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慈利SEO

2021-02-24°c
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二、 从层序地层学角度论岩石地层单位界线的厘定与优化

在野外填图以及其它地层学研究过程中,沉积岩石地层单位及其界线究竟应当如何定义、如何划分才能更准确地反映地层的自然特性,并能更好地运用于生产和科研,1直是人们不断探讨的1个问题(尹赞勋,1978;魏家庸等,1991;赵志强等,1996)。长期以来,由于我国地层学界更多地受到了“统1地层学”等方面的影响,在岩石地层单位、尤其是组(formation)的界线选择与划分上存在着1些认识上和运作上的偏差,影响了填图及相关科研中的地层对比等工作(尹赞勋,1978;全国地层委员会,1981;张守信,1990)。这1偏差通常主要表现为以下两个方面:其1是将生物地层、年代地层与岩石地层“统1”起来,不恰当地割裂、分解原本是沉积连续的岩石地层序列;其2是“无视”岩石地层中的沉积间断及不整合,不恰当地归并1些岩石地层单位。前者比如按照笔石动物群、而不是岩性组合的差别,在浙江于潜奥陶纪—志留纪剖面上建立安吉组与堰口组(张守信,1990);后者则如最近人们将中南区原来的5峰组与龙马溪组合并为1个“龙马溪组”(赵志强等,1996),等等。显然,尽管“75”期间已有了沉积岩区填图新理论、新方法(魏家庸等,1991)的探索、问世,但是传统观念依然左右着人们的行为,致使在随后的全国性地层清理工作中(赵志强等,1996),也没有将这1问题完全处理好。

在现代地层学看来,岩石地层单位的划分仅仅属于多重地层划分概念中的1支。岩石地层划分以及它的单位并不具有固定的时间概念,反映的只能是地层岩性特征的相似或1致(Hedberg,1976;全国地层委员会,1981;吴瑞堂等,1989;张守信,1990)。按照这1思想,人们给定了岩石地层基本单位——组(formation)的基本含义:组或由1种岩石组成,或包括1种主要岩石而兼有重复的夹层,或由两3种岩石反复重叠所构成,还可能以很复杂的岩石组分为1组的特征,而与其它比较单纯的组相区别。即组首先应具有岩相、岩性和变质程度的统1性。同时,作为1个组的地层序列,它应该有着特征明显、易于识别的顶底界,并且要求这种顶底界应该是基本层序(primary sequence)的顶底界,而不应该从其内部通过(Hedberg,1976;全国地层委员会,1981;吴瑞堂等,1989;张守信,1990)。

近年来,随着层序地层研究的广泛开展,在过去被认为连续沉积的地层中识别出了物理特征明显的沉积间断面——层序界面(SB:sequence boundary)、海侵面(TS:transgressive surface)或初始海泛面(FFS:first flooding surface)及最大海泛面(mfs:maximum flooding surface)等,区分出海平面不同变化阶段的产物——沉积体系域(depositional system tracts),进而划分出不同类型的沉积层序(Vail等,1977;Posamentier和Vail,1988),于是人们开始重新审视原有的岩石地层划分,重新思索1些岩石地层单位的合理性。由于基本层序的含义为岩石地层单元组内、地层垂向序列中所能识别并可划分的最小旋回性单元,在很大程度上就等同于沉积相序列(facies succession)(Walker和James,1992)或习称的副层序(parasequence)(Vail等,1977;Posamentier和Vail,1988),因此,层序地层研究与传统的岩石地层划分之间,理应存在天然的互通性。

作者在上扬子地台东南缘奥陶系中的工作表明,层序地层研究在岩石地层单位界线的厘定与优化方面,有着较好的可应用前景。下面试以1些实例来论述之。

图8-1 宜昌黄花场南津关组-分乡组层序地层、岩石地层划分对比图

例1 南津关组分乡组(台地相区)

在宜昌黄花场剖面上的南津关组分乡组界线界碑处,分乡组是以1厚层状球粒-鲕状灰岩为界开始的(曾庆銮等,1987)。但当离开该剖面时,这条界线即不清楚。实际上,现在界碑处更多地考虑了“与牙形石Paltos deltifer带的首次出现相吻合”(曾庆銮等,1987)。很明显,这1划分明显地带有统1地层学或生物地层学的烙印,并不是1个真正的岩石地层单位界线(图8-1)。

从层序地层研究的角度来看,这1界线可有3种方案重新界定:其1,是置于原剖面南津关组中上段之间。这里发育数层硅质泥质胶结的砾状白云质灰岩,与下伏白云岩界线明确。实际上,它们代表了数次暴露的产物。或可以最下1层砾状白云质灰岩为界,即OSq3OSq4间Ⅱ型层序界面,作为南津关组与分乡组的界线。其2,以原剖面分乡组下段近顶部薄层生屑灰岩与泥岩互层出现并便串珠状藻礁被截切处为界;它实际上代表了1次较大的侵蚀间断,即OSq6OSq7间Ⅱ型界面,同时也比较接近王钰最早划分的“分乡页岩”(王钰,1938)的底界(比其底界低2~3m)。其3,以原剖面南津关组上段近顶部硅质条带灰岩消失处,即OSq4OSq5间Ⅰ型界面为界。此处在原剖面两侧的岩壁上可见到1清晰的槽沟状剥蚀地形。追索后发现,该界面延伸10分稳定。显然,它代表着较长时间的暴露剥蚀。界面以下多为白云岩,以上为灰岩夹页岩,暗示其上下环境和岩相存在较大的差异。

作者在此推荐第3个界面。它比宜昌所(曾庆銮等,1987)划分的南津关分乡组界线界碑位置低约15m,代表了两河口期中晚期的1次分布广泛的海退-海侵事件(参见图3-1等)。界面特征明显,上下岩性组合区别明显,在整个台地范围内均可容易地识别对比。

例2 桃花石组(台缘斜坡相区)

原组标准划分来源于9溪剖面上厚约3m的杂色生屑灰岩,这层灰岩之底即为该组与下伏马刀育组间界线(湖南区调队,1986)。但追索观测表明,这1界线是不准确的,或者说桃花石组的定义是不全面的。

向西20km到桃源黄石镇,这套颜色艳丽杂驳的生屑灰岩变为3个层组,总厚约为5~6m,夹厚度不等的黄绿—深绿色及杂色含笔石页岩;再往西南约20km到慈利陈家河时,则变为6~7个层组,总厚度近10m,夹多层深绿色含笔石泥页岩。由其中的海绿石化介屑层、正粒序、波状侵蚀底型及丘状交错层理以及多向水流特征等,可推断它们属典型的风暴岩(Walker和James,1992)。

对9溪剖面原马刀育组顶部至“桃花石组”的1段地层进行观测发现,“桃花石”层位之下的约40m紫红—黄绿—灰绿等杂色页岩,与多个薄层状、总体向上变厚(由3cm逐渐增至8cm)的泥质生屑灰岩夹层,及上覆的厚层状“桃花石组”(3m)等,恰好构成1个完整的风暴控制型陆棚加积-进积序列(Walker和James,1992),即OSq7之HST(图8-2)。其间并无大的沉积间断或暴露剥蚀,因此在进行岩石地层单位的划分时,似乎不宜将其分割开来。鉴于此,作者建议,桃花石组的定义应进行补充,即该组应表述为“紫红、灰绿等杂色生物碎屑灰岩与黄绿、紫红等杂色页岩互层所组成的1套岩石组合”。它与下伏的马刀育组之间的界线,实质上是该相区层序OSq7的最大海泛面,也即杂色页岩与含生屑灰岩、白云质泥灰岩等之间的岩性转换面。该转换面往往还可表现为硬底。相信新厘定的桃花石组将会有更为完整的岩性组合、突出易认的顶底界而便于野外操作。

图8-2 桃源9溪马刀育组-桃花石组层序地层、岩石地层划分对比图

根据该组在层序OSq7中的位置以及所含的牙形石Serratognathus diversus(湖南区调队,1986;安太庠,1987)和此次研究中在所夹页岩里采获的Tetragraptus sp.等可知,厘定后的桃花石组,基本上可与台地相区的红花园组相对比。

例3 南石冲组5峰组(陆棚斜坡—盆地相区)

桃江地区的南石冲组原定义为1套“灰、深灰色或灰绿色薄—中层状泥岩”(湖南区调队,1986)。少有化石。其上覆5峰组则与桃源9溪1带类似。

根据徐熊飞(1981)及作者的观察,发现在响涛园南石冲剖面等地,该组顶部存在数米至10数米厚的近源性浊积砂砾岩(图8-3)。它强烈下蚀下伏地层,显示出不同于前的沉积机制。往上与上覆原5峰组之间则以1个较清晰的加深间断面相隔。但总体上仍呈连续过渡,再没有如其底界上下那样大的变化。由于在临近的鄂东南等台地相区,5峰组页岩之下存在着淡水白云岩化及海陆交互相砂砾岩沉积等(刘永耀等,1984)明显的海退标志,说明在桃江1带的这套浊积岩和下伏地层之间,显然存在着1个由于海退而形成的规模较大、时限较长的沉积间断及侵蚀缺失,浊积岩本身则很可能代表着海平面由降低向升高阶段、即总体水位较低时期的产物。因此,这套浊积岩看来只宜归入上覆地层的沉积序列中,其底界在该地区为OSq17OSq18间Ⅰ型界面,本身则为层序OSq18的低位域(LST),顶界为OSq18的初始海泛面即海侵面(TS)。

由于这套浊积型砂砾岩无论从岩性上,还是从成因序列或沉积旋回上,都与下伏岩层有着较为截然的区别,区域上又有着广泛而稳定的展布(徐熊飞,1981),因此,笔者建议:该段可单独建立1个新组;或成为本区5峰组的1个段,将之与原来意义上的南石冲组区别开来。笔者在这里趋向于后者,并暂名之为响涛园组。根据它在OSq18中的位置及上覆地层所含笔石Dicellograptus complexus(=szechuanensis)(徐熊飞,1981;湖南区调队,1986;曾庆銮等,1987)等可推知,此段地层很有可能相当于Dicellograptus complanatus带或其部分沉积。

图8-3 桃江响涛园南石冲组-5峰组层序地层、岩石地层划分对比图(图例同图3-1)

从以上例子可以看出,层序的顶底界(SB)、尤其是Ⅰ型界面(SB1),往往代表着较大规模的海退与暴露剥蚀;各体系域之间的界面(TS或FFS,mfs等),则往往显示着较大程度的沉积环境及相的变化。两者在区域上是极易追索的。同时,无论是前者还是后者,它们又都是某1基本层序,即地层序列中最小沉积单元的顶底界,符合组的基本定义(Hedberg,1976;全国地层委员会,1981),因此它们是可以作为岩石地层基本单位——组的界线并运用于野外的实际操作中的。

显然这里需要探讨这样几个问题:1是传统意义上的岩石地层单位,比如说“组”,是所谓“普遍穿时”的地质体,而沉积层序则被定义为1种“等时”的地质体,因此人们会怀疑按照上述途径优化“组”的界线是否存在互相矛盾、是否有混淆两种不同概念之倾向;2是传统岩石地层单位与沉积层序在地层对比中各自的地位和效用,或者说它们之间的关系如何。

对于第1个问题,作者认为这两者之间并不矛盾。正如前面所指出的那样,问题首先出在怎样理解和选择岩石地层单位及其界线,其次是怎样理解“组”的“穿时性”。本文的基本论点就是:既然层序地层研究已在原以为“整合”的1套地层序列中发现了诸如层序界面、海侵面及最大海泛面,以及台地相区经常见到的层序界面与海侵面的复合体,甚至在台地淹没过程中所出现的这3种界面的复合体(即淹没型层序界面等)大的不整合或沉积间断面,其物理特征明显,同时这些界面之间所分隔的地层本身又符合“组”的定义,那么再继续把这样1段地层当做同1个岩石地层单位“组”,就有悖情理了。正如本章开头所引的例子,不顾其间早就被人们确认的广泛分布的平行不整合而将中南地区5峰组与龙马溪组下段划归为同1个所谓的“龙马溪组”(赵志强等,1996),这种作法现在看来是不甚妥当的。

另1方面,由于受“统1地层学”多年的影响,使得我国许多岩石地层单位及其界线的选择更多地迁就了生物地层,或者说更多地迁就了由生物地层研究而获知的地质体的时代,忽略了界线的自然性与物理性。正如黄花场分乡组底界的最初确认(曾庆銮等,1987)以及前述根据笔石带在浙江于潜奥陶—志留纪剖面上来建立“安吉组”与“堰口组”(张守信,1990),这样的做法实际上又走到了另外1个极端,也是不足取的。

至于说到组(或群、段等岩石地层单位)的“穿时性”,作者认为它和层序的“等时性”1样,都具有1定的相对性,应根据不同的背景来认识问题。“组”之所以具有“穿时性”,首先是因为海(水)侵时间早晚差异造成的沉积边界的不等时性,其次是因为相同沉积相及其组合的侧向迁移,还可能因为白云岩化等成岩作用而导致的次生性岩石组合边界的不统1性(比如湘黔地区娄山关群及华北中南部的3山子组的顶底界等),等等。而对于“组”等岩石地层单位,在规定并用作特定的地层单元时,其实还是首先默认了其形成时代的可比性或者说某种程度上的“等时性”,只不过这种可比性是通过1定范围内(比如1个或数个单位图幅内)基本稳定的岩性组合及正常的地层叠覆关系反映其形成顺序的相当性。相信人们并不会这样做:只因为岩性的相似性、不顾其时代早晚,而将湘鄂地区早寒武世早期的水井沱组与早奥陶世晚期的烟溪组或庙坡组及晚奥陶世晚期的5峰组等黑色页岩(徐熊飞,1981;湖南区调队,1986;曾庆銮等,1987;赵志强等,1996)混为1谈。

而在另1方面,虽然层序在理论上是由周期性的海平面升降所形成的层序界面所包络的“等时”的地层格架,但在从盆地经斜坡到近岸地区的广大区域内,其底界或顶界的时限并不是1成不变的(Vail等,1977;Posamentier和Vail,1988)。1般来说,因海平面的逐步上升,越靠近岸边,层序底界的时限会越来越晚。而其顶界则会因为海平面下降的幅度及不同相区暴露时间不同等原因,造成遭受剥蚀的程度也会有所不同。但在多数情况下,越靠近岸边其顶界往往会缺失得越多些。类似的情况也会出现在斜坡附近,当然那里的成因稍有不同。但不管怎么说,沉积层序的顶底界在台地的近岸地带及斜坡区实际上已变成了穿时界面。而这与“组”的“穿时性”是完全1致的。只有在①靠近台地枢纽带的某些地区,因为原始的沉积基底相对较为平坦,海平面上升幅度不大即可在相对短暂的时间内将其淹没;②海平面升降1般不容易影响到的盆地相区,才有可能存在大致等时的层序界面(Vail等,1977;Posamentier和Vail,1988)。可见,此时层序的“等时性”反倒更具有抽象性和局限性了。

由此可见,以1些层序(尤其是Ⅰ型)的边界及内部体系域的界面来重新厘定1些岩石地层单位的界线,从根本上并无矛盾之处,也并无混淆两种概念之倾向。相反,这样做首先只会更加合理地优化界线,修正1些如本文所举实例那样的1些“组”界划分的不妥之处,其次是希望这样的优化会因为沉积层序本身所具有的特点而使地层的对比更易操作,对比结果更为精确。同时也是至关重要的1点就是,由于这1优化是以不同相区内最易识别、并可实现良好对比的层序地层最基本单元即3级层序(正层序)为基础来进行的,所以将会使“组”从此暗含这样的前提与特性:某1相区该组的“穿时性”将被限定在1个正层序即3级层序之内,特殊情形下甚至可被限定在更小的1个体系域之内。这里实际上已谈到了上述第2个问题,即传统的岩石地层单位“组”与沉积层序在地层对比中各自的地位和效用,以及它们之间的关系。

众所周知,传统岩石地层单位“组”在进行横向对比时,首先依靠的是地层的叠覆关系以及岩性组合的相似性和相对稳定性,同时实际上还考虑了在1定范围内1个地质体粗略的、时限不太严格的时空的基本1致与对应。而层序地层主要依靠的是海平面变化的旋回性以及沉积体系(域)的时空配置关系来实现地层的对比相当,更多地从沉积体的成因角度以及联系的观点看问题。与前者相比,层序地层在沉积相—沉积相组合—沉积体系—沉积体系域—层序的分析过程中,可将这些不同相区的沉积体置于同1个有机的时间-空间格架中综合分析,因此更富于预测性地解决了不同沉积相区的相变沉积体之间的时空对应问题,并使得地层对比第1次有可能达到高精度及高分辨率的要求。由此可见,以组为基本岩石地层单位的地层对比和以沉积层序为基本单元的地层对比,实际上只是地层学及沉积学发展的不同阶段使然,它们之间应该说具有1定的继承性和互补性。这1点,其实完全可以从Sloss(1949,1963,1974,1988)的系列研究中得到认识。

然而,当1个沉积层序因其厚度和空间的分布等原因不足以单独成为1个填图单位时(比如在沉积缺失很多的古陆边缘),或者恰好相反时(比如沉降很大的斜坡区),我们就依然需要用组等不甚精确的岩石地层单位。但是,此时的组也应该是1个优化或调整了1些界线、修改或补充了部分内涵的新的岩石地层单位。另外在盆地相区,因远离物源区和能量非常低的水动力条件,那里的沉积层序其边界是整合的也是等时的,单个层序厚度很薄,而且相邻层序间岩性岩相的区别也很小,此时当然就没有可能也没有必要以层序或体系域边界来“优化”岩石地层单位了。实际上,这种相区的1些“组”,往往相当于较浅水相区的数个“组”,或者1个层序地层组(sequence set)(Wang和Shi,1996),其边界则代表了较高级别、较大规模的海平面及环境变化。比如奥陶纪早期湘中地区的白水溪组、桥亭子组及烟溪组等。

通过上述实例及相关讨论可以体会到,以1些沉积层序(特别是Ⅰ型)及体系域的界线来优化和厘定部分岩石地层单位的界线,不仅不会给传统的岩石地层学研究带来混乱,反而会带来富有潜力的积极的效应。归结起来有:

(1)可使现行岩石地层单位,尤其是它们的界线更具物理的和自然的特征,易于识别和对比,便于野外的操作。

(2)可使1些含有大的间断或不整合(Ⅰ型界面等)的“组”等,分解、重组为内部更具成因序列性质、不含大的间断与缺失的新的岩石地层单位,使其更加符合其定义,便于精确地填制组图。

(3)由于这种优化将使得特定相区的“组”的穿时性被限定在1个3级层序(特殊情形下可限定在1个体系域)的时限之内,因此借助于层序地层研究过程中各体系域间的沉积顺序及结构匹配分析,将会使1些不含化石或化石层位不确定的岩石地层单位之间的对比,变得较为准确且便于预测,从而可望弥补传统生物地层研究的1些不足之处。

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