何冰輝 (中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

常藍(lán)天 (山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦,山西長(zhǎng)治 046200)

吳鵬,陳心路,李超

王永超,張安東 (中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

白玉 (安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,安徽合肥 230001)

李王鵬,季慧麗 (中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

古-中生代生物滅絕與華南早三疊世錯(cuò)時(shí)相沉積研究

何冰輝 (中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

常藍(lán)天 (山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦,山西長(zhǎng)治 046200)

吳鵬,陳心路,李超

王永超,張安東 (中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

白玉 (安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,安徽合肥 230001)

李王鵬,季慧麗 (中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

古-中生代之交生物滅絕是顯生宙以來生態(tài)系遭受最具重創(chuàng)的一次生物大滅絕事件(P-T事件),其誘發(fā)機(jī)制可能與泛大陸聚合、核幔圈層變動(dòng)以及地幔柱有關(guān)。P-T事件后,全球古環(huán)境、古氣候發(fā)生急劇變化,早三疊世生態(tài)系統(tǒng)以低分異度的廣適性分子和機(jī)會(huì)分子為主,通過對(duì)紋層狀和薄層狀灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r、扁平礫石灰?guī)r、微生物巖、蠕蟲狀灰?guī)r、潮下皺紋構(gòu)造以及海底碳酸鹽膠結(jié)巖扇等錯(cuò)時(shí)相現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)論述。表明生物大滅絕后錯(cuò)時(shí)相沉積及構(gòu)造的出現(xiàn)是古-中生代之交全球異常海洋生態(tài)環(huán)境的自然響應(yīng),它們?cè)谌A南地區(qū)廣泛發(fā)育,為研究和認(rèn)識(shí)PTB滅絕后的全球環(huán)境變化以及生物滅絕-復(fù)蘇提供了重要依據(jù)。

PTB滅絕;華南;早三疊世;錯(cuò)時(shí)相;生態(tài)系

顯生宙以來共發(fā)生了5次規(guī)模巨大、影響深遠(yuǎn)的生物大滅絕事件,分別發(fā)生在奧陶紀(jì)末期、泥盆紀(jì)晚期、二疊紀(jì)末期、三疊紀(jì)末期以及白堊紀(jì)末期[1]。地質(zhì)歷史演化過程中每次的生物大滅絕都與當(dāng)時(shí)的全球環(huán)境背景密切相關(guān),研究表明地球生命演化是曲折多變的,經(jīng)歷了很多大的波動(dòng),同樣地質(zhì)歷史時(shí)期全球環(huán)境背景也發(fā)生著重大的變動(dòng)。筆者著重?cái)⑹隽斯?中生代之交的生物大滅絕事件(P-T事件)以及隨P-T事件后在華南早三疊世地層中廣泛出現(xiàn)的錯(cuò)時(shí)相沉積及其相關(guān)構(gòu)造,錯(cuò)時(shí)相沉積成為認(rèn)識(shí)和研究全球古環(huán)境、古氣候變化的新視角。

1 P-T事件

地球生命演化進(jìn)程中最為關(guān)鍵的2大轉(zhuǎn)折期為新元古代-寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折期和二疊紀(jì)-三疊紀(jì)轉(zhuǎn)折期,分別發(fā)生了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)以及二疊紀(jì)末期生物大滅絕事件[2]。在整個(gè)古生代的演化歷史中,二疊紀(jì)末的生物大滅絕事件是生物演化史上最具災(zāi)難性的滅絕事件,導(dǎo)致約90%的海洋生物以及約70%的陸地脊椎動(dòng)物絕滅[3]。與古生代奧陶紀(jì)末期、泥盆紀(jì)晚期生物滅絕事件相比,這次滅絕事件對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了根本性影響,破壞了存在約200Ma之久的海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),促使了以非能動(dòng)型動(dòng)物為主的生態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅軇?dòng)型動(dòng)物為主的生態(tài)結(jié)構(gòu)[4],完成了古生代動(dòng)物群向中生代動(dòng)物群的轉(zhuǎn)變。

中國(guó)南部的浙江長(zhǎng)興縣煤山剖面是很多地質(zhì)學(xué)家一直以來研究二疊紀(jì)-三疊紀(jì)過渡時(shí)期地質(zhì)演化的重要剖面,煤山剖面具有豐富的生物地層資料[5],隨著研究的不斷深入,將二疊系-三疊系界線(PTB)正式確定在煤山D剖面及其27c層之底,即牙形石Hindeodus parvus的初現(xiàn)處[6]。PTB的確定以及相關(guān)研究的深入,一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)古、中生代之交的生物大滅絕可分為2幕,分別發(fā)生在二疊紀(jì)末和三疊紀(jì)初,稱之為PTB滅絕[7],也即P-T滅絕、P-T事件。

關(guān)于PTB滅絕的誘發(fā)機(jī)制,不同的學(xué)者提出了不同的觀點(diǎn)和假設(shè)用來解釋生物滅絕事件的主要起因,主要有大規(guī)模的火山活動(dòng)[8-10],海底CO2以及CH4等有毒氣體的大量釋放[11-13]以及缺氧事件[14]等。盡管提出的觀點(diǎn)很多,但大部分研究者趨于尋找地內(nèi)原因解釋,殷鴻福等[7]研究認(rèn)為地球內(nèi)部圈層變動(dòng)導(dǎo)致地球表層系統(tǒng)的變化,進(jìn)而導(dǎo)致生物演化的進(jìn)行,因此提出了PTB滅絕與泛大陸聚合、核幔圈層變動(dòng)以及地幔柱有關(guān)的觀點(diǎn),認(rèn)為在泛大陸聚合過程中大量洋殼在消減帶拆沉堆積在核幔邊界,當(dāng)大量冷的物質(zhì)下沉到核幔邊界以后,“D”層(核幔邊界)將因熱補(bǔ)償啟動(dòng)地幔柱,地幔柱的較小一枝于260Ma左右到達(dá)地表,導(dǎo)致峨眉山玄武巖的噴發(fā),與之相伴隨發(fā)生了中、晚二疊世之交(GLB)的滅絕;到古、中生代之交,地幔柱到達(dá)地表,導(dǎo)致了通古斯大爆炸,形成了通古斯大火成巖省(LlPs), PTB滅絕開始發(fā)生[7]。P-T事件后,全球古環(huán)境、古生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生急劇變化[15],生物復(fù)蘇過程曲折復(fù)雜,大滅絕后的生物復(fù)蘇一直延遲至中三疊世,早三疊世生態(tài)系統(tǒng)以低分異度的廣適性分子和機(jī)會(huì)分子為主[16],且廣泛出現(xiàn)大量異常沉積記錄。

2 錯(cuò)時(shí)相沉積

我國(guó)華南地區(qū)完整地記錄了古、中生代之交海相生物系統(tǒng)的滅絕與復(fù)蘇的過程,成為了全球研究PTB滅絕以及早三疊世生物復(fù)蘇最理想的地區(qū)。PTB滅絕后,全球環(huán)境發(fā)生劇烈變化,海洋生態(tài)系統(tǒng)遭受重創(chuàng),沉積類型也發(fā)生了劇烈變化。在早三疊世地層中出現(xiàn)了硅間斷[17]、礁間斷[18]以及煤間斷[19],在淺海環(huán)境中,相應(yīng)的變化表現(xiàn)為大量特殊沉積及其相關(guān)構(gòu)造在早三疊世地層中廣泛出現(xiàn),如紋層狀和薄層狀灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r、扁平礫石灰?guī)r、微生物巖、蠕蟲狀灰?guī)r、潮下皺紋構(gòu)造以及海底碳酸鹽膠結(jié)巖扇等[20]。這些特殊沉積及構(gòu)造在奧陶紀(jì)之前的海洋環(huán)境中曾廣泛分布,但在奧陶紀(jì)后生動(dòng)物大發(fā)展之后,它們一般僅見于某些極端和異常環(huán)境中,當(dāng)它們?cè)谠缛B世正常淺海環(huán)境中再次廣泛出現(xiàn)時(shí),被認(rèn)為在時(shí)間上或環(huán)境上發(fā)生了錯(cuò)位,故被稱為錯(cuò)時(shí)相[21]。由于早三疊世整個(gè)生態(tài)系是極為蕭條的,化石保存稀少單調(diào),這就使得研究者把認(rèn)識(shí)早三疊世全球環(huán)境變化的視角轉(zhuǎn)為研究沉積及構(gòu)造等,因此錯(cuò)時(shí)相沉積的研究成為了探索PTB滅絕及生物復(fù)蘇的一個(gè)新途徑。

2.1 紋層狀和薄層狀灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r

在華南地區(qū),紋層狀、薄層狀灰?guī)r以及條帶狀灰?guī)r在早三疊世地層中廣泛發(fā)育,反映了當(dāng)時(shí)相對(duì)安靜、低能的沉積環(huán)境,預(yù)示著早三疊世時(shí)期特提斯洋流活動(dòng)趨于停滯,這一現(xiàn)象與全球缺氧環(huán)境以及海洋循環(huán)的停滯[22]相一致[23]。羅茂等[24]對(duì)貴陽花溪下三疊統(tǒng)大冶組地層研究中發(fā)現(xiàn),早三疊世淺海生態(tài)環(huán)境處于缺氧環(huán)境,這種環(huán)境直到早三疊世晚期才趨于正常,在遺跡化石產(chǎn)出上表現(xiàn)為見沿層面水平擾動(dòng)的表生跡,缺乏垂直遺跡化石。垂向生物擾動(dòng)活動(dòng)的缺乏,有利于紋層狀、薄層狀沉積構(gòu)造的保存,成為這種錯(cuò)時(shí)相沉積在早三疊世地層中廣泛發(fā)育的主要原因之一。此外,溫度和季風(fēng)等氣候因素也是形成紋層狀沉積的控制因素,隨季節(jié)性變動(dòng)形成的各種物質(zhì),按不同季節(jié)形成連續(xù)的沉積紋層[25]。

時(shí)志強(qiáng)等[25]在四川廣元上寺以及重慶北碚等地早三疊世地層均發(fā)現(xiàn)有紋層狀泥質(zhì)微晶灰?guī)r,部分地區(qū)含較多的粉砂級(jí)陸源碎屑物質(zhì),推測(cè)為三疊紀(jì)巨型季風(fēng)成因,即季風(fēng)發(fā)育時(shí)期從上揚(yáng)子古陸地區(qū)帶來懸浮物質(zhì),在季風(fēng)停歇期沉積下來。需要指出的是,在不同地區(qū)不同沉積環(huán)境以及同一地區(qū)不同沉積背景下,紋層狀、薄層狀灰?guī)r以及條帶狀灰?guī)r在巖性特征、顏色變化和成分組成上都有較大的差異[26]。

2.2 扁平礫石灰?guī)r

扁平礫石灰?guī)r由板條狀或扁平狀的泥晶灰?guī)r礫石和灰泥基質(zhì)組成,灰?guī)r礫石有一定的磨圓性,礫石中缺乏化石[20],反映了PTB滅絕后,后生動(dòng)物的活動(dòng)受到了很大的抑制。扁平礫石灰?guī)r主要有2種,為板條狀灰?guī)r和竹葉狀灰?guī)r[27],在寒武紀(jì)以及前寒武紀(jì)陸架環(huán)境中普遍發(fā)育,形成于缺乏垂向生物擾動(dòng)的低能環(huán)境下,由早期成巖階段形成的尚未完全固結(jié)的條帶狀或薄層灰?guī)r,在風(fēng)暴巨浪或者重力流下被破碎,而后以微晶-泥晶灰?guī)r礫屑的形式重新堆積成巖[20,28]。

扁平礫石灰?guī)r的形成與風(fēng)暴作用密切相關(guān),部分灰?guī)r中可見菊花狀構(gòu)造,發(fā)育丘狀交錯(cuò)層理以及沖刷侵蝕面[23],其中丘狀交錯(cuò)層理是風(fēng)暴巖中獨(dú)特的原生沉積構(gòu)造,是識(shí)別風(fēng)暴沉積最明顯的標(biāo)志之一。時(shí)志強(qiáng)等[27]研究發(fā)現(xiàn)在川西北地區(qū)飛仙關(guān)組下部地層中,單個(gè)丘狀交錯(cuò)層理保存不完整,大多數(shù)是多個(gè)丘狀交錯(cuò)層相互疊加形成,表明當(dāng)時(shí)風(fēng)暴活動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),具多期次等特點(diǎn)。

關(guān)于扁平礫石灰?guī)r的形成機(jī)制,主要有以下幾方面因素。扁平狀灰?guī)r礫石是由薄層狀、條帶狀灰?guī)r破碎而成,許多學(xué)者在這一點(diǎn)上的認(rèn)識(shí)都是一致的,然而薄層狀微晶-泥晶灰?guī)r是靜水環(huán)境下的產(chǎn)物,在外力作用下要破碎形成礫石而不是形成更細(xì)的灰泥,這就要求它在破碎前已經(jīng)基本固結(jié)了[29]。Sepkoski等[21]提出了扁平礫石灰?guī)r得以發(fā)育的3個(gè)主要條件:薄層碳酸鹽巖和泥巖互層、未擾動(dòng)的碳酸鹽巖層快速膠結(jié)、扁平狀灰?guī)r顆粒遭受強(qiáng)烈的風(fēng)暴作用的侵蝕和改造。三疊紀(jì)上揚(yáng)子地區(qū)巨型季風(fēng)盛行,早三疊世早期和晚三疊世卡尼期是三疊紀(jì)巨型季風(fēng)最為劇烈的2個(gè)時(shí)期,PTB生物大滅絕引發(fā)的Gaia效應(yīng)很有可能是早三疊世早期巨型季風(fēng)盛行的主導(dǎo)因素[25]。Gaia理論認(rèn)為,生物對(duì)其生活環(huán)境有很大的影響,并調(diào)節(jié)全球的環(huán)境,它強(qiáng)調(diào)生物對(duì)整個(gè)地球系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用,生物對(duì)全球環(huán)境起到了反饋?zhàn)饔?主要是負(fù)反饋,遏制地球系統(tǒng)向極端情況發(fā)展,使生物與環(huán)境協(xié)同發(fā)展[30-32]。在古、中生代之交,生物大量滅絕,生物對(duì)整個(gè)地球系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用大大減弱,全球環(huán)境變得極端惡劣且得不到有效遏制,從而可能導(dǎo)致巨型季風(fēng)的形成,成為扁平礫石灰?guī)r形成的誘發(fā)因素。在外力作用下,條帶狀或薄層灰?guī)r破碎形成角礫,角礫進(jìn)而經(jīng)過磨圓形成扁平狀礫石,在此過程中,礫石除了受到動(dòng)蕩水體底部運(yùn)動(dòng)引起的機(jī)械磨圓外,更重要的是受到了化學(xué)溶蝕作用[29]。因?yàn)楸馄降[石灰?guī)r常常與薄層狀、紋層狀泥晶灰?guī)r互層,巨型季風(fēng)引起的風(fēng)暴作用是偶發(fā)事件,礫屑大多數(shù)處于相對(duì)安靜的靜水環(huán)境,機(jī)械磨蝕時(shí)間很短,而且扁平狀灰?guī)r礫屑是易溶的,因此當(dāng)水中溶解的CO2濃度達(dá)到一定的程度,灰質(zhì)礫屑邊緣就會(huì)發(fā)生一定的化學(xué)溶蝕作用。當(dāng)風(fēng)暴等作用攪動(dòng)水體時(shí),會(huì)增加水體中O2的溶解量,從而使礫石邊緣氧化成紅色或淺紫色。

2.3 蠕蟲狀灰?guī)r

蠕蟲狀灰?guī)r,因這種灰?guī)r內(nèi)含有形似蠕蟲的個(gè)體,故命名為蠕蟲狀灰?guī)r,其主要由2部分組成,即蠕體和基質(zhì)。蠕體呈深灰色,主要由為微晶方解石組成,黏土等含量極少,形態(tài)很不規(guī)則,多具有塑性變形特征,大小不一;基質(zhì)呈淺色,主要成分為微晶方解石,但黏土礦物等含量稍高些,最高可達(dá)15%左右,并含有少量的石英、長(zhǎng)石等陸源礦物[33]。宏觀上看,蠕蟲狀灰?guī)r中蠕體顏色較基質(zhì)顏色深,但是在顯微鏡下卻相反,蠕體因含黏土礦物極少而顯得透明,顏色較淺;基質(zhì)由于含稍高的黏土礦物,鏡下顏色較深[34]。

按不同的分類依據(jù),蠕蟲狀灰?guī)r有不同的分類方法。根據(jù)蠕體的產(chǎn)出形態(tài),可以把蠕蟲狀灰?guī)r分為3類[34]:①順層連續(xù)線紋狀,蠕體呈線狀平直連續(xù)產(chǎn)出,且平行于層面;②順層斷續(xù)點(diǎn)狀,蠕體孤立呈點(diǎn)狀,大致沿層面或平行層面分布,可連接成線狀;③異形雜亂狀,蠕體形態(tài)不規(guī)則,呈橢圓狀、團(tuán)塊狀、蝌蚪狀、彎曲狀等形態(tài),在基質(zhì)中雜亂分布。趙小明等[35]根據(jù)蠕體的形態(tài),將蠕蟲狀灰?guī)r分為4種類型:①層狀或似層狀蠕蟲狀灰?guī)r,蠕體平行于層面連續(xù)或斷續(xù)產(chǎn)出;②不規(guī)則粒狀蠕蟲狀灰?guī)r,蠕體排列雜亂,大小不一,呈不規(guī)則的粒狀或斑點(diǎn)狀;③變形柱狀蠕蟲狀灰?guī)r,蠕體呈短柱狀、管狀,與層面垂直或斜交;④橢球狀蠕蟲狀灰?guī)r,蠕體呈規(guī)則的球狀-橢球狀。這2種方案都是根據(jù)蠕體產(chǎn)出形態(tài)的分類,在本質(zhì)上是相同的。時(shí)志強(qiáng)等[23]按成因?qū)⑷湎x狀灰?guī)r分為2類:a型蠕蟲狀灰?guī)r(即生物成因的蠕蟲狀灰?guī)r)和b型蠕蟲狀灰?guī)r(即生物、水動(dòng)力及化學(xué)等復(fù)合成因的蠕蟲狀灰?guī)r)。黃思靜等[36]按成因?qū)⑷湎x狀灰?guī)r分為2類:①主要由物理沉積和化學(xué)凝聚作用形成的蠕粒狀泥晶灰?guī)r;②主要是由生物作用形成的生物潛穴擾動(dòng)灰?guī)r。蠕蟲狀灰?guī)r中有豐富的沉積構(gòu)造,在一定情況下它能反映當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境,如介質(zhì)動(dòng)力條件、沉積速度以及沉積物負(fù)載壓力等,對(duì)研究蠕蟲狀灰?guī)r的成因有重要意義[37]。在蠕蟲狀灰?guī)r中常見的沉積構(gòu)造有底模構(gòu)造、旋渦狀構(gòu)造、平行層理、丘狀交錯(cuò)層理,以及滑動(dòng)變形構(gòu)造、蠕蟲狀變形構(gòu)造、包卷層理、泄水構(gòu)造等同生變形構(gòu)造,其中同生變形構(gòu)造的發(fā)育,表明了蠕蟲狀灰?guī)r是快速堆積作用下形成的,并不是在低能條件下形成的灰泥石灰?guī)r[33,37]。盡管許多學(xué)者從各個(gè)方面對(duì)蠕蟲狀灰?guī)r的性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究,但是對(duì)其成因即形成機(jī)理,一直存在爭(zhēng)議,還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),目前比較流行的觀點(diǎn)有機(jī)械破碎作用、化學(xué)凝聚作用、生物擾動(dòng)作用以及復(fù)合作用成因等?？梢钥隙ǖ氖侨湎x狀灰?guī)r的成因很復(fù)雜,不同的類型有著不同的成因條件[35]。

圖1 蠕蟲狀灰?guī)r形成機(jī)理圖

圖2 蠕蟲狀灰?guī)r的類型及形成機(jī)理

錢守榮[33,37]通過對(duì)蠕蟲狀灰?guī)r沉積特征的研究,認(rèn)為蠕蟲狀灰?guī)r的形成與風(fēng)暴作用有關(guān),是風(fēng)暴濁流下快速堆積的產(chǎn)物,且主要形成于陸棚或斜坡上部地帶。在正常情況下,海底沉積以灰泥為主,當(dāng)受到早三疊世早期巨型季風(fēng)[25]的影響時(shí),可形成風(fēng)暴濁流,風(fēng)暴濁流沖蝕海底灰質(zhì)軟泥,形成蠕蟲狀灰?guī)r。由于風(fēng)暴能量、自身流態(tài)以及搬運(yùn)距離等的不同,往往會(huì)形成不同的蠕蟲狀灰?guī)r類型。在風(fēng)暴濁流能量較高的情況下,以渦流作用為主,形成異形蠕蟲狀灰?guī)r;當(dāng)風(fēng)暴濁流能量大大減弱,以牽引流作用為主時(shí),形成層狀蠕蟲狀灰?guī)r[33]。筆者認(rèn)為風(fēng)暴濁流下快速堆積形成的蠕蟲狀灰?guī)r,實(shí)際上是一種原生沉積層經(jīng)后期改造再沉積形成的灰?guī)r。姜月華等[38]認(rèn)為蠕蟲狀灰?guī)r是由多種成因復(fù)合或疊加改造形成的,沉積作用、沉積分異作用是形成蠕蟲狀灰?guī)r的重要前提,生物擾動(dòng)作用、水流作用以及壓實(shí)壓溶作用是形成各種蠕蟲狀灰?guī)r的關(guān)鍵?？梢詺w納為,先期形成的條紋狀、條帶狀灰泥灰?guī)r,被生物擾動(dòng),隨著生物擾動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng),依次形成順層連續(xù)蠕蟲狀灰?guī)r、順層斷續(xù)蠕蟲狀灰?guī)r、斑點(diǎn)或斑塊狀蠕蟲狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r;已經(jīng)形成的蠕蟲狀灰?guī)r經(jīng)受后期風(fēng)暴等作用的改造再沉積,形成蠕粒狀灰?guī)r(一種粒屑灰?guī)r),經(jīng)受壓實(shí)壓溶作用,可形成透鏡狀蠕蟲狀灰?guī)r[38](見圖1)。

朱洪發(fā)等[34]通過研究認(rèn)為,極薄層的灰質(zhì)與泥質(zhì)互層沉積在上部斜坡帶環(huán)境,因斜坡帶的重力滑動(dòng)引起不同程度的破裂、位移,部分疊加了生物擾動(dòng)作用的改造,再加上成巖壓實(shí)作用,最終導(dǎo)致了各種蠕蟲狀灰?guī)r的形成(見圖2)。

需要注意的是,蠕蟲狀灰?guī)r與瘤狀灰?guī)r有一定程度的相似性,兩者在成因、成分上均有不同。瘤狀灰?guī)r的瘤體和蠕蟲狀灰?guī)r的蠕體成分均主要為方解石,黏土物質(zhì)含量極少;蠕蟲狀灰?guī)r的基質(zhì)成分也主要為方解石,含一定量的黏土物質(zhì)和長(zhǎng)石、石英等陸源碎屑,含量可達(dá)15%左右,而瘤狀灰?guī)r的基質(zhì)中方解石含量不超過45%,其余主要為黏土礦物等[39]。根據(jù)前人的研究成果,關(guān)于蠕蟲狀灰?guī)r的形成機(jī)理,可以提出一個(gè)比較合理且有一定說服力的觀點(diǎn),即蠕蟲狀灰?guī)r是在紋層狀、條帶狀、薄層狀微晶-泥晶灰?guī)r沉積的基礎(chǔ)上,經(jīng)差異壓實(shí)、生物擾動(dòng)以及機(jī)械破碎等作用形成的。蠕蟲狀灰?guī)r形成過程中的生物作用,是低水平的生物擾動(dòng),該類作用參與形成的蠕蟲狀灰?guī)r的出現(xiàn),標(biāo)志著底層環(huán)境的改善和底棲生物群落及其活動(dòng)能力的加強(qiáng)[35]。

2.4 微生物巖

微生物巖一詞最早由Burne和Moor[40]提出,后隨著微生物巖的研究和認(rèn)識(shí)的不斷深入,將微生物巖定義為:由底棲微生物群落的生長(zhǎng)和生理活動(dòng),引起沉積質(zhì)點(diǎn)粘結(jié)和圈捕、或表面礦物沉淀、或生物礦化作用而產(chǎn)生的生物沉積巖,主要類型包括疊層石、核形石、樹枝石、凝塊石以及某些鮞粒、團(tuán)粒、球粒和泥晶[41]。但是關(guān)于微生物巖的一些類型仍存在爭(zhēng)議,吳亞生等[42]在研究二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交缺氧環(huán)境的微生物巖時(shí),就曾在文章中指出存在的爭(zhēng)議。如Kershaw等[43]在重慶附近PTB剖面發(fā)現(xiàn)一種含樹枝狀構(gòu)造的特殊沉積,對(duì)其歸入微生物巖表示懷疑,并不能確定其成因,并指出也許根本不是生物成因的。但是后來,Ezaki等[44]在該特殊沉積的樹枝體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了小球狀的微生物化石,故認(rèn)為該特殊沉積是微生物成因的。

在地質(zhì)歷史時(shí)期,每次生物大滅絕后,都出現(xiàn)微生物繁盛現(xiàn)象,微生物的繁盛與后生動(dòng)物的絕滅導(dǎo)致生存競(jìng)爭(zhēng)的減少有關(guān),而且形成的微生物巖中記錄了很多重要信息,對(duì)其研究主要是根據(jù)地層中保存下來的微生物巖和微生物有機(jī)個(gè)體,當(dāng)它們保存狀態(tài)很差時(shí),一般可以采用類脂物生物標(biāo)志化合物進(jìn)行研究分析[45]。

古-中生代之交發(fā)生了顯生宙以來最大的生物絕滅事件,大量海洋生物滅絕,海洋生態(tài)系統(tǒng)遭受重創(chuàng)[3],之后,微生物巖在全球廣泛發(fā)育,而且大部分都發(fā)育在低緯度的淺水海洋環(huán)境,向深水區(qū)很快尖滅[46]。微生物巖在早三疊世再現(xiàn)于正常淺海地層中,并一直延續(xù)到早三疊世末,這正是對(duì)始于二疊紀(jì)末惡劣環(huán)境狀況和后生動(dòng)物稀少的生態(tài)系面貌的自然響應(yīng)[20,47]。吳亞生等[42]研究發(fā)現(xiàn),早三疊世的微生物巖與通常意義的生物礁在形成機(jī)制和環(huán)境意義上有本質(zhì)的區(qū)別,因而不能看成是生物礁巖,在微生物巖中常發(fā)現(xiàn)有細(xì)小草莓狀黃鐵礦,說明形成于缺氧環(huán)境中,并且形成于不適宜大多數(shù)生物生存的環(huán)境,由微生物機(jī)會(huì)主義繁盛形成;而生物礁一般形成于適宜生物生存的溫暖、富氧環(huán)境。

微生物巖的發(fā)育與火山活動(dòng)的強(qiáng)度有關(guān),在華南地區(qū),PTB火山活動(dòng)最強(qiáng),那里的微生物巖最發(fā)育,且普遍含Eu異常[7]。華南地區(qū)的微生物巖主要分布在礁頂或淺水碳酸鹽巖臺(tái)地上,向周圍深水區(qū)則很快尖滅,微生物巖的出現(xiàn)往往代表一種特殊的生態(tài)環(huán)境,對(duì)這套微生物巖的研究有助于揭示二疊紀(jì)末-早三疊世全球事件在礁相或淺水碳酸鹽巖臺(tái)地上的具體反映[48]。

劉建波等[49]研究發(fā)現(xiàn),微生物巖形成于早三疊世最早期,相當(dāng)于Hindeodus parvus帶,在二疊紀(jì)末華南地區(qū)海平面下降,造成某些地區(qū)二疊紀(jì)地層與早三疊世微生物巖之間存在沉積間斷或剝蝕,并可使三疊紀(jì)牙形石混入二疊紀(jì)末期的沉積地層中,因此在研究微生物巖沉積地層時(shí)要尤其注意。在早三疊世地層中發(fā)育的微生物巖在分布上具有全球普遍性,在產(chǎn)出時(shí)間上具有全球等時(shí)性,對(duì)其研究能為認(rèn)識(shí)二疊紀(jì)末-早三疊世全球海洋環(huán)境的演化提供了重要信息[50]。

2.5 潮下皺紋構(gòu)造和海底碳酸鹽膠結(jié)巖扇

潮下皺紋構(gòu)造一般發(fā)育于陸架背景下具沙紋層理的碎屑巖層面,形態(tài)類似于干涉波痕,波峰呈扁平狀或尖棱狀,且常伴有小型水平遺跡[20]。Hagadorn等[51]認(rèn)為潮下皺紋構(gòu)造是以微生物席為媒介形成的,在奧陶紀(jì)之后的地層中很少出現(xiàn),當(dāng)其再現(xiàn)于早三疊世地層中時(shí),被認(rèn)為是錯(cuò)時(shí)相沉積[21]。已在早三疊世地層中發(fā)現(xiàn)的潮下皺紋構(gòu)造均分布在大洋邊緣,野外露頭主要產(chǎn)于碳酸鹽巖和陸源碎屑巖互層中,主要形成于低能、開闊的海陸過渡相環(huán)境,一般常在正常浪基面和風(fēng)暴浪基面之間的潮下帶環(huán)境中沉積[52]。海底碳酸鹽膠結(jié)巖扇是由放射狀晶體形成的半球狀集合體,排列方式雜亂[20],鏡下鑒定表明其為同沉積海底膠結(jié)文石扇,后被方解石交代[53-54]。Woods等[55]認(rèn)為,海底碳酸鹽膠結(jié)巖扇形成于缺氧環(huán)境,有機(jī)質(zhì)的硫酸鹽還原作用導(dǎo)致深水域的增加,同時(shí)伴隨著CO2濃度和堿性的增加。海底碳酸鹽膠結(jié)巖扇被認(rèn)為局限于元古代,其再現(xiàn)于早三疊世地層中,表明當(dāng)時(shí)的海洋環(huán)境處于缺氧、高堿度、CaCO3過飽和的極端環(huán)境,與元古代的環(huán)境相類似[20]。目前為止,在整個(gè)華南地區(qū)早三疊世地層中尚未發(fā)現(xiàn)有海底碳酸鹽膠結(jié)巖扇以及潮下皺紋構(gòu)造沉積,關(guān)于其成因機(jī)制和沉積環(huán)境還有待于進(jìn)一步的研究和探討[26]。

3 討論

1)根據(jù)早三疊世地層中廣泛發(fā)育的大量錯(cuò)時(shí)相沉積[20]以及Gaia理論[32],可以推斷在古-中生代之交生物集群滅絕,生物對(duì)全球系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用大大減弱,全球古環(huán)境與古氣候變得極端惡劣。錯(cuò)時(shí)相是一種典型的特殊海洋環(huán)境的標(biāo)志,緊接著PTB滅絕后廣泛出現(xiàn)的微生物巖正是該種特殊環(huán)境開始的標(biāo)志,也是大滅絕后后生動(dòng)物在生態(tài)系統(tǒng)中的主導(dǎo)地位被剝奪的標(biāo)志[56]。趙小明等[35]通過對(duì)華南地區(qū)早三疊世錯(cuò)時(shí)相沉積的研究認(rèn)為,PTB生物大滅絕后,錯(cuò)時(shí)相沉積大量發(fā)育,并隨著海洋系統(tǒng)的重建而退出了正常淺海環(huán)境,該耦合關(guān)系正是沉積體系和生態(tài)系對(duì)古-中生代地質(zhì)突變以及其導(dǎo)致的異常環(huán)境的自然響應(yīng)。

2)錯(cuò)時(shí)相沉積在早三疊世地層中的廣泛發(fā)育,表明當(dāng)時(shí)的大洋環(huán)境處于一種異常狀態(tài),這種環(huán)境狀態(tài)是造成三疊紀(jì)初生物遲緩復(fù)蘇的重要原因,早三疊世的海洋環(huán)境也曾發(fā)生過多次強(qiáng)烈波動(dòng),波動(dòng)的原因可能是異常環(huán)境的周期性介入以及生態(tài)系統(tǒng)重建過程中生物與環(huán)境之間的相互制約關(guān)系[56]。在P-T界限附近,C同位素表現(xiàn)為強(qiáng)烈負(fù)偏現(xiàn)象[12],這可能與火山活動(dòng)、缺氧環(huán)境以及海底CH4水合物的釋放等有關(guān)[26]。

3)扁平狀礫石灰?guī)r、紋層狀和薄層狀灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r、微生物巖、蠕蟲狀灰?guī)r、潮下皺紋構(gòu)造以及海底碳酸鹽膠結(jié)巖扇等錯(cuò)時(shí)相的廣泛發(fā)育,不僅與后生動(dòng)物的減少和垂向擾動(dòng)的降低有關(guān),而且同沉積海底膠結(jié)作用也是其形成的關(guān)鍵因素[35],快速的同沉積海底膠結(jié)作用使早期形成的沉積物在遭受破壞、擾動(dòng)之前就已基本固結(jié)成巖,當(dāng)遭受風(fēng)暴等作用破碎時(shí),以致于形成較大的碎塊而不是更細(xì)的灰泥等物質(zhì),這是形成扁平狀礫石灰?guī)r的前提。趙小明等[35]認(rèn)為廣泛的海底膠結(jié)作用,可能源于當(dāng)時(shí)海洋翻轉(zhuǎn)造成的大洋深部碳酸鹽過飽和的貧氧海水上翻,以及海水堿度的升高,大大促進(jìn)了同沉積海底膠結(jié)作用的發(fā)生。P-T事件后,早三疊世時(shí)期,海洋環(huán)境處于大幅度的動(dòng)蕩環(huán)境,這與當(dāng)時(shí)全球CO2增加導(dǎo)致的全球變暖、海水溫度升高以及當(dāng)時(shí)盛行的巨型季風(fēng)誘發(fā)的強(qiáng)烈風(fēng)暴作用有關(guān)[57]。早三疊世生態(tài)系以分異度極低的廣適性分子和機(jī)會(huì)主義分子為主,化石保存單調(diào)且稀少,這就使得錯(cuò)時(shí)相沉積及其相關(guān)構(gòu)造成為研究生物滅絕與復(fù)蘇的全新視角[20]。此外,早三疊世時(shí)期極端惡劣的環(huán)境頻繁波動(dòng),導(dǎo)致生物復(fù)蘇遲緩,隨著生物的逐漸復(fù)蘇和環(huán)境的逐漸改善,錯(cuò)時(shí)相沉積也漸漸消失了,因此錯(cuò)時(shí)相的消失可作為生態(tài)環(huán)境得到明顯改善和生物復(fù)蘇期結(jié)束的標(biāo)志[35]。此外,一些研究表明新元古代-寒武紀(jì)和P-T時(shí)期的地質(zhì)和生物演化歷史具有一定的相似性,許多發(fā)生在新元古代-寒武紀(jì)之交的重大地質(zhì)事件在P-T之交重復(fù)發(fā)生,只是具體型式、幅度和過程有明顯的差別[2],這一發(fā)現(xiàn)為認(rèn)識(shí)地質(zhì)歷史時(shí)期全球發(fā)生的重大地質(zhì)事件提供了新的思考以及研究思路。

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[編輯]辛長(zhǎng)靜

TE121.34

A

1673-1409(2014)26-0024-07

2013-11-24

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB808901)。

何冰輝(1989-),男,碩士生,現(xiàn)主要從事含油氣盆地沉積學(xué)方面的研究工作。