祁柯宁, 旷红伟, 柳永清, 彭楠, 王玉冲, 陈骁帅. (2024). 扬子西南缘滇中成冰系南沱组沉积特征及其上红层归属讨论* [J]. 古地理学报, 26(6): 1305-1324.
QI Kening, KUANG Hongwei, LIU Yongqing, PENG Nan, WANG Yuchong, CHEN Xiaoshuai. (2024). Sedimentary characteristics of the Cryogenian Nantuo Formation and stratigraphic attribution of red beds in central Yunnan, southwestern margin of Yangtze Craton[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(6): 1305-1324.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2024.06.092
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扬子西南缘滇中成冰系南沱组沉积特征及其上红层归属讨论*
祁柯宁1,2, 旷红伟1, 柳永清1, 彭楠1, 王玉冲1,3, 陈骁帅1
1 中国地质科学院地质研究所,北京 100037
2 合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230009
3 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083
通讯作者简介 旷红伟,女,1969年生,教授,博士生导师,主要研究方向为前寒武纪沉积学、地层学及油气地质。E-mail: kuanghw@126.com。柳永清,男,1960年生,研究员,博士生导师,主要研究方向为沉积地质学和地层学。E-mail: liuyongqing@cags.ac.cn。

第一作者简介 祁柯宁,男,1990年生,博士研究生,主要研究方向为前寒武纪沉积学。E-mail: damiads@foxmail.com。

收稿日期:2024-02-26 修回日期:2024-04-01
基金资助:*国家自然科学基金(编号: 42072135)、中国地质调查局项目(编号: DD20221649)和北京科委国际创新资源合作项目(编号: Z201100008320007)共同资助; Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No.42072135),the China Geological Survey(No.DD20221649),and the Beijing Science and Technology Commission's International Innovation Resources Cooperation Project(No.Z201100008320007)
摘要

扬子克拉通滇中地区新元古界南沱组与陡山沱组之间过渡段“红层”不同学者认识尚有分歧。以扬子克拉通西南缘昆明晋宁鲁纳村剖面和飞大田剖面为主,对其成冰系南沱组开展了详细的地层学、沉积学研究。南沱组砾岩段及其上覆红层泥岩段具擦痕、坠石、韵律性纹层等典型冰川沉积特征,据此划分出4个沉积亚相,即冰下滞积亚相、冰缘河道亚相、冰前三角洲前缘亚相和滨岸亚相,反映了冰期演化的不同阶段。红层段顶部最年轻碎屑锆石年龄为636Ma,表明南沱组上段紫红色粉细砂岩顶部沉积时限可能晚于636Ma。区域地层对比发现,平面上,滇中地区南沱组砾岩段和泥岩段分布稳定; 垂向上,自下而上为冰川冰下堆积砾岩,向上过渡为冰缘河道砾岩,再向上为冰前三角洲前缘泥岩和滨岸细砂岩,表现为冰川逐渐融化并逐步海侵的规律。研究认为南沱组应当二分: 下段杂砾岩段,上段紫红色泥岩段,即南沱组—陡山沱组界限置于红层段顶部。论文深化了对扬子西南缘成冰纪沉积古地理的理解,为完善四川盆地周缘成冰纪—埃迪卡拉纪等时地层格架和四川盆地及周缘深层油气勘探提供了沉积学新资料。

关键词: 扬子西南缘; 南沱组; 红层; 冰川沉积相
中图分类号:P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)06-1305-20
Sedimentary characteristics of the Cryogenian Nantuo Formation and stratigraphic attribution of red beds in central Yunnan, southwestern margin of Yangtze Craton
QI Kening1,2, KUANG Hongwei1, LIU Yongqing1, PENG Nan1, WANG Yuchong1,3, CHEN Xiaoshuai1
1 Institute of Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China
2 School of Resources and Environmental Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China
3 College of Geosciences and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China
About the corresponding author KUANG Hongwei,born in 1969,is a professor and doctoral supervisor. She is engaged in sedimentology,stratigraphy,and oil and gas geology. E-mail: kuanghw@126.com. LIU Yongqing,born in 1960,is a research fellow and doctoral supervisor. He is engaged in sedimentology and stratigraphy.E-mail: liuyongqing@cags.ac.cn.

About the first author QI Kening,born in 1990,is a Ph.D. candidate. He is mainly focused on the study of Precambrian sedimentology. E-mail: damiads@foxmail.com.

Abstract

In the central Yunnan region of the Yangtze Craton,the “red beds” that develop in the transitional section between the Nantuo Formation and the Doushantuo Formation of the Neoproterozoic,are still debated among scholars. This study carried out detailed stratigraphic and sedimentological studies on the Nantuo Formation in the Lunacun and Feidatian sections in the central Yunnan region. The sections were located on the southwestern margin of the Yangtze craton. The conglomerate member and its overlying red mudstone member of the Nantuo Formation exhibit typical glacial sedimentary features such as striae,dropstone,and rhythmic laminae,base on which,four sedimentary subfacies can be divided, i.e.,subglacial lag,periglacial channel,pre-glacial delta front,and pre-glacial shoreline subfacies,reflecting different stages of glaciation. The youngest detrital zircon age at the top of the red mudstone is 636Ma,indicating that the deposition time of the top of the purple-red fine sandstone in the upper member of the Nantuo Formation may be later than 636Ma. The regional stratigraphic comparison reveals that the spatial distribution of the conglomerate and mudstone members of the Nantuo Formation in central Yunnan is stable;it represents accumulation of conglomerates under glacier ice,transitioning upwards to the conglomerates of periglacial river channels,and then upwards to the mudstones and fine sandstone of the pre-glacial delta front and the pre-glacial shoreline,exhibiting a pattern of gradual melting of glaciers and marine invasion. In summary,this study suggests that the Nantuo Formation should be divided into two parts,with the lower member consisting of conglomerate and the upper member consisting of purple-red mudstone. The boundary between the Nantuo Formation and the Doushantuo Formation should be placed at the top of the red layer. This study deepens the understanding of the Cryogenian palaeogeography,the southwestern margin of the Yangtze craton. It provides new sedimentological data for improving the isochronous stratigraphic framework from the Cryogenian to Ediacaran,and assists in deep oil and gas exploration in the Sichuan Basin and its surrounding areas.

Key words: southwestern margin of Yangtze Craton; Nantuo Formation; red beds; glacial sedimentary facies
1 概述

成冰纪的2次全球性冰川事件(Sturtian冰期和Marinoan冰期)(Kenndey et al., 1997; Hoffman et al., 1998; Hoffman and Schrag, 2002; Hoffman and Li, 2009), 在扬子克拉通以长安冰期和南沱冰期为代表, 对应地层分别为长安组和南沱组, 2次冰期之间的间冰期以大塘坡组为代表(王曰伦等, 1980), 而成冰系与埃迪卡拉系界线则以埃迪卡拉系底部全球广泛发育的盖帽碳酸盐岩为划分标志(Hoffman et al., 1998; Hoffman and Schrag, 2002; Kuang et al., 2022)。然而扬子克通西南缘滇中地区未见典型盖帽碳酸盐岩发育(刘鸿允和刘钰, 1963; 杨暹和和陈远德, 1981; 林尧明等, 1990; 王剑, 2000), 使成冰系/埃迪卡拉系的界线标志变得难以辨识。

云南中部晋宁— 澄江地区新元古代成冰纪— 埃迪卡拉纪地层发育良好(王剑, 2000; 朱茂炎等, 2001; Zhu et al., 2007; 崔晓庄等, 2014; 张志亮等, 2015; Yang et al., 2017; Zhou et al., 2019)(表 1)。成冰系南沱组与下伏拉伸系澄江组砂岩角度不整合接触, 与上覆埃迪卡拉系陡山沱组海相碳酸盐岩— 碎屑岩整合接触。南沱组底部杂砾岩以紫红色、杂乱堆积、不显层理、杂基支撑的泥砾岩及砂砾岩为主, 常见磨光面、压坑以及定向的子弹状擦痕, 具典型冰川沉积特征(刘鸿允和刘钰, 1963, 1991; 王宝琛, 1980; 曹仁关等, 1985; 王剑, 2000; 江卓斐, 2016), 局部向上发育具有明显粒序变化、成层性好、夹砂岩透镜体的砾岩, 被解释为与冰川相关的冲积扇或冲积平原沉积(张长俊, 1990)。

表 1 滇中地区南沱组— 陡山沱组地层划分沿革 Table 1 Stratigraphic division and evolution of the Nantuo Formation to Doushantuo Formation in the central Yunnan region

陡山沱组与下伏南沱组之间通常发育一套紫红色砂泥岩(本文简称“ 红层” )。这段红层底部接近砾岩处, 偶夹细小砾石, 形状、成分与杂砾岩中砾石相仿, 这种细小砾石相继被不同学者鉴定为“ 冰落石” (即坠石)(刘鸿允和刘钰, 1963; 王宝琛, 1980; 曹仁关等, 1985; 刘鸿允, 1991; 王剑, 2000); 在陆良九乡地区该段紫红色页岩夹灰绿色粉细砂岩段中见不对称波痕(王宝琛, 1980); 红层中的水平纹层被解释为季节性泥纹层(江卓斐等, 2018)。因此这些学者认为红层可能是冰水(冰湖)沉积, 并将其置于南沱组上部(表 1)(Misch, 1942; 刘鸿允和刘钰, 1963; 王宝琛, 1980; 曹仁关等, 1985; 刘鸿允, 1991; 王剑, 2000)。近年另有学者将该套红层解释为是冰期结束之后的正常海相沉积(Zhu et al., 2007; Zhou et al., 2019), 并将其归为埃迪卡拉系下部(周传明等, 2021)(表 1)。

鉴于以上南沱组— 陡山沱组之间红层段沉积相及地层归属的认识差异, 作者从滇中地区晋宁鲁纳村剖面和澄江飞大田村典型剖面入手, 结合区域上南沱组地质特征, 对南沱组砾岩、南沱— 陡山沱组过渡段红色粉砂岩、泥岩沉积特征进行了详细描述和分析, 对其沉积相进行了划分和甄别, 讨论了其地层归属, 深化了对扬子西南缘成冰纪沉积古地理的理解, 为完善四川盆地周缘成冰纪— 埃迪卡拉纪等时地层格架、为四川盆地及周缘深层油气勘探提供了沉积学新资料。

2 地质背景

扬子克拉通的西南缘受“ 滇中古陆” 控制, 其以东“ 康滇裂谷系” 充填了较为完整的新元古代沉积地层(王剑, 2000; 朱茂炎等, 2019; 旷红伟等, 2023)。以晋宁运动不整合面(Misch, 1942; 王剑, 2000; Li et al., 2019; Zhao and Guo, 2012)为界, 该不整合面之下为中元古界昆阳群, 之上为新元古界拉伸系澄江组(陆良组)、成冰系南沱组、埃迪卡拉系陡山沱组(又名观音崖组/鲁拿寺组/王家湾组/纳章组)和灯影组(渔户村组), 再之上为寒武系朱家箐组(图 1)。

图 1 扬子西南缘研究剖面位置及地质概况
a— 滇中地区的地理位置; b— 滇中地区地质图和剖面位置; c— 飞大田剖面位置; d— 鲁纳村剖面位置; e— 云南地区新元古界柱状图(据Steiner, 1994; 有修改); 年龄数据(1: 崔晓庄等, 2013; 2:本次研究; 3: Zhou et al., 2019; 4和5: Yang et al., 2017)Fig.1 Study section location and geological view in south western margin of Yangtze Craton

熊秉信(1940)最早报道了昆明附近“ 震旦系” , 之后众多学者相继提出滇中地区新元古代晚期地层划分方案(表 1)。其中南沱组到陡山沱组过渡层段存在争议。

澄江组(陆良组)以陆相— 海陆过渡相粗碎屑岩为特征, 并被南沱组冰碛岩所超覆(刘鸿允, 1991; 王剑, 2000)。崔晓庄等(2013)报道了澄江凤凰山剖面澄江组顶部凝灰岩夹层的SHRIMP锆石U-Pb年龄为725± 11 Ma。江卓斐等(2018)报道了峨山和澄江的南沱组底部最年轻碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄分别为725± 4 Ma和728± 4 Ma, 因此, 725 Ma基本可以代表滇中澄江组顶界年龄。

成冰系南沱组主要由冰碛砾岩段和紫色泥岩段组成(表 1)。尽管前述多数划分方案将南沱上部紫红色泥岩段归于南沱组, 为叙述方便和避免歧义, 作者暂将其称为南沱组— 陡山沱组之间的过渡段(Nantuo-Doushantuo Transition, NDT)。

埃迪卡拉系陡山沱组主要表现为海相碎屑岩和碳酸盐岩混合沉积建造。由于滇中地区陡山沱组地层特征与峡东地区层型剖面有一定差异, 如底部普遍缺乏盖帽碳酸盐岩、顶部多为砂岩等, 为同期异物, 故又被称为王家湾组/鲁拿寺组/纳章组/观音崖组(王宝琛, 1980; 曹仁关等, 1985; Zhu et al., 2007)。

再之上整合覆盖灯影组(又名渔户村组), 其下部东龙潭段发育富藻白云岩, 中部旧城段浅黄、浅褐色粉砂岩, 上部白岩哨段磷酸盐岩、硅质白云岩。Yang 等(2017)报道了旧城段底部和中部火山灰锆石SIMS U-Pb年龄分别为553.6± 2.7/3.8 Ma 和546.3± 2.7/3.8 Ma, 而且该段上部产埃迪卡拉纪晚期标志性管状化石Shaanxilithes(蔡耀平, 2011; 张志亮等, 2015)(图 1)。

下寒武统朱家箐组可划分为小歪头山段(待补段)、中谊村段和大海段, 其中小歪头山段是跨阶地层单位(刘鸿允和刘钰, 1963; 王剑, 2000; Wang and Li, 2001; 房瑞森等, 2021)(图 1)。

3 材料和研究方法

研究选取2条南沱组剖面(即鲁纳村剖面和飞大田剖面)开展详细实测, 采集手标本并磨制薄片, 系统描述沉积地层宏观、微观特征。根据野外实测资料以及薄片观察结果绘制1:100岩性柱状图和剖面图。样品LNC-4采集自鲁纳村剖面过渡段红层粉细砂岩上部, 重约2 kg, 为剥离表面的新鲜岩石。

锆石单矿物分选工作由首钢地质研究院完成, 锆石U-Pb年龄以及微量元素测试分析在北京科荟测试技术有限公司完成。锆石定年分析所用仪器为AnalytikJena PQMS Elite型 ICP-MS及与之配套的RESOlution 193nm准分子激光剥蚀系统。激光剥蚀所用斑束直径为24 μ m, 频率为6 Hz, 能量密度约为6 J/cm2, 以He为载气。LA-ICP-MS激光剥蚀采样采用单点剥蚀的方式, 测试前先用锆石标样GJ-1进行调试仪器, 使之达到最优状态。锆石U-Pb定年以标样GJ-1为外标, 微量元素含量利用NIST 610作为外标、Si做内标的方法进行定量计算(Liu et al., 2010)。测试过程中在每测定10个样品前后重复测定2个锆石标样GJ-1对样品进行校正, 并测量1个锆石Plesovice, 观察仪器的状态以保证测试的精确度。数据处理采用ICPMSDataCal程序(Liu et al., 2010), 测量过程中绝大多数分析点 206Pb/204Pb> 1000, 未进行普通铅校正, 204Pb 含量异常高的分析点可能受包体等普通Pb的影响, 对 204Pb 含量异常高的分析点在计算时剔除, 锆石年龄谐和图用Isoplot 3.0程序获得。详细实验测试过程可参见侯可军等(2009)。样品分析过程中, Plesovice标样作为未知样品的分析结果为337.13± 0.68 Ma(n=74, 2σ ), 对应的年龄推荐值为337.13± 0.37 Ma(2σ )(Slá ma et al., 2008), 两者在误差范围内完全一致。

4 研究结果
4.1 拉伸系澄江组— 成冰系南沱组— 埃迪卡拉系陡山沱组实测剖面

4.1.1 晋宁鲁纳村剖面

鲁纳村剖面位于云南省昆明市晋宁区鲁纳村南(图 1-d), 地层出露良好, 整体将之分为9个岩性段, 其中南沱组和过渡段红层又可细分11个小层(图 2)。与邻区王家湾剖面地层序列一致(刘鸿允, 1991; 王剑, 2000), 自下而上依次为澄江组、南沱组、陡山沱组和灯影组。

图 2 滇中鲁纳村剖面南沱组柱状图和典型沉积特征
a— 澄江组紫红色粗砂岩和南沱组杂砾岩之间不整合面; b— 南沱组冰碛杂砾岩, 砾石叠瓦状排列呈交错层理状; c— 南沱组底部分选差、次圆— 次棱角为主、杂基支撑、紧密堆积的中粗砾岩; d— 多层叠瓦排列的中— 粗砾岩, 呈大型类槽状交错层理状; e— 中— 粗砾岩夹细砾岩透镜体; f— 过渡段红层紫红色粉砂岩和细砂岩, 发育斜层理; g— 南沱组下段砾岩顶部向上砾石逐渐变小且减少; h— 过渡段粉砂岩底部见双向交错层理; i— 过渡段粉砂岩底部见细砾漂砾Fig.2 Histogram of the Nantuo Formation with typical sedimentary characteristics in Lunacun section in central Yunnan

第1段即为澄江组, 由第1小层组成, 为浅紫红色粗砂岩, 不整合面之上为南沱组紫红色冰碛砾岩(图 2-a)。

第2段南沱组由2-10小层组成, 主要为冰碛杂砾岩(图 2-b至2-e; 图 3)。又进一步可分为2个部分。下部由2-5小层组成(图 3-a), 自下而上, 依次分别厚1.41 m、0.4 m、3.22 m、2.61 m, 共厚7.64 m。2、4和5小层砾石分选差, 砾径1~10 cm为主, 偶见大于50 cm的砾石, 大砾石多呈椭球状, 呈近北方向叠瓦状排列(图 2-b), 砾石成分多以紫红色砾岩、灰绿色泥质粉砂岩、青灰色深灰色石英岩为主(图 2-c), 镜下表现为分选差、杂基支撑、石英碎屑颗粒的特征。2小层和4小层中间夹3小层透镜体状细砾岩(图 2-b), 砾径1~10 cm, 其中偶见粗砾20~30 cm。上部由6-10小层组成(图 3-b), 自下而上, 依次分别厚3.86 m、0.79 m、0.57 m、1.8 m、1.55 m, 共厚8.57 m。6、9小层呈现多个向上变细韵律旋回, 粗砾岩叠瓦状排列, 组成大型交错层理(图 2-d), 与下部叠瓦排列砾石不同处在于其方向变为近南方向排列、且排列更紧密、砾石砾径相对变小。6、9小层之中7、8小层为透镜状展布的含巨砾粗砾岩(图 2-e), 砾石成分以紫红色砂岩为主, 磨圆中等, 分选差, 颗粒支撑, 填隙物为紫红色砂质泥质。10小层为巨砾— 粗砾岩(图 3-b), 成分以紫红色粗砂岩为主, 向上逐渐变为灰绿色、深灰色石英为主, 向上砾石砾径变细, 砾石长轴排列有一定方向性。

图 3 滇中鲁纳村剖面南沱组野外宏观照片
a— 南沱组下部杂砾岩下半部分叠瓦排列的中— 粗砾岩夹细砾岩透镜体; b— 南沱组下部杂砾岩上半部分叠瓦排列粗砾岩和冰川巨漂砾, 以及上部浅紫红色泥质粉砂岩和泥岩Fig.3 Field photos of the Nantuo Formation in Lunacun section in central Yunnan

第3段南沱组— 陡山沱组过渡段红层(NDT)由11-12小层组成, 为浅紫红色薄层夹灰绿色条带的含砾细砂岩和粉砂岩。11小层为紫红色薄— 中层泥质粉砂岩, 厚3.28 m, 发育大型低角度斜层理(图 2-f), 底部见约10 cm呈透镜状、发育双向交错层理的灰绿色细砂岩(图 2-g, 2-h), 偶见细砾砾石(图 2-i); 12小层, 厚3.67 m, 为中— 薄层紫红色与灰绿色互层粉砂质细砂岩到泥岩, 具向上变细、层厚变薄韵律, 镜下观察见微观交错层理、粒序层理、冲刷面。

第4-8段为陡山沱组(14和15小层), 为海相碳酸盐岩— 碎屑岩混合沉积建造。底部4段为泥质细晶白云岩, 之上过渡为薄层石英粗砂岩。向上5段为薄层灰色— 青灰色粗晶— 细晶— 泥晶白云岩。中部6段为薄层灰白色石英砂岩, 向上过渡为灰绿色薄层泥质白云岩。再之上, 7段下部为紫红色中薄层白云质泥岩与青灰色泥— 细晶白云岩互层, 之上黑褐色泥岩。顶部8段为浅红色厚层石英粗砂岩, 夹呈波状、透镜状薄层粉砂岩, 向上层厚减薄。再之上整合接触的是第9段灯影组灰色厚层块状藻白云岩。

4.1.2 澄江飞大田剖面

飞大田剖面位于澄江市北飞大田村东侧山坡一带(图 1-c), 地层出露较好。自下而上依次发育澄江组、南沱组、陡山沱组和灯影组, 可以分为9个岩性段, 其中南沱组又可细分为10个小层(图 4)。

图 4 滇中澄江飞大田村剖面南沱组柱状图和典型冰川特征照片
a1、a2— 南沱组下段砾岩和上段泥岩— 粉砂岩; b1、b2— 子弹状砾石以及砾石表面擦痕和撞击坑; c— 砾石定向排列; d— 镜下特征见坠落状碎屑颗粒; e— 含粉砂泥岩, 发育粒序纹层; f— 粉砂质泥岩, 发育纹层以及风化残余孔洞Fig.4 Histogram of the Nantuo Formation with typical glacial pictures in Feidatian section of Chengjiang in centra Yunnan

第1段1小层为澄江组浅紫红色、浅白色粗砂岩, 不整合面之上为南沱组紫红色冰碛砾岩(图 4-a)。

第2段南沱组为冰碛杂砾岩(由2-5小层组成)(图 4-a至4-d), 与晋宁鲁纳村剖面明显不同的是砾岩段薄、紫红粉砂质泥岩和细砂岩段厚。2-3小层, 分别厚0.56 m、1.13 m, 为紫红色细砾— 粗砾冰碛岩, 砾石粒径为1~30 cm, 砾石主要为来自澄江组的石英岩和砂岩, 磨圆以次圆— 圆状为主; 4-5小层, 分别厚2.82 m、2.82 m, 为多期向上变细韵律旋回的弱层状冰碛砾岩; 很多砾石呈板片状、扁平状以及子弹状形态, 砾石表面见多组交错擦痕以及撞击坑(图 4-b), 砾石长轴方向具有明显的定向形(图 4-c), 镜下特征表现出分选差、磨圆差以及见坠落构造的杂砾岩(图 4-d)。

第3段南沱组— 陡山沱组过渡段红层(NDT), 由6-11小层组成。下部6-9小层自下而上, 依次分别厚3.86 m、4.7 m、7.5 m、6.06 m, 为紫红色薄层粉砂质泥岩、泥岩(图 4-e), 平行层理发育, 特别是镜下见坠石构造(图 5-a, 5-b)、正粒序纹层(图 5-c)以及细小泥砾和风化残余孔洞。10-11小层分别厚2 m、3.36 m, 为紫红色薄层粉砂岩和细砂岩。

图 5 滇中成冰系南沱组红层冰水沉积特征照片
a、b— 发育平行层理的泥质粉砂岩, 并见坠石构造; c— 发育粒序纹层的粉砂质泥岩; d— 泥质粉砂岩, 发育粒序层理以及冲刷面。均为单偏光照片Fig.5 Photos of aqueoglacial sedimentary characteristics of the Cryogennian Nantuo Formation in central Yunnan

第4-8段为陡山沱组。 埃迪卡拉系陡山沱组碳酸盐岩序列, 可以分为5个岩性组合段。底部4段为灰色中厚层块状颗粒灰岩; 之上5段为页岩与薄层纹层状泥质灰岩互层, 向上泥质白云岩增多; 再向上6段由薄层灰岩与泥岩互层组成; 7段向上灰岩增多, 为中至厚层内碎屑白云岩; 8段为黑色页岩夹纹层状灰岩和粉砂质白云岩。

第9段为灯影组。为厚块状白云岩或硅质白云岩。

4.2 沉积相

4.2.1 沉积相划分依据

在滇中新元古代鲁纳村剖面和飞大田剖面的南沱组及NDT段中发现多种典型冰川沉积特征:

1)砾石表面见多组交错擦痕以及撞击坑, 而一些砾石呈板片状、扁平状以及子弹状的形态(图 4-b), 区别于泥石流砾石表面可能存在的浅细、粗短的刻痕(郑本兴和马正海, 1985)。

2)在NDT段纹层状泥岩、粉砂岩中, 镜下观察识别出了多个坠石构造(图 4-d; 图 5-a, 5-b), 指示着冰川融化后退过程中向着冰川远端深水区域漂浮的冰山上掉落的碎屑(Eyles, 1993; Le Heron et al., 2009), 是冰川沉积成因的直接证据。发育坠石构造的红层泥岩、粉砂岩与发育交错层理的细砂岩, 分别属于冰前三角洲前缘亚相和滨岸亚相。

3)NDT段岩石手标本和微观镜下观察发现, 纹理发育, 以淡色层(颗粒相对较粗的细粉砂)与暗色层(颗粒较细的粉砂和黏土)韵律组成(图 5-c, 5-d), 淡色层清晰界限开始, 向上递变为暗色层, 表现出纹泥韵律层理特征。这种纹泥韵律层理也是冰川融水沉积过程中(温暖期沉积粗粒, 寒冷期沉积细粒)重要的相标志之一(朱筱敏, 2008)。

4)前人文献中还记录了滇中个别地区, 南沱组底部与下伏地层接触部分保存有较好的基岩冰溜面(杨暹和和陈远德, 1981; 林尧明等, 1990)、冰流河槽刨蚀面(刘鸿允和刘钰, 1963)。

以上典型冰川沉积构造为将滇中— 滇东地区南沱组砾岩段及其上紫红色泥岩段(NDT过渡段)划为冰川沉积相提供了切实证据。

4.2.2 沉积相类型及特征

借鉴前人冰川沉积相划分理论体系(Eyles, 1993; Le Heron et al., 2009; Prothero and Schwab, 2014), 结合研究区研究层段岩石类型、结构和沉积构造与沉积序列, 可划分出陆相、海陆过渡相和海相3种沉积相类型, 冰下滞碛亚相、冰缘河道亚相、冰前(海陆过渡)三角洲前缘亚相、滨岸亚相4种沉积亚相类型。沉积相、亚相划分及特征如表 2所示。

表 2 滇中南沱组冰川沉积相分类及其沉积特征(据Eyles, 1993; Le Heron et al., 2009; Prothero and Schwab, 2013修改) Table 2 Classification of glacier sedimentary facies and sedimentary characteristics of the Nantuo Formation in central Yunnan (modified from Eyles, 1993; Le Heron et al., 2009; Prothero and Schwab, 2013)

1)冰下滞碛亚相。冰下滞碛亚相砾岩(图 6-a)主要发育在南沱组紫红色冰碛砾岩段下部, 鲁纳村剖面和飞大田剖面均有发育(图 2; 图 4), 多呈块状, 分选差, 砾径一般1~12 cm。砾石成分复杂, 有石英岩、砂岩和砾岩以及少量白云岩等。杂基成分主要是黏土、粉砂和砂。砾石大都呈次棱角状, 表面可见冰川擦痕和冰蚀凹坑(图 4-b), 并且具有定向排列(图 4-c)。这是典型冰下滞碛、底碛砾岩相, 冰川底部移动搬运、剥蚀过程的沉积产物。

图 6 滇中成冰系南沱组岩相组合分类
a— 冰下滞碛亚相砾岩; b— 冰缘河道亚相砾岩; c— 冰前三角洲前缘亚相泥岩; d— 滨岸亚相细砂岩Fig.6 Classification of lithofacies associations of the Croyogenian Nantuo Formation in central Yunnan

2)冰缘河道亚相。冰缘河道亚相砾岩(图 6-b)主要发育在南沱组紫红色冰碛砾岩段中上部, 主要见于鲁纳村剖面(图 2; 图 3), 砾石分选差, 砾径1~30 cm为主, 甚至可见半米级巨砾石(图 3)。自下而上, 由若干下粗上细的沉积旋回叠置发育, 每个旋回底部砾石叠瓦状排列、向上粒度减小, 砾石排列呈大型槽状交错层理, 夹砂砾岩透镜体, 并且大型交错层理状叠瓦排列存在2期不同方向(图 2-d; 图 3)。这是冰川融水作用下冰缘河道砂砾岩— 河道间沉积产物。

3)冰前三角洲前缘亚相。冰前三角洲前缘亚相泥岩(图 6-c)主要由红层泥岩、粉砂质泥岩构成, 主要见于飞大田剖面(图 4), 该泥岩由冰碛砾岩向上整合过渡发育, 即宏观砾石逐渐减少至肉眼不见, 但在微观镜下发现发育平行层理、小型斜层理以及粒序层理, 特别是微观下见到石英颗粒坠落压弯纹层的坠石构造(图 5-a, 5-b)。“ 下弯上绕” 的坠石一直被认作冰海沉积最直接证据。冰筏携带的陆源颗粒卸载坠入平行层理砂岩层中, 早期平行层理被压弯或压断, 后期的沉积物受凸出的砾石影响、层理发生弯曲绕过砾石, 形成“ 下弯上绕” 的冰海坠石构造(孙娇鹏等, 2014)。本次发现坠石构造的石英颗粒边界凹凸曲折结构, 可能其经历了一定的后期成岩改造。冰川纹泥是韵律层理的一个重要类型, 每一套韵律层由颗粒较粗(粗至细粉砂)的淡色层与颗粒较细(细粉砂和黏土)的暗色层组成。淡色层以清晰界面开始, 向上递变为暗色层(图 5-c)。温暖期冰迅速溶融, 释放出大量碎屑物质, 形成淡色层; 寒冷期没有新的陆源物质来源, 悬浮细粒物质在冬季沉积下来, 形成暗色层。这种层序每年重复, 构成韵律(朱筱敏, 2008)。所以飞大田剖面南沱组上段红层泥岩、粉砂质泥岩应属于冰前三角洲前缘沉积产物。

4)滨岸亚相。滨岸亚相细砂岩(图 6-d)主要由紫色薄层偶含细小砾石夹灰绿色条带的细砂岩和粉砂岩为特征(图 2; 图 3; 图 4-f), 由下部冰碛砾岩段向上整合过渡, 其界线部分宏观砾石逐渐不见(图 2-g, 2-i), 且发育大型低角度交错层理(图 2-f)、底部见双向交错层理(图 2-h)。显微镜下该套粉细砂岩见泥质纹层与细粒碎屑形成斜层理、平行层理、粒序层理与冲刷面(图 5-d)。因此鲁纳村剖面南沱组上段红层粉砂岩、细砂岩为滨浅海沉积产物。

4.3 锆石年龄谱系

碎屑锆石样品LNC-4采集自鲁纳村剖面过渡段红层砂岩的上部, 为灰绿色粉砂岩。表 3中给出了样品LNC-4碎屑锆石U-Pb测年结果, 其中年龄小于1000 Ma和大于1000 Ma的锆石分别使用 206Pb/238U 和 207Pb/206Pb 年龄, 省略谐和度小于95%的样品来讨论。

表 3 滇中鲁纳村剖面碎屑锆石U-Pb年龄测试结果 Table 3 U-Pb age test results of detrital zircon in the Lunacun section, central Yunnan

锆石在透射光下主要呈浅黄色、黄色或无色透明状, 锆石颗粒晶形变化较大, 少数呈浑圆状, 多数晶形较好呈短柱状, 显示近源搬运特征。样品中锆石粒径差别较大, 完整颗粒的长轴50~200 μ m, 短轴在20~150 μ m, 长宽比值介于1.3~2.0之间。锆石阴极发光图像显示, 大部分锆石颗粒振荡环带发育, 属岩浆锆石, 少量锆石具核边结构或均质结构(图 7-a)。根据锆石的谐和图和年龄分布直方图, 可以分为4组(图 7-b, 7-c)。除2颗锆石外, 其余锆石Th/U值主要介于0.15~1.84之间(图 7-d)。这2颗锆石中, 一颗锆石Th/U值为0.09, 阴极发光图显示为均质结构, 为变质成因锆石, 其年龄为2191 Ma; 另一颗锆石Th/U值为9.72, 阴极发光图显示其具有明显震荡环带发育, 其年龄为650 Ma。4组年龄分别为:第1组年龄共有14个点, 年龄范围为636~879 Ma, 主峰峰值为780 Ma, 其加权平均年龄796 Ma, MSWD=75, 说明其年龄过于分散。第2组年龄共12个点, 年龄范围为1565~1988 Ma。第3组年龄共16个点, 年龄范围为2104~2455 Ma。第4组年龄共5个点, 年龄范围为2518~2887 Ma。

图 7 滇中鲁纳村剖面碎屑锆石年代数据
a— LNC-4碎屑锆石阴极发光图像(小于1000 Ma); b— 碎屑锆石协和图; c— 碎屑锆石年龄分布直方图; d— 锆石Th/U值和年龄散点图Fig.7 Detrital zircons age data from the Lunacun section, central Yunnan

5 讨论与分析
5.1 红层归属

5.1.1 沉积环境

前文对有关研究层段沉积特征研究与沉积环境判别表明, 滇中南沱组与陡山沱组过渡段的紫红色泥岩、粉细砂岩沉积相划归冰川沉积可能更为合适, 具体有以下几个沉积特征。

首先, 南沱组下段杂砾岩上部其砾石含量逐渐减少(图 2; 图 3), 在上段紫红色泥岩、粉砂岩底部明显可见零星漂砾(图 2-g, 2-i), 再向上的紫红色泥岩中肉眼不易观察到砾石, 但是镜下可见明显坠石构造(图 4-d; 图 5-a, 5-b)。Zhou等(2019)也曾提及紫红色泥岩、粉砂岩段中发现代表冰筏碎屑输入的落石沉积构造。其文中提到落石构造的层位属于狭义南沱组冰川杂砾岩之上, 红层最底部, 可对比文中讨论的过渡段最底部, 说明NDT段沉积时, 红层中的砾石逐渐减少、变小, 坠石的存在表明, 随着冰川的消融海平面上升, 该处接受冰川携带碎屑影响逐渐减弱, 但冰川沉积尚未完全结束。

其次, 韵律性纹泥代表冰川融水过程冷热交替的冰冻和冻融的交替变化。镜下观察发现颗粒较粗(细粉砂)的淡色层与颗粒较细(细粉砂和黏土)的暗色层组成(图 5-c)以及肉眼可见的粒序层理。反映出夏季冰迅速溶融, 纹泥层理具有极其细密和高频韵律性的特征, 释放出大量碎屑物质, 形成淡色碎屑层; 冬季陆源物质断供, 悬浮细粒物质沉降、沉积下来, 形成暗色层, 年复一年重复, 构成细密的韵律层理(朱筱敏, 2008)。

从岩相组合上看, 南沱组下段紫红色砾岩和上段紫红色泥岩、粉细砂岩也更具连续性(刘鸿允和刘钰, 1963; 王宝琛, 1980; 曹仁关等, 1985; 刘鸿允, 1991; 王剑, 2000), 与上覆陡山沱组灰白色、灰绿色碳酸盐岩和含海绿石砂岩具有明显的区别。说明红层与海相混合碎屑岩— 碳酸盐岩沉积属于不同沉积体系产物。

5.1.2 沉积年限

碎屑锆石U-Pb测年结果主要被用于物源分析、构造热事件重建以及地层最大沉积年龄的限定(Gehrels et al., 1995)。

在扬子北缘, 不同学者相继报道了一系列成冰系/埃迪卡拉系界线附近的凝灰岩U-Pb年龄ca.635 Ma数据(Condon et al., 2005; Yin et al., 2005; Zhang et al., 2005; Xing et al., 2018; Wang et al., 2020)。其中, 陡山沱组盖帽白云岩下部年龄635.23± 0.57 Ma(Condon et al., 2005)与Hoffman等(2004)报道纳米比亚Ghaub组冰川沉积顶部的U-Pb年龄635.5± 1.2 Ma相近。这准确限定了南沱组冰期结束和陡山沱组开始时间在635 Ma(周传明等, 2019, 2021)。

本次在鲁纳村剖面南沱组砾岩之上红层粉砂岩、细砂岩中采集样品LNC-4(图 7)。其最年轻锆石U-Pb年龄值为636± 6 Ma, 分布于谐和线上, 且涵盖了次年轻锆石U-Pb年龄值(650± 8 Ma), 加权平均年龄642± 7 Ma(MSWD=3.3, n=2)(图 7)。尽管前人在峨山地区冰碛岩顶部火山灰中获得锆石TIMS U-Pb年龄为634.57± 0.88 Ma(n=4, MSWD=1.4, 置信度95%)(Zhou et al., 2019), 但该测试ES-1样品有效加权评价年龄是从7颗锆石中选出4颗锆石计算获得, 其年代学数据的代表性随数据增多或可进一步提升。其次测年所用火山灰样品来自峨山剖面, 该处南沱组到陡山沱组过渡部分并不发育盖帽白云岩, 也无灰岩或白云岩透镜体。从目前看, 扬子西南缘滇中地区陡山沱组底部盖帽白云岩不发育, 虽个别剖面冰碛岩之上红层中有灰岩透镜体(Zhou et al., 2019; 周传明等, 2021), 但是否是盖帽白云岩有待深入研究。实际上, 在冰后期沉积岩中夹有一些灰岩或白云岩透镜体并不少见, 全球多个地区的Marinoan冰期冰碛岩有此报道(Condon et al., 2002; Xiao et al., 2004; Fairchild et al., 2016; Bai et al., 2020)。在云南宜良禄丰村剖面红层底部夹1层50 cm厚的黄灰色泥质白云岩(杨暹和和陈远德, 1981; 江卓斐, 2016)。Bai等(2020)报道了神农架南沱组中部红色沉积物包括分层的碎屑岩、层状的粉砂岩和黏土岩, 甚至还有碳酸盐岩, 并研究其地球化学指标反映了其形成于温暖且风化强度较高的环境, 为马里诺冰期的部分退冰提供了新的线索。因此可以合理推断云南地区这些碳酸盐岩夹层也可能是Marinoan期沉积物组成部分, 并被作为冰盖被打开的证据。作者虽仅从碎屑锆石测年结果得到该红层沉积时限可能晚于636 Ma, 但不能排除其沉积于南沱期(成冰纪末期)的可能性。

5.1.3 区域对比

新元古代沉积期, 在Rodinia超大陆裂解背景下, 滇中地区形成了夹持于西侧康滇古陆、东北侧川中古陆和东侧黔桂古陆的南北向裂谷盆地(杨暹和和陈远德, 1981; 刘鸿允, 1991; Zhu et al., 2007; 崔晓庄等, 2014)。区域对比发现, 其间澄江组砂岩之上到陡山沱组沉积之前, 表现为相同物源控制下的统一沉积盆地连续充填过程(Zhou et al., 2002; Sun et al., 2009; 江新胜等, 2012; 江卓斐, 2016; 刘石磊等, 2020; Yang et al., 2020; 高永娟等, 2021; 潘江涛等, 2022; 彭杰等, 2023)。但沿建水— 峨山— 澄江— 晋宁— 陆良— 东川一线, 自下而上, 从澄江组陆相碎屑岩之上, 南沱组块状或层状冰碛杂砾岩及其上覆渐变过渡为紫红色间以绿色的纹层状泥岩— 粉砂岩, 虽薄厚不等, 但其岩石组合基本一致, 空间展布十分稳定(图 8)。而过渡段红层之上, 滇中陡山沱组下部岩性组合变化较大, 在玉溪、石屏、牛头山等地区陡山沱组下部碎屑岩层系中发现海绿石砂岩(刘鸿允和刘钰, 1963; 杨暹和和陈远德, 1981; 刘旭辉, 1998), 并伴之板状交错层理、冲洗交错层理(刘鸿允和刘钰, 1963; 刘旭辉, 1998), 在澄江、华宁一带, 陡山沱组下部发育薄层泥质灰岩夹泥页岩(杨暹和和陈远德, 1981; 刘旭辉, 1998)。因此滇中陡山沱组下部被认为是由近物源供给的滨岸相向局部陆棚相时空演化沉积(刘鸿允和刘钰, 1963; 杨暹和和陈远德, 1981; 刘旭辉, 1998; Zhu et al., 2007)。由此可见, 从区域对比与沉积充填序列看, 过渡段红层划分到南沱组也更合适一些。

图 8 滇中成冰系南沱组对比图
a:1.建水田房-南安山剖面, 5.宜良九乡, 8.会泽白屋基, 9.东川澜泥坪, 这些剖面据曹仁关等(1985); 2.峨山小街剖面, 据江卓斐等(2018); 3.晋宁鲁纳村与4.澄江飞大田这2个剖面据本次研究; 6.陆良牛首山剖面据刘鸿允(1991); 10.巧家田家湾剖面据江卓斐(2016); b— 滇中新元古代地层发育剖面图, 据刘鸿允和刘钰(1963)修改; c— 剖面位置; 凝灰岩锆石年龄1据Zhou 等(2019); 碎屑锆石年龄2据江卓斐等(2018); 碎屑锆石年龄3据本次研究Fig.8 Stratigraphic correlation map of the Cryogenian Nantuo Formation in central Yunnan

5.2 沉积演化

滇中地区受到东西两侧古陆夹持形成了一个南北向裂谷盆地(杨暹和和陈远德, 1981; 刘鸿允, 1991; Zhu et al., 2007), 在成冰纪盆地中充填了大量冰碛岩。滇中地区南沱组厚度变化大, 显示出南西薄, 从中部向北东方向增厚的趋势(图 8)(曹仁关等, 1985; 刘鸿允, 1991; 江卓斐等, 2018), 这是区域上沉积相、沉积中心和物源供给方向不同所致。

晋宁运动后扬子西南缘形成了宽广的陆相盆地(刘鸿允和刘钰, 1963; 刘鸿允, 1991)。澄江组沉积晚期(图 9-a), 在东西两侧古陆的持续供源下, 滇中裂谷两侧以河流冲积作用为主, 沉积了澄江组砾岩、粗砂岩, 盆地中心则为细粒湖泊沉积, 到了宜良— 陆良一线以北, 河流、洪泛和湖泊作用增强, 从而沉积了牛头山组的薄层泥质细砂岩和砂岩。

图 9 滇中成冰系南沱组冰期及其前后沉积演化
a— 澄江组沉积晚期; b— 南沱组沉积早期; c— 南沱组沉积晚期; d— 陡山沱组沉积早期Fig.9 Sedimentary evolution of the Cryogenian Nantuo Formation glacier with before and after period in central Yunnan

南沱组沉积早期(图 9-b), 云南中东部地区冰盖初始消融广泛堆积了南沱组底部冰下滞碛亚相的块状砾岩。冰川擦痕、冰溜面以及砾石定向排列等沉积构造指示东西向的冰川运动方向(刘鸿允和刘钰, 1963; 杨暹和和陈远德, 1981; 林尧明等, 1990; 刘鸿允, 1991)。随着云南中东部地区冰盖的进一步消融, 在底部冰下滞碛砾岩的基础上继续堆积冰缘融水河流沉积物, 以层状或弱层状砾岩夹砂砾岩透镜体为特征。特别是在鲁纳村剖面这部分砾岩的砾石叠瓦状排列、向上粒度减小, 砾石排列呈大型交错层理状, 夹砂砾岩透镜体, 河流沉积特征明显。在南西处石屏、建水地区该套砾岩仅1~2 m厚, 北东部的东川地区甚至缺失该套砾岩, 晋宁地区该套砾岩厚为8~20 m、澄江地区砾岩厚8 m、宜良地区砾岩厚2~5 m, 马龙鲁泽— 陆良牛头山地区是南沱组砾岩段最厚的地方, 累计近177~125 m。陆良砾岩段表现出紫红色显层理的泥砾岩, 发育少量薄层细砂岩或页岩夹层(刘鸿允, 1991; 江卓斐, 2016)。表明沉积盆地在北东、南西两侧古地形相对较高, 来自东西两侧的冰川逐步沿北东方向卸载冰碛物, 并在中部沉降中心(陆良一带)汇聚, 强烈冰川沉积作用向盆地内填平补齐。

南沱组沉积晚期(图 9-c), 经过大冰盖强烈夷蚀作用、填平补齐后, 随着冰盖的进一步打开, 海水逐步侵入, 冰川相关的碎屑砾石供给逐步减弱。厚度也表现为北东、南西薄, 从中部向北东方向增厚(图 8)。在南西处石屏小老卫寨和建水田房该红层厚3~10 m, 北东处会泽白屋基红层厚4.6 m, 东川澜泥坪红层厚10 m, 多以平行层理、粒序层理、斜层理发育的粉细砂岩滨岸沉积为特征。其中, 石屏、峨山到宜良北部— 陆良一带的滨岸沉积相对较厚, 以底部偶见细小漂砾、向上粒度变细的粉细砂岩高频韵律层系组为特征(1:20万宜良幅)。而在中部晋宁— 澄江到陆良北部一带, 晋宁偏头山红层厚30 m, 澄江飞大田红层厚50 m, 其中, 陆良— 马龙地区红层段以紫红色砂岩、粉砂岩、页岩三者呈略等厚互层发育, 厚近75 m, 多以紫红色底部含砾、向上偶含坠石或不含砾的泥岩、粉砂岩冰前三角洲前缘沉积为特征。因此, 沉降中心仍在陆良一带, 而沉积物粒度更细的沉积中心则稍微向西南方向迁移, 主要在陆良北部到晋宁— 澄江一带。由盆地边缘向盆地中心, 表现出沉积水体逐渐变深, 从滨岸亚相高频韵律细砂岩向冰前三角洲前缘亚相紫红色泥页岩夹粉砂岩过渡(图 9-c)。

直到冰盖/冰川完全消融后, 没有了相应的砾石粒级的物源输入, 由于经过填平补齐, 海水更进一步侵入, 到了陡山沱早期为正常的海相碳酸盐岩— 碎屑岩混合沉积。但是陡山沱组沉积早期(图 9-d), 海水深度较浅, 陡山沱组下部以浅海相碎屑岩和潮坪相碳酸盐岩为主, 包括滨岸相石英砂岩和滨外海绿石砂岩, 以及灰岩、泥质白云岩或碎屑灰岩等。滇东的鲁拿寺组、纳章组、川西— 川北喇叭岗组、观音崖组等都是类似特征(杨暹和和陈远德, 1981; 云南省区域地质志, 1990; 刘鸿允, 1991)。

滇中南沱组的沉积序列典型特征为下部冰川冰下滞碛砾岩, 向上过渡为冰缘河道砾岩, 再向上为冰前三角洲前缘泥岩和滨岸细砂岩, 表现出逐渐冰川融化、逐步海侵的规律(图 9)。

综上, 沉积特征上NDT段红层具有冰川属性特征, 碎屑锆石结果也指示红层形成于成冰纪, 区域上成冰系南沱组冰川沉积对比关系好, 且与上覆陡山沱组海相砂岩和碳酸盐岩具有明显差异。因此, 建议暂将NDT段其划归南沱组, 即将南沱组和陡山沱组界线置于红层顶部。

6 结论

1)通过对扬子西南缘鲁纳村剖面和飞大田剖面沉积学研究, 发现滇中南沱组下段杂砾岩和上段紫红色泥岩、粉细砂岩发育典型冰川沉积特征。据此划分出陆相、海陆过渡相和海相3种冰川类型, 冰下滞碛亚相、冰缘河道亚相、冰前(海陆过渡)三角洲前缘亚相和滨岸亚相4种沉积亚相, 反映冰期演化不同阶段。

2)沉积学、碎屑锆石年代学以及区域对比研究发现NDT段红层具有冰川属性特征; 最年轻碎屑锆石结果指示红层不排除形成于成冰纪; 沉积序列与南沱组砾岩段呈向上变细的连续沉积, 区域上对比关系好, 且与上覆陡山沱组海相沉积具有明显差异。因此, 建议暂将NDT段划归南沱组, 即将南沱组和陡山沱组界线置于红层顶部。

3)南沱组沉积时期, 滇中裂谷夹持于康滇古陆与川中— 黔桂古陆之间, 为一个南北向裂谷盆地。早期广泛发育冰川冰下滞碛砾岩, 随着冰盖的融化, 部分区域发育冰缘河道砾岩; 晚期随着冰盖进一步融化打开, 受古地形限制, 不同区域分别发育冰前三角洲前缘泥岩和滨岸细砂岩。整体表现逐渐冰川融化、逐步海侵的规律。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 陈吉涛)

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