国际二叠纪年代地层系统中将二叠系分为3统9阶, 下统为乌拉尔统(Cisuralian), 中统为瓜德鲁普统(Guadalupian), 上统为乐平统(Lopingian)。文中重点研究的瓜德鲁普统自下而上分为罗德阶(Roadian)、沃德阶(Wordian)和卡匹敦阶(Capitanian), 均为牙形石带所限定(图 1)。

图1

Fig.1

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	图1 中国与国际二叠纪年代地层对比简图(据金玉玕等, 1999, 2000修改)Fig.1 Sketch map showing Chinese and international Permian chronostratigraphic correlation(modified from Jin et al., 1999, 2000)

根据2002年全国地层委员会划分方案, 中国二叠纪年代地层自下而上分为船山统、阳新统和乐平统, 其中阳新统分为栖霞亚统(罗甸阶、祥播阶)和茅口亚统(孤峰阶、冷坞阶)(图 1)。

黔南地区在构造上位于扬子板块南部, 二叠纪以浅水碳酸盐沉积为主(贵州省地质矿产局, 1987), 大致沿河池— 罗甸— 紫云— 望谟— 册亨— 罗平一线发育弧形展布的生物礁沉积(沙庆安等, 1990; 刘宝珺和许效松, 1994; 焦大庆等, 2003), 向南出现台前斜坡— 较深水盆地的过渡地带(图 2), 因此台地南缘整体上具有镶边台地特征。沫阳、纳水剖面恰好位于台地到较深水盆地的过渡地带(图 2)。

图 2

Fig.2

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	图 2 黔南地区中二叠世岩相古地理图(据刘宝珺和许效松, 1994修改)Fig.2 Lithofacies palaeogeographical map of the Middle Permian in southern Guizhou (modified from Liu and Xu, 1994)

纳水剖面位于罗甸县罗苏乡纳庆村西南约5, km处, 沿罗甸至望谟312省道旁出露二叠系, 地层连续清晰。文中研究的阳新统茅口组主要为一套斜坡相沉积, 其下部以中— 厚层暗色粒泥岩— 泥粒岩为主, 中部粒度变粗, 主要为一套巨厚层砾屑灰岩, 上部为一套薄层灰泥岩— 粒泥岩, 吴家坪组底部泥岩、钙质泥岩覆于其上。

沫阳剖面位于罗甸县新沫阳镇与老沫阳村之间的柏油公路旁, 距新沫阳镇约1, km。二叠系沿沫阳河两岸出露。文中研究的阳新统茅口组下部和中部以薄— 中层灰岩夹薄层硅质岩为主, 含多层薄层砾屑灰岩, 上部主体为一套海绵礁灰岩, 顶部的薄层粒泥岩被吴家坪组底部泥岩、钙质泥岩覆盖。

在野外观察基础上, 对罗甸纳水、沫阳剖面薄片中的颗粒成分、基质类型、沉积组构、生物化石等进行了系统鉴定分析。岩石类型(以RT表示)划分及命名依据Dunham分类方案, 并将岩石特征与Flü gel(2010)分类方案中的标准微相(以SMF表示)特征进行了对比。

2.1 RT1:基本不含生屑的灰泥岩

见海绵骨针、钙球等深水生物和少量棘皮碎屑, 生屑颗粒含量仅1%~8%, 其余均为灰泥基质(图 3-A)。与SMF1特征相似, 代表缓慢沉积的较深水环境。

图 3

Fig.3

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图 3 黔南罗甸地区纳水和沫阳剖面中二叠统岩石学特征(一) A— RT1, 基本不含生屑的灰泥岩, NS244-2; B— RT2-1, 以海绵骨针为主的粒泥岩, MY39-4; C— RT2-2, 以薄壳双壳为主的粒泥岩, MY70-4; D— RT2-3, 以钙球为主的粒泥岩, NS193-2; E— RT3-1, 含多种生屑颗粒的泥粒岩, NS201-1; F— RT3-2, 发育粒序层理的泥粒岩, 箭头指示正粒序, NS198-3; G— RT3-3, 生物掘穴泥粒岩, MY21-7; H— RT4-1, 生屑颗粒砾屑灰岩, MY30-4。Bi: 双壳, Br: 腕足, C: 钙球, F: 有孔虫, Fu:䗴, G: 腹足, T: 管壳石。单偏光, 比例尺代表1, mmFig.3 Petrological features of the Middle Permian at Nashui and Moyang sections in Luodian area, southern Guizhou(Ⅰ )

2.4 RT4:砾屑灰岩

砾屑可分为生屑颗粒和内碎屑2种, 基质以灰泥为主。

RT4-1生屑颗粒砾屑灰岩。 颗粒主要为䗴、钙藻、有孔虫、腕足、珊瑚、海百合茎等的碎片, 它们大多来自浅水环境。颗粒粒径超过2, mm者可达50%以上, 最大可达4.5, mm, 磨圆、分选差(图 3-H)。通常为颗粒流或风暴成因, 有些亚型中具有浊流沉积特征。与SMF5特征相同。

RT4-2内碎屑砾屑灰岩。 内碎屑种类多样, 砾径5~3000, mm, 其岩石特征是判断砾屑来源的重要标志。有些亚型中砾屑仅以灰泥岩为主, 无磨圆(图 4-A), 对应SMF4中单一岩屑成分的角砾岩; 有些亚型中砾屑则以粘结岩为主, 它们形状极不规则, 密集填集在一起, 基质含量很少(图 4-B), 与SMF6特征相同; 另一些亚型中砾屑成分多样, 既包含礁源粘结岩、颗粒岩, 又包含灰泥岩, 与SMF4中的复成分砾屑灰岩特征相同。

图4

Fig.4

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图4 黔南罗甸地区纳水和沫阳剖面中二叠统岩石学特征(二) A— RT4-2, 灰泥岩砾屑灰岩, NS212-1; B— RT4-2, 粘结岩砾屑灰岩, NS219-1; C— RT5-1, 似球粒/颗粒发育泥晶套的颗粒岩, MY81-4; D— RT5-2, 含纹层的似球粒颗粒岩, 箭头指示纹层, MY82-12; E— RT6, 粘结岩, MY81-3; F— RT7-1, 硅化灰岩, 箭头指示未硅化完全的棘皮、钙藻碎屑, NS206-2; G— RT7-2, 含海绵骨针的原生硅质岩, MY27-4; H— RT7-3, 不含生屑颗粒的原生硅质岩, MY28-3。Ar: 古石孔藻, S: 海绵。 单偏光, 比例尺代表1, mmFig.4 Petrological features of the Middle Permian at Nashui and Moyang sections in Luodian area, southern Guizhou(Ⅱ )

海平面变化和构造背景对台地边缘地层结构的控制作用已为大家所熟知。但是如何通过台地边缘沉积学研究揭示碳酸盐台地的演化, 则需要对碳酸盐沉积物的生产和堆积有较深入的了解, 也就是近年来逐渐为人们重视的碳酸盐工厂的概念和方法。浅水碳酸盐沉积物的生产, 主要受海洋生态条件的影响, 包括水体营养条件、古气候、海水化学条件等; 台地边缘的演化受碳酸盐生产工厂和生态可容空间变化的共同影响(颜佳新和严雅娟, 2014)。

大部分碳酸盐岩沉积物是由分泌碳酸盐的生物产生, 其中不少是光合作用的副产物, 因此碳酸盐的生产主要取决于光照程度。海洋50~100, m表层水体中, 特别在10, m深度内, 光合作用生物繁盛, 是碳酸盐生产的主要场所。这个具有高产率的浅水区域曾被形象地称为“ 碳酸盐生产工厂” (James, 1978)。自20世纪90年代以来, “ 碳酸盐生产工厂” 的概念逐渐得到深化, 已经识别出热带浅海工厂、灰泥丘工厂和温凉水工厂(Schlager, 2003)。骨屑颗粒组合分析是20世纪80— 90年代古气候分析的首选指标(Lees and Buller, 1972), 碳酸盐工厂分析方法的进一步完善, 使其焕发出新的活力, 成为环境营养条件分析和碳酸盐生产工厂识别的重要内容(Mutti and Hallock, 2003; Schlager, 2003; Pomar and Hallock, 2008)。

为探索茅口亚世上扬子碳酸盐台地南缘碳酸盐工厂的特征和演化, 在上述岩石类型分析的基础上, 本次研究对纳水和沫阳剖面茅口组地层进行了逐层系统的骨屑颗粒成分鉴定和统计(图 5; 图6; 统计内容为各采样位2.5, cm× 2.5, cm的单张薄片中各种骨屑颗粒的个数), 结合古生态和生境型分析, 建立了骨屑颗粒组合, 并进行了碳酸盐生产工厂分析。

图 5

Fig.5

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	图 5 黔南罗甸地区纳水剖面茅口组综合地层柱状图Fig.5 Comprehensive stratigraphic column of the Maokou Formation at Nashui section in Luodian area, southern Guizhou

图6

Fig.6

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	图6 黔南罗甸地区沫阳剖面茅口组综合地层柱状图Fig.6 Comprehensive stratigraphic column of the Maokou Formation at Moyang section in Luodian area, southern Guizhou

3.1 组合Ⅰ : 双壳— 介形虫组合

以双壳为骨屑颗粒的主要成分, 其壳体小而薄, 属于典型的深水浮游类群。介形虫作为广适型生物门类, 其数量虽然较少, 但相比其他组合, 其含量明显增多且分布连续, 因此也被作为本组合的特征骨屑颗粒之一。有时还包含细砂级的棘皮碎屑以及代表深水环境的海绵骨针、钙球(图 7-A)。

图7

Fig.7

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	图7 黔南罗甸地区纳水和沫阳剖面茅口组骨屑颗粒组合特征 A— 双壳— 介形组合; B— 海绵骨针组合; C— 棘皮— 深水有孔虫组合; D— 棘皮— 苔藓虫— 浅水有孔虫组合; E— 棘皮— 绿藻— 组合; F— 海绵— 古石孔藻组合。Ar: 古石孔藻, Ba: 腕足, Bi: 双壳, By: 苔藓虫, C: 棘皮, Da: 粗枝藻, F: 有孔虫, Fu: 䗴, G: 腹足, O: 介形虫, P: 似球粒, S: 海绵, SS: 海绵骨针, T: 管壳石。单偏光, 比例尺代表1, mmFig.7 Features of skeletal grain association of the Maokou Formation at Nashui and Moyang sections in Luodian area, southern Guizhou

该组合中骨屑颗粒几乎全部为深水异养型, 仅分布于纳水剖面顶部的较深水沉积环境中。盆地位于弱光— 无光带, 营养物质丰富但水体溶氧量较低, 因此该组合中骨屑颗粒总含量很低, 且以浮游型生物为主。它们零星分布于灰泥基质中, 碳酸盐产率极低。该组合反映出一种较深水、温凉水极低生物产率的碳酸盐生产工厂, 是台地淹没的关键识别标志。

台地边缘相带是异地沉积非常发育的地区, 这在上述岩石类型识别中已经有较好体现。从本次探索实践看, 结合沉积特征和生态分析, 完全可以有效地区分原地/异地组分, 再造碳酸盐生产工厂。从本次对骨屑颗粒的统计结果来看, 骨屑颗粒虽然来源较广, 但是底栖/浮游分子、浅水/深水分子、自养/异养型分子、暖水/温凉水分子的组合在剖面中各段分异明显, 特别是异地特征型组分(反映来源特征)区别显著, 因此利用骨屑颗粒组合恢复台地边缘相带碳酸盐生产工厂同样是可行的。本次在研究区内共识别出6种骨屑颗粒组合, 论其多样性是其北侧的碳酸盐台地区和南侧的黔桂盆地不可比拟的, 这无疑为建立黔南地区茅口亚世碳酸盐生产工厂模式奠定了很好的物质基础(图 8)。

图 8

Fig.8

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	图 8 上扬子碳酸盐台地南缘茅口亚世碳酸盐生产工厂恢复模式Fig.8 Model of carbonate factory reconstruction of southern margin of Upper Yangtze carbonate platform during the Maokouin Subepoch

近20年来, 围绕茅口亚世海平面变化的研究, 无论是在黔桂地区(梅仕龙等, 1999b; 梅冥相等, 2002; 焦大庆等, 2003; Wignall et al., 2009), 还是扬子地区(李祥辉等, 1999; 王成善, 1999b), 甚至在全球范围(Haq and Schutter, 2008), 都认为孤峰期至早冷坞期是一个海平面下降的时期。近年来, 对茅口亚世峨眉山玄武岩的成因研究取得了重要进展。有研究认为由峨眉山玄武岩构成的峨眉山大火成岩省的成因与地幔柱隆升有关, 并且导致扬子碳酸盐台地西部茅口组上部遭受剥蚀(He et al., 2003, 2010)。若此, 茅口组地层序列也应该是向上变浅的。但是上述台地南缘的沉积微相及碳酸盐生产工厂分析结果表明, 上扬子碳酸盐台地南缘茅口亚世的演化过程并不完全如此。黔南地区自孤峰期开始沉积相和碳酸盐生产工厂变化明显, 在沉积序列上表现为由进积到退积的显著转变(图 5; 图6)。

纳水剖面沉积从浊流多发和含有深水生物的盆地相, 逐渐演化为滑移— 崩落和碎屑流极为发育的台前斜坡相。在此期间, 每一沉积旋回相对前一旋回, 其中的暖水分子和光能自养型分子比重逐渐增加。从以海绵骨针/钙球组合为代表的较深水、温凉水工厂, 逐步转变为以棘皮— 绿藻— 䗴组合为代表的浅水、暖水工厂。从沉积序列角度看是沉积环境水体逐渐变浅, 从碳酸盐台地演化角度看是台地向外(南)逐渐增生进积, 而且增生速度较高以致台前斜坡逐渐变陡, 直至发育一套巨厚层砾屑灰岩。同样的趋势在沫阳剖面也很清晰, 剖面下部的2组风暴岩分别记录了其台前斜坡相和台前斜坡脚相沉积背景。之后, 从富含海绵骨针的深水陆棚相, 经过碎屑流发育的台前斜坡相, 演化为台地边缘礁相。碳酸盐工厂则从最初的较深水、温凉水工厂逐步转为以海绵— 古石孔藻组合为代表的浅水、暖水工厂, 暖水和光能自养型分子含量的逐渐增多, 同样反映台地进积。因此当时台地顶部及边缘的热带浅水工厂状态良好, 为上扬子碳酸盐台地的增生进积提供了充足的物源。

至晚孤峰期, 纳水剖面中部巨厚层砾屑灰岩被一套薄— 中层灰泥岩— 粒泥岩覆盖(地质年代据史晓颖等, 1999), 台前斜坡相沉积逐渐转为盆地相沉积。此后, 沫阳地区生物礁被一套薄层含大量深水生物的粒泥岩— 泥粒岩覆盖, 转为台前斜坡脚相沉积。从碳酸盐生产工厂的角度来看, 2个剖面从热带浅水、暖水工厂分别转为以双壳— 介形虫组合、海绵骨针/钙球组合为代表的较深水、温凉水工厂。综合2个地区骨屑颗粒组合特征可以推测, 自晚孤峰期开始, 上扬子碳酸盐台地南缘由南(纳水)向北(沫阳)依次形成了一套表层浮游异养型(薄壳双壳)、底栖异养型(海绵骨针、介形虫、深水有孔虫)和表层自养型(管壳石)的生物组合, 地层记录中以温凉水异养型占绝对优势。碳酸盐生产工厂的这一转变, 可能预示了当时生态环境的急速恶化。直至晚二叠世长兴期, 随着热带浅水、暖水工厂的逐渐恢复, 华南地区生物礁得以繁盛, 上扬子碳酸盐台地的规模重新扩大。

上述自孤峰期开始的这种碳酸盐生产工厂的转变现象在华南地区有着广泛的代表性。在上扬子碳酸盐台地南缘(贵州紫云, 早冷坞期)(Wang et al., 2016)、北缘(四川上寺, 早冷坞期; 湖北猫耳山, 早冷坞期)(Zhang et al., 2007; Sun et al., 2008)及桂中孤立台地边缘(广西来宾, 早孤峰期)(姚尧等, 2012), 均是一套较深水沉积覆盖在浅水沉积之上, 沉积序列与文中研究的剖面极为相似(图 9)。四川上寺剖面早冷坞期出现了保存完好的浮游型薄壳双壳与菊石共生的生物组合(图 9)(Yan et al., 2008)。因此, 从孤峰期至早冷坞期, 整个台地范围是萎缩的, 台地边缘明显被淹没。

图9

Fig.9

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	图9 华南地区茅口亚世台地萎缩代表性剖面Fig.9 Representative sections showing shrink of platform during the Maokouin Subepoch in South China

华南地区二叠纪位于赤道低纬度地区, 从碳酸盐生产工厂的角度看, 本区孤峰期至早冷坞期应该是有利于浅水台地顶部暖水碳酸盐生产工厂发育的时期。在此背景下, 健康的碳酸盐台地顶部生产工厂可以产生大量碳酸盐沉积物, 并通过向外运移使得台地得以向外扩展(进积), 出现向上变浅的沉积序列。上述碳酸盐台地萎缩、台地边缘被淹没、碳酸盐工厂的急剧转变, 应该与当时热带浅海碳酸盐工厂受到抑制, 甚至遭受破坏有关。

中二叠世晚孤峰期至晚二叠世吴家坪期是显生宙一个重大的地质历史转折期, 期间发生的一系列地质事件, 足以影响当时的生态系统和古海洋条件, 进而影响碳酸盐沉积的产生和堆积。特别是前乐平统生物灭绝事件(Stanley and Yang, 1994; 金玉玕等, 1995), 它与二叠纪末期生物大灭绝事件共同构成古生代末期两阶段式生物大灭绝事件(Yin et al., 2012), 殃及了当时65%~71%的海生物种(或58%属)(Erwin et al., 2002; Racki and Wignall, 2005), 尤其是对光合作用生物及与光合微生物共生的生物, 如钙藻、䗴、造礁珊瑚以及巨型双壳Alatoconchidae产生了重要影响(Isozaki and Aljinović , 2009; Groves and Wang, 2013)。很明显, 生物灭绝直接打击了当时浅水碳酸盐工厂的生产者。除此之外, 同时期也是地球环境, 如环境缺氧、古气候异常等(Bond et al., 2010a, 2010b; Isozaki et al., 2007; Yan et al., 2013)的急剧变化时期, 这些变化直接影响到当时碳酸盐沉积物生产者的生态条件, 或者说当时海洋生态条件是急剧恶化的, 极不利于碳酸盐沉积物的生产。因此, 这一时期生物灭绝和生态条件的恶化, 通过分别影响碳酸盐沉积物生产者和生产者的生态条件, 极有可能是华南地区碳酸盐台地萎缩的直接原因。期待后续研究能从成因角度有更进一步深化。

1)详细的野外和室内研究, 在贵州罗甸纳水、沫阳剖面茅口组地层中共识别出15种岩石类型及5种沉积相(盆地相、深水陆棚相、台前斜坡脚相、台前斜坡相和台地边缘礁相)。

2)通过系统地骨屑颗粒鉴定和统计, 在上述2个剖面茅口组中识别出了6种骨屑颗粒组合(双壳— 介形虫组合、海绵骨针/钙球组合、棘皮— 深水有孔虫组合、棘皮— 苔藓虫— 浅水有孔虫组合、棘皮— 绿藻— 䗴组合、海绵— 古石孔藻组合)。结合沉积特征和古生态分析, 恢复了其碳酸盐生产工厂的特征。

3)沉积相及碳酸盐工厂分析表明, 自晚孤峰期开始, 黔南地区碳酸盐生产工厂经历了由热带浅水、暖水工厂到热带较深水、温凉水工厂的明显转变, 表现为孤峰阶上部开始出现较深水沉积。

4)黔南地区碳酸盐台地边缘相带中二叠世孤峰期开始出现的碳酸盐生产工厂的转变现象, 在华南地区具有普遍性, 表现为台地萎缩、台地边缘被淹没。

5)中二叠世晚孤峰期至晚二叠世吴家坪期是显生宙一个全球重大地史转折期, 光合作用生物遭受重创、海洋生态环境急剧恶化。上扬子碳酸盐台地南部边缘孤峰期开始出现的碳酸盐生产工厂的急剧变化, 与当时热带浅海碳酸盐工厂被抑制或破坏有关。