范建平,宋金民,劉樹根,2,江青春,李智武,楊 迪,金 鑫,蘇 旺,葉玥豪,黃士鵬,王佳蕊,姜 華,羅 平,

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059;2.西華大學(xué),成都 610039;3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083

通常認(rèn)為碳酸鹽巖沉積僅限于溫暖淺海環(huán)境,但近年來人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了很多現(xiàn)代和古代的非熱帶碳酸鹽巖的實(shí)例,如新西蘭、澳大利亞南部、地中海等地區(qū)的新生代非暖水碳酸鹽巖[1-2]以及澳大利亞二疊系、加拿大奧陶系的古生代碳酸鹽巖[3-4],表明在涼爽、寒冷甚至極地環(huán)境中同樣可以沉積碳酸鹽巖。近期研究提出,根據(jù)表面海水溫度,將非暖水碳酸鹽巖(<20 ℃)的沉積環(huán)境進(jìn)一步劃分為溫暖—溫水區(qū)(15～20 ℃)、涼水區(qū)(5～15 ℃)和冷水—極地區(qū)(<5 ℃)[5],其中涼水區(qū)主要發(fā)育紅藻石、富含苔蘚蟲等涼水碳酸鹽巖相[6]。由于形成水體溫度和環(huán)境的不同,涼水與暖水碳酸鹽巖存在顯著的差異[7]。近年來,國(guó)內(nèi)外關(guān)于涼水碳酸鹽巖的研究已成為一個(gè)主流研究領(lǐng)域,在其形成環(huán)境、結(jié)構(gòu)組分、礦物組成、地球化學(xué)、成巖作用、儲(chǔ)層建模等方面取得了一系列的成果和認(rèn)識(shí)[5-6,8]。目前全球已知的碳酸鹽巖大油氣田形成的時(shí)代如石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)、古近紀(jì)、新近紀(jì)等均屬于涼水時(shí)期[7],涼水碳酸鹽巖的研究對(duì)油氣勘探具有重要意義。

地球自新元古代以來經(jīng)歷多次由冰室向溫室轉(zhuǎn)換的氣候事件[9]以及多次極端氣候事件[10]。二疊紀(jì)是由晚古生代冰室氣候向中生代溫室氣候轉(zhuǎn)變的重要時(shí)期,前人通過冰川沉積記錄,確定了二疊紀(jì)存在四次冰期事件[11]。國(guó)際上已有大量研究通過結(jié)構(gòu)組分特征、礦物組分特征、生物組合特征、地球化學(xué)特征[3,5,12]證實(shí)了早—中二疊世普遍發(fā)育涼水碳酸鹽巖,但目前對(duì)上揚(yáng)子臺(tái)地的涼水碳酸鹽巖研究相對(duì)薄弱;而目前對(duì)二疊系古溫度演化的研究主要聚焦在中二疊世末期(GLB)及二疊紀(jì)末期(PTB)的兩次生物大滅絕事件附近[13],對(duì)早二疊世—中二疊世早期這一由冷轉(zhuǎn)暖重要時(shí)期的古溫度演化研究較少。鑒于此,本文以四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律為研究對(duì)象,基于其δ18O及ω(Mg)/ω(Ca)值,定量重建中二疊世早期茅一段沉積期古海水溫度變化曲線,探討古溫度旋回變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

1 地質(zhì)背景

二疊紀(jì)(299～252 Ma)是顯生宙全球格局轉(zhuǎn)變的重要時(shí)期,盤古大陸在此時(shí)開始裂解,古特提斯洋進(jìn)一步擴(kuò)張,并伴隨峨眉山大火成巖省(ELIP)的集中式大規(guī)模噴發(fā)[14]、石炭紀(jì)—二疊紀(jì)全球冰期事件[15]等一系列全球性事件的發(fā)生。二疊紀(jì)全球古氣候經(jīng)歷了由寒冷向溫暖的轉(zhuǎn)變,瓜德魯普統(tǒng)羅德期仍處于寒冷氣候,到晚沃德期全球氣候開始轉(zhuǎn)入溫暖時(shí)期[16]。該時(shí)期華南克拉通位于古赤道附近,東西向分隔泛大洋和古特提斯洋(圖1a)[17],研究區(qū)所在的上揚(yáng)子板塊為較深水碳酸鹽巖臺(tái)地和深水陸棚相間發(fā)育(圖1b)[18]。

圖1 中二疊世全球(a)及華南板塊(b)古地理

已有的牙形石生物地層研究資料表明,華南地區(qū)茅一段在時(shí)間上大致對(duì)應(yīng)羅德期,茅二段大致對(duì)應(yīng)沃德期,茅三段大致對(duì)應(yīng)早—中卡匹敦期,茅四段大致對(duì)應(yīng)晚卡匹敦期[19]。最新的CA-ID-TIMS測(cè)年資料表明,華南地區(qū)茅口組底界(茅一段)的年齡為(272.95±0.11) Ma[20],牙形石資料表明四川盆地茅一段頂界的年齡為(268.8±0.5) Ma[21],本文以此為起始時(shí)間錨點(diǎn),建立四川盆地茅一段地質(zhì)年代地層框架,以便于地層對(duì)比(圖2)。在茅一段沉積期(羅德期),研究區(qū)經(jīng)歷了一次大規(guī)模的海侵,該時(shí)期內(nèi)水體較深,為茅口組海平面最高的時(shí)期,主要為灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律;在茅二段沉積期(沃德期),開始發(fā)生海退,水體變淺,以泥晶生屑灰?guī)r為主;在茅三段沉積期(晚沃德期—中卡匹敦期),發(fā)生顯著的海退,為茅口組水體最淺的時(shí)期,導(dǎo)致茅口組廣泛暴露。此外,由于特提斯洋殼向揚(yáng)子板塊俯沖、東吳運(yùn)動(dòng)及峨眉山大火成巖省事件伴生的構(gòu)造抬升,導(dǎo)致?lián)P子地區(qū)以拉張作用為主,大量基底斷裂帶活化,形成一系列拉張槽,槽內(nèi)主要為泥灰?guī)r、頁巖和硅質(zhì)巖,拉張槽外主要為亮晶生屑灰?guī)r和白云巖[22];在茅四段沉積期(晚卡匹敦期),海侵作用再次廣泛發(fā)生,但由于峨眉山地幔柱隆升及東吳運(yùn)動(dòng),盆地內(nèi)大部分地區(qū)遭受剝蝕。

圖2 四川盆地中二疊統(tǒng)茅一段綜合柱狀圖及樣品位置

本次研究共對(duì)一個(gè)野外露頭剖面和三個(gè)鉆井剖面進(jìn)行分析(圖1b),包括華鎣山剖面、S6井、Z8井和HS4井。華鎣山剖面共取樣44塊,其中灰?guī)r24塊,泥質(zhì)灰?guī)r20塊;S6井共取樣9塊,其中灰?guī)r4塊,泥質(zhì)灰?guī)r5塊;Z8井共取樣10塊,其中灰?guī)r8塊,泥質(zhì)灰?guī)r2塊;HS4井共取樣6塊,其中灰?guī)r2塊,泥質(zhì)灰?guī)r4塊(圖2)。樣品分為塊狀樣品和粉末樣品兩類。塊狀樣品制成薄片進(jìn)行巖相分析;粉末樣品用瑪瑙坩堝研磨至200目以下進(jìn)行地球化學(xué)分析,包括主量元素、微量元素、鍶同位素和碳氧同位素分析。其中,巖相分析在油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))完成,儀器為Nikon E600 Pol+偏光顯微鏡;主量元素及微量元素測(cè)試在中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院實(shí)驗(yàn)中心完成,儀器為AB104L Axios-mAX波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀及ELEMENT XR ICP-MS質(zhì)譜儀;碳氧同位素測(cè)試在成都理工大學(xué)完成,儀器為Finnigan MAT 253質(zhì)譜儀;Sr同位素測(cè)試在油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))完成,儀器為Triton Plus質(zhì)譜儀。

2 巖石學(xué)特征

基于露頭及鉆井巖心的觀察,灰?guī)r層(厚度通常為20～50 cm)在韻律層中表現(xiàn)出透鏡狀(圖3a,b,c)與薄層狀(圖3d,e)等類型,而泥質(zhì)灰?guī)r層(厚度<25 cm)根據(jù)灰?guī)r層的產(chǎn)出形態(tài),通常平行于相鄰灰?guī)r單元或圍繞于其周圍。其中透鏡狀灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層多被稱為“眼皮眼球狀”灰?guī)r[23-24],且研究區(qū)主要發(fā)育該類韻律層,平行于層面觀察表現(xiàn)出波狀起伏的特征(圖3b),垂直層面觀察表現(xiàn)為半球狀突起(圖3c)?；?guī)r層和緊鄰的泥質(zhì)灰?guī)r層通常表現(xiàn)為漸變接觸(圖3f),其在顏色、巖石結(jié)構(gòu)和礦物學(xué)方面有著明顯的變化。本次研究觀察到灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層具有明顯的旋回性特征,表現(xiàn)為灰?guī)r(眼球)和泥質(zhì)灰?guī)r(眼皮)縱向上的疊置發(fā)育(圖3a,d),這與之前的研究一致[21,25]。

圖3 四川盆地華鎣山剖面灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層特征

茅一段中灰?guī)r層和泥質(zhì)灰?guī)r層在巖石結(jié)構(gòu)、生物組合、礦物組成和厚度等方面具有一定的差異。泥質(zhì)灰?guī)r為深灰色—灰黑色,碳酸鹽巖礦物含量為60%～80%,黏土礦物含量為15%～35%,顆粒間主要為灰泥(15%～30%)和黏土礦物,常呈波狀起伏的紋層狀(圖3g);生物碎屑含量較高(30%～50%),生物種類較多,但生屑較破碎,呈定向分布(圖3h),以有孔蟲(圖3i)、腕足和軟體動(dòng)物(腹足類、雙殼類)(圖3j,k)為主,還可見部分非造礁珊瑚、棘皮、海綿、介形蟲和苔蘚蟲(圖3l)。泥晶灰?guī)r層多為灰色—深灰色,生物碎屑含量較低(5%～25%),通常由泥—微晶方解石組成,碳酸鹽巖礦物含量超過90%,黏土礦物含量低于5%,顆粒間為亮晶方解石膠結(jié);生物種類較少,僅可見有孔蟲(圖3m)、苔蘚蟲(圖3n)、腕足(圖3o)和軟體動(dòng)物。

現(xiàn)代典型涼水碳酸鹽巖與暖水碳酸鹽巖的區(qū)別主要有:(1)生物類型:涼水碳酸鹽巖缺乏造礁生物和鈣質(zhì)綠藻,其生物類型主要為異養(yǎng)型生物,如藤壺、苔蘚蟲、雙殼類、腕足類、有孔蟲類、腹足類、介形蟲類、棘皮類和非造礁珊瑚類等;(2)沉積物組成:涼水碳酸鹽巖缺乏鮞粒等非骨架顆粒,其主要的沉積物類型為珊瑚藻和無脊椎動(dòng)物骨架等生物顆粒(有孔蟲、介形蟲、棘皮等)以及碳酸鹽巖灰泥;(3)礦物組分:涼水碳酸鹽巖中文石、高鎂方解石含量低,主要為低鎂方解石;(4)成巖作用:涼水碳酸鹽巖缺乏早期膠結(jié)物,導(dǎo)致其在深埋藏期受較強(qiáng)的壓實(shí)作用,粒間孔隙大大減少[5,7]。茅一段生物組合以有孔蟲、腕足和軟體動(dòng)物組合為主;巖石結(jié)構(gòu)以生物碎屑和灰泥支撐為主;礦物組分以低鎂方解石為主;缺乏早期膠結(jié)物,壓實(shí)作用明顯,生物碎屑呈明顯定向分布,均與現(xiàn)代典型涼水碳酸鹽巖特征相似。

3 地球化學(xué)特征

為了評(píng)估成巖作用對(duì)地化元素記錄的影響,本文采用δ18O值、δ18O與δ13C、Mn與Sr的相關(guān)性以及ω(Mn)/ω(Sr)來判識(shí)灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律是否保留原始海水特征。理論上,若δ18O>-10‰[26],δ18O與δ13C[27]、Mn和Sr等無明顯相關(guān)性[28],ω(Mn)/ω(Sr)≤0.6[26],則可認(rèn)為碳酸鹽巖樣品未受或受非常小的成巖作用影響。本次分析所用樣品δ18O均大于-10‰,ω(Mn)/ω(Sr)均小于0.6,δ18O與δ13C、Mn和Sr均無明顯相關(guān)性(圖4),其元素分析結(jié)果可有效反映羅德期的沉積地球化學(xué)特征。

圖4 四川盆地華鎣山剖面灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律δ18O

3.1 主量元素與微量元素特征

灰?guī)r樣品MgO含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),其余同)為(mean±SD)(1.94±1.04)%(n=38),CaO含量為(49.87±3.50)%(n=38),SiO2含量為(2.50±3.72)%(n=38),Al2O3含量為(0.26±0.15)%(n=38),Na2O含量為(0.07±0.03)%(n=38),K2O含量為(0.11±0.08)%(n=38),Fe含量為(769.03±375.64)×10-6,S含量為(906.42±50.57)×10-6,Ti含量為(1 615.37±516.22)×10-6,Ba含量為(20.66±29.46)×10-6,Na含量為(308.77～1 031.29)×10-6,Mn含量為(124.14～427.90)×10-6;泥質(zhì)灰?guī)r樣品MgO含量為(6.23±3.59)%(n=31),CaO含量為(39.80±6.85)%(n=31),SiO2含量為(17.22±8.43)%(n=38),Al2O3含量為(0.57±0.35)%(n=31),Na2O含量為(0.11±0.08)%(n=31),K2O含量為(0.09±0.05)%(n=31),Fe含量為(1 578.56±1 106.28)×10-6,S含量為(886.27±147.44)×10-6,Ti含量為(2 562.10±1 480.10)×10-6,Ba含量為(16.46±8.17)×10-6,Na含量為(338.17～1 921.61)×10-6,Mn含量為(179.63～521.65)×10-6。

澳大利亞塔斯馬尼亞二疊系典型涼水碳酸鹽巖的元素組成與暖水碳酸鹽巖相比具有明顯差異,涼水碳酸鹽巖中Mn含量相對(duì)較高,為(100～2 500)×10-6,Na含量較高,為(100～1 910)×10-6[29]。四川盆地茅一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律的地化元素特征與該二疊系典型涼水碳酸鹽巖相似。

ω(SiO2)與ω(Al2O3+K2O+Na2O)的交會(huì)圖常被作為古氣候判別依據(jù),理論上,當(dāng)ω(SiO2)/ω(Al2O3+K2O+Na2O)>0.67時(shí),為濕潤(rùn)氣候;當(dāng)ω(SiO2)/ω(Al2O3+K2O+Na2O)<0.67、ω(SiO2)<40%時(shí),為干旱氣候;當(dāng)ω(SiO2)/ω(Al2O3+K2O+Na2O)<0.67、ω(SiO2)>40%時(shí),為半干旱氣候[30]。研究區(qū)灰?guī)r樣品ω(SiO2)/ω(Al2O3+K2O+Na2O)值為2.52～37.12(平均15.76);泥質(zhì)灰?guī)r樣品ω(SiO2)/ω(Al2O3+K2O+Na2O)值為3.75～118.00(平均29.07),茅一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層沉積期為濕潤(rùn)氣候,灰?guī)r沉積期相對(duì)干旱(圖5)。

圖5 四川盆地茅一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律古氣候判別圖版

海水中Fe主要是由物源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化作用而來[31],Fe含量越高,指示物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用越強(qiáng);S作為對(duì)氧化還原條件敏感的元素,容易在缺氧的沉積環(huán)境中富集,S含量越高,表明水體含氧量越低,指示更為缺氧還原的沉積環(huán)境[32];Ba主要來源于重晶石,在有機(jī)質(zhì)被降解時(shí)在海水中富集,Ba含量高,指示高海水生產(chǎn)力和營(yíng)養(yǎng)水平[33];而Ti是一個(gè)不受變質(zhì)作用影響,且不被生物來源和自生來源元素改變的元素,常用于來計(jì)算元素比值和分析古氣候[34]。研究區(qū)灰?guī)rω(Fe)/ω(Ti)值為0.19～0.63(平均0.45),ω(S)/ω(Ti)值為0.12～1.03(平均0.47),ω(Ba)/ω(Ti)值為0.003～0.090(平均0.013);泥質(zhì)灰?guī)rω(Fe)/ω(Ti)值為0.25～0.73(平均0.56),ω(S)/ω(Ti)值為0.31～1.14(平均0.62),ω(Ba)/ω(Ti)值為0.003～0.297(平均0.026)。泥質(zhì)灰?guī)rω(Fe)/ω(Ti)、ω(S)/ω(Ti)和ω(Ba)/ω(Ti)值均高于灰?guī)r,表明泥質(zhì)灰?guī)r沉積期物源區(qū)風(fēng)化作用更強(qiáng),古生產(chǎn)力更高,海水更為還原且缺氧。

3.2 碳氧同位素特征

灰?guī)r樣品δ13C值(2.54‰～4.87‰,平均3.81‰,n=38)與泥質(zhì)灰?guī)r樣品δ13C值(3.01‰～4.84‰,平均3.83‰,n=31)相當(dāng)?；?guī)r樣品δ18O值(-7.28‰～-5.07‰,平均-6.26‰,n=38)高于泥質(zhì)灰?guī)rδ18O值(-7.76‰～-5.93‰,平均-6.83‰,n=31)。全球中二疊世古海水δ13C值為3.10‰～5.50‰[28,35],研究區(qū)灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層具全球可對(duì)比性。

3.3 鍶同位素特征

灰?guī)r樣品87Sr/86Sr比值為0.706 7～0.707 2(平均0.707 0,n=14),泥質(zhì)灰?guī)r樣品87Sr/86Sr比值為0.706 9～0.707 2(平均0.707 0,n=11)。全球中二疊世古海水87Sr/86Sr比值為0.706 8～0.707 3[36],研究區(qū)灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層具有全球可對(duì)比性。地質(zhì)證據(jù)表明,中二疊世這一全球性87Sr/86Sr低值是由冰期事件引起的,抑制了放射性鍶進(jìn)入海洋[14]。因此,研究區(qū)茅一段87Sr/86Sr低值指示了灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層沉積期整體處于涼水環(huán)境。

4 茅一段古海水溫度恢復(fù)

氧同位素可以有效地反映巖石形成時(shí)的古海洋鹽度、溫度和海平面變化[35,37],并且δ18O數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于估算地球歷史關(guān)鍵演化時(shí)期的古溫度變化[28]。ω(Mg)/ω(Ca)比值主要受海水溫度控制,與海水溫度存在良好的相關(guān)性[38],ω(Mg)/ω(Ca)比值古溫度恢復(fù)方法已成為近年來古海洋研究的重要手段。為了更好地揭示中二疊世這一由冷轉(zhuǎn)暖時(shí)期的古海洋溫度變化,本文將灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r樣品氧同位素?cái)?shù)據(jù)(δ18O)與其ω(Mg)/ω(Ca)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

灰?guī)r樣品的ω(Mg)/ω(Ca)值為0.007～0.152(平均0.034),δ18O值為-7.28‰～-5.07‰(平均-6.26‰,VPDB標(biāo)準(zhǔn));泥質(zhì)灰?guī)r樣品ω(Mg)/ω(Ca)值為0.014～0.477(平均0.150),δ18O值為-7.76‰～-5.93‰(平均-6.83‰,VPDB標(biāo)準(zhǔn))?；?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律中泥質(zhì)灰?guī)rδ18O較灰?guī)r低,ω(Mg)/ω(Ca)值較灰?guī)r高,縱向上隨灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律的變化而震蕩變化,并且ω(Mg)/ω(Ca)的低值對(duì)應(yīng)δ18O的高值(圖6)。鹽度和冰是影響海水δ18O的兩個(gè)主要因素。研究區(qū)茅一段地層主要由碳酸鹽巖組成,沒有蒸發(fā)作用強(qiáng)的證據(jù)(缺乏蒸發(fā)巖沉積)。研究區(qū)整個(gè)中二疊世均為碳酸鹽巖緩坡臺(tái)地[18],并且華南板塊在中二疊世位于向泛大洋開放的古特提斯域東緣。因此,在本次研究中局部的古環(huán)境效應(yīng)(即鹽度的變化)不太可能是影響海水δ18O的主要因素。此外,目前也并沒有中二疊世羅德期的冰川記錄[15]。由于沉積后成巖作用、鹽度、冰的變化均不能很好地解釋?duì)?8O變化的趨勢(shì),因此本次研究認(rèn)為δ18O變化的趨勢(shì)是由古海水溫度的長(zhǎng)期變化驅(qū)動(dòng)的。本文采用邵龍義等[39]提出的以δ18O恢復(fù)古溫度的計(jì)算公式(式1)與HASTINGS等[38]提出的以ω(Mg)/ω(Ca)值為指標(biāo)計(jì)算古海水溫度的經(jīng)驗(yàn)公式(式2)來計(jì)算中二疊世茅一期古海水溫度,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 四川盆地中二疊統(tǒng)茅一段古溫度綜合剖面

t1=16.9-4.38×(δ18O校正-δ18Osw)+

0.1×(δ18O校正-δ18Osw)2

(1)

式中:t1為古海水溫度,單位℃;δ18O校正為測(cè)得碳酸鹽巖中的δ18O(VPBD標(biāo)準(zhǔn))值的校正值,單位‰。受年代效應(yīng)影響,直接測(cè)得δ18O值并不能反映當(dāng)時(shí)的原始海水值,因此本文采用中二疊世海相碳酸鹽巖δ18O平均值-6.52‰(VPBD標(biāo)準(zhǔn))[35]與第四紀(jì)海相灰?guī)rδ18O平均值-1‰(VPBD標(biāo)準(zhǔn))[39]的差值(Δδ18O=5.52‰)來對(duì)其進(jìn)行校正,δ18O校正=δ18O實(shí)測(cè)+Δδ18O;δ18Osw為當(dāng)時(shí)的海水δ18O值(VSMOW標(biāo)準(zhǔn)),二疊紀(jì)大洋水的δ18O值為-2.8‰(VSMOW標(biāo)準(zhǔn))[40]。

t2=2.898×[ω(Mg)/ω(Ca)]+13.76

(2)

式中:t2為古海水溫度,單位℃;ω(Mg)/ω(Ca)為測(cè)得碳酸鹽巖中Mg/Ca含量比值,無量綱。

δ18O恢復(fù)古海水溫度結(jié)果顯示:灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層中灰?guī)r層沉積時(shí)古海水溫度為3.72～12.38 ℃,平均為8.15 ℃;泥質(zhì)灰?guī)r沉積時(shí)古海水溫度為7.00～14.24 ℃,平均為10.97 ℃。ω(Mg)/ω(Ca)恢復(fù)古海水溫度結(jié)果顯示:灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層中灰?guī)r層沉積時(shí)古海水溫度為13.79～14.28 ℃,平均為13.90 ℃;泥質(zhì)灰?guī)r沉積時(shí)古海水溫度為13.82～15.41 ℃,平均為14.27 ℃。茅一段沉積期古海水整體表現(xiàn)為濕潤(rùn)的涼水環(huán)境,灰?guī)r沉積時(shí)古海水溫度相對(duì)更低、氣候相對(duì)干旱(圖7),與87Sr/86Sr(平均0.707 0)所指示的涼水環(huán)境是一致的。

圖7 四川盆地中二疊統(tǒng)茅一段古溫度與古氣候指標(biāo)交會(huì)圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本次研究所恢復(fù)的茅一段沉積期(羅德期)古海水溫度的準(zhǔn)確性,本文收集了低緯度地區(qū)(26°～0°)中二疊世羅德期(272.3～268.8Ma)的牙形石氧同位素?cái)?shù)據(jù)(δ18Oapatite)、腕足或有孔蟲類生物殼體氧同位素?cái)?shù)據(jù)(δ18Ocalcite)以及大氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示,華南貴州地區(qū)牙形石δ18Oapatite介于19.84‰～21.50‰(平均為20.90‰,VSMOW標(biāo)準(zhǔn))[41],美國(guó)德克薩斯州瓜德魯普山牙形石δ18Oapatite介于20.70‰～21.70‰(平均為21.13‰,VSMOW標(biāo)準(zhǔn))[42],利用LéCUYER等[43]提出的磷酸鹽δ18O值與海水溫度轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗(yàn)方程,恢復(fù)華南貴州地區(qū)的古海水溫度為8.05～15.54 ℃(平均為10.77 ℃),美國(guó)德克薩斯州瓜德魯普山的古海水溫度為7.15～11.65 ℃(平均為9.74 ℃)。美國(guó)德克薩斯州瓜德魯普山腕足生物殼體δ18Ocalcite介于-2.50‰～-2.09‰(平均為-2.25‰,VPDB標(biāo)準(zhǔn))[28],利用HAYS等[44]提出的碳酸鹽生物殼體δ18O值與海水溫度轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗(yàn)方程,恢復(fù)美國(guó)德克薩斯州瓜德魯普山的古海水溫度為12.65～14.42 ℃(平均為13.32 ℃)。該時(shí)期大氣二氧化碳濃度為(325.11～389.79)×10-6(平均為345.59×10-6)[45]。雖然對(duì)于不同樣品(碳酸鹽巖全巖、牙形石、腕足殼體、有孔蟲殼體等)的原始氧同位素?cái)?shù)據(jù)計(jì)算的溫度值有些許差異,但整體變化趨勢(shì)一致,且與前人基于其他指標(biāo)重建的大氣二氧化碳濃度曲線具有相似趨勢(shì)(圖8),指示中二疊世羅德期為涼水環(huán)境(古海水溫度<15 ℃)。這與前文所述茅一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層具現(xiàn)代典型涼水碳酸鹽巖特征(缺乏造礁生物、無鮞粒等非骨架顆粒、無文石和高鎂方解石、缺乏早期膠結(jié)物)的結(jié)果一致,表明本次研究所建立的古海水溫度曲線是可靠的,茅一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層為涼水碳酸鹽巖。

圖8 低緯度地區(qū)羅德期δ18O、ω(Mg)/ω(Ca)、古海水溫度及二氧化碳濃度曲線對(duì)比

5 古溫度旋回的控制因素

溫度變化主要受太陽能輻射以及一些極端事件(如火山活動(dòng)等)控制[46]。目前來看,尚未有中二疊世早期發(fā)生過火山活動(dòng)等極端事件的地質(zhì)記錄,因此中二疊世茅一期的古溫度變化可能受太陽能輻射的影響。在米蘭科維奇旋回理論中闡述了太陽能輻射對(duì)地球氣候的影響,米蘭科維奇旋回的類型和周期可分為三種。(1)偏心率旋回:這是由地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的軌道偏心率變化所引起的旋回,其中,長(zhǎng)偏心率周期約為400 kyr,短偏心率周期約為100 kyr;(2)斜率旋回:這是由地球自轉(zhuǎn)的黃道面與地球繞太陽公轉(zhuǎn)的赤道面之間的夾角變化引起的,周期約為40 kyr;(3)歲差旋回:太陽和月球?qū)Φ厍虻暮狭κ沟厍蚶@地軸傾斜旋轉(zhuǎn)而形成了一個(gè)完整錐面,其周期為19～23 kyr[47]。以上三類旋回疊加使地球受到旋回性變化的太陽能輻射,導(dǎo)致氣候的周期性變化,使冰川消長(zhǎng),并導(dǎo)致頻繁的全球海平面升降。

此前已有大量研究證實(shí)茅一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層沉積是受短偏心率旋回驅(qū)動(dòng)的[21,25],具體表現(xiàn)為短偏心率較大時(shí),氣候濕潤(rùn),陸源碎屑輸入大,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入增加,促進(jìn)古生產(chǎn)力增加,同時(shí)水體含氧量降低,有利于有機(jī)質(zhì)富集,形成泥質(zhì)灰?guī)r(眼皮)的原始沉積層;短偏心率較小時(shí),氣候相對(duì)干旱,陸源碎屑輸入和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入減少,古生產(chǎn)力降低,碳酸鹽流入盆地形成灰?guī)r(眼球)的原始沉積層。本次研究的茅一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層中,灰?guī)r沉積期氣候較干旱(ω(SiO2)/ω(Al2O3+K2O+Na2O)平均為15.76),陸源輸入程度低(ω(Fe)/ω(Ti)平均為0.45),古生產(chǎn)力低(ω(Ba)/ω(Ti)平均為0.013),水體含氧量高,為氧化水體環(huán)境(ω(S)/ω(Ti)平均為0.47);泥質(zhì)灰?guī)r沉積期氣候較濕潤(rùn)(ω(SiO2)/ω(Al2O3+K2O+Na2O)平均為29.07),陸源輸入程度增加(ω(Fe)/ω(Ti)平均為0.56),古生產(chǎn)力提高(ω(Ba)/ω(Ti)平均為0.026),水體含氧量降低,轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原水體環(huán)境(ω(S)/ω(Ti)平均為0.62)。這與之前研究中的灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層特征一致,表明本次研究中茅一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層沉積是受短偏心率旋回驅(qū)動(dòng)的,而茅一段古溫度主要隨灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律旋回性疊置變化而呈現(xiàn)高頻的旋回性變化(圖8),說明茅一段高頻溫度旋回變化同樣是受米蘭科維奇短偏心率旋回驅(qū)動(dòng)的。

目前利用四川盆地上寺剖面建立的浮動(dòng)天文年代標(biāo)尺結(jié)合頻譜分析研究表明,中二疊世物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用(ω(Fe)/ω(Ti))、水體氧化還原條件(ω(S)/ω(Ti))和水體營(yíng)養(yǎng)水平(ω(Ba)/ω(Ti))均包含完整的米蘭科維奇旋回信號(hào)[48],受天文軌道控制。圖9所示為ω(Fe)/ω(Ti)曲線、ω(S)/ω(Ti)曲線、ω(Ba)/ω(Ti)曲線與中二疊世茅一段古溫度變化曲線對(duì)比圖,可以看出古溫度變化曲線與三種包含完整米蘭科維奇旋回信號(hào)的曲線具有良好的一致性,說明古溫度與物源區(qū)風(fēng)化、含氧量、營(yíng)養(yǎng)輸入具有相同的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,進(jìn)一步證實(shí)了茅一段古溫度變化是受米蘭科維奇短偏心率旋回驅(qū)動(dòng)的。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在一個(gè)旋回周期內(nèi),古溫度(t1、t2)峰值最先出現(xiàn),物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用(ω(Fe)/ω(Ti))峰值出現(xiàn)相對(duì)滯后,水體氧化還原條件(ω(S)/ω(Ti))峰值及水體營(yíng)養(yǎng)水平(ω(Ba)/ω(Ti))峰值最遲出現(xiàn),這表明天文軌道變化首先驅(qū)動(dòng)溫度改變,進(jìn)而影響氣候變化,且海洋對(duì)氣候變化的反映滯后于陸地系統(tǒng)。

綜上所述,中二疊世茅一段沉積期古溫度變化主要受米蘭科維奇短偏心率旋回驅(qū)動(dòng),短偏心率的旋回性變化是古溫度旋回性變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。短偏心率的旋回性變化調(diào)節(jié)歲差振幅改變,使地球接受日照量發(fā)生旋回性變化,驅(qū)動(dòng)古溫度旋回性變化,進(jìn)而引起氣候發(fā)生旋回性變化,進(jìn)一步造成陸源輸入、古生產(chǎn)力、水體環(huán)境的旋回性差異,最終控制了灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層的旋回性沉積。

6 結(jié)論

(1)四川盆地中二疊統(tǒng)茅一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層生物組合類型以有孔蟲、腕足和軟體動(dòng)物組合為主,缺乏造礁生物和鈣質(zhì)綠藻;巖石結(jié)構(gòu)特征以生物碎屑和灰泥支撐為主,無鮞粒等非骨架顆粒;礦物組分以低鎂方解石為主,無文石和高鎂方解石;缺乏早期膠結(jié)物,壓實(shí)作用明顯,生物碎屑呈明顯定向分布,與現(xiàn)代涼水碳酸鹽巖具有相似特征。

(2)灰?guī)r中ω(SiO2)/ω(Al2O3+K2O+Na2O)均值為15.76,ω(Fe)/ω(Ti)均值為0.45,ω(Ba)/ω(Ti)均值為0.013,ω(S)/ω(Ti)均值為0.47,87Sr/86Sr均值為0.707 0,為氣候相對(duì)干旱、陸源輸入低、古生產(chǎn)力低、含氧量高的氧化涼水環(huán)境;泥質(zhì)灰?guī)r中ω(SiO2)/ω(Al2O3+K2O+Na2O)均值為29.07,ω(Fe)/ω(Ti)均值為0.56,ω(Ba)/ω(Ti)均值為0.026,ω(S)/ω(Ti)均值為0.62,87Sr/86Sr均值為0.707 0,為氣候相對(duì)濕潤(rùn)、陸源輸入程度高、古生產(chǎn)力高、含氧量低的還原涼水環(huán)境。

(3)通過茅一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律的δ18O及ω(Mg)/ω(Ca)值定量重建了中二疊世早期茅一期(羅德期)的古海水溫度曲線?；?guī)r沉積時(shí)古海水溫度為13.79～14.28 ℃(平均13.90 ℃,ω(Mg)/ω(Ca)標(biāo)準(zhǔn))或3.72～12.38 ℃(平均8.15 ℃,δ18O標(biāo)準(zhǔn));泥質(zhì)灰?guī)r沉積時(shí)古海水溫度為13.82～15.41 ℃(平均14.27 ℃,ω(Mg)/ω(Ca)標(biāo)準(zhǔn))或7.00～14.24 ℃(平均10.97 ℃,δ18O標(biāo)準(zhǔn)),揭示中二疊統(tǒng)茅一段灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層為涼水碳酸鹽巖。

(4)中二疊世茅一段沉積期古溫度變化主要受米蘭科維奇斜率短偏心率旋回驅(qū)動(dòng),短偏心率的旋回性變化是古溫度、古氣候旋回變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。天文軌道變化首先驅(qū)動(dòng)古溫度變化,進(jìn)而引起古氣候變化,進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)陸源輸入、古生產(chǎn)力、水體環(huán)境變化,最終控制了灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r韻律層的旋回性沉積。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

范建平、宋金民、劉樹根、羅平參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);范建平、金鑫、王佳蕊完成實(shí)驗(yàn)操作;范建平、宋金民、劉樹根、江青春、李智武、楊迪、蘇旺、葉玥豪、黃士鵬、姜華參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by FAN Jianping, SONG Jinmin, LIU Shugen and LUO Ping. The experimental operation was completed by FAN Jianping, JIN Xin and WANG Jiarui. The manuscript was drafted and revised by FAN Jianping, SONG Jinmin, LIU Shugen, JIANG Qingchun, LI Zhiwu, YANG Di, SU Wang, YE Yuehao, HUANG Shipeng and JIANG Hua. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.