深海環境中的觀音橋段沉積特征

1931年，孫云珠創辦了五峰頁巖，中國科學家對五個群巖的沉積環境進行了70多年的討論，并仍在進行中。概括起來,其主要認識大致可分為兩種觀點,一種認為屬淺水成因,認為五峰頁巖形成于陸棚陸表海環境中(穆恩之,1954;陳旭等,1986;戎嘉余,1984;耿良玉,1986;戎嘉余等,1987;汪嘯風,1989;成漢均等,1991;方一亭等,1993;馮洪真等,1993;周名魁等,1993)。另一種主張深水觀點,認為五峰頁巖形成于深海環境中(盛莘夫,1974;黃志誠等,1991;肖傳桃等,1996)。觀音橋段(層)由張鳴韶和盛莘夫所創(張鳴韶等,1958)。自創立以來,該段歷來被認為屬于正常淺海“介殼相沉積”(穆恩之,1954;陳旭等,1986;戎嘉余,1984;耿良玉,1986;戎嘉余等,1987;汪嘯風,1989;成漢均等,1991;方一亭等,1993;馮洪真等,1993;周名魁等,1993)。也正是由于這個“介殼相沉積”的存在,才致使眾多學者形成了觀音橋段屬淺海相的思維定勢,從而忽視了對該段進行深入的多學科交叉研究。最終,導致了學者們主要圍繞五峰頁巖進行了長達70余年的爭論,至今仍未結束。本文通過對海平面變化和沉積特征分析、沉積速率的比較以及古生態學和生物古地理特征等方面的研究,認為觀音橋段屬較典型的深海沉積。這一觀點與以往對觀音橋段的論述絕然相悖。本文旨在拋磚引玉,希望能引起地質學家們對觀音橋段的重視,并開展深入細致的多學科交叉研究和討論,這將對于推動奧陶-志留系之交的地質事件與生物群更替的進一步研究、對于將國際奧陶—志留系層型剖面和點(GSSP)建立在我國具有重要的理論意義和科學價值。1觀音橋區域的深水環境的論證1.1層序沉積速率關于現代深海沉積速率已有較多的論述和研究,Schopf(1980)研究認為,現代海洋深海區的標準沉積速率是小于10m/Ma,而近岸淺海的沉積速率是每百萬年幾百米。日本學者奈須紀幸(1983)在研究現代太平洋深海區沉積速率后認為,現代太平洋深海區的沉積速率是1～2.5mm/ka。有關觀音橋段和五峰頁巖段的沉積速率,耿良玉(1986)已作過研究,認為其平均速率分別為0.28m/Ma和0.27m/Ma,由于該研究未考慮沉積巖的壓實作用,故沉積速率偏低。研究表明(李建明等,1993),沉積速率(V)等于原始沉積厚度(H)除以地層形成的時間間隔(Ma),而原始沉積厚度與壓實量之間遵循以下的換算公式,即H=h/(1-k),其中,h和k分別代表地層厚度和壓實量。揚子地區奧陶系泥頁巖的壓實量為62.5%(李建明等,1993)。本文在耿良玉的研究基礎上,求出觀音橋段和五峰頁巖段的平均沉積速率分別為0.79m/Ma和0.78m/Ma。揚子地區觀音橋段最小厚度為0.1m,最大厚度為1.1m,相應地,其最小和最大沉積速率分別為0.3m/Ma和3.26m/Ma。如此小的沉積速率,簡單地說觀音橋段和五峰頁巖形成于正常淺海環境中,顯然沒有說服力,難以令人置信。因此,從觀音橋段沉積速率與現代海洋沉積速率的比較研究來看,觀音橋段與五峰頁巖相似,也屬較為典型的深海沉積。1.2關于拉克氏體的古生態研究觀音橋段自創立以來一直被視為淺海介殼相沉積,其主要原因是由于該段含有豐富的動物化石,即Hirnantia-Dalmanitina動物群,而且該動物群在保存上具有介殼相特征。因此,致使人們形成了對觀音橋段“介殼相沉積”的思維定勢。近十年來,許多學者對觀音橋段進行過深入細致地研究,但是由于不同學者對該段的研究在思維方法上、在對具體資料的分析應用上,還存在著不同的觀點,因而導致了人們對五峰頁巖的成因進行無休止的爭論。有關Hirnantia-Dalmanitina動物群的古生態特征,許多學者都作過研究,但對其代表環境的認識卻各異。戎嘉余等曾從該動物群的保存狀態方面做過較為詳細的論述(戎嘉余,1984;戎嘉余等,1987),并認為該動物群代表的水深大致相當于Boucot的底棲組合2～3。Cocks認為該動物群屬于底棲組合2,而Sheehan則認為屬于底棲組合4～5,可能為底棲組合5。這種不同認識對于已經滅絕了的動物群來說是很正常的,其主要原因可能是由于不同研究者的研究角度不同所造成的。然而,就其研究結果來說,底棲組合2～3和底棲組合5中動物群的生活方式會差別較大,而底棲組合5與半深海及深海型動物群在生活方式上則較為相似。因此,這種不同認識說明,關于Hirnantia-Dalmanitina動物群的生態學問題并未得到解決。本文從Hirnantia-Dalmanitina動物群的形態構造-功能分析法和保存狀態等方面進行詳細研究后,提出了不同的觀點,認為該動物群屬深水生態型。1.2.1底棲生活生活特征在Hirnantia-Dalmanitina動物群中,正形貝類Hirnantia和扭月貝類Aphanomena不具三角孔或莖孔,殼薄、體輕而近于扁平,腕基粗壯和肌痕發達,中槽和中隆以及鋸齒狀邊緣均不發育。上述特征中,腕基粗壯和肌痕發達表明該類生物具有自由張、合雙瓣殼的功能,不具三角孔或莖孔說明其不營底棲固著生活,中槽和中隆不發育、鋸齒狀邊緣不發育以及殼薄、體輕而近于扁平表明其不營底棲移動方式生活。上述特征表明該類生物可能營遠洋游泳方式生活。Dalmanella、Kinella和Draborthis均具有個體很小(5～7mm)、殼薄而體輕、發育三角孔或莖孔以及中槽、中隆和鋸齒狀邊緣不發育等特征。其中,殼薄、小而體輕以及中槽、中隆和鋸齒狀邊緣不發育等特征表明該生物不營淺海底棲方式生活,三角孔或莖孔發育、殼薄、小而體輕等特征說明,該類生物可能營假漂游(附著漂游)方式生活。扭月貝類的Aegiromena、Leptaena和Leptaenopoma均具有個體較小、殼薄而體輕、三角孔很小或不發育以及肌痕發達等特征。這些特征說明該類生物在發育早期(幼年期)可能營假漂游方式生活,成年期營游泳方式生活。小嘴貝類Plectothyrella具有個體小、殼較厚、中槽和中隆較顯著以及發育鋸齒狀邊緣、較粗壯的放射褶和不具莖孔等特征。其中,殼厚表明該類生物能承受深部水體的壓力,中槽和中隆較顯著、較粗壯的放射褶、發育的鋸齒狀邊緣以及不具莖孔等特征表明該類事物營底棲移動或自由躺臥方式生活。三葉蟲Dalmanitina以具有較大的頭鞍、分節清楚、眼小、一個尾刺以及殼面發育小瘤或小突起為特征,其中,眼小和殼面發育小瘤或小突起該類生物說明該類生物可能營深水底棲生活,具一尾刺表明其營移動底棲方式生活。1.2.2洋流質及生物碎屑保存特征一直以來,觀音橋段被認為屬淺海介殼相沉積,除了該段產有豐富的動物群之外,根源之二是與觀音橋段的動物群具有聚集式保存特征以及有些地區富含介殼碎屑有密切的關系。許多事實表明,聚集式保存特征并不是淺海相生物獨有的,漂游、假漂游型及游泳型生物或其骨骼的一部分也具有聚集式保存特征,如寒武紀的球節子類、盤蟲類、奧陶-志留紀部分層段的筆石和角石類、泥盆紀竹節石類以及中生代的箭石等都具有這種保存特征。至于有些地區觀音橋段含有較多的生物碎屑,本文認為是由于大洋洋流搬運的結果。大量研究表明(王琦等,1989;姜衍文等,1993;段太忠等,1990;高振中等,1995;1996),在大洋底部,底流(洋流)作用非?；钴S,它能搬運不同深度的不同粒級的物質并沿等深線或洋底逐漸沉積下來(詳見下文)。同時,生物屑等深巖也是古代等深巖中一種主要類型(段太忠等,1990;高振中等,1995,1996)。1.3晚奧陶世晚期生物多樣性特點和應用意識較強研究證明(殷鴻福等,1988),生物的地理分布特征嚴格受生態條件、生物的生態類型和分布能力、地理障礙、溫度-緯度以及洋流和板塊構造等因素控制。淺海底棲生物因受其生活方式所限以及受其分布能力和地理障礙等因素限制,在地理分布上具有區域性特征,多數情況下地方性的屬種較為發育。而漂游型、假漂游型、游泳型及深水底棲生態型生物的分布能力較強,較少受到上述因素的限制,因此具有洲際性的分布特征,且地方性的屬種很少。觀音橋段中的Hirnantia-Dalmanitina動物群之所以著名,是由于該動物群在晚奧陶世晚期具有洲際性分布特征和現象,廣泛見于我國揚子地區、藏北、西歐、北非以及南美南部等地區(戎嘉余,1984;姜衍文等,1993)。這一分布特征是淺海底棲型生物群所不具備的,用淺海介殼相動物群一說可能難以解釋。因此,從觀音橋段生物古地理特征來看,應屬深水生態型。1.4層序地層與海平面有關晚奧陶世晚期的海平面變化,已有較多的的論述,而且多數人認為該時期的海平面均處于連續的下降狀態(穆恩之,1954;戎嘉余,1984;陳旭等,1986;耿良玉,1986;戎嘉余等,1987;汪嘯風,1989;成漢均等,1991;方一亭等,1993;周名魁等,1993)。這種認識主要是基于該時期華南洋殼板塊向北俯沖及南方大陸的冰川事件共同作用而引起海平面下降等基礎上。筆者等通過對宜昌地區奧陶紀層序地層研究認為(肖傳桃,1996),五峰期早期揚子地區海平面處于最大上升期,這一分析與馮洪真的古鹽度分析(馮洪真,1993)相吻合。由于海平面的最大上升,才使得以五峰筆石頁巖為代表的典型深水凝縮段的形成。觀音橋期本區處于高海平面時期,由于在高海平面時期洋流作用非常發育(姜衍文等,1993),從而形成以觀音橋段為代表的等深流沉積(見下文綜合特征)。作者認為,揚子地區五峰期早期海平面的上升是由于以下因素共同作用引起的。1.4.1機構組成的依據由于華夏板塊向西、西北的漂移,從而導致晚奧陶世南華洋(古華南洋)北段的逐漸閉合(段太忠等,1988;周名魁等,1993;殷鴻福等,1999)。這一閉合作用使得南華洋西北側的揚子板塊東南緣受到強烈擠壓,因此而導致揚子板塊內部的加劇下沉,同時海平面快速上升,深海盆地由早奧陶世江南區的東側逐漸向北西方向遷移,演變為晚奧陶世晚期揚子板塊的深水盆地。這一觀點可由以下幾點得到證實:①在寶塔期之前,沉積物的搬運方向始終是自北西的揚子區指向南東方向的江南區,此時江南區東南側的深水盆地區自晚震旦世晚期以來均為典型的遠洋細粒沉積(段太忠等,1988)。②自寶塔期之后,沉積物搬運方向正好相反,由東南指向北西(段太忠等,1988;周名魁等,1993)。該時期江南區東南側由深海盆地發展為具有巨厚粗碎屑巖沉積的大陸斜坡,而揚子地區則發育遠洋型細粒沉積,顯示了深水盆地向西北遷移(段太忠等,1988;周名魁等,1993)。③研究證明(黃志誠等,1991;蘇文博等,2002;汪嘯風等,1983),五峰組中發育有豐富的火山碎屑巖和斑脫巖,其中,火山碎屑巖高達97層,斑脫巖19層。斑脫巖已被證明屬于火山噴發成因(蘇文博等,2002)。火山碎屑巖和斑脫巖都被證明屬于中性到堿中性(黃志誠等,1991;蘇文博等,2002)?；鹕絿姲l頻率為8～18次/Ma。黃志誠根據五峰組中產大量放射蟲和大規模中性到堿中性的火山碎屑巖認為(蘇文博等,2002),五峰組屬深海沉積,火山碎屑巖與大陸邊緣強烈拉張的陸殼源巖漿作用有關,放射蟲硅質巖為深海環境的火山-生物成因。本文支持這一觀點。1.4.2間冰期海平面流動的觀點Jones等(1993)在研究東澳大利亞拉克蘭地區奧陶系等深巖時證實,南方大陸在五峰期處于間冰期,冰川的消融導致了海平面的上升,這一觀點與馮洪真(1993)的古鹽度分析不謀而合。即使是在冰川作用的早卡拉道克期和阿倫尼克期,對我國南方地區的海平面也未造成多大影響,此時揚子地區的海平面仍處于上升狀態(肖傳桃等,1996)。1.4.3海洋實行海洋氣象,發生了兩種不同研究表明(朱忠德,1993;肖傳桃等,1996),奧陶紀揚子地區發育了豐富的生物礁,這表明揚子大部分地區在該時期處于一種溫暖潮濕的熱帶—亞熱帶氣候。處于這樣一種氣候地區由于降雨量充足,因此,大量淡水的注入使得揚子小洋盆成為淡化海(成漢均等,1991;馮洪真等,1993),并引起海平面的上升。古鹽度分析表明(馮洪真等,1993),揚子地區五峰期存在著兩次海平面上升過程,分別發生于D.szechuanensis帶下部時期和D.bohemicus帶-G.persculptus帶時期。在海平面上升時期,海平面淡化明顯,表現為鹽度降低。1.5觀音橋段巖相特征揚子地區的觀音橋段具有以下共同地質特征:①分布廣而穩定,而且已達到甚至超過了顯生宙以來重要界線粘土層的分布范圍。這一分布特征是淺海相巖石地層單位的段包括部分組所不具備的。②具有極薄的厚度,一般為10～30cm,最大為1.1m左右,該特征亦是淺海相巖石地層單位的段所不具備的。從筆者對揚子地區所作的幾條剖面對比來看,上述特征是明顯的(圖1)。③具有極低的沉積速率(平均0.79m/Ma),這是淺海沉積區所不具備的。④含有洲際性分布的深水生態型動物群—Hirnantia-Dalmanitina動物群。⑤含有錳結核及含錳沉積物(盛莘夫,1974;周名魁等,1993)。眾多研究已證實(王琦等,1989;姜衍文等,1993;沈錫昌等,1993;許東禹等,1994),錳結核以及含錳沉積物主要形成于沉積速率極低的大洋底部,而且錳結核往往形成于大洋底部底流侵蝕的深部水道中。⑥該段顏色呈現出較典型的“雜色”,從黑色、灰黑色、灰色、灰綠色、灰黃色、棕色以及棕褐色等。筆者通過對已發現的深海沉積,特別是等深流沉積(段太忠等,1990;姜衍文等,1993;高振中等,1995)進行分析和研究后發現,觀音橋段所呈現出的顏色與半深海和深海等深巖的顏色很相似。⑦觀音橋段的巖性可分為碎屑巖(粉砂級為主、其次為砂級)、泥巖、泥質灰巖、生屑灰巖以及火山碎屑巖和斑脫巖等。其中,碎屑巖多具有逆粒序特征,泥級沉積物中多含砂或粉砂,泥巖、泥質灰巖中條帶狀構造發育,碎屑巖及生屑灰巖頂底多具侵蝕面,此外,紋層、生物潛穴及生物擾動構造較發育(成漢均等,1991),灰巖、泥灰巖常呈透鏡狀夾于泥、頁巖中(周名魁等,1993)。上述結構構造特征均為等深巖的較典型特征(段太忠等,1990;姜衍文等,1993;高振中等,1995)。本段的巖性、厚度、結構構造以及其下伏放射蟲與筆石硅質頁巖、上覆的筆石頁巖地層等方面特征都不支持該段屬于臨濱至陸棚相沉積?？v觀國內外歷史沉積,不難發現,在兩套很薄的地層即放射蟲、筆石硅質頁巖地層與筆石頁巖地層之間夾有一套厚度極薄的正常淺海相沉積物的實例實屬罕見。⑧從揚子地區觀音橋段不同類型的巖相(砂質巖相、泥質巖相和生物屑巖相)在揚子地區的分布具有呈席狀或巨型條帶狀分布特征。其中,砂質巖相大致沿川南雷波—綦江—川東南秀山—鄂西宜昌一線及其以北的地區分布;泥質巖相主要分布于川南雷波—綦江—川東南秀山—鄂西宜昌一線與黔北畢節—遵義—黔東南銅仁一線之間的地區以及下揚子地區;生物屑巖相主要分布于黔北畢節—遵義—黔東南銅仁一線以南以及川南漢源—威遠一帶。研究表明(姜衍文等,1993),席狀和巨型條帶狀等深巖是現代大洋中的主要類型,而席狀等深巖被認為是在相當封閉的深海盆地中形成的,因為封閉的盆地中深水環流受到攔截(Egloffetal.,1975;Floodetal.,1988;Faugeres,1993)。揚子地區觀音橋段的三種巖相類型總體呈現席狀特征,這一特征與本區該時期的大地構造和古地理背景相吻合。詳細情況有待進一步研究。⑨觀音橋段在揚子部分地區有缺失現象,甚至有缺失部分或全部五峰組的現象。本文認為,這是由于洋流侵蝕之故,并非陸上剝蝕而造成的。大量研究已證實(王琦等,1989;姜衍文等,1993;沈錫昌等,1993;許東禹等,1994),在大洋底部及大陸邊緣,底流作用非?；钴S,在底流能量強的地帶,先前形成的沉積物經常被侵蝕而帶走。因此,水下侵蝕不整合在等深巖中較為發育。基于以上研究,本文認為,揚子地區觀音橋段屬深海沉積,而且屬深海等深流事件沉積。揚子地區在五峰期和早龍馬溪期為深海小洋盆,龍馬溪中期屬大陸斜坡時期。研究表明(Vailetal.,1977;王鴻禎等,2000),奧陶紀是地球史上海侵最大的時期之一,同時也是冰川與冰融事件交替發育的時期(姜衍文等,1993)。而在海平面上升時期和高海平面時期以及冰川—冰融事件過渡時期,洋流事件經常發生(姜衍文等,1993;高振中等,1996)。因此,使得該時期的洋流沉積物較為發育。目前在下、中、上奧陶統中均發現有洋流沉積(段太忠等,1988,1990;高振中等,1995;Jonesetal.,1993),本文報道的洋流沉積為奧陶紀最晚期的例證。2火山形成的斑脫巖目前,在奧陶-志留系之交可識別出的地質事件主要有火山事件(黃志誠等,1991;蘇文博等,2002)、缺氧事件、冰川與冰融交替事件(Jonesetal.,1993)、銥和碳同位素異常事件、生物滅絕事件(汪嘯風等,1989)以及洋流事件等。其中,以火山事件和生物滅絕事件