四川盆地中侏罗世砂岩中钙化结核碳、氧同位素组成分析

四川盆地中侏罗世砂岩中钙化结核碳、氧同位素组成分析

土壤中的碳是大陆气候和植被条件的重要环境指标。由土壤反应产生的碳和氧代氨酸盐可用来捕捉气候和古生态环境。Quadeetal在比较了土壤碳酸盐的同位素组分与成土母质中碳酸盐的同位素组分之后,发现它们相互之间并没有明显的继承关系,因此认为土壤碳酸盐的碳同位素组分是与土壤CO2的碳同位素组分直接有关的。Salomonsetal研究认为,土壤碳酸盐的氧同位素组分与大气降水的氧同位素组分有关。Cerling对现代土壤的研究指出,土壤中碳酸盐的碳同位素组成与地表植被的C3和C4植物相对生物量有关,可以通过理论计算来求得C3和C4植物的相对生物量,并用古土壤中碳酸盐的碳同位素组成来估计大气CO2的浓度。近年来,利用现代土壤和古土壤中碳酸盐的碳、氧同位素组成来获取生态和气候方面的信息日益受到人们的重视,在恢复第四纪的古植被和古气候方面取得了许多成果。韩家懋等在分析洛川黄土剖面离石黄土各层古土壤中钙结核的碳、氧同位素基础上,探讨钙结核碳同位素变化所反映的古土壤形成时的植被状况,并估算出当时的古温度及各层古土壤形成时的年平均降水量。杨石岭等对灵台红粘土-黄土剖面钙质结核的碳同位素进行研究,揭示了东亚季风区7Ma以来C3,C4植被类型的演替。以前的研究工作多是针对现代土壤或第四纪中的古土壤中的碳酸盐,而对更老时代古土壤中的碳酸盐的碳氧同位素组成及其环境意义的研究相对较少。四川盆地中生代陆相红层中蕴含有丰富的恐龙化石,其中中侏罗统沙溪庙组是恐龙化石分布最多、最广的层位,有蜀龙-峨眉龙动物群、马门溪龙动物群,自贡大山铺、广元河西等重要的恐龙化石埋藏地,恐龙化石均分布于其中。对四川盆地恐龙生活时代的古环境等问题已有涉及,但多是从地层的岩相、沉积构造以及生物特征等方面进行研究,而有关古土壤中的碳酸盐的碳、氧同位素特征及其古环境意义的研究尚少涉及。在对四川盆地中生代恐龙动物群古生态环境的研究中,就自贡大山铺、广元河西等重要恐龙化石埋藏地以及大足万古的沙溪庙组地层中采集的钙质结核,对钙质结核的碳、氧同位素组成进行分析,以探讨中侏罗世四川盆地的古植被类型及大气CO2的浓度,为重建四川盆地中生代恐龙动物群的古生态环境提供地球化学方面的证据。1钙土中钙结晶层中侏罗统沙溪庙组广泛地分布于四川盆地之中,由灰、灰紫色厚层至块状粗、中粒至细粒长石石英砂岩、长石砂岩及紫红色泥质粉砂岩、泥岩组成的数个不等厚韵律层组成,厚650m~2500m。根据该组中部所夹富含叶肢介及含植物碎屑、少量植物化石的黑色页岩—“叶肢介页岩”,可以分为上、下沙溪庙组(沙溪庙组上段、下段)。在四川盆地中生代陆相红层中,普遍可见钙质结核分布,但以中侏罗统沙溪庙组上段分布最为广泛,常成层分布,形成钙质结核层,成为地层划分与对比的标志之一。根据野外观察,钙质结核主要分布于洪泛平原之上的紫红色泥岩之中,形态一般为次球状或姜状,大小一般3cm~8cm±。对现代和古代河流沉积环境的研究表明,在河间地区存在一定时期不受河流影响的区域,在这一区域有可能在沉积物之上发育土壤。在半干旱的环境中,植物不太茂盛,漫滩上的细粒沉积物中普遍发育干裂,土壤可以开始发育,成层分布的钙质结核层是古土壤层的一个显著标志。研究中,在四川盆地西北部广元河西、中南部自贡和大足万古等处的沙溪庙组上段地层中,共采集了26件钙质结核样品(图1)。镜下鉴定表明,钙质结核主要由泥晶方解石和含铁粉砂岩、含铁粉砂质泥岩组成。碳酸盐岩矿物含量在60%~75%,含铁粉砂岩、含铁粉砂质泥在25%~40%之间。含铁粉砂岩、含铁粉砂质泥岩呈大小不一、形态各异的碎块分布于泥晶方解石之中。在钙质结核中还发育有晚期的不规则的溶蚀裂缝,由结晶方解石充填。参考黄土-古土壤序列中钙质结核的碳、氧同位素的研究方法,从其中选出了碳酸钙含量高、结构致密坚硬的钙质结核样品进行碳、氧同位素的分析。钙质结核切片后,在其中心部位用小刀刻取致密坚硬的碳酸钙10mg~20mg左右(共采样12件),采样过程中注意避免含铁粉砂岩、含铁粉砂质泥岩和后期结晶方解石混入样品中。样品送中国地质大学(武汉)测试中心同位素室测试,碳、氧同位素分析采用磷酸法,将样品与100%磷酸在25℃水浴中平衡反应,收集CO2,在FiniganMAT-251质谱仪上测定,δ13C,δ18O数据均以PDB为标准,分析误差小于0.1‰。2结果与讨论2.1钙失岩碳、氧同位素组成沙溪庙组上段中3个位置钙质结核的碳、氧同位素分析结果显示不同地点钙质结核碳、氧同位素组成没有显著的差异(表1,图2)。样品的碳、氧同位素均为负值,δ13C值在-9.30‰~-5.07‰之间,平均值为-7.06‰,标准差1.24,变异系数(标准差与均值之比)0.17,样品的δ18O值-10.50‰~-7.78‰之间,平均值为-9.34‰,标准差0.91,变异系数0.10,表明分析值的偏离程度均较小。与中生代成土作用形成的钙质结核的碳、氧同位素组成作过研究相比较,如韩国早白垩世Hasandong组钙质结核的δ18O值在-14.2‰~-18.0‰之间,平均值为-16.7‰,δ13C值在-2.4‰~-9.3‰之间,平均值为-5.6‰;日本早白垩世Shimonoseki亚群中钙质结核的δ18O值为-20.1‰~-22.8‰,平均值为-22.1‰,δ13C值在-5.4‰~-7.0‰之间,平均值为-6.7‰。四川盆地中侏罗世钙质结核的碳同位素组成与之接近,而氧同位素差别较大,说明成岩作用对岩石的改造作用。另外,沙溪庙组中钙质结核的碳、氧同位素组成与北方黄土-古土壤序列中钙质结核的碳、氧同位素组成上具有一定的相似之处,而与四川盆地早侏罗世湖相碳酸盐岩的碳、氧同位素组成(-4.49‰~1.62‰,δ18O值为-9.14‰~-4.56‰)存在显著的差别,说明钙结核与湖相碳酸盐岩具有不同的成因。而与洛川剖面离石黄土古土壤中钙质结核碳、氧同位素组成(δ13C值为-7.19‰~-4.09‰,δ18O值为-9.93‰~-8.43‰)相比较具有一定的相似性。从一个侧面说明沙溪庙组钙质结核是成土作用的产物。2.2cd、c、c植被环境下313c值的变化成岩作用使碳酸盐化学成分发生改变被认为是中生代和古生代古土壤同位素研究的主要障碍。虽然成岩作用可能明显地改变钙质结核δ18O值,但对于δ13C值并没有显著的影响。钙质结核样品中以泥晶方解石为主,表明这些碳酸盐岩经历了很小的重结晶作用。土壤中自生碳酸盐δ13C主要由土壤CO2的δ13C组成决定,土壤中碳酸盐的碳同位素组成与生物种类和土壤的呼吸作用有关,是反映生物面貌十分有用的工具。陆生植物的光合作用按其初级产物的差异可以划分为3种类型,即Calvin型(或称C3型)、Kranz型(或称C4型)及景天酸代谢(CrassulaceanAcidMetabolism)型(或称CAM型)。相应地把采用这3种光合作用类型的植物分别称为C3植物、C4植物和CAM植物。陆生高等植物中,所有乔木以及绝大多数灌木、草本植物都属于C3植物,δ13C值的变化范围在-35‰~-20‰,平均值约为-27‰;C4植物只出现少数灌木(大戟科和藜科)以及温暖季节生长的草中,δ13C值的变化范围在-6‰~-19‰之间,平均值约为-13‰;CAM植物包括象仙人掌和一些丝兰等肉质植物,δ13C值变化范围较宽,约在-13‰~-38‰之间,平均-17‰,CAM植物所占比例很小,在大多数生态系统中都不重要。现在大气的δ13C值大约为-8‰,相对于前工业时代偏负,前工业时代大气的δ13C值大约为-6.5‰。因此,前工业时代的C3和C4植物的δ13C值大约为-26‰和-12‰,这已被中生代、新生代陆生高等植物碳同位素的研究所证实。由于12C与13C扩散系数的差异,使土壤中CO2的δ13C值至少要比土壤有机质的δ13C相对富集4.4‰。如果分别取C3,C4植物的δ13C值-26‰和-12‰,那么在纯C3或纯C4植被环境下土壤CO2的δ13C应分别为-21.6‰和-7.6‰。CO2与碳酸盐交换反应在20℃时的分馏系数是10.7,这样可以推算出纯C3或纯C4植被环境下土壤碳酸盐的δ13C值应分别为-10.9‰和+3.1‰。沙溪庙组中钙质结核δ13C值在-9.30‰~-5.07‰之间,平均值为-7.06‰,样品的δ13C值与C3植物的平均值接近,并且基本上都在C3植物的δ13C的变化范围之内。沙溪庙组钙质结核δ13C值虽然基本都在C3植物的δ13C的变化范围之内,但其平均值相对于纯C3植物土壤的CO2的δ13C正偏,这可能是由于C4,CAM类型植物与C3植物的混合或是由于受来自大气CO2的影响。虽然对于非C3植物在显生宙出现的时间还存在争论,但一般认为C4,CAM植物直到中新世以后才出现。因此,从钙质结核的碳同位素组成来看,四川盆地中侏罗世是一个以C3植物占优势的生态系统。盆地中生长的乔木、灌木和草本植物为恐龙的生活提供了丰富的食物,造就了恐龙繁盛的时期。应用钙质结核碳同位素组成对古植被类型的恢复结果,与本研究项目中通过沙溪庙组中孢粉、植物化石等古生物证据所恢复的植被面貌——低矮的丘陵上生长着繁茂的灌木丛林(内环粉植物),林下繁衍着大量蕨类植物,再高一点的山坡上生长着高大的松柏类植物,是相吻合的。这也表明,中生代地层中与成土作用有关的钙质结核的碳同位素组成能够反应当时的古植被类型。2.3沙溪庙组的大气codCerling建立了一个用成土碳酸盐的碳同位素比率来估计大气中pCO2的扩散反应模式,图3表明土壤的碳酸盐和土壤有机物碳同位素组成的变化以及它们与大气pCO2的关系。土壤呼吸作用形成的CO2的同位素组成假设与土壤有机质有相同的δ13C值,值,在C3植物占优势的现代土壤和古土壤中有机质的δ13C值约为-24‰,大气CO2的碳同位素假定为-6.5‰。土壤CO2和大气CO2的pCO2存在着差异,对于大多数排水良好的土壤这一差异[S(z)=pCO2(soil)-pCO2(atmosphere)]大约在5000ppmV~10000ppmV之间。沙溪庙组中钙质结核δ13C值在-9.30‰~-5.07‰之间,平均值为-7.06‰,表明其土壤在25℃和高呼吸比率(S(z)=10000ppmV)的条件下,其反映的大气CO2为2800ppmV;土壤在25℃和低呼吸比率(S(z)=5000ppmV)的条件下,其反映的大气CO2为1400ppmV(图3)。与现代大气中的pCO2相比较,沙溪庙组土壤中碳酸盐碳同位素组成所反映的pCO2大约是其的5倍~8倍,这与Berner对侏罗纪大气pCO2的估计是比较一致的。高的大气CO2浓度可能造成当时的气温要远高于现在,因而必然对生物包括恐龙的生活产生一定的影响。较高的温度以及干燥的气候,使得恐龙为了寻找适合的生存环境必须进行远距离的迁移,这可能是中侏罗世恐龙化石广泛地分布于四川盆地中的原因之一。需要指出的是,目前国内尚未有侏罗纪中钙质结核碳、氧同位素研究的成果报道,即使是黄土-古土壤序列中的有关研究也存在一些有待深入研究的问题,因此对侏罗系中钙质结核碳、氧同位素组成仅是一个初步的研究。3地壳下钙土地沉积相四川盆地中侏罗统沙溪庙组中广泛分布的钙质结核是成土作用的产物,包含这些钙质结核的紫红色泥岩是发育较好的古土壤层,这些与成土作用有关的钙质结核的碳同位素组成为恢复这一时期古植被类型、大气