西秦嶺深海內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積微相研究

西秦嶺深海內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積微相研究

近年來，在西秦嶺-印支造山帶的海防工程中發(fā)現(xiàn)了幾種雙向水流形成的沉積記錄（在這項工作中，海水深度200m的區(qū)域被統(tǒng)稱為水深區(qū)域）。根據(jù)沉積物結構分析，波幅和潮汐運動波的性質(zhì)特征具有層理特征。深海環(huán)境中類似這樣的沉積記錄已有報道,并將其確定為內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積。二十世紀九十年代我國學者高振中對美國阿巴拉契亞山奧陶紀深海沉積的研究中,將具有雙向交錯紋理和單向交錯層砂巖進行系統(tǒng)研究時,首次提出了內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積這一專業(yè)性術語。此后,他們相繼在我國浙江和塔里木盆地奧陶系也發(fā)現(xiàn)了同類沉積。本文是繼早古生代地層發(fā)現(xiàn)該類沉積之后,又在晚古生代和中生代地層中的又一發(fā)現(xiàn)。文中不但以更為翔實的實際資料展示出它的層理特征,進而討論其形成環(huán)境,并在此基礎上對其形成和保存條件也予以探討。1相型分類1.1不同積紋層內(nèi)交錯層理結構該微相以發(fā)育雙向交錯層理為特征,但是這兩組交錯層理發(fā)育的程度極不相同。由強水流能量形成的流向為北西方向的一組交錯層理為其主流向,它與南東方向的濁流流向恰恰相反,這不但說明交錯層理非濁流成因,還說明主流向是指向水道的上方,并且其底部還具明顯的侵蝕面;與其反向的另一組交錯層,無論從前積紋層的發(fā)育程度還是從其底部的侵蝕幅度都弱于前者,表明海洋環(huán)境中雙向流動的不均一性。該微相的層理最大特點是呈束狀排列,說明它是內(nèi)波作用的產(chǎn)物。1.2泥礫周圍的理想?yún)^(qū)別巖性為含泥礫的極細砂巖—粉砂巖。該圖下段本應是較為標準的羽狀交錯紋理,但因成巖過程中的差異壓實作用,導致泥礫周圍的紋理發(fā)生彎曲變形,從而影響了羽狀交錯紋理的清晰度。羽狀交錯紋理是在具有周期性雙向水流環(huán)境中形成的,在潮汐環(huán)境極為常見,因而它屬內(nèi)潮汐沉積。1.3內(nèi)波生長疊加圖I-3中清楚地顯示出該交錯紋理是由上攀紋理組成,從其基本組成單元呈束狀的特征,說明它們是由內(nèi)波產(chǎn)生的波痕遷移,并同時具有向上生長疊加而形成的內(nèi)部構造。從該圖中還可看出,上、中、下3層紋理段的規(guī)模自下而上有變小的趨勢,說明內(nèi)波的水流強度有周期性的變化。此外,圖中段和上段上疊的交錯紋理之間見有泥蓋薄層,它們可能是在內(nèi)潮汐周期憩流期間由泥質(zhì)細粒懸浮物沉淀而成。1.4膨脹界面的測試該微相的內(nèi)部層理特征是:1)前積紋層堆積成束狀,并可分叉;2)前積紋層具不規(guī)則的下界面;3)見膨脹的透鏡狀層理;4)層理內(nèi)部的總體形態(tài)極不協(xié)調(diào)。不難看出,上述特點都反映出它們是波浪作用所形成層理的最基本的特征。1.5內(nèi)潮流作用產(chǎn)物層理內(nèi)部在垂向上略有變化,下部由雙向交錯紋理組成,層系間相互切割,上部見微波狀和透鏡狀層理互層,它們都是內(nèi)潮汐流作用產(chǎn)物。但下部是由內(nèi)潮汐流沿水道上、下往返流動所形成,而其上由于內(nèi)潮汐能量降低,反映出內(nèi)潮汐周期性變化的特點。1.6砂層和閑流沉積層間的交替該微相是潮坪環(huán)境中最常見的層理之一。它通常是在潮汐流活動期間沉積的砂質(zhì)層和憩流期間沉積的泥質(zhì)層交替出現(xiàn)形成的。該類型常與薄層濁積層共生,并產(chǎn)于深海泥巖段之中,表明是在深海沉積區(qū)由內(nèi)潮汐流形成的。1.7內(nèi)波流波痕的發(fā)現(xiàn)波浪波痕形成于細砂巖層面。它與水流波痕在層面上的區(qū)別在于前者通常有直的脊,且常常分叉。在西秦嶺造山帶的泥盆紀、二疊紀和三疊紀的深海濁積巖系中發(fā)現(xiàn)了大量波脊形態(tài)多樣的水流波痕,而浪成波痕卻是首次發(fā)現(xiàn),它是由內(nèi)波流所形成。應當指出的是,根據(jù)與國內(nèi)外已報導的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積類型進行比較,文中的微相類型Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅶ都屬首次發(fā)現(xiàn)。2濁積巖系內(nèi)沉積相以上7種類型的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積雖都賦存于濁積巖系內(nèi),但其沉積環(huán)境并非完全一致。經(jīng)研究,它們分別形成于不同的深海濁流沉積環(huán)境之中,現(xiàn)逐一論述于后。2.1沉積相與層序的關系甘肅卓尼縣以南出露的中三疊世地層形成于海底扇環(huán)境,并屬富泥的砂質(zhì)扇,其內(nèi)極少礫巖。該環(huán)境中共發(fā)現(xiàn)4種內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積,它們分別賦存于三種亞環(huán)境中。微相Ⅰ發(fā)現(xiàn)于海底扇的內(nèi)扇主水道區(qū)。其內(nèi)充填著塊狀—厚層粗—細粒近源濁積巖。于細砂級的近源濁積巖層段內(nèi),發(fā)現(xiàn)了該微相。主水道區(qū)由于內(nèi)波流的流動范圍受到限制,使其流動能量增強,因而它們可以搬運或改造床沙底部的中粒砂質(zhì)物,并沿著水道向上方和下方進行交替流動,最終以內(nèi)波的沉積作用方式沉積下來。微相Ⅱ發(fā)現(xiàn)于中扇的辮狀水道區(qū)向上變薄變細水道充填層序的上部。圖版I-2下段明顯看出交錯紋理具羽狀雙向傾斜的特征,它是內(nèi)潮流雙向流動的可靠證據(jù);而上段卻呈現(xiàn)內(nèi)波作用形成束狀交錯紋理的特征,說明在同一種沉積環(huán)境中的不同沉積階段,長周期的內(nèi)波可疊加于內(nèi)潮汐之上。類型Ⅲ形成于外扇地形較平坦的開闊海域。這里內(nèi)波、內(nèi)潮汐流不再受到限制,但水流的流動能量普遍較低,因而形成的層系厚度均<3cm,屬小型層理。它與深海泥巖呈互層狀產(chǎn)出,表明該類型形成于水體安靜的深海環(huán)境。類型Ⅴ雖然也發(fā)現(xiàn)于外扇區(qū),與類型Ⅲ所不同的是它產(chǎn)于外扇沒有天然堤的淺水道區(qū)內(nèi)。外扇有淺水道存在的證據(jù)是,它具有極不協(xié)調(diào)的塊狀-厚層近源濁流沉積,并在垂向上構成向上變薄變細的水道充填層序。而類型Ⅴ即存在于該層序的上部。這里的水道深度雖相對較淺,但仍能形成上、下往返流動的雙向交錯紋理。基于上述不難看出,中三疊統(tǒng)是海底扇向海緩慢推進過程中形成的一個向上變粗變厚的總層序。4種微相在垂向上自下而上出現(xiàn)的先后順序是類型Ⅲ、Ⅴ、Ⅱ、Ⅰ,該順序反映組成這4種微相的粒度自下而上逐漸變粗,層厚逐漸增加,層理規(guī)模逐漸增大。這一特點揭示出開闊的外扇區(qū)較之受限制水道區(qū)的內(nèi)波、內(nèi)潮流的能量普遍較弱。2.2巨厚細粒濁積巖系的層理特征西秦嶺泥盆系舒家壩組形成于該環(huán)境,它是由一套缺少礫巖和中—粗砂巖,主要由細—粉砂級碎屑物組成的巨厚細粒濁積巖系。微相Ⅳ發(fā)現(xiàn)于該環(huán)境,并以夾層出現(xiàn)于薄層濁積巖層段內(nèi)。從層理特征可以看出,它是由雙向水流并具波浪作用痕跡的內(nèi)波流形成的。據(jù)現(xiàn)代海洋調(diào)查,在缺少水道的深海底,同樣存在著大量往復流動的底流活動,因此,該微相已在現(xiàn)代海洋環(huán)境中找到了證據(jù)。2.3裂陷海盆裂陷時的波浪波痕甘肅夏河以東分布的上二疊統(tǒng),記錄了該時期因拉張裂陷活動形成的滑塌堆積—重力流沉積—深海泥巖的退積型沉積序列。其中、下部由于大規(guī)模的塊體重力搬運作用,致使流動能量相對較弱的內(nèi)波、內(nèi)潮流此時難以形成沉積記錄。隨著裂陷海盆的不斷擴大和加深,在沉積序列的中上部細砂巖層面才發(fā)現(xiàn)有微相Ⅶ浪成波痕的出現(xiàn)。它說明此時由于逐漸遠離物源區(qū),當內(nèi)波流的能量足以改造細粒濁積物時,波浪波痕才得以形成。微相Ⅵ則發(fā)現(xiàn)于上述沉積序列上部的深海泥巖段內(nèi),它表明裂陷海盆已進入深海盆地沉積階段,由于遠離物源區(qū),即便有濁流的干擾,其影響也較微弱,因而是內(nèi)波、內(nèi)潮汐流的有利活動場所。該微相的連續(xù)沉積總厚度竟可達3m,說明它確實是內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積最有利的形成和保存地區(qū)。3內(nèi)波、內(nèi)潮沉積通過本文并綜合國內(nèi)外有關內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的研究成果看出,古代內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積雖廣泛存在于不同時代的地層記錄中,但是其數(shù)量并不豐富,尤其是產(chǎn)出的層位具有鮮明的選擇性。內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積之所以廣泛分布于深海沉積中,是由于海洋特別是深海普遍存在內(nèi)波、內(nèi)潮汐流的緣故,而其數(shù)量的多寡以及出現(xiàn)于特定層位的現(xiàn)象,還說明它們的形成和保存需要有特定的條件。對此問題,擬提出以下初步認識:(1)超過細粒特別是中粒級以上的濁積巖段中,很難發(fā)現(xiàn)內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積。這是由于在海底峽谷(溝谷)或廣闊的深海海域,內(nèi)波、內(nèi)潮汐的流速通常介于20～50cm/s,這種流速雖可搬運和改造細砂級乃至中砂級的碎屑物,但在上述正常的流速下,卻對2mm以上的礫級碎屑物難以進行搬運和改造。(2)深海海域、濁流間歇期以及水道充填層序上部形成的粉砂巖—泥巖段是內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積形成和保存的最有利層段。因為,此時的水體是相對平靜的時期,內(nèi)波、內(nèi)潮汐流可攜帶或改造床沙底部的較細碎屑物得以沉積并保存下來。(3)海平面上升時期固然是內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積形成的有利時期,但當海平面下降時,也并不完全排除有內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的存在,這是因為:1)海平面下降通常與有效的海退作用相聯(lián)系,這恰是濁流形成的有利時期。內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積多與濁積巖相伴生,說明它是在海平面下降這一大的背景下形成的;2)濁流雖對下伏的深海泥巖是一種巨大的破壞和沖蝕力量,但通常認為,它僅僅是在至少數(shù)百米的范圍內(nèi)沖蝕的都是同一層,而不會將深海泥巖沖蝕殆盡。進積型濁流沉積序列內(nèi)仍存在不少深海泥巖就是這種推斷的佐證。當然,內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積也會因濁流的來臨被部分沖蝕,因此保留于地質(zhì)記錄中的則僅是殘存的那部分,這或許是古代沉積記錄中內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積數(shù)量不夠豐富的原因之一。西秦嶺中三疊統(tǒng)是一海平面下降過程形成的濁積巖進積型沉積序列,于其中發(fā)育4種類型的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積就是海平面下降時期仍有它們被保存下來的一個很好的實例。4內(nèi)波、內(nèi)潮沉積的沉積特征當今對古代內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的報道還為數(shù)不多,這不但是由于對該類型沉積的發(fā)現(xiàn)及其研究歷史較短,也還由于尚缺乏具體的認別方法,因而把內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積準確無誤地識別出來,是該項研究首先需要解決的問題。從目前已確定的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積微相類型來看,其沉積構造特征十分復雜。眾所周知,沉積構造的形成是流體對沉積物的搬運及其沉積作用方式的具體表現(xiàn)。由此看出內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積形成過程中,其水動力狀況是一個十分復雜的沉積作用過程,加之,由于其沉積背景、海盆的古地貌、水深以及流體動力狀況等因素都因地而異,因此它們形成的沉積記錄不可能有一個固定不變的樣式。然而通過已發(fā)現(xiàn)的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的特征研究,筆者認為有兩條最基本的原則應予以遵循。其一,“將今論古”的現(xiàn)實主義原則:大量深海探測、深海鉆探以及深海底攝像的成果,揭示出深海水體中內(nèi)波、內(nèi)潮汐流的流動特點、沉積作用方式及其沉積產(chǎn)物特征,它為古代內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的研究奠定了理論基礎,而且我國學者已初步總結出現(xiàn)代的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積的特征。所有這些,都是研究古代內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積所不可缺少的重要參考依據(jù)。其二,“將淺論深”的類比原則:當人們對已有內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積剖析之后,必然會發(fā)現(xiàn)這樣一個基本事實,即它們的層理內(nèi)部都分別或共有波浪作用和潮汐作用的痕跡。這一發(fā)現(xiàn)的重要之處在于,這兩種作用都是淺海環(huán)境中最主要的、研究程度很高的地質(zhì)作用。因此,當對波浪波痕和潮汐層理內(nèi)部構造的典型特征掌握之后,必將有助于認別深海環(huán)境背景下的內(nèi)波、內(nèi)潮汐沉積。因為,兩者沉積構造的內(nèi)部