李飛 吳夏

(中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所 廣西桂林 541004)

貴州沫陽剖面二疊紀(jì)末淺水沉積特征及其古環(huán)境意義①

李飛 吳夏

(中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所 廣西桂林 541004)

處于大貴州灘南緣的羅甸沫陽剖面在晚二疊世時(shí)發(fā)育典型的淺水相沉積組構(gòu),包括長興期生物礁、生物滅絕事件界面附近的不連續(xù)面以及可能的古巖溶堆積物。其中長興組為典型的鈣質(zhì)海綿礁,造礁生物主要包括古石孔藻、Tubiphytes和纖維海綿,同時(shí)大量的櫛殼狀膠結(jié)物填充礁體孔隙并具有世代性。在沫陽剖面的不連續(xù)面,可識別標(biāo)志包括縫合線和侵蝕面兩種,分布于上二疊統(tǒng)頂部泥粒巖-顆粒巖(類、海綿、鈣藻以及Tubiphytes為主)與鮞粒灰?guī)r之間。在部分露頭上還可見一類特殊的角礫巖:角礫類型既包括生屑團(tuán)塊和泥晶團(tuán)塊,還包括硅質(zhì)巖碎塊,數(shù)量眾多,大小不一且磨圓很差。大量含巨鮞的鮞粒灰?guī)r直接上覆于角礫巖,以及角礫巖頂部的裂隙之中。除此之外,包括垮塌角礫巖和洞穴堆積物等特征的發(fā)現(xiàn),都指示了沫陽剖面在當(dāng)時(shí)巖溶發(fā)育。這類沉積物產(chǎn)生的原因可能是由于晚二疊世時(shí),沫陽地區(qū)持續(xù)發(fā)育的生物礁形成了突出的古地貌單元,隨著相對海平面的下降晚二疊世沉積物發(fā)生暴露。在大氣淡水-滲流成巖作用影響下,暴露地表的突出地形上巖溶作用發(fā)育;非突出地形受風(fēng)化剝蝕及隨后海侵過程的雙重影響,與上覆地層之間顯示侵蝕面或縫合線接觸的特征。從野外露頭情況來看,沫陽剖面并沒有像其他淺水臺地一樣在生物滅絕事件之后發(fā)育微生物巖,而是直接出露一套含核形石和巨鮞的鮞?；?guī)r。以鮞粒灰?guī)r為主的“災(zāi)難沉積物”緊鄰長興組生物碎屑灰?guī)r的情況在華南比較少見,這對于進(jìn)一步了解生物滅絕事件起因以及當(dāng)時(shí)特殊的海洋環(huán)境狀況具有重要意義。

華南 長興期 侵蝕面 古巖溶 鮞粒巖

二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交的生物滅絕事件是顯生宙地質(zhì)記錄中最為嚴(yán)重的一次,給當(dāng)時(shí)的生態(tài)系統(tǒng)和海洋環(huán)境帶來了嚴(yán)重災(zāi)難,導(dǎo)致后生動物大量滅絕[1,2]。之后,早三疊世復(fù)蘇生物以類型單調(diào)、個(gè)體小型化[3,4]為特征,且復(fù)蘇進(jìn)程緩慢[5～7]。同時(shí),在下三疊統(tǒng)地層記錄中也存在大量特殊的沉積物和沉積構(gòu)造,指示了生物滅絕事件之后異常的海洋環(huán)境:包括微生物巖[8～11]、扁平礫石礫巖[12]、碳酸鹽膠結(jié)扇和結(jié)殼[13,14]、皺紋構(gòu)造[15,16]和巨鮞[17,18]等,稱之為錯(cuò)時(shí)相沉積[1,15,19]。

但是,人們對于滅絕事件發(fā)生時(shí)淺水環(huán)境下異常沉積組構(gòu)的研究尚不深入,而這些沉積記錄很可能蘊(yùn)藏著引發(fā)二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交生物滅絕事件的線索。比如滅絕事件沉積界面(End-Permian Extinction Horizon)附近淺水沉積記錄中廣泛存在的侵蝕面[20～22]。對于其成因目前爭議較大:一種觀點(diǎn)認(rèn)為侵蝕面的形成是由于海水酸化造成了淺水碳酸鹽發(fā)生溶解[20,22,23];另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為侵蝕面的形成可能與大氣暴露(subaerial exposure)有關(guān)[24～27]。最近包括海平面下降標(biāo)志物[26～29]、大氣滲流結(jié)構(gòu)[30]、鉆井和巖芯資料中古巖溶特征[31]等都傾向于支持第二種觀點(diǎn)?？墒悄壳斑€缺乏能夠反映侵蝕面形成的直接證據(jù),例如是否存在確定的古巖溶面或暴露特征?是否存在能夠指示海洋酸化的巖石學(xué)和生物學(xué)證據(jù)?這些問題都值得我們深入思考。

本文對貴州省羅甸縣沫陽剖面晚二疊世至早三疊世初的淺水沉積組構(gòu)進(jìn)行了研究,詳細(xì)介紹了侵蝕面產(chǎn)生的背景,類型及分布,同時(shí)對可能的古巖溶堆積物從結(jié)構(gòu)特征、識別標(biāo)志和環(huán)境意義等方面也進(jìn)行了專門討論。這些沉積類型的發(fā)現(xiàn)在沫陽剖面尚屬首次,為滅絕事件沉積界面附近侵蝕面的成因研究提供了一個(gè)很好的實(shí)例。同時(shí),本文還探討了大貴州灘南緣滅絕事件發(fā)生前后的淺水沉積相模式,為華南二疊紀(jì)末侵蝕面的暴露成因提供了重要證據(jù),這對重建當(dāng)時(shí)的古海洋環(huán)境條件具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

沫陽剖面位于貴州省羅甸縣沫陽鎮(zhèn)北1 km(圖1),連接新、老沫陽公路的西側(cè)以及通向山頂?shù)男〉琅赃?。該剖面地層出露連續(xù),包括中、上二疊統(tǒng)(由南向北依次劃分為棲霞組、茅口組、吳家坪組和長興組)以及下三疊統(tǒng)羅樓組(圖2A)。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置圖Fig.1 Location and regionalmap of the study area

前人在該剖面中、上二疊統(tǒng)部分已做過地層[32]、沉積相和鍶同位素[33～35]等方面的研究。沫陽中二疊世時(shí)主體為廣海陸棚相沉積,向上水體逐漸變淺,到頂部時(shí)演變成臺地邊緣高能生物礁相;晚二疊世早期水體逐漸加深,沉積類型轉(zhuǎn)變?yōu)楹＞d骨針的泥晶灰?guī)r和薄層硅質(zhì)巖。之后水體再次變淺,發(fā)育臺地邊緣生物碎屑顆粒灘相沉積。對于晚二疊世晚期的沉積類型,前人[32,35]認(rèn)為主要是以生物碎屑顆粒巖和鮞?；?guī)r為主的臺地邊緣高能灘相沉積。而筆者在鮞?；?guī)r下部發(fā)現(xiàn)有下三疊統(tǒng)印度階亭納爾亞階牙形石分子Neospathodus dieneri,而鮞粒灰?guī)r底部深灰色含核形石和巨鮞的鮞粒巖層與長興組生物碎屑灰?guī)r之間以縫合線或侵蝕面方式接觸[18]。侵蝕面之上緊鄰的鮞粒巖層形成時(shí)間目前還未確定,推測其可能是與鈣質(zhì)微生物巖同期的沉積類型。故本文暫將二疊紀(jì)-三疊紀(jì)界限定于含牙形石Neospathodus dieneri的巖層之下(準(zhǔn)確的二疊紀(jì)-三疊紀(jì)界限仍不清楚),識別出的滅絕事件沉積界面位于長興組生物碎屑顆粒巖與含核形石和巨鮞的灰?guī)r層之間。在鮞?；?guī)r之上為羅樓組上段具平行紋層的泥頁巖(圖2A)。

上二疊統(tǒng)長興組頂部為本次研究的重點(diǎn),參考金振奎等人[32]的資料,筆者對該區(qū)域野外露頭進(jìn)行了重測。測得剖面厚度37.1 m。詳細(xì)分層描述如下:

下三疊統(tǒng) 羅樓組(T1l),鮞?；?guī)r段,未到頂。

7.淺灰色厚層塊狀鮞?；?guī)r。鮞粒形狀規(guī)則,圓-橢圓形,粒徑以1～4mm為主,由深色和淺色兩種紋層相間構(gòu)成同心狀結(jié)構(gòu)。鮞粒核心一般由粒狀方解石或球粒組成,類型包括正常鮞、再生鮞、復(fù)鮞和極少量變形鮞。鮞粒保存較好,亮晶膠結(jié)。共生的生物類型單一,僅見少量小腹足和雙殼類碎片。在該層底部和下部存在牙形石Neospathodus dieneri。

3.6 m

6.深灰色厚層含核形石鮞?；?guī)r(單層)。鮞粒粒徑1～ 3 mm為主,圓-橢圓形。核形石數(shù)量較多但個(gè)體偏小,以2mm為主,形狀不規(guī)則,紋層薄厚不均、多發(fā)生重疊。生物化石含量稀少,與上二疊統(tǒng)長興組生物碎屑灰?guī)r以縫合線或侵蝕面接觸。0.5 m

上二疊統(tǒng) 長興組(P3c)

5.厚層-巨厚層海綿-藻礁灰?guī)r。由串管海綿、纖維海綿、Tubiphytes、古石孔藻等共同構(gòu)成格架,附礁生物主要包括有孔蟲及、腕足、苔蘚蟲、介形蟲和棘皮類等。見大量的櫛殼狀結(jié)構(gòu)及礁角礫。頂部存在巖溶角礫巖及洞穴堆積物。

18 m

4.深灰色中薄層灰?guī)r為主(單層30 cm),少量薄層硅質(zhì)巖和硅質(zhì)結(jié)核。生物碎屑含量豐富,類型主要包括鈣藻、Tubiphytes、纖維海綿、有孔蟲及、腕足碎片、介形蟲碎片和棘皮類等,一些層位生物碎屑呈定向排列,破碎嚴(yán)重。距底1.2 m處發(fā)育總厚度為50 cm的薄層狀生屑灰?guī)r,單層厚度6 cm左右。5.7 m

3.灰黑色厚層灰?guī)r,生物含量較少。2.2 m

2.厚層塊狀生物碎屑灰?guī)r(單層)。含有大量的生物碎屑,其中以、有孔蟲、Tubiphytes、藻屑和海綿最為常見。層面上可見較多的灰?guī)r角礫(粒徑范圍大多在20 cm X 20 cm),其中含有大量的單體珊瑚,少量腹足。2.1 m

1.厚層塊狀生物碎屑灰?guī)r。以藻類的大量發(fā)育為特征, Tubiphytes豐富,也可見古石孔藻包裹纖維海綿等構(gòu)成支架。含少量硅質(zhì)結(jié)核。5 m

未到底。

沫陽剖面在晚二疊世位于中上揚(yáng)子臺地南緣高能帶中,與區(qū)域內(nèi)其他晚二疊世發(fā)育的小海綿礁(丘)、厚層生物碎屑灰?guī)r共同作為大貴州灘發(fā)育的基底[36,37]。前人[32,33,35]對該剖面曾進(jìn)行多次研究,受研究程度和出露條件的影響未注意到長興期發(fā)育有生物礁。

圖2 沫陽剖面P-T界限附近沉積類型A.上二疊統(tǒng)與下三疊統(tǒng)界限及相鄰地層出露特征;B.長興組海綿-藻礁灰?guī)r,左上角錘頭寬度3 cm;C.為B的放大,顯示古石孔藻包裹纖維海綿構(gòu)成格架,箭頭所指為櫛殼結(jié)構(gòu);D.長興組頂部生物碎屑灰?guī)r(B)與淺色泥晶灰?guī)r以縫合線接觸;E.長興組頂部生物碎屑顆粒巖(B)與羅樓組鮞?；?guī)r(O)之間為近1 cm厚的灰褐色泥質(zhì)成分(箭頭所指),比例尺寬2 cm;F.偏光顯微鏡下的侵蝕面,顯示上二疊統(tǒng)生物碎屑顆粒巖與鮞粒顆粒巖之間以不規(guī)則的侵蝕面接觸;G.偏光顯微鏡下的縫合線(箭頭所指),顯示了巨鮞與生物碎屑之間的接觸關(guān)系.Fig.2 Photographs from the Permian-Triassic boundary interval atMoyang section

從野外露頭來看,海綿作為沫陽生物礁的主要造礁生物,包括串管海綿和纖維海綿兩類(圖2B,C)。粘結(jié)生物主要為古石孔藻,Tubiphytes和其他種類鈣藻。附礁生物種類繁盛,包括、有孔蟲、腹足、雙殼、腕足和棘皮類等。鈣質(zhì)海綿多呈枝狀的單體或復(fù)體,直徑以0.4～1.5 cm為主,自身的抗浪能力較弱,主要依靠藻類的輔助粘結(jié)作用參與造礁.ubiphytes呈不規(guī)則管狀或囊狀,可以包覆、粘結(jié)其他生物。古石孔藻外形呈不規(guī)則皮殼狀,厚度從數(shù)毫米至幾厘米不等,纏繞在造架生物(主要為纖維海綿)上形成白色、細(xì)絲狀結(jié)殼,具有較強(qiáng)的吸附、粘結(jié)能力,這對于增強(qiáng)礁體的抗浪能力具有重要意義。除此之外,在古石孔藻的外圍還發(fā)育有大量的櫛殼狀膠結(jié)物,填充礁體孔隙并具有世代性(圖2C)。綜合這些特征可以認(rèn)為沫陽剖面在長興期時(shí)存在海綿-藻粘結(jié)生物礁的發(fā)育。

生物大滅絕事件發(fā)生之后,在大貴州灘基底之上廣泛發(fā)育鈣質(zhì)微生物巖,厚度7～15 m[11]。一般在微生物巖的下部或底部可見作為二疊紀(jì)-三疊紀(jì)界限劃分標(biāo)志牙形石Hindeodus parvus[25,38]。早三疊世初期由于海平面上升造成大貴州灘邊緣后退,其發(fā)展成一個(gè)具淺水潮下-潮間環(huán)境的低緩臺地,在臺地邊緣發(fā)育有高能鮞粒灘相沉積,在臺地內(nèi)部,先是發(fā)育一套薄層的灰泥巖(上覆于鈣質(zhì)微生物巖),隨后沉積類型轉(zhuǎn)變?yōu)榘自茙r化的鮞?；?guī)r[37]。沫陽當(dāng)時(shí)位于大貴州灘南緣,在早三疊世印度期時(shí)主要發(fā)育高能鮞粒灘相沉積[17]。

2 淺水沉積類型

2.1 侵蝕面

本文所指的侵蝕面是指上二疊統(tǒng)頂部滅絕事件沉積界面附近的不連續(xù)面。從已有的情況來看,侵蝕面主要形成于淺水海相沉積環(huán)境之中,位于1)上二疊統(tǒng)長興組生物碎屑泥粒巖-顆粒巖與微生物巖之間;或2)上二疊統(tǒng)頂部生物碎屑粒泥巖與鮞粒-生物碎屑顆粒巖之間。已報(bào)道的侵蝕面發(fā)育的位置主要集中在華南大貴州灘[18,20,25,39,40]、重慶老龍洞[26,27],土耳其南部Korkarkuyu組底部[8,41]。沫陽剖面侵蝕面的特殊之處在于:1)其位于上二疊統(tǒng)生物礁灰?guī)r頂部與鮞?；?guī)r之間,而且侵蝕面結(jié)構(gòu)清晰、特征明顯;2)侵蝕面之上的鮞粒保存有完好的內(nèi)部結(jié)構(gòu),未發(fā)生白云巖化或溶蝕重結(jié)晶。與意大利Bulla剖面[42]、土耳其[8,41]、伊朗[43]、越南Nhi Tao剖面[44]報(bào)道的生物滅絕事件沉積界面之上的重結(jié)晶鮞粒(有些僅保留有鮞?？?相比,結(jié)構(gòu)保存完好、具有更強(qiáng)的說服力。目前,在華南目前除沫陽剖面外暫未見保存有類似完整結(jié)構(gòu)鮞粒的報(bào)道。

沫陽剖面二疊系頂部的不連續(xù)面包括縫合線和侵蝕面兩種形式,主要分布于生物碎屑顆粒巖與鮞?；?guī)r(圖2D,E)之間,以不規(guī)則形態(tài)延伸,上下波動幅度在5 cm范圍內(nèi)。有些侵蝕面波狀起伏,與較粗的縫合線相連通(圖2G),也有一些較為平直(圖2E)。緊鄰侵蝕面之下的生物碎屑顆粒巖以Tubiphytes和其他類型鈣藻為主,含有少量有孔蟲及類、纖維海綿、棘皮類和苔蘚蟲等,屬于長興組生物礁的頂部。侵蝕面之上包括:1)深灰色含巨鮞鮞?；?guī)r,含有相當(dāng)數(shù)量的小核形石,生物碎屑含量極少(圖2F,G);2)淺色泥晶灰?guī)r,鮞粒較少,存在少量的小腹足類和雙殼類碎片。野外露頭可見部分侵蝕面內(nèi)存在深褐色的礦物薄層,緊鄰生物碎屑灰?guī)r(圖2E)。這種礦物薄層最厚處可達(dá)1 cm,向兩側(cè)逐漸減薄直至消失,與吳亞生等[29]在重慶老龍洞侵蝕面表面發(fā)現(xiàn)的褐黃色陸源碎屑物質(zhì)較為相似。

2.2 角礫巖

在沫陽剖面上二疊統(tǒng)長興組上部的角礫巖非常特殊,其中角礫大小和類型差別非常大(圖3和圖4),其中一類角礫巖基質(zhì)為淺灰色泥晶灰?guī)r,生物化石含量極少,與不同類型角礫之間的接觸面平整清晰。在角礫巖上部可見大量含巨鮞的鮞粒灰?guī)r覆蓋其上,或者填充在角礫巖頂部的裂隙之中(圖3A),而這類鮞?；?guī)r被認(rèn)為形成于生物絕滅事件之后的“事件沉積物”[45]。角礫類型包括:

1 )灰?guī)r角礫 長度10～30 cm,有一定的磨圓,排列無定向性。巖性為生物碎屑泥粒巖,以Tubiphytes和類為主,類似于侵蝕面之下的長興組生物碎屑灰?guī)r;

2 )硅質(zhì)巖角礫 長柱狀(10 cm X 25 cm),深褐色,磨圓非常差,與巖層面斜交,野外觀察中未見有生物碎屑;

3 )泥晶灰?guī)r角礫 深灰色不規(guī)則形狀(大多在5 cm X 8 cm),磨圓較差,在其上也未見生物碎屑。

同時(shí),這類角礫巖與其他類型角礫巖的不同之處在于:1)角礫類型既有生屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r,還包含硅質(zhì)巖;2)數(shù)量眾多,大小不一且磨圓很差;3)角礫巖基質(zhì)中存在大量圓-次圓形被方解石充填的晶洞,以及長條狀延伸的裂縫,充填其中的為粗大的方解石晶體。

另一類角礫巖分布于長興組頂部正常沉積的生物碎屑灰?guī)r層間的裂隙之中(圖4B),大量灰?guī)r角礫分選較差,從0.5～5 cm不等,密集堆積在褐紅色鈣質(zhì)泥巖基質(zhì)當(dāng)中。硅質(zhì)角礫含量約為5%,色黑,粒徑在1～3 cm,磨圓中等。泥質(zhì)灰?guī)r角礫含量不超過5%,粒徑在2～15 cm之間,磨圓稍好,長軸方向各異,不具有一致性。少量透明的葡萄狀的方解石晶粒分布于角礫巖與生物碎屑灰?guī)r之間(圖4D)。結(jié)合以上特征推測其為受巖溶作用影響的垮塌角礫巖(圖4B,D)。

綜合James和Choquette[46]和Jones[47]等人對古巖溶的定義,可以認(rèn)為古巖溶是指低水位期時(shí)碳酸鹽環(huán)境受大氣成巖作用的影響,以原地角礫巖、破碎地層,坍塌構(gòu)造,溶蝕加大裂縫,洞穴和較小的非選擇性溶蝕孔隙等特征,反映原生暴露形成的侵蝕地貌。目前在沫陽剖面周圍露頭上除上述的巖溶垮塌角礫巖外,還發(fā)現(xiàn)包括裂縫、溶蝕孔洞和洞穴堆積物在內(nèi)的各類古巖溶標(biāo)志物(圖4)。

圖3 沫陽剖面角礫巖類型及特征A.角礫巖基質(zhì)為淺灰色泥晶灰?guī)r,角礫類型包括生屑灰?guī)r角礫和泥晶灰?guī)r角礫.角礫大小不一,磨圓非常差.在角礫巖的頂部為含巨鮞的鮞?；?guī)r,接觸面波狀起伏;B.為A的下部,顯示較多的生屑灰?guī)r角礫和硅質(zhì)巖角礫.詳細(xì)描述見正文2.2節(jié).Fig.3 Types and features of breccias in the top of the Changxing Formation at Moyang section

在長興組上部,垂直于巖層面上存在著少量港灣狀晶洞,現(xiàn)在已被粗晶方解石充填。在露頭上(公路西側(cè))還可見上二疊統(tǒng)生物碎屑灰?guī)r與下三疊統(tǒng)鮞?；?guī)r之間存在著由粗粒亮晶方解石構(gòu)成的白色沉淀層,厚度40～80 cm。底面與基巖不規(guī)則接觸,部分接觸面上存在垂直于長興組灰?guī)r的馬牙狀方解石膠結(jié)物,上表面與灰?guī)r接觸面不規(guī)則起伏(圖4A)。有些白色沉淀層厚度變化顯著,由厚10 cm的裂縫延伸加大形成2 m高、4 m寬的晶洞。從目前情況來看,沫陽剖面在二疊紀(jì)末時(shí)很可能局部地區(qū)(下伏地層為上二疊統(tǒng)生物礁灰?guī)r)巖溶作用發(fā)育。古巖溶最為發(fā)育的露頭分布在老沫陽鎮(zhèn)上山小路的起點(diǎn),兩側(cè)(東、西向)古巖溶特征迅速消失,取而代之的是侵蝕面和縫合線等特征,指示了不連續(xù)面的存在。鑒別古巖溶的標(biāo)志物雖然不少,但是單獨(dú)地使用某個(gè)指標(biāo)而脫離其他沉積學(xué)和地球化學(xué)證據(jù)佐證的話,容易得出片面的結(jié)論。同時(shí),并不是所有古巖溶特征都可以保存下來:有些特征在沫陽剖面并不發(fā)育;還有些古巖溶標(biāo)志物可能受后期海侵作用的破壞而缺失。對沫陽剖面古巖溶發(fā)育特征的進(jìn)一步研究還在進(jìn)行之中。

圖4 沫陽剖面古巖溶發(fā)育特征A.部分露頭上出現(xiàn)的長興組頂部的白色方解石沉淀層,與下伏生物碎屑灰?guī)r不規(guī)則接觸.箭頭所指為白色沉淀層與基巖(灰?guī)r)呈不規(guī)則接觸關(guān)系,其中左側(cè)箭頭指示了垂直于長興組灰?guī)r的馬牙狀方解石膠結(jié)物(左側(cè)圖框),右側(cè)箭頭指示了上層鮞粒灰?guī)r發(fā)生溶解,具有不規(guī)則的邊界.T為早三疊世印度期含巨鮞的鮞?；?guī)r;B.洞穴角礫巖堆積物垮塌至長興組生物碎屑灰?guī)r層內(nèi)(箭頭所指).其中基質(zhì)為紅褐色鈣質(zhì)泥巖,角礫類型多樣,分選較差,部分角礫具有一定磨圓;C.薄板狀暗紅色沉積物上覆于長興組生物碎屑顆粒巖;D.為B的放大,顯示洞穴角礫巖中角礫類型及形貌,包括黑色硅質(zhì)角礫,淺灰色灰?guī)r角礫,黃褐色泥巖或泥質(zhì)灰?guī)r角礫,以及透明的葡萄狀的方解石晶粒(左側(cè)圖框).Fig.4 Photographs of palaeokarst development atMoyang section

3 討論

3.1 沫陽剖面二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交淺水沉積模式

從沫陽剖面分隔鮞粒灰?guī)r與生物礁灰?guī)r的不連續(xù)面,到以巖溶垮塌角礫巖和洞穴堆積物為代表的古巖溶標(biāo)志物等特征的發(fā)現(xiàn),顯示了二疊紀(jì)末淺水環(huán)境下事件沉積物類型(鮞?；?guī)r)、與下伏地層接觸關(guān)系(侵蝕面)以及沉積相的轉(zhuǎn)換(生物礁相→鮞粒灘相)比我們之前認(rèn)為的更加多樣,更為復(fù)雜。筆者通過野外露頭調(diào)查和鏡下微相分析,提出了一種新的二疊紀(jì)末淺水(極淺水)環(huán)境下沉積物形成模式,將眾多特殊沉積組構(gòu)在成因上進(jìn)行關(guān)聯(lián)(圖5)。

沫陽剖面生物礁的建造一直持續(xù)到生物滅絕事件發(fā)生之前,這就在大貴州灘南緣形成了一個(gè)突出的古地貌單元(圖5A)。生物礁受二疊紀(jì)末海平面下降事件的影響而發(fā)生大氣暴露,生物礁體部分露出海面[48],受到大氣淡水-滲流成巖作用的強(qiáng)烈影響(以生物礁灰?guī)r為主體),形成各種巖溶角礫巖、溶溝、溶槽、洞穴堆積物等。同時(shí)期其他不具備突出地貌條件的淺水碳酸鹽環(huán)境受風(fēng)化剝蝕及滲流成巖作用的影響,在地層記錄中以各種暴露標(biāo)志物和大氣滲流結(jié)構(gòu)[30]為標(biāo)志(圖5B)。滅絕事件發(fā)生之后,海洋環(huán)境急劇惡化,后生動物大量死亡,淺水沉積類型從以骨骼顆粒為主的沉積物向微生物巖和無機(jī)碳酸鹽沉淀轉(zhuǎn)移[49]。生物碎屑顆粒灘的頂部各類風(fēng)化剝蝕及大氣滲流結(jié)構(gòu)受海侵過程中受風(fēng)暴、波浪作用及成巖過程的改造而形成侵蝕面,下伏于微生物巖[40,50]。同時(shí),沫陽仍處于大氣暴露環(huán)境下,母巖受風(fēng)化剝蝕作用的影響,繼續(xù)發(fā)生破碎,甚至崩塌,形成大量的角礫,堆積在突出地形周圍;受巖溶作用的影響,各類古巖溶地貌持續(xù)發(fā)育,形成巖溶垮塌角礫巖和各類洞穴堆積物。在突出地形的周緣處于高能、超飽和碳酸鹽水體環(huán)境中逐步開始發(fā)育鮞粒灘(圖5C)。之后,隨著初始海侵的加劇,海水逐漸淹沒古巖溶突出高地,并對各類巖溶地貌進(jìn)行改造。在這種淺水環(huán)境中鮞粒既可以保存為厚層狀鮞粒灰?guī)r,也可以被搬運(yùn)、充填至受巖溶作用改造的裂隙、孔洞之中,造成現(xiàn)在這種鮞粒巖,灰?guī)r角礫,硅質(zhì)巖角礫等混雜在一起的沉積物(圖3和圖5D)。整個(gè)過程可以概括為:沫陽剖面淺水沉積特征是受古地形條件的限制,在大多數(shù)淺水碳酸鹽環(huán)境發(fā)育侵蝕面的情況下,在更為突出的地形上遭受巖溶作用,而且侵蝕面的形成可能與大氣暴露及之后海侵改造有關(guān)。

圖5 沫陽剖面二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交淺水環(huán)境沉積模式Fig.5 Depositionalmodel of shallow-water environments across the Permian-Triassic boundary in Moyang area

3.2 沫陽剖面古巖溶發(fā)育的環(huán)境意義

對二疊紀(jì)末滅絕事件沉積界面附近侵蝕面的研究是目前該層段沉積學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)[20～22,30]。目前主要由有兩種觀點(diǎn):1)侵蝕面的形成是海洋酸化作用(大量二氧化碳的迅速釋放)造成的淺水碳酸鹽沉積物的溶解;2)二疊紀(jì)末的海平面下降導(dǎo)致淺水剖面發(fā)生大氣暴露,受風(fēng)化剝蝕作用的影響而形成。兩種觀點(diǎn)有過激烈交鋒,第二種觀點(diǎn)得到包括滲流結(jié)構(gòu)[30]、暴露標(biāo)志物[24,26～28]以及本文中古喀斯特結(jié)構(gòu)等指示海平面下降的實(shí)物證據(jù)的支持。最新的研究從古生物統(tǒng)計(jì)學(xué)[51]、鈣同位素[23]方面支持海洋酸化理論,并對海洋酸化成因及過程進(jìn)行了論證。但是,目前來看海洋酸化的巖石學(xué)證據(jù)并不充分。按照Payne等人[20,22]侵蝕面的形成與海洋酸化作用有關(guān)的理論,侵蝕面的產(chǎn)生反映了海水中碳酸鹽飽和度由晚二疊世的飽和狀態(tài)→生物滅絕事件發(fā)生時(shí)迅速降為不飽和狀態(tài)→滅絕事件之后迅速返回超飽和狀態(tài)的過程。這種極短時(shí)間內(nèi)飽和度的劇烈變化在巖石學(xué)和碳同位素曲線上似乎還未得到有力的支持。本文認(rèn)為,指示二疊紀(jì)末海平面下降事件的巖石學(xué)標(biāo)志物類型廣泛,論據(jù)較為充分,這些都不是單一的海洋酸化理論能夠合理解釋的。至于在海平面下降的過程中(或之后)是否存在淺水碳酸鹽的溶解(大量二氧化碳迅速釋放對淺水碳酸鹽飽和度的擾動),還需大量高分辨率地層學(xué)和同位素地球化學(xué)證據(jù)的支持。

沫陽剖面沉積相模式與Lehrmann等人[11,37]經(jīng)典的大貴州灘沉積模型之間存在一點(diǎn)差異。從已有的情況來看,沫陽剖面在生物大滅絕事件之后并沒有像大貴州灘或南盤江其他孤立臺地,以及揚(yáng)子臺地周緣一樣發(fā)育有微生物巖,而是直接出露一套可能與微生物巖同時(shí)期的含巨鮞鮞?；?guī)r。以鮞?；?guī)r為主的“災(zāi)難沉積物”緊鄰長興組頂部生物碎屑顆粒巖的情況在華南比較少見(尤其是保存有完好內(nèi)部結(jié)構(gòu)的鮞粒),顯示了淺水環(huán)境下二疊紀(jì)末海相地層接觸關(guān)系的多樣性,擴(kuò)展了二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交淺水沉積相類型,也為深入研究生物滅絕時(shí)期碳酸鹽臺地演化規(guī)律提供了一個(gè)良好的實(shí)例。

二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交古巖溶發(fā)育的實(shí)例鮮見報(bào)道,最近羅冰等[31]介紹了在蜀南地區(qū)長興組頂部碳酸鹽地層中的古巖溶結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)有大量的溶溝、溶洞以及巖溶角礫巖。他們[31]認(rèn)為在此期間存在一次海退事件造成蜀南地區(qū)長時(shí)間暴露溶蝕,形成古巖溶不整合面。并且,瀘州古隆起區(qū)突出的海底地貌為后期的暴露溶蝕提供了有力的地形條件。沫陽剖面則是在野外露頭中較早發(fā)現(xiàn)古巖溶特征,這為研究當(dāng)時(shí)該地區(qū)的海平面變化情況及海水化學(xué)條件提供了便利條件。除此之外,古巖溶不整合面可以作為油氣長距離運(yùn)移的優(yōu)質(zhì)通道,對上揚(yáng)子臺地周緣巖溶發(fā)育特征的研究在油氣勘探領(lǐng)域也具有重要意義。

4 結(jié)論

(1)沫陽剖面在晚二疊世長興期發(fā)育有海綿-藻粘結(jié)生物礁,藻類纏繞海綿等造架生物形成了堅(jiān)固的抗浪格架,持續(xù)發(fā)育的生物礁體形成隆起的古地貌單元,構(gòu)成隨后巖溶作用發(fā)育的基礎(chǔ)。

(2)本文從野外露頭上發(fā)現(xiàn)有多種古巖溶標(biāo)志物,包括巖溶角礫巖、溶溝、溶槽、洞穴堆積物等,這些實(shí)例支持了“華南二疊紀(jì)末存在海平面下降事件”的觀點(diǎn);

(3)受相對海平面下降的影響,淺水碳酸鹽環(huán)境發(fā)生大氣暴露。在不具備突出地形的區(qū)域受淡水-滲流作用及之后海侵改造作用的影響,在生物碎屑灰?guī)r與微生物巖接觸面顯示侵蝕面或縫合線特征;在具有隆起地形的區(qū)域,受風(fēng)化剝蝕作用及巖溶作用的強(qiáng)烈改造,在二疊系的頂部保存有巖溶角礫巖和洞穴堆積物等特征。

致謝 本文作者野外工作期間得到研究生伊文超、喻崎雯以及本科生莫鑒泉的協(xié)助,在此表示感謝。同時(shí)感謝審稿人的寶貴意見。

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Characteristics and Palaeoenvironmental Significances of Shallow-M arine Sediments in the Latest Perm ian,M oyang Section,Guizhou

LIFei WU Xia
(Institute of Karst Geology,Chinese Academ y of Geological Sciences,Guilin Guangxi 541004)

The Moyang section located in the southernmargin of the Great Bank of Guizhou developed typical deposits of shallow-marine environments in the Late Permian,including Changhsingian reefs,disconformity surfaces near the mass extinction horizon,and one probably kind of palaeokarst sediments.Calcareous algal-sponge boundstone characterized by Archaeolithoporella,Tubiphytes and winded sponges,and earlymarine cements constitute the frameworks in the upper of the Changxing Formation.Disconformity surfaces(with the contacts between the lower and upper facies stylolitized or eroded)make a distinction between the latest Permian oolitic limestone and the Changhsingian skeletal packstone-grainstone containing the dominated fusulinids,sphinctozoan sponges,Tubiphytes and other types of calcareous algae.In some outcrops,one special kind of breccias found in the upper partof the Changxing Formation,which overlain or incised by giant-ooid-bearing oolite directly in the topmost,comprises numerous clasts of bioclastic limestone,limemudstone and silicate,with diverse and angular shapes.In addition,the presence of collapse structures and white cement layers consisting of coarse sparry calcite indicate the possible karstification.Based upon these features,we suggest the fall in relative sea-level ofMoyang caused the subaerial exposure of the top of the Changhsingian complex in the latest Permian.Undermeteoric vadose diagenesis,karstic processes formed collapse breccia,fissures, solution vugs and speleothem carbonate in the ridgy topography(with persisting growth of the bio-reef).n contrast, erosional surfaces developing in non-ridgy topography probably formed by the process ofweathering,and reworking in ensuing rise of sea-level.Not like other sections growingmicrobialites after the event horizon,the Moyang section developed oolitic limestones bearing oncoids and giant ooids at thatmoment.This phenomenon implies an unusual phenomenon developing oolite facies overlying top of the Changhsingian bioclastic grainstone directly,and hence,has the significance of helping us understand the origin of themass extinction and temporal oceanic conditions.

South China;Changhsingian;erosional surface;palaeokarst;oolite

李飛 男 1986年出生 助理研究員 碳酸鹽沉積學(xué) E-mail:feinan.li@gmail.com

P588.24+5 P534.51

A

1000-0550(2012)04-0679-10

①國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:40902074)、中國地質(zhì)科學(xué)院開放課題(編號:2002371110006)和巖溶所所控項(xiàng)目(編號:2011006)聯(lián)合資助。

2011-09-06;收修改稿日期:2011-11-29