石头中的纹理——宜昌三峡地区的沉积现象

王文倩

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石头中的纹理
——宜昌三峡地区的沉积现象

王文倩

在野外的山上、河流边或道路旁，到处都可以看到各种各样、颜色各异的石头。石头，在地质学领域称为岩石，是地壳的主要构成部分。根据形成的原因，我们可以将岩石分为沉积岩、火山岩和变质岩三大类型。在地球表面分布最广的是沉积岩，约占地球表层岩石的70%。沉积岩又称水成岩，是地球表层岩石的风化物和火山喷发物经水流、冰川或风的搬运，沉积在水下或陆地表面，再经成岩作用而形成。沉积岩最典型的特征就是呈层状，像的书页一样层层覆盖在地球表层，记录着地球上生物、环境和气候漫长而神秘的演化历史。在沉积岩中我们可以看到各种纹理，依据形成的时间，这些纹理大致可以分为同沉积纹理、成岩纹理和成岩后纹理。其中同沉积纹理又叫沉积构造，在地质学研究中最为重要，可以告诉我们有关岩层形成环境和气候条件的重要信息。

为了了解地质历史中主要的沉积地层序列及生物和环境的演化历程、培养学生系统的野外地质工作能力，2013年10月28日至11月4日，中国科学院南京地质古生物研究所组织了宜昌野外地质实习，南古所的一、二年级硕士生和博士生以及来自北京大学、南京大学、中国地质大学（武汉）、西北大学等高校的对古生物感兴趣的高年级本科生和部分研究生共70人左右参加了本次实习。此次实习涉及到的内容主要为三峡地区从前寒武纪到中生代的各时代地层。前3天分为3队，分区域轮流观察上述所有地层，后面几天分为8个小组，每个小组研究一个自己感兴趣的专题。宜昌地区出露了非常完整的从前寒武系到中生界的地层序列，建立了上奥陶统赫南特阶底界和中奥陶统大坪阶底界2个“金钉子”（全球标准层型剖面和点）。本区发育了非常丰富的沉积现象，鉴于沉积现象在解释地球环境和气候变化中的重要作用，下面对本次实习中所观察到的沉积现象的特征、成因和环境意义做简要的介绍和分析。

1.波痕与交错层理（图1）

波痕是浅海、河湖底部的一种小型波状的地形特征，由周期性相间出现的尖波峰和圆波谷构成，通常由波浪或水流作用于砂质基底形成。根据波峰是否两侧对称，可分为对称波痕和不对称波痕。对称波痕常由波浪作用形成，不对称波痕一般为单向水流所形成，也可由波浪作用形成。交错层理通常也称为斜层理。它是由一系列斜交于层系界面的纹层组成，斜层系可以彼此重叠、交错、切割的方式组合。交错层理一般为波痕的侧向迁移所形成，即波痕是交错层理在层面上的表现形态，而交错层理为一段时间内连续迁移的波痕在垂直层面方向上的迁移轨迹。不对称水流波痕交错层理的倾斜方向指示了水的流向（图1）。本次实习中所见的波痕和交错层理有以下几种：

（1）波浪波痕（图2）

图1 不对称水流波痕及波痕交错层理成因示意图

图2 宜昌兴山峡口地区中生代陆相砂岩中的波痕构造

波浪波痕（wave ripples）是波浪作用于砂质基底所形成的一种波状起伏的底面形态。波浪波痕通常是对称的，或稍微不对称。一般具有直的脊，常见音叉状（Y形）分支，这种分叉现象在单向的水流波痕中是从来看不到的。因此，是否对称与分叉是区分波浪波痕和单向水流波痕的两个重要的标志。在宜昌兴山县峡口地区中生代地层的砂岩层面上发现了丰富的发育良好的波痕构造（图2）。这些波痕一般两侧对称，且发育音叉状分支，因此可以肯定是波浪波痕，常见于浅海和湖泊环境。而这些波痕波高小、波长短，波脊方向多变，在局限的层面上至少可以区分出四个不同方向的波脊走向（图2），这种多变的波脊方向通常由延向多变的滨岸作用于波浪后改变波浪的传递方向所形成，反映了非常浅的滨岸环境。而本套地层为陆相地层，因此，这些波脊方向多变的小型对称波浪波痕指示了靠岸的湖滨浅水环境。

（2）丘状交错层理（图3）

丘状交错层理（hummocky cross stratification）指与波纹表面相一致的平行纹层组，纹层在波峰弯曲继续向下到相邻的波谷，之后又继续弯曲上行至波峰，在上覆的波状纹层沉积前，多数的纹层被截切。虽然名字叫交错层理，但这种层理的各个纹层间并不真正相交，仅在某些部位各纹层相互靠近而密集呈束。丘状交错层理的层面特征为不规则分布的凸起的小丘和凹下的洼陷。层组的底面常为起伏不平的冲刷侵蚀面，之上的纹层均平行或近于平行此侵蚀面。顶部可发育对称波痕。丘状交错层理常发育在含大量云母和碳屑的细砂岩和粗粉砂岩中，也可发育在灰岩中，但层理相对模糊。在地层序列中，发育丘状交错层理的岩层常以夹层的形式存在于富含海相动物化石的页岩或粉砂岩中，或与之形成互层。丘状交错层理的发育环境为海洋中能够受到风暴影响的水体环境，即风暴浪基面（风暴天气状况下波浪所波及的最深水位）之上的浅海环境，但由于正常浪基面（一般天气状况下波浪所波及的最深水位）之上的水底经常受到波浪的强烈改造，所以保存较好的丘状交错层理常常发育于风暴浪基面之上、正常浪基面之下的陆棚浅海环境。图3中的丘状交错层理发育于下奥陶统南津关组的灰岩中，底部发育清晰的起伏不平的侵蚀面，顶面丘状起伏，之间由间距不等的纹层形成厚薄不等的丘状交错层理（图3），表明这一层位的石灰岩形成于受风暴影响的碳酸盐陆棚浅海环境。

图3 三峡黄花场剖面南津关组的丘状交错层理

图4 三峡地区前寒武纪莲沱组中的板状交错层理

图5 宜昌三峡三游洞群中的鱼骨状交错层理

（3）板状交错层理（图4）

板状交错层理（planar crossbedding）是一种层系上下界面平直、呈板状、厚度稳定不变或变化不大的交错层理，各层系内的细层倾向常为同向的。这种交错层理由具平直脊的波痕迁移而成。有大型（层系厚大于10厘米）、中型（层系厚5～10厘米）及小型（层系厚小于5厘米）板状交错层理之分。大、中型板状交错层理常形成于河流凸岸坝、潮道等环境。图4中为发育于前寒武纪莲沱组的大型板状交错层理。

图6 示底构造

图7 宜昌兴山峡口剖面大冶组底部风暴沉积层中的火焰状构造

图8 三峡地区寒武系水井沱组的滑塌沉积

图9 兴山县峡口镇三叠系大冶组下部的滑塌沉积构造

（4）鱼骨状交错层理（图5）

鱼骨状层理（herringbone bedding）又称羽状交错层理、人字型交错层理，其特征是在剖面上层系互相重叠，相邻层系中细层倾向相反，呈鱼骨状、羽状或人字形，层系间夹有泥质水平薄层。它是在沉积介质具有双向流动的情况下产生的，如涨潮流形成的前积层与退潮流形成的前积层交互而成。鱼骨状交错层理一般出现在潮间带下部及潮汐通道中。

2.示底构造（图6）

示底构造（geopetal structure）是显示成层岩石的顶、底或面向的各种标志，包括原生沉积构造标志（层理、层面痕迹、生物遗迹、叠层石等）和其他构造标志（劈理降向、从属褶皱倒向等）。图6中的示底构造为头足类动物死后沉积下来，里面的软体腐烂降解后剩下空的壳体，后来的细粒泥质沉积物沉积在空壳的下部，上部形成空洞，被后期沉淀的亮晶方解石充填形成的，因此空洞中由泥晶灰泥到亮晶方解石的方向指示了岩层顶面方向。

3.火焰状构造（图7）

火焰状构造（flamestructures）为弯曲的、向上凸进到上覆砂层中的尖泥舌，由于不均匀的负载和液化，泥层以舌形体向上运动到上覆的砂层中。当砂质层堆积在含水且具高塑性泥质层之上时，差异压实会引起上、下砂质层与泥质层之间发生相互垂向运移。泥质层成尖舌状贯入上覆砂质层中，形成一排尖舌，称之为火焰状构造。火焰状构造反映了泥质基底之上快速的砂质沉积，常发育于深海的浊流沉积和浅海的风暴沉积序列中。实习区在兴山峡口三叠系大冶组的底部发育了火焰状构造（图7），反映了快速的风暴沉积。

4.滑塌构造（图8，9）

滑塌构造（slump structure），指已沉积的沉积层在重力作用下发生运动和位移所产生的各种同生变形构造。滑塌构造除塑性变形，还伴随有小型断裂和角砾化以及岩性的混杂等。滑塌构造往往局限于一定的层位中，与上、下层位的岩层呈突变接触。滑塌构造的内部层序混乱或呈块状，常见塑性揉皱、小型断层和角砾，下伏和上覆地层层序相对清楚、平整。滑塌沉积与下伏地层间常以滑动面相分隔，滑动面两侧常见拖曳构造。滑塌沉积的分布的范围可以是局部的，也可延伸数百米，甚至几千米。引起滑塌构造的原因较多，沉积斜坡、同沉积断裂、沉积物快速的堆积以及地震波的冲击等均可引起沉积层顺坡向下滑动，但重力是其形成的主要原因。滑塌构造是识别水下斜坡的良好标志，常见于大陆斜坡、同沉积断陷的沉积层及震积岩中。我们在实习区的寒武系水井沱组地层中以及兴山峡口三叠系大冶组下部可以看到典型的滑塌沉积构造。

5.帐篷状构造（图10）

帐篷构造（tepee structure）是一种碳酸盐潮坪环境形成的脊型背斜构造，这种构造具有柱状裂隙和极大的干裂状多角断面，呈不和谐的褶皱和类似尖顶褶皱或倒转岩层，此外，还有V字形裂隙缝和伴生有角砾岩层出现，现代常见于阿拉伯的萨布哈潮坪环境和南澳大利亚的滨岸泄湖潮坪环境中。帐篷构造的成因系碳酸盐沉积后水体变浅，并暴露于大气环境所致，当碳酸盐沉积物从潮下、经潮间、最后变为潮上时，地表中地下水上涌和岩层发生固结膨胀变形而形成。在实习区陡山沱组盖帽白云岩中可见典型的帐篷构造，目前的研究认为，帽白云岩中的帐篷构造可能为当时盖帽碳酸盐沉积层下部的甲烷气体溢出形成。

图10 三峡地区陡山沱组盖帽白云岩中的帐篷构造

6.米兰科维奇旋回沉积（图11）

米兰科维奇旋回沉积，指由于地球运动轨道参数（偏心率、黄赤交角和岁差）的周期性变化引起地球上气候的周期性波动（冰期与间冰期），从而在地球表层产生周期性变化的沉积物。偏心率的变化周期为40万年和10万年，黄赤交角（地球黄道面与赤道面的夹角）变化周期为4万年，岁差（主要由于太阳和月球引力而引起的地球自转轴围绕地球黄道面垂直轴的长期运动）的变化周期为2万年，所以沉积岩中由米兰科维奇旋回驱动的沉积旋回分别有40万年、10万年、4万年和2万年四个主要的周期。实习区兴山县峡口镇三叠系大冶组的薄层灰岩与极薄层泥岩形成了典型的米兰科维奇旋回沉积（图11）：由薄层灰岩和极薄层泥岩层形成较小的旋回单位，五个灰岩-泥岩层组成较大的旋回单位，之间为较厚的泥岩所分隔。这种组合关系暗示，较小的灰岩-泥岩旋回单位可能代表了2万年的岁差旋回，由5个灰岩-泥岩层偶组成的较大旋回单位可能代表了10万年的偏心率旋回。

沉积构造特征是沉积时占优势的沉积介质和能量条件的综合响应，是岩石的重要成因标志。在野外工作中，对沉积构造的识别，是判断沉积环境的基本依据。以上为本次实习看到的比较典型的沉积构造现象，对于具体的沉积环境分析，仍需要配合室内的详细研究。

此次野外的圆满完成，离不开指导老师的认真讲解和带队老师的辛勤付出，同时小组内部的团结协作也非常重要，在这里感谢各位老师的付出，同时感谢小组内成员的帮助。

图11 宜昌兴山峡口剖面大冶组下部的米兰科维奇旋回沉积层