川北廣元須家河組一段沉積相與沉積環境演化分析

謝小平，李姝臻，魯寧，王永棟，席書娜

1.曲阜師范大學地理與旅游學院，山東日照 276826

2.現代古生物學和地層學國家重點實驗室 中國科學院南京地質古生物研究所，南京 210008

3.四川省煤田地質局一三七隊地質遺跡研究院，成都 610000

0 引言

四川盆地中生代海相—非海相沉積保存完整，地層剖面出露連續，古生物化石豐富，蘊藏有石油、天然氣和煤炭等重要能源資源，在層序地層、沉積環境、古生物、古地理、古氣候等研究和能源勘探方面都有重要的意義[1-7]。此前已有很多學者運用不同方法對川西地區、川中地區及川東北地區須家河組的沉積相、沉積環境和構造進行了探討[8-12]。

三疊紀—侏羅紀之交曾發生過著名的生物大滅絕事件[13-14]，對陸地生態系統產生顯著影響[15-17]，古環境和古氣候在晚三疊世時期已趨于復雜[18-19]。晚三疊世發生的印支運動促使川西拗陷的形成和龍門山的崛起，是龍門山構造隆升的關鍵時期[20]，四川盆地也完成了從海洋到陸地的轉化。現已查明，四川盆地晚三疊世須家河組主要由洪積扇相、河流相、三角洲相、沼澤相、湖泊相及其交互相組成，盆地西北部沉積速度大于沉降速度，沉積厚度在盆地內呈現西北厚東南薄的不對稱特征[21]。

近年來，諸多國內外學者對于四川盆地晚三疊世古氣候和古環境開展了深入的研究，并取得了一系列積極進展和成果。對川東北及川北孢粉及木化石的研究，發現該地區晚三疊時期在熱帶—亞熱帶溫暖濕潤的氣候背景下存在氣候和生態環境的波動變化[22]；在晚三疊世氣候整體變暖的趨勢下，也存在著在短期降溫事件[23]；對宣漢地區沉積環境及古氣候的研究，證實了須家河末期四川盆地生態系統受生物大滅絕事件影響的程度有區域性的變化[24]。部分研究者從天文旋回的角度嘗試建立了該時期四川盆地古氣候、古環境變化的時間限制和磁性年代學框架[25]。最近，Poleet al.[26]還揭示了四川盆地晚三疊世存在著風暴沉積和火災記錄等事件。

雖然對于四川盆地晚三疊世的研究在古植物學、孢粉學、磁性地層學、古氣候和古生態等領域取得了積極進展[25-28]，但是關于該時期古環境變化的沉積學研究關注較少[10,24,29]。目前已知，四川廣元須家河組須一段形成于晚三疊世諾利期末，但是長期以來，對于須家河組一段的沉積環境和演化的研究尚涉及不多。

本文在前人關于四川盆地陸相三疊系研究的基礎上[7,21,30-31]，結合野外實地測量和室內分析結果，對四川盆地北部廣元地區須家河組早期沉積微相、沉積環境和沉積相演化進行分析，并對該時期古環境、古氣候變化進行了探討。

1 研究區地質背景及剖面描述

1.1 地質構造背景

四川盆地位于我國大陸西南部（28°～32°N，103°～108°E），屬于揚子地臺西部一級構造單元，處于松潘—甘孜造山帶與揚子陸塊的結合部位。早三疊世，四川盆地所在地區為淺海碳酸鹽巖和蒸發巖臺地，地勢西高東低；中三疊世，受早期印支運動影響，太平洋板塊自東南向西北擠壓，使得四川盆地地勢變為東高西低，盆地海水向西部退出，結束了碳酸鹽臺地階段[2,32]（圖1）。

圖1 龍門山中段及其鄰區構造和地質簡圖（據李智武等[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])

晚三疊世初，受甘孜—阿壩弧后盆地發育影響，揚子板塊西緣逐步由被動大陸邊緣向前陸盆地轉換，海水自盆地西部侵入，使之形成陸棚淺海相沉積；晚三疊世中期，特提斯海域逐漸關閉，部分地區上升露出海面成為島嶼，使四川盆地成為一個海灣。隨著構造活動的發展，逐漸由海陸交替相演變為陸相沉積。在晚三疊世由海向陸轉換的過程中，龍門山的發展對盆地西部沉積相的變化起到了關鍵作用[20]。

1.2 地層剖面描述

四川盆地上三疊統須家河組是一套含煤碎屑巖系，受拉丁期大規模海退影響，普遍假整合于中三疊統雷口坡組之上，尤其在廣元地區較為典型。本文以王永棟等[7]的劃分方案為基礎，將廣元地區須家河組分為兩個亞組、四個巖性段，并重點研究須一段（即小塘子組）地層。

研究剖面位于四川省廣元市城北約3 km處，并且沿嘉陵江西岸的須家河村（現新建鎮）所測制（圖2）。值得說明的是，先前的須家河組研究地點和剖面均位于嘉陵江東岸的川陜公路旁，由于護坡和建筑等因素的影響，該剖面覆蓋嚴重，已不再適合測量和研究。因此，本文經野外地質調查并結合前人的研究成果，對位于廣元市嘉陵江西岸的須家河剖面的須一段地層進行了詳細的野外考察。該剖面地層的分層及巖性描述如下：

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

本剖面主要出露黃灰色、灰色、深灰色石英質細砂巖（約占57.2%）、粉砂巖（約占22.5%）和少量泥巖（約占15%），不含中—粗粒砂巖和礫巖。碳酸巖的產出形式主要為菱鐵礦結核，約占剖面厚度1.7%，風化煤夾層在多層巖石中均有產出，約占剖面厚度的3.5%。

本剖面細砂巖多以石英質產出，純凈的石英砂巖的結構和成分成熟度高，形成于河流或湖泊環境；粉砂巖也出現于多層剖面，粉砂巖是經過較長距離搬運，緩慢沉降于穩定的水動力條件，產于淺湖、河漫灘、潟湖、沼澤地區[33]。結合剖面層理、構造及所產植物及植物莖干化石、多處風化煤，未見植物根系化石等特征，可以判斷該剖面以三角洲環境為主。

本剖面煤層層數多，厚度較小，多以風化煤的形式產出，且煤層內含菱鐵礦結核。這說明當時的水環境為滯水弱還原環境[34]，同時也說明成煤時期氣候適于植物生長。據前人分析可知[35]，濕度增加的同時溫度下降最有利于煤的形成，而溫度與濕度同時升高，反而不利于煤形成的環境，結合植物化石的分析結果，證明此時環境偏向于亞熱帶濕熱氣候（圖3）。

圖3 廣元須一段沉積相特征圖（a）（b）為層面和垂直層面的蟲跡；（c）為小型雙殼類化石；（d）為菱鐵礦結核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 沉積相分析

2.1 沉積相標志

顏色和構造是沉積巖的最直觀的沉積特征，也是重要的沉積相標志[36]。

2.1.1 顏色

沉積巖的顏色是沉積巖最醒目的標志，不同的沉積環境會形成不同顏色的沉積巖，有機質量含量的增加也會使巖石顏色變深。須家河剖面須一段的巖石主要以黃灰色、灰色、深灰色為主，表明巖石有機碳含量豐富，并且形成于還原環境中；Fe3+（主要是菱鐵礦結核）則以褐色的結核狀或條帶狀產出，第4層菱鐵礦也呈褐色，多代表風化條件；灰黃色過渡顏色可能是由微細陸源碎屑混入，且與陸源碎屑的原生沉積狀態密切相關[35-36]。

2.1.2 構造

沉積巖的構造根據形成時期可以分為原生構造和沉積后形成的構造，原生沉積構造及其組合可以反映當時的沉積環境及巖相地理條件。

（1）層理 研究剖面須一段主要表現出平行層理、均質層理（塊狀層理）和交錯層理。其中，平行層理反映了急流和高能環境，常與大型交錯層理或沖洗層理共生，在河道、海岸、湖岸及海灘等沉積環境較為多見。

均質層理形成于三種情況：1）在淺海及三角洲沉積環境中，常見由于高頻的生物攪動使原生層理遭到破壞及混合形成的塊狀層理；2）沉積物密度高，沒有分選性；3）懸浮物質快速沉積。在剖面須一段的16層泥巖與粉砂巖中發育具塊狀層理，含小型雙殼類化石，且上下兩層均含風化煤，判斷為三角洲沉積；21層為巨厚層泥巖，具塊狀層理，且含菱鐵礦結核和小型雙殼類化石，判斷為滯水湖泊（圖3c，d）。

交錯層理代表當時的沉積介質是流動的，但水動力較弱，其沉積環境通常為三角洲平原和三角洲前緣。剖面于11、12層分別發育復合交錯層理和小型交錯層理，與波痕和潛穴遺跡共生，判斷為河口砂壩（圖4）。

圖4 四川廣元嘉陵江西岸上三疊統須家河組一段巖性及沉積相綜合柱狀圖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）層面構造，根據在成巖過程保存位置的不同，沙波遷移可以有兩種表現形式，即波痕和交錯層理，波痕保存于巖石層面，交錯層理形成于底床。本剖面主要于6、7、10、12層呈現波痕（圖4）。

（3）滑塌構造，常出現于一定層位中，一般出現在粉砂巖、粉砂質泥巖和細砂巖中。滑塌構造形成的同時常出現快速沉積，代表水下滑坡，在海底峽谷前緣、潮間灘地的水道內、河道中的點沙壩以及三角洲前緣等沉積環境中較常出現。在廣元須家河一段剖面中的9層和22層呈現滑塌構造，分別判斷為河口砂壩和決口扇（圖4）。

（4）生物潛穴都是原地形成的，所以是判斷環境的良好標志，它們能在水深、鹽度、沉積速率與底層性質等方面提供環境解釋的重要資料。較深的垂直潛穴顯示水動力條件復雜多變，一般出現在淺水區（圖3a，b）。

（5）包體類型及意義，本研究剖面主要的包體類型主要是菱鐵礦結核，產出于細砂巖、粉砂巖和泥巖之中，證明了還原環境和一定的水深條件，且生物生產率較高，而碎屑沉積物不足[34]。4層菱鐵礦呈褐色，代表一定的風化條件；7層、20層、21層可見菱鐵礦結核（圖3d、圖4），分別判斷為滯水環境。

2.2 沉積相劃分

根據前人研究結果，并結合野外沉積記錄、實地測量和對剖面的室內分析，廣元嘉陵江西岸須家河組一段為海陸過渡相—陸相沉積，總體為一水退旋回的沉積環境。因晚三疊世早期馬鞍塘—小塘子期海水逐漸向西退出[21]，須家河早期自下而上沉積環境為潟湖—沼澤—三角洲平原—河流，具體劃分情況如下（圖4）。

2.2.1 潟湖—沼澤相亞相

須一段下部（2～8層）主要發育潟湖—泥炭沼澤相沉積，在潟湖—沼澤的低能環境中，植物化石為原地埋藏，沉積粒度呈現下細上粗的逆粒序。2～4層為潟湖沉積，在亞熱帶濕潤氣候環境下，豐富的降水及河流的注入帶來了大量的淡水補給，沉積物的淤積使潟湖演化處于晚期，并逐漸被沼澤化。剖面的5～8層為泥炭沼澤環境，具有以下特征：巖性主要為為深灰色—黑色粉砂巖為代表，碎屑的磨圓度和分選性都比較好，風化煤代表間接性暴露的環境。

2.2.2 辮狀河三角洲平原亞相

研究剖面中段為三角洲平原，是辮狀河流與潟湖潮坪的過渡區，根據三角洲上流河流的性質將其判斷為辮狀河三角洲，發育河口沙壩、分流河道、分流間灣和間灣湖泊微相。

（1）河口沙壩

須一段剖面9～12層為河口沙壩，交錯層理與植物莖干化石表示該時期較為強勁的水動力，沉積物分選性好，11層的薄層粉砂巖說明該時期水流速度放緩，河口砂壩隨三角洲向海的方向推進，水流速度放緩致使沉積物堆積沉積速率變高。

（2）分流河道

須一段剖面的18～19層為分流河道，以細砂質沉積為主，向上逐漸變細，與粉砂巖互層，動力條件比較復雜，碎屑的磨圓度和分選性都比較好，可見小型雙殼類化石。

（3）分流間灣

剖面13～17、20～21層為分流間灣。由于沉積過程中河道頻繁變化，當9～12層分流河道被泥巖或沙壩阻塞而廢棄時，則發育分流間灣，13～17層沉積巖由深灰色細砂、粉砂巖、泥巖巖組成，沉積粒度向上變細，具塊狀層理，水動力環境較低。小型雙殼類化石、較深的垂直潛穴一般出現在淺水區。15層和17層含有風化煤，推測曾生長植物或形成利于植物遺體堆積的環境。

剖面的20～21層其沉積巖為深灰—黑色，表明有機質含量豐富。20、21層均可見菱鐵礦結核，代表滯水環境，21層的巨厚層塊狀泥巖也表明低能的水動力環境，結合相鄰分流河道微相，將其判斷為三角洲平原上的分流間灣。

2.2.3 辮狀河流亞相

研究剖面中上段，即22～24層為辮狀河流亞相，受河流作用的影響，具有向上變粗的層序。22層以粉砂巖為主，與分流河道相鄰，且具有滑塌構造，推測為分流河道決口扇。

2.3 沉積旋回分析

通過對沉積旋回的劃分，可以看出，須一段時期由兩個復合旋回和一個反旋回組成，總體呈現反旋回(圖4)。根據眾多研究者對該時期構造活動的分析[2,20,30-31,37]，結合沉積旋回分析結果，可以判斷，由于局部構造活動，該時期總體上呈現水退現象。但在9～16層及19～21層沉積時期，該時間尺度的水平面波動則可能為氣候變濕導致水平面上升。

3 沉積模式及演化分析

本研究區位于四川盆地西北部，晚三疊世早—中期盆地西部地區普遍為淺海相→海陸交互相沉積，通過對研究區須一段沉積相及沉積演化的分析，總結出該研究區在晚三疊世中—后期的陸相沉積模式，如圖5所示。

圖5 廣元地區上三疊統中后期沉積模式圖（據夏宗實等[38]，有修改）Fig.5 Sedimentary model of Middle and late-Upper Triassic in Guangyuan area(modified from Xia et al.[38])

受印支構造活動影響，廣元須家河地區自中三疊拉丁時期起逐漸隆升并轉入剝蝕階段，結合前人對川盆西地這段時期構造及地層的研究[39-42]，本文總結出本區晚三疊世的沉積模式（圖5）：晚三疊世卡尼期，四川盆地西部受特提斯海域關閉的影響局部已成為海灣，但此時廣元地區仍處于暴露剝蝕階段，由研究剖面缺失馬鞍塘組地層，雷口坡組殘余地層與須家河組地層形成假整合可以識別；而后在卡尼末期，盆地西部在經歷一次短暫的抬升暴露后快速沉降，使前陸盆地的箕型更加明顯，海灣范圍擴張，結合四川盆地宣漢七里峽剖面、開縣溫泉剖面、達縣鐵山剖面及合川炭壩剖面做出的四川盆地中晚三疊世沉積展布圖可以看出，海水直到諾利期中后期（須一段早期）才影響到廣元地區，使其成為障壁型河口海灣環境，發育潟湖—沼澤。諾利期末期（須一段中晚期），受華北古陸的擠壓和秦嶺造山帶的影響，加之研究區氣候炎熱多雨，豐富的雨水與發育自盆地北部山區河流的陸源補給，使得沉積物迅速堆積，使該區發育辮狀河流及三角洲平原，較早的改變了廣元地區的海灣環境，進而逐漸被填充向陸相環境過渡，海水從廣元地區退出，海岸線隨之向盆地西南方向退縮，而此時四川東部及東北部仍是潟湖相[24,43]。進入瑞替期時期（須二段），受龍門山和秦嶺造山帶雙重控制，海水完全退出廣元地區，廣元一帶發育陸相河流沉積（圖6）。

圖6 四川盆地中晚三疊世的沉積展布圖（據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 討論

晚三疊世諾利期是四川盆地海陸轉換的重要過渡期，在須一段沉積時期，川北、川西普遍發育海陸過渡相沉積，對于該時期龍門山前陸盆地早期的形成時間、川北地區物源方向仍存在較多爭議[30-31,37,44-47]。廣元地區位于龍門山前陸盆地、秦嶺造山帶與四川盆地結合的特殊位置，本研究剖面為一套潟湖沼澤—三角洲平原—辮狀河流亞相沉積，為海陸過渡相—陸相沉積體系。該轉換過程或與龍門山及秦嶺造山帶的快速隆升的復合作用有關，其中秦嶺造山帶影響應該更明顯。此時龍門山前緣的構造背景是大陸島弧，尚未形成物源區；而秦嶺造山帶在該時期已經成為物源并為研究區提供沉積。不過，證實這一點尚需更進一步地深入研究。

植物群是氣候、生態等自然環境的綜合產物，植物對氣候的冷暖干濕變化反應靈敏，所以植物化石具有良好的氣候環境指示意義，對于揭示陸地生態系統的古生態狀況和古氣候演變等提供不可或缺的證據。古植物研究表明，我國晚三疊世的植物群所反映的氣候類型可分為兩類，即代表近海環境的熱帶—亞熱帶濕熱氣候的“南方型”植物組合，以及代表內陸性亞熱帶—溫帶較濕潤氣候的“北方型”植物組合[48-49]。前者以華南晚三疊世的網葉蕨—格子蕨（Dictyophyllum-Clathropteris）植物組合為代表，后者則以北方晚三疊世的擬丹尼蕨—貝爾瑙蕨（Denaeopsis-Bernoullia）植物組合為代表。本次所發現的植物化石中以真蕨綱和蘇鐵綱占主導，通過對古生物化石組合的分析，可以反映該地區晚三疊早期的古植被和古氣候面貌，其組合類型代表近海的熱帶—亞熱帶濕熱氣候的“南方型”植物群落，氣候類型應為溫暖濕潤的熱帶、亞熱帶潮濕氣候環境。

在廣元須家河須一段剖面的底部植物化石在第3層產出（圖7），主要化石類型包括：新蘆木屬Neocalamitessp.，枝脈蕨屬Cladophlebissp.，網葉蕨屬Dictyophyllum nathorstiZeiller，格子蕨屬Clathropterissp.，Scoresbyasp.，異脈蕨屬Phlebopterissp.，鱗羊齒Lepidopterissp.，側羽葉屬Pterophyllumsp.，P.sinenseLi，異羽葉屬Anomozamitessp.，中華篦羽葉Sinoctenissp.等，分別代表楔葉綱、真蕨綱、種子蕨綱和本內蘇鐵綱等類型。楔葉綱的新蘆木屬生長于沼澤或河漫灘、河間地帶等環境。中生代時期，由于真蕨綱對生長環境嚴格的限制性，因而是氣候和生態的良好指示植物[49-50]。其中，雙扇蕨科化石以網葉蕨和格子蕨屬為代表，其現生代表雙扇蕨屬（Dipteris）主要分布于熱帶和亞熱帶地區，代表溫暖濕潤的氣候環境[50-51]，馬通科化石以異脈蕨（Phlebopteris）為代表，也是熱帶—亞熱帶溫暖濕潤氣候生態環境的指示分子[50]。種子蕨是已經滅絕的一類植物，其化石類型多生長于三角洲環境中，且為沖積平原與泥炭沼澤過渡區，指示了溫暖且相當濕潤的環境。蘇鐵綱的演化在中生代處于鼎盛階段[49]，本次發現的蘇鐵類植物主要是本內蘇鐵目，其生境廣闊，在熱帶、亞熱帶和溫帶都有廣泛分布[49]。由此我們可以看出，剖面所產植物化石，主要為南方型的化石組合，以真蕨綱和蘇鐵綱占主導，這種植物化石組合代表的氣候特征以濕熱為主，所以該時期的氣候類型應為溫暖濕潤的熱帶和亞熱帶氣候。從剖面沉積特征來看，這種濕潤氣候在須一段時期連續存在，為進一步探究晚三疊時期氣候和生態環境變化提供了重要的依據。

圖7 四川廣元上三疊統須家河組與雷口坡組剖面界線及部分植物化石（a）中—上三疊統界線（T2l中三疊統雷口坡組，T3x.上三疊統須家河組）；（b）植物化石產出位置；（c）（d）須一段底產出的植物化石（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，前人在廣元地區的須家河剖面還發現有較多的雙殼類化石，主要有Yunnanophorus boulei,Myophorioois nuculiformis,Heminajas forulota,Modilus frugi等[52]。這些動物化石代表了半咸水環境，表明該時期水環境鹽度較大，代表濱海環境，可能為瀉湖環境或者海漫湖[52]。

根據上述沉積相、沉積環境特征，并結合古植物和古動物化石的古生態環境分析，作出晚三疊世早期階段川北地區的生境重建示意圖（圖8）。

圖8 須一段沉積時期廣元地區的潟湖—沼澤生境重建示意圖Fig.8 Lagoon-marsh habitat reconstruction of deposition at T3x1,Guangyuan

5 結論

（1）通過對川北廣元須一段地層實測及剖面詳細的劃分和研究，研究區在晚三疊世諾利期末這一時期主要為海陸過渡相—陸相沉積，經歷了潟湖—沼澤→三角洲平原→辮狀河流的轉換過程。

（2）廣元須一段沉積環境及演化的重建表明，諾利期中后時期，始自卡尼期的盆地西部海侵影響到廣元地區，使其由剝蝕階段轉換為海陸過渡階段，隨后，來自盆地北部的物源快速沉積，加之其前陸盆地西部邊緣造山帶影響，加快推進本區由海陸過渡相向陸相轉換；進入瑞替期，海水完全從廣元地區退出，進入陸相河流沉積階段。

（3）研究區須一段地層的植物化石及沉積旋回分析顯示，廣元地區晚三疊世須一段主要為濱海相亞熱帶濕潤型氣候，這種濕潤的濱海氣候在區內延續至諾利期末。

致謝 感謝兩位審稿人對本文修改過程中提出的建設性意見和建議，感謝編輯部馬素萍老師為本文所付出的辛苦工作。