湖南省西部桑植地区栖霞期相对海平面变化

韦恒叶， 遇 昊， 郭 兵， 汪建国

(1.东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013;2.中国科学院地质与地球物理研究所油气资源重点实验室，北京 100029;3.中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西 延安 716000)

中国南方扬子地区在中二叠世栖霞至茅口早期发育发育碳酸盐缓坡(牟传龙等，1997;秦建雄等，1998;陈洪德等，1999;徐强等，2004)。碳酸盐岩缓坡地层的旋回性较为明显，特别是湖南省桑植地区，栖霞组发育多个向上变浅的米级旋回，地层旋回性规律明显。如此规律的叠加样式一般受绝对海平面变化、沉降速率以及沉积产物的控制(Hardie et al.，1986;Crevello et al.，1989)。冰川和构造的旋回会引起相对海平面的变化，而相对海平面的变化是形成沉积旋回叠加样式的主要因素(Goldhammer et al.，1990)。沉积地层的叠加样式反映相对海平面的变化(Wilgus et al.，1988)。在栖霞期，中上扬子地区(包括研究区)构造稳定，沉积物的供应较为稳定。因而，栖霞组层序地层的构成蕴含着相对海平面变化特征(Hesselbo，2008)。本文通过桑植地区栖霞组碳酸盐岩旋回地层的分析，以及三级层序地层划分结果(韦恒叶等，2011)，重构该区栖霞期相对海平面变化特征，并初步分析引起相对海平面变化的原因。

1 地质背景

研究的野外露头剖面位于湖南省西部桑植县陈家河镇夹石河305省道公路边(坐标为北纬30°11'40″，东经 109°28'22.2″)(图 1)。剖面地层连续、受风化影响少，地层旋回性明显(图2)。在中二叠世栖霞至茅口早期，中上扬子地区(包括桑植地区)位于热带-亚热带温湿气候区，构造稳定，陆源碎屑供应少，发育北北东向倾斜的碳酸盐缓坡台地(牟传龙等，1997;秦建雄等，1998;陈洪德等，1999;徐强等，2004)。碳酸盐缓坡体系的盆地环境主要发育在赣湘桂裂陷盆地和鄂西台内盆地(冯增昭等，1997;Wang et al.，2000;周小进，2009)(图3)。中二叠统栖霞组以不整合面风化壳铝土岩与下伏上泥盆统黄家蹬组粉细砂岩相接触。不整合面之上沉积了2 m厚的煤线陆源碎屑物，也即所谓的梁山段(图4)。往上，栖霞-茅口组均为碳酸盐岩。

图1 剖面地理位置Fig1 Geographical location of the Sangzhi section.

图2 桑植剖面野外总体面貌，地层旋回性明显Fig.2 General view of Sangzhi section in the field，showing significant cyclicity

2 岩相及旋回地层特征

栖霞组以及茅口组下部岩性主要为生物碎屑石灰岩、泥晶灰岩、泥质灰岩以及钙质页岩(图4和5)。生物碎屑石灰岩主要包括颗粒质灰泥石灰岩以及灰泥质颗粒石灰岩，为中层、厚层甚至块状，生物碎屑常见介形虫、有孔虫、苔藓虫、海百合、海星、腕足以及米齐藻、粗枝藻、裸松藻、二叠钙藻等绿藻类。泥晶灰岩一般呈灰色薄层至厚层状，生物化石稀少。泥质灰岩一般呈薄层状，深灰色的颜色说明其泥质以及有机质含量较高。钙质页岩中反映水平层理的纹层状沉积组构较为发育，一般为灰黑色至黑色，富含有机质以及叶枝藻红藻。野外观察发现地层旋回性明显。每一个旋回其岩性向上由钙质页岩变为泥晶灰岩或生物碎屑石灰岩，颜色由深变浅，泥质含量逐渐降低，构成向上变浅的米级旋回性(图4和5)，另一种米级旋回则是由泥晶灰岩向上变为生物碎屑灰岩(图4)。这两种米级旋回在地层中重复出现，构成了该区地层的韵律性。除了桑植地区，在中上扬子区的其它地区栖霞组均广泛发育地层的韵律旋回(颜佳新等，1994;Wei et al.，2012)。野外研究层段总共可以识别出18个米级旋回，每个天旋回厚约2～15 m;而每5～8个米级旋回又组成一个大的旋回组(图4)，每个旋回组厚约33～50 m。这三个旋回组在野外地形上表现为波浪起伏的特征(图2)。这种结构的地层旋回性一般受地球轨道力驱动的海平面起伏变化的控制 (Goodwin et al.，1985;Read et al.，1986;Goldhammer et al.，1987，1990;Masetti et al.，1991;Chen et al.，2003)。这三个旋回组分别对应三个三级沉积层序S1、S2和S3。S2和S3层序主要由海侵体系域和高位体系域组成，其低位体系域不发育，未见水上暴露沉积标志，也即I型层序边界不发育，层序边界类型为II型。S1层序的底部发育不整合面风化壳铝土岩，为I型层序边界。

3 相对海平面变化及其控制因素

海侵体系域以及高位体系域记录着相对海平面的上升和下降，通过旋回地层的分析，结合沉积相带的变化以及岩相古水深分析(韦恒叶等，2011)，可以重构相对海平面变化曲线，如图4所示。研究区目的层段由3个三级海平面变化旋回组成，每个三级海平面变化旋回上又包含有若干个四级海平面波动。以Jin et al.(1999)对中国二叠纪年代地层的划分与对比为基础，将桑植地区栖霞期相对海平面变化与二叠纪全球绝对海平面变化曲线(Ross et al.，1995)对比(图 6)。Ross(1995)的曲线中，在早、中二叠世由若干个三级海平面变化旋回组成，总体表现为长期(二级)下降的趋势，其中，在栖霞至茅口组下部沉积时期则包含有3个三级海平面变化旋回。该3个三级海平面变化旋回与桑植地区对应层段的三级海平面变化旋回具有良好的可比性(图6)。均表现为前两个三级海平面变化旋回时间相对较长，后一个旋回较短;每一个三级海平面变化旋回由快速的海平面上升以及缓慢的海平面下降半旋回组成;三级海平面变化旋回上包含有次一级的海平面波动。不同的是，Ross(1995)的曲线中，栖霞至茅口早期海平面最高点出现在第一个三级海平面变化旋回，也即栖霞早期，而桑植地区的海平面最高点出现在栖霞末期至茅口早期;Ross的三个三级旋回的海平面下降幅度基本上差不多，而桑植地区的第一个三级海平面变化旋回中的海平面下降幅度最大，这可能与我国发生在早二叠世的黔桂运动引起的地壳抬升有关。然而，总体上，桑植地区的三个三级旋回的变化周期以及变化特点与Ross和Ross的曲线极为相似，说明桑植地区栖霞期相对海平面变化反映全球海平面变化特点。

图4 湖南西部桑植剖面岩性、旋回地层及相对海平面变化。S1，S2，S3:三级层序Fig.4 The lithostratigraphy，cyclestratigraphy and relative sea level of the Chihsian to lower Maokou Formation in Sangzhi section，western Hunan province.S1，S2，S3:third order sequence.

图5 野外露头中米级旋回特征Fig.5 Metre-scale cycle in the outcrop

图6 湖南西部桑植剖面栖霞至茅口组下部(灰色层段)相对海平面变化与全球海平面变化对比Fig.6 Diagram of relative sea level change correlation with eustatic sea level chang of the Chihsian and lower Maokou Formation

相对海平面变化主要是是全球绝对海平面变化和沉降速率的综合表现，这两者均可以形成周期性海平面波动。被动大陆边缘和台地内部的沉降速率缓慢(Schlager，1981)，沉降速率长期保持较为稳定的状态(Bott，1982)。研究区属于被动大陆边缘碳酸盐岩缓坡环境(牟传龙等，1997;陈洪德等，1999)，沉积速率稳定，仅靠长期的沉降不可能形成如此显著的旋回性地层，其相对海平面的变化最有可能是受到该时期全球海平面变化的控制。而栖霞期全球海平面的波动可能与晚古生代冰室气候中冰期与间冰期的交替出现有关。早、中二叠世属于晚古生代冰室气候时期，Fielding et al.(2008a)将早中二叠世划分出4个冰期，分别为G1(299～291 Ma)、G2(287～280 Ma)、G3(273～268 Ma)以及G4(267～260 Ma)冰期(图6)。G1是晚古生代冰室气候最大的冰期，G2冰期冰川则广泛发育于Pangea联合古陆的冈瓦纳大陆。G1和G2冰川覆盖极地以及温带地区，甚至到达亚热带边缘(Ziegler et al.，1997)。而G3和G4是晚古生代冰期减弱时期，大部分冈瓦纳冰川消失，只在局部地区如澳大利亚东部以及西伯利亚地区出现(Chumakov，1994;Isbell et al.，2008;Fielding et al.，2008a，2008b)。这四个冰期极有可能是控制二叠纪全球海平面变化的主要因素。在中二叠世，栖霞至茅口早期包括G3冰期和G4冰期早期(图6)。梁山段的含煤沉积反映温暖潮湿气候条件，与G2与G3之间的间冰期相对应，海平面处于快速上升时期。S1层序上部和S2层序上部的海平面下降都处在G3冰期范围内。G3冰期冰川体积随气候的周期性变化很可能是造成桑植地区栖霞期相对海平面变化的主要因素。G3和G4冰期之间的间冰期是全球海平面快速上升时期，密集的洋流上涌带来了丰富的营养物质，沉积了栖霞组顶部以及茅口组底部的深灰色至灰黑色富含硅质结核和磷质结核的薄层状富有机质的泥质灰岩。因此，该区栖霞期三级海平面变化旋回主要受冰期-间冰期旋回的影响，反映二叠纪冈瓦纳大陆百万年级别的气候变化(Chumakov，1994;Osterloff et al.，2004;Raymond et al.，2004;Trosdtorf et al.，2005;Caputo et al.，2008;Fielding et al.，2008b;Henry et al.，2008;Isbell et al.，2008a，b;Martin et al.，2008;Mory et al.，2008;Stollhofen et al.，2008)。

4 结论

桑植地区栖霞组至茅口组下部地层由多个向上变浅的米级旋回组成，而米级旋回又组成三个更长周期的旋回组，分别组成三个三级沉积层序S1、S2和S3。以地层旋回分析为基础重构出三个三级相对海平面变化曲线。将该曲线与全球海平面变化曲线对比研究发现，两者有相同的变化趋势，具有良好的可比性，说明桑植地区栖霞至茅口早期的相对海平面变化极有可能反映的是全球海平面变化的特点。将海平面变化与Fielding等(2008)划分的冰期-间冰期旋回比对，发现栖霞早期和末期分别对应着两个不同的间冰期，栖霞中期和茅口早中期分别对应不同的冰期。说明，该区三级相对海平面变化旋回主要受冰期-间冰期旋回的影响，反映二叠纪冈瓦纳大陆百万年级别的气候变化。

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