米級(jí)旋回層序的類型劃分

米級(jí)旋回層序的類型劃分

美國(guó)的旋轉(zhuǎn)順序來(lái)自anderson和其他人提到的“美國(guó)級(jí)旋轉(zhuǎn)序列”。這是指從地層記錄中直接確定的堆疊單元，具有一定的滲透性，可以在地層記錄中識(shí)別到10毫米到幾米厚的厚度。這是由異因機(jī)制下的壓縮過(guò)程組成的產(chǎn)物。作為沉積節(jié)律的基本表征,它類似于王鴻禎等所稱的“小層序”和Mitchum等所稱的“高頻層序”,也類似于Vail等所定義的“準(zhǔn)層序”和魏家庸等所定義的“巖石地層單位的旋回性基本層序”。在Fischer等的節(jié)律性譜系(Rhythmicityspectrum)中,米級(jí)旋回層序?qū)倜滋m柯維奇頻帶(Milankovitchband)范疇的旋回層序。在地層記錄中,單個(gè)米級(jí)旋回常5個(gè)或4個(gè)有序疊加成米級(jí)旋回層序組,這種5∶1或4∶1的疊加形式反映了地層記錄的米蘭柯維奇性質(zhì),同時(shí)說(shuō)明了單個(gè)米級(jí)旋回層序可能是與歲差旋回或短偏心旋回有成因聯(lián)系的高頻率海平面變化旋回的產(chǎn)物,也意味著米級(jí)旋回層序可以作為時(shí)間地層單元作為基本地層結(jié)構(gòu)單元的米級(jí)旋回層序,在不同的古地地理背景中由于沉積動(dòng)力機(jī)制和物質(zhì)來(lái)源的不同,形成特征迥異的相序組構(gòu),這為米級(jí)旋回層序的系統(tǒng)分類奠定了必要的沉積學(xué)基礎(chǔ),從而成為本文所介紹的主題。1米級(jí)旋回層序的分類通過(guò)正常的沉積作用過(guò)程如潮坪進(jìn)積作用、潮汐島的水平遷移、碳酸鹽砂體的進(jìn)積作用、潮下沉積物(和生物礁及顆粒灘)的垂直加積作用等,臺(tái)地碳酸鹽均能生長(zhǎng)或營(yíng)建到海平面的位置或位于海平面之上,形成由潮下相經(jīng)潮間相到潮上坪相的向上變淺沉積序列。因此,小級(jí)別的高頻率海平面變化,將在碳酸鹽巖中產(chǎn)生明顯的沉積作用與成巖作用烙印:隨著海平面相對(duì)上升,潮下環(huán)境漫遍臺(tái)地,局限潮坪只局限于靠近海岸的狹窄地帶;反之,海平面相對(duì)下降將使碳酸鹽臺(tái)地變淺或暴露于水面,如果氣候干燥并且存在足夠的海水來(lái)源的話將會(huì)產(chǎn)生薩布哈蒸發(fā)鹽的沉淀作用,在半干旱氣候條件下就會(huì)產(chǎn)生成土作用而形成鈣結(jié)殼、滲流豆等,潮濕氣候條件下會(huì)產(chǎn)生喀斯特化作用。由于碳酸鹽沉積作用對(duì)相對(duì)海平面變化的響應(yīng)極為敏感,所以碳酸鹽巖米級(jí)旋回層序的研究比較成熟。從Einsele關(guān)于L—M灰?guī)r對(duì)偶層的系統(tǒng)描述,到Read關(guān)于環(huán)潮坪碳酸鹽旋回的研究,Osleger關(guān)于潮下型碳酸鹽旋回的研究以及Masettic關(guān)于深水非對(duì)稱型旋回的研究,就已奠定了把碳酸鹽米級(jí)旋回層序劃分為四大類型的基礎(chǔ)(圖1)。第一類為L(zhǎng)—M型,主要發(fā)育于深水背景下,由遠(yuǎn)洋相鈣質(zhì)泥巖(Marl)及半遠(yuǎn)洋相灰?guī)r(Limeston)構(gòu)成,取其字頭而簡(jiǎn)稱L—M型(圖1之c示)。第二類為深水非對(duì)稱型(圖1之d1、d2示),主要發(fā)育在鑲嵌陸架型臺(tái)地邊緣斜坡背景中,其相序組構(gòu)與L—M型基本相似,只不過(guò)在米級(jí)旋回層序之頂常發(fā)育“低水位角礫巖”而與L—M型相區(qū)別。第三類為潮下型米級(jí)旋回層序(圖1之b1、b2、b3所示),主要發(fā)育于正常潮下淺水環(huán)境中,以向上變淺、顆粒向上變粗、巖層向上變厚為特征,米級(jí)旋回層序的界面為瞬時(shí)淹沒(méi)間斷面。第四類為環(huán)潮坪型米級(jí)旋回層序(圖1之a(chǎn)1、a2、a3示),它主要發(fā)育于碳酸鹽臺(tái)地內(nèi)部、潮汐作用為主要沉積營(yíng)力的淺水環(huán)境中,其總體特征是:沉積環(huán)境總體向上變淺、巖層向上變薄、顆粒向上變細(xì),米級(jí)旋回層序之頂常發(fā)育白云巖、喀斯特角礫、古土壤等淡水成巖作用的產(chǎn)物,表明米級(jí)旋回層序的分界面多為瞬時(shí)暴露間斷面。從相序組構(gòu)特征看,碳酸鹽巖米級(jí)旋回層序又大致分為兩大類:發(fā)育于瞬時(shí)淹沒(méi)間斷面之上的以反粒序序列為特征的米級(jí)旋回層序(包括L—M型、深水非對(duì)稱型及潮下型),以及發(fā)育于瞬時(shí)暴露間斷面之上的以正粒序序列為特征的米級(jí)旋回層序(環(huán)潮坪型)。前者發(fā)育在正常浪基面附近至更深的沉積背景下,高頻率海平面上升所產(chǎn)生的環(huán)境加深效應(yīng)的結(jié)果是形成淹沒(méi)事件,沉積遠(yuǎn)洋及半遠(yuǎn)洋沉積物,反之在與高頻率海平面下降所產(chǎn)生的環(huán)境變淺過(guò)程中形成正常淺海沉積物,米級(jí)旋回層序向上變淺最多只能達(dá)到海平面;而后者則發(fā)育于正常浪基之上的淺水背景下,環(huán)境加深形成正常淺海沉積物以及相應(yīng)的沉積物,環(huán)境變淺則形成局限潮坪相之類的沉積,而且常變淺至露出水面而產(chǎn)生混合白云巖化和古喀斯特化等淡水成巖作用(潮濕氣候條件下),在干旱氣候條件下則以膏鹽化和滲濾-回流白云石化作用等為特征,在米級(jí)旋回層序之頂有時(shí)還可見(jiàn)古土壤層等暴露標(biāo)志,從而使米級(jí)旋回層序間的分界面以暴露間斷面為特征。在更淺水的陸表海型臺(tái)地內(nèi)部常發(fā)育的“開(kāi)闊海臺(tái)地相顆粒泥晶灰?guī)r—潮坪相白云巖—瀉湖相膏鹽層”序列構(gòu)成的米級(jí)旋回層序,也屬環(huán)潮坪型碳酸鹽米級(jí)旋回層序的范疇,華北奧陶系馬家溝組中就普遍發(fā)育。在長(zhǎng)周期層序中,米級(jí)旋回層序常形成有規(guī)律的垂直疊加形式,即在長(zhǎng)周期海平面上升階段,疊加于其中的米級(jí)旋回層序以明顯的“淹沒(méi)節(jié)拍”或不明顯的“暴露節(jié)拍”為特征;相反在長(zhǎng)周期海平面變化的相對(duì)下降期,則以明顯的“暴露節(jié)拍”和不明顯的“淹沒(méi)節(jié)拍”為特征。華北北部晚寒武世地層可劃分為4個(gè)長(zhǎng)周期三級(jí)層序(圖2),由若干類型的潮下型碳酸鹽米級(jí)旋回層序有序疊加而成,在每一個(gè)三級(jí)層序中從下至上由型演變?yōu)槌毕滦痛硌蜎](méi)節(jié)拍由明顯演變?yōu)椴幻黠@的疊置特征。諸如此類的研究成果很多,如Goldhammer等對(duì)歐洲三疊系的研究,Osleger和Read對(duì)北美寒武系及奧陶系的研究,也都說(shuō)明了上述規(guī)律。2巖相單元及其相關(guān)面為界在淺海相陸源碎屑巖地層中,常發(fā)育兩種類型的米級(jí)旋回層序潮汐動(dòng)力型及波浪動(dòng)力型同碳酸鹽巖米級(jí)旋回層序一樣,它們也是異成因機(jī)制控制下的自旋回沉積作用過(guò)程的產(chǎn)物。如圖3之(A)所示,在以潮汐作用為主要沉積營(yíng)力的碎屑巖地層中,主要發(fā)育以下巖相單元:a、潮下高能砂巖,以發(fā)育大型交錯(cuò)層理及沖刷面為特征,成分成熟度及結(jié)構(gòu)成熟度均較高,屬潮下高能動(dòng)蕩淺水環(huán)境下的產(chǎn)物;b、潮下坪砂巖,發(fā)育交錯(cuò)層理及脈狀潮汐層理,為潮下坪環(huán)境的產(chǎn)物;c、潮間坪泥質(zhì)砂巖,見(jiàn)波痕及波狀潮汐層理偶見(jiàn)波狀交錯(cuò)層理屬潮間坪環(huán)境的產(chǎn)物d、潮上坪砂質(zhì)泥頁(yè)巖,發(fā)育透鏡狀潮汐層理和泥裂,見(jiàn)水平紋層,為潮上坪極淺水靜水環(huán)境的產(chǎn)物。這些巖相單元常有序疊置成若干類型的潮汐動(dòng)力型碎屑巖米級(jí)旋回層序,其基本特征是:沉積環(huán)境總體向上變淺、巖層向上變薄、顆粒向上變細(xì),米級(jí)旋回層序間以“瞬時(shí)暴露間斷面”或相應(yīng)的突然相變面為界。在地層記錄中,由完整的巖相序列,如圖3(A)之“babcd”序列構(gòu)成的米級(jí)旋回層序較少見(jiàn),多由兩到三個(gè)單元構(gòu)成若干種類的米級(jí)旋回層序,如圖3(A)中的ab、abc、ac、bc、bd等序列所組成的許多類型。如圖3之(B)所示,在以波浪作用為主要沉積營(yíng)力的淺海環(huán)境中,其陸源碎屑巖地層主要以下巖相單元構(gòu)成:a、陸棚相泥巖,發(fā)育水平紋層,見(jiàn)風(fēng)暴介殼縮聚層,為浪基面之下的較深水靜水環(huán)境下的產(chǎn)物;b、遠(yuǎn)臨濱相砂質(zhì)泥頁(yè)巖,發(fā)育水平紋層,偶見(jiàn)波狀交錯(cuò)層理,為浪基面附近的弱動(dòng)蕩水體環(huán)境之產(chǎn)物;c、近臨濱相泥質(zhì)砂巖,發(fā)育波狀交錯(cuò)層理及波痕,為浪基面之上的中等動(dòng)蕩水體環(huán)境之產(chǎn)物;d、濱岸相砂巖,發(fā)育交錯(cuò)層理及沖刷面,見(jiàn)針管跡(Skolithos)等遺跡化石,屬淺水動(dòng)蕩環(huán)境之下的產(chǎn)物。這些巖相單元有序疊置成若干種類的波浪動(dòng)力型碎屑巖米級(jí)旋回層序其總體特征是沉積環(huán)境總體變淺、巖層向上變厚、顆粒向上變粗,米級(jí)旋回層序間以“瞬時(shí)淹沒(méi)間斷面”或其相關(guān)面為界。如果說(shuō)潮汐動(dòng)力型米級(jí)旋回層序以正粒序?yàn)樘卣?那波浪動(dòng)力型則以反粒序相序?yàn)樘卣?。在地層記錄?完整的相序所構(gòu)成的米級(jí)旋回層序(如圖3B)之“abcd”序列較少見(jiàn),大多由兩到三個(gè)巖相單元構(gòu)成。碎屑巖米級(jí)旋回層序在長(zhǎng)周期三級(jí)層序中常形成有規(guī)律的垂向疊加形式,表現(xiàn)在以下幾種形式:第一、在既發(fā)育波浪動(dòng)力型也發(fā)育潮汐動(dòng)力型米級(jí)旋回層序的地層中,在長(zhǎng)周期三級(jí)海平面上升階段主要發(fā)育波浪動(dòng)力型米級(jí)旋回層序,反之疊加在三級(jí)海平面下降階段則主要發(fā)育潮汐動(dòng)力型米級(jí)旋回層序,從下至上,從以淹沒(méi)節(jié)拍為主演變?yōu)橐员┞豆?jié)拍為特征。第二、在由波浪動(dòng)力型米級(jí)旋回層序所構(gòu)成的地層中,于三級(jí)海平面上升階段構(gòu)成米級(jí)旋回層序的下部單元———陸棚相泥巖較厚,形成明顯的淹沒(méi)節(jié)拍,反之在三級(jí)海平面下降階段則米級(jí)旋回層序的上部巖相單元——濱岸相砂巖較厚,淹沒(méi)節(jié)拍越來(lái)越不明顯。第三、在由潮汐動(dòng)力型米級(jí)旋回層序構(gòu)成的地層中,在三級(jí)海平面上升階段發(fā)育的米級(jí)旋回層序以較厚的潮下高能砂巖和不明顯的暴露節(jié)拍為特征,反之在三級(jí)海平面下降階段則以較厚的潮上坪砂頁(yè)巖和明顯的暴露節(jié)拍為特征。如圖4所示,河北興隆以東的元古界大紅峪組,廣泛發(fā)育潮汐動(dòng)力型碎屑巖米級(jí)旋回層序,米級(jí)旋回層序在長(zhǎng)周期三級(jí)層序中常構(gòu)成有規(guī)律的垂直疊加形式,在三級(jí)海平面上升階段特別是最大海泛期,主要發(fā)育厚基底類碎屑巖米級(jí)旋回層序—即米級(jí)旋回層序由較厚的潮下高能砂巖為特征;在三級(jí)海平面下降階段,基本不發(fā)育潮下高能砂巖,發(fā)育由較厚的潮上坪砂頁(yè)巖所構(gòu)成的薄基底類米級(jí)旋回層序。由此,在大紅峪組中可識(shí)別出3個(gè)三級(jí)層序,這是上文所述的第三種情況的典型代表。3環(huán)境加深階段的作用結(jié)果—碳酸鹽巖與碎屑巖交互沉積的米級(jí)旋回層序的成因類型在碳酸鹽巖、碎屑巖交互沉積的地層中,米級(jí)旋回層序的識(shí)別常引起爭(zhēng)論,爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是哪一個(gè)巖相單元在上,哪一個(gè)巖相單元在下的問(wèn)題。實(shí)際上,由于在與高頻率海平面變化所產(chǎn)生的環(huán)境加深及環(huán)境變淺的響應(yīng)過(guò)程中陸源碎屑沉積物進(jìn)入沉積區(qū)的動(dòng)力機(jī)制不同,故會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況,從而形成兩種不同類型的米級(jí)旋回層序:第一:碎屑巖—碳酸鹽巖型。這種類型的基本情況是陸源碎屑沉積物進(jìn)入沉積區(qū)與河流作用無(wú)關(guān)或關(guān)系不大,而是波浪回流、潮汐回流、風(fēng)暴回流等沉積營(yíng)力從陸源區(qū)帶入沉積區(qū)的結(jié)果。因此,在高頻率海平面變化的上升階段所產(chǎn)生的環(huán)境加深過(guò)程中,海岸線向古陸推進(jìn),陸源碎屑沉積物由波浪回流、潮汐回流及回流等從陸源區(qū)帶入沉積區(qū),從而形成構(gòu)成米級(jí)旋回層序下部巖石單元的碎屑巖單元;反之,在高頻率海平面下降階段,海岸線從剝蝕陸源區(qū)向海方向退縮,注入沉積區(qū)的陸源碎屑物減少,沉積環(huán)境變?yōu)榍逅h(huán)境,從而沉積米級(jí)旋回層序的上部巖石單元———碳酸鹽巖單元。上述過(guò)程的作用結(jié)級(jí)旋回層序圖之示果,形成“碎屑巖—碳酸鹽巖”米第二、碳酸鹽巖—碎屑巖型。形成這種巖相序列為特征的米級(jí)旋回層序是由于陸源碎屑沉積物進(jìn)入沉積區(qū)與河流沉積作用有關(guān),在與高頻率海平面上升階段所產(chǎn)生的環(huán)境加深過(guò)程中,河流沉積作用的強(qiáng)度與影響變?nèi)?使沉積環(huán)境變?yōu)榍逅h(huán)境,從而沉積碳酸鹽巖單元;反之,在高頻率海平面變化的下發(fā)階段,河流沉積作用增強(qiáng),由河流帶入沉積區(qū)的陸源碎屑沉積物增加使沉積環(huán)境變?yōu)闇喫h(huán)境,從而形成碎屑巖單元。上述過(guò)程的作用結(jié)果形成“碳酸鹽巖—碎屑巖”序列為特征的米級(jí)旋回層序(圖5之(B)示)。在“碎屑巖—碳酸鹽巖”型米級(jí)旋回層序中,碎屑巖單元常含海綠石及生物殼(屑),碳酸鹽巖單元常具白云石化現(xiàn)象,這種類型米級(jí)旋回層序在華北地臺(tái)南部寒武紀(jì)饅頭階及毛莊階地層中廣泛發(fā)育;而“碳酸鹽巖—碎屑巖”型米級(jí)旋回層序,碎屑巖單元中常見(jiàn)泥裂等變淺標(biāo)志,碳酸鹽巖單元中則含較多的生物屑及其他顆粒,這種類型米級(jí)旋回層序在遼南石炭系本溪組中上部、貴陽(yáng)烏當(dāng)志留系高寨田群中廣泛發(fā)育。4米級(jí)旋回層序的特點(diǎn)及年代地層學(xué)意義從年時(shí)代開(kāi)始地質(zhì)學(xué)家們對(duì)地層記錄中的韻律形式已進(jìn)行了多年研究,這些韻律形式———各種類型的米級(jí)旋回層序是與地球軌道效應(yīng)相關(guān)的高頻率冰川型海平面變化相響應(yīng)的自旋回沉積作用的產(chǎn)物),這一點(diǎn)已逐漸取得了共識(shí)。在冰室效應(yīng)地史時(shí)期(如石炭紀(jì)、震旦紀(jì)全球大冰期時(shí)代),由于極地冰蓋發(fā)育,與地球軌道效應(yīng)有關(guān)的冰川型高頻率海平面變化的變化速率大、變化幅度也大,其結(jié)果是形成相變突然、相帶不連續(xù)的米級(jí)旋回層序,在華北地臺(tái)東部石炭系本溪組下部發(fā)育的米級(jí)旋回層序及長(zhǎng)江三峽震旦系燈影組中發(fā)育的米級(jí)旋回層序(圖6),就代表了冰室效應(yīng)地史時(shí)期的米級(jí)旋回層序特征。而在溫室效應(yīng)的地史時(shí)期,高頻率海平面變化的速率小、變化幅度也小,所形成的米級(jí)旋回層序相帶較連續(xù),華北奧陶系馬家溝組(圖7A)及元古界霧迷山組(圖7(B))中發(fā)育的米級(jí)旋回層序就屬這一類型。在地層記錄中,常見(jiàn)到3至5個(gè)米級(jí)旋回層序以1∶4的形式構(gòu)成更大級(jí)別的旋回層序,或者以4至6個(gè)構(gòu)成1∶5的疊加形式,前者可能是長(zhǎng)偏心率旋回(40萬(wàn)年)與短偏心率旋回(10萬(wàn)年)