黔東南下古生界碳酸鹽巖臺地演化

徐 博， 杜秋定， 伊海生， 夏國清， 杜春陽

(1.成都理工大學沉積地質研究院,成都 610059；2.中國地質調查局成都地質調查中心,成都 610081)

晚前寒武紀中國南方大陸解體,形成了揚子與華夏兩個新的大陸板塊,揚子板塊東南緣繼裂谷作用及裂谷盆地充填作用之后形成一個新的被動大陸邊緣[1]。早寒武世中期—晚奧陶世末期,在504～439 Ma漫長地質時期內,除中奧陶世發育短時間的碎屑巖與碳酸鹽巖的混積外,揚子地臺整體上以淺水碳酸鹽巖沉積為主。直至晚奧陶世末,揚子碳酸鹽巖臺地才被頁巖盆地替代,才結束了長達約75 Ma的碳酸鹽巖臺地的生長演化歷史。臺地的演化過程受多種因素控制,如熱沉降、海平面變化、構造運動等[2-5]。前人對湘西黔東地區沉積學特征做了深入研究,成果顯著。梁薇等[6]對中上揚子地區寒武紀第三世—芙蓉世古地理演化做了相關研究,并繪制了古地理圖件；周懇墾[7]對中上揚子及其東南緣中奧陶世—早志留世沉積特征與巖相古地理演化亦做了詳盡研究,但關于揚子碳酸鹽巖臺地演化歷史的相關研究卻較為有限。筆者在研究過程中發現，中上揚子碳酸鹽巖臺地演化經第三世開始形成,早奧陶世臺地發展至高峰,于晚奧陶世衰亡。所選擇的研究區地處黔東南石阡地區,寒武系—奧陶系地層發育連續,地質現象豐富,為詳細研究黔東地區碳酸鹽巖臺地演化提供了良好的素材。

1 區域地質概況

晚前寒武紀中國南方大陸解體,形成了揚子與華夏兩個新的大陸板塊。揚子板塊在地理位置上幾乎包括了整個長江流域,在大地構造位置上揚子板塊位于中國南方的中心,其西以三江造山帶為界,西北為松潘—甘孜造山帶,北有秦嶺—大別山造山帶,南鄰右江造山帶,東南接華南造山帶,東南為沿海造山帶[8]。黔東地區恰處于陸殼穩定區和江南改造區的過渡區,整個寒武系屬揚子區與江南區之間的過渡型地層分區。加里東期,上揚子地區進入了由裂谷盆地向被動大陸邊緣盆地的轉化階段,在一套裂谷盆地充填序列的基礎上形成了碳酸鹽巖臺地建造,奠定了湘西黔東地區北西高、南東低的古地理格局[2,9-10]。

研究區位于黔東南石阡一帶(圖1[6-7]),處于大型揚子碳酸鹽臺地向江南頁巖盆地過渡地帶。區內早古生代沉積相帶復雜多樣,包括臺地內部相,臺地邊緣相和盆地相。臺地相以白云巖為主,白云巖中鳥眼構造、次生溶孔發育,生物化石稀少。臺地邊緣相以灘相沉積為主,巖相主要為亮晶顆粒灰巖、鮞粒白云巖及白云巖等。盆地相主要為暗色頁巖、硅質巖沉積,幾乎未見生物。該地區雖然加里東期經歷多次構造運動,但相帶保存的完整性和連續性良好,是研究碳酸鹽巖臺地演化對加里東運動的沉積響應最理想的地區之一[1,11]。

圖1 中國南方大地構造單元及中上揚子地區寒武紀構造背景[6-7]Fig.1 Tectonic units in South China and the tectonic framework of the Middle and Upper Yangtze region in the Cambrian[6-7]

2 沉積相類型與特征

研究區位于黔東南銅仁市石阡地區,寒武系—奧陶系地層連續發育,地質現象豐富,對研究區寒武系—志留系11條實測剖面進行了較為詳盡的研究,其中主干剖面6條,包括伍德大橋、席坑村、苦李坳、楓香鄉、黃金山村、鋪溝村；輔助剖面5條:坪山鄉、大霧坡、龍田鎮、易木坳村,露頭較好,巖性及組合、沉積構造清楚,基本囊括了從早寒武世杷榔組至晚奧陶的所有地層,自下而上完整發育有杷榔組、清虛洞組、高臺組、石冷水組、婁山關組、桐梓組、紅花園組、大灣組、十字鋪組、寶塔組,為黔東地區碳酸鹽巖臺地演化的研究提供了重要材料支撐,對于中上揚子地區寒武系第二統—奧陶系上統年代地層劃分,采用國際地層委員會最新劃分標準,并結合前人研究成果對研究區進行了簡要對比(圖2[12])。

圖2 貴州晚寒武世-早志留世地層對比[12]Fig.2 Stratigraphic correlation of the Cambrian to Early Silurian in Guizhou[12]

通過對研究區內寒武系—奧陶系野外宏觀沉積特征的觀察以及室內鏡下顯微特征的分析,在前人的基礎上,對沉積相與亞相類型進行了細化,共識別出4種沉積相:陸棚相、臺地邊緣相、臺地相、潮坪相,為黔東地區臺地演化提供了有利的材料支撐,沉積相對比如圖3所示。圖4所示為石阡地區野外露頭特征；圖5所示為石阡剖面沉積微相特征。

圖3 石阡地區沉積相對比Fig.3 Correlation of sedimentary facies of the Shiqian area

2.1 潮坪相

潮坪相主要發育于第三統及芙蓉統。見于金豐村P02剖面石冷水組及婁山關組,巖性總體為一套灰色-深灰色白云巖夾淺黃褐色砂質紋層狀白云巖，薄層膏巖,鳥眼構造、溶孔[圖4(c)]、層理發育,可見小型沖刷構造,反映了潮上—潮間沉積環境。

2.2 臺地相

臺地相可分為局限臺地相、開闊臺地相。臺地內部多發育灘相沉積,鮞粒灘、砂屑灘多見,局限臺地內部多發育蒸發潟湖相沉積,但分布范圍有限,規模不等。

2.2.1 局限臺地相

第三統—芙蓉統多發育局限臺地相沉積,研究區內均有分布,典型特征見于金豐村P02剖面。石冷水組地層巖性穩定,發育大套灰白色厚層至塊狀白云巖沉積,小型交錯層理、波痕等沉積構造發育。與西部坪山鄉P03剖面潮坪相夾有薄層泥頁巖與粉砂巖的薄層狀白云質灰巖、灰質白云巖呈漸變過度關系,向東至伍德大橋P04剖面則砂泥質含量減少。芙蓉統局限臺地相發育趨于成熟,以厚層狀白云巖為特征,較第三統泥質含量明顯降低。

2.2.2 開闊臺地相

開闊臺地相主要發育于芙蓉統、下奧陶統特馬豆克階,與局限臺地相呈漸變過渡關系。見于金豐村P02剖面,婁山組頂部發育的厚層狀結晶白云巖逐漸向紋層狀白云質灰巖[圖4(d)]過渡,至桐梓組沉積了大套厚層狀生屑灰巖。伍德大橋P04剖面以寶塔組或十字鋪組單一碳酸鹽巖為代表,厚層狀生屑灰巖廣泛發育。

2.2.3 臺內灘相

臺內灘相多以點灘的形式出現。第二統多為鮞粒灘、生屑灘,發育于席坑村P04剖面清虛洞組下部,巖性以灰色薄-中狀鮞粒灰巖、亮晶鮞粒白云巖、泥晶生屑灰巖為主；第三統主要為砂屑灘,見于金豐村P02剖面石冷水組上部以及婁山關組下部地層,巖性為含砂屑云質灰巖、砂屑白云巖,亮晶膠結,指示中-高能動蕩水體環境。

2.2.4 蒸發潟湖相

該亞相發育于第三世—芙蓉世局限臺地內,見于楓香鄉剖面婁山關組中上部,巖性為白云巖夾膏質白云巖,局部含細粉砂白云巖。

2.3 臺地邊緣相

2.3.1 臺地邊緣灘相

淺灘相初現于第二統,發展壯大于第三統至芙蓉統,代表中-高能的沉積環境。主要見于席坑村P01剖面、金豐村P02剖面。P01剖面清虛洞組中部地層,以鮞粒灰巖最為典型[圖5(a)],并伴有生屑灰巖產出。對比地層接觸關系發現鮞粒灘遷至金豐村一帶,P02剖面婁山關組中部地層,巖石組成主要為鮞粒灰巖、鮞粒白云巖為主,并夾有數層角礫白云巖、藻屑白云巖,這類顆粒碳酸鹽巖多亮晶膠結[圖5(c)],結構成熟度較高。

圖4 石阡地區野外露頭特征Fig.4 Field outcrops of the Shiqian Region

2.3.2 臺緣斜坡相

第二世、上奧陶統大瑞威爾階均有臺緣斜坡相發育,主要見于伍德大橋P04剖面及苦李坳村P06剖面十字鋪組、寶塔組地層。巖性主要灰色條帶狀泥灰巖、龜裂紋灰巖及礫屑灰巖。既有斜坡本身的泥晶-粉晶灰巖,泥灰巖,也有來自臺地邊緣的亮晶砂屑灰巖、亮晶鮞粒灰巖等,礫屑灰巖較為發育,礫屑分選較差,成分復雜,向東至新晃陳家一帶,大量滑塌沉積和碎屑流礫屑灰巖沉積[2],表明斜坡已由緩坡演化為陡坡。

2.3.3 臺緣礁相

礁(即生物礁)是造礁生物原地生長、埋藏形成的具有抗浪能力的碳酸鹽巖隆起,一般指示水體能量較高的淺水環境。該相主要發育于下奧陶統新廠階,以伍德大橋P04剖面紅花園組礁灘相灰巖[圖4(e)]最為典型,藍綠藻、珊瑚、苔蘚蟲[圖5(h)]、海綿等造礁生物廣泛發育。

2.4 陸棚相

陸棚相從巖性組成上可進一步細分為碎屑巖陸棚相、碳酸鹽陸棚相以及混積陸棚相,在研究區內均有發育。

2.4.1 碎屑陸棚相

第二統及中奧陶統大坪階均發育有碎屑陸棚相,發育于席坑村P01剖面杷榔組地層以及楓香鄉P03剖面大灣組地層,但其沉積特征及范圍略有不同。P01剖面下部變馬沖組、杷榔組地層,為一套暗色細粒碎屑巖沉積。變馬沖組巖性為灰黑色塊狀泥質粉砂巖、粉砂質泥巖,毫米級紋層發育；杷榔組發育黃褐色-灰褐色塊狀泥質粉砂巖、粉砂質泥巖,水平紋層極為發育,整體自下而上表現為粉砂巖,向上泥質含量漸少,夾少量灰巖透鏡體,可見完整三葉蟲化石,整體泥質粉砂巖與粉砂質泥巖構成一套粒徑變細的正粒序。P03剖面大灣組底部為一套薄板狀鈣質泥巖,介殼化石豐富,頂部發育黃綠色灰質泥巖與粉砂巖互層,大灣組巖性自下而上的演化序列為鈣質泥巖—瘤狀灰巖—泥質粉砂巖,水平層理較為發育,指示低能的水體環境。

圖5 石阡剖面沉積微相特征Fig.5 Microfacies characteristics of thin section at the Shiqian Region

2.4.2 混積陸棚相

該相表現為以碳酸鹽巖沉積物為主體中混有陸源碎屑顆粒的混合產物,多發育于大坪階,分布于席坑村P01剖面,伍德大橋P04剖面、苦李坳村P06剖面亦有發育。P01剖面清虛洞底部巖性主要為深灰色薄-中層條帶狀灰巖,條帶狀灰巖成分為泥質灰巖[圖4(b)]。P04剖面十字鋪組底部為灰綠色泥質灰巖與粉砂質條帶灰巖互層,并且向上有灰巖厚度增大的趨勢。P06剖面大灣組薄層狀泥巖、泥質粉砂巖及厚層狀瘤狀灰巖大量發育。該相帶在研究區自寒武世至奧陶世明顯西遷,沉積厚度呈東高西低的特征。整體上為弱還原環境的產物,水體能量較低,水平層理最為發育。

2.4.3 碳酸鹽巖陸棚相

第二統、中奧陶統大坪階均發育有碳酸鹽巖陸棚相,主要見于席坑村P01剖面、鋪溝村P05剖面。P01清虛洞組剖面巖性以灰黑色中-厚層狀泥灰巖,泥質條帶灰巖及泥晶灰巖為主[圖4(a)],條帶灰巖層側向延伸不穩定,灰巖呈透鏡狀,泥質灰巖水平層理及紋層發育,見三葉蟲化石。P05剖面大灣組頂部發育大套泥灰巖沉積,并數層薄層狀生屑灰巖,生屑種類教單一,以腕足為主,反應能量較高的水體環境。

3 碳酸鹽巖臺地演化

在長期穩定的構造環境、充足的堆積時間和適宜的氣候條件下,碳酸鹽緩坡向臺地轉化是絕大多數碳酸鹽沉積演化的趨勢[13-14]。碳酸鹽巖臺地的演化往往具有階段性[15]。根據研究區內沉積物垂向演化序列,對黔東地區碳酸鹽巖臺地的發育演化史進行了重建,劃分為3個階段:中寒武世建設期、晚寒武世發展期、早奧陶世逆演化期。

3.1 建設期

寒武紀揚子區為穩定的陸棚海沉積,地勢北西高南東低,西部的康滇古陸始終存在,且其范圍不斷擴大。早寒武世揚子區為向東傾斜的混積型緩坡,總體以陸源碎屑巖沉積為主,滇東、川西一帶為砂礫巖、粉砂巖,向東陸源碎屑顆粒逐漸變細,至桂西、黔東及鄂中等地陸源碎屑減少,碳酸鹽巖增多,物源區為西部康滇古陸[16]。自湖南瀘溪興隆場向西都發育了碎屑巖濱淺海沉積,向東至桃江涼水井、邵東皂殼塘一帶則相變為頁巖硅質巖盆地,再向東至湖南衡陽塔山一帶則相變為濁積巖盆地沉積。該時期相變的主要受控于陸源剝蝕區的物源供給能力及古地理背景[17-18]。

研究區岑鞏席坑剖面下部層位杷榔組主要沉積物為灰綠色薄層細粒碎屑巖,偶夾含泥質條帶灰巖,含少量三葉蟲化石,代表深海陸棚環境。第二世晚期中上揚子地區經歷短暫海侵后[19-20],隨之發生海退,區內開始大規模沉積碳酸鹽巖。清虛洞組呈現出碳酸鹽巖緩坡相沉積特征,巖性自下而上的演化序列為:灰巖-泥灰巖-泥質條帶灰巖[圖4(a)],條帶灰巖層常由泥質灰巖與純凈灰巖互層組成,巖層橫向展布不穩定,常呈透鏡狀；薄層灰巖之上發育灘相沉積,顆粒灰巖,鮞粒白云巖發育[圖5(a)],未見礁相沉積。花垣—銅仁—玉屏一帶,主要為微晶灰巖、粉屑灰巖,生物種類豐富；向東至鳳凰—新晃一帶,泥灰巖、暗色頁巖增多；再往東至瀘溪—興隆場幾乎未見生物,全為硅質巖、泥巖[21]。地層對比發現剖面以東鮞粒灰巖與碎屑巖之間呈漸變過渡關系,且此關系向東層位向上抬升,鮞粒灘呈向東遷移之勢。這種巖性和相帶分布的連續漸變,以及缺乏碎屑流沉積的特點,呈現出碳酸鹽巖緩坡的特征,表明湘西黔東地區臺、坡、盆格局已具雛形[22-25]。

3.2 發展期

清虛洞組沉積晚期,鮞粒灘東遷至天馬一帶,鮞粒類型以球形切線紋層鮞粒為主,分選磨圓好,亮晶膠結,表現出真正的臺緣高能淺灘特征。研究區西側原緩坡變淺,發育瀉湖-潮坪沉積的層紋狀白云巖,并含有膏巖,東側萬山、鳳凰一些層位出現碎屑流沉積,滑塌沉積[2, 24, 26],這些特征表明湘西黔東地區已經逐漸從碳酸鹽巖緩坡過渡到鑲邊臺地模式。

第三世,揚子區西部古陸不斷擴張,形成縱貫西部邊緣的康滇古陸,鑲邊臺地繼續發展壯大。沉積相帶自北西至南東為潮坪-局限臺地(包括蒸發潟湖)-臺地邊緣淺灘-臺地邊緣斜坡-深水盆地。潮坪相分布于川滇古陸東側及大巴山地區,巖性多為黃綠色粉砂巖與白云巖韻律互層,潮汐層理發育。研究區楓香鄉剖面,主要發育局限臺地相、蒸發瀉湖相沉積,巖性穩定。高臺組-石冷水組發育大套厚層至塊狀白云巖[圖4(b)],與西部潮坪相呈漸變過度關系,靠近西側潮坪相區,多夾有薄層泥頁巖與粉砂巖。芙蓉世,海退作用持續,臺緣灘迅速加積向東推進,區域資料顯示,其主體長期固定在銅仁一帶,沉積厚度超過千余米。沉積環境未發生太大變化,巖性與石冷水組相似,中厚層-塊狀白云巖為主,偶夾薄層含泥白云巖,鳥眼構造、溶孔發育[圖4(c)],為潮坪相的特征產物。臺緣前斜坡主要發育在黔東、湘西、鄂東南一帶,鳳凰一帶,碳酸鹽重力流沉積普遍發育,類型多、發育好,反映斜坡坡度較陡。區內寒武系地層整體自下而上構成一個碎屑巖陸棚到蒸發碳酸鹽巖臺地向上變淺的沉積序列。至芙蓉世晚期,大量的滑塌沉積和碎屑流礫屑灰巖沉積表明斜坡已經形成近乎直立的陡崖,鑲邊臺地的發展已經達到了巔峰。

3.3 逆演化期

早奧陶世特馬豆克期是中上揚子區碳酸鹽巖臺地的調整階段。受“郁南運動”影響,揚子西部陸地明顯擴大,康滇古陸擴大,牛首山古陸相繼出現[27-28]。研究區由局限臺地開闊臺地轉變,灘相沉積普遍發育,黔東地區自北西向南東依次發育局限臺地-開闊臺地,臺緣淺灘東遷至湘西花垣—保靖一帶,古丈-吉首以東發育陸棚相沉積。研究區伍德大橋剖面桐梓組沉積大套厚層狀生屑、含生屑灰巖,頂部發育中層狀泥晶、粉晶灰巖,水平層理發育,生物化石多樣,三葉蟲、腕足類、棘皮類等發育。弗洛期,中上揚子碳酸鹽臺地經歷前期短暫構造事件影響后再度占據統治地位,以紅花園組礁灘相灰巖為代表,藍綠藻、苔蘚蟲、海綿等造礁生物廣泛發育。弗洛期為中上揚子碳酸鹽巖臺地發育的最后一個高峰,也標志著早古生代拉張性構造演化階段進入了尾聲。中奧陶世大坪期開始轉入構造擠壓階段,為臺地向碳酸鹽緩坡的逆向演化提供了基本條件。該時期古地理格局發生顯著變化,康滇古陸、牛首山古陸、黔中水下隆起(該時期并未完全隆起)連為一體[29-30],在受相對海平面上升的共同作用下,臺緣斜坡消失、碳酸鹽臺地轉變為碳酸鹽緩坡沉積,萬州—石柱—武隆—南川—都勾一線以東的廣大區域,均成為低能碳酸鹽沉積區,研究區內大灣組、十字鋪組沉積的瘤狀灰巖、薄層泥灰巖為代表；至寶塔組,廣泛發育的龜裂紋灰巖,為深水緩坡沉積產物,指示水體進一步加深。至凱迪期晚期-赫南特期,由于持續的構造擠壓,研究區總體地勢發生了顯著變化,由之前的西高東低,轉變為南高北低,西、北部成為被古隆起包圍的半局限滯留海盆,五峰組、龍馬溪組沉積了暗色硅質頁巖[31],碳酸鹽巖臺地才被頁巖盆地所取代。受黔中隆起的影響,五峰組、龍馬溪組地層缺失,直至松坎期才再次接受沉積,故而區內寶塔組地層與松坎組地層成假整合接觸。這標志著黔東湘西地區碳酸鹽臺地、坡、盆格局宣告終結,繼而轉為造山時期前陸盆地沉積,演化模式圖如圖6所示。

圖6 揚子臺地東南緣臺地演化模式Fig.6 Schematic models of carbonate platformevolution of the lower Paleozoic

4 結論

(1)根據野外勘查、實測剖面以及鏡下薄片觀察資料,識別出其存在的4種沉積相類型:陸棚相、臺地邊緣相、臺地相、潮坪相；11種亞相類型:碎屑陸棚相、混積陸棚相、碳酸鹽巖陸棚相、臺緣斜坡相、局限臺地相、開闊臺地相、臺緣灘相、臺緣礁相、蒸發潟湖相。

(2)通過對各沉積相的沉積特征分析及沉積相縱向演化規律,精細刻畫了中上揚子碳酸鹽巖臺地的演化過程,將其細分為:中寒武世建設期、晚寒武世發展期、早奧陶世逆演化期,建立了黔東南地區下古生界碳酸鹽巖臺地演化模式圖,闡述了中上揚子地區經歷了碳酸鹽巖臺地由出現至成熟至衰亡的發展過程。

(3)早寒武世清虛洞組早期黔南地區開始出現碳酸鹽巖沉積,晚期完整的臺、坡、盆格局形成。早奧陶世,受郁南運動影響,黔東地區由局限臺地向開闊臺地轉變,受郁南運動的持續影響,形成廣泛的碳酸鹽緩坡,沉積了大套的碎屑巖以及碎屑巖與碳酸鹽巖混合的巖石組合,拉開了碳酸鹽巖臺地逆向的序幕。晚奧陶世末,黔中隆起、雪峰隆起相繼形成,畢節—遵義—石阡—銅仁一線以南抬升遭受剝蝕,五峰組、龍馬溪組地層缺失,上揚子碳酸鹽巖臺地的演化迎來終結。