四川东部华蓥山海相二叠/三叠系界线附近的锶同位素组成

胡作维, 黄思静, 刘丽红, 佟宏鹏, 贺艳祥

成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室、沉积地质研究院, 四川成都 610059

四川东部华蓥山海相二叠/三叠系界线附近的锶同位素组成

胡作维, 黄思静, 刘丽红, 佟宏鹏, 贺艳祥

成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室、沉积地质研究院, 四川成都 610059

二叠/三叠系界线附近的地球化学记录在地球环境重大变革研究中有着重要的意义。根据锶同位素地层学的基本原理, 本文对四川东部华蓥山海相二叠/三叠系界线附近碳酸盐岩样品进行显微组构观察、化学成分分析及其对同期海水代表性评估的基础上, 测试了这些样品的锶同位素组成。结果表明, 这些样品的原始沉积组构保存较好、Sr含量较高, 可以认为其只遭受过较低程度的成岩蚀变改造, 并保留了较多的海水原始信息, 锶同位素比值分布范围在 0.707158～0.707334之间, 与前人公布的同期海水值吻合较好, 体现了全球地质事件对海水锶同位素组成控制的一致性。四川东部华蓥山二叠/三叠系界线附近较为系统的锶同位素演化研究, 可望为我国南方海相二叠/三叠系界线附近化学地层学及其对比研究提供一些有价值的基础资料。

二叠系; 三叠系; 锶同位素地层学; 华蓥山; 四川东部

锶同位素地层学(Strontium Isotope Stratigraphy)是基于以下基本原理: 由于锶在海水中的残留时间(≈106a)远远长于海水的混合时间(≈103a), 地质时代中全球范围内海水的锶在同位素组成上是均一的,也就是说海水的87Sr/86Sr值是地质时间的函数(Wickman, 1948), 那么一些未经成岩蚀变的、可以代表海水组成的海相碳酸盐(也包括硫酸盐、磷酸盐及其它一些内源沉积物)的锶同位素组成及其演化(Brand, 2004; Martin et al., 2004), 可以被用来深入研究地质历史中的全球事件及其对比(Ingram et al., 1994; Veizer et al., 1997; Chen et al., 2005; Kroeger et al., 2007)。随着对用于锶同位素地层学的样品类型及其成岩蚀变评估、锶同位素分析方法与精度以及数据积累程度等问题的深入理解(Burke et al., 1982;黄思静等, 2001), 从20世纪80年代以来, 海相碳酸盐岩地层的锶同位素研究得到了国内外有关学者的广泛关注和重视, 并进行了大量具有开创性的研究。但目前国内利用锶同位素地层学进行海相地层研究仅处于起步阶段(李华芹等, 1994; 杨杰东等, 2001; 江茂生等, 2002; 黄思静等, 2004; 胡作维等, 2007, 2008a; 刘建清等, 2007), 仍有很多不足之处值得我们进一步探索, 可以预见锶同位素地层学将会有更大的发展空间和应用前景。

二叠/三叠纪过渡期是地球从古生代向中生代演化发展的重要阶段, 是地球环境的重大变革时期, 其间发生了一系列重要的地质事件, 如生物集体灭绝、海水快速进退、火山喷发活动、地外物质撞击和海底缺氧等事件(Jin et al., 2000; Becker et al., 2001; Yin et al., 2001; 李子舜等, 1986; 杨基端等, 1986; 杨遵仪等, 1991)。我国南方地区广泛出露沉积连续和类型多样的二叠/三叠系界线地层, 前人在长期的研究中积累了大量有重要参考价值的成果。然而, 前人的研究更多地集中于岩石和古生物地层等方面, 而化学地层学方面的内容较少涉及, 尤其是锶同位素地层学方面。到目前为止, 上扬子台地二叠/三叠系界线附近海相碳酸盐样品的锶同位素组成只有零星报道(共 6个数据), 黄思静(1997)和Veizer等(1999)各自报道了3个数据(均来自四川广元上寺和重庆中梁山两个剖面), 那么四川盆地东部华蓥山二叠/三叠系界线附近海相碳酸盐的锶同位素组成如何？它们是否具有区域和全球可对比性？这些都是我们所关心的。这些问题的进一步探讨将对上扬子台地乃至我国南方二叠/三叠系界线地层的锶同位素地层学研究及其对比具有较为重要的意义。

1 样品采集

样品采集于四川广安华蓥市天池镇附近的仰天窝剖面(图1), 其位于广安—邻水高等级公路的一侧(E106°54'8.8", N30°25'9.8"), 构造上属华蓥山复式背斜中段西翼, 地表岩层出露较好(图 2), 易于进行地层学和沉积学等方面的研究。在二叠/三叠系界线附近地层共出现了 5层事件粘土层(胡作维等, 2008b), 其余岩层以深灰色灰岩为主, 包括了微晶灰岩(部分含燧石结核)和含泥微晶灰岩; 本文加密采集了6个灰岩样品, 包括PT3、PT5、PT7、PT8A、PT8B、PT10(图2)。

2 样品成岩蚀变性评估

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

图2 广安仰天窝剖面二叠/三叠系界线附近岩性柱状图、样品分布位置Fig. 2 Lithology and sampling location near the Permian/Triassic boundary of Yangtianwo section, Guang’an

对于经历了超过 2亿年地质历史的三叠系海相碳酸盐没有蚀变几乎是不可能的, 它们的成岩蚀变性及其对海水信息的代表性具有相对性, 那么实际工作中不得不面对这样一个问题: 如何有效地评估它们是否仍在很大程度上代表当时海水的信息。前人众多研究实践表明, 化学分析(尤其是Mn和Sr等微量元素分析)是评估古代海相碳酸盐成岩蚀变性较为有效的方法和常用手段(McArthur et al., 1994; Veizer et al., 1999; 黄思静等, 2001), 因而我们也采用了上述方法和手段对这些样品进行成岩蚀变性评估。经显微组构观察结果表明, 这些样品的原始微晶结构保存较好, 主要是由碳酸盐矿物所组成。常量和微量元素分析结果(表 1)表明, 多数样品 Ca含量在30%左右, 而Si含量相对偏高, 4个样品超过了7%, 因而这些样品基本为含泥微晶灰岩; Sr含量多数在 200×10-6以上, 平均含量为 331×10-6, 大于Derry等(1989)建议的Sr含量下限值(200×10-6), 也接近于 Korte等(2003)建议的好样品的Sr含量下限值(400×10-6); 但这些样品的 Mn含量平均值高于1200×10-6, 显著高于 Korte等(2003)建议的好样品的 Mn含量上限值(250×10-6), 从而导致了这些样品(除样品PT8A外)具有较高的Mn/Sr值, 甚至有3个样品的 Mn/Sr值大于 6, 大于 Kaufman等(1992, 1993)建议的Mn/Sr值的上限值(2～3)。

虽然这些样品具有较高的 Mn含量和较大的Mn/Sr值, 但这并不意味着这些样品已经遭受了较大程度的成岩蚀变或者不能代表海水的信息; 事实上这些样品的Sr含量并没有随着Mn含量的减少而出现有规律的增加(图3a), Ca含量也没有随着Mn含量的增加出现较为有规律的变化(图3b), 同时Sr含量并没有随着Si含量的增加而出现有规律的减少(图3c), 因而这些样品中的高Mn含量可能是由于沉积作用造成的,其主要来源可能是华南地区广泛分布的二叠/三叠系界线附近火山碎屑物质(事件粘土层是其蚀变产物集中分布的产出形式(胡作维等, 2008b), 图 2)在海底蚀变过程中释放的Mn, 而后这些Mn直接进入到沉积的海相碳酸盐矿物晶格中, 也就是说, 上述 Mn元素与后期成岩蚀变可能不存在直接联系, 因而这些样品的Mn含量和Mn/Sr值对其成岩蚀变程度评估并没有太多的实际意义。总的看来, 尽管这些样品 Mn含量较高和 Mn/Sr值较大, 但由于原始沉积组构保存较好、Sr含量较高, 可以认为这些样品只遭受了较低程度的成岩蚀变改造, 并保留了较多的海水原始信息。

表1 样品的常量、微量元素和锶同位素组成Table 1 Major elements, trace elements and Sr isotopic ratios of the samples

图3 样品Mn含量与Sr含量相关图(a); Mn含量与Ca含量相关图(b); Sr含量与Si含量相关图(c)Fig. 3 Plots of Mn concentrations versus Sr concentrations (a); Mn concentrations versus Ca concentrations (b); Sr concentrations versus Si concentrations (c)

3 样品锶同位素组成

在晚二叠世—早三叠世的全球海水锶同位素组成演化曲线中, 二叠/三叠纪之交的时间段附近正好处于全球海水锶同位素比值急剧增大的起步阶段。正是由于这个时间段的全球海水锶同位素组成演化曲线呈现为快速单调递增的趋势, 并具有显生宙以来最大的海水锶同位素组成增长速率, 也就是在很短的时间内就发生了海水锶同位素比值的巨大变化(Veizer et al., 1999; Korte et al., 2003), 但目前实际的地质时间标尺似乎还很难达到这样的分辨率, 造成了该时间段内的锶同位素地层学对比及其年龄标定存在不少的困难。

在相对较薄(1 m 厚)的地层中加密采集了可进行锶同位素比值分析的碳酸盐岩样品, 6个样品的87Sr/86Sr值分布范围在 0.707158～0.707334之间(表1), 与意大利西西里岛二叠/三叠系界线附近 0.46 Ma时间间隔中 6个牙形石数据的87Sr/86Sr值(在0.707270～0.707485之间, 平均值为 0.707385(Korte et al., 2003))比较吻合。同时从总体上看, 这些样品Mn含量的增加没有导致87Sr/86Sr值呈现有规律的增加(图 4a), 同时 Sr含量的减少也没有导致87Sr/86Sr值呈现有规律的增大(图4b),87Sr/86Sr值与Mn/Sr值之间似乎没有什么直接关系(图 4c), 因而这些样品还是在很大程度上代表了海水的锶同位素组成。

值得注意的是, 由于部分样品的锶同位素组成出现了局部高值异常波动, 并不是呈现向上单调递增变化, 那么究竟是不同样品遭受的成岩蚀变程度不同, 影响了样品锶同位素组成的可靠性？还是这些样品本身所记录的海水锶同位素组成就是如此？这种情况的出现可能是以下原因造成的: 由于在总体上, 全球二叠/三叠纪界线附近海水锶同位素组成呈现为向上单调递增变化(图5), 而在四川东部华蓥山二叠/三叠系界线附近也呈现上部样品(PT7、PT8A、PT8B和PT10)具有相对较高87Sr/86Sr值, 而下部样品(PT3、PT5)具有相对较小87Sr/86Sr值的变化趋势(表 1), 也就是说, 该界线附近的锶同位素组成演化趋势与前人所获得的全球二叠/三叠纪界线附近海水的锶同位素组成演化趋势是基本一致的,基本上没有出现偏离(图5), 因而年代效应可能是造成样品87Sr/86Sr值增加的主要原因。从国际已公布的锶同位素比值—年龄数据库(Veizer et al., 1999; Korte et al., 2003)来看, 该时间段内也出现了邻近数据点的变化并不一致的现象, 数据分布较为离散,也就是说, 在锶同位素数据密集分析的地层段(或时间段)出现局部低幅波动是正常的。尽管这可能是由于数据库中不同样品具有不同的成岩蚀变程度和质谱仪器分析误差造成了锶同位素比值的波动和离散,但就目前这两个数据库同时提供的有关判断成岩蚀变的信息而言, 可以认为这些样品的有关信息依然是可信的。由Veizer等(1999)和Korte等(2003)建立的晚二叠世—三叠纪全球海水锶同位素组成数据库是目前该时段最为完善的数据库, 包括了 400多个锶同位素数据, 得到了国际同行的广泛认同, 具有很高的可靠性。

图4 样品锶同位素比值与Mn含量相关图(a); 锶同位素比值与Sr含量相关图(b);锶同位素比值与Mn/Sr值相关图(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)

图5 晚二叠世—早三叠世的全球海水锶同位素组成演化图Fig. 5 Sr-isotopic curve of the Late Permian–Early Triassic seawater

同时通过选用了6个样品中最接近二叠/三叠系界线附近的PT7、PT8A、PT8B和PT10样品的锶同位素组成平均值(0.707267)与前人所取得的锶同位素组成数据进行对比, 将这个平均值投在由 Veizer等(1999)和Korte等(2003)提供的晚二叠世—早三叠世全球海水锶同位素比值—年龄数据库(共128个数据)绘制的锶同位素演化趋势曲线上(图 5), 结果表明: 这些华蓥山二叠/三叠系界线附近样品的87Sr/86Sr平均值十分接近于前人所获得的二叠/三叠纪界线(界线年龄采用 Harland等(1989)公布的 245 Ma)附近全球海水的锶同位素组成(图 5), 因而本文分析的数据在很大程度上仍然代表了海水的组成,也就是说, 放射性成因锶对样品的锶同位素组成影响还是十分有限的(图5), 其对样品的分析结果没有实质性的影响。当然, 反过来说, 上述对应关系也为本文的样品提供了一个可供参考的锶同位素地层学标定年龄(≈245 Ma; 图5)。

4 结论

(1)由于这些样品具有的原始沉积组构保存较好、Sr含量较高, 可以认为其只遭受过较低程度的成岩蚀变改造, 尚保留着较多的海水原始信息; 尽管同时具有的Mn含量较高和Mn/Sr值较大, 但这些样品中的高 Mn含量可能是由于沉积作用造成的,其主要来源可能是华南地区广泛分布的二叠/三叠系界线附近火山碎屑物质在海底蚀变过程中释放的Mn, 因而这些样品的Mn含量和Mn/Sr值对其成岩蚀变程度评估并没有太多的实际意义。

(2)6个样品的锶同位素比值分布范围在0.707158～0.707334之间, 自老而新呈现先增后减的演化趋势, 从总体上看, 这些样品的锶同位素比值基本上与前人所获得的全球二叠/三叠系界线附近海水锶同位素组成有着较好的对应关系, 基本没有出现偏离, 也就是说, 华蓥山地区二叠/三叠系界线附近的锶同位素组成可以与全球其它地区同期海水的锶同位素组成进行对比。

(3)四川东部华蓥山海相二叠/三叠系界线附近碳酸盐岩较为系统的锶同位素组成研究, 可望为我国南方海相二叠/三叠系界线附近化学地层学及其对比研究提供一些有价值的基础资料。

致谢: 本文得到了审稿专家、编辑同志的大力支持和宝贵建议, 姜琳、钟鸣参加了野外采样工作, 在此深表谢意。

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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

本文由国家自然科学基金项目(编号: 40839908, 40672072)和教育部博士点基金项目(编号: 20050616005)联合资助。

2010-04-29; 改回日期: 2010-08-17。责任编辑: 魏乐军。

胡作维, 男, 1981年生。博士, 讲师。主要从事沉积地质学研究。通讯地址: 610059, 四川成都市二仙桥东三路1号。

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