巢湖下三叠统岩石地球化学特征及其环境意义

巢湖下三叠统岩石地球化学特征及其环境意义

在地球历史上发生了五次重大生物灭绝事件。二叠纪和三叠纪生物灭绝是地球历史上最大的一次（erwin，1994），约96%的海洋和70%的陆地生物消失。从叠生到早三叠世初期（erwin，2000；ber，2004；杨浩等人，2006；erwin，2007）。根据研究，生物灭绝是多幕次性的（尹等等人，2007；2006；2006；陆洋集尚等人，2009；海洋退沙（季鸿福等，1989；imarki等人，2007；reiew等人，2009；saurandsull，2009），海洋退沙（季林江纳岩，1984），碎屑袭击（柴志芳等，1986），缺氧事件（尹鸿福，1994；wigneton检查和thot，1996；李玉成和周忠泽，2002；meietal.，2011）天然气释放（krullandrentier，2000；liandzhou，2002；haas等人，2006）等许多因素。生物灭绝后，随着海洋环境的恢复和调整，生物生境和发育开始。因此，在生物生境最繁忙的时期，生态环境的破坏可能是生态环境的早期阶段。生态环境的破坏在早三叠世的早期9.5ma时间内不会消失的（schubertandtjer，1995；bowrull等人，1998）。严格的环境条件对栖息地的生物恢复和三叠纪之后的生物恢复产生了强烈的影响（wods等人，1999）。本文以早三叠世海上沉积物为研究对象，利用岩石化学成分和养分测定和分析手段，探索了早三叠世初章区生物恢复系统的动态发展过程。1岩石地层、层序地层早三叠世下扬子地区沉积相带呈北东-南西向展布,东南部为浅水碳酸盐台地,北西部为深水陆棚,中部为碳酸盐缓坡(图1),由南东向北西海水深度呈加深趋势(冯增昭等,1997).安徽巢湖平顶山剖面代表深水陆棚区沉积组合.该区三叠系研究一直倍受重视,有关本区的生物地层(郭佩霞和徐家聪,1980;李金华和丁保良,1981;丁梅华,1983;赵来时等,2003,2005;童金南等,2005a;Tongetal.,2006;Zhaoetal.,2007,2008a,2008b)、岩石地层、层序地层(童金南,1997;童金南等,2005b)、沉积特征(李尚武和吴胜和,1998)、碳氧同位素组成演化(Tongetal.,2002;左景勋等,2003,2004;童金南等,2005a;Zuoetal.,2006;Tongetal.,2007b)、生物复苏(Tongetal.,2007a;赵来时等,2009;陈剑波,2012)的研究都取得了重大进展.平顶山西坡剖面曾被提议为早三叠世Induan阶与Olenekian阶国际界线层型(Tongetal.,2003;童金南等,2005a;Zhaoetal.,2005,2008b).平顶山北坡、西坡剖面主要出露下三叠统下部殷坑组、和龙山组及南陵湖组下部地层.殷坑组为泥岩夹泥灰岩、瘤状灰岩及少量微晶灰岩,韵律清楚.下部韵律由泥岩、泥灰岩组成,上部韵律由泥岩、瘤状灰岩组成,韵律厚度80cm左右.泥岩呈灰绿、灰黑色,含黄铁矿结核,产双壳类、菊石等化石,水平层理发育,反映较深水沉积之特点.中部夹3层灰白色凝灰质粘土岩,单层厚度1~3cm.本组厚度38m左右.和龙山组主要为泥岩、瘤状灰岩、泥晶灰岩,向上泥晶灰岩增多,由泥岩→瘤状灰岩或泥岩→泥晶灰岩构成韵律层.泥岩水平层理发育,呈黑色、灰绿色,产菊石.上部黑色泥岩中产较多灰岩透镜体,大小不同,长轴平行层面.中小透镜体内有鱼化石,保存完好.本组属潮下低能强还原环境,向上水深变浅.厚度21m左右.南陵湖组下部为灰色块状泥晶灰岩夹灰绿色中厚层状瘤灰岩,由灰岩、瘤状灰岩构成韵律层,向上瘤状灰岩单层厚度逐渐变小,灰岩单层厚度增大.2地质及研究结果对巢湖地区平顶山北坡剖面下三叠统各组按岩性分层采取岩石化学全分析样品,对同一样品又进行了微量元素分析和碳、氧同位素组成测试分析.微量元素分析在湖北省岩矿测试中心完成,碳氧同位素组成测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成.常量元素SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、TiO2、P2O5,烧失量(Lost)和微量元素Sr、Ba、Ni、Co、Cr、V、Cu、Pb、Be、Nb、Zn的分析结果见表1、2.有关碳氧同位素组成分析及研究成果已开展过专题研究(左景勋等,2003,2004).2.1al2o3、tio3与al2o3的线性关系海洋沉积物中Al2O3、TiO2、K2O、MgO等常量元素具有相近的物质来源(Katoetal.,2002),一般来自陆源物质向海的输入,它们之间具有较好的相关性.Al2O3、TiO2在大气淡水中的溶解度较低,沉积成岩之后Al2O3/TiO2不易发生变化,因此,Al2O3/TiO2可作为评价海洋沉积物来源的良好标志(Sugisakietal.,1982).海相碳酸盐岩中Mg、K等元素在成岩过程中受大气淡水作用易发生流失,如果岩石中Mg、K含量发生变化,势必影响到MgO/TiO2、K2O/TiO2值,而巢湖平顶山北坡剖面下三叠统中TiO2与K2O、MgO、Al2O3良好的线性关系(图2),说明平顶山北坡剖面下三叠统基本保持原始海洋沉积的特点.2.2碳酸盐岩中sr、mg的含量现代海相灰岩中Sr、Mg含量呈良好的相关性(MucciandMorse,1983;Carpenteretal.,1991;CarpenterandLohmann,1992;CiceroandLohmann,2001),并且这种相关性主要取决于碳酸盐岩沉积时海水中的Sr/Mg值,淡水中Sr/Ca、Mg/Ca低于海水,海相碳酸盐岩在经历淡水参与的成岩作用后,Sr/Ca、Mg/Ca会显著降低(Whittakeretal.,1994),而且随着成岩作用强度的加大,Sr、Mg含量显著降低.因此,Sr/Mg是判断原岩化学成分变化的良好标志.如果非生物成因海相灰岩中Sr、Mg之间呈线性关系,那么碳酸盐岩中Sr/Ca、Mg/Ca可以看作原始海水中的Sr/Ca、Mg/Ca值(FrankandLohmann,1996;Hardie,1996;StanleyandHardie,1998).碳酸盐岩中Sr/Ca、Mg/Ca变化反映了Sr/Mg值的变化.因此,根据Sr/Ca、Mg/Ca之间的关系可以确定Sr/Mg值.图3为巢湖平顶山北坡剖面下三叠统Sr/Ca与Mg/Ca分布图.从图3a可以看出,下三叠统海相沉积岩Sr/Ca、Mg/Ca之间呈较好的相关性,相关系数为0.9768,且Sr/Ca、Mg/Ca之间关系可用Sr/Ca=0.0078Mg/Ca+0.0005表示,即Sr=0.0078Mg+0.0005Ca,Sr/Mg≈0.0078.Sr/Ca与Mg/Ca分布明显地分为2个区,即碳酸盐岩类区和泥岩(粘土岩)区.碳酸盐岩类区的Sr/Ca与Mg/Ca分别分布在0.0003~0.0014、0.0005~0.0806范围内,相对稳定;泥岩(粘土岩)区Sr/Ca与Mg/Ca分别分布在0.0012~0.0196、0.1298~2.3013范围之内,变化较大.粘土岩中的Sr/Ca与Mg/Ca主要取决于陆源碎屑或火山喷发物质;碳酸盐岩表现为化学成因,其Sr/Ca与Mg/Ca值则由原始海水中Sr、Mg、Ca浓度决定,较好地指示了原岩组份在后期成岩过程中变化不大.3三叠纪地球化学元素含量分布特征3.1正相关关系平顶山北坡剖面下三叠统全岩分析结果显示存在2组地球化学行为不同的元素(图4).常量元素SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5的含量具同步变化特征,它们之间的关系表现为正相关,与日本西南部远洋沉积二叠系/三叠系界线附近常量元素之间的关系(Katoetal.,2002)相似;CaO与烧失量(Lost)呈正相关关系,相关系数为0.9982;但这2组元素含量变化趋势相反,呈负相关关系.MnO与Fe2O3、CaO、Na2O、K2O、P2O5、烧失量(Lost)之间具微弱负相关性,而与SiO2、Al2O3、FeO、MgO的负相关性较好.SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5主要分布在陆源碎屑中.海相碳酸盐岩沉积物中这几种元素与δ13C呈负相关关系,δ13C是衡量海洋初始生产力的标志,大量陆源碎屑向海注入不利于海洋生物的生存,因此,本组元素对初始生产力起抑制作用.而CaO、Lost为海洋内生元素,与生物生命活动有关,与δ13C呈正相关关系.巢湖平顶山北坡剖面上,SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5主要分布于火山成因的粘土岩、泥岩、泥灰岩中,并且随着岩石中泥质含量的减少而降低,碳酸盐岩(如泥晶灰岩)中上述常量元素的含量最低.相反,CaO、Lost则主要富集于碳酸盐岩中,岩层中随着碳酸盐岩的增多两元素含量也呈增加趋势.因此,早三叠世海洋沉积物中上述元素的含量过高与晚二叠世末、早三叠世初的火山喷发有关,也是导致海洋环境恶化、生物灭绝的直接原因之一.3.2浮游植物群落特征巢湖平顶山北坡剖面下三叠统微量元素分布特征如图4所示.依据元素之间相关性,可将Sr、Ba、Ni、Co、Cr、V、Cu、Pb、Be、Nb、Zn共11种元素划分为4组.(1)微量元素Ba、V、Be、Nb、Zn为一组,这些元素之间呈正相关关系.其含量在格里斯巴赫亚阶、迪纳亚阶下部表现为显著正异常,在斯密斯亚阶中部表现为轻度正异常,其余层位含量均较低,各元素演化趋势相同,由下向上其含量呈降低趋势.与海相碳酸盐统计结果(TurekianandWedepohl,1961)相比,平顶山北坡剖面下三叠统中Ba的含量是海相碳酸盐岩的7.3~27.7倍,Nb的含量是海相碳酸盐岩的18.1~54.4倍,V的含量是海相碳酸盐岩的0.59~4.22倍,Zn元素的含量是海相碳酸盐岩的0.42~2.08倍,它们明显地富集于下三叠统下部岩层中,向上异常强度降低,且它们与δ13C均呈负相关关系,表明元素含量过高,对原始生产率的提高起着抑制作用.(2)微量元素Cu、Ni、Co、Pb为一组,这4种微量元素之间呈正相关关系.与前人进行的海相碳酸盐中统计结果(TurekianandWedepohl,1961)相比,平顶山北坡剖面下三叠统中Cu含量是海相碳酸盐岩的1.64~8.46倍,Ni是海相碳酸盐岩的0.75~1.72倍,Co是海相碳酸盐岩的73.0~134.3倍,Pb是海相碳酸盐岩的2.41~3.03倍.Cu、Ni、Co主要与基性岩浆活动有关,3种元素主要富集在下三叠统中下部,自下而上其含量呈逐渐下降趋势.Cu、Ni属表层耗竭-深海富集型元素,深海沉积物中Cu、Ni含量较高;Co、Pb属表层富集-深海清除型元素,二者在表层海水中含量较高,在深层水中含量却较低,但是Co在下三叠统下部富集达到134.3倍,Pb含量自始至终比较稳定,变化不大.这说明在海底存在Co、Pb的供给源,可能由海底断层中热液活动供给.浮游植物对Cu需求量极少,浓度增大对浮游植物具有毒负作用.Ni对生物酶具有激活特性,适量加入有利于藻类生长(张正斌等,1999).Co、Zn具有相同的植物生理作用,缺Zn时,Co可代替其功能.海水中维持适宜的Co、Zn浓度可以促进浮游植物生长.平顶山北坡剖面下三叠统中δ13C与Co、Ni、Pb、Cu均呈负相关关系,表明这几种微量元素含量较高,对初始生产力发展起到负作用.(3)Sr和CaO呈显著的正相关关系,并且与上述微量元素、及与除CaO之外的其他常量元素均呈负相关关系.格里斯巴赫亚阶CaO、Sr含量最低、斯帕斯亚阶含量最高,由格里斯巴赫期到斯密斯期则表现为渐增趋势.CaO、Sr与δ13C的正相关特性表明生物的生命活动对海洋沉积物中CaO、Sr起着控制作用.平顶山北坡剖面下三叠统中CaO、Sr含量的变化与柴之芳等对长兴煤山剖面二叠系-三叠系界线处研究的结果相同(柴之芳等,1986;芮琳和江纳言,1984),上二叠统长兴阶顶部CaO、Sr的含量较高,下三叠统下部CaO、Sr则呈显著下降趋势.4海洋古生代地球化学环境的恶化和恢复4.1-叠纪-三叠纪之交的火山活动二叠系-三叠系界线附近火山喷发成因粘土层中微量元素Ni、Co、Cr、V、Cu、Pb、Be、Nb、Zn分别高达78.0×10-6、14.4×10-6、109.4×10-6、149.4×10-6、70.0×10-6、48.6×10-6、3.5×10-6、23.5×10-6、151.0×10-6.印度阶-奥仑尼克阶界线处元素含量分别降低到30.0×10-6、11.8×10-6、18.9×10-6、43.9×10-6、18.5×10-6、26.9×10-6、1.2×10-6、10.1×10-6、38×10-6,到斯帕斯亚阶下部这些元素含量再次降至17.0×10-6、8.1×10-6、<5.0×10-6、18.2×10-6、8.8×10-6、19.3×10-6、0.5×10-6、6.7×10-6、17.0×10-6.与TurekianandWedepohl(1961)统计值相比,平顶山北坡剖面下三叠统中Co富集了73.0~134.3倍、Nb富集了18.1~54.4倍、Ba富集了7.3~27.7倍、Pb富集了2.41~3.03倍、Cu富集了1.64~8.46倍,而V、Ni、Zn在格里斯巴赫亚阶、迪纳亚阶及斯密斯亚阶分别富集了1.72~4.22、1.50~2.08、1.08~1.72倍;斯帕斯亚阶中V、Ni、Zn含量显著下降.与此相反,在上述元素含量较高的岩层中δ13C值较低,而在上述元素含量较低的岩层中δ13C值较高,因此,Ni、Co、Cr、V、Cu、Pb、Be、Nb、Zn元素含量与δ13C呈负相关关系.巢湖平顶山北坡剖面下三叠统中常量、微量元素含量变化的特点与晚二叠世、早三叠世初期的火山活动有密切关系.二叠纪-三叠纪之交存在着广泛的火山活动(殷鸿福等,1989),在西伯利亚东部、西部地区广泛分布着二叠纪-三叠纪之交喷发形成的火山岩(Kamoetal.,2006).我国的峨眉山玄武岩、下扬子地区上二叠统顶部及下三叠统中广泛存在的酸性火山凝灰岩夹层,都表明二叠纪/三叠纪之交火山活动频繁(何锦文等,1987;侯生秀,1987;李双应,1996).近几年来,在安徽巢湖平顶山西坡剖面斯密斯亚阶的中部发现火山凝灰质粘土岩.二叠纪/三叠纪之交的生物大灭绝与大规模火山喷发有关,频繁的火山爆发导致环境恶化加剧了生物灭绝(Clerketal.,1986).另外,对氧化-还原敏感的元素如V、Ni、Cu、Zn、Pb、Ba一般来源于热液成因,在静海缺氧的环境中沉淀下来,富存于黑色页岩中,下三叠统下部上述元素的富集表明早三叠世初期的下扬子海洋盆底部可能出现热液喷流现象.4.2早三叠世初期地质事件巢湖平顶山北坡剖面下三叠统中常量元素和微量元素分布的显著异常代表地质事件的发生,据深海碳酸盐岩中元素含量的统计值(TurekianandWedepohl,1961)来划分海洋地质事件,巢湖平顶山北坡剖面由下向上可识别出8次地质事件(图4).其中,早三叠世格里斯巴赫期4次(E1-E4),迪纳期2次(E5、E6),斯密斯期2次(E7、E8).规模较大的地质事件发生在早三叠世格里斯巴赫早期(E1)和迪纳早期(E5),并且由早到晚,事件规模呈逐渐变小趋势,至斯帕斯期,海洋地质事件基本消失,生态环境基本恢复.地质事件E1发生于二叠世末期,一直持续到早三叠世初期,造成的结果是海洋沉积物中常量元素CaO、MnO含量较低,表现为显著负异常,相反SiO、Al2O3、MgO、Fe2O3、FeO、K2O等常量元素及Ni、Co、Cr、V、Cu、Pb、Be、Nb、Zn等微量元素含量较高,表现出显著的正异常.此地质事件还导致二叠世末期的全球性生物绝灭事件及早三叠世初期的δ13C负漂移(Tongetal.,2005,2007a;Zuoetal.,2006),并见于世界各大陆早三叠世初期(Baudetal.,1989;Caoetal.,2002;Haasetal.,2006;Xieetal.,2007;Muetal.,2009;Meyeretal.,2011).格里斯巴赫晚期,由于地质事件E2、E3、E4的频繁发生,幕次性导致地层中部分常量元素和微量元素含量异常,随着地质事件E1影响强度的减弱,事件的幕次性渐趋明显,造成局部地层间隔内元素含量异常,如E4.地质事件E5发生于早三叠世迪纳早期,其规模较以前发生的E2、E3、E4大,造成地层中常量元素和微量元素含量正异常明显.E6、E7、E8地质事件强度逐渐减弱,间隔时间较长,沉积地层中记录微弱.E7事件层对应于斯密斯亚阶中的凝灰质粘土岩夹层,其中部分常量元素和微量元素的含量表现为暂时的高异常,持续时间不长.另外,地层中各类元素含量变化特征,可反映海洋环境的稳定性,早三叠世格里斯巴赫期,各类元素含量变化较大,代表海洋环境的不稳定性较大,至斯帕斯期,各类元素含量渐趋稳定,代表海洋环境逐渐恢复.综上所述,早三叠世初期是地质事件频发的阶段,海洋环境极不稳定,随着地质事件规模逐渐减小,海洋环境逐渐改善,生态环境逐渐恢复.5微量元素与13c(1)常量元素分为2组.SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、Mg