西南地区二叠纪层序地层及海平面变化
8.4.1 背景
随着层序地层学理论的飞速发展，二叠纪层序研究取得了较大进展（Machel et al.,1988;Snyder,1991;Whalen,1992;Wehr et al.,1992;Melim et al.,1995;Joachimski,1994;Veevers etal.,1987;Steinhauff et al.,1995;Qin et al.,1996;Lindsay,1991;Hollan,1993;James,1992；Weimer,1992;Cook et al.,1992;Posamentier et al.,1993;Schlager et al.,1992;Macdonald,1991；覃建雄等，1996；覃建雄等，1995）。Dennison等（1984）,Miall等（1984）,Charles等（1988）,Sarg（1991）,Tucker（1991）,Leven（1992）,Beauchamp（1992）,Kotlyer（1993）,Ross等（1993）,Baud（1993）,Morin等（1994）,Noe（1994）,Osleger（1995）等分别对全球不同地区二叠纪不同时期层序进行了初步研究，取得了丰硕成果，归结起来，它们具有如下***同特点：①二叠纪为典型的向上变浅海退旋回；②晚二叠世尤其是鞑靼期为全球最低海平面时期；③二叠纪尤其是晚二叠世次级周期海平面旋回过于简单。根本原因在于他们所依赖的资料主要源于北美、西欧、俄罗斯及冈瓦纳等，这些地区构成二叠纪联合古陆的主体，晚二叠世沉积记录不全，海相甚少，以陆相为主，其至缺失部分或相当上二叠统，显然它们所反映的仅只是欧美地区及冈瓦纳大陆的主体海平面下降事件，而不具全球代表性。与此相反，以华南地区为典型代表的包括阿尔卑斯、外高加索、伊朗、北越、日本等在内的整个特提斯域，二叠纪普遍发育与联合古陆具反向效应的反映主体海平面上升的海侵型碳酸盐岩沉积序列，并局部显示非暖水碳酸盐岩成因特点（殷鸿福等，1994）。西南地区即由金沙江－红河断裂、绿汁江断裂、龙门山断裂、城房断裂和钦防断裂所围限的滇东、贵州、广西和四川大部地区（陈洪德等，1990）（图8.16），作为位于古特提斯洋中低纬度陆块典型代表的华南板块的一部分，然而，该区层序地层研究起步较晚（曾允孚等，1993；刘宝珺等，1993；夏文臣等，1994；陈北岳等，1994；殷鸿福等，1994；许效松等，1995；覃建雄等，1996），进展相对缓慢。可见，在西南地区开展层序地层、海平面变化研究，建立层序地层、盆地充填格架，不仅对油气勘探具有重大现实意义，而且对了解该区板块构造属性和演化及其与特提斯、环太平洋构造域之间的关系，促进联合古陆计划的实施和实现，发展非暖水碳酸盐岩理论，修订和完善二叠纪全球海平面旋回曲线，具有重大理论意义。针对该区研究现状及争论焦点，笔者通过沉积盆地类型及沉积体系特征研究，以露头层序地层学理论为指导，辅以多重、动态地层学方法，结合地震和测井资料，综合研究不同盆地、不同相带、不同主干剖面的微相、相、相旋回、准层序、准层序组、体系域、层序及界面特征，进行剖面间、相带间、盆地间和区域范围对比和追踪，建立西南地区二叠系层序地层格架，在此基础上，系统阐述该区二叠纪相对海平面变化史，并进行全球对比。
图8.16 二叠纪沉积盆地类型及分布
A—上扬子克拉通盆地；B—右江被动陆缘裂谷盆地（P1）—弧后裂谷盆地（P2）；C—十万大山前陆盆地；D1钦防被动陆缘走滑盆地。①金沙江－红河断裂；②南盘江断裂；③钦州－北海断裂；④冷水江－桂林断裂；⑤绿汁江断裂；⑥龙门山断裂；⑦城房断裂
8.4.2 地层格架
西南地区二叠纪地层研究程度较高，但争议颇大，主要表现为：①岩石地层单元区域对比；②年代地层“阶”的确切层位限定；③底界划定等问题。笔者根据本区二叠纪岩石地层、年代地层及生物地层研究的最新进展，结合层序地层研究特点，采用表8.1所示的地层划分方案，即自下而上由栖霞组、茅口组、吴家坪组和长兴组构成。二叠系底以不整合面或暴露面（上扬子沉积间断区）和相应整合面（右江连续沉积区，即Schwagerina tschernyschewia带之底）为界，相应年代为（280±3）Ma（Cowie et al.,1989;Ross et al.,1993；殷鸿福等，1994）；顶以凝灰质层（对应于 带Palaeofusulina sinensis带顶界）为界，相应年代为（250±5）Ma（Cowie et al.,1989;Ross et al.,1993；殷鸿福等，1994）；上、下统以区域不整合面为界，对应年代为（260+5）Ma（Cowie et al.,1989;Ross et al.,1993；殷鸿福等，1994）；栖霞－茅口阶界线以富Mesogondollella nankingensis带分子的页状藻灰岩或眼球状灰岩超覆区域暴露面为特征，相应年代为（270±2）Ma（殷鸿福等，1994）；吴家坪－长兴阶界线对应于Codonorusiella带或Prototoceras带顶界，并以富Pseudotirolites带或Paleofusulina带分子的海侵型碳酸盐岩或硅质岩超覆上二叠统第三套区域煤层为特征，对应年代为（255±2）Ma（殷鸿福等，1994）。
表8.1 西南地区二叠纪地层格架
8.4.3 沉积盆地类型及特征
加里东运动使扬子准地台和华夏准地槽连接构成统一的华南板块（黄汲清，1981）。自泥盆纪始，随着古特提斯洋的开启，华南板块周缘尤其是西南地区处于张性应力场背景，二叠纪沉积盆地正是在此背景条件下发育形成的，它是晚古生代沉积盆地演化的一个环节，具有明显的继承性，但因早二叠世末东吴运动的影响，早晚二叠世沉积盆地呈现明显的差异性。根据晚古生代沉积盆地形成过程及演化趋势、基底和同生断裂活动形式、距离板块边缘位置、地壳类型、沉积作用、层序充填样式和形成的驱动力等，将西南地区二叠纪沉积盆地划分为克拉通盆地、被动陆缘裂谷盆地、弧后裂谷盆地、被动陆缘走滑盆地和前陆盆地5种类型。各种盆地特征及分布见图8.16和表8.2。
8.4.4 沉积体系特征
沉积体系是指在沉积环境和沉积作用方面具有成因联系的三维岩相组合体（Fisher et al.,1976），两个以上反映相关沉积过程的沉积体系构成沉积体系组（depositional system sets）（Richard,1983），作为盆地生成、发展、演化过程的产物，它反映盆地的构造背景及性质的演变，根据岩石类型、岩相组合、生物组合、沉积组构等，西南地区二叠系可划分为3个沉积体系组和12个沉积体系（表8.3）。其中，残积体系、台盆及盆地体系中的混屑浊积岩为典型的低水位期产物；河口湾体系、潮控三角洲体系、海侵型丘礁滩组合、陆棚体系、深水缓坡、开阔台地、斜坡体系中的钙屑碎屑流，以及台盆和盆地体系中的（放射虫）硅质岩相构成海侵体系域主体；冲积扇体系、河流体系、浪控－河控三角洲体系、滨岸－潮坪沼泽体系、浅水缓坡、台地潮坪－潟湖、白云质丘滩礁组合、斜坡体系中的钙屑重力流、台盆及盆地硅质灰岩、灰泥岩、硅质灰泥岩组合通常为海平面高水位期产物。
表8.2 西南地区二叠纪沉积盆地类型及主要特征
表8.3 西南地区二叠纪沉积体系简表
①特指右江被动陆缘裂谷盆地和钦防被动陆缘走滑盆地中的斜坡体系。
8.4.5 层序划分及特征
根据层序关键界面、体系域配置关系及生物化石带，结合层序地球化学特征，在西南地区二叠系首次识别出11个三级层序，平均时限为2.7Ma。其中，栖霞组3个（S1～S3）、茅口组3个（S4～S6）、吴家坪组3个（S7～S9）、长兴组2个（S10～S11）,4个Ⅰ型层序，7个Ⅱ型层序，它们与岩石地层、年代地层、生物地层、化学地层格架关系，以及准层序、准层序组、体系域、层序及界面特征归结于图8.17和表8.4中。限于篇幅，此不详述。
表8.4 西南地区二叠纪层序划分及特征简表
续表
续表
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①为混合陆棚的一种，特指由陆屑内台地和具镶边碳酸盐外台地构成的混合陆棚。
8.4.6 海平面相对变化及全球对比
西南地区二叠系所划分的11个三级层序，代表11次海平面相对升降周期，相当于11个三级旋回，它们在特提斯域范围均可追踪。通过 带、牙形石带和菊石组合，至少有6次海平面升降旋回可与欧美地区二叠纪海平面变化相对比，具有全球意义（图8.17）。它们分别是伦纳德期（Leonardian）早期海平面上升、瓜达卢普期（Guadalupian）早期海平面上升、瓜达卢普期（Guadalupian）末期海平面下降、卡赞期（Kazanian）早期海平面上升、鞑靼期（Tatarian）早期海平面上升、鞑靼期（Tatarian）末期海平面下降。
图8.17 西南地区二叠纪海平面相对变化及全球对比
（地层系统及时间据Cowie et al.,1989;Ross et al.,1993；殷鸿福等，1994）
8.4.6.1 伦纳德期（Leonardian）早期海平面上升
由于受沉积基底的影响，造成上扬子地区为克拉通缓坡，右江地区为被动陆缘裂谷盆地，桂东南为继承性被动陆缘走滑盆地的古地理格局，并形成向北超覆的总体南厚北薄的海侵型碳酸盐岩沉积。其中，首次出现Pseudoschwagerina-Pamiria带或Misellina带分子。由于受石炭纪—二叠纪主冰期后极地残余冰盖消融导致的准冰川型全球海平面变化（Veevers et al.,1987）的影响，造成相应的伦纳德期非暖水碳酸盐岩沉积，主要证据有，①岩石色暗，类型单一，地层分布广泛且稳定，炭泥质、沥青质或有机质含量高，缺氧特征明显，富含有孔虫－软体动物骨屑组合和冰水矿物六水碳钙石（殷鸿福等，1994），缺乏颗粒灰岩和生物礁，白云岩化微弱，鲕粒、球粒、核形石等少见，发育硅质条带及团块，富有机质沥青灰岩等，揭示了冰水驱动盐度差异造成的大洋密度分层事件；②欧洲及北美地区发育同期非暖水碳酸盐岩沉积（Veevers et al.,1987）；③澳大利亚东南部和西伯利亚东部石炭纪—二叠纪冰期沉积实为区际性冰川事件，并一直持续至晚二叠世鞑靼期（Veevers et al.,1987）；④石炭纪—二叠纪冰川事件始于威斯蕃期（Westphanian），在斯蒂蕃期—萨克期（Stephannian—Sakmarian）达到顶峰，伦纳德期逐渐消融，至瓜达卢普期结束（Whalen,1992）。这与华南地区石炭纪—二叠纪间平行不整合及其上广泛分布的栖霞组冰川型碳酸盐岩不谋而合，而在晚石炭纪—早二叠世为华南地区构造最稳定时期，且无火山活动记录，揭示冰川型全球海平面变化产物；⑤与茅口组、吴家坪组及长兴组相比，栖霞组层序的δ18O、δ13C值以及87Sr/86Sr比值偏高，S2-、C、A、Sr含量偏高，而古氧值及含盐度则显著偏低。暗示与冰川海平面变化有关，并具全球成因特点。
8.4.6.2 瓜达卢普期（Guadalupian）早期海平面上升
早二叠世为华南地区最大海侵时期，造成下二叠统二级层序的凝缩层。受其自南向北超覆的影响，川滇古陆逐渐缩小，海域不断扩大，奠定了早二叠世浅海轮廓。在上扬子地区发育区域性眼球状灰岩和页状藻灰岩，右江地区开始出现生物礁及丘滩组合，并具有随海侵方向由老变新趋势。此外，在同期沉积物中普遍富含新兴生物带分子。如上扬子地区首次大量出现Neoschwagerina带分子，桂西首次大量出现Cancellina带分子，桂北首次出现Tachylasm组合、浮游组合和Zoophycos组合，桂中首次出现Kufengoceras-Altudoceras带分子，其中Altudoceras、Paraceltites为特提斯域动物群的重要分子，并在北美地区广有分布（覃建雄等，1994）。另外，有机碳、锶、总烃含量、δ18O、δ13C值最高，古氧值、孔隙度最低，阴极发光最弱。在欧美地区表现为高水位期浅海碳酸盐岩沉积，并发育已进化的Pararusulina和Polydiexodina等标准化石带分子（Ross et al.,1988）。在冈瓦纳大陆及西伯利亚地台，以海陆过渡含煤岩系为主。
8.4.6.3 瓜达卢普期（Guadalupian）晚期海平面下降
由于该期全球海平面下降，导致整个华南地区发生海退，海域逐渐向SW向收缩，造成茅口组顶部区域性平行不整合、古岩溶地貌和0～50m不等的大陆河湖—残积相沉积。应该指出的是，由于局部构造叠加改造，右江地区四周隆起，出现古陆和岛弧，海槽关闭，沉降中心向西迁移，从而进入弧后裂谷盆地发展阶段。除继承性台盆外，碳酸盐孤台暴露地表，风化剥蚀，形成残留台盆与岩溶孤台相间分布的特殊地貌。在川滇古陆东缘，仅残留有相当层序S6高水位体系域中下部层位，局部缺失相当Yabeina带或Neoschwagerina带沉积甚至整个层序S6，而且造成大量珊瑚、腕足类、菊石、有孔虫和 等科属不同程度的灭绝。另外，界面附近的δ18O、δ13C值明显降低，不溶残余物含量、87Sr/86Sr、MgO、CaO、C、S2-、A（氯沥青含量）、Sr、阴极发光强度、古氧值及孔隙度等演化曲线均发生显著变化，古生代二级周期海退历程的序幕，以发育华力西晚期的蒸发盆地及河湖相沉积为特色，顶部发育区际不整合。各种资料证实，瓜达卢普期晚期海平面下降实为由板块作用驱动的构造型全球海平面变化事件。
8.4.6.4 卡赞期（Kazanian）早期海平面上升
广泛海平面上升仅局限于特提斯域。此次海平面上升造成西南地区自南向北的海侵，初步奠定了晚二叠世海域轮廓，揭示了西南乃至华南地区地史演化的新篇章。右江地区由被动陆缘裂谷盆地→弧台裂谷盆地，桂东南由被动陆缘走滑盆地→前陆盆地，上扬子地区由碳酸盐台地→混合陆棚台地。该期海平面上升除了导致右江地区台盆加深扩大和孤台相应缩小及相关海侵型沉积序列外，尚造成①Codonofusiella带、Prototoceras带、Spinomarginifera-Streptorhpnchus组合以及Gigantopteris nicotianaefolia-Lobatanularia组合和分子的首次出现；②在区域不整合面上，海侵型陆屑－碳酸盐沉积不断向古陆方向上超；③沉积地球化学标志为δ18O、δ13C值、87Sr/86Sr，以及C、A、S2-、Sr及CaO含量等不断增大，古氧值、MgO含量、酸不溶残余物及孔隙度则不断减小，阴极发光强度递增。欧美地区同期地层以海陆交互相沉积为特征，并含相应的海、陆相动植物化石带分子。
8.4.6.5 鞑靼期（Tatarian）早期海平面上升
该期为二叠纪最后一次主体海平面上升事件，影响范围局限于华南、阿尔卑斯、外高加索、伊朗、北越、日本等地区。此次海平面上升造成西南地区①Gallowaginella meitienensis带分子的首次出现；②层序S10自南向北超覆在层序S9顶部区域性煤层或喀斯特面之上；③海域突然增大，水体明显加深，主要表现为江南古陆沉没消失，川滇古陆、越北－马关古陆、大新古陆不断退缩，陆屑相带向陆退覆，相应碳酸盐台地明显扩大；④在层序地球化学演化曲线上，δ18O、δ13C值、87Sr/86Sr值不断增大，古氧值及酸不溶残余物明显减小，该期海平面上升事件与特提斯洋的裂谷作用有关。
8.4.6.6 鞑靼期（Tatarian）末期海平面下降
该期在北美、西欧、俄罗斯及冈瓦纳等全球大部分地区主要表现为大陆剥蚀状态，海相沉积作用仅局限于特提斯域范围。该期海平面下降具短期低幅特点，最明显标志是全球性平行不整合面及其上全球性分布的1～5cm的粘土层，其中富含瓣鳃类化石。二叠系—三叠系界面处的全球性生物绝灭、磁极倒转、凝灰沉降、全球气候及构造等事件，可能与该期全球海平面下降事件有关。在欧美等非海相沉积区，主要表现为其对先期沉积间断面的叠加和改造。在川滇古陆东部广大地区以及右江裂谷盆地为孤台背景，层序S11高水位体系域顶部表现为古岩溶的广泛发育和 、有孔虫、菊石等的大量绝灭。在沉积地球化学演化曲线上，主要表现为δ18O、δ13C、87Sr/86Sr达最小值，C、A、Sr、S2-含量等总体变小，古氧值、MgO含量、酸不溶残余物含量趋于增大，该期全球海平面下降结束了西南地区乃至特提斯域二叠系层序的发展史。
从Vail等（1977）和Charles等（1988）所做的全球海平面旋回曲线（图8.17）可看出，前者将伦纳德阶和瓜达卢普阶作为二级旋回的下部海侵序列，将上二叠统作为上部海退序列；后者则将整个二叠系作为上古生界第二个二级旋回的上部海退序列。根据曾允孚等（1993）的研究，右江复合盆地下二叠统相当于华力西旋回的上部海退序列，上二叠统则作为印支旋回的下部海侵序列。考虑到西南地区甚至华南地区普遍不同程度的缺失泥盆纪和石炭纪地层以及茅口组顶部构造层序不整合面分布的广泛性，认为下二叠统是个相对独立的二级层序，其中栖霞组相当于海侵体系域，茅口组相当于高水位体系域，茅口组底部相当于凝缩层，类似于Vail等（1977）的情况（图8.17）。若结合 带、牙形石带和菊石组合等，则可进行全球对比。至于西南甚至华南地区栖霞组、茅口组6个三级层序中，栖霞组、茅口组均比欧美等全球大部分地区各缺少1～2个，这是由于栖霞组底部沉积缺失（S0）和茅口组顶部构造剥蚀（S7、S8）所致。在大部分连续沉积的右江台盆相区，实际上存在相当于栖霞组底部缺失段的层序S0，但考虑到层序界面特征和化石带对比，将它作为层序S1底部处理。
西南地区上二叠统层序演化曲线与Vail等（1977）和Charles等（1988）曲线存在显著差别（图8.17）。前者代表印支二级旋回中上二叠统—下三叠统海侵阶段早期，为海侵型碳酸盐岩沉积序列，类似地区包括阿尔卑斯、外高加索、伊朗、北越、日本等，相当于Dennison（1984）提出的特提斯地区上二叠统4个层序，其中卡赞阶的2个层序相当于西南地区吴家坪组的3个层序，鞑靼阶中的另2个层序与长兴组的层序S10、S11吻合，其顶、底界线完全一致。显然，西南地区上二叠统沉积层序在特提斯域最具代表性。而Vail等（1977）、Charles（1988）等的海平面曲线中短期旋回过于简单，原因是他们所依赖的资料主要源于北美、西欧、俄罗斯及冈瓦纳等，这些地区晚二叠世沉积记录不全，以陆相为主，海相甚少，甚至缺失了相当于部分或全部长兴期地层。可见，西南地区上二叠统层序及相应海平面变化特征具全球代表性。
图8.18 研究区构造背景和沉积盆地类型及分布
①红河断裂；②龙门山断裂；③城房断裂；④钦防断裂；⑤绿汁江断裂；⑥南盘江断裂；⑦丹池断裂；⑧江南断裂。A—上扬子克拉通盆地；B—右江被动陆缘裂谷盆地（P1）—右江弧后裂谷盆地（P2）;C—钦防被动陆缘走滑盆地（P1）—十万大山前陆盆地（P2）
因而强调，显生宙全球海平面旋回曲线中的晚二叠世部分，宜以中国西南地区曲线为参照并加以修改。殷鸿福等（1994）认为，造成上述差异的原因可能与当时分隔古、中特提斯的Cimmerides（中间陆块带）正快速向欧亚大陆移动、古特提斯从东向西逐渐接近和拼合有关。