鄂西利川地區(qū)二疊-三疊系界線附近地層的碳酸鹽微相類型和早三疊世火山活動的證據

余 聰，姚華舟，趙小明，楊振強

YU Cong1,2,3,YAO Hua-Zhou2,ZHAO Xiao-Ming2,YANG Zhen-Qiang2

（1.中國地質科學院，北京100037；2.中國地質調查局武漢地質調查中心，武漢430205；3.中國地質調查局古生物與生命—環(huán)境協(xié)調演化重點實驗室，武漢430205）

(1.Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China; 2.Wuhan Center of China Geological Survey,Wuhan 430205,Hubei,China; 3.Key Laboratory of Paleontology and coevolution of life,CGS,Wuhan 430205,Hubei,China)

鄂西利川地區(qū)二疊-三疊系界線附近地層的碳酸鹽微相類型和早三疊世火山活動的證據

余 聰1,2,3，姚華舟2，趙小明2，楊振強2

YU Cong1,2,3,YAO Hua-Zhou2,ZHAO Xiao-Ming2,YANG Zhen-Qiang2

（1.中國地質科學院，北京100037；2.中國地質調查局武漢地質調查中心，武漢430205；3.中國地質調查局古生物與生命—環(huán)境協(xié)調演化重點實驗室，武漢430205）

(1.Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China; 2.Wuhan Center of China Geological Survey,Wuhan 430205,Hubei,China; 3.Key Laboratory of Paleontology and coevolution of life,CGS,Wuhan 430205,Hubei,China)

本文對湖北利川地區(qū)兩個剖面的二疊-三疊系界線層序進行了沉積微相分析，劃分出6種微相類型，討論了每種微相的成因和沉積環(huán)境，揭示了微相環(huán)境的演變規(guī)律。并且對早三疊世的火山活動進行了討論，以此探討P/T之交生物礁和微生物巖的古環(huán)境意義以及生物大滅絕的誘因。

碳酸鹽巖微相；微生物巖；P/T界線；生物大滅絕

1 引言

二疊紀末期曾發(fā)生過地質歷史上影響最大的第三次生物絕滅事件，導致97%的海洋生物與70%的陸地生物在這次事件中永遠消失[1-3]。在此之后的早三疊世古氣候、古生物和古環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，生態(tài)系長期處于大蕭條狀態(tài)。用來解釋滅絕事件的理論有許多，但是在滅絕的模式和誘因方面至今仍存在較大爭議。

二疊紀生物大滅絕時間之后，微生物重新開始大量繁盛[4-5]。Kershaw等[6,7]首次在川東華鎣山地區(qū)長興期生物礁之上識別出微生物巖。Ezaki等[8]在其中發(fā)現(xiàn)了微生物活動的重要證據，并獲得重要的生物地層學資料，確定了微生物巖的發(fā)育時代。Lehrmann等人[9-11]對揚子地臺南部地區(qū)二疊-三疊系界線、早三疊世微生物巖、淺水碳酸鹽巖向上變淺沉積旋回以及穩(wěn)定碳同位素變化進行了深入的研究。Adachi等[12]對早三疊世微生物巖中的似球粒(peilods)進行了描述和成因討論。微生物巖富集事件與生物演化時間以及環(huán)境變遷之間有著密切的關系。現(xiàn)有研究表明，微生物巖主要產出于礁頂或極淺水碳酸鹽巖臺地之上，向深水區(qū)很快尖滅[13]，而且已發(fā)現(xiàn)的微生物巖中的主要生物化石均與非微生物巖相區(qū)的生物有明顯的差別。因此，微生物巖中所保存的化石具有明顯的地理區(qū)限，也就是說具有很好的原地性。這為重建大滅絕后礁相或極淺水碳酸鹽巖臺地相的生態(tài)系提供了難得的研究載體。

鄂西地區(qū)二疊-三疊紀界線地層發(fā)育完整且出露好，是研究二疊-三疊紀界線地層的理想地區(qū)，沉積類型豐富[14]，在沉積相環(huán)境方面也取得了一定的研究進展[14-17]，但仍有部分典型剖面研究程度較低。

本文選擇鄂西利川瑞坪、夏家槽兩剖面為主要研究對象，主要目的是在沉積微相分析的基礎上，詳細研究該區(qū)二疊-三疊紀之交的沉積環(huán)境變遷、海平面變化和火山事件，以豐富二疊紀末生物大滅絕的環(huán)境背景及二疊-三疊紀之交海平面變化的研究。

2 古地理背景及地質概況

2.1 沉積特征及古地理背景

P/T之交鈣質微生物巖在全世界廣泛分布，主要存在于低緯度淺水海洋環(huán)境中，具有較好的等時性[18]。華南板塊位于古特提斯洋東部的赤道附近，是微生物巖最主要的分布地區(qū)。中揚子區(qū)晚二疊世主要發(fā)育碳酸鹽巖開闊臺地、陸棚及盆地沉積，吳家坪期以淺海相沉積為主，深水盆地范圍較小，長興期發(fā)育臺地相及盆地相，深水盆地范圍變大[19]。

三疊紀早期構造運動加劇，古地理環(huán)境變化大，沉積相類型多變，深水碳酸鹽沉積和淺水碳酸鹽交替出現(xiàn)。三疊系底部普遍見有代表火山（或地外撞擊）事件的凝灰質泥巖。臺地邊緣出現(xiàn)許多碳酸鹽重力流、風暴巖和遠源濁積巖。臺地上廣泛發(fā)育了生物建隆、藻礁、樹枝狀微生物巖，以及潮間帶的藻鮞粒、藻層紋石、疊層石、隱藻團粒和隱藻凝塊的微生物巖沉積。海水鹽度增高，局部出現(xiàn)石膏假晶。海水表面溫度上升。

2.2 剖面簡介

利川市位于鄂西邊陲，四川盆地以東，地理坐標為：N 30°00'-30°20'，E 108°30'-109°00'[20]。二疊-三疊系剖面發(fā)育齊全，代表了淺水臺地相區(qū)。利川著名的見天壩生物礁剖面為碳酸鹽巖臺地邊緣相，而本研究的瑞坪、夏家槽兩剖面位于該生物礁之南的碳酸鹽巖臺地相區(qū)（圖1）。

瑞坪剖面(圖2)位于馬鞍山向斜北東端，交通便利，地層沿新開挖的小公路展布，出露良好，層序清楚，剖面產狀平緩。下部為長興組的含燧石結核灰?guī)r、泥灰?guī)r；其上為鈣質微生物巖，以樹枝狀微生物巖為主，中間夾有灰?guī)r以及灰質泥巖；上部為中層狀泥巖與灰黑色葉片狀片巖所構成的韻律層。

夏家槽剖面（圖3）位于北北東向齊岳山背斜北西翼，有鄉(xiāng)間小公路相連，交通便利，地層沿小公路出露良好，層序清楚。下部為長興組塊狀生物碎屑灰?guī)r；灰色鈣質斑狀微生物巖整合于其上，可分為疊層石狀微生物巖、花斑狀微生物巖、樹枝狀微生物巖三種類型，總厚度約3.11m；微生物巖上部為大冶組深灰色中厚層狀生物屑泥粉晶灰?guī)r，以及硅化灰?guī)r夾薄層泥巖；其上為粘土巖。

3 材料和方法

圖1 中國南方晚二疊世-早三疊世古地理及典型剖面分布點[21]Fig.1 Late Permian-Early Triassic palaeogeography of South China and typical profile points location

圖2 瑞坪剖面柱狀圖Fig.2 Ruiping section column

圖3 夏家槽剖面柱狀圖Fig.3 Xiajiacao section column

碳酸鹽巖沉積微相分析是碳酸鹽巖沉積學研究的重要方法和手段，對于了解地史時期的沉積環(huán)境模式和巖相古地理具有重大意義。二疊紀-三疊紀之交生物大絕滅、殘存和復蘇已成為研究熱點之一，眾多學者對此提出了種種解釋，但隨著研究的深入，人們逐漸認識到只有在詳細客觀論證地層沉積特征的基礎之上，生物大滅絕和海平面變化的關系以及生物滅絕的機制才能迎刃而解。

在瑞坪和夏家槽P/T界線附近地層共取得20個微相分析樣品。在鏡下主要觀察薄片中的生物類型、磨蝕程度、巖石組分、顆粒粒度等，結合野外工作收集的巖石宏觀和微觀特征標志，參照標準微相類型[22]及其沉積環(huán)境模式，對剖面碳酸鹽巖進行微相分析，總結出微相類型。碳酸鹽巖微相類型是沉積環(huán)境的反映，與海平面變化密切相關，所以微相類型是研究海平面變化的一個重要參數(shù)。

4 二疊-三疊紀之交的微相類型

本研究的兩個地層剖面位于灰?guī)r型沉積相區(qū)[14]內。通過對采集薄片的鏡下鑒定，結合已有的樣品資料以及野外工作收集的巖石宏觀和微觀特征標志，參照威爾遜[22]標準微相類型及其沉積環(huán)境模式，對碳酸鹽巖微相進行了初步研究，歸納總結出了6種沉積微相類型。

4.1 有孔蟲微晶灰?guī)r【MF-1】

產于長興組，瑞坪剖面的第1層，宏觀上呈深灰色厚層含燧石結核灰?guī)r，鏡下為微晶灰?guī)r，主要生物為有孔蟲和薄殼的介形蟲殼體，有極少量的雙殼類，生物個體非常小（圖版Ⅰ-a），說明當時的水體可能相對較深。相當于深水陸棚相帶中的生物碎屑泥晶灰?guī)r至泥晶生物碎屑灰?guī)r[23]。

另外，在劉家場型的深水陸棚相區(qū)，還可見到含放射蟲黑色頁巖（根據姚華舟采集標本的薄片樣品）。該泥質頁巖呈黑色，有機質豐富，半透明，其中含有10%～15%放射蟲（圖版Ⅰ-b）。放射蟲為硅質成分，直徑為0.08～0.24 mm左右。見于利川見天壩海綿生物礁剖面以北的硫黃廠和硫廠坪剖面一帶，屬于炭質灰?guī)r-泥巖型沉積相區(qū)[14]。這是一種典型的局限性的缺氧的深水陸棚-盆地或盆地邊緣相類型，與碳酸鹽臺地交替分布，相當于威爾遜（1975）[22]標準微相類型SMF-1。

4.2 藻-有孔蟲生物碎屑灰?guī)r【MF-2】

出現(xiàn)于夏家槽剖面第1層。該類微相生物碎屑含量主要介于30%～60%之間，以蜓類、非蜓有孔蟲、介形蟲、鈣藻類為主，雙殼類等生物碎屑較少。（圖版Ⅰ-c）

該微相類型基質主要是以微晶為主，含少量的亮晶，可能反映了一種相對較弱動蕩的淺水環(huán)境；蜓類屬淺海底棲生物，生活于水深20～100 m的熱帶或亞熱帶，多數(shù)化石顆粒完整，但有部分顯示有弱泥晶化現(xiàn)象，表明少數(shù)蜓在水底短暫停留或徘徊，而大多數(shù)為原地埋藏；有孔蟲、藻類等化石顆粒保存較好，棘皮類等顆粒破碎可能說明它們是由高能區(qū)被搬運到低能的瀉湖環(huán)境中來；較多粗枝藻的出現(xiàn)反映該灰?guī)r形成于潮汐面之下的溫暖淺水環(huán)境。據研究，在這種微相類型中，結殼狀的異常豐富，它為二疊紀常見的生物，常常被認為是藻類，并成集合體形式構成生物丘，或者在生物建隆中起著粘結作用。但是一些研究者認為是一種鈣質海綿幼體集合體[23]?？梢?，微相類型MF-2反映一種臺地邊緣后的海峽或者海灣環(huán)境的沉積環(huán)境，即為一種開闊海臺地相，相當于威爾遜（1975）[22]相帶7及8的標準微相類型SMF-18有孔蟲藻?；?guī)r。

4.3 疊層石狀微生物巖【MF-3】

該微相類型產于夏家槽剖面第1層頂部至第2層底，野外巖性呈灰黑色中厚層塊狀灰?guī)r，在宏觀上表現(xiàn)出包菜狀的藻疊層石。藻疊層石呈高5 cm和寬6 cm左右的集合體（圖版Ⅱ-a、b），單圈層厚度約為2～3 mm，分布較密，間距約1～3 cm。微觀上為微晶-細晶的碳酸鹽礦物，偶呈帶狀相間排列分布?；|中還含有少量藻類，幾乎不含其他生物碎屑。野外采集標本表面可見密集的微球狀構造（圖版Ⅱ-c），微觀上表現(xiàn)為藻包殼和藻包粒，大的藻包粒個體呈圓形，直徑約為0.6 mm以上，小的圓形藻凝塊石直徑為0.2～0.3 mm，核心為重結晶的鎂方解石或白云石所充填，并被藻泥晶包殼所包圍（圖版Ⅰ-d）。藻包粒的外圈之間為微亮晶方解石膠結的基質。

4.4 花斑狀鈣質微生物巖【MF-4】

該微相類型產于瑞坪剖面第4層以及夏家槽剖面第3、5層。宏觀上表現(xiàn)為花斑狀的構造（圖版Ⅱ-d、e），鏡下顯示為細晶-微晶組成的藻斑點、斑塊、凝塊石，形狀不規(guī)則?；ò郀畹臉嬙焓且环N最為普遍的沉積構造，在華南地區(qū)分布很廣。具有花斑狀構造的微生物巖通常被稱為凝塊石[18]。

微生物巖通常被認為形成于受限制的局限或半局限性潮下低能的沉積環(huán)境中。在樹枝狀或花斑狀鈣質的微生物巖中，常常保存有較完整的介形蟲、腹足類等化石。亦可反映開放-受限的潮下生物建隆的沉積環(huán)境[14]。吳亞生等[24]指出花斑狀構造微生物巖為局限臺地相沉積?，F(xiàn)代巴哈馬和鯊魚灣地區(qū)微生物巖研究表明：凝塊石多出現(xiàn)在水體較動蕩、沉積速率較快且相對開闊的淺潮下帶環(huán)境，并且生物擾動對凝塊石結構的形成有較大影響[25-26]。

4.5 樹枝狀鈣質微生物巖【MF-5】

該微相類型產于瑞坪剖面第6、8層，夏家槽剖面第4層。宏觀上呈灰色至灰黑色中-厚層塊狀。該微相類型在宏觀上表現(xiàn)出樹枝狀構造（圖版Ⅱ-e），此種構造主要是由微生物巖中的微晶和中粗晶組分呈近垂直層面的樹枝狀排列引起的。而微觀上表現(xiàn)出由較均一的微細晶基質和方解石顆粒組成的特征。生物面貌以低豐度、低分異度為特征，僅含極少量有孔蟲、介形蟲、腹足類、腕足類等（圖版Ⅰ-e）。這是一種類似生物建隆環(huán)境中直立的樹枝狀或似葉狀體的生物捕捉或藻粘結作用造礁環(huán)境，可稱為生物障積巖，相當于威爾遜（1975）[22]相帶5的標準微相類型SMF-7生物障積巖。

4.6 含黃鐵礦的泥晶灰?guī)r【MF-6】

產于夏家槽剖面第5層頂。野外露頭呈薄層夾中厚層灰?guī)r。生物量極低，含少量或極少量黃鐵礦。大部分為泥晶，有些已重結晶或白云石化，白云石化并成團塊狀堆積。極少有微裂縫或微方解石脈，偶爾見發(fā)育有一些縫合線。反映出由于沉積速率較慢，沉積作用受到影響，巖層發(fā)生凝縮減薄，為潮下較深水的陸棚環(huán)境（圖版Ⅰ-f）。

姚華舟等將晚二疊世長興期時長江三峽地區(qū)淺水碳酸鹽臺地與深水盆地結合帶的沉積相分為五種沉積類型[14]。根據姚華舟提供的采集標本的薄片樣品，通過鏡下觀察，認為除了上述描述的微相類型以外，至少可識別以下3種碳酸鹽巖微相類型：

4.7 薄殼微生物泥晶灰?guī)r【MF-7】

泥晶灰?guī)r中以薄殼的介形蟲，有孔蟲為特征（圖版Ⅰ-g），表明水介質環(huán)境不利于厚殼鈣質生物的發(fā)育，水鹽度加大或水溫升高引起對生物的抑制。這是一種典型的鹽度不正常的受限制的淺海-陸棚碳酸鹽臺地的潮下沉積。

4.8 含有孔蟲細晶灰?guī)r和白云巖【MF-8】

細晶灰?guī)r和白云巖中見有密集的細小幾丁質盤狀、棒狀、管狀和短柱狀有孔蟲和微生物，生物內部結構發(fā)生簡單化的變異（圖版Ⅰ-h）。這是一種典型的高鹽度介質條件下的受限制的局限或半局限性碳酸鹽臺地沉積。

4.9 礫屑和火山晶屑泥巖【MF-9】

泥巖中見有火山成因的礫狀泥巖屑（火山礫屑或火山彈？）（圖版Ⅱ-g），直徑可達0.2～0.3 cm，還見有大量粘土化的玻屑和火山晶屑[14]。晶屑的粒徑為0.15～0.6 mm，呈尖棱角狀、鉤狀、港灣狀和碎裂狀（圖版Ⅱ-h）。這是一種典型的盆地邊緣相類型。

二疊-三疊系界線層的微相類型是受限制的淺海-陸棚碳酸鹽臺地的潮下沉積，和缺氧的深水陸棚-盆地硅質沉積，以及與火山作用有關的礫屑、火山晶屑凝灰質泥巖，代表了局限臺地環(huán)境惡化，海水咸化、缺氧以及受火山作用的控制強烈?？梢娙龒{地區(qū)的過渡層的相類型向局限或半局限性環(huán)境發(fā)展，推測可能是由于火山作用加劇的原因，導致水介質鹽度增高，生物個體變小，鈣殼質變薄（變?yōu)閹锥≠|）。

5 早三疊世早期火山活動的證據

華南二疊-三疊系界線附近普遍發(fā)育有多層薄層的粘土巖層。它們的主要特征是：成層薄，一般厚度不超過10 cm,分布廣泛,有明顯的等時性,與上下巖層接觸面平整,含海相化石。界線粘土巖層是重要的研究對象,因為從這些界線附近的粘土巖層中,可能找到地質歷史時期曾經發(fā)生過的火山噴發(fā)或者外星撞擊等事件所遺留下來的蛛絲馬跡,從而找到導致二疊、三疊系之交生物大絕滅的真正原因[27]。

前人對二疊-三疊系界線地層進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)石英晶屑在二疊-三疊系界線地層中十分常見，并且主要存在于粘土巖中。這些粘土巖層大多具有成層薄、分布廣、具有等時性；粘土礦物成分以伊/蒙混層粘土礦物為主；碎屑物質中具有晶形完整的、未受磨圓的六方雙錐石英、鋯石、磷灰石、火山灰、微球粒等與火山活動有關的物質,這些特征明顯地反映了粘土巖的形成與火山活動密切相關[27]。

鄂西地區(qū)二疊-三疊系界線附近地層一般發(fā)育有3-5層粘土巖，最多發(fā)育7層，主要表現(xiàn)為灰黃色、黃棕色、淺黃色，或者帶點藍色的黃白色伊利石、蒙脫石或者伊蒙混層粘土巖。而這些特征大體上與華南其它地區(qū)類似[28]。在利川瑞坪剖面和夏家槽剖面界線地層處各發(fā)育有兩層火山凝灰?guī)r，其中瑞坪剖面火山凝灰?guī)r層厚度分別為11 cm和12 cm；夏家槽剖面火山凝灰?guī)r層厚度分別為17 cm和19 cm。說明在三疊紀早期利川地區(qū)發(fā)生過火山事件。

在三峽地區(qū)界線層的薄片樣品中發(fā)現(xiàn)了大量石英晶屑（圖版Ⅱ-h，圖版Ⅲ），剖面中可見厚約4 cm的伊利石粘土巖，也指示了該地區(qū)在早三疊時期的火山活動。

6 結論

本文以鄂西利川的二疊-三疊系地層為研究對象，通過實地觀察和測量、采集樣品和室內顯微鏡觀察，分析了類型，還原了二三疊之交環(huán)境的變化。結合鄰區(qū)的相關資料，所得結論如下：

在利川地區(qū)瑞坪、夏家槽兩個剖面共劃分出六種微相類型，包括有孔蟲微晶灰?guī)r、藻-有孔蟲生物碎屑灰?guī)r、疊層石狀鈣質微生物巖、花斑狀鈣質微生物巖、樹枝狀鈣質微生物巖、含黃鐵礦的泥晶灰?guī)r。三峽地區(qū)的過渡層的微相類型具有環(huán)境惡化的特征。

瑞坪、夏家槽剖面界線層之上均發(fā)育有火山凝灰?guī)r，指示了本區(qū)早三疊世可能發(fā)生火山事件，另外在三峽地區(qū)剖面的薄片中發(fā)現(xiàn)有大量石英晶屑，也是該區(qū)早三疊世火山活動的有力證明。

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∶Carbonate microfacies sequence analysis is carried out in two sections of the Permian-Triassic boundary in Lichuan area,Hubei province,which can be divided six microfacies types,and genesis and sedimentary environment of each kind microfacies are discussed to reveal the revolution of micro environment. The volcanic activities in the Early Triassic in this area are also discussed.The combined evidence is used to investigate the palaeoenvironment significance of the reef and microbialite,and the cause of the biomass extinction in the Permian-Triassic boundary.

∶carbonate microfacies;microbialite;Permian-Triassic boundary;biomass extinction

圖版Ⅰ

圖版Ⅱ

圖版Ⅲ

P53

A

1007-3701（2015）02-115-10

10.3969/j.issn.1007-3701.2015.02.001

2015-04-15；

2015-05-31.

余聰(1990—)，女，碩士在讀，古生物與地層學專業(yè)，E-mail:shanhucong12@163.com.