川西北绵竹汉旺马鞍塘组与小塘子组间不整合面的发现及意义

张 彪，王中蛟，时志强，程 明，段 雄，金 鑫，崔 磊

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林，541004）

晚三叠世以来发生的印支运动引发了中国大陆的主体拼合、龙门山的崛起以及川西拗陷的形成，在上扬子地区，晚三叠世沉积了从残留海相地层到过渡相、陆相地层序列[1－5]。陆相磨拉石记录和卡尼期区域不整合都是扬子板块西缘从被动大陆边缘发展演化到前陆盆地阶段的标志[6－9]。前人对该盆山耦合体系做了详尽和卓有成效的研究，对不同角度的构造分带对龙门山冲断带变形期次和动力学成因进行了全面的诠释[10－16]。上扬子地区该时期不仅是板块构造活动期，也是古气候急剧变化的转折期，其主要表现为：①大规模的火山喷发，大气中出现极高的CO2浓度[17，18]；②全球海平面短期内波动范围较大，整体呈现海侵特征[19，20]；③以超级季风[21]为背景下强烈的季节性降雨[22]，导致了干旱到潮湿气候的转换[23]；④以陆源硅质突然输入和碳酸盐台地生物灭绝为特征的“卡尼期洪水事件”[24，25]。

晚三叠世复杂多变的古环境不仅受到全球气候背景的影响，而且与龙门山构造活动密切相关。笔者在对川西马鞍塘组剖面进行详细剖析过程中，发现在川西地区的绵竹汉旺、江油马鞍塘等剖面中，马鞍塘组与小塘子组间存在明显的岩性突变面 平行不整合面。以沉积学理论为指导，综合构造、沉积及气候等综合研究马鞍塘组顶部（诺利早期）的不整合面，为认识晚三叠世龙门山早期构造活动和气候变化提供新的视角。

1 地质背景

古生代至中生代早期，扬子板块西部边缘为稳定的被动大陆边缘盆地，沉积地层以海相碳酸盐岩为特征[26]，晚三叠世的印支运动开始改变该区的沉积地貌。卡尼期川西北地区继承了自中三叠世拉丁期出现的古海湾，与古特提斯大洋相连，并且在古海湾和广海之间有一个古“龙门山”岛链[27]。该期沉积面貌存在极大的差异，在马尔康地区为甘孜－阿坝海槽，对应同一时代（汉旺组）川西地区沉积剖面岩性具有从海相碳酸盐岩到泥岩、粉砂岩的岩性变化特征。绵竹汉旺剖面分别位于龙门山前缘山前褶皱带上，上三叠统出露良好（图1）。本文以该剖面为代表，结合江油马鞍塘等剖面详细描绘晚三叠世川西北地区的地质特征。

川西地区安县—绵竹一带的卡尼早期沉积以鲕粒灰岩和含骨屑鲕粒灰岩沉积为特征，属于潮下鲕粒灰岩滩相[28]。岩性整体为深灰色至灰白色厚层状鲕粒灰岩，下部见厚度较薄的深灰色微晶至亮晶生物砂屑灰岩和核形石灰岩。鲕粒滩相上覆为深灰色薄层生屑凝块石泥粒岩，或生屑泥粒岩及粒泥岩，直接构成上覆生物礁群的生长基底，鲕粒滩和生屑灰岩属于缓坡沉积模式[29]。海绵生物点礁是卡尼阶另一特色沉积，点礁仅发育在绵竹至安县附近，其他区域为骨屑沙滩、沙坝或近岸泥坪。造礁方式以六射硅质海绵、钙质海绵障积和蓝绿藻粘结作用为主[27，30]。卡尼阶顶部主要由黑色页岩和泥岩组成，偶夹薄层泥灰岩和细粉砂岩，被认为是生物礁的盖层，形成于闭塞海湾环境中[28]。该层在全区稳定分布，并且在松潘－甘孜乃至于整个特提斯域地区同一时代地层均表现为灰黑色－黑色泥岩或粉砂岩。时志强等（2010）认为黑色页岩、泥岩层不仅是岩性变化的转折点，也是古生物、古生态急剧变化点，认为超级季风背景作用下的全球气候调制和局部的构造运动带来的潮湿气候和淡水输入，是导致碳酸盐台地生产终止的主要原因[25，31，32]。

上三叠统卡尼阶与下伏中三叠统以区域平行不整合或为微角度不整合接触，上覆为诺利阶小塘子组，空间上分布厚度迥异。有关晚三叠世地层时代一直存在争议，马鞍塘组建组剖面位于宝成铁路江油马鞍塘车站[33]，但对其上部地层中菊石和瓣鳃类化石进行年限鉴定，发现马鞍塘组上部地层时代属于诺利期，岩性为粉砂岩、粉砂质泥岩夹薄层石英砂岩、介壳灰岩、鲕粒灰岩，成都地质学院三叠系研究小组（1979）把其命名为石元组，作为一个独立地层单独划分出来[34]。综合前人研究结果，本文把晚三叠世早、中期地层划分马鞍塘组和小塘子组，其中马鞍塘组包含卡尼阶的汉旺段和下诺利阶的石元段（图2）。

2 上三叠统不整合面及其上下地层

2.1 不整合面上下的地层

2.1.1 绵竹汉旺剖面

绵竹汉旺剖面位于汉旺镇北约3km的观音崖附近，为倒转向斜北翼，其中马鞍塘组石元段沉积厚度约为35m。剖面特征如下。

上三叠统小塘子组

5.灰至深灰色中至厚层状钙质粉砂岩及细粒岩屑石英砂岩 ＞10m

4.透镜状灰黄色、灰黑色页岩。岩性较疏松，含钙质，铁质，炭质（图3－B） 0.1m

┈┈┈平行不整合┈┈┈

上三叠统马鞍塘组石元段

图1 绵竹汉旺剖面（A）和江油马鞍塘剖面（B）地理位置图Fig.1 Location map of Hanwang section of Mianzhu（A）and Ma'antang section of Jiangyou（B）

图2 川西北地区上三叠统马鞍塘组剖面对比图Fig.2 Stratigraphic correlation of the Upper Triassic Ma'antang Formation in Northwest Sichuan

3.褐灰色、灰色鲕粒灰岩、砾屑鲕粒灰岩，鲕粒含量（面积分数）为40%～7 0%。顶部的鲕粒灰岩见粉砂质泥砾，砾石磨圆、分选较差，最大直径可达0.15m，推测为风化壳之上的充填沉积 0.45m

2.深灰色厚层状钙质粉砂岩，含钙质结核，见大量黄铁矿结核 8.2m

1.灰色至暗灰色薄层钙质粉砂质泥岩和中－薄层含钙质粉砂岩（图3－A）。下部含黄铁矿结核，上部渐变到菱铁矿结核，含大量钙质结核和炭屑，中部夹少量泥灰岩透镜体，含菊石、瓣鳃类生物化石 ＞30m

整 合

上三叠统马鞍塘组汉旺段灰黑色粉砂质页岩

2.1.2 江油马鞍塘剖面

江油马鞍塘剖面位于石元公社马鞍塘车站南段约1km的铁路沿线，其中马鞍塘组石元段沉积厚度约为90m。该剖面马鞍塘组与小塘子组间见褐黄色铁质层，曾被邓康龄等（2005，私人交流）认为是不整合面。剖面特征如下。

中三叠统小塘子组

6.灰白色厚层至中层状钙质石英砂岩（图3－D），夹有粉砂质泥岩 ＞10m

┈┈┈平行不整合┈┈┈

上三叠统马鞍塘组石元段

5.岩性整体为浅灰色中层状亮晶含砂屑、骨屑鲕粒砾屑灰岩，夹多层灰黄色石英粉砂岩（图3－C），含瓣鳃、海百合类等生物化石。上部夹有一层浅灰色含泥砾砂屑及生物碎屑灰岩团块 2.3m

4.灰白色至浅灰色中厚层状石英细、粗粉砂岩，下部夹一层灰色砂屑微晶灰岩，局部夹薄层状砂质泥岩 18.0m

3.灰色含砂质生物介壳灰岩，含大量介壳碎片 0.2m

2.灰色至深灰色中厚层状泥质，灰质石英粉、细、粗砂岩。夹多层薄层生物碎屑灰岩。含瓣鳃、菊石、腹足类等生物化石，偶见黄铁矿结核、植物碎片59.2m

1.浅灰黑色薄层钙质砂质泥岩与中层状泥灰质石英粗砂岩。底部岩石颗粒较粗，向上呈现正递变结构，中部夹有薄层微晶砂质粒屑灰岩和3cm左右介壳带。含大量瓣鳃，菊石和腹足类生物化石 11.1m

整 合

下伏地层：上三叠统马鞍塘组汉旺段灰黑色泥页岩＞10m

2.2 不整合面特征

上三叠统马鞍塘组与小塘子组间不整合面以风化壳残积层为特征，在川西北地区从绵竹汉旺到广元上寺有稳定的分布，风化程度由强到弱，分布大致平行龙门山北段走向。风化壳残积层的岩性以风化程度较高的灰黄色铁质、碳质泥页岩和鲕粒灰岩的淋滤剥蚀为代表，上覆和下伏岩性突变（图3－B，D）。通过观察，对该不整合面的特征作以下概括。

图3 绵竹汉旺剖面和江油马鞍塘剖面马鞍塘组石元段特征Fig.3 The characters of Member Shiyuan of Ma'antang Formation in Hanwang section of Mianzhu and Ma'antang section of Jiangyou

a.铁质层：不整合面上稳定分布着淋滤流失作用形成的铁质。铁元素以三价铁为主，呈黄褐色，似锈斑（图3－B；图4－A，F）。下伏地层岩性为鲕粒砾屑灰岩，层面内含有还原环境下的黄铁矿。岩性从鲕粒砾屑灰岩到泥页岩，沉积环境由还原过渡到氧化，代表的是一种暴露的标志。

b.炭质层：炭质一般是风化壳暴露过程中植物生长的标志，由植物根茎残留物经过微生物细菌分解作用形成的有机质或腐殖质。一般垂直于层面零星分布，颜色较深，呈黑色或暗棕色（图3－B，图4－A）。

c.岩性突变：不整合面下伏地层为鲕粒砾屑灰岩，砾石成分多为粉砂质泥岩，大小不一，大者可达20cm；鲕粒含量（面积分数）为30%～50%，以亮晶方解石胶结为主（图4－B，C），底部侵蚀界面明显（图4－A，F）。而上覆地层岩性为灰至深灰色中至厚层状钙质粉砂岩及细粒岩屑砂岩，岩屑由火山岩、变质岩碎屑为主，少量沉积岩碎屑。这种内源岩沉积到陆源输入突变不仅代表沉积环境的改变，更能反映构造活动的重要影响。

2.3 不整合面上、下地层岩石学特征

马鞍塘组石元段鲕粒灰岩发育于不整合面之下，为马鞍塘组最高部位岩层，也是川西地区海相碳酸盐岩发育的最高、最晚层位。其厚度不大，在绵竹汉旺剖面发育1层，厚度为40～45cm；在江油马鞍塘剖面发育4～5层，每层厚度仅为5～10 cm。其鲕粒类型以同心鲕、薄皮鲕为主，少量变形鲕、复鲕（图4－B，C）。鲕粒为亮晶方解石胶结。含有腕足、腹足（图4－C）、海绵、海胆、有孔虫、介形类生物化石，部分生物壳体发生了硅质交代（图4－D）。该套鲕粒灰岩的鲕粒直径出现明显的双峰态特征，大的粒径范围在2mm左右，小的粒径在0.5mm；同心纹层规则，亮晶方解石胶结显著，显示马鞍塘组顶部鲕粒灰岩形成环境水体能量较高，推测其形成环境的水深较下部鲕粒灰岩浅。

小塘子组发育于不整合面之上，单层厚度＜20cm，平行层理较为发育，侧向延伸范围较广。该套岩性以薄层的细粒岩屑石英砂岩沉积为主，石英颗粒的磨圆度较差，颗粒边缘有较强的溶蚀交代现象，颗粒局部被方解石交代，岩屑以沉积岩碎屑为主，含少量的火成岩和变质岩碎屑（图4－E，G，H）。

3 讨论

3.1 不整合面构造机制

3.1.1 晚三叠世早期构造活动

图4 绵竹汉旺马鞍塘组与小塘子组岩性特征Fig.4 The lithological features of Ma'antang Formation and Xiaotangzi Formation in Hanwang section

晚三叠世早期四川盆地整体处于拉张环境[7，37]，龙门山尚未隆起，但自北向南存在古岛弧链[38]。马鞍塘组沉积期，四川盆地进入被动大陆边缘发展阶段[5，39]，该时期扬子板块基于南北板块碰撞和川中古陆的北西向运动，整体处于左旋挤压的应力场中，这一构造格局控制了马鞍塘组汉旺段的沉积[35]。卡尼末期，扬子板块发生了重要的构造事件，在龙门山后山及其以西地区，松潘－甘孜地区发生了重要的褶皱变形[37，40]。笔者认为该次构造运动意义重大，对卡尼末期之后古地貌格局分布和沉积建造有着重要的影响。小塘子组的碎屑锆石U－Pb年代学研究印证了龙门山早期有限的隆升[41]。从马鞍塘组盆地内源碳酸盐岩到小塘子组大量陆源供给，以及两者间不整合面的发育，无疑都证明了在卡尼末期到诺利早期，龙门山地区早期构造活动的存在，是古龙门山（岛链）隆升出水面的关键时期。

3.1.2 海平面变化

川西北马鞍塘组早期沉积汉旺段从下向上表现为鲕粒滩—硅质海绵点礁—黑色页岩，这种垂向上粒度变细、颜色变深的序列表现出相对海平面由浅到深的变化。前人从硅质海绵点礁的生长特性着手，详细地分析了相对海平面的变化范围[35，36]。在生物礁灭亡研究方面产生了不同的学术观点。李勇（2011）计算出卡尼期相对海平面平均上升速率为0.03mm／a，海水在晚卡尼期达到最深，超过300m；并认为持续上升的龙门山造山楔构造负载驱动的前陆盆地的挠曲构造沉降速率大于全球绝对海平面速率是导致卡尼期海侵和生物礁灭亡的主要原因[36]。时志强（2010）从构造和气候耦合的角度，认为与构造活动的大量陆源物质的供给和超级季风为背景下的潮湿气候脉冲为海侵和生物礁死亡事件负主要责任[25，31，32]。

本次研究发现，马鞍塘组上部石元段主体岩性变化序列（钙泥质粉砂岩—生屑层—鲕粒灰岩—不整合面），显示出海平面在短时期内的急剧变化过程由深到浅，再到暴露。参考全球绝对海平面变化曲线发现，在诺利早期，全球绝对海平面呈下降趋势，下降范围在100m 之内[19，20]，而卡尼期末在该区水深达到300m[36]。由此可见，马鞍塘组石元段的沉积建造不仅是全球绝对海平面下降的结果，同时也是龙门山隆升对局部沉积地貌控制的产物。我们认为剖面顶部的不整合面是龙门山局部构造隆升活动的响应。

3.2 不整合面反映的气候变化

绵竹汉旺、江油马鞍塘剖面中马鞍塘组顶部不整合面蕴含着大量气候方面的信息。晚三叠世四川盆地古气候变化多端，孢粉和黏土矿物证明四川盆地晚三叠世为热带—亚热带背景下的热温交替和干湿更迭气候[42]。中三叠世以大量盐岩和膏盐沉积为代表的雷口坡组在川西地区稳定分布，显示的是一种干旱、咸化的沉积环境；晚三叠世卡尼早期继承了前期的干旱气候，全区以鲕粒滩沉积为特征；到了晚卡尼期，出现了向潮湿气候的转变，显示硅质碎屑大量输入的海相地层与陆源植物叶片共生。我们认为古特提斯范围内构造活动加强了超级季风，带来了古太平洋域的水汽输入，是导致向潮湿气候转变的主要原因[31]。诺利早期，沉积环境又发生了较大的转变，马鞍塘组石元段岩性以硅质碎屑含量减少、鲕粒灰岩再次沉积为特征，早诺利期古特提斯范围出现了构造活动休眠期的干旱气候。马鞍塘组顶部不整合面的发育，显示着印支早期构造活动及气候变化的双重控制作用。二者之间的相互关系还有待进一步研究。

4 结论

a.在绵竹汉旺剖面马鞍塘组与小塘子组间发现了平行不整合面。不整合面以铁质层、炭质层、鲕粒灰岩淋滤侵蚀面和岩性突变为特征，不整合面与构造和气候变化有关。

b.通过对马鞍塘组顶底部鲕粒灰岩的特征比对，发现顶部鲕粒“双峰态”特征更为明显，亮晶方解石胶结为主。表明早诺利期川西北局部地区短期内发育高能鲕粒滩，风暴的频繁作用是该时期主要的特点。

c.不整合面的形成显示早诺利期是龙门山北段隆升出水面的关键时期。川西盆地晚三叠世出现干湿交替的气候变化，在超级季风背景条件下，周期性的降雨和干旱气候是不整合面形成时显著的古气候条件。

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