薛武強 李 波 顏佳新 申歡歡

(1.中國地質大學生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室 武漢 430074;2.中國地質大學地球科學學院 武漢 430074;3.中國地質大學經(jīng)濟管理學院 武漢 430074;4.中國地震局地質研究所 北京 100081)

風暴巖是一種常見的沉積地質記錄，承載著許多地質歷史時期的重要信息。因此，自20世紀70年代Kelling和 Mullin［1］提出“tempestite”一詞以來，風暴巖的研究得以迅速發(fā)展，并涌現(xiàn)出大量研究成果，主要涉及風暴巖的定義［2］、沉積特征與沉積構造［3～16］、沉積序列［17～24］、沉積模式［21，25～30］及研究意義［17～19，31～36］等方面。這些研究成果極大地深化了對風暴沉積的認識，為古環(huán)境分析、古氣候與古地理環(huán)境重建、地層對比提供了重要的依據(jù)。華南地區(qū)二疊紀位于低緯度地區(qū)，在該區(qū)淺水海相地層中也有相應的風暴沉積報道［15，37］。本次研究發(fā)現(xiàn)，在貴州南部羅甸沫陽地區(qū)中二疊世地層內發(fā)育一套以生物介殼灰?guī)r為主的風暴沉積，以往并沒有給予重視和深入研究。而且與本區(qū)寒武紀、三疊紀碳酸鹽風暴巖和已經(jīng)報道的二疊紀碳酸鹽巖風暴巖特征相比，沫陽地區(qū)二疊紀的風暴巖礫屑較少，生物介殼破碎嚴重，粒序性不明顯。通過對其沉積特征、沉積類型及沉積序列進行詳細研究，結果表明，風暴巖沉積序列的保存特征與其沉積環(huán)境背景密切相關，可為深入認識揚子碳酸鹽臺地南部邊緣沉積演化提供參考依據(jù)。

1 地質背景

黔南地區(qū)在構造古地理上位于揚子板塊西南部滇黔桂盆地。二疊紀期間大部分地區(qū)位于陸架坡折以上的陸棚區(qū)，以碳酸鹽臺地沉積環(huán)境為主［38］。該區(qū)在二疊紀明顯存在著一條大致沿興義—冊亨—紫云—羅甸北—河池一線延伸的條帶狀生物礁分布帶［38～42］，構成陸架碳酸鹽臺地的邊緣。該帶北側是廣布的淺水碳酸鹽臺地，南側依次是碳酸鹽臺地前斜坡帶、深水盆地區(qū)［39～42］(圖1)。研究區(qū)位于貴州南部羅甸縣沫陽鎮(zhèn)與老沫陽之間的柏油公路旁，距沫陽鎮(zhèn)約1 km處。二疊系地層沿沫陽河兩岸出露，露頭清晰連續(xù)。二疊紀期間，該區(qū)整體屬于揚子碳酸鹽臺地南緣斜坡帶，經(jīng)歷了斜坡—陸棚—碳酸鹽臺地前斜坡—碳酸鹽臺地邊緣的相序演化［43～48］。沫陽剖面正好處于碳酸鹽臺地與盆地之間的過渡地帶［37］，而此帶中的臺前斜坡和陸棚環(huán)境正是風暴沉積保存的理想場所。

圖1 貴州南部中二疊世巖相古地理概圖及剖面位置圖(據(jù)焦大慶等，2003修改)Fig.1 The outline map of paleogeography of Middle Permian in Southern Guizhou and position of stratigraphical section(modified from Jiao，et al.，2003)

沫陽剖面中二疊世棲霞組厚103.5 m。下部由灰黑色中薄層灰泥巖和薄層硅質巖組成，以薄層硅質巖為主，硅質巖層面平整，水平紋層發(fā)育，生屑含量少，為海綿骨針和放射蟲。這些特征表明此段沉積環(huán)境是深水盆地。上部灰?guī)r增多，為灰黑色中—厚層灰泥巖—粒泥巖，夾薄層硅質巖，生屑為有孔蟲、介形蟲、海百合莖和薄殼雙殼類，頂部發(fā)育重力流沉積［49］。本段沉積環(huán)境應為斜坡環(huán)境。由此可見，棲霞組的沉積環(huán)境為一向上變淺層序。

茅口組厚410 m，自下而上可以分為四段:第一段(H20—H60)厚232.9 m，為灰黑色中薄—中厚層灰泥巖—粒泥巖，夾有薄層硅質巖、硅質條帶或硅質結核，中部與薄層硅質巖互層。生物碎屑豐富，含量以5%～30%為主，最高達45%，主要為鈣藻、鈣球、棘皮、有孔蟲、、介形蟲、苔蘚蟲、海綿骨針，還有少量的腕足碎片、腹足、雙殼類、三葉蟲等。本段沉積環(huán)境為陸棚上部。第二段(H61—H78)厚99.6 m，為深灰色—黑色中厚層灰泥巖與薄層硅質巖互層或夾薄層硅質巖、硅質條帶或硅質結核。本段薄層硅質巖發(fā)育。下部生物碎屑含量高，以10%～20%為主，上部含量低，＜5%，主要為有孔蟲、介形蟲、海綿骨針，還有少量棘皮、鈣球、腕足碎片等。本段沉積環(huán)境為陸棚下部。第三段(H79)厚8 m，為灰黑色厚層塊狀灰泥巖—泥粒巖。生物碎屑豐富，由底部向頂部增多，含量達30%。下部主要為鈣球、有孔蟲、、介形蟲、海綿骨針、棘皮、苔蘚蟲、腕足碎片等，上部主要以藻類為主，底部含有礁角礫。本段沉積環(huán)境為礁前斜坡;第四段(H80—H84)厚69.5 m，主要由礁灰?guī)r、含藻類的顆粒巖、泥粒巖等組成。造礁生物主要為海綿，與其共生的棘皮類、腕足類。其它生屑灰?guī)r中的生屑主要為管殼藻、非有孔蟲、棘皮類、腕足類、紅藻、綠藻、介形蟲等。本段沉積環(huán)境為臺地邊緣礁。

沫陽剖面中二疊世自下而上沉積環(huán)境經(jīng)歷了深水盆地—斜坡—陸棚上部—陸棚下部—礁前斜坡—臺地邊緣礁的變化，為一向上變淺層序。其中茅口組整體以陸棚沉積為主，風暴巖主要出露于茅口組第一段，具體發(fā)育在 30、31、37、39 等層(圖2)。

2 風暴巖沉積特征

由風暴引起的風暴流是一種高能量的流體，其作用于海底會重新改造海底的沉積物，從而形成一些特殊的沉積構造。本區(qū)的風暴沉積構造比較豐富，主要有渠鑄型構造、截切構造、波痕層理、遞變層理、塊狀層理等。

2.1 底面侵蝕構造

底面侵蝕構造是由強勁的風暴流及其觸發(fā)的重力流對海底沉積物進行掏蝕、沖刷而形成的各種侵蝕充填構造，是識別風暴流沉積最特征和最重要的標志之一［50］，可揭示風暴作用的強度。研究區(qū)風暴巖的侵蝕構造主要包括沖刷面、渠鑄型構造、袋狀構造及截切構造。侵蝕面上覆地層與下伏巖石在顆粒粒度、巖性、生物特征等方面截然不同，呈現(xiàn)出突變接觸現(xiàn)象(圖3A，B，C，D，E)。沖刷面清晰可見，呈近平直或波狀形態(tài)，一般波狀起伏幅度不大，最大幅度為1.6 cm。其中在30層中可見上覆地層切割下伏硅質結核，形成截切構造(圖3E)，并可見一袋狀構造(圖3E)。沖刷渠是風暴渦流或風暴流在介殼層底部形成的具較陡壁的溝渠，通常在上覆巖層底面形成渠鑄型構造(圖3A)。

2.2 放射狀組構

放射狀組構是風暴渦流形成的特有的沉積物構造，表現(xiàn)為竹葉狀礫屑呈菊花狀、倒小字型排列。在研究區(qū)主要表現(xiàn)為介殼或生物碎屑呈直立狀(圖3A)、放射狀(圖3B，圓圈處)或倒小字狀排列(圖3E)，這些構造反映了水流具有旋轉和向上推舉力的特點。

2.3 粒序層理和塊狀層理

粒序層理是風暴作用衰減時，密度流開始分異，懸浮顆粒按重力與剪切力的大小不同而形成正粒序或逆粒序。另外，風暴也可觸發(fā)海底沉積物形成密度流，當密度流流速減小時，密度流中的顆粒迅速下沉，產(chǎn)生粗尾的遞變層理。塊狀層理是風暴衰減期，細粒懸浮物快速堆積而形成的。粒序層主要發(fā)育沫陽剖面的37層，塊狀層理主要發(fā)育在30、31層。

2.4 波痕層理

波痕是波浪活動最常見的鑒別標志，也是區(qū)分風暴巖與濁積巖的重要標志［36，51，52］。在風暴作用衰減的最后階段，當風暴流的能量與波浪的能量相當時，會形成波痕層理。研究區(qū)的波痕紋層位于風暴巖的頂部，規(guī)模小且不規(guī)則，波狀層系厚度變化較大，為1.3～4 cm，波長為 6.6 cm 左右，波高為0.22～0.45 cm(圖3A)。

3 風暴沉積序列及沉積環(huán)境

風暴沉積序列是在一次風暴事件引發(fā)的風暴沉積作用過程中，由于各階段的水動力條件不同而塑造的不同沉積單元的規(guī)律組合［17］。它能較好的反映風暴強度、持續(xù)時間、作用過程與水深。本區(qū)的風暴沉積序列主要由侵蝕底面A和B、C、D、E等四種沉積單元構成:A.侵蝕底面，代表風暴流及其觸發(fā)的重力流對海底沉積物的作用;B.介殼灰?guī)r層，代表風暴浪、風暴渦流沉積;C.粒序層，代表風暴衰減期重力分異沉積或風暴濁流沉積;D.塊狀層，代表風暴快速懸浮沉積;E.波痕層理段，代表風暴衰減后期沉積。它們在地層剖面中組合成以下4種沉積序列(圖4)。

(1)序列1 由侵蝕底面、介殼灰?guī)r層和波痕層理段組成，包括侵蝕底面A和B、E等兩個沉積單元，分布在30、31 層，厚度7.4～13 cm，其中介殼層厚6.5～9.3 cm。該序列具體有以下主要特征:①在露頭上厚度較穩(wěn)定，只是在兩側逐漸尖滅，整體上呈透鏡狀;②底部為不規(guī)則的波狀侵蝕面，可見渠筑型構造、袋狀構造，特別見一下伏硅質結核截切構造(圖3E)。頂面不規(guī)則，具有明顯波浪作用的痕跡;③介殼灰?guī)r中可見介殼或生物碎屑呈高角度傾斜狀、直立狀、放射狀或倒小字狀排列;④介殼灰?guī)r中殼體無定向性，凸面向上、向下、傾斜、直立的均有，但凸面向上的所占比重最大，其次為凸面向下者;⑤介殼灰?guī)r底部有不規(guī)則的內碎屑，鏡下鑒定為灰泥巖(圖5C)，與下伏巖石相似，推測其為風暴撕裂、破碎后的再沉積物;⑥生物主要為雙殼類、類、藻類，可見少量腕足類、腹足類和海百合，無深水生物。生物碎屑破碎嚴重，雙殼類幾乎無鉸合構造，整個薄片只見兩個鉸合構造(圖5E);⑦波痕層理段覆于介殼灰?guī)r上，頂面呈波形與上覆巖層(背景沉積)過渡。該序列代表風暴渦流和風暴浪作用形成的沉積序列。

風暴沉積序列1由侵蝕底面、介殼層和波痕層理段組成，缺失了一個完整風暴沉積序列的其它沉積單元，但其典型的底面侵蝕構造、截切構造、放射狀構造、袋狀構造，以及介殼層的沉積特征，均反映了當時水體能量高，風暴渦流和風暴浪的作用均很強，使底部沉積物被掀起、沖刷與掏洗，細粒物質被帶走，生物介殼被富集。推測其沉積環(huán)境應為風暴浪基面與正常浪基面之間，靠近正常浪基面一側的沉積環(huán)境。

(2)序列2 由侵蝕底面、介殼灰?guī)r層、塊狀層和波痕層理段組成，包括侵蝕底面A和B、D、E等3個沉積單元，分布在30、31層，厚度為30 cm左右，其中介殼灰?guī)r層厚為7～9 cm。該序列具體有以下主要特征:①介殼灰?guī)r在露頭上厚度不穩(wěn)定，且向兩側變薄;②底部為不規(guī)則的波狀侵蝕面，波長8～15 cm，波高0.5～1 cm，底部見生物碎屑呈放射狀排列;③介殼層中可見介殼呈高角度傾斜狀、殼體凸面向上者居多，且殼體破碎較嚴重，雙殼類部分可見鉸合構造(圖5B);④介殼層中有極不規(guī)則的內碎屑，棱角十分明顯，有的可見撕裂狀，大小比較懸殊，底部可見一個0.8 cm×7 cm內碎屑(圖3C)，近平行底面沉積，推測應為風暴撕裂、破碎后的再沉積物;⑤生物主要為雙殼類、類和藻類為主，可見少量腕足類、腹足類和海百合，無深水生物;⑥介殼層與下伏巖體呈突變接觸(圖5A)，與上覆塊狀層呈自然過渡，逐漸消失在上覆巖體(圖5F);⑦塊狀層單元上覆波痕層理段，波長約10 cm，波高0.2～0.5 cm。該序列代表風暴渦流、風暴衰減后的快速沉積和風暴衰減后期余浪形成的沉積序列。

風暴沉積序列2相對保存較好。介殼層下部有被風暴撕裂、破碎后的礫級再沉積物，反映當時風暴作用很強。介殼層中具粒序性(圖5D)，與塊狀層一起應為風暴高峰期過后的快速堆積物。推測其沉積環(huán)境應為風暴浪基面與正常浪基面之間，但深度比序列1深些。

(3)序列3 由侵蝕底面A和介殼灰?guī)r層B組成，分布在31、39層，厚度一般為幾個厘米。本序列可進一步分為2個亞序列。序列3-1分布在39層，厚度1 cm左右。雖然厚度薄，但向兩側延伸比較長且較穩(wěn)定。底部有微波狀沖刷面。介殼主要為雙殼和腕足，殼體具定向性，平行底面，凸面向上向下的均有，殼體破碎程度中等，粒序性不強。序列3-2分布在31、39層，厚度4.5～4.6 cm。介殼灰?guī)r中殼體少，保存較完好，可見較完整的介殼，殼體基本具定向性，絕大多數(shù)平行底面，凸面向上向下的均有，個別具有小角度傾斜狀。底部具波狀沖刷面。該序列代表風暴衰減后的弱懸浮沉積序列。

風暴沉積序列3根據(jù)介殼灰?guī)r中介殼含量的多少，分為兩種亞序列。該序列厚度均很薄，均具有底部侵蝕構造，殼體具有定向性，弱粒序性，具有風暴懸浮沉積的特征，推測其沉積環(huán)境應位于靠近風暴浪基面附近的沉積環(huán)境。序列3-1應比3-2的水深更淺些。

(4)序列4 由侵蝕底面A和粒序層段C組成，主要分布在37層，厚度一般為幾個厘米，露頭上可見3.5～6.7 cm。本序列風暴巖的厚度不均，在空間的展布上同一層厚度略有變化，但總體來說比較穩(wěn)定，且向兩側延伸也長。風暴巖下伏沖刷面，多為微波狀或近直線形，表現(xiàn)為巖性的突變接觸，這表明當時水體能量較弱，對底部的沉積物侵蝕作用較小。生物碎屑破碎，不見成形的介殼，但呈明顯的正粒序。該序列代表風暴濁流形成的沉積序列。其應為風暴引起的濁流沉積，反映其沉積環(huán)境應位于風暴浪基面以下的陸棚沉積環(huán)境。

圖6 貴州羅甸沫陽剖面中二疊世茅口組風暴巖沉積序列的分布Fig.6 The distribution of tempestite succession of Maokou Formation of the Middle Permian in Moyang Section of Luodian，Guizhou

總之，沫陽剖面茅口組中的風暴沉積序列均不完整，共識別出4種，分別代表不同深度的風暴沉積(圖6)，反映了不同的風暴沉積作用和風暴流的類型。其中序列1、序列2和序列3均發(fā)育于正常浪基面之下，風暴浪基面之上的內陸棚沉積環(huán)境，風暴強度大，為近源風暴巖，這也與Miller等［53］認為的風暴介殼巖最易保存的部位相符合。序列4發(fā)育于風暴浪基面之下的外陸棚沉積環(huán)境，為遠源風暴巖。

與它區(qū)風暴沉積相比，本區(qū)近源風暴巖沉積序列中缺乏丘狀交錯層理，說明當時的沉積環(huán)境不利于丘狀交錯層理的發(fā)育或保存。影響因素可能是多方面的，不僅與風暴浪強度、作用時間等密切相關，而且可能與沉積物的粒度大小、海底地形的坡度也相關。從綜合分析來看，本區(qū)丘狀交錯層理應該是保存問題，而不是發(fā)育問題，主要與風暴浪形成的水動力條件密切相關，應是在風暴衰退期受到風暴作用的改造而遭到破壞;二是風暴沉積序列中，介殼灰?guī)r層發(fā)育，但破碎嚴重，殼體全部為生物碎屑，無完整介殼，明顯沒有黔北志留紀早期枝線貝類介殼層［54］中的介殼保存完整。但與四川龍門山區(qū)泥盆統(tǒng)正常浪基面之下，風暴浪基面附近向海一側形成的介殼層［55］、三峽地區(qū)志留紀紗帽組中形成于正常浪基面—平均風暴波基面之間的砂質風暴巖(含介殼層單元)和形成于風暴浪基面向陸一側的灰質風暴巖(含介殼層單元)［51］等特征相似，這從另一個側面佐證了本區(qū)近源風暴巖的沉積環(huán)境。

4 結論及地質意義

風暴沉積是地質歷史時期一種重要的事件沉積，其所形成的風暴巖可為古環(huán)境分析、古氣候與古地理環(huán)境重建、地層對比提供重要的證據(jù)。

(1)在沫陽二疊紀茅口組剖面上，共識別出四種不同的風暴沉積序列，每種序列的底部侵蝕面A不盡相同，而且在同一層中同時存在幾種不同的風暴沉積序列，如30層中同時發(fā)育第1、2沉積序列，31層中同時發(fā)育第1、2和4沉積序列，39層中同時發(fā)育第3、4沉積序列。根據(jù)背景沉積環(huán)境的特征分析，發(fā)育在同一層段中的不同沉積序列應發(fā)育于相似的沉積環(huán)境。造成上述差別的原因，是風暴登陸路徑的不同，還是風暴流強度的不同［56］，仍值得進一步研究解決。

(2)本區(qū)風暴巖的識別與研究可以為揚子地臺南緣二疊紀茅口組的演化提供依據(jù)。揚子地臺南緣二疊紀茅口期頻繁的風暴活動，支持前人的論斷該區(qū)當時處于低緯度熱帶地區(qū)［57～59］。值得注意的是，華南地區(qū)淺水碳酸鹽沉積分布廣泛，但是風暴沉積的報道相對較少。從本剖面研究結果看，有可能是保存問題。比較臺地內部一些陸棚環(huán)境，本區(qū)臺地邊緣外側的淺海陸棚背景，可能也是風暴沉積頻發(fā)的地區(qū)。這些都值得今后研究注意。

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