龙门山甘溪土桥子组碳酸盐岩沉积相及其演化
2015-09-28李凤杰屈雪林杜凌春荆锡贵成晓雨
李凤杰,屈雪林,杜凌春,荆锡贵,成晓雨
(成都理工大学沉积地质研究院,成都610059)
龙门山甘溪土桥子组碳酸盐岩沉积相及其演化
李凤杰,屈雪林,杜凌春,荆锡贵,成晓雨
(成都理工大学沉积地质研究院,成都610059)
依据野外实测剖面资料,对龙门山甘溪剖面上泥盆统土桥子组沉积相进行了分析,认为土桥子组以碳酸盐缓坡沉积为背景,该组沉积中期,随着海平面的短暂下降,碳酸盐缓坡发生短暂的台地化,其最直接的识别标志是生物礁前的角砾岩及塌积岩沉积的出现。该剖面土桥子组碳酸盐缓坡包括浅水缓坡和深水缓坡2种亚相类型;碳酸盐台地包括台地边缘礁滩和前缘斜坡2种亚相类型。土桥子组碳酸盐岩发育2个完整的沉积旋回,这2个旋回随着海平面的升降变化,表现出不同的沉积特征。龙门山上泥盆统甘溪剖面土桥子组碳酸盐缓坡沉积以微晶灰岩—泥灰岩组成的韵律层为特征。
碳酸盐岩沉积相;沉积演化;土桥子组;甘溪剖面
0 引言
龙门山上泥盆统土桥子组北川桂溪—沙窝子剖面(简称甘溪剖面),是国际泥盆系标准剖面之一,该剖面地层连续、露头良好、构造简单、化石丰富、分带清楚、沉积类型多样、相标志清楚,是我国泥盆系重要的典型剖面之一[1-3]。土桥子组处于上泥盆统最下部,属龙门山泥盆纪最大海泛期,主要接受碳酸盐缓坡沉积[3-4]。在最大海泛面的两侧发育厚达40~50 m的灰岩与泥灰岩韵律层。许多研究均表明,灰岩和泥灰岩韵律层的形成往往受地球轨道气候旋回的控制[5-9]。该地区韵律层形成于水体较深的环境,生物相对较少,受其干扰小,因而成为研究灰岩和泥灰岩韵律层发育及形成机制的有利部位。笔者以甘溪沙窝子村土桥子组剖面野外实测为基础,开展土桥子组沉积相研究,进一步分析其韵律层的形成环境,以及在沉积序列中的发育部位,为其韵律层的发育与形成机制研究奠定基础。
1 地质概况
龙门山上泥盆统土桥子组剖面属于四川龙门山桂溪—沙窝子泥盆系国际标准剖面的重要组成部分[3],位于四川盆地西北部北川县桂溪乡沙窝子村(图1)。按龙门山泥盆系的分层标准,上泥盆统自下而上可划分为土桥子组、沙窝子组和茅坝组,其下伏地层为中泥盆统观雾山组。其中土桥子组相当于侯鸿飞等[2]实测北川县桂溪—沙窝子泥盆系剖面B128-B143层的土桥子组,沉积于Frasnian阶早期[5]。土桥子组岩性主要为碳酸盐岩、泥灰岩和泥岩,其中泥灰岩和泥岩代表了深水盆地相沉积,主要生物包括层孔虫、珊瑚、腹足以及Leiorhyachus和深水相竹节石等[3]。自下而上可分为2个沉积旋回组合段,各段底部为角砾灰岩或云岩,向上以灰岩为主,泥质含量增加;最大海泛期为黑色泥质岩沉积,上部为生物碎屑灰岩和生物礁组成的浅水沉积。
图1 龙门山甘溪土桥子组剖面位置Fig.1 Location map of profile of Tuqiaozi Formation in Ganxi section of Longmen Mountain
2 碳酸盐岩沉积环境分析
针对龙门山甘溪剖面上泥盆统土桥子组碳酸盐岩沉积相研究,不同学者开展过相应的研究,许多人认为其属于碳酸盐台地沉积环境[1-3],也有人认为其属于碳酸盐缓坡沉积环境[4-10]。事实上,严格定义的碳酸盐台地和缓坡是一个相互独立,并且存在成因联系的2个沉积环境。其成因联系表现在缓坡具有向台地转化的趋势[11-12],有不少学者将缓坡纳入台地范畴,但鉴于两者诸多明显区别,应对甘溪剖面土桥子组碳酸盐岩沉积进行详细区分。
(1)甘溪剖面土桥子组碳酸盐岩以发育微晶灰岩、泥灰岩和泥岩为特征,并形成韵律层,但具有厚层状礁灰岩、生物碎屑灰岩和核形石灰岩的存在,是碳酸盐缓坡沉积的标志[10]。王剑[13]认为,碳酸盐缓坡主要形成于稳定的构造条件和海平面相对上升期。龙门山晚泥盆世为盆地稳定拉张扩展期,形成区域性稳定沉降,造成相对海平面上升[10]。土桥子组沉积时期构造活动处于相对平静期,该时期海平面处于上升阶段,海域范围明显扩大,因此该时期具备缓坡生长发育条件。
(2)对碳酸盐岩沉积的研究表明,一套碳酸盐岩沉积是台地还是缓坡,最重要的标志是它是否存在明显的斜坡坡折[11-12],而角砾岩与塌积岩沉积的出现则是台地斜坡相识别的重要证据。在甘溪剖面土桥子组存在大量厚层状的云质角砾灰岩和滑塌变形层理,表明该区存在台地前缘斜坡相。
(3)区分碳酸盐台地与碳酸盐缓坡另一个重要的标志是它是否存在横向上连续的线状滩或礁[14]。甘溪剖面土桥子组发育层孔虫礁灰岩和珊瑚礁灰岩2种类型,不同时期的生物礁之间多为深水暗色泥灰岩层所分割,该时期的台地可能为孤立台地[10],而且台地的持续时间较短,不足以在横向上形成大规模的线状连续礁体。
综上所述,甘溪剖面土桥子组以碳酸盐缓坡沉积为背景,沉积过程中,随着海平面的短暂下降,碳酸盐缓坡发生短暂的台地化,其最直接的识别标志是生物礁前的角砾岩及塌积岩沉积的出现。
3 沉积相类型
根据野外剖面综合分析,甘溪剖面土桥子组发育碳酸盐台地、碳酸盐缓坡和盆地相3种沉积相类型,随着海平面的变化,其在沉积演化上交替出现。碳酸盐台地包括台地边缘和前缘斜坡2种亚相类型,碳酸盐缓坡包括浅水缓坡和深水缓坡2种亚相类型。
3.1碳酸盐台地
3.1.1台地边缘亚相
甘溪剖面土桥子组台地边缘亚相包括丘礁、生物碎屑滩(颗粒滩)和滩间3种沉积微相。
(1)丘礁微相
土桥子组丘礁灰岩发育2种类型,包括层孔虫礁灰岩和珊瑚礁灰岩。层孔虫礁灰岩主要由球状层孔虫组成,球状层孔虫大小不均(图版Ⅰ-1),主要为8~15 cm,最大可达30 cm。珊瑚礁灰岩包括群体珊瑚和枝状珊瑚(图版Ⅰ-2)。
(2)生物碎屑滩微相
主要为深灰色中—薄层生物碎屑灰岩(图版Ⅰ-3),含丰富的层孔虫、腕足、腹足和竹节石化石。生物碎屑灰岩多以生物碎屑为主,形成于水动力较强、沉积水体较浅、经常受波浪作用改造的沉积环境。
(3)滩间微相
为台缘浅滩之间相对较深水的受浅滩障蔽作用下形成的潮下低能沉积环境,因此,沉积物粒度细,岩性以微—粉晶灰岩为主,呈灰—深灰色,含少量有孔虫和双壳类化石,局部含泥质较重,偶夹少量砂屑和生物碎屑。
3.1.2前缘斜坡亚相
甘溪剖面土桥子组前缘斜坡亚相包括上斜坡和下斜坡2种沉积微相。
(1)上斜坡微相
上斜坡微相主要由角砾岩组成。角砾岩由灰色厚层块状、角砾状灰岩、云质灰岩和白云岩组成,角砾直径为1~10 cm,体积分数为60%~80%,杂乱堆积,角砾中含大量的层孔虫礁块角砾(图版Ⅰ-4)和珊瑚礁块角砾(图版Ⅰ-5),为生物礁前滑塌角砾岩。微晶灰岩呈薄—中层状,具滑塌变形构造(图版Ⅰ-6)。滑塌角砾岩滑塌的最终结果是导致岩石发生原生错断,造成滑塌体的角砾岩化,其与上下层构成正常层—角砾岩层—变形层—正常层的层序。
该类型的沉积微相位于前缘斜坡的上斜坡之处,台地边缘的生物礁滑塌后落于前缘斜坡上部,并占据了上斜坡的位置。
(2)下斜坡微相
位于前缘斜坡的下部,主要包括含生物碎屑灰岩、微晶灰岩,生物保存相对完整。
3.2碳酸盐缓坡
3.2.1浅水缓坡亚相
甘溪剖面土桥子组浅水缓坡亚相包括浅滩和潮下低能2种沉积微相。
(1)浅滩微相
主要为深灰色中—薄层生物碎屑灰岩和核形石灰岩,含丰富的层孔虫、腕足、腹足和竹节石等化石。生物碎屑灰岩中生物相对完整,核形石灰岩中核形石大小为5~15 cm(图版Ⅰ-7),局部夹1~2 cm厚的腕足类介壳层,全部为Leiorhynchus组成,壳体凸面向上(图版Ⅰ-8),表明受到水动力的改造,为风暴沉积作用的结果。
(2)潮下低能微相
由深灰色薄层微晶灰岩夹泥灰岩组成,二者呈韵律层产出,一般灰岩厚度为5~20 cm,泥灰岩厚度为1~5 cm,含Leiorhynchus腕足化石,向上韵律层厚度变薄(图版Ⅰ-9)。
3.2.2深水缓坡亚相
根据Read[11]提出的碳酸盐缓坡模式,碳酸盐缓坡可分为等斜缓坡和远端变陡的缓坡2种类型,二者最主要的区别是在深水缓坡中是否存在滑塌沉积和变形层理等反映缓坡变陡的沉积构造。甘溪剖面土桥子组2种类型的碳酸盐缓坡都有发育,沉积微相包括灰泥丘、斜坡泥以及变陡的远端沉积。
(1)灰泥丘微相
灰泥丘为大量灰岩或泥晶灰岩的堆积体,可能由海百合、苔藓虫等丛生枝状的底栖固着生物捕集及障积作用而成[15]。灰泥丘的个体有时相当大,但它们的内部结构不是骨架支撑的,而是由很纯细的灰泥基质组成,或者由含球粒和细小生物碎屑的灰泥组成。生物种类包括:海百合(图版Ⅰ-10)、腕足、腹足等,此外还有较高等的藻类和钙质微生物及微生物遗骸,多数为泥质支撑,岩性较致密。
(2)斜坡泥微相
形成于比较安静的水体环境中,沉积水体能量相对浅水缓坡更安静,沉积物以细粒悬浮物和化学沉积物质为主[14]。灰色、深灰色薄—中层生物屑微晶灰岩与薄层泥灰岩互层,风化后呈薄板状,因阳光和氧气相对不足,所以生物含量较少。相对于浅水缓坡,微晶灰岩和泥灰岩韵律层的厚度整体变薄,其中微晶灰岩的单层厚度变薄,而泥灰岩厚度相对变厚(图版Ⅰ-11)。
(3)变陡的远端沉积微相
该类型的沉积主要由含白云质微—粉晶生物屑灰岩组成,含大量腕足类、介形类、珊瑚、海百合(图版Ⅰ-10)和竹节石等化石。最为重要的证据是该沉积区具滑塌变形层理。
3.3盆地相
位于大陆坡以下的深海盆地,水体安静且较深。甘溪剖面土桥子组盆地相岩性主要为黑色泥岩(图版Ⅰ-12)夹富含竹节石化石的薄层泥灰岩,具补偿—欠补偿沉积序列,以来自远洋悬浮的细粒沉积物为主。
4 沉积环境演化
依据上述对甘溪剖面土桥子组沉积相的分析,笔者认为,龙门山上泥盆统土桥子组经历了2期沉积旋回的变化,并在各期沉积旋回中,沉积环境存在差异。
图2 龙门山甘溪土桥子组下部旋回沉积相与海平面变化Fig.2 Sedimentary facies and sea level change of lower cycle of Tuqiaozi Formation in Ganxi section of Longmen Mountain
4.1土桥子组早期沉积旋回
该沉积旋回是以海平面升降完整旋回为背景的沉积相组合(图2)。最下部为前缘斜坡带的上斜坡沉积,发育深灰色角砾灰岩与中—薄层微晶灰岩,具滑塌变形构造。随着海平面的上升,水体加深,发育深水缓坡环境,沉积了3套岩性组合(微晶灰岩、泥灰岩和泥岩),其中以微晶灰岩和泥灰岩组成的韵律层为特征。最大海泛期,接受盆地相薄层泥质岩沉积,具水平纹层,它既是土桥子组最大海泛期的凝缩层,也是龙门山地区泥盆纪海侵期逐渐达到最高点时的最大海泛期的凝缩层[4]。海平面下降初期仍然为水体较深的深水缓坡,以深灰色薄—中层微晶灰岩与泥灰岩呈韵律互层为特征。随着海平面的进一步下降,水体变浅,接受浅水缓坡沉积,并沉积了以生物碎屑灰岩和核形石灰岩为主的浅滩微相,表明该时期水体能量增强。海平面下降晚期,碳酸盐岩生产加速,向上加积作用增强,生物碎屑增多,还可发育层孔虫,表明水体能量进一步增强,沉积了以生物碎屑为主的浅滩微相。沉积旋回最上部为层孔虫礁灰岩,与下部的浅滩灰岩组合,构成了土桥子组中部碳酸盐台地礁滩相沉积。
图3 龙门山甘溪土桥子组上部旋回沉积相与海平面变化Fig.3 Sedimentary facies and sea level change of upper cycle of Tuqiaozi Formation in Ganxi section of Longmen Mountain
4.2土桥子组晚期沉积旋回
该沉积旋回同样是一个完整的海平面升降过程(图3)。旋回初期,接受厚度较大的角砾白云岩、云质角砾灰岩沉积,角砾中包含大量的层孔虫礁块角砾(图版Ⅰ-4)和珊瑚礁块角砾(图版Ⅰ-5)。该套岩性组合属于生物礁前滑塌沉积的重要标志,也是台地斜坡相识别的重要证据[11-12,16-17]。该沉积与下伏的礁、滩相沉积组合进一步证实了土桥子组中部碳酸盐台地的存在。土桥子组处于龙门山泥盆纪最大海泛期[4],其中部的碳酸盐台地发育时间较短,很快被再次的海平面快速上升所淹没,接受盆地相的深灰色薄—中层含生物碎屑灰岩与泥灰岩互层沉积,含丰富介形虫化石。在旋回中部的盆地相中,夹浅灰色中—厚层状含生物碎屑微晶灰岩,含白云质微—粉晶生物碎屑灰岩层,生物类型多样,含大量腕足类、介形类、珊瑚和竹节石等化石,并具有滑塌变形构造,属碳酸盐缓坡在远端变陡滑塌变形沉积。该旋回发育的晚期,水体变浅,沉积了以生物碎屑灰岩、礁灰岩和核形石灰岩为主的碳酸盐浅水缓坡。
5 结论
(1)龙门山甘溪剖面土桥子组为碳酸盐岩—盆地相沉积,碳酸盐岩沉积是以碳酸盐缓坡为背景,并发生短暂的碳酸盐台地化。其中碳酸盐缓坡包括浅水缓坡和深水缓坡2种亚相类型,碳酸盐台地包括礁滩和前缘斜坡2种亚相类型。
(2)碳酸盐缓坡沉积以微晶灰岩—泥灰岩组成的韵律层为特征。
(3)龙门山土桥子组可分为2个沉积旋回,这2个旋回随着海平面的升降变化,表现出不同的沉积特征。早期沉积旋回经历了海侵期的滑塌变形沉积、海泛期的薄层状泥质灰岩和黑色泥岩沉积及海平面下降期的礁滩相沉积;晚期沉积旋回的海侵期同样发育滑塌变形沉积,海泛期接受变陡的远端滑塌变形沉积,以及海平面下降期的浅水缓坡进积序列。
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图版Ⅰ
图版Ⅰ说明:龙门山甘溪土桥子组常见的沉积岩类型。1.层孔虫礁灰岩,球状层孔虫,大小分布不均,131 m;2.珊瑚礁灰岩,枝状,140 m;3.深灰色生物碎屑灰岩,124 m;4.灰色白云质角砾礁灰岩,角砾大小分布不均,为10~20 cm,角砾成分为礁灰岩,148 m;5.灰白色角砾白云岩,角砾大小分布不均,一般为3~10 cm,最大可达30 cm,176 m;6.薄层状微晶灰岩,具变形构造,198 m;7.中层状核形石灰岩,核形石大小均一,为5~15 cm,227 m;8.灰色腕足介壳层,层厚2 cm,为Leiorhynchus腕足化石,介壳均呈凸面向上的特点,95 m;9.薄层状灰岩与泥灰岩韵律层,灰岩呈灰色,厚度为5~15 cm,泥灰岩呈灰黑色,厚度为1~5 cm,184 m;10.深灰色海百合灰岩,23 m;11.薄层状灰岩与泥灰岩韵律层,泥灰岩层增厚,33 m;12.深灰色薄层状泥岩,具水平层理,50 m
(本文编辑:杨琦)
Carbonate facies and sedimentary evolution of Upper Devonian Tuqiaozi Formation in Ganxi section of Longmen Mountain
Li Fengjie,Qu Xuelin,Du Lingchun,Jing Xigui,Cheng Xiaoyu
(Institute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)
Based on the data of cross sections,the Upper Devonian Tuqiaozi Formation in Ganxi section of the Longmen Mountain is considered to be carbonate ramp deposits.With the sea level of a brief fall in the middle sedimentary stage of Tuqiaozi Formation,the carbonate ramp transformed to carbonate platform,of which the most direct identification markistheemergenceof breccia and slump deposit in the front of reef.There are two types of subfacies including shallow ramp and deep water ramp in carbonate ramp and two types of subfacies including platform edge reef and beach and foreslope in carbonate platform.Two whole carbonate sedimentary cycles developed in Tuqiaozi Formation.There are different sedimentary features between the two sedimentary cycles with the changes of sea level rise and fall.The carbonate ramp of Tuqiaozi Formation in Ganxi section is characterized by rhythmite formed by micrite-marl.
sedimentaryfacies ofcarbonate;sedimentaryevolution;Tuqiaozi Formation;Ganxi section
TE121.3
A
1673-8926(2015)05-0006-07
2015-05-10;
2015-07-28
国家自然科学基金项目“龙门山地区泥盆纪土桥子组高频韵律旋回成因及古气候意义研究”(编号:41172100)及四川省教育厅自然科学重点项目“四川盆地北川甘溪镇泥盆系茅坝组泥-灰岩韵律层成因机制研究”(编号:09ZA007)和“龙门山地区泥盆纪风暴沉积及其地质意义”(编号:12ZA012)联合资助
李凤杰(1972-),男,博士,教授,主要从事沉积学方面的教学与科研工作。地址:(610059)四川省成都市二仙桥东三路1号成都理工大学沉积地质研究院。E-mail:lifengjie72@163.com。