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文章信息
- 杨瑞青, 杨风丽, 周晓峰, 周志
- YANG RuiQing, YANG FengLi, ZHOU XiaoFeng, ZHOU Zhi
- 汉南—川东北灯影组古地理演化:晚震旦世扬子西北缘拉张背景的沉积学证据
- Paleogeographic Evolution of the Dengying Formation in Hannan-Northeastern Sichuan Basin: Sedimentary evidence of the extensional tectonic setting for the northwest margin of the Yangtze Block in the Late Sinian
- 沉积学报, 2019, 37(1): 189-199
- ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2019, 37(1): 189-199
- 10.14027/j.issn.1000-0550.2018.146
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文章历史
- 收稿日期:2018-04-20
- 收修改稿日期: 2018-06-28
2. 同济大学海洋与地球科学学院, 上海 200092;
3. 中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100083
2. School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China;
3. Oil & Gas Survey, China Geology Survey, Beijing 100083, China
新元古代作为全球Rodinia超大陆裂解的关键时期[1-2],在世界不同陆块内均产生了不同程度的构造与沉积环境演变响应[3-5]。处于Rodinia超大陆裂解时期的中国扬子、华北板块,以及松潘—甘孜等微小陆块,由于裂解时期所处的古地理位置的不同,造成其构造与沉积响应上的极大差别,如扬子古陆块在新元古代早期(820 Ma)至中奥陶世(458 Ma)时期,始终处在“兴凯地裂运动”控制下的构造与沉积作用中,在板块内部发育多条裂谷[6-7],而华北古陆块则远离新元古代超级地幔柱中心,处于构造活动的相对平静期[8-9],松潘—甘孜陆块不同于扬子与华北板块,物源分析显示源区为火成岩区,在岩石、地球化学等方面均表明陆块长期处于大陆岛弧的构造背景[10],等等。
汉南—川东北地区位于扬子陆块西北缘,北接秦岭造山带,南邻四川盆地,西与龙门山与松潘—甘孜地块相隔(图 1)。特定的大地构造位置,决定了汉南—川东北地区本身记录和蕴藏了大量与Rodinia超大陆裂解有关的扬子陆块构造与环境演变的信息,并且也成为沟通北部秦岭褶皱系、西北部松潘—甘孜褶皱系与南部四川盆地之间的构造与沉积演变的关键地区。长期以来,前人虽然对该时期四川盆地的构造与沉积演变做了一定的探索与研究[14-15],但对于汉南—川东北地区的研究却相对薄弱,尤其是在沉积环境上还存在深海盆地、斜坡或台缘斜坡[16-20]、潮坪[21]以及滨—浅海等[22]的争议,在古地理演化上也还存在沉积物与沉积过程在超大陆裂解背景下的控制作用强度仍不明确等问题。因此,本文试图基于汉南—川东北地区灯影组野外露头和盆地内钻井岩芯的观察与分析,结合四川盆地内地震等相关资料,通过系统的沉积学特征研究,恢复汉南—川东北地区的岩相古地理演化过程,阐明其构造与沉积演变特征,以期为深化Rodinia超大陆裂解过程研究提供汉南—川东北地区的构造与沉积响应证据。
1 区域地质背景汉南—川东北地区在区域地质特征及构造演化上表现出明显的“扬子型”特征,新元古界由青白口系、南华系和震旦系所组成(图 2)。
其中,青白口及前期地层即盆地基底由变质程度不同的岩性组合构成[23],至晋宁期(1 000~800 Ma),地槽褶皱回返,基底固结,汉南—川东北地区开始进入稳定的地台沉积阶段[27]。南华系为研究区第一套沉积盖层,成分以碎屑岩为主,古地理环境的差异导致不同地区岩相、厚度变化很大。震旦系地层覆盖于南华系之上,由陡山沱组和灯影组组成;前人研究认为,陡山沱组沉积时期,汉南—川东北地区进入稳定的浅海相沉积,海侵范围逐渐扩大,地势趋于平缓,白云岩、灰岩、页岩等十分发育;至灯影期,区域内海侵范围继续扩大,形成大量富含藻类的镁质碳酸盐岩沉积,含少量细粒碎屑岩[27]。
寒武系以来,研究区内沉积相逐渐由海相过渡为陆相。自寒武纪至中三叠世,汉南—川东北地区为一套陆表海沉积,晚三叠世之后,开始转变为陆相沉积。
2 沉积特征与岩相古地理 2.1 沉积特征汉南—川东北地区灯影组整体为一套以白云岩、灰岩为主的沉积,总厚度24~975 m[27],自下向上呈现由碳酸盐岩、藻云岩—陆源碎屑岩、硅质岩—角砾岩及燧石条带白云岩的变化。主要岩石类型如下:
(1) 藻云岩:主要为灰色、褐灰色、深灰色泥晶藻云岩(图 3e, f),藻纹层十分发育,具葡萄状、玛瑙纹、雪花状、溶蚀花边构造;局部含鲕粒、团块、核形石等,代表浅水、动荡的沉积环境,在研究区普遍发育。
(2) 角砾白云岩:角砾的粒径范围约1~20 cm,呈棱角状,分选和磨圆性差,角砾成分为泥—粉晶白云岩,与基质成分相近或相同(图 3b, c),为原岩破碎的产物,局部发育石香肠构造[28]。在研究区中部,灯影组上部普遍发育。
(3) 泥—粉晶白云岩:主要为水平纹层和交错层理的灰色泥晶—粉晶白云岩,局部见燧石条带或结核,偶有陆源碎屑物质混入,广布整个研究区。
(4) 灰岩:发育一套灰色、深灰色微晶、细晶块状灰岩,主要分布在研究区东北部和西北部,垂向上多见于灯影组顶部或底部。
(5) 硅质泥岩:按硅质和泥质所占比重,分为硅质泥岩和泥质硅岩,二者呈渐变变化,可见典型的变形层理。一般发育在灯影组中部,位于研究区西北和东北部。
(6) 砂岩、粉砂岩:主要为砂岩、长石石英砂岩、钙质长石杂砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩等,分布于灯影组中部,与硅质泥岩层位相当(图 3d)。
露头连线剖面显示,研究区灯影组地层厚度自西向东逐渐变薄(图2),西部宁强—南江一带地层厚度较大,南江杨坝剖面灯影组厚度达880 m以上[24],而东部镇巴—城口一带地层厚度相对较薄[11, 25-26]。从岩性特征上看,东西部也存在较大差异,西部宁强—南江一带以白云岩为主,藻类十分发育,反映温暖湿润的碳酸盐台地沉积特征,局部见鲕粒构造,指示浅水、动荡的沉积环境;而东部镇巴—城口一带自西向东水体变深,镇巴两河口剖面为白云岩沉积,厚度仅120 m[25],向东至城口、镇坪一带,逐渐过渡为泥质白云岩、灰岩和泥岩、硅质岩沉积,局部见变形层理,反映由台地相向台缘斜坡相的过渡,水体逐渐变深的特征。
2.2 岩相古地理(1) 优势相划分
优势相的划分为岩相古地理恢复提供了原始资料信息。研究认为(图 4),汉南地区(旺苍、南江、南郑等地)灯影组以白云岩和藻云岩为主;川中高石梯—磨溪地区灯影组与汉南地区相似,均为白云岩及藻云岩沉积(图 3e, f),发育鲕粒、团粒等构造,代表了浅水、动荡的沉积环境,说明汉南及川中地区的优势相为局限台地。而研究区西北部宁强胡家坝剖面的白云岩中灰质成分明显增加,代表水体加深的开阔台地沉积。研究区东北部(镇巴、城口、镇坪等剖面)呈现自西向东水深加深的变化,镇巴两河口剖面为白云岩沉积,底部发育陆源碎屑岩,推断其优势相为开阔台地;城口地区剖面以灰岩沉积为主,镇坪剖面以泥质硅岩和硅质泥岩为主,反映了较为深水的沉积环境,认为城口—镇坪一带的优势相为台缘斜坡。
(2) 主要沉积单元及古地理展布
笔者基于露头剖面和钻孔资料,结合公开发表的地震剖面以及相关岩相古地理资料,恢复了汉南—川东北地区灯影组的岩相古地理(图 4),其主要沉积单元为:
① 古隆起:主要分布在汉南地区。前人资料表明,晚震旦世灯影期在汉中—城固—西乡一带曾有古陆发育[18],可能代表了区域隆起剥蚀的古地理性质;此外,研究区露头剖面中部普遍发育的砂岩、泥岩等陆源碎屑的广泛分布也表明在研究区附近陆源区存在的可能性,推测区域内存在汉南古隆起。
② 局限台地:主要分布在四川盆地北部、中部和东部宣汉—开江一带,在区域内呈南北向展布。汉南古隆起周缘的灯影组地层,发育一套白云岩、藻白云岩沉积,进一步划分为云坪、藻云坪,为局限台地相沉积,丰富的藻类形成藻云坪在局限台地边部形成碳酸盐镶边;广元—南江一带灯影组白云岩中含砂质条带及细小砾石,推测是受汉南古隆起的影响,接受了少量陆源沉积;而大量钻孔资料揭示川中巴中—南充一带以白云岩和藻白云岩为主,几乎未见陆源碎屑岩[13, 29-30],说明汉南古隆起至周缘局限台地的坡度较大,而局限台地主体却较平缓,导致碎屑物的搬运距离很短。宣汉—开江地区的最新地球物理资料表明区域内在灯影期为隆起区,结合相关钻孔资料,认为其为局限台地沉积[31]。
③ 开阔台地:主要分布在广元以西和镇巴—通江—达州—宣汉一带,以白云岩—灰岩沉积为主。在开阔台地的不同位置,沉积厚度也有所差异,表现为以局限台地为中心,西侧较厚,东侧较薄的特征,可能由坡度和水深不同造成;代表开阔台地的宁强胡家坝和镇巴两河口剖面中局部见砂质条带、粉砂岩等陆源碎屑物质,可能来源于区域内古隆起的剥蚀沉积。
④ 台缘斜坡:主要分布在研究区东侧万源—达州一带,以镇巴小洋坝、万源大竹和城口高燕剖面为典型代表,发育一套灰岩、硅质泥岩、页岩,反映水体相对较深的沉积环境,局部见少量白云岩沉积,与研究区西部川北和川中地区台地相沉积相比(图 2镇巴两河口),反映浅水环境的碳酸盐岩沉积明显变少(图 5);岩石呈黑色、灰黑色,表明岩石形成时的还原环境;在厚度上,万源—达州一带灯影组沉积厚度较薄,城口明月剖面厚度仅为87 m,代表较低的沉积速率,符合较深水区的沉积速率;剖面局部可见变形层理和瘤状构造,可能由沉积物垮塌过程中形成。
总体上,研究区灯影组的古地理面貌呈“一隆两凹”的特征(图 4),各沉积单元呈南北向展布;北部西乡—城固一带的汉南古隆起地势最高,围绕古隆起的水下区域发育局限台地,发育丰富的藻类,且在台地边缘形成镶边;局限台地呈南北向展布,向南延伸至川中地区;通过灯影组同沉积断层的识别,认为汉南地区局限台地内发育若干南北走向的次级盆地;在局限台地两侧发育开阔台地;研究区东侧万源—达州一带为台缘斜坡相,与开阔台地连续过渡。古地理恢复结果显示,灯影期研究区地势为中部高,东西两侧低,南北向则表现为南高北低,在广元以西和安康—紫阳—城口地区,分别存在北东向坳陷,推测其与当时的区域构造密切相关。
3 拉张背景下的古地理响应研究表明,灯影期扬子西北缘处于伸展构造背景之下,主要证据如下:
(1) 同沉积断层:在汉南地区识别出数条北东向、北北东向展布的灯影期同沉积断层[23],证实了汉南地区灯影期处于台盆相间的构造格局。因这些同沉积断裂的走向与古地理图中两个坳陷区的展布一致,推测它们为同一时期、同一构造运动的产物;在川东北万源—达州一带的地震剖面中同样可见同沉积断层的存在(图 6),且城口地区白云岩角砾具有塑性形变下的张裂构造特征(图 3a),表明岩石形成过程中受到拉张应力;反映扬子西北缘灯影期构造运动的存在。
(2) 沉积水体环境:研究区灯影组岩性垂向上的变化,反映沉积水体深度经历了浅水—深水—浅水的变化,说明灯影期发生了海平面升降或构造运动。镇巴地区灯影组白云岩碳、硫同位素和微量元素指示灯影组沉积水体经历了氧化—还原—氧化的过程,其中还原环境与深部缺氧水体的上涌有关[25],结合区域内角砾、断层等构造信息推测认为,这可能是拉张作用下引起的水体扰动,进而形成深浅部水体的交换。
(3) 川中拉张槽/裂陷槽:四川盆地西部绵竹—乐至—隆昌—长宁地区存在一个拉张槽/裂陷槽的观点已达成共识[15, 32-34],表明四川盆地在灯影期处于拉张背景[35]。在沉积记录上,宁强胡家坝以东的局限台地表现出向西水体逐渐加深,地势变低的特征;高石梯—磨溪地区的钻孔资料也显示局限台地与开阔台地过渡的沉积特征[15, 36-37],与地震剖面上识别出的拉张槽/裂陷槽的位置相吻合[32-34]。
(4) 川东北万源—达州裂陷槽:通过重力异常与深地震反射资料、航磁异常及地球化学研究,认为太古宙—古元古代,以重庆—华蓥一线为界可能存在东西两个陆核[38],与识别出的古隆起相对应;通过地震资料的解释与分析,又识别出位于川东北万源—达州一带呈北东向展布的灯影期内裂陷[11]。而万源—达州内裂陷正处于重庆—华蓥一线的北部延伸区,且在古地理展布上,城口—万源地区发育的台缘斜坡相与裂陷槽的走向一致,并与重磁震预测结果相吻合,足以证实万源—达州一带呈北东向展布的裂陷槽的存在。
4 汉南—川东北地区灯影组古地理演化汉南—川东北地区晚震旦世灯影组长期处于浅海的沉积环境。从灯影早期—灯影末期,经历了由稳定沉积到活动拉张的变化,根据构造活动的强弱,进一步分为稳定沉积、拉张前奏和主体拉张三个阶段(图 7)。
研究区灯影组普遍整合覆盖在浅海相沉积的陡山沱组之上[22]。在陡山沱组沉积末期,区域海侵作用增强,在灯影组早期开始了潮坪等台地相的初始沉积状态(图 7a)。
(1) 稳定沉积阶段(S1)
灯影早期(灯影组一、二段),汉南—川东北地区进入了稳定沉积阶段,此时,海水水体较浅,气候较为温暖,在局限台地的浅水区发育大量藻类,形成大套藻云岩沉积。整个阶段,水体环境较为稳定,发育水平细纹层。在区域东西两侧水体相对较深,发育少量灰岩沉积,代表开阔台地—台缘斜坡的古地理面貌(图 7b)。
(2) 拉张前奏阶段(S2)
灯影中期(灯影组三段),研究区开始了伸展的前奏阶段。与上一阶段相比,该阶段在沉积物成分上发生了很大变化:在局限台地内有大量陆源碎屑成分混入,主要为砂岩、粉砂岩等,可能与拉张背景下汉南古陆的陆源物质搬运作用有关;局限台地东西两侧受拉张作用,形成了反映台地—半深水环境的灰岩、泥岩和泥质硅岩和硅质泥岩沉积,水深的增加,可能意味着拉伸作用的开始,区域内正在掀起拉张序幕(图 7c)。
(3) 主体拉张阶段(S3)
灯影末期(灯影组四段),研究区进入主体拉张阶段。在此阶段,主要发育含燧石条带白云岩。此时受到伸展拉张作用,研究区内发育一系列南北、北东走向的断裂,在区域东西两侧形成两条规模巨大的拉张槽/裂陷槽,即绵竹—乐至—隆昌—长宁拉张槽/裂陷槽和万源—达州裂陷槽;中部受同沉积断层作用,在局限台地内发育东西排布的台盆相间格局,台盆中发育大量原地破碎的角砾岩与石香肠构造,进入较强烈的拉张作用阶段(图 7d)。
5 结论(1) 汉南—川东北地区灯影组主要为白云岩、灰岩,少量硅质泥岩、粉砂岩等陆源碎屑沉积,在垂向上表现为水体由浅变深再变浅的过程,研究区主要沉积单元为古隆起、局限台地、开阔台地和台缘斜坡。
(2) 晚震旦世灯影期,研究区经历了由稳定沉积到活动拉张的变化。从灯影早期—灯影末期,研究区经历了稳定沉积、拉张前奏和主体拉张三个阶段,最终形成了南高北低的古地势,各沉积单元呈南北向或北东向展布,在平面上呈“一隆两凹”的古地理格局。
(3) 研究区沉积特征与构造背景相耦合,汉南古陆和浅水局限台地与地球物理资料显示的四川盆地古陆核位置相对应,代表较高的古地理位置;较深水开阔台地与台缘斜坡相带与绵竹—乐至—隆昌—长宁拉张槽/裂陷槽和万源—达州裂陷槽的位置相吻合。这不仅从沉积学角度证实了四川盆地灯影期发育的两条拉张槽/裂陷槽,也表明灯影期汉南—川东北处于拉张的构造背景,并响应于Rodinia超大陆裂解的古构造格局。
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