沉积学报  2019, Vol. 37 Issue (3): 565−578

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白莹, 罗平, 刘伟, 曹颖辉, 徐兆辉, 王珊, 龚骥遥
BAI Ying, LUO Ping, LIU Wei, CAO YingHui, XU ZhaoHui, WANG Shan, GONG JiYao
塔西北下寒武统风暴活动特征及其沉积学响应
Storm Activity Characteristics and Their Sedimentary Responses for the Xiaoerbulak Formation, Lower Cambrian, NW Tarim Basin
沉积学报, 2019, 37(3): 565-578
ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2019, 37(3): 565-578
10.14027/j.issn.1000-0550.2018.136

文章历史

收稿日期:2018-04-04
收修改稿日期: 2018-05-12
塔西北下寒武统风暴活动特征及其沉积学响应
白莹1 , 罗平1 , 刘伟1 , 曹颖辉1 , 徐兆辉1 , 王珊1 , 龚骥遥2     
1. 中国石油勘探开发研究院, 北京 100083;
2. 中国石油渤海钻探工程有限公司第二钻井分公司, 河北廊坊 065007
摘要: 在塔西北阿克苏露头区发育多套类型不同的下寒武统肖尔布拉克组风暴岩,它们宏观上与微生物丘混生或共生,微观上可见不同类型的微生物结构,但与此相关的研究甚少。以露头观察和室内鉴定为基础,在苏盖特布拉克地区和昆盖阔坦地区划分出4类8种各具特色的微生物丘-风暴岩沉积序列,并归纳总结了塔西北地区下寒武统肖尔布拉克组风暴沉积模式,认为其发育位置和沉积特征主要受控于"三面",包括平均海平面(MSL)、正常浪基面(FWB)和风暴浪基面(SWB);"四期",包括平静期、高峰期、衰减期与停息期;"五流态",包括风暴涡流、风暴下部回流(包括风暴碎屑流和风暴浊流)沉积与风暴上部回流(包括风暴漫流和风暴潮流)。另外古风暴中心的发育位置也可影响风暴沉积特征。最后在前人研究的基础上,对"贫乏骨骼的风暴海"的形成条件进行探讨。
关键词: 塔里木盆地    阿克苏地区    肖尔布拉克组    风暴沉积    微生物丘    
Storm Activity Characteristics and Their Sedimentary Responses for the Xiaoerbulak Formation, Lower Cambrian, NW Tarim Basin
BAI Ying1 , LUO Ping1 , LIU Wei1 , CAO YingHui1 , XU ZhaoHui1 , WANG Shan1 , GONG JiYao2     
1. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083, China;
2. No.2 Drilling Company of Bohai Drilling Engineering Company, CNPC, Langfang, Hebei 065007, China
Foundation: National Science and Technology Major Project, No. 2016ZX05004002; Petro China Science and Technology Project, No. 2016B-0402
Abstract: Several different types of tempestites are found in the Xiaoerbulak Formation, Aksu area, Tarim Basin. Tempestites and bioherms have a symbiotic relationship or macroscopic mix growth pattern, with various types of microbial composition in microcosmic aspects. However, little research has performed on this phenomenon. Based on outcrop section observations and thin section identifications, 4 classes and 8 types of bioherm-tempestite sedimentary successions are recognized in the Sugaitblak and Yutixi areas, and the sedimentary model is established. As a result, corresponding locations and characteristics are mainly controlled by "three bases", including mean sea level, fair wave base, and storm wave base, "four stages", including quiet stage, strong stage, weakening stage, and dying-out stage, and "five flow regime", including storm eddy, lower storm back-flow (split into storm turbidity currents and storm debris flow), and upper storm back-flow (split into storm overflow and storm tide). The position of the ancient storm center can also affect the storm deposit characteristics. At last, based on previous research, the origin of the stormy sea with the scarcity of metazoan skeletons is discussed.
Key words: Tarim Basin    Aksu area    Xiaoerblak Formation    storm deposits    bioherm    
0 引言

在塔西北阿克苏露头区可见多套类型不同的下寒武统肖尔布拉克组风暴岩,它们微观上可具由菌藻类直接或间接形成的微生物结构,宏观上多与形态各异的微生物丘共生或混生。这种鲜有研究的组合整体上符合风暴沉积的宏观定义[1-7],也与“贫乏骨骼的风暴海”这一标准地质现象相对应[8-13]。宋金民等[14-15]曾对塔西北苏盖特布拉克地区的风暴下部回流沉积物进行研究,并将与三叶虫碎片伴生的蓝细菌凝块结构整体归为机械成因,但并未从生物成因方面进行考虑;另一方面,与风暴岩伴生的微生物丘往往被识别为截切生物丘,并被认为是鉴别碳酸盐岩风暴沉积的重要标志,这一约定俗成的概念忽视了微生物丘对风暴上部回流的减弱和阻挡作用[16-18]

因此,本文立足于塔西北苏盖特布拉克地区和昆盖阔坦地区,在野外露头实测和镜下薄片鉴定的基础上,阐明了塔西北下寒武统肖尔布拉克组的风暴沉积特征,并对微观微生物结构以及宏观微生物建造的保存和分布关系进行探讨,力求为“贫乏骨骼的风暴海”这个地质时期提供一个较为典型的实例,同时也为风暴沉积的进一步研究提供一定的思考。

1 研究区地质背景

研究工区位于新疆阿克苏地区乌什县境内,东北距阿克苏市约70~80 km,构造分区上属于柯坪断隆东段(图 1)。晚震旦世末期柯坪运动导致地壳区域性上升,寒武系底界与震旦系奇格布拉克组之间呈平行不整合接触,之后直到志留纪工区始终处于稳定克拉通发展阶段。早寒武世塔里木板块漂移至冈瓦纳古陆西部,大致位于赤道附近,早期经历了大规模海侵后,不整合面上沉积了分布广泛的黑色页岩、含磷硅质岩和磷块岩,并以此为基础形成了碳酸盐缓坡,之后受持续海退的影响逐渐演变为浅水镶边碳酸盐台地[15, 19-22]。研究层位肖尔布拉克组下伏玉尔吐斯组,上覆吾松格尔组,沉积时间约为521~515 Ma,主要沉积环境为缓坡—台地边缘沉积。工区内肖尔布拉克组厚度约为100~200 m,可分为“下黑上白”两段,其中下段为深灰色块状包壳凝块石云岩,主要发育层状微生物岩;上段为浅灰色块状凝块石云岩,主要发育风暴沉积与块状微生物岩[20-22]

图 1 塔西北地质简图及其相关露头位置 Figure 1 Geological map of NW Tarim Basin and location of the study area
2 研究区风暴沉积特征

风暴沉积多分布在热带风暴频频发生的热带浅海陆棚区,可被视为浅海陆棚环境的典型沉积物,其整体分带特征主要受控于“三面”,包括平均海平面(MSL)、正常浪基面(FWB)和风暴浪基面(SWB)[1, 14, 17-18];另一方面事件性爆发的风暴灾害天气具有四期(可依次分为平静期—高峰期—衰减期—停息期)周期活动特征,作为风暴沉积的直接驱动力,具有五种与风暴相关的流态:风暴下部回流(分为风暴碎屑流和风暴浊流)、风暴涡流,以及风暴上部回流(分为风暴漫流和风暴潮流)。因此,风暴沉积的发育位置和沉积特征主要受控于“三面”、“四期”、“五流态”(表 1)。

表 1 塔西北地区下寒武统肖尔布拉克组风暴流态模式 Table 1 Flow regime model of the Xiaoerbulak Formation, Lower Cambrian, NW Tarim Basin
流态分类 水动力机制 沉积物特征 主要位置 主要期次
风暴上部回流 风暴漫流 风暴水流将微生物丘顶的破碎砾屑冲刷搬运到丘后 多呈尖灭—透镜状产出,成分复杂,可包括砂屑级包壳颗粒和生屑,可见显微凝块结构 FWB之上,MSL之下 衰减期
风暴潮流 风暴潮汐作用将丘及附近的沉积物打碎并向岸一侧搬运,越过丘顶则转变为漫流 多呈薄层状产出,具粒序结构,颗粒成分复杂,多为砂屑级 FWB之上,MSL之下 衰减期
风暴涡流 风暴低气层气流和水体表面摩擦导致水体旋涡式流动,并对底质造成侵蚀,并将之拽离原地,是最主要的风暴作用营力 多呈块状产出,由呈杂乱状—Ⅴ字状排列的板条状砾石组成的风暴砾屑灰岩,可见丘屑和凝块构造 FWB,SWB之间 高峰期
风暴下部回流 风暴碎屑流 风暴涡流引起的悬浮颗粒在重力作用和风暴退潮流的影响下向下拖拽 多呈块状—厚层状产出,由粒状砾石和生屑组成的风暴砾屑—砂屑灰岩 FWB,SWB之间 衰减期
风暴浊流 风暴碎屑流细组分和海水充分混合形成低密度流体 多呈薄层状产出为毫米—厘米级递变纹层砂屑灰岩 SWB之下 衰减期、停息期
2.1 苏盖特布拉克地区风暴沉积序列特征

苏盖特布拉克地区下寒武统肖尔布拉克组风暴沉积物整体厚约20~30 m,单条剖面可见多套风暴岩和丘状微生物丘相间发育,呈混生关系,其具体表现为风暴平息,微生物丘发育;风暴来临,微生物丘遭到截切,丘塌积物可见于风暴岩中(图 2)。

图 2 苏盖特布拉克地区微生物丘—风暴岩沉积特征 Figure 2 Bioherm and tempestite characteristics in the Sugaitblak area

笔者结合风暴沉积物的沉积特征与发育环境,总结出了4种风暴沉积序列(图 3):

图 3 苏盖特布拉克地区肖尔布拉克组风暴序列类型 Figure 3 Types of storm deposit sequences in the Lower Cambrian, Xiaoerblak Formation, Sugaitblak area

序列Ⅰ1为风暴下部回流—风暴浊流沉积,为风暴衰减期至停息期的产物,分布在SWB以下的外缓坡环境,以递变纹层段(E1)为主要识别特征,岩性主要为具毫米级递变层理的亮晶砂—粉屑灰岩(图 4a),对应细组分碎屑流与海水充分混合后形成的低密度流[14, 16-18]。背景沉积物为外缓坡正常沉积物,由于水体深度过大微生物结构普遍不发育,岩性以泥晶灰岩为主,有时可含少量砂屑,多具水平层理。

图 4 苏盖特布拉克地区风暴沉积序列Ⅰ1和序列Ⅱ1特征 a.序列Ⅰ1递变纹层段,具有明暗相间的显微纹层结构。亮纹层具有亮晶砂—粉屑结构,暗纹层具有泥晶结构,层距约2 mm;b.序列Ⅱ1,自下而上可依次由“背景沉积物、竹叶状砾屑段(A1)、粒状砾屑段(A2)、生屑砾屑段(A3)、粒序段(B)、平行层理段(C)、丘状纹层段(D)、泥质灰岩段(E2)”;c.序列Ⅱ1,背景沉积物中的微生物席构造,具有毫米级波状纹层结构,层距约5 mm,黄色箭头处可见暗色有机质和微生物纹层共生;d.序列Ⅱ1,竹叶状砾屑段(A1),厚约5 cm,下部为平行层面分布的板条状砾屑,上部可见呈“Ⅴ”字状排列的竹叶状砾屑,引自文献15;e.序列Ⅱ1,分选不好的粒状砾屑段,大小约(0.4~1)×(0.5~2) mm2;左下角和右上角为成岩作用的影响,而非侵蚀面;f.序列Ⅱ1,生屑砾屑段(A3),生屑大小约(0.1~0.3)×(0.5~2) mm2,红色箭头处可见房室状表附菌零星发育,直径约0.6 mm;g.序列Ⅱ1,粒序段(B),厚约10cm,和平行层理段(C),厚约13 cm,引自文献[15] Figure 4 Characteristics of type Ⅰ1 and type Ⅱ1 tempestites in the Sugaitblak area

序列Ⅱ1(图 4b)主要发育在SWB和FWB之间,中缓坡下部,背景沉积物为条带状灰岩,镜下可见微生物席构造(图 4c),可视为发育微生物席的无扰动席底[23-24]。微生物席主要由毫米级微生物纹层构成,多与有机质共生,部分可被浸染,整体呈弥散状且延伸较远。序列Ⅱ1整体具二元结构,由下部:风暴涡流—风暴碎屑流沉积物,以及上部:风暴下部回流沉积物组成。其中下部沉积物为风暴高峰期产物[14, 25-27],主要由砾屑段构成,底层可见冲刷—充填构造,可包括冲刷侵蚀面,渠模、钵模等。砾屑段自下而上可分为三亚段。竹叶状砾屑段(A1)位于底部,整体厚约3~10 cm,下部砾屑呈板条状,多平行层面分布,约(0.4~1)×(0.5~2) cm2,整体分选不好,磨圆度差,多呈棱角状。上部砾屑多为竹叶状,约(0.2~0.5)×(0.3~1.5) cm2,多呈杂乱状至“Ⅴ”字状排列,磨圆度整体较差,该段自下而上反映风暴涡流对底质的逐渐改造过程(图 4d);粒状砾屑段(A2)位于中部,砾屑大小约(0.1~1)×(0.4~2) mm2,整体成分复杂,可包括席底碎片、微生物丘碎片以及部分它源砂屑,分选不好,杂乱分布,可见大砾屑之间被小砾屑和砂屑充填,整体上砾屑具有一定的磨圆度,多呈次棱角状—次圆状(图 4e)。生屑砾屑段(A3)位于上部,生屑以三叶虫和骨针为主,大小约(0.1~2)×(0.5~3) mm2,多呈弯曲状至长条状,生屑多具包壳结构,基质以泥晶灰岩为主,可含少量砂屑。生屑和砂屑之间可见房室状表附菌零星发育,直径约0.2~1 mm(图 4f)。A2到A3段反映了风暴流的性质已从风暴涡流演变为风暴碎屑流[14]。风暴下部回流沉积物对应风暴高峰期至衰减期产物,自下而上可见具有粒序结构、厚约3~5 cm的砂屑层(B段),厚约5~10 cm的平行层理段(C)(图 4g),以及厚约20 cm的丘状纹层段(D),顶面可见具有水平层理的深灰色泥质灰岩段(E2)。

序列Ⅲ1主要发育在中缓坡上部,大致位于FWB附近,该序列的标志性构造为微生物截丘构造,具有典型的二元结构(图 5a)。侵蚀间断面下部微生物丘一般高1~2 m左右,可分为丘基、丘核、丘盖这三部分。丘基位于底部,厚约0.5 m,主要由深灰色泥晶灰岩、层纹石灰岩和凝块石灰岩组成,为微生物丘发育的基础,也可看作是斜坡背景沉积物(图 5b)。丘核位于中部,厚约1.5 m,主要由凝块石灰岩组成,具有团状凝块(图 5c),直径约0.1~2 cm,镜下主要由房室状表附菌凝块状显微组构组成,直径约0.5~2.5 mm(图 5d)。丘盖位于顶部,厚约0.5 m,主要由颗粒白云岩组成,镜下可见大小不一、成分复杂的砾石呈杂乱状分布,砾石大小约(0.3~2)×(0.4~3) mm2 (图 5e)。

图 5 苏盖特布拉克地区风暴沉积序列Ⅲ1微生物丘特征 a.序列Ⅲ1,微生物截丘构造以及由丘基、丘核、丘盖构成的微生物丘,与上部风暴沉积物以一侵蚀间断面相间隔;b.丘基,镜下可见微生物纹层构造,纹层厚约0.3 mm,以及弱凝块结构,凝块直径约0.5 mm;c.丘核,宏观可见团状凝块,最大直径大约1.8 cm;d.丘盖,镜下可见成岩作用较强烈的房室状表附菌,最大直径大约2mm;e.丘盖,镜下可见砾石结构,大小约(0.4~1.5)×(0.5~2.4) mm2 Figure 5 Characteristics of type Ⅲ1 tempestites and bioherms in the Sugaitblak area

微生物丘的顶部和侧部可见明显的截切侵蚀间断面(图 5a)。间断面之上主要为掏蚀微生物丘的风暴碎屑流沉积物,该沉积物主要由粒状砾屑段(A2)构成,可见受风暴改造的微生物丘碎片呈砾屑产出(图 6a),大小约(0.2~2)×(0.3~2.5) mm2,多与砾级—粗砂级包壳颗粒以及部分无机砂屑伴生,指示微生物丘受到了强风暴的改造。风暴碎屑流沉积物的上部为生屑砾屑段(A3),生屑大小约(0.1~0.8)×(0.2~2.5) mm2,可见生屑呈漂浮状分布于泥晶基质,部分生屑边缘可见由于微生物生长而产生的凝块结构,此外还有大量成分复杂的砂屑与丘屑与生屑伴生,可能为风暴上部回流受到微生物丘的阻挡,折回后带回来了的大量砂屑沉积物(图 6b)。至上部则渐变为递变纹层段(E1)。

图 6 苏盖特布拉克地区风暴沉积序列Ⅲ1上部风暴沉积物和序列Ⅳ1沉积特征 a.序列Ⅲ1,粒状砾屑段(A2),砾屑主要由微生物丘碎片组成,大小约(0.4~1.5)×(0.5~1.8) mm2;b.序列Ⅲ1,生屑砾屑段(A3段),可见漂浮在泥晶基质中的生屑,大小约(0.1~0.4)×(0.2~2.2) mm2,右上角黄箭头处可见凝块构造;c.序列Ⅳ1,粒状砾屑段(A2),大小约(0.3~0.8)×(0.3~2) mm2,隐约可见包壳构造;d.序列Ⅳ1,粒序段(B),见生屑,左下角的凝块构造由房室状表附菌构成,直径约0.3~1.5 mm,右上角的凝块构造由枝状表附菌构成,集合体约(0.1~0.8)×(0.2~2.5) mm2,引自文献[15] Figure 6 Characteristics of type Ⅲ1 and type Ⅳ1 tempestites in the Sugaitblak area

序列Ⅳ1主要发育在FWB之上,MSL之下,位于微生物丘后部,大致对应内缓坡沉积环境。冲越截切微生物丘的风暴上部回流沉积物覆盖在富砂背景沉积物之上,其下部为粒状砾屑段(A2),砾屑大小约(0.2~1)×(0.3~2.5) mm2,成分复杂,部分隐约具有包壳构造(图 6c)。上部主要为粒序段(B),砂级颗粒主要由大量包壳颗粒以及少量的三叶虫碎片构成,部分可见由表附菌构成的显微凝块构造,可包括房室状表附菌以及枝状表附菌(图 6d)。

2.2 昆盖阔坦地区风暴沉积序列特征

昆盖阔坦地区下寒武统肖尔布拉克组风暴沉积物厚约10~20 m。与苏盖特布拉克地区相比,单条剖面的风暴沉积序列数量较少,仅为几个;风暴沉积序列厚度较小,仅为几十厘米左右;仅见一套透镜状微生物丘,与风暴岩呈共生关系,即风暴平息,微生物丘发育;风暴来临,微生物丘停止生长。

在昆盖阔坦地区识别出了4种微生物丘—风暴岩沉积序列(图 7):

图 7 昆盖阔坦地区肖尔布拉克组风暴序列类型 Figure 7 Types of storm deposit sequences in the Lower Cambrian, Xiaoerblak Formation, Kungaikuotan area

序列Ⅰ2形成于风暴衰减期至停息期,主要为外缓坡相风暴浊流沉积,总体沉积特征和序列Ⅰ1类似。

序列Ⅱ2位于中缓坡下部,形成于风暴高峰期,主要为风暴涡流—风暴碎屑流沉积,背景沉积物为具有泥晶包壳、亮晶核心结构的包壳颗粒,约(0.3~1)×(0.3~6) mm2(图 8a),可向上过渡为具有微生物纹层结构的微生物席,指示水体的局限性向上逐渐减弱,流动性向上逐渐增强。风暴沉积物发育在微生物席底之上,和序列Ⅱ1相比,其二元结构不甚明显。竹叶状砾屑段(A1),砾屑约(0.3~2)×(1~8) cm2,基本呈断续状近平行层面分布(图 8b),个别可见砾屑一端被掀起,一端尚未脱离基底(图 8c),指示弱风暴涡流。生屑砾屑段(A3),可见生屑漂浮在具有明显的席状结构的泥晶基质中(图 8d)。砂屑层(B)具有粒序结构,整体来说A3-B段对应风暴碎屑流到风暴下部回流的转变。

图 8 昆盖阔坦地区风暴沉积序列Ⅱ2和序列Ⅲ2特征 a.序列Ⅱ2,具有包壳结构的背景沉积物,大小约(0.5~0.8)×(0.5~5) mm2;b.序列Ⅱ2,竹叶状砾屑段(A1),宏观上砾石平行层面分布,砾石大小约(0.5~1)×(1.5~7) cm2;c.序列Ⅱ2,竹叶状砾屑段(A1),可见砾石右端尚未脱离基底,左端被掀起;d.序列Ⅱ2,生屑砾屑段(A3),生屑漂浮在具有明显的席状结构的泥晶基质中;e.透镜状微生物丘,宏观上见花斑状凝块;f.宏观上的花斑状凝块主要由枝状表附菌构成,表附菌集合体约(0.5~2)×(2~5) mm2 Figure 8 Characteristics of type Ⅱ2 and type Ⅲ2 tempestites in the Kungaikuotan area

序列Ⅲ2的背景沉积物为包壳颗粒,指示较为局限的环境。位于中缓坡上部的透镜状微生物丘(图 8e)在微观上主要由枝状表附菌(图 8f)组成,集合体大小约(0.3~2.5)×(1~6) mm2。丘下部可见粒序段(B),岩性主要为薄层状砂屑白云质灰岩,指示被礁体挡回的风暴上部回流。

序列Ⅳ2主要发育在FWB之上的内缓坡环境,位于微生物丘的后部。背景沉积物为球粒滩,球粒多呈黏聚状,直径约0.2 mm(图 9a),球粒聚集程度的差异可显示出纹层结构,镜下可见球粒过于密集的地方可出现压溶缝合线构造(图 9b)。正常沉积物之上为冲越层状微生物丘的风暴上部回流沉积物。上部主要为成分复杂的砂砾屑粒序段(B),下部多见包壳颗粒和核形石碎片(图 9c),上部多为砂屑,部分视域可见由灌木状微生物组成的房室状表附菌集群形成的显微凝块,直径约0.2~2 mm,边缘可见由暗色泥晶套(图 9d)。粒序段(B)可向上渐变为含球粒的泥质灰岩(E2)。

图 9 昆盖阔坦地区风暴沉积序列Ⅳ2特征 a.序列Ⅳ2,球粒滩,球粒呈黏聚状,直径约0.2 mm;b.序列Ⅳ2,球粒密集之处可见压溶缝合线构造;c.序列Ⅳ2,粒序段(B),下部砾屑成分复杂,砾屑多由包壳颗粒和核形石碎片组成;d.序列Ⅳ2,粒序段(B),上部多由砂屑组成,砂屑之间可见显微凝块构造,主要由房室状表附菌构成,大小约0.5~1.8 mm Figure 9 Characteristics of type Ⅳ2 tempestites in the Kungaikuotan area
3 塔西北地区下寒武统肖尔布拉克组风暴沉积模式

根据塔西北下寒武统肖尔布拉克组风暴沉积特征(图 10),可见受控于“三面”、“四期”、“五流态”的风暴沉积具有不同的沉积特征,也对生物的活动和生长具有不同的影响[27]

图 10 塔西北地区下寒武统肖尔布拉克组风暴沉积模式 Figure 10 Depositional model of the Lower Cambrian Xiaoerblak Formation, NW Tarim Basin

平静期为缓坡沉积物正常沉积时期,未见明显的风暴沉积物,指示风暴尚未发生,或距离上一段风暴活动有一段时间。此时微生物主要通过两种方法参与成岩。第一种是中缓坡下部—外缓坡环境下,微生物群与沉积环境相互作用,在水动力条件较好的环境以造席为主,而在较为局限的环境以则以包壳作用为主。第二种是中缓坡上部—内缓坡环境下,微生物通过自身生长—钙化的方式建架成丘,在开阔地区发育丘状微生物丘建造,以枝状表附菌建架成礁,较为局限的地区发育层状微生物丘建造,以房室状表附菌建架成礁。

高峰期为风暴活动的强盛时期,此时风暴作用强度较大,活动频率较高。此时风暴中心往往位于中缓坡,风暴对沉积物的改造主要包括对底质的刨蚀冲刷作用,以及颗粒物质的卷扬作用。因此,其对生物活动的影响也主要体现在两个方面:

首先,强烈的风暴涡流可将原地岩层撕裂扯起。首先风暴可改造底质背景沉积物。由于此处背景沉积物为微生物席底,自身矿化作用导致微生物席过早固结,而位于席间的无机成因灰岩多处于半固结状态,因此在风暴撕扯构造中可见背景沉积物多沿席面断裂但微生物席本身并无变形现象,而变形及与基底相连部分往往为无机成因灰岩。成层断裂的砾屑多呈板状,在涡流的持续作用下边角可被磨损成竹叶状。涡流过后砾屑在底部迅速堆积并形成竹叶状灰岩,由于堆积速度过快这些砾屑往往按照涡流原本的漩涡形状进行排列。其次风暴作用可对微生物丘造成影响。其具体表现在平静期形成的微生物丘逐渐停止生长,或者被风暴作用破坏并产生丘屑。这也能从侧面说明枝状表附菌所形成的丘状微生物丘抗浪形较弱,而房室状表附菌所形成的层状微生物丘抗浪形更强[28-29]。另外风暴高峰期可导致大生物的死亡和埋藏,但是在指示风暴高峰期的竹叶状灰岩中却不见踪迹,这是由于风暴的卷扬作用将其搬离原地的缘故。具体过程将在衰减期进行叙述。

衰减期为风暴活动的减弱时期,此时风暴活动频率逐渐减缓,强度也有所减弱。风暴涡流在高峰期可将部分颗粒物质卷起并呈悬浮状态,风暴衰减时悬浮颗粒形成风暴下部回流和风暴上部回流[15, 18]。风暴下部回流的驱动力主要为风暴作用力以及重力,主要包括风暴碎屑流以及风暴浊流,无法将两者区分时可统称为风暴下部回流沉积。其中风暴碎屑流主要位于SWB之上,中缓坡下部,主要由分选不好、成分复杂的粗颗粒物质构成,搬运不远但有一定磨圆度。风暴碎屑流的上部具有明显的粒序结构,指示衰减期风暴作用对颗粒产生的向上托举力已经逐渐开始减弱;一般可含有大量完整度不高的生屑,为风暴高峰期死亡的生物异地埋藏所致,生屑边缘可见包壳结构和凝块结构,加之指示强水动力的房室状表附菌零星发育却没有建架成礁,说明风暴作用虽然强度已经减弱,但仍在持续。风暴碎屑流在SWB之下发展为外缓坡相风暴浊流沉积,为风暴碎屑流的细组分与海水充分混合后形成的低密度流,形成毫米级或厘米级递变纹层,说明此时风暴活动已经完全停止,重力和海流作用力取代风暴作用力,已经成为了风暴浊流沉积的主要动力。由于深水环境不适合微生物的生长发育,因此风暴停息期并没有微生物构造发育。

风暴上部回流包括风暴漫流和风暴潮流[15, 18]。对于发育风暴沉积的地区来说,一方面强大的风暴上部回流会再次冲蚀微生物丘,并将顶部破碎的微生物丘碎屑和生屑搬运至丘后部的半开阔—半局限台地中。由于微生物丘的阻拦作用会减弱上部回流的风暴能量并将其打回,因此风暴沉积物往往搬运距离不远,而且容易呈尖灭状—透镜状产出。其中富砂的半开阔台地上部回流沉积物中可发育表附菌显微凝块构造;而在发育球粒结构的半局限台地则多发育带包壳结构的显微凝块构造。另一方面,风暴上部回流可被微生物丘阻挡并折回,折回后的沉积物多为砂屑,且不含生物结构。风暴衰减期后期,风暴上部回流将无法冲越甚至到达微生物丘,因此总体上来说风暴下部回流存在的时间远大于上部回流,这也能从侧面说明为什么绝大多数风暴模式都建立在下部回流的基础上。

4 讨论 4.1 风暴沉积的主控因素

露头观察和室内鉴定结果表明,风暴岩的发育位置和沉积特征主要受控于“三面”,包括MSL、FWB和SWB;“四期”,包括平静期、高峰期、衰减期与停息期;“五流态”,包括风暴下部回流(包括风暴碎屑流和风暴浊流)、风暴涡流与风暴上部回流(包括风暴漫流和风暴潮流)。然而,在苏盖特布拉克地区,风暴沉积序列自下而上表现为“E1”、“A1 + A2 + A3 + B + C + D + E2”、“A2 + A3 +E1”、“A2 + B”;在昆盖阔坦地区,风暴沉积序列自下而上表现为“E1”、“A1 + A3 + B”、“B”、“B+E2”。这是因为风暴沉积特征还可受控于古风暴中心的三维发育位置。

早寒武世塔里木板块位于冈瓦纳古陆西部,受洋脊强烈扩张的影响,塔里木板块开始快速向北东漂移,直到泥盆纪板块才处于相对静止的状态[21-22]。受限于碳酸盐岩剩磁强度较弱以及重磁化影响,目前有关塔里木盆地寒武纪古纬度的恢复并没有取得实质性进展。仅有学者曾恢复出塔里木板块在震旦纪早期位于49.20° S,至早奥陶世末期位于20° S[30]。近年来有学者利用雅尔当山下奥陶统白云岗组的样品,得出早奥陶世塔里木板块大致位于5°~30° S[31]。根据塔里木板块的移动方向可以推测出早寒武世塔里木板块大致位于5°~49.20°之间,这与风暴的主要形成纬度5°~45°大致对应[32]。但目前在塔里木盆地其他地区尚未发现下寒武统风暴沉积,加之塔西北地区苏盖特布拉克剖面发育的Ⅴ字排列砾石为风暴中心——风暴涡流的直接沉积证据[25],因此塔西北地区可以视作塔里木盆地早寒武世的古风暴中心,而苏盖特布拉克地区可视作塔西北地区的古风暴中心。

位于古风暴中心的苏盖特布拉克地区,其风暴沉积特征和昆盖阔坦地区具有明显的区别:首先,无论是风暴砾屑层厚度,还是风暴砾屑大小,苏盖特布拉克地区均明显大于昆盖阔坦地区,而且前者风暴砾岩多为杂乱状—花状排列,而后者多呈平行—似平行状排列;其次,在昆盖阔坦地区丘状层理不甚发育,而苏盖特布拉克地区可见比较明显的丘状层理和渠模,而后者更接近于理想的风暴下部回流沉积序列;最后,房室状表附菌与枝状表附菌相比,前者指示更加强大的水动力环境,一般也具有更强的抗浪性,加之由房室状表附菌构成的丘状微生物丘出现了截丘构造,这也许能说明昆盖阔坦地区并不位于古风暴的中心发育位置。其之所以出现和苏盖特布拉克地区类似的沉积特征,并严格受控于“三面”、“四期”、“五流态”这三种因素,是由于位于古风暴中心位置的强烈飓风波及范围较广的缘故,这种沉积现象同样可见于美国威斯康星州上寒武统地层中[32]

古风暴的中心发育位置会影响微生物丘—风暴岩沉积序列的整体特征。比如在风暴平静期,苏盖特布拉克地区发育微生物席构造,指示开阔环境,而昆盖阔坦地区发育包壳构造,指示较为局限的环境。两者均处于缓坡—台地沉积环境,却出现了较为截然的沉积现象,这可能是因为前者较大的风暴作用力加速了水体的流动,并带来了充足的氧气和养料,而后者则略显逊色。加之风暴高峰期、衰减期与停息期,苏盖特布拉克地区也多发育与微生物直接相关的凝块构造,而昆盖阔坦地区仍然可见包壳结构,这也许能说明为什么苏盖特布拉克地区可发育较为壮观的多套微生物丘—风暴岩沉积组合,而昆盖阔坦地区却仅发育一套透镜状微生物丘。

4.2 “贫乏骨骼的风暴海”形成条件

“贫乏骨骼的风暴海”一般特指寒武纪至早奥陶世,这个承前启后的地质时期主要包含了两个引人注目的地质现象。

第一个现象是早托莫特期早期发生的显生宙早期第一幕蓝细菌钙化作用事件,为微生物碳酸盐岩的“寒武纪—早奥陶世复苏期”揭开序幕[8-13]。然而在早寒武世,后生生物和微生物共同形成的复合礁开始广泛发育于南欧、中东、北美和澳大利亚等地区,因此早寒武世也被称作是“后生动物的先驱阶段”[33]。因此塔西北地区这种微生物丘—风暴岩组合也可被理解为“时错相”[34-36]。“时错相”多存在于灭绝事件之后,但这与早寒武世实际情况显然不符,这是因为除了物种灭绝,环境因素也可以影响微生物碳酸盐岩的丰度。比如在波斯湾和巴哈马现代碳酸盐岩台地,后生动物往往在开阔的海洋环境中成礁,因为后生动物的生长需要富氧、贫养的恒温水域[37-45]。虽然在早寒武世早期,较高的全球大气二氧化碳含量可导致温室效应,而且大规模海侵事件可引起塔里木板块海水的“贫养反馈”,但较高的波浪和风暴能量可以加快水体的流动,因此下部营养丰富的水体可以被及时补充进来[39-47]。加之强大的水动力条件可引起海水浊化,因此古杯类的分布与多样化被贫氧富氧浑浊的海水环境抑制[33, 48]。但对于微生物来说,新元古代末期的“雪球”冰期,全球气候变暖,大气中氧气含量的升高激活了微生物的二氧化碳浓缩机制,加之早寒武世较高的大气温度和二氧化碳水溶量可增加海水中碳酸钙的饱和度,从而可促进微生物钙化,进而导致本区大量的钙化微生物得以保存并参与微生物礁的建造[39-45]

第二个现象是以竹叶状砾屑为代表的风暴沉积物广泛发育在寒武纪至早奥陶世地层中。通过对塔西北露头区的观察,笔者认为这种现象主要由三个因素决定:1)竹叶状灰岩的直接成因是因为板块在相应的地史时期位于赤道附近,受赤道风暴带的影响非常强烈[25-26]。2)前文已经指出竹叶状灰岩产自被风暴改造过的、发育无扰动微生物席构造的条带状灰岩。而这种无扰动微生物席底仅仅发育在没有大生物扰动,或者大生物尚未出现的时代。因此奥陶纪生物多样性重大事件(GOBE: Great Ordovician Biodiversification Event)之后,大生物扰动的出现导致无扰动席底再次转变为混合席底,而于此相关条带状灰岩的缺失,直接限制了地层中竹叶状灰岩的含量和分布[49-50],另外加里东运动导致的大规模造山运动使得志留纪后部分地区转化为碎屑岩沉积而非微生物碳酸盐岩沉积也是值得考虑的因素之一[1]。至三叠纪,地层中重新出现竹叶状灰岩,同样是因为Pangaean古陆位于低纬度带内,受赤道飓风、台风以及由对流形成的巨型季风的影响非常强烈[1],加之二叠纪大灭绝事件(End-Permian Mass Extinction)导致早三叠世微生物岩富集,发育无扰动微生物席的条带状灰岩重新出现的缘故[36, 51]。3)大生物的缺乏使得风暴沉积鲜受生物扰动的影响,以及微生物丘对非风暴水流的减弱和阻挡作用避免了风暴沉积的二次改造,因此事件性风暴沉积可以完整地保存下来,易于识别且特征明显。

5 结论

本文为“贫乏骨骼的风暴海”这一承前启后的地质时期提供一个较为典型的实例,同时也为风暴沉积的进一步研究提供一定的思考。

(1) 在塔西北阿克苏露头区,苏盖特布拉克地区和昆盖阔坦地区均发育微生物丘—风暴岩沉积序列。风暴岩宏观上与微生物丘混生或共生,微观上可见不同类型的微生物结构。

(2) 风暴沉积序列Ⅰ至Ⅳ的沉积环境依次为外缓坡、中缓坡下部、中缓坡上部、内缓坡,说明风暴沉积的分布位置主要受控于“三面”,包括MSL、FWB、SWB。风暴沉积序列Ⅰ至Ⅳ的相应流态依次为“风暴下部回流(包括风暴碎屑流和风暴浊流)—风暴浊流”、“风暴涡流—风暴碎屑流—风暴下部回流”、“风暴碎屑流—风暴上部回流(包括风暴漫流和风暴潮流)”、“风暴上部回流”,分别对应“风暴衰减期至停息期”、“风暴高峰期”、“风暴衰减期”、“风暴衰减期”,加之主要形成于“风暴停息期”的背景沉积物,可见风暴沉积序列的特征可受控于“四期”、“五流态”。

(3) 苏盖特布拉克地区和昆盖阔坦地区的风暴沉积序列仍具有明显的区别,这是因为风暴沉积特征还可受控于风暴中心的三维发育位置的缘故。

(4) “贫乏骨骼的风暴海”的形成条件主要包括微生物碳酸盐岩的繁荣昌盛,以及竹叶状砾屑为代表的风暴沉积物的广泛发育。其中前者主要取决于物种灭绝事件以及环境的影响,而后者的产生主要取决于板块位置和微生物的大量发育,保存主要取决于生物扰动的缺乏和微生物丘的阻挡作用。

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