Preliminary Study on Sediment Dynamic Processes of Early Triassic Carbonate Deposits in Nanjing Area, Eastern China

古生代结束之时,环境巨变导致了生物大灭绝事件,此后的三叠纪表现出独特的沉积特征,与石炭纪—二叠纪差异很大,却与早古生代的特征接近^[1⁃3]。在南京地区,石炭纪—二叠纪石灰岩总厚度约为300 m,前人研究极为详尽,划分出金陵灰岩、黄龙灰岩、船山灰岩、栖霞灰岩等四个种类。三叠纪早期,这里堆积了更厚的石灰岩（总厚度约为440 m）,并命名为“青龙灰岩”。然而当时的学者对其感到困惑,它没有继承二叠纪的环境特征,青龙灰岩为薄层灰岩,含杂质较多,层理常有挠曲,化石甚少^[4]。

数十年来,研究者们试图重建生物大灭绝事件、解释三叠纪沉积特征、提取环境恢复过程的信息^[5⁃7]。在我国,自20世纪80年代以来,浙江长兴、安徽巢湖和南京地区的早、中三叠世碳酸盐沉积被广泛关注^[8⁃11]。

根据笔者对南京地区的野外考察,该区域多个地点有出露良好的三叠纪碳酸盐沉积剖面,其中一处连续出露的地层厚度约为200 m。除生物地层、岩性分析、环境指标重建等,用沉积动力学方法获取沉积环境信息,有助于沉积记录的解释。但传统上沉积动力学是针对现代过程的,应用于地质时期的地层,其主要困难是现场观测不可实施、系统的初始和边界条件为未知、沉积物来源和去向的信息缺失。新的思路之一是根据复杂系统理论改进分析方法,如勘察式模拟技术（Exploratory Modelling）^[12]。

在此次所关注的剖面中,有一段碳酸盐岩和泥岩交替沉积的地层特别引人注目：该层序含有24个周期的沉积记录,它代表什么周期、物源来自何处、与区域环境—气候变化的关系如何?研究的目的是采用基于系统状态变量时间变率定义沉积动力学方法来探讨该周期性沉积的形成机制,根据剖面沉积特征及物性和沉积构造参数,获得其时间尺度、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信息。

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。

Figure 1.  The profiles of Early Triassic carbonate deposits at the study site

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。

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：

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：

式中：D_m为泥质物质的沉积速率（m/a）,H_m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：

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D_m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）。

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M_m和碳酸盐沉积层物质量M_c。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M_m的时间变率可表示为：

式中：M_m为泥质沉积总量（kg）,γ为泥质沉积物容重（kg/m³）,D_m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：

式中：C为悬沙浓度（kg/m³）,w_s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：

式中：M_c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,F_I为碳酸盐颗粒垂向通量,F_O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：

式中：C_I和C_O分别为碳酸盐颗粒、有机质颗粒的浓度（kg/m³）,w_I和w_O分别为其沉降速率（m/s）,γ_I和γ_O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F_I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F_O忽略不计。

目标剖面含交替出现的泥质和碳酸盐沉积,共48层,构成24个周期（图2）。各层泥质沉积特征相似,为浅褐色或土黄色薄层泥岩、页岩,层理厚度为毫米级,而碳酸盐沉积有不同的特征,显示出多样性。

Figure 2.  Profile characteristics of carbonate deposits at the study site

每个周期的沉积特征简述如下（按自上而下的顺序,H_c表示碳酸盐沉积厚度,H_m表示泥质沉积）。

周期24：H_c=40 cm,H_m=28 cm。周期性沉积的顶部,碳酸盐沉积层为扭曲层理薄层灰岩（图3a）,下层为层理厚度不同的泥岩和钙质泥岩夹层,最大层理厚度1 cm。

Figure 3.  Typical characteristics of carbonate rocks at the study site

周期23：H_c=4 cm,H_m=24 cm。浅色含泥质灰岩,可见模糊纹层,下部泥岩、钙质泥岩,最大层理厚度1 cm。

周期22：H_c=60 cm,H_m=21 cm。浅色灰岩、亮晶薄层灰岩,断口处棱角明显,向下过渡为黄色泥岩页岩。

周期21：H_c=25 cm,H_m=12 cm。深灰色、灰色块状灰岩,断口尖锐,可划分为0.5~2 cm的多层,其中含更小的纹层,下层面波状起伏,与浅褐色泥接触。

周期20：H_c=20 cm,H_m=0.5 cm。灰色纹层灰岩,断口尖锐,下部为黄色泥岩。

周期19：H_c=11.5 cm,H_m=0.5 cm。深灰色纹层灰岩,具蠕虫状灰岩形态

周期18：H_c=19 cm,H_m=2 cm。深灰色纹层灰岩,下部黄色泥岩、钙质泥岩,最大层厚厘米级。

周期17：H_c=21 cm,H_m=6 cm。灰岩和泥灰岩,具纹层,下部为薄层泥岩夹层

周期16：H_c=27 cm,H_m=0.5 cm。的泥质灰岩,具模糊的李泽冈环形态,下部为薄层泥岩夹层

周期15：H_c=27 cm,H_m=0.5 cm。蠕虫状灰岩,底部黄色页岩夹层。

周期14：H_c=21 cm,H_m=7.5 cm。浅灰色纹层灰岩,底部为含钙泥质沉积。

周期13：H_c=20 cm,H_m=5.5 cm。灰岩、泥灰岩,底部为薄层泥岩。

周期12：H_c=22 cm,H_m=2 cm。棕灰色致密灰岩,具模糊的李泽冈环形态,底部为黄色薄层泥岩（图3b）。

周期11：H_c=50 cm,H_m=1 cm。浅灰色泥质灰岩,含光滑而波状起伏的上层面。

周期10：H_c=11 cm,H_m=2 cm。薄层灰岩、泥灰岩,底部为黄色薄层泥岩。

周期9：H_c=52 cm,H_m=6 cm。致密蠕虫状灰岩（图3c）,底部为黄色泥岩夹层。

周期8：H_c=23 cm,H_m=5 cm。灰色灰岩,下部为大粒径的扁平石灰岩砾石,砾石的磨圆度好,粒径为7~15 cm,砾石所在层向两端延伸,范围大于10 m（图3d,e）；砾石盖在下伏泥岩之上,使得泥岩的上层面不平整,底部砾石相对脱离,向上与周边灰岩紧密结合。

周期7：H_c=12 cm,H_m=4 cm。灰色薄层灰岩,向下过渡为黄色泥岩。

周期6：H_c=12 cm,H_m=6 cm。灰色灰岩、泥灰岩,底部为黄褐色泥岩。

周期5：H_c=33 cm,H_m=2 cm。深灰色致密中薄层灰岩（图3f）,扭曲层面,底部为泥灰岩和黄色泥岩。

周期4：H_c=23 cm,H_m=43 cm。深灰色灰岩,薄层到中等厚度层理,下部为土黄色泥岩。

周期3：H_c=35 cm,H_m=4 cm。致密灰岩,下部为泥岩。

周期2：H_c=70 cm,H_m=15 cm。致密状石灰岩,有红色风化面,下部的泥岩厚度变幅较大,在可见范围内为5~20 cm。

周期1：H_c=70 cm,H_m=28 cm。上部浅色灰岩,内部可再分为多层,层厚5~10 cm,下部为黄色薄层泥岩。

在目标剖面的层序中,泥质沉积的层理厚度总体上小于2 mm,也有一些较厚的,最大可达1 cm,但其物质近似于泥质灰岩,不像毫米级泥岩那样易于风化成粉末状。碳酸盐沉积部分,通常可分为1~5 cm厚度的次级沉积层,并可进一步细分出纹层和蠕虫状层理。有些层位宏观上表现为块状,分层不明显,但在风化程度较高的界面上更细的层理清晰可见。典型的纹层层理特征举例如下：第34层的样品显示细小纹层特征,最密集处层厚小于0.3 mm（图4a）；层厚为毫米尺度的纹层最常见,如第40层（图4b）和第22层（图4c）的纹层。另外,在24个周期的碳酸盐沉积中,至少有3个周期的沉积具有蠕虫状构造。其层理特征明显地不同于纹层,微层的厚度沿层面变化,常出现断续现象,层面相应地表现为有起伏的“粗糙层面”形态。蠕虫状层理的厚度大于前述的纹层,如第38层的蠕虫状层理厚1.5~2.0 mm（图4d）,第30层（图4e）和第18层（图4f）的平均层厚均不小于2.5 mm。

Figure 4.  The laminae and vermicular bedding in the carbonate deposits studied

目标剖面的总厚度为9.40 m,根据式（1）,沉积层形成的时间长度为0.28 Ma,平均沉积速率为3.3×10^-5 m/a。剖面中泥质层厚度总计为2.44 m,占26%；假设泥质层中碳酸盐含量可忽略,而碳酸盐层含有10%、20%、30%的泥,则泥的总厚度分别为3.13 m、3.83 m、4.52 m；根据式（2）,泥的沉积速率分别为1.1×10^-5 m/a、1.4×10^-5 m/a、1.6×10^-5 m/a。

具体到每个周期,将泥质沉积层厚度除以沉积速率可得到泥质沉积层形成的时间长度；根据式（3）获得整个周期的时间长度,以其减去泥质层时间长度后得到碳酸盐层时间长度。图5显示了目标剖面周期性沉积的时间尺度。在整个层序的两端,有7个周期的时长介于10~40 ka,明显长于层序中部的各个周期（大多为5~10 ka）。一个突出的特征是,虽然泥质层厚度只占总厚度的26%,但堆积的时长为0.20 Ma,占总时长的73%,也就是说,该区域在这一时期内的大部分时间不利于碳酸盐沉积。

Figure 5.  The time scale of periodic deposition of the studied profile (brown color for the muddy layers, and green color for the carbonate layers)

按照一级近似预估的泥质物质沉积速率1.1×10^-5 m/a,与现今深海环境的堆积速率^[15]相当,若颗粒沉降速率定为10^-5 m/s,且考虑孔隙率因素的沉积物容重值设为1 600 kg/m³,则式（5）给出的悬沙浓度为0.056×10^-3 g/m³。

根据前述的剖面观测和计算结果,碳酸盐沉积层的总厚度为6.96 m,其堆积发生于0.08 Ma的时间内,因此其平均沉积速率为0.087 m/ka。由于在一级近似的假设中泥质和碳酸盐物质各占10%和90%,因此根据式（6）碳酸盐物质的沉降通量为0.21 kg/a。与现代生物礁（以珊瑚礁为代表）的沉降通量（1~60 kg/a）^[19]相比,当时的碳酸盐物质生产量是较低的,为现今数值的0.35%~20%。若颗粒沉降速率定为10^-5 m/s,碳酸盐沉积物容重值取为2 600 kg/m³,则式（7）给出的碳酸盐悬浮物浓度为6.5×10^-3 g/m³。现今海洋的珊瑚礁是高生产力区,若生物生产以400 g C m^-2 a^-1计,则当时的水层生物生产可能为1~10 g C m^-2 a^-1量级。

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。

Figure 6.  Paleogeographic conditions during the formation of Triassic carbonate strata in the Nanjing area (the ancient environmental setting based on the reference [13])

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D_m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：

式中：H₂为周期内碳酸盐沉积厚度（m）,D_L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D_m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。

（1） 南京地区早三叠世碳酸盐地层中发现的一段周期性沉积具有10⁰~10² cm垂向尺度,碳酸盐层与泥质层交替出现,在24个周期中碳酸盐沉积厚度占74%,并显示岩性的多样性,如扭曲层理薄层灰岩、具有李泽冈环的含泥灰岩、蠕虫状灰岩,沉积构造则表现为层理级别的多样性,纹层是各个周期中存在的普遍特征。

（2） 沉积动力学计算显示,泥质层的沉积速率为10^-5 m/a量级,据此推断周期性沉积的时间尺度为5~40 ka,与米兰科维奇周期一致。虽然泥质层厚度只占总厚度的26%,但却占总时长的73%。

（3） 计算所获的环境参数,如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,与现今深海碳酸盐沉积环境的参数值相当。

（4） 研究区的周期性沉积可与区域性的古海洋环境和气候变化特征相对照。但为了进一步提高计算精度,需明确所在层位的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。