王 松，徐錦龍，劉道彬，汪雅菲，吳雪峰，石永紅

(1. 安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001；2. 合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009)

二疊紀—三疊紀之交的生物大絕滅事件，造成了地球上超過90%的海洋生物物種、70%的陸生脊椎動物屬和大多數(shù)的陸生植物絕跡，是顯生宙以來生物界經(jīng)歷的最嚴重的一次劫難事件。對其原因爭議頗為激烈，主要集中在全球性海水缺氧、快速海侵、大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)或地外撞擊等假說，需要通過多學科研究進行驗證。

全球海相PTB附近普遍發(fā)育與火山事件相關(guān)聯(lián)的粘土巖，一般成層薄，厚度較均一，與上、下巖層接觸面平整的特點。近30年，很多學者對我國華南淺海相(浙江長興)、湖北黃石、重慶中梁山、四川上寺、濱海相(貴州郎岱)、深水相(貴州斷杉、廣西柳橋)、海陸交互相(云南宣威)和陸相[1](貴州威寧)P/T界線附近粘土巖進行了較為詳細的的研究。PTB附近粘土巖層是二疊系—三疊系界面對比的良好事件標志層，其等時意義可能超過單純生物地層的對比，可以作為區(qū)域乃至全球事件地層對比的輔助性標志面。

最近，在安徽涇縣昌橋地區(qū)P/T界線附近發(fā)現(xiàn)多套粘土巖，對此剖面中的粘土巖的研究為查清這些粘土巖的基本特征及其與火山事件是否有關(guān)，探索PTB地質(zhì)轉(zhuǎn)折期生物大絕滅的事件性質(zhì)提供論據(jù)。

1 地質(zhì)背景

下?lián)P子地區(qū)晚二疊世—早三疊世地層發(fā)育齊全，分布廣泛，露頭連續(xù)，研究程度較高。研究區(qū)P/T界線所涉及的層位主要為大隆組和殷坑組(圖1)，代表了長興階與殷坑階界線，兩者呈整合接觸關(guān)系。

大隆組：灰黑色、黑色含錳質(zhì)硅質(zhì)巖、硅質(zhì)巖夾硅質(zhì)頁巖，見水平層理，產(chǎn)腕足類、腹足類、珊瑚等化石。

殷坑組：底部為2層灰黃色、黃褐色薄層粘土巖，向上為青灰色、黃綠色薄層—中厚層鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r，產(chǎn)菊石化石。

粘土巖主要分布于大隆組和殷坑組界線附近，呈現(xiàn)2個薄層的粘土巖，成層性較好，粘土巖呈片狀，細膩光滑，表面光澤，有滑感，遇水后粘性增強，脫水后易碎，內(nèi)部見較多的自形黃鐵礦顆粒。

圖1 研究區(qū)剖面圖及粘土巖特征

2 粘土巖全巖成分分析

古、中生代之交廣泛發(fā)育強烈的火山活動，大體可分為兩種：在西伯利亞和南非見有大規(guī)模的陸內(nèi)玄武巖活動[2]；全球海相PTB普遍發(fā)育于火山事件有關(guān)的界線粘土巖，分布穩(wěn)定，是華南海、陸相P/T事件地層界線對比的良好標志層。

筆者對研究區(qū)涇縣昌橋的粘土巖進行了主量元素分析，收集了安徽宣城、湖北興山和黔西威寧的部分數(shù)據(jù)(表1)。

表1 研究區(qū)及相關(guān)地區(qū)PTB附近粘土巖中主量元素含量

注：Ash-1引自安徽宣城牛山剖面大隆組粘土巖；Ash-7引自宣城牛山的殷坑組粘土巖；H10、H23引自湖北省興山縣大峽口剖面P/T界線粘土巖；GWC-68a、GWC-68c引自黔西威寧岔河剖面P/T界線粘土巖。

由表可知：燒失量含量偏高，可能與原巖已蝕變?yōu)檎惩翈r，部分礦物成分和含量的丟失有關(guān)；Al2O3和K2O含量較高，研究區(qū)為27.5%和6.56%；Na2O、MnO、TiO2含量偏低，分別為0.1%、0.01%和0.52%；SiO2含量較為穩(wěn)定，在46%～55%附近，研究區(qū)為53.2%；CaO含量在0.34%～2.75%，含量不一，但均存在一定含量的鈣質(zhì)膠結(jié)物。同時，粘土巖中挑選處具有震蕩環(huán)帶的鋯石顆粒，為典型的巖漿成因；大量自形黃鐵礦可能與火山作用噴發(fā)的含硫化物火山巖有關(guān)；鏡下似石英、XRD的伊利石和蒙脫石也可說明與中酸性火山作用有關(guān)。

3 鋯石U-Pb年代學

PTB附近有火山成因的界線粘土層，其中大量的鋯石為同位素測年工作提供了有利的保證，目前國外PTB已獲得高精度的同位素年齡值。Retallack等在澳大利亞和新西蘭陸相早三疊世地層火山巖夾層的Ar-Ar年齡分別為237±0.4 Ma和242.8±0.6 Ma[3]。目前，對于火山作用形成的海相粘土巖的年齡數(shù)據(jù)較少，特別在華南地區(qū)有火山巖粘土巖報道，但未見同位素年齡。

3.1 分析方法

鋯石顆粒定年方法為激光剝蝕等離子體質(zhì)譜法(LA- ICP-MS)。鋯石的挑選是在廊坊峰澤源巖礦檢測技術(shù)有限公司完成。制靶工作在合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院LA-ICP-MS 實驗室完成，陰極發(fā)光照相在中國科技大學完成。

鋯石的U-Pb 年代學測試在中國科技大學LA-ICP-MS實驗室完成。本次分析激光器工作頻率為6 Hz，剝蝕物質(zhì)載氣為高純度He氣，流量為0.6 L/min；測試點束斑直為32 μm；鋯石U/Pb比值及年齡校準每測定5個樣品選用標準鋯石91500進行兩次測定；每測10個樣品點測一次NIST610和年齡監(jiān)控樣Mud Tank。年齡值低于1 000 Ma選用206Pb/238U年齡，年齡值高于1 000 Ma選用207Pb/206Pb年齡。單個數(shù)據(jù)點誤差均為1σ，加權(quán)平均值誤差為2σ。

3.2 分析結(jié)果

對涇縣昌橋剖面PTB粘土巖巖石樣品進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學測試，共測試了32個點，選取其中可信度大于90%的16個有效測試點(圖2，表2)。

樣品中鋯石在透射光下主要呈淺黃色、無色透明狀，鋯石顆粒晶形變化較大，大多數(shù)為長柱狀，鋯石的晶形呈半自形—它形。完整顆粒的長軸60～200 μm，短軸在60～100 μm，長寬比值介于1∶1～31∶1。鋯石陰極發(fā)光圖像顯示(圖2)，鋯石內(nèi)部特征為分帶、震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)、核邊結(jié)構(gòu)。

圖2 PTB粘土巖鋯石CL圖及分析點位

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

圖3 樣品PM025-TW14的年齡分布圖和鋯石諧和圖

樣品共測試分析了鋯石31顆，數(shù)據(jù)點32個：包括16個諧和年齡數(shù)據(jù)(表2)，16個不諧和年齡數(shù)據(jù)(未列出)。鋯石諧和圖和年齡直方圖(圖3)顯示，諧和年齡數(shù)據(jù)可分為1組(表2)，特征如下。

鋯石Th元素含量為109×10-6～325×10-6，U元素含量181×10-6～371×10-6，Th/U比值為0.57～0.88。鋯石顆粒多呈半自形—它形，CL圖像顯示鋯石發(fā)育分帶結(jié)構(gòu)、震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)。16個諧和年齡數(shù)據(jù)范圍為264～246 Ma。其中二疊紀瓜德魯普世卡匹敦期鋯石年齡1個(6%)，二疊紀樂平世吳家坪期鋯石年齡2個(13%)，二疊紀樂平世長興期鋯石年齡7個(43%)，早三疊世印度期鋯石年齡3個(19%)，奧倫尼克期鋯石年齡2個(13%)，中三疊世安尼期鋯石年齡1個(6%)。

該樣品鋯石定年數(shù)據(jù)結(jié)果主要分布在二疊紀與三疊紀，分布均勻，其中有半數(shù)分布于二疊紀10個(62.5%)，年齡范圍為264～252 Ma，獲得的最年輕年齡為246±6 Ma，對其年齡進行加權(quán)平均，年齡為252.3±3.2 Ma。

根據(jù)最新的的地質(zhì)年代表，P/T界線的年齡為252.17±0.06 Ma，研究區(qū)的主體同位素年齡主要集中于251～253 Ma，這與P/T界線基本一致，與全球火山事件相吻合，該年齡252.3±3.2Ma可作為二疊—三疊系界線附近火山噴發(fā)事件的年齡。

3.3 討論

粘土巖可能是地質(zhì)歷史時期火山噴發(fā)產(chǎn)生的中酸性火山物質(zhì)在海相環(huán)境中沉積成巖和蝕變作用形成的，在華南地區(qū)分布廣泛，可作為的等時性標志層，對研究區(qū)域上該時期火山活動時限規(guī)律和PTB生物大絕滅有重要意義。

3.3.1 粘土巖的成因及構(gòu)造背景

根據(jù)巖石礦物學觀察發(fā)現(xiàn)，存在斑晶礦物，證明其不同于正常沉積物，可能為火山成因，具體證據(jù)如下：粘土巖中見具有震蕩環(huán)帶的鋯石顆粒，多為半自形—自形，鏡下呈棱角狀，顯示其未經(jīng)長距離搬運，邊緣見港灣狀及溶蝕孔，以上特征均表明其為典型的巖漿鋯石成因；黃鐵礦的大量出現(xiàn)可能與火山作用噴發(fā)粗大量的含硫化合物有關(guān)，為黃鐵礦的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[4]；粘土巖中斜長石殘骸、伊利石、蒙脫石可能也與中酸性火山噴發(fā)有關(guān)；地球化學元素組成也顯示出與斑脫巖比較類似。

據(jù)殷鴻福等統(tǒng)計，華南地區(qū)有超過50多個PTB剖面中，發(fā)現(xiàn)過本次研究的火山成因粘土巖，覆蓋面積超過100萬km2。楊遵義等發(fā)現(xiàn)PTB附近粘土巖在華南西南地區(qū)云南、貴州和廣西表現(xiàn)為火山巖和凝灰?guī)r，而在華南東部多呈現(xiàn)為蝕變火山灰，其分布特征說明華南的西南地區(qū)或附近可能是火山噴發(fā)的主要地區(qū)。

廣西來賓—合山地區(qū)PTB粘土巖的鋯石SHRIMP U-Pb測年年齡為251.0±0.3 Ma；四川廣元上寺和浙江煤山剖面PTB火山灰層的鋯石SHRIMP U-Pb 測年為252. 6±0.2 Ma；貴州威寧二疊系—三疊系界線剖面發(fā)現(xiàn)2層粘土巖，其鋯石同位素年齡分別為247.5±2.8 Ma和252.6±2.8 Ma。浙江煤山剖面粘土巖(25、26層)中鋯石單晶體的絕對年齡值為251.2±0.4 Ma(SHRIMP)和251.4±0.3 Ma(U/Pb)[5]。本次研究所獲得的LA-ICP-MS鋯石年齡為252.3±3.2 Ma與前人所獲得的年齡基本一致。

目前，峨眉山地幔大火成巖省的火山主要噴發(fā)期在～260 Ma，但火山噴發(fā)結(jié)束時間還存在著爭議。范蔚茗等和Lo等通過40Ar/39Ar同位素測年，認為峨眉山大火成巖省的結(jié)束時間約在～253 Ma和～251 Ma。朱江等在貴州盤縣峨眉山玄武巖系剖面中發(fā)現(xiàn)頂部發(fā)育厚度達近百米的凝灰?guī)r層，其LA-ICPMS U-Pb 法測年結(jié)果為251.0±1.0 Ma，代表了峨眉山大火成巖省火山噴發(fā)結(jié)束的時間，與P/T界線年齡(252.16±0.06 Ma)基本一致[6]。

總之，根據(jù)研究區(qū)樣品的巖石礦物學觀察并結(jié)合前人的大量同位素年齡測定結(jié)果，推測研究區(qū)PTB界線附近的粘土巖為火山成因；與峨眉山玄武巖頂部凝灰?guī)r層發(fā)生時間相一致，與P/T界線年齡相一致；結(jié)合粘土巖的發(fā)育特點，可能指示了該期火山活動受峨眉山玄武巖影響。

3.3.2 粘土巖與華南地區(qū)PTB生物大滅絕的關(guān)系

目前對華南地區(qū)二疊—三疊系界線(PTB) 生物大規(guī)模滅絕的機制主要有，火山學說、地外碰撞學說、缺氧學說、以及海洋酸化學說等。但以上模式某些逐漸被否定和質(zhì)疑，而火山作用導致PTB生物大滅絕似乎越來越得到認同，并將火山活動觸發(fā)的釋放過量的CO2和火山灰導致全球缺氧與海洋酸化相關(guān)聯(lián)，越來越得到認可。

本研究粘土巖之上生物門類、種屬、數(shù)量等突然減少，這一獨特的現(xiàn)象暗示PTB時期的海洋生物突然滅絕事件可能與火山活動存在因果關(guān)系。華南地區(qū)普遍發(fā)育數(shù)層的火山灰層，在PTB附近發(fā)生大尺度乃至全球性的火山活動，導致大范圍的火山灰沉積，并伴隨著產(chǎn)生大量酸性的、有毒的氣體(CO2、CH4、H2S、SO2等)，CO2含量升高，形成溫室效應，促進底層海洋缺氧，進一步加速陸地生態(tài)系統(tǒng)的崩潰和海洋生態(tài)系統(tǒng)的惡化，使陸地和海洋生物大量死亡。與此同時，火山活動導致煙塵，阻礙了陸地和淺海植物的光合作用，降低全球氣溫，加劇酸性氣體的產(chǎn)生，導致全球性酸雨，這些火山活動導致的環(huán)境惡化過程與生物的滅絕基本一致。

總之，研究區(qū)作為華南的一部分，存在著火山活動，界線附件的粘土巖為研究二疊—三疊系全球生物大絕滅事件提供了火山事件的可靠依據(jù)，可能預示了該期火山活動對當時的陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)惡化產(chǎn)生了極大的影響，加劇了生物絕滅事件。

4 結(jié) 論

1)安徽涇縣地區(qū)PTB附近發(fā)育2套粘土巖，巖石地球化學顯示燒失量含量偏高、 Al2O3和K2O含量較高、 Na2O、MnO、TiO2含量偏低、SiO2含量較為穩(wěn)定、存在一定含量的鈣質(zhì)膠結(jié)物。同時，見典型的巖漿成因鋯石和自形黃鐵礦，是具有較為特征的火山作用的產(chǎn)物。

2)安徽涇縣地區(qū)發(fā)育的粘土巖中鋯石同位素年齡主要集中于251～253 Ma，加權(quán)平均年齡為252.3±3.2 Ma，這與最新的的地質(zhì)年代表，P/T界線的年齡為252.17±0.06 Ma基本一致，與全球火山事件相吻合。

3)安徽涇縣地區(qū)作為華南的一部分，PTB附近存在著火山活動，具有大尺度乃至全球性，其與峨眉山玄武巖頂部凝灰?guī)r層發(fā)生時間相一致，結(jié)合粘土巖的發(fā)育特點，可能指示了該期火山活動受峨眉山玄武巖影響?；鹕交顒优cPTB生物大滅絕相一致，可能預示了該期火山活動對當時的陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)惡化產(chǎn)生了極大的影響，加劇了生物絕滅事件。