朱蕾蕾, 陳留勤, 吳文斌,2, 丁 婷

(1. 東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,江西 南昌 330013;2. 中科鼎實(shí)環(huán)境工程有限公司,北京 100020)

白堊紀(jì)是地史上典型的溫室氣候時(shí)期(Hay, 2011;Friedrich et al., 2012),國際上對(duì)該時(shí)期的古氣候認(rèn)識(shí)主要來自海洋沉積(Kasting et al., 2006;Aebig et al., 2017;Huber et al., 2018)。近年來,我國學(xué)者在松遼盆地白堊紀(jì)湖泊沉積工作中取得了突出成果(Wang et al.,2013;Gao et al., 2015),為深刻認(rèn)識(shí)“白堊紀(jì)世界”提供了重要材料。與松遼盆地不同,中國東南地區(qū)白堊系主要為水上沉積(劉秀銘等,2014),地層普遍呈紅色,它們沉積時(shí)與大氣直接接觸,對(duì)古氣候變化十分敏感。古土壤是古代沉積環(huán)境和氣候條件的重要地質(zhì)記錄者,通過古土壤特征的研究可以認(rèn)識(shí)古氣候和古景觀、沉積環(huán)境變化及其控制因素(Kraus, 1999),為認(rèn)識(shí)華南白堊紀(jì)沉積環(huán)境和古氣候提供重要依據(jù)(李祥輝等,2009;陳留勤等,2018)。

廣東省東北部的南雄盆地是華南地區(qū)晚中生代“盆嶺構(gòu)造”體系中一個(gè)典型的陸相斷陷盆地(吳根耀,2006),白堊紀(jì)-新生代地層出露較為連續(xù),是我國陸地白堊紀(jì)地質(zhì)事件研究的熱點(diǎn)地區(qū)之一(張顯球等,2008;王尹,2012;Hou et al., 2019;趙夢(mèng)婷等,2021)。南雄盆地?fù)碛醒芯堪讏准o(jì)末期恐龍滅絕事件的重要剖面(趙資奎等,1998),也是華南亞熱帶濕潤(rùn)氣候環(huán)境紅層劣地的代表(彭華等,2015)。位于盆地中南部的主田剖面主田組發(fā)育完整,層序清晰,含有較多古土壤層,是研究華南晚白堊世古氣候和古環(huán)境的理想場(chǎng)所。筆者以南雄盆地主田剖面主田組紅層作為研究對(duì)象,通過剖面實(shí)測(cè)和樣品粒度、色度、磁化率、碳酸鈣含量、總有機(jī)碳含量實(shí)驗(yàn)測(cè)試,研究主田組沉積環(huán)境和古氣候特征,為更好認(rèn)識(shí)華南地區(qū)晚白堊世古氣候和古環(huán)境提供素材。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

南雄盆地主體位于廣東省始興縣境內(nèi),東與江西信豐盆地相連,盆地東西長(zhǎng)約80 km,南北寬約15 km,紅層面積約為2 000 km2。南雄盆地以發(fā)育白堊紀(jì)紅層為特征,地層累計(jì)厚2 525～7 250 m,其中上白堊統(tǒng)是南雄盆地白堊系的主要地層,含有大量恐龍蛋化石(趙資奎等,1998;李曉崧等,2021)。

張顯球等(2013)依據(jù)沉積物從粗到細(xì)的變化,將南雄盆地紅層劃分為4個(gè)沉積旋回和2群9組8段,即南雄群(長(zhǎng)壩組(K2c)、江頭組(K2j)、園圃組(K2y)、大鳳組(K2d)、主田組(K2z)、湞水組(K2zs)),羅佛寨群(上湖組(E2sh)、濃山組(E1n)、古城村組(E1g))。南雄盆地經(jīng)歷多次構(gòu)造-巖漿活動(dòng),受加里東期、印支期、燕山期構(gòu)造活動(dòng)影響,成為一個(gè)不對(duì)稱的伸展斷陷,呈現(xiàn)“北斷南超”的特征(舒良樹等,2004),盆地呈北東東向展布,向北西傾斜,整個(gè)盆地呈箕狀(圖1)。

圖1 南雄盆地地質(zhì)簡(jiǎn)圖(a.李佩賢等,2007;張顯球等,2014)及主田剖面地理位置圖(b)

2 樣品收集與分析方法

本次實(shí)測(cè)的主田剖面始于古子坑村北約150 m,339縣道東側(cè),終于梨園新村處約1.5 km。在實(shí)測(cè)剖面上按約2 m間距取樣,共75件,分別為砂巖5件、古土壤層中的黏化層34件、鈣板層31件和鈣質(zhì)結(jié)核5件。選擇代表性樣品磨制薄片,使用偏光顯微鏡觀察樣品的結(jié)構(gòu)特征,對(duì)砂巖樣品進(jìn)行粒度分析。另外,對(duì)粉末樣品進(jìn)行色度、磁化率(χlf)、碳酸鈣(CaCO3)含量和總有機(jī)碳(TOC)含量的測(cè)試。

色度測(cè)試采用國產(chǎn)3nh-NH 300高品質(zhì)電腦色差儀。磁化率使用英國Bartington公司生產(chǎn)的MS-2型磁化率系統(tǒng)。通過測(cè)試密封樣品與鹽酸充分反應(yīng)的氣壓差,利用克拉伯龍方程PV=nRT計(jì)算得出CaCO3含量(Bascomb,1961)。TOC用重鉻酸鉀滴定法測(cè)定,利用滴定反應(yīng)完成時(shí)消耗的K2Cr2O7標(biāo)準(zhǔn)溶液計(jì)算樣品TOC含量(Chen et al.,1999)。

3 分析結(jié)果

3.1 主田組實(shí)測(cè)剖面特征

在野外實(shí)測(cè)剖面上,主田組厚157 m,根據(jù)巖性組合及沉積特征,剖面可分為31層(圖2)。主田剖面巖性主要為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖,偶見礫巖。其中1～11層夾多層鈣質(zhì)淀積層,含大量鈣質(zhì)結(jié)核(直徑約1～2 cm),發(fā)育鈣板層,可見少量遺跡化石和土壤滑擦面。22～31層以紫紅色泥質(zhì)巖為主,可見少量礫巖,含大量遺跡化石,化石形態(tài)較小,并偶見方解石充填在內(nèi),該層面也發(fā)育土壤滑擦面,其中鈣板層與黏化層互層形成土壤發(fā)生層。

圖2 南雄盆地主田組地層柱狀圖

3.2 砂巖樣品結(jié)構(gòu)和成分

在偏光顯微鏡下,砂巖樣品為顆粒支撐碎屑結(jié)構(gòu),磨圓度主要為次棱角至次圓狀,少量為棱角狀,分選性較好,顆粒間主要為點(diǎn)線接觸(圖3)。碎屑由石英、巖屑和少量長(zhǎng)石組成,膠結(jié)物以鈣質(zhì)和鐵質(zhì)為主,填隙物為吸附Fe3+呈褐紅色的黏土礦物。石英多為單晶石英,表面干凈,可見均勻消光和港灣狀溶蝕,主要為次棱角至次圓狀。長(zhǎng)石多為鉀長(zhǎng)石,少量為斜長(zhǎng)石。斜長(zhǎng)石通常呈板狀,發(fā)育聚片雙晶,多發(fā)生絹云母化。巖屑含量為15%～20%,主要包括千枚巖、片巖,其次是花崗巖和泥巖、砂巖。

圖3 砂巖樣品特征

3.3 砂巖樣品粒度分析

選取主田組5個(gè)砂巖樣品進(jìn)行粒度實(shí)驗(yàn)。頻率分布曲線(圖4a)顯示,主田組樣品頻率分布曲線主要呈單峰式,峰度整體中等至微尖,圖形不對(duì)稱,僅有個(gè)別樣品呈雙峰式,次峰位于粒度粗的一側(cè),曲線主次峰值分別分布在φ值為4～5和3.0～3.5之間,且5個(gè)樣品中頻率累積曲線(圖4a)均較為陡峭,指示樣品分選性較好。在主田組概率累積曲線中(圖4b),曲線形態(tài)主要分為跳躍-懸浮兩段式和滾動(dòng)-跳躍-懸浮三段式,滾動(dòng)-跳躍-懸浮三段式中滾動(dòng)次總體和懸浮次總體含量較少,跳躍次總體含量約50%～80%,斜率較小,滾動(dòng)組分含量不足1% ,懸浮組分斜率較大,分選性好。兩段式由跳躍組分和懸浮組分構(gòu)成,滾動(dòng)組分不明顯,跳躍主體在90%以上,最粗顆粒φ值達(dá)2.5～3.5,懸浮組分占比不大,斜率較大,分選性好。

圖4 砂巖樣品粒度分析曲線

3.4 古土壤特征

Retallack(2001,2003)認(rèn)為遺跡化石、鈣質(zhì)淀積層(鈣板層、成壤鈣質(zhì)結(jié)核)、潛育作用、滑擦面、黏化層、泥裂、暈斑都是識(shí)別地層中古土壤的標(biāo)準(zhǔn)。前人利用這些標(biāo)志在南方白堊系紅層中識(shí)別出古土壤并討論了其古氣候意義(李祥輝等,2009;陳留勤等,2018)。

在本次研究的實(shí)測(cè)剖面中,鈣板層與黏化層互層連續(xù)發(fā)育,橫向延伸較遠(yuǎn)。鈣質(zhì)淀積層呈淺灰綠色(圖5a),滴稀鹽酸強(qiáng)烈起泡。黏化層有定向排列的黏粒膠膜,抗風(fēng)化能力弱,顏色為紫紅色(圖5b)?；撩嬗衅叫卸ㄏ蚺帕械暮诤稚珬l紋,少數(shù)呈灰白色(圖5c)。主田組2～8層見大量鈣質(zhì)結(jié)核,大多數(shù)質(zhì)地較硬,抗風(fēng)化能力強(qiáng),呈淺紅褐色或淺灰色,結(jié)核小的僅有0.5～1.0 cm,大者達(dá)15～30 cm,呈橢球狀和生姜狀(圖5d),滴稀鹽酸強(qiáng)烈起泡。潛育化現(xiàn)象主要為青灰色,產(chǎn)出形態(tài)呈片狀、斑狀或條帶狀,與層面大致平行分布(圖5e)。剖面可見較多遺跡化石(圖5f),多呈規(guī)則的柱狀或彎曲狀,有的內(nèi)部被方解石充填。

3.5 古氣候替代指標(biāo)

古氣候替代性指標(biāo)主要包括色度、磁化率、碳酸鈣含量、總有機(jī)碳含量,其中色度指標(biāo)由L*(亮度)、a*(紅度)、b*(黃度)、c*(飽和度)、h*(色調(diào)角)組成,各指標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。本研究以Ss代表砂巖層,Cd代表鈣板層,Ah代表為黏化層,Cn代表鈣質(zhì)結(jié)核,將鈣板層、黏化層、鈣質(zhì)結(jié)核三者均值作為古土壤值。由表1可知,砂巖層地層單元在色度指標(biāo)中L*值最大,其他值均最小,在鈣質(zhì)結(jié)核、鈣板層、黏化層這三個(gè)地層中表現(xiàn)相反。因此,古土壤層a*、b*、c*、h*值均高于砂巖層,L*值均小于砂巖層。磁化率(χlf )總體較低、波動(dòng)明顯,其中Ah層最高,Cd層次之,Cn層緊隨其后,Ss層最低。CaCO3含量整體變化幅度較大,從大到小依次為Cn、Cd、Ss、Ah。TOC整體含量較低,排序?yàn)锳h>Cn>Cd>Ss。結(jié)合χlf 、CaCO3、TOC 這三個(gè)指標(biāo)在各地層的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)古土壤 χlf 與TOC均值高于砂巖層,兩者具有一致性,而CaCO3含量呈現(xiàn)相反的特征(古土壤層均值低于砂巖層)。

表1 樣品色度、磁化率、CaCO3 和TOC含量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 討論

4.1 沉積環(huán)境分析

中國東南部晚中生代發(fā)育斷陷盆地,多為山間盆地,一般規(guī)模較小,在洪-沖積扇、河流、濱淺湖及局部沙漠沉積環(huán)境中形成了一套厚達(dá)數(shù)千米的紅色碎屑巖序列(陳丕基,1997;Jiang et al., 2008;陳留勤,2018)。主田剖面主田組是一套以細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主的細(xì)碎屑巖。主田組紅層砂巖層內(nèi)有明顯的水平層理構(gòu)造。礫巖中見少量疊瓦狀構(gòu)造,發(fā)育正粒序?qū)永順?gòu)造及下粗上細(xì)的“二元結(jié)構(gòu)”。古土壤層內(nèi)有遺跡化石。顯微鏡下砂巖樣品碎屑顆粒分選性較好,粒度分析曲線以“跳躍+懸浮”組分次總體為主,均表明顆粒經(jīng)過較長(zhǎng)距離的搬運(yùn),指示沉積環(huán)境主要為泛濫平原,伴有河流沉積。

4.2 氣候替代性指標(biāo)的古氣候指示意義

色度是最直觀的古氣候檢測(cè)指標(biāo)。色度指標(biāo)中L*代表亮度,高值指示土壤顏色亮,亮度的變化與有機(jī)質(zhì)含量有一定關(guān)系,并隨總有機(jī)碳含量的增加而減小。a*、b*受控于鐵氧化物的含量,a*主要受赤鐵礦影響,針鐵礦會(huì)引起b*變化(Liu, 2005)。通常a*的高值反映暖濕的氣候狀況,低值反映干冷氣候,干旱氧化作用較強(qiáng)則使土壤呈現(xiàn)紅色,反之使土壤呈現(xiàn)黃色(Fernandez et al.,1988)。在色度指標(biāo)中L*、a*和b*指標(biāo)更具有代表性,主田組砂巖層L*值明顯大于古土壤層(表1),表明砂巖層沉積時(shí)期降水較少,植被發(fā)育程度較低,有機(jī)質(zhì)含量低,成壤作用弱。但a*值和b*值卻明顯低于古土壤,這有可能是沉積物中赤鐵礦含量的影響,導(dǎo)致古土壤中整體致色礦物含量高于砂巖。a*值和b*值均指示古土壤沉積時(shí)期較暖濕。在色度指標(biāo)曲線(圖6)中,除 L*和h*曲線呈先增大后減小趨勢(shì),其余各指標(biāo) a*、b*、c*曲線均呈先減小后增大的趨勢(shì)。

圖6 主田剖面主田組古氣候替代性指標(biāo)變化曲線(席黨鵬等,2019;Clyde et al., 2010)

磁化率主要受控于鐵氧化物含量的變化,磁化率越高,氣候條件越暖濕(韓家楙等,1991)。宋揚(yáng)等(2012)在黃土研究中指出磁化率與降水有較好的正相關(guān)性,是影響磁化率的主要因素,而與溫度的相關(guān)性較低。溫暖多雨的環(huán)境,為鐵磁性礦物轉(zhuǎn)化為反鐵磁性礦物提供了有利條件,而鐵磁性礦物(磁鐵礦、磁赤鐵礦)通常主導(dǎo)著磁化率高低(劉青松等,2009)。研究區(qū)主田組低頻χlf值均值為7.63×10-8m3/kg,數(shù)值整體低,這與廣豐盆地周田組(吳文斌等,2020)、廣東南雄盆地大塘剖面主田組(王文艷,2017)結(jié)果相似,說明以反鐵磁性礦物為主要磁性礦物。χlf值與a*、b*值有相似的變化規(guī)律(圖6),但主田組古土壤磁化率相對(duì)于砂巖層高,說明古土壤沉積時(shí)期降水較多。研究剖面χlf變化曲線整體呈增大趨勢(shì),可能是地層中赤鐵礦含量上升所致,指示主田組紅層成壤程度高,氧化環(huán)境呈增強(qiáng)趨勢(shì),反映了氣候由相對(duì)濕熱向干熱變化的過程。

主田組CaCO3含量偏低,鈣離子淀積向下淋移富集強(qiáng)度不夠,可能指示該時(shí)期降水量總體較低,但高值與低值相差甚大,說明沉積時(shí)期可能經(jīng)歷過短暫的強(qiáng)降水階段。砂巖層CaCO3含量均值較古土壤層小,而CaCO3含量曲線也呈先增大后減小的趨勢(shì),意味著降水量的減小,與古土壤中鈣板層厚度變化所反映的古降水量減小一致。碳酸鈣在剖面底部富集,也進(jìn)一步反映可能有季節(jié)性強(qiáng)降水經(jīng)常發(fā)生(何同,2012;張蕊,2017)。

沉積物中的 TOC含量反映植被發(fā)育情況,高值表示有機(jī)質(zhì)多,有效濕度較大,指示暖濕環(huán)境,反之則指示干旱氧化環(huán)境(Xu et al., 2006)。研究樣品TOC含量整體偏低,說明降水整體偏低,不利于有機(jī)質(zhì)的保存,指示主田組總體為干旱氧化的沉積環(huán)境。TOC含量曲線具有多個(gè)峰值,但整體呈緩慢減小趨勢(shì)。主田組古土壤層TOC含量比砂巖層高,據(jù)此推測(cè)古土壤沉積時(shí)期氣候相對(duì)暖濕。

前人在主田組中發(fā)現(xiàn)溫帶孢粉化石,指示生長(zhǎng)于干涼氣候環(huán)境(謝振東等,2001),結(jié)合本次研究中CaCO3含量曲線的變化特征,可以認(rèn)為在該時(shí)期有間歇性的變冷氣候階段(Huber et al., 2018)。張顯球等(2008)在南雄盆地的紅層中發(fā)現(xiàn)了水生古生物化石,指示干濕交替使短暫或季節(jié)性積水。古氣候替代指標(biāo)反映了南雄盆地晚白堊世主田組沉積時(shí)期存在氣候波動(dòng),具有由相對(duì)濕熱向干熱變化的趨勢(shì),但總體為干旱氧化的沉積環(huán)境,這與同時(shí)期陸相紅層古氣候變化具有較好的一致性(彭遠(yuǎn)新等,2019)。

5 結(jié)論

(1)南雄盆地主田組巖性以細(xì)粒碎屑巖為主,含有豐富的古土壤,以發(fā)育鈣質(zhì)淀積層(鈣結(jié)核和鈣板層)、黏化層、滑擦面、遺跡化石等為識(shí)別特征。主田組砂巖樣品碎屑顆粒主要為石英,巖屑和長(zhǎng)石次之,膠結(jié)物為鈣質(zhì)、鐵質(zhì),粒度以“跳躍+懸浮”組分次總體為主,分選性較好,不穩(wěn)定組分含量相對(duì)較高。

(2)樣品色度、碳酸鈣、磁化率和總有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)指示在主田組沉積過程中,沉積環(huán)境以泛濫平原為主,伴有河流沉積。研究剖面古氣候存在波動(dòng),具有從早期到晚期由濕熱向干熱轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。其中古土壤反映了相對(duì)暖濕的沉積階段。