二叠纪末发生了显生宙以来规模最大的生物灭绝, 随之发生的则是全球古环境、古气候的急剧变化(Stanley, 1988; Kozur, 1998; Jin et al., 2000; Roscher et al., 2011)。P-T界线处发生碳同位素显著的负偏(Holser, 1997; Payne et al., 2004; Horacek et al., 2007), 大气酸雨以及植被缺乏等气候及生态因素使得陆地表面风化速率显著增强(Retallack, 1999; Algeo and Twitchett, 2010), 浅海生物群落被微生物和细菌群落所主宰(Algeo et al., 2011); 海洋生态系统复苏的时限和形式受环境条件强烈的影响, 复苏速度缓慢而曲折(Twitchett et al., 2004)。最新的研究成果表明, P-T界线事件与海洋、陆地生态环境的变化具有密切的关联性, 陆地区域的环境变化显著影响了海洋生态环境(Algeo et al., 2011)。

旋回地层学立足于天文学的地球轨道3要素, 通过功率谱分析、数字滤波等运算, 对地层进行划分和对比, 具有计算精度高, 计算过程可优化、自动化、可操作性强的特点。Gradstein(2004)把天文轨道因素作为确定地质年代的一种重要的方法。Aigner等(1995)对取自德国三叠系剖面的自然伽马(GR)序列运用能谱分析的方法做了较为细致的旋回地层分析; Rampino(2000)运用傅里叶变换计算测井曲线能谱的方法对澳大利亚Carnic Alps地区的贯穿P-T界线的岩心进行了天文旋回地层学的分析, 识别出了412:100:40:20(长、短偏心率, 倾角, 岁差)的米兰科维奇旋回, 计算了界线附近平均的沉积速率为10 cm/ka。国内对于天文旋回地层学方法的应用集中于第四纪地层旋回的研究。近几年来, 一些学者在海相泥盆系、P-T界线等开展了旋回地层的研究(喻艺等, 1998; 梅冥相等, 2005)。Huang等(2010)对广元上寺剖面P-T界线地层进行了天文旋回地层学的分析, 但是利用数字方法对P-T界线附近上二叠统— 下三叠统野外剖面进行大尺度天文旋回地层分析尚无记录。而研究P-T界线上下沉积地层的大尺度沉积旋回和沉积速率, 对于探讨该时期古气候环境以及海洋和陆地古环境变化间的联系具有重要意义。

上扬子地区二叠纪— 三叠纪位于特提斯洋北缘, 保存了完好的连续的沉积地层和生物化石, P-T界线地层保存完整。作者利用小波分析技术, 对采集自四川广元上寺剖面的GR能谱序列进行深入分析和研究, 以期了解晚二叠世晚期— 早三叠世早期古海洋沉积反映的环境及气候信息, 并初步探讨了P-T生物大灭绝后生物复苏迟缓的影响机制。

广元上寺P-T界线剖面位于上寺村北2 km(图 1), 川陕公路西侧, 地理位置为东经105.30° 、北纬32.17° 。剖面出露良好, 沉积连续, 适合进行沉积旋回分析。剖面总厚度为133.1 m。以碳酸盐岩为主, 约占剖面70%~80%, 其次为硅质岩、泥质岩及少量火山凝灰岩。吴家坪组与大隆组、大隆组与飞仙关组均为整合接触; 大隆组顶部见3层P-T界线黏土岩, 厚度自下而上分别为a层0.05, m、b层0.06 m、c层0.04 m。a层为灰黑色蒙脱石— 伊利石不规则混层矿物黏土层, 具水平层理, 含少量有机质和陆源碎屑。b层为灰白色蒙脱石— 伊利石不规则混层矿物黏土岩, 具片理, 镜下见火山晶屑玻屑残余结构, 强蒙脱石化。c层为灰黑色微薄层含蒙脱石— 伊利石不规则混层矿物伊利石黏土岩, 具水平层理, 含少量有机质和陆源碎屑(Lai et al., 1995)。前人有报道在该处发现微量的Ir元素异常, 产少量菊石、牙形石、瓣腮类及孢粉(金若谷和黄恒铨, 1987)。

图1

Fig.1

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	图1 四川广元上寺剖面位置及岩性地层Fig.1 Location and lithological stratigraphy of Shangsi section of Guangyuan, Sichuan Province

本次实际测量的从上二叠统吴家坪组上部到下三叠统飞仙关组一段的沉积地层剖面, 贯穿了P-T界线。综合金若谷和黄恒铨(1987)与Lai 等(1995)的野外剖面测量结果, 对其岩性及沉积结构、构造特征描述如下。

上二叠统吴家坪组上段:主要有灰色、中厚至厚层生物屑亮晶灰岩、含生物屑泥晶灰岩组成, 富含燧石结核和团块, 底栖生物十分丰富。本次研究涉及的吴家坪组上段的厚度为10.3 m。

上二叠统大隆组:分为两段。上段上部为灰— 深灰色中薄层放射虫硅质岩、硅质泥晶灰岩夹硅质页岩和蒙脱石— 伊利石不规则混层矿物黏土岩。产丰富放射虫, 牙形石。下部为灰色、中薄层硅质泥晶灰岩、泥晶灰岩夹钙质页岩, 韵律层理发育, 以Clarkina subcarinata (Sweet, 1992), C.changxingensis(Wang and Wang, 1981)常见, 见Huananoceras sp., Pseudotirolites sp., P.asiaticus和Changsingoceras等菊石。全段厚度约10.1 m。下段上部为灰灰色薄层含碳泥硅质岩、硅质泥晶灰岩夹黑色页岩、碳质页岩, 具水平层理和韵律层理, 产Shangsilites guangyuanensis, S.shangsiensis(Sheng et al., 1984), Pseudotirolites sp.等菊石, C.deflecta (Wang and Wang, 1981), C.subcarinata(Sweet, 1992), C.guangyuanensis, Hindeodus minutus, Enantiognathus ziegleri, Prioniodella cteniodes Tatge, P.decrescens, Xaniognathus elongates(Sweet, 1992), Hibbardella aeduilongus(Dai et al., 1984)等牙形石; 下部层面不平整, 含少量燧石结核和黄铁矿。厚度为54.3, m。

下三叠统飞仙关组一段:由深— 灰色中薄层至中厚层含泥灰岩、泥晶灰岩、砾屑灰岩、纹层状微生物岩、泥质灰岩夹钙质泥岩组成, 底部夹1层薄石膏岩。具水平层理、纹层理; 溶孔、缝合线等构造发育。产丰富瓣腮类和牙形石, 厚度约68.5 m。在曾作为金钉子候选剖面的广元上寺剖面, 飞仙关组一段由下部的纹层状泥质灰岩、中层状— 块状含生物屑泥晶灰岩、薄板状泥晶灰岩变化为上部的角砾状灰岩、扁平砾石灰岩等错时相碳酸盐岩(时志强等, 2010), 错时相沉积与下伏灰岩之间发育侵蚀间断面, 两者间岩性变化明显; 飞仙关组一段下部从P-T界线黏土到薄板状灰岩的岩性变化记录了水深逐步变小的台地相碳酸盐岩序列, 其中的块状灰岩显示出古海洋较高的碳酸盐生产速率, 含少量的腹足类、腕足类、菊石生物碎屑。

上寺剖面角砾状灰岩是飞仙关组一段岩石类型、沉积构造及古生物类型突然变化的分水岭, 与下伏薄板状泥晶灰岩以不规则的侵蚀界面突变接触, 角砾状灰岩中见模糊的粒序层理, 其中的碳酸盐砾石呈棱角状, 大小不一, 形状各异, 可见板条状、块状砾石, Wignall 和 Twitchett(1999)曾将上寺剖面这套突然出现的角砾状灰岩命名为“ Shangsi Breccia Bed(SBB)” , 认为其形成原因颇为费解、神秘莫测, 按他们推测性的观点, 该套沉积有原地的角砾化作用, 可能和海啸有关。在角砾状灰岩之上沉积有多套成层性良好的扁平砾石灰岩, 与纹层状灰质页岩呈互层, 在上寺剖面可见丘状、槽状交错层理, 在飞仙关组一段大致呈向上厚度变薄、页岩层厚度增加的趋势, 到飞仙关组二段(亭纳尔亚阶)则均由纹层状沉积组成, 该套扁平砾石灰岩消失, 沉积序列总体反映了沉积环境水深的增大。

本次野外数据采集, 采用GR135型号的便携式GR能谱检测仪进行单点采集, 采样的间距平均为0.2, m, 单点的采样时间是60 s, 采样沿出露剖面沉积地层层面的垂向进行, 以保证所测的岩层厚度为真厚度。在大隆组一段, 遇1个小型褶皱, 只测量了褶皱单翼的数据。

采集的数据为沉积岩石的GR能谱强度, 其单位为API。它与岩石具有的或吸附的放射性物质有关。因为黏土物质的吸附性强(或者黏土岩本身由凝灰岩蚀变而来), 所以黏土岩放射性较高, 一般来说沉积岩的自然放射性随岩石中泥质含量增加而增加, 因此在一定程度上反映了当时的沉积环境。利用GR曲线并结合其他曲线(如C、O同位素曲线, 密度曲线等), 运用沉积学、旋回地层学等理论对地层进行旋回分析在国内外已经得到了广泛的认可和应用。

数据处理分别采用连续小波变换和离散小波变换的方法对所得的GR序列进行分析, 得到了相应的小波相关系数图谱和4层小波分解的小波相关系数曲线。

小波和小波变换的数学定义:若存在函数 ψ(t)∈L2R, 即 ∫-∞+∞|ψ(t)|2dt< ∞, 并满足条件： ∫-∞+∞|Ψ(ω)|2|ω|-1< ∞, 其中 Ψ(ω)是 ψ(t)的Fourier频谱。称函数 Ψ(t)为一个基本小波或者母小波函数。对母小波进行伸缩平移变换, 得到一小波函数序列, 对于连续的情况, 小波序列为： ψa, b(t)=1|a|ψt-ba; 其中 a、b∈R, a≠0, 为尺度参数, b为时间平移参数。对于离散情况下, 小波序列为 ψj, k(t)=2-j/2ψ(2-jt-k); 其中 j、k∈Z。对于任意函数 f(t)∈L2(R)的连续小波变换定义为：

Wf(a, b)=< f, ψa, b> =|a|-1/2∫Rf(t)ψt-badt。

从上述定义可以看出, 小波变换的基本思想是用一簇函数去表示或者逼近某一信号或函数, 这簇函数称为小波函数系。该系是由1个基本小波函数(母小波)的伸缩和平移组成的。小波函数随尺度参数a, 时间参数b的变换对应不同的频段和不同的时间(长度)区间, 也就是说小波变换在时间(长度)域和频率域上同时具有良好的时(文中为剖面长度)频域局部化性质(张贤达, 2002)。对GR序列进行小波变换, 相当于把序列分成具有不同频率分量的剖面长度和频率曲线, 小波系数的数值大小揭示了小波函数与GR序列形态的相似程度。

利用连续Morley小波变化得到了上寺剖面研究目的层位GR序列的小波系数图谱(图2)。Morley小波一定程度上粗糙地刻画了1个沉积旋回GR的变化特征, 所以比较适用于对沉积旋回的分析。Morley连续小波分析的结果显示, 在长度为112、34、14、7采样点处, 小波系数出现极大值, 意味着该套沉积地层保存了长度为112、34、14、7的沉积旋回。在界线黏土上下, 地层旋回的周期性发生了一定的变化:界线黏土以下的地层GR序列表现较为明显和稳定, 而这种周期性在界线黏土之上有所减弱, 小波相关系数图谱相关系数的极大值变小。这意味着在P-T事件之后, 沉积地层的旋回性受到了一定的干扰和破坏。尤其是在小尺度旋回范围内, 这种干扰更加明显。这种干扰和破坏被认为和风暴作用密切相关(时志强等, 2011; 曾德勇等, 2011), 很可能是P-T生物大灭绝后生物对环境的负反馈作用显著减弱造成的(时志强等, 2010)。这种旋回性减弱的趋势也可能是岩性或数学方法本身的限制造成的。但总体来说, 风暴作用对地层旋回性的影响在格里斯巴赫亚阶(飞仙关组一段)上部较为显著, 而对飞仙关组一段中下部的影响较弱。尽管它对地层整体的旋回性没有致命性的破坏, 但是仍然可以在图谱中观测到一定的旋回性信息。

图2

Fig.2

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	图2 上寺剖面上二叠统— 下三叠统飞仙关组一段GR能谱曲线(A)及其小波系数图谱(B)Fig.2 GR energy spectrum(A)and its wavelet coefficients(B)of the Upper Permian-Member 1 of Early Triassic Feixianguan Formation at Shangsi section

利用离散小波分析技术, 对所测得的GR曲线(图3-A)进行了4层分解, 得到了与连续小波分析大致相同的结果(图3)。在最大级次的旋回中, 共得到4个完整的旋回周期和2个不太完整的旋回周期(图 3-B)。在黏土层之左, 有1个不太明显的半周期和4个非常显著的周期, 其周期的长度大约为110个采样点, 即22 m。在黏土界线之后, 有1个比较平缓的、大型的半周期旋回, 旋回的长度明显变大, 半个周期的长度大约为250个采样点, 即50, m, 完整的周期长度推测为100 m。在次一级的旋回曲线中, 大约得到了20个比较完整的旋回(图 3-C), 平均每个周期的长度为34.4个采样点, 即6.88 m。黏土层之左, 旋回的特征性比较明显, 周期较为完整。在第3级次的旋回曲线中, 大约得到了48个较为明显的周期(图 3-D), 周期的平均长度为14.3个采样点, 即2.86 m。在第4级的分解曲线中, 共数出94个小型的旋回周期(图 3-E), 周期平均长度为7.31个采样点, 即1.46 m。

图3

Fig.3

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	图3 上寺剖面上二叠统— 下三叠统飞仙关组一段GR能谱曲线(A)离散小波变换4级分解相干曲线(B~E)Fig.3 Correlation curve of fourth level decomposition for GR energy spectrum DWTof the Upper Permian-Member 1 of Early Triassic Feixianguan Formation in Shangsi section

综合上述的分析结果, 1~4级次的沉积旋回的旋回个数比为5:20:48:94, 旋回的平均波长比为0.2:0.05:0.0208:0.0105, 折算后相当于410:102.5:42.6:21.5, 与早三叠世的米兰科维奇旋回周期410:100:40:20 大体相近。根据2008年国际地层年代表, 大隆组底部的地质年龄为253.8± 0.7, Ma。在浙江长兴煤山和四川广元上寺的黏土层锆石的U-Pb同位素年龄值为252.0± 0.2, Ma(Mundil et al., 2004), 在大约1.8, Ma内出现了4.5个1级次的旋回, 每个旋回的周期为0.4, Ma, 显然这与米兰科维奇旋回在早三叠世的地球轨道偏心率的0.41, Ma是相近的, 证明了在该段沉积地层中保存了较为完整的米兰科维奇旋回。

1)研究显示, 在P-T界线黏土沉积之前, 米兰科维奇旋回偏心率周期(0.4, Ma)控制的沉积地层厚度约为20, m, 推算其沉积速率为5 cm/ka, 而在界线黏土沉积之后, 偏心率周期控制的沉积地层厚度则增加为100, m, 沉积速率约为25 cm/ka, 沉积速率陡然增加了5倍。如此高的沉积速率变化显示了P-T过渡时期地质事件的综合影响, 或许是引起生物灭绝的环境因素变化的结果。

Retallack(1999)及 Retallack 和 Jahren(2008)认为, 晚二叠世西伯利亚基性火山岩浆挤入西西伯利亚煤层盆地时释放大量二氧化碳和热甲烷气体, 这些气体是导致全球气候变暖的导火索。高水平的大气二氧化碳和火山二氧化硫的释放导致了酸性大气降水的增强(Wignall, 2001, 2007; Self et al., 2008)和植被缺乏, 也使陆地表面风化速率显著增大。Algeo等(2010)认为从晚二叠世末期开始, 地表侵蚀速率突然增强, 一直到早三叠世的2, Ma中都保持了相对较高的侵蚀率。增强的风化物质流入浅海, 使输入全球浅海系统的陆源物质数量增加了7倍, 使该时期无论碳酸盐岩还是硅质碎屑岩都具有较高的黏土含量(Algeo and Twitchett, 2010)。

2)陆地风化速率在P-T界线附近的晚二叠世急剧增加并在早三叠世持续了约2, Ma的趋势, 造成大量风化物质沉积在浅海环境, 造成海洋碳酸盐岩及硅质碎屑岩中黏土含量普遍增加, 这将增加海水浑浊度, 对海洋底栖生物造成负面影响(Algeo and Twitchett, 2010)。在浅海环境中, spinal anchoring等相对适应泥质基底的腕足类(Leighton, 2000)与其他类相比灭绝率最低, 掘穴类似乎也有相对较低的灭绝率。深海生物的组成与基质的特征紧密相关(Brett, 1998), 从腕足类向有刺类和掘穴类变化, 这与早三叠泥质沉积速率显著增加的浅海环境的变化是一致的(Algeo and Twitchett, 2010)。显著增强的沉积物供给已经选择性地灭绝了那些需要稳定环境条件以及那些不能很好适应泥质基底和浑浊海水的种类, 抑制了生物的多样性发展, 使海洋生物进一步进化和发展的速度减慢。这可能是早三叠生物复苏缓慢的原因之一。

3)从小波系数图谱中不难发现, 小波相关系数明显以P-T事件为界限。其下部即晚二叠世, 相关系数较强, 上部早三叠世较弱。沉积地层旋回性波动表明该时期全球大气气候以及海洋生态系统的不稳定性。近年来研究者逐渐意识到P-T界线生物灭绝后复苏的复杂性并认为生物复苏的时限和形式受环境条件强烈影响(Wignall, 2007; Retallack and Jahren, 2008; Algeo and Twitchett, 2010; Algeo et al., 2011)。早三叠世, 全球气候环境和海洋生态系统的幕式扰动应该是该时期全球海洋生态系统复苏缓慢的主要控制因素。早三叠世早期是全球巨型季风最为强烈的时期之一(时志强等, 2010)。近年来通过野外调查发现, 以扁平砾石灰岩(或称为竹叶状砾屑灰岩)为代表的错时相灰岩广泛出现于川西北地区下三叠统印度阶格里斯巴赫亚阶飞仙关组一段, 该套错时相灰岩中见菊花状构造、倒小字构造等显示紊乱水流特征的的沉积构造, 与丘状交错层理颗粒灰岩共生, 显示着风暴作用的显著影响(时志强等, 2010; 曾德勇等, 2011)。早三叠世强烈的巨型季风气候显然对于沉积地层旋回性具有一定的扰动作用, 使其受天文周期控制的旋回性变差。

4)通过GR序列小波分解的旋回分析, 得到了平均波长比为410:102.5:42.6:21.5的米兰科维奇旋回, 而且在大隆组该旋回特征较为明显, 与现有地质年代资料符合较好。通过对原始GR序列的曲线观察发现, 虽然整体上飞仙关组一段的泥质含量相对较高, 但是其GR能谱强度却远远小于大隆组的平均值。大隆组较强的放射性背景应与该时期海底热液活动具有紧密联系, 海底热液流体活动对有机质的富集有明显的影响(李红敬等, 2009), 而强的放射性与较高有机质含量常常相伴生。P-T过渡时期, 研究区构造运动剧烈, 海底热液活动活跃, 导致该区大隆组具有非常强的放射性。这种强的放射性背景并没有淹没米兰科维奇天文周期对沉积地层旋回的控制, 利用小波分析的方法, 识别了较为明显且合理的米氏旋回。据此推论, 大隆组沉积旋回受米兰科维奇旋回和海底热液作用(与构造旋回相关)双重因素控制。

1)广元上寺地区晚二叠世至早三叠世早期沉积地层受波长比为410:102.5:42.6:21.5的米兰科维奇天文周期控制。

2)在广元上寺剖面, 晚二叠世沉积速率约为5, cm/ka, 三叠纪早期陡然增加到25, cm/ka。早三叠世陆地表面风化速率显著增大, 导致浅海系统沉积速率提高, 并抑制了浅海生态系统的恢复。陆地系统的巨大变化对海洋生态系统和海洋生产率具有重要影响。

3)大隆组极强的放射性背景可能与海底热液活动紧密相关。这种较强烈的构造旋回背景没有淹没米兰科维奇天文周期对沉积地层旋回的控制。