二疊紀—三疊紀之交全球海平面變化研究

黎虹瑋 李 飛 胡 廣 譚秀成,3 李 凌,3

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室 西南石油大學 成都 610500；2.四川省天然氣地質重點實驗室 成都 610500；3.中國石油碳酸鹽巖儲層重點實驗室—沉積與成藏分室 西南石油大學 成都 610500)

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二疊紀—三疊紀之交全球海平面變化研究

黎虹瑋1,2李 飛1,2胡 廣1,2譚秀成1,2,3李 凌1,2,3

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室 西南石油大學 成都 610500；2.四川省天然氣地質重點實驗室 成都 610500；3.中國石油碳酸鹽巖儲層重點實驗室—沉積與成藏分室 西南石油大學 成都 610500)

二疊紀—三疊紀界線附近的全球海平面變化是當前沉積學研究的熱點和難點問題，其與當時的顯生宙最大規模生物滅絕事件存在一定關聯，具有重要的研究意義。然而二疊紀—三疊紀界線附近的全球海平面變化存在較多爭議，受單剖面或區域范圍內相對海平面變化研究程度的制約，在缺乏從沉積學角度的綜合對比研究的情況下，可能會影響對全球海平面變化過程與持續時間的判識。綜述了二疊紀—三疊紀界線附近的海平面變化研究進展，整合了多位學者的研究剖面、主要觀點及認識，梳理了全球海平面變化的主要觀點(“上升論”和“下降—上升論”)，包括其各自的發展歷程、代表剖面及海平面變化識別特征、海平面上升/下降的原因以及海平面變化與生物滅絕的關系等，并在此基礎上，探討了二疊紀—三疊紀全球海平面變化研究過程中產生爭議的原因。本文旨在為二疊紀—三疊紀界線(PTB)附近海平面變化研究提供線索，同時為研究全球PTB地質事件發生的背景及差異性原因提供基礎證據。

二疊紀—三疊紀界線 全球海平面變化 暴露標志 生物滅絕事件

0 引言

二疊紀—三疊紀之交的生物大滅絕(約2.52億年前)是地質歷史上最為矚目的地質事件，造成超過90%的海洋無脊椎動物滅絕[1]。關于這次事件的起因眾說紛紜，目前認為可能與西伯利亞溢流玄武巖的噴發有密切關系[2]。對這段時期內包括高溫[3-4]、缺氧[5-6]、海洋酸化[7-9]、強烈陸緣風化[10]等重大環境異常事件的研究已較為深入；二疊紀—三疊紀界線(PTB)附近的全球海平面變化可能與生物滅絕事件存在直接或間接關聯，同樣具有重要的研究意義。然而界線附近的全球海平面變化研究存在較多爭議，受單剖面或小區域范圍內海平面變化研究程度的制約可能是重要原因之一，因為區域性的海進和海退可能屬于相對海平面變化，可能受盆地基底升降、沉積物供給速率、可容空間、氣候等影響，不等同于全球(絕對)海平面變化，要提出全球海平面變化的觀點，需要有全球范圍內多個剖面的對比。在PTB海平面變化事件研究中，由于研究剖面位置分散，受海平面變化標志性證據多解性和古地貌差異影響，小區域范圍的相對海平面變化存在差異，在缺乏從沉積學角度的綜合對比研究的情況下，難以對全球海平面變化的過程與時限進行判識。因此，本文綜述了全球二疊紀—三疊附近海平面變化的研究進展，整合了多位學者的研究位置、研究觀點或認識，梳理了全球海平面變化的主要觀點(“上升論”和“下降—上升論”)，包括其發展歷程、代表剖面及海平面變化識別特征、海平面上升/海平面下降原因以及海平面變化與生物滅絕的關系等，在此基礎上，分析了全球海平面變化研究過程中產生爭議的原因，以期為PTB附近全球海平面變化研究提供線索，同時為研究全球PTB地質事件發生的背景及差異性提供基礎證據。

1 二疊紀—三疊紀界線附近全球海平面變化的主要觀點

上世紀60—80年代，Newell[11]首先提出海洋生物大滅絕與海平面下降存在關聯，從定性的角度上認為海洋生物的銳減與陸緣海的減少有密切關系，Schopf[12]和Simberloff[13]則從定量的角度研究了二疊紀末大滅絕時生物種類與生存區域的關系，指出海平面下降導致的棲息地喪失增加了滅絕的可能性，他們的研究表明早二疊世淺海區生物棲息地約占43%，而到晚二疊世僅占13%，到三疊紀早期，全球淺海區生物棲息地又增加至34%。Holser[14]也認為大滅絕與大規模海平面下降有關，并指出當時海平面下降達280 m，速率為60 m/Ma。但通過仔細核對早期文獻的生物地層工作，發現其二疊紀末最后一個地層年代為Djufian[12](對應華南板塊吳家坪階[15])，地層系統缺乏華南板塊的長興階沉積，即90年代以前的學者所提出的海平面下降實際上指的是晚二疊世早期的吳家坪期海平面下降，而不是長興階末期的海平面下降(下文1.2.1將詳述)。

真正關于二疊紀—三疊紀界線附近全球海平面變化的研究始于上世紀90年代，先后經歷了“上升論”的盛行以及之后的“下降—上升論”觀點的逐步確立。下文主要對這兩個觀點進行了總結梳理。

1.1 上升論

1.1.1 觀點的發展歷程及代表剖面

上世紀90年代，海平面下降導致物種棲息地喪失的觀點受到以Wignall和Hallam等為代表的學者的質疑[16-19]。Twiitchett[19]指出物種—地域關系中，特定地點棲息環境的多樣性比棲息地面積更重要，其次，全球變冷和冰川期造成的海平面下降(如奧陶紀末滅絕事件)，水溫的下降比陸棚面積的喪失更可能是滅絕機制。Hallam[16]首次提出二疊紀末海平面上升過程中底層缺氧海水的上涌可能是造成生物滅絕的重要機制，之后，Wignall等發表了多篇文章[17-18,20-22]，主要涉及意大利、巴基斯坦鹽嶺地區、藏南、華南板塊重慶地區的淺水相PTB剖面(圖1、表1)，認為全球二疊紀末—早三疊世為連續的海平面上升，滅絕線和PTB都位于海侵層序中，滅絕事件與最大海泛面(MFS)緊密相關而不是與和層序界面(SB)相關，PTB在滅絕線之上或在滅絕段內。連續海平面上升觀點得到了一些學者的支持[23-29](圖1、表1)，該觀點的提出主要基于如下兩點：①識別出以暴露面或侵蝕面為特征的層序界面，但早期生物地層工作認為生物滅絕事件發生在層序界面之上的海侵沉積中，即層序界面所代表的海平面下降不能歸屬于PTB附近發生的事件，故未對該期海平面下降事件予以關注，并得出PTB附近為海平面上升的結論[17-18,21,30]；②未能在界線地層附近識別出近地表暴露證據或對近地表暴露的證據有其他解釋，PTB附近多為海平面上升導致的巖性巖相突變區間[7,16,20,23-24,26,28-29,31-36]。總的來說，早期PTB附近海平面上升論觀點的盛行主要是對層序界面附近地層的研究尚不深入，導致海平面下降事件未能引起重視。

1.1.2 海平面上升的原因

對于二疊紀末海平面上升的原因尚無定論，僅有少數學者提出了一些假說，假說主要包括： ①Hallametal.[30]認為二疊紀末泛大洋海底巖石圈超級地幔柱隆起會產生相對陸架邊緣的海平面上升，但是二疊紀末的洋殼多由于俯沖下沉或大陸增生而消亡[38]，因此構造方面的假說難以得到驗證；②Kidder等[27]基于全球溫度上升觀點(西伯利亞火山噴發釋放大量二氧化碳、界線地層附近碳同位素負偏可能意味著海底天然氣水合物中甲烷的釋放、以及高緯度地區寒帶煤系森林的快速滅亡等)，提出表層水與底層水升溫導致了海洋熱擴張，伴隨陸地風化作用加強，森林蓄水層被破壞，冰川融化等，在聯合大陸中緯度地區可能形成良好的海平面上升記錄。

圖1 晚二疊世—早三疊世全球古地理圖(據Scotese[37]，有改動)及報道海平面上升觀點的PTB地層剖面位置Fig.1 Late Permian to early Triassic global paleogeographic map (revised from Scotese[37])and PTB stratigraphic sections which have been reported sea level rise

序號剖面位置沉積相海平面上升證據資料出處1意大利,Dolomites地區淺水臺地PTB附近為連續鮞粒灰巖沉積,內部未識別出沉積間斷,鮞粒灰巖底部侵蝕面遠低于PTB,不屬于PTB事件Noé,1987;Baudetal.,1989;Hallam,1989;Wignall和Hal-lam,1992;Sholgeretal.,20002匈牙利,BükkMountains和theTransdanubianRange.斜坡界線黏土底部未見明顯侵蝕,界線黏土富含黃鐵礦Haasetal.,20073土耳其,Ta?kent開闊臺地①截斷面之下為潮下環境而不是潮間帶環境,沒有向上變淺旋回;②等厚環邊膠結物指示了海洋潛流帶環境,未見指示大氣淡水滲流帶環境的新月形或重力懸垂膠結物;③截斷面之下的生屑灰巖里的狹鹽性動物的存在指示沉積環境為正常鹽度的海洋環境;④碳同位素負偏都在截斷面之上,而截斷面之下沒有顯示反映大氣淡水型負偏;故將截斷面解釋為海底侵蝕面。也有學者解釋為縫合線Payneetal.,2007;Kershawetal.,2007;4伊朗南部SouthPars氣田(現今波斯灣)淺水等斜緩坡PTB附近為連續向上變深旋回,未見明顯層序界面Insalacoetal.,20065重慶:老龍洞,涼風埡,文興場,斑竹園,澗水溝,東灣開闊臺地,生物礁,礁間長興階頂部缺乏巖溶現象或古土壤,或者淡水組構,可能只是代表相的突變生屑灰巖或生物礁與上覆微生物巖為向上深序列,微生物巖內部見縫合線而非侵蝕面Wignalletal.,1996;Kershawetal.,1999;2002;20076貴州南盤江地區,躴排,大文,和平開闊淺潮下具體證據同土耳其,截斷面為海底侵蝕面;或生屑灰巖與微生物巖以縫合線接觸Payneetal.,2007;Kershawetal.,20077巴基斯坦鹽嶺地區斜坡PTB附近為連續沉積的、向上變深的Kathwai白云巖,沒有證據顯示海退。這段白云巖之下的Chhidru組頂部有干裂縫,但該海退事件不屬于PTB附近事件Wignalletal.,20038印控克什米爾地區,Pahlgam和GuryulRavine開闊臺地PTB之下由淺水碳酸鹽巖砂沉積快速轉變為深水陸棚的泥灰巖沉積,未見明顯侵蝕Brookfieldetal.,2003;Algeoetal.,20079西藏Selong,Tulong,Qubu開闊臺地Coralbed向上變深為較低能環境的疊層石層Wignalletal.,200310日本Takachiho淺海具體證據同土耳其,截斷面為海底侵蝕面Payneetal.,2007

1.1.3 海平面上升與生物滅絕事件

“持續上升論”觀點認為生物滅絕事件與海平面上升過程中的缺氧事件有關，缺氧事件開始于中二疊統末期的泛大洋和局部盆地，P-T之交時缺氧已經廣泛分布，除巴基斯坦鹽嶺、西藏南部和馬達加斯加島以外的多個盆地、內斜坡和陸棚剖面都有顯示[6]。缺氧事件得到了較多學者的支持[5,39-40]，但也有學者指出PTB附近的缺氧并不是主要滅絕機制[19,41-42]，雖然有的剖面觀察到局部的動物群滅絕于缺氧事件，而物種多樣性的快速下降總是在缺氧事件剛開始時期[2]，因此，缺氧事件可能主要與早三疊世初期第二幕生物滅絕有關(對應Isarcicellaisarcica牙形石帶底)[2]，其可能在延緩三疊世生物復蘇過程中扮演了更重要的角色[19, 41-42]。

1.2 下降—上升論

1.2.1 觀點的發展歷程與代表剖面

上世紀80年代后期至本世紀初，部分國外學者對PTB剖面進行了詳細的巖石學與沉積學研究，報道了PTB附近海平面下降的證據[43-51]，但是這些報道都是基于單個剖面或者區域范圍內幾個剖面的研究，沒有上升到全球海平面變化的討論。早在1991年，楊遵儀[52]等便提出過華南地區存在海退，長興末期經歷了海平面下降—上升旋回，但沒有給出海平面下降的明確證據，2003年，國內學者吳亞生等報道了貴州紫云地區長興末期多個剖面生物礁的近地表暴露證據，并將貴州地區的海平面下降事件與意大利的PTB剖面和上揚子盆地的深水PTB沉積進行了類比論證，明確提出了晚二疊世末即長興期末存在全球(絕對)海平面下降，并指出這可能是引發二疊紀末生物集群滅絕的因素之一[53]；同年，Wu和Fan根據潮坪白云巖和溶蝕證據，對彼此相隔較遠的生物礁(貴州紫云和湖北利川)進行了海平面下降幅度的定量計算，結果表明不同地區海平面下降幅度相似，指出海平面變化是海平面絕對下降而不是相對下降，二疊紀末特提斯海域的海平面至少下降了89.3 m[54]。此后，世界范圍內尤其是特提斯海域關于二疊紀—三疊紀界線附近的海平面下降的證據得到了廣泛報道[35,55-88](圖2、表2)，一些學者已對全球多條PTB剖面的海平面變化對比進行了精細研究[63,89-91]，二疊紀—三疊紀之交存在全球海平面下降已逐步成為主流觀點。

二疊紀末期海平面下降事件形成了一個三級層序的Ⅱ型層序界面(SB2)[89]，即在淺水區以暴露剝蝕為特征，向深水方向過渡為假整合或整合接觸，具體表現為：①淺水環境(開闊臺地相、蒸發臺地相、生物礁相、緩坡相)中識別出的PTB海平面下降證據，以向上變淺沉積序列、不整合界面及產物(侵蝕面、沖刷面、古土壤、風化殼、鈣結殼)、滲流組構(重力懸垂膠結物、示頂底構造、滲流粉砂)、古巖溶現象(巖溶垮塌角礫巖、溶溝、溶蝕孔洞和洞穴堆積物、去白云石化作用)、潮坪白云巖及其伴隨的藻紋層、鳥眼構造、帳篷構造、干裂縫、石膏假晶等潮上帶構造為識別特征；②深水環境(深水臺緣相、斜坡相和盆地相)則主要以沉積相的突然向上變淺為識別標志，具體包括深水動物群向淺水動物群的轉變，富硅質沉積轉變為碳酸鹽巖沉積，或者富泥質沉積以及陸源碎屑在垂向上增加等。早期，Yinetal.[89]認為該Ⅱ型層序界面(SB2)代表的沉積間斷位于Clarkinayini—C.meishanensis牙形石帶之間，最新的資料來自Yinetal.[91]對華南板塊20余條PTB剖面的高分辨率牙形石生物地層研究，其研究結果表明華南地區廣泛存在海平面下降，揚子臺地和湖南—貴州—廣西盆地中的小型孤立臺地經歷了5～10萬年的沉積間斷，間斷時間對應C.meishanensis至Hindeoduschangxingensis牙形石帶(對應煤山剖面24e—26層頂)，并將全球海平面下降持續時間修訂為與華南板塊等時。由此，本文依據Yinetal.[91]的最新的牙形石分帶及海平面下降導致的沉積間斷時間，對表2中重要的PTB剖面校正后進行了對比(圖3)。

實際上二疊紀末期海平面下降主要發育于特提斯地區[92]，特提斯海域存在一個獨特的海水進退歷史，該區域在長興期總體為一個海平面上升過程，在長興晚期經歷了一個快速的海平面下降，層序界面之上是一很薄的(0.3～5.0 m)、以初始海泛面(TS)為頂界的陸棚邊緣體系域(SMST)沉積，在個別地貌高地可能缺失SMST沉積，海侵體系域沉積(TST)直接覆蓋在SB2之上，SMST和初始TST沉積以泥晶灰巖、粒泥灰巖、泥粒灰巖、鮞粒灰巖、微生物巖等低能或較低能環境沉積產物為特征，與SB2之下的高水位體系域(HST)的生屑云巖、鮞粒云巖、泥晶云巖等高能淺水環境沉積物形成明顯的巖性轉變(圖3)，反映了層序界面之上的新一期海平面上升事件，SMST和初始TST沉積中常包含二疊型牙形石(H.changxingensis、C.taylorae)以及少量腕足類、蜓和有孔蟲等[93]，而以牙形石H.parvus的首現確定的二疊紀—三疊紀年代地層界線(PTB)一般位于初始海泛面(TS)之上幾厘米至幾米處，因此，長興末期即已發生海平面上升事件，特提斯海域在長興期內部經歷了海平面上升—下降—上升的旋回[52, 89, 94]。而現已查明西歐、北美、俄羅斯、岡瓦納大陸及北部高緯度地區(Boreal 海域，加拿大北極區、格陵蘭島、西伯利亞等)(圖2 A)在晚二疊世經歷的海平面變化旋回為吳家坪期海平面下降—長興末期海平面上升，不存在長興期內部的海平面變化，海平面低潮期形成Ⅰ型層序界面(SB1)，直到晚長興期才發生海平面上升，即SB1之下的HST沉積為吳家坪階硅質巖和灰巖(含吳家坪階古生物)，而SB1之上的低水位體系域(LST)沉積為晚長興期頁巖與粉砂巖，其上發育代表TST的黏土巖和粉砂巖，三疊紀標志牙形石H.parvus首現于TS之上數厘米，因此，只有SB1之上的地層可與特提斯海域進行對比[89]，在歐美等非海相沉積區，主要表現為對先期沉積間斷面的疊加或改造[95]。

1.2.2 海平面下降—上升的原因

目前二疊紀末海平面下降的原因主要有兩種觀點：

(1) 泛大陸聚合導致的海平面下降

彭元橋等[97]和殷鴻福等[94]提出晚二疊世是泛大陸與泛大洋的全盛時期，這樣一個高山深盆時期導致海水從大陸架回歸盆內，形成了二疊紀末全球性海平面下降并影響氣候[94]。在全球各大陸聚合的總背景下，特提斯海域內一系列的小板塊從岡瓦納古陸裂解，并向歐亞大陸靠攏，形成特提斯海多島洋體系，這里可能不斷有小型洋中脊產生，海水涌向大陸架，導致特提斯海域在晚二疊世發生海平面上升，直到長興期晚期才發生海平面下降，由此構成了特提斯海域獨特的海平面上升—下降旋回[97]。

(2)全球變冷，海水熱收縮導致的海平面下降

Shenetal.[63]指出新特提斯海域發生滅絕事件之前的氣候是寒冷的(冷水環境牙形石Vjalovognathussp. 和Merrillinasp.，冷水腕足)，Farabegoli和Perri[81]等在Shenetal.[63]觀點的基礎上提出全球變冷，熱收縮導致了海平面下降。吳亞生等[76, 98]對華南板塊多條淺水PTB剖面生物滅絕方式的研究表明，主滅絕事件中溫暖環境的生物礁、蜓類、鈣藻等突然滅絕，可能與全球變冷有關，并導致海洋總體積縮小，從而引發了海平面下降。田力[99]指出二疊紀末強烈的火山噴發產生的氣候效應，即快速降溫(“火山冬天”)與長期緩慢升溫的過程，可以與海平面的快速下降(千年級別)與緩慢上升(百萬年級別)對應。但由于降溫時間太短很難留下地層記錄，或者采樣分辨率太低，亦或其他原因，目前該降溫事件并沒有得到牙形石氧同位素的數據支持。

圖2 A.晚二疊世—早三疊世全球古地理圖(據Scotese[37]，有改動)及報道海平面下降的PTB地層剖面位置；B.晚二疊世—早三疊世華南板塊古地理圖(據馮增昭等[96]，有改動)及重要的PTB地層剖面位置Fig.2 A. Late Permian to early Triassic global paleogeographic map (revised from Scotese[37]) and PTB stratigraphic sections which have been reported sea level fall; B. Late Permian to Early Triassic South China paleogeographic map (revised from Feng, et al.[96]) and important PTB stratigraphic sections

序號剖面位置沉積相海平面下降證據海平面下降次數資料出處1重慶土地埡生物礁生物礁頂部是潟湖相的藻屑沉積,其上為潮坪沉積,最頂部為一個喀斯特面(覆蓋著復合多種礦物碎屑黏土層)1Reinhardt,1988;Flügel和Re-inhardt,19892重慶老龍洞生物礁之上的微生物巖侵蝕面,干裂縫,PTB上下0.4m2吳亞生等,2006b;姜紅霞等,2007;劉麗靜等,20143重慶澗水溝生物礁三個古暴露面(古巖溶面),一次位于PTB之下(主滅絕時期),兩次在PTB之上(最后一次暴露面對應第二幕滅絕期)3周剛等,20124重慶盤龍洞生物礁暴露淺灘白云巖,并發生大氣淡水溶蝕作用,見喀斯特角礫巖1馬永生等,20055重慶二龍口開闊臺地長興組頂部風化殼,古巖溶(垂直溶溝、大型溶洞、順層巖溶)1黎虹瑋等,20156重慶偏巖子生物礁長興組頂部礁蓋發育順層巖溶、垂直溶溝、巖溶角礫1黎虹瑋等,20157重慶川東井區生物礁、礁間長興組上部溶洞、溶溝、巖溶角礫、花斑狀巖溶系統、鋁土質泥巖1黎虹瑋等,20158重慶蜀南井區開闊臺地大量鉆具放空現象,巖芯上見大量的溶溝、溶縫、溶洞及巖溶角礫,長興組頂部古巖溶不整合1羅冰等,20109貴州羅甸沫陽生物礁、開闊臺地非礁相發育不連續面(侵蝕面、縫合線)、生物礁見巖溶垮塌角礫巖、溶蝕孔洞、洞穴堆積物1李飛等,201210貴州羅甸大文開闊潮下沖刷面或剝蝕面1劉建波等,200711貴州紫云生物礁長興階末為HST的海平面快速下降期,有大量的次生孔隙1陸永潮等,199912貴州紫云:亙旦、談陸寨、石頭寨生物礁生物礁頂部發育蒸發潮坪白云巖,藻紋層、鳥眼構造、干裂縫、溶蝕崩塌角礫巖、石膏假晶等1吳亞生等,2003;Wuetal.,2003;Wuetal.,201013貴州躴排開闊淺潮下侵蝕面(或為水下溶蝕)1Kershawetal.,2007;Ezakietal.,2008;Collinetal.,200914貴州改貌開闊淺潮下長興組生屑灰巖與大隆組硅質巖之間的風化殼1Yangetal.,201215貴州打講開闊淺潮下喀斯特風化面1Jiangetal.,201416江西修水開闊臺地碳酸鹽顆粒表面形成褐鐵礦,樹枝狀微生物巖頂部去白云石化灰巖,一次位于PTB之下(第一幕滅絕時期),一次在PTB之上2吳亞生等,2006a;Wuetal.,201417江西沿溝開闊臺地不整合面1Sunetal.,201218湖北利川生物礁生物礁白云巖化1Wuetal.,200319湖北赤壁深水臺緣早長興期以黑色含放射蟲的海綿骨針硅質巖沉積為主,晚期則相變為富含底棲有孔蟲化石的硅質團塊或硅質條帶灰巖1鄧寶柱等,201520浙江黃芝山開闊臺地古剝蝕面(風化殼)1陳軍等,2008;杜永燈等,200921浙江煤山斜坡層序界面波狀起伏,低凹處充填薄的褐鐵鈣質泥巖和較多被磨蝕的生物屑,界面上下微相不連續,界面之下巖層具反粒序層理1張克信等,1996;Yinetal.,2007;曹長群等,200722湖南慈利深水盆地沉積環境由深水盆地突然轉變為淺水臺地,生物類群也由大隆組頂部的深水類群放射蟲—海綿骨針組合變為大冶組底部的淺水類群棘皮類—雙殼類—藻類組合1鄭全峰等,201323廣西東攀深水盆地陸源碎屑向上增加,硅質巖向上變為泥巖,深水盆地放射蟲向上消失,大量腕足出現1張凡等,2006,2007;Fengetal.,2007;Yinetal.,200724克羅地亞Velebit地區開闊臺地—蒸發臺地侵蝕面,主量、微量、稀土元素在界面處高度富集,反映了陸源硅質碎屑的大量注入1Fioetal.,201025斯諾文尼亞Brsnina蒸發臺地界線黏土,主、微量元素在界線之上的地層高度富集,反映了陸源硅質碎屑的大量注入,沉積環境由界線之下的缺氧(深灰色云巖)轉換為界線之上的富氧(紅色碎屑巖與云巖,Th/U值小于2)1Dolenecetal.,200526意大利Dolomites地區開闊臺地不整合面,示頂底構造(一次對應煤山剖面24頂,一次對應煤山剖面26層)2Farabegoli和Perri,1998;Farabegolietal.,2007;FarabegoliandPerri,201227土耳其西Taurus山脈地區,CürükDagh開闊臺地二疊系頂部發育鮞粒灰巖的變淺序列,頂部發育滲流成巖作用,鮞粒強烈重結晶1Baud和Cirrili,1997;Baudetal.,200528土耳其Taurides中部,開闊淺潮下二疊系頂部發育鮞粒灰巖的變淺旋回,最頂部鮞粒灰巖發生重結晶,P—T界線為不整合面1ünaletal.,200329伊朗中部Abadeh深水盆地由二疊紀頂部的富氧深水沉積(紅色結核狀泥巖)變為三疊紀底部同沉積碳酸鹽扇狀膠結物層,其上為重結晶的鮞粒灰巖1Heydarietal.,2003

(續表)

序號剖面位置沉積相海平面下降證據海平面下降次數資料出處30伊朗南部SouthPars氣田(現今波斯灣)淺水等斜緩坡不整合面,超鹽環境、大氣淡水環境膠結物、白云巖化、鑄模孔。由界面之下的潮上帶云巖轉變為界面之上的潮下帶顆粒巖多次Rahimpour-Bonabetal.,200931沙特阿拉伯中部緩坡界線黏土(古土壤),被侵蝕的植物碎片(陸源搬運)1Eltonetal.,201632阿曼WadiSahtan開闊臺地紅色界線頁巖(發育帳篷構造、潮上帶角礫)1Richozetal.,201033巴基斯坦鹽嶺地區開闊臺地干裂縫、侵蝕面,沉積相向上變淺:淺潮下砂巖變為更開放的潮間砂屑碳酸鹽巖,砂屑總量向上增加,化石含量向上減少,最頂部有淡水影響和潮坪沉積,陸源碎屑增加1Baud,1996;Mertmann,200434西藏Selong,Tulong,Qubu開闊臺地鈣結殼1Shenetal.,200635日本南部Takachiho淺海二疊系頂部顆粒灰巖和泥粒灰巖白云巖化,白云巖化程度向上增強1Sanoetal.,1997

圖3 重要PTB剖面簡化地層對比圖Fig.3 Simplified correlation of important PTB stratigraphic sections

二疊紀末海平面上升的原因可能與1.2.2中所述類似，即可能是由于全球變暖導致的海洋熱擴張所致。

1.2.3 海平面下降—上升旋回與生物滅絕事件

目前對特提斯海域的大部分剖面的研究表明，第一幕滅絕事件與二疊紀末全球海平面下降一致[45,50,81,84,89,98,100]，致使四射珊瑚、蜓、三葉蟲、長身貝、石燕貝等滅絕[52,89,101]，海平面下降導致大量陸表海消失，導致許多底棲生物的棲息地消失，或使陸棚海地區被分割且面積縮小，造成生物群過分擁擠，生存競爭加劇首先導致了某些窄生境型生物的絕滅，生物鏈遭受重創，最終必然影響其他生物的生存與發展[97]。由于第一幕滅絕事件與二疊紀末全球海平面下降一致，因此可以認為二疊紀末海平面下降事件應歸屬PTB事件。但也有剖面顯示滅絕事件發生在海平面下降界線之上的海侵體系域內，如Hallametal.[30]指出意大利Dolomite地區Siusi剖面的滅絕線位于不整合面之上的鮞粒層內，他還指出巴基斯坦鹽嶺地區的滅絕段在Baudetal.[45]所報道的侵蝕面之上的Kathwai白云巖段內；Shenetal.[63]指出西藏色龍、巴基斯坦鹽嶺、克什米爾滅絕段位于SB之上的TST段內。Yinetal.[89,102]的研究對上述兩種滅絕情況作出了解釋(圖4)，指出第一幕滅絕事件與海平面低潮期(SB)一致(對應煤山剖面24e層底)，第二幕滅絕事件(主要是二疊紀孑遺生物的滅絕)發生于海平面上升期(TST)(對應煤山剖面28層頂)(圖4)。

圖4 兩幕滅絕事件與SB及隨后的TS的關系(修改自Yin，et al., 2007)PTB.二疊紀—三疊紀界線；SMST.陸棚邊緣位體系域；LST.低水位體系域；TST.海平面上升體系域；HST—高水位體系域；TS.初始海泛面；MFS.最大海泛面； SB.層序界面；Time.時間進程Fig.4 Two extinctions in relation to the SB and the succeeding TS (revised from Yin， et al., 2007)

2 全球海平面變化差異分析

關于全球海平面變化出現較多爭議的原因，相對海平面變化研究程度可能是一個重要因素，具體包括兩個方面：①針對同一地區甚至同一剖面(如意大利、巴基斯坦、華南板塊淺水碳酸鹽巖臺地、藏南、土耳其等，圖2)的相對海平面變化研究常常得出相反的結論，這主要是不同學者對海平面變化標志性證據的解釋有差異導致的，而多條剖面標志性證據的理解差異可能會影響對全球海平面變化的判識；②各個研究區位置分散，由于區域性古地貌(古海拔)差異，造成等時的全球海平面下降事件在不同剖面上的沉積記錄不同，即不同剖面相對海平面變化存在差異，在缺乏從沉積學角度的綜合對比研究的情況下，可能會影響對全球海平面變化過程持續時間的判識。

2.1 對海平面變化標志性證據的解釋存在差異

對海平面變化標志性證據的理解存在差異是造成淺水相PTB剖面相對海平面變化存在爭議的主要原因，即表現為對海平面下降論觀點中的海平面下降標志的有其他解釋，主要包括如下幾點：

2.1.1 縫合線

在華南板塊四川—重慶地區，PTB地層長興組灰巖與微生物巖之間以及與微生物巖內部的地層接觸關系形成了兩類觀點，有的學者認為其為侵蝕面[61,103]，另一些學者則認為這些都是縫合線[73]，Kershawetal.[104]指出多條PTB剖面(重慶華鎣、重慶東灣剖面、四川盆地西北魚洞子剖面、貴州躴排剖面、土耳其Cürük Dag剖面等)發育多條縫合線，強調壓溶的普遍存在，縫合線的發育影響了判斷侵蝕面是海底溶蝕還是近地表侵蝕，使古環境研究受到阻礙，因此，在野外識別PTB附近侵蝕面時，應慎重恢復縫合線之前的接觸情況或者尋找縫合線發育較弱的界線剖面。

2.1.2 海洋酸化導致的海底侵蝕

Payneetal.[7]對華南板塊貴州、土耳其、日本三個地區的PTB剖面的沉積相、微觀組構、C同位素、膠結物等綜合分析認為，二疊紀頂部生屑灰巖侵蝕面為與海洋酸化有關的海底侵蝕面。這一觀點提出后受到了諸多質疑[73,79,104-105]，這些學者認為從二疊紀末的超飽和到滅絕事件層的不飽和再到微生物巖的超飽和，如此短時間內碳酸鹽飽和度的快速轉換在巖石學和碳同位素曲線上尚未有明確的證據[73,79,106]；最新的研究基于地球化學分析從鈣同位素[8]、硼同位素[9]等方面對二疊紀—三疊紀之交的海洋酸化進行了論證，很多學者在報道近地表侵蝕面時，也指出不排除水下溶蝕的可能[71,91]，如Farabegolietal.[81]認為意大利兩處深潮下環境的PTB剖面中平行不整合面的形成可能與酸性大氣淡水注入和酸雨直接入海有關。但Payneetal.[7]和Lehrmann[36]關于酸化海洋水下溶蝕的證據都是基于缺乏近地表暴露證據的反證，缺乏水下溶蝕的直接巖石學證據，目前這一理論還存在爭議。

2.1.3 微生物巖

Reinhardtetal.[43]和吳亞生等[53]認為華南板塊重慶地區生物礁頂部是潟湖相的藻屑沉積，其上為潮坪沉積，最后為喀斯特面(覆蓋著復合多種礦物碎屑的黏土層)，代表晚二疊紀末期的海平面下降。但Wignalletal.[20]以及Kershawetal.[23-24]認為礁之上的潮坪白云巖可能是微生物巖，代表較深水、貧氧的環境，此層之上的薄層泥晶灰巖，含草莓狀黃鐵礦和貧氧動物群Claraia和Planolites，代表更加缺氧的環境，界線地層內不存在出露和喀斯特化的證據，并認為是海水加深和缺氧環境導致了生物集群絕滅。

此外，Wignalletal.[22]在西藏南部色龍PTB剖面中也描述了一層“疊層石”層，但Shenetal.[63]認為該層為紋層狀鈣結殼，其發育滲流特征，鈣結殼從頂向下形成了鐘乳石或微型鐘乳石結構，鈣結殼內的角礫為綠灰色粉砂質頁巖碎屑，不是來自附近的層位，可能指示了LST時期階段性小型海平面下降導致的暴露和再改造，因此鈣結殼底部標志著層序界面，其上的Waagenites Bed至Otoceras Bed記錄了巖相的快速向上變深，由Waagenites Bed的海百合莖顆粒巖向上變為Otoceras Bed的薄層、含壓溶縫的泥粒巖，生物擾動向上變弱，黃鐵礦向上變多，反映了PTB之下的初始海泛。

2.2 區域性古地貌(古海拔)差異

在全球海平面下降等時的背景下[81]，不同地區的沉積間斷時間、海平面下降次數實際各不相同，這可能主要受區域性古地貌(古海拔)的影響[61,80](圖5)，古地貌高的開闊臺地礁、灘相區和臺地邊緣相區最先受到海平面下降影響[61]，地層暴露、地表被剝蝕，水體越淺沉積間斷時間越長，或出現多次高頻低幅海平面下降事件；而古地貌低的深水相的開闊臺地潮下、斜坡和盆地等連續沉積區，可能表現為整合接觸或假整合接觸、沉積相的變淺或無變化、深水動物群轉變為淺水動物群等，未見暴露證據或牙形石帶間斷[80-81,91,99]。

2.2.1 深水PTB剖面對海平面下降事件的響應

東特提斯海域華南板塊深水相與淺水相PTB剖面同時存在(圖2B)，為PTB海平面變化對比研究提供了良好的基礎，海平面下降事件在淺水相表現為近地表暴露和沉積間斷，而多數深水相剖面表現為PTB連續沉積(圖2B，引自Yinetal.[91])。世界范圍其他地區深水相PTB剖面的“海平面上升”現象，可能是受區域性構造沉降、沉積物供給、氣候等影響導致的相對海平面上升，也可能是缺乏對二疊紀末海平面下降事件進行系統研究的結果。來自華南板塊的深水相剖面(湖北赤壁剖面[87]、浙江煤山剖面[55,67,89]、湖南慈江埡剖面[84]、廣西東攀剖面[62,64,68,89])報道了海平面下降的證據，因此，深水剖面對全球海平面下降可能也是有所響應的，其主要應通過沉積相、巖相的垂向變化及不同環境古生物組合的垂向變化綜合分析識別。

2.2.2 淺水PTB剖面對海平面下降事件的響應

在全球海平面下降等時的背景下，受區域性古地貌(古海拔差異)，不同剖面沉積記錄中的沉積間斷時間存在差異。有的剖面在晚二疊世可能處于地貌高地，其沉積間斷時間可以跨越1到3個牙形石帶，如貴州羅甸大文剖面[65]和貴州打講剖面[99]的沉積間斷缺失多達三個牙形石帶(C.meishanensis—C.taylorae帶)。而有些淺水剖面可能由于不具有明顯正地貌凸起，海平面下降造成的沉積—成巖響應較弱，沉積間斷可能小于1個牙形石帶[63,72]，由于研究精度較低或采用間距較寬導致的海平面下降事件未被識別常常是引起爭議的又一重要原因之一，如意大利Dolomite山脈地區的PTB淺水臺地剖面的兩個不整合面的沉積間斷時間均小于一個牙形石帶[69,81]，早期研究在較低的研究精度下多未能識別[16-17,31-33,107]；此外，意大利附近的斯諾文尼亞PTB剖面也出現了類似現象[59]，其P-T巖石地層界線主要表現為1 cm厚的界線黏土，未見明顯的侵蝕，Dolenecetal.[59]主要通過主、微量元素在界線之上的地層高度富集(反映了陸源硅質碎屑的大量注入)以及沉積環境由界線之下的缺氧環境(深灰色云巖)轉換為界線之上的富氧環境(紅色碎屑巖與云巖，Th/U值大于2)得出海平面發生下降的結論。

圖5 打講—沿溝—煤山—上寺PTB剖面簡化地層對比圖(修改自田力，2015)Fig.5 Simplified correlation of Dajiang-Yangou-Meishan-Shangsi PTB stratigraphic sections (revised from Tian, 2015)

3 結論

(1) Hallam在1989年首次提出二疊紀末海平面上升過程中底層缺氧海水的上涌可能是造成生物滅絕的重要機制后，以Wignall等學者為代表“上升論”得到了較多支持，該觀點的提出主要是由于認為層序界面與圍繞生物滅絕事件的相關PTB事件無關或在PTB附近未識別出層序界面，對層序界線附近地層缺乏深入研究導致海平面下降事件未能引起重視。

(2) 自吳亞生等在2003年提出二疊紀—三疊紀之交存在全球海平面下降后，多條剖面(主要在特提斯海域)PTB界線之下的海平面下降證據被廣泛報道，二疊紀末存在海平面下降已成為主流觀點。二疊紀末海平面下降形成了一個三級層序的Ⅱ型層序界面(SB2)，其常與第一幕生物滅絕界線一致，因此該海平面下降事件應歸屬于PTB事件。層序界面之上的陸棚邊緣體系域(SMST)和初始海侵體系域(TST)沉積物中常包含二疊級孑遺生物，三疊紀標志牙形石一般出現在TST底界之上幾厘米或數十厘米處，說明二疊紀末即已發生了海平面上升，由此構成了PTB附近的“下降—上升”旋回。

(3) 目前關于PTB附近海平面變化的原因尚無定論，海平面下降可能與泛大陸聚合有關，海平面上升則可能與全球變暖導致的海洋擴張有關。

(4) 全球PTB海平面變化研究過程中產生爭議的原因，主要受單剖面或小區域范圍內相對海平面變化研究進展制約，具體包括兩個方面：①對海平面變化標志性證據的解釋存在差異，導致同一地區甚至同一剖面的相對海平面變化得出相反的結論，多條剖面的標志性證據解釋差異可能會影響對全球海平面變化的判識；②在全球海平面下降等時的背景下，由于研究區位置分散，區域性古地貌(古海拔)存在差異，造成海平面下降事件在不同剖面上的沉積記錄不同，淺水相區以暴露剝蝕和表生巖溶作用廣泛發育為主，形成的沉積間斷時間較長，而深水相區為整合接觸或假整合接觸，未見暴露證據或牙形石帶間斷。

致謝 中國科學院地質與地球物理研究所吳亞生老師以及三位評審專家對本文提出了寶貴的修改意見與建議，在此深表感謝。

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A Review of Studies on Global Changes of Sea Level Across the Permian Triassic Boundary

LI HongWei1,2LI Fei1,2HU Guang1,2TAN XiuCheng1,2,3LI Ling1,2,3

(1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Sichuan Key Laboratory of Gas Geology, Chengdu 610500, China) 3. Branch of Deposition and accumulation, Key Laboratory of Carbonate Reservoir, China National Petroleum Corporation, Chengdu 610500, China;

The issue on sea-level changes across the Permian-Triassic boundary (PTB) has been disputed by the sedimentologists for a long time. It may also have relation with the largest mass extinction event during the transition of Permian-Triassic. However, it is not quite clear about the process and mechanism of the change of sea level in light of previous studies from local- and small-scale materials. The lack of reliable evidence from integrated perspectives would go against the identification of the process and duration of global sea-level variation. In this study, we systematically reviewed the literatures on the issue of sea-level changes during the transitions of Permian-Triassic, and summarized the main views including: (1) successive transgression, and (2) regression and following quick transgression. This study also compiled the development processes of these two different views, sedimentary features in diagnostic sections, the possible reasons of sea-level rise/fall, as well as the relationship between mass extinction and sea-level changes. Meanwhile, the causes of dispute on sea-level changes in the PTB were discussed preliminarily from available evidence. The aim of this study is to provide some clues to further recognize the process of sea-level changes during the PTB, and to provide substantial evidence to understand the background of global sea-level changes during the Permian-Triassic transition.

Permian-Triassic boundary; sea-level change; sub-aerial exposure; mass extinction event

1000-0550(2016)06-1077-15

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.06.007

2016-06-13； 收修改稿日期： 2016-08-30

國家科技重大專項項目(2016ZX05004002-001)；國家自然科學基金(41502115)[Foundation: National Science and Technology Major Projects, No.2016ZX05004002-001; National Natural Science Foundation of China, No.41502115]

黎虹瑋 女 1991年出生 碩士研究生 儲層沉積學 E-mail: lihw1023@163.com

李 飛 男 助理研究員 E-mail: feinan_li@163.com

P736

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