東秦嶺陜西聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交 沉積特征及其古環(huán)境意義*

李飛洋 張立軍 李泰然 楊琦琦 牛永斌 宋慧波

1河南理工大學資源環(huán)境學院，河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室，河南焦作 454003 2中原經(jīng)濟區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作 454003

1 概述

“微相”一詞最早是由Brown(1943)定義的，早期僅是在巖石薄片的鑒定中用來描述巖石學和古生物特征的術語?，F(xiàn)今“微相”一詞已變成綜合性術語，指在巖石薄片、巖石揭片、剖光片中描述巖石沉積特征和古生物特征。由于碳酸鹽巖成因和結構的特殊性，使碳酸鹽巖微相分析方法在沉積學中的作用尤為突出。結合碳酸鹽巖顆粒類型、沉積結構和巖石基質等各方面特征，目前已建立了完善的碳酸鹽巖分類體系和對應的沉積相模式(Folk，1959；Dunham，1962；余素玉，1989；Flügel，2010)。碳酸鹽巖微相分析方法在地質歷史時期高分辨率地層沉積學方面具有明顯的優(yōu)勢(Jinetal.， 2000；曹長群和鄭全峰，2009)，結合高分辨率地質年代學可更好地詮釋重大地質突變期前后古環(huán)境和古生態(tài)的精細變化特征。

東秦嶺陜西鎮(zhèn)安地區(qū)二疊系—三疊系的地層出露連續(xù)、厚度巨大，幾乎全為碳酸鹽巖沉積序列。對于該地區(qū)P-T界線附近的地層已做過大量基礎性研究，如白斌等(2002)將該區(qū)二疊系—三疊系劃分為4個層序單位，認為4次大幅度海平面變化及區(qū)域構造沉降作用是形成4個Ⅱ級不整合面的根本原因；Zhang等(2020)將牙形石Hindeousparvus的首現(xiàn)位置確定為聶家溝剖面二疊系與三疊系之間的界線(位于金雞嶺組最下部鮞粒灰?guī)r底部向上2 m的位置)。文中基于該區(qū)域P-T之交高分辨率碳酸鹽巖微相的研究，試圖從古生態(tài)和古環(huán)境角度深入了解二疊紀末生物大滅絕事件前后該區(qū)域生物與環(huán)境的協(xié)同演化關系。

2 地質背景

研究剖面位于陜西省鎮(zhèn)安縣聶家溝附近(圖1)，處于秦嶺褶皺系南秦嶺褶皺帶的風縣—金雞嶺褶皺束東段(白斌等，2002)，北接秦嶺造山帶。在二疊紀—三疊紀之交，南秦嶺微板塊拼接于華北板塊最南緣，與華南板塊隔勉略洋相望(Zhangetal.， 2020)。秦嶺造山帶是在長時間的多期構造運動中形成的，特征復雜(張國偉等，1996；李三忠等，2002)。中三疊世，華北、華南和秦嶺微板塊完成了最終拼合，結束了中國“南海北陸”的地理格局(裴放和王凌云，2006；陳衍景，2010；Dongetal.， 2015；張國偉等，2019)。

聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交發(fā)育龍洞川組和金雞嶺組，兩者呈整合接觸關系。樂平世海侵旋回基本上呈西淺東深的特點，西部地層以亮晶顆?；?guī)r為主，東部地層以顆粒泥粒灰?guī)r、顆粒粒泥灰?guī)r及泥晶灰?guī)r為主。樂平統(tǒng)龍洞川組由灰色—淺灰色厚層亮晶顆?；?guī)r組成，生物化石種類豐富，包括腕足類、有孔蟲類、鈣質藻類、棘皮類和珊瑚等。早三疊世海侵事件后，全區(qū)再次變?yōu)闇\水碳酸鹽沉積環(huán)境，金雞嶺組主要發(fā)育薄層—中層泥晶灰?guī)r，生屑顆粒豐度及分異度極低，僅見少量雙殼類、小型腹足類和小型有孔蟲等化石(白斌等，2002；程成等，2017)。

3 材料與方法

微相分析的主要目的是分析“微”環(huán)境，這就決定了它的研究內容是分析能夠反映沉積環(huán)境信息的巖石微觀特征(包洪平和楊承運，1999)。微相分析方法由野外工作和室內工作兩部分組成，野外工作主要是對研究區(qū)域進行實地考察，包括巖性描述、地層測量、記錄化石類型及采集有價值的化石等，并根據(jù)沉積特征和生物組合對沉積環(huán)境進行初步的分析和劃分，而室內工作是利用偏光顯微鏡對巖石薄片進行觀察，根據(jù)巖石顆粒類型和豐度、沉積構造、巖石基質和組構等特征對巖石薄片進行分類和命名，結合野外宏觀特征對微相類型進行系統(tǒng)地劃分，分析古環(huán)境和古生態(tài)意義。

A—二疊紀—三疊紀之交全球古地理圖(據(jù)Ziegler，1988；有修改)；B—交通位置；C—大地構造位置(據(jù)張國偉等，2019；有修改)圖 1 二疊紀—三疊紀之交全球古地理圖及陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面位置Fig.1 Global palaeogeography map of the Permian-Triassic transition and location of Niejiagou section in Zhen’an，Shaanxi

A—二疊系—三疊系層序，a和d為研究剖面頂、底分界線，b為龍洞川組和金雞嶺組的分界線，c為PTB的界線；B—金雞嶺組疊層石； C—金雞嶺組斑狀凝塊巖(黑色箭頭)和泥巖(白色箭頭)圖 2 陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交的地層宏觀特征Fig.2 Outcrop characterisitics of the Permian-Triassic transition strata at Niejiagou section in Zhen’an，Shaanxi

文中以陜西省鎮(zhèn)安縣西口回族鎮(zhèn)聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交地層為研究對象(圖 2)。在實地勘測的基礎上，以逐層采樣的方式自下而上系統(tǒng)采集了54塊巖石樣品。樂平統(tǒng)龍洞川組從上至下采集了3塊樣品，未見底；金雞嶺組從下至上采集了51塊樣品，未見頂。采樣間距3～64 cm，平均間距16 cm。巖石樣品及巖石薄片均保存在河南理工大學生物遺跡與成礦過程重點實驗室。室內分析時，采用Axio Imager M2研究級數(shù)字透反射偏光顯微鏡對薄片進行觀察和照相。碳酸鹽巖微相分類參照Dunham(1962)及Flügel(2010)的分類體系，并根據(jù)實際情況稍做修改。

4 碳酸鹽巖微相分析

4.1 主要顆粒類型及特征

碳酸鹽巖顆粒類型及其沉積特征是劃分微相類型、分析沉積環(huán)境及海平面變化的重要依據(jù)(趙俊興等，2003；Flügel，2010)。陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面樂平統(tǒng)龍洞川組和下三疊統(tǒng)金雞嶺組中常見的顆粒類型有生物碎屑、包殼型顆粒、似球粒、疊層石、囊泡和包粒(圖3)。

1)生物碎屑?？v向上分布范圍廣，分布比例不均衡。龍洞川組生物碎屑豐度及分異度高，生物碎屑有鈣藻、有孔蟲、、棘皮類和苔蘚蟲等(圖 4-D，4-E)。金雞嶺組生物碎屑具有種類少、豐度低及體積小等特點，包括雙殼類、海百合莖、有孔蟲、腕足類、腹足類及介形蟲等(圖 3-B至3-H)。

The maximum tensile or compressive strain along the diffraction plane is represented in terms of microstress present in the sample. The maximum microstress present in the sample can be obtained with the relationship[18],

2)包殼型顆粒。鮞粒分布于金雞嶺組下部和中部，以圓形或橢圓形的單皮鮞為主，集中分布，粒徑約在500～1500 μm之間，分選中等(圖 5-G)?？v向上，最下部地層中鮞粒的圈層結構較多，核心多為亮晶方解石，偶見有孔蟲和腹足類碎屑。各層位的鮞粒均出現(xiàn)不同程度的重結晶(圖 4-G)。核形石粒徑為毫米級到厘米級，分布于金雞嶺組中部，多與鮞粒伴生出現(xiàn)(圖 3-I)。核形石核心已被完全泥晶化，內部原生結構無法辨認，外層見泥晶套。

3)似球粒。分布于金雞嶺組中部(圖 3-A)。似球粒表面混濁，內部均質，外部呈次圓狀、棒狀或無明顯形狀。優(yōu)勢顆粒粒徑小于500 μm。

4)疊層石。分布于金雞嶺組中部，紋層組構較為發(fā)育，側向連續(xù)性好(圖 4-B)。垂向上可見緩波狀、水平狀及穹頂狀紋層交替出現(xiàn)，生物豐度及分異度極低。見極少量有孔蟲和藻類顆粒。個別層位見疊層石與鮞粒交替出現(xiàn)。

5)囊泡。分布于金雞嶺組下部斑狀凝塊石內(圖 4-A)，由微晶外壁和內部填充亮晶方解石組成，優(yōu)勢顆粒粒徑為500～1000 μm。囊泡形狀不規(guī)則，大部分呈球形、橢球形及不規(guī)則球形，外圍輪廓平滑，無棱角。

6)包粒。分布于金雞嶺組中部，與鮞粒伴生出現(xiàn)(圖 3-I)。包粒外部為無紋理泥晶鑲邊，核心為亮晶方解石(Flügel，2010)。研究區(qū)包殼的粒徑在200～500 μm之間，呈不規(guī)則圓狀，分選性較好。

A—金雞嶺組，第41層，個別層位見少量似球粒顆粒(Pl)，單偏光；B—金雞嶺組，第9層，雙殼類生物顆粒(Bi)，單偏光；C—金雞嶺組，第26層，見(f)厄爾蘭德蟲(Earlandia)，單偏光；D—金雞嶺組，第27層，腕足化石碎屑(Br)，殼體呈層纖狀結構，單偏光；E—金雞嶺組，第28層，見完整腹足類生物化石，單偏光；F—金雞嶺組，第42層，見個別介形蟲顆粒(o)，單偏光；G—金雞嶺組，可見有孔蟲(f)球旋蟲(Glomospira)，第34層，單偏光；H—金雞嶺組，見有孔蟲(f)節(jié)房蟲(Nodosaria)，第34層，單偏光；I—金雞嶺 組，第24層，可見大小混雜的核形石(On)、鮞粒和包粒，單偏光圖 3 陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面下三疊統(tǒng)金雞嶺組下部典型生物顆粒Fig.3 Microscopic photos of biological particles in lower part of the Lower Triassic Jinjiling Formation at Niejiagou section in Zhen’an，Shaanxi

4.2 碳酸鹽巖微相與沉積環(huán)境

根據(jù)沉積結構、顆粒類型及生物組合等特征，參照Dunham(1962)和Flügel(2010)的分類體系，將陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交地層劃分為11種微相類型(圖 4，表 1)。

樂平統(tǒng)龍洞川組主要發(fā)育淺灰色厚層生物碎屑灰?guī)r，碳酸鹽巖微相類型有有孔蟲顆粒灰?guī)r和藻—海百合泥?；?guī)r。顆粒類型以生物碎屑為主，包括有孔蟲、、海百合莖及鈣藻等。

金雞嶺組巖性以灰褐色中層凝塊石灰?guī)r、灰色厚層泥晶灰?guī)r及灰褐色薄層疊層石灰?guī)r為主。微相類型包括鮞粒顆?；?guī)r、斑點狀凝塊石、集合顆?；?guī)r、疊層石灰?guī)r、鮞?！y層狀疊層石灰?guī)r、含有被包殼和被磨蝕骨屑顆粒的粒泥灰?guī)r、含鮞粒的粒泥灰?guī)r、泥巖和泥晶灰?guī)r。碳酸鹽巖顆粒類型有生物碎屑、鮞粒、似球粒、包粒及核形石等，生物碎屑豐度及分異度極低，有雙殼類、腹足類、腕足類、海百合莖、有孔蟲及介形蟲等。垂向上，生物顆粒含量整體呈遞增趨勢，下部地層中的生物顆粒以大量的微生物為主，上部地層中雙殼類生物含量有所增加，但只集中分布于少數(shù)層位。

A—MF1，斑狀凝塊巖，第4層，可見大量形狀不規(guī)則的囊狀微生物化石，化石內部由塊狀方解石和微亮晶組成，單偏光；B—MF2，疊層石灰?guī)r，第25層，疊層石明暗交替，形態(tài)從上至下依次可見緩波狀、平行狀及穹頂狀，單偏光；C—MF3，鮞?！y層狀疊層石灰?guī)r，第26層，右上部為紋層狀疊層石(箭頭位置)，左下部為鮞粒顆粒，可見雙殼類(b)和海百合莖(e)，單偏光；D—MF4，有孔蟲顆粒灰?guī)r，第3層，可見大量和有孔蟲(f)化石、海百合莖(e)和鈣藻(d)，顆粒間為亮晶方解石填充，單偏光；E—MF5，藻—海百合泥?；?guī)r，第2層，可見個別有孔蟲(f)、粗枝藻(d)、海百合莖(e)，顆粒間主要為亮晶方解石填充，單偏光；F—MF6，第38層，含有被包殼和被磨蝕骨屑顆粒的粒泥灰?guī)r，可見體腔內被亮晶方解石填充的雙殼類；G—MF6，鮞粒顆?；?guī)r，第1層，可見大量鮞粒顆粒，顆粒分選中等，粒間為亮晶方解石填充，單偏光；H—MF7，集合顆粒灰?guī)r，第9層，可見大量鮞粒、團粒和集合顆粒，顆粒主要分布在亮晶方解石或微亮晶內，單偏光；I—MF8，鮞粒粒泥灰?guī)r，第28層，見變形破碎的鮞粒(Oo)，顆粒間為亮晶方解石膠結，單偏光； J，K—MF10，泥巖，無生物碎屑顆粒，見大量黑色有機質，單偏光；L—MF11，泥晶灰?guī)r，生物碎屑極少，見介形蟲(o)圖 4 陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交的沉積微相特征Fig.4 Sedmentary microfacies of the Permian-Triassic transition strata at Niejiagou section in Zhen’an，Shaanxi

表 1 陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交的沉積微相類型及特征Table 1 Types and characteristics of sedmentary microfacies of the Permian-Triassic transition strata at Niejiagou section in Zhen’an，Shaanxi

圖 5 陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交的綜合地層柱狀圖(生物地層及碳同位素數(shù)據(jù)引用自Zhang et al.， 2020)Fig.5 Stratigraphic column of the Permian-Triassic transition strata at Niejiagou section in Zhen’an，Shaanxi (biostratigraphic strata and carbon isotope data from Zhang et al.， 2020)

圖 6 陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交的生物碎屑及微生物巖分布示意圖Fig.6 Distribution of bioclastic and microbialites of the Permian-Triassic transition strata at Niejiagou section in Zhen’an，Shaanxi

5 討論

5.1 二疊紀—三疊紀之交的沉積微相演變

陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交的碳酸鹽巖微相特征反映出頻繁的相帶變化(圖 5)。龍洞川組和金雞嶺組自下而上依次發(fā)育有臺地邊緣、局限臺地及開闊臺地沉積，垂向序列上3種沉積環(huán)境更替出現(xiàn)。金雞嶺組微生物巖有疊層石和凝塊石，兩者形成于不同的水深環(huán)境，其中前者主要形成于潮間帶—淺潮下高能帶，而后者形成于深潮下低能帶(劉建波等，2007)。在疊層石灰?guī)r中出現(xiàn)了水平狀、緩波狀及穹頂狀等不同形狀的紋層(圖 4-B)，亦代表了不同水深的沉積環(huán)境(Ezakietal.， 2004)。另外，鮞?；?guī)r中形態(tài)、大小不同的鮞粒、核形石和包粒等顆?；祀s出現(xiàn)(圖 3-I)，也體現(xiàn)出沉積環(huán)境頻繁地波動。

聶家溝剖面樂平統(tǒng)龍洞川組上部(-3--1層)巖性為淺灰色—灰色厚層亮晶顆粒灰?guī)r，顆粒磨圓度高，分選性好，生物豐度和分異度高，多為窄鹽性海洋生物，如鈣藻、海百合及有孔蟲等，指示了水體環(huán)境動蕩的臺地邊緣淺灘環(huán)境。金雞嶺組(1-51層)沉積微相特征顯示海平面經(jīng)歷了多期波動，整體上指示1個海侵序列(圖 5): 金雞嶺組下部地層(1-15層)以斑狀凝塊石灰?guī)r為主，生物豐度高但分異度低，見大量鈣質微生物和極少量的雙殼類和海百合莖生屑，指示水體環(huán)境穩(wěn)定的開闊臺地沉積環(huán)境；金雞嶺組中部地層(15-28層)整體呈退積—進積—退積的層序特征，縱向上依次交替，發(fā)育局限臺地環(huán)境的泥巖、疊層石灰?guī)r和鮞?！B層石灰?guī)r與淺灘環(huán)境的鮞粒顆粒灰?guī)r以及開闊臺地環(huán)境的鮞粒粒泥灰?guī)r；金雞嶺組上部地層(29-51層)沉積時相對海平面變化整體呈進積序列特征，伴多期海平面小幅度波動，巖石類型以泥晶灰?guī)r為主，中間夾泥巖和含有被包殼和被磨蝕骨屑顆粒的粒泥灰?guī)r，生物含量較低，有雙殼類、介形蟲和小型有孔蟲等，指示水體環(huán)境穩(wěn)定的開闊臺地環(huán)境。

5.2 二疊紀—三疊紀之交的古生態(tài)學演變

綜合聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交后生生物碎屑(雙殼類、腕足類、有孔蟲和海百合等)的分布特征(圖 6)，表明二疊紀末生物大滅絕事件前后淺海碳酸鹽巖臺地古生態(tài)特征存在著明顯的差異。

在二疊紀末生物大滅絕事件之前，樂平統(tǒng)龍洞川組的主要巖性為亮晶顆?；?guī)r，富產(chǎn)結構復雜的、有孔蟲、棘皮類和鈣藻等生物化石。依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)結果(圖 6)可知，后生生物分異度和豐度在鮞粒顆?；?guī)r處(金雞嶺組第1層)大幅度降低，但和有孔蟲生物滅絕時間要早于棘皮類和鈣藻。具體表現(xiàn)為： 棘皮類和鈣藻的含量隨時間變化的趨勢平緩，且鈣藻表現(xiàn)尤為明顯；和有孔蟲含量在藻—海百合泥?；?guī)r處(龍洞川組第-2層)急劇下降，鏡下薄片中僅見極個別完整的和有孔蟲化石(圖 4-E)。后生生物的演化特征表明，和有孔蟲對于環(huán)境變化的敏感度和響應速度快于海百合莖和鈣藻，更容易受到災變事件的影響(Songetal.， 2015)，也從側面進一步證實了受生理特征影響，生物對于大滅絕事件具有選擇性和不等時性的特點(Shenetal.， 2009；Songetal.， 2013；Hull，2015)。

二疊紀末生物大滅絕事件后，淺海碳酸鹽巖臺地生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重打擊，和鈣藻從生態(tài)系統(tǒng)中徹底消失，有孔蟲、棘皮類、腕足類及雙殼類等也遭受不同程度的重創(chuàng)。因此，下三疊統(tǒng)金雞嶺組后生生物的豐度及分異度極低，生物群落以微生物為主，含有極少量的小型有孔蟲、雙殼類、介形蟲和海百合莖等(圖 6)。

綜上所述，受二疊紀末生物大滅絕事件的影響，樂平世生物豐富的淺海碳酸鹽巖臺地生態(tài)環(huán)境被早三疊世以微生物為主并伴有小型腹足類、有孔蟲及雙殼類等廣棲生物的簡單生態(tài)系統(tǒng)所代替。這一生態(tài)演替特點與中國華南同時期其他淺海碳酸鹽巖臺地一致(Songetal.， 2013；Tianetal.， 2019)。

下三疊統(tǒng)金雞嶺組中產(chǎn)出的生物多為雙殼類、海百合、腹足類以及有孔蟲，腕足類產(chǎn)出較少，主要原因在于雙殼類、海百合、腹足類及有孔蟲等對環(huán)境波動(如鹽度、氧氣含量、渾濁度及湍流等)的適應能力強(Clapham and Bottjer，2007；Songetal.， 2013；Chenetal.， 2019)，而對海洋環(huán)境變化敏感、生物緩沖差的腕足類成為二疊紀末大滅絕事件中最大的受害者之一(Clapham and Bottjer，2007)。同時，金雞嶺組中的有孔蟲、腕足類及雙殼類等生物出現(xiàn)了小型化效應(“Lilliput effect”)(Twitchett，2007；Bingetal.， 2010)，其中有孔蟲以管狀和盤狀為主，個體遠小于滅絕前的水平(圖 3-C，3-G，3-H)，腕足類和雙殼類生物也出現(xiàn)形態(tài)變小、殼體厚度變小的變化趨勢。這種小型化現(xiàn)象，目前主要歸因于缺氧、海洋酸化及全球變暖等惡劣的環(huán)境條件(Kaiho，1998；Hunt and Roy，2006；Kuroyanagietal.， 2009；Songetal.， 2011；Kershawetal.， 2018)或是降低同類競爭水平(Chenetal.， 2019)。

6 結論

1)系統(tǒng)的碳酸鹽巖微相分析表明，陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交的沉積可劃分為11種碳酸鹽巖微相類型，其中樂平統(tǒng)龍洞川組頂部為有孔蟲顆?；?guī)r和藻—海百合泥?；?guī)r微相，金雞嶺組下部為鮞粒顆?；?guī)r、斑點狀凝塊石、集合顆?；?guī)r、疊層石灰?guī)r、鮞?！y層狀疊層石灰?guī)r、含有被包殼和被磨蝕骨屑顆粒的粒泥灰?guī)r、含鮞粒的粒泥灰?guī)r、泥巖和泥晶灰?guī)r微相。根據(jù)碳酸鹽巖微相特征及沉積相標志，將該段沉積劃歸為3種沉積相類型，分別是臺地邊緣相、開闊臺地相和局限臺地相，指示聶家溝剖面在二疊紀—三疊紀之交發(fā)生了多期次的沉積相帶轉化。

2)陜西鎮(zhèn)安聶家溝剖面二疊紀—三疊紀之交的碳酸鹽巖微相所反映的古生態(tài)學特征顯示，二疊紀末的生物滅絕事件沉重打擊了淺海碳酸鹽巖臺地生態(tài)系統(tǒng)，早三疊世初期變?yōu)橐晕⑸锾妓猁}巖為主的簡單生態(tài)系統(tǒng)。