柴北缘全吉地区晚震旦世冰川沉积特征及地质意义

马 帅, 周兆华, 陈世悦, 贾贝贝, 孙娇鹏, 王志金, 侯少勇

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛 266580; 2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊 065007;3.中国石化胜利油田东胜公司,山东东营 257100; 4.西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安 710069)

新元古代冰川沉积是地球演化历史中的重要地质事件,在全球范围内广泛发育[1]。Kirschvink[2]提出的“雪球地球”假说使得新元古代冰川沉积成为地学界关注的热点之一,此后Hoffman等[3]对该假说进行了多次补充与完善,而冰川事件所引发的一系列地球系统的变化,如新元古代冰室与温室效应、气候及海洋变化、BIF铁矿成因、大气含氧量增加、碳酸盐岩岩帽成因、冰川事件早期生物演化的影响及碳硫锶同位素组成的特殊变化规律等掀起了众多专家学者对新古代冰川沉积研究的热潮。由于地层中缺少有利的冰川沉积对比标志,因此对新元古代低纬度冰川事件的期次、起始及结束时限等问题仍存在争议。近年来基于对全球冰期等时性的认识,国际前寒武纪研究取得重大进展,2003年国际地层委员会第16号通知中明确提出成冰系的年代学定义为以Sturtian冰期为起点,以Marinoan的终止(635 Ma)为结束[4],2004年经国际地科联批准将“新元古Ⅲ系”正式命名为埃迪卡拉系,与此同时成冰系与拉伸系之间GSSP的选定已提上日程[5]。国内对新元古代冰川沉积研究开始较早且获得了丰硕成果[6],尤其是一部分学者将沉积地质的定性认识与年代学、地球化学的定量研究相结合[7-8],进一步分析探讨新元古代冰川事件的特征及期次等问题,以期作为Rodinia超大陆裂解后板块对比及亲缘性的重要证据。有关柴达木盆地北缘(简称柴北缘)地区冰川沉积的研究工作虽然落实了新元古代末期(晚震旦世)冰川事件(红铁沟组)的存在[9],但整体缺乏对该套冰成岩沉积特征的研究。笔者通过对柴北缘全吉地区新元古代地层的野外勘察及实测,从岩石学及沉积学角度分析冰成岩的发育特征及沉积模式,探讨冰川事件对柴北缘地区地层划分与板块对比的重要意义。

1 区域地质概况

全吉地区位于柴达木盆地北缘欧龙布鲁克微地块之上,地理位置处于青海省海西蒙古自治州大柴旦镇以东约80 km处(图1(a)),其变质基底由古元古代德令哈杂岩、达肯大坂群及中元古代万东沟群组成[10]。新元古代沉积地层统成为全吉群,隶属于柴北缘地层分区,是柴北缘地区第一套稳定型沉积盖层,自下而上包括麻黄沟组、枯柏木组、石英梁组、红藻山组、黑土坡组、红铁沟组以及皱节山组。底部麻黄沟组砂砾岩与下伏达肯大坂群变质岩呈角度不整合接触,接触面上见明显的风化铝土层及铁质层,该不整合面构成了新元古界构造层序的底界,同时也是Rodinia超大陆聚合在研究区的体现[11]。研究区全吉群出露于全吉山、石灰沟以及欧龙布鲁克山等剖面(图1(b)),而晚震旦世红铁沟组冰成岩出露于全吉山(西缘、东侧)及石灰沟(西部、东部)地区,受新元古代末期构造抬升作用影响,欧龙布鲁克山地区红藻山组以上地层均被剥蚀,未见冰成岩发育。

2 沉积充填特征

晋宁运动之后柴北缘地区构造机制由挤压转为伸展,于欧龙布鲁克微地块南缘一带形成裂陷槽,新元古代底部麻黄沟组开始发育冲积扇相、扇三角洲相沉积,受控于裂陷槽持续扩张及海侵加剧,枯柏木组—石英梁组以发育无障壁碎屑海岸为特点,岩性以灰白色石英砂砾岩为主,砂砾岩厚度大、泥质夹层不发育[10-14]。自红藻山组早期开始,随着裂陷槽进一步发展,其内部出现洋壳,欧龙布鲁克微地块转为洋盆边缘向南倾斜的被动大陆边缘盆地,研究区古地理格局发生了改变,沉积了一套含冰成岩的潮坪白云岩沉积建造[12-14]。

图1 柴北缘全吉地区地质简图Fig.1 Sketch geological map of Quanji area in the northern margin of Qaidam Basin

通过对全吉山及石灰沟地区新元古代地层剖面的野外观察及实测工作(图2(a)),分析红藻山组—皱节山组地层序列及沉积相类型。红藻山组建组于全吉山东侧红藻山,在全吉山及石灰沟剖面均发育较全,厚度为169.7～287.3 m。红藻山组以发育厚层白云岩为特点,底部见一套灰绿色中厚层块状玄武安山岩(图2(b),),下部为灰紫色薄层凝灰质细粉砂岩与灰白色—黄灰色泥晶白云岩互层(图2(b),⑩ ～),发育波痕、干裂及岩盐假晶等暴露构造,代表了潮上—潮间带沉积环境;上部为中—厚层块状含硅质条带白云岩(图2(c))、叠层石白云岩(图2(d))及砾屑白云岩(图2(e)、(f))互层段(图2(b),⑨),反映了强烈且动荡的水体环境,整体为一套潮坪沉积。红藻山组白云岩自下而上砂质、泥质含量逐渐降低,单层厚度逐渐增大,其顶部的溶洞等古喀斯特现象指示红藻山组晚期海水变浅直至暴露,总体表现为早期海侵、晚期海退的滨岸—浅海环境[10-14]。

黑土坡组仅出露于研究区全吉山地区,以发育泻湖相灰黑色薄层炭质页岩(图2(g))、泥质粉砂岩为特点,炭质含量较高,可见铁质结核及微古化石等,底部见薄层泥晶白云岩夹层(图2(b),⑦～⑧),与下伏红藻山组及上覆红铁沟组均为平行不整合接触,在全吉山剖面厚度为123.5 m,在石灰沟东部地区整体缺失。红铁沟组为一套冰成岩层(图2(b),⑥),与上覆皱节山组为整合接触。该冰成岩层可分为上、下两部分,下部为黄绿色、灰绿色(图2(h))含冰碛砾石泥质粉砂岩,厚度为17.3～75 m;上部为紫红色、砖红色含冰碛砾石粉砂岩夹纹泥层,厚度为11.2～35 m。紫红色粉砂岩中岩盐假晶的发育表明水体存在间歇性的暴露,而小型板状交错层理及波痕的发育显示沉积期具有一定的水动力条件(图2(i))。地层中发育丰富的冰碛砾石,从沉积相位置来看红铁沟组冰川沉积与正常潮坪沉积在海盆中位置一致。皱节山组底部发育一套厚度约为1.5 m含少量砾石的白云岩层(碳酸盐岩岩帽)(图2(b),⑤,图2(j)),直接覆盖于红铁沟组冰成岩之上,为冰期结束后,受海侵加剧的影响,研究区开始恢复为温暖气候背景下的正常滨浅海沉积。皱节山组下部为一套紫红色粉砂岩(图2(b),④),上部为灰白色石英砂岩与藻白云岩、硅质条带白云岩互层(图2(b),①～③,图2(k)),整体厚度约为14.8～135 m,属于潮坪沉积。黑土坡组—红铁沟组—皱节山组整体反映了自红藻山组顶部平行不整合之后的又一次海进过程[12-14]。

图2 柴北缘新元古代全吉群地层特征及典型照片Fig.2 Stratigraphic features of Quanji Formation and typical pictures in the northern margin of Qaidam Basin

3 冰成岩沉积特征

Schoeman等[15]与Boulton等[16]对冰川环境的概念给出了明确的定义以及分类标准,其中强调冰川沉积作用中主要的搬运营力为冰川冰及冰川消融水,在这两种地质营力作用下形成的冰成岩可分为大陆冰川消融成因的冰碛岩以及与冰川相关的冰水混合沉积岩2种类型。从前述全吉群地层特征来看,研究区新元古代红铁沟组冰成岩为发育在滨岸潮坪附近与冰川冰及冰川消融水相关的事件沉积,并保留大量冰川沉积专属地质特征。

3.1 冰碛砾石特征

3.1.1 砾石成分、分选及磨圆

红铁沟组冰碛砾石成分主要为来自下伏红藻山组的白云岩与硅质岩(图3(a)),可见少量来自黑土坡组及石英梁组的碎屑岩砾石,表明欧龙布鲁克海盆在黑土坡组之后发生强制海退并接受冰川刨蚀。

图3 柴北缘新元古代全吉群冰碛砾石典型特征Fig.3 Typical characteristics of glacier gravel of Quanji Formation in the northern margin of Qaidam Basin

砾石分选极差,粒径尺寸悬殊(图3(a)～(c)),最小者长轴小于1 cm,一般为30 cm×20 cm,最大者可达1.2 m(图3(b)),无疑为冰川漂砾。该套冰碛砾岩以杂基支撑,填隙物为灰绿色(图3(d))及紫红色(图3(e))泥质粉砂岩、泥岩,反映了冰川消融时期冰碛砾石与细碎屑岩同期快速卸载。由于冰川中的高压状态导致岩石碎屑不断压碎,且冰川冰作为一种特殊的黏滞流体,冰川中的碎屑相互接触、摩擦的机会较小,限制磨圆作用的发生,因此冰碛砾石整体磨圆较差,以棱角状—次棱角状为主(图3(d)、(e))。但仍可见部分砾石存在磨圆很好的现象(图3(f)),其原因在于砾石在搬运过程中所处的位置及受到的作用力不同。处于冰川底部较大的岩石碎屑,因在冰川搬运过程中频繁磨蚀而圆度较好;有些处于冰川内部的极小碎屑,由于受到冰川内部冰水混合流体(沿冰内剪切面)的不断冲刷、侵蚀,圆度逐渐变好;还有些处于冰前楔上较小的岩石碎屑,由于冰川运动过程中对下伏地层产生巨大刨蚀作用,冰前楔位置碎屑不断增加、破碎、相互碰撞、摩擦,因此磨圆度也较好。

3.1.2 砾石形状

研究区红铁沟组冰碛砾石形态多样,可见菱形、倒三角形、斜方形、楔形、锥形等多种特殊形态(图3(d)～(j)),而在全吉山、石灰沟等剖面中发育的多个熨斗形砾石被认为是冰川作用下典型的冰碛砾石形态(图3(k)),是冰川所特有的“优先磨平作用”下的产物。由于处于冰川下部的底碛砾石位置较为固定,且有适应滑动面(冰床、剪切面)的趋势,因此表面趋于平整,形态逐渐变为三边形熨斗石,而这些砾石通常只发育一个磨平镜面,少数存在多个镜面[17]。

3.1.3 砾石表面特征

经过对现代泥石流及冰川产物的多次调查及实验分析,明确冰川擦痕作为冰川作用的专属指示标志,并得到广泛认可。李吉均[17]认为冰川所携带的岩石碎屑是沿冰床滑动,更主要的作用是改造冰床,而大规模的擦痕、刻槽以及冰溜面正是这种作用的直接产物。研究区红铁沟组冰碛砾石擦痕、镜面及裂纹、裂口等冰川成因沉积构造屡见不鲜(图3(l)),擦痕多呈密集平行排列,一端刻痕略深,长度为20～30 cm。这些砾石表面构造的发育与岩石碎屑在冰川中的位置有关,多为底碛砾石。剖面中还可见到发育多组裂缝且破碎严重的冰碛砾石(图3(m)、(n)),反映冰川搬运过程中强烈的磨蚀、挤压作用,这种压裂、扭裂构造均可认为是冰川作用的专属构造[18]。

3.2 冰成岩地层序列

根据冰碛砾石的表面形态、产状及分布特征,研究区新元古代红铁沟组冰成岩又可分为冰底碛、消融碛以及冰海沉积物等不同的沉积类型,这些不同的沉积类型在垂向上的不同组合关系构成了研究区不同剖面冰成岩地层序列的差异性。

研究区全吉山西缘采石场新元古代地层剖面中,红铁沟组冰成岩仅发育下部灰绿色—黄绿色含冰碛砾石泥质粉砂岩层,厚度约为17.3 m(图4(a)),其上被一套中薄层白云岩(碳酸盐岩帽)直接覆盖,而紫红色冰成岩不发育(图4(c))。冰底碛为直接堆积在下部的块状杂砾岩段,层底未见冲刷侵蚀,多数砾石富集层上下连续沉积,无沉积间断,但横向上不连续,成堆混杂堆积(图4(d)),磨圆与分选均较差,可见粒径较大的冰川漂砾(图4(e))。这类冰碛砾石中表面擦痕、磨蚀面较为发育,常见熨斗状砾石,反映岩石碎屑在冰底碛位置较为固定,经历长途搬运磨蚀而成。向上则过渡为横向上呈弱层状或透镜状产出的块状冰碛砾岩(图4(b)),属于冰水消融碛。该类冰川沉积产物中冰碛砾石含量及粒径较底碛均有所减小,含少量落石,为冰筏消融出来的砾石坠入灰绿色泥质粉砂岩中、切穿早期纹层,然后继续被正常海相纹泥覆盖所形成(图3(o));部分砾石略具定向性,其形成原因可能为局部气候变化导致冰川有所消融,冰水混合作用对砾石产生改造,而透镜状砾岩可能为处于冰川前缘位置的水下消融碛堆积物或冰前水道充填。该剖面纹层发育的灰绿色泥质粉砂岩应属于冰川消融早期冰前正常滨海相细碎屑岩沉积,消融的冰川对其影响不大,因此颜色偏还原色。

在全吉山东侧出露点,红铁沟组冰成岩产出状态较采石场处剖面有所变化,下部为灰绿色含冰碛砾石泥质粉砂岩层,厚度约为24.7 m;上部则发育紫红色、砖红色含冰碛砾石粉砂岩夹纹泥层,厚度约为11.2 m(图4(f))。冰底碛仅在灰绿色岩段底部有所发育,横向上分布散乱,分选、磨圆较差,未见粒径较大的漂砾。冰水消融碛发育于灰绿色岩段中上部,由于融化水的改造作用增加使得成层性较好,单层厚度较薄,可见层理发育,与冰海沉积物共生。上部紫红色含冰碛砾石的粉砂岩与纹泥层为冰海沉积,是冰川漂砾与细粒碎屑物质同时大量、快速从冰川中消融出来所形成,由于冰筏所携带的碎屑物质有所差异导致每一期消融后的落石分布极不均匀,平面上无规律,局部存在大量富集(图4(g))。落石中普遍发育明显 “下弯上绕”状层理,该类坠石一直被认为是冰海沉积的最直接证据,携带大量岩石碎屑的冰筏搬运至滨浅海附近发生融化,将砾石卸载于早期砂质沉积物中,层理被压弯,后期沉积物绕过砾石生长,形成这种独特的冰海坠石构造。纹泥层发育水平层理,纹层极薄,约为0.5～2 mm,钙质含量较高。紫红色砂岩中冰碛砾石粒径普遍较小,磨圆较下部底碛、消融碛好,呈次棱角—次圆状。

图4 柴北缘新元古代全吉群冰成岩地层序列Fig.4 Stratigraphic sequence of glacier rocks of Quanji Formation in the northern margin of Qaidam Basin

研究区石灰沟西部剖面中,红铁沟组冰成岩仅发育上部冰海相紫红色含冰碛砾石粉砂岩夹纹泥层(图4(h)),冰碛砾石呈薄层状产出,粒度整体偏小,分选、磨圆较差。下伏黑土坡组地层整体缺失,红铁沟冰成岩段直接平行不整合覆盖于红藻山组之上(图4(i))。在石灰沟东部出露点,冰成岩层产出状态显著变化,上部为灰紫色冰成岩层,厚度约为35 m;下部冰成岩层则变为灰—灰白色,厚度约为73 m,总体大于108 m。

4 讨 论

从前述对不同地区、不同类型冰川沉积特征的描述来看,红铁沟组冰成岩既保存了不规则砾石混杂堆积、弱层状或透镜状冰碛砾岩等冰底碛、消融碛冰川沉积类型,同时也保留了坠石构造等冰海沉积证据。由于冰成岩发育位置与正常潮坪沉积一致,说明冰川作用整体属于低海拔(图5)。研究区自新元古代石英梁组时期碎颗粒粒径、层厚明显下降,碎屑物质供给能力降低,红藻山组—黑土坡组开始发育白云岩—暗色泥岩的潮坪—泻湖相沉积,完成了由砂砾质碎屑海岸到低能混积海岸沉积体系的转换。随后受冰川活动影响,相对海平面大幅下降,使得早期海相沉积物遭受冰川刨蚀,随后冰川融化,冰川所携带的碎屑物质发生卸载,标志着新元古代晚期第二个沉积旋回的开始。冰期结束后,研究区开始恢复为温暖气候背景下的正常滨浅海沉积,受海侵加剧的影响,再次形成皱节山组滨浅海相碎屑岩—碳酸盐岩沉积。

冰成岩砾石杂乱堆积、形态多样及表面结构是冰川搬运过程中不断地摩擦、挤压、破碎而形成,这些冰成岩沉积构造在研究区各出露点下部灰绿色层段中普遍发育,是冰川推进到滨岸附近卸载堆积的结果。随后冰川前楔进入海盆之后,固体冰川对下伏沉积物产生侵蚀并同时发生消融,析出的碎屑物质形成弱层状或透镜状砾石条带,反映冰川消融后沉积物原地或近原地的搬运卸载。此外,部分冰体消融后破碎脱离冰盖,形成冰筏向海漂浮推进,其所携带的漂砾及细碎屑物质同时大量快速卸载,与海床上正常砂泥沉积混合,形成以坠石构造为特点的冰海相沉积(图5)。

图5 全吉地区新元古代红铁沟组冰川沉积模式(据文献[19],有修改)Fig.5 Neoproterozoic glacimarine sedimentary model in Quanji area(After citation [19],modified)

5 地质意义

关于寒武系底界含磷层位与下伏全吉群的接触关系,托素湖幅、怀头他拉幅等青海省区域调查报告[20-21]均认可全吉群与寒武系之间存在不整合接触。在欧龙布鲁克山剖面中,寒武系底部含磷砾岩层直接覆盖于全吉群红藻山组顶部白云岩之上,红藻山组厚度仅为107～169 m,并且白云岩顶部发育的古岩溶也证实该期沉积间断、沉积物暴露事件的存在。但在全吉山剖面红藻山组燧石条带白云岩之上仍完整保存了黑土坡组、红铁沟组以及皱节山组,红藻山组厚度大于280 m,这说明寒武系与全吉群之间实际为一区域性不整合接触,同时反映了区域性水平向挤压作用下的差异抬升-剥蚀作用(图6)。而石灰沟剖面仅仅黑土坡组的缺失以及研究区红铁沟组冰成岩短距离内(几百米至几十公里)厚度的巨大变化(十几米至上百米),为研究区新元古代地层划分与对比提出了新的可能性。

新元古代末期(580～540 Ma),柴达木地块与欧龙布鲁克微地块开始靠拢,柴北缘洋壳自南向北俯冲于欧龙布鲁克微地块之下,并于其南缘形成滩间山大陆边缘弧,欧龙布鲁克微地块南缘由被动大陆边缘转化为具弧后伸展性质的盆地类型,该时期伸展-挤压的转换事件造成欧龙布鲁克微地块的差异抬升[11-14,20-21]。最近,王勋[10]在全吉山、石灰沟等地取得了重要进展,发现全吉山剖面中红藻山组白云岩顶部发育含铁溶洞,在黑土坡组炭质页岩中见强烈的变形构造,认为红藻山组与黑土坡之间存在风化壳,红铁沟组与黑土坡组之间存在较为隐蔽的侵蚀平行不整合。因此根据全吉群在不同剖面的出露情况及区域对比,结合前人的研究情况,本次研究认为黑土坡组与下伏红藻山组白云岩及上覆红铁沟组冰成岩之间各存在一个不整合面的观点是可信的,新元古代末期研究区至少发育两期大规模构造运动,黑土坡组、红铁沟组及皱节山组不同程度的剥蚀是新元古代末期柴北缘洋盆向北俯冲造成的挤压-剥蚀以及弧后伸展导致的盆地再次沉降-接受沉积转换的直接体现。

黑土坡组上、下不整合面在不同剖面所代表的时间缺失及剥蚀程度也不尽相同。从同位素年龄来看,全吉山剖面红藻山组顶部年龄为600±20 Ma,红铁沟组冰碛砾岩胶结物Rb-Sr等时线年龄为575 Ma[12],孙崇仁[13]及王云山等[14]给出的全吉山剖面黑土坡组炭质页岩的Rb-Sr等时线年龄为590±26 Ma,寒武系底部含磷砾岩层作为这一区域地质事件在柴北缘的体现,认为其底界年龄大致为520 Ma[22]。结合前述地层对比来看,全吉山地区受构造活动影响小,不整合面所代表的沉积间断较短,抬升-剥蚀及沉降幅度较小,红藻山组、黑土坡组均保留了较大厚度的沉积,而红铁沟组冰成岩沉积厚度较小。石灰沟地区构造活动较全吉山地区强烈,红藻山组沉积后发生构造抬升,地层遭受剥蚀,随之沉降沉积了黑土坡组,此后发生更强烈、持续时间更长的构造运动,导致黑土坡组全部及部分红藻山组地层再次遭受剥蚀,因此红藻山组地层厚度小于170 m,整体沉积间断大致在620～580 Ma。由于柴北缘古洋盆在不晚于早寒武世初期时已开始俯冲消减,这意味着柴北缘洋扩张与消减转换时限约为575～540 Ma[11],即红铁沟组时期的冰成岩可能为盆地伸展阶段的斜坡相沉积,因此石灰沟东侧剖面中上百米的厚层冰成岩沉积代表了弧后扩张阶段大幅构造沉降下的沉积产物。欧龙布鲁克山地区为构造运动最为强烈的地区,黑土坡组、红铁沟组以及皱节山组全部剥蚀,沉积间断大致在600～520 Ma。

通过年代学证据的初步对比以及碳酸盐岩岩帽的伴生确定红铁沟组冰成岩为震旦纪全球性冰川事件——Gaskiers冰期的产物[22]。新元古代时期,欧龙布鲁克微地块处于赤道附近,古纬度约为0.4°[23],说明红铁沟组冰川沉积到达过低纬度地区。围绕着研究区晋宁运动以来的板块构造演化及新元古代板块亲缘性的对比问题,前人已取得重大进展[24],有学者将红铁沟组与华南的南沱冰期层对比[25],忽略了冰川事件的多期性及差异性,因此以冰成岩为标志进行板块亲缘性对比时需要谨慎。从现有资料来看,应将其与华北南缘罗圈组及塔里木汉格尔乔克组冰成岩层对比。

图6 柴北缘新元古代红藻山组—皱节山组地层对比及沉积演化模式Fig.6 Stratigraphic correlation and sedimentary evolution model of Hongzaoshan—Zhoujieshan Formation in the northern margin of Qaidam Basin

6 结 论

(1)研究区新元古代全吉群红铁沟组发育冰川沉积,冰成岩层可分为上、下两部分,下部为黄绿色、灰绿色含冰碛砾石泥质粉砂岩,上部为紫红色、砖红色含冰碛砾石粉砂岩夹纹泥层,从沉积相位置来看红铁沟组冰川沉积与正常潮坪沉积在海盆中位置一致。

(2)冰成岩地层序列中保留了冰底碛、消融碛以及冰海沉积等不同的沉积类型,其中冰底碛以发育混杂堆积的冰碛砾石为特征,砾石分选、磨圆均较差,形态多样,表面具磨平面;消融碛受冰川融水改造作用呈弱层状或透镜状产出;冰海沉积为冰川漂砾与细粒碎屑物质同时大量、快速从冰川中消融出来所形成,落石含量极高,发育“下弯上绕”状层理。

(3)红铁沟组冰成岩横向上厚度变化极大,通过地层对比,认为其下伏黑土坡组上、下各存在一个不整合面,新元古代末期研究区至少发育两期大规模构造运动,黑土坡组、红铁沟组及皱节山组不同程度的剥蚀是新元古代末期柴北缘洋盆向北俯冲造成的挤压-剥蚀以及弧后伸展导致的盆地再次沉降——接受沉积转换的直接体现。