鄭偉 許欣 齊永安 邢智峰 劉云龍 李婉穎 吳盼盼 張湘赟

摘 要 二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交，海洋和陸地均經(jīng)歷了地球歷史上最嚴(yán)重的生物危機(jī)，大滅絕事件前后沉積環(huán)境的恢復(fù)及古氣候的重建是生物大滅絕事件研究的基礎(chǔ)。濟(jì)源盆地位于華北板塊南緣，二疊紀(jì)—三疊紀(jì)陸相地層發(fā)育完整且接觸清晰，是研究華北板塊二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交古氣候和沉積環(huán)境演化的良好區(qū)域。以豫西濟(jì)源大峪鎮(zhèn)剖面孫家溝組為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用巖石學(xué)、沉積學(xué)、古生物學(xué)和地球化學(xué)方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：濟(jì)源孫家溝組從下部曲流河環(huán)境逐漸過(guò)渡為濱湖環(huán)境。孫家溝組下、中段地化數(shù)據(jù)表明當(dāng)時(shí)的年降水量較低，古溫度與化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度較高，反映了干旱—半干旱為主的氣候特征，可能為全球性巨型季風(fēng)影響的結(jié)果，并由此導(dǎo)致了“濟(jì)源動(dòng)物群”的消失和微生物成因沉積構(gòu)造（MISS）的發(fā)育。中段沉積期末期氣候向濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變，到上段頂部干旱氣候再次占據(jù)主導(dǎo)地位并持續(xù)至早三疊世。整體上，孫家溝組沉積期呈濕潤(rùn)—干旱—半濕潤(rùn)—干旱的氣候變化，干旱炎熱的氣候可能是研究區(qū)陸地生態(tài)環(huán)境遭到破壞的重要原因，環(huán)境的退化加劇了陸相生物滅絕；根據(jù)巖性特征、古氣候、古環(huán)境、MISS等，綜合推測(cè)P-T之交滅絕事件發(fā)生在孫家溝組沉積期早期。

關(guān)鍵詞 濟(jì)源盆地；孫家溝組；沉積環(huán)境；古氣候；二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交滅絕事件

第一作者簡(jiǎn)介 鄭偉，男，1979年出生，副教授，遺跡學(xué)、沉積學(xué)、地球生物學(xué)，E-mail： zhengw99@hpu.edu.cn

通信作者 邢智峰，女，副教授，地層學(xué)和地球生物學(xué)，E-mail： xingzhifeng925@126.com

中圖分類(lèi)號(hào) P532 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交發(fā)生了顯生宙最大的生物大滅絕事件，全球約90%的海洋生物和70%的陸地脊椎生物遭到滅絕[1-3]，該事件后生物復(fù)蘇進(jìn)程與機(jī)制研究仍是當(dāng)前地學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。前人經(jīng)過(guò)大量研究認(rèn)為二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的生物大滅絕事件與一系列地質(zhì)事件有關(guān)，主要有隕石撞擊、西伯利亞火成巖省、森林野火、巨型季風(fēng)、全球性氣候變化、海洋缺氧、海退等[4-6]。碳同位素研究表明二疊紀(jì)末火山事件使大量溫室氣體排出，由此導(dǎo)致的溫室效應(yīng)產(chǎn)生了巨大影響[6]，而磷灰石氧同位素、鍶同位素等研究表明二疊紀(jì)末期發(fā)生的一次升溫事件對(duì)該次生物滅絕也有較大影響[3，7]，Chen et al.[8]指出在這次升溫事件中還存在一次降溫事件，這次升溫事件并不是造成這次生物大滅絕事件的主要原因，只是對(duì)早三疊世生物復(fù)蘇起到較大的延遲作用[8]。諸多海相古氣候變化的研究取得了較多的成果。

以上成果多基于海相地層取得，對(duì)這一時(shí)期陸相環(huán)境和氣候變化的相關(guān)研究涉及不多。目前對(duì)二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交陸相古氣候的研究主要是利用植物氣孔指數(shù)、古土壤中的成壤碳酸鹽以及古脊椎動(dòng)物的碳同位素等重建大氣中CO2濃度，間接地還原二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的陸相氣候條件變化[9-10]，這三種方法恢復(fù)的二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的CO2濃度均處于較高水平，表明該時(shí)期氣候較為溫暖，這次高溫事件是可能導(dǎo)致陸地生物滅絕的主要原因[10]。但是化石保存的不完備性和陸相地層時(shí)代的不確定性限制了二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交陸相氣候和環(huán)境變化的研究。孫家溝組保存的華北板塊二疊紀(jì)—三疊紀(jì)轉(zhuǎn)折時(shí)期的陸相沉積記錄與下伏晚古生代以海相或三角洲相為主的地層有較大差異[11-14]。因此，該時(shí)期陸相地層和古氣候的基礎(chǔ)資料還需要進(jìn)一步完善。

濟(jì)源大峪鎮(zhèn)孫家溝組剖面位于濟(jì)源盆地，盆地內(nèi)二疊紀(jì)—三疊紀(jì)陸相沉積發(fā)育齊全，地層接觸清晰[15]。通過(guò)巖性特征和生物特征的分析，結(jié)合地球化學(xué)手段，恢復(fù)和重建研究區(qū)孫家溝組沉積環(huán)境和古氣候，探究孫家溝組沉積期古氣候、沉積環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)之間的耦合變化關(guān)系，補(bǔ)充二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交陸相古氣候變化的基礎(chǔ)資料，為二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交濟(jì)源盆地甚至華北板塊南緣古氣候演化提供理論支持。

1 地質(zhì)背景

晚古生代，華北板塊南部沉積盆地是在其南側(cè)秦嶺造山帶的強(qiáng)烈擠壓作用下，由陸表海逐漸演化形成的陸源近海湖泊盆地；到晚二疊世晚期，北秦嶺—北淮陽(yáng)構(gòu)造帶隆升速度較快，北淮陽(yáng)帶全面隆起，華北板塊整體抬升，海水逐漸退去，北淮陽(yáng)與北秦嶺一起形成相對(duì)穩(wěn)定的華北板塊南緣的物源區(qū)，為近海湖盆提供陸源碎屑物質(zhì)[16-17]。至此華北板塊內(nèi)盆地進(jìn)入陸相發(fā)展階段，發(fā)育了炎熱干旱氣候條件下的孫家溝組河流—湖泊相沉積[18]。

濟(jì)源盆地位于秦嶺造山帶和山西隆起交匯處，屬于開(kāi)封拗陷最西部的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。盆地四周均以斷裂為界，北以太行山南斷裂為界，東北以武陟斷裂為界，并與太行山南斷裂相接，南以邙山北斷裂為界，西以西虢斷裂為界[19]。古生代—中生代早期，濟(jì)源盆地屬華北板塊的一部分，為克拉通盆地[20]。濟(jì)源盆地基底為太古代—早元古代的結(jié)晶巖系和中上元古代和古生代沉積巖，蓋層主要在三疊紀(jì)、早中侏羅世、晚侏羅—早白堊世構(gòu)造改造后的盆地和古近紀(jì)—新近紀(jì)的張性斷陷盆地中形成。盆地經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、喜山運(yùn)動(dòng)的改造[21]。濟(jì)源大峪鎮(zhèn)剖面位于濟(jì)源盆地內(nèi)（圖1）[22]，二疊紀(jì)—三疊紀(jì)陸相地層發(fā)育齊全，界線(xiàn)清晰，沉積連續(xù)，孫家溝組與下伏上石盒子組平頂山砂巖段、上覆劉家溝組之間均呈整合接觸關(guān)系（圖1c），剖面實(shí)測(cè)厚度約為75 m，古土壤廣泛發(fā)育。孫家溝組具有明顯的穿時(shí)性，其時(shí)代歸屬至今仍有爭(zhēng)議，部分學(xué)者認(rèn)為華北板塊孫家溝組歸屬晚二疊世晚期[11，23-24]，也有學(xué)者指出孫家溝組上段應(yīng)歸屬早三疊世[25-26]。孫家溝組作為華北板塊二疊紀(jì)和三疊紀(jì)轉(zhuǎn)折時(shí)期的重要沉積記錄，是研究該時(shí)期沉積環(huán)境和古氣候演變的重要材料[26-27]。

2 露頭特征描述

大峪鎮(zhèn)孫家溝組剖面，位于河南省濟(jì)源市小浪底水庫(kù)北側(cè)，實(shí)測(cè)地層厚度約75 m，按照巖性及沉積特征將其分為三段，即孫家溝組下段（1～7 層）、孫家溝組中段（8～10 層）和孫家溝組上段（11～17層）（圖2）。

具體來(lái)看，濟(jì)源孫家溝組第1～4層以紫紅色、暗灰色泥巖與鈣質(zhì)結(jié)核層互層為特征（圖3a，b），泥巖中發(fā)育水平層理（圖4a，b）。第5層發(fā)育一砂巖透鏡體（圖3c），呈淡紫色，最大厚度約2.6 m，向兩側(cè)變薄尖滅，發(fā)育平行層理（圖4c，d）。第6～7層以紫紅色、灰綠色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，夾多層厚0.1～0.2 m的鈣質(zhì)細(xì)砂巖，發(fā)育水平層理、平行層理和波狀交錯(cuò)層理（圖4e）。第8～9層以紫紅色、灰綠色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，夾一層厚約0.7 m的鈣質(zhì)砂巖和數(shù)層約0.1 m厚的鈣質(zhì)結(jié)核層（圖3d），此外還發(fā)育大量MISS，以微生物席生長(zhǎng)構(gòu)造和微生物席破壞構(gòu)造為主，該種生物成因構(gòu)造廣泛分布于前寒武紀(jì)中—新元古界，MISS在P-T界線(xiàn)附近的發(fā)育，可能反映了一種典型的陸相災(zāi)后生態(tài)系統(tǒng)[15]。第10層底部為一層厚約0.1 m的灰綠色礫巖層，礫石粒徑為0.5～2 cm，個(gè)別可達(dá)4 cm（圖3e），向上為一層厚約2 m的灰綠色粉砂巖，發(fā)育平行層理。第11～14層以灰綠色、土褐色粉砂巖、細(xì)砂巖為主，未見(jiàn)明顯層理。第15層為厚約0.6 m的砂巖，發(fā)育平行層理。第16～17層以褐色粉砂巖、細(xì)砂巖為主（圖3f），夾一層厚約0.7 m的礫巖，下部發(fā)育平行層理，向上變?yōu)樾罱诲e(cuò)層理（圖4f），17層頂部發(fā)育紫紅色細(xì)砂巖，與上覆劉家溝組整合接觸。

濟(jì)源地區(qū)孫家溝組砂巖鏡下照片見(jiàn)圖5。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，樣品中主要成分為石英，此外還有少量長(zhǎng)石、碳酸鹽巖礦物和黏土礦物。部分石英顆粒具有次生加大現(xiàn)象（圖5c），石英顆粒被較為完整的自形晶面包裹。碳酸鹽礦物結(jié)晶程度不一，主要以膠結(jié)物的形式存在。

3 古土壤與成壤鈣質(zhì)結(jié)核特征

古土壤記錄了其形成時(shí)期的母質(zhì)、氣候、生物群落、地形和時(shí)間等信息，是被廣泛用作古氣候重建、古景觀恢復(fù)和沉積環(huán)境及其控制因素探究的良好材料[28-29]，其中含有成壤性碳酸鹽的鈣質(zhì)古土壤是利用最廣泛的土壤類(lèi)型之一[29-30]。濟(jì)源盆地晚二疊世孫家溝組中、下段發(fā)育較多的鈣質(zhì)古土壤層，含豐富的鈣質(zhì)結(jié)核（圖6），其形成與氣候密切相關(guān)[28]。

濟(jì)源孫家溝組剖面中古土壤具有以下特點(diǎn)：泥巖一般為紫紅色、深灰色、灰綠色和灰紫色。部分層位的泥巖鈣質(zhì)含量較高，滴稀鹽酸劇烈冒泡。成壤鈣質(zhì)結(jié)核主要呈厚層狀、薄層狀和姜狀（呈不規(guī)則團(tuán)塊狀）等3種形態(tài)。1）姜狀（圖6a，b）：大小不一（幾毫米至幾厘米不等），形態(tài)各異，鑲嵌在深灰色泥巖內(nèi)部，可能為強(qiáng)季節(jié)性氣候的產(chǎn)物。2）厚層狀（圖6c，f）：厚度大于1 cm，呈塊狀連結(jié)成層的整體形態(tài)，上下界面分明，在地下水補(bǔ)充較充足的低洼地帶易于形成。3）薄層狀（圖6d，e）：厚度小于1 cm，鈣質(zhì)大致平行于層面方向，多見(jiàn)于不成熟的古土壤層，短期的蒸發(fā)作用易形成此類(lèi)鈣質(zhì)結(jié)核。

剖面中，姜狀鈣質(zhì)結(jié)核出現(xiàn)在孫家溝組底部，與之同層位的地化數(shù)據(jù)也反映氣候由濕潤(rùn)向干旱轉(zhuǎn)變。一般認(rèn)為古氣候是波動(dòng)變化的，干旱是相對(duì)的，而紅層沉積恰恰是干旱氣候的反映[29]。深灰色姜狀鈣質(zhì)結(jié)核層及其上部的以紫紅色為主的地層與下伏黃綠色平頂山砂巖截然不同。濟(jì)源平頂山砂巖段為湖灘相沉積[15]，在濟(jì)源孫家溝組沉積環(huán)境由湖灘相過(guò)渡為河流相時(shí)，氣候由濕潤(rùn)向干旱轉(zhuǎn)變。代表強(qiáng)季節(jié)性氣候條件的姜狀鈣質(zhì)結(jié)核大量出現(xiàn)在孫家溝組底部，地化數(shù)據(jù)大幅偏移和氣候的快速干旱，表明該時(shí)期可能是通過(guò)強(qiáng)季節(jié)性變換來(lái)完成氣候轉(zhuǎn)換的。厚層狀鈣質(zhì)結(jié)核主要出現(xiàn)在孫家溝組下段之上的大部分紅層，灰綠色地層開(kāi)始出現(xiàn)并與紅層互層后，厚層狀鈣質(zhì)結(jié)核逐漸減少，薄層狀鈣質(zhì)結(jié)核大量發(fā)育，指示干旱氣候有所減弱。

一般認(rèn)為干旱—半干旱的氣候條件下古土壤中的碳酸鈣最易發(fā)生富集，而淀積層的深度（D，cm）主要由區(qū)域年降水量決定[31]。兩種年降水量計(jì)算公式[31-32]如下：

P = 137.24 + 6.45D - 0.0132 （R2 = 0.52，S.E = ±147 mm） （ 1）

P = 68.5 + 12.06D - 0.069D2 （R2 = 0.73，S.E = ±89 mm） （ 2）

式中：P 為年均降水量（mm），D 為野外測(cè)得的淀積層深度（cm）；綜合運(yùn)用上述方法計(jì)算年降水量，結(jié)果如表1所示。濟(jì)源孫家溝組中、下段沉積期年降水量在130.32～533.97 mm 之間，平均值為332.15 mm，該年降水量指示干旱—半干旱的氣候，在第8層沉積時(shí)期年降水量有所增加，氣候整體向濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變。

4 地球化學(xué)特征

本次在濟(jì)源大峪剖面開(kāi)展了詳細(xì)的實(shí)測(cè)工作，自上而下共采集了109塊新鮮巖石樣品（其中有10塊平行樣），包括砂巖、泥巖以及鈣質(zhì)結(jié)核等，這些樣品主要集中于平頂山砂巖到孫家溝組上部之間的地層序列。室內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行了碳氧同位素以及主量、微量元素地球化學(xué)等測(cè)試分析。由于研究區(qū)孫家溝組上段以砂巖為主，因此分別選取了孫家溝組中、下段較具代表性的34件樣品和33件樣品進(jìn)行碳氧同位素和主量、微量元素地球化學(xué)測(cè)試。其中，主量、微量元素測(cè)試工作由廣州澳實(shí)礦物實(shí)驗(yàn)室完成（表2，3），碳氧同位素測(cè)試分析在自然資源部第三海洋研究所測(cè)試中心進(jìn)行。

主量、微量元素含量及比值可以作為評(píng)價(jià)化學(xué)風(fēng)化程度的重要指標(biāo)[29]。測(cè)試結(jié)果（圖7）表明，孫家溝組下段Cs、Hf、Rb、V多種元素含量都呈較大幅度的震蕩，除V元素外，整體具有降低趨勢(shì)。至孫家溝組中段除有一層出現(xiàn)偏移（可能為樣品誤差）外，四種元素含量都相對(duì)穩(wěn)定。Ca、Mg、Mn、Sr元素在孫家溝組下段也呈現(xiàn)相對(duì)劇烈的震蕩，中段以后元素含量基本不變。Mg/Ca比值介于0～1.0，孫家溝組下段比值極低，至孫家溝組中段該比值有所升高。孫家溝組下段CaO/（Al2O3+MgO）比值波動(dòng)頻繁，具有降低趨勢(shì)，至第7層開(kāi)始穩(wěn)定升高，至孫家溝組中段該比值恢復(fù)到初始水平。測(cè)試的33個(gè)樣品中，其中5個(gè)樣品Mn/Sr值大于10，其余樣品介于2.19～9.49，平均為4.62，遠(yuǎn)小于10，表明原巖多未經(jīng)強(qiáng)烈蝕變，測(cè)試數(shù)據(jù)能有效反映研究區(qū)氣候變化。

化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）最初用于定量反映物源區(qū)原巖化學(xué)風(fēng)化程度，后來(lái)也被用于定量反映多個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期的古氣候變化[33]。為了避免后期成巖作用過(guò)程中的K的沉積再循環(huán)造成的K富集，在CIA方程式的基礎(chǔ)上除去了計(jì)算公式中的K即為CIW[34]。CIA、CIW值越高，反映物源區(qū)風(fēng)化程度越強(qiáng)，古氣候越趨向于溫暖、潮濕[35]。濟(jì)源地區(qū)孫家溝組CIA、CIW及碳同位素變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8，CIA 比值介于72.29～81.94，平均為76.39；CIW的變化范圍為84.43～96.35，平均為92.81。按CIA和CIW可將孫家溝組中下段分為兩個(gè)階段，且變化幅度較大。第一階段（第1～7層）兩值起初變化平緩，反映較低的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度、干旱—半干旱的古氣候，后曲線(xiàn)呈震蕩化，指示風(fēng)化程度忽高忽低，半干旱—半濕潤(rùn)氣候交替變化的特點(diǎn)；第二階段（第8～10層）基于上一階段的高值開(kāi)始平緩地降低，但降幅很小，反映風(fēng)化加劇，氣候向穩(wěn)定的濕潤(rùn)—半濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變。濟(jì)源大峪剖面孫家溝組中、下段沉積期碳同位素均為負(fù)值，其中δ13C 值介于-8.1～-1.2，下段存在一次較為明顯的碳同位素負(fù)異常，δ13C負(fù)偏移由3.8‰降低至8.1‰，幅度達(dá)4.3‰，隨后保持相對(duì)穩(wěn)定（圖8）。

5 沉積環(huán)境和古氣候演化

5.1 沉積環(huán)境分析

根據(jù)巖性與沉積特征，識(shí)別出曲流河相和濱淺湖相，進(jìn)一步可分為河漫亞相、堤岸亞相和濱湖亞相（圖2）。

（1）河漫亞相

在孫家溝組的下段和中段均有發(fā)育，巖性主要為泥巖夾鈣質(zhì)結(jié)核層或鈣質(zhì)泥巖，鈣質(zhì)結(jié)核層一般不超過(guò)0.3 m，最厚可達(dá)0.6 m。鈣質(zhì)泥巖和鈣質(zhì)結(jié)核層在風(fēng)化剖面中較為突出，層理難識(shí)別，僅在鈣質(zhì)泥巖中出現(xiàn)水平層理。孫家溝組下段河漫亞相主要發(fā)育暗灰色和紫紅色泥巖，顏色較深但呈由深到淺的變化規(guī)律。孫家溝組中段該沉積亞相主要發(fā)育泥巖夾粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖，泥巖大多為紫紅色，粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和鈣質(zhì)結(jié)核多為灰綠色，孫家溝組中段較下段沉積物色淺。孫家溝組中、下段發(fā)育泥巖夾鈣質(zhì)結(jié)核或鈣質(zhì)泥巖，可識(shí)別為鈣質(zhì)古土壤，反映極弱的水動(dòng)力條件和水位較淺，間歇性暴露的沉積環(huán)境。

（2）堤岸亞相

主要表現(xiàn)為紫紅色細(xì)砂巖和泥巖的互層，砂巖層總體較薄。研究區(qū)孫家溝組中、下段均識(shí)別出堤岸沉積亞相，該沉積亞相的出現(xiàn)均以一層灰綠色砂巖的出現(xiàn)為標(biāo)志。孫家溝組下段該沉積亞相為泥巖與鈣質(zhì)細(xì)砂巖互層，泥巖較厚，其底部的泥巖中發(fā)育灰紫色的砂巖透鏡體，透鏡體左右延伸約2.6 m，下部出現(xiàn)波狀層理，向上變?yōu)槠叫袑永?。孫家溝組中段該沉積亞相中砂巖厚度有所增加，且灰綠色細(xì)砂巖和粉砂巖也有發(fā)育。孫家溝組中、下段砂巖鈣質(zhì)含量較高，且發(fā)育鈣質(zhì)結(jié)核層，反映間歇性出露水面。

（3）濱湖亞相

濱湖地帶的沉積環(huán)境較為復(fù)雜，沉積物的類(lèi)型豐富多樣。當(dāng)湖岸較陡或水動(dòng)力較強(qiáng)時(shí)，可有高能的粗粒礫巖沉積；當(dāng)湖濱地勢(shì)平緩，水動(dòng)力條件較弱時(shí)，也可有低能的黏土沉積。剖面上段呈褐色，主要為中砂巖、細(xì)砂巖，反映陸源碎屑供應(yīng)充分。粉砂巖和礫巖也有發(fā)育，礫巖呈透鏡狀，礫石呈疊瓦狀排列，發(fā)育平行層理和楔狀交錯(cuò)層理，指示較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境。

根據(jù)巖性和沉積特征對(duì)濟(jì)源孫家溝組沉積環(huán)境進(jìn)行識(shí)別，其中、下段具有典型的“二元結(jié)構(gòu)”，且頂層沉積與底層沉積厚度較為相近，推測(cè)為曲流河沉積，主要由“河漫亞相+堤岸亞相”兩個(gè)旋回組成。MISS以及大量的鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)砂巖和鈣質(zhì)結(jié)核的出現(xiàn)，說(shuō)明水位呈周期性波動(dòng)，沉積物表面間歇性暴露水面，推測(cè)為洪水期河流水位上漲，細(xì)砂、粉砂等碎屑物溢出河道，沿兩岸堆積，形成堤岸沉積。而洪水泛濫時(shí)，水流在天然堤溢出，流速降低，細(xì)粒沉積物逐漸沉積，形成河漫沉積。后因水進(jìn)，河流相逐漸過(guò)渡為濱淺湖相，開(kāi)始接受湖岸附近的粗粒沉積物，水動(dòng)力條件較為復(fù)雜，對(duì)沉積物改造較為明顯。整體上中砂巖和細(xì)砂巖占大部分，底部和頂部出現(xiàn)的礫巖、砂礫巖指示水動(dòng)力較強(qiáng)，泥巖、粉砂巖則指示水動(dòng)力較弱。孫家溝組上段濱湖相巖石粒徑呈現(xiàn)由粗到細(xì)再到粗的整體趨勢(shì)，反映水動(dòng)力條件呈強(qiáng)—弱—強(qiáng)的變化。推測(cè)整體為因水進(jìn)導(dǎo)致的由曲流河相演化為濱湖相的退積層序。

5.2 古氣候演化

研究表明，紅色沉積反映以干旱為主的古氣候特征[28]。鈣質(zhì)結(jié)核在古土壤中比較常見(jiàn)，標(biāo)志著季節(jié)性降水[29]。孫家溝組的下段和中段大套紅色沉積之間大量鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)砂巖和鈣質(zhì)結(jié)核的出現(xiàn)，表明沉積期氣候比較干旱，水位的周期性波動(dòng)、沉積物表面間歇性暴露水面反映降水具有明顯的季節(jié)性特征。

在第5層砂巖中下部出現(xiàn)波狀交錯(cuò)層理而上部變?yōu)槠叫袑永硪材芊从乘w的變化。孫家溝組下段以泥巖最為發(fā)育，且泥巖多為紫紅色或土紅色，到中段時(shí)發(fā)育的細(xì)砂巖和粉砂巖層中較多層位呈灰綠色，且在第8層細(xì)砂巖、粉砂巖中有較多MISS發(fā)育。孫家溝組下段和中段分別發(fā)育9層和6層鈣質(zhì)結(jié)核層并與泥巖層呈現(xiàn)較好的韻律性，可以反映沉積環(huán)境和氣候出現(xiàn)周期性變化。孫家溝組上段礫巖的發(fā)育反映出較強(qiáng)的水動(dòng)力條件，與中、下段相比，孫家溝組上段以褐色砂巖為主，鈣質(zhì)結(jié)核層不再發(fā)育，直至孫家溝組上段頂部紅層沉積才再次出現(xiàn)并一直延續(xù)至整個(gè)下三疊統(tǒng)，表明孫家溝組沉積期晚期從較為濕潤(rùn)的氣候向干旱氣候的轉(zhuǎn)變，干旱氣候持續(xù)至早三疊世[36]。

Cs、Hf、Rb、V等元素含量變化說(shuō)明晚二疊世孫家溝組沉積期早期氣候由上石盒子組溫暖濕潤(rùn)的氣候開(kāi)始快速轉(zhuǎn)變成極度干旱的氣候，隨后干旱程度有所緩解，到孫家溝組沉積期中期變?yōu)榘敫珊禋夂?，之后氣候向相?duì)潮濕轉(zhuǎn)變，干旱程度進(jìn)一步降低，孫家溝組中段末期已轉(zhuǎn)變?yōu)榘霛駶?rùn)氣候。濟(jì)源孫家溝組中、下段Mg/Ca和CaO/（Al2O3+MgO）整體反映出濕—干—濕的變化趨勢(shì)，與孫家溝組中、下段巖性及沉積構(gòu)造反映氣候變化一致。

綜上，濟(jì)源孫家溝組下段沉積期氣候突然由濕潤(rùn)轉(zhuǎn)為干旱，隨后緩慢地向濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變，至孫家溝組沉積期中期末干旱程度已較大程度緩解，孫家溝組中、下段沉積期整體呈現(xiàn)以干熱為特征的氣候條件下發(fā)育的曲流河沉積。孫家溝組上段沉積期完成了半濕潤(rùn)氣候向干旱氣候的轉(zhuǎn)變。整體來(lái)看，孫家溝組沉積期呈現(xiàn)出濕潤(rùn)—干旱—半濕潤(rùn)—干旱的氣候變化。

6 討論

豫西濟(jì)源孫家溝組各種古環(huán)境、古氣候、古生物識(shí)別標(biāo)志之間具有較為復(fù)雜的協(xié)同響應(yīng)關(guān)系，模式見(jiàn)圖9。孫家溝組下部鋸齒龍類(lèi)化石的集群埋藏[37]表明P-T之交滅絕事件可能發(fā)生于孫家溝組沉積期早期，這與豫西濟(jì)源大峪、陜西石川河剖面碳同位素的負(fù)異常層位一致。此外，孫家溝組中、下段紅層沉積的普遍發(fā)育和地化數(shù)據(jù)表明該組沉積期前、中期氣候以干旱為主要特征，孫家溝組中段MISS的繁盛和生物擾動(dòng)的缺失表明生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了逆行演替，較為惡劣的氣候條件可能是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的最主要因素，周期性暴露的環(huán)境也不適宜底棲生物的生存。MISS的消失、鈣質(zhì)結(jié)核的減少、紅層被厚層砂巖取代，表明孫家溝組上段沉積期以半濕潤(rùn)氣候?yàn)橹?。厚層的砂質(zhì)沉積表明水動(dòng)力較強(qiáng)，這可能是孫家溝組上段MISS消失的原因之一。

6.1 豫西濟(jì)源巨型季風(fēng)的沉積記錄

聯(lián)合古陸時(shí)期的古氣候分析和古氣候模擬取得了重要的進(jìn)展[38-39]，有學(xué)者提出這一時(shí)期巨型季風(fēng)盛行導(dǎo)致了干燥性氣候沉積廣泛分布的觀點(diǎn)[40-41]。干燥性氣候在低緯度地區(qū)具體表現(xiàn)為沙漠的擴(kuò)張，氣候的變暖，季節(jié)性溫差增大，蒸發(fā)巖與紅層沉積廣泛發(fā)育與頻繁互層[42]。華北板塊的古地磁資料顯示，二疊紀(jì)其緯度約為6° N，晚二疊世，華北板塊因進(jìn)入北半球的亞熱帶而逐漸干燥，至二疊紀(jì)末，華北板塊大致位于15° N[43]。

在孫家溝組沉積期巨型季風(fēng)作用于研究區(qū)的主要表現(xiàn)為季節(jié)性沉積的潮濕性的地層、頻發(fā)的洪水事件、波動(dòng)頻繁的地化證據(jù)等。首先，孫家溝組中、下段紅層沉積中廣泛發(fā)育的鈣質(zhì)結(jié)核，是干旱氣候下季節(jié)性降水的良好標(biāo)志。且鈣質(zhì)結(jié)核與泥巖層呈現(xiàn)較好的韻律性，反映沉積環(huán)境和氣候的周期性變化。此外，孫家溝組上段發(fā)育疊瓦狀礫巖，指示頻發(fā)的洪水事件。孫家溝組中、下段鈣質(zhì)結(jié)核層與紫紅色泥巖的頻繁互層以及疊瓦狀礫巖的發(fā)育是孫家溝組沉積期巨型季風(fēng)作用于研究區(qū)的重要沉積學(xué)證據(jù)。其次，Cs、Hf、Rb、V、Ca、Mg、Mn、Sr等元素的含量和Mg/Ca、CaO/（Al2O3+MgO）比值的頻繁波動(dòng)也支持氣候出現(xiàn)周期性變化的結(jié)論，這是巨型季風(fēng)作用于研究區(qū)的地球化學(xué)證據(jù)。綜上，沉積學(xué)及地球化學(xué)證據(jù)都表明在孫家溝組沉積期，研究區(qū)氣候受巨型季風(fēng)影響具有明顯的季節(jié)性特征。

濟(jì)源地區(qū)廣泛分布互層的紅層沉積與蒸發(fā)巖，較低的降水量、較高的溫度和較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，體現(xiàn)了巨型季風(fēng)導(dǎo)致的研究區(qū)廣泛分布以干旱—半干旱為主的亞熱帶季風(fēng)氣候。在氣候由濕潤(rùn)向干旱轉(zhuǎn)變期間，鈣質(zhì)結(jié)核大量出現(xiàn)、地化數(shù)據(jù)大幅偏移，可能也是通過(guò)巨型季風(fēng)環(huán)流導(dǎo)致的強(qiáng)季節(jié)性氣候來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

6.2 陸相生物變化對(duì)P?T 之交滅絕事件的響應(yīng)

濟(jì)源動(dòng)物群被視作地層劃分的標(biāo)志層，可與俄羅斯Sokolki 組合帶的Ilinskoe 亞帶和南非的小頭獸組合帶進(jìn)行對(duì)比，時(shí)代約2.56億年，濟(jì)源動(dòng)物群保存在孫家溝組紅層之下，化石層位應(yīng)歸屬于上石盒子組[44-46]。濟(jì)源大峪剖面孫家溝組中段發(fā)育較多MISS，研究認(rèn)為，后生生物與微生物席之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，微生物的繁盛與后生生物的生物量減少有關(guān)[47-49]。后生生物的驟減導(dǎo)致沉積物的擾動(dòng)程度降低，有利于微生物群落的繁盛，迅速形成較厚的微生物席覆蓋于沉積物表面，因而滅絕事件在一定程度上促進(jìn)了MISS的形成和保存。此外，紫紅色泥巖在研究區(qū)的大量發(fā)育反映了其處于強(qiáng)氧化環(huán)境[27]，多層鈣質(zhì)結(jié)核和似核形石礫巖為炎熱氣候下嚴(yán)重水土流失的產(chǎn)物[50]，且研究區(qū)炎熱干旱氣候條件下形成的間歇性暴露的洪泛平原沉積環(huán)境，對(duì)后生生物的復(fù)蘇起到一定的抑制作用，為MISS的發(fā)育提供了適宜的環(huán)境。孫家溝組炎熱干旱的氣候可能是P-T之交滅絕事件的重要原因之一，它直接或間接地促進(jìn)了微生物群落的繁盛。

大滅絕事件使后生生物驟減，為MISS的形成和保存提供了良好的條件，MISS的出現(xiàn)（第8層）表明大滅絕事件已經(jīng)發(fā)生，因此，災(zāi)變事件發(fā)生的層位應(yīng)位于最早出現(xiàn)的MISS層位之下，大約對(duì)應(yīng)于研究區(qū)孫家溝組第7層。目前已知的濟(jì)源動(dòng)物群最后出現(xiàn)于孫家溝組紅層之下，可能表明大滅絕事件還沒(méi)有發(fā)生，因此可將大滅絕事件發(fā)生的層位卡定在孫家溝組的第1層至第7層之間。

6.3 地球化學(xué)特征對(duì)P?T 之交滅絕事件的指示

已有大量研究指出，二疊系—三疊系界線(xiàn)附近無(wú)機(jī)碳同位素負(fù)偏的普遍存在指示了氣候、環(huán)境的劇變，可能是引發(fā)大規(guī)模的生物滅絕事件的原因[2，51]。二疊系—三疊系全球?qū)有推拭妫ㄕ憬荷狡拭鍼-T界線(xiàn)附近）與陜西石川河剖面下部均存在不同幅度的無(wú)機(jī)碳同位素負(fù)異常，指示這一界線(xiàn)附近發(fā)生過(guò)某種突發(fā)事件，這一事件極可能與P-T之交生物大滅絕有關(guān)[51-52]。濟(jì)源大峪剖面孫家溝組與石川河剖面石千峰組對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩組碳同位素負(fù)異常層位近于平行（圖10），表明當(dāng)時(shí)的華南、華北地區(qū)的氣候環(huán)境發(fā)生突變，炎熱干旱的氣候條件可能導(dǎo)致了生物的滅絕[51]。石川河剖面中碳同位素第一次負(fù)漂移發(fā)生在石千峰組沉積末期[51]，δ13C 負(fù)漂移由-1.9‰降低至-7.7‰，幅度達(dá)5.8‰。本次濟(jì)源孫家溝組鈣質(zhì)泥巖和鈣質(zhì)結(jié)核測(cè)試結(jié)果顯示下段存在一次較為明顯的碳同位素負(fù)異常（圖8），與石川河剖面石千峰組δ13C負(fù)偏移基本相對(duì)應(yīng)。濟(jì)源孫家溝組下段碳同位素負(fù)漂移以及相鄰層位中出現(xiàn)的異常厚層深灰色鈣質(zhì)泥巖層，說(shuō)明當(dāng)時(shí)氣候發(fā)生劇烈變化。高溫，降水量較少，蒸發(fā)量相對(duì)較大，這種干旱—半干旱的惡劣氣候可能和生物滅絕事件有重要且直接的關(guān)系，與全球二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的大滅絕事件第一幕具有一致性。

綜上所述，大滅絕事件有可能發(fā)生在第1～4層之間（圖11）。孫家溝組第1～3層大多數(shù)地化指標(biāo)都指示向干旱氣候的快速轉(zhuǎn)變，直到第4層開(kāi)始趨于穩(wěn)定，野外實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)第4層內(nèi)保存一層“特殊”的鈣質(zhì)泥巖層，與剖面上下出現(xiàn)的紫紅色泥巖完全不同，且風(fēng)化較他層弱。碳同位素?cái)?shù)據(jù)表明在第1～4層（圖11）內(nèi)同樣存在一次較大的負(fù)漂移（達(dá)4.3‰）。因此，我們認(rèn)為MISS（第8層）的發(fā)育、后生動(dòng)物的消失、氣候的突變和嚴(yán)重的水土流失等現(xiàn)象，代表了研究區(qū)的災(zāi)變陸相環(huán)境生態(tài)體系，甚至是豫西地區(qū)一個(gè)典型的P-T之交災(zāi)變事件的陸相環(huán)境代表。

7 結(jié)論

（1） 濟(jì)源大峪剖面孫家溝組巖性和沉積特征表明，孫家溝組中下段主要由“河漫亞相+堤岸亞相”兩個(gè)旋回組成，發(fā)育大量的鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)砂巖和鈣質(zhì)結(jié)核，發(fā)育水平層理和波狀交錯(cuò)層理，沉積物表面間歇性暴露水面，為曲流河沉積。上段發(fā)育厚層褐色、土褐色砂巖，發(fā)育平行層理和楔狀交錯(cuò)層理，為湖泊沉積濱湖亞相。推測(cè)濟(jì)源孫家溝組整體為因水進(jìn)導(dǎo)致的由河流相演化為濱湖相的退積層序。

（2） 濟(jì)源孫家溝組中下段廣泛發(fā)育的紅色沉積、鈣質(zhì)結(jié)核層和地化數(shù)據(jù)分析表明，孫家溝組沉積期，在受到全球性的巨型季風(fēng)環(huán)流影響下，濟(jì)源地區(qū)屬于干旱—半干旱的亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，前期表現(xiàn)為濕潤(rùn)氣候向干旱氣候的迅速轉(zhuǎn)變，中期溫度升高、濕度增大，至中期末完全轉(zhuǎn)變?yōu)榘霛駶?rùn)氣候，后期則又從半濕潤(rùn)氣候向干旱氣候轉(zhuǎn)變。

（3） 研究區(qū)孫家溝組季節(jié)性沉積的潮濕性的地層、頻發(fā)的洪水事件、波動(dòng)頻繁的地化證據(jù)等，體現(xiàn)了巨型季風(fēng)導(dǎo)致的研究區(qū)以干旱—半干旱為主的亞熱帶季風(fēng)氣候。根據(jù)濟(jì)源動(dòng)物群化石層位、孫家溝組中段MISS和鈣質(zhì)古土壤的發(fā)育、氣候突變以及碳同位素負(fù)漂等證據(jù)，推測(cè)濟(jì)源地區(qū)P-T之交滅絕事件發(fā)生在孫家溝組沉積早期。

致謝 感謝審稿專(zhuān)家的寶貴意見(jiàn)和建議。

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