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三叠纪开始的时候,研究地点所处的海洋称为古特提斯洋;南京地区位于其东北部的巨大边缘海,属于陆架、陆坡环境,陆地位于本区域的北侧和东侧,两大陆块之间有通向泛大洋的水域[13]。陆源物质供给主要来自北方,东侧陆地则要到较晚的时候才影响本区域[8]。
南京地区的海洋沉积主要形成于早三叠世[8]。地层自下而上分为殷坑阶(殷坑组)、巢湖阶(和龙山组、沧波门组)、关刀阶(周冲村组)。到了中三叠世时期,海洋环境又延续了一段时间,以新铺阶的黄马青组下部海相地层为标志,此后逐渐脱离海洋环境,在空间上沉积分异特征显著,指示地形多变的沉积环境。
由于当地采矿和筑路作业,南京地区多处出露海相三叠纪地层。2022年1月19日,在南京大学仙林校区附近发现一处特征性的剖面,并选为研究对象,其地理位置为118.953 7° E,32.098 7° N(图1a)。该层序呈现周期性堆积特征,泥质沉积和碳酸盐沉积交替出现(图1b);产状测量显示,地层走向为72°~252°,倾向NNW,倾角为40°,剖面几乎与地层走向垂直,因而地层形态展示清晰。该层序下伏的剖面展示杂色钙质页岩、泥灰岩、瘤状灰岩(图1c),剖面的最下部出现厚层灰岩上的次生岩溶现象,而上覆地层为厚层和薄层深色灰岩、薄层浅色瘤状灰岩(图1d)。根据区域性地层特征[8,14]对比,目标剖面的地层属于和龙山组;具体层位可与附近区域(江苏省句容市)的剖面[11]相对照。
2022年1月起对目标剖面多次开展野外工作。首先,对本区出露的相近产状地层进行了踏勘,记录总厚度约为200 m的层序特征,以便确定目标剖面在地层构架中的位置。其次,将现场观测集中于目标剖面,测量沉积层厚度、记录岩性和沉积构造特征、拍摄现场照片。最后,在现场观测工作中穿插进行样品和标本采集,因作业条件欠佳,操作难度大,此项工作目前尚未完成。
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殷坑组、和龙山组、沧波门组属于早三叠世[8],在研究地点的厚度约为200 m,经历约6 Ma,因此,作为一级近似,若假设地层中泥质物质含量为10%、20%、30%或40%,则对应的沉积速率分别为0.33×10-5 m/a、0.67×10-5 m/a、1.0×10-5 m/a、1.3×10-5 m/a。这与现今海洋中远海沉积的数值相似,代表低悬沙浓度的海洋环境[15]。
根据现场测量数据,可针对目标剖面作进一步计算。假设地层形成的时间长度与地层厚度成正比,则有:
T =6.0×106H /200(1) 式中:T为目标剖面沉积层形成的时间长度(a),H为沉积层厚度(m)。式(1)还间接给出了该沉积层的沉积速率(=H/T)。此外,目标剖面含泥质层和碳酸盐层,因而可分别测量其总厚度。碳酸盐物质堆积发生时也伴随着泥质物质的堆积,各自所占的百分比取决于两者沉积速率的对比[15⁃17]。因此,考虑泥质物质总量后的沉积速率为:
D m=[H m+P (H -H m)]/T (2) 式中:Dm为泥质物质的沉积速率(m/a),Hm为目标剖面中泥质层总厚度(m),P为碳酸盐沉积层中的杂质含量(%)。对于任何一个周期的沉积,有:
D m=[H 1+P (H 2-H 1)]/T ’(3) 式中:H1为周期内泥质物质厚度(m),H2为碳酸盐物质厚度(m),T’为与周期沉积形成的时间长度(a)。显然,若Dm为已知,则周期沉积形成所需的时间长度可从式(3)获得,并间接推算碳酸盐沉积速率(详见下文“结果”部分)。
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沉积体系的特征可由特定的变量组合来表征,可将其中的一些关键变量看成为状态变量,其余为自变量。按照复杂系统的观点,刻画状态变量需要定义其随时间的变率[18]。对于要研究的周期性沉积而言,状态变量有两个,即泥质层物质量Mm和碳酸盐沉积层物质量Mc。根据沉积层的岩性和沉积构造,悬沙沉降是主要的堆积形式,包括从水层中、深海环流水体中沉降的物质,浊流和推移质输运的堆积形态缺失,因而Mm的时间变率可表示为:
d M m/dt=γD mA (4) 式中:Mm为泥质沉积总量(kg),γ为泥质沉积物容重(kg/m3),Dm为沉积速率(由式(2)定义),A为堆积区面积(m2)。泥质物质的沉积速率与沉降过程相联系:
D m=Cw s/γ (5) 式中:C为悬沙浓度(kg/m3),ws为颗粒沉降速率(m/s)。式(5)表示,若沉积速率为已知,则可以反演悬沙浓度的值。
另一个状态变量碳酸盐沉积层物质量的时间变率为:
d M c/dt=dM m/dt+(F I+F O)A (6) 式中:Mc为碳酸盐沉积层物质量,它是泥质物质、碳酸盐颗粒、颗粒态有机质等沉降物质的总和,FI为碳酸盐颗粒垂向通量,FO为水层颗粒态有机质垂向通量。式(6)表示,碳酸盐沉积是含有杂质的,来源于水层中的泥质物质和有机质。作为一种生物成因的沉积,三叠纪碳酸盐沉积来源于能够产生钙质物质和颗粒态有机质的生物过程,前者可进一步区分远距离搬运的物质、钙藻等生物颗粒,以及细菌等微生物分泌的物质,而后者来自水层初级生产所固定的碳。与泥质物质沉积速率相类似,这两类物质的垂向通量为:
F I=C Iw I/γ I(7) F O=C Ow O/γ O(8) 式中:CI和CO分别为碳酸盐颗粒、有机质颗粒的浓度(kg/m3),wI和wO分别为其沉降速率(m/s),γI和γO分别为其容重。若碳酸盐沉积的物质组成为已知,则式(7)、(8)定义了水层中的生物生产大小。应注意的是,沉积物中的有机质经过成岩作用等的改造,可能偏离当初的特征,此时需要调整有机质沉积速率、有机质垂向通量、生物生产之间的相关关系。
研究的计算流程如下:根据研究地点的泥质沉积、碳酸盐沉积厚度测量数据,以式(1)估算沉积层形成的时间尺度;碳酸盐沉积层中杂质含量的大小由式(2)估算泥质物质沉积速率以及周期性沉积的时间尺度;以泥质沉积为约束,以式(3)估算碳酸盐沉积速率;最后以式(4)、(6)估算泥质沉积和碳酸盐沉积的物质量变率,并由此反演物质来源状况,其中FI根据物质组成而推算(详见“结果”部分);由于碳酸盐沉积中有机质含量相对较小,此处暂时将FO忽略不计。
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波浪基面以下的海洋沉积常有100~102cm尺度的周期性,人们认为与米兰科维奇周期相关,气候变化使沉积物供给状况发生变化[15]。南京地区早三叠世的周期性沉积涉及5~40 ka的尺度,似乎与此主张一致。此次研究的目标剖面,泥质沉积的厚度占比较大,时间占比更大,这可解释为本区域所处气候带的特征。研究区地处古特提斯洋的东北部,与古生代时期不同,其时本区域已离开典型的热带海洋,只是由于顺时针的洋盆环流,才使得热带海洋环境周期性地控制该区域(图6)。此外,研究区与当时的泛大洋有一条通道相连,这里暂称之为“华东海峡”。虽然东面的华夏地块难以给本区提供陆源物质[8],但古特提斯洋洋盆环流和往返于华东海峡的海流持续带来悬浮沉积物,可在当时南京地区的边缘海发生堆积。在大部分时间里,研究区不具备大量产生碳酸盐沉积物的条件,但在气候暖期,仍然可被热带海洋所控制,形成沉积速率相对较高的碳酸盐堆积体。
尽管如此,此次研究的初步结果依赖于泥质物质沉积速率和碳酸盐沉积中泥质物质含量的预估值。在两者均为常数的假设条件下,可根据式(1)~(7)计算中期行沉积的相关参数。但在古特提斯洋演化的后期阶段,环境逐渐发生变化,陆源物质的源地可能发生变化。在不同的气候变化周期里,碳酸盐沉积和泥质物质在地层中占比也有不同,证据是此次探讨的24个周期中碳酸盐沉积特征有较大变化,一些层位含泥量较高,形成有李泽冈环的泥灰岩,而另一些层位含泥量较低,形成质地致密的灰岩或蠕虫状灰岩(图3)。如果将每个周期分别处理,则碳酸盐沉积中的杂质含量P可对式(3)起到约束作用。
但是,由于在新的假设条件下式(3)有两个未知量,即Dm和T’,因此还需要增加一个约束变量。目标剖面的沉积以纹层或蠕虫状构造为特征(图4),其中蠕虫状构造的时间尺度不确定性较高,而细小的纹层很可能与尺度为a的沉积相关联[12],在陆架、陆坡、边缘海等环境,物质来源和生物生产决定了沉积速率。如果此时间尺度的纹层能够被识别,则有:
T ’=kH 2 /D L(9) 式中:H2为周期内碳酸盐沉积厚度(m),DL为用纹层厚度推算的沉积速率(m/s)。应注意的是,由于沉积层保存潜力的因素,纹层在同一点上难以完整保存,因而式(9)中要加入校正系数k加以调整。系数k的确定需根据堆积、冲刷周期过程来确定[20⁃21]。此时,将式(9)、式(3)并列,可解出Dm和T’的值。此外,如果以生物生产作为参照,也能根据式(8)用有机质颗粒的垂向通量来估算T’值。总体上,碳酸盐沉积的杂质含量、纹层厚度、沉积物和有机质来源信息均有助于约束条件的形成,但这些方面还需进一步的研究。
Preliminary Study on Sediment Dynamic Processes of Early Triassic Carbonate Deposits in Nanjing Area, Eastern China
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摘要: 目的 早三叠世碳酸盐沉积揭示了二叠纪末生物大灭绝之后的沉积环境剧变,如何用沉积动力学方法获取沉积环境信息,其主要困难是现场观测不可实施、初始和边界条件未知、沉积物来源和去向未知。新的思路之一是根据复杂系统理论重构控制方程,以达到正确计算或模拟的目的。 方法 针对南京地区早三叠世和龙山组24个周期的泥质—碳酸盐沉积,构建沉积环境参数计算方法,提取沉积记录信息。 结果 各周期性沉积的垂向尺度为100~102 cm,碳酸盐层与泥质层交替出现,沉积构造以纹层为特征,在24个周期中碳酸盐沉积厚度占74%,沉积构造以纹层为特征;根据泥质层的沉积速率推算每个周期的时间尺度为5~40 ka,虽然泥质层厚度只占总厚度的26%,但却占总时长的73%;泥质和碳酸盐物质沉积速率、沉降通量、水层悬沙浓度、碳酸盐物质产出、生物生产等各项环境参数与现今深海碳酸盐沉积环境相当。 结论 该沉积记录反映研究区域古海洋环境和气候变化特征,但计算方法的进一步改进有赖于碳酸盐沉积的杂质含量、纹层厚度和保存潜力、沉积物和有机质来源等约束条件的确定。Abstract: Objective Early Triassic carbonate deposits indicate the dramatic change of sedimentary environment after the Permian mass extinction. However, the main difficulties in obtaining sedimentary environment information by sediment dynamics lie in the difficulties in field observation, unknown initial and boundary conditions, and unknown source and transport direction of sediments. One of the new approaches is to reconstruct the governing equations according to the complex system theory to achieve the goal of reliable simulation. Methods Here a method for calculating sedimentary environment parameters is established to analyze the sedimentary record of the Early Triassic (Helongshan Formation) carbonate deposits in the Nanjing area, which contain 24 mud-carbonate cycles. Results and Discussions The preliminary results show that the cyclic deposition has a vertical scale of 100-102 cm, the carbonate and the muddy layers appear alternately, the sedimentary structure is characterized by laminae, and the thickness of the carbonate deposit accounts for 74% in the 24 cycles. The time scale of each cycle is 5-40 ka, as calculated according to the deposition rate of the mud layers. Although the thickness of the mud layers only accounts for 26% of the total thickness, it accounts for 73% of the total temporal duration. The environmental parameters, such as deposition rate, vertical settling flux, suspended sediment concentration, carbonate and biological production, are similar to those of the present deep-sea carbonate sedimentary environment. Conclusions Cyclic sedimentation reflects the characteristics of paleo-marine environment and climate change in this region, but the further improvement of the calculation method depends on the definition of the constraining conditions associated with the impurity content of carbonate, the thickness and preservation potential of laminae, and the production of sediment and organic matter within the water column.
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Key words:
- carbonate deposits /
- Early Triassic /
- dynamic processes /
- cyclicity /
- deposition rate /
- Nanjing area
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图 2 研究地点碳酸盐沉积的剖面特征
左侧数字为垂向距离,层序顶部为0 cm,右侧数字为层序中的沉积层编号,详见正文沉积特征的描述
Figure 2. Profile characteristics of carbonate deposits at the study site
vertical 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
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