地质背景综述
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发布时间：2022-04-23 18:18
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时间：2023-09-16 21:13
对研究区地质背景的了解，尤其是大地构造属性与地层区划及地层系统、岩相古地理轮廓的总体分析与把握，是开展层序地层学研究的必要前提。
一、地层区划特征
研究区位于湖南、湖北交界地带，属于上扬子地台东南缘，具有较典型的被动*边缘特征（王鸿祯，1978,1981,1982；赖才根等，1980,1982；王鸿祯主编，1985；王鸿祯等，1986,1990；周明魁等，1992；刘宝瑁等，1993）（见图1）。根据沉积类型、生物面貌、沉积厚度及层序结构以及顶底界特征等原则（王鸿祯，1978），自北向南，研究区可分属以下三个地层区类型（湖南区调队，1986；曾庆銮等，1987）。其总体特征如下：
（1）大致沿桃源热市—慈利龙潭河—吉首一线以北（北西），岩性及岩相与峡东宜昌一带类似。其奥陶系下部为较纯的碳酸盐岩，夹少量泥页岩；其上部则为泥质较多的碳酸盐岩，并有碳硅质笔石页岩等，最顶部为观音桥层。靠近慈利一带，奥陶系顶部—志留系底部则多有不同程度的缺失。生物群以三叶虫、头足、腕足等为主，间有笔石等。总体厚度300～400m。属于一种基底较稳定的台地相区沉积环境，即扬子区。
（2）以桃源九溪—黄石和慈利陈家河一带为代表，基本上沿武陵山南坡呈北东—南西向延伸。该区奥陶系沉积厚度较大（700～1000m）。其下部地层，自两河口期至牯牛潭期，以含泥的碳酸盐岩为主，夹多层碳酸盐角砾岩等碎屑流沉积，向上逐渐过渡为泥质—粉砂质沉积。奥陶系上部，自庙坡期至五峰期，该区则与扬子区相似，为含泥的碳酸盐岩与碳硅质笔石页岩，顶部出现观音桥层。生物群以扬子型为主，夹有江南型，反映了一种沉积基底较活动、沉降较大的台地边缘斜坡沉积环境，属于通常所说的扬子区和江南区之间的过渡区（武陵山小区）。
（3）以桃江响涛园—安化毛铺子一带为代表，奥陶系为一套厚度不大（300m±）的硅泥质、碳泥质、粉砂质板状页岩，中上部夹含锰碳酸盐岩及近源型浊积砂砾岩。其顶底分别与寒武系、志留系呈连续沉积，生物群以笔石为主体。与前两区相比，总体上显示出远离碳酸盐台地、相对饥饿的深斜坡－盆地沉积背景。该区即属于扬子区与华南区之间的过渡区，习称江南区（雪峰分区）。
二、地层划分与对比
上扬子地台东南缘的峡东—湘西北地区，是我国华南地区奥陶系经典研究区之一。地层研究工作最早可以追溯到20世纪初20、30年代。李四光（1924）、田奇镌等（1933）、王钰（1938）以及孙云铸（1941）等地学前辈，曾在该区内做过许多开创性研究。新中国成立以来，更有许多学者在此进行了多方面、多层次的工作，如杨敬之、穆恩之（1954）、张文堂（1957,1962,1982）、金玉琴等（1959,1964）、刘义仁、傅汉英（1984,1989）、安太庠等（1980,1987）、汪啸风等（1980,1983,1987），等等。另外，湖北省和湖南省地矿局所属单位等，则对该区进行了地质填图及专题研究，如湖北省地矿局三峡地层研究组、原地质矿产部宜昌地质矿产所、湖北及湖南区调队等。数十年的积累，已使该区的生物地层学及相关研究达到较高的水平。宜昌黄花场剖面等已成为我国奥陶系指定层型剖面（赖才根等，1982；汪啸风等，1987）。
本文基本沿用该区现有的地层系统（表1-1）。奥陶系的年代地层特别是阶根据赖才根等（1982）以及汪啸风和陈旭等（1996）的划分综合而成。笔石带、牙形石带则分别参照安太庠（1987）、倪世钊等（1987）、陈旭等（1993）、汪啸风和陈旭等（1996）、张建华（1996）等人的资料综合。寒武—奥陶系暂以Cordylos lindstromi带的底界为界，奥陶—志留系暂以Glyptograptus persculptus带底界为界（汪啸风等，1987,1992）。系、阶界线年龄分别采用Harland等（1989）以及王鸿祯、李光岑（1990）和王鸿祯（1996）的数据。岩石地层划分基本根据曾庆銮等（1987）、湖南区调队（1986）及汪啸风和陈旭等（1996），但此次在湘西北划分出了大田坝组、舍人湾组等，并对桃花石组等岩石地层单位的界线，从层序地层学的角度进行了重新厘定（参见第八章）。
表1-1 上扬子东南缘奥陶系多重地层划分对比表
三、沉积环境及古地理演化
已有的研究表明，奥陶纪时，扬子地台总体上处于靠近冈瓦纳*的南半球低纬度地区（王鸿祯等，1985；汪啸风等，1987;Chen和Rong,1992；刘宝珺等，1993;Wang和Chen,1995），这使得扬子地台奥陶系的地层沉积总体上以碳酸盐岩为主。但是，由于晚期的古纬度要比早期稍稍靠南（王鸿祯，1985；汪啸风等，1987;Chen和Rong,1992；刘宝珺等，1993;Wang和Chen,1995），并因此更多地受到了冈瓦纳*冰川及深凉水背景的影响，使得这块地台在奥陶纪晚期，无论沉积类型还是生物群面貌，都呈现出有别于早期温暖浅水的深凉水特征来（戎嘉余，1984;Chen,1984；陈旭等，1986；戎嘉余等，1987；曾庆銮，1991；王志浩等，1996）。而从鄂西到湘中，从碳酸盐台地内部经其边缘向陆棚斜坡和盆地的沉积相区的横向变化，使得该地区沉积环境的在时空上的演替，变得更为复杂多样（湖南区调队，1986；周名魁等，1993；刘宝珺等，1993；汪啸风等，1996）。尽管如此，在总体上，奥陶纪时本研究区及所在的上扬子地台仍可分为两个较大的沉积阶段，即：
1.正常温暖浅水碳酸盐台地阶段
该阶段时限为两河口期—红花园期。它们基本上继承着震旦纪末期以来的沉积背景和格局。这一阶段，研究区内又可分为以下三个相区：
（1）台地相区：自慈利龙潭河—桃源热市一线以北，包括峡东地区在内的广大区域；
（2）台缘斜坡相区：以桃源九溪—黄石及慈利陈家河一带为代表，沿武陵山南坡呈北东—南西向延伸的狭长地带；
（3）深水陆棚（斜坡）—盆地相区：以桃江响涛园—安化毛铺了—带为代表，沿雪峰山南麓向东南展布的地区。
2.淹没深凉水碳酸盐台地阶段
该阶段自大湾期开始，直到五峰期末。在这一阶段，上述的前两个相区基本合二为一，普遍发育含较深水环境生物组合的瘤状泥灰岩、具收缩纹泥灰岩等，呈现出较典型的广海陆棚沉积环境，但第三相区仍然存在。该阶段又可以牯牛潭期和庙坡期之间为界，分为前后两个次级阶段。前后相比，后者则发育有代表滞流、还原背景的黑色硅质碳质笔石页岩，反映了沉积环境等曾有较大变化。
“构造控制盆地，盆地控制沉积”（王鸿祯，1992）。下面，作者将以古斜坡坡度及沉积基底构造沉降速率的测算，来概括性地揭示研究区的沉积环境及古地理变化。
Middleton和Hampton（1973）曾经以大量而翔实的实际资料，总结过地层中碎屑流的厚度与古斜坡坡度角的关系，并提出了如下的经验公式：
Tcrit＝（K＋σntanφ）/ρ1gsinθ
其中Tcrit为碎屑流沉积岩的厚度，K为碎屑流静力学强度，σn为正常沉积静力学强度，φ为摩擦角，θ为斜坡角，ρ1为碎屑流润湿密度。对于润湿未固结的沉积岩，由于φ接近于零（Schofild和Worth,1968），因此上述公式可简化为：
Tcrit=K/ρ1gsinθ
又根据D=8.8K/g△ρ可求得K。其中D为重力流可搬运的最大球状砾石直径，g为重力加速度，△ρ为碎屑流和基质的密度差，因此
sinθ＝D·△ρ/8.8ρ1Tcrit
又因为对颗粒支撑的重力流而言，ρ与灰岩密度近等，即等于2.73g/cm3，△ρ则可近似地视为1.73g/cm3，所以
sinθ＝0.072D/Tcrit θ＝arcsin（0.072D/Tcrit）
按照这一公式，根据研究区碎屑流沉积中最大等轴状或近等轴状砾石粒径数据，对古斜坡坡度和碎屑流静力学强度进行了估算，结果如表1-2所示：
表1-2 研究区奥陶纪古斜坡坡度及碎屑流静力学强度表
注：HJ即九溪剖面，HH为桃源黄石镇剖面，HC为慈利陈家河剖面。O1p即盘家嘴组，O1m即马刀育组这三条剖面均属于武陵山小区。HX则为桃江响涛园（南石冲）剖面，O2n即南石冲组，属于湘中区。
从上表中可以看出：
（1）研究区奥陶纪古斜坡坡度为0.12°～1.40°。它们包含在现代所观测的可发生碎屑流的斜坡角范围中（0.1°～6.5°）（Embley,1976;Jacobi,1976），与李杰测算的川陕及湘黔交境晚寒武世发生碎屑流沉积的古斜坡坡角（0.28°～2.49°；1.07°～2.35°）相比较，总体上也是一致的。
（2）研究区内碎屑流静力学强度值的范围在102～104Pa之间。这与A.M.Johnson（1970）关于现代地表泥石流的强度（102～104Pa）及刘宝珺（1990）关于湘黔地区寒武纪碎屑流静力学强度（102～104Pa）李杰关于川陕、湘黔交境地区晚寒武世碎屑流静力学强度（103～104Pa）是基本吻合的。
（3）如果测量值没有大的偏差的话（不排除因露头面积所限、所能见到的最大等轴粒砾石的直径有可能会偏小等），那么，奥陶纪早期湘北九溪一带的古斜坡坡度角，看起来总体上要比晚期湘中响涛园一带的大一些。同时，根据当前的坡度测算值，并参考台地边缘湘北热市—茅草铺一带当时的古水深（潮间带附近）等，可以估算出湘北九溪一带和湘中响涛园一带古斜坡在理想状态下的“古水深”。其中，前者大多为100～200m，后者则为350～700m左右。这也从另一个角度说明了问题：前者属于碳酸盐台地前缘斜坡，后者则可能已属外陆棚缓坡地带或盆地相区（王鸿祯，1985；湖南区调队，1986；周名魁等，1993；刘宝珺等，1993）。前者大体上或可与现代热带－*带海洋的大堡礁及巴哈马台地边缘等相比照，后者则大致可与我国东海及黄海陆架外部等相对应。同时，这也表明，此前有关九溪一带“下奥陶统存在着等深流沉积”的认识（高振中等，1995）是令人怀疑的，至少是值得商榷的。
由此可见，上扬子地台东南缘湘西北—湘中一带的沉积基底，自北西向南东，大致上从坡度稍陡的碳酸盐台地前缘斜坡，逐渐转换为坡度较缓的外陆棚缓坡或盆地相区，基本上继承了震旦、寒武纪以来的面貌（刘宝珺，1991；刘宝珺等，1993）。而由于红花园期之后碳酸盐岩台地的被淹没（刘宝珺等，1993）和沉积充填，坡度稍陡的碳酸盐台地前缘斜坡，已随之转化为坡度较缓的陆棚缓坡的一部分。即自大湾期开始，研究区的沉积基底环境又有了一些改观。
Von Bubnoff（1954）最早运用了时间－沉积厚度曲线，即平均沉降速率来表达沉积盆地沉降史。尽管它比现在的“反剥法”所达到的精度稍低，数值稍小，但最终所获得的趋势与后者是基本一致的（刘宝珺等，1993）。因此，在缺乏孔隙度及压实比等参数的情形下，人们仍可以直接用现在的实测地层厚度，参照一些界线年龄来求得这一数值。下图即为作者根据研究区的4条奥陶系基干剖面的实测数据，参照现有的奥陶系各阶年龄（表11），做成的研究区奥陶纪基底沉降曲线（图1-1）。
图1-1 研究区奥陶纪基底沉降曲线对比图
Ⅰ—桃江响涛园；Ⅱ—宜昌黄花场；Ⅱ—桃源热市－茅草铺；Ⅳ—桃源九溪
从图中可以看到以下特点：
1.各区基底沉降速率的差异
总体上沉降最大、最快的地区是九溪剖面所代表的武陵山小区，即台缘斜坡区。其次是热市—茅草铺剖面所在的八面山小区，它属于台地相区，但非常接近台地前缘斜坡，大致相当于枢纽带（hinge）附近。再次则是黄花场剖面所在的峡东区，属台地内部相区。沉降最小、最慢的地区是响涛园剖面所在的湘中区，属外陆棚斜坡－盆地相区。这说明相区的形成及地层区的划分，实际上首先是由沉积基底的稳定程度所决定的。
2.各地区普遍存在这样几个基底沉降演化阶段
（1）两河口—红花园期：属于强沉降阶段。沉降速率范围为4～25m/Ma，顺序为九溪＞热市＞黄花场＞响涛园。反映研究区所在的上扬子地台及其边缘，总体可能处于一种热沉降拉伸或裂谷状态（Miall,1990;Einsele,1992；刘宝珺等，1993），并有可能最终导致了整个地台区和碳酸岩台地的被淹没（刘宝珺等，1993）。这一时期不仅在斜坡（湘西北九溪一带）及盆地相区（如湘中新化等地）均出现了较典型的类复理石式浊积岩（湖南区调队，1986），而且在台地内部相区的峡东一带，也出现了碳酸盐角砾岩等重力流堆积（雷卞军等，1996），可能就是这种应力背景状态的一个突出表现。
（2）大湾—牯牛潭期：属于弱沉降阶段，沉降速率范围降低为1.9～7.3m/Ma，总体上远远小于前一阶段的幅度，但顺序有所变化，为九溪＞响涛园＞黄花场＞热市。其中前两者的速率十分接近，不过，响涛园的沉降幅度却超过了前期。而后两者的幅度比前期减少了许多。反映出上扬子地台及其边缘的热沉降拉伸或裂谷状态，比前期减弱了许多，并可能有某种调整。因而在其末期导致了上扬子地台及其边缘整体露出海平面，并遭受到不同程度的剥蚀（汪啸风等，1996）。
（3）庙坡—临湘期：属于极弱沉降阶段。沉降速率均变得非常低，为0.7～1.2m/Ma，四个地区很相似，仅九溪剖面稍稍小些。反映出研究区总体上可能处于构造沉降甚小、整体较为稳定的均衡状态，并很可能在早期出现了较快、较大幅度的海平面上升，造成了缺氧事件，从而使其代表性产物－黑色笔石页岩，几乎遍布原来各个相区（湖南区调队，1986；曾庆銮等，1987）。后期虽有改观，但总体仍远离物源区——不管是碎屑岩滨岸，还是碳酸盐台地，属于一种相对稳定、还原的沉积环境，因而有利于较为均一、厚度不大的瘤状泥灰岩、具收缩纹泥灰岩的形成（陈旭等，1986）。并在末期有可能逐渐暴露或接近暴露，因而一些地点出现了白云岩等（刘永耀等，1984）。
（4）五峰期：总体属于弱沉降阶段，但各地差异较大。沉降速率范围可从2m/Ma增至12m/Ma。其中，热市一带因后期剥蚀缺失而难以估算，余者的顺序为九溪＞响涛园＞黄花场。反映该区可能又出现了新的热沉降拉伸，如湘中桃江—安化一带发育了近源浊积岩（徐熊飞，1980）。末期则因出现了挤压状态（刘宝珺等，1993），造成了以热市一带为代表的湘鄂黔交界地区局部隆升成陆，并遭受剥蚀（穆恩之，1954；湖南区调队，1986）。
