扬子地区早志留世古环境、古气候综述

罗瑞

成都理工大学沉积地质研究院 四川 成都 610059

志留纪早期全球气候变化显著的一个时期，发生了气候变暖，冰川融化、海平面上升、火山活动等一系列密切相关的气候事件，其古气候和古环境研究对于理解全球气候、环境演化具有重要意义。随着上扬子地区早志留世龙马溪组油气勘探取得重大突破，众多学者对扬子地区这一时期的古气候、古环境如何促进有机质富集展开了详细的研究，获得了大量龙马溪组时期的古气候、古环境信息，极大的推动了这一领域的发展，真实的还原了当时的古气候和古环境条件。

目前存在多种衡量古气候、古环境的指标，大致可以划分为古生物学、沉积学、矿物学、地球化学等四类。古生物往往生长于特定的环境中，利用古生物可以还原同期的环境，吉中地区晚志留世-早泥盆世广泛发育名为Retziella的暖水动物群，分布于热带、亚热带。早二叠世开始发育凉水动物群，古生物群落的转变明显是受卡鲁冰期的控制作用[1]。上扬子黔北和渝南一带的珊瑚礁反映了当时温暖的气候[2]。根据风暴沉积特征，扬子地区当时处于赤道附近，温度的上升导致温差变大，促进风暴的形成并留下沉积记录[3-4]。在矿物学方面，石英和黏土矿物相对含量真实的反映了风化程度，一定程度上反映了气候的条件，温暖湿润的气候有助于风化作用[5]。研究最为详尽的当属地球化学指标，得益于科学技术的迅速发展，高精度的地球化学分析手段广泛应用于地质研究中，多种指标的运用已经十分成熟，形成严格精确的体系，基于地球化学的指标可以恢复古温度、古盐度、古水深、氧化还原条件、干湿条件等多个维度的气候与环境信息。

扬子地区早志留世的古气候与古环境研究已经取得了显著的进展，考虑到可对比性和资料的丰富程度，本文收集了研究区过去一段时间内的地球化学数据，旨在综合对比早志留世的气候环境记录，重建扬子地区早志留古气候、古环境，更全面地认识地球演化过程。

1 地质概况

扬子地区分为上、中、下三个部分，包括四川盆地、秭归盆地、苏北-南黄海盆地及其周缘地区。志留纪时期在加里东运动的影响下，扬子陆块与华夏陆块发生碰撞，扬子地区普遍抬升，沉积环境改变，造成了上志留统地层的大面积缺失[6]。

2 古气候、古环境指标

岩石中的地球化学元素根据其含量和特征可以划分为主量元素、微量元素、稀土元素三类。不同的沉积环境中，岩石所含元素的含量会发生变化，K、Na、Ca、Mg等元素在风化作用较强的环境中容易流失，而Al、Si、Ti、Zr等元素抗风化能力强，不易受温度和氧化还原条件影响，可以稳定的保存在岩石中，从而富集。因此根据元素的物理化学特性，可以赛选出一系列反应沉积环境的元素，作为可靠的古气候、古环境指标[7]。

2.1 古气候指标

（1）气候指数C

在潮湿条件下，过渡金属元素Fe、Mn、Cr、V等容易富集，在干旱条件下，Ca、Mg、Na、Sr等元素容易富集。可以用气候指数C来表示这类元素的特征，计算公式为C=Σ[ω（Fe）+ω（Mn）+ω（Cr）+ω（Ni）+ω（V）+ω（Co）]/Σ[ω（Ca）+ω（Mg）+ω（Sr）+ω（Ba）+ω（K）+ω（Na）][8]，气候指数0～0.2指示干旱气候，0.2～0.4指示半干旱气候，0.6～0.8指示潮湿气候。计算得出川西南地区的气候指数C值为0.03～0.26，平均值0.11，表明早志留时期为干旱-半干旱气候，并在早志留末期有向潮湿转变的趋势[9]。

（2）CIA

CIA（化学蚀变指数）是衡量物源区化学风化程度的重要参数，其计算公式为：CIA=[Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）]×100，CaO*指代硅酸盐矿物中的CaO，不包括碳酸盐以及磷灰石中的CaO。通常情况下，CIA为50～65表示物源风化程度低，65～85表示中等风化，85～100表示强风化作用[10]。在上扬子地区，下志留统CIA值为57～81，平均值70左右[11-13]；中扬子地区下志留统CIA为54～81，平均值介于67～78[14-16]。下扬子地区CIA为63～71，平均值68左右[17]。总体上，自下而上呈上升趋势。

（3）CIW

CIW（化学风化指数）也是判断化学风化程度的重要指数，相较于CIA指数，CIW不计算K2O，可以排除成岩过程中钾交代作用对CIA指数的影响，其计算公式为CIW=100×[Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O）]。显生宙页岩的CIW值为85，当测试值大于85，对应的值越高，风化作用越强烈，反映源区气候条件越趋近于温暖湿润[18]。扬子地区下志留统化学风化指数大多介于50～80，仅下志留统上部出现大于85的值，最高达91。风化程度自下而上呈现低等至中等逐渐增强的趋势[16，19-22]。

（4）PIA

PIA为斜长石蚀变指数，仅表示斜长石的风化程度，其计算公式为PIA=100×（Al2O3+K2O）/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O），由于CIW忽略了钾长石中的铝，导致数值偏大，PIA指数可以去除钾长石中的铝含量，从而获得更精确的结果[23]。新鲜岩石的PIA值为50，高岭石、伊利石、蒙脱石等黏土矿物的PIA则接近100。扬子地区下志留统下部，PIA值为40～75，上部增大，介于75～85，指示低等风化程度向中等风化程度的过渡[13，19，21]。

（5）Sr/Cu

Sr为喜干型元素，在干燥条件下随着蒸发作用加强而大量析出赋存于水底，继而保存在沉积岩中。Cu为喜湿型元素，在潮湿的条件下更容易富集。因此，可以通过Sr/Cu比值来识别气候。当Sr/Cu＜1.3时，指示潮湿气候；Sr/Cu值为1.3～5时，指示温暖湿润的气候；Sr/Cu值为＞5时，指示炎热干旱的气候[24]。扬子地区下志留统Sr/Cu比值大多介于1.3～5，少数小于1.3或大于5，这一时期气候以温暖湿润为主[7，25，26]。在下志留顶部比值增大达20，指示向干旱气候转变的趋势[9，27]。

2.2 沉积环境指标

2.2.1 氧化还原条件

（1）U/Th

U和Th在还原条件下均不易溶解，在氧化条件下有明显的差异性，氧化条件下Th仅以+4价存在且不易溶解，U在氧化条件下易溶而造成亏损。当U/Th＜0.75时，指示氧化环境；U/Th值介于0.75～1.25时 指示贫氧环境；U/Th＞1.25时，指示强烈缺氧环境[28]。扬子地区下志留统下部U/Th基本大于1.25，为厌氧环境；上部U/Th值逐渐降低，比值介于0.3～0.6，为氧化环境[9，22，26]。

（2）V/Cr

V/Cr是识别古环境的有效标志，V在还原条件下易溶解而氧化条件下易沉淀，Cr的特征与V相反。研究表明，V/Cr＜2 时为氧化环境，V/Cr为 2.00～4.25 时为贫氧环境，V/Cr＞4.25 时为缺氧环境[28]。扬子地区下志留统底部V/Cr＞4.25，中上部＜2，由下到上沉积环境发生了贫氧到有氧的转变[20，29，30]。

（3）V/（V+Ni）

V/（V+Ni）比值也常作为古氧相的判别指标，V/（V+Ni）＜0.45时，指示氧化环境；0.45＜V/（V+Ni）＜0.5时，指示贫氧环境；V/（V+Ni）＞0.5时，指示强烈缺氧环境[31]。下扬子地区下志留统样品V/（V+Ni）大多为0.6～0.8，仅上部存在部分样品为0.45～0.5。

（4）Ni/Co

Ni在氧化条件下易溶解而还原条件下易沉淀，Co与之相反，在氧化条件下易于沉淀，根据两种元素对氧化还原条件的敏感性，可以用Ni/Co可以指示沉积时的氧化还原条件。Ni/Co＜5时，为氧化环境；介于5～7时，为贫氧环境；Ni/Co＞7时，为厌氧环境[28]。扬子地区下志留统下部Ni/Co为7～15，为厌氧条件；中上部逐渐降低，向贫氧至氧化条件过渡，上部比值最低接近3。

2.2.2 古盐度

（1）Sr/Ba

Sr和Ba两种元素在不同的盐度条件下，表现出的不同的性质。当处于较低盐度时，水体两者都能溶解在水体中，随着盐度增加，Ba会先发生沉淀，只有水体盐度达到较高的值后，Sr才会从水中沉淀出来。因此，可用Sr/Ba比值来指示古盐度。Sr/Ba＞1为海相咸水，0.5～1为海陆过渡，Sr/Ba＜0.5为陆相淡水。下扬子地区下志留统Sr/Ba为0.1～0.4，自下而上比值逐渐减小，盐度增大，总体上属于淡水沉积。

3 结论

上述多种古气候与古环境指标总体上呈现一致的规律性，且符合全球早志留世间冰期的特征。扬子地区早志留世早期为温暖湿润气候，水体相对较深，盐度较小，处于还原环境，物源区风化程度高。早志留世的中晚期气候稳定且缓慢过渡为干旱气候，水体变浅，盐度增大，转变为次氧化-氧化环境，物源区风化程度。