（环境科学专业论文）中下扬子地区二叠纪古气候古环境研究.pdf

r e s e a r c ho fp e r m i a np a l a e o - e n v i r o n m e n ta n d p a l a e o - c l i m a t ei nt h em i d d l el o w e r - y a n g t z e a r e a a b s t r a c t t h er e s e a r c ho l lp a l a e o - e n v i r o n m e n ta n dp a l a e o c l i m a t eh a sa l r e a d yb e c o m e o n eo fh o t s p o ta n df o r w a r dd o m a i n sw i t h i ne n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de a r t hs c i e n c e i nm i d d l el o w e r y a n g t z ea r e a f o u rp e r m i a ns e c t i o n sw e r ec h o o s e ds u c ha sh u b e i x i n g s h a nd a x i a k o us e c t i o n ，h u b e id a y ex i f a n l i s e c t i o na n da n h u ij i n g x i a n c h a n g q i a oa n d ，n a n l i n g y a s h a ns e c t i o n s t h ep a p e ra n a l y s e sc l a ym i n e r a l a s s e m b l a g e sa n dt o t a lo r g a n i cc a r b o nw i t h i nt h ep e r m i a ns t r a t a t or e b u i l dt h e p a l a e o c l i m a t ea n dp a l a e o e n v i r o n m e n t t h er e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 i ns t u d i e sr e g i o n ，t h ek a o l i n i t ei sd o m i n a t e di nc l a ym i n e r a la s s e m b l a g e si nt h e l o w e rp e r m i a n ，a n dt h ec o n t e n t sa r e4 9 0 0 a n d4 5 0 8 ，r e s p e c t i v e l y ，i nt h e e a r l ya n dl a t es t a g e so ft h ee a r l yp e r m i a n t h ec o n t e n to fi l l i t e i sd o m i n a t e di n t h el a t ep e r m i a n 。a n dt h ec o n t e n t sa r e5 8 2 9 a n d6 5 31 ，r e s p e c t i v e l y ，i nt h e e a r l ya n dl a t es t a g e so ft h el a t ep e r m i a n ； 2 i tw a sr e l a t i v e l yw e td u r i n gt h ee a r l yp e r m i a na n dt h ec l i m a t eb e c a m ed r yd u r i n g t h el a t ep e r m i a n ，a n ds h o r t t e r md r ya n dw e ta p p e a r e di nt h ee a r l ya n dl a t e p e r m i a n ，r e s p e c t i v e l y t h ep e r m i a np a l a e o c l i m a t ee v o l u t i o nm a yg ot h r o u g hw e t t od r y ； ， 3 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fg e o c h e m i s t r ya n do t h e rd a t a ，t h es a m er e s u l t sw e r e g o t t h ea n o x i c d y s a e r o b i ee n v i r o n m e n ti sp r e s e n ti np e r m i a ni nt h em i d d l e l o w e r - y a n g t z er e g i o na n de s p e c i a l l y i ng u f e n ga n dd a l o n gp e r i o d s t h e d y s a e r o b i ce n v i r o n m e n ta p p e a r e di nq i x i as t a g ei nl o w e r y a n g t z ea r e a ，b u tt h e a n o x i ce n v i r o n m e n ta p p e a r e do n l yi nh u b e ir e g i o n ； 4 t h es a m ec o n c l u s i o n sm a yb eg o tb a s e do nt h ed a t ao fg e o c h e m i s t r y ，t h ec l a y m i n e r a la s s e m b l a g e s ，t o t a lo r g a n i cc a r b o na n do t h e ra p p l i c a t i o n s ，a n dt h i s i m p l i e st h a tc l a ym i n e r a l sa n dt o t a lo r g a n i cc a r b o nm a yb ea p p l i e dt h er e s e a r c h o np a l a e o c l i m a t ea n dp a l a e o e n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：p a l a e o e n v i r o n m e n t ；p a l a e o - c l i m a t e ；c l a ym i n e r a l s ；p e r m i a n t h em i d d l el o w e r y a n g t z er e g i o n 插图清单 2 1 各温度带年均温以及气候年较差的关系9 2 2 高岭石形成与转化示意图1 1 3 1 研究区地质图1 5 3 2 扬子地区早二叠构造岩相古地理图1 6 3 3 扬子地区晚二叠构造岩相古地理图1 6 3 4 研究区二叠纪剖面样品分布图2 4 3 5 实测剖面部分野外露头插图2 5 4 1 以色列某地区玄武岩上覆土壤中蒙托石含量和降雨量之间的关系3 4 5 1 扬子板块二叠纪位置图r 3 9 5 2 不同剖面二叠系中高岭石的分布4 4 5 3 不同剖面二叠系中伊利石的分布4 5 5 4 安徽泾县昌桥剖面总有机质含量变化图4 6 5 5 湖北大冶西畈李剖面总有机质含量变化图4 6 5 6 湖北兴山大峡口剖面总有机质含量变化图4 6 5 7 中下扬子地区早二叠世栖霞期岩相古地理4 7 5 8 中下扬子地区晚二叠世茅口期岩相古地理4 8 5 9 安徽泾县昌桥和南陵丫山剖面样品粘土矿物x r d 衍射5 l 5 1 0 湖北大冶毛埔西畈李剖面样品粘土矿物x r d 衍射图5 3 5 1 l 湖北兴山大峡口剖面样品粘土矿物x r d 衍射图5 5 6 1 湖北大冶西畈李二叠系古气候和古环境演化图5 7图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 1 1 古气候研究阶段3 2 1 古气候判别的矿物岩石标志8 2 2 不同粘土矿物( 组合) 的环境指示1 2 2 3 不同环境的元素指标1 3 2 4 各古氧相地球化学指标1 3 4 1 常见氧化还原剂特征3 0 4 2 常见粘土矿物经不同处理后d ( 0 0 1 ) 值3 3 5 1 研究区二叠系地层岩石对比3 8 5 2 安徽泾县昌桥和南陵丫山剖面样品分布4 1 5 3 湖北大冶剖面样品分布4 l 5 4 湖北兴山大峡口剖面样品分布4 2 5 5 安徽泾县昌桥和南陵丫山剖面粘土矿物种类以及含量4 2 5 6 湖北大冶毛埔西畈李剖面粘土矿物种类以及含量4 3 5 7 湖北兴山县大峡口剖面粘土矿物种类以及含量4 3 表表表表表表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 撇姗擗场聊蝴期：少年序月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目! 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒魍兰些盔 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 名：吗哕新毖帛t 签字脓哆够月矽目 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：年月日 电话 邮编 致谢 毕业论文是在我的导师李双应教授的悉心指导下完成的，在此，对李老师 表示最衷心的感谢! 在研究生学习期间以及生活中得到了导师的各个方面的指 导和关心。导师的求实的态度、和蔼可亲的精神，深深的鼓舞着我，使我在今 后的生活和学习中获益匪浅。 在实际野外工作中，得到了李老师的不倦教诲，没有李老师的帮助，本次 论文就无法顺利完成。 野外工作还得到了王道轩教授的指导，实验工作得到刘因教授的帮助，x 射线衍射样品分析得到化工学院唐书培教授的支持，在此，一并表示谢意! 另外，还得到了孔为伦师兄，师弟万秋、刘毅、杜叶龙和师妹万超以及其 他师兄弟的大力帮助，在此也对他们表示感谢。 论文的顺利完成，也得益于资环学院给我一个工作平台，在此对全体老师 表示感谢! 最后感谢我的家人对我的支持。谢谢! 第一章前言 1 1 研究的目的和意义 近百年来，全球的气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化，在我国 西北、华北、东北地区，气候变暖也相当明显。气候变暖引起了生态和环境一 系列变化，如海平面上升、冰川融化退缩、冻土面积减少、春季积雪减少、湖 泊收缩、河流径流量下降、流程缩短或断流、泥石流和滑坡发生频次增加、沙 漠化不断加剧、亚洲季风减弱等。而且我国的气候变化具有明显的区域特点， 主要表现在许多地区出现的夏季干旱化趋势和暖冬现象。 气候变暖也导致了极端天气与气候事件( 干旱、暴雨、冰雹、雷电、风暴、 厄尔尼诺、高温天气和冷害等) 的频率与强度增加，使得我国气象灾害更频繁 地出现。近l o 年中，我国每年由气象灾害引起的直接经济损失约在6 0 0 一1 8 0 0 亿 元之间。1 9 9 8 年因汛期连降暴雨而使得长江出现了继1 9 5 4 年以来又一次全流域 性的洪水，嫩江、- 松花江流域出现超历史记录的特大洪水，2 9 个省( 市、区) 2 3 亿人( 次) 不同程度受到灾害影响，死亡3 6 5 6 人，造成直接经济损失2 6 4 2 亿元。加强气候和气候变化研究，对避灾减灾意义重大。 随着事态的发展，人们认识到环境和气候的恶化似乎还在加剧，近年来， 自然环境的形成与演变的课题在国际范围内得到了重视和发展。人们开始寻找 气候、环境变化规律，对其演变做出预测，科学技术的发展也为人类在这方面 的研究和探索提供了技术支持。例如，遥感技术和人造卫星的结合，使得人类 可以对全球的环境和气候进行监测；深海勘探和极地冰盖钻探技术的发展，已 经对全球的气候及其相关研究提供了许多新资料；显微技术的进步使得人类开 始从微观世界中寻找以前通过宏观不能解决的问题：年代学特别是放射性同位 素与古地磁测年技术的进步可以对环境演变中重大的事件定年提供强有力的武 器：大容量快速计算机的使用，将大量资料综合处理和对环境以及气候的变化 进行模拟试验，进而为预测提供了可能性。 以全球变暖为突出标志的全球环境变化及其可能对生态系统及人类社会产 生的影响，已经引起了科学家、各国政府及社会各界的极大关注，重建古气候 变化序列不仅能认识过去气候变化的特征，而且对现代气候变化的认识和对未 来气候变化的预测也有重要的科学意义。 。 众所周知，无论是现代沉积层还是地史中的沉积地层都会受到了四个因素 的控制，气候就是其中一个重要因素。气候控制了沉积物供给，风化搬运的方 式以及岩相类型。许多生物的生存及沉积矿床的形成，都与气候因素密切相关。 古气候影响着潮湿带的分布和动植物的发育。也影响着一些沉积矿产的形成与 赋存，研究古气候有助于我们对地球的演化、生物的进化以及对各种矿藏的成 因有更深刻的认识，还有助于我们对成矿进行预测。 应用古气候学进行成矿预测的经典实例是地质学家对古洋流的研究，认为 在洋流上升到较暖的浅海地区的时候，海水中的磷酸钙会沉积下来，根据这种 认识使澳大利亚找到了巨大的磷矿床。 研究古气候旨在古为今用，利用规律，预测气候环境变化的走向。应用各 种高科技分析手段，应加强区域和全球不同尺度气候环境的预测，趋利避害， 更好地服务于人类。 所选课题来源于安徽省自然科学基金项目：下扬子地区二叠系异地成因碳 酸盐岩及其成矿意义研究和中国石油化工股份有限公司重大基础研究项目：中 上扬子及邻区古生代古沉积环境演化研究。本研究通过粘土矿物、总有杌质以 及岩石学和地球化学的分析，探讨中下扬子地区二叠纪古气候和古环境特征及 演化规律。 1 2 国内外研究现状 对古气候研究，最早开展于欧洲和北美，研究学者开始认为在整个地质历 史时期的气候都是温暖的，到第三纪气候才变冷，直到更新世出现冰川i 。但是 直到后来北美前寒武纪冰川的发现。才使得人们对这改变了认识，地质学家 l y e l l 认为气候变化是由海陆分布以及洋流引起的，其后b r o n g n i a r t 发现气候 与植物之间的联系，他首先解释了植物化石的古气候意义，经过对欧洲一些地 方的植物群研究，他认为欧洲的一些地方在过去出现过很长时间的热带气候。 在第二个阶段大约是在1 9 世纪后期之2 0 世纪初期开始的，在印度以及南半 球的很多地方都发现了古生代的冰川沉积( 或者是冰渍物) ，从此研究学者就不 再把冰川看着是更新世的独特的现象了。在第二个阶段存在着两种争论，一种 认为现今的的地貌与古时的存在着很大的差异，各个大陆之间都发生了运动， 这就是我们熟悉的大陆漂移学说；另外一种解释，也就是认为温暖是当时的气 候的特点。在这个时期，古气候学已经成为独立的学科，在这个时期出版了很 多古气候学的专著，如k o p p e n ，w 和w e g e n e r 的地质时期的古气候，k e r n e r 的古气候学以及b r o o k s 各个时期的气候等等( 赵锡文，1 9 9 2 ) 。 在第三阶段，研究者开始把注意力重点放在了现代气象学和气候学的研究 上，他们认为现今的一些资料可能会对古气候的研究提供一些重要的参考。在 这个时期，研究者认为古气候受到了很多因素的影响，例如太阳辐射、太阳黑 子活动、大气透明度、火山爆发所产生的尘埃等等。其中a r r h e n i n s 和c f l a m b e r l i n 认为由于地上碳酸盐以及煤炭的沉积量增加，c 0 ：量逐渐减少，因而大气保护热 量的能力在降低。在这个阶段中很多学科的进步都促进了古气候学的发展，如 沉积学、沉积岩石学、古生物学、生态学以及同位素化学，根据分析可以准确 的得到古代气候条件，如干、湿、热、冷等。如h u d s o ne ta l ( 1 9 9 9 ) 对英国 约克郡o u s e 流域中7 个河漫滩沉积物进行气候研究以及0 l l e y ( 2 0 0 0 ) 对澳大利 亚的m u r r u m b i d g e e 河流流域中的部分沉积物进行气候研究等等。在1 9 4 7 年，u r e y 2 表1 1 古气候研究阶段( 据赵锡文，1 9 9 2 ) 阶段 代表人物著作 主要观点 在第三纪之前，地球 是温暖的，在之后逐 渐变冷。气候的变化 第 l y e l l ， 是由于海陆分布以 b e e r 0 b o o k e r ，及洋流形成而受剑 阶 w jb r o n g n i a r t影响。还发现了气候 段和植物分布之间的 一些联系。欧洲一些 地方过去曾经一度 为热带气候。 s cl z w a r z h r h ，m 第 b r o o k s ，c e p ，c o 一 地质时期的古气候 对大陆漂移学说的 1 e m a n ，ap ，h u i t i 古气候学 争论阶 n g t o n ，e ，v is h e r ， 各时期的气候 段 s s ，小林贞一，和 w e g e n e r ，。 a r r h e n i n s ，s 和 大气成分、地形对气 第c h a m b e r li n 。t c 候的影响；洋流对气 候可能改变的后果， 二二 r a m s a y ，w 和h u l l 和 树木年代学，古生物 阶c h a m b e r l n ， 生态，地理分布氧 段t c d o u g l a s s ， 同位素测水温现代 e m i l i a n i ，c 气象学 b e r g e r ，w h 等地球历史中的气候 b u d y k o ，m i 地球气候的过去和未来 同位素地球化学冰 b u d y k o ，m i 等地球大气圈的历史 期和古地理的恢复， b r e n c h l e y ，p j化石和气候 大气海洋环流模式 第 c h a z i ，a 古气候的研究和模式和冰期气候的模拟， 四 h e c h t a d 古气候分析模式化古环境的恢复，地球 阶 h a b i n c h t ，j k a 古气候、古地磁和大陆漂移 轨道的变化和气候 段p e a f o r t ，r 气候和演化 的关系，大气中二二氧 f u y o n ，r 古气候学基础 化碳的波动，并将古 l a m b ，h h 气候，它的现在、过去和未来 气候的成矿和矿产 n a r i n ，a e m 古气候学问题 的寻找结合起来 s c h w a r z b a c h m 史前的气候 根据生物( 如菊石、有孔虫等) 的壳中碳酸钙氧同位素( ”o 0 ) 分析可以得 知当时的古水温。e m i l i a n i ( 1 9 5 5 1 9 5 6 ) 对d s d p 计划( 即大洋钻探计划) 采 集的样品开创性的利用浮游有孔虫壳体碳、氧同位素对古气候进行研究之后， 海洋沉积物微生物壳体碳、氧同位素研究已经成为古气候研究的重要手段， i n b r i e ( 1 9 7 1 ) 通过微体古生物的q 型因子分析建立了浮游有孔虫转换函数，为 古气候数据的定量化做出了贡献，陈木宏的放线虫古气候转换函数就是其的发 展和补充；h a y s 等( 1 9 7 6 ) 对南印度洋r c l l 1 2 0 孔的氧、碳同位素研究不仅证 明了氧、碳同位素在古气候中的重要作用，而且建立了氧同位素标准曲线，这 为后来的研究提供了一项重要标准。p i s i a s ( 1 9 8 4 ) 、m a r t i n s o ne ta l ( 1 9 8 7 ) 通过更加详细的工作，建立了不同海区不同时段的氧同位素标准曲线从而确立 了氧同位素研究在古海洋研究中重要地位。 第四阶段，古气候的研究方法和技术手段和前几个阶段比较起来都有了很 大的发展。同位素化学、冰期和古地理的恢复、大气海洋环流模式和冰期气候 的模拟、古环境的恢复、地球轨道变化和古气候的关系等等。古气候的研究也 空前高涨，各类关于古气候的书籍也陆续出现，n a r i n 的古气候学问题、f u r o n 的古气候学基础、p e a r s o n 的气候和演化、h a b i c h t 古气候、古地磁和 大陆漂移、c h a z i 的古气候研究和模式、b r e n c h l e y 的化石和气候和h e c h t 古气候分析及模式化等等，详细情况见表1 1 。 我国古气候研究开始于李四光教授，他在1 9 2 2 年就撰写了华北晚近冰川 作用之遗迹一文。1 9 3 1 年，古生物学家杨钟健先生出版了我国第一部古气候 专题论文古气候学概论，系统的介绍了古气候学的研究内容、方法以及各个 时期古气候概况。并且海探讨了气候可能变化的原因。1 9 3 7 年，马廷英教授发 表造礁珊瑚的成长率及其与海水温度之关系等论文，首次根据了四射珊瑚 的年增长长度的变化来推测古海水的温度，这方法后来被广泛的使用，此外在 1 9 4 1 年他还出版了盐原植物群与亚洲第四纪冰川的关系。 上个世纪8 0 年代后期，大多数学者都集中在第四纪古气候的研究，如张林 源研究了青藏高原隆升对中国乃至世界第四纪气候影响，刘东生教授对我国第 四纪黄土的研究，使其成为国际古气候研究的前沿领域。随后在第四纪研究中， 人们研究了各种替代指标与古气候、古环境之间的关系，如哺乳动物与古气候、 气候与海平面升降以及孢粉与古气候的关系等。正是学者的不懈努力，大大提 高了我国第四纪古气候研究的水平。同时，人们也开始将第四纪的研究成果开 始运用对更早的古气候研究，如赵资奎( 1 9 8 3 ) 运用恐龙蛋的蛋壳中的碳、氧 同位素对山东莱阳白垩纪的古气候定量研究。 随着科学技术的提高，研究手段的更新，很多研究学者开始尝试更多的手 段和方法开始对古气候、古环境进行分析和重建。覃嘉铭( 1 9 9 7 ) 在运用沉积 学分析学研究的基础上，利用桂林盘龙洞种石笋同位素记录对该地区末次冰期 3 2 3 6 万年时古气候变化进行了研究：董军社( 1 9 9 8 ) 通过哺乳动物化石牙 齿釉质中的碳、氧同位素组成进行古气候重建方面的研究。由于哺乳动物化石 牙齿中釉质能有效地抵抗成岩作用的影响，并保存原始的碳、氧稳定同位素组 成信息。通过对食草类哺乳动物化石牙齿釉质同位素组成的分析可以重建这些 动物生存时代的古气候；南君亚( 1 9 9 8 ) 通过对贵州二叠纪和三叠纪地层沉积 4 岩相，古生物组合，稀土元素，碳氧同位素和微量元素地球化学综合研究，对 贵州二叠纪、早一中三叠世和晚三叠世三个地质时期古气候和古海洋环境进行 了分析和重建。发现该地区二叠纪为潮湿的热带海洋性气候，海水相对氧化， 盐度正常，平均温度为5 3 ，早一中三叠世为干燥的大陆性气候，海水相对还 原，盐度较高，平均温度为3 8 ；晚三叠世又转变为潮湿的气候等等；薛根 元等( 2 0 0 5 ) 根据浙江省新昌硅化木的分布与特点，应用硅化木记录的可知性 和植物学的类比原理，通过该地区硅化木、其他植物化石和岩性组合等综合分 析，初步探讨了早白垩世新昌盆地南洋杉型木的生态环境，以此研究该时期东 南沿海地区的古气候主要特征( 温暖、湿润及有时存在相对干旱的季节，同时 呈现由温湿逐渐转变为干旱炎热的气候变化趋势，且古气候可能存在一定的季 节变化) 。 近年来，越来越多国内外学者开始用粘土矿物( 组合) 对古气候、古环境 进行研究和重建。j a c i n t oa l o n s o a z c d t r a t ee ta l ( 1 9 9 7 ) 在西班牙伊比利 亚地区的二叠纪和三叠纪沉积物中粘土矿物进行了分析，分析样品采集于早二 叠到中三叠时期的陆相红层和浅海相碳酸盐。在硅质岩和碳酸盐结构中选取了 7 7 个粒度较细的样品( 粉沙岩和泥灰岩) ，同时为了研究二叠一三叠源区，在晚 古生代地层露头中额外采取了几个变质岩样品。作者认为：二叠一三叠中所含 的粘土矿物应该反应了源区的变化、沉积环境和古水流是通过沉积岩石和古地 理方法分别来呈现。 样品分析是通过x 射线衍射( x r d ) 和扫描电镜( s e m ) 方法。试验中在获取了 大于2 u m 组分，对大于2 u m 组分制成三种定向片一一自然片、5 5 0 片和e g 片；定 向片经过菲利普公司的x r d 衍射仪进行扫描，小于2 u m 的矿物碎屑含量少，大部 分为自生矿物( r o b i n s o ne ta 1 ，1 9 9 0 ) ，而大于2 u m 受到碎屑影响大，应该代表 的是源区的特征。 赵东升等( 2 0 0 1 ) 讨论了柴达木盆地粘土矿物特征及其演化特征，对柴达 木盆地下侏罗系河流夹沼泽相沉积的第三系以来湖相沉积的粘土矿物进行了x 射线衍射、电镜等分析和研究，在此基础上讨论粘土矿物的成因，母岩分布和 性质、水介质条件和古气候对粘土矿物形成和演化的影响，并通过粘土矿物含 量和组合对比，讨论粘土矿物的组合差异的原因。蓝先洪( 2 0 0 1 ) 研究了海洋 沉积物中粘土矿物组合特征以及古环境意义，发现海洋沉积物中的粘土矿物组 合的变化与气候演变存在着一定对应关系，海洋沉积岩芯中粘土矿物的含量和 特征的变化是受到古气候的控制和影响，粘土矿物组合的变化反映了源区气候 变化，从而记录了区域古气候演化的重要信息。程捷等( 2 0 0 3 ) 应用粘土矿物 在黄河源区古气候研究中，分析了一个全新世地层剖面的粘土矿物类型和含量 的变化，成功利用了沉积物中粘土矿物的组成探讨了黄河源区全新世的古气候 变迁，黄河源区在全新世的气候寒冷干燥，即使在大暖期也显得温凉。全新世 的气候演变可划分为3 个阶段，即早全新世的干冷期、中全新世的温凉期( 大暖 期) 和晚全新世的于冷期。但在大暖期期间前后也发生了两次较强的降温事件。 李双建等( 2 0 0 6 ) 对库车坳陷北部第三系沉积剖面进行了系统的沉积物颜色测 定和粘土矿物分析，利用了粘土矿物等对库车坳陷第三纪气候变化的进行指示。 r o b e r t ( 2 0 0 4 ) 加利福尼亚南部s a n t ab a r b a r a 盆地新近纪以来气候变化指示的 粘土矿物的证据进行了研究。在研究区选取了9 8 个样品，每个样品都通过干燥 和粉碎且过6 3 u m 筛，小于6 3 u m 的组分除去碳酸盐( 1 0 h c l ) 后，再用去离子 水清洗，通过反复洗几次之后加入抗絮凝剂，小于2 u m 的粘土成分通过沉降法分 离( 通过斯托克斯公式设定时间) ，然后滴在玻璃片上。粘土矿物组合通过对制 取的定向片进行x 射线衍射分析，利用x 射线衍射仪进行分析。同样制得三种定 向薄片( 自然片、e g 片和5 5 0 片) 进行扫描分析，利用衍射图谱衍射峰高对其 进行半定量分析分析，在研究区内沉积物中得到了粘土矿物组合，包括绿泥石、 伊利石和随机的混层矿物，蒙脱石和高岭葛。占优的是蒙脱石4 0 - - 8 0 ) ，其次 是伊利石( 1 0 4 0 ) 、高岭石( 痕量1 5 ) 和绿泥石( 痕量1 0 ) 。痕量 和随机的矿物代表了偶发事件，粘土矿物组合不会对1 6 0 0 0 0 年以来任意一个重 大事件的记录，只是指示了沉积源区是陆相沉积，也指示了风化情况等，这些 特点还保持本质特征。伊利石是对风化和侵蚀的良好指示。高岭石的出现说明 了温暖潮湿的特征。根据粘土矿物以及其组合的反应，所得出的结果与其他分 析的结论是一致的。 1 3 研究区的概况 。 中下扬子地区主体部位西靠黄陵背斜，东邻黄海之滨，北以大别一秦岭为 界，南接洞庭湖、鄱阳湖的广大地区，涉及四川、贵州、湖北、湖南、江西、 安徽、江苏、浙江八省，对该地区二叠系的研究已经非常广泛，但大多数多是 在确立各个地层研究( 张克信，2 0 0 2 ；金帆等，2 0 0 3 ) ，以及沉积相和沉积环境 的研究( 李双应等，2 0 0 2 ：宋章强等，2 0 0 5 ；张克信等，2 0 0 5 ) 等等。雷卞军 ( 2 0 0 2 ) 等根据鄂西古生界的许多层位中不同程度地发育硅质岩，依据f e a l m n - - - 角图，c u 、n i 、c o 、c r 、z r 的关系，u - t h 判别图，b a 、a s 、s b 元素和r e e 分配模式等地球化学指标，对各个组进行了生物化学和化学沉积分析，得出孤 峰组和大隆组层状硅质岩、茅口组灰岩中燧石结核不属于典型的热水沉积相， 但受热水作用的影响，而孤峰组硅质岩受热水作用明显。鄂西五峰组和龙马溪 组硅质岩的沉积环境是四周被古陆或台地环绕的半封闭深水相滞流瓮地。鄂西 孤峰组和大隆组硅质岩的沉积环境是由裂陷作用形成的碳酸盐台地内部的盆地 ( 或台沟) 滞流还原环境。 利用粘土矿物、有机质等对研究区域气候分析研究还为数不多。本次研究 通过对中下扬子二叠纪剖面实地测量，实测剖面8 条，采集样品5 0 0 余块，选取其 6 中四条剖面进行分析。通过制取代表的是源区的特征碎屑粘土矿物组分( 2 u m ) ， 通过x r d 衍射仪对样品制成三种定向片一一自然片、5 5 0 片和e g 片进j 亍扫描， 根据x r d 衍射图谱中峰高和积分强度等确定各组样品中粘土种类和相对含量，共 分析粘土矿物样品3 1 块，再利用容量法测定样品中总有机质的含量，有机炭分析 样品样品共2 7 块。 本文将根据粘土矿物组合和相对含量、总有机质含量以及地球化学特征等 对中下扬子地区的二叠纪古气候、古环境演化规律进行探讨。 第二章古气候、古环境的判别标志 在世上任何事物都会存在发生、发展和消亡这样的过程，在这个过程中， 随着事物的发展，周围的环境也会相应的发生变化( 留下“痕迹”) ，在事物消 亡后，事物发展过程中所留下的痕迹会给我们重新研究它提供一定的依据和探 索手段。对古气候、古环境的研究和分析也样，遥远的古气候、古环境己经 从地球上消失，但古气候、古环境也经历了相应的发展阶段，也留下相应的“痕 迹”，对古气候学研究主要通过研究地层中的遗留下来的气候标志，主要利用岩 石矿物( 组合) 特征、古生态系统特征、古生物成分、板块的位置、地球化学 以及是否有冰期以及海水入侵和消退等，通过科学的方法来推断古时候的气候 状况以及演变。前人对古气候、古环境的研究和重建，大致是从以下几个指标 方面来进行。 2 1 古气候、古环境的矿物岩石学标志 特定环境下，出现的岩石类型是不同的，例如白云岩一般认为是海退的时 候，由于蒸发量大于降水量，从而从水体中直接沉淀出来。石膏岩认为是在强 干旱的气候下形成的。不同气候条件下矿物岩石标志总结于表2 1 中。 表2 1 古气候判别的矿物岩石标志 特点判别标志 参考资料 溢暖一 赵锡文( t 9 9 2 ) 炎热 铁矿层、磷块岩、鲕状赤铁矿、鲕状灰岩 王永吉等( 1 9 9 3 ) 蔡雄飞( 1 9 9 4 ) 温暖潮 红士、表生钾锰矿物、油、气田、油页岩，沉积岩中有机质含奄高，硅 王伟铭等( 1 9 9 7 ) 湿 铁质岩，粘土中高岭石含量大于伊利石，煤层发育 马在平( 1 9 9 8 ) g i n g e l ee ta 1 热带和 亚热带 碳酸盐类风暴岩，碎屑高拿石发育 ( 2 0 0 1 ) 迟振卿等( 2 0 0 2 ) 千冷 黄土发育明显，出现伊利石囊脱石，伊蒙混层褐绿泥石，伊利石发育 汤艳杰等( 2 0 0 2 ) 金明等( 2 0 0 3 ) 干燥、炎 岩盐、石膏、钾盐、萤石、天青石、碳酸盐汗灰岩角砾、长石、风成 陈涛等( 2 0 0 3 ) 沙漠沉积，沉积岩石中有机质含量较低，铝土矿，铝土质泥岩，菱铁矿， h u r r u ( 2 0 0 3 ) 热 胡涛等( 2 0 0 4 ) 褐铁矿，且出现大量的高岭石 李建威等( 2 0 0 4 ) t l 生蒙脱石、牯土、坡缕石、簿泡石、紫红色沙砾岩、长石石英砂岩，陈天虎等( 2 0 0 4 ) 千旱 砂球，粘土中高岭石的含量小于伊利石纪友亮等( 2 0 0 5 ) 张新荣等( 2 0 0 5 ) 半干旱 共生的萤脱石、赤铁矿 w i n k l e r ( 2 0 0 7 ) 寒冷冰碛岩，擦痕漂砾、新鲜未风化的长石，具有菱形晶体牯土中的方解石 2 2 古气候的生物判别标志 各种生物生长的区域都是一定，区域的各种因素都对生物产生影响，如果 知道区域中的生物的大概种类，根据生物的共有习性就可以对该区域的环境、 气候等有个大概的了解。 0 51 01 5 2 0 2 5 出应年1 2m a r ( 度) 图2 1 各温度带年均温度以及气温年较差的关系( 全 成等，2 0 0 5 ) t r ：热带雨林，p r ：副热带雨林，n b e ：常绿细叶阔 叶林，m c ：混生针叶林，m b e ：常绿小叶阕叶林，肥e c ： 常绿针阔混交林，删：混生中生林，t u ：苔原， 首先检测古地层中生物的种 类，确定该生物群现存类群在和 世界的地理分布范围，确定每个 种群生长所需的7 个气候参数 ( 年均温、最热月均温、最冷月 均温，年较差，年均降雨量，平 均最大月降雨量平均最小月降 雨量) 的变化范围，将所有类群 的气候参数变化范围进交叠，即 可得出所有类群的气候参数的 共存范围。 现在这项做的最为认可的是 对植物孢粉进行的工作。首先对 采样来的孢粉进行统计，得到各 种植物种属的孢粉数量，再绘制 从地质年代久远的向较新的孢 粉图谱，直观看出植物种属的变 化趋势，是否有哪种植物种属有 突然增加( 减少) 和出现( 消失) 的现象，以及要了解优势种的种属。在利用 各种种属的气候参数和加权法就可以大致古地层当时的气候特征，以及气候变 化的趋势和波动情况等。图2 1 为不同温度带中年均温和气温年较差之间关 系。 2 3 粘土矿物 粘土矿物就是具有无序过渡结构的微粒质点含水层状硅酸盐矿物( 任磊夫， 1 9 9 2 ) 。粘土矿物的来源比较复杂，既有碎屑成因的( 陆源粘土矿物) ，也有次 生成因的( 自生粘土矿物) ( y i l l o t ，1 9 6 5 ) 。m i l l o t ( 1 9 6 5 ) 根据不同地区的土壤 或风化剖面所经历的地球化学循环将粘土矿物成因分为三个基本过程：碲屑 成因，与风化作用有关。风化原岩的种类和介质条件如水、气候、地貌、植被 和时间等因素决定了矿物种和保存与否。主要继承母岩或母岩风化物；转变 类型，由沉积作用、成岩作用生成粘土矿物。在现代或古代沉积物有时可以形 成有工业意义的高岭土、膨润土、凹凸棒石粘土、海泡石粘土和其他粘土岩。 9 主要是因原有粘土矿物层间离子的变化而形成，但这种类型的矿物在很大程度 继承原始矿物的结构特征：新生矿物，是通过胶体或溶液的结晶作用而形成 的矿物。热液和温泉水作用于围岩，可以形成粘土矿物的蚀变富集带。 由于粘土矿物有自生粘土矿物和陆源粘土矿物两种。众所周知，在沉积盆 地中，形成自生粘土矿物，需要个稳定的沉积环境( a o s ie ta 1 ，1 9 7 3 ，1 9 7 4 ) 。 陆源粘土矿物主要是由母岩在不同的气候环境下风化而成。按风化的般规律， 化学元素的迁移率总是随着风化程度的加深而增高。在风化带中，元素流失， 使矿物相的变化具有明显的阶段性。一种原生矿物随着风化程度的加深，通过 一系列中间阶段，依次形成一些过渡性矿物，然后转化为与风化环境区相适应 的矿物( 陈正新，1 9 9 0 ) 。 2 3 1 伊利石 伊利石一词最初是由g r i m ( 1 9 3 7 ) 提出的，他把它作为泥质沉积物的云母 类粘土矿物的通用名称。伊利石与云母矿物样，属2 ：l 层型层状硅酸盐矿物， 成分类似于多硅白云母，它也被认为是结晶不好的白云母类，稳定性在蒙脱石 和白云母之间。伊利石一般为二八面体结构，富铝质，晶体为粘土粒级。根据 粘土矿物的演化特征，在蒙脱石向伊利石转变中存在1 m d 多型，在伊利石向白 云母转化过程中，存在1 m 、2 m 。和3 t 多型。 在x 射线衍射图中，伊利石具有1 o n m 的基面衍射峰，并有1 o n m 、0 5 n m 、 0 3 3 n m 和0 1 9 9 n m 的基面衍射序列。0 0 1 衍射峰( 1 o n m 常因间层的存在显得 不对称，在低角度一侧抬起。 关于伊利石的成因目前认为伊利石有碎屑成因的和自生成因的两大类，碎 屑成因的伊利石称碎屑伊利石，主要是地表岩石经风化后，形成陆岩碎屑再进 入沉积相中的。自生成因的伊利石称自生伊利石或成岩伊利石，是指在成岩过 程中，经过一定的物质转化而新生成的伊利石。关于自生伊利石的成因，泥岩， 页岩中的伊利石，可以认为是蒙脱石的伊利石化，至于砂岩中的伊利石，多认 为是高岭石的伊利石化，长石伊利石化及丝状伊利石，即新生变形机理形成的。 2 3 2 蒙脱石 蒙皂石族矿物属于2 ：1 型结构的具有膨胀性的含水铝硅酸盐，此类的矿物 一般具有三个特性：1 ) 蒙皂石族矿物单元层间含有层间水，层间还含有可交 换性的钙、镁、钾、纳等离子，这些离子容易被阳离子所取代，显示独特的收 缩、膨胀特性；2 ) 蒙皂石单元层除了c 轴以一定间距堆垛外，其a b 轴通常会出 现不规则的位移，从而使得结构具有二维晶体的特征；3 ) 蒙脱石族矿物四面 体和八面体之间存在着较为广泛的同晶置换，如四面体中的s i 经常会被a 1 所替 换，而八面体中的m g ”、f e ”、n i ”、z n ”、l i + 替代，从而会产生0 1 9 的层 负电荷，而这个结果表现的结果就出现了组分的复杂性和多样性。 二八面体蒙脱石族矿物有蒙脱石、贝得石等，其一般结构表达式为： 0 ( m + m n h ：0 ) ( 旷：，r ”，) ( s i4 - x a l 。) 0 ，。( o h ) ： 三八面体的有皂石、锂皂石、锌皂石等，其一般结构式为： ( m + i + ，n h ：0 ) ( r ”r + ，) ( s i 。a 1 ，) 0 。( o h ) z ( m + m n h 2 0 ) ( r ”r ”，) ( s i i a l ，) 0 。( o h ) ： 蒙脱石单个晶体一般由十余个单元层堆垛而成的，层间阳离子均以水化状 念出现，单元层堆垛常在a b 方向表现为无序，相邻层间完全随机旋转、平移， 层间不具有假六方空穴，x r d 中( 0 0 1 ) 衍射良好，其余只显示低角度一侧陡， 高角度一侧缓的不对称( h k ) 衍射峰。 2 3 3 高岭石 “高岭”一词据说是根据我国景德镇高岭山而得名，由于高岭石盛产该种 土样，故取名为高岭土。高岭石族矿物石包括所有的1 ：1 型二八面体层状硅酸 盐。所谓的1 ：1 型结构，是在两层间的位置上，由上面的四面体氧平面与下面 相邻的八面体o h 表面构成o h 一0 的配位，形成一个较长的键( 其离子间距约为3 a ) 。 通常包括高岭石( k a o l i n i t e ) 、迪开石( d i c k i t e ) 、珍珠陶石( n a c r i t e ) 、 l o a 埃洛石( h a l l o y s i t e l o h ) 和7 a 埃洛石( h a l l o y s i t e 一7 a ) 等数种矿物。 高岭石的典型分子式可用a 1 。( s i 。a ，。) ( o h ) 。来表示( m o o r ee ta 1 ，1 9 8 9 ) 。 在潮湿温暖的气候条件下由于淋滤作用较强，岩石强烈分解，淋滤作用加 强，常将一些碱金属、碱土金属流失( 盐基) 从土壤和风化壳中大量流失，丰富 的腐殖质在环境中移动与h + 、a 1 ”发生代换反应，故环境中呈弱酸环境，图2 2 为高岭石的形成转化示意图。在酸性溶液中硅析出成凝胶，当p h 为4 5 5 2 时， s i o ：和a 1 ：0 ，胶体最易中和而生成高岭石。因而高岭石是弱酸性和淋滤作用、化 学风化作用强烈的环境的指示矿物( 蓝先洪，1 9 9 0 ) 。 形成作用 ( 酸性环境) 红土风化 成岩作用 ( 酸性孔隙水) ( 酸性孔隙水) 图2 2 高岭石形成与转化示意图 2 3 4 绿泥石 绿泥石( c h l o r i t e ) 是2 ：1 型含水的层状硅酸盐，但是与其他2 ：1 型矿物 不相同的是绿泥石结构单元层的层间区域被带有正电荷的八面体片所充填，