南華北早二疊世泥巖沉積與深時陸地古溫度重建

楊江海,王圓,劉佳,馬睿,杜遠生,劉超,余文超

1.中國地質大學(武漢)生物地質與環境地質國家重點實驗室，武漢 430074

2.中國地質大學(武漢)地球科學學院，武漢 430074

0 引言

氣候是影響人類生存發展的重要自然因素，與社會經濟生活息息相關。人類與氣候的關系經歷了從早期的忍耐抗爭，到后來的順應利用，再到現在的保護維系，而未來社會的發展與氣候變化的聯系將更加緊密。為準確預測未來氣候變化，迫切需要對地球過去的氣候歷史，包括變化事件及其控制機制進行更為系統的理解和認識[1-3]。美國國家研究理事會在2011年發布了名為“Understanding Earth′s deep past:lessons for our climate future”的調研報告[4]，美國國家自然科學基金委在2017年啟動了“Paleo Perspectives on Climate Change(P2C2)”研究計劃，并在2020年發布了地球科學未來十年的戰略報告，提出了12個優先科學問題，其中第8個問題即為“地球的過去揭示了什么樣的氣候系統和動力機制”。我國學者也較早注意到深時研究的重要性[2,5-6]，2016年由中國科學院地學部和國家自然科學基金委聯合資助的“中國沉積學發展戰略”調研將“深時氣候學”列為10個調研主題之一。2019年啟動的深時數字地球(DDE)國際大科學計劃也將深時古氣候演化作為主要的研究目標。

地球自新元古代以來經歷了大幅度的氣候變化，發生了多次的冰室—溫室氣候轉換和極端氣候事件[2-4]，后者包括晚新元古代的雪球地球[7]、晚白堊世的溫室最暖期[8]、古新世—始新世極熱期[9-10]等等，前者包括古新世—漸新世從溫室到冰室的轉變[11-12]、二疊紀從冰室到溫室的轉變[13]等等。二疊紀是晚古生代冰期到中生代溫室轉變的關鍵時期，高緯岡瓦納地區出現階段性冰川活動且冰川規模和強度減弱，氣候整體變暖，大氣CO2濃度從約300 mL/m3上升到大于1 000 mL/m3，代表了地球有陸地植被以來唯一一次冰室—溫室氣候轉換[1,14-15]，是認識地球大幅度氣候變化、理解氣候—冰川—大氣CO2—火山活動相互聯系的重要窗口[16-19]。通過二疊紀中—高緯地區冰川沉積記錄，前人確定了早二疊世早期的大規模冰川活動和隨后東澳大利亞的三次區域/山岳型冰川活動[14-15,20-24(]早二疊世晚期、中二疊世中期和晚二疊世早期四次冰川活動)，通過海相生物殼氧同位素組成重建了中—低緯地區的海水古溫度變化趨勢[25-31]，但是對陸地古氣候的定量研究較少[32]，對氣候冷暖演變的機制及其與火山活動、化學風化和構造運動的內在聯系還存在較大爭議[17,19,33]。我們對華北南部晚石炭—早二疊世的泥巖沉積序列開展了詳細的年代地層學和沉積風化地球化學研究，提出了定量估算陸地古溫度的新方法，識別出早二疊世Asselian早期和Sakmarian晚期的兩次變暖事件[34-37]。本文將華北南緣石炭紀末—早二疊世地層的年齡和組成數據進行總結，定量重建了華北南部約300 Ma至286 Ma間的陸地古溫度變化曲線。

1 地質背景和采樣剖面

在晚石炭—早二疊世時期，華北位于低緯近赤道地區，與Pangea泛大陸之間為特提斯洋所分隔，向東與泛大洋相接[38-42(]圖1)。華北的晚石炭—早二疊世地層平行不整合覆蓋在寒武—奧陶紀碳酸鹽巖之上，是一套以細碎屑巖為主夾灰巖和砂巖的含煤巖系，自下而上包括本溪組、太原組和山西組[43-45]。前人對華北太原組的灰巖開展了大量的生物地層學研究，約束其時代為石炭紀末—早二疊世，且具有穿時特征，而最大海泛面出現在太原組底部[46-48]，形成泛華北的陸表海沉積。在沉積環境上，本溪組、太原組和山西組整體上具有從陸表海到三角洲轉變的特征[45,49-50]，且華北南北兩側毗鄰秦嶺—大別造山帶和興蒙造山帶及隆起區，構成了晚古生代沉積盆地的主要沉積物源區[51-53]。在華北晚石炭—早二疊世地層中夾有多層凝灰巖、凝灰質沉積巖和火山黏土沉積，多為中酸性，是區域地層對比的重要標志層[50,54-55]。

圖1 早二疊世早期的全球海陸分布圖，紅方框指示南華北采樣點位置(永城盆地)Fig.1 Reconstruction of early Permian global paleogeography showing the position of sampled successions in southern North China(red solid square,Yongcheng Basin)

研究樣品采集于華北東南緣豫東永城地區的兩個鉆孔剖面，即鉆孔ZK1401和ZK0901[35]。ZK0901剖面的采樣層位為本溪組、太原組和山西組下部，ZK1401剖面的采樣層位為山西組中上部和下石盒子組。在采樣剖面上，本溪組為灰色—灰白色均質層理泥巖，太原組為生物碎屑灰巖、泥巖和砂巖夾煤層，山西組和下石盒子組為含煤的砂巖和泥巖(圖2)。對兩個巖芯剖面進行了系統的泥巖樣品采集，在顯微觀察分析基礎上開展了XRD(X射線衍射)礦物學、XRF(X熒光光譜)主量元素和ICPMS(電感耦合等離子質譜)微量元素分析；同時，對采集的火山黏土巖、凝灰巖和凝灰質砂巖開展了LA-ICPMS(激光剝蝕電感耦合等離子質譜)和CA-TIMS(化學剝蝕熱電離質譜)鋯石U-Pb定年。詳細的樣品描述、分析方法和分析結果已有專門文章[34-35,37]予以報道。本文將對兩個剖面的數據進行綜合分析，建立統一的高精年代地層格架，重建華北南部早二疊世的大陸風化趨勢和古氣候變化。

圖2 鉆孔ZK0901和ZK1401采樣柱狀圖Fig.2 Sampled successions of two core sections of ZK0901 and ZK1401

2 華北早二疊世沉積序列的高精年代地層格架

前人通過牙形石、?類等海相生物化石對華北的石炭—二疊系進行了生物地層學研究[46-47,56-58]，然而由于海相灰巖層發育的不連續性和關鍵化石種屬的缺乏，華北的石炭—二疊系仍缺少精確的時代約束[59]。為進一步確定華北石炭—二疊系的沉積時代，我們對鉆孔ZK1401山西組上部的凝灰質砂巖開展了LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡分析，獲得的主要年齡組的加權平均年齡為293±2.5 Ma，代表了該凝灰質巖層的沉積時代[34]，對鉆孔ZK0901本溪組頂部的凝灰質黏土巖和太原組中部的凝灰巖及頂部的凝灰質砂巖開展了CA-TIMS鋯石U-Pb定年工作，獲得了(301.13±0.21)Ma、(299.32±0.35)Ma和(295.65±0.14)Ma三個高精度地層年齡，將太原組的沉積時代約束在晚石炭世Gzhelian晚期到早二疊世Asselian晚期[37]。根據所獲得的三個CA-TIMS高精度地層時代和定年樣品間的地層厚度，我們獲得了3個在誤差范圍內一致的平均沉積速率，即(17.7±2.2)m/Myr、(16.9±0.7)m/Myr和(16.5±0.6)m/Myr。我們選定(16.9±0.7)m/Myr來代表從本溪組到下石盒子組的整個含煤巖系的平均沉積速率，可以將山西組與下石盒子組的地層界線約束在約291 Ma,這與鉆孔ZK1401山西組上部凝灰質砂巖獲得的(293±2.5)Ma的鋯石年齡，在誤差范圍內是一致的。因此，利用獲得的高精度鋯石年齡和(16.9±0.7)m/Myr的平均沉積速率，采用內插法對兩個鉆孔剖面進行地層時代對比，并建立高精年代地層格架是完全可行的。根據所建立的統一年代地層格架，可將ZK1401和ZK0901兩個剖面的采樣層位精確限定在約302 Ma至286 Ma之間(圖3)。

需要指出，由于從本溪組到下石盒子組發生了從海相到陸相沉積的演化和巖性的變化，因此采用線性內插法來計算地層時代會存在許多誤差。盡管如此，在沒有更多的高精度同位素年齡和高分辨生物地層學數據的情況下，我們建立的從本溪組到下石盒子組的年代地層格架可以作為區域地層對比、古氣候和古地理研究的重要基礎。

3 華北早二疊世泥巖沉積與大陸風化趨勢

砂巖和泥巖作為最常見的陸源碎屑沉積巖，是陸地表層巖石風化剝蝕和源—匯沉積過程的重要信息載體[6,60-64]。其中，砂巖主要源自陸地巖石的物理侵蝕作用[65-66]，而泥巖則主要為陸地巖石化學風化的產物(如黏土礦物)和泥級碎屑顆粒物質，其礦物和化學組成與源區巖石的化學風化強度具有密切聯系[65-66]。前人提出了多種化學風化指標來衡量泥巖源區的化學風化強度，并指出成巖作用、源巖組成、沉積再旋回、水力分選和物理侵蝕等因素會影響泥巖風化地球化學分析的可靠性[63-70]。我們通過綜合分析泥巖的礦物學和元素地球化學數據，識別出受碳酸鹽化等成巖作用、水力分選作用等強烈影響的樣品，結合區域沉積古地理確定了具有華北南緣大陸地殼屬性的平均源巖組成，排除了源區物理侵蝕速率對泥巖物質組成變化的影響。為獲得可靠的泥巖源區風化趨勢，我們采用了多個化學風化指標來約束源區的化學風化強度，如Q/F(石英/長石)比值、Clay/F(黏土礦物/長石)比值、化學蝕變指數[71(]CIA)、Park風化指數[72(]WIP)、Na風化指數[66,73(]αNa,αAlNa)、K風化指數[66,73(]αK,αAlK)和Na虧損指數[74(]τNa)等。選用多指標的優勢在于：1)不同指標的計算方法不一樣，可以降低單指標分析的不確定性；2)不同指標涉及到不同的元素，可以避免因特定元素含量變化引起的化學風化分析偏差；3)不同指標對風化的敏感性不一樣，綜合使用多指標可增強化學風化強度分析的有效性[36]。

圖3 采樣層位的高精年代地層格架平均沉積速率是根據3個CA-TIMS高精度鋯石U-Pb年齡[37]計算的，推測的山西組頂部的模式年齡與已有的LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡[34]一致Fig.3 High-precision chronostratigraphic framework of the sampled successionsAverage depositional rates obtained from three high-precision CA-TIMS zircon U-Pb ages[37].The modeled age for the top Shanxi Formation is consistent with LAICPMS zircon U-Pb ages reported for the upper Shanxi Formation[34]

Yanget al.[34-35,37]對這兩個剖面的泥巖礦物、地球化學組成進行了系統分析，初步確定了石炭紀末—早二疊世的大陸風化趨勢，識別出了早二疊世Asselian早期和Sakmarian晚期的兩次化學風化增強事件。在此基礎上，本文利用CIA和τNa兩個化學風化指標建立了一個基于高精年代地層格架的華北南緣大陸風化趨勢。局部加權回歸(LOESS)擬合的化學風化趨勢顯示，源區化學風化強度在約300～298 Ma發生快速升高而后在約298～296.5 Ma又快速降低，隨后保持較低的水平，直到約292～290 Ma發生第二次大幅度升高而后在約290～288 Ma又快速降低，分別在～298 Ma和～290 Ma形成兩個高化學風化強度的峰值(圖4)。

4 討論

早二疊世是地球氣候快速波動的時期，重要氣候事件包括Pangea低緯地區的普遍干旱化[32,75-78]、岡瓦納地區的冰川大規模消融和階段性冰川擴張[14-15,24]、大氣CO2濃度的大幅度波動[1]、古海水溫度的升高和降低[27-29]等。近年來，岡瓦納大陸石炭紀末—早二疊世冰川沉積的地層時代已有較好的約束。Stollhofenet al.[79]總結了南非冰川石炭—二疊紀冰川沉積地層(Dwyka群)和冰后期地層(Ecca群)的凝灰巖鋯石U-Pb年齡，獲得了Hardap Shale頂部和Ecca群底部的時代分別為297.1±1.8 Ma和290.9±1.7 Ma兩個年齡，約束了早二疊世Asselian初期和Sakmarian晚期的兩次大規模冰川消融事件。在Dwyka群的冰川沉積序列中，Hardap Shale代表了第三個冰川消融沉積旋回的上部序列，其頂部最新的高精度鋯石U-Pb年齡為～296.5 Ma[80]。通過對南美洲Paraná盆地冰后期Guatá群底部凝灰巖進行CA-TIMS鋯石U-Pb定年，Griffiset al.[81]獲得了一組～298 Ma的高精度地層年齡，將Itararé群頂部(Taciba組)冰川大規模消融的時間約束在為石炭紀末—二疊紀初。Griffiset al.[80]認為，南非Dwyka群的Hardap Shale對應于南美冰后期Rio Bonito組的中部泥巖。但南非的Hardap Shale與南美的Taciba組上部具有一致的海相生物化石組合[82]，且～297 Ma的鋯石U-Pb年齡僅限定了Hardap Shale的頂部時代，其底部可能延伸至石炭—二疊紀界線[79]。因此，Hardap Shale很可能對應于Taciba組上部—Rio Bonito組下部，共同代表石炭—二疊紀界線附近的大規模冰川消融和海平面上升事件[37]。Garbelliet al.[21]測定了澳大利亞東部悉尼盆地早二疊世冰川沉積序列中腕足殼的87Sr/86Sr比值，利用與海水Sr同位素曲線對比的方法，確定了Wasp Head組上部地層時代為約(289.6±1.5)Ma，代表了早二疊世P1與P2冰川活動期[14]之間冰川消融事件的晚期年齡。

圖4 化學風化指數(CIA)和Na虧損指數(τNa)隨時間的變化，指示了南華北在石炭紀末—早二疊世的大陸化學風化趨勢，黃色陰影區指示了早二疊世的兩次強化學風化時期Fig.4 Temporal variations in CIA andτNa values,indicating continental chemical weathering trends of southern North China in the End Carboniferous-Early Permian Period

本文建立了華北南部早二疊世高精年代地層格架和高分辨率大陸風化趨勢，與高緯岡瓦納地區的冰川型沉積記錄具有很好的對比關系(圖5)。其中，最為顯著的是：1)華北大陸化學風化強度在約300～298 Ma顯著升高，對應于南美和南非地區記錄的石炭紀末—二疊紀初的大規模冰川消融；2)華北大陸風化強度在約298～297 Ma快速降低，并在約296.5 Ma達到最低值，對應于南非和東澳地區Asselian冰川沉積的重新啟動；3)華北大陸風化強度在約296.5～292 Ma整體保持低值，對應于岡瓦納大陸Asselian期—Sakmarian早期的大規模冰川活動；4)華北大陸化學風化強度在約292～290 Ma顯著升高，對應于岡瓦納大陸在Skamarian晚期的大規模冰川消融；5)華北大陸風化強度后在Artinskian早期又快速降低至Asselian冰川期的低值水平，對應于東澳大利亞P2冰川沉積的啟動。這一耦合關系表明，華北的大陸化學風化趨勢反應了全球氣候的冷、暖變化，而沒有受到構造活動和物理侵蝕速率變化的影響。對現代關鍵帶的化學風化研究指出，在供應限制型風化機制下，巖石化學風化速率與物理侵蝕速率成正比，而化學風化強度則主要與氣候條件有關[6,83-84]。Yanget al.[35]收集整理了現代中—低緯地區花崗質基巖的化學風化數據，發現在年降雨量>400 mm的中—低等物理侵蝕(物理侵蝕速率小于100 m/Myr)地區，其表層土壤的化學風化強度τNa與陸地溫度MAT成正相關關系，即MAT=-24.2×τNa-0.9?？紤]到我們研究的華北南部石炭紀末—早二疊世的泥巖均沉積于濱海—三角洲環境，其物質組成反應了物源區表層土壤化學風化強度的平均值，因此可作為大區域陸地表層古溫度的定量指標。利用MAT-τNa轉換方程和計算獲得的泥巖τNa值，我們定量重建了華北南部石炭紀末—早二疊世早期(約300～286 Ma)的陸地表層古溫度，其變化范圍為18.5°C～23°C(圖5)。

圖5 南華北石炭紀末—早二疊世化學風化趨勢和陸地表層古溫度變化與高緯岡瓦納冰川型沉積記錄對比圖，黃色陰影區指示了早二疊世的兩次強化學風化時期，黃色短線指示地層年齡誤差Fig.5 Correlations of the End Carboniferous-Early Permian chemical weathering trends and land surface paleotemperatures in southern North China,with time-equivalent glacial-deglacial sedimentary records in high-latitude Gondwana continents

根據這一陸地古溫度變化曲線和岡瓦納冰川型沉積序列，地球在～298 Ma和～290 Ma形成兩個持續時間為約1～2 Ma的、與冰川消融相對應的氣候暖期。與溫室氣候條件下的極熱事件不同[8-10]，～298 Ma和～290 Ma的氣候暖期代表了冰室氣候期的快速變暖事件，對認識地球氣候系統演化、理解氣候變化—冰川活動—火山噴發的內在聯系具有重要意義。Yanget al.[37]認為～298 Ma的氣候暖期與Skagerrak大火成巖省快速CO2溫室氣體釋放有關，但～290 Ma氣候暖期及之后氣候變冷和冰川活動的形成機制仍未有深入研究，可能與同時期的塔里木大火成巖省[85-86]和Panjal大火成巖省[87-88]等大規?；鹕交顒佑嘘P。

5 結論

本文系統總結了華北南部從本溪組、太原組、山西組到下石盒子組的同位素時代和泥巖風化地球化學數據，建立了石炭紀末—早二疊世(～302～286 Ma)的高精度年代地層格架，揭示了這一時期華北南緣陸地表層的化學風化趨勢。華北南部石炭紀末—早二疊世濱海泥巖記錄的陸地化學風化趨勢與高緯岡瓦納冰川型沉積序列具有很好的對比關系，即化學風化強度的升高和降低分別對應于冰川的消融和擴張。利用前人提出的MAT(陸地表層溫度)-τN(a化學風化強度)轉換方程，我們定量重建了華北南部在約300～286 Ma的陸地表層溫度變化曲線，揭示早二疊世低緯地區陸地古溫度對兩次冰川消融和冰川擴張事件的響應。