四川東部華鎣山海相二疊/三疊系界線附近的鍶同位素組成

胡作維, 黃思靜, 劉麗紅, 佟宏鵬, 賀艷祥

成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室、沉積地質研究院, 四川成都 610059

四川東部華鎣山海相二疊/三疊系界線附近的鍶同位素組成

胡作維, 黃思靜, 劉麗紅, 佟宏鵬, 賀艷祥

成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室、沉積地質研究院, 四川成都 610059

二疊/三疊系界線附近的地球化學記錄在地球環境重大變革研究中有著重要的意義。根據鍶同位素地層學的基本原理, 本文對四川東部華鎣山海相二疊/三疊系界線附近碳酸鹽巖樣品進行顯微組構觀察、化學成分分析及其對同期海水代表性評估的基礎上, 測試了這些樣品的鍶同位素組成。結果表明, 這些樣品的原始沉積組構保存較好、Sr含量較高, 可以認為其只遭受過較低程度的成巖蝕變改造, 并保留了較多的海水原始信息, 鍶同位素比值分布范圍在 0.707158～0.707334之間, 與前人公布的同期海水值吻合較好, 體現了全球地質事件對海水鍶同位素組成控制的一致性。四川東部華鎣山二疊/三疊系界線附近較為系統的鍶同位素演化研究, 可望為我國南方海相二疊/三疊系界線附近化學地層學及其對比研究提供一些有價值的基礎資料。

二疊系; 三疊系; 鍶同位素地層學; 華鎣山; 四川東部

鍶同位素地層學(Strontium Isotope Stratigraphy)是基于以下基本原理: 由于鍶在海水中的殘留時間(≈106a)遠遠長于海水的混合時間(≈103a), 地質時代中全球范圍內海水的鍶在同位素組成上是均一的,也就是說海水的87Sr/86Sr值是地質時間的函數(Wickman, 1948), 那么一些未經成巖蝕變的、可以代表海水組成的海相碳酸鹽(也包括硫酸鹽、磷酸鹽及其它一些內源沉積物)的鍶同位素組成及其演化(Brand, 2004; Martin et al., 2004), 可以被用來深入研究地質歷史中的全球事件及其對比(Ingram et al., 1994; Veizer et al., 1997; Chen et al., 2005; Kroeger et al., 2007)。隨著對用于鍶同位素地層學的樣品類型及其成巖蝕變評估、鍶同位素分析方法與精度以及數據積累程度等問題的深入理解(Burke et al., 1982;黃思靜等, 2001), 從20世紀80年代以來, 海相碳酸鹽巖地層的鍶同位素研究得到了國內外有關學者的廣泛關注和重視, 并進行了大量具有開創性的研究。但目前國內利用鍶同位素地層學進行海相地層研究僅處于起步階段(李華芹等, 1994; 楊杰東等, 2001; 江茂生等, 2002; 黃思靜等, 2004; 胡作維等, 2007, 2008a; 劉建清等, 2007), 仍有很多不足之處值得我們進一步探索, 可以預見鍶同位素地層學將會有更大的發展空間和應用前景。

二疊/三疊紀過渡期是地球從古生代向中生代演化發展的重要階段, 是地球環境的重大變革時期, 其間發生了一系列重要的地質事件, 如生物集體滅絕、海水快速進退、火山噴發活動、地外物質撞擊和海底缺氧等事件(Jin et al., 2000; Becker et al., 2001; Yin et al., 2001; 李子舜等, 1986; 楊基端等, 1986; 楊遵儀等, 1991)。我國南方地區廣泛出露沉積連續和類型多樣的二疊/三疊系界線地層, 前人在長期的研究中積累了大量有重要參考價值的成果。然而, 前人的研究更多地集中于巖石和古生物地層等方面, 而化學地層學方面的內容較少涉及, 尤其是鍶同位素地層學方面。到目前為止, 上揚子臺地二疊/三疊系界線附近海相碳酸鹽樣品的鍶同位素組成只有零星報道(共 6個數據), 黃思靜(1997)和Veizer等(1999)各自報道了3個數據(均來自四川廣元上寺和重慶中梁山兩個剖面), 那么四川盆地東部華鎣山二疊/三疊系界線附近海相碳酸鹽的鍶同位素組成如何？它們是否具有區域和全球可對比性？這些都是我們所關心的。這些問題的進一步探討將對上揚子臺地乃至我國南方二疊/三疊系界線地層的鍶同位素地層學研究及其對比具有較為重要的意義。

1 樣品采集

樣品采集于四川廣安華鎣市天池鎮附近的仰天窩剖面(圖1), 其位于廣安—鄰水高等級公路的一側(E106°54'8.8", N30°25'9.8"), 構造上屬華鎣山復式背斜中段西翼, 地表巖層出露較好(圖 2), 易于進行地層學和沉積學等方面的研究。在二疊/三疊系界線附近地層共出現了 5層事件粘土層(胡作維等, 2008b), 其余巖層以深灰色灰巖為主, 包括了微晶灰巖(部分含燧石結核)和含泥微晶灰巖; 本文加密采集了6個灰巖樣品, 包括PT3、PT5、PT7、PT8A、PT8B、PT10(圖2)。

2 樣品成巖蝕變性評估

圖1 樣品采集剖面的地理位置Fig. 1 Sketch geographic map of the sampling area

圖2 廣安仰天窩剖面二疊/三疊系界線附近巖性柱狀圖、樣品分布位置Fig. 2 Lithology and sampling location near the Permian/Triassic boundary of Yangtianwo section, Guang’an

對于經歷了超過 2億年地質歷史的三疊系海相碳酸鹽沒有蝕變幾乎是不可能的, 它們的成巖蝕變性及其對海水信息的代表性具有相對性, 那么實際工作中不得不面對這樣一個問題: 如何有效地評估它們是否仍在很大程度上代表當時海水的信息。前人眾多研究實踐表明, 化學分析(尤其是Mn和Sr等微量元素分析)是評估古代海相碳酸鹽成巖蝕變性較為有效的方法和常用手段(McArthur et al., 1994; Veizer et al., 1999; 黃思靜等, 2001), 因而我們也采用了上述方法和手段對這些樣品進行成巖蝕變性評估。經顯微組構觀察結果表明, 這些樣品的原始微晶結構保存較好, 主要是由碳酸鹽礦物所組成。常量和微量元素分析結果(表 1)表明, 多數樣品 Ca含量在30%左右, 而Si含量相對偏高, 4個樣品超過了7%, 因而這些樣品基本為含泥微晶灰巖; Sr含量多數在 200×10-6以上, 平均含量為 331×10-6, 大于Derry等(1989)建議的Sr含量下限值(200×10-6), 也接近于 Korte等(2003)建議的好樣品的Sr含量下限值(400×10-6); 但這些樣品的 Mn含量平均值高于1200×10-6, 顯著高于 Korte等(2003)建議的好樣品的 Mn含量上限值(250×10-6), 從而導致了這些樣品(除樣品PT8A外)具有較高的Mn/Sr值, 甚至有3個樣品的 Mn/Sr值大于 6, 大于 Kaufman等(1992, 1993)建議的Mn/Sr值的上限值(2～3)。

雖然這些樣品具有較高的 Mn含量和較大的Mn/Sr值, 但這并不意味著這些樣品已經遭受了較大程度的成巖蝕變或者不能代表海水的信息; 事實上這些樣品的Sr含量并沒有隨著Mn含量的減少而出現有規律的增加(圖3a), Ca含量也沒有隨著Mn含量的增加出現較為有規律的變化(圖3b), 同時Sr含量并沒有隨著Si含量的增加而出現有規律的減少(圖3c), 因而這些樣品中的高Mn含量可能是由于沉積作用造成的,其主要來源可能是華南地區廣泛分布的二疊/三疊系界線附近火山碎屑物質(事件粘土層是其蝕變產物集中分布的產出形式(胡作維等, 2008b), 圖 2)在海底蝕變過程中釋放的Mn, 而后這些Mn直接進入到沉積的海相碳酸鹽礦物晶格中, 也就是說, 上述 Mn元素與后期成巖蝕變可能不存在直接聯系, 因而這些樣品的Mn含量和Mn/Sr值對其成巖蝕變程度評估并沒有太多的實際意義?？偟目磥? 盡管這些樣品 Mn含量較高和 Mn/Sr值較大, 但由于原始沉積組構保存較好、Sr含量較高, 可以認為這些樣品只遭受了較低程度的成巖蝕變改造, 并保留了較多的海水原始信息。

表1 樣品的常量、微量元素和鍶同位素組成Table 1 Major elements, trace elements and Sr isotopic ratios of the samples

圖3 樣品Mn含量與Sr含量相關圖(a); Mn含量與Ca含量相關圖(b); Sr含量與Si含量相關圖(c)Fig. 3 Plots of Mn concentrations versus Sr concentrations (a); Mn concentrations versus Ca concentrations (b); Sr concentrations versus Si concentrations (c)

3 樣品鍶同位素組成

在晚二疊世—早三疊世的全球海水鍶同位素組成演化曲線中, 二疊/三疊紀之交的時間段附近正好處于全球海水鍶同位素比值急劇增大的起步階段。正是由于這個時間段的全球海水鍶同位素組成演化曲線呈現為快速單調遞增的趨勢, 并具有顯生宙以來最大的海水鍶同位素組成增長速率, 也就是在很短的時間內就發生了海水鍶同位素比值的巨大變化(Veizer et al., 1999; Korte et al., 2003), 但目前實際的地質時間標尺似乎還很難達到這樣的分辨率, 造成了該時間段內的鍶同位素地層學對比及其年齡標定存在不少的困難。

在相對較薄(1 m 厚)的地層中加密采集了可進行鍶同位素比值分析的碳酸鹽巖樣品, 6個樣品的87Sr/86Sr值分布范圍在 0.707158～0.707334之間(表1), 與意大利西西里島二疊/三疊系界線附近 0.46 Ma時間間隔中 6個牙形石數據的87Sr/86Sr值(在0.707270～0.707485之間, 平均值為 0.707385(Korte et al., 2003))比較吻合。同時從總體上看, 這些樣品Mn含量的增加沒有導致87Sr/86Sr值呈現有規律的增加(圖 4a), 同時 Sr含量的減少也沒有導致87Sr/86Sr值呈現有規律的增大(圖4b),87Sr/86Sr值與Mn/Sr值之間似乎沒有什么直接關系(圖 4c), 因而這些樣品還是在很大程度上代表了海水的鍶同位素組成。

值得注意的是, 由于部分樣品的鍶同位素組成出現了局部高值異常波動, 并不是呈現向上單調遞增變化, 那么究竟是不同樣品遭受的成巖蝕變程度不同, 影響了樣品鍶同位素組成的可靠性？還是這些樣品本身所記錄的海水鍶同位素組成就是如此？這種情況的出現可能是以下原因造成的: 由于在總體上, 全球二疊/三疊紀界線附近海水鍶同位素組成呈現為向上單調遞增變化(圖5), 而在四川東部華鎣山二疊/三疊系界線附近也呈現上部樣品(PT7、PT8A、PT8B和PT10)具有相對較高87Sr/86Sr值, 而下部樣品(PT3、PT5)具有相對較小87Sr/86Sr值的變化趨勢(表 1), 也就是說, 該界線附近的鍶同位素組成演化趨勢與前人所獲得的全球二疊/三疊紀界線附近海水的鍶同位素組成演化趨勢是基本一致的,基本上沒有出現偏離(圖5), 因而年代效應可能是造成樣品87Sr/86Sr值增加的主要原因。從國際已公布的鍶同位素比值—年齡數據庫(Veizer et al., 1999; Korte et al., 2003)來看, 該時間段內也出現了鄰近數據點的變化并不一致的現象, 數據分布較為離散,也就是說, 在鍶同位素數據密集分析的地層段(或時間段)出現局部低幅波動是正常的。盡管這可能是由于數據庫中不同樣品具有不同的成巖蝕變程度和質譜儀器分析誤差造成了鍶同位素比值的波動和離散,但就目前這兩個數據庫同時提供的有關判斷成巖蝕變的信息而言, 可以認為這些樣品的有關信息依然是可信的。由Veizer等(1999)和Korte等(2003)建立的晚二疊世—三疊紀全球海水鍶同位素組成數據庫是目前該時段最為完善的數據庫, 包括了 400多個鍶同位素數據, 得到了國際同行的廣泛認同, 具有很高的可靠性。

圖4 樣品鍶同位素比值與Mn含量相關圖(a); 鍶同位素比值與Sr含量相關圖(b);鍶同位素比值與Mn/Sr值相關圖(c)Fig. 4 Plots of Sr isotopic ratios versus Mn concentrations (a); Sr isotopic ratios versus Sr concentrations (b); Sr isotopic ratios versus Mn/Sr ratios (c)

圖5 晚二疊世—早三疊世的全球海水鍶同位素組成演化圖Fig. 5 Sr-isotopic curve of the Late Permian–Early Triassic seawater

同時通過選用了6個樣品中最接近二疊/三疊系界線附近的PT7、PT8A、PT8B和PT10樣品的鍶同位素組成平均值(0.707267)與前人所取得的鍶同位素組成數據進行對比, 將這個平均值投在由 Veizer等(1999)和Korte等(2003)提供的晚二疊世—早三疊世全球海水鍶同位素比值—年齡數據庫(共128個數據)繪制的鍶同位素演化趨勢曲線上(圖 5), 結果表明: 這些華鎣山二疊/三疊系界線附近樣品的87Sr/86Sr平均值十分接近于前人所獲得的二疊/三疊紀界線(界線年齡采用 Harland等(1989)公布的 245 Ma)附近全球海水的鍶同位素組成(圖 5), 因而本文分析的數據在很大程度上仍然代表了海水的組成,也就是說, 放射性成因鍶對樣品的鍶同位素組成影響還是十分有限的(圖5), 其對樣品的分析結果沒有實質性的影響。當然, 反過來說, 上述對應關系也為本文的樣品提供了一個可供參考的鍶同位素地層學標定年齡(≈245 Ma; 圖5)。

4 結論

(1)由于這些樣品具有的原始沉積組構保存較好、Sr含量較高, 可以認為其只遭受過較低程度的成巖蝕變改造, 尚保留著較多的海水原始信息; 盡管同時具有的Mn含量較高和Mn/Sr值較大, 但這些樣品中的高 Mn含量可能是由于沉積作用造成的,其主要來源可能是華南地區廣泛分布的二疊/三疊系界線附近火山碎屑物質在海底蝕變過程中釋放的Mn, 因而這些樣品的Mn含量和Mn/Sr值對其成巖蝕變程度評估并沒有太多的實際意義。

(2)6個樣品的鍶同位素比值分布范圍在0.707158～0.707334之間, 自老而新呈現先增后減的演化趨勢, 從總體上看, 這些樣品的鍶同位素比值基本上與前人所獲得的全球二疊/三疊系界線附近海水鍶同位素組成有著較好的對應關系, 基本沒有出現偏離, 也就是說, 華鎣山地區二疊/三疊系界線附近的鍶同位素組成可以與全球其它地區同期海水的鍶同位素組成進行對比。

(3)四川東部華鎣山海相二疊/三疊系界線附近碳酸鹽巖較為系統的鍶同位素組成研究, 可望為我國南方海相二疊/三疊系界線附近化學地層學及其對比研究提供一些有價值的基礎資料。

致謝: 本文得到了審稿專家、編輯同志的大力支持和寶貴建議, 姜琳、鐘鳴參加了野外采樣工作, 在此深表謝意。

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Strontium Isotopic Composition Near Marine Permian/Triassic Boundary of the Huaying Mountain, Eastern Sichuan

HU Zuo-wei, HUANG Si-jing, LIU Li-hong, TONG Hong-peng, HE Yan-xiang
State Key Laboratory of Oil/Gas Reservoir Geology and Exploitation, Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan 610059

Geochemical records play an important role in the study of the Permian/Triassic boundary, where geological environment significantly changed. Based on the fundamental principle of strontium isotope stratigraphy, the authors analyzed the rock fabric and chemical composition, made preservative evaluation for coeval seawater of the carbonate rock samples near the Permian/Triassic boundary in the Huaying Mountain, eastern Sichuan, and then measured strontium isotopic composition of the samples. These samples haven’t suffered much from the strong diagenetic alteration and can represent preferably the coeval seawater, as evidenced by their relatively good original sedimentary fabric and high Sr concentrations. The87Sr/86Sr ratios of six samples vary from 0.707158 to 0.707334, and are consistent with available87Sr/86Sr ratios of coeval seawater near the Permian/Triassic boundary, suggesting the global control of geological events over the87Sr/86Sr ratios of seawater. The application of strontium isotope stratigraphy to the Permian/Triassic boundary in the Huaying Mountain will provide some useful basic data for the chemo-stratigraphic and global correlative studies of marine Permian/Triassic boundary in South China.

Permian; Triassic; strontium isotope stratigraphy; Huaying Mountain; eastern Sichuan

P534; P597.2

A

1006-3021(2010)06-853-07

本文由國家自然科學基金項目(編號: 40839908, 40672072)和教育部博士點基金項目(編號: 20050616005)聯合資助。

2010-04-29; 改回日期: 2010-08-17。責任編輯: 魏樂軍。

胡作維, 男, 1981年生。博士, 講師。主要從事沉積地質學研究。通訊地址: 610059, 四川成都市二仙橋東三路1號。

電話: 028-84079073。E-mail: huzuowei@yahoo.com.cn。