孟艳, 李壮福, 沈玉林, 杨天洋, 敬宇鸿, 文祖超, 祝玉琳, 刘炳文. (2023). 江苏徐州赵圩剖面新元古界倪园组沉积环境演化与事件沉积[J]. 古地理学报, 25(2): 308-322.
MENG Yan, LI Zhuangfu, SHEN Yulin, YANG Tianyang, JING Yuhong, WEN Zuchao, ZHU Yulin, LIU Bingwen. (2023). Sedimentary environment evolution and event deposition of the Neopro-terozoic Niyuan Formation of Zhaowei section in Xuzhou, Jiangsu Province,China[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(2): 308-322.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.02.034
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江苏徐州赵圩剖面新元古界倪园组沉积环境演化与事件沉积
孟艳1,2, 李壮福1,2, 沈玉林1,2, 杨天洋2, 敬宇鸿2, 文祖超2, 祝玉琳2, 刘炳文2
1 中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州 221116
2 中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221008
通讯作者简介 李壮福,男,1965年生,副教授,主要从事岩石学和油气地质教学和科研工作。E-mail: 13852039837@163.com。

第一作者简介 孟艳,女,1987年生,博士研究生,研究方向为沉积学、古生物地层学。E-mail: mengyan_0210@163.com。

收稿日期:2022-04-13 修回日期:2022-06-21
摘要

江苏徐州赵圩剖面新元古界倪园组出露完整连续,岩性组合极具代表性,沉积现象丰富,发育有大量典型的事件沉积,因其成因存在争议而长期受到关注。本研究以倪园组野外宏观岩性组合及镜下微观岩石特征为基础,依据宏观—微观对照的方法,分析了倪园组沉积环境及事件沉积特征,探讨了事件沉积频发及类型多样的成因。研究表明: (1)倪园组沉积环境自下而上依次为潟湖—缓坡中上部—缓坡中下部—缓坡中上部—潮坪+潟湖; (2)事件沉积在各段的发育情况均有所区别,其中砾屑灰岩与冲刷—充填构造在各段均有发育,但下段与中段规模较大,除此之外,中段局部见震裂角砾岩、液化底辟构造,顶部发育臼齿构造,而上段底部以臼齿构造为主,中上部见软沉积物变形构造以及交错层理,结合沉积环境分析,认为事件沉积主要发生于缓斜坡环境以及潮坪、潟湖环境; (3)综合以上研究结果,认为倪园组频发—多类型事件沉积与正常沉积构成的特殊旋回,其动力机制或与周期性的地震—风暴作用有关,即可能为Rodinia古大陆的汇聚—裂解导致的华北地台东缘伸展型区域构造运动与米兰科维奇旋回的叠加而引发的多因素耦合作用的结果。

关键词: 沉积环境; 事件沉积; 旋回; 新元古界; 倪园组
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)02-0308-15
Sedimentary environment evolution and event deposition of the Neopro-terozoic Niyuan Formation of Zhaowei section in Xuzhou, Jiangsu Province,China
MENG Yan1,2, LI Zhuangfu1,2, SHEN Yulin1,2, YANG Tianyang2, JING Yuhong2, WEN Zuchao2, ZHU Yulin2, LIU Bingwen2
1 Key Laboratory of CBM Resource and Reservoir Formation Process,China Ministry of Education, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China
2 School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China
About the corresponding author LI Zhuangfu,born in 1965,is an associate professor. He is mainly engaged in teaching and scientific research on petrology and oil and gas geology. E-mail: 13852039837@163.com.

About the first author MENG Yan,born in 1987,is a Ph.D. candidate. She is currently engaged in sedimentology and paleobiostratigraphy. E-mail: mengyan_0210@163.com.

Abstract

The Neoproterozoic Niyuan Formation in Zhaowei, Xuzhou is exposed completely and continuously, with representative lithologic assemblages, abundant sedimentary phenomena, and a large number of typical event deposits, which has been a concern for a long time because of its controversial genesis. Based on the field macro lithologic assemblage and microscopic rock characteristics of the Niyuan Formation, and by means of macro-micro comparison, this paper analyzes the sedimentary environment and event sedimentary characteristics of the Niyuan Formation and discusses the causes of frequent occurrence and diverse types of event deposition. The results show that: (1) The sedimentary environment of the Niyuan Formation from base to top is lagoon-the middle and upper part of the gentle slope-the lower part of the gentle slope-the middle and upper part of the gentle slope-tidal flat or lagoon; (2) The development of event deposits in each section is different. Gravelly limestone and scouring filling structure are developed in each section, but the lower and middle sections are large. In addition, seismic breccia and liquefied diapir structure are seen in some parts of the middle section, molar-tooth structure is developed at the top, while molar-tooth structure is mainly seen at the bottom of the upper section, and soft sediment deformation structure and cross bedding are seen in the middle and upper part. Based on the analysis of sedimentary environment, it is considered that the event sediments mainly occurred in the gentle slope environment, tidal flat and lagoon environment; (3) Synthesizing the above research results, it is concluded that the dynamic mechanism of the special cycle composed of frequent multi-type event sedimentation and normal sedimentation of the Niyuan Formation may be related to periodic earthquake-storm action, that is, it can be the result of multi-factor coupling effect caused by the superposition of extensional regional tectonic movement on the eastern margin of North China platform and the Milankovitch cycle caused by the convergence and fragmentation of the Rodinia paleocontinent.

Key words: sedimentary environment; event deposition; cyclic stratigraphy; Neoproterozoic; Niyuan Formation
1 概述

新元古代是地球演化历史上最重大的变革时期之一, 是超大陆裂解、低纬度冰川发育及多细胞生物演化的重要阶段, 并由此衍生出涉及全球性古板块运动、气候变迁、生命演化等一系列跨学科重大科学问题, 已经成为近年来地球科学研究的热点和前沿(张同钢等, 2002; 郑永飞, 2003, 2004; 胡永云和闻新宇, 2005; 唐烽等, 2009; 冯乐等, 2015; 孙云鹏等, 2020; 王振涛和李现根, 2020; 庞科等, 2021)。苏皖北部地区是中国华南地区与华北地区晚前寒武纪地层衔接、对比的关键地区(刘家润等, 2001; 唐烽等, 2005)。近些年来, 许多研究者从岩石地层、年代地层、生物地层、层序地层、事件地层等方面对其沉积环境、地层划分和区域对比等进行了较为详细的研究, 并取得了重要的进展(李壮福和郭英海, 2000; 贾志海等, 2003, 2011; 刘为付等, 2004; 旷红伟等, 2011; Cao and Yin, 2011; 代珍等, 2012; 陆鹿等, 2013; Xiao et al., 2014; Guilbaud et al., 2015, 2020; 马晓凡, 2015; Zhao et al., 2020; Zhou et al., 2020; Zhang et al., 2021)。

徐淮地区新元古代地层发育较为齐全, 地层厚度大, 总厚度在5000 m以上, 岩性以碳酸盐岩为主, 倪园组位于该套地层的中上部, 以灰色薄— 中厚层灰岩、白云质灰岩、白云岩为主, 下段夹黄绿色泥灰岩, 中段见薄层灰岩— 白云岩韵律层, 上段为纹层状白云岩。倪园组发育有大量的风暴、地震作用事件沉积, 且事件沉积和正常沉积交替出现, 旋回性明显。前人针对倪园组形成时期的沉积环境展开了分析, 认为倪园组沉积环境为台地前缘缓斜坡(王翔和王战, 1992)或潮坪、潟湖环境(钱迈平等, 2002; 王德海, 2007; 王丽娟, 2009)。然而, 在实际研究中发现其缺乏地层的细致对比、分析, 沉积环境的分析也存在一定的差异, 同时对于倪园组广泛存在的事件沉积较少提及。

本研究调查了江苏徐州赵圩村(图1-A, 1-B)新元古界倪园组, 对其中发育的事件沉积层及其垂向演化进行了详细研究。通过野外考察、剖面实测和室内研究, 笔者对倪园组的宏观— 微观岩性特征进行了深入研究, 总结了沉积环境及其演化, 进一步探讨了事件沉积层的垂向分布特征及演化, 从而在缺乏生物地层数据的情况下, 再造研究区倪园组沉积期的古地理、古环境。本研究对于区域性地层对比工作具有重要的实际意义。

图1 江苏徐州赵圩村及周边地区地质简图及赵圩剖面倪园组岩性-地层柱状图(修改自柳永清等, 2005)Fig.1 Geological map of Zhaowei village and its surrounding area in Xuzhou, Jiangsu Province and lithostratigraphic column of the Niyuan Formation at Zhaowei section(modified from Liu et al., 2005)

2 地质背景

研究区位于华北地台东南缘, 地层区划属华北地层区徐州胶辽地层分区。徐州地区新元古界分为2个地层单元, 下部地层单元包括兰陵组、新兴组及岠山组, 以碎屑岩为主, 厚度大于2000 m, 主要在邳县城山、铜山江庄一带出露。上部地层单元包括贾园组、赵圩组、倪园组、九顶山组、张渠组、魏集组、史家组及望山组, 以碳酸盐岩为主, 厚度大于3000 m, 苏皖交界地区褚兰、栏杆一带是沉积中心, 自沉积中心向南、向北到盆地边缘, 地层发育不全, 厚度减小(何睿, 2013)。

由于古地理背景差异较大, 长期以来该套地层的划分和对比一直争议较大(刘燕学等, 2005)。在地层划分上, 江苏省地质矿产局(1984, 1997)、安徽省地质矿产局(1987)、李寿寅和屈秀宜(1990)、张丕孚(1993, 2001)等单位和个人均提出了不同的划分建议。时代归属上, 近些年, 随着徐淮地区新元古界研究的深入, 年代地质学不断取得进展: 碳酸盐岩Sr、C同位素测年方法测得其时限为750— 1000 Ma左右(杨杰东等, 2001, 2004; 郑文武等, 2004; 刘燕学等, 2006); 岩浆岩锆石U-Pb定年方法得到的年龄为900— 1000 Ma(柳永清等, 2005; 王清海等, 2011; 苗巧银等, 2020)。根据岩石地层、生物地层和年代地层的对比结果, 认为徐淮地区新元古代沉积的这一套巨厚碳酸盐岩地层, 属同一海盆沉积, 应在地层表中有一致的位置。2018年《国际年代地层表》将青白口纪(国际称为拉伸系Tonian)时限定为720— 1000 Ma。根据以上年龄数据, 徐淮地区新元古界或可统一置于青白口系。

3 岩性特征及沉积环境演化
3.1 岩性组合

研究剖面倪园组总厚度为284.29 m, 根据岩性可以分为3段(图1-C)。

下段: 云质泥灰岩段。根据颜色、结构及构造等因素, 又可以细分为3部分: 下部主要是浅灰色中厚层状粉晶白云岩, 刀砍纹发育, 层理、纹层不清晰; 中部是砾屑灰岩与白云岩互层, 砾屑灰岩整体呈青灰色, 与下伏地层为冲刷接触, 局部夹灰色透镜状— 撕裂状白云岩块体, 砾屑灰岩层中砾屑以脆性砾屑为主, 次棱角状, 叠瓦状— 倒“ 小” 字形排列, 白云岩层为灰色, 中厚层状, 局部见冲刷充填构造以及平行排列具有塑性变形的砾屑, 水平纹层发育且自下而上逐渐减少; 上部以灰黄色薄— 中厚层状细粉晶云质泥灰岩为主, 水平纹层发育且纹层清晰, 单层岩层厚度变化大, 约1~50 cm, 表现为薄— 厚向上变浅旋回, 局部夹中厚层状砾屑灰岩层。厚度92.53 m。

中段: 石灰岩与白云岩韵律层段。浅灰色薄层状细粉晶石灰岩与浅灰黄色薄层状细粉晶白云岩形成韵律层, 风化面呈现差异溶蚀。白云岩、石灰岩单层厚度在垂向上有明显的变化, 垂向上, 石灰岩单层厚度向上逐渐增大, 白云岩单层由条带状逐渐过渡到丝线状, 厚度逐渐变小。构造方面, 石灰岩整体呈块状, 层理不发育, 白云岩水平层理发育, 纹层细腻、清晰。中下部发育大规模砾屑灰岩透镜体, 砾屑在下部多为脆性变形, 叠瓦状到放射状排列, 中部多为塑性变形, 呈板刺状排列。局部见液化底劈构造以及震碎角砾岩, 顶部见臼齿构造。厚度75.45 m。

上段: 纹层状白云岩段。整体表现为纹层状白云岩, 具体表现为纹层状白云岩与薄层状白云岩(层理不发育)的互层, 风化面呈现差异溶蚀: 薄层状白云岩凹陷、纹层状白云岩凸出。根据颜色、结构及构造等因素, 也可以将此段分为3部分: 下部臼齿构造发育, 局部见软沉积物变形构造, 中部见少量砾屑白云岩, 纹层细密, 发育帐篷构造, 上部岩石风化面呈浅灰黄色, 泥质含量增加, 局部夹少量砾屑白云岩, 砾屑磨圆度较好, 水平、卷曲及交错层理发育。厚度116.31 m。

3.2 岩石类型

在实测剖面时, 根据剖面分层采样, 采集制作岩石薄片104片, 微观岩石类型与沉积环境的划分基本取决于野外剖面的详细观察及薄片的镜下鉴定结果。室内鉴定和拍照在中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室的Olympus显微镜下完成。

考虑水动力条件的大小并参考基质、颗粒、胶结物的种类和相对数量、组构特征, 主要依据余素玉(1989)的石灰岩分类方案, 并结合杨承运和卡罗兹(1988)的分类方案对石灰岩进行分类。白云岩的结构分类系统和命名原则与石灰岩基本相同。

1)细粉晶白云岩(L1)。风化面呈浅灰黄色(图2-A), 新鲜面呈暗灰黄色, 细粉晶结构, 层理不发育, 刀砍纹发育, 中厚层状。镜下白云石呈半自形到他形粒状(图3-A), 粒径多为0.01~0.04 mm, 结晶粒度较均一。层理不发育、中厚层状以及结晶粒度较均一表明沉积环境稳定, 主要见于倪园组与赵圩组接触位置, 与赵圩组沉积环境形成过渡, 依据赵圩组沉积后期为潮坪、潟湖环境(陆鹿等, 2013), 倪园组底部细粉晶白云岩或形成于水动力条件较弱的低能局限台地环境。

图2 江苏徐州赵圩剖面倪园组主要岩石类型
A— 细粉晶白云岩, 浅灰黄色, 刀砍纹发育; B— 细粉晶云质泥灰岩, 浅黄绿色, 水平层理发育; C— 泥晶砾屑灰岩, 砾屑具塑性变形, 呈板刺状排列; D— 细粉晶灰质白云岩与细粉晶云质灰岩韵律层, 白云岩发育水平— 微波状层理, 灰岩层理不发育, 二者呈现差异溶蚀; E— 纹层状细粉晶白云岩, 浅灰白色, 暗色部分水平— 微波状层理发育; F— 纹层状含石英粉砂白云岩, 浅灰黄色, 水平层理发育Fig.2 Main rock types of the Niyuan Formation at Zhaowei section in Xuzhou, Jiangsu Province

图3 江苏徐州赵圩剖面倪园组主要岩石类型显微特征
A— 细粉晶白云岩, 白云石呈半自形至他形粒状, 单偏光; B— 细粉晶云质泥灰岩, 纹层清晰但颜色不均, 单偏光; C— 泥晶砾屑灰岩, 砾屑脆性变形, 分选较差, 次棱角状— 棱角状, 呈叠瓦状排列, 单偏光; D— 泥晶砾屑灰岩, 砾屑塑性变形, 砾屑颗粒界线较清晰, 结晶粒度细, 单偏光; E— 细粉晶灰质白云岩, 白云石呈半自形— 他形粒状, 单偏光; F— 细粉晶云质灰岩, 方解石呈他形粒状, 白云石呈半自形— 他形粒状, 单偏光; G、H— 纹层状细粉晶白云岩, 水平层理发育, 明暗纹层交替且结晶粒度不同, 单偏光; I— 纹层状含石英粉砂白云岩, 石英粉砂分选较好, 次棱角状— 次圆状, 单偏光Fig.3 Rock types and microscopic characteristics of the Niyuan Formation at Zhaowei section in Xuzhou, Jiangsu Province

2)细粉晶云质泥灰岩(L2)。风化面呈浅黄绿色(图2-B), 新鲜面呈暗黄绿色, 细粉晶结构, 纹层细腻, 水平层理发育, 薄— 中厚层状。镜下纹层清晰(图3-B), 明暗交替, 但结晶粒度、成分均一; 方解石含量85%左右, 他形粒状, 粒径0.01~0.02 mm; 白云石含量15%左右, 他形粒状, 粒径0.01~0.02 mm。风化面呈现浅黄绿色说明沉积区有陆源黏土物质的沉积, 结合结构特征以及水平层理, 说明其形成于水动力条件安静的低能环境。主要见于倪园组下段。

3)泥晶砾屑灰岩(L3)。风化面呈浅灰色(图2-C), 新鲜面呈暗灰色, 呈透镜体状发育于中厚层白云岩之间或白云岩与石灰岩韵律层的薄— 中厚层灰岩中, 底面具起伏冲刷面。砾屑既有脆性又有塑性变形(图2-C), 前者大小1~5 cm为主, 个别达10 cm以上, 呈长条状, 次棱角状— 次圆状, 多斜交层面排列; 后者呈拉长状、撕裂状、不规则形状, 大小0.1~2 cm, 长轴大致平行于底面, 整体呈直立状、叠瓦状或倒“ 小” 字形排列。镜下脆性砾屑(图3-C)一般2~6 mm, 砾屑为泥晶灰岩, 分选差, 次棱角状— 棱角状, 叠瓦状排列, 砾屑之间为粗砂屑, 分选、磨圆较好, 白云石胶结; 塑性砾屑(图3-D)一般3~6 mm, 颜色较周围暗且结晶粒度较细, 呈撕裂状、条带状、板刺状。通过砾屑的宏观、微观特征分析, 其形成于水动力较强的高能环境, 多形成于风暴浪基面附近, 原地或微异地埋藏, 可能受到风暴或地震作用的影响。主要见于倪园组下段及中段。

4)细粉晶灰质白云岩(L4)。风化面呈浅灰黄色(图2-D), 新鲜面呈灰黑色, 细粉晶结构, 水平— 微波状层理发育, 薄层状, 单层厚度0.2~5 cm。镜下白云石含量大于50%(图3-E), 半自形— 他形粒状, 粒径0.01~0.05 mm; 方解石含量30%~45%, 他形粒状, 粒径0.01~0.05 mm。水平— 微波状层理及细粉晶结构反映其形成于水动力条件较弱的低能环境。主要见于倪园组中段。

5)细粉晶云质灰岩(L5)。风化面呈浅灰色(图2-D), 新鲜面呈暗灰色, 细粉晶结构, 层理不发育, 薄层状, 单层厚度2~5 cm。镜下方解石含量65%左右(图3-F), 他形粒状, 粒径0.01~0.05 mm; 白云石含量35%左右, 半自形— 他形粒状, 粒径0.01~0.05 mm。与细粉晶灰质白云岩构成韵律层, 反映其形成于水动力条件稳定的低能环境。主要见于倪园组中段。

6)纹层状细粉晶白云岩(L6)。风化面呈浅灰白色(图2-E), 新鲜面呈灰黑色, 细粉晶结构, 薄— 中厚层状, 水平层理发育, 新鲜面见明暗纹层交替。镜下见明暗纹层交替(图3-G, 3-H), 纹层内部结晶粒度不同, 白云石粒径0.005~0.05 mm, 暗色纹层多为细粉晶, 亮色纹层多为粗粉晶; 暗色纹层结晶粒度细, 或因其为藻纹层或藻屑纹层, 内部含有机质, 有机质分解吸收热量, 导致纹层内部可供白云石结晶的能量不足, 故多呈细粉晶产出。藻纹层或藻屑纹层的出现, 反映其形成于水动力较弱、气候较炎热的潮坪环境, 主要见于倪园组上段。

7)纹层状含石英粉砂白云岩(L7)。风化面呈浅灰黄色(图2-F), 新鲜面呈暗灰黄色, 细粉晶结构, 水平层理发育, 薄— 中厚层状。镜下纹层交替, 层理发育, 白云石粒径0.005~0.05 mm, 纹层中含石英粉砂(图3-I), 粒径约0.05 mm左右, 分选较好, 次棱角状— 次圆状。岩石呈灰黄色表明泥质含量增加, 沉积区靠陆且水动力条件较强, 可以把陆源的粉砂带入沉积区。镜下见石英充填孔隙, 主要是有机质或黏土分解产生有机酸, 导致白云石溶解、硅质沉淀。形成于水动力较强、靠陆的潮坪环境, 主要见于倪园组上段顶部。

3.3 沉积环境分析及演化

新元古代徐州地区位于华北地台克拉通边缘缓斜坡区(孟祥化和葛铭, 2002)。新元古代早期徐州地区是陆源碎屑占优势的滨岸海滩环境, 中晚期为开阔浅海— 局限海碳酸盐岩缓坡— 台地环境(王德海, 2007), 新元古代徐州地区所处板块位置及其沉积环境演化是分析倪园组沉积环境演化的重要前提。通过对倪园组岩性组合、岩石类型及沉积构造特征等方面的研究, 参照Wilson(1975)碳酸盐岩台地模式中的分类, 结合垂向序列, 认为倪园组沉积环境包括潟湖、缓斜坡中上部、缓斜坡中下部、缓斜坡中上部、潮坪— 潟湖(图4)。

图4 江苏徐州赵圩剖面倪园组沉积环境及其岩石类型组合Fig.4 Sedimentary environment and rock types in the Niyuan Formation at Zhaowei section in Xuzhou, Jiangsu Province

云质泥灰岩段主要为浅黄绿色薄— 中厚层状细粉晶云质泥灰岩(L2), 底部细粉晶白云岩(L1), 单层厚度较大, 层理不发育, 说明沉积环境稳定, 结合赵圩组沉积末期潮坪、潟湖环境形成的条带状白云岩, 判断倪园组底部白云岩的形成环境为潟湖环境; 之后向上演变为细粉晶白云岩(L1)与泥晶砾屑灰岩(L3)互层, 针对砾屑灰岩, 前人研究发现其主要形成于正常浪基面与风暴浪基面之间(李壮福和郭英海, 2000; 陆鹿等, 2013), 反映沉积区水体逐渐加深, 结合构造位置, 认为这一时期的沉积环境为缓斜坡的中上部; 向上进一步过渡到浅黄绿色薄— 中厚层状细粉晶云质泥灰岩(L2), 这一岩性段底部, 水平层理发育且纹层细腻, 结晶粒度细腻均一, 单层厚度1~10 cm, 结合陆源黏土物质的沉积, 说明沉积区水动力条件比较弱、水体较深, 沉积环境为风暴浪基面以下缓斜坡的中下部深水斜坡环境, 这一岩性段中上部局部出现砾屑灰岩层, 说明水体向上变浅, 再一次过渡到缓斜坡的中上部环境。

石灰岩与白云岩韵律层段, 主要发育细粉晶灰质白云岩(L4)和细粉晶云质灰岩(L5), 二者组成韵律层。灰质白云岩单层厚度0.2~5 cm, 水平— 微波状层理发育, 向上逐渐由条带状转为丝线状, 逐渐变薄; 云质石灰岩单层厚度2~15 cm, 层理不发育, 向上逐渐变厚。中下部发育泥晶砾屑灰岩(L3)透镜体, 且砾屑灰岩规模向上逐渐减少, 顶部为含臼齿构造云质灰岩, 但围岩见暗色藻纹层, 鉴于绝大多数臼齿构造发育于浅水潮下带— 潮上带(环潮坪)环境(Fairchild et al., 1997; James et al., 1998; Meng and Ge, 2003; 柳永清等, 2010), 所以中段韵律层段的沉积环境为风暴浪基面与正常浪基面之间的缓斜坡中上部到潮坪环境。

倪园组沉积末期, 进入纹层状白云岩段, 研究区发生大幅海退, 出现大面积潮坪、潟湖环境。炎热干旱气候条件下, 海水蒸发咸化, 形成由藻纹层或藻屑纹层组成的纹层状细粉晶白云岩(L6); 进一步海退, 沉积区逐渐靠陆, 水动力条件逐渐较强, 将陆源的粉砂带入沉积区, 形成纹层状含石英粉砂白云岩(L7)。

总体而言, 倪园组由下至上构成一个向上变深, 之后又变浅的沉积序列, 具有明显的旋回性, 沉积环境的演化依次为潟湖— 缓斜坡中上部— 缓斜坡中下部— 缓斜坡中上部— 潮坪+潟湖。对比前人研究成果, 王翔和王战(1992)参照威尔逊碳酸盐岩台地模式中的分类, 将淮北宿县和淮南寿县倪园组划分出台地前缘缓斜坡相、台地边缘叠层石礁相、台地边缘滩相、局限台地相, 而王德海(2007)、钱迈平等(2002)以及王丽娟(2009)则认为徐淮地区倪园组的沉积环境为局限台地环境上的潮坪、潟湖环境, 因本区未见叠层石礁以及台地边缘滩相沉积, 故整体沉积环境的分析与前人研究结果大体一致, 但局部又有所区别。

4 事件沉积特征与演化

一般把具有突发性和瞬时性的沉积过程称为事件沉积(Einsele et al., 1996)。事件沉积物易于在地层中识别, 它们是在各种地质事件中形成的沉积物, 一般包含了侵蚀和沉积2种作用留下的沉积构造(田景春等, 2014)。

4.1 事件沉积特征

通过对倪园组野外考察、剖面实测和室内研究, 发现倪园组下、中、上3段均发育有大量事件沉积, 且每段发育事件沉积特征、事件沉积层与正常沉积岩层之间的关系均有所区别。现将各段事件沉积特征汇总如下。

4.1.1 下段(云质泥灰岩段)事件沉积特征

主要见砾屑灰岩及冲刷— 充填构造(图5-A), 且二者一般同时出现。冲刷— 充填构造一般发育在风暴沉积层的底面, 构成与下伏岩层之间的突变底界, 是风暴高潮期风暴流在流动过程中对海底沉积物冲刷、掏蚀而成, 并被上覆沉积物充填。其形态多样, 剖面上见起伏不大的冲刷面构造及呈“ V” 字形、“ U” 字形的冲刷沟槽。冲刷— 充填构造面之上为砾屑灰岩层, 砾屑灰岩中砾屑含量大于70%, 成分为泥晶灰岩, 粒径1~10 cm, 以脆性砾屑为主, 次棱角— 棱角状, 平行— 叠瓦状排列, 颗粒支撑, 砾屑之间为白云石充填, 砾屑不发育红色氧化膜。

图5 江苏徐州赵圩剖面倪园组主要事件沉积类型
A— 下段底部砾屑灰岩, 底部见冲刷面, 与上覆白云岩互层; B— 下段中部砾屑灰岩, 与下伏泥灰岩冲刷接触; C— 中段砾屑灰岩, 砾屑灰岩层与下伏地层冲刷接触, 砾屑呈板刺状, 具塑性变形; D— 中段震裂角砾岩, 棱角状, 杂基支撑; E— 中段液化底辟构造, 液化沉积物流向上穿刺上覆围岩, 呈柱形; F— 中段及上段臼齿构造, 脉体与围岩接触界线清晰, 呈条带状; G— 上段砾屑白云岩及丘状交错层理, 砾屑磨 圆较好; H、I— 上段软沉积物变形构造, 发育在薄层岩层或具纹层的岩层中Fig.5 Main event sedimentary types of the Niyuan Formation at Zhaowei section in Xuzhou, Jiangsu Province

本段底部见砾屑灰岩层与粉晶白云岩层互层, 组成事件沉积层与正常沉积层的旋回; 而中上部, 砾屑灰岩层又与云质泥灰岩(图5-B)相结合, 构成另一种事件沉积层与正常沉积层的旋回类型, 2种旋回中砾屑灰岩的结构、构造变化较小, 但与其组合的正常沉积层的岩性变化较大, 反应了沉积环境的演变。

4.1.2 中段(石灰岩与白云岩韵律层段)事件沉积特征

见砾屑灰岩与冲刷— 充填(图5-C)构造, 同时也见震裂角砾岩(图5-D)、液化底辟构造(图5-E)以及臼齿构造(图5-F)。砾屑灰岩在本段下部依然以脆性砾屑为主, 结构与下段砾屑灰岩类似, 但排列方式以放射状、倒“ 小” 字形排列为主; 而中上部砾屑灰岩以塑性砾屑为主, 砾屑多弯曲变形, 粒径5~10 cm, 次圆状, 近于直立的板刺状排列。

本段见石灰岩与白云岩韵律层与砾屑灰岩层组成的旋回类型。除特殊的旋回类型外, 本段局部也见到震裂角砾岩, 粒径0.5~5 cm, 棱角状, 杂基支撑, 表示地震强烈震动使沉积层破碎原地形成的角砾岩; 液化底辟构造, 是液化沉积物流向上穿刺上覆围岩的一种构造, 最后以各种形态固定在岩层中, 本段多见穹形、柱形形态; 臼齿构造, 在外观上风化面呈灰白色、灰色, 新鲜面呈灰黑色, 与周围围岩的颜色有明显差异, 脉体与围岩接触界线清晰, 本区多见条带状、碎屑状形态臼齿构造。

4.1.3 上段(纹层状白云岩段)事件沉积特征

本段主要发育砾屑白云岩(图5-G)、冲刷— 充填构造、丘状交错层理、臼齿构造(图5-F)以及软沉积物变形构造(图5-H, 5-I)。

其中砾屑白云岩与中段、下段相比, 规模较小, 但都是脆性砾屑, 粒径0.5~3 cm, 磨圆非常好, 平行— 叠瓦状排列, 多与冲刷— 充填构造以及丘状交错层理相伴出现。丘状交错层理, 纹层上凸下凹, 内部具较多波状侵蚀面, 侵蚀面上纹层呈辐射状, 纹层倾角较小, 顶面呈丘状起伏, 被认为是风暴沉积的特征标志, 也是最能反映风暴作用特征的沉积构造。发育冲刷— 充填构造、丘状交错层理及砾屑白云岩的岩层常与其上部薄— 中厚层状白云岩构成事件沉积层与正常沉积层的旋回。

上段底部也发育臼齿构造, 整体形态与中段顶部类似, 但局部见碎屑状堆积成层状; 软沉积物变形构造, 也可称为震褶层, 多发育在薄层、条带状岩层或具纹层的岩层中, 在本段主要见于上段的中部以及顶部。

根据倪园组事件沉积现象的观察, 结合前人的成因分析, 认为倪园组砾屑灰岩、臼齿构造等现象的形成是多因素耦合的结果: 砾屑灰岩的形成, 前人认为有风暴成因(李壮福和郭英海, 2000; 陆鹿等, 2013)以及地震成因(乔秀夫和李海兵, 2009; 苏德辰和孙爱萍, 2011), 但本区砾屑灰岩形成环境为缓坡环境, 且砾屑多呈长条状, 磨圆较差, 反映搬运距离较短, 较深水环境风暴将固结或半固结岩石打碎搬运, 整体比较难, 所以结合前人对于板刺状砾屑灰岩的解释, 认为是地震将薄层的半固结或固结的岩层震碎, 之后海啸或风暴将震碎角砾顺着斜坡进行了短距离搬运, 形成了现在见到的砾屑灰岩层, 所以倪园组的砾屑才会局部表现为风暴成因的特征, 同时有些部分也表现为地震成因的特征; 臼齿构造也是同理, 前人提出了地震成因(Fairchild et al., 1997; Pratt, 1998; James et al., 1998; 潘国强等, 2000; 冯乐等, 2015; 马晓凡, 2015; 乔秀夫等, 2017), 但同时也提出了生物化学成因(Frank and Lyons, 1998; Furniss et al., 1998; Marshall and Anglin, 2004; 旷红伟等, 2011; Shen et al., 2016; Hodgskiss et al., 2018), 根据倪园组臼齿构造的宏观— 微观形态, 例如脉体切穿层理, 认为臼齿构造脉体裂缝的形成或与地震相关, 但脉体内部微晶方解石的形成又或与生物化学作用相关, 这一部分的分析验证有待进一步的研究。

4.2 不同沉积环境事件沉积发育情况及演化

依据前面研究可知倪园组的沉积环境为局限台地环境和缓斜坡环境, 局限台地又包括潮坪、潟湖环境。事件沉积在各沉积环境发育的类型、规模均有所区别(图6), 具体表现如下。

图6 江苏徐州赵圩剖面倪园组综合柱状图Fig.6 Integrated stratigraphic column of the Niyuan Formation at Zhaowei section in Xuzhou, Jiangsu Province

局限台地中的潟湖环境, 主要分布在倪园组底部, 这一部分少见事件沉积的发育。

缓斜坡环境, 包括倪园组的下段和中段, 属于事件沉积密集发育阶段, 主要有砾屑灰岩层、冲刷— 充填构造、震裂角砾岩、液化底辟构造以及臼齿构造, 在缓坡环境各个阶段均有发育的是砾屑灰岩及冲刷— 充填构造, 但发育的规模有所区别: 下段底部整体规模比较大, 多顺层发育, 横向连续性好, 说明这一时期为环境的变换期, 沉积环境不稳定, 但具有周期性变化; 下段上部以及中段下部, 局部见砾屑灰岩及冲刷— 充填构造, 但整体规模较小, 呈透镜体状分布, 横向连续性较差, 说明这一时期环境整体稳定, 但局部不稳定; 中段中上部, 见板刺状砾屑灰岩、震碎角砾岩以及臼齿构造, 砾屑灰岩规模比较大, 呈透镜体状, 横向及纵向的连续性均较好, 从成因角度分析, 以上现象或都与地震相关, 代表这一时期沉积环境不稳定, 同时也是地震活跃期。

局限台地潮坪、潟湖环境, 主要是倪园组的上段, 见臼齿构造、砾屑白云岩、丘状交错层理以及软沉积物变形构造, 以上事件沉积层的发育规模均较小。上段下部主要见臼齿构造, 局部见碎屑状臼齿堆积成层状, 且伴随软沉积物变形构造, 砾屑白云岩较少, 但砾屑的磨圆比较好, 考虑是风暴作用的多次搬运磨蚀使其磨圆比较好。韵律层段向白云岩段转换反映了沉积环境的转换, 叠加各种事件沉积, 说明这一时期环境不稳定, 属于事件的多发期; 中部整体比较稳定, 多见纹层状白云岩; 上部主要发育砾屑白云岩、丘状交错层理以及软沉积物变形构造, 砾屑白云岩及丘状交错层理规模较小, 但软沉积物变形构造规模较大, 代表这一时期环境不稳定, 风暴、地震频繁, 但规模较小。

根据以上沉积环境中事件沉积的分布, 认为岩性转换期所代表的环境转换期事件沉积多发, 说明沉积环境的转变是事件沉积多发的重要因素之一。

5 讨论

根据以上分析, 可知倪园组整体以白云岩为主, 局部夹泥灰岩、砾屑灰岩及含臼齿构造灰岩; 沉积环境演化由潟湖— 缓斜坡中上部— 缓斜坡中下部— 缓斜坡中上部— 潮坪+潟湖, 体现了浅— 深— 浅的旋回性。

前人对于倪园组的研究主要集中在沉积环境的分析上, 王翔和王战(1992)认为倪园组沉积环境为台地前缘缓斜坡、台地边缘滩、叠层石礁以及局限台地环境, 但通过对比分析发现, 本区并未发现台地边缘滩以及叠层石礁的沉积, 而其他人(钱迈平等, 2002; 王德海, 2007; 王丽娟, 2009)认为的潮坪、潟湖环境, 在本区多发育在倪园组上段, 对倪园组下段的泥灰岩及中段的韵律层缺乏分析。同时对于事件沉积的识别、分类较少涉及, 本研究内容是对现有倪园组研究的有力补充, 在一定程度上弥补了现有研究的不足, 同时也为之后倪园组的进一步研究提供了必要的参考依据。

针对这一问题, 以下将从2个方面对其进行深入探讨, 以期为事件沉积集中发育以及事件沉积与正常沉积组成特殊旋回组合的成因解释提供一个新的思路。

5.1 大地构造背景是事件沉积频发及类型多样的动力机制

从大地构造背景来看, 倪园组频发的事件沉积或与当时本区特殊的大地构造背景有关。从全球大地构造角度而言, 与华北板块所处的位置有很大关系。新元古代初期存在一个由全球主要大陆汇聚而成的超级大陆— — Rodinia超大陆(Hoffman, 1991)。Rodinia超大陆主要由劳伦大陆、东冈瓦纳(澳大利亚、印度和南极)、西伯利亚、波罗的、非洲和南美地块群组成, 整体处于地球的中低纬度, 其最终聚合时间大致在900 Ma, 全面裂解约出现在700 Ma(陆松年, 1998; 郭进京等, 1999; 王清海等, 2011)。从古元古代中期(1800 Ma)到新元古代末期, 华北板块与劳伦大陆及西伯利亚板块一直联合在一起(Li, 1997)。前述本区地层年代为750— 1000 Ma, 此地层年代恰与超大陆的裂解与聚合时间一致。

因此, 有理由认为新元古代倪园组沉积期大量发育的事件沉积与Rodinia古大陆的汇聚— 裂解导致的华北地台东缘伸展型区域构造引发的地震相关, 周期性频繁发生的地震可能进一步诱发了风暴或海啸事件的发生, 产出大量的风暴事件沉积层, 这可能是倪园组事件沉积频发及动力机制类型多样的原因。

5.2 特殊旋回组合记录了沉积环境及古气候的匹配效应

除上面所述的全球大地构造背景下, Rodinia古大陆的汇聚— 裂解可能引发了周期性的事件沉积层的出现外, 这些事件沉积层的保存可能记录了地质历史时期的沉积环境与古气候的匹配效应。

1)碳酸盐岩缓坡环境为事件沉积层的保存提供了有利条件。徐淮地区新元古代沉积了一套巨厚的碳酸盐岩建造, 总厚度大于5000 m, 各组之间多为整合接触、连续沉积, 其间未发现冰川沉积的记录。而沉积一套厚度超过5000 m的碳酸盐岩建造所需 CO2的量无疑是巨大的, 可见当时的大气中CO2含量极高, 从而形成“ 温室效应” , 地球大气中CO2含量在元古代初期约为现今的100多倍, 中、新元古代海水受重碳酸盐控制, 从而形成“ 苏打海” (旷红伟等, 2011)。温暖的环境有利于CaCO3的沉淀, 从前面分析可知, 倪园组沉积环境为局限台地到缓斜坡环境, 而碳酸盐岩对于水体的深度、温度及介质的变化十分敏感, 这就为大量事件沉积层的保存提供了条件。

2)特殊的旋回类型可能是构造— 米兰科维奇旋回综合效应的记录。周期性频发的地震事件或由地震引发的风暴事件除与大地构造背景有关, 也可能与米兰科维奇旋回有关, 倪园组下段常见4~5个云质泥灰岩旋回与其顶部的厚层砾屑灰岩组合形成更大的旋回, 中段更是以由白云岩与石灰岩组成的对偶层为主, 根据旋回地层的研究这种对偶层可以看作是岁差旋回引起的“ L-M旋回” , 且9~11个对偶层可以组成一个更大的旋回, 这与岁差旋回之上的短周期旋回周期吻合。因此, 事件沉积层与正常沉积层组合的旋回成因, 或与大地构造的周期性叠加米兰科维奇旋回、多因素耦合有关。

综上所述, 倪园组沉积期, 徐州地区事件沉积频发且类型多样的动力机制主要为Rodinia古大陆的汇聚— 裂解导致的华北地台东缘伸展型区域构造引发的地震, 而事件沉积岩层与正常沉积岩层组成的特殊旋回组合类型的出现, 则可能是大地构造的周期性与米兰科维奇旋回的叠加引发的多因素耦合作用的结果。

6 结论

通过对江苏徐州赵圩剖面倪园组岩性描述、沉积环境的分析以及旋回类型的划分, 可得出以下认识:

1)倪园组根据岩性可以分为云质泥灰岩段、石灰岩与白云岩韵律层段以及纹层状白云岩段, 每段的具体岩石类型不同, 下段主要发育细粉晶云质泥灰岩、细粉晶白云岩、 泥晶砾屑灰岩, 中段主要是细粉晶云质石灰岩和灰质白云岩, 夹有泥晶砾屑灰岩, 上段以纹层状细粉晶白云岩为主, 向上石英粉砂增多。

2)倪园组沉积环境为潟湖— 缓斜坡中上部— 缓斜坡中下部— 缓斜坡中上部— 潮坪+潟湖, 整体向上变浅。

3)倪园组事件沉积在各段发育的类型、规模均有所区别。下段以砾屑灰岩与冲刷— 充填构造为主; 中段砾屑灰岩、冲刷— 充填构造大规模发育, 局部见震裂角砾岩、液化底辟构造, 顶部发育臼齿构造; 上段底部以臼齿构造为主, 中上部见软沉积物变形构造及砾屑灰岩、交错层理。结合沉积环境研究, 认为事件沉积主要发生于缓斜坡环境以及潮坪、潟湖环境。

4)倪园组事件沉积的动力机制与频繁的地震— 风暴发生有关, 进一步可联系到全球大地构造角度Rodinia古大陆的汇聚— 裂解导致的华北地台东缘伸展型区域构造运动, 而周期性频繁发生的地震、风暴, 产出大量事件沉积层与正常沉积层之间的特殊旋回, 反映了沉积环境及古气候的匹配效应, 以及与大地构造周期性的叠加效应。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 李攀)

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