第20卷 第2期
2006年6月现 代 地 质G E O SC I ENCE Vol .20 No .2J un .2006上扬子区下寒的层序地层格架及其形成的古地理背景 梅冥相1,2，张 丛1,2，张 海1,2，孟晓庆1,2，陈永红1,2
(1.中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083;
2.中国地质大学岩石圈构造、深部过程及探测技术教育部重点实验室，北京 100083)
收稿日期:20051120；改回日期:20060115；责任编辑：孙义梅。
基金项目：中国石化科技工程重点项目(QZ -2005-06)。 作者简介：梅冥相，男，教授，博士生导师,1965年出生，沉积学与地层学专业，主要从事沉积学与地层学的研究工作。
摘要：上扬子区特别是贵州及邻区的下寒发育完整，是一套从黑页岩系到碳酸盐岩的地层序列，该序列构成一个复杂而有序的层序地层格架。在时间变化方面，下寒组成一个二级层序，其中可以进一步划分为5个三级层序，形成一个有序的海侵—海退旋回序列；在二级层序之中，三级层序形成一个有序的垂直叠加形式，自下而上三级层序由“凝缩段(CS )+高水位体系域(HST )”序列演变为“海侵体系域( TST )+凝缩段(CS )+高水位体系域(HST )”，层序界面类型由淹没不整合型层序界面演变为明显的暴露间断面，意味着二级层序的相序组构与三级层序存在相似性。在空间变化方面，从北西向南东随着古地理背景由浅变深，下寒厚度变薄，向东南变为一个难以进行三级层序划分的凝缩序列。该层序地层格架不但表明了三级层序的两大属性———“空间上相序的有序性和时间上环境变化的同步性”，而且反映出地层记录中“两种相变面和两种穿时性”。同时，所建立的层序地层格架表明了其复杂的古地理背景；具有不同特点的三级层序代表了不同的古地理背景，意味着早寒武世复杂的古地理变迁。因此，系列层序地层格架栅状图反映出每一个三级层序的相序组构的时空变化，而系列古地理图又代表了各个三级层序形成时期的独具特的古地理背景。 关键词：上扬子区；下寒；层序地层格架；古地理背景
中图分类号:P539.2 文献标识码:A 文章编号:1000-8527(2006)02-0195-14
Sequence -Strati graph i c Fra m eworks and The i r For m i ng B ackgrounds of
Paleogeography for the Lo w er Ca mbri an of the Upper -Yangtze R egion
ME IM ing -xiang 1,2,ZHANG C ong 1,2,ZHANG H ai 1,2,M E NG X iao -qing 1,2,CHEN Yong -hong 1,2
(1.S t a t eK e y Laboratory ofGeol ogical Process es and M iner a lR es our ces ,Ch i na U niver sity of Geos ci ences ,B eiji ng 100083,Ch i na ;
2.Key Labor ator y of Lit hos ph e re Te ct on i cs and Lit hopr obi ng Tec hnol ogy ofM i nist r y of Educ a ti on ,C h i na Un i vers ity ofGeos cie nces ,Beiji ng 100083,Ch i na )Abst ract :In t h e Upper -Yangtze r egion ,especia ll y in Gu izhou Prov i n ce and its adjacen t areas ,t h e Lo w er C a m -b rian isw e ll developed and ism ar ked by a successi o n fro m black shale to carbonate r ocks .And this stratigraph -ic succession m akes up a co m plex and r egula r sequence -stra tig r aphic fr a m e w ork .The Lo w er C a mb rian in t h e st u dy area constit u tes a second -o r de r sequence that can be f u rthe r subd ivided into fi v e thir d -orde r sequences ,and fo r m a r egula rly cyclic succession o f the transg r essi o n -r egression.The r e is a r egu larly vertica l stac k ing pa t -ter n fo r the t h ird -order sequence in the second -order sequence .Fro m the botto m to the top ,thir d -o r de r se -quences that are charac terized by t h e succession of “the CS (condensed secti o n )+HST (h i g h -stand syste m tract )”a r e changed into those m arked by the succession of “the TST (transgressive syste m tract )+CS +H ST ”,corresponding ly ,t h e dro w ning -type sequence boundar y is changed i n t o exposure -type one .Therefo r e ,both the second -o r de r and t h e thir d -orde r sequences have a si m ila rit y o f sedi m entary -facies fabric .A conco m i -tantw it h t h es
e te m po r a l changes is tha t t h e Lo w er Ca m brian con taining five t h ird -or der sequences w it h 1,000m e ter thickness is changed i n to a condensed succession t h at t h ird -order sequences can not be i d entified to w ard t h e sou t h east w it h the deepening o f t h e sedi m entar y environm en.t The sequence -strati g raphic fra m e w or k can
de m onstrate bo th t h e e le m entary features o f the t h ird-order he r egu larity of sedi m entar y-facies successions in space and t h e synchronis m of sedi m enta r y-env ironm en t c hanges in ti m e,and t w o kinds o f facies-chang i n g surfaces asw e ll as t w o k inds of d iach r onon is m in the str a tig r aphic r eco r ds.And the sequence-strati-graphic fra m e w ork r epr esents its co m plex fo r m i n g-se tting o f pa laeogeography.Th ird-order sequencesw it h differ-ent facies-succession m ean particu lar paleogeog raphic backgrounds;t h e r e fore,five t h ird-order sequences of t h e Early Ca m brian represent a co m p l e x paleogeograph ic variance in the st u dy area.U lti m a t e ly,a seri e s o f t h e pan-el diag ra m s o f sequence-stratigraph ic fra m e w or k sho w s t h e te m poral and spa tial changes o f sedi m entar y-facies succession o f t h e thir d-orde r sequence,and a series of t h e co rresponding paleogeog raphic m aps indicates t h e e-vo l u tion of pa leogeog raphic se tting t h at for m s t h e t h ir d-order sequences.
K ey w ords:the Uppe r-Yang tze reg ion;the Lo w er C a m brian;sequence-stratigraph ic fra m e wo
r k;paleogeo-graphic background
0 引 言
在上扬子区，特别是贵州及其邻区，下寒由一个变化多端的岩石地层序列[1-5]所组成。在浅水台地背景之中，贵州的下寒划分为牛蹄塘组、明心寺组、金顶山组、清虚洞组，与滇东的梅树村组、筇竹寺组、沧浪铺组和龙王庙组相对应；在深水盆地区，下寒为一套覆盖在硅质岩之上的黑泥页岩系地层，其中难以进行三级层序划分，称为渣拉沟组(以贵州东南的三都渣拉沟剖面为代表)；浅水台地与深水盆地之间的过渡区域则划分为牛蹄塘组、九门冲组、变马冲组、杷榔组和清虚洞组。更为特别的是，牛蹄塘组黑页岩系地层广布全区，构成一套相变极不明显的“缺氧事件沉积”，代表了“相的持续性现象”[6-7]，牛蹄塘组黑页岩系地层与下伏灯影组白云岩地层之间形成一个极为典型的“淹没不整合型层序界面”[8-9]；而在贵州余庆、瓮安、湄潭一带明心寺组砂页岩系地层之中所夹的厚度200余m的碳酸盐岩地层，其特殊的产出层位和分布的局限性又让人费解。与牛蹄塘组底部相对应的地层，在相对较浅水的背景之中为一套产小壳化石的含磷岩系，被命名为“戈仲武组”[10]；相应地在较深水的背景之中，则相变为硅质岩，而且该硅质岩被认为是“热水沉积”[11]，它们共同组成快速海侵作用初期的特殊沉积。在前人[12-14]岩相古地理研究的基础上，从沉积物的时间演化序列和沉积相的空间展布形式所代表的规律性入手[7,15-16]，即可建立研究区域下寒复杂有序的层序地层格架。这种立足于沉积相研究的层序地层划分与对比，为探讨沉积事件与生物多样性事件之间的复杂关 系[17]奠定了良好的基础，这些生物多样性事件由一些举世闻名的动物所代表，如小壳化石动物[18]、澄江动物[19]、台江动物和凯里动物[20]等等。再者，研究区域下寒较为完整的地层记录，使之成为中国拟定下寒年代地层[5]的典型地区，与华北地台的下寒存在较大的差异[21-23]，其中在下寒下部所发育的“淹没不整合型层序”类似于华北地台的上寒[24]，就象前寒武纪层序地层划分[25]和对沙漠沉积体系的层序地层研究一样[26]与传统的EXXON层序地层模式[27-28]存在较大的差异。系列层序地层格架栅状图及其相应的系列古地理图，可以用来更加详尽地反映上扬子区早寒武世沉积物的时间演变序列和沉积相的空间展布形式。
1 下寒层序地层格架
上扬子区寒武系的沉积相类型多样而且时空变化多端，形成一个复杂而有序的岩石地层序列，该序列代表了一个震旦纪与寒武纪过渡时期大规模的淹没事件之后的碳酸盐台地的生长和演化过程(图1和图2)。寒武系底部的牛蹄塘组为一套深水黑页岩系，厚度数十米至百余米，自北西向南东下部相变为深水硅质岩，在贵州中部的织金一带为一套含磷岩系。牛蹄塘组底部的深水相岩石直接覆盖在灯影组白云岩之上形成一个以快速加深为特征的淹没不整合面，而且代表了一个沉积相带空间分异不明显的“相的持续性现象”[6-7]，该淹没不整合面之上的深水相岩石所存在的自南东向北西的“远洋盆地相硅质岩—缺氧盆地相黑页岩—陆棚相含磷白云岩—小壳化石
196现 代 地 质2006年 莓叶委陵菜
DS 1至DS 5代表在下寒中所识别的5个三级层序，在上扬子区下寒自北西向南东厚度变薄并且相变为一个难以进行三级层序划分的凝缩作用序列
图1 研究区域下寒岩石—层序地层格架
F ig .1 D i ag ra m s how ing t he sequence -lit hostrati g raphic fra m e w ork o f t he Low er Cambrian in the study area
197 第2期梅冥相等：上扬子区下寒的层序地层格架及其形成的古地理背景
锚
滩相白云岩”的变化序列，是受到古地理背景控
制的结果。这些岩相类型与下伏的灯影组顶部的潮坪相白云岩之间存在一个极为明显的“跳相”现象并且反映出一个快速海侵作用的特点，最终显示出自南东向北西该淹没不整合面向相对连续
的过渡型层序界面转变的变化特征。覆盖在牛蹄
塘组之上的明心寺组和金顶山组，总体上为一套
砂页岩系，明心寺组顶部以及金顶山组上部的滨
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岸相砂岩层代表了两次环境变浅，它们与牛蹄塘
组黑页岩系一起组成了碳酸盐台地的基底岩系,
在陆棚至斜坡背景中明心寺组和金顶山组中上部
发育以泥晶生物丘灰岩夹古杯灰岩为特征，这些
碳酸盐岩地层代表了碳酸盐台地的萌芽状态。随
着沉积环境的逐渐变浅，研究区域真正成为碳酸
盐台地的时间是清虚洞组地层所代表的碳酸盐台宝泉岭公安局
云南鹤庆地震地的生长发育时期。在浅水台地相区从牛蹄塘组到清虚洞组的岩石地层序列是在一个总体加深—变浅过程之中包含着若干个海侵—海退旋回的复杂变化过程的结果。在空间上，受自北西向南东沉积环境由浅变深的古地理背景的控制，明心寺组、金顶山组和清虚洞组下部向南东的深水处相变为一套以陆棚相泥页岩系为主夹泥晶灰岩和角砾灰岩的地层，分别称为九门冲组、变马冲组和杷榔组。覆盖在杷榔组之上的清虚洞组以斜坡相角砾灰岩的普遍发育、白云岩不发育为特征，与下部为灰岩、上部以白云岩为主的浅水台地相中的清虚洞组形成鲜明的对照。再向南东的贵州三都一带，下寒总体上为
一套覆盖在深水硅质岩之上的黑页岩系，因难以再划分而统称为渣拉沟组。DS 1至DS 5代表下寒所包含的5个三级层序;C S .凝缩段;TST .海侵体系域;H ST .高水位体系域
图2 上扬子区下寒年代—层序地层格架
F ig .2 D i ag ra m s how ing t he sequence -chronostra tig raphic framew ork o f the Low er Ca m brian i n t he study area
根据若干剖面的详尽追踪(另文详述)，研究区域的下寒大致可以划分出5个三级层序并松崖别业图
198现 代 地 质2006年
进一步归为一个二级层序[21]。从DS1到DS5组成了研究区域下寒的三级层序序列，它们构成一个二级海侵—海退构造层序:DS1到DS3均以“凝缩段(CS)+高水位体系域(HST)”为特征而形成较为典型的“淹没不整合型层序”[8-9]; DS4为一个“海侵体系域(TST)+凝缩段(CS) +高水位体系域(HST)”，该三级层序的凝缩段所代表的海侵事件是研究区域寒武系碳酸盐台地生长发育的转折点;DS4与DS5的顶界面均为暴露间断面为所代表的三级层序界面，而且DS5的顶界面所代表的暴露变浅更为明显且强度更大。这些变化代表了叠加在一个二级海侵加深—海退变浅过程中的与三级海平面变化相响应的海侵加深—海退变浅的旋回性环境演变过程，并且表明了二级层序的沉积序列与三级层序的沉积序列存在一
种相序组构的自相似性。在沉积背景较深的东南地区，以贵州三都一带为代表，下寒称渣拉沟组，为一套“盆地相硅质岩系+盆地相黑页岩系+深水陆棚相泥页岩系”构成的岩石序列，其中难以进行三级层序的划分，该序列构成一个类似于三级层序的沉积序列，以慢速的深水相沉积为主而组成一个特别的凝缩序列，与浅水台地相区下寒的5个三级层序形成鲜明的对照。上述特征表明，层序地层研究的核心内容是“沉积物的时间演化序列与沉积相的空间展布形式所代表的规律性”[29-30]。
当把那些代表生物多样性事件的主要生物标在层序地层格架之中(图2)即可发现:“小壳化石动物”[18]产在寒武系底部，而且主要分布在研究区域的北西部的属于灯影组顶部[3,10]的含磷白云岩夹黑页岩层的地层之中，在云南东部形成小壳化石生物滩[4]，该套产小壳化石的地层在贵州被称为“戈仲武组”[10]，相应的层位在较深水的地带为一套以硅质岩为主的沉积，因此，从时间上讲，小壳化石动物与寒武纪初期的快速海侵相对应，在空间上发育在相对较浅水的沉积背景之中。小壳化石动物之上的是“松林生物”[20,31]，该生物产在三级层序DS1的海侵作用过程之中。在该三级层序的高水位体系域的下部发育“遵义生物”，以Naraoia、Isoxys为特征，被认为是代表寒武纪生物大爆发的“澄江生物”[19]在水体环境较深背景下产生的生物组合[20,23]。总之，以广泛分布的缺氧黑碳质页岩系为特征的牛蹄塘组所构成的三级层序DS1，较厚的凝缩段单元代表了寒武纪初期的大幅度快速海侵作用特点，不但使震旦纪灯影组白云岩所组成的碳酸盐台地消亡，而且伴随着地球生物圈的重大变化，小壳化石动物的短暂分布和快速灭绝，后生生物的大规模的出现均发生在该三级层序的海平
面上升期间的海侵作用过程之中，从“松林生物”到“遵义生物”随着海侵幅度和强度的变小，生物多样性事件的变化强度在增强。
早寒武世末期的海退事件所造成的区域不整合面在滇东和黔西表现得较为明显，以该不整合面为标志曾经命名为“兴凯运动”[2-4]。似乎在该海退作用过程之后的另一个二级层序的海侵作用过程之中，在较深水背景下的贵州台江发育属于非典型布尔吉斯型动物的“台江动物”[20]。“台江动物”之后，则发育意义更加重大的“凯里动物”[20]。如果说“台江动物”意味着早寒武世末期的一次生物多样性事件，那么,“凯里动物”则是寒武纪生物大爆发的第三个主要证据。总体来讲，寒武纪生物大爆发包括了3个幕：第一幕是广泛分布于全球寒武系底部的“小壳化石动物动物”；第二幕是富含软躯体化石的“澄江动物”(或遵义生物)；第三幕是中寒武世早期的“台江动物”和“凯里动物”。第一幕和第二幕与寒武纪早期的大规模快速海侵作用存在关联，第三幕则与早、中寒武世之交的大规模海侵作用相联系。
生物事件与沉积事件之间的复杂关系[32-33]，还存在许多有待于进一步研究的问题。震旦纪与寒武纪之间的快速海侵作用及其相关的台地淹没事件之后，是寒武纪生物大爆发时期；同样，在中国南方二叠纪与三叠纪之交的快速海侵作用和台地淹没事件相对应的是地球历史上最大规模的“生物灭绝事件”[34-37]。因此，海侵—海退事件所代表的沉积环境变化与生物变化之间的关系是一个极为复杂的关系，其中意味着许多还有待于进一步研究的问题。还要强调的是，在目前的“全球地质年表”[38]中，寒
武系还没有正式认可的阶和统，彭善池等[39]以中国南方的寒武系为主要研究对象提出了一个“4统9阶的华南寒武系年代地层划分方案”，虽然在国内还未得到完全认可[5,40]，但是他们所提出的“排碧阶”和“芙蓉统”等年代地层单位在2003年8月得到了国际地球科学联合会的批准。但愿我们的工作能像年代地层研究一样，随着进一步的研究能成为同行公
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第2期梅冥相等：上扬子区下寒的层序地层格架及其形成的古地理背景
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