趙坤 滿玲 賀然 李松倬 祝圣賢 郎咸國

關(guān)鍵詞 燈影組；白云巖；海洋缺氧；稀土元素；四川盆地

0 引言

埃迪卡拉紀（635～541 Ma）是宜居地球演化中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折期，全球生物、大氣和海洋等圈層均發(fā)生了顯著改變。雪球地球結(jié)束后，多細胞藻類、大型帶刺疑源類以及可能的動物胚胎迅速繁盛和出現(xiàn)[1]。在華南地區(qū)，以藍田生物群、甕安生物群、廟河生物群、石板灘生物群和高家山生物群為代表的埃迪卡拉生物群的相繼出現(xiàn)[2?7]，表明埃迪卡拉紀的生物圈開始由簡單向復雜，由低等到高等，由單細胞向多細胞發(fā)生逐步轉(zhuǎn)變。與此同時，埃迪卡拉紀大氣圈組分也發(fā)生了變化，大氣氧氣含量迅速升高，以真核生物為主導的初級生產(chǎn)者開始取代原核為主的初級生產(chǎn)者，導致有機碳具有了更高的埋藏效率，全球碳循環(huán)發(fā)生明顯的波動，出現(xiàn)了地質(zhì)歷史時期最大的碳同位素負偏事件[8]。

埃迪卡拉紀，大氣氧氣含量的迅速升高，誘發(fā)深部海洋發(fā)生間歇性氧化。根據(jù)估計，埃迪卡拉紀時期的大氣氧含量由10%逐步升高接近現(xiàn)代大氣氧水平[9?10]，部分地球化學證據(jù)揭示在551 Ma后大洋完全氧化[10?12]。然而，區(qū)域性的缺氧仍是埃迪卡拉紀的主要特點，特別是在深水盆地區(qū)域，存在以缺氧富鐵為主導，夾間歇性的硫化環(huán)境[13?16]。全球海洋結(jié)構(gòu)呈顯著的化學分層，以“三明治”模型為特征的硫化楔是埃迪卡拉紀海洋化學結(jié)構(gòu)的最主要特點。除此之外，埃迪卡拉紀晚期還發(fā)生了生物礦化現(xiàn)象，被認為是海洋化學與生命演化緊密耦合相關(guān)的結(jié)果。因此認識該時期的海洋環(huán)境變化，對于理解E-C轉(zhuǎn)折期的地球系統(tǒng)和早期生命演化具有重要意義。

四川盆地燈影組地層發(fā)育巨厚的碳酸鹽巖，是研究埃迪卡拉紀晚期海洋環(huán)境的重要素材。該套地層以微生物白云巖為主，且是四川盆地重要的油氣儲層之一。來自燈影組碳酸鹽巖組分的Fe元素含量研究認為，藻紋層發(fā)育的碳酸鹽巖具有較低的Fe含量，反映的是水體富氧環(huán)境，海底大量微生物藻席的發(fā)育，大大降低了孔隙水Fe擴散對碳酸鹽巖沉積的影響，進而為后生動物的出現(xiàn)提供了很好的富氧條件[17]。然而，燈影組碳酸鹽巖的U同位素證據(jù)顯示，在埃迪卡拉紀晚期，全球海洋缺氧面積發(fā)生顯著擴張，并且提出缺氧可能是導致埃迪卡拉型生物發(fā)生滅絕最主要的控制因素[18]。由此可見，燈影組古海洋環(huán)境的研究仍然存在爭議?；诖?，在前人對燈影組巖相古地理研究充分的條件下[19?22]，本文選取燈影組發(fā)育完整的四川盆地東北部地區(qū)的鹿池剖面，結(jié)合沉積學和稀土元素地球化學對該時期碳酸鹽巖沉積和古海洋環(huán)境進行系統(tǒng)研究。

1 地質(zhì)背景

華南板塊包括揚子地塊和華夏地塊，始于～820 Ma新元古代羅迪尼亞超大陸的裂解與聚合[23]，經(jīng)歷多期次的陸內(nèi)裂解與凹陷。華南埃迪卡拉系地層在整個揚子地塊均有沉積，在早埃迪卡拉紀沉積陡山沱組地層，臺地相沉積厚度為40～180 m，而盆地相沉積厚度通常小于100 m[24]。陡山沱組地層以湖北峽東地區(qū)最為典型，自下而上可以劃分為四段[25?30]。第一段普遍沉積蓋帽碳酸鹽巖（3～5 m），具板狀裂縫、帳篷構(gòu)造和重晶石；第二段為黑色富有機質(zhì)頁巖（～80 m），夾薄層含燧石結(jié)核白云巖；第三段由塊狀、薄層含燧石的白云巖與含灰質(zhì)/白云質(zhì)泥巖組成（～60 m）；第四段為黑色富有機質(zhì)頁巖、泥巖（～10 m）。埃迪卡拉紀晚期，在揚子東南緣的深水地區(qū)（斜坡、盆地）沉積一套以硅質(zhì)巖為主的地層[31?32]，被稱為留茶坡組或老堡組，其厚度可超過100 m[13]。在淺水地區(qū)，即揚子臺地，廣泛沉積以碳酸鹽巖為主的燈影組地層，碳酸鹽巖從幾十米到幾百米不等[27，33?34]，發(fā)育疊層石、鮞粒白云巖，以及葡萄花邊狀的藻白云巖[35?36]。目前在國內(nèi)普遍將四川盆地及周緣的燈影組碳酸鹽巖地層進行四段劃分[37?39]：燈一段為貧藻的泥微晶白云巖；燈二段為富藻白云巖，葡萄狀花邊發(fā)育；燈三段以碎屑巖為主，貧藻；燈四段為含硅質(zhì)條帶的泥微晶白云巖，偶見藻紋層發(fā)育。且普遍認為以藍細菌為主導的微生物的發(fā)育是富藻白云巖形成的重要因素[40?42]。

鹿池剖面位于四川盆地東北緣（圖1），地處陜西鎮(zhèn)巴縣、陜西紫陽縣和四川萬源市三地交界的地方，GPS坐標為32°17′11″ N，108°9′60″ E。該地區(qū)埃迪卡拉紀地層發(fā)育齊全，自下而上依次出露陡山沱組（～37 m）、燈影組地層（～330 m）。其中，燈影組與陡山沱組地層為整合接觸，與上覆寒武系石牌組地層平行不整合接觸。鹿池剖面陡山沱組表現(xiàn)為碳酸鹽巖—碎屑巖混積體系，以粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥— 粉晶白云巖為主。燈影組地層（～180 m）以白云巖為主，偶見溶蝕角礫白云巖（圖2a），微生物白云巖發(fā)育（圖2b）。在燈影組中部可見似葡萄狀花邊的藻白云巖（圖2c），以及紋層狀白云巖（圖2d）。

2 分析方法

所有的碳酸鹽巖樣品做薄片和激光厚片處理，薄片與激光厚片一一對應(yīng)，使用微區(qū)激光剝蝕系統(tǒng)（LA-ICP-MS）在激光厚片上進行測試分析。碳酸鹽的原位微量元素測試分析在西安礦譜地質(zhì)勘查技術(shù)有限公司完成，所用儀器為Agilent 7500 ICP-MS及與之配套的GeolasPro 193 nm 準分子激光剝蝕系統(tǒng)。激光剝蝕所用斑束直徑為120 μm，頻率為5 Hz，以高純度氦氣為載氣。測試前先用NIST 610進行調(diào)試儀器，使之達到最優(yōu)狀態(tài)。LA-ICP-MS激光剝蝕采樣采用單點剝蝕的方式，測試過程中首先進行空白背景采集20 s，然后進行樣品連續(xù)剝蝕采集45 s，停止剝蝕后繼續(xù)吹掃20 s清洗進樣系統(tǒng)，單點測試分析時間為85 s。每隔10 個剝蝕點插入一組NIST 610、NIST 612、MACS-3，以對元素含量進行定量計算。對分析數(shù)據(jù)的離線處理（包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量計算）采用軟件ICPMSDataCal完成，常量元素的測試精度優(yōu)于1%，微量元素的測試精度優(yōu)于0.1%。

3 結(jié)果

碳酸鹽巖的微區(qū)激光剝蝕測試分析結(jié)果表明（見附表1），碳酸鹽巖的稀土總量很低，24個樣品的ΣREE值介于0.3～2.5 μg/g（平均值為0.9 μg/g，n=24），ΣREE+Y值介于0.4～3.3 μg/g（平均值為1.2 μg/g，n=24）。其中輕稀土含量（LREE）介于0.3～2.3 μg/g（平均值為0.8 μg/g，n=24），重稀土含量（HREE）介于0～0.3 μg/g（平均值為0.1 μg/g，n=24），輕重稀土比值LREE/HREE 為4.9～14.1（平均值為7.9，n=24），指示相對重稀土，輕稀土富集。常量元素中，碳酸鹽巖樣品的CaO、MgO含量較高，分別為17.9%～42.1%（平均值為28.7%，n=24）、6.2%～25.0%（平均值為17.0%，n=24）；Al2O3含量極低，平均值不到0.1%（為0.02%，n=24）。除此之外，一些微量元素，如Mn、Sr含量比較低，分別為5.9～94.5 μg/g（平均值為37.4 μg/g，n=24）、22.1～71.7 μg/g（平均值為41.7 μg/g，n=24），而Fe 含量較高，為55.9～1 772.6 μg/g（平均值為350.9 μg/g，n=24）。Ce和Eu的異常值計算方法分別是Ce/Ce*=CeN/（Pr2N/NdN），Eu/Eu*=EuN/[（Sm2N × TbN ）13][43]。

4 巖石學特征

針對揚子西北緣的巖相古地理分析指出，研究區(qū)的燈影組地層在埃迪卡拉紀晚期整體處于開闊碳酸鹽臺地相[19]。沉積巖石學分析表明，鹿池剖面發(fā)育的碳酸鹽巖類型多樣，包括泥微晶白云巖、黏連云巖（圖2b），以及疊層/層紋云巖（圖2c，d），局部發(fā)育溶蝕角礫白云巖（圖2a）。在部分泥微晶白云巖中，可見大量的自型晶黃鐵礦（圖3a）。整個剖面白云巖化程度較高，重結(jié)晶作用明顯，顯微結(jié)構(gòu)豐富。

4.1 泥微晶白云巖

泥微晶白云巖在鹿池剖面燈影組中普遍發(fā)育，在剖面的中下部和上部均有分布，總體以上部分布較多，即燈影組后期。顯微鏡下白云石分布均一，泥—微晶結(jié)構(gòu)，且燈影組下部的樣品白云石粒徑相對較大（圖3a～c），燈影組上部白云石粒徑較?。▓D3d）。此外，在燈影組下部的泥微晶白云巖中，可見較多的自型晶黃鐵礦呈分散狀隨機分布（圖3a），個別的黃鐵礦晶粒可達100 μm。

4.2 黏連云巖

四川盆地燈影組中普遍發(fā)育黏連組構(gòu)，與埃迪卡拉紀晚期四川盆地獨特的古地理和水體沉積環(huán)境相關(guān)。黏連云巖的普遍發(fā)育是鹿池剖面燈影組的特點。形態(tài)特征有團塊狀（圖4a，b）、絮狀和不規(guī)則條帶狀（圖4c，d）等，甚至部分樣品有殘余凝塊結(jié)構(gòu)。膠結(jié)物主要為亮晶白云石，晶粒較小。凝塊的形成與藍細菌等菌落生長作用有一定聯(lián)系[44]，且不同的水體環(huán)境會造成凝塊形態(tài)的差異，可以在一定程度上反映不同的水體環(huán)境[19]：分散狀的凝塊往往指示水動力條件較弱，順層狀的反映中等的水動力條件；而以團塊、斑狀鏈接呈格架的表明較強的水動力條件。在鹿池剖面中，大多數(shù)的黏連云巖在顯微鏡下多為絮狀或不規(guī)則條帶狀（圖4c，d），且殘余凝塊結(jié)構(gòu)較發(fā)育，表明該地區(qū)燈影組沉積期水動力條件中等。

4.3 疊層/層紋云巖

鹿池剖面燈影組疊層/層紋結(jié)構(gòu)明顯，明暗相間，紋層形態(tài)多樣，有不規(guī)則波狀（圖5a）、近平行狀（圖5b）、緩坡狀（圖5c）、水平狀（圖5d），橫向上連續(xù)展布，且單層厚度在50～500 μm之間，反映不同的微生物藻絲體對藻紋層的貢獻。紋層狀白云巖中的亮層主要為白云石，以他形—半自形為主（圖5a，c），白云石的纖維柱狀結(jié)構(gòu)特征不明顯，亮層的白云石晶粒最大可以達到400 μm（圖5c），以粉—細晶白云石為主（圖5a，c）。部分疊層/層紋白云巖的亮層，以微晶白云石為主（圖5b，d）。鹿池剖面的疊層/層紋白云巖紋層結(jié)構(gòu)特征表明主要發(fā)育在靜水的沉積環(huán)境，其成因可能與微生物席的黏結(jié)增長和誘導礦化作用密切相關(guān)[44?45]。

在鹿池剖面的燈影組白云巖中可見藻紋層（圖6a），以及在泥晶白云巖中有殘余的藻絲體（圖6b）。從顯微鏡下看，殘余藻絲體特征明顯，有三種不同形態(tài)的藻絲體特征可以清晰的辨識，也可能是同一類藻絲體的不同聚集體形式。第一種是藻紋層平行狀分布在白云巖中，藻紋層之間充填他形—半自形的白云石，且白云石有一定程度的泥晶化（圖6a），此外藻紋層也受重結(jié)晶作用改造，僅僅有外觀形態(tài)保存下來；第二種是似水滴狀的殘余藻絲體碎片（圖6b，黃線區(qū)域），藻絲體互相交錯、環(huán)繞，局部可見殘余藻絲體的管狀橫切面（圖6b，黃色箭頭所指），藻絲體受白云巖化程度影響，僅保留藻絲體的形態(tài)學特征；第三種是片狀的殘余藻絲體結(jié)構(gòu)，藻體上可見長條管狀的藻絲體平行排列（圖6b，紅色箭頭指示區(qū)域），殘余藻絲體碎片可能是原地堆積，也可能是近源搬運過來沉積的，能夠代表該地區(qū)燈影組沉積時期的藻類活動。此外，片狀藻絲體的泥晶化程度較高，且殘余藻絲體碎片之間充填亮晶白云石，白云石以微晶為主。不同的殘余藻絲體結(jié)構(gòu)的存在表明燈影組在該時期以高能的水體環(huán)境為主，部分殘余藻絲體碎片雜亂分選（圖6b），同時也反映藻白云巖的形成是藻微生物共同作用的結(jié)果[46?47]。

5 燈影期古海洋環(huán)境重建

5.1 成巖作用的判別

元古代在全球不同地區(qū)的臺地相發(fā)育巨厚的碳酸鹽巖沉積[48?49]，是探索早期古海洋環(huán)境變化、生物地球化學循環(huán)的重要素材[50?52]。目前針對古代或者現(xiàn)代的碳酸鹽巖的沉積環(huán)境，稀土元素中的Ce/Ce*異常分析在其中扮演越來越重要的角色[53?55]，然而，碳酸鹽巖在沉積過程中或沉積之后不可避免地受到成巖作用的影響，導致碳酸鹽巖的微量元素和稀土地球化學意義失效。因此，需要篩選出沒有受到明顯的成巖作用或較小的成巖作用影響的微量元素和稀土元素數(shù)據(jù)，才能真實地反映碳酸鹽巖沉積期的海水地球化學信號。通常，在碳酸鹽巖的成巖作用過程中，元素表現(xiàn)為Sr、Na、Mg的丟失和Zn、Fe、Mn的獲取[56]。因此，Mn/Sr值被廣泛用來判定碳酸鹽巖所經(jīng)歷的成巖作用強度，未受成巖作用影響的Mn/Sr值為小于2[57?58]。

在鹿池剖面，所有地球化學分析數(shù)據(jù)均是在白云石礦物上采用激光原位剝蝕，相較于全巖測試已盡可能地規(guī)避陸源碎屑和樣品處理過程中可能的污染。所有的碳酸鹽巖樣品具有較低的Mn（平均值為37.4 μg/g）和Mn/Sr值（平均值為1.0），相對較高的Fe含量（平均值為350.9 μg/g），指示較弱的成巖作用影響[59]。稀土中的輕稀土含量（LREE）和稀土總量（ΣREE）與陸源相關(guān)的元素Al顯示較弱的線性關(guān)系（圖7a），表明碳酸鹽巖的稀土主要來源于海水，而非陸源。同時，Ce/Ce*異常作為碳酸鹽巖評估古海洋環(huán)境的重要參數(shù)[43，55，60?61]，其與LREE和ΣREE也沒有明顯的線性關(guān)系（圖7b）。除此之外，碳酸鹽巖的Y/Ho值、Mn的氧化物等也會影響Ce/Ce*異常[54]，造成Ce/Ce*異常信號的變化，不能準確反映海水特征。而鹿池剖面碳酸鹽巖中Ce/Ce*與Mn、Y/Ho，甚至是Fe，均沒有相關(guān)性（圖7c，d），反映Ce/Ce*的信號沒有遭受后期成巖作用影響。在巖石學鏡下觀察，白云石多為早期白云巖化作用結(jié)果，并未有明顯的后期成巖流體活動跡象（圖3～6），同時稀土元素地球化學數(shù)據(jù)也采用激光原位剝蝕，已最大程度地規(guī)避成巖作用的影響，樣品的數(shù)據(jù)可靠，能夠用于沉積環(huán)境的分析。

5.2 燈影期古海洋環(huán)境變化

應(yīng)用稀土元素中的Ce在示蹤碳酸鹽巖沉積環(huán)境的時候，主要通過判斷Ce的異常情況來推測沉積水體的環(huán)境[43]。本文采用Tostevin et al.[62]的標準來識別鹿池剖面燈影組碳酸鹽巖的Ce異常，即Ce/Ce*值小于0.9，代表負異常；Ce/Ce*值為0.9～1.3，代表無明顯異常；Ce/Ce*值大于1.3，代表正異常?；谶@個判別方法，燈影組下部大部分的樣品是無明顯異常或弱的Ce/Ce*負異常（圖8），而燈影組上部樣品為顯著的Ce正異常（圖8）。特別的，由于文石或者方解石的早期白云巖化作用并不會改變海水的Ce異常信號，且在對鹿池剖面燈影組碳酸鹽巖的巖石學薄片鏡下觀察中，也并未有明顯的后期成巖作用（圖3～6）。此外，海水的REE信號不易受成巖作用的影響，特別是對于古代海相非骨骼碳酸鹽巖更是如此[55]。

與Ce異常的兩種情況不同，該剖面的燈影組樣品中，經(jīng)PAAS（Post-Archean Average Shale）標準化后的REE+Y顯示出四種不同的配分模式（圖9）。在Ⅰ階段，REE+Y 配分模式表現(xiàn)為典型的MREE 富集、LREE虧損，異常不明顯或Ce正異常，Y正異常和Eu正異常（圖9a）。顯著的MREE富集特征同樣也在高家山剖面燈影組下部的高家山段被觀察到[63]，兩者不同的是，高家山剖面中配分模式具有明顯的Ce負異常特征，而鹿池剖面燈影組Ⅰ階段為異常不明顯或Ce正異常（圖9a）。通常，碳酸鹽巖中具有較高的ΣREE含量和MREE特征是因為磷酸鹽礦物的風化和鐵氧化物的還原[64?65]，且在高家山剖面的高家山段碳酸鹽巖中，F(xiàn)e的含量占比較高，因此高家山段碳酸鹽巖中的MREE富集特征被認為是鐵氧化物的還原造成的[63]。而在鹿池剖面燈影組Ⅰ階段，碳酸鹽巖具有極低的ΣREE含量（0.4～2.5 μg/g，平均值為1.0 μg/g）和較低的Mn/Sr 值（0.7～2.1，平均值為1.2），較高的Y/Ho 值（36～46，平均值為39）和Fe 含量（200.1～1 284.4 μg/g，平均值為534 μg/g），造成其MREE富集特征的因素可能是有河流的淡水輸入，引起孔隙水中的鐵氧化物相對升高。

在Ⅱ階段，REE+Y配分模式表現(xiàn)為LREE虧損，HREE富集，Y正異常，及Ce負異常和La正異常（圖9b），與現(xiàn)代氧化大洋的REE+Y配分模式類似[62，66]，而在Ⅱ階段的碳酸鹽巖具有較低的Mn/Sr值（0.8～2.4，平均值為1.6）、較高的Y/Ho值（38～42，平均值為40），沒有受到明顯的成巖作用（圖7），Ce負異常指示Ⅱ階段碳酸鹽巖為弱氧化的沉積環(huán)境。在Ⅲ階段，REE+Y配分模式表現(xiàn)為整體相對平坦，異常不明顯或Ce正異常，較弱的Y正異常（圖9c），結(jié)合其巖石學特征主要為黏連白云巖（圖4a）和層紋白云巖（圖5d），認為該時期沉積環(huán)境主要為含氧量較低的弱還原環(huán)境。而Ⅳ階段，REE+Y 配分模式表現(xiàn)為LREE 虧損，HREE輕度富集，具有明顯的La負異常，以及較弱的Y正異常（圖9d），顯著的Ce正異常指示其沉積環(huán)境以缺氧為主。同時，碳酸鹽巖中紋層發(fā)育（圖5d、圖6a），也表明該時期處于相對靜水的沉積環(huán)境?？傮w來看，鹿池剖面燈影組早期以弱氧化環(huán)境為主，晚期隨著水體逐漸加深，沉積環(huán)境以缺氧還原為主。

對四川盆地及周緣的埃迪卡拉紀晚期地層（如燈影組、老堡組、留茶坡組）氧化還原研究指出，淺水地區(qū)偏氧化[60]，深水地區(qū)以缺氧富鐵為主[13，16，67]的分層氧化還原環(huán)境是這一時期主要的特征。且在鹿池剖面，從Ⅰ階段到Ⅳ階段，燈影組沉積水體環(huán)境從弱氧化到弱還原再到缺氧（圖8，9），反映伴隨著埃迪卡拉紀晚期—早寒武世海平面的脈動式變化[68]，燈影期的沉積環(huán)境也由弱氧化向缺氧轉(zhuǎn)變。并且已有證據(jù)表明埃迪卡拉紀晚期海水是一種低氧特征[61]，淺水地區(qū)并未充分氧化，與U同位素（238U）結(jié)果揭示的埃迪卡拉紀晚期深水地區(qū)表現(xiàn)為缺氧環(huán)境是一致的[14，18]。而海水的加深勢必會引起深部缺氧水體的擴張，可能也是早寒武世在不同地區(qū)廣泛發(fā)育黑色頁巖的一個重要原因[69?72]。

6 結(jié)論

（1） 川東北鹿池剖面燈影組沉積了巨厚的碳酸鹽巖地層，沉積巖石學分析表明碳酸鹽巖主要為黏連白云巖、疊層/層紋白云巖和泥微晶白云巖，偶見溶蝕白云巖。縱向上的沉積學特征表明燈影組經(jīng)歷了早期淺水高能向晚期深水低能環(huán)境的轉(zhuǎn)變。

（2） 經(jīng)成巖作用判別，鹿池剖面燈影組碳酸鹽巖受成巖作用影響較小，碳酸鹽巖普遍具有較低的Mn/Sr值。經(jīng)PAAS標準化后的REE+Y配分模式呈現(xiàn)四個典型特征：Ⅰ階段表現(xiàn)為典型的MREE 富集，LREE虧損，具有正的Y異常和Eu異常，較弱的Ce異常；Ⅱ階段表現(xiàn)為典型的現(xiàn)代海水稀土特征，LREE虧損，Ce負異常和正的Y異常；Ⅲ階段表現(xiàn)為平坦的配分模式，較弱的偏正的Ce異常和Y異常；Ⅳ階段表現(xiàn)為典型的LREE虧損，且Ce顯著負異常。REE+Y配分模式縱向上的變化表明鹿池剖面燈影組沉積環(huán)境經(jīng)歷了弱氧化到弱還原再到缺氧還原，揭示揚子臺地埃迪卡拉紀晚期海水環(huán)境以缺氧為主。