黔东南下古生界碳酸盐岩台地演化

徐 博， 杜秋定， 伊海生， 夏国清， 杜春阳

(1.成都理工大学沉积地质研究院,成都 610059；2.中国地质调查局成都地质调查中心,成都 610081)

晚前寒武纪中国南方大陆解体,形成了扬子与华夏两个新的大陆板块,扬子板块东南缘继裂谷作用及裂谷盆地充填作用之后形成一个新的被动大陆边缘[1]。早寒武世中期—晚奥陶世末期,在504～439 Ma漫长地质时期内,除中奥陶世发育短时间的碎屑岩与碳酸盐岩的混积外,扬子地台整体上以浅水碳酸盐岩沉积为主。直至晚奥陶世末,扬子碳酸盐岩台地才被页岩盆地替代,才结束了长达约75 Ma的碳酸盐岩台地的生长演化历史。台地的演化过程受多种因素控制,如热沉降、海平面变化、构造运动等[2-5]。前人对湘西黔东地区沉积学特征做了深入研究,成果显著。梁薇等[6]对中上扬子地区寒武纪第三世—芙蓉世古地理演化做了相关研究,并绘制了古地理图件；周恳垦[7]对中上扬子及其东南缘中奥陶世—早志留世沉积特征与岩相古地理演化亦做了详尽研究,但关于扬子碳酸盐岩台地演化历史的相关研究却较为有限。笔者在研究过程中发现，中上扬子碳酸盐岩台地演化经第三世开始形成,早奥陶世台地发展至高峰,于晚奥陶世衰亡。所选择的研究区地处黔东南石阡地区,寒武系—奥陶系地层发育连续,地质现象丰富,为详细研究黔东地区碳酸盐岩台地演化提供了良好的素材。

1 区域地质概况

晚前寒武纪中国南方大陆解体,形成了扬子与华夏两个新的大陆板块。扬子板块在地理位置上几乎包括了整个长江流域,在大地构造位置上扬子板块位于中国南方的中心,其西以三江造山带为界,西北为松潘—甘孜造山带,北有秦岭—大别山造山带,南邻右江造山带,东南接华南造山带,东南为沿海造山带[8]。黔东地区恰处于陆壳稳定区和江南改造区的过渡区,整个寒武系属扬子区与江南区之间的过渡型地层分区。加里东期,上扬子地区进入了由裂谷盆地向被动大陆边缘盆地的转化阶段,在一套裂谷盆地充填序列的基础上形成了碳酸盐岩台地建造,奠定了湘西黔东地区北西高、南东低的古地理格局[2,9-10]。

研究区位于黔东南石阡一带(图1[6-7]),处于大型扬子碳酸盐台地向江南页岩盆地过渡地带。区内早古生代沉积相带复杂多样,包括台地内部相,台地边缘相和盆地相。台地相以白云岩为主,白云岩中鸟眼构造、次生溶孔发育,生物化石稀少。台地边缘相以滩相沉积为主,岩相主要为亮晶颗粒灰岩、鲕粒白云岩及白云岩等。盆地相主要为暗色页岩、硅质岩沉积,几乎未见生物。该地区虽然加里东期经历多次构造运动,但相带保存的完整性和连续性良好,是研究碳酸盐岩台地演化对加里东运动的沉积响应最理想的地区之一[1,11]。

图1 中国南方大地构造单元及中上扬子地区寒武纪构造背景[6-7]Fig.1 Tectonic units in South China and the tectonic framework of the Middle and Upper Yangtze region in the Cambrian[6-7]

2 沉积相类型与特征

研究区位于黔东南铜仁市石阡地区,寒武系—奥陶系地层连续发育,地质现象丰富,对研究区寒武系—志留系11条实测剖面进行了较为详尽的研究,其中主干剖面6条,包括伍德大桥、席坑村、苦李坳、枫香乡、黄金山村、铺沟村；辅助剖面5条:坪山乡、大雾坡、龙田镇、易木坳村,露头较好,岩性及组合、沉积构造清楚,基本囊括了从早寒武世杷榔组至晚奥陶的所有地层,自下而上完整发育有杷榔组、清虚洞组、高台组、石冷水组、娄山关组、桐梓组、红花园组、大湾组、十字铺组、宝塔组,为黔东地区碳酸盐岩台地演化的研究提供了重要材料支撑,对于中上扬子地区寒武系第二统—奥陶系上统年代地层划分,采用国际地层委员会最新划分标准,并结合前人研究成果对研究区进行了简要对比(图2[12])。

图2 贵州晚寒武世-早志留世地层对比[12]Fig.2 Stratigraphic correlation of the Cambrian to Early Silurian in Guizhou[12]

通过对研究区内寒武系—奥陶系野外宏观沉积特征的观察以及室内镜下显微特征的分析,在前人的基础上,对沉积相与亚相类型进行了细化,共识别出4种沉积相:陆棚相、台地边缘相、台地相、潮坪相,为黔东地区台地演化提供了有利的材料支撑,沉积相对比如图3所示。图4所示为石阡地区野外露头特征；图5所示为石阡剖面沉积微相特征。

图3 石阡地区沉积相对比Fig.3 Correlation of sedimentary facies of the Shiqian area

2.1 潮坪相

潮坪相主要发育于第三统及芙蓉统。见于金丰村P02剖面石冷水组及娄山关组,岩性总体为一套灰色-深灰色白云岩夹浅黄褐色砂质纹层状白云岩，薄层膏岩,鸟眼构造、溶孔[图4(c)]、层理发育,可见小型冲刷构造,反映了潮上—潮间沉积环境。

2.2 台地相

台地相可分为局限台地相、开阔台地相。台地内部多发育滩相沉积,鲕粒滩、砂屑滩多见,局限台地内部多发育蒸发潟湖相沉积,但分布范围有限,规模不等。

2.2.1 局限台地相

第三统—芙蓉统多发育局限台地相沉积,研究区内均有分布,典型特征见于金丰村P02剖面。石冷水组地层岩性稳定,发育大套灰白色厚层至块状白云岩沉积,小型交错层理、波痕等沉积构造发育。与西部坪山乡P03剖面潮坪相夹有薄层泥页岩与粉砂岩的薄层状白云质灰岩、灰质白云岩呈渐变过度关系,向东至伍德大桥P04剖面则砂泥质含量减少。芙蓉统局限台地相发育趋于成熟,以厚层状白云岩为特征,较第三统泥质含量明显降低。

2.2.2 开阔台地相

开阔台地相主要发育于芙蓉统、下奥陶统特马豆克阶,与局限台地相呈渐变过渡关系。见于金丰村P02剖面,娄山组顶部发育的厚层状结晶白云岩逐渐向纹层状白云质灰岩[图4(d)]过渡,至桐梓组沉积了大套厚层状生屑灰岩。伍德大桥P04剖面以宝塔组或十字铺组单一碳酸盐岩为代表,厚层状生屑灰岩广泛发育。

2.2.3 台内滩相

台内滩相多以点滩的形式出现。第二统多为鲕粒滩、生屑滩,发育于席坑村P04剖面清虚洞组下部,岩性以灰色薄-中状鲕粒灰岩、亮晶鲕粒白云岩、泥晶生屑灰岩为主；第三统主要为砂屑滩,见于金丰村P02剖面石冷水组上部以及娄山关组下部地层,岩性为含砂屑云质灰岩、砂屑白云岩,亮晶胶结,指示中-高能动荡水体环境。

2.2.4 蒸发潟湖相

该亚相发育于第三世—芙蓉世局限台地内,见于枫香乡剖面娄山关组中上部,岩性为白云岩夹膏质白云岩,局部含细粉砂白云岩。

2.3 台地边缘相

2.3.1 台地边缘滩相

浅滩相初现于第二统,发展壮大于第三统至芙蓉统,代表中-高能的沉积环境。主要见于席坑村P01剖面、金丰村P02剖面。P01剖面清虚洞组中部地层,以鲕粒灰岩最为典型[图5(a)],并伴有生屑灰岩产出。对比地层接触关系发现鲕粒滩迁至金丰村一带,P02剖面娄山关组中部地层,岩石组成主要为鲕粒灰岩、鲕粒白云岩为主,并夹有数层角砾白云岩、藻屑白云岩,这类颗粒碳酸盐岩多亮晶胶结[图5(c)],结构成熟度较高。

图4 石阡地区野外露头特征Fig.4 Field outcrops of the Shiqian Region

2.3.2 台缘斜坡相

第二世、上奥陶统大瑞威尔阶均有台缘斜坡相发育,主要见于伍德大桥P04剖面及苦李坳村P06剖面十字铺组、宝塔组地层。岩性主要灰色条带状泥灰岩、龟裂纹灰岩及砾屑灰岩。既有斜坡本身的泥晶-粉晶灰岩,泥灰岩,也有来自台地边缘的亮晶砂屑灰岩、亮晶鲕粒灰岩等,砾屑灰岩较为发育,砾屑分选较差,成分复杂,向东至新晃陈家一带,大量滑塌沉积和碎屑流砾屑灰岩沉积[2],表明斜坡已由缓坡演化为陡坡。

2.3.3 台缘礁相

礁(即生物礁)是造礁生物原地生长、埋藏形成的具有抗浪能力的碳酸盐岩隆起,一般指示水体能量较高的浅水环境。该相主要发育于下奥陶统新厂阶,以伍德大桥P04剖面红花园组礁滩相灰岩[图4(e)]最为典型,蓝绿藻、珊瑚、苔藓虫[图5(h)]、海绵等造礁生物广泛发育。

2.4 陆棚相

陆棚相从岩性组成上可进一步细分为碎屑岩陆棚相、碳酸盐陆棚相以及混积陆棚相,在研究区内均有发育。

2.4.1 碎屑陆棚相

第二统及中奥陶统大坪阶均发育有碎屑陆棚相,发育于席坑村P01剖面杷榔组地层以及枫香乡P03剖面大湾组地层,但其沉积特征及范围略有不同。P01剖面下部变马冲组、杷榔组地层,为一套暗色细粒碎屑岩沉积。变马冲组岩性为灰黑色块状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩,毫米级纹层发育；杷榔组发育黄褐色-灰褐色块状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩,水平纹层极为发育,整体自下而上表现为粉砂岩,向上泥质含量渐少,夹少量灰岩透镜体,可见完整三叶虫化石,整体泥质粉砂岩与粉砂质泥岩构成一套粒径变细的正粒序。P03剖面大湾组底部为一套薄板状钙质泥岩,介壳化石丰富,顶部发育黄绿色灰质泥岩与粉砂岩互层,大湾组岩性自下而上的演化序列为钙质泥岩—瘤状灰岩—泥质粉砂岩,水平层理较为发育,指示低能的水体环境。

图5 石阡剖面沉积微相特征Fig.5 Microfacies characteristics of thin section at the Shiqian Region

2.4.2 混积陆棚相

该相表现为以碳酸盐岩沉积物为主体中混有陆源碎屑颗粒的混合产物,多发育于大坪阶,分布于席坑村P01剖面,伍德大桥P04剖面、苦李坳村P06剖面亦有发育。P01剖面清虚洞底部岩性主要为深灰色薄-中层条带状灰岩,条带状灰岩成分为泥质灰岩[图4(b)]。P04剖面十字铺组底部为灰绿色泥质灰岩与粉砂质条带灰岩互层,并且向上有灰岩厚度增大的趋势。P06剖面大湾组薄层状泥岩、泥质粉砂岩及厚层状瘤状灰岩大量发育。该相带在研究区自寒武世至奥陶世明显西迁,沉积厚度呈东高西低的特征。整体上为弱还原环境的产物,水体能量较低,水平层理最为发育。

2.4.3 碳酸盐岩陆棚相

第二统、中奥陶统大坪阶均发育有碳酸盐岩陆棚相,主要见于席坑村P01剖面、铺沟村P05剖面。P01清虚洞组剖面岩性以灰黑色中-厚层状泥灰岩,泥质条带灰岩及泥晶灰岩为主[图4(a)],条带灰岩层侧向延伸不稳定,灰岩呈透镜状,泥质灰岩水平层理及纹层发育,见三叶虫化石。P05剖面大湾组顶部发育大套泥灰岩沉积,并数层薄层状生屑灰岩,生屑种类教单一,以腕足为主,反应能量较高的水体环境。

3 碳酸盐岩台地演化

在长期稳定的构造环境、充足的堆积时间和适宜的气候条件下,碳酸盐缓坡向台地转化是绝大多数碳酸盐沉积演化的趋势[13-14]。碳酸盐岩台地的演化往往具有阶段性[15]。根据研究区内沉积物垂向演化序列,对黔东地区碳酸盐岩台地的发育演化史进行了重建,划分为3个阶段:中寒武世建设期、晚寒武世发展期、早奥陶世逆演化期。

3.1 建设期

寒武纪扬子区为稳定的陆棚海沉积,地势北西高南东低,西部的康滇古陆始终存在,且其范围不断扩大。早寒武世扬子区为向东倾斜的混积型缓坡,总体以陆源碎屑岩沉积为主,滇东、川西一带为砂砾岩、粉砂岩,向东陆源碎屑颗粒逐渐变细,至桂西、黔东及鄂中等地陆源碎屑减少,碳酸盐岩增多,物源区为西部康滇古陆[16]。自湖南泸溪兴隆场向西都发育了碎屑岩滨浅海沉积,向东至桃江凉水井、邵东皂壳塘一带则相变为页岩硅质岩盆地,再向东至湖南衡阳塔山一带则相变为浊积岩盆地沉积。该时期相变的主要受控于陆源剥蚀区的物源供给能力及古地理背景[17-18]。

研究区岑巩席坑剖面下部层位杷榔组主要沉积物为灰绿色薄层细粒碎屑岩,偶夹含泥质条带灰岩,含少量三叶虫化石,代表深海陆棚环境。第二世晚期中上扬子地区经历短暂海侵后[19-20],随之发生海退,区内开始大规模沉积碳酸盐岩。清虚洞组呈现出碳酸盐岩缓坡相沉积特征,岩性自下而上的演化序列为:灰岩-泥灰岩-泥质条带灰岩[图4(a)],条带灰岩层常由泥质灰岩与纯净灰岩互层组成,岩层横向展布不稳定,常呈透镜状；薄层灰岩之上发育滩相沉积,颗粒灰岩,鲕粒白云岩发育[图5(a)],未见礁相沉积。花垣—铜仁—玉屏一带,主要为微晶灰岩、粉屑灰岩,生物种类丰富；向东至凤凰—新晃一带,泥灰岩、暗色页岩增多；再往东至泸溪—兴隆场几乎未见生物,全为硅质岩、泥岩[21]。地层对比发现剖面以东鲕粒灰岩与碎屑岩之间呈渐变过渡关系,且此关系向东层位向上抬升,鲕粒滩呈向东迁移之势。这种岩性和相带分布的连续渐变,以及缺乏碎屑流沉积的特点,呈现出碳酸盐岩缓坡的特征,表明湘西黔东地区台、坡、盆格局已具雏形[22-25]。

3.2 发展期

清虚洞组沉积晚期,鲕粒滩东迁至天马一带,鲕粒类型以球形切线纹层鲕粒为主,分选磨圆好,亮晶胶结,表现出真正的台缘高能浅滩特征。研究区西侧原缓坡变浅,发育泻湖-潮坪沉积的层纹状白云岩,并含有膏岩,东侧万山、凤凰一些层位出现碎屑流沉积,滑塌沉积[2, 24, 26],这些特征表明湘西黔东地区已经逐渐从碳酸盐岩缓坡过渡到镶边台地模式。

第三世,扬子区西部古陆不断扩张,形成纵贯西部边缘的康滇古陆,镶边台地继续发展壮大。沉积相带自北西至南东为潮坪-局限台地(包括蒸发潟湖)-台地边缘浅滩-台地边缘斜坡-深水盆地。潮坪相分布于川滇古陆东侧及大巴山地区,岩性多为黄绿色粉砂岩与白云岩韵律互层,潮汐层理发育。研究区枫香乡剖面,主要发育局限台地相、蒸发泻湖相沉积,岩性稳定。高台组-石冷水组发育大套厚层至块状白云岩[图4(b)],与西部潮坪相呈渐变过度关系,靠近西侧潮坪相区,多夹有薄层泥页岩与粉砂岩。芙蓉世,海退作用持续,台缘滩迅速加积向东推进,区域资料显示,其主体长期固定在铜仁一带,沉积厚度超过千余米。沉积环境未发生太大变化,岩性与石冷水组相似,中厚层-块状白云岩为主,偶夹薄层含泥白云岩,鸟眼构造、溶孔发育[图4(c)],为潮坪相的特征产物。台缘前斜坡主要发育在黔东、湘西、鄂东南一带,凤凰一带,碳酸盐重力流沉积普遍发育,类型多、发育好,反映斜坡坡度较陡。区内寒武系地层整体自下而上构成一个碎屑岩陆棚到蒸发碳酸盐岩台地向上变浅的沉积序列。至芙蓉世晚期,大量的滑塌沉积和碎屑流砾屑灰岩沉积表明斜坡已经形成近乎直立的陡崖,镶边台地的发展已经达到了巅峰。

3.3 逆演化期

早奥陶世特马豆克期是中上扬子区碳酸盐岩台地的调整阶段。受“郁南运动”影响,扬子西部陆地明显扩大,康滇古陆扩大,牛首山古陆相继出现[27-28]。研究区由局限台地开阔台地转变,滩相沉积普遍发育,黔东地区自北西向南东依次发育局限台地-开阔台地,台缘浅滩东迁至湘西花垣—保靖一带,古丈-吉首以东发育陆棚相沉积。研究区伍德大桥剖面桐梓组沉积大套厚层状生屑、含生屑灰岩,顶部发育中层状泥晶、粉晶灰岩,水平层理发育,生物化石多样,三叶虫、腕足类、棘皮类等发育。弗洛期,中上扬子碳酸盐台地经历前期短暂构造事件影响后再度占据统治地位,以红花园组礁滩相灰岩为代表,蓝绿藻、苔藓虫、海绵等造礁生物广泛发育。弗洛期为中上扬子碳酸盐岩台地发育的最后一个高峰,也标志着早古生代拉张性构造演化阶段进入了尾声。中奥陶世大坪期开始转入构造挤压阶段,为台地向碳酸盐缓坡的逆向演化提供了基本条件。该时期古地理格局发生显著变化,康滇古陆、牛首山古陆、黔中水下隆起(该时期并未完全隆起)连为一体[29-30],在受相对海平面上升的共同作用下,台缘斜坡消失、碳酸盐台地转变为碳酸盐缓坡沉积,万州—石柱—武隆—南川—都勾一线以东的广大区域,均成为低能碳酸盐沉积区,研究区内大湾组、十字铺组沉积的瘤状灰岩、薄层泥灰岩为代表；至宝塔组,广泛发育的龟裂纹灰岩,为深水缓坡沉积产物,指示水体进一步加深。至凯迪期晚期-赫南特期,由于持续的构造挤压,研究区总体地势发生了显著变化,由之前的西高东低,转变为南高北低,西、北部成为被古隆起包围的半局限滞留海盆,五峰组、龙马溪组沉积了暗色硅质页岩[31],碳酸盐岩台地才被页岩盆地所取代。受黔中隆起的影响,五峰组、龙马溪组地层缺失,直至松坎期才再次接受沉积,故而区内宝塔组地层与松坎组地层成假整合接触。这标志着黔东湘西地区碳酸盐台地、坡、盆格局宣告终结,继而转为造山时期前陆盆地沉积,演化模式图如图6所示。

图6 扬子台地东南缘台地演化模式Fig.6 Schematic models of carbonate platformevolution of the lower Paleozoic

4 结论

(1)根据野外勘查、实测剖面以及镜下薄片观察资料,识别出其存在的4种沉积相类型:陆棚相、台地边缘相、台地相、潮坪相；11种亚相类型:碎屑陆棚相、混积陆棚相、碳酸盐岩陆棚相、台缘斜坡相、局限台地相、开阔台地相、台缘滩相、台缘礁相、蒸发潟湖相。

(2)通过对各沉积相的沉积特征分析及沉积相纵向演化规律,精细刻画了中上扬子碳酸盐岩台地的演化过程,将其细分为:中寒武世建设期、晚寒武世发展期、早奥陶世逆演化期,建立了黔东南地区下古生界碳酸盐岩台地演化模式图,阐述了中上扬子地区经历了碳酸盐岩台地由出现至成熟至衰亡的发展过程。

(3)早寒武世清虚洞组早期黔南地区开始出现碳酸盐岩沉积,晚期完整的台、坡、盆格局形成。早奥陶世,受郁南运动影响,黔东地区由局限台地向开阔台地转变,受郁南运动的持续影响,形成广泛的碳酸盐缓坡,沉积了大套的碎屑岩以及碎屑岩与碳酸盐岩混合的岩石组合,拉开了碳酸盐岩台地逆向的序幕。晚奥陶世末,黔中隆起、雪峰隆起相继形成,毕节—遵义—石阡—铜仁一线以南抬升遭受剥蚀,五峰组、龙马溪组地层缺失,上扬子碳酸盐岩台地的演化迎来终结。