河流相出现于金宝石组2个旋回的底部, 是识别与划分金宝石组重要标志之一(侯鸿飞等, 1988), 岩性主要为黄灰— 灰白色中— 细粒石英砂岩, 砂体底部发育大型底冲刷构造(图4-a至4-e), 砂体呈透镜状(图4-a), 内部发育有大型的槽状交错层理(图4-b, 4-e)和平行层理(图4-b, 4-d)。甘溪剖面金宝石组上段底部的回春河流砂岩在垂直砂体延伸方向, 呈楔状侧向逐层充填和上超下切谷的现象非常明显(图4-d), 砂体呈透镜状超覆在下段顶部喀斯特化的古暴露面上, 古喀斯特面凹凸不平, 其上依次堆积岩溶角砾岩和渣状层(图4-d, 4-e), 渣状层由块状礁灰岩风化残积的珊瑚、层孔虫、苔藓虫等生物块体堆积而成, 被黄色黏土和少量铁铝质混杂充填胶结(图4-e)。

图4

Fig.4

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图4 龙门山地区中泥盆统金宝石组河流相野外照片 a— 河道砂体, 中粒石英砂岩, 透镜状, 底部发育冲刷面, 金宝石组(D2j)下段底部, 与下伏中泥盆统养马坝组(D1-2y)整合接触, 第1层, 平驿铺剖面; b— 河道砂体, 中粒石英砂岩, 底部发育冲刷面, 发育平行层理和槽状交错层理, 金宝石组下段底部, 甘溪剖面; c— 河道砂体, 中粒石英砂岩, 透镜状, 底部发育冲刷面, 金宝石组上段底部, 第11层, 平驿铺剖面; d— 河道砂体, 中粒石英砂岩, 底部发育冲刷面, 发育平行层理和槽状交错层理, 河道砂体上超在渣状层之上, 渣状层由生物礁遭受风化后形成的珊瑚块体构成, 渣状层之下为未遭受风化的生物礁, 金宝石组上段底部, 甘溪剖面; e— 自下而上依次为生物礁— 渣状层— 河道砂体, 金宝石组上段底部, 甘溪剖面; f— 河道砂体, 中粒石英 砂岩, 槽状交错层理, 金宝石组下段底部, 甘溪剖面。ES: Erodsion surface(冲刷面); TCB: Trough cross-bedding(槽状交错层理)Fig.4 Field photographs of fluvial facies of the Middle Devonian Jinbaoshi Formation in Longmen Mountain area

龙门山地区金宝石组碎屑滨岸为无障壁滨岸沉积环境。岩性主要为灰黄色中层细粒灰质石英砂岩(图5-a)或石英砂岩(图5-b, 5-c)夹薄层泥岩, 砂体层面平直而且延伸远, 发育平行层理, 可见垂直虫孔, 主要为前滨沙坝(图5-a, 5-b), 反映较强的水动力条件。此类无障壁滨岸沉积的分布范围非常有限, 仅发育在暴露陆棚的下切谷内:海平面大幅度下降至陆棚坡折带之下形成陆棚暴露面, 在海平面重新上升的初期, 波浪作用对前期回春河流带入的砂质沉积物进行原地改造, 形成无障壁滨岸沉积。

图5

Fig.5

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	图5 龙门山地区中泥盆统金宝石组碎屑滨岸相野外照片 a— 上部为细粒灰质砂岩, 前滨沙坝, 下部为透镜状河道砂体, 中粒石英砂岩, 底部发育冲刷面, 金宝石组(D2j)下段底部, 甘溪剖面; b— 细粒灰质石英砂岩, 发育平行层理, 前滨沙坝, 第11层, 平驿铺剖面; c— 细粒石英砂岩, 前滨沙坝, 金宝石组上段, 甘溪剖面; d— 上部为细粒石英砂岩, 前滨沙坝, 金宝石组上段, 甘溪剖面Fig.5 Field photographs of clastic shore facies of the Middle Devonian Jinbaoshi Formation in Longmen Mountain area

金宝石组陆棚沉积包括浅水陆棚和深水陆棚2种类型, 其中浅水陆棚进一步分为砂质陆棚、碳酸盐岩陆棚、混积陆棚3种类型。

2.3.1 浅水陆棚

2.3.1.1 砂质陆棚 浅水砂质陆棚可划分为陆棚沙坝、陆棚泥、近源砂质风暴流和远源混积风暴流4种微相, 风暴沉积记录是陆棚环境的重要标志之一(刘宝珺等, 1986; Flü gel, 2010)。

1)陆棚沙坝微相。陆棚沙坝微相主要由薄— 中层状石英砂岩组成, 砂体呈板状, 平整、延伸远, 具平行层理(图6-a至6-d), 砂岩主要碎屑颗粒为石英, 可混有海百合茎、腕足类、三叶虫等生物碎屑, 该微相发育于靠陆的正常浅海环境中。

图6

Fig.6

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图6 龙门山地区中泥盆统金宝石组陆棚相代表性野外照片及镜下照片 a— 中层石英砂岩, 发育丘状交错层理和底冲刷面, 砂质陆棚, 金宝石组下段, 第5层, 平驿铺剖面; b— 薄层泥岩、粉砂岩与中层石英砂岩, 发育丘状交错层理和底冲刷面, 砂质陆棚, 金宝石组下段, 第20-21层, 平驿铺剖面; c— 多期风暴沉积序列叠加, 具丘状交错层理和底冲刷面, b中Z1的放大, 砂质陆棚; d— 中粒石英砂岩, 透镜状砂体, 发育丘状交错层理, 砂质陆棚, 金宝石组下段, 第21层, 平驿铺剖面; e— 透镜状砂体夹于泥岩中, 发育丘状交错层理, 具冲刷面和渠模, 风暴沉积, b中Z1的放大, 泥质陆棚; f— 砂质生物屑灰岩, 混积砂质生屑滩, 主要生物为海百合碎片, 金宝石组下段, 第2层, 平驿铺剖面; g— 砂质生屑灰岩, f的显微照片, 生物碎屑主要为海百合茎, 海百合茎间和体腔中充填粉砂级石英碎屑, 单偏光; h— 灰质砂岩, 混积陆棚沙坝, 金宝石组下段, 第7层, 平驿铺剖面; i— 灰质石英砂岩, h的显微照片, 石英颗粒间充填少量灰泥杂基, 正交偏光; j— 砂质生屑灰岩, 生屑中充填大量粉砂质石英碎屑, 第12层, 平驿铺剖面; k— 灰质砂岩, 第14层, 平驿铺剖面; l— 灰质砂岩, 第26层, 平驿铺剖面; m— 条带状层孔虫礁灰岩, 点礁, 下部为枝状层孔虫灰岩, 礁间潟湖沉积, 金宝石组上段, 甘溪剖面; n— 由Stringocephalus 组成的生屑滩, 金宝石组上段, 第25层, 平驿铺剖面; o— 泥岩夹薄层粉砂岩, 深水陆棚, 金宝石组下段, 第20层, 平驿铺剖面。HCS: Hummocky cross-stratification(丘状交错层理); ES: Erodsion surface(冲刷 面); S: Stromatoporoids(层孔虫); St: Stringocephalus(鸮头贝)Fig.6 Representative field photographs and microscopical photographs of shelf facies of the Middle Devonian Jinbaoshi Formation in Longmen Mountain area

2)陆棚泥。岩性为薄层深灰色粉砂质泥岩和灰黑色泥岩(图6-a, 6-e), 具水平层理, 以丛藻迹为主的遗迹化石非常发育, 产完整的腕足类底栖生物化石, 反映较弱的水动力条件。

3)近源砂质风暴流微相。金宝石组中陆棚沙坝常常被风暴事件改造, 形成风暴沉积序列。因此风暴沉积常呈丘状夹层产出于陆棚沙坝微相中(图6-a至6-d), 即为近源砂质风暴流沉积。砂质风暴序列岩性为薄— 中层状石英砂岩, 底部发育底冲刷和渠模构造(图6-c), 向上发育丘状交错层理(图6-c, 6-d), 单期风暴序列厚度10~40 cm, 风暴序列可单期发育(图6-d), 也可多期叠加, 形成厚度50~70 cm的风暴序列层(图6-c), 显示风暴流对陆棚沙坝的搬运和改造作用, 该类型风暴流沉积同陆棚沙坝一样, 发育于浅水陆棚环境中。

4)远源混积风暴流微相。该微相呈透镜状夹于陆棚泥微相中(图6-b, 6-e), 为远源风暴带来的砂质沉积形成, 砂体粒度向上变细, 厚度减小、变化较大, 介于5~10 cm, 具有冲刷面和丘状交错层理(图6-e), 反映陆棚水体加深, 靠近风暴浪基面的位置, 间或受到风暴的影响。

2.3.1.2 混积陆棚 金宝石组浅水混积陆棚主要是由陆源碎屑与生物碎屑和灰泥杂基混合而形成的混积岩, 这类岩石中颗粒成分存在较大差异。以生物碎屑为主的生屑滩中, 粉砂级的石英和灰泥杂基一起充填在生物碎屑之间, 部分充填于生物体腔孔之中, 形成砂质生屑滩(图6-f, 6-g)。以石英碎屑为主的灰质砂岩呈板状, 具平行层理(图6-h), 灰泥杂基不均匀充填于石英颗粒之间(图6-i至6-l)。砂质生屑灰岩和灰质石英砂岩、陆源碎屑与内源生物碎屑以及灰泥杂基不同成分之间的混合形成的混积岩。浅水混积陆棚环境接受混积生屑滩和混积陆棚沙坝沉积。

2.3.1.3 碳酸盐岩陆棚 金宝石组碳酸盐岩浅水陆棚可进一步划分出点礁和生屑滩2种微相类型。

1)点礁。岩性主要为珊瑚— 层孔虫礁灰岩, 层孔虫呈球状、薄层状(图6-m), 礁间可发育枝状层孔虫(图6-m), 生物礁和礁间界线清楚、生物类型差异明显, 附礁生物包括海百合、腕足类、腹足类等。生物礁规模不大, 一般1~3 m不等。

2)生屑滩。岩性为微晶— 亮晶生物屑灰岩, 生物碎屑主要为层孔虫、珊瑚、腕足类和海百合等生物的碎片, 地层中发育由Stringocephalus 组成的生屑滩(图6-n), 反映此微相沉积于能量较高的环境。常与层孔虫点礁呈互层状产出, 反映海平面变化对生物礁的控制作用。

2.3.2 深水陆棚

深水泥质陆棚主要由薄层的灰黑色泥岩组成, 发育水平层理(图6-o), 基本不含碳酸盐沉积, 指示相对宁静的还原性低能环境。

金宝石组碳酸盐沉积主要发育在金宝石组下段的上部, 厚度可达近百米, 岩石类型丰富, 包括颗粒灰岩、微晶灰岩、礁灰岩和泥灰岩等, 造礁生物主要为层孔虫和珊瑚, 底栖生物丰富, 以腕足类居多, 局部可形成介壳层, 但是种属单调、分异度较低, 是在混积陆棚沉积基础上发展演化而成的碳酸盐岩缓坡沉积, 与混积陆棚呈过渡关系。进一步可识别出浅水缓坡和深水缓坡等2种亚相。

2.4.1 浅水缓坡

该相带是金宝石组碳酸盐岩缓坡沉积主要相带, 包括生物礁、生屑滩和滩间等3种微相。

1)生物礁微相。碳酸盐岩缓坡上的生物礁外形多呈透镜状, 厚度数米至十数米不等, 包括点礁和丘礁2种形态, 具成群、成带大规模分布的特点。礁灰岩最突出特征是外观上呈现斑块状, “ 斑块” 为层孔虫和珊瑚等造礁生物的块体, 呈灰白色(图7-a至7-d), 含量高达60%; 按照造礁生物类型可分为层孔虫礁灰岩(图7-a, 7-d)、珊瑚礁灰岩(图7-c)和珊瑚— 层孔虫礁灰岩(图7-d)。附礁生物类型多样, 包括单体珊瑚、苔藓虫、腕足类、海百合、双壳类和腹足类。在生物礁后, 发育以富含枝状层孔虫的泥灰岩, 代表了礁后潟湖环境(图7-e)。金宝石组生物礁主要发育于下段, 在甘溪剖面和平驿铺剖面均有发育, 单礁体厚度11.5 m, 累积厚度在25 m以上, 规模大, 为碳酸盐岩缓坡上的丘礁群。

图7

Fig.7

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图7 龙门山地区中泥盆统金宝石组碳酸盐岩缓坡野外照片 a— 生物礁灰岩, 主要由球状层孔虫和单体珊瑚组成, 金宝石组下段, 第8层, 平驿铺剖面; b— 层孔虫礁灰岩, 层孔虫呈球状, 金宝石组下段, 甘溪剖面; c— 礁灰岩, 造礁生物为珊瑚和层孔虫, 金宝石组下段, 甘溪剖面; d— 生物礁灰岩, 由球状层孔虫和单体珊瑚组成, 金宝石组下段, 第8层, 平驿铺剖面; e— 礁后枝状层孔虫化石, 金宝石组下段, 甘溪剖面; f— 生屑灰岩, 主要为层孔虫、珊瑚碎块, 生屑滩, 金宝石组下段, 第8层, 平驿铺剖面; g— 上部为层孔虫礁灰岩, 下部为含生屑微晶灰岩, 礁间, 金宝石组下段, 甘溪剖面; h— 中层状含生屑微晶灰岩, 浅水缓坡泥, 金宝石组下段, 甘溪剖面; i— 瘤状灰岩, 深水缓坡泥, 金宝石组 下段, 甘溪剖面。S: Stromatoporoids(层孔虫); C: Coral(珊瑚)Fig.7 Field photos of carbonate rock ramp of the Middle Devonian Jinbaoshi Formation in Longmen Mountain area

2)生屑滩微相。相对块状生物礁而言, 碳酸盐岩缓坡发育的浅滩微相灰岩的成层性较好(图7-f), 以中层状为主。该浅滩微相以生屑滩为主, 生物类型主要为层孔虫和珊瑚的碎屑, 以及少量的腕足类化石碎片。生屑滩可以单独出现(图7-f), 也可以夹于厚层礁灰岩之间。金宝石组下段生物礁和生屑滩组成的旋回明显, 其中在平驿铺剖面可以识别出4个由生物礁和生屑滩组成的沉积旋回, 这种生物礁和浅滩的旋回变化, 反映了短期海平面的周期性变化, 造成生物礁和浅滩的交替发育。当水体较浅时, 生物礁被风浪打碎、沉积形成生屑滩; 海平面上升, 适宜生物礁生长, 发育生物礁体。

3)滩(礁)间微相。礁间微相的岩性主要为含生屑微晶灰岩(图7-g), 而且生物多为造礁生物的碎片, 含量低于20%, 腕足类和双壳类化石可以保存得较完整。反映了较低能的沉积环境。

4)浅水缓坡泥微相。相当于正常浅海的潮下低能带沉积环境, 岩性主要为灰色中— 薄层状含生屑微晶灰岩、含(或夹)介壳条带的微晶灰岩与含生屑泥灰岩互层组合, 局部夹含白云质和泥质微晶生屑灰岩等(图7-h)。化石较丰富, 有珊瑚、层孔虫、腕足类、海百合等化石。

2.4.2 深水缓坡— 盆地亚相

发育在金宝石组下段, 岩性为深灰色中— 薄层状瘤状灰岩, 中部的瘤体较小, 但岩层较薄(图7-i), 泥质含量较高, 层面往往发育有铁铝质黏土富集形成的硬底构造。瘤状灰岩的成因一般被认为是碳酸钙不饱和的底流沿盆地边缘流动时, 先强烈溶解海底远洋灰泥(海底风化作用)形成局部碳酸钙过饱和的流体, 然后流体中的钙质组分围绕较粗粒的生屑沉淀、生长而形成沿沉积界面分布的同生结核, 多期次的同生结核连续生长和叠加发育, 最终形成以同生结核为主的瘤状灰岩。该类型的瘤状灰岩往往是深水相盆地的饥饿沉积标志(郑荣才等, 2016)。

龙门山地区甘溪剖面和平驿铺剖面金宝石组独特的沉积序列蕴含了丰富的地史信息, 碎屑岩、混积岩与碳酸盐岩的交替出现反映了沉积环境的频繁更替变迁(图8), 根据沉积旋回特征, 金宝石组可以分为2个沉积阶段。

图8

Fig.8

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	图8 龙门山地区甘溪— 平驿铺剖面金宝石组沉积相对比图Fig.8 Sedimentary facies comparison of the Jinbaoshi Formation in Ganxi section and Pingyipu section in Longmen Mountain area

3.1.1 金宝石组下段沉积特征

金宝石组下段的沉积以底部位于暴露陆棚上的回春河流沉积作为海平面开始上升的标志, 随着海水缓慢上升, 进入无障壁海岸沉积环境, 岩性均为中— 细粒石英砂岩, 尽管2个剖面上河流和滨岸环境的沉积厚度存在差异, 但是二者在2个剖面上均有发育。随后, 伴随着海平面的上升, 为混积陆棚沉积发育时期, 发育细砂岩、砂质泥晶生屑灰岩、钙质细砂岩与泥岩互层、细砂岩与泥灰岩互层。此时已有造礁作用, 但受陆源输入的影响规模较小。之后, 受陆源碎屑供给的影响, 两地沉积相发生较大的差异: 甘溪地区率先进入碳酸盐岩缓坡沉积阶段, 早期随着海平面的进一步上升, 沉积了以含生屑微晶灰岩、瘤状灰岩为主的深水缓坡— 盆地相沉积; 在海平面下降期, 适应高能水体环境的造礁生物就地快速生长并聚集成为抗浪的礁体, 或是被波浪搅碎的钙质生物碎屑原地或近原地堆积成滩而形成高出于周围同期沉积之上的碳酸盐建隆, 生物繁盛也使得该时期海水富Ca, 在大量碳酸盐沉积的基础上, 迅速加筑为碳酸盐岩丘礁群, 碳酸盐岩缓坡上发育生物礁和浅滩微相, 沉积骨架礁灰岩和泥晶(亮晶)砂屑生屑灰岩。平驿铺地区, 陆源碎屑的供给仍充分甚至增加, 形成以石英砂岩为主的砂质陆棚沉积和以生屑灰岩夹泥岩、灰质石英砂岩组成的混合沉积。从第8层开始, 该区才进入碳酸盐沉积期, 两地间广泛发育碳酸盐岩缓坡, 生物礁繁盛。金宝石组下段的沉积末期, 由于海平面下降速率比盆地沉降更大, 致使生物礁死亡, 其上部遭受长时间的暴露。

3.1.2 金宝石组上段沉积特征

金宝石组上段沉积是以下段结束时的低海平面为背景开始的。与下段相同, 其底部的下切河道充填物直接超覆在下段礁灰岩之上。随着海平面的上升, 广泛接受无障壁滨岸沉积, 其中在甘溪剖面滨岸砂体厚达20余米, 而在平驿铺剖面仅有4 m左右。海平面上升初期, 全区发育以灰质砂岩为主的混合沉积。之后, 两地的沉积分异加大: (1)甘溪地区发育了以碎屑岩为主, 夹生屑灰岩的岩性混合陆棚沉积, 在海平面下降期, 则主要为碳酸盐岩陆棚的点礁和生屑滩沉积; (2)平驿铺剖面, 海侵期为碳酸盐岩陆棚沉积, 最大海泛期则接受深水泥质陆棚沉积, 海平面下降期, 依次发育砂质陆棚、碳酸盐岩陆棚和混积陆棚沉积, 其中砂质陆棚受风暴的影响较大, 保留了大量的近源和远源风暴流沉积记录。

根据龙门山地区金宝石组野外地质剖面、镜下显微观察, 结合沉积相的识别、沉积演化, 建立了金宝石组混合沉积的沉积模式(图9)。金宝石组发育以陆源碎屑岩和碳酸盐岩的相混合和原地混合(Mount, 1984; 李祥辉和曾允孚, 1999; 李佐强等, 2020)2种方式沉积形成的混积滨岸— 陆棚和碳酸盐岩缓坡沉积, 不同的地理位置、不同的演化时期, 混积方式也存在差异, 并受相对海平面的变化、陆源碎屑的供应、碳酸盐生产速率、风暴浪和古气候的联合控制和影响(李祥辉, 2008; 赵灿等, 2013; 郑荣才等, 2016; Chiarella et al., 2017; 成晓雨等, 2018; 李佐强等, 2020)。

图9

Fig.9

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	图9 龙门山地区金宝石组混合沉积模式图Fig.9 Mixed sedimentation model of the Jinbaoshi Formation in Longmen Mountain area

相混合是指沉积物沿着不同沉积相边界扩散发生侧向迁移、不同沉积层间互的混合(Mount, 1984)。当海平面快速下降时, 伴随着丰富陆源碎屑的供给, 河道砂体直接覆盖在暴露碳酸盐岩缓坡生物礁之上。在海平面上升期, 陆源碎屑供给充分, 自滨岸至陆棚, 广泛接受碎屑岩沉积形成砂质滨岸和砂质陆棚, 受波浪和风暴的影响, 原生沉积构造非常发育, 该沉积在甘溪剖面和平驿铺剖面的上段和下段的底部均有发育(图8)。陆源碎屑的注入会抑制生物礁的生长(Riding, 2002), 但是一旦陆源碎屑供应减少、甚至停止输入, 以层孔虫和珊瑚为主的造礁生物便迅速生长, 形成抗浪骨架, 骨架间被灰泥及海百合茎和层孔虫碎片为主的生物碎屑充填, 连续沉积较厚的礁灰岩(Flü gel, 2010)。海平面的变化也影响着生物礁的生长与繁盛, 水体变浅, 生物礁易被打碎堆积形成生屑滩, 平驿铺剖面金宝石组下段上部发育的4个生物礁— 生屑滩旋回, 就是相对海平面升降变化的结果。从甘溪剖面下段顶部礁灰岩之上的古暴露面来看(图4-e), 无疑是由海平面的快速下降引起了生物礁的死亡(郑荣才等, 2016)。

原地混合则是陆源碎屑和碳酸盐组分混合沉积而形成的(Mount, 1984; 李祥辉, 2008), 主要发育在能量较高的滨岸和陆棚浅滩, 波浪和风暴浪的搅动作用是生物礁遭受破坏、生物碎片遭受颠选富集的主要方式(陈源仁, 1996), 是陆源碎屑和碳酸盐组分混合主要动力之一(李祥辉, 2008; 张昊等, 2019; 李佐强等, 2020), 从而形成粉砂质微晶灰岩、砂质微晶生屑灰岩、灰质石英砂岩、生屑石英砂岩等岩石类型。

水体较深的深水陆棚沉积环境位于风暴浪基面之下, 风暴难以达到, 风暴对其影响甚微, 处于水动力条件弱的低能环境, 同时生物也难以在此环境中生存, 因此, 该区通常以泥质沉积为主, 缺少碳酸盐沉积物。甘溪剖面和平驿铺剖面的上段中部的泥岩沉积层段, 即为深水陆棚沉积环境, 该沉积是海平面上升到最大时的产物(图9)。