作用對海底沉積物的影響越大，因此通過對風暴沉積組段進行細致研究，根據其沉積組合特征判斷沉積層序結構類型，進而可以對該地區風暴強度、相對水深等進行預測。本文所研究的南江剖面中為以下4種類型(圖3):

圖2 川北南江剖面飛仙關組風暴沉積特征A．I型層序結構類型及其丘狀交錯層理;B．I型層序結構類型—菊花狀構造(取景自圖2A內Sa段);C．I型層序結構風暴沉積丘狀層理與下部礫屑微觀(取樣自圖2A內Sb段);D．II型層序結構類型;E．II型層序結構類型—放射狀排列礫屑;F．II型層序結構類型—平行層理;G．III型層序結構類型;H．III型層序結構類型—礫屑;I．III型層序結構類型—擾亂的紋層(×20);J．IV型層序結構類型;K．IV型層序結構類型—連續沉積的小型風暴層;L．IV型層序結構類型—礫屑(×20);M．波痕;N．礫屑層與其侵蝕底面;O．風暴礫屑微觀。Fig．2 Storm sedimentary characteristics in Feixianguan Formation，Nanjiang section

圖3 南江地區風暴巖沉積模式與沉積序列圖(本圖縱向橫向不成比例)I．發育在靠近晴天浪基面附近的內陸棚環境;II．發育在風暴浪基面與晴天浪基面之間的淺海陸棚環境;III．發育在風暴浪基面附近淺海陸棚環境;IV．發育在靠近浪基面的陸棚邊緣或者風暴浪基面之下的斜坡環境。Fig．3 The depositional model and sequence of carbonate tempestites in Nanjiang section

層序結構類型I:主要由Sa段礫屑層和Sb段具平行層理/丘狀層理(圖2A，C)的泥晶粉屑灰巖層組成，為風暴沉積早、中期的產物。本序列主要發育在研究剖面的上部地層中，其中Sa段礫屑粒徑0．2～2 cm，大小不一，磨圓較差，呈點接觸甚至是凹凸接觸。礫屑呈倒“小”字形、菊花狀、雜亂狀堆積，且部分礫屑撕裂構造發育(圖2B)，反映了當時較強的風暴作用下強水動力形成的紊亂渦流的多向性。本類型缺乏Sc段泥微晶灰巖/泥巖層，因此時風暴浪作用較強，受后期波浪改造使頂部缺失造成，為靠近晴天浪基面附近的內陸棚環境沉積。

層序結構類型II:主要由Sa段礫屑層、Sb段具平行層理的泥晶粉屑灰巖層、Sc段微晶灰巖層組成(圖2D)。本類型為風暴沉積較為典型的層序結構，底部為受強風暴作用形成的明顯的底面侵蝕構造，礫屑呈長條狀雜亂分布(圖2E)，粒徑大小0．2～1 cm，較I型層序結構內的礫屑規模小。向上主要發育平行層理(圖2F)，層厚30 cm左右，丘狀交錯層理不發育。頂部受后期風暴改造小，為風暴停息期的泥微晶灰巖沉積。本類型主要發育在風暴浪基面與晴天浪基面之間的淺海陸棚環境。

層序結構類型III:主要由Sa段粗砂屑和Sb段具平行層理的泥晶粉屑灰巖層組成(圖2G)。為風暴衰退期或受特大風暴影響形成的遠源型風暴沉積，此時礫屑含量明顯減少，主要為粗砂屑或擾亂的泥質紋層形成的假角礫，礫屑呈長條狀，粒徑0．1～1 cm，多呈漂浮狀分散于基質中。反映風暴作用中、后期能量衰減時較細懸浮物的沉降。本類型缺少底模構造、丘狀交錯層理，Sa段發育不明顯，粒屑粒徑較小(圖2H)，沉積速率一般較慢，沉積物厚度較小，為風暴浪基面附近的淺海陸棚環境沉積。

層序結構類型IV:主要由Sa段粗砂屑和Sc段泥巖層/微晶灰巖層組成(圖2J)。受風暴早、中期影響較小，為較深水區受風暴回流作用的沉積，或由于風暴事件觸發、誘導的遠端風暴重力流沉積。普遍較薄，底部發育小型的沖刷面構造，高約1 cm。本類型主要發育在靠近浪基面的陸棚邊緣或者風暴浪基面之下的斜坡環境。

2．3 風暴沉積序列

風暴流以牽引流為主，又具有某些重力流特征，對風暴沉積Sa段顆粒進行粒度分析是衡量沉積介質能量的度量尺度，現今常用數學方法計算一些粒度參數，并通過單個粒度參數及其組合特征為判別沉積時自然地理環境和水動力條件變化提供重要的參考依據［31］。常用平均粒徑Mz表示粒度分布的集中趨勢、用分選系數So說明分選性好壞［35］，通過粒度分布圖特征反映其礫屑成因。

南江剖面下三疊統飛一段底部發育的多套風暴沉積，Circle2、Circle9內Sa段粒度曲線表現為“高斜一段式”，為典型的風暴流沉積特征;其余各套風暴沉積Sa段表現為“多段式”，反映小型風暴強盛期的重力流特點［33-34］。剖面整體表現為早期以III、IV型層序結構為主，隨后逐漸過渡為I、II型(圖4)。其中III、IV型層序結構普遍規模較小、厚度較薄，約30～60 cm;Sa段多以小礫屑或粗砂屑為主，顆粒含量較少，粒徑多集中在0．5～4 mm，平均粒徑 Mz為1．5 mm;分選系數為3，分選中等;常呈漂浮狀或點接觸，反映較低能量的風暴作用下的沉積產物。I、II型層序結構Sa段顆粒變大且顆粒含量增多，出現較多4～32 mm的細礫屑—粗礫屑，平均粒徑Mz約4 mm;分選系數4～8，分選差;顆粒之間普遍呈線接觸或凹凸接觸;顆粒磨圓較差，反映較高能量的風暴作用下的沉積產物。縱觀全段，表現為整體向上風暴強度漸增、海平面逐漸下降的過程。

3 討論

3．1 風暴沉積對古氣候變化的指示意義

圖4 南江剖面飛一段風暴顆粒粒度特征綜合圖Fig．4 The analysis of tempestite particles at the Feixianguan Formation，Nanjiang section

Vail［36］等提到二疊紀—三疊紀間，泛大陸周緣海平面較低;暴露的陸塊面積達到最大，除了現今的中國和東南亞地區，其他暴露單元都拼合到聯合古陸上［12，37］，泛大陸的存在顯著影響著全球古氣候循環。Robinson［38］首次將當時的古氣候描述為泛大陸的季風性氣候，這種描述也得到了 Parrish［37］和 Russell等［39］的支持，歐美研究者通過泛大陸氣候數字模擬實驗證實了三疊紀時期泛大陸存在巨型季風。時志強［11，40］、曾德勇［12］等認為，早三疊世時期巨型季風與飛仙關風暴流關系密切，穿越特提斯洋的極強的季風在上揚子地區形成了強烈風暴，顯著影響著四川盆地北部地區的沉積。南江剖面下三疊統飛一段底部突然出現的顯著風暴沉積，指示了該地區早三疊世時期曾發生頻繁的氣候驟變，在P-T界線時強盛的巨型季風導致風暴流的加強，并受生物大滅絕的影響，大規模的風暴沉積物得以在全球下三疊統地層中廣泛出現并完整保存［12］，為該地區古氣候恢復可以提供重要的沉積學證據。

3．2 風暴沉積的地質等時性意義

2．5億年前晚二疊世末期的生物大滅絕事件是顯生宙以來地球上規模最大的一次，隨之發生的(或成為生物滅絕事件成因之一的)是全球古環境、古氣候的急劇變化［40-44］。對于如此大規模的一次生物滅絕、自然環境劇變，必然會在地質記錄中留下蛛絲馬跡。風暴作為具有周期性和瞬時性特征的事件性氣候作用，波及范圍廣且持續時間短，因此可以作為地層橫向追索和對比的標志［3］。早三疊世的巨型季風廣泛影響著上揚子地區的沉積，文獻中曾提到青川大溝里、廣元上寺、重慶中梁山等地區靜水環境沉積的薄層狀灰巖、紋層狀灰巖之上發現代表強水動力條件引起的扁平礫屑灰巖、角礫狀灰巖［10-12，45-49］沉積。

廣元上寺剖面是著名的P-T界線剖面，出露上二疊統大隆組深灰色硅質頁巖、灰色微晶灰巖等，上覆飛一段地層以薄—中層淺灰色含泥質紋層微晶灰巖、含縫合線灰色角礫灰巖、泥質礫屑灰巖為主［12］。礫屑灰巖分布在近P-T界線處，其礫屑呈扁平礫石狀，且具有風暴改造特點，呈放射狀、菊花狀分布。Sepkoski等［50］認為上寺剖面早三疊世突然出現的扁平狀或板條狀碳酸鹽內碎屑曾遭受強烈的風暴侵蝕和改造。曾德勇等［12］亦認為這是早三疊世巨型季風體制下的極端性氣候事件引發的風暴沉積。早三疊世時上寺剖面位于開江—梁平海槽西側斜坡地帶，風暴沉積厚約13．16 m，本文所研究南江剖面位于海槽東側地區，發育三段風暴沉積，累積厚度達17．32 m。上寺與南江剖面對稱分布在開江—梁平海槽兩側，風暴沉積厚度接近并均位于近P-T界線的下三疊統地層中(圖5)，從兩剖面風暴沉積發育位置及規模如此相似的基礎上，推測應為同一巨型季風體制下的沉積，但仍需進一步探討研究。若經證實，本套風暴巖將可作為尋找二疊—三疊分界線的標志層，為地層劃分提供重要依據。

圖5 上寺剖面與南江剖面飛一段底部風暴沉積對比(據曾德勇［12］，2011改)Fig．5 The comparison of the tempestite near the boundary of P-T between Shangsi and Nanjiang(modified from Zeng，2011)

3．3 風暴沉積對開江—梁平海槽演化的指示意義

晚二疊世長興期—早三疊世飛仙關早期，四川盆地及鄰區構造活動強烈。四川盆地北部開江—梁平—廣元一帶在區域拉張性背景作用下形成NW向的構造沉降帶，稱為開江—梁平海槽［17，26］。海槽發育時間較短，約4 Ma，長興期為發育活躍期，飛仙關期為充填、衰亡期。早三疊世南江地區主要沉積薄層狀灰巖，當高能的風暴驟然席卷海底，早期沉積物被掏蝕激蕩起來脫離沉積體，并隨著風暴能量的減弱，原本懸浮的礫屑逐漸沉積下來，在殘留的風暴能量的影響下呈倒“小”字、菊花狀等不規則形狀的排列，隨著一次風暴事件能量的繼續衰減，水體逐漸趨于平靜，泥質逐漸沉降下來，遂出現平行層理或丘狀交錯層理等。通過對研究區風暴沉積序列的研究發現，該地區下部為發育在風暴浪基面附近的III/IV型風暴沉積層序結構，向上逐漸以發育在近晴天浪基面的I型和晴天浪基面與風暴浪基面間的II型為主，且向上風暴沉積組合變厚，顆粒逐漸增多，顆粒粒度逐漸增大，反映海平面逐漸下降，開江—梁平海槽邊緣向廣海方向逐漸推進，海槽逐漸萎縮，風暴作用能量逐漸增加的過程。

4 結論

(1)通過對南江地區下三疊統飛一段發育的14套不完整風暴沉積野外及鏡下特征進行分析，可歸納為四種風暴層序結構類型:由Sa段礫屑層和Sb段具平行層理/丘狀層理的泥晶粉屑灰巖層組成，代表靠近晴天浪基面附近內陸棚環境的I型層序結構;由Sa段礫屑層、Sb段具平行層理的泥晶粉屑灰巖層、Sc段微晶灰巖層組成，代表風暴浪基面與晴天浪基面之間的淺海陸棚環境的II型層序結構;由Sa段粗砂屑和Sb段具平行層理的泥晶粉屑灰巖層組成，代表風暴浪基面附近淺海陸棚環境的III型層序結構;由Sa段粗砂屑和Sc段泥巖層/微晶灰巖層組成，受風暴回流作用、風暴重力流作用影響顯著，受波浪影響微弱，代表靠近浪基面的陸棚邊緣或者風暴浪基面之下斜坡環境的IV型層序結構。

(2)通過對南江剖面風暴沉積序列結構進行分析，發現下部以較深水陸棚—斜坡環境的III/IV型層序結構為主，上部以代表較淺水陸棚環境的I/II型層序結構為主，且向上風暴沉積規模逐漸變大，厚度漸增。另結合Sa段風暴顆粒的粒度特征分析并作縱向比較，發現早三疊世飛一段風暴沉積向上顆粒含量增多、粒徑增大，磨圓及分選變差，反映開江—梁平海槽東側海平面下降，海槽邊緣逐漸向廣海方向推進，風暴作用能量漸增的過程。

(3)南江剖面所處的上揚子地區飛仙關組底部突然出現的顯著風暴沉積，指示了該地區早三疊世時期頻繁的氣候驟變。橫向結合川北地區文獻記載的早三疊世多處風暴沉積，發現南江與上寺剖面的風暴沉積均發育在靠近P-T界線的早三疊世地層且沉積規模接近，推測應為早三疊世時期同一巨型季風體制下的事件性沉積。

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