安徽泾县地区PTB界线粘土岩特征及其年代学意义

王 松，徐锦龙，刘道彬，汪雅菲，吴雪峰，石永红

(1. 安徽省地质调查院，安徽 合肥 230001；2. 合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

二叠纪—三叠纪之交的生物大绝灭事件，造成了地球上超过90%的海洋生物物种、70%的陆生脊椎动物属和大多数的陆生植物绝迹，是显生宙以来生物界经历的最严重的一次劫难事件。对其原因争议颇为激烈，主要集中在全球性海水缺氧、快速海侵、大规模火山喷发或地外撞击等假说，需要通过多学科研究进行验证。

全球海相PTB附近普遍发育与火山事件相关联的粘土岩，一般成层薄，厚度较均一，与上、下岩层接触面平整的特点。近30年，很多学者对我国华南浅海相(浙江长兴)、湖北黄石、重庆中梁山、四川上寺、滨海相(贵州郎岱)、深水相(贵州断杉、广西柳桥)、海陆交互相(云南宣威)和陆相[1](贵州威宁)P/T界线附近粘土岩进行了较为详细的的研究。PTB附近粘土岩层是二叠系—三叠系界面对比的良好事件标志层，其等时意义可能超过单纯生物地层的对比，可以作为区域乃至全球事件地层对比的辅助性标志面。

最近，在安徽泾县昌桥地区P/T界线附近发现多套粘土岩，对此剖面中的粘土岩的研究为查清这些粘土岩的基本特征及其与火山事件是否有关，探索PTB地质转折期生物大绝灭的事件性质提供论据。

1 地质背景

下扬子地区晚二叠世—早三叠世地层发育齐全，分布广泛，露头连续，研究程度较高。研究区P/T界线所涉及的层位主要为大隆组和殷坑组(图1)，代表了长兴阶与殷坑阶界线，两者呈整合接触关系。

大隆组：灰黑色、黑色含锰质硅质岩、硅质岩夹硅质页岩，见水平层理，产腕足类、腹足类、珊瑚等化石。

殷坑组：底部为2层灰黄色、黄褐色薄层粘土岩，向上为青灰色、黄绿色薄层—中厚层钙质泥岩、泥质灰岩，产菊石化石。

粘土岩主要分布于大隆组和殷坑组界线附近，呈现2个薄层的粘土岩，成层性较好，粘土岩呈片状，细腻光滑，表面光泽，有滑感，遇水后粘性增强，脱水后易碎，内部见较多的自形黄铁矿颗粒。

图1 研究区剖面图及粘土岩特征

2 粘土岩全岩成分分析

古、中生代之交广泛发育强烈的火山活动，大体可分为两种：在西伯利亚和南非见有大规模的陆内玄武岩活动[2]；全球海相PTB普遍发育于火山事件有关的界线粘土岩，分布稳定，是华南海、陆相P/T事件地层界线对比的良好标志层。

笔者对研究区泾县昌桥的粘土岩进行了主量元素分析，收集了安徽宣城、湖北兴山和黔西威宁的部分数据(表1)。

表1 研究区及相关地区PTB附近粘土岩中主量元素含量

注：Ash-1引自安徽宣城牛山剖面大隆组粘土岩；Ash-7引自宣城牛山的殷坑组粘土岩；H10、H23引自湖北省兴山县大峡口剖面P/T界线粘土岩；GWC-68a、GWC-68c引自黔西威宁岔河剖面P/T界线粘土岩。

由表可知：烧失量含量偏高，可能与原岩已蚀变为粘土岩，部分矿物成分和含量的丢失有关；Al2O3和K2O含量较高，研究区为27.5%和6.56%；Na2O、MnO、TiO2含量偏低，分别为0.1%、0.01%和0.52%；SiO2含量较为稳定，在46%～55%附近，研究区为53.2%；CaO含量在0.34%～2.75%，含量不一，但均存在一定含量的钙质胶结物。同时，粘土岩中挑选处具有震荡环带的锆石颗粒，为典型的岩浆成因；大量自形黄铁矿可能与火山作用喷发的含硫化物火山岩有关；镜下似石英、XRD的伊利石和蒙脱石也可说明与中酸性火山作用有关。

3 锆石U-Pb年代学

PTB附近有火山成因的界线粘土层，其中大量的锆石为同位素测年工作提供了有利的保证，目前国外PTB已获得高精度的同位素年龄值。Retallack等在澳大利亚和新西兰陆相早三叠世地层火山岩夹层的Ar-Ar年龄分别为237±0.4 Ma和242.8±0.6 Ma[3]。目前，对于火山作用形成的海相粘土岩的年龄数据较少，特别在华南地区有火山岩粘土岩报道，但未见同位素年龄。

3.1 分析方法

锆石颗粒定年方法为激光剥蚀等离子体质谱法(LA- ICP-MS)。锆石的挑选是在廊坊峰泽源岩矿检测技术有限公司完成。制靶工作在合肥工业大学资源与环境工程学院LA-ICP-MS 实验室完成，阴极发光照相在中国科技大学完成。

锆石的U-Pb 年代学测试在中国科技大学LA-ICP-MS实验室完成。本次分析激光器工作频率为6 Hz，剥蚀物质载气为高纯度He气，流量为0.6 L/min；测试点束斑直为32 μm；锆石U/Pb比值及年龄校准每测定5个样品选用标准锆石91500进行两次测定；每测10个样品点测一次NIST610和年龄监控样Mud Tank。年龄值低于1 000 Ma选用206Pb/238U年龄，年龄值高于1 000 Ma选用207Pb/206Pb年龄。单个数据点误差均为1σ，加权平均值误差为2σ。

3.2 分析结果

对泾县昌桥剖面PTB粘土岩岩石样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学测试，共测试了32个点，选取其中可信度大于90%的16个有效测试点(图2，表2)。

样品中锆石在透射光下主要呈浅黄色、无色透明状，锆石颗粒晶形变化较大，大多数为长柱状，锆石的晶形呈半自形—它形。完整颗粒的长轴60～200 μm，短轴在60～100 μm，长宽比值介于1∶1～31∶1。锆石阴极发光图像显示(图2)，锆石内部特征为分带、震荡环带结构、核边结构。

图2 PTB粘土岩锆石CL图及分析点位

测点号207Pb/206Pb1sigma207Pb/235U1sigma206Pb/238U1sigma谐和度/%PT14-45209029110246790PT14-2045011727610248792PT14-1734610626311249796PT14-35398628310251788PT14-244729827611251791PT14-65098927810251790PT14-15276872559252699PT14-234728627610252791PT14-960010127811252790PT14-28345972609253696PT14-115029427610253790PT14-84438927110253692PT14-265009827311253791PT14-295659627711254789PT14-15067227310256690PT14-104809426910264690

图3 样品PM025-TW14的年龄分布图和锆石谐和图

样品共测试分析了锆石31颗，数据点32个：包括16个谐和年龄数据(表2)，16个不谐和年龄数据(未列出)。锆石谐和图和年龄直方图(图3)显示，谐和年龄数据可分为1组(表2)，特征如下。

锆石Th元素含量为109×10-6～325×10-6，U元素含量181×10-6～371×10-6，Th/U比值为0.57～0.88。锆石颗粒多呈半自形—它形，CL图像显示锆石发育分带结构、震荡环带结构。16个谐和年龄数据范围为264～246 Ma。其中二叠纪瓜德鲁普世卡匹敦期锆石年龄1个(6%)，二叠纪乐平世吴家坪期锆石年龄2个(13%)，二叠纪乐平世长兴期锆石年龄7个(43%)，早三叠世印度期锆石年龄3个(19%)，奥伦尼克期锆石年龄2个(13%)，中三叠世安尼期锆石年龄1个(6%)。

该样品锆石定年数据结果主要分布在二叠纪与三叠纪，分布均匀，其中有半数分布于二叠纪10个(62.5%)，年龄范围为264～252 Ma，获得的最年轻年龄为246±6 Ma，对其年龄进行加权平均，年龄为252.3±3.2 Ma。

根据最新的的地质年代表，P/T界线的年龄为252.17±0.06 Ma，研究区的主体同位素年龄主要集中于251～253 Ma，这与P/T界线基本一致，与全球火山事件相吻合，该年龄252.3±3.2Ma可作为二叠—三叠系界线附近火山喷发事件的年龄。

3.3 讨论

粘土岩可能是地质历史时期火山喷发产生的中酸性火山物质在海相环境中沉积成岩和蚀变作用形成的，在华南地区分布广泛，可作为的等时性标志层，对研究区域上该时期火山活动时限规律和PTB生物大绝灭有重要意义。

3.3.1 粘土岩的成因及构造背景

根据岩石矿物学观察发现，存在斑晶矿物，证明其不同于正常沉积物，可能为火山成因，具体证据如下：粘土岩中见具有震荡环带的锆石颗粒，多为半自形—自形，镜下呈棱角状，显示其未经长距离搬运，边缘见港湾状及溶蚀孔，以上特征均表明其为典型的岩浆锆石成因；黄铁矿的大量出现可能与火山作用喷发粗大量的含硫化合物有关，为黄铁矿的形成提供了物质基础[4]；粘土岩中斜长石残骸、伊利石、蒙脱石可能也与中酸性火山喷发有关；地球化学元素组成也显示出与斑脱岩比较类似。

据殷鸿福等统计，华南地区有超过50多个PTB剖面中，发现过本次研究的火山成因粘土岩，覆盖面积超过100万km2。杨遵义等发现PTB附近粘土岩在华南西南地区云南、贵州和广西表现为火山岩和凝灰岩，而在华南东部多呈现为蚀变火山灰，其分布特征说明华南的西南地区或附近可能是火山喷发的主要地区。

广西来宾—合山地区PTB粘土岩的锆石SHRIMP U-Pb测年年龄为251.0±0.3 Ma；四川广元上寺和浙江煤山剖面PTB火山灰层的锆石SHRIMP U-Pb 测年为252. 6±0.2 Ma；贵州威宁二叠系—三叠系界线剖面发现2层粘土岩，其锆石同位素年龄分别为247.5±2.8 Ma和252.6±2.8 Ma。浙江煤山剖面粘土岩(25、26层)中锆石单晶体的绝对年龄值为251.2±0.4 Ma(SHRIMP)和251.4±0.3 Ma(U/Pb)[5]。本次研究所获得的LA-ICP-MS锆石年龄为252.3±3.2 Ma与前人所获得的年龄基本一致。

目前，峨眉山地幔大火成岩省的火山主要喷发期在～260 Ma，但火山喷发结束时间还存在着争议。范蔚茗等和Lo等通过40Ar/39Ar同位素测年，认为峨眉山大火成岩省的结束时间约在～253 Ma和～251 Ma。朱江等在贵州盘县峨眉山玄武岩系剖面中发现顶部发育厚度达近百米的凝灰岩层，其LA-ICPMS U-Pb 法测年结果为251.0±1.0 Ma，代表了峨眉山大火成岩省火山喷发结束的时间，与P/T界线年龄(252.16±0.06 Ma)基本一致[6]。

总之，根据研究区样品的岩石矿物学观察并结合前人的大量同位素年龄测定结果，推测研究区PTB界线附近的粘土岩为火山成因；与峨眉山玄武岩顶部凝灰岩层发生时间相一致，与P/T界线年龄相一致；结合粘土岩的发育特点，可能指示了该期火山活动受峨眉山玄武岩影响。

3.3.2 粘土岩与华南地区PTB生物大灭绝的关系

目前对华南地区二叠—三叠系界线(PTB) 生物大规模灭绝的机制主要有，火山学说、地外碰撞学说、缺氧学说、以及海洋酸化学说等。但以上模式某些逐渐被否定和质疑，而火山作用导致PTB生物大灭绝似乎越来越得到认同，并将火山活动触发的释放过量的CO2和火山灰导致全球缺氧与海洋酸化相关联，越来越得到认可。

本研究粘土岩之上生物门类、种属、数量等突然减少，这一独特的现象暗示PTB时期的海洋生物突然灭绝事件可能与火山活动存在因果关系。华南地区普遍发育数层的火山灰层，在PTB附近发生大尺度乃至全球性的火山活动，导致大范围的火山灰沉积，并伴随着产生大量酸性的、有毒的气体(CO2、CH4、H2S、SO2等)，CO2含量升高，形成温室效应，促进底层海洋缺氧，进一步加速陆地生态系统的崩溃和海洋生态系统的恶化，使陆地和海洋生物大量死亡。与此同时，火山活动导致烟尘，阻碍了陆地和浅海植物的光合作用，降低全球气温，加剧酸性气体的产生，导致全球性酸雨，这些火山活动导致的环境恶化过程与生物的灭绝基本一致。

总之，研究区作为华南的一部分，存在着火山活动，界线附件的粘土岩为研究二叠—三叠系全球生物大绝灭事件提供了火山事件的可靠依据，可能预示了该期火山活动对当时的陆地和海洋生态系统恶化产生了极大的影响，加剧了生物绝灭事件。

4 结 论

1)安徽泾县地区PTB附近发育2套粘土岩，岩石地球化学显示烧失量含量偏高、 Al2O3和K2O含量较高、 Na2O、MnO、TiO2含量偏低、SiO2含量较为稳定、存在一定含量的钙质胶结物。同时，见典型的岩浆成因锆石和自形黄铁矿，是具有较为特征的火山作用的产物。

2)安徽泾县地区发育的粘土岩中锆石同位素年龄主要集中于251～253 Ma，加权平均年龄为252.3±3.2 Ma，这与最新的的地质年代表，P/T界线的年龄为252.17±0.06 Ma基本一致，与全球火山事件相吻合。

3)安徽泾县地区作为华南的一部分，PTB附近存在着火山活动，具有大尺度乃至全球性，其与峨眉山玄武岩顶部凝灰岩层发生时间相一致，结合粘土岩的发育特点，可能指示了该期火山活动受峨眉山玄武岩影响。火山活动与PTB生物大灭绝相一致，可能预示了该期火山活动对当时的陆地和海洋生态系统恶化产生了极大的影响，加剧了生物绝灭事件。