陕西镇安西口二叠系沉积序列演化及古气候、古环境和古地理响应
二叠纪是地质历史上的重大变革时期，全球的古地理、古气候、古环境以及生物均发生了重大的变化，如冰室-暖室的转化、大火山岩省的爆发、生物大灭绝和碳同位素的紊乱等，因而长期成为地质学家关注的焦点。然而，包括二叠纪古地理演化模式、海平面变化模型、冰室-暖室转变的节点、生物灭绝的模式及诱因、海水地球化学组成异常的原因等在内的诸多问题均存在较大的争议，也成为当前地质学研究的热点之一。本文以陕西镇安西口二叠纪剖面为对象，尝试为上述问题的解决提供依据和素材。 陕西镇安西口地区二叠纪时位于古特提斯洋的最东端，处于沟通古特提斯和泛大洋的重要通道上，成为探索两个大洋之间关系以及古特提斯洋演化的重要窗口。研究区二叠系地层发育齐全，沉积厚度巨大(＞3km)且连续沉积，全球性的重要事件，如生物灭绝、冰期变化和Kamura事件等都可能在此有所反映。同时该区位于秦岭造山带，又成为探索中国中部古生代构造和古地理演化的重要场所。本文对陕西镇安西口二叠系剖面进行了综合的古生物学、地层学和沉积学研究，并结合粘土矿物、碳氧同位素等特征来探讨二叠纪的古气候、古环境演化，同时以碎屑锆石的年代学和Hf同位素特征为主要依据来分析秦岭造山带古生代的构造演化。取得如下一些认识和成果: 1)从60件微体化石样品中发现具有地层划分对比意义的平台型牙形刺分子4属18种。根据牙形刺的产出情况将研究区二叠系划分出13个带，自上而下为:长兴阶(Changhsingian)的Clarkina subcarinata带和C.changxingensis带;吴家坪阶(Wuchaipingian)的C.postbitteri带，C.dukouensis带，C.liangshanensis带和C.orientalis带;卡匹敦阶（Capitanian）的Mesogondolella posterserrata带，M.shannoni带，M.altudaensis带和M.granti带;罗德阶(Roadian)的M.nankingensis带;亚丁斯克阶(Artinskian)的Sweetognathus whitei带;阿瑟尔阶(Asselian)-萨克马尔阶(Sakmarian)的S.inornatus带。最后，主要依据牙形刺带对陕西镇安西口二叠系剖面的生物地层进行重新划分，确立了3统9阶，这是中国二叠纪地层第一条比较完整的牙形刺地层剖面，能够很好的进行全球对比。 2)识别出13种岩相类型和12种微相类型，它们在剖面上的演化揭示研究区二叠系经历从早-中二叠世的碳酸盐岩台地（阶段1）到吴家坪期早期的混积台地（阶段2）到吴家坪期晚期至长兴期的碳酸盐岩台地的演化。其中，阶段1主要发育开阔台地相和台地浅滩相，阶段2主要发育混积潮坪相和混积台地相，阶段3则以开阔台地相为主。同时，微相和沉积相的演变还显示研究区二叠纪经历了12次较为明显的海侵-海退旋回。结合生物群的整体演化情况，即从早二叠世的有孔虫-绿藻组合(Chloroforam)逐渐演变为晚二叠世以苔藓和棘皮动物为主的广义苔藓-棘皮动物组合(Bryonoderm extended)，认为研究区二叠纪水体整体加深。研究区的海平面变化有其自身的特点，表现在早二叠世略有下降，中二叠世为缓慢上升，中二叠世末至晚二叠世初为快速下降，晚二叠世吴家坪期早期至中期为缓慢上升，吴家坪期中期至长兴期初期为缓慢下降，之后长兴期又略有上升。 3)陕西镇安西口二叠系167件碳酸盐岩样品分析表明，粘土矿物组合为伊利石、绿泥石、伊蒙混层、高岭石和蒙脱石。其中，伊利石含量最高(70.9％)，其后依次为绿泥石(8.6％)、伊蒙混层(8.3％)、高岭石(7.9％)和蒙脱石(4.4％)。粘土矿物的垂向变化揭示了5个气候寒冷期:阿瑟尔期-早亚丁斯克期(P1)、晚亚丁斯克期-早空谷期(P2)、罗德期(P3)、晚卡匹敦期-吴家坪初期(P4)和中晚吴家坪期(P5)，它们分别被气候温暖期所分隔。特别的，本次研究所识别出的气候事件可以与北美陆架上的气候事件及校正后的东澳大利亚冰期很好的对比，表明本次研究所恢复的二叠纪气候变化具有全球性。空谷阶样品具有高岭石含量显著增加，伊利石含量显示减小的特征，暗示空谷期是一个重要的气候变暖期，其为晚古生代冰消的主要阶段。卡匹敦期既不是一个单纯的寒冷期也不是一个温暖期，而是由早期的相对温暖和晚期的相对寒冷组成。其中，晚期的变冷事件是可能Kamura事件在东特提斯洋的反映。 4)二叠纪海水的碳同位素组成发生很大的波动，但之前的研究主要集中在G-L和P-Tr界限附近，而二叠纪的整体变化情况研究较少。本次对西口剖面进行了系统采样，并对180件灰岩样品进行了碳氧同位素测试，从而建立了一条完整的二叠纪碳同位素剖面。结果显示该剖面二叠系的δ13Ccarb值整体较高(平均值为+4.07‰)，且具有“两头低，中间高”的特征，即下二叠统阿瑟尔阶至亚丁斯克阶较低（B3至sx020，平均值为+2.28‰），向上整体增加到卡匹敦阶上部至吴家坪阶下部达到高值(B38至B58，平均值为+5.14‰)，随后呈波动式缓慢下降并持续至长兴阶中部（B93至LDW，平均值为+2.85‰）。此外，西口剖面记录了亚丁斯克阶与空谷阶界限、G-L界限及P-Tr界限附近的碳同位素异常，并且卡匹敦阶还存在类似Kmaura事件的信号。此外，研究区早中二叠世的碳同位素组成与粘土矿物特征具有非常好的可对比性，表现为高的δ13Ccarb值对应高的伊利石含量，低的δ13Ccarb值对应低的伊利石含量，表明碳循环与古气候变化之间具有成因联系。 5)锆石年代学和Hf同位素特征显示:研究区二叠系中占比最高的古元古代-新太古代锆石（2700-1760Ma，峰值分别为2547和1893Ma;约占71.9％）主要来自华北板块南缘;中、新元古代锆石（1200-770Ma，峰值分别为1037和870Ma;约占13％）主要来自北秦岭地体;古生代锆石（512-256Ma，峰值包括450、324和270Ma;约占10％）主要来自北秦岭地体和华北板块南缘。表明二叠纪时南秦岭是华北-秦岭联合板块的组成部分，属于联合板块的被动大陆边缘。同时，新太古代-古元古代锆石占大多数，表明来自华北板块的物质占多数，二叠纪时南秦岭能够接受大量来自华北板块的碎屑物质，表明南秦岭与华北板块之间不存在物理屏障，暗示北秦岭的隆起部分在二叠纪之前遭受了严重剥蚀。缺乏扬子的物质，表明南秦岭与扬子板块之间尚存一定的距离，但相似的地层和生物群特征暗示两者之间可能并不存在分割性的大洋。
沉积序列;古气候;古环境;古地理;二叠纪
合肥工业大学
博士
古生物学与地层学
李双应
2018
中文
P512.2
2020-10-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）