浙江永康盆地朝川组泥灰岩段沉积特征及其古气候意义＊

2014-03-19曾剑威禇平利廖圣兵朱清波

华东地质 2014年1期

曾剑威，陈荣，禇平利，廖圣兵，彭博，朱清波

（南京地质矿产研究所，南京 210016）

浙江东部地区在白垩纪时发育众多受断裂控制的NNE向展布的盆地，这些盆地规模较小，但数量众多。在早白垩世早期，盆地内发育厚度巨大的陆相火山岩，在早白垩世晚期至晚白垩世早期则以广泛发育陆相杂色和红色碎屑岩为特征。前人曾对该区域的陆相碎屑盆地做过多方面研究，在盆地成因、地层序列、地层时代划分及盆地演化序列等方面积累了较多的资料和成果［1－8］。笔者在浙东地区从事区调项目工作过程中，在永康盆地测区范围内的朝川组红色碎屑沉积中发现多处泥灰岩（局部为钙质泥岩）夹层，对其沉积学特征及其中保存的孢粉和植物化石进行了系统分析，以此为基础，讨论了该区泥灰岩段的成因及古气候意义。

1 区域地质背景

浙江省地处我国东南沿海，是环太平洋西岸构造－岩浆活动带的重要组成部分，纵跨扬子陆块、华南陆块和南海－印支陆块三个一级大地构造单元。该区印支运动后开始上升成陆，接受早、中侏罗世陆相沉积；中生代兰江运动后，该区发生了强烈的断裂活动和大规模的火山喷发和岩浆侵入，相继形成断陷、断坳和火山洼地等盆地，沉积了厚度巨大的火山岩、河湖相碎屑岩及泥质岩组合［3］。

永康盆地是浙江东部地区典型的白垩纪陆相红盆，盆地呈北东向展布，是早白垩世北北东向—北东向断裂与近东西向断裂联合作用形成的断坳型盆地（图1）。永康盆地地层区划属浙东南地层分区，为“永康群”的命名地。盆地内充填了湖相、河流相及冲积扇相等沉积物，依据地层发育特征及构造活动方式，可划分为三个演化阶段：沉降阶段，形成馆头组暗色、杂色沉积；稳定阶段，形成朝川组中、下部红色河湖相碎屑沉积；抬升阶段，形成朝川组上部辫状河流相粗碎屑沉积和方岩组砾岩。沉积地层垂向厚度约1000m，与盆地基底磨石山群火山岩呈不整合或断裂接触［8］（图2）。

图1 浙江早白垩世晚期盆地形成与区域构造关系［7］Fig．1 Relationship between regional tectonic setting and basin formation during the late period of early Cretaceous epoch in Zhejiang Province

图2 浙江东部永康盆地地层格架图［8］Fig．2 Stratigraphic framework of Yongkang basin in eastern Zhejiang Province

本文研究区位于东阳市附近永康盆地北东角，该区域缺失馆头组地层，朝川组与盆地基底磨石山群火山岩为断层接触或直接超覆于火山岩之上。朝川早期，盆地的控盆断裂活动总体由强变弱，在断坳盆地的陡岸堆积了一套厚度较大的冲积扇－扇三角洲碎屑，具退积型充填序列特征，反映盆地具有断陷不断加深的特点。该时期在朝川组底部扇三角洲平原亚相中可见中性火山岩堆积，而在断坳盆地缓坡侧，朝川组下部多为退积型辫状河三角洲沉积及滨湖相沉积。朝川中期，随着盆地拉伸，湖盆范围逐渐扩大并趋于稳定。该时期湖泊相沉积占主导，沉积厚度较大、范围较广的粉砂岩及泥质粉砂岩，在盆地边部局部水体较浅处出现较多的钙质结核层，代表湖相沉积物短暂暴露地表。在盆地深陷阶段，局部洼地出现较深水杂色沉积及黑灰色泥灰岩沉积。朝川晚期，由于前期沉积物的大量输入，盆地逐渐转变为超补偿状态，湖域面积不断萎缩，湖盆中开始出现河流相沉积，代表湖盆的逐渐衰亡。方岩期，由于盆地南东缘断裂不断挤压抬升，盆地外基底岩石遭受剧烈剥蚀，粗碎屑物质大量输入，形成了厚度巨大的砾岩沉积。永康盆地白垩纪地层序列见图3。

图3 永康盆地白垩纪地层序列Fig．3 Cretaceous stratigraphic sequence of Yongkang basin

2 泥灰岩段地层沉积学特征

2．1 泥灰岩产出特征

泥灰岩是介于泥岩与碳酸盐岩之间的过渡型沉积岩，具有微粒状或泥状结构，粒径一般小于0．01 mm。泥灰岩与粘土岩的区别是滴稀盐酸后前者产生气泡，与灰岩的区别是前者气泡处有暗色泥质物出现。灰－泥混合岩石中碳酸盐成分占30～70%均可定义为泥灰岩，实际工作中常把露头特征相近的一系列灰－泥混合岩石统称为泥灰岩［9－11］。本次工作在朝川组红层沉积中发现的暗色湖相碳酸盐沉积，野外露头（图4A）新鲜面均呈灰－灰黑色（图4B），风化后呈土黄－灰黄色（图4C），岩石露头特征差异较小；室内岩石薄片鉴定发现，岩石主要由碳酸盐、粘土质及粉砂碎屑组成，另有少量铁质和有机质。除个别层位碳酸盐含量达50%以上（图4D），其他层位岩石中均含较多的陆源粉砂碎屑（5～20%不等），碳酸盐和粘土含量相当且均不足50%，难以按岩石组分单元含量进行准确定名（图4E、图4F）。结合野外露头特征及镜下观察的特征将其定名为泥灰岩。

图4 永康盆地朝川组泥灰岩沉积特征Fig．4 Sedimentary characteristics of marl of Chaochuan Formation in Yongkang basin

永康盆地朝川组泥灰岩段集中出露于浙江省东阳市湖溪镇至横店影视城一线，产出层位稳定，平面上均处于盆地中心位置并沿盆地伸展方向展布；垂向上位于朝川组中上部（图3）。本次工作在湖溪镇新屋村测制了泥灰岩段地层剖面（图5），该剖面泥灰岩呈灰－灰黑色中厚层状，单层厚10～50cm 不等，水平层理较发育。剖面下部为灰黑色泥灰岩与中厚层状紫红色钙质粉砂岩和含细砂粉砂岩互层沉积，上部为大套灰色泥灰岩夹中层状紫红色含细砂粉砂岩。该泥灰岩段上下地层均为红色细碎屑沉积层。

值得注意的是，本次发现的泥灰岩段地层产状均较陡，倾角多在40～50°，湖溪镇剖面甚至达70°，总体向南东－南倾，经调查研究认为可能与余姚－丽水断裂在盆地形成后向南东逆冲推覆有关。

朝川组泥灰岩段产于浅湖相红色细碎屑岩层中部，颜色呈灰黑色，水平层理较发育，保存较多植物碎片和孢粉化石，具浪基面之下静水环境沉积特征。平面上泥灰岩多呈碟形零散分布于湖盆中心位置，侧向上泥灰岩向陆源细碎屑岩过渡。这些特征表明泥灰岩虽具半深湖相沉积物的某些特征，但其沉积范围小、稳定性差，实则为湖盆中心局部相对较深水的洼地沉积，其沉积时期的水深正好处于浪基面附近，极易受相对湖平面变化和陆源碎屑物质输入的影响，造成泥灰岩与陆源细碎屑岩的交替出现。

图5 东阳市湖溪镇朝川组泥灰岩段岩性特征Fig．5 Lithologic features of marl section from Chaochuan Formation in Huxi，Dongyang city

2．2 泥灰岩段混合沉积特征及成因分析

“混合沉积物”（mixed sediments）最早由Mount在1984年提出，用以表述陆源碎屑与碳酸盐混合沉积的产物。碳酸盐与陆源碎屑混合沉积可分为狭义的混合沉积和广义的混合沉积，狭义的混合沉积指陆源碎屑与碳酸盐组分的混合（在同一岩层内），即混合沉积的典型产物“混积岩”；广义的混合沉积则包括了狭义的混积岩和陆源碎屑与碳酸盐交互沉积，二者可以交替互层、夹层及横向相变或零星分散于另一类岩石之中［11－14］。广义的混合沉积作用按成因可分为三类，即渐变式混合沉积、突变式混合沉积和复合式混合沉积。渐变式混合沉积指由正常沉积事件形成的一类岩石，其与上下岩石在成分、结构、构造方面为渐变过渡关系，没有突变标志；突变式混合沉积指由突发性沉积事件形成的一类岩石，其与上下岩石间为突变接触。此类混合沉积作用形成的混积岩成分复杂，粒度相差较大，有时发育块状层理及滑动变形构造。复合式混合沉积则兼具前两者特征［11，15］。

朝川组泥灰岩及钙质泥岩样品岩石化学成分及相关微量元素参数见表1，结合化学分析数据及薄片鉴定，朝川组泥灰岩主要由碳酸盐微粒（方解石、白云石）、粘土及少量的粉砂级石英碎屑组成。其中碳酸盐组分含量多在40%左右，呈泥晶或微晶状；粘土含量与碳酸盐含量相差不大，常与碳酸盐泥晶均匀混合（图4E），或形成富碳酸盐微粒层与富粘土成分层交替出现的纹层构造（图4F）。这些特征表明泥灰岩中的粘土矿物主要来源于物源区风化产物，以悬浮方式搬运至盆地，并以机械方式与自生碳酸盐颗粒混合沉积，胶体凝聚产生的自生粘土矿物和长石蚀变产生的粘土矿物很少。陆源的粘土、粉砂碎屑与自生碳酸盐泥晶的机械混合构成了典型的混积岩［11－16］。如前所述，朝川组中泥灰岩与陆源红色细碎屑岩呈互层、夹层产出，单层多与细碎屑岩呈渐变过渡关系（图4B），其沉积环境处于正常浪基面附近，为浅湖相向半深湖相过渡的相缘地带，具相缘渐变式混合沉积特征［11，15－16］。

表1 朝川组泥灰岩段岩石化学成分及相关微量元素参数（%）Table．1 Chemical compositions of marl section from Chaochuan Formation

混合沉积具有类型多、空间跨度广、控制因素多变，且各因素间相互影响的特点。混合沉积形成的主要控制因素包括构造作用、气候和湖平面变化，其次为物源、水动力条件和湖泊的演化历史［13－15］。朝川组泥灰岩段同时具狭义的混积岩和广义的渐变式混合沉积特征，其控制因素分析如下：

（一）构造因素：盆地下沉速率和沉积速率的配置明显影响混合沉积。构造沉降小而沉积速率较大时，盆地水体变浅，不断充填，沉积空间随之减小，形成的混合沉积岩系地层厚度较薄；反之则形成厚度较大的混合沉积岩系。永康盆地泥灰岩段发育层位处于断坳盆地稳定沉降阶段，湖域范围达到最大，盆地处于补偿沉积阶段，有利于碳酸盐岩稳定沉积，因此形成了近150 m 厚且岩性组合相对稳定的混合沉积岩系。

（二）气候变化：湖泊系统对气候变化较敏感。干旱、潮湿及温暖期和寒冷期的交替变化均能直接和明显影响混合沉积。浙东地区白垩纪气候整体较干热，薄片鉴定表明朝川组中泥灰岩段碳酸盐组分除方解石外，还含较多的白云石，同时泥灰岩CaO／MgO 比值为1．89～2．48，泥灰岩和钙质泥岩Sr／Ba比值范围为0．11～0．71，平均值为0．4（表1）。白云石的形成及相对较高的Sr／Ba比值表明泥灰岩及钙质泥岩形成于高蒸发的淡水－半咸水陆相湖盆环境，较高的蒸发量和咸化的湖水利于方解石化学沉淀及准同生白云石的形成［17－19］；从化学分析结果（表1）可以看出，尽管不同类型、不同层位的岩石中碳酸盐组分和陆源组分含量各不相同，但来源于陆源碎屑的SiO2、Al2O3、Fe2O3相互间的含量比例关系却是稳定的，不同层位和岩性的岩石中ω（SiO2）：ω（Al2O3）：ω（Fe2O3）的值基本稳定在23：7：1，不因碳酸盐含量变化而变化，这说明碳酸盐物质对陆源物质只起到稀释作用，陆源物质来源是稳定的，岩性变化只与陆源物质的输入量有关［18］。综上所述，干旱期与潮湿期的交替应是本区泥灰岩混合沉积的主要控制因素。当气候干旱时，因地表径流的减弱，陆源供给丰度降低，陆源沉积的抑制作用减弱，同时湖水蒸发量大，碳酸盐可随之大量沉积，潮湿期则相反。干旱和潮湿气候的交替造成了陆源碎屑岩和泥灰岩的渐变式混合沉积。

（三）湖平面变化：湖平面的升降主要从陆源物质的供给和水体深度两方面影响混合沉积作用的进行及其强度。当湖平面相对上升，深水区域面积增大，陆源碎屑影响较弱，有利于大面积形成碳酸盐岩；当湖平面相对下降，水体逐渐变浅时，陆源碎屑影响增强，抑制形成碳酸盐岩。相对湖平面的变化控制着朝川组泥灰岩沉积的范围和厚度。

（四）物源：物源是混合沉积的一个重要影响因素，但其受构造、气候和湖平面的影响。永康盆地朝川期湖盆水深相对较浅，同时物源区为面积巨大的火山碎屑岩区，陆源物质对碳酸盐岩沉积的抑制作用持续存在，造成了朝川组泥灰岩段同时具备组分内混合沉积（狭义混合沉积）及渐变式混合沉积（广义混合沉积）同时存在的现象。

（五）水动力条件：影响湖泊水动力的因素主要有河流和风浪。永康盆地面积相对较小、水体浅，水动力条件多变，容易造成多种粒级沉积颗粒的混合沉积。

（六）湖泊的演化历史：永康盆地经历早期快速充填、中期相对稳定沉降和晚期蒸发收缩的三个发展阶段。泥灰岩仅出现在中期相对稳定沉降期，该时期陆源物质供给相对稳定，水体深度达到最大，利于在相对静水环境的水体中形成碳酸盐岩沉积。

3 泥灰岩段中发现孢粉化石及意义

灰黑色泥灰岩段中含丰富的植物化石，这些植物化石多为破碎的叶片及茎干，为异地搬运沉积，且多已炭化，仅个别还保存较完好的形态（图4C）。经鉴定，这些植物化石的种属极为单一，几乎全为掌鳞杉科植物化石Pseudofrenelopsissp．。同时系统采集了泥灰岩段孢粉分析样品，其孢粉的含量及种属见表2。由表2可知，剖面中孢粉主要保存在中部灰黑色泥灰岩中，含量较高，但种属单一，以裸子植物孢粉占主导，其中Classopollis占总数的44～72%，个别样品可达90%；Exesipollenites占总数的28～51%，另含有极少量的无肋双囊类花粉。本次样品中发现的孢粉组合虽缺少特征性的蕨类植物孢粉，但结合Classopollis与Exesipollenites相对含量及植物化石单一为Pseudofrenelopsissp．等特征，可确定泥灰岩段的时代为早白垩世晚期［1，6，20］。Classopollis和Exesipollenites孢粉为主而缺少代表湿热气候环境的Cicatricosisporites和Schizaeoisporites分子，这种孢粉组合代表典型的干热气候［20，21］。已有资料表明，Pseudofrenelopsis主要生活于有季节变化、盐度较高或较干旱的环境中［22，23］。

表2 永康盆地朝川组泥灰岩段中孢粉组合Table．2 Assemblages and contents of sporopollen fossils in marl section from Chaochuan Formation

4 讨论及结论

4．1 讨论

早白垩纪晚期是中国东南部的重要成盆时期，该时期形成了数量众多的红色碎屑沉积盆地。通常认为该时期的古气候为干热气候，这一结论来源于广泛分布的红层沉积及少量的孢粉和植物化石。由于缺乏研究载体，对于精细的气候变化特征研究具有一定的困难。近年来不少研究者也试图在红层沉积中寻找特殊载体进行精细的气候对比研究，已有的成果主要是通过红层中的粘土矿物、植物化石细微结构特征及地球化学指标等来反映不同尺度气候变化特征［22－26］。

气候变化对沉积物（尤其是陆相沉积地层）产生直接影响。陆相沉积形成于陆圈与水圈、大气圈和生物圈的交界面上，比海相地层更有效地保存了地球表层环境的信息［24］。另一方面，由于陆相沉积更易受地形、物源及构造背景等影响，宏观上的陆相沉积特征很难精细地记录气候的变化。因此，如何寻找特殊沉积载体是陆相沉积古气候研究的难点和重点。笔者在朝川组红层沉积中发现的泥灰岩段，发育于相对稳定的构造背景下，且其沉积环境恰处于湖盆浪基面附近，因此对气候变化引起的湖平面变化、物源供给及水化学条件变化极为敏感。综合分析，笔者认为该段陆源碎屑岩与湖相碳酸盐岩混合沉积岩系的形成与陆源物质供给量关系密切，反映其形成时期存在干旱与潮湿气候的交替变化，这种变化属于较短时期内的气候变化。泥灰岩层中保存的植物化石及孢粉，反映该区具有干热气候的特征，而与泥灰岩互层产出的红色细碎屑岩中未发现孢粉化石，这种化石记录的缺失应与红层沉积时强氧化的动荡水体环境有关，同时也反映了陆相红盆中化石记录在古气候研究中具有局限性。