上扬子区早古生代全岩Ce异常与海平面长缓变化

冯洪真　Bernd－D. Erdtmann　王海峰

摘　要：65个全岩稀土样品采自湖北省宜昌地区下寒武统至下志留统的经典剖面。样品测试由单通道扫描等离子光谱仪(ICP-AES)完成。REE含量依北美页岩组合(NASC)标准化，并按log［3Ce_n/(2La_n+Nd_n)］计算Ce异常值。以全岩Ce异常作为海平面变化的定量指标，识别出5个明显的海平面升降旋回，发现多幕次黑色岩系与海侵事件严格对应。鉴于同期黑色岩系的全球性分布和华南特定的古地理格局，提出华南早古生代多幕次黑色岩系的最小含氧层扩展成因模式。
关键词：全岩Ce异常 海平面升降旋回 黑色岩系成因 ▲

　　早古生代湖北宜昌地区位于上扬子海中部，沉积稳定，地层连续，化石带序列完整，是上扬子区乃至整个华南早古生代地层学和古海洋学研究的理想地区。古海洋学研究方面，多幕次黑色岩系与海平面变化的关系一直是地质学家关注的焦点。然而，古生态学和沉积学等传统研究方法，至今不能提供上扬子区早古生代海平面变化的定量连续曲线。近年来，Ce异常在解释古氧化还原条件、海平面变化和构造环境的研究中越来越受到重视，其实用之处在于能使研究者依据化石Ce异常或全岩Ce异常定量地追踪上述环境因素的连续变化。本文对宜昌地区下寒武统至下志留统的全岩Ce异常进行研究，试图阐明上扬子区海平面的长缓变化，并以此为背景进而探讨华南多幕次黑色岩系的成因。

1　样品采集与测试

图2　宜昌地区下寒武统至下志留统中全岩Ce异常与
ΣREE和LREE/HREE相关关系

　　Ce异常在沉积物和生物骨骼中均有发现。大洋铁锰结核中的Ce远较海水和磷酸盐中的Ce富集，推测Ce可能是被氧化成+4价状态并以CeO₂的形式进入独居石晶格中的^［2］。然而Ce和Fe在铁锰结核、软舌螺贝壳、非碎屑沉积物和碳酸盐鲕石中的正相关则表明，从海水中移出的Ce更可能进入Fe(或Fe-Mn)的氢氧化物絮状物或Fe的磷酸盐絮状物之中^［3，4］。最近对东太平洋洋隆之上海水的研究表明，引起明显负Ce异常的唯一可能原因是Ce被氧化成了可以被任何氢氧化物吸附的难溶的+4价离子^［5］。尽管目前对沉积物和生物骨骼中Ce的载体仍不完全明了,但对Ce的地球化学行为的认识却无根本分歧：氧化环境中Ce⁴⁺不易溶于海水，因此Ce在海水中亏损呈现负异常，而在沉积物中富集呈现正异常或无明显负异常；当缺氧环境降临时，Ce活化并以+3价状态释放到水体中，导致Ce在海水中富集呈现正异常，而在同期沉积物中则发生亏损呈现负异常^［2，6］。生物从海水中获取磷酸盐，因此磷灰质化石继承了海水的REE分配模式，其Ce异常形式与同期沉积物的Ce异常形式相反^［3，6］。
　　北美和西欧寒武纪至三叠纪的磷灰质化石中，Ce异常曲线的正向峰值与间冰期全球海侵事件相对应^［3］。苏格兰Dob's Linn奥陶系-志留系界线附近的全岩样品中，Ce异常曲线与根据沉积学和古生物学编制的海平面曲线相吻合^［6］。Ce异常与海平面升降的依赖关系说明水深控制了底层水体的氧化还原程度和Ce的亏损程度：海平面上升，底层水体溶解氧浓度降低，沉积物的Ce异常值趋小；海平面下降，底层水体溶解氧浓度升高，沉积物的Ce异常值趋大^［6］。大洋水柱的溶解氧浓度从表层至最小含氧层逐渐降低，但是由于潜流着从极区下沉而来的寒冷而富氧的底流，溶解氧浓度自最小含氧层向洋底又趋向升高。因此，溶解氧浓度伴随水深增加而降低的现象，通常发生在最小含氧层以上的大陆上斜坡和大陆架。间冰期，最小含氧层可扩展至上斜坡乃至陆棚区^［7，8］。由于最小含氧层的扩展随着全球性海平面上升，所以这些地区底层水体的缺氧状态依然与水深的增加密切相关。地层柱中全岩Ce异常记录了底层水体氧化还原条件变化的历史，这在理论上为利用全岩Ce异常恢复过去海平面的变化提供了可能。海平面变化取决于多种因素，如全球性海侵海退，局部地壳升降和沉积速率异常。为推测全球性海平面变化，Wilde等人^［6］曾建议全岩Ce异常样品应当采自以笔石相为特征、构造环境稳定、沉积速率较低的上斜坡和外陆架沉积地层。按照Wilde的建议，从全岩Ce异常所推知的可能仅仅是间冰期海侵过程中海平面的微小波动，因而限制了对海平面长缓变化的追踪。本文认为：大陆架中部，地壳相对稳定，沉积速率较低，岩相多样（与海平面升降有关），是研究海平面长缓变化的更为理想的地区。需要指出，即使在这样的沉积区，完全排除局部地壳升降对海水深度的影响也是困难的。因此严格地说，全岩Ce异常曲线所反映的海平面变化应是全球海平面变化和局部地壳升降的叠加结果。

3　海平面升降旋回

　　宜昌地区早寒武世至早志留世的地层中，分乡组上部、大湾组、牯牛潭组和五峰组顶部富产有铰纲腕足类化石。有铰纲腕足类为底栖固着生物，它们的存在指示浅水充氧环境。上述层位的全岩Ce异常值变化于-0.09～-0.06之间，最小值-0.09可视为有铰纲腕足类生存水体的极限深度，因而可作为浅水和深水海平面相互转换的参证。根据参证海平面，早古生代上扬子海可识别出5个主要海平面升降旋回（图1）。
　　(1) 旋回1　　该旋回发生在下寒武统灯影组天柱山段至天河板组的沉积序列中。根据参证海平面推测，明显的海侵/海退转换界面可能存在于水井沱组的上部。水井沱组中、下部的黑色岩系形成于海侵期，所含Tsunyidiscus，Wangzishia和Hunanocephalus-Hupeidiscus 3个化石带^［9，10］，缺乏浅水底栖生物化石，皆以深水浮游盘虫类的繁荣为特征。发生在扬子区早寒武世早期的海侵亦为层序地层学研究所证实^［11,12］，然而水井沱组与灯影组天柱山段常为假整合接触，可能表明两者之间存在代表一海退事件的沉积间断^［12］，换言之，早寒武世早期的海平面升降旋回可能由两个次级旋回构成。早寒武世早期的黑色岩系在江南区称荷塘组或小烟溪组，其下部层位与扬子区的天柱山段和水井沱组相当^［13］. 至东南区，同期沉积物已相变为含有火山物质和黑色硅质岩薄层的复理石建造（牛角河群）^［10］。早寒武世早期的黑色岩系在世界上有着广泛的分布，表明此次海侵具有全球性。
　　(2) 旋回2　　下寒武统石龙洞组开始海侵并达到高潮，中寒武统开始海退并一直持续到位于三游洞群上部的上寒武统顶界。根据生物地层层序，石龙洞组与滇东的龙王庙组、华北的馒头组可完全对比。在华北，馒头组普遍不整合在前寒武系之上，因此通常认为早寒武世龙王庙期曾发生一次由华南向华北推进的海侵^［10］. 本文运用全岩Ce异常对龙王庙期海侵的判断，与根据生物地层学研究所得出的结论是一致的。该旋回中所观察到的早寒武世晚期的海侵，在全球范围内规模较小而在中国却十分显著，显然与区域性地壳沉降有关。
　　(3) 旋回3　　该旋回出现在下奥陶统（三游洞群上部至牯牛潭组）。海侵期间的沉积地层在研究区为碳酸盐岩（三游洞群上部至南津关组下部），向南至江南区相变为碳酸盐岩和笔石黑色页岩（西阳山组顶部至印渚埠组底部），至东南区则完全相变为笔石黑色页岩（新厂组）^［14］。同期笔石黑色页岩也见于北美、南美和欧洲，因而具有全球性分布。寒武纪与奥陶纪之交，是笔石从底栖到漂浮的转折时期。笔石生活方式的变革，归因于其生存水体的加深。因此，黑色岩系的全球性分布和笔石生活方式的变革，均表明早奥陶世早期曾发生全球性海侵。
　　(4) 旋回4　　该旋回出现在中奥陶统庙坡组至上奥陶统临湘组。庙坡组黑色岩系形成于海侵期。根据参证海平面判断，宝塔组灰岩亦形成于海平面上升期，但其沉积水深已远不及前者。在庙坡组黑色岩系中，有铰纲腕足类和笔石共存。底栖固着腕足类能够生活在缺氧的深水海底令人困惑，一个可能的解释是它们属异地埋藏化石群落。庙坡组笔石黑色页岩在扬子区仅局限于少数“补丁”状凹陷之中^［15］，但是同期黑色岩系在江南区（烟溪组或胡乐组）和东南区（龙溪组）却广泛分布^［14］。中奥陶世的笔石黑色页岩不仅在中国发育，也见及欧、美、澳各洲，表明中奥陶世的海侵仍然具有全球性。
　　(5) 旋回5　　海侵始于上奥陶统五峰组并持续到下志留统龙马溪组的黑色页岩段，海退始于龙马溪组黄绿色页岩段并可能一直持续到中志留统。五峰组和龙马溪组的黑色岩系均形成于海侵期。海侵期间海平面振荡频繁，在晚奥陶世末期甚至一度达到参证海平面，从而为Hirnantia-Dalmanitina动物群的定殖提供了短暂、富氧的底栖环境。在扬子区和江南区北缘，五峰组和龙马溪组的笔石黑色页岩分布广泛。同期黑色岩系在江南区的其他地区和东南区仍有分布，但常以夹层的形式不连续地出现在复理石沉积（周家溪组，梅子村组和田林口组）之中^{［14，16］}。晚奥陶世至早志留世的笔石黑色页岩亦广见于欧洲、美洲和澳洲，因而具世界性分布，表明该时期的海侵是一次全球性海平面上升事件。

4　多幕次黑色岩系的成因

图3　华南早古生代多幕次黑色岩系的成因图解
(a) 早寒武世筇竹寺期, (b) 晚奥陶世五峰期至早志留世龙马溪期, (c) 中奥陶世庙坡期

　　(1) 最小含氧层扩展模式　　该模式用来解释早寒武世筇竹寺期、晚奥陶世五峰期和早志留世龙马溪期黑色岩系的成因（图3(a),(b)）。其基本机制是：伴随全球性海侵而扩展了的最小含氧层占据了东南海盆的底层水体，并越过江南岛群中的低矮水下隆起向上扬子台地推进，从而使华南各主要海域的底层水体沦为缺氧环境。早寒武世筇竹寺期，上扬子海和江南弧间海的地壳活动性较弱、沉积速率较低，稳定的环境条件下分别发生了水井沱组和荷塘组（或小烟溪组）的黑色岩系沉积。与上扬子海和江南弧间海不同，此时的东南海盆则是一个构造活动频繁的海域，来自湘赣古岛弧的碎屑物质周期性注入，形成特征的含有凝灰物质的复理石相牛角河群。晚奥陶世五峰期至早志留世龙马溪期，华南各主要海域底层水体的缺氧状态大致从 Dicellograptus complexus 带持续到 Pernerograptus argenteus 带，其间仅在 Hirnantia-Dalmanitina 层出现短暂海退并引起最小含氧层收缩。在上扬子海，地壳稳定、沉积速率较低，形成以笔石黑色页岩为特征的五峰组和龙马溪组。然而同是底层水体缺氧，江南弧间海和东南海盆的沉积却以复理石建造为特征。复理石建造中，细粒沉积物颜色较深而粗粒沉积物颜色较浅，显然，高沉积速率对有机质的稀释作用是江南弧间海和东南海盆未沉积黑色岩系的直接原因。在浅色粗粒沉积物中偶见底栖介壳化石，它们可能是随古岛弧碎屑物质从最小含氧层以上的富氧水域注入盆底的异地埋藏化石群落。已知的研究强调闭塞的构造古地理背景对华南筇竹寺期、五峰期和龙马溪期黑色岩系形成的控制作用^{［18～20］}。本文依据全岩Ce异常观察到黑色岩系确与全球性海平面上升密切相关，从而为运用最小含氧层扩展模式解释它们的成因提供了关键性证据。
　　(2) 最小含氧层扩展＋地理阻隔复合模式　　该模式用来解释华南中奥陶世庙坡期黑色岩系的不同成因（图3(c)）. 其基本机制是：扩展了的最小含氧层占据了东南海盆和江南弧间海的底层水体，但由于扩展强度不足而未推至上扬子海域。在江南弧间海和东南海盆，此时地壳活动较弱，沉积速率较低，分别沉积了以黑色笔石页岩为特征的烟溪组上部和龙溪组。在上扬子海，海底局部下陷叠加全球性海平面上升而形成的补丁状分布的深水局限盆地，其水体由于垂向和侧向交换受阻而停滞缺氧，从而发生庙坡组的黑色岩系沉积。栖息在周围浅水中的有铰纲腕足类被波浪或底流带至深水局限盆地，从而导致它们的化石与笔石化石在庙坡组中共存。十字铺组是庙坡组的同期浅水相沉积，其中已发现某些常见于庙坡组的有铰纲腕足类化石（如Dolerorthis，Glyptorthis，Leptellina等）^［9，14］，在生物地层学方面支持了本文关于庙坡组中有铰纲腕足类化石异地埋藏的假设。■

　　致谢　作者在德国柏林理工大学研究期间得到DAAD-K.C. Wong基金会的资助，在此谨致谢意。

资金项目：国家自然科学基金资助项目(批准号：49673182)
作者单位：冯洪真(南京大学成矿作用研究国家重点实验室，南京 210093)
　　　　　Bernd－D. Erdtmann(Institute of Applied Geosciences Ⅱ, Technical 　　　　　　　　　University Berlin, Germany)
　　　　　王海峰(中国科学院南京地质古生物研究所，南京 210008)

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