华山地区下三叠统飞仙关组-江湖组元素地球化学特征及其地质意义

华山地区下三叠统飞仙关组-江湖组元素地球化学特征及其地质意义

由于滁州阳光下的残余时间（i106a）比大海的混合时间（i103a）更长，因此地质历史上世界范围内的橄榄树相位构成均匀。87sr和86sr是时间函数（wickman，1968）。但由于对海相碳酸盐矿物成岩蚀变的认识、分析方法与测定精度以及数据积累程度等问题(黄思静等,2005a),以致海相碳酸盐锶同位素研究并没有获得长足的进步。Burke等(Burkeetal.,1982)的研究成果使人们开始对用于锶同位素地球化学研究的沉积岩样品范围及其成岩蚀变对锶同位素分析的影响有了进一步的理解(黄思静等,2001a),并促使其在沉积地质学研究中进入了实用阶段,并得到了深入研究,进而形成了一门新的分支学科——锶同位素地层学(strontiumisotopestratigraphy,简称SIS)。早在20世纪80年代末,国内有关学者就对海相碳酸盐地层的锶同位素研究予以了广泛关注和重视,并进行了不少有益的探索和研究,主要研究领域集中于锶同位素组成及其控制因素上,如锶同位素组成与海平面变化或者其他地质事件之间关系的研究;(黄思静,1997;黄思静等,1999、2001b、2002、2004、2005b;杨杰东等,2000、2001;江茂生等,2002;石和等,2002、2003、2005、2006;HuangSi-jingetal.,2005),但利用地质历史中海水的锶同位素组成和演化曲线进行海相地层研究仅仅处于起步阶段,可以预见锶同位素地层学将会有更大的发展空间和应用前景。四川盆地的三叠系具有分布广泛、化石丰富、沉积类型多样等特点,为三叠纪的研究提供了优越的条件,前人在长期的研究中也积累了大量有重要参考价值的成果。然而,这些研究主要集中于岩石地层学和生物地层学等方面的研究,很少涉及到化学地层学的内容,尤其是锶同位素地层学方面。四川东部下三叠统飞仙关组和嘉陵江组作为我国南方海相三叠系两个重要的岩石地层单位,与国际通用的下三叠统印度阶和奥伦尼克阶对应(中国地层典编委会,2000)。其中印度阶和奥伦尼克阶界线附近全球海水锶同位素组成在0.70720—0.70735附近(Veizeretal.,1999;Korteetal.,2003),而飞仙关组-嘉陵江组界线附近海相碳酸盐的锶同位素组成数据是多少?二者是否具有可对比性?本文将解答这些问题。这些问题的解决,将对四川盆地海相三叠系飞仙关组和嘉陵江组的年代地层学对比研究具有重要意义,并为今后上扬子地台海相三叠系地层的锶同位素地层学研究提供一些有益的思路和参考。一、岩相学和矿物学样品采自四川东部华蓥山背斜中段西翼的仰天窝剖面,该剖面位于四川广安华蓥市天池镇附近(图1a),交通便利。该剖面的下三叠统以海相碳酸盐岩为主,岩层出露较好(图1b),易于进行地层学和沉积学等方面的研究;其中飞仙关组-嘉陵江组界线层位于采石场内,样品所在层位如图2所示。由于在野外工作中没有发现大化石,而距该地向北约20km的广安谢家槽剖面只是发现了较为单一的瓣鳃类化石(四川省区域地层表编写组,1978),因而该剖面的生物地层学界线有待进一步利用牙形石等微体化石进行确定。根据锶同位素地层学原理,为使样品的锶同位素组成尽可能代表原始海水,所选6个样品均为微晶灰岩,并进行了显微组构、阴极发光和元素分析。显微组构和阴极发光强度观察在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成,其中阴极发光仪器型号为CL8200MK,工作束电压为10kV,束电流约为500μA。元素分析由四川省地质矿产局华阳地矿检测中心完成,CaO、SiO2和MgO含量是利用重量法和容量法测定,检测限为0.1×10-2,误差为2%;Mn和Sr含量是利用原子吸收光度法测定,检测限分别为5×10-6和42×10-6,误差分别为13%和14%。锶同位素分析由中国科学院地质与地球物理研究所完成。取70mg左右粉碎至200目的样品,用2.5mol/L的HCl于Teflon杯中溶样,离心后清液通过AG50W×12阳离子交换柱分离和纯化得到Sr;Sr同位素是使用MAT262同位素质谱计进行测定的,同位素分馏用86Sr/88Sr=0.1194校正,实验室对Sr标样NBS987的分析结果为0.710226±0.000012(n=8),全流程空白本底约为(2—5)×10-10g,误差以2σ(±)表示。二、早三叠世当前海水的壳同位素组成关系在经历地质历史上最大规模的全球生物灭绝事件(二叠纪-三叠纪之交的生物灭绝事件)(李子舜等,1986;黄思静,1994)之后,由于其后紧接的古陆植被覆盖面积严重萎缩(Korteetal.,2003)、海平面快速下降(Haqetal.,1987)和强烈古陆风化作用(Korteetal.,2003)等因素的影响,早三叠世同期海水的锶同位素比值的上升速率是显生宙以来海水的最大值,即在相隔很短的时间内,海水的锶同位素比值急剧上升,因而早三叠世同期海水的锶同位素组成演化曲线呈现为快速单调上升的趋势,并具有较大的斜率。四川东部华蓥山仰天窝剖面下三叠统飞仙关组-嘉陵江组界线附近的地层中海相碳酸盐岩样品的锶同位素分析结果(表1,图2)表明,所有样品的87Sr/86Sr比值在0.707312—0.707346之间,平均值为0.7073265,平均误差(2σ±)约为10.5×10-6。6个样品的锶同位素比值大体接近(图2),均在早三叠世同期海水的锶同位素组成演化曲线附近(图3),这也说明了在整合连续地层中锶同位素比值在较短的时间间隔内不会有太大的波动;而样品B、C之间锶同位素比值差异稍大,根据对样品成岩蚀变程度的分析,这属正常波动。该对比是在利用Veizer等(Veizeretal.,1999)通过互联网公布的显生宙以来海水的锶同位素(包括碳、氧同位素)组成演化数据(总共4080个)和Korte等(Korteetal.,2003)公布的晚二叠世—三叠纪海水锶同位素组成数据(总共219个)中早三叠世部分及其邻近数据(共128个)绘制的早三叠世全球海水锶同位素组成演化图上进行的(图3)。图3的时间尺度依据Harland等(Harlandetal.,1990)公布的地质年代表进行划分。三、测试精度、样品成岩蚀变程度海相碳酸盐矿物的锶同位素分析会受到众多因素的影响,包括分析方法、测试精度、样品成岩蚀变程度等。以下将集中讨论锶同位素分析精度、锶同位素组成数据库的可靠性和样品锶同位素组成对同期海水的代表性等三方面的问题,这是控制海相碳酸盐样品锶同位素分析及对比的3个最主要控制因素。1我国聚合物质量和模拟方法在国内的可靠性锶同位素测试精度是至关重要的控制因素,虽然与国际上的类似分析比较,中国科学院地质与地球物理研究所提供的锶同位素分析精度仍然偏低(黄思静等,2005a、2006),但就目前精度而言,由于其提供的数值已达到小数点后第6位,2σ也相对较小,因而其锶同位素分析仪器精度和实验过程在国内具有相对较高的可靠性。从实验结果可以看出,87Sr/86Sr比值并未随着样品SiO2含量的增加呈现有规律的增大(图4a),说明了笔者所采用的溶样方案有效防止了壳源锶在溶样过程的进入,是可行的。2完善的三叠系全球氢氧同位素数据库及信息Veizer等通过互联网公布的显生宙以来海水的锶同位素组成数据库(Veizeretal.,1999)和Korte等公布的晚二叠世—三叠纪海水锶同位素组成(Korteetal.,2003)是目前最为完善的三叠系全球海相地层锶同位素数据库,总共包括了400余个锶同位素数据,被国际同行广泛引用,具有很高的可信度。但值得注意的是,由于这两个数据库的年龄尺度均是依据Harland等(Harlandetal.,1990)公布的“地质年代表”,与后来公布的一系列地质年代表比较,数据显得陈旧一些,存在一些先天不足,如地质年龄和年代划分等方面,这些可能会对利用这两个数据库的研究和应用造成一些不利影响。3样品的元素含量显微组构观察和阴极发光分析结果表明,本次研究所用样品基本由较纯的碳酸盐矿物所组成,并具有较好的原始微晶结构,同时具有较低的阴极发光强度。元素分析结果(表1)表明,CaO含量高(均高于50×10-2),SiO2含量较低(基本在2×10-2左右),所有样品均为纯度较好的灰岩,基本不含陆源碎屑;Sr含量都在417×10-6以上,平均为530×10-6,远大于Derry等建议的锶同位素地层学研究中样品的锶含量下限值(200×10-6)(Derryetal.,1989),同时也都大于Korte等建议的锶同位素地层学研究中好样品的Sr含量下限值(400×10-6)(Korteetal.,2003);Mn含量都在349×10-6以下,平均为273×10-6,基本在Korte等(Korteetal.,2003)建议的锶同位素地层学研究中好样品的Mn含量上限值(250×10-6)附近;同时这些样品的Mn/Sr值均在0.73以下,平均为0.532,远小于Kaufman等(Kaufmanetal.,1992、1993)建议的锶同位素地层学研究中样品的Mn/Sr值上限值(2—3)。另外,样品的Sr含量没有随着Mn含量的增加而呈有规律的增加(图4b);同时样品的锶同位素比值也不存在随着Mn含量和Mn/Sr比值的增加而增加的趋势,其中一个含有较高Mn含量(349×10-6)的样品也并不具有显著较高的锶同位素比值(图4c、d)。综上所述,四川东部华蓥山仰天窝剖面下三叠统飞仙关组-嘉陵江组界线附近地层中的海相碳酸盐岩具有较高的Sr含量和较低的Mn含量及Mn/Sr值,具有较好的原始沉积岩组构和较弱的阴极发光强度,因而可以认为其所经历的成岩蚀变程度较低,较好地保留了海水的原始信息。四、川山东南角下三叠统飞仙关组-生产力学在我国东部华山天四川东部海相下三叠统飞仙关组-嘉陵江组界线附近缺乏同期火山物质沉积,难于进行放射性年代地层学研究,因而锶同位素地层学可望为这两个岩石地层单位的年代地层学对比提供一个新的研究方法。在对样品进行沉积岩组构、化学成分分析、对同期海水代表性评估的基础上,测试了四川东部华蓥山仰天窝剖面下三叠统飞仙关组-嘉陵江组界线附近碳酸盐岩样品的锶同位素组成,并得到以下结论:1)由于样品具有较高的Sr含量和较低的Mn含量及Mn/Sr值,以及这些样品具有较好的原始沉积岩组构和较弱的阴极发光强度,因而可以认为