在特提斯域内存在的大量证据表明, 三叠纪全球受到强烈的季风性气候的影响, 这种超级季风(megamonsoon)气候与泛大陆的聚合有关(Robinson, 1973; Parrish et al., 1982; Wang, 2009)。根据泛大陆的聚合程度及形状或植物叶片特征, 有学者认为晚三叠世卡尼期是季风最为强烈的时期(Parrish, 1993; Colombi and Parrish, 2008), 这主要反映在卡尼期沉积中广泛存在指示湿润气候的替代指标(Preto et al., 2010)。发生在晚三叠世的卡尼期洪水事件(Simms and Ruffell, 1989, 1990; Simms et al., 1995), 以幕次降雨量增多为特征, 且为全球性的, 是三叠纪最显著的气候变化事件(Preto et al., 2010); 该事件发生于晚三叠世早卡尼期和晚卡尼期的界线附近, 代表了1次非常明显的湿润事件, 且晚三叠世环境和生物的变迁都与这次气候事件有关(Simms and Ruffell, 1989, 1990; Simms et al., 1995)。在目前该事件研究涉及较多的西特提斯地区, 它与镶边碳酸盐岩台地的消失和大量碎屑物质的输入有关(Preto et al., 2010); 在东特提斯地区, 表现为海绵礁的死亡(川西北)、碳酸盐岩台地的消失(黔中)及上卡尼阶中逐步增多的陆源碎屑(时志强等, 2010a, 2010b)。这次事件首先被Schlager和Schö llnberger(1974)在北钙质阿尔卑斯(Calcareous Alps)地区识别出来并提出“ Reingraben转折” 的概念, Simms 和Ruffell(1989)基于对阿尔卑斯地区卡尼阶的研究, 将之归因于降雨量的增加, 因此称为“ 卡尼期洪水事件(Carnian pluvial event)” 。之后, 研究者在整个特提斯域都识别出该地质事件并对其原因和影响进行了研究(Simms et al., 1995; Hornung et al., 2007b, 2007c; Rigo et al., 2007; 时志强等, 2010a, 2010b)。这个由岩性、古生物等显著变化反映出的晚三叠世地质事件的称谓还有卡尼期危机(Carnian crisis)(Hornung et al., 2007b)、卡尼期碳酸盐生产力危机(Carnian carbonate productivity crisis)(Hornung et al., 2007a)、卡尼期黑色页岩事件(Hornung and Brandner, 2005)等。

三叠纪中的许多气候事件是极其引人关注的, 很值得深入研究, 而其中全球性的卡尼期洪水事件是三叠纪最为显著的气候变化事件(Preto et al., 2010), 然而对晚三叠世古气候研究到目前为止多集中在西特提斯地区和美国西南部等局部区域。中国西南部地区也广泛受到过该事件的影响(时志强等, 2010a, 2010b), 将东特提斯地区卡尼期洪水事件研究融入到全球晚三叠世古气候研究的宏观视野中, 无疑会获得对全球古气候变化更深刻的认识。

川西北地区卡尼阶广泛见于四川盆地西北缘绵竹到江油一带的地表露头, 在川西坳陷西部钻井中也钻遇该套地层, 其岩性以灰色鲕粒灰岩、凝块石灰岩或微晶灰岩、砾屑灰岩向上突变为灰黑色页岩及粉砂岩为显著特征, 与西特提斯地区卡尼阶在岩性和颜色上有很大的相似性。本次选取了龙门山地区2个典型的卡尼阶剖面(图1)进行研究。

图1

Fig.1

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	图1 川西北地区地理位置及剖面分布Fig.1 Geographical map showing location of northwestern Sichuan Province and distribution of sections

在绵竹汉旺剖面, 卡尼阶马鞍塘组以块状砾屑鲕粒灰岩与下伏中三叠统拉丁阶雷口坡组层纹石白云岩呈假整合接触; 与上覆诺利阶陆棚相— 海陆过渡相粉砂岩、粉砂质页岩呈整合接触, 由上卡尼阶到诺利阶, 泥质粉砂岩单层厚度增大, 粒度逐渐变粗, 颜色变浅。在川西北地区地表露头所见的下卡尼阶在绵竹汉旺到安县沸水之间主要表现为厚层状鲕粒灰岩及之上发育的硅质六射海绵礁(丘)群(吴熙纯, 1990)。海绵礁灰岩主要出露于龙门山山前断褶带边缘的数个背斜、向斜之两翼(吴熙纯, 1990), 吴熙纯(2009)认为川西北地区早卡尼期海绵礁丘沉积于缓坡环境, 是川西北地区海相碳酸盐沉积的最新层位。川西北地区上卡尼阶以黑灰色、灰黑色钙质页岩、薄层状泥质粉砂岩为主(时志强等, 2010c), 在绵竹汉旺及安县雎水等地以礁盖相覆盖于海绵礁丘灰岩之上(杨荣军等, 2008)。由于缺乏翔实的牙形石资料和同位素测年数据, 该套沉积目前还难以与西特提斯等地的卡尼阶精确对比。

本次研究选取绵竹汉旺观音崖剖面卡尼阶中部海绵礁(丘)的礁翼与礁间沉积(杨荣军等, 2008)和安县雎水罐子滩剖面卡尼阶上部粉砂质页岩、泥质粉砂岩作为研究对象(图 2)。反映卡尼期气候变化的川西北地区海绵礁(丘)的礁盖沉积以泥质岩和粉砂岩为主, 仅夹厚度不大的1层泥质灰岩, 礁间沉积为泥质岩及粉砂岩, 酸溶法测试泥质岩及粉砂岩的全岩碳氧同位素效果均不理想。由于激光微区碳氧同位素方法具有高空间分辨率和优于常规方法的分析精度(强子同等, 1996), 因此, 本次研究尝试用这种测试方法分析有孔虫、双壳类及腕足类化石壳体和植物叶片化石的碳、氧同位素, 以期了解卡尼期洪水事件在东特提斯地区的影响。

图2

Fig.2

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	图2 川西北地区卡尼阶岩性柱状图及化石碳、氧同位素特征Fig.2 Lithologic column and oxygen and carbon isotopic values of the Carnian in northwestern Sichuan Province

激光微区碳氧同位素分析在西南油气田分公司勘探开发研究院地质实验室进行。样品制作方法和分析流程如下:首先选取多个卡尼阶岩石样品切割磨制成规格20 mm× 25 mm、厚度0.3~0.4, mm的薄片, 然后将薄片固定在玻璃载片上进行显微镜观察, 在含有有孔虫、双壳类及腕足类化石壳体的薄片中选取分析的区域并照相(图 3), 并辅以阴极发光测试(在成都理工大学油气藏地质与开发过程国家重点实验室完成), 最后选取在阴极射线照射下不发光或发光较弱的样品用于碳、氧同位素测试。对部分腕足类化石壳体和植物叶片直接切取新鲜面用于测试(图 3), 其中腕足类生物化石尽量选取保存程度好的纤维状次生层进行测试。

图3

Fig.3

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	图3 测试碳、氧同位素时选择的激光点(图中红色圆点)Fig.3 Selected laser micro-sampling spots(red circle dots)for oxygen and carbon isotopic measurement

对选定样品用激光束聚焦定位, 通过激光束加热分解取样。采用Nd:YAG作为激光加热融解取样器, 激光束斑直径小于20, μ m。对激光热分解过程中产生的气体进行真空液氮冷冻提纯, 提取纯净的CO₂气体导入气体同位素质谱仪进行碳氧同位素测量。本次研究的碳酸钙中的碳、氧同位素标准物质为GBW04406; 采用的行业标准为Q/SY XN0075-2000。所有数据经校正后均采用PDB标准(以δ ‰ 单位表示), 测试精度δ 小于0.2‰ , 测试时进行了分馏校正, 分析流程和误差见何道清(2003)的论述。

本次研究选取的岩石样品较多, 但是部分样品中未见到生物碎屑, 部分样品的阴极发光测试结果显示其受到较为强烈的成岩作用的影响, 故仅测试了5个经阴极发光校正的生物壳化石样品的激光微区碳、氧同位素, 另对2个未经磨制薄片的化石样品(双壳类化石壳体及植物叶片化石, 如图3所示)直接进行测试。测试结果(表1)显示, 正常海相沉积的鲕粒灰岩、凝块石灰岩中碳同位素值在0.89‰ ~3.78‰ 之间变化, 平均2.37‰ ; 而覆盖于礁核之上的泥质粉砂岩中3个样品的化石碳同位素值为-0.21‰ ~0.77‰ , 平均仅为0.25‰ 。正常海相灰岩的碳同位素值均高于泥质粉砂岩中的化石样品, 而氧同位素未显现明显的规律。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 川西北地区激光微区碳、氧同位素测试结果 Table1 Oxygen and carbon isotopic values of laser micro-sampling measurement in northwestern Sichuan Province 序号 样品号 层位 岩性 激光点 选择 δ13CPDB /‰ δ18OPDB /‰ 7 JP02-C2 泥质 粉砂岩 植物叶片 化石 -0.21 -5.10 6 JP02-C1 泥质 粉砂岩 双壳类 壳体 0.77 -9.39 5 JP01 泥质 粉砂岩 双壳类 壳体 0.18 -6.75 4 HWC-13 生屑凝块 石灰岩 腕足类 壳体 3.78 -5.25 3 HWC-10 生屑凝块 石灰岩 腕足类 壳体 3.49 -5.70 2 HWC-4 生屑凝块 石灰岩 腕足类 壳体 1.32 -4.34 1 HWC-0 鲕粒灰岩 鲕粒中心 有孔虫壳体 0.89 -10.08

表1 川西北地区激光微区碳、氧同位素测试结果 Table1 Oxygen and carbon isotopic values of laser micro-sampling measurement in northwestern Sichuan Province

川西北地区卡尼阶碳同位素值的变化与西特提斯(奥地利)Lunz-Polzberg剖面、喜马拉雅Spiti盆地(Hornung et al., 2007b)卡尼阶有一定的相似性, 即从碳酸盐岩到黑色页岩和粉砂岩, 碳同位素值有变小、更趋于负值的趋势(图 4), 本次研究中这样的趋势非常明显, 笔者认为这可能反映了同样的地质事件的影响。Hornung 等(2007b)认为该碳同位素变化显示了特提斯域潮湿气候下淡水输入的影响。淡水将把原始的海相特征替换为明显的更轻微、几乎为负的值(Immenhauser et al., 1999), 这是因为河流输入可能降低浅海表面水体溶解的无机碳的碳同位素成分, 因此产生¹²C的相对富集(Baud et al., 1989; Holser et al., 1989; Hornung et al., 2007b)。奥地利Lunz-Polzberg剖面碳酸盐δ ¹³C呈现负的变化, 在上卡尼阶下部出现最小值, 这是由¹²C_org+anorg再次活跃并输入边缘海造成的(Hornung et al., 2007b), 其原因是潮湿的气候导致大陆地块风化作用迅速加强, 于是活动大陆边缘强烈的抬升和抬高的地势起伏可能产生了这个特别的同位素信号(Hornung et al., 2007b)。在意大利北部Dolomites地区, 晚卡尼期受限制的贫氧环境下沉积的Heiligkreuz层覆盖于浅水台地碳酸盐岩之上(Keim et al., 2006), 这套岩层主要由泥岩、泥灰岩和粒泥灰岩组成, δ ¹³C值亦偏低, 被解释为潮湿气候下的淡化海洋的事件沉积(Simms et al., 1995)。与这一事件相关的陆源碎屑输入增多同样出现在新特提斯海南部沿岸(冈瓦那大陆北部边缘海), Hornung等(2007b)认为这是受超级季风影响的特提斯域古气候造成的。川西北地区在卡尼期位于东特提斯北部沿岸热带和亚热带地区, 相似的碳同位素特征可能反映了相同的地质事件。

图4

Fig.4

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	图4 川西北地区与奥地利中部(Hornung et al., 2007b)卡尼阶碳同位素对比Fig.4 Carbon isotope stratigraphic correlation of the sections in northwestern Sichuan Province and in Middle Austria (Hornung et al., 2007b)

本次研究测试的卡尼阶氧同位素变化不大, 与西特提斯地区类似, Hornung等(2007b)认为氧同位素值受到强烈的成岩作用叠加影响。文中给定的氧同位素数据显示了上卡尼阶泥质粉砂岩中的化石样品氧同位素值略低于海相灰岩。

绵竹汉旺剖面的礁翼及礁间沉积发育在鲕滩上, 岩性为礁粘结岩或障积岩夹数层厚度不等的薄层状粉砂质页岩、灰质页岩, 礁粘结岩或障积岩呈厚层状, 每套礁粘结岩或障积岩顶部过渡为含凝块石的灰质粉砂岩, 显示陆源物质供给的周期性增强; 总体看灰质页岩夹层厚度有向上增大的趋势。安县雎水剖面上卡尼阶粉砂岩质页岩、泥质粉砂岩发育于海绵礁(丘)的礁盖相, 可见大量菊石、双壳类化石碎片, 与植物茎干和植物叶片共生; 这反映出潮湿气候下大量淡水输入海洋的影响和陆源物质输入急剧增强的趋势, 很可能是造成卡尼期海绵礁死亡和上扬子地区碳酸盐生产中止的主要因素(时志强等, 2010c)。本次研究将绵竹汉旺剖面与安县雎水剖面厚层状灰岩的结束作为上、下卡尼阶的分界, 代表了Hornung等(2007b)所认为的特提斯地区古气候变化引起的碳酸盐生产危机。生产危机化在西特提斯地区表现为卡尼阶海相菊石、海百合和苔藓动物门在上、下卡尼阶分界处呈现出很高的灭亡率(Simms et al., 1995), 被认为是因为潮湿的气候脉冲(climate pulse)而引起的(Simms and Ruffell, 1990; Simms et al., 1995; Roghi et al., 2010)。川西北地区卡尼阶也显示出从下卡尼阶到上卡尼阶六射海绵、海百合、苔藓虫和珊瑚等海相化石的消失, 在上卡尼阶可见种属单一、但含丰富的双壳类、菊石、腕足类等的有壳类动物化石(时志强等, 2009), 与西特提斯地区类似的潮湿气候下的大量淡水输入可能是造成这一气候变化的主导因素。

近些年来, 众多学者将西特提斯地区卡尼期洪水事件与超级季风联系起来, 认为是受到了超级季风达到最大值的影响(Mutti and Weissert, 1995; Balog, 1999; Hornung et al., 2007b, 2007c), 特提斯沿岸在早卡尼期晚期突然增强的潮湿气候触发卡尼期洪水事件, 且现在有学者赞同用全球气候变化来解释卡尼期洪水事件(Preto et al., 2010)。而川西地区上卡尼阶灰黑色陆源沉积岩中含量丰富的植物叶片也应反映了湿润的古气候, 古气候的转变与西特提斯地区卡尼期洪水事件一致, 可能反映了特提斯域同步的古气候变化。

川西北地区从下卡尼阶灰色鲕粒灰岩、凝块石灰岩到上卡尼阶黑灰色泥质粉砂岩、页岩的岩性、颜色、古生物变化记录了与西特提斯地区类似的地质事件, 本次研究用阴极发光、激光微区碳、氧同位素测试方法分析了川西北地区卡尼阶中有孔虫、双壳类及腕足类化石壳体和植物叶片化石碳、氧同位素, 结果显示上卡尼阶化石氧同位素较下卡尼阶略有变小, 上卡尼阶泥质粉砂岩中化石壳体碳同位素较下卡尼阶灰岩明显变小, 这反映了卡尼期洪水事件的影响; 特提斯域等时的古气候变化显示为由早卡尼期以干旱为主向晚卡尼期以潮湿为主的变化, 潮湿气候条件下的淡水输入是造成川西北地区海绵礁(丘)生物大量周期性死亡及最后消失的主要影响因素之一。