夏國清 伊海生 黃華谷 武向峰 惠 博

(1.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院,成都 610059;

2.中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州510640)

印支造山運(yùn)動(dòng)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(gòu)造域的一個(gè)重要組成部分,這一地區(qū)是中國境內(nèi)中-新生代海相地層分布最廣的地區(qū),尤其是高原北部的唐古拉山北坡雁石坪地區(qū),是中國目前所知侏羅紀(jì)海相地層發(fā)育最好的地區(qū)。其中以雁石坪群為代表的濱淺海相環(huán)境的沉積,由于它們對海平面的波動(dòng)最敏感,是研究侏羅系最理想場所。但迄今為止,對該地區(qū)侏羅系的研究工作主要限于較大的2級(jí)或3級(jí)層序的研究,對于更低級(jí)別的高分辨率層序(如4級(jí)至6級(jí))研究卻很少見。精細(xì)的沉積旋回研究是分析盆地沉積歷史、氣候變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)[1]。因此,筆者以野外詳細(xì)觀察記錄的米級(jí)旋回為基礎(chǔ),通過對米級(jí)旋回層序的成因類型、疊置規(guī)律以及它的成因機(jī)制的研究,探討盆地內(nèi)夏里組沉積層序堆積樣式和空間結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

1 地質(zhì)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(jié)晶基底和古生界褶皺基底之上發(fā)育起來的以中生界海相沉積為主的殘留盆地[3]。根據(jù)青海省地質(zhì)礦產(chǎn)局巖石地層清理資料[4],侏羅系從老到新依次為雀莫錯(cuò)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(jù)雙殼類和腕足類化石,將其時(shí)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(diǎn)——雁石坪鎮(zhèn)露頭最好的地層單元,以發(fā)育大量的米級(jí)至十米級(jí)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(chǎn)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(diào)是紫紅色和灰綠色,且兩者常呈韻律互層產(chǎn)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(cuò)層理,沉積特征指示濱岸潮坪環(huán)境。根據(jù)陳蘭[7]對該地區(qū)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(xiàng)目經(jīng)理部(1996)對該組碎屑巖的粒度分析結(jié)果,該套地層所含的雙殼化石組合和粒度特點(diǎn)也符合潮坪沉積特點(diǎn)。

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

眾所周知,潮坪沉積環(huán)境的沉積作用變化頻繁,所形成的米級(jí)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(bǔ)償(keep up)型旋回,孕含著豐富的構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)剖面夏里組,剖面起點(diǎn)坐標(biāo) N33°35′48″,E92°03′54″,終點(diǎn)坐標(biāo) N33°34′29.2″,E92°04′29.6″,野外分139層。野外工作以厘米級(jí)到米級(jí)尺度對剖面上肉眼能見度范圍內(nèi)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(tài)等資料進(jìn)行了收集,重點(diǎn)觀察了旋回層的頂?shù)捉缑妗B置樣式和內(nèi)部發(fā)育的各種沉積構(gòu)造。

2 米級(jí)旋回類型及剖面疊置

在露頭上能直接識(shí)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(jí)旋回”。一般認(rèn)為,它是異成因機(jī)制控制下的間斷-加積作用過程的產(chǎn)物[11,12]。作為沉積節(jié)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(zhǔn)面旋回和超短基準(zhǔn)面旋回”和Vail等[16]所定義的“準(zhǔn)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(jié)構(gòu)單元,在不同的沉積動(dòng)力機(jī)制作用下以及不同的物質(zhì)來源情況下,所形成的米級(jí)旋回的巖性、巖相和沉積標(biāo)志以及垂向序列等都具有不同特性,因而識(shí)別和鑒定這些不同時(shí)空位置的米級(jí)旋回類型就成為研究旋回層序地層的一項(xiàng)基本工作。那么,野外米級(jí)旋回層序的識(shí)別特征和劃分依據(jù)主要是什么呢?一般而言,米級(jí)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?shù)捉缑姹憩F(xiàn)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(jí)旋回內(nèi)部通?？蓜澐殖缮稀⑾聝蓚€(gè)單元,下部單元水體環(huán)境較深,為海平面迅速上升階段的產(chǎn)物。而上部單元屬于穩(wěn)定沉積環(huán)境的產(chǎn)物,水體環(huán)境較下部變淺。一個(gè)完整的米級(jí)旋回層序代表一個(gè)完整的海平面變化旋回。

按照以上識(shí)別特征和劃分依據(jù)對夏里組米級(jí)旋回進(jìn)行了詳細(xì)觀察和統(tǒng)計(jì),將該剖面夏里組劃分成兩個(gè)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(gè)巖相單元,它們是：(a)潮下高能石英細(xì)砂巖,呈青灰色、灰白色,發(fā)育交錯(cuò)層理、斜層理,成分成熟度及結(jié)構(gòu)成熟度均較高,屬潮下高能動(dòng)蕩淺水環(huán)境下的產(chǎn)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(xì)砂巖,一般呈灰綠色、黃灰色,發(fā)育小型交錯(cuò)層理、脈狀層理、沙紋層理,廣泛分布于剖面中,以米級(jí)厚度常見。(c)潮下坪泥巖,多呈灰綠色,單層厚度在數(shù)厘米至數(shù)十厘米間,發(fā)育透鏡狀潮汐層理和水平層理,在剖面的中部和上部發(fā)育。(d)潮間-潮上坪砂巖,也分粉砂巖和細(xì)砂巖,泥質(zhì)含量較巖相單元b稍高,但兩者的沉積構(gòu)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(fā)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(jí),為潮上淺水靜水環(huán)境產(chǎn)物,廣泛發(fā)育于剖面中部。(f)潮上坪膏鹽巖,僅出現(xiàn)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(huán)境產(chǎn)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(shí)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(xì)、沉積環(huán)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(qū)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(jí)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(jí)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(gè)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(jí),見水平層理,代表一種潮下靜水還原環(huán)境;中部為紫紅色砂巖,泥質(zhì)含量較高,發(fā)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?guī)r,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(fā)育小型交錯(cuò)層理和沙紋層理;旋回頂部為介殼灰?guī)r層,呈黃灰色、灰色,單層厚度1～5 cm不等,側(cè)向延伸不穩(wěn)定,介殼一般有磨蝕破碎,常具定向排列,介殼間被泥晶基質(zhì)充填,為異地搬運(yùn)和篩選而形成的介殼灘沉積。一般認(rèn)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(huán)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(shí)期,由于海岸線向海退縮,陸源沉積隨之減少,沉積水體變?yōu)榍逅h(huán)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(gè)米級(jí)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(gè)地層中最大旋回厚度出現(xiàn)于剖面頂部第80個(gè)旋回中,厚度為32.50 m;最小旋回厚度出現(xiàn)于剖面中上部第73個(gè)旋回中,厚度為0.53 m。多數(shù)旋回厚度集中在1～5 m范圍內(nèi),超過10 m的旋回在整個(gè)米級(jí)旋回中的比例很小。

圖4 雁石坪地區(qū)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(jí)旋回層序成因機(jī)制探討

旋回著重強(qiáng)調(diào)地層堆積作用是受異成因機(jī)制控制的周期性時(shí)間過程,而層序是指相應(yīng)旋回的產(chǎn)物。對于地層堆積作用過程,Anderson和Goodwin提出相對于傳統(tǒng)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(rèn)為大多數(shù)陸表海環(huán)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(zhì)上瞬間的相對海平面上升形成的間斷時(shí)間(瞬間淹沒)所產(chǎn)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(jī)制響應(yīng),其實(shí)質(zhì)則是強(qiáng)調(diào)地球軌道效應(yīng)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(fā)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(qū)中侏羅統(tǒng)夏里組而言,是否同樣存在如此地層堆積響應(yīng)呢?由于夏里組目前還缺乏準(zhǔn)確的地層時(shí)間域的測年數(shù)據(jù),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(zhì)歷史時(shí)期具有相對的穩(wěn)定性,各周期間的比率關(guān)系在一定的地質(zhì)歷史時(shí)期是穩(wěn)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(guān)系,就可以認(rèn)為研究層段的各旋回對應(yīng)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(jí)旋回是困難的。為了解決這個(gè)問題,可以引進(jìn)頻譜分析技術(shù)對該剖面米級(jí)旋回進(jìn)行相應(yīng)研究。頻譜分析技術(shù)是研究周期性現(xiàn)象中最為常用的一種統(tǒng)計(jì)分析方法,主要通過對一系列復(fù)合波系進(jìn)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(fù)合波中的主要頻率[20]。運(yùn)用在旋回地層學(xué)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(shù)學(xué)變換,分解成各自獨(dú)立的周期旋回,以頻率的形式記錄成頻譜曲線。分析結(jié)果見圖5。圖5-A為頻率域中功率圖,橫坐標(biāo)代表頻率(旋回?cái)?shù)/m),縱坐標(biāo)代表相對功率,也就是相對能量,圖中能量高點(diǎn)表示該頻率的沉積旋回在地層中的重要性。將橫坐標(biāo)取倒數(shù),轉(zhuǎn)化為相應(yīng)波長,縱坐標(biāo)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(shí)際上就是米級(jí)旋回主要組合周期。從圖上可以看出,雁石坪夏里組米級(jí)旋回厚度對應(yīng)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(gè)頻率值的可信度大于95%,顯示其在地層中的重要性。轉(zhuǎn)化為相應(yīng)波長為21.25,6.54,3.04,2.83,2.07。由于米級(jí)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(qū)夏里組米級(jí)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(jù)Berger[21]計(jì)算的地質(zhì)歷史時(shí)期米蘭科維奇旋回周期的變化,求得侏羅紀(jì)時(shí)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(jì)算的夏里組中主要的旋回厚度近似比率(表2),可發(fā)現(xiàn)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(yīng)關(guān)系。但是,經(jīng)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(lián)合控制。由此可以認(rèn)為,米蘭科維奇旋回是影響本區(qū)夏里組沉積旋回發(fā)育的主要因素,也就是說地球軌道效應(yīng)造成的高頻海平面變化是主導(dǎo)該套地層沉積中高頻沉積旋回發(fā)生、疊置的主要因素。

表2 侏羅紀(jì)米蘭科維奇旋回周期比率與夏里組主要波峰比率關(guān)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(jié)論

a.在厚度約645 m的藏北雁石坪地區(qū)夏里組中識(shí)別出85個(gè)米級(jí)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(xì)、沉積環(huán)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(qū)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(gè)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(yīng)關(guān)系。因此,可以認(rèn)為夏里組中廣泛地保存著米蘭科維奇旋回,它是控制本區(qū)夏里組沉積旋回發(fā)育的主要因素。

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