韋恒葉， 遇 昊， 郭 兵， 汪建國(guó)

(1.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013;2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029;3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西 延安 716000)

中國(guó)南方揚(yáng)子地區(qū)在中二疊世棲霞至茅口早期發(fā)育發(fā)育碳酸鹽緩坡(牟傳龍等，1997;秦建雄等，1998;陳洪德等，1999;徐強(qiáng)等，2004)。碳酸鹽巖緩坡地層的旋回性較為明顯，特別是湖南省桑植地區(qū)，棲霞組發(fā)育多個(gè)向上變淺的米級(jí)旋回，地層旋回性規(guī)律明顯。如此規(guī)律的疊加樣式一般受絕對(duì)海平面變化、沉降速率以及沉積產(chǎn)物的控制(Hardie et al.，1986;Crevello et al.，1989)。冰川和構(gòu)造的旋回會(huì)引起相對(duì)海平面的變化，而相對(duì)海平面的變化是形成沉積旋回疊加樣式的主要因素(Goldhammer et al.，1990)。沉積地層的疊加樣式反映相對(duì)海平面的變化(Wilgus et al.，1988)。在棲霞期，中上揚(yáng)子地區(qū)(包括研究區(qū))構(gòu)造穩(wěn)定，沉積物的供應(yīng)較為穩(wěn)定。因而，棲霞組層序地層的構(gòu)成蘊(yùn)含著相對(duì)海平面變化特征(Hesselbo，2008)。本文通過桑植地區(qū)棲霞組碳酸鹽巖旋回地層的分析，以及三級(jí)層序地層劃分結(jié)果(韋恒葉等，2011)，重構(gòu)該區(qū)棲霞期相對(duì)海平面變化特征，并初步分析引起相對(duì)海平面變化的原因。

1 地質(zhì)背景

研究的野外露頭剖面位于湖南省西部桑植縣陳家河鎮(zhèn)夾石河305省道公路邊(坐標(biāo)為北緯30°11'40″，東經(jīng) 109°28'22.2″)(圖 1)。剖面地層連續(xù)、受風(fēng)化影響少，地層旋回性明顯(圖2)。在中二疊世棲霞至茅口早期，中上揚(yáng)子地區(qū)(包括桑植地區(qū))位于熱帶-亞熱帶溫濕氣候區(qū)，構(gòu)造穩(wěn)定，陸源碎屑供應(yīng)少，發(fā)育北北東向傾斜的碳酸鹽緩坡臺(tái)地(牟傳龍等，1997;秦建雄等，1998;陳洪德等，1999;徐強(qiáng)等，2004)。碳酸鹽緩坡體系的盆地環(huán)境主要發(fā)育在贛湘桂裂陷盆地和鄂西臺(tái)內(nèi)盆地(馮增昭等，1997;Wang et al.，2000;周小進(jìn)，2009)(圖3)。中二疊統(tǒng)棲霞組以不整合面風(fēng)化殼鋁土巖與下伏上泥盆統(tǒng)黃家蹬組粉細(xì)砂巖相接觸。不整合面之上沉積了2 m厚的煤線陸源碎屑物，也即所謂的梁山段(圖4)。往上，棲霞-茅口組均為碳酸鹽巖。

圖1 剖面地理位置Fig1 Geographical location of the Sangzhi section.

圖2 桑植剖面野外總體面貌，地層旋回性明顯Fig.2 General view of Sangzhi section in the field，showing significant cyclicity

2 巖相及旋回地層特征

棲霞組以及茅口組下部巖性主要為生物碎屑石灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r以及鈣質(zhì)頁(yè)巖(圖4和5)。生物碎屑石灰?guī)r主要包括顆粒質(zhì)灰泥石灰?guī)r以及灰泥質(zhì)顆粒石灰?guī)r，為中層、厚層甚至塊狀，生物碎屑常見介形蟲、有孔蟲、苔蘚蟲、海百合、海星、腕足以及米齊藻、粗枝藻、裸松藻、二疊鈣藻等綠藻類。泥晶灰?guī)r一般呈灰色薄層至厚層狀，生物化石稀少。泥質(zhì)灰?guī)r一般呈薄層狀，深灰色的顏色說明其泥質(zhì)以及有機(jī)質(zhì)含量較高。鈣質(zhì)頁(yè)巖中反映水平層理的紋層狀沉積組構(gòu)較為發(fā)育，一般為灰黑色至黑色，富含有機(jī)質(zhì)以及葉枝藻紅藻。野外觀察發(fā)現(xiàn)地層旋回性明顯。每一個(gè)旋回其巖性向上由鈣質(zhì)頁(yè)巖變?yōu)槟嗑Щ規(guī)r或生物碎屑石灰?guī)r，顏色由深變淺，泥質(zhì)含量逐漸降低，構(gòu)成向上變淺的米級(jí)旋回性(圖4和5)，另一種米級(jí)旋回則是由泥晶灰?guī)r向上變?yōu)樯锼樾蓟規(guī)r(圖4)。這兩種米級(jí)旋回在地層中重復(fù)出現(xiàn)，構(gòu)成了該區(qū)地層的韻律性。除了桑植地區(qū)，在中上揚(yáng)子區(qū)的其它地區(qū)棲霞組均廣泛發(fā)育地層的韻律旋回(顏佳新等，1994;Wei et al.，2012)。野外研究層段總共可以識(shí)別出18個(gè)米級(jí)旋回，每個(gè)天旋回厚約2～15 m;而每5～8個(gè)米級(jí)旋回又組成一個(gè)大的旋回組(圖4)，每個(gè)旋回組厚約33～50 m。這三個(gè)旋回組在野外地形上表現(xiàn)為波浪起伏的特征(圖2)。這種結(jié)構(gòu)的地層旋回性一般受地球軌道力驅(qū)動(dòng)的海平面起伏變化的控制 (Goodwin et al.，1985;Read et al.，1986;Goldhammer et al.，1987，1990;Masetti et al.，1991;Chen et al.，2003)。這三個(gè)旋回組分別對(duì)應(yīng)三個(gè)三級(jí)沉積層序S1、S2和S3。S2和S3層序主要由海侵體系域和高位體系域組成，其低位體系域不發(fā)育，未見水上暴露沉積標(biāo)志，也即I型層序邊界不發(fā)育，層序邊界類型為II型。S1層序的底部發(fā)育不整合面風(fēng)化殼鋁土巖，為I型層序邊界。

3 相對(duì)海平面變化及其控制因素

海侵體系域以及高位體系域記錄著相對(duì)海平面的上升和下降，通過旋回地層的分析，結(jié)合沉積相帶的變化以及巖相古水深分析(韋恒葉等，2011)，可以重構(gòu)相對(duì)海平面變化曲線，如圖4所示。研究區(qū)目的層段由3個(gè)三級(jí)海平面變化旋回組成，每個(gè)三級(jí)海平面變化旋回上又包含有若干個(gè)四級(jí)海平面波動(dòng)。以Jin et al.(1999)對(duì)中國(guó)二疊紀(jì)年代地層的劃分與對(duì)比為基礎(chǔ)，將桑植地區(qū)棲霞期相對(duì)海平面變化與二疊紀(jì)全球絕對(duì)海平面變化曲線(Ross et al.，1995)對(duì)比(圖 6)。Ross(1995)的曲線中，在早、中二疊世由若干個(gè)三級(jí)海平面變化旋回組成，總體表現(xiàn)為長(zhǎng)期(二級(jí))下降的趨勢(shì)，其中，在棲霞至茅口組下部沉積時(shí)期則包含有3個(gè)三級(jí)海平面變化旋回。該3個(gè)三級(jí)海平面變化旋回與桑植地區(qū)對(duì)應(yīng)層段的三級(jí)海平面變化旋回具有良好的可比性(圖6)。均表現(xiàn)為前兩個(gè)三級(jí)海平面變化旋回時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，后一個(gè)旋回較短;每一個(gè)三級(jí)海平面變化旋回由快速的海平面上升以及緩慢的海平面下降半旋回組成;三級(jí)海平面變化旋回上包含有次一級(jí)的海平面波動(dòng)。不同的是，Ross(1995)的曲線中，棲霞至茅口早期海平面最高點(diǎn)出現(xiàn)在第一個(gè)三級(jí)海平面變化旋回，也即棲霞早期，而桑植地區(qū)的海平面最高點(diǎn)出現(xiàn)在棲霞末期至茅口早期;Ross的三個(gè)三級(jí)旋回的海平面下降幅度基本上差不多，而桑植地區(qū)的第一個(gè)三級(jí)海平面變化旋回中的海平面下降幅度最大，這可能與我國(guó)發(fā)生在早二疊世的黔桂運(yùn)動(dòng)引起的地殼抬升有關(guān)。然而，總體上，桑植地區(qū)的三個(gè)三級(jí)旋回的變化周期以及變化特點(diǎn)與Ross和Ross的曲線極為相似，說明桑植地區(qū)棲霞期相對(duì)海平面變化反映全球海平面變化特點(diǎn)。

圖4 湖南西部桑植剖面巖性、旋回地層及相對(duì)海平面變化。S1，S2，S3:三級(jí)層序Fig.4 The lithostratigraphy，cyclestratigraphy and relative sea level of the Chihsian to lower Maokou Formation in Sangzhi section，western Hunan province.S1，S2，S3:third order sequence.

圖5 野外露頭中米級(jí)旋回特征Fig.5 Metre-scale cycle in the outcrop

圖6 湖南西部桑植剖面棲霞至茅口組下部(灰色層段)相對(duì)海平面變化與全球海平面變化對(duì)比Fig.6 Diagram of relative sea level change correlation with eustatic sea level chang of the Chihsian and lower Maokou Formation

相對(duì)海平面變化主要是是全球絕對(duì)海平面變化和沉降速率的綜合表現(xiàn)，這兩者均可以形成周期性海平面波動(dòng)。被動(dòng)大陸邊緣和臺(tái)地內(nèi)部的沉降速率緩慢(Schlager，1981)，沉降速率長(zhǎng)期保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)(Bott，1982)。研究區(qū)屬于被動(dòng)大陸邊緣碳酸鹽巖緩坡環(huán)境(牟傳龍等，1997;陳洪德等，1999)，沉積速率穩(wěn)定，僅靠長(zhǎng)期的沉降不可能形成如此顯著的旋回性地層，其相對(duì)海平面的變化最有可能是受到該時(shí)期全球海平面變化的控制。而棲霞期全球海平面的波動(dòng)可能與晚古生代冰室氣候中冰期與間冰期的交替出現(xiàn)有關(guān)。早、中二疊世屬于晚古生代冰室氣候時(shí)期，F(xiàn)ielding et al.(2008a)將早中二疊世劃分出4個(gè)冰期，分別為G1(299～291 Ma)、G2(287～280 Ma)、G3(273～268 Ma)以及G4(267～260 Ma)冰期(圖6)。G1是晚古生代冰室氣候最大的冰期，G2冰期冰川則廣泛發(fā)育于Pangea聯(lián)合古陸的岡瓦納大陸。G1和G2冰川覆蓋極地以及溫帶地區(qū)，甚至到達(dá)亞熱帶邊緣(Ziegler et al.，1997)。而G3和G4是晚古生代冰期減弱時(shí)期，大部分岡瓦納冰川消失，只在局部地區(qū)如澳大利亞東部以及西伯利亞地區(qū)出現(xiàn)(Chumakov，1994;Isbell et al.，2008;Fielding et al.，2008a，2008b)。這四個(gè)冰期極有可能是控制二疊紀(jì)全球海平面變化的主要因素。在中二疊世，棲霞至茅口早期包括G3冰期和G4冰期早期(圖6)。梁山段的含煤沉積反映溫暖潮濕氣候條件，與G2與G3之間的間冰期相對(duì)應(yīng)，海平面處于快速上升時(shí)期。S1層序上部和S2層序上部的海平面下降都處在G3冰期范圍內(nèi)。G3冰期冰川體積隨氣候的周期性變化很可能是造成桑植地區(qū)棲霞期相對(duì)海平面變化的主要因素。G3和G4冰期之間的間冰期是全球海平面快速上升時(shí)期，密集的洋流上涌帶來了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，沉積了棲霞組頂部以及茅口組底部的深灰色至灰黑色富含硅質(zhì)結(jié)核和磷質(zhì)結(jié)核的薄層狀富有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)灰?guī)r。因此，該區(qū)棲霞期三級(jí)海平面變化旋回主要受冰期-間冰期旋回的影響，反映二疊紀(jì)岡瓦納大陸百萬年級(jí)別的氣候變化(Chumakov，1994;Osterloff et al.，2004;Raymond et al.，2004;Trosdtorf et al.，2005;Caputo et al.，2008;Fielding et al.，2008b;Henry et al.，2008;Isbell et al.，2008a，b;Martin et al.，2008;Mory et al.，2008;Stollhofen et al.，2008)。

4 結(jié)論

桑植地區(qū)棲霞組至茅口組下部地層由多個(gè)向上變淺的米級(jí)旋回組成，而米級(jí)旋回又組成三個(gè)更長(zhǎng)周期的旋回組，分別組成三個(gè)三級(jí)沉積層序S1、S2和S3。以地層旋回分析為基礎(chǔ)重構(gòu)出三個(gè)三級(jí)相對(duì)海平面變化曲線。將該曲線與全球海平面變化曲線對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，兩者有相同的變化趨勢(shì)，具有良好的可比性，說明桑植地區(qū)棲霞至茅口早期的相對(duì)海平面變化極有可能反映的是全球海平面變化的特點(diǎn)。將海平面變化與Fielding等(2008)劃分的冰期-間冰期旋回比對(duì)，發(fā)現(xiàn)棲霞早期和末期分別對(duì)應(yīng)著兩個(gè)不同的間冰期，棲霞中期和茅口早中期分別對(duì)應(yīng)不同的冰期。說明，該區(qū)三級(jí)相對(duì)海平面變化旋回主要受冰期-間冰期旋回的影響，反映二疊紀(jì)岡瓦納大陸百萬年級(jí)別的氣候變化。

陳洪德，秦建雄，王成善，等.1999.中國(guó)南方二疊紀(jì)層序巖相古地理特征和演化[J].沉積學(xué)報(bào)，17(4):510-521.

牟傳龍，丘東洲，王立全，等.1997.湘鄂贛二疊紀(jì)巖相古地理研究[J].巖相古地理，17(6):1-21.

秦建雄，曾允孚，陳洪德，等.1998.西南地區(qū)二疊紀(jì)層序地層及海平面變化[J].巖相古地理，18(1):21-35.

徐強(qiáng)，劉寶君，何漢漪，等.2004.四川晚二疊世生物礁層序地層巖相古地理編圖[J].石油學(xué)報(bào)，25(2):47-50.

馮增昭，楊玉卿，金振奎，等.1997.中國(guó)南方二疊紀(jì)巖相古地理[M].北京:石油大學(xué)出版社:60-62.

韋恒葉，陳代釗.2011.鄂西—湘西北地區(qū)二疊紀(jì)棲霞組巖相古地理[J].古地理學(xué)報(bào)，13:551-562.

顏佳新，方念喬.1994.湖北省棲霞組沉積環(huán)境、沉積旋回及層序地層劃分[J].地球科學(xué)—中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，19(5):620-627.

周小進(jìn).2009.中國(guó)南方二疊紀(jì)構(gòu)造-層序巖相古地理[D].長(zhǎng)沙中南大學(xué).121-123.

Bott MHP.1982.The interior of the Earth[M].2.New York:Elsvier:1-403.

Caputo M V，Goncalves de Melo J H，Streel M，et al.2008.Late Devonian and Early Carboniferous glacial records of South American[M]//Fielding C R，F(xiàn)rank T D，Isbell J L.Resolving the Late Paleozoic Ice Age in Time and Space.North Carolina:Geological Society of America Special Publicaion，441:161-174.

Chen D Z，Tucker M E.2003.The Frasnian-Famennian mass extinction:insights from high-resolution sequence stratigraphy and cyclostratigraphy in South China[J].Palaoegeography，Palaeoclimatology，Palaeocology 193:87-111.

Chumakov N M.1994.Evidence of late Permian glaciation in the Kolyma River Basin:a repercussion of the Gondwana glaciations in northeast Asia[J].Stratigraphy and Geological Correlation，2(5):426-444.

Crevello P D，Wilson J L，Sarg J F，et al.1989.Controls on carbonate platform and basin development[J].Society of Economic Paleontologists and Mineralogists，Special Publication 44:1-405.

Fielding C R，F(xiàn)rank T D，Birgenheier L P，et al.2008a.Stratigraphic imprint of the Late Palaeozoic Ice Age in eastern Australia:a record of alternating glacial and nonglacial climate regime[J].Journal of the Geological Society，London，165:129-140.

Fielding C R，F(xiàn)rank T D，Isbell J L.2008b.The Late Paleozoic Ice Age—a review of current understanding and synthesis of global climate patterns[M]//Fielding C R，F(xiàn)rank T D，Isbell J L.Resolving the Late Paleozoic Ice Age in Time and Space.North Carolina:Geological Society of America Special Publication:343-354.

Goldhammer R K，Dunn P A，Hardie L A.1987.High frequency glacioeustatic sea level oscillations with Milankovitch characteristics recorded in Middle Triassic platform carbonates in northern Italy[J].A-merican Journal of Science，287:853-892.

Goldhammer R K，Dunn P A，Hardie L A.1990.Depositional cycles，composite sea-level changes，cycle stacking patterns，and the hierarchy of stratigraphic forcing:Example from Alpine Triassic platform carbonates[J].Geological Society of American Bulletin，102:535-562.

Goodwin P W，Anderson E A.1985.Punctuated aggradational cycles:A general hypothesis of stratigraphic accumulation[J].Journal of Geology，93:515-533.

Hardie L A，Shinn E A.1986.Carbonate depositional environments，modern and ancient，3，Tidal flats[M].Colorado:Colorado School of Mines Quarterly.Vol.81，pp.74.

Henry L C，Isbell J L，Limarino C O.2008.Carboniferous glacigenic deposits of the proto-Precordiclera of west-central Argentina[M]//Fielding C R，F(xiàn)rank T D，Isbell J L.Resdving the Late Paleozoic Ice Age in Time and space.North Coralina:Geological Society of America Special Publication:131-142.

Isbell J L，Cole D I，Catuneanu O.2008a.Carboniferous-Permian glaciation in the main Karoo Basin，South Africa:stratigraphy，depositional controls，and glacial dynamics.In:Fielding CR，F(xiàn)rank TD，Isbell J L(eds).Resolving the Late Paleozoic Ice Age in Time and Space[M].North Coralina:Geological Society of America Special Publication，441:71-82.

Isbell J L，Koch Z J，Szablewski G M，et al.2008b.Permian glacigenic deposits in the Transantarcic Mountains，Antarctica[M]//Fielding C R，F(xiàn)rank T D，Isbell J L.Resolving the Late Paleozoic Ice Age in Time and Space.North Coralina:Geological Society of America Special Publication:59-70.

Jin Y，Shang J，Wang X，et al.1999.Chronostratigraphic Subdivision and Correlation of the Permian in China[J].Acta Geologica Sinica，73:127-138.

Martin J R，Redfern J，Aitken J F.2008.A regional overview of the late Paleozoic glaciation in Oman[M]//Fielding C R，F(xiàn)rank T D，Isbell J L.Resolving the Late Paleozoic Ice Age in Time and Space.North Coralina:Geological Society of America Special Publication，441:175-186.

Masetti D，Neri C，Bosellini A.1991.Deep-water asymmetric cycles and progradation of carbonate platforms governed by high-frequency eustatic oscillations(Triassic of the Dolomites，Italy)[J].Geology，19:336-339.

Osterloff P，Penney R，Aitken J，et al.2004.Depositional sequences of the Al Khlata Formation，subsurface interior Oman[J].GeoArabia Manama，9:155.

Raymond A L，Metz C.2004.Ice and its consequences:glaciation in the Late Ordovician，Late Devonian，Pennsylvanian-Permian，and Cenozoic compared[J].Journal of Geology，112(6):655-670.

Read J F，Grotzinger J P，Bova J A，et al.1986.Models for generation of carbonate cycles[J].Geology，14:107-110.

Ross C A，Ross J R P.1995.Permian sequence stratigraphy[M]//Scholle P A，Peryt T M，Ulmer-Scholle D S.The Permian of Northern Pangea 1，Paleogeography，Paleoclimates，Stratigraphy.Berlin Heidelberg:Springer-Verlag:98-123.

Schlager W.1981.The paradox of drowned reefs and carbonate platforms[M].North Coralina:Geological Society of America Bulletin:197-211.

Stollhofen H，Werver M，Stanistreet I G，et al.2008.Single-zircon UPb dating of Carboniferous-Permian tuffs，Namibia，and the intercontinental deglaciation cycle framework[M]//Fielding C R，F(xiàn)rank T D，Isbell J L.Resolving the Late Paleozoic Ice Age in Time and Space.North Coralina:Geological Society of America Special Publication:83-96.

Trosdtorf J I，Rocha-Campos A C，Dos Santos P R，et al.2005.Origin of late Paleozoic，multiple，glacially striated surfaces in northern Parana Basin(Brazil):some implications for the dynamics of the Parana glacial lobe[J].Sedimentary Geology，181:59-71.

Wang Y，Jin Y.2000.Permian palaeogeographic evolution of the Jiangnan Basin，South China[J].Palaeogeography，Palaeoclimatology，Palaeoecology，160:35-44.

Wei H Y，Chen D Z，Wang J G，et al.2012.Organic accumulation in the lower Chihsia Formation(Middle Permian)of South China:Constraints from pyrite morphology and multiple geochemical proxies[J].Palaeogeography，Palaeoclimatology，Palaeoecology，353-355:73-86.

Wilgus C K，Hastings B S，Kendall C S C，et al.1988.Sea-level Changes:An Integrated Approach[M].Oklahoma:Society of Economic Paleontologists and Mineralogists(SEPM)，Special Publication:42.

Ziegler A M，Hulver M L，Rowley D B.1997.Permian World Topography and Climate[M]//Martini I P.Late Glacial and Postglacial Environmental Changes— Quaternary，Carboniferous-Permian，and Proterozoic.New York and Oxford:Oxford University Press:133-134.