藏北雁石坪地區夏里組米級沉積旋回及成因

夏國清 伊海生 黃華谷 武向峰 惠 博

(1.成都理工大學 沉積地質研究院,成都 610059;

2.中國科學院廣州地球化學研究所邊緣海地質重點實驗室,廣州510640)

印支造山運動之后,中國大陸侏羅系主要是陸相地層。由于青藏高原是全球特提斯構造域的一個重要組成部分,這一地區是中國境內中-新生代海相地層分布最廣的地區,尤其是高原北部的唐古拉山北坡雁石坪地區,是中國目前所知侏羅紀海相地層發育最好的地區。其中以雁石坪群為代表的濱淺海相環境的沉積,由于它們對海平面的波動最敏感,是研究侏羅系最理想場所。但迄今為止,對該地區侏羅系的研究工作主要限于較大的2級或3級層序的研究,對于更低級別的高分辨率層序(如4級至6級)研究卻很少見。精細的沉積旋回研究是分析盆地沉積歷史、氣候變化、構造運動分析的基礎[1]。因此,筆者以野外詳細觀察記錄的米級旋回為基礎,通過對米級旋回層序的成因類型、疊置規律以及它的成因機制的研究,探討盆地內夏里組沉積層序堆積樣式和空間結構變化規律。

1 地質概況

藏北羌塘盆地位于青藏高原中北部,南北寬300 km,東西長 640 km,面積0.185×106km2[2],盆地夾于岡底斯念青唐古拉板塊與可可西里-巴顏喀拉板塊之間,是在前古生界結晶基底和古生界褶皺基底之上發育起來的以中生界海相沉積為主的殘留盆地[3]。根據青海省地質礦產局巖石地層清理資料[4],侏羅系從老到新依次為雀莫錯組(J2q)、布曲組(J2b)、夏里組(J2x)、索瓦組(J3s)和雪山組(x),它們之間皆呈整合接觸(表1)。楊遵儀和陰家潤[5]以及史曉穎等[6]根據雙殼類和腕足類化石,將其時代置于巴柔期-提塘期。

夏里組是侏羅系雁石坪群建組剖面地點——雁石坪鎮露頭最好的地層單元,以發育大量的米級至十米級的砂巖、泥巖互層為主,少量碎屑巖-碳酸鹽巖組合(圖1)為特征,含少量的雙殼類和腕足類化石組合及陸生植物化石,厚度約645 m。產雙殼、腕足類化石：Protocardia congnata(Sowerby),Anisocardia tenera(Sowerby),Modiolus bipartus,Modiolus acuticarinatus,Astarte multi f ormis,Pronoella sp.,Sowerby atrianglaris等屬種,為 Anisocardia tenera-Modiala biparta組合,屬于中侏羅世卡洛期[7]。地層主色調是紫紅色和灰綠色,且兩者常呈韻律互層產出。見砂泥潮汐韻律互層層理、沙紋層理、透鏡狀層理、脈狀層理、波狀層理及羽狀交錯層理,沉積特征指示濱岸潮坪環境。根據陳蘭[7]對該地區夏里組雙殼類化石組合的研究以及中國石油天然氣總公司青藏石油勘探項目經理部(1996)對該組碎屑巖的粒度分析結果,該套地層所含的雙殼化石組合和粒度特點也符合潮坪沉積特點。

表1 羌塘盆地侏羅系巖石地層單元及地質年代Table 1 Lithostratigraphic units of the Jurassic in Qiangtang basin

眾所周知,潮坪沉積環境的沉積作用變化頻繁,所形成的米級旋回厚度幾乎是與沉積物可容納空間的變化同步的,屬于Soreghan和Dickinson[8]提出的同步補償(keep up)型旋回,孕含著豐富的構造、海平面變化及沉積物堆積作用等方面的信息,因此是開展侏羅系旋回地層研究的最理想對象。

在2007年,作者重測了雁石坪東山的標準剖面夏里組,剖面起點坐標 N33°35′48″,E92°03′54″,終點坐標 N33°34′29.2″,E92°04′29.6″,野外分139層。野外工作以厘米級到米級尺度對剖面上肉眼能見度范圍內所有的巖石和巖相特征、粒度及層理厚度、顏色變化、生物生態等資料進行了收集,重點觀察了旋回層的頂底界面、疊置樣式和內部發育的各種沉積構造。

2 米級旋回類型及剖面疊置

在露頭上能直接識別的、幾十厘米至幾米厚的地層沉積旋回就是Anderson[9]和梅冥相[10]所稱的“米級旋回”。一般認為,它是異成因機制控制下的間斷-加積作用過程的產物[11,12]。作為沉積節律的基本表征,它類似于王鴻禎等[13]所稱的“小層序”和Mitchum[14]所稱的“高頻層序”,也類似于鄭榮才等[15]所定義的“中、短期基準面旋回和超短基準面旋回”和Vail等[16]所定義的“準層序”,以及魏家庸等[17]所定義的“巖石地層單位的旋回性基本層序”。

作為基本地層結構單元,在不同的沉積動力機制作用下以及不同的物質來源情況下,所形成的米級旋回的巖性、巖相和沉積標志以及垂向序列等都具有不同特性,因而識別和鑒定這些不同時空位置的米級旋回類型就成為研究旋回層序地層的一項基本工作。那么,野外米級旋回層序的識別特征和劃分依據主要是什么呢?一般而言,米級旋回層序具有2大明顯特征[18]：第一是它的界面均為突變界面,頂底界面表現為較深水的沉積物直接覆蓋在較淺水沉積物之上。第二是米級旋回內部通常可劃分成上、下兩個單元,下部單元水體環境較深,為海平面迅速上升階段的產物。而上部單元屬于穩定沉積環境的產物,水體環境較下部變淺。一個完整的米級旋回層序代表一個完整的海平面變化旋回。

按照以上識別特征和劃分依據對夏里組米級旋回進行了詳細觀察和統計,將該剖面夏里組劃分成兩個大類的旋回層序：一類是碎屑巖型旋回層序,另一類為碎屑巖-碳酸鹽巖型旋回層序。

碎屑巖型旋回層序類型為夏里組最常見的旋回類型,概括起來包括六個巖相單元,它們是：(a)潮下高能石英細砂巖,呈青灰色、灰白色,發育交錯層理、斜層理,成分成熟度及結構成熟度均較高,屬潮下高能動蕩淺水環境下的產物,僅見于剖面0層和1層底部,沉積厚度較大。(b)潮下坪砂巖,以粉砂居多,少量細砂巖,一般呈灰綠色、黃灰色,發育小型交錯層理、脈狀層理、沙紋層理,廣泛分布于剖面中,以米級厚度常見。(c)潮下坪泥巖,多呈灰綠色,單層厚度在數厘米至數十厘米間,發育透鏡狀潮汐層理和水平層理,在剖面的中部和上部發育。(d)潮間-潮上坪砂巖,也分粉砂巖和細砂巖,泥質含量較巖相單元b稍高,但兩者的沉積構造相似;不同的是該巖相單元多呈紫紅色、紫色、暗紫紅色,廣泛分布于剖面中部。(e)潮上坪泥巖,為代表氧化色的紫紅色為主,發育透鏡狀潮汐層理和泥裂,見少量水平紋層,單層厚度在厘米級,為潮上淺水靜水環境產物,廣泛發育于剖面中部。(f)潮上坪膏鹽巖,僅出現于剖面第72層和第75層,呈紫紅色、黃灰色,單層厚度0.1～0.3 cm不等,為潮上極淺水干旱環境產物。上述這些巖相單元常按不同的組合形式疊置成不同的旋回層序,剖面中共識別出12種類型,如圖2所示,它們具有的共同特征是顆粒向上變細、沉積環境總體向上變淺,具有潮汐的“正粒序”特征。

圖1 藏北雁石坪地區夏里組垂向巖相序列及旋回疊置形式Fig.1 Facies succession and vertical stacking pattern of meter-scale cyclic sequences in Xiali Formation of Yanshiping area

圖2 夏里組中碎屑巖型米級旋回層序的巖相單元及類型Fig.2 The lithofacies units and types of clastic rock meter-scale cyclic sequences

圖3 夏里組碎屑巖-碳酸鹽巖型米級旋回層序類型Fig.3 Types of the clastic rock-carbonatite meter-scale cyclic sequences

碎屑巖-碳酸鹽巖型旋回層序類型在夏里組少見,僅見4個這種類型的旋回層序,分布于剖面上部。其下部為碎屑巖沉積,上部為碳酸鹽巖沉積。包括2類旋回層序類型(圖3)：第1種旋回層序(圖3-M)的底部為灰綠色泥巖,單層厚度為厘米級,見水平層理,代表一種潮下靜水還原環境;中部為紫紅色砂巖,泥質含量較高,發育小型沙紋層理,為潮間-潮上坪沉積;旋回頂部為灰色、深灰色泥晶灰巖,單層厚度0.2～0.5 m不等。另一種旋回層序(圖3-N)的底部同樣也為潮下灰綠色泥巖;中部為潮下坪砂巖,灰綠色,單層厚度0.1～0.2 m,發育小型交錯層理和沙紋層理;旋回頂部為介殼灰巖層,呈黃灰色、灰色,單層厚度1～5 cm不等,側向延伸不穩定,介殼一般有磨蝕破碎,常具定向排列,介殼間被泥晶基質充填,為異地搬運和篩選而形成的介殼灘沉積。一般認為,旋回下部的碎屑巖沉積主要形成于高頻海平面變化的上升階段,由于水體環境加深,由波浪、潮汐的回流作用從海岸線帶回沉積物堆積形成;而旋回的上部主要形成于高頻海平面變化的下降時期,由于海岸線向海退縮,陸源沉積隨之減少,沉積水體變為清水環境,因此形成了該旋回層序的上部單元——碳酸鹽巖單元[10]。

剖面上共劃分出85個米級旋回,這些旋回層序在剖面中常以不同形式疊置(圖1),所形成的厚度也不盡相同(圖4)。整個地層中最大旋回厚度出現于剖面頂部第80個旋回中,厚度為32.50 m;最小旋回厚度出現于剖面中上部第73個旋回中,厚度為0.53 m。多數旋回厚度集中在1～5 m范圍內,超過10 m的旋回在整個米級旋回中的比例很小。

圖4 雁石坪地區夏里組旋回厚度分布圖Fig.4 The bar plot of the cycle thickness in Xiali Formation of Yanshiping area

3 米級旋回層序成因機制探討

旋回著重強調地層堆積作用是受異成因機制控制的周期性時間過程,而層序是指相應旋回的產物。對于地層堆積作用過程,Anderson和Goodwin提出相對于傳統的地層逐漸堆積作用模式的另一種假說模式——PAC假說,該假說認為大多數陸表海環境中的地層由一種薄的向上變淺的旋回層序組成,其分界面是由地質上瞬間的相對海平面上升形成的間斷時間(瞬間淹沒)所產生,緊接著是均衡過程。該模式的基本思想是地層記錄以堆積作用的周期性(幕式)來與異成因機制響應,其實質則是強調地球軌道效應即偏心率、軸斜率、歲差旋回造成地球日照量的變化,從而引起極地冰蓋的消長使海水體積發生變化,最終造成地層高頻旋回層序的疊加。

對于藏北雁石坪地區中侏羅統夏里組而言,是否同樣存在如此地層堆積響應呢?由于夏里組目前還缺乏準確的地層時間域的測年數據,要分析地層中的米蘭科維奇旋回,可以在空間域中用間接的方法求取。米蘭科維奇旋回在地質歷史時期具有相對的穩定性,各周期間的比率關系在一定的地質歷史時期是穩定的,如果能夠在地層所包含的各種旋回中找到與米蘭科維奇旋回周期比率相等或相近的關系,就可以認為研究層段的各旋回對應于米蘭科維奇旋回各周期[19]。

由于高頻旋回的相互疊加以及噪音的干擾,用肉眼直接分辨各級旋回是困難的。為了解決這個問題,可以引進頻譜分析技術對該剖面米級旋回進行相應研究。頻譜分析技術是研究周期性現象中最為常用的一種統計分析方法,主要通過對一系列復合波系進行傅立葉變換,將其分解成若干振幅和相位不同的簡諧波,并找出其中振幅最大的波,即該復合波中的主要頻率[20]。運用在旋回地層學的研究中,頻譜分析就是將地層記錄中由不同周期的疊加沉積旋回,通過數學變換,分解成各自獨立的周期旋回,以頻率的形式記錄成頻譜曲線。分析結果見圖5。圖5-A為頻率域中功率圖,橫坐標代表頻率(旋回數/m),縱坐標代表相對功率,也就是相對能量,圖中能量高點表示該頻率的沉積旋回在地層中的重要性。將橫坐標取倒數,轉化為相應波長,縱坐標不變,得到圖5-B波長-功率圖,這樣從中可以方便找出主要的旋回周期,實際上就是米級旋回主要組合周期。從圖上可以看出,雁石坪夏里組米級旋回厚度對應的主要頻率值為0.047,0.152,0.329,0.352,0.482：它們的可信度均大于 90%;而0.047,0.152,0.482三個頻率值的可信度大于95%,顯示其在地層中的重要性。轉化為相應波長為21.25,6.54,3.04,2.83,2.07。由于米級旋回的平均厚度為7.59 m,所以地層主要旋回厚度分別為161.20 m,49.64 m,23.07 m,21.48 m,15.71 m。

圖5 藏北雁石坪地區夏里組米級旋回厚度頻譜分析圖Fig.5 Frequency spectral analysis of the cycle thickness in Xiali Formation of Yanshiping area

根據Berger[21]計算的地質歷史時期米蘭科維奇旋回周期的變化,求得侏羅紀時期的歲差周期為21.3 ka和17.6 ka,軸斜率周期為50.6 ka和38.0 ka,偏心率周期為恒定的400 ka,123 ka和95ka。對比本次計算的夏里組中主要的旋回厚度近似比率(表2),可發現周期為21.25,6.54,2.83,2.07的旋回組合之比為1∶0.308∶0.133∶0.095;分別與長偏心率周期400 ka、短偏心率周期123 ka、斜率周期50.6 ka和38.0 ka之間的比值1∶0.308∶0.127∶0.098極其相近。更令人吃驚的是,波長為21.25和6.54之比與長、短偏心率之比完全相等;波長為 21.25和 2.83,2.073之比1∶0.133∶0.098,與長偏心率周期400 ka和斜率周期50.6 ka,38 ka之比1∶0.127∶0.095,它們之間的誤差也僅為4.7%和3.2%：說明夏里組的主要旋回與米蘭科維奇旋回周期之間具有很好的對應關系。但是,經過頻譜分析得到的主要波長中還包括3.04的波峰,它與21.25之比為1∶0.143,而在所有的米蘭科維奇周期之比中未找到近似比,說明該峰值可能為噪音或者其他旋回周期的聯合控制。由此可以認為,米蘭科維奇旋回是影響本區夏里組沉積旋回發育的主要因素,也就是說地球軌道效應造成的高頻海平面變化是主導該套地層沉積中高頻沉積旋回發生、疊置的主要因素。

表2 侏羅紀米蘭科維奇旋回周期比率與夏里組主要波峰比率關系對照表Table 2 Corresponding relationship between Jurassic Milankovitch cycles period ratio and main cycles wave crest ratio of the Xiali Formation

4 結論

a.在厚度約645 m的藏北雁石坪地區夏里組中識別出85個米級旋回,可分為碎屑巖型、碎屑巖-碳酸鹽巖型2種類型及14種亞類型,它們具有的共同特征是顆粒向上變細、沉積環境總體向上變淺,具有潮汐的“正粒序”特征。

b.藏北雁石坪地區夏里組中保存著161.20 m,49.64 m,23.07 m,21.48 m,15.71 m共5個主要的沉積旋回,它們的比值與米蘭科維奇旋回周期比值之間具有很好的對應關系。因此,可以認為夏里組中廣泛地保存著米蘭科維奇旋回,它是控制本區夏里組沉積旋回發育的主要因素。

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