豫西登封地区寒武系苗岭统张夏组碳同位素组成特征及其地层学意义

仲聪聪，王敏，李凯楠，樊钰超，彭深远

(河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

地质历史时期重要地层界线附近的δ13C值均发生显著漂移，各大陆同一时期碳同位素组成的漂移趋势具有相似特点[1-2]。因此，碳同位素组成的演化趋势可作为地层对比与划分的重要标志[3-4]。在全球寒武系年代地层的研究中，海相碳酸盐岩的碳稳定同位素组成演化趋势在地层界线确定及地层对比中应用很广泛[5-9]，对华北板块也做了很多相关的研究[10-12]，该技术运用已经相当成熟。把稳定同位素组成的演化趋势用于不同大陆、不同剖面间地层的对比，特别是生物化石比较稀少或地域性强的地层间，有着重要的作用[13]。

早古生代华北地台广泛发育陆表海碳酸盐岩，尤其到了寒武纪张夏期，华北板块基本为陆表海沉积环境[14-16]。三叶虫是寒武纪的标志性化石，华北地台在寒武纪主要发育浅水生活的三叶虫，而浅水台地生活的虫，有2个特点：地方性强和生物带精度低，这极大地限制了以这类三叶虫所建立的地层标准的对比性和使用价值，导致华北地台三叶虫化石带与其他板块对比不足[17]。所以，华北地区划分的组、生物带与国际地层寒武系四统十阶的对应关系比较模糊，给研究者带来困扰。

张夏组归于中寒武世中、晚期沉积，《中国地层表》(2014)将张夏组对应在鼓山阶和古丈阶下部附近。在北京[18]、山东[19-21]、河南[22]等地的张夏组研究中，所采用的划分方案有很大的不同。《中国地层表》(2014)把张夏组对应鼓山阶及古丈阶的底部；北京采用把张夏组对应到乌溜阶顶部和鼓山阶；山东采用把张夏组对应到乌溜阶上部、鼓山阶及古丈阶底部；河南则采用把张夏组对应苗岭统上部的方案。虽然都把张夏组对应到苗岭统(第三统)，但对应苗岭统的位置有差异，对应到阶的层次比较模糊，关于在张夏组中鼓山阶和古丈阶分界面位置的研究不多。生物地层学方面，豫西张夏组生物化石种类繁多，见三叶虫带：Metagraulos-Inouyops-Poriagraulos带、Bailiella-Lioparia带、Crepicephalina-Megagraulos带、Taitzuia-Poshania带[23-24]。这4个生物化石组合带，从性质上而言在一个区域内是穿时的，其底界并不是等时面，并且该段化石带与鼓山阶、古丈阶的对应并不明确[24]。有学者将华北地区传统寒武系张夏阶底界对比为华南地区寒武系鼓山阶底界，将张夏阶Liaopeishania带对比为苗岭统古丈阶Legopygelaevigata带下部，将Damesella带对比为苗岭统古丈阶Legopygelaevigata带上部和Glyptagnostusstolidotus带下部，将崮山阶的Blackwelderia带和Neodrepanura带对比为苗岭统古丈阶的Glyptagnostusstolidotus带上部，再通过河南生物化石组合带与华北生物带的对应关系，认为古丈阶的底界位于张夏阶的中部[23-24]，这一范围仍然很大，并且存在一定的争议。

本文以豫西登封王窑村剖面为例，研究张夏组地层的碳稳定同位素组成的演化趋势，并与其他大陆不同剖面同时期沉积地层的稳定碳同位素进行对比，探讨其与国际地层以及不同剖面沉积地层的对应关系，确定鼓山阶和古丈阶的分界面在张夏组的大概位置，为豫西地区以及华北地区寒武系的研究提供参考。

1 研究区地质背景

华北古陆在早、中寒武世为稳定的克拉通盆地环境，从辛集组海侵开始到张夏组海侵最大，华北地区基本为陆表海，之后，海平面开始缓慢下降[22-23]。同时，该时期无论构造演化还是气候条件均较稳定[25-26]。

登封位于华北板块南部豫西地区的中部，在河南省的西北部以及郑州的西西南方向(图1(b))，采样位置位于登封市西北方(图1(c))。该地区寒武纪的沉积地层出露连续，从下往上依次发育辛集组、朱砂洞组、馒头组、张夏组、崮山组、炒米店组及三山子组，其中辛集组发育砂岩，朱砂洞组发育斑状白云质灰岩，馒头组以泥质页岩为主，张夏组主要以鲕粒灰岩为主，崮山组以白云岩为主，炒米店组以灰岩为主，三山子组为发育多层叠层石的灰岩(图1(a))。张夏组地层发育较好，厚度为110～140 m，由底到顶可以划分为4段(图2(a)，(b))：一段薄板状灰岩段(图2(c))，为薄板状灰岩夹薄层的页岩，中间夹有数层竹叶状灰岩；二段微生物岩段(图2(d))，为微生物岩(包括小块状、斑杂状、漏斗状凝块石以及小柱状的叠层石)与生物扰动灰岩以及薄层的鲕粒灰岩，中上部出现数层核形石灰岩；三段模糊生物扰动灰岩段(图2(e))，鲕粒灰岩与模糊生物扰动灰岩交替出现，并且出现多种遗迹化石；四段鲕粒灰岩段(图2(f))，以厚层的鲕粒灰岩为主，包括条带状、团块状、小砾石状等鲕粒灰岩，顶部有数层发育生物扰动的灰岩与鲕粒灰岩互层。

图1 华北地区寒武系岩性柱状图及研究区区域地理位置和地质图Fig.1 Lithological column of Cambrian in north China,the location of research area and regional geological map

2 材料与方法

研究区张夏组的厚度约116 m，实际采样28块，依据每层的不同特征及其复杂程度分别规划采样。登封张夏组一段，岩性简单，故在其上部板状灰岩中采集2个样品；二段，分布4层微生物岩，依据微生物岩与夹层的关系采集样品8个；三段，依据扰动灰岩与夹层的分布特征采集样品9个；四段下部岩性较为均一，采样4个，上部根据生物扰动与夹层的分布采样5个(图3)。所有样品均采自新鲜的岩石，远离裂隙，选择致密的、结晶度低的岩石。

碳、氧同位素样品使用牙钻微区取样，筛选小于200目的样品，干燥24 h后，称取20 mg样品粉末，在室温25℃下与适量无水磷酸充分接触，反应24 h产生CO2，然后进行测定。测试工作在中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室完成，使用的仪器为Fibbegan公司MAT253质谱仪，分析结果均采用PDB标准，分析误差小于0.1‰。

3 结 果

豫西登封地区王窑剖面张夏组碳酸盐岩的δ13C值(表1)分布在-1.6‰～+1.0‰，平均值-0.35‰；δ18O值分布在-10‰～-7.0‰，平均值-8.52‰，接近于寒武纪的平均值[27]。该剖面张夏组碳同位素组成的变化特征见图3：底部为正值，且变化幅度相对较大，出现最大值0.99‰；中部、上部为负值，波动较小，在62 m和94 m处分别达到-1.56‰和-1.44‰的最小值；顶部又向正方向漂移，到达0附近；总体呈现由正到负再到0附近的特征。氧同位素组成的总体变化特征见图3：底部值较小，且由下而上有明显增大趋势；中上部δ18O值比较稳定，没有明显的波动和变化；顶部δ18O值较大，且出现了波动。

图2 登封张夏组野外照片Fig.2 Field photos of Zhangxia formation in Dengfeng

续表1

图3 河南登封地区寒武系张夏组岩性柱状图及δ13C变化曲线Fig.3 Lithological column and δ13C curve of Zhangxia formation of Cambrian in Dengfeng area，Henan

4 讨 论

4.1 碳同位素数据有效性分析

张夏组碳酸盐岩岩石样品δ13C值一般为-1.60‰～1.00‰，平均-0.35‰，δ18O值的变化区间为-9.91‰～-7.10‰，平均-8.52‰。考虑到寒武系张夏组的碳酸盐岩样品形成至今已有超过5亿a的历史，大气水及埋藏过程中的孔隙水等非海相因素对碳酸盐岩的原始海水碳、氧同位素组成造成了一定的影响，因此,在使用这些数据之前，有必要对样品的碳、氧同位素组成对海水的代表性进行评估。

前人研究发现,δ18O值小于-5‰时，碳酸盐岩已遭受成岩蚀变，但这个时候碳、氧同位素组成仍能在一定程度上代表当时海水的组成；当δ18O值小于-10‰时，样品受到成岩蚀变的影响，数据已经不能用于分析海水的环境[28]。另外，根据δ13C和δ18O的关系也可以判断样品是否受到成岩作用的影响，δ13C和δ18O的正相关性越强,岩层受到成岩作用的影响越大[29-30]。因此，经常用样品中氧同位素数据的大小及碳、氧同位素数据是否具有相关性判断样品是否有效保存了原始海水同位素信息[31]。

张夏组碳酸盐岩样品的δ18O值一般分布于-10‰～-5‰(表1，图3)，说明碳酸盐岩样品已经遭受成岩蚀变，但并没有遭受强烈的成岩蚀变作用，仍具有研究意义。样品δ13C值和δ18O值的散点分布如图4所示，运用SPSS软件，计算张夏组的样品碳、氧同位素数据的pearson相关性：样品δ13C和δ18O值的pearson相关系数r为-0.592，此时0.4≤|r|<0.7，为中度线性相关，但为负相关性。普遍认为，当碳、氧相关性为负时，可认为与无任何相关性一样，都表示样品碳、氧同位素值可以代表原始同位素组成[30，32]。同时，如图1所示，δ13C和δ18O的值和深度没有明显对应关系。所以从δ18O值的大小和碳、氧同位素相关性方面考虑，本文获得的张夏组碳、氧同位素数据真实可靠，能够较好地反映张夏组沉积期登封地区碳同位素变化的特征。

图4 河南登封地区寒武系张夏组碳酸盐岩δ13C，δ18O分布Fig.4 Distribution of δ13 and δ18O values from Cambrian Zhangxia formation carbonate rocks in Dengfeng area，Henan

4.2 全球同时期碳同位素数据对比

全球范围内，鼓山期和古丈期地层的碳同位比较稳定，特征为：δ13C值主要分布在-1.5‰～+1.5‰间，整体上碳同位素曲线比较稳定，没有较大波动，并且延续时间较长，只有鼓山阶底部出现负漂移(-2‰)以及古丈阶上部出现-1‰左右的负漂移[8](图5)。

在中寒武世，华北板块与华南板块、西伯利亚、冈瓦那大陆北部(包括澳大利亚在内)及劳伦大陆中部等地具有相近的纬度，所处的海洋环境较为相似，从而具有较为相近的海洋碳同位素组成特征[1-2，33](图6)，为这些地区剖面碳同位素的对比提供了条件。

图5 豫西张夏组与全球碳同位素曲线对比Fig.5 Comparison of δ13C curve between the Zhangxia for- mation in western Henan and the global Cambrian δ13C curve

图6 中寒武世(510 Ma)华北板块及周边古地理图 (据文献[33])Fig.6 Palaeogeographic map of north China and adjacent areas at 510 Ma(Middle Cambrian)(Ref.[33])

在浙江地区[34]，杨柳岗组对应到乌溜阶、鼓山阶及古丈阶的下部，碳同位素曲线在底部有一个明显的-2.0‰左右的负漂移，在中部有一段很长的-1.0‰～0之间的弱负漂移，上部有一个明显的正漂移(图7(a))；在四川盆地东部地区[35-36]，洗象池群的中下部和下部对应到苗岭统的上部，该段碳同位素曲线同样有一段长期弱负漂移，漂移的幅度约1.0‰，最小值为-2.0‰(图7(b))；在湖南地区[37-38]，花桥组中介于DICE和SPICE事件之间有一段频繁出现-0.5‰左右的碳同位素值弱负漂移，岩层厚度约100 m，弱负漂移段之后开始明显正漂移，并且鼓山阶与古丈阶的分界面对应在弱负漂移段最小值附近(图7(c))；在美国大盆地地区[39]，在DICE和SPICE事件之间，有一段碳同位素值在-2.0‰附近的负漂移，并且这段负漂移对应到鼓山阶和古丈阶之中(图7(d))；在澳大利亚[40]，乔治娜盆地的Currant Bush灰岩段中，底部对应DICE事件，在该段灰岩的中上部，存在一段碳同位素最小值达到-1.0‰附近的弱负漂移(图7(e))；西伯利亚北部[41]，鼓山阶和古丈阶分界面附近，存在一个略小于0的相较于上下层弱负漂移段，持续的层位也比较长，而且与湖南王村剖面相似，鼓山阶与古丈阶的分界面对应在弱负漂移段最小值附近(图7(f))。通过以上地区诸多剖面可见，鼓山阶和古丈阶在诸多地区的碳同位素曲线都出现一个持续时间较长的弱负漂移段；从华南湖南王村剖面和西伯利亚北部的剖面看，鼓山阶与古丈阶的分界面在该弱负漂移段的δ13C值开始上升前的那个最小值附近。

图7 中寒武世全球典型碳同位素剖面对比Fig.7 A correlation of the δ13C profiles among representative sections in the world in the middle Cambrian

左景勋等[42]在河南卫辉地区研究的碳同位素曲线中，鼓山阶上部和古丈阶下部存在一个约-1.0‰的弱负漂移，持续的层厚大约50 m，弱负漂移之后为正漂移(图7(g))。本文研究的登封地区的王窑剖面张夏组的碳同位素曲线出现δ13C值由1.0‰开始缓慢波动性下降，至-1.0‰附近，显示出弱负漂移，之后开始由-1.0‰上升为正值的特征，同样存在一个厚约50m的弱负漂移段(图7(h))。卫辉地区张夏组上部相当于登封地区的三山子z段[24]，所以在王窑剖面没有体现。王窑剖面张夏组碳同位素曲线接近最小的值有2个，但考虑到该最小值之后δ13C值开始变大，所以在登封地区，鼓山阶与古丈阶的分界面可能在第四段中的鲕粒灰岩之中。

5 结 论

通过对河南登封王窑剖面寒武系苗岭统张夏组进行的地球化学方面的测试，详细研究了该剖面稳定碳同位素的变化特征。依据碳同位素曲线的变化规律，并结合前人对该地区岩石地层学和生物地层学的研究结果，张夏组归为中寒武世晚期的沉积地层，对应寒武系苗岭统鼓山阶上部和古丈阶下部。碳同位素变化特征为：碳同位素曲线存在-1.60‰的负漂移，与底部1‰的δ13C值形成较大落差，顶部δ13C值又朝正方向漂移，表现出一个明显长期存在的弱负漂移。通过与其他板块同时期地层碳同位素进行对比，登封张夏组碳同位素δ13C值为-1.0‰左右的弱负漂移特征，与河南与卫辉剖面特征一致，且全球范围内在同时期纬度相近的诸多地层中都有体现，如赤道和南纬30°之间区域在苗岭世沉积的地层对比特征很明显，表明该负漂移具有较好的区域及全球地层对比意义。同时，对不同剖面间鼓山阶和古丈阶分界面附近碳同位素曲线特征对比，发现鼓山阶与古丈阶的分界面在登封张夏组的第四段鲕粒灰岩之中。