南京地區早三疊世碳酸鹽沉積動力過程初探

高抒

南京大學地理與海洋科學學院，南京 210023

0 引言

古生代結束之時，環境巨變導致了生物大滅絕事件，此后的三疊紀表現出獨特的沉積特征，與石炭紀—二疊紀差異很大，卻與早古生代的特征接近[1-3]。在南京地區，石炭紀—二疊紀石灰巖總厚度約為300 m，前人研究極為詳盡，劃分出金陵灰巖、黃龍灰巖、船山灰巖、棲霞灰巖等四個種類。三疊紀早期，這里堆積了更厚的石灰巖（總厚度約為440 m），并命名為“青龍灰巖”。然而當時的學者對其感到困惑，它沒有繼承二疊紀的環境特征，青龍灰巖為薄層灰巖，含雜質較多，層理常有撓曲，化石甚少[4]。

數十年來，研究者們試圖重建生物大滅絕事件、解釋三疊紀沉積特征、提取環境恢復過程的信息[5-7]。在我國，自20世紀80年代以來，浙江長興、安徽巢湖和南京地區的早、中三疊世碳酸鹽沉積被廣泛關注[8-11]。

根據筆者對南京地區的野外考察，該區域多個地點有出露良好的三疊紀碳酸鹽沉積剖面，其中一處連續出露的地層厚度約為200 m。除生物地層、巖性分析、環境指標重建等，用沉積動力學方法獲取沉積環境信息，有助于沉積記錄的解釋。但傳統上沉積動力學是針對現代過程的，應用于地質時期的地層，其主要困難是現場觀測不可實施、系統的初始和邊界條件為未知、沉積物來源和去向的信息缺失。新的思路之一是根據復雜系統理論改進分析方法，如勘察式模擬技術（Exploratory Modelling）[12]。

在此次所關注的剖面中，有一段碳酸鹽巖和泥巖交替沉積的地層特別引人注目：該層序含有24 個周期的沉積記錄，它代表什么周期、物源來自何處、與區域環境—氣候變化的關系如何？研究的目的是采用基于系統狀態變量時間變率定義沉積動力學方法來探討該周期性沉積的形成機制，根據剖面沉積特征及物性和沉積構造參數，獲得其時間尺度、沉積速率、沉降通量、水層懸沙濃度、碳酸鹽物質產出、生物生產等各項環境信息。

1 材料與方法

1.1 研究地點與現場觀測

三疊紀開始的時候，研究地點所處的海洋稱為古特提斯洋；南京地區位于其東北部的巨大邊緣海，屬于陸架、陸坡環境，陸地位于本區域的北側和東側，兩大陸塊之間有通向泛大洋的水域[13]。陸源物質供給主要來自北方，東側陸地則要到較晚的時候才影響本區域[8]。

南京地區的海洋沉積主要形成于早三疊世[8]。地層自下而上分為殷坑階（殷坑組）、巢湖階（和龍山組、滄波門組）、關刀階（周沖村組）。到了中三疊世時期，海洋環境又延續了一段時間，以新鋪階的黃馬青組下部海相地層為標志，此后逐漸脫離海洋環境，在空間上沉積分異特征顯著，指示地形多變的沉積環境。

由于當地采礦和筑路作業，南京地區多處出露海相三疊紀地層。2022 年1 月19 日，在南京大學仙林校區附近發現一處特征性的剖面，并選為研究對象，其地理位置為118.953 7° E，32.098 7° N（圖1a）。該層序呈現周期性堆積特征，泥質沉積和碳酸鹽沉積交替出現（圖1b）；產狀測量顯示，地層走向為72°～252°，傾向NNW，傾角為40°，剖面幾乎與地層走向垂直，因而地層形態展示清晰。該層序下伏的剖面展示雜色鈣質頁巖、泥灰巖、瘤狀灰巖（圖1c），剖面的最下部出現厚層灰巖上的次生巖溶現象，而上覆地層為厚層和薄層深色灰巖、薄層淺色瘤狀灰巖（圖1d）。根據區域性地層特征[8,14]對比，目標剖面的地層屬于和龍山組；具體層位可與附近區域（江蘇省句容市）的剖面[11]相對照。

圖1 研究地點早三疊世碳酸鹽沉積（a）地理位置（底圖為衛星影像地圖）；（b）工作剖面特征（對角線距離12 m），顯示泥質沉積和碳酸鹽沉積的周期性堆積特征；（c）工作剖面的下伏層序特征（對角線距離5 m），巖性為雜色鈣質頁巖、泥灰巖、瘤狀灰巖；（d）工作剖面的上覆地層特征（對角線距離20 m），巖性為深色灰巖、薄層淺色瘤狀灰巖Fig.1 The profiles of Early Triassic carbonate deposits at the study site

2022 年1 月起對目標剖面多次開展野外工作。首先，對本區出露的相近產狀地層進行了踏勘，記錄總厚度約為200 m的層序特征，以便確定目標剖面在地層構架中的位置。其次，將現場觀測集中于目標剖面，測量沉積層厚度、記錄巖性和沉積構造特征、拍攝現場照片。最后，在現場觀測工作中穿插進行樣品和標本采集，因作業條件欠佳，操作難度大，此項工作目前尚未完成。

1.2 周期性沉積的時間尺度和沉積速率估算

殷坑組、和龍山組、滄波門組屬于早三疊世[8]，在研究地點的厚度約為200 m，經歷約6 Ma，因此，作為一級近似，若假設地層中泥質物質含量為10%、20%、30%或40%，則對應的沉積速率分別為0.33×10-5m/a、0.67×10-5m/a、1.0×10-5m/a、1.3×10-5m/a。這與現今海洋中遠海沉積的數值相似，代表低懸沙濃度的海洋環境[15]。

根據現場測量數據，可針對目標剖面作進一步計算。假設地層形成的時間長度與地層厚度成正比，則有：

式中：T為目標剖面沉積層形成的時間長度（a），H為沉積層厚度（m）。式（1）還間接給出了該沉積層的沉積速率（=H/T）。此外，目標剖面含泥質層和碳酸鹽層，因而可分別測量其總厚度。碳酸鹽物質堆積發生時也伴隨著泥質物質的堆積，各自所占的百分比取決于兩者沉積速率的對比[15-17]。因此，考慮泥質物質總量后的沉積速率為：

式中：Dm為泥質物質的沉積速率（m/a），Hm為目標剖面中泥質層總厚度（m），P為碳酸鹽沉積層中的雜質含量（%）。對于任何一個周期的沉積，有：

式中：H1為周期內泥質物質厚度（m），H2為碳酸鹽物質厚度（m），T’為與周期沉積形成的時間長度（a）。顯然，若Dm為已知，則周期沉積形成所需的時間長度可從式（3）獲得，并間接推算碳酸鹽沉積速率（詳見下文“結果”部分）。

1.3 物源供給的動力過程分析方法

沉積體系的特征可由特定的變量組合來表征，可將其中的一些關鍵變量看成為狀態變量，其余為自變量。按照復雜系統的觀點，刻畫狀態變量需要定義其隨時間的變率[18]。對于要研究的周期性沉積而言，狀態變量有兩個，即泥質層物質量Mm和碳酸鹽沉積層物質量Mc。根據沉積層的巖性和沉積構造，懸沙沉降是主要的堆積形式，包括從水層中、深海環流水體中沉降的物質，濁流和推移質輸運的堆積形態缺失，因而Mm的時間變率可表示為：

式中：Mm為泥質沉積總量（kg），γ為泥質沉積物容重（kg/m3），Dm為沉積速率（由式（2）定義），A為堆積區面積（m2）。泥質物質的沉積速率與沉降過程相聯系：

式中：C為懸沙濃度（kg/m3），ws為顆粒沉降速率（m/s）。式（5）表示，若沉積速率為已知，則可以反演懸沙濃度的值。

另一個狀態變量碳酸鹽沉積層物質量的時間變率為：

式中：Mc為碳酸鹽沉積層物質量，它是泥質物質、碳酸鹽顆粒、顆粒態有機質等沉降物質的總和，FI為碳酸鹽顆粒垂向通量，FO為水層顆粒態有機質垂向通量。式（6）表示，碳酸鹽沉積是含有雜質的，來源于水層中的泥質物質和有機質。作為一種生物成因的沉積，三疊紀碳酸鹽沉積來源于能夠產生鈣質物質和顆粒態有機質的生物過程，前者可進一步區分遠距離搬運的物質、鈣藻等生物顆粒，以及細菌等微生物分泌的物質，而后者來自水層初級生產所固定的碳。與泥質物質沉積速率相類似，這兩類物質的垂向通量為：

式中：CI和CO分別為碳酸鹽顆粒、有機質顆粒的濃度（kg/m3），wI和wO分別為其沉降速率（m/s），γI和γO分別為其容重。若碳酸鹽沉積的物質組成為已知，則式（7）、（8）定義了水層中的生物生產大小。應注意的是，沉積物中的有機質經過成巖作用等的改造，可能偏離當初的特征，此時需要調整有機質沉積速率、有機質垂向通量、生物生產之間的相關關系。

研究的計算流程如下：根據研究地點的泥質沉積、碳酸鹽沉積厚度測量數據，以式（1）估算沉積層形成的時間尺度；碳酸鹽沉積層中雜質含量的大小由式（2）估算泥質物質沉積速率以及周期性沉積的時間尺度；以泥質沉積為約束，以式（3）估算碳酸鹽沉積速率；最后以式（4）、（6）估算泥質沉積和碳酸鹽沉積的物質量變率，并由此反演物質來源狀況，其中FI根據物質組成而推算（詳見“結果”部分）；由于碳酸鹽沉積中有機質含量相對較小，此處暫時將FO忽略不計。

2 結果

2.1 觀測剖面的沉積特征

目標剖面含交替出現的泥質和碳酸鹽沉積，共48 層，構成24 個周期（圖2）。各層泥質沉積特征相似，為淺褐色或土黃色薄層泥巖、頁巖，層理厚度為毫米級，而碳酸鹽沉積有不同的特征，顯示出多樣性。

圖2 研究地點碳酸鹽沉積的剖面特征左側數字為垂向距離，層序頂部為0 cm，右側數字為層序中的沉積層編號，詳見正文沉積特征的描述Fig.2 Profile characteristics of carbonate deposits at the study sitevertical distance is represented by numbers on the left,0 cm being at the top of the sequence,and sedimentary layer numbers in the sequence are indicated by numbers on the right

每個周期的沉積特征簡述如下（按自上而下的順序，Hc表示碳酸鹽沉積厚度，Hm表示泥質沉積）。

周期24：Hc=40 cm，Hm=28 cm。周期性沉積的頂部，碳酸鹽沉積層為扭曲層理薄層灰巖（圖3a），下層為層理厚度不同的泥巖和鈣質泥巖夾層，最大層理厚度1 cm。

圖3 研究地點碳酸鹽巖的典型特征（a）褐色層面扭曲層理薄層灰巖（第44層，灰巖層標本垂向尺度40 cm）；（b）具模糊李澤岡環的泥質灰巖（第24層，標本垂向尺度22 cm）；（c）紅色斷裂面蠕蟲狀灰巖（第18層，標本垂向尺度50 cm）；（d）含“扁平礫石”的泥質灰巖（第16層，對角線為所在層的底部）（e）扁平礫石形態；（f）扭曲層理薄層灰巖（第10層，灰巖層標本垂向尺度30 cm）Fig.3 Typical characteristics of carbonate rocks at the study site

周期23：Hc=4 cm，Hm=24 cm。淺色含泥質灰巖，可見模糊紋層，下部泥巖、鈣質泥巖，最大層理厚度1 cm。

周期22：Hc=60 cm，Hm=21 cm。淺色灰巖、亮晶薄層灰巖，斷口處棱角明顯，向下過渡為黃色泥巖頁巖。

周期21：Hc=25 cm，Hm=12 cm。深灰色、灰色塊狀灰巖，斷口尖銳，可劃分為0.5～2 cm 的多層，其中含更小的紋層，下層面波狀起伏，與淺褐色泥接觸。

周期20：Hc=20 cm，Hm=0.5 cm?；疑y層灰巖，斷口尖銳，下部為黃色泥巖。

周期19：Hc=11.5 cm，Hm=0.5 cm。深灰色紋層灰巖，具蠕蟲狀灰巖形態

周期18：Hc=19 cm，Hm=2 cm。深灰色紋層灰巖，下部黃色泥巖、鈣質泥巖，最大層厚厘米級。

周期17：Hc=21 cm，Hm=6 cm?；規r和泥灰巖，具紋層，下部為薄層泥巖夾層

周期16：Hc=27 cm，Hm=0.5 cm。的泥質灰巖，具模糊的李澤岡環形態，下部為薄層泥巖夾層

周期15：Hc=27 cm，Hm=0.5 cm。蠕蟲狀灰巖，底部黃色頁巖夾層。

周期14：Hc=21 cm，Hm=7.5 cm。淺灰色紋層灰巖，底部為含鈣泥質沉積。

周期13：Hc=20 cm，Hm=5.5 cm?；規r、泥灰巖，底部為薄層泥巖。

周期12：Hc=22 cm，Hm=2 cm。棕灰色致密灰巖，具模糊的李澤岡環形態，底部為黃色薄層泥巖（圖3b）。

周期11：Hc=50 cm，Hm=1 cm。淺灰色泥質灰巖，含光滑而波狀起伏的上層面。

周期10：Hc=11 cm，Hm=2 cm。薄層灰巖、泥灰巖，底部為黃色薄層泥巖。

周期9：Hc=52 cm，Hm=6 cm。致密蠕蟲狀灰巖（圖3c），底部為黃色泥巖夾層。

周期8：Hc=23 cm，Hm=5 cm?；疑規r，下部為大粒徑的扁平石灰巖礫石，礫石的磨圓度好，粒徑為7～15 cm，礫石所在層向兩端延伸，范圍大于10 m（圖3d，e）；礫石蓋在下伏泥巖之上，使得泥巖的上層面不平整，底部礫石相對脫離，向上與周邊灰巖緊密結合。

周期7：Hc=12 cm，Hm=4 cm?；疑踊規r，向下過渡為黃色泥巖。

周期6：Hc=12 cm，Hm=6 cm?；疑規r、泥灰巖，底部為黃褐色泥巖。

周期5：Hc=33 cm，Hm=2 cm。深灰色致密中薄層灰巖（圖3f），扭曲層面，底部為泥灰巖和黃色泥巖。

周期4：Hc=23 cm，Hm=43 cm。深灰色灰巖，薄層到中等厚度層理，下部為土黃色泥巖。

周期3：Hc=35 cm，Hm=4 cm。致密灰巖，下部為泥巖。

周期2：Hc=70 cm，Hm=15 cm。致密狀石灰巖，有紅色風化面，下部的泥巖厚度變幅較大，在可見范圍內為5～20 cm。

周期1：Hc=70 cm，Hm=28 cm。上部淺色灰巖，內部可再分為多層，層厚5～10 cm，下部為黃色薄層泥巖。

在目標剖面的層序中，泥質沉積的層理厚度總體上小于2 mm，也有一些較厚的，最大可達1 cm，但其物質近似于泥質灰巖，不像毫米級泥巖那樣易于風化成粉末狀。碳酸鹽沉積部分，通?？煞譃?～5 cm 厚度的次級沉積層，并可進一步細分出紋層和蠕蟲狀層理。有些層位宏觀上表現為塊狀，分層不明顯，但在風化程度較高的界面上更細的層理清晰可見。典型的紋層層理特征舉例如下：第34 層的樣品顯示細小紋層特征，最密集處層厚小于0.3 mm（圖4a）；層厚為毫米尺度的紋層最常見，如第40 層（圖4b）和第22 層（圖4c）的紋層。另外，在24 個周期的碳酸鹽沉積中，至少有3個周期的沉積具有蠕蟲狀構造。其層理特征明顯地不同于紋層，微層的厚度沿層面變化，常出現斷續現象，層面相應地表現為有起伏的“粗糙層面”形態。蠕蟲狀層理的厚度大于前述的紋層，如第38 層的蠕蟲狀層理厚1.5～2.0 mm（圖4d），第30 層（圖4e）和第18 層（圖4f）的平均層厚均不小于2.5 mm。

圖4 研究地點碳酸鹽巖沉積的紋層和蠕蟲狀層理特征（a）細小紋層（第34層，圖幅垂向尺度3.8 cm）；（b）層厚為毫米尺度的紋層（第40層，垂向尺度4.5 cm）；（c）風化面上顯示的層厚為毫米尺度的紋層（第22層，垂向尺度10.0 cm）；（d）蠕蟲狀層理（第38層，垂向尺度5.0 cm）；（e）蠕蟲狀層理（第30層，垂向尺度6.5 cm）；（f）蠕蟲狀層理（第18層，垂向尺度10.3 cm）Fig.4 The laminae and vermicular bedding in the carbonate deposits studied

2.2 泥質和碳酸鹽物質的沉積速率和周期性沉積時間尺度

目標剖面的總厚度為9.40 m，根據式（1），沉積層形成的時間長度為0.28 Ma，平均沉積速率為3.3×10-5m/a。剖面中泥質層厚度總計為2.44 m，占26%；假設泥質層中碳酸鹽含量可忽略，而碳酸鹽層含有10%、20%、30%的泥，則泥的總厚度分別為3.13 m、3.83 m、4.52 m；根據式（2），泥的沉積速率分別為1.1×10-5m/a、1.4×10-5m/a、1.6×10-5m/a。

具體到每個周期，將泥質沉積層厚度除以沉積速率可得到泥質沉積層形成的時間長度；根據式（3）獲得整個周期的時間長度，以其減去泥質層時間長度后得到碳酸鹽層時間長度。圖5 顯示了目標剖面周期性沉積的時間尺度。在整個層序的兩端，有7個周期的時長介于10～40 ka，明顯長于層序中部的各個周期（大多為5～10 ka）。一個突出的特征是，雖然泥質層厚度只占總厚度的26%，但堆積的時長為0.20 Ma，占總時長的73%，也就是說，該區域在這一時期內的大部分時間不利于碳酸鹽沉積。

圖5 目標剖面周期性沉積的時間尺度（棕黃色為泥質層的時間長度，綠色為碳酸鹽層的時間長度）Fig.5 The time scale of periodic deposition of the studied profile (brown color for the muddy layers,and green color for the carbonate layers)

2.3 物源供給特征

按照一級近似預估的泥質物質沉積速率1.1×10-5m/a，與現今深海環境的堆積速率[15]相當，若顆粒沉降速率定為10-5m/s，且考慮孔隙率因素的沉積物容重值設為1 600 kg/m3，則式（5）給出的懸沙濃度為0.056×10-3g/m3。

根據前述的剖面觀測和計算結果，碳酸鹽沉積層的總厚度為6.96 m，其堆積發生于0.08 Ma的時間內，因此其平均沉積速率為0.087 m/ka。由于在一級近似的假設中泥質和碳酸鹽物質各占10%和90%，因此根據式（6）碳酸鹽物質的沉降通量為0.21 kg/a。與現代生物礁（以珊瑚礁為代表）的沉降通量（1～60 kg/a）[19]相比，當時的碳酸鹽物質生產量是較低的，為現今數值的0.35%～20%。若顆粒沉降速率定為10-5m/s，碳酸鹽沉積物容重值取為2 600 kg/m3，則式（7）給出的碳酸鹽懸浮物濃度為6.5×10-3g/m3?，F今海洋的珊瑚礁是高生產力區，若生物生產以400 g C m-2a-1計，則當時的水層生物生產可能為1～10 g C m-2a-1量級。

3 討論

波浪基面以下的海洋沉積常有100～102cm 尺度的周期性，人們認為與米蘭科維奇周期相關，氣候變化使沉積物供給狀況發生變化[15]。南京地區早三疊世的周期性沉積涉及5～40 ka的尺度，似乎與此主張一致。此次研究的目標剖面，泥質沉積的厚度占比較大，時間占比更大，這可解釋為本區域所處氣候帶的特征。研究區地處古特提斯洋的東北部，與古生代時期不同，其時本區域已離開典型的熱帶海洋，只是由于順時針的洋盆環流，才使得熱帶海洋環境周期性地控制該區域（圖6）。此外，研究區與當時的泛大洋有一條通道相連，這里暫稱之為“華東海峽”。雖然東面的華夏地塊難以給本區提供陸源物質[8]，但古特提斯洋洋盆環流和往返于華東海峽的海流持續帶來懸浮沉積物，可在當時南京地區的邊緣海發生堆積。在大部分時間里，研究區不具備大量產生碳酸鹽沉積物的條件，但在氣候暖期，仍然可被熱帶海洋所控制，形成沉積速率相對較高的碳酸鹽堆積體。

圖6 南京地區三疊紀碳酸鹽巖形成時的沉積環境和洋流特征（底圖據文獻[13]修改）Fig.6 Paleogeographic conditions during the formation of Triassic carbonate strata in the Nanjing area (the ancient environmental setting based on the reference [13])

盡管如此，此次研究的初步結果依賴于泥質物質沉積速率和碳酸鹽沉積中泥質物質含量的預估值。在兩者均為常數的假設條件下，可根據式（1）～（7）計算中期行沉積的相關參數。但在古特提斯洋演化的后期階段，環境逐漸發生變化，陸源物質的源地可能發生變化。在不同的氣候變化周期里，碳酸鹽沉積和泥質物質在地層中占比也有不同，證據是此次探討的24 個周期中碳酸鹽沉積特征有較大變化，一些層位含泥量較高，形成有李澤岡環的泥灰巖，而另一些層位含泥量較低，形成質地致密的灰巖或蠕蟲狀灰巖（圖3）。如果將每個周期分別處理，則碳酸鹽沉積中的雜質含量P可對式（3）起到約束作用。

但是，由于在新的假設條件下式（3）有兩個未知量，即Dm和T’，因此還需要增加一個約束變量。目標剖面的沉積以紋層或蠕蟲狀構造為特征（圖4），其中蠕蟲狀構造的時間尺度不確定性較高，而細小的紋層很可能與尺度為a 的沉積相關聯[12]，在陸架、陸坡、邊緣海等環境，物質來源和生物生產決定了沉積速率。如果此時間尺度的紋層能夠被識別，則有：

式中：H2為周期內碳酸鹽沉積厚度（m），DL為用紋層厚度推算的沉積速率（m/s）。應注意的是，由于沉積層保存潛力的因素，紋層在同一點上難以完整保存，因而式（9）中要加入校正系數k加以調整。系數k的確定需根據堆積、沖刷周期過程來確定[20-21]。此時，將式（9）、式（3）并列，可解出Dm和T’的值。此外，如果以生物生產作為參照，也能根據式（8）用有機質顆粒的垂向通量來估算T’值?？傮w上，碳酸鹽沉積的雜質含量、紋層厚度、沉積物和有機質來源信息均有助于約束條件的形成，但這些方面還需進一步的研究。

4 結論

（1）南京地區早三疊世碳酸鹽地層中發現的一段周期性沉積具有100～102cm垂向尺度，碳酸鹽層與泥質層交替出現，在24 個周期中碳酸鹽沉積厚度占74%，并顯示巖性的多樣性，如扭曲層理薄層灰巖、具有李澤岡環的含泥灰巖、蠕蟲狀灰巖，沉積構造則表現為層理級別的多樣性，紋層是各個周期中存在的普遍特征。

（2）沉積動力學計算顯示，泥質層的沉積速率為10-5m/a 量級，據此推斷周期性沉積的時間尺度為5～40 ka，與米蘭科維奇周期一致。雖然泥質層厚度只占總厚度的26%，但卻占總時長的73%。

（3）計算所獲的環境參數，如泥質和碳酸鹽物質沉積速率、沉降通量、水層懸沙濃度、碳酸鹽物質產出、生物生產等，與現今深海碳酸鹽沉積環境的參數值相當。

（4）研究區的周期性沉積可與區域性的古海洋環境和氣候變化特征相對照。但為了進一步提高計算精度，需明確所在層位的碳酸鹽沉積的雜質含量、紋層厚度和保存潛力、沉積物和有機質來源等約束條件。

致謝 南京大學張紅霞參與現場觀察和測量工作，華東師范大學劉楨嶠在圖件繪制上提供了幫助。本文曾在華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室學術報告會上宣讀，感謝賈建軍、趙寧研究員的邀請。感謝審稿專家提出中肯的修改建議。