嚴兆彬 郭福生 彭花明 劉禮潔

(1.東華理工大學核資源與環(huán)境國家重點實驗室培育基地 南昌 330013;2.中國礦業(yè)大學(北京) 北京 100083)

李蔚秾和俞從流［1］在浙江江山大陳嶺原盧衍豪等［2］命名的楊柳崗組中發(fā)現(xiàn)了Arthricocephalus(節(jié)頭蟲)化石，根據該化石與下?lián)P子地區(qū)、貴東等地區(qū)的化石分析對比，認為該化石產出于早寒武世，并結合巖石學特征，把原楊柳崗組下段的白云質灰?guī)r命名為大陳嶺組。大陳嶺組巖石學特征表現(xiàn)為淺水相沉積，卻產深水相化石，其沉積相一直不能得到很好的解釋。作者在浙西做寒武系調查時，發(fā)現(xiàn)大陳嶺期至少存在一次地震引起的海嘯事件，且海嘯沉積異常層對應著深水相化石產出層位，本文在對浙西下寒武統(tǒng)大陳嶺組地震事件及其引起的海嘯事件沉積研究的基礎上，結合前人對大陳嶺組的研究認識，認為浙西大陳嶺組對應于海嘯沉積層段存在著沉積環(huán)境的突變，其局部的反映較深水相的沉積異常應為海嘯沉積作用所致。

1 大陳嶺組地震—海嘯沉積事件

研究區(qū)位于揚子板塊與華南構造帶的接觸部位，屬浙西北構造區(qū)，北鄰開化—淳安深斷裂，南面為江山—紹興深斷裂，是早古生代浙皖海盆的東南部分。該區(qū)古生界岀露較為齊全，其中江山碓邊剖面和常山黃泥塘剖面分別是國際寒武系江山階金釘子剖面和國家奧陶系達瑞威寧節(jié)金釘子剖面［3，4］。作者在對浙西寒武系調查時，發(fā)現(xiàn)大陳嶺組存在兩套地震事件沉積，其中開化裴嶺腳剖面地震事件沉積最為齊全，常山芳村剖面和白石剖面能夠識別出第二期地震事件，至江山碓邊剖面則不見地震作用痕跡(圖1)。兩期地震事件是受開化—淳安大斷裂早期活動的影響所致［5，6］，兩期地震事件的時間間隔不到 5 Ma，第一期地震事件的震級不低于6級，第二期地震事件的震級約為7～7.6［7］，第一期地震事件沉積中發(fā)育典型的海嘯事件沉積產物—海嘯巖，第二期地震事件沉積層中未見海嘯作用沉積物，但不能斷定第二期地震作用未引起海嘯作用。

2 大陳嶺組沉積異常特征

2.1 沉積及生物異常

大陳嶺組巖性為深灰色中厚層微晶含云灰?guī)r，向上變?yōu)楸訝钗⒕Щ規(guī)r，具微晶結構。層間夾泥質白云巖條帶、薄層的炭質頁巖，中部和上部還夾有硅質巖結核(江山碓邊剖面)、硅質條帶(常山白石和芳村剖面)或硅質巖層(開化裴嶺腳剖面)。整體水平紋層發(fā)育，可見大量鳥眼構造(圖2A，B)和縫合線構造。厚度三地大致相當，江山為38.2 m，常山芳村為34.6 m，開化裴嶺腳為32.2 m。其中第一期地震—海嘯事件沉積物位于裴嶺腳剖面的中部(14.7～17.1 m)。海嘯沉積層厚0.54 m，與下伏白云質灰?guī)r呈海嘯不整合接觸，向上為逐漸過渡為正常背景沉積層(圖2C)。海嘯巖層內具有多層紋層狀沉積層，且紋層表現(xiàn)出不規(guī)則的旋回性和波動性，顯示為波動的頂端紋層變薄，而底端紋層變厚，且紋層見可見多層不連續(xù)、不規(guī)則灰泥質、泥質碎屑，與上下巖層在沉積物組合特征上具有明顯的沉積異常。沉積異常層為含塑性礫白云質灰?guī)r和層狀白云質灰?guī)r，發(fā)育塑性礫構造、平行層理構造和丘狀層理構造，局部可見軟沉積物的沉荷構造(圖2E)和火焰狀構造(圖2F)。海嘯巖是牽引流沉積，塑性礫是在沉積過程中那些未完全固結的巖塊在牽引力作用下的產物，丘狀層理是由平緩的丘狀紋層組成的一種層理。本地丘狀層的長高比大，紋層傾角小，個別丘狀層理中可見液化脈(圖2D)。喬秀夫等［8］認為由海嘯形成的丘狀層往往被液化脈或微斷層所截切，而風暴成因丘狀層則不見。

大陳嶺組系李蔚秾、俞從流［1］1965年命名，命名剖面位于浙江江山縣大陳村邊上的大陳嶺，僅有一個三葉蟲化石帶 Arthricocephalus-Changaspis帶［9］，厚32.5 m。主要分布于浙西、浙北、浙東北等地，分為兩個地層小區(qū)，其中浙西為江山—臨安地層小區(qū)，浙東北、浙北為杭州—嘉興地層小區(qū)［10］。杭州—嘉興地層小區(qū)大陳嶺組厚度、生物化石組合變化較大，如淳安縣宋村剖面大陳嶺組厚261m，產Arthicocephalus.sp.，而富陽縣上萬剖面雖然頂部缺失，厚159.7 m，腕足類Lingulella sp.Homotreta sp.Acrothele sp.軟舌螺Hyolithes sp.及蠕蟲等［11］。江山—臨安地層大陳嶺組相對穩(wěn)定，厚32.2～38.2 m，化石稀少，僅在中上部層位中發(fā)現(xiàn)了少量的節(jié)頭蟲類的三葉蟲Arthicocephalus，Arthricocephalites和Changaspis三個屬，不或很少與底棲的Redlichia共生，可能是營漂浮或游泳生活的［12］。浙西早寒武世三葉蟲化石的構成和演替表現(xiàn)為從無到有，從荷塘期中期和晚期營游泳或漂浮生活的Hunanocephalus等屬，到大陳嶺期的半游泳生活的節(jié)頭類三葉蟲Arthicocephalus等屬的變化過程。說明浙西早寒武世由荷塘期至大陳嶺期海平面下降、海水變淺，構成早寒武世海退系列［13］。

圖1 浙西地震事件沉積岀露點示意圖Fig.1 The sketch map of the exposed sedimentary location in western Zhejiang

圖2 大陳嶺組沉積異常特征圖版A.白云質灰?guī)r中發(fā)育大量的鳥眼構造;B.A中的部分放大，鳥眼構造順層分布;C.海嘯巖層，與下部的白云質灰?guī)r呈海嘯不整合接觸，向上逐漸過渡為正常背景沉積，發(fā)育大量塑性礫構造、丘狀層理等;D.C中的部分放大，丘狀層理長寬比大，且被液化脈(黑色脈狀物質)截切;E.海嘯巖層中的平行層理及沉荷構造(黑色團塊狀物質);F.海嘯巖層中的平行層理及火焰狀構造。Fig.2 Photos of abnormal sediments in Dachenling FormationA.bird's eye structure of dolomitic limestone;B.local enlargement of the bird's eye structure in A;C.unconformable contact between tsunami-related stratum and its lower dolomitic limestone，and towards upper they show normal sedimentary features with gravel structure;D.local enlargement of C，showing relatively large ratios of aspect for hummocky bedding，which is cut by liquid veins;E.parallel bedding and heavy load structure of tsunami-related stratum;F.parallel bedding and flame structure of tsunami-related stratum.

2.2 碳氧同位素異常

海相碳酸鹽巖C、O同位素值的變化特征，在一定程度上能夠反映古海平面的變化［14～17］。作者曾對浙西碳酸鹽巖地層做了大量的碳氧同位素研究工作［18～24］。浙江江山下寒武統(tǒng)大陳嶺組碳酸鹽巖δ13C、δ18O值的變化范圍和均值分別為-1.9‰～0.6‰、-12.1‰～-7.9‰和-0.08‰、-10‰。正常海相石灰?guī)r的δ13C值為0±2‰［25］。本區(qū)碳同位素位于正常范圍之內，同位素地層曲線具有明顯的旋回性變化特征。以均值為基準，在大陳嶺組的中上部有碳同位素的正漂移。許多學者對碳同位素地層曲線與層序地層及海平面變化的關系作過詳細研究［26～32］。在影響海相碳酸鹽巖碳同位素的眾多因素中，有機碳氧化與相對埋藏量是最重要的［17，33］。當有大量有機碳快速埋藏時，由于有機碳中往往富集12C，從而使自然界碳庫以及與之平衡的海水中無機碳的13C富集，相應沉積碳酸鹽的δ13C發(fā)生正向漂移［26］。海洋有機碳的埋藏速率明顯受海平面變化的控制，海平面上升時，有機碳埋藏速率大，δ13C 相應增加［34，35］。據李玉成［34］研究，華南晚二疊世碳酸鹽巖碳同位素變化曲線是逐漸降低的，與全球海平面變化趨勢一致，灰?guī)r碳同位素高值區(qū)和高海平面相對應，而低值區(qū)和低海平面相對應，表明碳同位素記錄的海平面變化具全球性。彭蘇萍等［35］對塔里木盆地C-O碳酸鹽巖碳氧同位素研究表明，碳酸鹽巖的δ13C演化與海平面的升降呈明顯的正相關關系。本區(qū)的碳同位素的演化曲線與Veizer et al.［15］的碳同位素年代演化曲線相比，在此處多了正漂移，并且與前人對野外露頭的研究資料相較，此處并不存在著海水變深的證據。作者利用碳氧同位素對地震液化脈脈體和圍巖的對比研究認為，浙西地震事件期間，軟沉積變形是發(fā)生在淺水區(qū)，且脈體中有大量的陸源碎屑物的注入［24］。因此用傳統(tǒng)的沉積學觀點解釋大陳嶺組中、上部短暫的碳同位素正漂移存在著困難。

2.3 大陳嶺組沉積相觀點上的分歧

自1965年李蔚秾［1］命名出大陳嶺組以來，雖然地質學者都認識到自大陳嶺期開始，浙西下?lián)P子江南區(qū)地殼有所抬升，海水明顯低于荷塘期，但關于大陳嶺組的沉積相分析一直存在兩種觀點:其一是認為處于相對較深水的碳酸鹽盆地、緩坡相［36～44］。蒲心純等［36］認為在大陳嶺期，上、下?lián)P子區(qū)的巖相古地理與荷塘期都有差異。上揚子區(qū)處于陸源碎屑陸棚向碳酸鹽臺地的過渡階段，以陸源沉積為主，碳酸鹽沉積為輔的混積型緩坡，下?lián)P子區(qū)為碳酸鹽緩坡，而鄂中地區(qū)則處于兩者之間。馮增昭等［40～43］通過單一因素做圖法，綜合分析，認為該區(qū)在早寒武世大陳嶺期屬于碳酸鹽巖盆地相;其二是認為該區(qū)在早寒武世大陳嶺期為較淺水沉積的碳酸鹽臺地相，甚至是臺地潮坪相［5，12，18，45，46］。盧衍豪等［12］認為雖然大陳嶺期僅發(fā)現(xiàn)了深水相的浮游生物化石，但從沉積環(huán)境看來，表現(xiàn)的海平面已較前一期(荷塘期)下降，海水深度已變淺，沉積物由荷塘組上部的硅質巖變?yōu)榇箨悗X組的碳酸鹽巖類，有點類似地臺型的沉積。張敬禮［45］研究發(fā)現(xiàn)浙西大陳嶺組的白云質灰?guī)r中發(fā)育豐富的鳥眼構造，屬碳酸鹽臺地潮坪相。彭花明等［46］、郭福生等［18］、嚴兆彬等［5］通過詳細的野外調查和巖石學特征研究，發(fā)現(xiàn)浙西大陳嶺組從荷塘期的炭質、硅質頁巖直接轉換到大陳嶺期的中厚層狀白云質灰?guī)r，且白云質灰?guī)r中發(fā)育大量的鳥眼構造(圖2A，B)和縫合線構造。說明浙皖海盆在早寒武世存在一次海平面快速變淺事件。對比浙江江山碓邊剖面，常山芳村、白石剖面和開化裴嶺腳剖面大陳嶺組巖相組合特征，認為從浙江江山到開化雖然水體逐漸變深，但仍是較淺水環(huán)境，屬碳酸鹽巖臺地潮坪相。

3 大陳嶺組海嘯作用沉積異常探討

3.1 海嘯沉積異常國內外研究進展

海嘯是由于海底突發(fā)事件如海底地震、火山爆發(fā)、滑坡或塌陷等所激起的巨浪，這些巨浪引起海水激蕩上涌，形成驚濤駭浪，咆哮聲如虎嘯，故稱海嘯［47］。海嘯作用可以使得原來已經形成的沉積物被攪動起來，也可以把不同環(huán)境的沉積物質帶到一起，形成特殊的沉積，稱為海嘯沉積，而所形成的巖石多稱為海嘯巖［47，48］。

海嘯事件是比較常見且破壞性強，但對海嘯沉積作用和海嘯的研究遠遠不及對風暴、地震、濁流等其它海洋事件沉積的研究，尤其是海嘯作用對沉積異常的影響未能引起人們足夠的重視。中外地質工作者對海嘯作用和海嘯沉積還是做出了一些十分有意義的成果。①海嘯作用、海嘯巖的主要識別標志、海嘯作用對軟沉積變形的影響等［47，49～55］;②海嘯巖與風暴巖的對比研究［56］;③海嘯作用導致的沉積環(huán)境異常的研究。Y.Takashimizu et al.［57］在對日本中部深切山谷海嘯成因的沉積物做沉積相和沉積序列的研究時認識到，受海嘯引起的寄引流可以影響沉積序列的中、上部的懸浮沉積部分，可以引起相應的沉積異常層;M.A.Rodríguez Pascua et al.［58］對晚中新世的貝蒂克山鏈外部(西班牙)全新世時期的地震活動和古震積巖時也提及沉積異常層，但他認為震積巖中的液化卷曲變形段即震褶巖段為沉積異常層;④海嘯作用導致的生物沉積異常的研究。張延山等［59］在對四川盆地東部嘉陵江組二段地震事件研究中發(fā)現(xiàn)震級巖的上部具有殼體反扣的介殼層，認為是由地震誘發(fā)的海嘯擾動造成的;S.Leroy et al.［60］對晚全新世發(fā)生在馬爾馬拉海南部地震引起的海嘯沉積物中的介形亞綱動物殼瓣和植物孢粉做詳細的研究分析發(fā)現(xiàn):僅僅964 cm深度的孢粉和粒子級分析表明了從漫灘沼澤相到開闊湖相的變化，是由海嘯洗滌各區(qū)殘留物聚集于此的結果，反映了局部環(huán)境的突變，且在4 m深度的位置是唯一的富含種子和介形亞綱動物殼瓣的一易碎混合層，這次是一次地震造成的;F.Dilce et al.［61］對巴西北部的Cameta盆地上白堊統(tǒng)河口沉積物的變形研究中也發(fā)現(xiàn)地震引起的海嘯沉積造成了河口環(huán)境的反常;Dawson和Stewart［62］提到淺海相背景沉積具有海嘯作用導致的沉積異常;F.Massari et al.［63］對意大利東南部的Pliocene of Salento地區(qū)的潛海相沉積層中共3.5 m厚的具瓣鰓類碎片混合沉積是有多次海嘯事件所致;A.V?tt et al.［64］通過對希臘西部的3處灰質碎屑灘巖沉積學、微生物學、地球化學等的綜合研究，認為是由海嘯作用造成了這3處灰質碎屑灘巖沉積。

3.2 大陳嶺組沉積異常的海嘯成因探討

海嘯是一種海底突發(fā)性的高能事件。由于其波長長(可達幾十公里到幾百公里)、浪高也大(可達20余米)，傳播速度快(可達800 km/h，即222 m/s)，且引發(fā)自海洋底部任何深度、任何部位。因此，海嘯沉積作用可以發(fā)生在海底任何深度、任何部位［47］?；谏鲜鲈?，在浙西的第一期地震事件沉積中，除開化之外的其它地區(qū)也可能有嘯積巖的存在，只是由于其沒有與典型的震積巖和震濁積巖共生，而很難分辨。同樣第二期地震沉積事件也有引發(fā)海嘯的可能。結合前人的研究認識發(fā)現(xiàn)，在浙西大陳嶺組中發(fā)現(xiàn)的三葉蟲化石均是產于大陳嶺組的中部［1，9～11，45，64］。在浙西寒武系下統(tǒng)與中統(tǒng)之間的界線劃分時因為缺乏化石依據，而以下寒武統(tǒng)大陳嶺組灰白色厚層白云質灰?guī)r與中寒武統(tǒng)楊柳崗組灰黑色薄層灰?guī)r之間為界線［12］。而浙西大陳嶺期的第一期地震事件沉積就產出于大陳嶺組的中下部，第二期地震事件沉積產出于大陳嶺組的中上部［5］。

反映營浮游或游泳的化石與鳥眼構造共生，給沉積環(huán)境的解釋帶來了困惑。作者根據對浙西大陳嶺組震積巖產出層段的研究，結合前人對該區(qū)的古生物研究成果，認為在早寒武世大陳嶺期下?lián)P子區(qū)的江南分區(qū)整體抬升，浙西地區(qū)已屬于碳酸鹽巖臺地相，因抬升過程中開化—淳安大斷裂的活動引發(fā)了地震，而地震的震級足夠大，從而進一步引發(fā)海嘯，海嘯波及整個浙西地區(qū)，海嘯的巨浪攜帶著深水和半深水的浮游生物向淺水區(qū)涌去，并在淺水的臺地相沉積，最終形成了浙西大陳嶺組中相悖的沉積相特征。

研究區(qū)內的碳同位素正漂移度不大，其最大值為0.6‰，且位于大陳嶺組的中上部，但碳同位素的正漂移對應的短暫的海平面的升高與區(qū)內利用均變論對同層段的巖相研究的結果相悖。均變論對地質學的發(fā)展曾起了積極作用，但長期以來使人們忽視地史中的災變事件，因而使地學界在解釋可辨認的地史記錄和與其相關的地球化學記錄時產生了許多困難與錯誤，均變漸進和災變事件交替是地層中的客觀記錄。當強地震引起的海嘯接近大陸海岸時，地震波長減小，波幅增大，沿岸水在短時間內升高，最大是可達30 m［8］，大陸架的海平面升高后開始振蕩，使原來已經沉積的和較深水處沒有完全沉積的及浮游類生物在海平面振蕩結束后在近岸區(qū)再沉積下來，這樣就使得地層中出現(xiàn)了巖相與古生物相悖的現(xiàn)象，較深水沉積物的帶入，會在碳氧同位素中表現(xiàn)出來。碳同位素正漂移的層位與研究區(qū)地震引起的海嘯造成的海嘯沉積層位相當，浙西一帶的沉積異常應是海嘯作用的結果。

4 結論

(1)海嘯作用可以導致來自不同環(huán)境，不同源區(qū)的物質混雜堆積在一起，形成沉積異常層，若不與典型地震事件沉積共生，會給沉積環(huán)境或沉積相的解釋帶來困惑。

(2)浙西早寒武世大陳嶺組沉積相一直存在較深水相和淺水相兩種觀點。較深水相依據:①大陳嶺期臺地雖然抬升，但繼承了荷塘期深水沉積特征;②大陳嶺組中上部層段產營漂浮或游泳生活的節(jié)頭蟲類三葉蟲，組內不見底棲類化石;③碳氧同位素數據顯示大陳嶺中晚期具有一次海水變深的特征，與漂浮或游泳生活生物化石產出層位相當。淺水相依據:①大陳嶺期海平面較荷塘期下降，具有類臺地型沉積特征;②白云質灰?guī)r中發(fā)育大量鳥眼構造，是臺坪相沉積標志;③浙西海盆寒武紀早期演化和巖相組合特征，結合地震液化脈體碳氧同位素研究，浙西整體為較淺水環(huán)境，屬碳酸鹽巖臺地潮坪相。

(3)浙西早寒武世大陳嶺組存在一套地震—海嘯沉積事件，且海嘯巖的產出層位與較深水相化石產出層位、碳同位素正漂移層位相當。作者綜合分析認為，反映較深水相的生物是海嘯作用帶來的結果，海嘯作用導致了早寒武世具有短暫地、急劇海平面上升，同時把半深水相的沉積物攪動起來并帶到淺水區(qū)沉積下來，造成大陳嶺組0.54 m厚的沉積物異常，并最終在碳氧同位素上表現(xiàn)出來。

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