贵州省黔西县官坝地区二叠系-三叠系地质界面碳、氧同位素特征及意义

图1 贵州省大地构造单元划分地质简图(a)及官坝地区地质简图(b)^[13,14]

Ⅳ-4-1-1—威宁穹盆构造变形区;Ⅳ-4-1-2—六盘水北西向褶断带;Ⅳ-4-1-3(1)—织金-穹盆构造变形区;Ⅳ-4-1-3(2)—毕节弧形褶皱带;Ⅳ-4-1-3(3)—凤冈南北向隔槽式褶皱变形区;Ⅳ-4-1-4—赤水平缓褶皱变形区;Ⅳ-4-2-1—兴义穹盆构造变形区;Ⅳ-4-2-2(1)—册亭东西向紧闭褶皱变形区;Ⅳ-4-2-2(2)—望谟北西向褶皱带;Ⅳ-4-2-3(1)—都匀南北向隔槽式褶皱变形区;Ⅳ-4-2-3(2)—铜仁复式褶皱变形区;Ⅳ-4-2-4(1)—榕江开阔复式褶皱变形区;Ⅳ-4-2-4(2)—黎平紧闭复式褶皱变形区;1—下侏罗统;2—下三叠统-上三叠统;3—中二叠统-上二叠统;4—下石炭统;5—中寒武统;6—断层;7—产状;8—剖面位置及采样点;9—地名

黔西县官坝地区二叠系—三叠系界线剖面位于贵州省毕节市黔西县官坝村,该剖面主要地层为二叠系合山组、大隆组和三叠系夜郎组沙堡湾段,岩层近垂直产出,倾角为70°~85°,二叠系—三叠系界线出露完整,其大隆组与合山组、夜郎组沙堡湾段分别呈整合接触,界线清楚。合山组岩性为灰色含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩,生物化石丰富, 保存较好,见双壳、腕足等化石;大隆组岩性为凝灰岩(图2a)、泥岩,见菊石化石;夜郎组沙堡湾段岩性为白云质微晶灰岩、泥岩,见水平层理。该剖面大隆组凝灰岩经显微鉴定为晶屑熔结凝灰岩(图2b),其中晶屑(10%)主要成分为斜长石,少量石英,斜长石强烈的绢云母化,呈残留状,粒径0.2~0.5mm;塑性玻屑(50%)呈微变形,部分棱角开始圆化,部分仍保留弧面棱角状,略有压扁拉长现象,有不同程度的绢云母化,呈交代假象结构,塑性玻屑已定向排列,假流动构造不明显;火山灰(40%)有强烈的绢云母化,绢云母弱定向;晶屑、火山灰等被塑性玻屑胶结。

图2

图2 贵州黔西县官坝地区P-T界线凝灰岩野外照片(a)及显微镜下照片(b)

Cry—晶屑;P-Hya—塑性玻屑

2 C、O同位素组成

在生物圈和碳酸盐岩中,碳有¹²C、¹³C两种稳定同位素,其中生物圈中具有相对低的δ¹³C,碳酸盐岩中具有相对高的δ¹³C^[15,16]。当生物繁盛时,相应的海水中沉淀出的碳酸盐岩中的δ¹³C会出现正偏移^[15,16];反之,当生物衰退时,δ¹³C出现负偏移^[17]。生物大规模绝灭与新生的更替,是δ¹³C从正到负的剧变,均以此为界^[3],因此δ¹³C也是分析古环境变化和生物地球化学事件不可或缺的部分^[18]。全球二叠系—三叠系界线处普遍发生碳同位素显著的负偏移^[19,20],存在2‰~4‰的异常降低^[21,22]。如上扬子海相碳酸盐岩P-T界面附近δ¹³C有明显的负偏,认为晚二叠世碳平衡失调造成的广泛缺氧事件与生物的绝灭有密切的关系^[23,24];黔南坳陷区贵州紫云P-T剖面碳酸盐岩、泥岩的碳同位素中,δ¹³C值为负值到低正值,也反映了二叠纪—三叠纪转换期的一次较大的生物绝灭事件^[25]。然而,二叠纪—三叠纪转折时期的生物集群灭绝事件及相应的碳同位素变化也体现了全球碳循环的变化。

在黔西官坝地区二叠系—三叠系界线剖面采集了43件样品,样品碳、氧同位素分析结果列于表1。结果表明,在二叠系—三叠系界线附近样品δ¹³C出现陡然的负偏,δ¹³C值变化为0.05‰→-18.92‰→1.13‰,δ¹³C曲线为一个明显的负漂移(图3),这可能是生物绝灭事件的响应。南阿尔卑斯^[26]、加拿大^[27]、奥地利^[28]、伊朗^[29]、中国浙江煤山^[21,23]、中国广西东攀^[30] 、中国四川上寺^[31]等地在同一阶段都出现了全球性的碳同位素负偏。

表1 官坝地区二叠系—三叠系界线剖面样品碳、氧同位素分析结果及古水温、古盐度值

样品编号	地层	岩性	δ¹³C/‰ (PDB)	δ¹⁸O/‰ (SMOW)	δ¹⁸O/‰ (PDB)	古水温 t/℃	古盐度 Z值
PM315 C-O43	夜郎组 (T₁y)	灰色中薄层含白云质微晶灰岩	1.83	22.8	-7.87	64	127.13
PM315 C-O42		土黄色极薄层泥岩	—	—	—	—	—
PM315 C-O41		土黄色极薄层泥岩	-9.5	22.8	-7.87	64	103.92
PM315 C-O40		土黄色极薄层泥岩	-8.67	20	-10.59	83	104.27
PM315 C-O39		土黄色薄层泥岩	-1.12	20.6	-10.01	78	120.02
PM315 C-O38		灰色薄层含白云质微晶灰岩	1.44	23.1	-7.58	62	126.47
PM315 C-O37		灰色中层白云质微晶灰岩	1.21	23	-7.68	63	125.95
PM315 C-O36		灰色中层白云质微晶灰岩	0.61	23.2	-7.49	61	124.82
PM315 C-O35		青灰色中层钙质泥岩	0.54	23.1	-7.58	62	124.63
PM315 C-O34		灰色中层含白云质微晶灰岩	1.06	22.9	-7.78	64	125.60
PM315 C-O33		青灰色薄层白云质微晶灰岩	-0.05	22.2	-8.46	68	122.99
PM315 C-O32		灰色中层含白云质微晶灰岩	1	23.1	-7.58	63	125.57
PM315 C-O31		灰色中层含白云质微晶灰岩	0.45	22.9	-7.78	64	124.35
PM315 C-O30		青灰色薄层泥岩	0.83	23.7	-7.00	59	125.51
PM315 C-O29		深灰色中层含白云质微晶灰岩	1.34	23.5	-7.19	60	126.46
PM315 C-O28		土黄色薄层泥岩	0.83	24.4	-6.32	55	125.85
PM315 C-O27		青灰色薄层泥岩	—	—	—	—	—
PM315 C-O26		土黄色极薄层泥岩	—	—	—	—	—
PM315 C-O25		土黄色薄层泥岩	1.13	23.2	-7.49	62	125.89
PM315 C-O24	大隆组 (P₃d)	浅灰绿色极薄层晶屑熔结凝灰岩	—	—	—	—	—
PM315 C-O23		浅紫灰色极薄层泥岩	-18.92	17.88	-12.65	—	82.25
PM315 C-O22		浅紫灰色极薄层泥岩	—	—	—	—	—
PM315 C-O21		青灰色极薄层含粉砂质泥岩	—	—	—	—	—
PM315 C-O20		褐黄色中层泥质粉砂岩	-16.48	15.59	-14.87	—	86.14
PM315 C-O19		灰黑色炭质泥岩	-9.01	19.63	-10.95	—	103.40
PM315 C-O18		浅黄绿色极薄层晶屑熔结凝灰岩	—	—	—	—	—
PM315 C-O17		浅黄色中层鲕粒状钙质泥岩	-6.42	19.05	-11.51	—	108.42
PM315 C-O16		浅青灰色中层晶屑熔结凝灰岩	—	—	—	—	—
PM315 C-O15		浅灰绿色中层变质晶屑熔结凝灰岩	—	—	—	—	—
PM315 C-O14		褐黄色中层铁质安山质晶屑熔结凝灰岩	-0.41	24	-6.71	—	123.12
PM315 C-O13		浅黄绿色薄层晶屑熔结凝灰岩	0.05	21.7	-8.94	72	122.95
PM315 C-O12	合山组 (P₃h)	灰色中层含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩	0.69	21.9	-8.75	70	124.36
PM315 C-O11		灰色块状含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩	2.44	22.2	-8.46	68	128.09
PM315 C-O10		灰色块状含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩	2.67	22.8	-7.87	64	128.85
PM315 C-O9		灰色块状含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩	2.5	23.2	-7.49	61	128.69
PM315 C-O8		灰色块状含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩	2.36	22.4	-8.26	67	128.02
PM315 C-O7		灰色块状含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩	2.79	22.7	-7.97	65	129.04
PM315 C-O6		灰色厚层含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩	2.82	22.6	-8.07	66	129.06
PM315 C-O5		灰色巨厚层含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩	2.33	21.9	-8.75	70	127.72
PM315 C-O4		灰色巨厚层含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩	2.87	22.4	-8.26	67	129.06
PM315 C-O3		灰色巨厚层含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩	3.06	23.1	-7.58	63	129.79
PM315 C-O2		灰色中厚层含硅质团块生物碎屑泥晶灰岩	2.62	22.2	-8.46	68	128.45
PM315 C-O1		深灰色中层含生物碎屑硅质团块泥晶灰岩	1.38	22.3	-8.36	68	125.96

注: “—”表示碳酸盐含量低,不足以测C、O同位素;数据由澳实分析检测(广州)有限公司测定;δ¹⁸O_PDB/‰=0.97001δ¹⁸O_SMOW-29.99;t=16.9-4.2(δ¹⁸O_C-δ¹⁸O_W)+0.13(δ¹⁸O_C-δ¹⁸O_W)²,其中δ¹⁸O_C为岩石样的δ¹⁸O值,δ¹⁸O_W为碳酸盐沉淀时海水δ¹⁸O值^[32],δ¹⁸O_C和δ¹⁸O_W均采用PDB标准^[33];Z=2.048(δ¹³C+50+0.498(δ¹⁸O +50),其中δ¹³C和δ¹⁸O为岩石样碳氧同位素测试值^[34]

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图3

图3 贵州黔西县官坝地区P-T界线剖面柱状图及碳氧同位素曲线

1—泥岩;2—泥质粉砂岩;3—钙质泥岩;4—炭质泥岩;5—生物碎屑灰岩;6—含硅质团块灰岩;7—灰岩;8—白云质灰岩;9—晶屑熔结凝灰岩;10—水平层理;11—双壳类;12—菊石类;13—腹足类;14—腕足类

与 δ¹³C 值的变化相比,此二叠系—三叠系界线附近样品δ¹⁸O也明显降低,且δ¹⁸O 值变化相对较缓,δ¹⁸O值变化为-8.94‰→-14.87‰→-7.49‰,δ¹⁸O曲线也表现为明显的降低至升高的过程(图3),说明该区晚二叠世—早三叠世沉积环境发生过突变。

3 凝灰岩地球化学特征

3.1 样品采集与分析

在黔西官坝地区剖面共采集了7件凝灰岩样品,其中底部3件,中部2件,顶部2件。样品分析由华北有色地质勘查局燕郊中心实验室完成。主量元素采用Axios PW4400型X荧光光谱玻璃熔片法分析,稀土元素和微量元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析。分析结果列于表2。

表2 凝灰岩样品主量元素、微量元素分析结果及参数

样品编号	PM315-DH5	PM315-DH6	PM315-DH7	PM315-DH9	PM315-DH10	PM315-DH11	PM315-DH13
SiO₂	55.78	56.65	56.12	78.45	79.89	52.11	56.12
TiO₂	0.27	0.28	0.26	0.27	0.27	0.43	0.45
Al₂O₃	22.85	22.74	22.88	11.12	10.18	25.65	22.64
Fe₂O₃	1.03	0.94	0.90	1.03	0.74	1.36	1.96
FeO	0.09	0.09	0.13	0.40	0.45	0.40	0.40
MnO	0.009	0.010	0.008	0.006	0.012	0.008	0.031
MgO	3.06	3.02	3.02	1.15	1.15	3.08	2.45
CaO	1.03	0.59	0.74	0.25	0.37	0.32	0.56
Na₂O	0.55	0.51	0.85	0.27	0.33	0.48	0.42
K₂O	6.68	6.72	6.65	3.16	2.92	7.07	6.24
P₂O₅	0.096	0.066	0.071	0.039	0.085	0.091	0.10
烧失量	8.52	8.32	8.30	3.78	3.56	8.96	8.56
总量	99.97	99.94	99.93	99.93	99.96	99.96	99.93
w(SiO₂)/w(Al₂O₃)	2.44	2.49	2.45	7.05	7.85	2.03	2.48
w(TiO₂)/w(Al₂O₃)	0.012	0.012	0.011	0.024	0.027	0.017	0.020
Rb	226.000	217.800	220.500	91.200	95.400	245.700	191.70
Ba	265.00	283.88	278.63	138.25	150.00	298.00	294.63
Th	52.30	56.30	52.90	27.76	22.52	61.46	47.14
U	13.80	13.09	12.75	6.28	4.52	8.93	4.00
Ta	3.96	4.56	4.30	1.74	1.68	3.46	3.02
Nb	40.300	41.600	39.312	17.971	13.800	28.220	21.200
Sr	35.20	26.46	22.37	35.93	28.58	27.60	34.20
Zr	318.00	317.84	300.44	265.64	231.30	371.90	377.46
Hf	10.84	10.52	10.35	7.26	6.42	13.31	12.75
Co	3.91	5.18	5.50	3.32	4.96	15.56	13.27
Ni	9.52	8.89	8.88	4.63	6.07	17.20	23.00
Ga	28.60	28.28	28.70	13.02	12.67	29.05	24.29
Pb	38.60	37.20	38.22	20.44	29.60	27.89	26.55
Cr	5.21	5.21	5.37	4.98	7.97	7.23	14.08
Sc	17.60	17.60	17.93	9.52	8.36	22.77	23.10
La	135.60	132.00	106.20	56.30	40.92	130.80	114.84
Ce	212.06	217.67	185.13	105.58	77.08	243.47	231.13
Pr	31.20	29.18	23.20	12.08	8.61	28.46	27.27
Nd	108.903	110.128	87.833	44.200	31.483	103.513	105.963
Sm	22.60	23.70	18.90	8.11	6.33	17.50	19.90
Eu	1.420	1.320	1.147	1.059	0.946	1.835	2.60
Gd	20.20	18.16	17.11	7.23	6.46	14.04	16.05
Tb	3.82	3.34	3.49	1.32	1.28	2.25	2.68
Dy	24.23	21.60	23.05	8.20	7.99	12.11	15.05
Ho	5.41	4.73	5.30	1.87	1.73	2.56	3.20
Er	16.70	14.28	16.47	5.76	5.10	7.57	9.11
Tm	2.78	2.51	2.71	0.96	0.85	1.27	1.41
Yb	18.60	15.79	17.26	6.36	5.32	8.12	8.60
Lu	2.57	2.27	2.46	0.94	0.77	1.14	1.21
Y	163.00	134.60	155.25	48.60	48.50	68.58	101.93
ΣREE	606.09	596.68	510.26	259.97	194.87	574.64	559.01
LREE	511.78	514.00	422.41	227.33	165.37	525.58	501.70
HREE	94.31	82.68	87.85	32.64	29.50	49.06	57.31
w(LREE)/w(HREE)	5.43	6.22	4.81	6.96	5.61	10.71	8.75
δEu	0.20	0.19	0.19	0.41	0.45	0.35	0.43
δCe	0.77	0.82	0.87	0.95	0.96	0.93	0.98
La_N/Yb_N	5.23	6.00	4.41	6.35	5.52	11.55	9.58

注:氧化物含量单位为%,微量元素含量单位为10^-6

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3.2 主量元素

凝灰岩样品SiO₂含量为52.11%~79.89%,均值62.16%;Al₂O₃含量为10.18%~25.65%,均值19.72%;K₂O含量为2.92%~7.07%,均值 5.63%;MgO含量为1.15%~3.08%,均值2.42%。凝灰岩中w(SiO₂)/w(Al₂O₃)均值为3.83,明显高于高岭石中w(SiO₂)/w(Al₂O₃)理论值1.18^[35],其中中部w(SiO₂)/w(Al₂O₃)比值偏高,最大值为 7.85;w(TiO₂)/w(Al₂O₃)比值介于0.011~0.027之间,均值为0.018,除中部两件样品外,其余5件样品w(TiO₂)/w(Al₂O₃)比值均小于0.02,表明凝灰岩可能属于酸性火山灰成因^[33,34],而中部两件样品w(TiO₂)/w(Al₂O₃)比值略大于0.02,小于0.08,表明其可能属于碱性火山灰成因^[36,37]。在w(SiO₂)-[w(Na₂O)+w(K₂O)]图中,下部和上部样品属于碱性系列,中部样品属于亚碱性系列(图4a);在AFM 图中,样品全部落于钙碱性系列(图4b)。综上所述,凝灰岩属于钙碱质的中酸性火山物质。

图4

图4 贵州黔西县官坝地区P-T界线凝灰岩硅—碱图解(a)、AFM图解(b)(底图据T.N.Irvine^[38])

3.3 稀土、微量元素

凝灰岩稀土元素总量在194.87×10^-6~606.09×10^-6,平均为471.65×10^-6。轻稀土总量在165.37×10^-6~525.58×10^-6,平均为409.74×10^-6。球粒陨石标准化稀土元素配分曲线具有明显右倾的特征,轻稀土配分曲线较为陡峭,重稀土配分曲线相对平坦(图5a),表明轻稀土富集,轻重稀土分异显著。样品w(LREE)/w(HREE)值为4.81~10.71,平均为6.93,La_N/Yb_N值为4.41~11.55,平均为6.95,具有明显负Eu异常,δEu =0.19~0.45,平均为0.32,说

图5

图5 贵州黔西县官坝地区P-T界线凝灰岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(a)、原始地幔标准化微量元素蛛网图(b) (球粒陨石、原始地幔标准化值均来自Sun and Mc Donough^[39])

明该期凝灰岩经过显著的斜长石分离结晶作用^[40]。

在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图5b),样品相对富 K、Rb、Th等大离子亲石元素,亏损Nb等高场强元素,其中Sr、P、Ti 具有较强烈亏损。

4 二叠系—三叠系地质界线研究意义

官坝地区上二叠统合山组δ¹³C平均值为 2.38‰,保持了较高的正值,δ¹⁸O平均值为-8.19‰;大隆组δ¹³C平均值为-8.53‰,δ¹⁸O平均值为-10.94‰。下三叠统夜郎组δ¹³C值为低正值或负值,出现明显的δ¹³C低异常,而δ¹⁸O值则比较稳定,介于-6.32‰~-10.59‰,平均值为-7.89‰。P-T 界面附近,δ¹³C、δ¹⁸O值显著降低,δ¹³C值由0.05‰陡降至-18.92‰,变化幅度达 18.97‰,δ¹⁸O值由-8.94‰降为-12.65‰,变化幅度可达3.71‰。

δ¹³C值的显著变化反映了一次生物大量绝灭的过程。而δ¹⁸O值的变化反映出生物绝灭的外因主要有温度和盐度两方面^[25]。张克信等估算了华南地区P-T界面处古温度的变化范围为2~6 ℃^[32]。官坝地区计算出的海水古温度均偏高, P-T界面之下古温度范围在62~70 ℃,界面之上古温度范围为55~83 ℃,这可能与成岩作用中白云岩化、淡化淋滤等作用致使原始沉积物中δ¹⁸O值发生改变有关,尤其是成岩温度对原始沉积物δ¹⁸O有直接影响,虽然所得的古温度值有较大的扭曲,但在成岩过程中很少有足够大的化学驱动力以致完全破坏原始沉积物中氧稳定同位素的平衡^[25]。官坝地区P-T 界面之下海洋的古温度先是升高2~8 ℃,到P-T界面处时,古温度降低约10 ℃,这势必影响到狭温生物的生存。从δ¹⁸O值计算出的Z值来看,碳酸盐岩Z值均大于120,泥岩、凝灰岩Z值均小于120,古盐度在P-T界面处变化趋势为124.36→82.25→125.89,显然为先降低后升高的过程,盐度大幅度的变化,也加速了狭盐度生物的绝灭。二叠纪—三叠纪之交的温度、盐度变化事件对当时生物集群绝灭起了一定作用。

在中国华南地区上二叠统地层中,普遍夹有多层薄层黏土岩层,其中尤以二叠系—三叠系界线附近的黏土岩层^[11]分布较广,一般厚约5~10 cm,而且有明显的等时性,与上下岩层接触面平整,含海相化石(如贵州发现头足类^[41];浙江煤山剖面界线黏土岩层中有较多的海相化石^[42];在黔西官坝地区剖面中也发现大量菊石化石,形态保持完整;在南京湖山上二叠统大隆组的上部为碳酸盐化流纹质晶屑、玻屑层凝灰岩,并将其归于浅海滨岸火山沉积类型^[43])。黔西官坝地区剖面中发现了3层凝灰岩,岩性为变质晶屑熔结凝灰岩、铁质安山质晶屑熔结凝灰岩,为海相火山灰沉积。凝灰岩锆石U-Pb协和年龄为252.7±0.6 Ma,加权年龄为252.6±1.4 Ma^[44]。凝灰岩的ΣREE为194.87×10^-6 ~606.09×10^-6,平均471.65×10^-6,明显高于华南地区二叠系—三叠系火山灰的ΣREE(348.59×10^-6)^[45,46],稀土元素球粒陨石标准化分布模式表现为“V”字型“右”倾斜。凝灰岩中SiO₂含量为52.11%~79.89%,均值 62.16%,w(TiO₂)/w(Al₂O₃)比值介于0.011~0.027之间,均值为0.018,表明凝灰岩可能属于酸性火山灰成因^[36,37]。该区火山活动导致了晚二叠世—早三叠世沉积环境突变,如氧环境变化、古温度变化、古盐度变化,致使二叠纪末发生了生物集群灭绝事件。

5 结论

1) 该区二叠系—三叠系界线样品δ¹³C发生了负偏,是生物集群灭绝事件的响应;δ¹⁸O曲线也表现为明显的降低至升高的过程,是沉积环境突变的响应。

2) 乌蒙山贵州黔西县官坝地区的二叠系—三叠系地层附近发育3层凝灰岩,表明该区晚二叠世—早三叠存在火山活动。火山活动导致了晚二叠世—早三叠世沉积环境突变,致使二叠纪末发生了生物集群灭绝事件。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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