按陆棚环境中沉积物的类型, 湘中— 湘南地区寒武系浅海陆棚相又可分为碳酸盐陆棚亚相、混积陆棚亚相和碎屑陆棚亚相3种。

2.1.1 碳酸盐陆棚亚相

碳酸盐陆棚亚相主要发育于湘中地区的西北一带, 各时期内分布范围有所不同, 但沉积特征基本一致, 岩性以灰黑色中— 厚层状泥灰岩、泥质条带灰岩、纹层状灰岩以及泥晶灰岩为主, 局部区域见少量泥质白云岩。灰岩层常夹深灰色薄层状碳质页岩和粉砂质页岩, 亦常见星点状、结核状及纹层状黄铁矿。碳酸盐沉积物自下而上的演化序列为:灰岩— 泥灰岩— 泥质条带灰岩。泥质条带灰岩常由泥质灰岩与纯净灰岩互层组成, 横向展布不稳定, 层厚不等, 纯净灰岩常呈透镜状或脉状(图 2-A), 水平层理及纹层状构造发育。产Charchaqia sp., Pseudagnostus commnis., Lejopyge laevigata armata., Homagnostus sp., Yuepingia sp.等球接子类三叶虫化石以及腕足类Obolus sp.等浅海生物种群化石(湖南省地质矿产局, 1984)。

图2

Fig.2

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	图2 湘中— 湘南地区寒武系岩石组合、沉积构造与岩性特征Fig.2 Rock assemblages, sedimentary structures and lithological features of the Cambrian in central and southern Hunan Province

2.1.2 混积陆棚亚相

混积陆棚亚相主要发育于第三统敖溪组、花桥组、车夫组与探溪组以及芙蓉统的塔山群上组。第三统混积陆棚亚相主要分布于古丈— 花垣— 凤凰一线以东南以及桃江— 桃源一线以西北; 芙蓉统混积陆棚亚相分布于湘南地区通道— 绥宁— 新宁— 新田— 道县一带。

第三统混积陆棚亚相岩性主要为深灰色薄— 中层状条带灰岩、含碳质粉砂质灰岩、纹层状粉砂质灰岩、纹层状白云岩、泥晶灰岩, 花垣一带偶夹砾屑灰岩。通过对区域内第三统岩石学特征详细的镜下观察, 发现其主要沉积物条带灰岩并非“ 泥质条带灰岩” , 而是由灰岩条带— 颗粒灰岩、泥晶灰岩与粉砂质条带— 粉砂质灰岩、纹层状含碳质粉砂质灰岩互层组成。粉砂质灰岩是以碳酸盐沉积物为主体混有陆源碎屑颗粒(图 2-B)的混合沉积物, 以石英颗粒为主的陆源碎屑含量达10%~40%不等, 亦可称之为含陆源碎屑— 碳酸盐混积岩或陆源碎屑质— 碳酸盐混积岩(张雄华, 2000)。形态上, 条带灰岩常呈透镜状、楔状, 脉状层理发育, 层厚不等, 横向延伸不稳定, 表现出浅海陆棚沉积物的典型特征。

花垣地区的条带灰岩中夹有数层砾屑灰岩, 砾屑灰岩组分与条带灰岩基本一致, 砾屑成分为颗粒灰岩或泥晶灰岩, 填隙物为混有大量以石英颗粒为主的陆源碎屑的粉砂质灰泥。砾屑灰岩与上覆发育丘状(洼状)交错层理、浪成波痕、浪成沙纹层理的条带灰岩及不具层理的泥晶灰岩组成不同类型的风暴沉积序列。砾屑灰岩是原地或近原地半固结岩层遭受到风暴流的击碎、冲刷、淘蚀和短距离搬运或搅动, 在风暴活动衰减后于原地或近原地快速堆积的风暴沉积物(郑秀才, 2006; 魏幼萍等, 2007; 梁薇等, 2012)。砾屑灰岩以夹层的形式产出于混积的条带灰岩中, 且其填隙物中混入大量陆源碎屑物质, 均表现出突变式混合沉积的特征(董桂玉等, 2007, 2009; 赵灿等, 2011), 表明这是由陆棚环境中的风暴或强风浪作用等突发性事件造成的间断混合沉积物(Markello and Read, 1981; Mount, 1984; 张锦泉和叶红专, 1989; 江茂生和沙庆安, 1995; 李祥辉等, 1997; 沙庆安, 2001)。此外, 条带灰岩中见附枝藻、轮藻以及节肢动物(梁百和和朱素玲, 1992; 朱才伐等, 2004)等正常浅海的碳酸盐岩生物群组合, 三叶虫骨刺碎屑、风暴沉积物均表现出遭受强风浪影响的浅海陆棚环境的典型特征。因此, 判断其沉积相类型为发育碳酸盐与陆源碎屑混合沉积的混积陆棚亚相。

芙蓉统混积陆棚亚相主要发育碳酸盐岩系与碎屑岩系混合沉积的混积层系(江茂生和沙庆安, 1995; 沙庆安, 2001; 郭福生等, 2003; 董桂玉等, 2007, 2009), 是扬子陆块的碳酸盐沉积物与华夏陆块的碎屑沉积物之间的交互过渡沉积。靠近扬子陆块一侧, 沉积物以泥质条带灰岩、泥灰岩、白云质泥灰岩及粉砂质泥灰岩等层厚稳定的碳酸盐岩为主体, 局部夹数套与华夏陆块碎屑岩沉积特征一致的碎屑岩(主要岩性为灰绿色、黄绿色中厚层状浅变质石英砂岩、长石石英砂岩为主夹粉砂质页岩、绢云母页岩或互层)。而靠近华夏陆块的区域, 沉积物则以华夏陆块典型的浅灰色— 灰色、灰绿色中厚层— 巨厚层浅变质石英砂岩、长石石英砂岩, 夹深灰色、灰绿色绢云母板状页岩、粉砂质页岩等碎屑岩为主体, 局部亦夹沉积特征与扬子陆块的碳酸盐沉积物一致的碳酸盐岩(主要岩性为深灰色粉砂质泥灰岩、泥质条带灰岩和白云质泥灰岩)(图 2-C)。在沉积物以碳酸盐岩和碎屑岩混积层系为主的区域内, 仍以发育弱还原环境的沉积物为主, 且水平层理最为发育, 故沉积环境为地形较为平坦的浅海陆棚环境, 沉积相为混积陆棚亚相。

第三统中碳酸盐沉积物中混入大量以石英为主的陆源碎屑的混合沉积物的发现, 具有极其重要的指相意义, 是这一时期研究区古地理环境恢复的关键因素之一。因此, 其发育的详细层位与区域分布范围都是值得深入探讨的, 其碎屑物质的来源这一问题尤其值得关注, 若碎屑物质如果是来自西侧的康滇古陆或北侧的汉南古陆, 那么是何种搬运机制使其通过纯净的碳酸盐岩台地而到达广阔的浅海陆棚环境; 抑或其物源供给是来自东南一侧的华夏陆块区, 这又是通过何种搬运机制而来的。这一问题的解决, 对解释寒武纪扬子陆块与华夏陆块的沉积格局、古地理环境甚至构造格局都具有十分重大的意义(梁薇等, 2012)。而芙蓉统中混积陆棚亚相的存在与发现, 说明在寒武纪, 扬子陆块与华夏陆块的沉积物及沉积相并非截然不同, 他们之间存在过渡沉积, 沉积相带展布连续完整, 两者间不存在大洋间隔、可能处于同一沉积海域(张欣国, 1993; 柏道远等, 2007)。

2.1.3 碎屑陆棚亚相

碎屑陆棚亚相发育于湘南地区的寒武系塔山群, 岩性为灰绿色、黄绿色中厚层浅变质中细粒石英砂岩、含岩屑石英砂岩、含长石岩屑石英砂岩(图 2-D)、长石石英砂岩、绢云母长石石英砂岩, 夹黄绿色薄层状砂质板状页岩、绢云母板状页岩、含碳质板状页岩或互层(图 2-E), 偶见石英杂砂岩, 沉积厚度大, 为几百米至上千米。砂岩单层厚度一般为0.2~1.2 m, 多数呈厚层状, 纽芬兰统及第二统砂岩的单层厚度略薄, 第三统和芙蓉统砂岩单层厚度呈增加趋势; 而页岩的单层厚度较薄, 为5~20 cm, 常为10 cm左右, 通常1个砂板韵律的厚度为0.4~2 m。研究表明, 整个塔山群自下而上, 以页岩沉积为主的细粒沉积物存在减少趋势, 而以中细砂岩为主的粗粒沉积物则随着物源的充分供给或地形改变等而不断增加。

另外, 塔山群碎屑沉积物中, 沉积构造单一, 见大量水平层理与纹层状构造, 页岩中尤其发育。但在新田— 资兴这一狭窄的地区内, 芙蓉统发育指示牵引流的沉积构造, 如波状层理、沙纹交错层理、递变层理等, 且亦偶见砂球构造和滑塌构造, 砂岩底部偶见槽模、沟模、火焰状构造及泥岩撕裂屑等重力流沉积物的典型标志; 此外, 砂板互层的沉积物中还有类似鲍马序列ACE组合、BCE组合(图 2-F)、DE组合等不同组合的不完整序列。笔者认为, 在芙蓉世, 在这一靠近深水盆地的狭窄区域内出现偶见指示重力流的沉积构造的现象, 表明这一区域发育碎屑陆棚中略具坡度的陆棚坡折带。由于其发育范围与规模都较小, 且沉积的砂岩类型主要为净砂岩, 几乎见不到表征浊流沉积的杂砂岩, 故根据优势相原则将其划归为碎屑陆棚亚相。

深水盆地是指发育在浅海陆棚之上的水体较深、动力弱、安静的盆地区域, 以发育细粒悬浮沉积物为主。纽芬兰世— 第二世深水盆地相以黑色碳质板状页岩夹硅质岩、含碳质硅质页岩、粉砂质碳质板状页岩等稳定的黑色岩系为主(图 2-G), 底部常发育硅质岩, 水平层理发育, 为缺氧滞流型深水盆地沉积物。生物方面仅产海绵骨针Protospongia.。此外, 页岩中常富含铀、镍等多种元素, 靠近底部的碳质页岩常含磷结核, 向上磷结核减少, 新化大石剖面小烟溪组靠近底部含有1层厚12 cm的磷块岩层。各剖面纽芬兰统底部的碳质页岩中碳质相对富集, 常形成石煤层, 厚度1~5 cm不等。向上则碳质含量略减, 碳质富集成条带或微层状。碳质页岩中发育较多的黄铁矿结核、细纹状及星点状黄铁矿, 局部含有蓝绿色的铜钒矿物。

第三世— 芙蓉世, 深水盆地相的岩性逐渐变为黄色、紫红色薄— 中层粉砂质绢云母板状页岩、深灰色— 灰黑色含碳质、硅质板状页岩、绿泥石板状页岩、条带状页岩等, 风化后常呈灰白色及浅紫色(图 2-H), 页理极其发育。整个深水盆地相主要的岩相仍是以页岩相及硅质岩相为主, 沉积构造简单, 发育水平层理与页理, 生物方面产底栖三叶虫Pseudagnoslus, Homagnostus, Glyptagnostus以及海绵骨针Protospongia。深水盆地相广泛分布于湘中地区, 但随着海平面的持续下降, 从纽芬兰世— 芙蓉世, 局部地区的深水盆地相逐渐相变为碳酸盐陆棚亚相或混积陆棚亚相, 整体上为一发育在浅海陆棚之上的欠补偿型深水盆地, 水深未达到次深海— 深海的深度。

湘中— 湘南地区寒武纪早期的古地理格局是在晚震旦世的基础上进一步发展而成的。寒武纪初期, 全球海平面经过短暂下降后开始上升, 同时受古气候以及构造作用等因素制约, 研究区碎屑沉积物有所增多, 碳酸盐沉积物减少, 表现为碎屑浅海沉积环境。

湘中地区被黑色有机质含量高的细粒沉积物所覆盖, 主要发育黑色碳质页岩及硅质岩等, 页岩的平均有机碳含量为0.43%~9.16%, 最高达10.66%; 石煤的有机碳含量一般大于5%, 最高为12.73%(蒲心纯等, 1994)。黑色沉积物厚度较大, 平均厚度大于100 m, 平面延伸稳定, 在湘中地区形成了稳定的发育在陆棚之上的缺氧型深水滞流盆地, 揭示出湘中— 湘南地区在纽芬兰世— 第二世存在有利烃源岩发育区, 具有较大的生烃潜力(梁薇等, 2011), 也是页岩气勘探的前景区域。而在湘南地区, 由于华夏陆块的云开古陆、闽粤古陆、武夷山古陆等不断地向北西侧的深水区域提供丰富的物源以及海底地形、构造作用等因素, 沉积了大量的含岩屑石英砂岩、长石石英砂岩、含砾长石石英砂岩与板状页岩互层的陆源碎屑沉积物, 形成了分布范围广且稳定的碎屑陆棚亚相(图 3)。因此, 在纽芬兰世— 第二世早期时, 研究区基本上被深水盆地相及碎屑陆棚相覆盖, 总体的展布方式是北东— 南西向(图 4)。

图3

Fig.3

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	图3 湘中— 湘南地区寒武系纽芬兰统— 第二统横向对比Fig.3 Lateral correlation of the Cambrian Terreneuvian-Series 2 in central and southern Hunan Province

图4

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	图4 湘中— 湘南地区寒武纪纽芬兰世— 第二世早期(梅树村期— 沧浪铺期)岩相古地理Fig.4 Lithofacies palaeogeography of the Cambrian Terreneuvian-Early Epoch 2 (Meishucun Age-Canglangpu Age) in central and southern Hunan Province

到寒武纪第二世中晚期(第四期中晚期), 湘中— 湘南地区古地理格局变化不大。通过早寒武世碎屑岩沉积的铺垫, 第二世中晚期开始发生海退导致相对海平面下降, 整个扬子地区的沉积相发生了较大变化, 形成了以碳酸盐海域为主体的浅海沉积环境, 拉开了寒武纪碳酸盐岩台地形成演化的序幕, 湘中地区的西北部沉积物变为碳酸盐沉积物, 湘中地区东南部以及湘南地区仍以碎屑岩沉积为主体。

湘中— 湘南地区第二世中晚期(龙王庙期)主要发育浅水缓坡、深水缓坡、碳酸盐陆棚、深水盆地和碎屑陆棚沉积。沉积相带展布方向仍为北东— 南西向(图 5)。受海退等因素的影响, 碳酸盐沉积范围较前期扩大, 以安乡— 凤凰— 锦屏一线为界, 以西北的地区, 发育灰色— 灰黑色薄层状灰岩、厚层状白云岩、白云质灰岩、泥质灰岩等碳酸盐沉积, 为碳酸盐缓坡相区。此界线以东南至岳阳— 桃源— 洪江— 会同一线以西北之间的区域, 主要岩性为灰色— 深灰色薄层状灰岩、厚层结晶白云岩、泥质条带灰岩、豹皮状灰岩、灰质白云岩, 偶夹碳泥质页岩及粉砂质页岩, 为碳酸盐陆棚亚相。深水盆地具有继承性, 但范围较前期有所减小, 分布于岳阳— 桃源— 洪江— 会同一线东南与萍乡— 安仁— 耒阳— 双牌一线一线以西北之间的湘中区域, 岩性变化不大, 仍以碳质板状页岩、碳质泥岩及硅质板状页岩、硅质岩为主。碎屑陆棚相沉积物及分布范围较前期几乎无变化, 以黄绿色、灰绿色板状页岩夹灰绿色或黄绿色浅变质中— 细粒砂岩、长石石英砂岩、含岩屑石英砂岩或韵律互层沉积为主, 偶夹黑灰色碳质页岩, 分布于研究区萍乡— 安仁— 耒阳— 双牌一线以东南的湘南区及粤北、赣西等区域, 沉积物厚度大, 分布范围广。

图5

Fig.5

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	图5 湘中— 湘南地区寒武纪第二世中晚期(龙王庙期)岩相古地理Fig.5 Lithofacies palaeogeography of the Middle-Late Epoch 2(Longwangmiao Age) of Cambrian in central and southern Hunan Province

第三世, 随着海退过程的持续及中上扬子地区碳酸盐岩台地的演化, 中扬子地区镶边碳酸盐岩台地已初见雏形, 东南缘发育局限台地相、台地边缘浅滩相及台地边缘斜坡相, 呈北东— 南西向展布, 横向展布至研究区内, 但仍未形成完整连续的镶边台地边缘带。

湘中地区北缘出现了以发育碳酸盐沉积物为主混有大量陆源碎屑的混积陆棚亚相, 分布于古丈— 桃源— 桃江一带。除此之外, 研究区的大部分区域仍依次发育碳酸盐陆棚亚相— 深水盆地相— 碎屑陆棚亚相(图 6)。受海退过程的持续影响, 碳酸盐陆棚亚相与碎屑陆棚亚相分别由研究区的北西及南东方向向中部陆棚之上的深水盆地区域推进, 致使深水盆地相区的范围大幅度缩减, 呈北东— 南西向分布于长沙— 邵阳— 武冈一线以东南与衡东— 永州— 新宁— 绥宁一线以西北之间的区域。岩性以灰黑色薄层状或条带状含碳质板状页岩、硅质泥板岩、灰色粉砂质泥板岩、钙质页岩为主, 碳质含量减少, 水平层理及页理十分发育。碳酸盐陆棚亚相岩性主要为灰色— 深灰色薄— 中厚层状泥质灰岩、致密灰岩、结晶灰岩夹灰黑色薄层状碳质页岩、硅质页岩、板状页岩; 自北西向南东, 碳酸盐沉积物由纯净致密的灰岩变为泥质灰岩, 水平层理、透镜状层理发育, 产三叶虫Leiopyge laevigata armata。碎屑陆棚亚相沉积特征较前期变化不大。尽管各相的分布范围较前期大有差异, 但仍保持从北西、南东两侧向中间变深的沉积格局(图 7)。

图6

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	图6 湘中— 湘南地区寒武系第三统横向对比Fig.6 Lateral correlation of the Cambrian Series 3 in central and southern Hunan Province

图7

Fig.7

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	图7 湘中— 湘南地区寒武纪第三世(毛庄期— 崮山期)岩相古地理Fig.7 Lithofacies palaeogeography of the Cambrian Epoch 3(Maozhuang Age-Gushan Age)in central and southern Hunan Province

到末寒武纪芙蓉世, 研究区西北缘的中扬子地区已经发育较完整的碳酸盐岩镶边台地沉积, 并发育狭长的、连续稳定的台地边缘浅滩相及台地边缘斜坡相。但研究区沉积环境仍表现为浅海沉积环境, 沉积相的发育与展布仍受控于持续的海退、构造作用及古气候等因素。沉积相类型及相带分布范围发生了较大的变化, 自北西向南东依次发育碳酸盐陆棚亚相— 深水盆地相— 混积陆棚亚相— 碎屑陆棚亚相(图 8), 展布方式仍沿北东— 南西向呈带状展布(图 9)。

图8

Fig.8

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	图8 湘中— 湘南地区寒武系芙蓉统横向对比Fig.8 Lateral correlation of the Cambrian Lotus Series in central and southern Hunan Province

图9

Fig.9

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	图9 湘中— 湘南地区寒武纪芙蓉世(长山期— 凤山期)岩相古地理Fig.9 Lithofacies palaeogeography of the Cambrian Furongian(Changshan Age-Fengshan Age)in central and southern Hunan Province

由于研究区西北缘的中上扬子地区已经发育较完整的碳酸盐岩镶边台地相, 前期发育在研究区北缘的混积陆棚亚相变为台缘斜坡相及碳酸盐陆棚亚相。碳酸盐陆棚亚相的范围也随之向北西、南东方向有所扩大, 分布于岳阳— 常德— 沅陵— 泸溪一线以南东与萍乡— 衡东— 娄底— 新田— 江永一线以北西的广大区域, 岩性主要为灰色— 灰黑色泥质灰岩、致密灰岩、纹层状白云质泥灰岩、灰质白云岩夹深灰色薄层状钙质板状页岩、条带状页岩和紫红色粉砂质板状页岩。深水盆地的分布区域继续大幅度缩减, 仅存在于祁东— 邵东— 邵阳一带, 岩相也发生较大变化, 以硅质泥板岩、含碳质板状页岩, 以及深灰色、灰色粉砂质泥板岩、条带状钙质页岩、绢云母板状页岩为主。由于受研究区南面区域构造抬升及整体海平面下降的影响, 湘南地区通道— 绥宁— 新宁— 新田— 道县一带的浅海陆棚区域发育扬子型碳酸盐岩系与华夏型碎屑岩系混合沉积的混积陆棚亚相, 为扬子陆块与华夏陆块间的过渡沉积相带。由于来自东南华夏陆块充足的物源供给以及构造抬升, 碎屑陆棚亚相陆源碎屑沉积物的厚度仍然十分巨大, 岩性仍为厚层长石石英砂岩、含岩屑石英砂岩等与板状页岩韵律互层沉积, 但其分布范围随着混积陆棚相的出现而有所缩减, 仅发育于研究区萍乡— 耒阳— 新田— 江永一线以东南区域。

整体上, 在寒武纪, 湘中— 湘南地区经历了1个短暂的海侵至持续的海退过程, 表现为浅海沉积环境。最深区域属湘中地区, 为发育在陆棚之上相对深水的缺氧滞留盆地, 而非次深海— 深海环境; 纽芬兰世— 第二世早期时, 盆地范围最大, 随后开始逐渐变小。盆地的西北一侧主要发育扬子型浅海碳酸盐沉积物, 东南一侧主要发育华夏型陆源碎屑浅海沉积物, 两者间存在过渡沉积。从区域内寒武纪岩相古地理整体演化的角度出发, 湘中— 湘南地区寒武纪的沉积格局是一由西北、东南两侧向中间变深的沉积格局, 沉积相带沿北东— 南西向呈带状展布。西北的扬子陆块与东南的华夏陆块沉积相并非截然不同, 存在过渡沉积, 相带展布连续完整, 不存在重大沉积间隔, 形成于同一广阔的沉积海域。