高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

沉积故事 峨眉沉浮安可悉,乌蒙煤海藏踪迹

发布日期: 2020-11-04 阅读次数:
  • 分享到:

用微信扫码二维码

分享至好友和朋友圈

王学天  邵龙义


0 引言——问苍茫峨眉,谁主沉浮?

峨眉山大火成岩省ELIP)是我国最著名的大火成岩省,形成于中、晚二叠世之交,主要分布于我国西南地区,以风景秀丽的峨眉山得名。大火成岩省指规模巨大、岩性主要为镁铁质的喷出岩和侵入岩,记录了地球上规模最大的火山活动。这些火山活动不仅可导致全球气候变化和生物大灭绝等重大地质事件,而且在成矿作用方面亦具有重要意义(徐义刚等,2013)。自地质学家赵亚曾先生提出“峨眉山玄武岩”以来,对峨眉山大火成岩省的研究已有九十余年历史。借古诗《登峨眉山》以概之:

蜀国多仙山,峨眉邈难匹。

周流试登览,绝怪安可悉?

大火成岩省的形成机制可通过对称地幔柱模型解释(Campbell and Griffith, 1990)(图1A, 1B)。ELIP的地幔柱成因证据包括:1)大规模火山作用前的穹状地壳隆升,ELIP根据抬升幅度差异可分为内带、中带与外带(图2);2)放射状岩墙群;3)火山作用物理特征;4)短暂喷发过程(图3)及火山链年代特征;5)地幔柱岩浆化学组成及空间分布(何斌等,2003;徐义刚等,2007,2013)。这些特征使得ELIP成为佐证对称地幔柱模型的典型案例(Campbell and Griffith, 1990)。

然而,上述观点自提出以来一直受到质疑,争论焦点主要在于第一个识别特征,即ELIP是否存在喷发前大规模地壳隆升, Ukstins Peate and Bryan (2008)通过枕状玄武岩及水下碎屑重力流沉积研究认为ELIP喷发初期为水下环境Sun et al. (2010)也通过牙形石生物地层对比认为喷发初期存在快速沉降,这种喷发前的快速沉降则符合近些年兴起的非对称地幔柱模型Burov and Gerya, 2014)(图1C, 1D)。

1  对称地幔柱模型(A,B)与非对称地幔柱模型(C,D)所对应的地表抬升演化史(E)(据Hales,2005;Burov and Gerya, 2014


1 地质背景——古来万事东流水,浮沉随浪遗乌蒙

晚二叠世ELIP喷发后,ELIP内带隆升形成玄武岩高地(康滇高地),其东侧剥蚀产物由河流向东南搬运至上扬子内克拉通盆地右江深水盆地(Yang et al., 2015,盆地内自西向东依次为山前冲积平原、河流冲积平原、滨海平原、局限台地和开阔台地沉积环境(图2)。此时,华南板块位于古赤道附近,温暖湿润的热带气候适宜于泥炭地的发育。在上扬子内克拉通盆地发育了一套从陆相到海相的含煤地层,称为乐平统含煤岩系(邵龙义等,2013),以贵州六盘水地区煤炭资源最为丰富,被称作“西南煤海”。

图2  (A)峨眉山大火成岩省-扬子克拉通盆地源-汇系统示意图,构造要素据王小川(1996),峨眉山大火成岩省分区据何斌等(2003);(B)晚二叠世(~254Ma)华南板块位置,据Domeier and Torsvik(2014);(C)华南板块构造要素及古地形,据Wang and Jin(2000)

对于ELIP地表过程的认识主要来自于喷发前及喷发期沉积记录的岩石学特征及年代厘定,以及喷发后深部地球物理特征与相邻盆地的沉积记录(图3)。其中,乐平统含煤岩系可提供喷发后ELIP内带晚二叠世期间面积范围、地势高度、构造抬升和风化剥蚀等信息,可通过基于源-汇系统古地理重建等方法获取(图4)(He et al., 2006Yang et al., 2018;邵龙义等,2019)。

 

 上扬子克拉通盆地中-上二叠统地层划分对比,以及峨眉山玄武岩时空分布特征

 

4  -汇系统中记录的构造、气候、海平面及内动力信号

2 天文年代约束的层序地层格架——潮水定可信,天风亦可期

乐平统含煤岩系中可识别出4个反映区域海平面变化的三级层序界面(SB),据此可划分出3个三级复合层序(CS)。其中,底部SB1为中、上二叠统的界线,与卡匹敦阶末期大规模海退和区域穹状隆起有关;SB2和SB3包括下切谷底部侵蚀面、河间地古土壤及沉积相转换面;顶部SB4为二叠系-三叠系界线,岩性特征及古生物特征的显著差异反映了古气候、古环境的剧烈变化。区域广泛分布的海相标志层与四级层序最大海泛面对应。根据海相标志层可划分出12~17个四级层序,且四级层序数量自东向西减少,反映乐平统底部界面具有明显的穿时性(图5)。

乐平统含煤岩系记录了显著的米兰科维奇天文轨道周期信号,以405 kyr 长偏心率周期最为显著,其对应的沉积旋回在河流影响较弱的潮坪及碳酸盐台地中最为明显。长偏心率周期与四级层序具有良好的对应关系,结合海相标志层对比和火山灰层锆石定年可建立年代约束的层序地层格架。

 

5  滇东黔西乐平统含煤岩系天文旋回——层序地层格架对比图


3 沉积区古地理及聚煤作用——潮起沙洲层林染,随波直至夜郎西

晚二叠世上扬子内克拉通盆地古地貌西高东低,物源来自西侧康滇高地,海水由东南方向侵入,经历一次海退后再次海侵时转为自东向西侵入。沉积环境自西向东依次为山前冲积平原—河流冲积平原—以三角洲和潮坪为主的滨海平原—碳酸盐台地。成煤泥炭沼泽主要发育于三角洲平原分流间湾、潮坪-潟湖和河流岸后泛滥平原中,以潮汐作用影响的下三角洲平原聚煤作用最强(图6)。受海平面变化、盆地基底沉降及物源供给的综合影响,古海岸线以富源为轴旋转式迁移(图7A),泥炭沼泽发育的盘县三角洲水城三角洲在相当于夜郎古国的范围内(滇东黔西)随之进退。晚二叠世长兴期大幅海侵,成煤泥炭沼泽扩展至夜郎古国以西的宣威—彝良一带(邵龙义等,2013)。

6  晚二叠世上扬子内克拉通岩相古地理演化 ADG)三级层序CSICSIICSIII地层厚度与灰岩百分比;(BEF)三级层序CSICSIICSIII砂泥比与煤厚百分比;(CFI)三级层序CSICSIICSIII岩相古地理图


4 物源区古地理及地表过程——万里峨眉百丈峰,山耸风摧千秋衡

晚二叠世康滇高地剥蚀区面积约为十万平方公里,为南北走向的山脉。主峰位于永仁附近,为放射状岩墙群的汇聚中心(李宏博等,2013)(图7B)。康滇高地东侧有五条河流汇入上扬子内克拉通盆地聚煤区,根据流域宽度与流域长度的地貌比例关系模型推测主分水岭位于楚雄-永仁-攀枝花一线(图7A)。根据河流沉积通量BQART模型可得到康滇高地最大地势高度,其在晚二叠世期间从海平面附近升高至约200 m。康滇高地构造抬升速率风化剥蚀速率相互制衡,使地势在晚二叠世中晚期逐渐进入均衡状态(图8)。将沉积区中的陆源碎屑回填至物源区,可知康滇高地晚二叠世期间构造抬升幅度达到700 m以上。

图7  (A)晚二叠世康滇高地物源区古流域示意图;(B)峨眉山玄武岩厚度等值线(张云湘等,1988),放射状基性岩墙群(Li et al. 2015),ELIP内带范围及推测抬升区(He et al. 2003;李宏博等,2013)

8  康滇高地晚二叠世古地势(A)、剥蚀速率(B)、累计抬升幅度(C)与抬升速率(D


5 峨眉山地幔柱的地表响应过程——水落石出见峨眉,浮沉异势分外清

基于晚二叠世ELIP内带地表演化过程,认为峨眉山地幔柱的地表响应过程符合非对称地幔柱模型。峨眉山地幔柱影响下的上扬子克拉通盆地演化可分为三个阶段,分别为喷发前抬升阶段、喷发前及喷发期沉降阶段、喷发期及喷发后抬升阶段(图9)。

地幔柱活动前,上扬子克拉通盆地在中二叠世早期为稳定碳酸盐台地。

溢流玄武岩喷发前的抬升阶段持续了几百万年,地幔柱动力上升形成水下穹状隆起,从ELIP外带向内带水深变浅,茅口组灰岩厚度减薄。

喷发前及喷发期沉降阶段持续时间短暂,仅约为一百万年。本阶段早期,卡匹敦阶末期大规模海退、古老断裂及地幔柱相关同生断裂形成的差异性沉降、古特提斯俯冲系统远场应力导致的起伏地貌以及穹状隆起产生的正地貌,使部分地区暴露水面遭受风化作用,而在其他地区的水下环境中则发育枕状玄武岩及碎屑重力流沉积。本阶段晚期,ELIP内带大量溢流玄武岩引起的区域荷载作用,使得ELIP内带周缘发生挠曲沉降,所形成的可容空间将碎屑重力流沉积约束于小江断裂带附近(吴鹏等,2014)。当溢流玄武岩逐渐充填下凹地形,则逐渐转为陆相喷发。

喷发期及喷发后抬升阶段持续时间可达数十百万年,直至晚三叠世。ELIP内带地势持续抬升遭受剥蚀,剥蚀产物进入相邻盆地。东侧上扬子内克拉通盆地自西向东依次发育山前冲积平原、河流冲积平原、滨海平原及碳酸盐台地。

9  地幔柱影响下克拉通盆地演化过程 (A) 中二叠世稳定的碳酸盐台地; (B) 喷发前穹状隆起阶段;(C)喷发前及喷发期沉降阶段;(D)喷发期沉降阶段;(E)喷发期及喷发后抬升阶段


6 启示——试登峨眉偶得

源-汇系统古地理重建能够在沉积区研究的基础上,有效获取物源区古地理、古地貌和地表演化过程的信息,有助于更好地理解物源供给、地貌演化、海平面变化和构造活动的相互联系,是联系岩相古地理和构造古地理的重要纽带。

对于存在争议的地学问题或者相互矛盾的地质现象,在更高分辨率的时空框架下有可能获得更为完善的统一认识。

 

本文研究成果于20206月发表于《Earth-Science Reviews》,题目为“Evolution of a plume-influenced source-to-sink system: An example from the coupled central Emeishan large igneous province and adjacent western Yangtze cratonic basin in the Late Permian, SW China”。第一作者为中国矿业大学(北京)博士研究生,通讯作者为中国矿业大学(北京)教授。本文属作者理解,相关问题交流欢迎通过邮箱wxskyer@gmail.comShaoL@cumtb.edu.cn与作者联系。更多详情请进一步阅读原文及参考文献。

 

主要参考文献

[1] Burov E, Gerya T. Asymmetric three-dimensional topography over mantle plumes[J]. Nature, 2014, 513(7516): 85-89.

[2] Campbell I H, Griffiths R W. Implications of mantle plume structure for the evolution of flood basalts[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1990, 99: 79-93.

[3] 何斌, 徐义刚, 肖龙, . 峨眉山大火成岩省的形成机制及空间展布:来自沉积地层学的新证据[J]. 地质学报, 2003, 11(2): 194-202.

[4] 李宏博, 张招崇, 李永生, . 峨眉山地幔柱轴部位置的讨论[J]. 地质论评, 2013, 59(2): 201-208.

[5] 邵龙义, 高彩霞, 张超, 西南地区晚二叠世层序——古地理及聚煤特征. 沉积学报, 2013, 31(5): 856-866.

[6] 邵龙义, 王学天, 李雅楠, . 深时源-汇系统古地理重建方法评述[J]. 古地理学报, 2019, 21(1): 67-81.

[7] Ukstins Peate I, Bryan S E. Re-evaluating plume-induced uplift in the Emeishan large igneous province[J]. Nature Geoscience, 2008, 1: 625-629.

[8] 吴鹏, 刘少峰, 窦国兴. 滇东地区峨眉山地幔柱活动的沉积响应[J]. 岩石学报, 2014, 30(6): 1793-1803.

[9] 徐义刚, 何斌, 黄小龙, . 地幔柱大辩论及如何验证地幔柱假说[J]. 地学前缘, 2007, 14(2): 1-9.

[10] Yang J, Cawood P A, Du Y. Voluminous silicic eruptions during late Permian Emeishan igneous province and link to climate cooling[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 432: 166-175.

[11] Yang J, Cawood P A, Du Y, et al. Early Wuchiapingian cooling linked to Emeishan basaltic weathering?[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2018, 492: 102-111.

 

相关文章

1.  地形变化的起因和结果是什么?

2.  大数据驱动下的数字古地理重建——现状与展望

3.  试着揭开Guadalupian末期(~2.6亿年前)生物大灭绝的面纱:微生物、生物礁与大火山

4.  德干大火成岩省喷发前是否造成了显著的地表抬升?

  • 分享到:

用微信扫码二维码

分享至好友和朋友圈

x 关闭 永久关闭