湖南省位于长江中游的洞庭湖之南, 地理坐标:E109° 10'-114° 15', N24° 40'-30° 00', 北与湖北相连, 东与江西相邻, 南接广东、广西, 西与贵州和四川接壤(图 1)。从构造角度讲, 现今的华南地区分成了扬子陆块和华夏陆块(刘宝珺等, 1993; 许效松等, 2004), 湖南地区恰好位于2个陆块的交接位置, 由于2个陆块盆地构造格架及沉积盆地属性的差异性决定了其交接位置构造属性的复杂性, 尤其在加里东运动强烈的中晚奥陶世。笔者选取了龙山红岩溪、永顺吊井、新化炉观、溆浦低庄、洞口江口, 双峰天马山、祁东石门口, 茶陵回岭和新田槽头源9个奥陶系剖面进行野外实测观察与取样, 以张家界温塘、安化毛铺子和桂东瑶垄里等剖面辅助观察, 详细研究了湖南地区晚奥陶世桑比期— 凯迪期早期的沉积特征, 并阐述了湖南地区该时期沉积相展布及沉积演化模式。

图1

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	图1 湖南地区地理位置图Fig.1 Map showing the location of Hunan area

表1

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表1(Table1)

表1 湖南及邻区上奥陶统桑比— 凯迪阶地层划分及对比(据湖南省地质矿产局, 1988; 陈旭和Stig, 2008) Table1 Stratigraphic correlation of the Sandbian-Katian stages of Upper Ordovician in Hunan area and its adjacent area (after Bureau of Geology and Mineral Resources of Hunan Province, 1988; Chen Xu and Stig, 2008) 年代地层 生物地层 湘西北 湘中 湘南 浙西 黔北 上 奥 陶 统 凯 迪 阶 五峰组 五峰组 天马山组 于潜组 五峰组 Dicellograptus complanatus带(g) Amorphognathus ordovicicus带(c) 临湘组 南石冲组 城步组 黄泥岗组 涧草沟组 Pleurograptus linearis带(g) Diplacanthograptus caudatus带(g) 宝塔组 磨刀溪组 双家口组 砚瓦山组 宝塔组 桑比阶 Climacograptus bicornis带(c) Nemagraptus gracilis带(g) 中奥陶统 达瑞威尔阶 Undulograptus Austrodentatus带(g) 十字铺组 烟溪组 百马冲组 胡乐组 十字铺组 注:(g)表示笔石graptolite, (c)表示牙形刺(conodont)。

表1 湖南及邻区上奥陶统桑比— 凯迪阶地层划分及对比(据湖南省地质矿产局, 1988; 陈旭和Stig, 2008) Table1 Stratigraphic correlation of the Sandbian-Katian stages of Upper Ordovician in Hunan area and its adjacent area (after Bureau of Geology and Mineral Resources of Hunan Province, 1988; Chen Xu and Stig, 2008)

对于中国南方上奥陶统, 前人曾经做过大量的研究工作, 建立了较为准确的牙形石和笔石带生物地层对比标志(刘义仁和傅汉英, 1985; 安太痒, 1987; 汪啸风, 1993; 陈旭等, 2000; 陈旭和Stig, 2008)。桑比阶以笔石Nemagraptus gracilis带之底为底界, 其底界与湘西北及黔北“ 宝塔组” 、湘中“ 磨刀溪组” 、湘南“ 双家口组” 、浙西“ 砚瓦山组” 的下限基本一致, 凯迪阶以笔石Diplacanthograptus caudatus带之底为底界, 其早期上限与湘西北“ 临湘组” 、湘中“ 南石冲组” 、湘南“ 城步组” 、浙西“ 黄泥岗组” 、黔北“ 涧草沟组” 的上限基本一致(表 1)。

湘西北地区宝塔组岩性为紫红色、青灰色龟裂状灰岩, 灰岩中含有大量个体保存完整的直角石化石; 层面上发育多角形网纹构造, 沉积厚度一般为18~49 m。临湘组沉积的主要是紫红色、灰绿色的瘤状灰岩; 沉积厚度为4~15 m。

湘中地区磨刀溪组下部地层为黑色与灰白色黏土质页岩、砂质页岩夹含锰灰岩, 有时构成碳酸锰矿, 上部为灰及暗灰绿色泥岩、粉砂质泥岩。南石冲组主要为灰及深灰色薄中层状泥岩, 泥岩中有时含有硅质, 厚度变化多在15~27 m之间(湖南省地质矿产局, 1988)。

湘南地区中部祁东、新田一带双家口组岩性以硅质页岩、碳质页岩为主, 夹薄层砂质页岩。硅质岩单层厚度向上逐渐增加, 所占比例也越来越多, 含碳量从多到少以至变为不含碳质, 风化后为灰白色, 厚度一般有数十米; 城步组主要为黑色或灰黑色含碳质页岩、页岩、砂质页岩; 沉积厚度一般十几米到30 m, 而在湘东南桂东、茶陵、炎陵一带其岩性、厚度均发生了巨大的变化, 向东砂质逐渐增多, 厚度也明显增大。双家口组为灰色、深灰色中厚层状浅变质细粒岩屑石英砂岩、长石石英粉— 细砂岩与板岩、砂质板岩互层, 厚度增至251 m; 城步组沉积青灰色中厚层状的岩屑石英砂岩、浅变质长石石英砂岩、粉砂岩夹薄层状绢云母板岩、砂质板岩, 或为互层, 厚度增至692 m(湖南省地质矿产局, 1988)。

通过对湖南地区奥陶系地形剖面的野外实测观察及室内样品薄片分析, 并结合研究区大量的古地理研究成果, 综合分析将湖南地区划分为开阔台地相、浅海陆棚相、深水滞流盆地相和陆棚边缘— 斜坡相(图 2)。

2.2 浅海陆棚相

浅海陆棚相在湖南地区的主要产出层位为湘中“ 磨刀溪组” 和“ 南石冲组” , 主要由灰绿色、青灰色砂质泥板岩、泥板岩夹粉砂岩、泥灰岩透镜体组成(图 4); 该相区内头足类生物角石已经消失, 开始出现营漂浮生活的笔石分子, 沉积构造主要为水平层理, 在桃源、桃江一带发现有三叶虫化石, 以水中浮游型圆尾虫类三叶虫(Cyclopyge)和底栖三叶虫(Alceste和cyamella)为主, 根据圆尾虫类的分异度、属(亚属)的组成和相对丰度和与底栖三叶虫的组合判定其生活水层上限应浅于200 m(周志强等, 2000; 周志毅等, 2000), 该沉积相范围大致为慈利— 张家界— 古丈— 吉首以南, 衡阳— 邵阳以西。

图2

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	图2 湖南地区晚奥陶世桑比期— 凯迪期早期沉积相对比Fig.2 Sedimentary facies correlation of the Sandbian-Early Katian Ages of Late Ordovician in Hunan area

图3

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	图3 湖南地区宝塔组“ 龟裂纹” 灰岩及临湘组瘤状灰岩 1— 青灰色的“ 龟裂纹” 灰岩层面龟裂状构造, 龟裂纹中被后期泥质充填, 湖南龙山红岩溪宝塔组; 2、4— 龟裂纹灰岩中发育的完整的直角石化石, 角石个体保存完整, 大小10~25 cm不等, 湖南龙山红岩溪宝塔组; 3— 紫红色的瘤状灰岩, 瘤体形态不一, 长条状, 椭圆状, 疙瘩状且大小不等, 湖南永顺吊井临湘组Fig.3 “ Chapping grain” limestones from the Baota Formation and nodular limestones from the Linxiang Formation in Hunan area

图4

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	图4 湖南地区磨刀溪组粉砂质泥板岩及南石冲组硅质板岩 1— 绿色粉砂质泥板岩, 泥板岩中水平层理相当发育, 湖南溆浦低庄磨刀溪组; 2— 泥板岩中所夹的灰黑色的硅质板岩, 湖南洞口江口南石冲组Fig.4 Silty argillite of the Modaoxi Formation and siliceous slate of the Nanshichong Formation in Hunan area

2.3 深水滞流盆地相

深水滞流盆地相主要发育于湘南地区的“ 双家口组” 和“ 城步组” , 岩性由灰黑色— 黑色碳质页岩、含碳质硅质页岩、硅质页岩组成(图 5-1)。相区内沉积岩性的类型较单一, 多为碳质页岩与硅质页岩互层。沉积厚度也相对稳定, 仅十几至七十多米, 生物化石以三叶虫和笔石为主, 在祁东双家口地区双家口组上部发现的三叶虫化石除表层水浮游分子Telephina外, 全部为水中浮游类型, 即圆尾虫类(Cyclopyge)和桨肋虫类Girvanopyge, 根据圆尾虫类的分异度、属(亚属)的组成和相对丰度和与其他三叶虫的组合判定海水深度可能大于300 m(周志毅等, 2000)。在硅质页岩中还发现有放射虫化石(图 5-2), 含量在10%~20%之间, 放射虫个体呈椭圆状, 大小为0.05~0.3 mm, 有些个体内部溶蚀被黑色碳泥质有机质所充填, 根据其岩性、厚度及生态组合特征大致判定其为水体较深、缺氧还原的欠补偿盆地环境。其范围大致位于衡阳— 邵阳以南, 攸县— 安仁— 永兴— 郴州以西北。

图5

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	图5 湖南地区硅质页岩、含碳质硅质页岩宏观及显微特征 1— 灰白色硅质页岩与灰黑色含碳质硅质页岩互层, 呈厘米级的黑白条纹状, 湖南祁东石门口双家口组; 2— 含碳硅质页岩中放射虫化石, 个体大小100~300, μ m, 其内部溶蚀被黑色有机质充填, 正交偏光, 湖南祁东石门口双家口组Fig.5 Macroscopic and microscopic characteristics of siliceous shale and carbon siliceous shale in Hunan area

图6

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	图6 湖南地区陆架边缘— 斜坡相的宏观及显微岩性特征 1— 青灰色中厚层状的长石岩屑石英砂岩与砂质板岩, 泥板岩的韵律互层, 湖南茶陵双家口组; 2— 鲍马序列BCD段, 其中箭头所指方向为C段沙纹层理古流向267° , 湖南茶陵双家口组; 3— 岩屑石英粉— 细砂岩, 颗粒支撑, 颗粒之间多为硅质胶结, 次为黏土胶结, 湖南茶陵 双家口组; 4— 长石石英细砂岩, 颗粒之间多为黏土胶结, 湖南桂东城步组Fig.6 Macroscopic and microscopic characteristics of shelf margin-slope sedimentary facies in Hunan area

图7

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	图7 湖南地区晚奥陶世桑比期— 凯迪期早期岩相古地理Fig.7 Lithofacies palaeogeography of the Sandbian-Early Katian Ages of Late Ordovician in Hunan area

图8

Fig.8

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	图8 湖南地区晚奥陶世桑比期— 凯迪期早期沉积模式Fig.8 Depositional model of the Sandbian-Early Katian Ages of Late Ordovician in Hunan area

早奥陶世, 湘西北发育典型的镶边型碳酸盐岩台地(周名魁等, 1993; 李志明等, 1997a), 中晚奥陶世开始, 华夏陆块与扬子陆块不断的挤压碰撞(周名魁等, 1993; 许效松等, 1996), 黔中隆起、川中隆起和雪峰隆起等边缘古隆起不断抬升, 沿着古隆起周缘发育了小面积的潮坪相(谢尚克等, 2011), 其岩性以瘤状灰岩及泥灰岩为主, 随着隆起区不断地扩大, 构造掀斜效应进一步加大, 从而导致海平面持续上升, 沉积水体的不断加深使得湘西北张家界、永顺一带镶边型的碳酸盐岩台地被“ 淹没” 变为碳酸盐岩缓坡环境(周名魁等, 1993; 许效松等, 1996; 胡书毅等, 2001; 牟传龙和许效松, 2010; 牟传龙等, 2011), 沉积了一套发育有大量角石化石的“ 龟裂纹” 灰岩和瘤状灰岩, 其沉积相范围大致位于慈利— 张家界— 古丈— 吉首之北西(图 7), 到湘中新化、安化、双峰一带沉积水体相对加深, 变为陆源细碎屑岩沉积为主, 偶夹一些碳酸盐岩、灰绿色的砂质板岩、板岩夹粉砂岩、泥灰岩透镜体, 具典型的混合沉积的浅海陆棚特征。湘中南祁东、新田一带为相对低能还原的欠补偿盆地环境(冯增昭等, 2001, 2003, 2004), 沉积岩性主要为灰黑色、黑色的碳质页岩及含放射虫硅质岩互层, 页岩中发育的化石基本以笔石为主, 其沉积厚度仅几米、十几米。伴随着华夏陆块向西北扩大和推挤作用的加剧(周名魁等, 1993), 东南侧古隆起不断抬升, 为该区提供了丰富的陆源碎屑, 湘东南茶陵、桂东一带沉积了厚逾千米的岩屑石英粉— 细砂岩、长石石英粉— 细砂岩、板岩的韵律互层, 具典型的浊流沉积特征。湖南地区在晚奥陶世桑比期— 凯迪期早期自北西到东南方向依次沉积为开阔台地相、浅海陆棚相、深水滞流盆地相和陆棚边缘— 斜坡相(图 8)。总体来看湖南地区在该时期为一个从两侧向中间逐渐变深的沉积环境, 湘中南祁东、新田一带为水体最深部位。

1)根据湖南地区晚奥陶世桑比期— 凯迪期早期沉积地层的岩性特征、沉积构造特征、古生物特征及其他沉积特征变化, 将该区划分为开阔台地相、浅海陆棚相、深水滞流盆地相和陆棚边缘— 斜坡相。

2)根据所划分的沉积相的平面分布, 建立了该地区晚奥陶世桑比期— 凯迪期早期的沉积模式, 自西北、东南两方向向中部逐渐变深, 湘中南一带为水体最深部位。

3)中晚奥陶世开始, 随着黔中、川中等边缘古隆起面积的增大, 导致了局部地区相对海平面上升, 湘西北镶边型碳酸盐岩台地被淹没转为碳酸盐岩缓坡沉积体系, 湘中南地区深水滞流盆地相面积也相对增大, 湘东南茶陵、桂东一带随着华夏东南缘古隆起的不断抬升, 陆源碎屑物质的不断供给, 沉积了厚度巨大的岩屑石英粉— 细砂岩、长石石英粉— 细砂岩、板岩的韵律互层。