川北广元须家河组一段沉积相与沉积环境演化分析

2021-04-29谢小平李姝臻鲁宁王永栋席书娜

沉积学报 2021年2期

关键词：须家河广元沉积环境

谢小平，李姝臻，鲁宁，王永栋，席书娜

1.曲阜师范大学地理与旅游学院，山东日照 276826

2.现代古生物学和地层学国家重点实验室中国科学院南京地质古生物研究所，南京 210008

3.四川省煤田地质局一三七队地质遗迹研究院，成都 610000

0 引言

四川盆地中生代海相—非海相沉积保存完整，地层剖面出露连续，古生物化石丰富，蕴藏有石油、天然气和煤炭等重要能源资源，在层序地层、沉积环境、古生物、古地理、古气候等研究和能源勘探方面都有重要的意义[1-7]。此前已有很多学者运用不同方法对川西地区、川中地区及川东北地区须家河组的沉积相、沉积环境和构造进行了探讨[8-12]。

三叠纪—侏罗纪之交曾发生过著名的生物大灭绝事件[13-14]，对陆地生态系统产生显著影响[15-17]，古环境和古气候在晚三叠世时期已趋于复杂[18-19]。晚三叠世发生的印支运动促使川西拗陷的形成和龙门山的崛起，是龙门山构造隆升的关键时期[20]，四川盆地也完成了从海洋到陆地的转化。现已查明，四川盆地晚三叠世须家河组主要由洪积扇相、河流相、三角洲相、沼泽相、湖泊相及其交互相组成，盆地西北部沉积速度大于沉降速度，沉积厚度在盆地内呈现西北厚东南薄的不对称特征[21]。

近年来，诸多国内外学者对于四川盆地晚三叠世古气候和古环境开展了深入的研究，并取得了一系列积极进展和成果。对川东北及川北孢粉及木化石的研究，发现该地区晚三叠时期在热带—亚热带温暖湿润的气候背景下存在气候和生态环境的波动变化[22]；在晚三叠世气候整体变暖的趋势下，也存在着在短期降温事件[23]；对宣汉地区沉积环境及古气候的研究，证实了须家河末期四川盆地生态系统受生物大灭绝事件影响的程度有区域性的变化[24]。部分研究者从天文旋回的角度尝试建立了该时期四川盆地古气候、古环境变化的时间限制和磁性年代学框架[25]。最近，Poleet al.[26]还揭示了四川盆地晚三叠世存在着风暴沉积和火灾记录等事件。

虽然对于四川盆地晚三叠世的研究在古植物学、孢粉学、磁性地层学、古气候和古生态等领域取得了积极进展[25-28]，但是关于该时期古环境变化的沉积学研究关注较少[10,24,29]。目前已知，四川广元须家河组须一段形成于晚三叠世诺利期末，但是长期以来，对于须家河组一段的沉积环境和演化的研究尚涉及不多。

本文在前人关于四川盆地陆相三叠系研究的基础上[7,21,30-31]，结合野外实地测量和室内分析结果，对四川盆地北部广元地区须家河组早期沉积微相、沉积环境和沉积相演化进行分析，并对该时期古环境、古气候变化进行了探讨。

1 研究区地质背景及剖面描述

1.1 地质构造背景

四川盆地位于我国大陆西南部（28°～32°N，103°～108°E），属于扬子地台西部一级构造单元，处于松潘—甘孜造山带与扬子陆块的结合部位。早三叠世，四川盆地所在地区为浅海碳酸盐岩和蒸发岩台地，地势西高东低；中三叠世，受早期印支运动影响，太平洋板块自东南向西北挤压，使得四川盆地地势变为东高西低，盆地海水向西部退出，结束了碳酸盐台地阶段[2,32]（图1）。

图1 龙门山中段及其邻区构造和地质简图（据李智武等[32]修改）Fig.1 Tectonic and geological map of central range of the Longmenshan Mountains and adjacent area(modified from Li et al.[32])

晚三叠世初，受甘孜—阿坝弧后盆地发育影响，扬子板块西缘逐步由被动大陆边缘向前陆盆地转换，海水自盆地西部侵入，使之形成陆棚浅海相沉积；晚三叠世中期，特提斯海域逐渐关闭，部分地区上升露出海面成为岛屿，使四川盆地成为一个海湾。随着构造活动的发展，逐渐由海陆交替相演变为陆相沉积。在晚三叠世由海向陆转换的过程中，龙门山的发展对盆地西部沉积相的变化起到了关键作用[20]。

1.2 地层剖面描述

四川盆地上三叠统须家河组是一套含煤碎屑岩系，受拉丁期大规模海退影响，普遍假整合于中三叠统雷口坡组之上，尤其在广元地区较为典型。本文以王永栋等[7]的划分方案为基础，将广元地区须家河组分为两个亚组、四个岩性段，并重点研究须一段（即小塘子组）地层。

研究剖面位于四川省广元市城北约3 km处，并且沿嘉陵江西岸的须家河村（现新建镇）所测制（图2）。值得说明的是，先前的须家河组研究地点和剖面均位于嘉陵江东岸的川陕公路旁，由于护坡和建筑等因素的影响，该剖面覆盖严重，已不再适合测量和研究。因此，本文经野外地质调查并结合前人的研究成果，对位于广元市嘉陵江西岸的须家河剖面的须一段地层进行了详细的野外考察。该剖面地层的分层及岩性描述如下：

图2 剖面位置及素描图Fig.2 Sketch maps of Sichuan Basin and location of the section in Guangyuan

本剖面主要出露黄灰色、灰色、深灰色石英质细砂岩（约占57.2%）、粉砂岩（约占22.5%）和少量泥岩（约占15%），不含中—粗粒砂岩和砾岩。碳酸岩的产出形式主要为菱铁矿结核，约占剖面厚度1.7%，风化煤夹层在多层岩石中均有产出，约占剖面厚度的3.5%。

本剖面细砂岩多以石英质产出，纯净的石英砂岩的结构和成分成熟度高，形成于河流或湖泊环境；粉砂岩也出现于多层剖面，粉砂岩是经过较长距离搬运，缓慢沉降于稳定的水动力条件，产于浅湖、河漫滩、潟湖、沼泽地区[33]。结合剖面层理、构造及所产植物及植物茎干化石、多处风化煤，未见植物根系化石等特征，可以判断该剖面以三角洲环境为主。

本剖面煤层层数多，厚度较小，多以风化煤的形式产出，且煤层内含菱铁矿结核。这说明当时的水环境为滞水弱还原环境[34]，同时也说明成煤时期气候适于植物生长。据前人分析可知[35]，湿度增加的同时温度下降最有利于煤的形成，而温度与湿度同时升高，反而不利于煤形成的环境，结合植物化石的分析结果，证明此时环境偏向于亚热带湿热气候（图3）。

图3 广元须一段沉积相特征图（a）（b）为层面和垂直层面的虫迹；（c）为小型双壳类化石；（d）为菱铁矿结核Fig.3 Sedimentary facies in first member of Xujiahe Formation in Guangyuan,showing(a)worm track on surface;(b)worm track in vertical section;(c)bivalves;and(d)siderite concretion

2 沉积相分析

2.1 沉积相标志

颜色和构造是沉积岩的最直观的沉积特征，也是重要的沉积相标志[36]。

2.1.1 颜色

沉积岩的颜色是沉积岩最醒目的标志，不同的沉积环境会形成不同颜色的沉积岩，有机质量含量的增加也会使岩石颜色变深。须家河剖面须一段的岩石主要以黄灰色、灰色、深灰色为主，表明岩石有机碳含量丰富，并且形成于还原环境中；Fe3+（主要是菱铁矿结核）则以褐色的结核状或条带状产出，第4层菱铁矿也呈褐色，多代表风化条件；灰黄色过渡颜色可能是由微细陆源碎屑混入，且与陆源碎屑的原生沉积状态密切相关[35-36]。

2.1.2 构造

沉积岩的构造根据形成时期可以分为原生构造和沉积后形成的构造，原生沉积构造及其组合可以反映当时的沉积环境及岩相地理条件。

（1）层理研究剖面须一段主要表现出平行层理、均质层理（块状层理）和交错层理。其中，平行层理反映了急流和高能环境，常与大型交错层理或冲洗层理共生，在河道、海岸、湖岸及海滩等沉积环境较为多见。

均质层理形成于三种情况：1）在浅海及三角洲沉积环境中，常见由于高频的生物搅动使原生层理遭到破坏及混合形成的块状层理；2）沉积物密度高，没有分选性；3）悬浮物质快速沉积。在剖面须一段的16层泥岩与粉砂岩中发育具块状层理，含小型双壳类化石，且上下两层均含风化煤，判断为三角洲沉积；21层为巨厚层泥岩，具块状层理，且含菱铁矿结核和小型双壳类化石，判断为滞水湖泊（图3c，d）。

交错层理代表当时的沉积介质是流动的，但水动力较弱，其沉积环境通常为三角洲平原和三角洲前缘。剖面于11、12层分别发育复合交错层理和小型交错层理，与波痕和潜穴遗迹共生，判断为河口砂坝（图4）。

图4 四川广元嘉陵江西岸上三叠统须家河组一段岩性及沉积相综合柱状图Fig.4 Generalized column of lithological section and sedimentary facies of the first member of the Upper Triassic Xujiahe Formation,west bank of the Jialing River in Guangyuan city,Sichuan province

（2）层面构造，根据在成岩过程保存位置的不同，沙波迁移可以有两种表现形式，即波痕和交错层理，波痕保存于岩石层面，交错层理形成于底床。本剖面主要于6、7、10、12层呈现波痕（图4）。

（3）滑塌构造，常出现于一定层位中，一般出现在粉砂岩、粉砂质泥岩和细砂岩中。滑塌构造形成的同时常出现快速沉积，代表水下滑坡，在海底峡谷前缘、潮间滩地的水道内、河道中的点沙坝以及三角洲前缘等沉积环境中较常出现。在广元须家河一段剖面中的9层和22层呈现滑塌构造，分别判断为河口砂坝和决口扇（图4）。

（4）生物潜穴都是原地形成的，所以是判断环境的良好标志，它们能在水深、盐度、沉积速率与底层性质等方面提供环境解释的重要资料。较深的垂直潜穴显示水动力条件复杂多变，一般出现在浅水区（图3a，b）。

（5）包体类型及意义，本研究剖面主要的包体类型主要是菱铁矿结核，产出于细砂岩、粉砂岩和泥岩之中，证明了还原环境和一定的水深条件，且生物生产率较高，而碎屑沉积物不足[34]。4层菱铁矿呈褐色，代表一定的风化条件；7层、20层、21层可见菱铁矿结核（图3d、图4），分别判断为滞水环境。

2.2 沉积相划分

根据前人研究结果，并结合野外沉积记录、实地测量和对剖面的室内分析，广元嘉陵江西岸须家河组一段为海陆过渡相—陆相沉积，总体为一水退旋回的沉积环境。因晚三叠世早期马鞍塘—小塘子期海水逐渐向西退出[21]，须家河早期自下而上沉积环境为潟湖—沼泽—三角洲平原—河流，具体划分情况如下（图4）。

2.2.1 潟湖—沼泽相亚相

须一段下部（2～8层）主要发育潟湖—泥炭沼泽相沉积，在潟湖—沼泽的低能环境中，植物化石为原地埋藏，沉积粒度呈现下细上粗的逆粒序。2～4层为潟湖沉积，在亚热带湿润气候环境下，丰富的降水及河流的注入带来了大量的淡水补给，沉积物的淤积使潟湖演化处于晚期，并逐渐被沼泽化。剖面的5～8层为泥炭沼泽环境，具有以下特征：岩性主要为为深灰色—黑色粉砂岩为代表，碎屑的磨圆度和分选性都比较好，风化煤代表间接性暴露的环境。

2.2.2 辫状河三角洲平原亚相

研究剖面中段为三角洲平原，是辫状河流与潟湖潮坪的过渡区，根据三角洲上流河流的性质将其判断为辫状河三角洲，发育河口沙坝、分流河道、分流间湾和间湾湖泊微相。

（1）河口沙坝

须一段剖面9～12层为河口沙坝，交错层理与植物茎干化石表示该时期较为强劲的水动力，沉积物分选性好，11层的薄层粉砂岩说明该时期水流速度放缓，河口砂坝随三角洲向海的方向推进，水流速度放缓致使沉积物堆积沉积速率变高。

（2）分流河道

须一段剖面的18～19层为分流河道，以细砂质沉积为主，向上逐渐变细，与粉砂岩互层，动力条件比较复杂，碎屑的磨圆度和分选性都比较好，可见小型双壳类化石。

（3）分流间湾

剖面13～17、20～21层为分流间湾。由于沉积过程中河道频繁变化，当9～12层分流河道被泥岩或沙坝阻塞而废弃时，则发育分流间湾，13～17层沉积岩由深灰色细砂、粉砂岩、泥岩岩组成，沉积粒度向上变细，具块状层理，水动力环境较低。小型双壳类化石、较深的垂直潜穴一般出现在浅水区。15层和17层含有风化煤，推测曾生长植物或形成利于植物遗体堆积的环境。

剖面的20～21层其沉积岩为深灰—黑色，表明有机质含量丰富。20、21层均可见菱铁矿结核，代表滞水环境，21层的巨厚层块状泥岩也表明低能的水动力环境，结合相邻分流河道微相，将其判断为三角洲平原上的分流间湾。

2.2.3 辫状河流亚相

研究剖面中上段，即22～24层为辫状河流亚相，受河流作用的影响，具有向上变粗的层序。22层以粉砂岩为主，与分流河道相邻，且具有滑塌构造，推测为分流河道决口扇。

2.3 沉积旋回分析

通过对沉积旋回的划分，可以看出，须一段时期由两个复合旋回和一个反旋回组成，总体呈现反旋回(图4)。根据众多研究者对该时期构造活动的分析[2,20,30-31,37]，结合沉积旋回分析结果，可以判断，由于局部构造活动，该时期总体上呈现水退现象。但在9～16层及19～21层沉积时期，该时间尺度的水平面波动则可能为气候变湿导致水平面上升。

3 沉积模式及演化分析

本研究区位于四川盆地西北部，晚三叠世早—中期盆地西部地区普遍为浅海相→海陆交互相沉积，通过对研究区须一段沉积相及沉积演化的分析，总结出该研究区在晚三叠世中—后期的陆相沉积模式，如图5所示。

图5 广元地区上三叠统中后期沉积模式图（据夏宗实等[38]，有修改）Fig.5 Sedimentary model of Middle and late-Upper Triassic in Guangyuan area(modified from Xia et al.[38])

受印支构造活动影响，广元须家河地区自中三叠拉丁时期起逐渐隆升并转入剥蚀阶段，结合前人对川盆西地这段时期构造及地层的研究[39-42]，本文总结出本区晚三叠世的沉积模式（图5）：晚三叠世卡尼期，四川盆地西部受特提斯海域关闭的影响局部已成为海湾，但此时广元地区仍处于暴露剥蚀阶段，由研究剖面缺失马鞍塘组地层，雷口坡组残余地层与须家河组地层形成假整合可以识别；而后在卡尼末期，盆地西部在经历一次短暂的抬升暴露后快速沉降，使前陆盆地的箕型更加明显，海湾范围扩张，结合四川盆地宣汉七里峡剖面、开县温泉剖面、达县铁山剖面及合川炭坝剖面做出的四川盆地中晚三叠世沉积展布图可以看出，海水直到诺利期中后期（须一段早期）才影响到广元地区，使其成为障壁型河口海湾环境，发育潟湖—沼泽。诺利期末期（须一段中晚期），受华北古陆的挤压和秦岭造山带的影响，加之研究区气候炎热多雨，丰富的雨水与发育自盆地北部山区河流的陆源补给，使得沉积物迅速堆积，使该区发育辫状河流及三角洲平原，较早的改变了广元地区的海湾环境，进而逐渐被填充向陆相环境过渡，海水从广元地区退出，海岸线随之向盆地西南方向退缩，而此时四川东部及东北部仍是潟湖相[24,43]。进入瑞替期时期（须二段），受龙门山和秦岭造山带双重控制，海水完全退出广元地区，广元一带发育陆相河流沉积（图6）。

图6 四川盆地中晚三叠世的沉积展布图（据Lai et al.[8]，有修改）Fig.6 Sedimentary distribution sections and map of Middle to Upper Triassic episodes in Sichuan Basin(modified from Lai et al.[8])

4 讨论

晚三叠世诺利期是四川盆地海陆转换的重要过渡期，在须一段沉积时期，川北、川西普遍发育海陆过渡相沉积，对于该时期龙门山前陆盆地早期的形成时间、川北地区物源方向仍存在较多争议[30-31,37,44-47]。广元地区位于龙门山前陆盆地、秦岭造山带与四川盆地结合的特殊位置，本研究剖面为一套潟湖沼泽—三角洲平原—辫状河流亚相沉积，为海陆过渡相—陆相沉积体系。该转换过程或与龙门山及秦岭造山带的快速隆升的复合作用有关，其中秦岭造山带影响应该更明显。此时龙门山前缘的构造背景是大陆岛弧，尚未形成物源区；而秦岭造山带在该时期已经成为物源并为研究区提供沉积。不过，证实这一点尚需更进一步地深入研究。

植物群是气候、生态等自然环境的综合产物，植物对气候的冷暖干湿变化反应灵敏，所以植物化石具有良好的气候环境指示意义，对于揭示陆地生态系统的古生态状况和古气候演变等提供不可或缺的证据。古植物研究表明，我国晚三叠世的植物群所反映的气候类型可分为两类，即代表近海环境的热带—亚热带湿热气候的“南方型”植物组合，以及代表内陆性亚热带—温带较湿润气候的“北方型”植物组合[48-49]。前者以华南晚三叠世的网叶蕨—格子蕨（Dictyophyllum-Clathropteris）植物组合为代表，后者则以北方晚三叠世的拟丹尼蕨—贝尔瑙蕨（Denaeopsis-Bernoullia）植物组合为代表。本次所发现的植物化石中以真蕨纲和苏铁纲占主导，通过对古生物化石组合的分析，可以反映该地区晚三叠早期的古植被和古气候面貌，其组合类型代表近海的热带—亚热带湿热气候的“南方型”植物群落，气候类型应为温暖湿润的热带、亚热带潮湿气候环境。

在广元须家河须一段剖面的底部植物化石在第3层产出（图7），主要化石类型包括：新芦木属Neocalamitessp.，枝脉蕨属Cladophlebissp.，网叶蕨属Dictyophyllum nathorstiZeiller，格子蕨属Clathropterissp.，Scoresbyasp.，异脉蕨属Phlebopterissp.，鳞羊齿Lepidopterissp.，侧羽叶属Pterophyllumsp.，P.sinenseLi，异羽叶属Anomozamitessp.，中华篦羽叶Sinoctenissp.等，分别代表楔叶纲、真蕨纲、种子蕨纲和本内苏铁纲等类型。楔叶纲的新芦木属生长于沼泽或河漫滩、河间地带等环境。中生代时期，由于真蕨纲对生长环境严格的限制性，因而是气候和生态的良好指示植物[49-50]。其中，双扇蕨科化石以网叶蕨和格子蕨属为代表，其现生代表双扇蕨属（Dipteris）主要分布于热带和亚热带地区，代表温暖湿润的气候环境[50-51]，马通科化石以异脉蕨（Phlebopteris）为代表，也是热带—亚热带温暖湿润气候生态环境的指示分子[50]。种子蕨是已经灭绝的一类植物，其化石类型多生长于三角洲环境中，且为冲积平原与泥炭沼泽过渡区，指示了温暖且相当湿润的环境。苏铁纲的演化在中生代处于鼎盛阶段[49]，本次发现的苏铁类植物主要是本内苏铁目，其生境广阔，在热带、亚热带和温带都有广泛分布[49]。由此我们可以看出，剖面所产植物化石，主要为南方型的化石组合，以真蕨纲和苏铁纲占主导，这种植物化石组合代表的气候特征以湿热为主，所以该时期的气候类型应为温暖湿润的热带和亚热带气候。从剖面沉积特征来看，这种湿润气候在须一段时期连续存在，为进一步探究晚三叠时期气候和生态环境变化提供了重要的依据。

图7 四川广元上三叠统须家河组与雷口坡组剖面界线及部分植物化石（a）中—上三叠统界线（T2l中三叠统雷口坡组，T3x.上三叠统须家河组）；（b）植物化石产出位置；（c）（d）须一段底产出的植物化石（Dictyophyllum sp.）Fig.7 Boundary between Xujiahe and Leikoupo Formations,and Upper Triassic plant fossils in Guangyuan,Sichuan(a)Middle Triassic(T2l)and Upper Triassic(T3x)boundary;(b)location of plant fossils;(c),(d)typical plant fossils(Dictyophyllum sp.)

另外，前人在广元地区的须家河剖面还发现有较多的双壳类化石，主要有Yunnanophorus boulei,Myophorioois nuculiformis,Heminajas forulota,Modilus frugi等[52]。这些动物化石代表了半咸水环境，表明该时期水环境盐度较大，代表滨海环境，可能为瀉湖环境或者海漫湖[52]。

根据上述沉积相、沉积环境特征，并结合古植物和古动物化石的古生态环境分析，作出晚三叠世早期阶段川北地区的生境重建示意图（图8）。