中阿巴拉契亚地区上奥陶统朱尼亚塔组（Juniata Formation）的古地理特征及层序地层结构：希南特冰期（Hirnantian Glaciation）开始前构造运动与海平面变化的相互作用

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Paleogeography and sequence stratigraphic architecture of the upper Ordovician Juniata formation, central Appalachians: The interplay of tectonics and Eustacy prior to the onset of the Hirnantian glaciation

研究中央阿帕拉契安前陆盆地晚奥陶纪朱尼亚塔组沉积序列，揭示构造运动（塔康尼造山运动）与海平面变化对碎屑岩沉积的控制作用。通过15种岩性组合划分为4种沉积体系，结合等厚线与古流向数据，重建了潮汐平流-浅海陆架的复合古地理环境，并识别出 Milankovitch 周期控制的二级层序和三级海平面波动。该成果为理解前陆盆地沉积演化机制提供了新证据。

　　

C.R. Blue | R.J. Diecchio | K.A. Eriksson | W.S. McClung

科罗拉多女童子军，地址：1485 S Colorado Blvd., Suite 210, Denver, CO 80222, 美国

摘要

阿巴拉契亚山脉中部的上奥陶纪（卡蒂安期）地层为研究构造运动和海平面变化对前陆-盆地环境中硅质碎屑沉积的影响提供了机会。Juniata组由红色砂岩、粉砂岩和页岩互层组成，这些岩石是在塔科尼克造山运动期间形成的广泛硅质碎屑盆地填充物中沉积的。本研究试图通过（1）分析Juniata组的地层结构；（2）重建Juniata组的古地理环境，来解决有关构造和海平面变化对沉积作用影响的一些问题。十五种岩相被归为四类岩相组合（A–D），这些岩相被认为是在从潮间带到近海海域的逐渐变深的古坡面上沉积的。等厚线和古水流数据表明，海岸线呈东北-西南方向分布，硅质碎屑物质向盆地西部和西南部扩散。构造运动控制了盆地填充的模式，这种模式沿着盆地的走向发生变化。海平面变化则体现在A、C和D类岩相组合中的三个三级序列和米兰科维奇周期/准序列中。Juniata组的沉积发生在希南蒂安冰期高幅度海平面波动之前。

引言

美国东部的上奥陶纪（辛辛那提期）地层形成于地球历史上的两个重要时期。当时劳伦西亚东部刚刚从被动边缘转变为前陆-盆地沉积环境，同时地球气候也从温室气候向冰室气候过渡，这一过渡以希南蒂安冰期的短暂而剧烈的降温为顶峰（参见Villas等人，2002年；Brenchley等人，2003年；Saltzman和Young，2005年；Lv等人，2022年）。阿巴拉契亚山脉中部的Juniata组为研究构造运动和海平面变化对前陆-盆地环境中硅质碎屑岩的影响提供了理想的对象（图1）。本研究基于Juniata组的地层和沉积学数据，旨在：（1）结合现有研究和先前发表的成果，重建Juniata组的古地理环境；（2）理解构造运动与海平面变化在Juniata组地层结构形成中的作用；（3）确定导致希南蒂安冰期的海平面变化序列。这些问题是通过收集和分析七个新地层剖面的高分辨率露头数据来解决的。

区域构造

阿巴拉契亚盆地是一个延伸的构造盆地，从加拿大东部地盾向西南方向延伸至阿拉巴马州中部，大致与大西洋海岸线平行。该盆地保存面积约为54万平方公里，如果包括加拿大的边缘区域则更大（Colton，1970年）。本研究关注的时间段与塔科尼克造山运动的开始和进展相吻合。这一事件反映了从被动边缘到前陆-盆地沉积环境的转变。

方法论

研究区域位于阿巴拉契亚山脉中部，从弗吉尼亚州的Valley and Ridge向西延伸至西弗吉尼亚州的高地（图1）。露头位置位于Blue Ridge逆冲断层的西北侧和Allegheny Front的东南侧（图1）。

本研究详细记录了七个露头位置的信息。第八个露头位于弗吉尼亚州Narrows附近的一条道路切割面，其数据来源于Kreisa（1980年）的研究，并以相同的方式绘制在图中。

区域等厚线趋势和古水流

Juniata组的等厚线图（图3）显示，该组地层在东北方向整体变厚，沉积中心位于宾夕法尼亚州中部、马里兰州西部和西弗吉尼亚州北部（Diecchio，1985年）。向东方向，Juniata组地层逐渐变薄；向南和向西方向，在弗吉尼亚州和西弗吉尼亚州则逐渐变薄。在最东端的露头带，由于Tuscarora不整合面的侵蚀作用，Juniata组地层完全缺失。

岩相、岩相组合和沉积环境

在研究区域内，Juniata组包含15种岩相（详见表1）。根据共存关系，这些岩相被分为四类岩相组合（A、B、C和D）。总体而言，砂岩含量在北部和东部较高，而泥岩或页岩含量在南部和西部较高。

阿巴拉契亚中部盆地

区分Juniata组的各种浅海和潮间带/河流环境存在三个主要困难。首先，由于晚奥陶纪时期缺乏维管植物，因此“大陆地层”中未保存根系痕迹。其次，除了Juniata组下部偶尔出现的Lingula碎片外，缺乏其他生物化石，这使得海洋地层的解释变得困难。第三，岩相的分布特征也增加了识别的复杂性。

序列地层学、构造运动和海平面变化

对于阿巴拉契亚盆地内的Juniata组，迄今为止进行的序列地层学分析相对较少。大多数研究集中在辛辛那提拱上的相应碳酸盐岩单元上（图9A；Holland和Patzkowsky，1996年；Pope和Read，1997年；Holland和Patzkowsky，1998年）。Juniata组与弗吉尼亚州和西弗吉尼亚州的上中奥陶纪至上奥陶纪地层之间存在关联。

现代类比

塔科尼克前陆盆地的一个合适的现代类比是澳大利亚北部的卡奔塔利亚湾，它位于澳大利亚和新几内亚之间，纬度范围约为10°S至18°S（图9B）。卡奔塔利亚湾地处巴布亚新几内亚和帝汶的褶皱-逆冲带前方，后者可作为塔科尼克高地的类比（Diecchio，1993年）。此外，卡奔塔利亚湾及其相邻的阿拉弗拉海构成了一个浅海内陆海。

结论

Juniata组内的岩相被分为四类岩相组合（A、B、C和D）。岩相组合A形成于前进的潮间带环境；岩相组合B代表不连续的上岸带砂坝；岩相组合C包含中下部岸带沉积物；岩相组合D形成于近海大陆架向岸带过渡区。

Juniata组的古地理重建结果与先前的研究一致。

作者声明

本手稿基于资深作者在硕士论文中提出的野外观察结果。C.R. Blue在K.A. Eriksson和R.J. Diecchio的指导下进行了研究，两人共同参与了研究的设计、实施及结果分析。C.R. Blue负责初稿的撰写，随后由其他作者对内容进行了修订和扩展。所有作者共同讨论了研究结果和结论，并做出了贡献。

CRediT作者贡献声明

C.R. Blue：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；方法论；调查；数据分析；概念构建。 R.J. Diecchio：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；监督；方法论；调查；概念构建。 K.A. Eriksson：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；方法论；数据分析；概念构建。 W.S. McClung：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；概念构建。

未引用的参考文献

Dennison, 1970

Hinnov和Diecchio, 2015

Pope和Read, 1998

Wheeler, 1963

利益冲突声明

本手稿首次系统研究了希南蒂安冰期之前晚奥陶纪Juniata组的沉积学和序列地层演化。因此，这是一项原创性研究。早期的研究可追溯至1939年，但这些研究主要集中在地下记录方面，不属于本文所述的区域性研究。

致谢

资深作者感谢美国地质学会、美国地质调查局、雷斯顿市以及弗吉尼亚理工大学地质科学系对野外工作的财务支持。Mike Pope和一位匿名审稿人提出的建设性意见极大地改进了手稿的质量。