湖南四都坪南沱组沉积特征与古气候变化耦合关系

蔡雄飞,罗中杰,叶 琴

(中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室,武汉430074;中国地质大学地球科学学院,武汉430074)

湖南四都坪南沱组沉积特征与古气候变化耦合关系

蔡雄飞,罗中杰,叶 琴

(中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室,武汉430074;中国地质大学地球科学学院,武汉430074)

运用现代冰川理论并结合南沱组冰碛岩研究现状,根据湖南四都坪南沱组宏观地层序列和微观构造特征,识别并总结2期冰期和2期间冰期沉积特点,认为冰碛岩前缘是沉积作用活跃地带,以重力碎屑流、浊流为特点,间冰期以深水和浅水的牵引流为特点。结合沉积作用与古气候、海平面变化特征,认为该区南沱组冰碛岩由古气候控制,海平面的起落导致形成不同的沉积类型。

冰碛岩;沉积特征;古气候;南沱组;湖南

新元古代末期华南地区分布南沱和古城2次冰期,其中南沱冰期时间约为650～635 Ma,古城冰期时间约为710～720 Ma。早期的南沱冰期和古城冰期厚度小、规模小,横向不稳定,分布不广泛[1-2];晚期的南沱冰期和古城冰期横向稳定,广泛分布于华南各地。

由于晚期的南沱冰期分布广泛、横向较稳定,在南华系沉积演化中具有重要地位,尤其对华南南华系古气候研究具有重要意义。因此,加强其基础地质理论研究是必要的。

1 南沱组研究概况

南沱组冰碛岩在1907年被提出[3],1922年葛利普采用了该术语[4]。李四光等调查长江峡东地质时建立了宜昌莲沱地区震旦系层序,正式确立了作为岩石地层单位的南沱冰碛层[5],并沿用至今。

21世纪90年代前,一些学者认为南沱组冰碛岩是陆上冰川堆积的地层[6-10],另有部分学者认为其属于冰海相—浅海相[11-12]。近些年关于南沱组冰碛岩的形成环境,一种认为其属于大陆冰川[13],另一种认为其属于近源的冰海相[5,14]。笔者在神农架宋洛地区南沱组下部间冰期黑色炭质泥、页岩中发现大量宏体碳质压膜化石,不仅具有宏观体积,且具有明显的形态分异性。这些底栖宏体生物需要稳定的生存空间,可能更适于生活在泥质底质上。此外,藻类的生长、繁殖需要光合作用,因而其生活环境应是开放水域的透光带。宏体藻类的发现,可进一步佐证南沱组冰碛岩非大陆冰川类型。

南沱冰期一直被作为地层进行研究,对其岩石学、沉积相划分及冰期论述较少,仅部分学者对古气候进行过相关研究[15-18]。近年来,随着对“雪球”事件和华南南华系的进一步研究,南沱组冰碛岩引起地质界的重视。因此,寻找一个完整的、出露较好的南沱组冰碛岩剖面是进一步研究华南“雪球”事件的地质基础。四都坪地区南沱组地层出露较佳,有学者提出“南沱组不具层层性、具碎屑流沉积”等认识[13,19]。

2 沉积特征

2.1 剖面简介

该剖面位于湖南张家界四都坪乡公路对岸河边,底、顶齐全,发育连续、无掩盖、厚度不大、沉积特征清晰、旋回发育完整,是扬子区北缘已知较佳的剖面,也是南沱组冰碛岩研究的重要场所(图1,图2)。

图1 四都坪南沱组实测剖面图Fig.1 Measured section of the Nantuo Formation in Siduping1-角砾岩;2-砂屑、泥质角砾岩;3-中—细砂质泥质角砾岩;4-砾质粗—细砂质泥岩;5-泥、砂质胶结石英细砂岩;6-泥质细砂岩;7-粉砂质泥岩;8-白云岩;9-早南华世五强溪组;10-晚南华世南沱组第一段;11-晚南华世南沱组第二段;12-早震旦世陡山沱组第一段

陡山沱组第一段:总厚6.0 m

10.灰色中—薄层粉晶白云岩,内部发育纹层,纹层较平直。3.0 m

9.灰白色厚—巨厚层微晶白云岩,层理面发育波状起伏的渗流构造。3.0 m

—整合—

南沱组第二段:总厚58.0 m

8.绿灰色中—巨厚层泥钙质胶结石英细砂岩,内部发育平行层理,具板状层理。1.5 m

7.深灰色块状砾质粗—细砂质泥岩。11.8 m

6.灰绿色块状中—细砂质泥质角砾岩。38.4 m

5.灰色块状—巨厚层角砾岩。6.3 m

南沱组第一段:总厚39.4 m

4.深灰色中—巨厚层细粉砂质泥岩,内部发育韵律层理,灰黄相间。14.9m

3.灰色中—厚层泥质细砂岩,向上为灰色夹韵律层理泥质细砂岩。9.4 m

2.灰色巨厚—厚层砂屑、泥质角砾岩。16.1 m

—平行不整合—

早南华世五强溪组:

1.灰绿色巨厚—中厚层石英细、中砂岩。

2.2 基本序列

根据冰期与间冰期纵向旋回特征,该剖面可划分为2段。下段由灰色巨厚—厚层砂屑、泥质角砾岩、灰色中—厚层泥质细砂岩,向上为灰色夹韵律层理粉砂质泥岩组成;上段由灰色块状—巨厚层角砾岩、深灰色块状中—细砂质泥质角砾岩、砾质粗—细砂质泥岩、绿灰色中—巨厚层泥钙质胶结石英细砂岩组成。纵向上2期冰期和间冰期旋回,下旋回规模相对较小,上旋回规模较大(图3)。

南沱组第一段基本序列由粗碎屑岩和细碎屑岩组成。粗碎屑岩厚度小,单层厚35～80 cm,砾石约0.2～15 cm。砾石以砂质为主,少量花岗质,多呈圆状、次角状。上部为间冰期细碎屑岩,往上为灰色夹韵律层理粉砂岩和中—巨厚层粉砂质泥岩,内部发育韵律层理,灰黄相间的是泥质细砂岩与粉砂质泥岩。

南沱组第二段基本序列由粗碎屑岩和细碎屑岩组成。冰碛岩由块状—巨厚层角砾岩、块状中—细砂质泥质角砾岩、砾质粗—细砂质泥岩组成。冰碛岩自下而上逐渐变小。冰碛岩底部由块状—巨厚层角砾岩组成,砾石含量50%～60%。砾石大小不一,多为棱角状,少数次圆状。砾石成分多为砂质,也有暗色粉砂岩。砂质可见原生板状层理,个别为隐晶质灰质砾。砾石具有定向性,长轴顺层理面方向排列,由下向上逐渐变小。块状层中可见浅色岩层体,成分为砂质,顺层排列。冰碛岩下部为块状角砾岩,单层厚5～6 m,砾石含量30%～40%,以浅色砂质为主,次为灰绿色硅质,少量砾石为花岗质,不具定向性,次圆状—棱角状,以棱角状居多。冰碛岩上部以块状砾质粉砂岩为主,单层厚＞6 m,内部不具层理,砾石含量10%～15%,大小不一,多为砂质,硅质,次圆—棱角状。粉砂岩具隐晶质,含量85%～90%,其上间冰期由中—巨厚层泥钙质胶结石英细砂岩组成,单层厚25～130 cm,砂岩呈粒状,坚硬,石英含量达90%以上,内部发育平行层理。

图2 四都坪南沱组沉积特征Fig.2 Sedimentary characteristics of the Nantuo Formation in Siduping9层-盖帽白云岩;8层-具平行层理石英砂岩;7层-砾质粉砂岩;6层-角砾岩中“落石构造”;5层-角砾岩中原始岩层;4层-水平层理粉砂岩;2层-角砾岩

南沱组第一、二段基本序列表明,下部冰碛岩规模明显比上部小,沉积演化没有上部完整。其上间冰期二者表现不同,下部由水平层理、韵律层理泥质细砂岩、粉砂质泥岩组成,上部为强水动力发育的平行层理、板状交错层理泥、钙质石英细砂岩组成。

2.3 沉积特征

该剖面南沱组虽厚度不大,但沉积作用活跃,既有正常沉积的间冰期泥、砂岩,又有非正常沉积的冰期重力流。正常沉积可划分为较深水和浅水,非正常沉积的冰期重力流可划分为碎屑流和泥石流。2期冰期下部冰期规模小,上部冰期规模大,沉积作用和演化特征显著。

重力流主要发育在冰期,在该剖面第二期冰期尤为突出。早期发育大量碎屑流和砾、砂、泥混杂沉积,碎屑流表现为块体流沉积,块体长0.5～4 m,厚30～40 cm,呈多条来自下伏五强溪组原始砂岩层,顺层排列,具定向性,主要集中在底部,属重力流碎屑流沉积(图2(5层上,5层下),图3)。砾、砂、泥混杂,砾岩含量40%～50%,成分主要为砂质,砾石可见原生板状层理,个别可见微晶质灰岩砾,磨圆度为次圆状—棱角状。砾石分布具定向性,长轴顺层理面排列。砾石由下向上逐渐变小,具递变性。砾石混杂沉积和来自下伏块体流沉积,指示南沱组上部冰期早期处于斜坡环境。

图3 四都坪南沱组实测综合柱状图Fig.3 Measured synthetic histogram of the Nantuo Formation in Siduping1-角砾岩;2-砂屑、泥质角砾岩;3-中—细砂质泥质角砾岩;4-砾质粗—细砂质泥岩;5-泥、砂质胶结石英细砂岩;6-不等粒石英砂岩;7-泥质细砂岩;8-粉砂质泥岩;9-碳质泥岩;10-白云岩;11-渗流构造;12-板状交错层理;13-平行层理;14-韵律层理

重力流泥石流主要发育在第二期冰期中、上部,野外表现为块状层普遍发育递变层序列,镜下表现为砾、砂、泥混杂结构,砂岩具不等粒结构,粗、细砂混杂(图2(6层、7层),图3,图4a)。砾石成分以砂质为主,含量由中期的30%～40%降至后期的10%～15%,指示斜坡相水下泥石流由强至弱变化的沉积环境。

南沱组冰期具有以下特征。山地强烈隆起,地形起伏较大,构造古地理位置紧靠母源区山地前缘,占据高地与海盆地之间的空间;坡降大、流程短、具备流体由位能转为动能的底床条件,海床比降越大,越容易发生重力流;母源区的地质构造复杂,活动较强烈。这些条件是影响重力流的碎屑流、泥石流形成和运移的重要因素[20]。

早期正常沉积主要表现在间冰期,以细、粉砂岩、泥岩为主,内部发育毫米级、厘米级水平层理与韵律层理,以低能、水深为特征(图2(4层),图4d,图4e)。晚期正常沉积表现在第2期冰期之后,即南沱组顶部泥、钙质胶结的石英细砂岩,镜下石英含量90%以上,粒度均一,以细粒为主,磨圆度以次圆状为主,少量次棱角状。野外沉积构造发育平行层理、板状交错层理,显示高成熟度、中等磨圆的特征,沉积环境应为浅水环境沉积(图2(8层))。

图4 南沱组偏光镜镜下特征Fig.4 Microscopic characteristics of the Nantuo Formation under polariscopea-泥钙质石英砂岩;b-含砾不等粒粗—细砂岩;c-含砾不等粒中—细砂岩;d-粉砂质泥岩;e-泥质细砂岩;f-砂屑、泥质角砾岩

从该区南沱组冰碛岩演化特征看,早期冰期规模不大,岩性为砂屑、泥质混杂角砾岩,应为斜坡相沉积,间冰期岩性细、颜色暗、水平纹层发育,为较深水陆棚相沉积。晚期冰期间冰期发育齐全,在湘西北、湘西和华南大部分地区不多见,特别是由冰后泥、钙质石英细砂岩直接与陡山沱组钙帽白云岩接触,在鄂、湘地区很少见及,是该剖面特色之一。晚期冰期由重力流的碎屑流变为重力流的泥石流。

斜坡重力流是在重力作用下以块体搬运移动的非牛顿流体,按运动和沉积方式分为滑坡、块体流和流体流[21-22]。根据成因,该区重力流是沉积物重力流不同阶段的演化产物。该区南沱组冰碛岩内部虽不乏重力流的块状层,但层理发育,自下向上均具层层性,是该剖面冰海相沉积的重要特征。神农架东测南陀组下部发现大量宏体生物,进一步证明该区为冰海相成因。冰海相沉积厚度较稳定,具有少量夹层,具层理性,含宏体生物,显示海相沉积特征,非冰海相沉积厚度变化大,不稳定,几乎无夹层,不显层理。此外,冰海相沉积构造常见落石构造,非冰海相沉积冰溜遗痕及研磨砾石常见,无落石构造。

运用“将今论古”理论,发现现代冰川环境中的沉积物有原生沉积物和改造沉积物2种类型。原生沉积物是典型的原生冰碛物,其碎屑物直接来自冰川活动,未经任何改造或再沉积作用[23]。冰川边缘,当冰碛物堆积至一定厚度,温度升高,渗入冰水之后,经某种触发作用,发生块体重力运动,形成沉积物重力流。各种类型冰水沉积和冰川前缘的泥石流,均为冰碛物改造再沉积的产物,如在阿拉斯加现代冰前地带,重力流占沉积物50%以上,南极的罗斯海,浮冰带来的冰碛物导致碎屑流作用等[24-25]。

进一步探讨南沱组冰期时冰盖活动规律可知,南沱组沉积作用自下向上演化受古气候控制。一个完整冰期的古气候经历“由高温至低温、到极低温,然后逐渐升温,直到冰期结束”的过程。当冰期古气候达到低温至极低温即形成冰盖,面积达最大,海平面达最低。冰盖虽然由固体冰组成,但仍流动,其沉积作用主要发生在冰盖前沿和冰前部分。在冰盖内部沉积作用难以发生,这期间主要的沉积区是陆架以外的陆坡。陆坡一般具有一定坡度,受气候周期性波动影响不明显。当气温从极低值开始上升,冰盖前沿逐渐后退,海平面逐渐上升,当前沿退至与研究区一定距离后,海平面也上升至相应高度。这时该区冰盖处于半浮半沉状态,气候波动较大,因为随冰退的发展,沉积作用将发生在陆架上。由于陆架坡度小,气侯波动将控制海平面波动,影响冰盖前沿的沉浮。南沱组2期冰期之后的沉积是该种古气候突变形成的沉积类型。

3 古气候、海平面变化耦合关系

该区南沱组冰碛岩沉积作用与古气候、海平面变化密切相关。古气候寒冷时形成冰盖,海平面快速下降。当古气候升温,海平面也缓慢上升,这期间由于主要的沉积区是陆架以外的陆坡,气候周期性波动影响不明显。由于坡度较大,重力作用强烈,冰盖前缘冰碛物为渗入冰水,经某种触发作用,发生块体重力运动和水流改造,形成沉积物重力流。该区南沱组第2期冰碛岩发育的重力流,冰碛物融入水,被水流改造是古气候从寒冷开始升温的标志。

古气候不断升温,冰盖前沿逐渐后退,海平面逐渐上升。当海平面上升至相应高度时,该区出现间冰期,海水变深,出现以色暗、岩性细碎屑岩系的深水沉积和极浅水沉积的泥、钙质石英细砂岩。南沱组顶部出现钙质胶结的石英细砂岩,一方面反映基底母岩存在石英质,另一方面反映母岩区风化以化学风化为主,泥、钙质石英细砂岩的出现,代表南沱组冰期结束。

南沱组自下向上,古气候剧烈变化导致南沱组海平面呈跳跃式变化。对冰川而言,气候对海平面影响并不亚于全球构造运动。据现代冰川研究,南极大陆冰体如果全部融化,将使全球海平面上升40～50 m。如第四纪更新世冰川鼎盛时期,全球海平面下降约100 m。南沱组冰期与间冰期岩性在华南各地均为突变接触,是古气候剧烈引起海平面起落的表现,这种沉积作用与古气候、海平面变化呈耦合关系。

4 讨 论

该剖面2期冰期与间冰期序列保存较好,发育完整,尤其在河边剖面层层性明显。该剖面冰期与间冰期纵向上岩性、岩相变化剧烈,落石构造在冰期沉积中普遍发育,属于冰海相沉积。该剖面冰期与间冰期横向上岩性、岩相变化不大。神农架—湘西北杨家坪—湘西四都坪岩性、岩相稳定,沉积作用方式、特点较相似(图5),但该区旋回性最为完整。

通过系统研究沉积特征,发现冰期与间冰期沉积均为突变接触,与冰期、间冰期古气候变化相关。因此,南沱组沉积特征和沉积类型变化受古气候控制。古气候变化导制南沱组海平面起落,控制沉积类型。该剖面南沱组顶部石英钙质细砂岩是古气候的标志。石英细砂岩的出现反映母岩区以化学风化为主。对印度半岛冈瓦那超群5个不同砂岩相研究认为,砂岩含量80%以上,属于温暖半潮湿的古气候环境,石英含量占99%,属温暖潮湿环境,石英含量少,长石和岩屑多,属冰川、干旱气候环境[26]。该区南沱组顶部泥、钙质石英细砂岩可作“准钙帽”标志,华南一些地区南沱组上部冰碛岩直接与上覆陡山沱组钙帽白云岩接触,表明华南板块内部古气候存在显著差异。

该区南沱组顶部石英钙质细砂岩与上覆陡山沱组钙帽白云岩的关系值得进一步研究。华南陡山沱组钙帽白云岩研究表明,底界钙帽白云岩不具有全球“等时性”,该区南沱组顶部石英钙质细砂岩的发现即为佐证。

5 启 示

(1)选择剖面时,需要更加注重剖面的内部岩性、层序、沉积构造等特征,选择较发育、沿河(水库)边的剖面。华南地区南沱组剖面多数见不到层层性,原因可能为对剖面的选择不当。

(2)应运用“类比分析”研究南沱组冰碛岩,用现代冰川理论和方法恢复南沱组冰碛岩。

(3)研究南沱组冰碛岩,需结合古气候、海平面、构造背景等进行耦合关系研究。

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图5 神农架—黔东北南华系地层格架Fig.5 Stratigraphic framework of the Nanhua System at Shennongjia and Qiandongbei1-盖帽白云岩;2-隆升;3-砾岩;4-含砾杂砂岩;5-石英质砾岩;6-含砾石英砂岩;7-含砾钙质粉砂岩;8-砾质、钙质粉砂岩;9-含砾钙质石英砂岩;10-含长石不等粒石英砂岩;11-含泥不等粒石英砂岩;12-块状冰碛岩(钙质砂泥岩胶结);13-冰碛岩;14-含砾钙质泥岩;15-含锰、泥粉砂岩;16-泥岩;17-白云岩;18-角度不整合;19-平行不整合;20-相变

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Sedimentary characteristics of the Nantuo Formation in Siduping, Hunan and its coupling relationship with paleoclimate

CAI Xiong-fei,LUO Zhong-jie,YE Qin
(State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology,Wuhan 430074,China; School of Earth Sciences,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

On the basis of the modern theory of glacier and research progress of the Nantuo Formation tillite,this study summarized the sedimentary features of the two glacial periods and two interglacial periods in combination to the macroscopic stragtigraphic sequences and microscopic structures of the Nantuo Formation in Siduping of Hunan Province.The results show that the front margin of the tillite is an active zone of sedimentation characterized by gravitational debris flow and turbidity current.And the interglacial period was characteristic of deep and shallow water tractive current deposits.The sedimentation of the Nantuo Formation and change characteristic of paleoclimate and sea level suggest that the tillite of the Nantuo Formation was controlled by the paleoclimate and the big fluctuations of sea level resulted in various sedimentary types.

tillite;sedimentary characteristics;paleoclimate;Nantuo Formation;Hunan Province

P588.2

A

2096-1871(2017)02-091-08

10.16788/j.hddz.32-1865/P.2017.02.002

2016-06-24

2016-08-18 责任编辑:谭桂丽

中国地质调查局“神农架―雪峰山地区区域地质专项调查(项目编号:12120114066301)”资助。

蔡雄飞,1952年生,男,研究员,主要从事地层学和沉积学研究。