二叠纪海平面变化研究

　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，它们具有如下共同特点：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。

研究海平面变化是层序地层学的主要内容之一，然而正确描绘海平面变化曲线涉及的问题很多，难度很大。目前，尚无一种人们普遍接受的理想的方法。

图5-5　四川峨眉二叠—三叠纪海平面升降史曲线比较图

前已述及，海平面升降曲线绘制的几种方法，均只代表某个地区的视上升和视下降，也就是说，为局部的构造活动制约下海平面侵进和退出的程度及持续的时限，因此不易与全球对比，特别是难以与相邻的大陆边缘海平面变化的同异性作出对比。
本次研究的重点是对峨眉龙门洞和广元上寺二叠纪、三叠纪剖面的海平面曲线用不同方法进行绘制，并对各种方法的结果进行比较。
图5-5和图5-6分别是峨眉、广元上寺二叠纪—三叠纪海平面升降曲线，以海岸上超曲线、体系域标定曲线等两种方法均反映的是这两个地区的视海平面的变化情况。同时，运用碳氧同位素信息对峨眉地区进行了绝对海平面变化幅度的定性—半定量研究，利用川中地区地震时间剖面资料，通过地震反射波阻抗上超点的追踪、标定等建立了二叠三叠纪海平面升降曲线。海平面绝对变化值曲线，则是进行古水深和沉降校正后，得到了二叠—三叠纪地区性海平面变化的绝对值，这些不同方法标绘的曲线具有相似性但也有差异。（运用Fischer图解研究视海平面变化的几种情况详见第四章）。
1.体系域标定的海平面曲线与海岸上超的含义及说明
体系域标定的海平面曲线是通过具有特殊标志的沉积物相，并结合生态相综合分析而得到。但它有海水深度的含义，指示了沉积环境，反映了视海平面的相对变化。海岸上超是由视海平面（相对海平面）上升的结果，表现为海域范围的相对扩大。视海平面变化是由全球性海平面升降的高度和区域性构造沉降和升隆的综合效应决定的。
广元上寺和峨眉地区在二叠—三叠纪时，处于两个不同沉积古地理相区。广元上寺为上扬子西部边缘区。峨眉地区位于扬子克拉通上，而且受成穹作用的影响，所以这两个地区的上超时序存在着差异：
（1）早二叠世时，上扬子西缘海平面上升速率最快，所以这两个地区都表现为碳酸盐海岸上超，上超曲线具一致性，但上超面可能是穿时的3级海平面变化周期，两者的海岸上超的相对幅度最高，反映了此时期的海域范围达到最大，而且这两个地区的构造沉降量也是一致的，第①～④层序的构造沉降量为35.2～59m。因此，这段时期内海岸上超的主要驱动机制是全球海平面变化。
（2）晚二叠世，两者古地理背景存在明显的不同，主要是早二叠世末东吴运动的结果，导致广元和峨眉地区处于了两个不同沉积古地理相区。广元上寺为碳酸盐台地的西部边缘，始终处于海域范围，而峨眉地区转为升隆的陆上环境，表现为海退。因此，造成两者海岸上超曲线存在重大差异（图5-5、图5-6）。
（3）早、中三叠世，广元地区仍为海相环境，峨眉地区在早三叠世印度期仍为陆相环境，早三叠世的海侵为奥仑期海源砂屑灰岩由西向东上超。海域范围进一步扩大，海侵具双向性，一是由北北西向南推进，二是由南东向北西推进。
（4）中三叠世拉丁期末是上扬子西缘的构造转折期，为周缘前陆盆地初始阶段，上扬子西缘处于前陆膨隆，由于各地沉降速率存在差异（图5-3，表4-2），在时空上成为隆拗相间的格局，上超年代根据生物标定。如广元缺失拉丁期沉积，而峨眉、安县一带仅有残留体，代表了拉丁期末天井山组上超的范围。
（5）晚三叠世中晚期以后，因前陆盆地的扩展，上扬子西缘已进入海平面下降的主体阶段，海岸上超线与二叠纪相比呈镜象反映（图5-5，图5-6），至诺利期、瑞替期沉积物为三角洲相，由底积层、水下扇和分支河道组成多个小层序，上超线只相应的以底积层的海泛面表示。

图5-6　四川广元上寺二叠—三叠纪海平面升降史曲线比较图

2.地震时间剖面确立的海平面曲线分析
图5-7中是地震标定的海平面变化曲线，主要根据川中地区的数十条地震剖面资料，通过地震波阻抗上超点追踪、对比和水平距离及升降幅度的校正后，得到的上超变化曲线，反映了上扬子西部地区的海平面相对变化格局。由于海岸上超发生于海泛开始，因此，这条曲线上超序列比地区性海泛面高点（图5-5，图5-6），在时间上超前。
地震资料的充分利用和进一步开发将对研究区内层序地层学中海平面曲线的认识和建立具有深远的意义，对指导油气勘探和固体矿产的普查工作将产生巨大的推动作用。Vail和Haq等人根据世界上47个地区的地震资料分别编制了显生宙、侏罗纪和新生代时期海平面曲线（Vail,1977），以及中生代的海平面变化曲线（Haq等人，1987）[8]。虽然许多地质学家对Haq和Vail的曲线持批评的态度，但在实际工作中却被广泛运用。遗憾的是他们却没有充分考虑东特提斯和我国的地质背景，因此笔者认为以Haq等人曲线作为全球性海平面曲线，对比编制本地区的海平面升降曲线尚不够充分。

图5-7　四川盆地由地震时间剖面资料解译的海岸上超及其海平面变化曲线（地震上超曲线何锂、田旁孝提供）

3.碳氧同位素信息揭示的海平面变化及其海域属性
运用δ13C和δ18O同位素变化信息可反映全球海平面变化（Williams等，1988）[9]，它仅能反映全球海平面升降的趋势，但不能揭示海平面变化的幅度。通过对峨眉龙门洞剖面进行系统采样，建立了三叠纪δ13C和δ180同位素变化曲线（图5-8）。由δ13C和δ18O值揭示奥仑阶初为海平面上升期，以嘉陵江组第一段为代表，地质记录由滨海砂屑灰岩超覆于下伏萨布哈细砂岩中砂岩之上，具明显的海岸上超现象。向上为一个正向的δ13C和δ18O值，反映了全球海平面持续下降，地质记录则为嘉陵江组第一段顶部的潮上白云岩和第二段的河流相的砂砾岩。从图5-8还可反映出嘉陵江组第四段与雷口坡组第一和二段的蒸发岩都是正向性，而海侵碳酸盐岩为负向值，其变化的转折点基本与正层序的界线相对应。

图5-8　四川峨眉龙门洞三叠系碳氧同位素演化

T1f—下三叠统飞仙关组；T1j—下三叠统嘉陵江组；T2l—中三叠统雷口坡组；T2t—中三叠统天井山组；T3k—上三叠统跨洪洞组
另外，T1/T2界面之间δ18O=－1.8‰和δ13C=4.4‰（图5-8），揭示了海平面下降过程中，以区域性分布的淡水淋滤层——绿豆岩为代表。在天井山组顶部（拉丁期晚期）也出现一次海平面下降过程，地质记录为陆上暴露古喀斯特面。可见，视海平面下降是由全球海平面下降和构造升隆共同结果，导致了视海平面下降加强，地质记录显著，野外易识别对比。
四川峨眉三叠纪时期，岩相古地理背景复杂，正常盐度海和高盐度海交替。研究中通过Weber的碳氧同位素计算海域属性函数Z=a（δ13C＋50）＋b（δ18O＋50）后，其中a＝2.048、b＝0.498；当Z＞120时为正常海相灰岩，当Z＜120时为淡化灰岩，同时结合沉积相等综合因素分析，建立了峨眉龙门洞剖面三叠纪海域属性划分方案，其蒸发岩层段都是高盐度海域（图5-9）。

图5-9　四川峨眉龙门洞三叠纪碳氧同位素信息揭示的海域属性

二叠纪是联合古陆生成、发展、演化的最重要时期。由于该期地层划分、界线对比、发育状况、露头特征及分布的特殊性，全球二叠纪层序地层研究程度相对较低。近几年来，随着地球科学的迅速发展，二叠纪层序地层及海平面变化研究取得了较大进展（Vail P R et al.,1977;Crowell,1978;Ross,1988;Ross et al.,1987a;Ross et al.,1987b;Veevers et al.,1987；覃建雄，1996;QinJianxiong et al.,1997；覃建雄，1994；殷鸿福等，1994；覃建雄，1994；覃建雄，1998），其中最典型的是Vail等（1977）,Crow ell等（1978）和Ross等（1988,1987a,1987b）的研究成果及相关的二叠纪全球海平面变化曲线。它们都具有如下共同特征：①具典型的向上变浅趋势（殷鸿福等，1994）；②最低海平面时期为晚二叠世鞑靼末期；③二叠纪（尤其是晚二叠世）次级周期海平面旋回过于简单，或仅以虚线代之（殷鸿福等，1994）；④通常局限于二叠纪某一时期。造成上述特点的原因是前人研究资料主要源于北美、欧洲及冈瓦纳地区（即联合古陆）（殷鸿福等，1994），这些地区二叠纪以海相→过渡相→陆相沉积序列为主，上二叠统通常发育不全，甚至缺失整个上二叠统。与此相反，以华南地区为代表的包括阿尔卑斯、外高加索、伊朗、北越、日本等地区在内的特提斯域，二叠纪普遍发育一套不同于联合古陆的新型沉积——海侵型碳酸盐岩沉积或碳酸盐－硅质岩旋回。

该区地层发育全、保存好、露头佳，先期地层、沉积、生物资料丰富，是进行二叠纪层序地层研究最理想的地区。文章立足于特提斯域，尤其是华南地区，结合全球诸大陆层序资料，对二叠纪层序地层及海平面变化进行再分析。

7.8.1　资料来源及特点

为确保二叠系资料的针对性和代表性，在搜集全球二叠系层序资料时，主要遵循如下原则：①剖面点应具全球分布特点，既包括欧亚和冈瓦纳大陆（即联合古陆），又涉及特提斯域；②注重各种构造、沉积背景的典型层序剖面，如克拉通内、克拉通边缘、被动边缘、活动边缘、深水盆地等；③力求二叠系层序资料的完整性，即选择的二叠系层序剖面不仅发育全，而且先期地层、生物、沉积等基础研究扎实。根据以上原则，此次研究资料主要源于代表北美克拉通陆架的西得克萨斯剖面和欧洲地台的南俄罗斯盆地剖面（图7.15G,H）；代表特提斯域不同沉积背景的剖面，如伊朗中部剖面、湖北利川剖面、安徽巢县剖面、广西河池剖面和贵州独山剖面（图7.15A—E）；代表冈瓦纳大陆的南非卡鲁剖面和西澳大利亚剖面（图7.15I,J）；代表欧亚板块东缘特殊地块——华北板块的山西太原剖面（图7.15F）。此外，尚参考全球各大陆不同构造－沉积背景的其他辅助剖面及区域资料。

7.8.2　全球二叠纪层序划分及对比

Ross等（1988）在前人资料（Vail P R et al.,1977;Crowell,1978;Ross et al.,1987a;Ross etal.,1987b）基础上，将北美西得克萨斯和南俄罗斯地台二叠系划分为14个层序，其中伦纳德统5个层序，瓜达卢普阶5个层序，奥霍统为4个层序（图7.15G,H）；将伊朗中部上二叠统划分为14个层序。综观上述诸典型剖面并结合全球二叠系区域资料可看出：①二叠系层序发育最全的是华南右江地区和西特提斯域，其他地区剖面的二叠系层序发育不全或保存不完整，通常缺失晚二叠世晚期地层，甚至缺失整个上二叠统层序，如北美得克萨斯中北部、堪萨斯、北英（图7.15E）。Veevers等（1987）将南非卡鲁盆地二叠系划分为10个层序，即下统6个，上统4个（图7.15I）。Crowell等（1985）将澳大利亚西部划分为9个层序，其中下统6个，上统3个（图7.15J）。我们将扬子地区二叠系划分为11个三级层序，其中下统6个，上统5个（图7.15B—D）；将右江地区二叠系划分为15个层序，其中下二叠统10个，上二叠统5个（图7.15A）；将山西太原二叠系划分为10个层序，其中上、下二叠统各5个（图7.15F）。英格兰、南俄罗斯地台、新疆北天山，以及非洲、南美、澳大利亚的大部地区，均不同程度地缺失上二叠统层序。②若以华南右江地区为标准，二叠系应发育15个层序，显然其他地区不同程度地缺失某一层序或部分层序或数个层序，其规律是二叠系底部缺失，如全球大部分地区；下二叠统顶部缺失，如华南地区；二叠系顶部缺失，如全球大部分地区；或二叠系顶、底及下二叠统顶部都缺失，如堪萨斯及北英格兰等地区。③二叠系共识别出3个等时的全球成因界面，它们分别是石炭系—二叠系界面、上、下二叠统界面、二叠系—三叠系界面。其中石炭系－二叠系界面年龄值为（285±5）Ma（覃建雄，1994），除华南右江盆地的台盆背景及西特提斯域局部地区外，全球表现为平行不整合接触，局部为角度不整合，如西欧和新疆北天山地区。上、下二叠统界面年龄值为（260±5）Ma（覃建雄，1994），在北美、欧洲、西伯利亚及南半球冈瓦纳大陆均为平行不整合（覃建雄，1998），具全球对比意义；在华南，上、下二叠统之间为平行角度不整合，华北地区大多为平行不整合。二叠系—三叠系界面为全球典型的地层不整合界面，生物地层、磁性地层、地球化学、岩浆活动、气候地层、生物事件及海平面事件研究结果（覃建雄，1994）综合证实，二叠系—三叠系界线具全球成因特点，界面年龄值为（250±5）Ma（覃建雄，1994）。④根据化石带和关键层序界面，下二叠统层序S3～5在全球范围内可进行对比，其次是层序S_6～8，再次是层序S_11～13。至于层序S_1～2，除在华南右江地区、西特提斯域、南俄罗斯地台及北美得克萨斯西部有发育外，全球其他地区大都缺失，这与石炭纪末—二叠纪初构造运动或气候事件有关（覃建雄，1996）。关于层序S_9～10，除在华南右江地区西部、南俄罗斯地台和北美克拉通陆架保存较完整之外，其他地区大都缺失，这与早二叠世末构造运动造成的地层剥蚀有关，最典型的华南地区，由于东吴运动的影响，造成茅口组上部广泛缺失和区域喀斯特化。⑤上二叠统层序在特提斯域（如华南、伊朗、外高加索中部）表现为一套完整的海相碳酸盐岩或碳酸盐岩－硅质岩混合沉积，其中化石带、层序界面及内部构型等对比资料充分，而联合古陆大部地区即使有保存，均以陆相或过渡相层序为主，生物化石较少，层序对比相对困难。但通过上覆、下伏地层关系、层序界面特征和高精度生物地层研究，特提斯域和联合古陆两大构造体系之间，可建立某种联系或层序对比。

图7.15　全球二叠系典型剖面层序对比简图

（E、G、H据Ross等，1988;J据Crowell,1985;I据Veevers,1987）

1—灰岩；2—砂岩；3—冰碛层；4—砾岩：5—礁；6—颗粒灰岩；7—硅质岩；8—煤；9—硅质泥岩；10—砂质灰岩；11—泥灰岩；12—云岩；13—云灰岩；SBⅠ—Ⅰ型界面；SBⅡ—Ⅱ型界面；A—河池部面；B—独山剖面；C—利川剖面；D—巢县剖面；E—伊朗中部剖面；F—太原剖面；G—得克萨斯剖面；H—南俄罗斯剖面；I—南非剖面；J—澳大利亚剖面；F₁—Schwagertan带；F₂—Misellina带；F₃一Parafusulina带；F₄—Cancellina带；F₅—Neoschwagerina带：F₆—Yabeina带；F₇—Godonofusiella带；F₈—Nankingella带；F₉—Gallowayinell mettienensis带：F₁₀—Paleofusulina sinensis带

7.8.3　二叠纪全球海平面升降事件

全球二叠系层序划分及对比结果表明，二叠系15个三级层序代表15次三级周期相对海平面旋回产物，其中至少有6次海平面升降事件具全球成因意义（图7.16），它们分别是伦纳德初期海平面上升、瓜达卢普早期海平面上升、瓜达卢普末期海平面下降、卡赞早期海平面上升、鞑靼早期海平面上升及鞑靼末期海平面下降事件。

7.8.3.1　伦纳德期初期海平面上升

此次相对海平面上升波及联合古陆和特提斯地区，具体表现为：①在南非、巴基斯坦、澳大利亚等地区，冰碛层、陆相沉积和煤层直接超覆在泥盆系之上（覃建雄，1994）；②在北美地区，伦纳德统海侵灰岩超覆在宾夕法尼亚系顶部不整合面之上（覃建雄，1994）；③在东欧，萨克马尔阶海侵灰岩分布范围明显拓宽，并逐渐超覆于阿瑟尔阶岩溶灰岩之上（Ross,1988）；④在华南克拉通及其边缘、华夏克拉通及其边缘，海侵碳酸盐岩超覆在泥盆系—石炭系顶部不整合面之上；⑤华北地区表现为过渡相—陆相沉积超覆在石炭系顶部不整合－整合面上；⑥在中国北方海槽、西南海槽，陆相—过渡相地层超覆于石炭系顶部角度/平行不整合面上；⑦在生物方面，首次出现seudoschwagerina,Daimnia或Missellina类、有孔虫带分子。此次海平面上升事件与准冰川型海平面变化有关（覃建雄，1996），证据主要有：a.南非、澳大利亚、东西伯利亚等地发育冰碛层及冷水动物群（Veevers et al.,1987）;b.欧美地区发育同期非暖水碳酸盐岩沉积（Caputo,1985;Ross,1984）;c.石炭纪—二叠纪冰川事件始于威斯藩期，在斯蒂藩期—萨克马尔期达到顶峰，伦纳德期逐渐消融，至瓜达卢普期结束（Dickins,1987），这与华南地区石炭纪、二叠纪之间平行不整合面及其上广泛分布的栖霞组非暖水碳酸盐岩不谋而合（殷鸿福）；d.华南地区石炭纪末—二叠纪初，地层平缓、构造稳定、无火山活动记录，暗示石炭系、二叠系之间假整合可能与冰川活动有关；e.与二叠系其他层序相比，栖霞组层序（S_1-3）的δ¹⁸O、δ¹³C值、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值偏高，S^2-、C、A及Sr含量偏大，而古氧值及含盐度显著偏低，暗示与冰川型海平面变化有关（覃建雄，1996）。

7.8.3.2　瓜达卢普期早期海平面上升

该时期为特提斯域早二叠世最大海侵时期，造成下二叠统二级层序的凝缩层（覃建雄，1996），全区无论是深水盆地还是浅水台地或被动边缘，普遍发育眼球状灰岩、页状藻灰岩、硅质岩或硅质灰岩，大量出现新兴生物分子，如Altudoceras,Paracellites,Parafusulina和Polydiexodina等北美地台和特提斯生物区的重要分子（Ross,1988），以及华南上扬子的Neoschwagerina带、右江地区的Cancellina和桂东—桂北的Kufengoceras,Altudoceras带分子。在冈瓦纳古陆同期地层中，初始发育滨海相或过渡相含煤岩系。另外，华南地区同期地层中有机碳、锶、总烃含量、δ¹⁸O、δ¹³C值最高，古氧值、孔渗度最低，阴极发光最弱（覃建雄，1996）。

7.8.3.3　瓜达卢普期晚期海平面下降

由于该期全球海平面下降，造成以下地质记录：①联合古陆面积明显增大，揭开了北美、欧洲及冈瓦纳大陆晚古生代二级周期海退历程的序幕（覃建雄，1994），并以发育华力西末期的蒸发盆地及河湖相沉积为特色，顶部发育区际不整合面；②特提斯洋面积不断缩小，并发育古陆和岛弧；③在华南地区，古地理格局发生巨变，古陆规模和浅水面积明显扩大，如川滇古陆向东扩张，右江盆地四周隆起形成新的古陆和岛弧，包括大新古陆的出现。与此同时，江南古陆和云开古陆也隆出水面，深水盆地向西南收缩；④华南、华北地区、北方海槽和西南海槽大部暴露地表，遭受风化剥蚀，造成下二叠统茅口组顶部缺失及0～50m不等的风化残积相；⑤在下二叠统茅口组上部通常缺失Yabeina带及Neoschwagerina带或有关分子，大量珊瑚、腕足类、菊石、有孔虫等属种不同程度绝灭；⑥相应层位δ¹⁸O、δ¹³C值明显降低，不溶残余物含量、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、A、阴极发光强度、古氧值、孔隙度等参数发生显著变化（覃建雄，1996）。

图7.16　二叠纪海平面相对变化与全球对比

7.8.3.4　卡赞期早期海平面上升

广泛的海平面上升仅局限于特提斯域（覃建雄，1996），如华南、伊朗、外高加索、阿尔卑斯、北越和日本等地区，其次是南俄罗斯地台、北英格兰以及巴基斯坦盐岭地区（Ross,1988），以海相灰岩、硅质灰岩超覆于下二叠统顶部造成不整合面为特征。此次海侵不仅奠定了特提斯域晚二叠世古地理轮廓，而且也开辟了该区盆地转换的新篇章，其中以华南地区为典型，主要标志有（覃建雄，1998）：①各古陆不同程度淹没；②右江地区由被动陆缘裂谷盆地→弧后裂谷盆地，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。华夏古克拉通边缘基本上以陆屑沉积建造占绝对优势；③造成众多生物群复生，如Codonofusiella,Prototoceras,Spinomarginifera,Streptorbynchus,Gigantopteris,Labatanularia等属种多为该期首次大量出现分子；④同期层序地化方面，δ¹⁸O、δ¹³C、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、有机碳、A、S^2-等值不断增大，古氧值、MgO及酸不溶残余物含量、孔隙度则不断减小（覃建雄，1996）。

7.8.3.5　鞑靼期早期海平面上升

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、伊朗及日本等地区，主要特征包括：①同期硅质灰岩、硅质岩超覆于先期灰岩喀斯特面或煤层之上；②Gallowayinella meitienensis带分子的首次出现；③华南地区海域突然增大，水体明显加深，主要表现为江南古陆沉没消失，川滇古陆、越北古陆、马关古陆、大新古陆明显退缩，陆屑相带向古陆退覆，相应灰岩－硅质岩相带明显向古陆超覆；④在层序地化曲线上，δ¹⁸O、δ¹³C、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、C、A、S^2-及Sr含量不断增大，古氧值及酸不溶残余物含量明显减小（覃建雄，1996）。该期海平面上升事件与古特提斯洋裂谷作用有关。

7.8.3.6　鞑靼期末期海平面下降

该期北美、西欧、俄罗斯及冈瓦纳等全球大部分地区表现为大陆剥蚀状态，海相沉积局限于特提斯域（覃建雄，1994）。该期海平面下降具短期低幅特点（覃建雄，1998），明显标志是全球性平行不整合面及其上面在全球分布有1～5cm的粘土层，其中富含瓣鳃类化石（覃建雄，1996）。二叠纪末—三叠纪初的全球性生物绝灭、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（覃建雄，1994）。在联合古陆非海相地区主要表现为其对先期沉积间断面的叠加和改造。在华南川滇古陆东部广大台地区及右江裂谷盆地背景，二叠系顶部表现为δ¹⁸O、δ¹³C、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr达最小值，C、A、S^2-等总体变小，古氧值、MgO、酸不溶残余物含量趋于增大（覃建雄，1996）。该期海平面下降事件结束了特提斯域二叠系层序的发展史。

7.8.4　二叠纪全球海平面变化类型及成因

综观全球不同地区二叠纪相对海平面曲线演化规律（图7.16），二叠纪全球海平面旋回可划分为两个分支：一是反映主体海平面上升的海平面变化；二是反映主体海平面下降的海平面变化。前者局限于特提斯域，最典型的是华南（尤其是西南地区）、巴基斯坦、外高加索、阿尔卑斯、伊朗、北越及日本等地，以海侵型碳酸盐岩、硅质岩或海侵型碳酸盐岩沉积序列为特征。后者广泛分布于联合古陆，如北美、欧洲、中亚、南非、澳大利亚、印度等地区，以海相碳酸盐岩或碳酸盐岩－碎屑岩→海陆交互相或陆相沉积序列为特征。造成上述明显差异的根本原因是由于二叠纪特殊的全球构造古地理及演化特征所致（覃建雄，1997）。

二叠纪全球构造古地理格局表现为由劳亚大陆和冈瓦纳大陆耦合成的联合古陆、特提斯洋及游离于其中的华夏古陆群（覃建雄，1994）。其中华北和华南两地块在二叠纪时有相当的纬度差，华北地块平均300，更趋于劳亚大陆；华南地块平均100，与外高加索、阿尔卑斯、伊朗、北越和日本等地块漂游于特提斯洋中。二叠纪是欧亚大陆和冈瓦纳大陆不断耦合、联合古陆逐渐形成的过程，当时，南美、非洲、澳大利亚、印度等处于联合古陆南部腹地，以发育陆相沉积为主；北美、欧洲大部地区位于联合古陆北部大陆边缘，由于受联合古陆局部物源的影响（Ross,1988），从早二叠世→晚二叠世表现为从海相沉积到非海相为主的逐渐变化过程；欧亚地区，如西伯利亚和华北板块主体处于联合古陆东部边缘（覃建雄，1994），发育含煤地层→干旱内陆盆地沉积。与此相反，由华南地区、阿尔卑斯、外高加索、伊朗、北越、日本等构成的华夏古陆群在二叠纪时游离于特提斯洋中，处于陆棚浅海—内部浅海台地背景（殷鸿福等，1994），由于受特提斯洋裂谷作用的影响，发育一套与特提斯域发展同步的海侵碳酸盐岩沉积序列或碳酸盐岩→硅质岩序列。

综上所述，提出两种二叠纪全球海平面变化曲线类型：一是建立在欧美及冈瓦纳地区资料基础上的与联合古陆发展同步的反映主体海平面下降的欧美型或经典型；二是建立在华南、伊朗、北越、日本、外高加索地区资料基础上的与特提斯域发展同步的反映主体海平面上升的特提斯型或华南型。主要依据有：①联合古陆二叠系发育不全，通常缺失部分或所有上二叠统，而特提斯域同期地层发育齐全，更能详尽地反映全球海平面变化史；②联合古陆以陆相沉积为主，特提斯域以海相碳酸盐岩－硅质岩为主；③联合古陆具向上变浅序列，而特提斯域则为典型的向上变深层序。

7.8.5　主要结论

1）二叠纪至少有6次相对海平面升降事件可进行全球对比，它们是伦纳德期初期海平面上升、瓜达卢普期早期海平面上升、瓜达卢普期末期海平面下降、卡赞期早期海平面上升、鞑靼期早期海平面上升及鞑靼期末期海平面下降事件。

2）二叠纪相对海平面变化主要受全球构造－古地理控制，最高海平面时期在联合古陆为瓜达卢普期早期，在特提斯域为鞑靼期晚期；最低海平面在联合古陆为鞑靼期晚期，在特提斯域为瓜达卢普期末期。

3）二叠纪全球海平面旋回曲线包括两种类型：其一是具海相→陆相沉积序列的反映主体海平面下降的经典型或欧美型；其二是具碳酸盐岩→碳酸盐岩－硅质岩沉积序列的反映主体海平面上升的特提斯型或华南型。

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