北京门头沟地区寒武系非常发育,除缺失寒武纪最早期地层外,早寒武世晚期(沧浪铺期)至晚寒武世地层层序完整,岩石类型繁多,化石丰富,接触关系清晰,剖面连续,出露好且交通方便(图1),是华北地区最具代表性的寒武纪剖面之一。前人对该区寒武纪生物地层(北京市区域地层表编写组,1978;项礼文等,1981, 1999;河北省地质矿产局,1989;北京地质矿产局,1991,1997;高林志等,2001)、层序地层(乔秀夫等,1990;史晓颖等,1997;章雨旭等,1997;朱传庆等,2009)、碳酸盐岩石学及其沉积环境 (冯增昭, 1986; 张秀莲等, 1990;冯增昭等, 2004)均进行过详细研究。但该区寒武纪海相红层除刘群等(1994)、刘德正(2018)曾提及研究区寒武纪早期红色岩系沉积外,尚未发现有作者对该区寒武纪海相红层的具体时代和分布特征进行专题研究。

本文主要采用地层学和古生物学的方法对该区寒武纪海相红层进行研究,论述海相红层的层序、特征、生物化石带(组合)、形成的时代和大致的沉积环境,初步建立起该区寒武纪海相红层的标准剖面。这是继唐山地区寒武纪海相红层报道(李明等,2019a)之后,在华北讨论的另一个系统剖面。此外,通过地层对比初步梳理了山西东部寒武纪海相红层的分布,并初步探讨了全球早寒武世沧浪铺期海相红层广布事件。为全球寒武纪海相红层的对比研究的深入开展,提供古生物学和地层学的基础资料。

海相红层时代的准确界定是海相红层研究的基础,对古代海相红层的区域或全球对比,以及海相红层生成机制的研究极其重要。如果红层时代不准确,仅以岩石学方法为基础的红层对比及成因机制等方面的研究无疑是不可靠的。因此,海相红层时代的准确界定对海相红层深入研究的顺利开展,起着至关重要的作用。

由于华北地区寒武系传统年代地层划分在国内外已为大多数学者熟知并广泛使用,因此,本文将继续沿用这一传统的地层划分方案,它与现行国际寒武系划分方案的对应关系见表1。

目前资料显示,不同作者绘制的华北地区寒武纪古地理图中海陆分布的格局存在一些差异(王鸿祯等,1985;冯增昭等,2004)。其中,最明显的差异为华北地台北部是否存在连续或断续分布的古陆。依据地层资料,本文倾向于早寒武世海侵初期,华北克拉通北部可能存在一片东西分布的古陆。因此,本文选择王鸿祯等(1985)的寒武纪古地理图为基础,补充了鄂尔多斯地区近年发表的新资料(李振鹏,2010;陈启林等,2013;武振杰等,2015;张春林等,2017;周进高,2020),并进行初步环境分析和讨论。

1 北京西山寒武纪海相红层形成的地质背景及沉积环境

1.1 地质背景

北京西山寒武系发育,除缺失下寒武统下部(纽芬兰统及第二统第三阶下部)外,其余下、中、上三统俱全。其下与青白口系景儿峪组不整合接触,其上与奥陶系整合接触,化石丰富、层序清楚,剖面位于公路两侧,交通方便,是燕山地区具有代表性剖面之一。西山寒武系海相红层发育,以门头沟下苇甸村一带寒武纪剖面最为完整,研究程度也最为详细(图1)。

北京西山寒武系位于华北地台北部,属于稳定型沉积。北部为阴山—燕山岛群,西部为华北古陆或鄂尔多斯古陆。西高东低、北高南低,地势平缓。受到西部和北部古陆的制约,由西向东、由北向南形成宽阔的华北陆表海。自西向东、自北向南相变明显(王鸿祯等,1985)。红层形成的陆源物质及Fe₂O₃主要来源于西部的古陆和北部的岛群。相带界线在不同时期有所变化,但分布格局基本不变。整个寒武纪时期,华北地区,包括北京一带均处于陆表海的状态,海水很浅,加之气候干燥炎热,除中寒武世晚期(张夏期)海水略深,海相红层不太发育外,其他时期海相红层均较发育。

1.2 岩相古地理及沉积环境

1.2.1 早寒武世沧浪铺期(辛集期)岩相古地理及沉积环境

早寒武世沧浪铺期中期(辛集期),海水由南向北、由东向西侵入研究区,抵达北京西山以西华北古陆一带,超覆在前埃迪卡拉系(青白口系)景儿峪组之上。陆源碎屑物质和Fe₂O₃主要来源于西部的古陆和北部的岛群。北京西山处于碳酸盐岩台地的西缘,以白云岩沉积为主,气候干燥炎热。海相红层仅见于海侵初期的底部(下苇甸组)(图2a)。

1.2.2 早寒武世晚期(馒头期)—中寒武世早期(毛庄期、徐庄期)岩相古地理及沉积环境

在馒头期—毛庄期—徐庄期早期,海水向西扩展,华北古陆向西退缩,逐渐演变成鄂尔多斯古陆。毛庄期开始,解体为北部伊盟古陆,南部镇原古陆和东部吕梁古陆(张春林等,2017),阴山—燕北岛群形成。滨浅海泥质及碳酸盐岩组合发育。以紫色、红色、紫红色页岩为主,页岩中含石盐假晶或石膏,且具泥裂构造等干旱标志,海相红层发育。沉积环境主要为潮间带、潮上带或塞巴哈沉积。在徐庄期后期,逐渐以灰绿色页岩及灰色鲕状灰岩为主,海水变深。陆源碎屑物质及Fe₂O₃可能主要来自北部的阴山—燕北岛群和鄂尔多斯古陆(图2b)

(a)—早寒武世沧浪铺期;(b)—早寒武世龙王庙期;(c)—晚寒武世;1—北京西山;2—河北唐山;3—山西浑源县;4—山西陵川县

(a)—Tsanglangpuan Age, Early Cambrian; (b)—Longwangmiaoan Age, Early Cambrian; (c)—Late Cambrian; 1—Western Hills, Beijing; 2—Tangshan City, Hebei; 3—Hunyuan County, Shanxi; 4—Lingchuan County, Shanxi

1.2.3 中寒武世晚期(张夏期)岩相古地理及沉积环境

中寒武世晚期张夏期海侵进一步向西扩展。鄂尔多斯古陆向西退缩和分解成伊盟古陆和镇原古陆(张春林等,2017)。碳酸盐岩广布,其间还发育众多的鲕粒滩。鲕粒灰岩占主导位置,主要为潮下带环境。由于海水加深,此期海相红层极不发育。

1.2.4 晚寒武世(崮山期—凤山期)岩相古地理及沉积环境

晚寒武世早期(崮山期)的古地理格局与中寒武世晚期(张夏期)的格局基本相似。碳酸盐岩台地仍然占据主导地位。晚寒武世晚期(长山—凤山期)海水退缩,鄂尔多斯中西部开始抬升,伊盟古陆与镇原古陆连成一体,形成南北向狭长的鄂尔多斯古陆(张春林等,2017)。鲕粒滩基本消失,主要为潮间带环境,海水动力加强,发育竹叶状灰岩。海相红层和竹叶具氧化圈的海相红层亦较发育。气候炎热,后期白云岩增多。红层致色主因Fe₂O₃可能仍来源于西部的鄂尔多斯古陆和北部的阴山—燕北岛群(图2c)。

总之,北京西山寒武纪海相红层形成的碎屑物质及Fe₂O₃主要受控于西部的华北古陆(鄂尔多斯古陆或伊盟古陆)和北部的阴山—燕北岛群。这些古陆(或岛群)为海相红层形成提供了必要的物质来源。而开阔平坦的、水体较浅的华北陆表海及炎热的气候为红层致色主因Fe₂O₃提供了良好的氧化环境。

2 北京市西山寒武纪海相红层的特征

参照北京西山门头沟下苇甸寒武纪地层资料(北京市地质矿产局,1991,1999),通过实地考察,初步识别出海相红层在地层中的分布。门头沟下苇甸寒武纪海相红层可识别出14层(套)(冠以字头B∈RB,B代表Beijing北京,∈代表Cambrian寒武纪,RB代表red beds红层),层序如下(自上而下)(图3):

上覆地层 奥陶系 冶里组下部

————整合————

寒武系

炒米店组

“凤山组”

B∈RB14海相红层  Ptychaspis-Tsinania带

“长山组”

B∈RB13海相红层  Kaolishania带

B∈RB12海相红层  Changshania带

B∈RB11海相红层  Chaungia带

崮山组

B∈RB10海相红层  Neodrepanura带

B∈RB9海相红层  Blackwelderia带

张夏组

B∈RB8海相红层  Amphoton带

馒头组

“徐庄组”

B∈RB7海相红层  Pariagroulos带

B∈RB6海相红层  Sunaspis带

B∈RB5海相红层  Ruichengaspis带或Hsuichuangia-Ruichengella带

“毛庄组”

B∈RB4海相红层  Qiatouaspis-Yaojiayuella带?

“馒头组”

B∈RB3海相红层  Redlichia nobilis带?

B∈RB2海相红层  Redlichia nobilis带?

————平行不整合————

昌平组  R.chinensis带—Palaeolenus带

————平行不整合————

下苇甸组

B∈RB1海相红层  Estaingia (=Hsuaspis)带

————平行不整合————

下伏地层 青白口系 景儿峪组

以上各层(组)海相红层主要岩性特征、厚度和生物带简述如下:

B∈RB1海相红层,见于下苇甸组(原昌平组底部)1~2层。1层岩性为褐红色含黑色硅质岩角砾白云岩,砾石呈板片状,直立排列,属原地型风暴沉积,厚0~0.5m。2层中含壳类化石单瓣类。下苇甸组顶界是不平整的、起伏的风化面,为薄层状褐铁矿红色黏土层,总厚4.9m。这类含小壳化石层在华北地块上普遍存在,常见于河南鲁山新集组最底部,安徽淮南地区猴家山组下部,吉林通化市和白山市水洞组(原黑沟子组下部),辽宁大连市金州区大林子组等,时代为Estaingia (=Hsuaspis)带(高林志等,2001)(图5)。横向可相变为红色白云岩和含灰岩、白云岩角砾的白云岩(高林志等,2001)或褐红色砂砾岩(王宗起等,1991)。

B∈RB2海相红层,见于下苇甸村东剖面馒头组的第2层。岩性为土黄色、紫红色泥质角砾岩,不显层理,底部角砾大,向上变小(图4a)。角砾含量约55%,泥质充填,厚23.3m。其下,与昌平组之间有一沉积间断。由于昌平组中已含Palaeolenus带和Redlichia chinensis带化石,该红层的时代可能属于Redlichia nobilis带或更高(图4a,图6a)。

B∈RB3海相红层,见于该剖面馒头组的3~5层。岩性为砖红色薄层粉砂质泥岩夹灰白色纹带状泥晶白云岩夹泥质条带,含石盐假晶和泥裂构造,共厚30.3m。时代是否大致相当于Redilicha nobilis带,还需进一步工作确定(图4b,图6a)。

B∈RB4海相红层,见于“毛庄组”中部的11~17层。岩性为紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与灰绿色薄层灰岩互层,含石盐假晶及泥裂构造,厚47.6m。红层本身未见标准带化石。因其上覆18层含三叶虫Shantungaspisaclis (Walcott)带化石,暂推测B∈RB4时代可能为Qiaotouaspis-Yaojiayuella带(图4c,图6a)。

B∈RB5海相红层,见于徐庄组底部19层。岩性为紫红色粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩条带,含石盐假晶及泥裂构造,厚7m。由于其直接位于上覆“徐庄组”下部20层含Sunaspis带化石地层之下,其下伏18层含Shantungaspis带化石,因此推断B∈RB5带时代大致为Kochaspis带(或Ruichengaspis带至Hsuchangia-Ruichengella带)(图4d,图6a)。

B∈RB6海相红层,见于徐庄组下部20~21层。下部20层岩性为灰绿色薄层泥钙质粉砂岩夹紫色薄层泥晶鲕粒灰岩,含三叶虫Sunaspis sp.,厚4.8m;上部21层岩性为灰色(局部紫色)中薄层泥晶鲕粒灰岩,水平层理,含三叶虫Anomocarellatenunus (Walcott),厚8.3m,两层共厚13.1m。因含Sunaspis带化石,B∈RB6海相红层大致相当于Sunaspis带(图6b)。

(a)—海相红层B∈RB2; (b)—海相红层B∈RB3; (c)—海相红层B∈RB4; (d)—海相红层B∈RB4; (e)—海相红层B∈RB13; (f)—海相红层B∈RB14; (g)—海相红层B∈RB7; (h)—海相红层B∈RB9

(a)—Marine red bed B∈RB2; (b)—marine red bed B∈RB3; (c)—marine red bed B∈RB4; (d)—marine red bed B∈RB4; (e)—marine red bed B∈RB13; (f)—marine red bed B∈RB14; (g)—marine red bed B∈RB7; (h)—marine red bed B∈RB9

B∈RB7海相红层,见于“徐庄组”第26层(图6b)。岩性为深灰色中薄层含竹叶泥亮晶鲕粒含云灰岩夹灰绿色薄层粉砂岩及深灰色中薄层含鲕粒细粒灰岩,顶部为绿灰色、黄色中—薄层粉砂质晶粒竹叶灰岩,竹叶砾屑具有红色氧化圈,厚13.8m。该红层并非典型的海相红层,但竹叶具有氧化圈,说明该层形成之前曾暴露在海平面之上,氧化后再沉积形成。这是在寒武纪中晚期地层中常见的一种红层形式。该红层之上第27层含“毛庄组”顶部含Bailiella带化石, 其下B∈RB6海相红层含Sunaspis带化石,因此推测B∈RB7海相红层大致与Pariagroulos带相当。

B∈RB8海相红层,见于张夏组的第39层(图6b)。上部岩性为灰色中层状竹叶灰岩,中薄层细晶含鲕粒竹叶生屑灰岩夹深灰色中薄层粉砂质钙质页岩,灰质条带粉晶含泥灰岩;下部岩性为深灰色中薄层泥晶鲕粒灰岩夹深灰色中—薄层粉砂质钙质页岩,砾屑具氧化圈,厚7.6m。该层含三叶虫Amphoton sp., Damesella sp., D.nitida Resser et Endo, Manchuriellatypa Resser et Endo, Dorypyge sp.等。依据赋含化石,B∈RB8海相红层大致与三叶虫Amphoton带相当,由于该层也含Damesella带化石,也有可能部分地层属于Damesella带。

(a)—下中寒武统馒头组—毛庄组剖面;(b)—中寒武统徐庄组、张夏组剖面;(c)—上寒武统剖面

(a)—The section of Lower to Middle Cambrian Mangtou Formation to Maozhuang Formation; (b)—the section of Middle Cambrian Xuzhuang Formation to Zhangxia Formation; (c)—the section of Upper Cambrian

B∈RB9海相红层,见于崮山组第48层(图4h,图6c)。上部岩性为黄灰色中层泥云质条带泥晶灰岩与绿灰色薄层钙质粉砂岩互层,夹三层竹叶状灰岩;中部为2.5m绿灰色薄层钙质粉砂岩夹灰色薄层含生屑钙质泥质白云岩;下部为深灰色中厚层粉晶鲕粒灰岩与粉晶竹叶状灰岩不等厚互层。鲕粒灰岩中夹绿色薄层钙质泥岩,部分竹叶具氧化圈,厚18.4m。含三叶虫Blackwelderia sinensis Bergeron,时代为Blackwelderia带。

B∈RB10海相红层,见于崮山组上部第51层(图6c)。岩性为浅灰色中—薄层条带状粉、细粒鲕粒灰岩,条带为紫红色粉砂质泥晶云质灰岩,平行层理密集分布,厚3.9m,含三叶虫Neodrepanura sp., N.premesnili Bergeron, Blackwelderia sp.等,时代为Neodrepanura带。

B∈RB11海相红层,见于长山组底部53~54层(图6c)。下部(53层)岩性为浅黄绿色薄层钙质粉砂质泥岩、泥云质粉砂岩与亮晶竹叶状灰岩互层,底部为紫褐、浅紫色竹叶灰岩,具氧化圈。其上部竹叶灰岩中产三叶虫Chuangia aff.batia Walcott, Chuangia sp.等,厚7.9m。上部(54层)为紫色泥灰粉晶竹叶灰岩夹泥云质条带泥晶灰岩,竹叶具有红色氧化圈,厚3.6m。上下两层总厚11.5m。依据化石B∈RB11海相红层时代应属Chuangia带。

B∈RB12海相红层,见于长山组第56层(图6c)。上部岩性为灰色薄层云泥质粉砂岩,夹不连续的泥晶灰岩条带,含竹叶灰岩透镜体;中部为灰色中层竹叶泥云质灰岩,竹叶分选磨圆度均好,具有红色氧化圈;下部为浅灰色中、薄层泥质条带泥晶含云灰岩,产三叶虫Changshaniatruncata Sun, Dikelocephalites cf.flabeliformis Sun等,厚3.2m,时代应属于Changshania带。

B∈RB13海相红层,见于长山组第57层(图6c)。岩性为紫灰色中、薄层泥晶泥云质灰岩夹泥质灰岩条带,与泥晶泥云质灰岩呈等厚互层,含白云质灰岩角砾,厚6.3m。因其下B∈RB12时代为Changshania带,其上B∈RB14含Kaolishania带—Ptychaspis-Tsinania带,因此推测B∈RB13时代可能属于Maladiodella带—Kaolishania带。

B∈RB14海相红层,见于凤山组底部58层(图4f,图6c)。岩性为灰紫色薄层泥云质条带泥晶灰岩夹泥亮晶竹叶白云质灰岩,层间含有厚度变化较大的竹叶灰岩透镜体,底部为35cm厚的竹叶灰岩,总厚10.6m。该层含三叶虫化石,上部产Mansuyia sp., Pagodia sp., 底部产三叶虫Kaolishania sp., Ptychaspis sp., Tsinania sp.等,时代大致为Ptychaspis-Tsinania带。

应当提及的是,上述14层海相红层中,有6层海相红层的岩性为竹叶状灰岩或含有竹叶状灰岩。其中,徐庄组B∈RB7、张夏组B∈RB8、崮山组B∈RB9及长山组B∈RB12四层的岩性(或胶结物)为灰色、黄色或灰绿色,但竹叶具有红色或褐色氧化圈。长山组B∈RB11海相红层,不仅岩性(或胶结物)呈紫褐色、浅紫色,而且竹叶亦具有红色或褐色氧化圈。这说明B∈RB11在竹叶产生时期和竹叶的沉积时期均处于相似的强氧化环境(或原地沉积)。而仅是竹叶具有红色或褐色氧化圈的四层海相红层,竹叶灰岩应在竹叶形成时期处于强氧化环境,而在沉积时期则处于较弱的氧化环境,很可能是被搬运到水体较深的异地沉积而成。本文暂将这类仅竹叶具有红色氧化圈的竹叶灰岩列入海相红层的范畴。

3 北京西山寒武纪海相红层Fe₂O₃含量

Fe₂O₃的含量是海相红层致色的主要因素。因此,本文对北京西山门头沟区下苇甸寒武纪剖面中的14层海相红层及其上覆、下伏或夹层中非红层部分样品进行了Fe₂O₃和FeO的对比研究(表2)。

根据该区寒武纪不同层位、不同岩性海相红层和非海相红层Fe₂O₃和FeO含量的分析和比较,可以得出如下的几点认识:

(1)紫红色粉砂质泥岩Fe₂O₃的含量最高。如B∈RB4海相红层上部紫红色粉砂质泥岩Fe₂O₃含量为7.10%,中部暗紫红色粉砂质泥岩Fe₂O₃含量为6.25%。其他层位粉砂质泥岩Fe₂O₃含量也不低,如B∈RB3海相红层砖红色粉砂质泥岩中Fe₂O₃含量为3.83%,B∈RB5海相红层中紫红色粉砂质泥岩Fe₂O₃含量分别为4.23%(上部)和5.83%(下部)。

(2)紫褐色竹叶状灰岩,而竹叶亦具有氧化圈(边)的海相红层Fe₂O₃的含量次之。如B∈RB11海相红层(“长山组”下部)Fe₂O₃含量为6.35%。

(3)紫红色粉砂质泥晶灰岩Fe₂O₃含量位居第三位,Fe₂O₃含量为5.7%。如B∈RB10海相红层(崮山组上部)。大致相同Fe₂O₃含量的海相红层还有紫色泥晶鲕粒灰岩,Fe₂O₃含量达5.41%,如B∈RB6海相红层(“徐庄组”)。

(4)灰紫色泥云质条带Fe₂O₃的含量居第四位,Fe₂O₃含量为4.93%,如B∈RB14海相红层(“长山组”上部)。

(5)灰色竹叶状灰岩,竹叶具红色氧化圈(边)的竹叶状灰岩,Fe₂O₃含量占据第五位。如B∈RB8海相红层(张夏组中部),Fe₂O₃含量为3.20%;B∈RB12海相红层(长山组下部),Fe₂O₃含量为3.38%。也有部分Fe₂O₃含量低的,如B∈RB7(“徐庄组”上部),Fe₂O₃含量仅为0.24%;B∈RB9海相红层(崮山组下部),Fe₂O₃含量为0.42%,为什么含量这么低,其原因有待进一步确定。

(6)紫红色泥质角砾岩,Fe₂O₃含量为2.63%,如B∈RB2海相红层(馒头组下部);褐红色砂砾岩,Fe₂O₃含量为2.54%,如B∈RB海相红层(下苇甸组,原昌平组底部)。

(7)红层中Fe₂O₃含量一般均高于的FeO含量,如B∈RB1海相红层中,褐红色砂砾岩Fe₂O₃含量是2.54%,而FeO含量仅0.13%;又如B∈RB4海相红层中,紫红色粉砂质泥岩Fe₂O₃含量为7.10%,而FeO含量仅为3.46%。

(8)红层中Fe₂O₃含量一般远高于红层上覆、下伏或夹层中非红层Fe₂O₃的含量。如B∈RB1海相红层上覆灰色白云质角砾岩中Fe₂O₃含量0.58%,而海相红层褐红色砂砾岩Fe₂O₃含量2.54%,两者Fe₂O₃含量相差四倍多;又如B∈RB2海相红层下伏土黄色泥晶白云岩Fe₂O₃含量仅为0.34%,海相红层紫红色泥质角砾岩中Fe₂O₃含量为2.63%,两者Fe₂O₃含量相差7倍以上;又如B∈RB5海相红层上部,紫红色粉砂质泥岩Fe₂O₃含量4.23%,B∈RB5海相红层下部紫红色粉砂质泥岩Fe₂O₃含量5.83%,上下红层之间的夹层,灰绿色粉砂质条带Fe₂O₃含量为1.48%,两者Fe₂O₃含量相差也达3~4倍。研究区其他海相红层Fe₂O₃含量与其上覆、下伏地层FeO含量之间的差距也有类似的情况,这种现象侧面证明Fe₂O₃含量高可能是海相红层的致色原因。

4 北京西山寒武纪海相红层的分类

我国海相红层的分类大致有两种划分方案:一种是以海相红层的岩石类型划分;另一种是根据海相红层形成的构造位置(或海水深度)划分。

胡修棉等(2006)曾对西藏白垩纪红层进行分类:陆相红层和海相红层(Hu Xiumian et al., 2006;胡修棉等,2007)。将西藏南部白垩纪海相红层称为白垩纪大洋红层(CORBs)。代表大洋深水沉积形成的红层。又根据岩性将白垩纪大洋红层分为三类:泥质大洋红层、钙质大洋红层和硅质大洋红层。

戎嘉余等(2012)依据水深对海相红层进行分类:浅水(内陆棚)、较深水(外陆棚)和深水(大洋)红层。

2017年,林宝玉等(2017)依据水深对中国古代海相红层进行分类:浅水红层(0~20m或50m),半深水红层(50~200m),深水红层 (＞200m)。分别归属于陆表海(陆棚),陆缘海(斜坡)和大洋(盆地、海槽或陆棚海凹陷盆地)沉积(林宝玉等,2017)。林宝玉等(2018)进一步将浅水红层和半深水红层归入陆棚红层,将深水红层归入大洋红层。海相红层依据水深进行划分的方案,详见下表(表3)。此外,林宝玉等也依据岩石类型对海相红层进行分类,即:泥质碎屑岩类型、碳酸盐岩类型、硅质岩类型、火山碎屑岩类型等(林宝玉等,2018)。本文海相红层水深分类和岩石类型主要采用林宝玉等(林宝玉等,2018, 2019;李明等,2019b)的分类方案。

4.1 北京西山寒武纪海相红层的水深(构造位置)分类

根据林宝玉等(2018)依据水深对海相红层提出的分类方案,北京西山识别出的14层海相红层,均属于陆棚红层中的浅水海相红层。其中,下苇甸组(或昌平组底部)海相红层(B∈RB1)属潟湖相海相红层,馒头组海相红层(B∈RB2, 3, 4)、徐庄组海相红层(B∈RB5)可能属于极浅水近岸潮间带—潮上带海相红层,常具有石盐假晶,类似现代波斯湾南岸的萨布哈沉积。

4.2 北京西山寒武纪海相红层的岩石类型

依据海相红层的岩石类型,北京西山寒武纪海相红层大致可划分为两大类型:泥质碎屑岩类型和碳酸盐岩类型。泥质碎屑岩类型的海相红层主要有紫红色、砖红色砂砾岩、角砾岩和砂质泥岩(页岩);碳酸盐岩类型主要有灰紫色、紫色鲕状灰岩、竹叶状灰岩和灰岩。竹叶状灰岩中又可分出两种类型:① 浅紫色、紫褐色竹叶状灰岩,除胶结物为浅紫色、紫褐色外,竹叶亦具有紫色氧化圈;② 胶结物为灰色、绿色竹叶状灰岩,竹叶具有褐色、紫色氧化圈。两种竹叶状灰岩的形成环境可能略有不同,前者可能接近于竹叶形成时原地沉积环境,后者可能经搬运至略深水的非氧化环境之下沉积而成。

北京西山寒武纪海相红层的岩石分类、岩性特征和海相红层编号,详见表4。

5 北京市西山与邻区寒武纪海相红层的对比

北京市西山寒武纪地层、海相红层及生物群特征与河北省唐山地区和山西省东部地区非常相似,与已发表的青海省柴达木盆地北缘也极其相似。因此,本文选择这三个地区的寒武纪海相红层进行对比和讨论(表5)。

5.1 北京西山与河北唐山地区寒武纪海相红层的对比

河北唐山地区寒武纪海相红层可识别出19层(李明等,2019a),北京西山寒武纪海相红层与其对比如下:

(1)下苇甸组B∈RB1海相红层,位于原昌平组Palaeolenus带之下,层位与唐山地区昌平组(含Palaeolenus带化石)之底砾岩红层T∈RB1层位大致相当,可能同属于Estaingia带(=Hsuaspis带)上部。

(2)北京西山馒头组海相红层B∈RB2,B∈RB3及毛庄组海相红层B∈RB4未见标准寒武纪带化石,其层位可能与河北唐山地区馒头组海相红层T∈RB2,T∈RB3及毛庄组海相红层T∈RB4大致相当。

(3)北京西山徐庄组的B∈RB5海相红层在唐山地区未识别出相当层位的海相红层。

(4)北京西山徐庄组海相红层B∈RB6含三叶虫Sunaspis带化石。唐山地区徐庄组海相红层T∈RB7位于含Poriograulos带化石的海相红层T∈RB8之下,因此,海相红层B∈RB6层位可大致与唐山地区海相红层T∈RB7对比

(5)北京西山徐庄组海相红层B∈RB7位于三叶虫Sunaspis带之上,Bailiella-Lioparia带之下,层位推测应属于Poriograulos带。唐山地区徐庄组的海相红层T∈RB8含Poriograulos带化石。因此,海相红层B∈RB7与海相红层T∈RB8层位大致相当。

(6)北京西山张夏组海相红层B∈RB8含三叶虫Amphoton带化石,河北唐山地区相当层位未见海相红层。

(7)北京西山崮山组海相红层B∈RB9含三叶虫Blackwelderia带化石。河北唐山地区的崮山组下部海相红层T∈RB13,T∈RB14也含相同的Blackwelderia带化石。据此推测海相红层B∈RB9与海相红层T∈RB13和T∈RB14层位大致相当。

(8)北京西山崮山组海相红层B∈RB10含三叶虫Neodrepanura带,其层位大致与唐山地区崮山组上部海相红层T∈RB15相当。

(9)北京西山长山组海相红层B∈RB11含三叶虫Chuangia带化石,与唐山地区长山组下部含相同带化石的海相红层T∈RB16可直接对比。

(10)北京西山长山组中部海相红层B∈RB12,含三叶虫Changshania带化石,层位与唐山地区长山组中部含相同带化石Changshania的海相红层T∈RB17大致相当。

(11)北京西山长山组顶部海相红层B∈RB13位于三叶虫Changshania带之上,Kaolishania-Ptychaspis-Tsinania带之下,其层位推测大致为Maladiodella至Kaolishania带下部,与唐山地区长山组含Kaolishania-Maladiodella带化石的海相红层T∈RB18层位大致相当。

(12)北京西山凤山组底部海相红层B∈RB14含三叶虫Kaolishania-Ptychaspis-Tsinania带化石,唐山地区相当层位未见海相红层。

5.2 北京西山与山西东部寒武纪海相红层的对比

山西东部陵川—浑源地区的寒武纪地层及其所含的海相红层与北京西山的非常相似,并可进行较详细的对比。

5.2.1 山西东部陵川—浑源地区寒武纪海相红层的特征

根据1997年的《山西省岩石地层》(山西省地质矿产局,1997)提供的地层资料,本文在该地区识别出16层(套)海相红层(表5)。海相红层编号为S∈RB,其中S代表山西省,∈代表寒武纪,RB代表海相红层。各层海相红层的特征,简述如下:

S∈RB1海相红层,见于山西陵川剖面“馒头组”中部第5层。岩性为青灰色、酱红色泥质白云岩,往上变为黄色、红色白云岩,且重复出现四次,具水平层理,纹理发育,含三叶虫Redlichia chinensis, R.hupehensis,厚16m。时代应为R.chinensis带。

S∈RB2海相红层,见于山西陵川剖面“馒头组”第6层。岩性为青灰色厚层状泥晶白云岩与酱紫红色白云质灰岩互层,向上变为黄色与红色互层,重复出现三次,纹层发育,具水平层理,厚22.5m。该层海相红层未见标准化石,因其位于R.chinensis带之上,推测其层位为Redlichia nobilis带。

S∈RB3海相红层,见于山西陵川剖面“毛庄组”底部第8层。岩性为酱红色泥岩夹黄绿色泥岩(或泥质灰岩),具泥裂、波痕,厚13.6m。未见化石,根据上下层位所含化石,推测其层位为Qiaotouaspis带。

S∈RB4海相红层,见于山西陵川剖面“毛庄组”中部的10~11层。第10层岩性为酱紫红色页片状泥岩、块状泥岩与灰白色白云岩互层,重复出现多次。在10层的顶部发育一层核形石灰岩,具板状交错层理、凸镜状层理和对称波痕,厚9.4m。第11层岩性为暗紫红色页岩与白云质灰岩互层。顶部一层灰岩层面上具干裂砾岩,泥质胶结,棱角状,厚8.7m。红层总厚18.1m。未见化石,依据上下层位化石,推测其时代为Yaojiayuella带。

S∈RB5海相红层,见于山西陵川剖面“毛庄组”上部第12层。岩性为灰白色薄—中厚层灰岩夹暗紫色页岩,顶部一层灰岩层面上具对称波痕,灰岩多呈凸镜状,二者互层。含三叶虫Probowmaniella sp., 厚3.7m。三叶虫Probowmaniella是毛庄组下部的常见分子,时代属于Yaojiayuella带,因此推测海相红层时代可能为Yaojiayuella带。

S∈RB6海相红层,见于山西陵川剖面“毛庄组”上部第13层。其下部岩性为暗紫红色页岩,上部夹薄层白云质泥岩及灰岩,夹层越向顶越多,层厚8m,未见化石。其上14层含毛庄组顶部带化石Shantungaspis,因此,推测13层可能属于Shantungaspis带或Yaojiayuella带顶部。

S∈RB7海相红层,见于山西陵川剖面“徐庄组”底部15层。岩性为紫红色页岩与暗紫红色白云质泥岩互层,上部仅页岩与灰岩互层,重复出现三次,层面见波痕。含三叶虫Kochaspishsuchuangensis,厚9.9m。Kochaspis是“徐庄组”底部带化石。因此海相红层S∈RB7层位大致为Hsuchangia-Ruichengella带。

S∈RB8海相红层,见于山西陵川剖面“徐庄组”中部的第16层。岩性为紫红色钙质页岩夹三层灰绿色、紫红色生物碎屑灰岩及少许凸镜状紫红色细砂岩,具波痕、泥裂,厚43.5m。未见化石,根据上下层所含化石,推测其层位大致是Ruichengaspis带—Poriagraulos带。

S∈RB9海相红层,见于山西陵川剖面“徐庄组”顶部第17层。岩性为黄色、灰色中厚层灰岩与紫红色页岩互层,中部灰岩有同生砾岩。含三叶虫Eosoptychopariakochibei,厚12m。因该红层位于“徐庄组”顶部,依据所含化石推测其层位大致为Bailiella-Lioparia带。

S∈RB10海相红层,见于山西浑源城南悬空寺剖面崮山组底部第43层。底部岩性为暗紫红色竹叶状灰岩,上部为薄板状泥晶灰岩夹灰绿色页岩,重复出现三次,厚5.5m。S∈RB10海相红层与下伏张夏组灰色巨厚泥晶放射鲕粒灰岩整合接触,层位大致为Blackwelderia带。

S∈RB11海相红层,见于山西悬空寺剖面崮山组中部49~50层。第49层岩性为褐黄色砂砾屑鲕粒灰岩夹紫红色页岩,厚3.1m;第50层岩性为紫红色页岩夹紫红色砂屑灰岩,厚2.3m,共厚5.4m。未见标准化石,依据上下层位化石,推测层位可能为Blackwelderia带。

S∈RB12海相红层,见于山西悬空寺剖面崮山组近顶部第52层。岩性为青灰色薄板状泥晶灰岩夹黄绿色页岩或紫红色页岩及竹叶状灰岩。含三叶虫Liostracinakrausei, Stephanocare sp.等,厚2.6m。Liostracinakrausei是崮山组的重要化石,依据S∈RB12海相红层赋含化石推测层位大致为Neodrepanura带。

S∈RB13海相红层,见于山西悬空寺剖面长山组第56层。岩性为青灰色薄板状泥质灰岩、黄绿色页岩或紫红色页岩与竹叶状灰岩互层,重复九次。含三叶虫Kaolishania sp.,厚5.4m。虽然,该红层含长山阶顶部Kaolishania带化石,但其下55层含凤山阶底部带化石Tsinania,该海相红层也有可能属于Tsinania带。

S∈RB14海相红层,见于山西悬空寺剖面凤山组的57~58层。第57层岩性为紫红色页岩夹紫红色薄板状灰岩,厚4.5m;第58层岩性为紫红色薄板状泥质亮晶灰岩夹紫红色页岩,灰岩呈透镜状,厚1.7m。该红层未见化石,其下56层含长山阶顶部带化石Kaolishania,因此,推测S∈RB14海相红层时代可能为凤山期初期。

S∈RB15海相红层,见于山西悬空寺剖面凤山组第60层。岩性为紫红色页岩夹紫红色薄板状亮晶砂屑、生物屑灰岩,厚2m。其下,59层含带化石Quadraticephaluswalcotti;其上,64层含凤山阶顶部带化石Mictosaukiaorientalis。据此,推测S∈RB15海相红层层位大致为凤山期中期的Changia带。

S∈RB16海相红层,见于山西悬空寺剖面凤山组的第72层。岩性为紫红色竹叶状灰岩与薄板泥晶灰岩夹黄绿色页岩互层,重复出现两次,厚3.6m。因其下,64层含凤山阶顶部带化石Mictosaukiaorientalis。据此,推测该红层层位为Mictosaukiaorientalis带或更高。

5.2.2 北京西山与山西东部陵川—浑源地区海相红层的对比

根据上述地层资料,山西东部陵川—浑源地区识别出的16层海相红层,北京西山海相红层与该地区海相红层的对比,简述如下(详见表5):

(1)北京西山下苇甸组海相红层B∈RB1,位于Palaeolenus带之下,时代属于沧浪铺期的Estaingia带。山西地区未见相当层位的海相红层。

(2)北京西山馒头组底部海相红层B∈RB2,位于昌平组含Palaeolenus带和Redlichia chinensis带之上,且位于馒头组底部。其层位大致与山西东部馒头组底部含三叶虫Redlichia chinensis带化石的海相红层S∈RB2大致相当,或略高。

(3)北京西山馒头组中部海相红层B∈RB3,位于三叶虫Redlichia chinensis带之上,与山西东部S∈RB1大致相当,可能同属Redlichia nobilis带。

(4)北京西山馒头组上部—毛庄组下部海相红层B∈RB4,位于三叶虫Shantungaspis带之下,时代大致为Qiaotouaspis-Yaojiayuella带。山西东部海相红层S∈RB5含Probowmaniellla sp.,它是毛庄组底部常见分子。因此,北京西山的海相红层B∈RB4可能与山西东部的海相红层S∈RB4和S∈RB5相当。

(5)北京西山徐庄组底部海相红层B∈RB5,位于Shantungaspis带之上,层位大致为Kochaspis带。因此,海相红层B∈RB5可与山西东部含Kochaspis带化石的海相红层S∈RB7对比。

(6)北京西山海相红层B∈RB6含三叶虫Sunaspis带化石。海相红层B∈RB7位于B∈RB6之上,层位大致为Poriagroulos带。海相红层B∈RB6和B∈RB7大致与山西东部海相红层S∈RB8和S∈RB9都位于徐庄组上部,层位大致相当。

(7)北京西山张夏组海相红层B∈RB8含三叶虫Amphoton带化石。在山西东部相当层位未见红层。

(8)北京西山崮山组海相红层B∈RB9含三叶虫Blackwelderia带化石。因此,海相红层B∈RB9与山西东部崮山组海相红层S∈RB10,S∈RB11和S∈RB12大致相当。

(9)北京西山崮山组海相红层B∈RB10含Neodrepanura带化石,与山西东部崮山组海相红层S∈RB12大致相当。

(10)北京西山长山组下部海相红层B∈RB11含三叶虫Chuangia带化石,B∈RB12含Changshania带化石。在山西东部长山组未见这两层海相红层。

(11)北京西山长山组顶部海相红层B∈RB13,在地层层位上与山西东部长山组顶部的S∈RB13大致相当。

(12)北京西山凤山组底部海相红层B∈RB14含三叶虫Kaolishania, Ptychaspis, Tsinania等,时代应为Ptychaspis-Tsinania带,与山西东部凤山组底部海相红层S∈RB14大致相当。

(13)山西东部凤山组上部海相红层S∈RB15和S∈RB16,在北京西山相当层位尚未发现这两层海相红层。

5.3 北京西山与青海柴达木盆地北缘寒武纪海相红层的对比

根据柴北缘海相红层的报道(李明等,2019a;Sun Jiaopeng et al., 2020),青海柴达木盆地北缘寒武纪海相红层较发育,除小高炉组海相红层属于早寒武世沧浪铺期外,大多数海相红层发育于中晚寒武世,缺失早寒武世中晚期—中寒武世早期地层及海相红层。北京西山寒武纪海相红层与青海同期海相红层对比简述如下(表5):

(1)北京西山早寒武世下苇甸组海相红层B∈RB1时代为沧浪铺期早期,位于三叶虫带Palaeolenus带之下,可能属Estaingia带,大致与青海柴达木盆地北缘的小高炉组海相红层Q∈RB1和Q∈RB2层位相当。

(2)北京西山馒头组—毛庄组海相红层B∈RB2、B∈RB3和B∈RB4,徐庄组海相红层B∈RB5,B∈RB6和B∈RB7,因青海柴北缘缺失这些地层,因此在该地区未识别出上述海相红层。

(3)北京西山张夏期海相红层B∈RB8含三叶虫Amophoton带化石,在青海柴北缘下欧龙布鲁克群,未识别出相当层位海相红层。青海柴北缘海相红层Q∈RB5位于Taitzuia带之下,层位是否部分与B∈RB8相当,有待进一步工作确定。

(4)北京西山崮山组下部海相红层B∈RB9含Blackwelderia带化石与青海柴北缘上欧龙布鲁克群下部含Blackwelderia带化石的海相红层Q∈RB9可直接对比。

(5)北京西山崮山组上部海相红层B∈RB10含Neodrepanura带化石,在青海柴北缘上欧龙布鲁克群中未识别出该海相红层。

(6)北京西山长山组下部海相红层B∈RB11含三叶虫Chuangia带化石,与青海柴北缘上欧龙布鲁克群含三叶虫Chuangia带化石的海相红层Q∈RB11大致相当。

(7)北京西山长山组中上部海相红层B∈RB12和B∈RB13,在青海柴北缘上欧龙布鲁克群相当层位中尚未识别。

(8)北京西山凤山组底部海相红层B∈RB14含三叶虫Kaolishania,Ptychaspis和Tsinania等,可能属于Ptychaspis-Tsinania带,与青海柴北缘上欧龙布鲁克群Kaolishania带之上的海相红层Q∈RB14层位大致相当。

6 全球早寒武世沧浪铺期海相红层广布事件

6.1 中国早寒武世沧浪铺期海相红层的分布

中国早寒武世沧浪铺期海相红层广泛分布于华北地块和华南(扬子)地块,其他地块也有零星分布,现简介如下:

6.1.1 华北地块

华北地块早寒武世沧浪铺期海相红层主要沿华北古陆周缘分布(图7,表6)。

(1)宁夏贺兰山—陕西陇县一带苏峪口组海相红层和朱砂硐组海相红层(图7,点1~2)。苏峪口组海相红层广泛见于甘肃平凉、陕西省陇县一带。在甘肃平凉的岩性为一套浅紫红色石英砂岩,上部夹少量白云质灰岩,底部为砾岩,常含磷,厚32~56m。向南延伸至陕西陇县、岐山一带,下部岩性为紫红色、黄灰色角砾状磷块岩或层状磷块岩夹含磷块岩角砾的生物碎屑泥灰岩,含三叶虫Estaingia(=Hsuaspis) qishanensis, E.nanus, E.shanxiensis, Longxianaspisshanxiensis, Redlichia sp.等;中部为紫红色、暗红色薄层长石石英砂岩夹黄棕色粉砂质页岩;上部为浅紫灰色、暗紫红色薄—中层长石石英砂岩,厚20~42m。朱砂硐组海相红层见于陕西洛南一带,岩性为紫红色、浅灰色厚层角砾状白云岩,白云岩,白云质灰岩,普遍见有燧石团块或条带、泥裂、交错层理和石盐假晶,厚约100m(项礼文等,1999)。

(2)山西芮城一带辛集组(猴家山组)海相红层(图7,点3)。辛集组(猴家山组)海相红层,见于山西南部中条山地区。底部岩性为灰黑色磷矿胶结砾岩,往上为含磷砂岩、砖红色石英砂岩夹砂质泥质白云岩,总厚约40m。在芮城县,平陆县一带含低品位磷块岩小型矿床。

(3)河南登封—鲁山一带的辛集组和朱砂硐组海相红层(图7,点4)。辛集组海相红层,见于河南鲁山县辛集乡西北2.5km。下部岩性为灰白色含碳粉砂岩,底部有10~20cm褐黑色磷块岩,厚17.6m;中部为灰白、灰色长石石英砂岩及粉晶泥晶白云岩,含三叶虫Estaingia (Madianaspis) houchiuensis, E.(Yinshanaspis) anhuiensis,软舌螺Parakorilithusmammilatus, Linevitussuvorovi,腹足类Auriculatespiraadunca,开腔骨Chancelluriaaltaica等,厚21.4m;上部为灰白、灰黄、肉红色白云岩及角砾岩,厚269.6m。辛集组海相红层与下伏震旦系罗圈组呈假整合接触,与上覆朱砂硐组整合接触,总厚308.6m,属含磷滨海及陆棚浅海沉积。朱砂硐组海相红层下部岩性为浅红色含燧石薄层泥灰岩,中部为泥灰岩,上部红灰色云斑状灰岩,顶部为灰色,浅红色中厚层灰岩。朱砂硐组海相红层底部与下伏辛集组含砾砂岩或砂质灰岩为连续沉积,顶部与上覆馒头组为整合接触,厚115m。在登封县一带含Redlichia chinensis等,属于潮坪或潮下缓坡沉积;在鲁山产石膏,构成大型工业矿床(项礼文等,1999)。

(4)山东长清—临沂地区的李官组和朱砂硐组(五山组)红层(图7,点5)。李官组海相红层,见于山东临沂市李官村。岩性为灰色中厚层石英砂岩、砖红色夹黄绿色泥岩、泥质页岩;底部为灰紫色角砾岩,普遍含海绿石及石盐假晶。李官组海相红层与下伏震旦系佟家庄组呈假整合接触,与上覆朱砂硐组呈整合接触,厚30m,属滨海滩相沉积。朱砂硐组海相红层,见于朱砂硐组中部(余粮村段)。岩性为暗紫色、紫红色、肝紫色粉砂质灰岩。纸片状页岩含云母粉砂质页岩,铁质粉砂岩等,厚43.11m。其上覆上灰岩段含三叶虫Redlichia nobilis,下伏灰岩段含三叶虫Redlichia chinensis及Palaeolenusfengyangensis等整合接触,层位大致为R.chinensis带(山东省地质矿产局,1989)。

(5)北京西山昌平组底部(下苇甸组)红层(图7,点6)。下苇甸组海相红层,岩性为褐红色含黑色硅质角砾白云岩,厚0~0.5m。其上覆昌平组含Palaeolenus带三叶虫,未见海相红层。

(6)河北唐山昌平组底部红层(图7,点7)。昌平组底部红层,见于河北唐山赵各庄长山沟昌平组底部第1层。岩性为褐色(深灰)巨厚层灰岩,下部含三叶虫Palaeolenus sp.及Redlichia sp.;底部为断续状分布含砾灰岩,砾石为下伏之紫灰色泥质灰岩,经钙质胶结而成,厚约51.1m,与下伏青白口系景儿峪组平行不整合接触。底部断续分布的含砾灰岩可能属海相红层,时代大致为Estaingia带,与北京西山下苇甸组海相红层层位相当(李明等,2019a)。

华北地块:1—宁夏贺兰山;2—陕西陇县;3—山西芮城;4—河南登封—鲁山;5—山东临沂;6—北京西山;7—河北唐山;8—吉林通化—白山。扬子地块:9—云南晋宁;10—四川峨眉;11—四川南江;12—湖北宜昌。江北斜坡:13—陕西商南—河南浙川。柴达木地块:14—青海乌兰

North China Block: 1—Helanshan (Mountains), Ningxia; 2—Longxian County, Shaanxi; 3—Ruicheng, Shanxi; 4—Dengfeng County—Lushan County, Henan; 5—Linyi, Shandong; 6—Western Hills, Beijing; 7—Tangshan City, Hebei; 8—Tonghua-Baishan Cities, Jilin.Yangtze Block: 9—Jinning County, Yunnan; 10—Emi County, Sichuan; 11—Nanjiang County, Sichuan; 12—Yichang City, Hubei.North continetal slope of the Yangtze Block: 13—Shangnan, Shaanxi—Xichuan, Henan.Qiadam Block: 14—Wulan County, Qinghai

(7)吉林通化市—白山市水洞组(黑沟子组)海相红层(图7,点8)。水洞组(或黑沟子组)海相红层,岩性为紫红色、灰紫色、黄绿色胶磷矿砾岩,含磷、含砾粉砂岩和细砂岩,顶部为紫红色条带灰岩。水洞组(或黑沟子组)海相红层与下伏震旦系青沟子组假整合接触,顶部与上覆昌平组(或碱厂组)灰黑色厚层灰岩整合接触,厚64.4m。该组下部含遗迹化石Phycodespedum, Bergaueria aff.perata, Cosmorhaphe sp.,往上胶磷砂砾岩内含小壳化石Circotheca maxima, Paragloborithus sp., Turcutheca sp.等。

6.1.2 扬子地块

(1)云南晋宁地区的沧浪铺组海相红层(图7,点9)。沧浪铺组为一套碎屑岩沉积,可划分为两个岩性段:下段为红井哨段,由灰黄、黄绿色砂质页岩夹薄—中层砂岩组成,底部与下伏筇竹寺组整合接触,厚186m。自下而上包括Yiliangella-Yunnanaspis带和Drepanuroides带,属潮下坪环境。昆明以西,该段的石英砂岩粒度变粗,夹紫色砂页岩层,厚70~90m。红井哨段往北至四川会理、雷波、云南永善等地,南北延伸达350km以上,岩性以紫红色粉砂质泥岩、粉砂岩和砂岩为主,斜层理发育,称“下红层”。李善姬称之为肖滩段,未见化石,厚47~261m。上段称乌龙箐段,岩性为灰绿色云母砂质页岩及云母石英砂岩组成,层理常不平整,多见虫管状痕迹,底部与红井哨段整合接触,顶部与上覆龙王庙组整合接触,厚113m,含三叶虫Palaeolenus带化石。往北至川滇交界及四川西南部,中上部灰岩增多为泥质条带灰岩和白云岩,含古杯类化石。李善姬称之为金沙江段,厚20~219m(项礼文等,1999)。

(2)四川峨眉遇仙寺组海相红层(图7,点10)。遇仙寺组海相红层可分为两段:下段(张山段)岩性以紫红、灰紫色为主夹灰绿、灰黄等色泥岩、粉砂质泥岩组成,习称“下红层”,水平层理发育,含三叶虫化石带,自下而上为Eoredlichia-Wutingaspis-Chaoaspis组合带和Yiliangella-Zhangshania组合带,厚40m,属潮下坪沉积环境。上段(油房沟段)岩性以浅灰色石英砂岩为主夹薄层砂质泥岩。顶部灰黄色粗砂岩中含三叶虫化石,为Palaeolenuslantenoisi带,厚30m,属滨岸浅滩相环境。下与九老洞组,上与龙王庙组均呈整合接触,时代为早寒武世筇竹寺期至沧浪铺期(项礼文等,1999)。

(3)四川南江仙女洞组和阎王碥组红层(图7,点11)。仙女洞组海相红层见于四川南江沙滩仙女洞附近。下段岩性为灰至深灰色块状鲕状灰岩,具砂质斜层理,含古杯化石,厚48m;中段为浅灰至深灰色细粒钙质砂岩,与深灰色厚层灰岩互层,含古杯化石,厚55m;上段为肉红、紫红、灰、灰绿色厚层灰岩、硅质灰岩,富含藻类化石,厚20m。仙女洞组海相红层与下伏郭家坝组,上覆阎王碥组均整合接触。含古杯化石Taylorcyathus, Dictyocyathus, Archaeofungia, Coscinocyahus等;含三叶虫Yiliangella, Yunnanaspis, Malungia等,时代为早寒武世沧浪铺早期。该海相红层为浅海富氧温暖的陆棚环境。阎王碥组海相红层,见于四川南江沙滩阎王碥附近。下段为“紫红色层”,岩性为紫红色砂质泥岩夹紫红色及灰色细至中粒砂岩,下部夹砂质灰岩,含三叶虫Yunnanaspis, Yunnanaspidella,厚34m;中段为灰褐、灰、黄绿色砂岩与砂质页岩互层,下部夹砂质灰岩,含三叶虫Malungia,Redlichia等,厚31m;上段为灰色中至粗粒砂岩,含砾砂岩,间夹砂质页岩和页岩,具波浪构造,下部含三叶虫Paokannia,Szechuanolenus,厚149m。该组一般含两个化石带:下部Drepanuroides-Yiliangella-Qiaotingasppis组合带,上部Szechuanolenus-Paokannia组合带(项礼文等,1999)。该组与下伏仙女洞组和上覆孔明洞组(龙王庙组)均呈整合接触,时代为早寒武世沧浪铺期。阎王碥组海相红层为潮坪—滨海相沉积环境。

(4)湖北宜昌地区的石牌组红层和天河板组(图7,点12)。石牌组海相红层岩性为灰绿色、黄绿色薄层含水云母黏土岩、砂质页岩及粉砂岩,间夹多层薄层紫红、肉红、黑色鲕粒状灰岩。该组与下伏牛蹄塘组和上覆天河板组均呈整合接触,厚164m。产三叶虫Redlichia,自下而上可建三个化石带:Redlichia (R.) meitanensis带,Ichangia-Neocobboldia带和Palaeolenuslantenoisi带。该组具水平波状层理,水平虫孔(虫管状构造),波痕发育。属开阔浅水台地相沉积。往西至重庆市城口县一带,产丰富的古杯化石,可密集成为礁体,称鹰嘴岩古杯组合。天河板组岩性为深灰至灰色薄层泥质条带灰岩,局部夹少量黄绿色页岩和鲕状、豆状薄层灰岩。其下与石牌组,其上与石龙洞组均呈整合接触,厚89m。含丰富的古杯及三叶虫化石,含两个化石带,自下而上为:Archaeocyathushupeiensis带,Palaeolenusdeprati带。古杯化石呈密集礁体形成的生物丘产出(项礼文等,1999),未见海相红层。

6.1.3 江北斜坡地区

汪家店组海相红层(图7,点13)。汪家店组海相红层,见于陕西商南县、山阳县和河南浙川一带。在商南县汪家店,该组岩性为灰、深灰色极细晶泥质灰岩与页岩互层,上部为薄层极细晶泥质灰岩和泥灰岩,颜色以灰、深灰色为主,黄灰、浅紫色次之。该组与上覆岳家坪组,下伏水沟口组均呈整合接触,厚39.3m。该段地层可分为两个化石带:Pre-palaeolenus带(含Redlichiahupehensis,R.noetlingi, Kooteniayui),Palaeolenus带(主要含P.deprati, P.magnus等)。该组时代为早寒武世沧浪铺期,为开阔台地相沉积。在东部浙川脑子寨,该组红层岩性为灰白至青灰色中薄层灰岩夹较多紫红色页岩及钙质泥岩,厚46.6m(项礼文等,1999)

6.1.4 柴达木地块

青海省乌兰县欧龙布鲁克山小高炉组海相红层(图7,点14)。小高炉组下部海相红层,岩性为灰—灰白色厚层含磷石英质砾岩,含胶磷矿砂砾岩,砾岩中夹灰红褐色粗粒长石石英砂岩透镜体,含腕足类Kutorgina sp.,厚5.37m。灰红褐色粗粒长石石英砂岩透镜体为海相红层。小高炉组上部海相红层,岩性为紫红色灰绿色细砂岩、粉砂质灰岩夹泥质灰岩及砂质白云岩,厚11m。该组与上覆下欧龙布鲁克群呈平行不整合接触(李明等,2019a)。

6.2 国际早寒武世沧浪铺期海相红层的分布

早寒武世沧浪铺期海相红层不仅在国内广泛分布(图8,点1~3),在国外许多地区也有分布(图8,点4~16)。

(1)朝鲜平南盆地基底组红层(图8,点4)。基底组顶部海相红层,见于朝鲜黄海北道黄州群驹岘山山脊的基底组顶部第5层,岩性为红色粉砂岩,含三叶虫化石Hsuaspis(现称Estaingia) coreanicus (Saito), Hyolithasteretapex (Saito), Botsfordiagranulata (Redlich), Obelellamargaritae (Saito), Bradorissubacuminata Saito等,厚3m。该组与上覆文山里组整合接触。该组下部1~4层为层状磷块岩和含磷砂板岩,厚2.5m,该组总厚5.5m。其下,不整合于寒武系驹岘系黑色黏板岩之上(Institute of Geology, State Academy of Sciences, D.P.R.of Korea, 1996)。

(2)朝鲜北部楚山—江界地区的龙大里层(或长江石英岩)海相红层(图8,点5)。龙大里层(或长江石英岩)海相红层的岩性为紫红色黏板岩、绿色黏板岩、泥灰岩互层,厚50~60m,未见化石,其上覆地层土谷层中含Redlichiakopungensis带化石。该层平行不整合于前寒武系祥原系之上,时代可能为沧浪铺期(Institute of Geology, State Academy of Sciences, D.P.R.of Korea, 1996)。

1 —华北地块(吉林、北京、山东、山西、河南、陕西、宁夏);2—柴达木地块(青海乌兰);3—扬子地块(云南、湖北、四川峨眉山、四川南江、陕西商南);4—朝鲜(平南盆地);5—朝鲜(楚山—江界地区);6—韩国(太白山地区);7—澳大利亚(阿德雷德地区);8—巴基斯坦(盐岭地区);9—约旦—以色列(死海地区);10—土耳其(Amanos山);11—土耳其(托罗斯山地区);12—西班牙南部(莫雷纳山);13—英国(南威尔士);14—英国(北威尔士);15—美国(加利福尼亚);16—阿根廷(San Juan地区)

1 —North China Block (Jinlin, Beijing, Shandong, Shanxi, Henan, Shaanxi and Ningxia); 2—Qiadam Block (Wulan County, Qinghai Province); 3—Yangtze Block (Yunan, Hubei, Emeishan of Sichuan, Nanjiang of Sichuan, Songnan of Shaanxi); 4—D.P.R.of Korea (P'yongnam Basin); 5—D.P.R.of Korea (Ch'osan-Kanggye Area); 6—R.O.of Korea (Taebaek Mountains); 7—Australia (Adelaide City); 8—Pakistan (Salt Range); 9—Jordan-Israel (Dead Sea); 10—Turkey (Amanos Hills); 11—Turkey (Taurus Mountains); 12—Spain (Ossa-Morena Area); 13—United Kingdom (South Wales); 14—United Kingdom (North Wales); 15—United States (South California); 16—Argentine (San Juan)

(3)韩国太白山斗围峰地区的壮山石英岩海相红层(图8,点6)。壮山石英岩海相红层岩性为浅灰—粉红色石英岩,厚度不详。其上覆猫峰层中含Redlichia带化石,其下不整合于前寒武系谷期变质岩之上(Institute of Geology, State Academy of Sciences, D.P.R.of Korea, 1996),时代可能为沧浪铺期。

(4)澳大利亚阿德雷德市北Ajax Limestone海相红层(图8,点7)。在澳大利亚南澳洲阿德雷德市北一带,寒武纪海相红层非常发育,下中上三统均有,其中,下寒武统Ajax Limestone岩性为粉红色泥质灰岩。Ajax Limestone中下部含三叶虫Redlichia带和Plagiogmus带(项礼文等,1981;James et al., 1990;Jago et al., 2012;Geoscience Australia and Australian Stratigraphy Commission, 2017),因与我国南方同期地层化石带相同,推测其时代相当于我国南方的筇竹寺期,并据此推测Ajax Limestone上部时代可能相当于沧浪铺期。

(5)巴基斯坦盐岭地区(图8,点8)。2009年,Baig详细描述了巴基斯坦盐岭(Salt Range)寒武系层序,由下而上划分为:Khewra组、Kussak组、Jutana组和Baghanwala组(Baig, 2009)。其中,Kussak组(或Neobolus层)含三叶虫Redlichianoetlingi, Neoboluswarthi, Botsfordia granulate, Lingulellawanniecki, Hyolitheswynnei等,时代大致为沧浪铺期。Kussak组岩性为绿灰色海绿石、云母砂岩,绿灰色粉砂岩夹浅灰色白云岩和若干鲕状泥质白云岩,上部夹粉红色石膏透镜体,厚70m。粉红色石膏透镜体是沧浪铺期海相红层。Jutana组岩性为浅绿色、坚硬块状砂质白云岩,上部为浅绿色和灰色白云岩,厚80m,含三叶虫Botsfordia granulate, Redlichianoetlingi, 后者为云南沧浪铺期的常见化石。Baghanwala组为红色页岩和泥岩与板状砂岩互层,其中夹数层粉红色、灰色页岩,含石盐假晶,厚40m,时代可能为龙王庙期。Kussak组与下伏Khewra组整合接触,Khewra组岩性为紫色—棕色、黄棕色细粒砂岩,厚150m,盐岭西部达200m。Khewra组未见标准化石,但其上部层位也可能属于沧浪铺期,是沧浪铺期海相红层。

(6)约旦和以色列死海地区Burj组下部(Tayan段)红层(图8,点9)。在死海地区寒武系中下部可划分为三个组:Salib组、Burj组和Umm Ishrin组。上下两组为河流相,中部Burj组为海相。由下而上明显显示海侵—海退的过程。Burj组可分为三段(由下而上):Tayan段岩性为绿色—红色粉砂岩和细粒石英砂岩;Numayri段岩性为灰岩和白云岩,含三叶虫Palaeolenusantiquus,厚50~60m;Hanneh段岩性为绿色—红色砂岩和少量粉砂岩(Gozalo et al., 2007)。上述Tayan段海相红层位于三叶虫Palaeolenus带之下,时代大致为沧浪铺期。Hanneh段海相红层位于Palaeolenus带之上,时代大致为龙王庙期。

(7)土耳其Amanos山地区Zabuk组红层(图8,点10)。 Amanos山地区寒武系由Zabuk组、Koruk组和Sosink组组成。Zabuk组红层岩性为厚层粉红色河流相或三角洲相长石砂岩(Gozalo et al., 2007)。该组时代为沧浪铺期。

(8)土耳其Taurus(托鲁斯)山地区Hüdai组红层(图8,点11)。土耳其Taurus山地区寒武系,由Hüdai石英岩组、Cal Tepe组和Seydisehir组组成。其中,Hüdai石英岩组红层岩性为厚层红白色和灰色薄片状石英砂粗碎屑岩,具交错层,可能代表沙滩沉积,厚度小于500m(Gozalo et al., 2007)。该组时代可能为沧浪铺期。

(9)西班牙南部Ossa-Morena地区Santo Domingo组红层(图8,点12)。在西班牙南部Ossa-Morena地区,寒武系自下而上为:Santo Domingo组、Castellar组和Los Villares组。其中,Santo Domingo组岩性为红色页岩、白云岩和燧石灰岩,含叠层石、藻类及腕足类碎片,属潮上带—远岸沉积(Gozalo et al., 2007)。该组时代为沧浪铺期。

(10)英国南威尔士地区Caerfai页岩红层(图8,点13)。该区的寒武系自下而上划分为:Caerfai Series, Solva Series, Menevian Series以及Lingula Flags。其中,Caerfai页岩红层岩性为紫色、绿色和红色砂岩和板岩,含结晶凝灰岩,底部为砾岩,含三叶虫Ollenus (?), Lingulellaprimaeva等,厚290m(Ziegler et al., 1975),时代为沧浪铺期。

(11)英国威尔士北部地区的Harlech系红层(图8,点14)。与威尔士南部Caerfai群(或页岩)相当的地层称Harlech Series。Harlech系红层岩性为绿色—灰色粗砂岩夹绿色和紫色板岩条带(Ziegler et al., 1975),时代为沧浪铺期。

(12)美国加利福尼亚州Zabriske石英岩红层(图8,点15)。根据Mount(1980)的报道,加利福尼亚南部圣贝纳迪诺县东部的下寒武统由下而上划分为:Wood Canyon Formation, Zabriskie Quartzite, Latham Shale, Chambless Limestone, Cadiz Formation(下部)。其下与前寒武系不整合接触。其中,Zabriskie石英岩为海相红层。Zabriske石英岩红层岩性为粉红色至白色块状石英岩,化石稀少,厚约5~75m,整合于Wood Canyon组之上,含Olenellus sp.indet.和遗迹化石Skolithos sp.。其上覆地层Latham页岩含丰富的三叶虫Olenellusmohavensis (Crickmay), O.nevadensis (Walcott), Bristoliaanteros Palmer, B.bristolensis (Resser), Peachellaiddingsi (Walcott), Onchocephalus sp.等。根据上覆地层所含化石,及Zabriske石英岩红层赋含化石,推测该红层时代大致为沧浪铺期。

(13)阿根廷圣胡安地区的Cerro Totora组红层。根据Bordomaro(2003)的报道,在阿根廷San Juan地区的下寒武统称Cerro Totora组。其岩性为页岩,红色砂岩、粉砂岩,层状石膏,钙质白云岩,泥岩和具韵律的薄层砂岩组成。该层顶部含三叶虫Olenellids (Arcuolenellus megafrontalis Vaccaro),属早寒武世晚期Olenellus带。由于三叶虫位于该组上部,该组下部地层含红层的时代可能属于沧浪铺期。

6.3 早寒武世沧浪铺期海相红层广布事件

通过早寒武世沧浪铺期海相红层在中国华北地块、柴达木地块和扬子地块以及朝鲜、韩国、澳大利亚、巴基斯坦、约旦、以色列、土耳其、西班牙、英国、美国和阿根廷等地的空间分布,可以初步确认在寒武世沧浪铺期海相红层分布较为广泛。

控制早寒武世沧浪铺期海相红层全球分布的主因可能与气候带(或纬度)的分布及海平面升降有关。而区域性海相红层的分布则受控于其附近的古陆(位置和形状),因为古陆为其提供了充足的陆源碎屑及其所携带的红层致色主因Fe₂O₃。

7 讨论

通过北京西山及中国南方寒武纪沧浪铺期海相红层的研究和对比,下面几个问题值得进一步研究。

7.1 海侵(或海平面上升)形成的红层

中国北方早寒武世沧浪铺期海相红层(如:北京西山下苇甸组、吉林通化——白山水洞组、山东长清—临沂李官组和朱砂洞组、宁夏—陕西西部的苏峪口组和朱砂洞组等)具如下特征(表6):

(1)红层与其下伏地层均为不整合接触。

(2)红层下伏地层均属前埃迪卡拉系,其间有一个长期的间断(剥蚀)。这些古老地层一般均具含铁岩系或矿床,铁质丰富。

(3)红层均是海侵初期形成的。因此Fe₂O₃的来源与其下伏地层关系密切。这些古老的风化面上残留了大量含铁碎屑物质及Fe₂O₃,为海侵初期海相红层的形成创造了良好的条件。

(4)红层紧邻或环古陆分布,说明红层的碎屑物质及Fe₂O₃来源于古陆(图7)。

7.2 海退(或海平面下降)形成的红层

中国南方早寒武世沧浪铺期海相红层(如云南晋宁沧浪铺组、湖北宜昌石牌组等)具如下特征(表6):

(1)沧浪铺组、石牌组海相红层与其下伏地层为整合接触。

(2)沧浪铺组的下伏地层为筇竹寺组,以黑色页岩为主;石牌组的下伏地层为牛蹄塘组,亦以含黑色页岩等为主。富含铁质,是缺氧条件下形成的产物。

(3)红层的下伏地层水体较深,且是缺氧条件下形成的。红层是在富氧条件下形成的,因此红层的形成应是海平面下降(海退)或具富氧的底层水流影响而形成的。

7.3 早寒武世沧浪铺期海相红层形成的两种成因机制

通过中国北方(华北地块)和中国南方(扬子地块)海相红层形成的特征的比较可以初步认识到:

(1)中国北方沧浪铺期海相红层不整合于前埃迪卡拉系之上。不整合面之下地层多为含铁岩系。碎屑物质及Fe₂O₃主要来源于这些古老的岩系。从古地理图上看(图7),海相红层环绕古陆分布,大多数海相红层为滨—浅海沉积。我国北方该时期海相红层普遍含磷矿床,有的还含泥裂、交错层理或石盐假晶(如:陕西洛南朱砂洞组;山东长清—临沂李官组)或石膏矿床(如:河南鲁山)。因此,中国北方华北地块沧浪铺期海相红层的形成及分布应受控于华北古陆。

(2)中国南方(扬子地块)沧浪铺期海相红层,如沧浪铺组海相红层、石牌组海相红层的成因可能与其下缺氧事件形成的筇竹寺组、牛蹄塘组黑色页岩有关。宋海军等 (Song Haijun et al., 2017)认为,缺氧事件使含铁物质富集于黑色页岩中,为其后富氧事件海相红层创造了条件。他们认为云南早寒武世海相红层是这种形成机制的典型实例之一,他们所指的云南早寒武世海相红层可能就是沧浪铺期海相红层。

虽然缺氧事件可能有利于铁的富集,但缺氧事件铁的来源仍是一个问题?从扬子地块早寒武世古地理图可以看出,扬子地块4处海相红层均分布于古陆边缘,这说明铁的主要来源很可能还是受控于附近的古陆(图7)。① 云南晋宁沧浪铺组海相红层(图7,点9),位于康滇古陆东侧,并沿古陆东侧分布,向北经会理,可达西昌以东四川雷波和云南永善,长达350km以上。王鸿祯等(1985)称其为滨海紫红色泥砂质组合,称其下伏筇竹寺组为滞留海(下部)及浅海(上部)砂泥质组合。在昆明以西粒度变粗。显然,该海相红层碎屑物质和Fe₂O₃主要来源于康滇古陆,因此,下伏筇竹寺组黑色页岩对红层提供铁不是红层形成的主导因素。② 四川峨眉遇仙寺组海相红层(图7,点10)下段(张山段)红层为潮下坪沉积,上段(油房沟段)为滨岸浅滩相沉积,且紧邻龙门山古陆(岛群)东侧,因此,碎屑物质很可能来源于龙门山古陆。③ 四川南江仙女洞组红层(图7,点11)为陆棚环境,其上的阎王碥组红层为潮坪—滨岸相沉积,且位于龙门山古陆东侧和汉中古陆的南侧,其碎屑物质及Fe₂O₃主要来源于龙门山古陆和汉中古陆。④ 湖北宜昌石牌组海相红层(图7,点12)具波状水平层理,发育水平孔管迹,波痕发育,属浅水开阔台地相沉积,虽然其下牛蹄塘组属缺氧环境沉积,但因其位于宜昌古陆的南侧,因此,其碎屑物质和Fe₂O₃极大可能主要来源于宜昌古陆。

纵观上述分析,不难看出,扬子地块沧浪铺期海相红层的成因可能部分受控于缺氧的黑色页岩,但更多受控于来自古陆的碎屑物和Fe₂O₃。

7.4 中国北方寒武世沧浪铺期海相红层的穿时现象

从中国东部早寒武世沧浪铺期古地理图中(图7)可以看出,中国北方该时期海水入侵方向是由东向西、由南向北入侵华北古陆。因此,海相红层的穿时性非常明显。海相红层的层数及厚度,由东向西、由南向北层数逐渐减少,且厚度变薄。如山东一带的李官组和朱砂洞组有两层红层,共厚约70余米,而向西至北京西山一带的下苇甸组仅见一层红层,厚度小于1m。类似的情况在河北唐山一带也可见,昌平组底部海相红层仅为断续分布的含砾灰岩,红层层位也有逐渐升高的趋势。

根据刘群等(1994)的研究,早寒武世时期,随着海水由南向北入侵,滨岸瀉湖或滩后瀉湖由南而北逐渐推移,其含膏层位也逐渐抬升,这与沧浪铺期海相红层层位由南向北逐渐升高非常吻合。

此外,章雨旭(2001)的报道华北板块寒武纪地层不同时期有穿时现象。当然,也包括海相红层的穿时。穿时时限及幅度,在一个化石带内还是跨越几个化石带,还需进一步研究。

7.5 北京西山及邻区海相红层显示的古气候信息

海相红层是在强氧化环境下形成的产物,如干燥、炎热的古气候条件和较低的纬度。类似于现代波斯湾南岸发育的萨布哈沉积。北京及其邻区馒头组—徐庄组下部海相红层(红色岩系)(如:北京西山的B∈RB2~5,唐山地区T∈RB2~6,和山西陵川地区的S∈RB1~7)含大小不一的石膏矿床和石盐假晶,且具泥裂构造等干旱标志,生物稀少,属种单调,主要为:三叶虫Redlichia。因此,北京及其邻近地区(河北唐山,山西陵川等地)海相红层提供了馒头组—徐庄期早期的华北地台处于干燥炎热的古气候信息。河北唐山馒头组—毛庄组海相红层古地磁测定的古纬度为27.14°N,19.8°N和33.7°N等(刘群等,1994)。古纬度提供的信息进一步表明,这些海相红层的形成于寒武纪时期北半球低纬度地区的干旱带。

在我国显生宙海相红层中,类似现代的萨布哈沉积,在柴达木盆地北缘寒武纪馒头(龙王庙)期—毛庄期下欧龙布鲁克群海相红层Q∈RB3~5中,同样含丰富的石盐假晶和泥裂(李明等,2019a);在四川东部及重庆地区三叠系下统印度阶飞仙关组,奥列尼克阶嘉陵江组,中统安尼阶雷口坡组、巴东组红层中,含丰富的膏盐矿床(薄靖方等,2019)。

北京西山寒武纪地层中海相红层的纵向分布亦可为寒武纪古气候变迁提供若干信息(图3)。早寒武世初期(下苇甸组、昌平组)海相红层不发育,仅在下苇甸组底部偶见不稳定的海相红层,说明此时期的气候相对处于低纬度的温湿沉积环境。早寒武世晚期—中寒武世早期(馒头组、毛庄组和徐庄组下部)海相红层发育多层(5层),厚度大,以红色泥岩为主,含石膏、石盐假晶及泥裂等干旱标志,属于潮间带—潮上带环境,气候干燥、炎热可能指示此时期大气中CO₂含量较高,从而形成较强的温室气候(效应)。中寒武世晚期—晚寒武世早期(徐庄组上部、张夏组和崮山组下部),以高能沉积环境形成的鲕状灰岩为主,红层不发育,仅偶见1~2层海相红层,且红层胶结物不是红色的氧化环境,可能指示温凉的气候环境。晚寒武世(崮山组上部、长山组、凤山组下部)红层发育,红层数量增多(6层),总厚度较大,竹叶状灰岩发育,说明海水变浅,风暴较强,氧化环境进一步增强,但气候尚未达到干燥炎热的程度。寒武纪晚期—奥陶纪早期,白云岩沉积发育(三山子组含少量红色),有时候还含膏盐层,可能指示气候向炎热干燥转化,类似情况也见于河北唐山和山西东部(表5)。

综上,北京及邻区寒武纪海相红层纵向分布变化,寒武系自下而上呈现出气候变化趋势为:正常温热气候(下苇甸组、昌平组)→干燥炎热气候(馒头组、徐庄组下部)→正常温热气候(徐庄组上部、崮山组下部)→干旱气候(崮山组上部、凤山组下部),直至寒武纪奥陶纪之交,演变为以局限台地沉积为主的干燥炎热气候。寒武纪时期,这种气候交替出现的现象,是否与大气中CO₂含量变化形成的温室效应有关,还需要做进一步的工作。

海相红层纵向分布指示古气候变化较典型的案例是四川东部及重庆三叠纪海相红层(薄靖方等, 2019)。该地区三叠纪海相红层自下而上演变趋势为:海相红层发育(12层)(下三叠统印度阶—中三叠统安尼阶)→海相红层不发育(2层)(中三叠统拉丁阶—上三叠统卡尼阶)→海相红层消失(上三叠统诺利阶—瑞替阶)的过程(表7)。相应的,三叠系自下而上指示的气候也由干燥炎热演变为温凉潮湿,这很可能与大气中CO₂浓度变化有很大关系。三叠纪由初期的陆生植物不繁盛逐渐演变为末期的大量繁盛,造成大气中CO₂浓度因植物吸收降低,致使温室效应减弱,气候变得温凉潮湿。从三叠纪矿产角度看,早三叠纪海相红层中膏盐矿床发育,演变至晚三叠纪—侏罗纪煤层发育,说明大气中CO₂含量的转变可能是诱发地球表面气候周期性交替出现的重要因素。此前,二叠系—三叠系界线曾被认为是缺氧条件发育时期(王成善等,2005),但是,无论是二叠纪—三叠纪之交缺氧事件,还是晚三叠世后期—侏罗纪早期的缺氧事件,均发生在陆棚区沉积环境,与白垩纪大洋深水盆地中黑色页岩与红层交替出现的沉积环境(胡修棉,2004, 2013;王成善等,2005;胡修棉等,2006, 2007)不同,前者形成于浅水环境,后者则形成于大洋深水环境。在地质历史中,缺氧和富氧事件的具体关系还需要更多的相关学科的具体研究数据进行支撑。

总之,北京西山寒武纪等海相红层的初步研究表明,海相红层不仅能够提供其赋存层位或时代的气候信息,还能为不同时段或层位海相红层的研究对地质历史时期古气候或大气周期性变化提供重要信息或依据。

7.6 华北地区寒武纪海相红层的形成与海水深度的关系

通过北京西山、河北唐山和山西东部海相红层的对比研究(表6)可以看出,华北地区的海相红层主要集中发育于馒头组、毛庄组和徐庄组,或广义的馒头组(如:北京西山有6层海相红层,河北唐山有9层海相红层,山西东部有9层海相红层)、崮山组、长山组、凤山组(如:北京西山有6层海相红层,河北唐山有7层海相红层,山西东部有6层海相红层)。

中寒武世晚期张夏组海相红层很不发育。在北京西山仅在张夏组下部有一层红层B∈RB8,且该红层不是典型的海相红层,即竹叶状灰岩的胶结物并不是红色,仅竹叶具红色氧化圈,这说明该红层沉积水体较深,竹叶可能是异地搬运而来的。在唐山,张夏组仅底部的Crepicephalina带有两层海相红层T∈RB11和T∈RB12。在山西东部,张夏组没有海相红层。这些现象是否可以说明,由于张夏期水体较深,氧化条件差,不利于海相红层的形成。也就是说,海水深度也是影响海相红层形成的条件之一。这与薄婧方等(2019)报道的四川东部重庆地区中三叠世晚期—晚三叠世早期天井山组、马鞍塘组海相红层层数迅速减少与海水深度变深有关的理念相吻合。

7.7 华北地区寒武纪海相红层的形成与区域构造运动的关系

华北地区海相红层的形成除与水深有关,海相红层的数量可能还与区域性地壳上升的活动有关(表5)。北京西山、河北唐山和山西东部在馒头组—徐庄组和崮山组—凤山组下部都有数层海相红层。华北地区寒武纪海相红层中大多数形成于馒头组—徐庄组和崮山组—凤山组这两个水体较浅的层段,红层数量达寒武纪海相红层数量的80%左右。说明,这两段地层形成的时期,垂直升降运动频繁,产生多次氧化环境(如:馒头—徐庄期上升运动达6~9次)。根据彭善池(2018)提供的寒武纪年龄资料(表1),龙王庙(馒头)期—徐庄期时间跨度约为8Ma,平均约1.3~1.1Ma抬升1次;崮山期—凤山期早期时间跨度约11Ma,抬升6~7次,平均约1.8~1.2Ma抬升1次;张夏期时间跨度~5Ma,平均约5~2.5Ma抬升1次。张夏期,在北京西山地区,抬升1次,河北唐山2次,山西东部未抬升,这说明张夏期构造活动较之前和之后都较稳定,氧化环境形成的条件少,因而海相红层不发育。这也说明,浅水海相红层形成的数量可能受到区域性地壳垂直升降运动频次(海水进退频次)的控制。

8 结论

通过对北京西山门头沟下苇甸寒武纪海相红层的研究,得出以下认识:

(1)首次系统识别北京西山寒武纪海相红层层序。共识别出14层(套)海相红层。其中,下苇甸组(原昌平组底部)1层(B∈RB1),馒头组2层(B∈RB2, 3),毛庄组1层(B∈RB4),徐庄组3层(B∈RB5~7),张夏组1层(B∈RB8),崮山组2层(B∈RB9~10),长山组3层(B∈RB11~13)和凤山组1层(B∈RB14).大多数海相红层及其上下层位均含有标准的三叶虫化石带,为华北地区寒武纪海相红层的研究提供了一个良好的标准剖面。

(2)海相红层岩性多种多样。主要分为两大类:泥质碎屑岩类和碳酸盐岩类。泥质碎屑岩类包括:褐红色砂砾岩(B∈RB1)、紫红色泥质角砾岩(B∈RB2)、砖红色、紫红色粉砂质泥岩(B∈RB3~5)。碳酸盐岩类有:灰紫色—紫色鲕粒灰岩(B∈RB6)、灰色—绿色竹叶状灰岩(竹叶具紫红色或褐色氧化圈;B∈RB7~9,12)、紫褐—浅紫色竹叶状灰岩(竹叶亦具氧化圈;B∈RB11)、紫色粉砂质泥晶灰岩(B∈RB10, 13, 14)。

(3)紫红色竹叶状灰岩和具氧化圈砾屑的竹叶状灰岩海相红层在寒武纪海相红层中十分常见,其他时代海相红层一般很少见。这可能与寒武纪时期的沉积环境—陆表海广布及海水具强动力条件(风暴或地震?)有关。

(4)北京西山寒武纪海相红层均属于陆棚红层中的浅水海相红层,尚未见到大洋(深水)海相红层。说明在北京西山一带寒武纪时期陆棚红层广布。

(5)通过对比研究,本文梳理了山西东部寒武纪海相红层16层(早—中寒武世9层,晚寒武世7层)。

(6)北京西山寒武纪海相红层的碎屑物质及Fe₂O₃的来源受控于西部华北古陆和北部的阴山—燕北岛群,而陆表海广布及炎热的气候为红层致色主因Fe₂O₃提供了良好的氧化环境。

(7)通过与国际寒武纪海相红层的对比,可以确认早寒武世沧浪铺期存在全球范围的海相红层广布事件。

致谢:感谢审稿专家和编辑部专家提供宝贵的意见,感谢前人在研究区付出辛勤劳动。

参考文献