王文倩

封面故事

石頭中的紋理
——宜昌三峽地區(qū)的沉積現(xiàn)象

王文倩

在野外的山上、河流邊或道路旁，到處都可以看到各種各樣、顏色各異的石頭。石頭，在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域稱為巖石，是地殼的主要構(gòu)成部分。根據(jù)形成的原因，我們可以將巖石分為沉積巖、火山巖和變質(zhì)巖三大類型。在地球表面分布最廣的是沉積巖，約占地球表層巖石的70%。沉積巖又稱水成巖，是地球表層巖石的風(fēng)化物和火山噴發(fā)物經(jīng)水流、冰川或風(fēng)的搬運(yùn)，沉積在水下或陸地表面，再經(jīng)成巖作用而形成。沉積巖最典型的特征就是呈層狀，像的書頁一樣層層覆蓋在地球表層，記錄著地球上生物、環(huán)境和氣候漫長而神秘的演化歷史。在沉積巖中我們可以看到各種紋理，依據(jù)形成的時(shí)間，這些紋理大致可以分為同沉積紋理、成巖紋理和成巖后紋理。其中同沉積紋理又叫沉積構(gòu)造，在地質(zhì)學(xué)研究中最為重要，可以告訴我們有關(guān)巖層形成環(huán)境和氣候條件的重要信息。

為了了解地質(zhì)歷史中主要的沉積地層序列及生物和環(huán)境的演化歷程、培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的野外地質(zhì)工作能力，2013年10月28日至11月4日，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所組織了宜昌野外地質(zhì)實(shí)習(xí)，南古所的一、二年級(jí)碩士生和博士生以及來自北京大學(xué)、南京大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）、西北大學(xué)等高校的對(duì)古生物感興趣的高年級(jí)本科生和部分研究生共70人左右參加了本次實(shí)習(xí)。此次實(shí)習(xí)涉及到的內(nèi)容主要為三峽地區(qū)從前寒武紀(jì)到中生代的各時(shí)代地層。前3天分為3隊(duì)，分區(qū)域輪流觀察上述所有地層，后面幾天分為8個(gè)小組，每個(gè)小組研究一個(gè)自己感興趣的專題。宜昌地區(qū)出露了非常完整的從前寒武系到中生界的地層序列，建立了上奧陶統(tǒng)赫南特階底界和中奧陶統(tǒng)大坪階底界2個(gè)“金釘子”（全球標(biāo)準(zhǔn)層型剖面和點(diǎn)）。本區(qū)發(fā)育了非常豐富的沉積現(xiàn)象，鑒于沉積現(xiàn)象在解釋地球環(huán)境和氣候變化中的重要作用，下面對(duì)本次實(shí)習(xí)中所觀察到的沉積現(xiàn)象的特征、成因和環(huán)境意義做簡要的介紹和分析。

1.波痕與交錯(cuò)層理（圖1）

波痕是淺海、河湖底部的一種小型波狀的地形特征，由周期性相間出現(xiàn)的尖波峰和圓波谷構(gòu)成，通常由波浪或水流作用于砂質(zhì)基底形成。根據(jù)波峰是否兩側(cè)對(duì)稱，可分為對(duì)稱波痕和不對(duì)稱波痕。對(duì)稱波痕常由波浪作用形成，不對(duì)稱波痕一般為單向水流所形成，也可由波浪作用形成。交錯(cuò)層理通常也稱為斜層理。它是由一系列斜交于層系界面的紋層組成，斜層系可以彼此重疊、交錯(cuò)、切割的方式組合。交錯(cuò)層理一般為波痕的側(cè)向遷移所形成，即波痕是交錯(cuò)層理在層面上的表現(xiàn)形態(tài)，而交錯(cuò)層理為一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)遷移的波痕在垂直層面方向上的遷移軌跡。不對(duì)稱水流波痕交錯(cuò)層理的傾斜方向指示了水的流向（圖1）。本次實(shí)習(xí)中所見的波痕和交錯(cuò)層理有以下幾種：

（1）波浪波痕（圖2）

圖1 不對(duì)稱水流波痕及波痕交錯(cuò)層理成因示意圖

圖2 宜昌興山峽口地區(qū)中生代陸相砂巖中的波痕構(gòu)造

波浪波痕（wave ripples）是波浪作用于砂質(zhì)基底所形成的一種波狀起伏的底面形態(tài)。波浪波痕通常是對(duì)稱的，或稍微不對(duì)稱。一般具有直的脊，常見音叉狀（Y形）分支，這種分叉現(xiàn)象在單向的水流波痕中是從來看不到的。因此，是否對(duì)稱與分叉是區(qū)分波浪波痕和單向水流波痕的兩個(gè)重要的標(biāo)志。在宜昌興山縣峽口地區(qū)中生代地層的砂巖層面上發(fā)現(xiàn)了豐富的發(fā)育良好的波痕構(gòu)造（圖2）。這些波痕一般兩側(cè)對(duì)稱，且發(fā)育音叉狀分支，因此可以肯定是波浪波痕，常見于淺海和湖泊環(huán)境。而這些波痕波高小、波長短，波脊方向多變，在局限的層面上至少可以區(qū)分出四個(gè)不同方向的波脊走向（圖2），這種多變的波脊方向通常由延向多變的濱岸作用于波浪后改變波浪的傳遞方向所形成，反映了非常淺的濱岸環(huán)境。而本套地層為陸相地層，因此，這些波脊方向多變的小型對(duì)稱波浪波痕指示了靠岸的湖濱淺水環(huán)境。

（2）丘狀交錯(cuò)層理（圖3）

丘狀交錯(cuò)層理（hummocky cross stratification）指與波紋表面相一致的平行紋層組，紋層在波峰彎曲繼續(xù)向下到相鄰的波谷，之后又繼續(xù)彎曲上行至波峰，在上覆的波狀紋層沉積前，多數(shù)的紋層被截切。雖然名字叫交錯(cuò)層理，但這種層理的各個(gè)紋層間并不真正相交，僅在某些部位各紋層相互靠近而密集呈束。丘狀交錯(cuò)層理的層面特征為不規(guī)則分布的凸起的小丘和凹下的洼陷。層組的底面常為起伏不平的沖刷侵蝕面，之上的紋層均平行或近于平行此侵蝕面。頂部可發(fā)育對(duì)稱波痕。丘狀交錯(cuò)層理常發(fā)育在含大量云母和碳屑的細(xì)砂巖和粗粉砂巖中，也可發(fā)育在灰?guī)r中，但層理相對(duì)模糊。在地層序列中，發(fā)育丘狀交錯(cuò)層理的巖層常以夾層的形式存在于富含海相動(dòng)物化石的頁巖或粉砂巖中，或與之形成互層。丘狀交錯(cuò)層理的發(fā)育環(huán)境為海洋中能夠受到風(fēng)暴影響的水體環(huán)境，即風(fēng)暴浪基面（風(fēng)暴天氣狀況下波浪所波及的最深水位）之上的淺海環(huán)境，但由于正常浪基面（一般天氣狀況下波浪所波及的最深水位）之上的水底經(jīng)常受到波浪的強(qiáng)烈改造，所以保存較好的丘狀交錯(cuò)層理常常發(fā)育于風(fēng)暴浪基面之上、正常浪基面之下的陸棚淺海環(huán)境。圖3中的丘狀交錯(cuò)層理發(fā)育于下奧陶統(tǒng)南津關(guān)組的灰?guī)r中，底部發(fā)育清晰的起伏不平的侵蝕面，頂面丘狀起伏，之間由間距不等的紋層形成厚薄不等的丘狀交錯(cuò)層理（圖3），表明這一層位的石灰?guī)r形成于受風(fēng)暴影響的碳酸鹽陸棚淺海環(huán)境。

圖3 三峽黃花場剖面南津關(guān)組的丘狀交錯(cuò)層理

圖4 三峽地區(qū)前寒武紀(jì)蓮沱組中的板狀交錯(cuò)層理

圖5 宜昌三峽三游洞群中的魚骨狀交錯(cuò)層理

（3）板狀交錯(cuò)層理（圖4）

板狀交錯(cuò)層理（planar crossbedding）是一種層系上下界面平直、呈板狀、厚度穩(wěn)定不變或變化不大的交錯(cuò)層理，各層系內(nèi)的細(xì)層傾向常為同向的。這種交錯(cuò)層理由具平直脊的波痕遷移而成。有大型（層系厚大于10厘米）、中型（層系厚5～10厘米）及小型（層系厚小于5厘米）板狀交錯(cuò)層理之分。大、中型板狀交錯(cuò)層理常形成于河流凸岸壩、潮道等環(huán)境。圖4中為發(fā)育于前寒武紀(jì)蓮沱組的大型板狀交錯(cuò)層理。

圖6 示底構(gòu)造

圖7 宜昌興山峽口剖面大冶組底部風(fēng)暴沉積層中的火焰狀構(gòu)造

圖8 三峽地區(qū)寒武系水井沱組的滑塌沉積

圖9 興山縣峽口鎮(zhèn)三疊系大冶組下部的滑塌沉積構(gòu)造

（4）魚骨狀交錯(cuò)層理（圖5）

魚骨狀層理（herringbone bedding）又稱羽狀交錯(cuò)層理、人字型交錯(cuò)層理，其特征是在剖面上層系互相重疊，相鄰層系中細(xì)層傾向相反，呈魚骨狀、羽狀或人字形，層系間夾有泥質(zhì)水平薄層。它是在沉積介質(zhì)具有雙向流動(dòng)的情況下產(chǎn)生的，如漲潮流形成的前積層與退潮流形成的前積層交互而成。魚骨狀交錯(cuò)層理一般出現(xiàn)在潮間帶下部及潮汐通道中。

2.示底構(gòu)造（圖6）

示底構(gòu)造（geopetal structure）是顯示成層巖石的頂、底或面向的各種標(biāo)志，包括原生沉積構(gòu)造標(biāo)志（層理、層面痕跡、生物遺跡、疊層石等）和其他構(gòu)造標(biāo)志（劈理降向、從屬褶皺倒向等）。圖6中的示底構(gòu)造為頭足類動(dòng)物死后沉積下來，里面的軟體腐爛降解后剩下空的殼體，后來的細(xì)粒泥質(zhì)沉積物沉積在空殼的下部，上部形成空洞，被后期沉淀的亮晶方解石充填形成的，因此空洞中由泥晶灰泥到亮晶方解石的方向指示了巖層頂面方向。

3.火焰狀構(gòu)造（圖7）

火焰狀構(gòu)造（flamestructures）為彎曲的、向上凸進(jìn)到上覆砂層中的尖泥舌，由于不均勻的負(fù)載和液化，泥層以舌形體向上運(yùn)動(dòng)到上覆的砂層中。當(dāng)砂質(zhì)層堆積在含水且具高塑性泥質(zhì)層之上時(shí)，差異壓實(shí)會(huì)引起上、下砂質(zhì)層與泥質(zhì)層之間發(fā)生相互垂向運(yùn)移。泥質(zhì)層成尖舌狀貫入上覆砂質(zhì)層中，形成一排尖舌，稱之為火焰狀構(gòu)造?；鹧鏍顦?gòu)造反映了泥質(zhì)基底之上快速的砂質(zhì)沉積，常發(fā)育于深海的濁流沉積和淺海的風(fēng)暴沉積序列中。實(shí)習(xí)區(qū)在興山峽口三疊系大冶組的底部發(fā)育了火焰狀構(gòu)造（圖7），反映了快速的風(fēng)暴沉積。

4.滑塌構(gòu)造（圖8，9）

滑塌構(gòu)造（slump structure），指已沉積的沉積層在重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)和位移所產(chǎn)生的各種同生變形構(gòu)造。滑塌構(gòu)造除塑性變形，還伴隨有小型斷裂和角礫化以及巖性的混雜等?；鷺?gòu)造往往局限于一定的層位中，與上、下層位的巖層呈突變接觸?；鷺?gòu)造的內(nèi)部層序混亂或呈塊狀，常見塑性揉皺、小型斷層和角礫，下伏和上覆地層層序相對(duì)清楚、平整。滑塌沉積與下伏地層間常以滑動(dòng)面相分隔，滑動(dòng)面兩側(cè)常見拖曳構(gòu)造。滑塌沉積的分布的范圍可以是局部的，也可延伸數(shù)百米，甚至幾千米。引起滑塌構(gòu)造的原因較多，沉積斜坡、同沉積斷裂、沉積物快速的堆積以及地震波的沖擊等均可引起沉積層順坡向下滑動(dòng)，但重力是其形成的主要原因?；鷺?gòu)造是識(shí)別水下斜坡的良好標(biāo)志，常見于大陸斜坡、同沉積斷陷的沉積層及震積巖中。我們在實(shí)習(xí)區(qū)的寒武系水井沱組地層中以及興山峽口三疊系大冶組下部可以看到典型的滑塌沉積構(gòu)造。

5.帳篷狀構(gòu)造（圖10）

帳篷構(gòu)造（tepee structure）是一種碳酸鹽潮坪環(huán)境形成的脊型背斜構(gòu)造，這種構(gòu)造具有柱狀裂隙和極大的干裂狀多角斷面，呈不和諧的褶皺和類似尖頂褶皺或倒轉(zhuǎn)巖層，此外，還有V字形裂隙縫和伴生有角礫巖層出現(xiàn)，現(xiàn)代常見于阿拉伯的薩布哈潮坪環(huán)境和南澳大利亞的濱岸泄湖潮坪環(huán)境中。帳篷構(gòu)造的成因系碳酸鹽沉積后水體變淺，并暴露于大氣環(huán)境所致，當(dāng)碳酸鹽沉積物從潮下、經(jīng)潮間、最后變?yōu)槌鄙蠒r(shí)，地表中地下水上涌和巖層發(fā)生固結(jié)膨脹變形而形成。在實(shí)習(xí)區(qū)陡山沱組蓋帽白云巖中可見典型的帳篷構(gòu)造，目前的研究認(rèn)為，帽白云巖中的帳篷構(gòu)造可能為當(dāng)時(shí)蓋帽碳酸鹽沉積層下部的甲烷氣體溢出形成。

圖10 三峽地區(qū)陡山沱組蓋帽白云巖中的帳篷構(gòu)造

6.米蘭科維奇旋回沉積（圖11）

米蘭科維奇旋回沉積，指由于地球運(yùn)動(dòng)軌道參數(shù)（偏心率、黃赤交角和歲差）的周期性變化引起地球上氣候的周期性波動(dòng)（冰期與間冰期），從而在地球表層產(chǎn)生周期性變化的沉積物。偏心率的變化周期為40萬年和10萬年，黃赤交角（地球黃道面與赤道面的夾角）變化周期為4萬年，歲差（主要由于太陽和月球引力而引起的地球自轉(zhuǎn)軸圍繞地球黃道面垂直軸的長期運(yùn)動(dòng)）的變化周期為2萬年，所以沉積巖中由米蘭科維奇旋回驅(qū)動(dòng)的沉積旋回分別有40萬年、10萬年、4萬年和2萬年四個(gè)主要的周期。實(shí)習(xí)區(qū)興山縣峽口鎮(zhèn)三疊系大冶組的薄層灰?guī)r與極薄層泥巖形成了典型的米蘭科維奇旋回沉積（圖11）：由薄層灰?guī)r和極薄層泥巖層形成較小的旋回單位，五個(gè)灰?guī)r-泥巖層組成較大的旋回單位，之間為較厚的泥巖所分隔。這種組合關(guān)系暗示，較小的灰?guī)r-泥巖旋回單位可能代表了2萬年的歲差旋回，由5個(gè)灰?guī)r-泥巖層偶組成的較大旋回單位可能代表了10萬年的偏心率旋回。

沉積構(gòu)造特征是沉積時(shí)占優(yōu)勢的沉積介質(zhì)和能量條件的綜合響應(yīng)，是巖石的重要成因標(biāo)志。在野外工作中，對(duì)沉積構(gòu)造的識(shí)別，是判斷沉積環(huán)境的基本依據(jù)。以上為本次實(shí)習(xí)看到的比較典型的沉積構(gòu)造現(xiàn)象，對(duì)于具體的沉積環(huán)境分析，仍需要配合室內(nèi)的詳細(xì)研究。

此次野外的圓滿完成，離不開指導(dǎo)老師的認(rèn)真講解和帶隊(duì)老師的辛勤付出，同時(shí)小組內(nèi)部的團(tuán)結(jié)協(xié)作也非常重要，在這里感謝各位老師的付出，同時(shí)感謝小組內(nèi)成員的幫助。

圖11 宜昌興山峽口剖面大冶組下部的米蘭科維奇旋回沉積層