浙閩地區(qū)白堊紀早中期黏土礦物組成特征及其古氣候顯示①

劉 玲 李祥輝 王 尹 周 勇 曹 珂

(1.南京大學地球科學與工程學院內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室 南京 210093;2.有色金屬華東地質勘查局 南京 210007; 3.四川省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四0二地質隊 成都 611730;4.青島海洋地質研究所 山東青島 200092)

浙閩地區(qū)白堊紀早中期黏土礦物組成特征及其古氣候顯示①

劉 玲1,2李祥輝1王 尹1周 勇3曹 珂4

(1.南京大學地球科學與工程學院內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室 南京 210093;2.有色金屬華東地質勘查局 南京 210007; 3.四川省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四0二地質隊 成都 611730;4.青島海洋地質研究所 山東青島 200092)

對浙江西南和福建西部地區(qū)11個剖面點陸相白堊系11個層位的碎屑黏土礦物組成進行了測試分析。結果顯示,白堊系中下部大部分層位以伊利石為主,相對含量平均超過80%;閩西坂頭組、浙西壽昌組頂部-橫山組下部、金華組中部、衢縣組上部出現(xiàn)了較為豐富的蒙脫石,最高達49%;高嶺石一般較少,僅在浙西衢縣組中部、壽昌組上部較高,最高達38%。研究表明,中國東南地區(qū)在白堊紀早中期主要屬于熱帶-亞熱帶干旱-半干旱氣候,與全國乃至全球溫室氣候一致;在浙西阿普特初期和賽諾曼早期間斷有濕熱氣候,可能與區(qū)域古植物較為繁盛及較大面積湖區(qū)有關;閩西凡蘭吟期,浙西阿普特早期、阿爾布晚期、賽諾曼中期部分時期存在短期相對干冷氣候,大致分別對應于白堊紀全球大洋缺氧事件結束后的一段時間,并可能與區(qū)域隆升有關。

黏土礦物 古氣候 白堊紀 浙江 福建

白堊紀是顯生宙最熱、最為典型的溫室氣候時期[1～3],是現(xiàn)今和未來溫室氣候研究的一面鏡子。通過對這一時期氣候特征及其變化過程、控制因素的研究,可以為研究人類活動對地球表層系統(tǒng)和全球氣候產(chǎn)生影響的程度提供重要參考[4]。然而,就目前國內外所取得的研究成果而言,所獲得的白堊紀氣候特征主要基于海相沉積,反映的基本是古海洋氣候變化,陸地上的古氣候研究相對匱乏[5～7]。近來,人們已經(jīng)認識到通過陸相環(huán)境下的氣候記錄來認識白堊紀全球氣候變化的重要性[8]。這是因為,陸相沉積記錄具有多樣性和保存的普遍性[7],可為古氣候的研究提供更多的途徑和方向。

古氣候研究有多種方法技術。相對于海相沉積而言,利用陸相沉積進行古氣候研究較為有限,目前在定性分析方面主要利用特殊氣候指示沉積(如石膏、巖鹽、古土壤、紅層、煤、古沙漠等)[7]、孢粉、古植物組合等,在定量分析方面近來有些成功的研究例子,重點在利用植物氣孔參數(shù)變化[8]和成壤碳酸鹽結核的碳同位素分析[9～11]重建古大氣二氧化碳濃度。雖然黏土礦物不是一種特殊沉積,但由于在海相沉積中取得了良好效果,近來也被逐漸引入到陸相古氣候分析[12],并且有較多的成功研究實例[6,13～17]。

中國浙江和福建中西部地區(qū)陸相白堊系分布較為廣泛。鑒于它系一套火山與沉積互層或互為夾層,目前有一系列火山巖數(shù)據(jù)進而較為準確定年的優(yōu)勢,加之在古氣候方面有一定的研究基礎(如古土壤類型)[18],因此,本文試圖通過對碎屑黏土礦物相對含量和化學指數(shù)分析來研究討論這一地區(qū)白堊紀早中期的氣候類型及其變化特征,為白堊紀時期氣候變化研究提供一方面的依據(jù)。

1 地層背景

浙江西部和福建中西部地區(qū)白堊系集中分布在上虞-政和-大埔斷裂以西(圖1),沉積盆地多屬于山間小盆地,性質為斷坳盆地、斷陷盆地、火山構造盆地。巖層主要為一套內陸河湖相沉積巖或與火山巖噴發(fā)相互層,到上部形成了一套較厚的紫紅色粗粒類磨拉石沉積,構筑了這一地區(qū)的丹霞地貌。浙江西部白堊系的巖石地層有衢縣組、金華組、中戴組、方巖組、館頭組、橫山組、壽昌組、黃尖組、勞村組,福建西部白堊系則有沙縣組、均口組、白牙山組、吉山組、坂頭組。由于這一地區(qū)陸相生物地層在年代地層方面控制的缺陷,過去已有的同位素年齡多為全巖KAr、Ar-Ar、Rb-Sr方法獲得,使得上述巖石地層的時代歸屬爭議較大,方案較多[19～23]。本文中涉及地層的時代一方面依據(jù)前人的工作成果,另一方面則根據(jù)近期完成的火山巖夾層單顆粒鋯石U-Pb同位素年齡(主體范圍113～132 Ma,李祥輝等未發(fā)表)進行調整,具體方案為:(1)浙西地區(qū),勞村組-黃尖組屬于歐特里夫期,壽昌組歸于巴雷姆期,橫山組-館頭組屬于阿普特期,金華組-中戴組-方巖組-朝川組劃為阿爾布期,衢縣組劃屬賽諾曼期;(2)在福建西南,坂頭組屬于凡蘭吟期-歐特里夫期,吉山組歸于巴雷姆期,均口組屬于阿爾布期和賽諾曼期,沙縣組為土侖期(參見圖3)。

2 黏土礦物的氣候指示

在排除成巖作用的前提下,碎屑黏土礦物組成被認為可以視作古氣候指示[12,13],并且國內外有諸多的成功研究實例[13～17],盡管有一些因素如采樣、樣品制備流程、實驗條件會對數(shù)據(jù)結果可能會造成影響[5,25]。目前已經(jīng)證實,這種方法與孢粉、碳氧同位素等所反映的古氣候信息吻合[26,27]。因此,黏土礦物的組合、含量、結晶度和化學指數(shù)已廣泛應用于反映物源區(qū)甚至沉積盆地的氣候變化研究[28～31]。

一般地,高嶺石是在潮濕氣候、酸性介質中由長石、云母和輝石經(jīng)強烈淋濾形成[32],指示暖濕的氣候。在這種條件下它可以保持穩(wěn)定,即使溫度高,壓力增大,也不會向蒙脫石、伊利石轉化;若pH值增大從酸性介質到堿性介質,高嶺石的穩(wěn)定性會減小。值得說明的是,作為碎屑搬運到盆地中沉積并與較多伊利石、綠泥石一起保存下來的高嶺石,所反映的沉積盆地氣候是變冷的[33];而原地的碎屑高嶺石自身才反映物源區(qū)濕熱氣候[34,35]。

伊利石形成于溫暖或寒冷少雨、弱堿性的氣候條件下[36],由長石、云母等鋁硅酸鹽礦物在風化脫K+的情況形成。其晶格混層K+繼續(xù)淋失,則可能發(fā)生伊蒙混層并向蒙脫石變化。在氣候濕熱,化學風化較徹底的條件下,堿金屬(主要是K+)被帶走,伊利石將進一步分解為高嶺石[30]。但總體而言氣候干燥、淋濾作用弱對伊利石的形成和保存十分有利[34],可作為干燥氣候的指標。

蒙脫石易在富鹽基特別是貧K+而富含Na+、 Ca2+的堿性介質中形成。如風化強度增大,Na+和Ca2+就從蒙脫石的混層位置上剝離,因此蒙脫石的存在反映了寒冷的氣候保存特征[30]。

圖1 中國東南地區(qū)陸相白堊系露頭分布及地質調查主要剖面點觀察和采樣分布位置(底圖依據(jù)舒良樹等[14]) 1.建德壽昌(勞村組、黃尖組、壽昌組、橫山組,29°23'14.1″,119°10' 46.2″);2.金華湯溪(中戴組,29°00'30.8″,119°19'47.3″);3.麗水老竹(壽昌組、館頭組,29°32'00.8″,119°44'58.7″);4.龍游十里鋪(金華組,29°00'39.3″,119°12'27.2″);5.龍游小南海(衢縣組,29°05' 13.7″,119°14'148″);6.建寧均口(均口組,26°42'19.5',116°48'21.0″);7.連城冠豸山(均口組,25°41'40.9″,116°45'25.9″);8.清流里田(沙縣組,26°01'03.7″,116°42'04.0″);9.沙縣隴東-羅布(均口組、沙縣組,26°25'20.6″,117°46'50.1″);10.永安吉山(沙縣組、坂頭組,25°57'22.2″,117°19'55.4″);11.泰寧大龍(沙縣組,26°37'57.0″, 117°02'21.0″).①上虞-政和-大埔斷裂;②長樂-南澳斷裂Fig.1 Localities of the observed sectionswithin the continental Cretaceous in SE China(The Cretaceous outcrop is simplified on the geologicalmap by Shu et al[24])

綠泥石形成于干燥氣候條件下,存在于堿性環(huán)境中,其含量增加代表了逐漸變?yōu)楦珊档臍夂驐l件[37,38],但綠泥石自身不能作為唯一直接指示氣候的指標[38],需與其它黏土礦物配合才能判斷。

伊利石結晶度和化學指數(shù)也可以反應氣候條件[12]。伊利石結晶度低值代表結晶度高,指示陸地物源區(qū)水解作用弱,為干燥寒冷的氣候條件[13,39];伊利石化學指數(shù)比值大于>0.4為富Al伊利石,代表強烈的水解作用;比值<0.15,代表富Fe-Mg伊利石,為物理風化結果;在0.15～0.4之間是過渡類型[40]。

3 實驗材料與方法

本次工作重點在11個剖面點(圖1)的11個層位中采集了70件泥巖、粉砂質泥巖樣品進行碎屑黏土礦物成分分析。樣品經(jīng)過鏡下觀察并考慮前人對中國白堊紀有關盆地的泥巖成巖作用檢測結果[37]顯示大部分樣品沒有發(fā)生明顯后期變化,部分樣品甚至沒有明顯的壓實;伊利石結晶度沒有出現(xiàn)從下往上結晶度變小(值變大)趨勢,說明受到埋藏變質作用影響甚微。

定向樣品制備過程為:每件樣品取1 cm3左右進行粉碎,加入稀鹽酸除鈣,用去離子水反復清洗,采用沉降法提取<2μm黏土顆粒,制成兩件(其中一件備用)定向薄片,并自然風干。將制備好的薄片用乙二醇在60°C的恒溫烘箱里浸泡48 h,之后在490℃烘箱中加熱2 h,制成定向薄片。黏土礦物定向樣品的制備在南京大學表生地球化學研究所實驗室完成。

實驗測試采用的是日本理學DmaxⅢa儀器,使用Cu Kα輻射,濾波片Gra,掃描范圍3o～36o,掃描步長0.02,掃描速度10,積分時間0.3,管流200 mA,管壓37.5 kV。實驗樣品的XRD測試分析在南京大學內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成。

黏土礦物組分含量的解釋在三種測試條件下完成,分別獲得XRD波譜的對比與疊加。波峰參數(shù)半定量計算使用Jade5.0軟件在乙二醇曲線上進行,計算方法采用中黏土礦物X射線半定量分析,重量峰標準是:經(jīng)乙二醇處理,蒙脫石采用17?(001)晶面,伊利石采用10?(001)晶面,高嶺石(001)和綠泥石(002)使用7?疊加峰;進一步根據(jù)3.53?(綠泥石004)和3.56?(高嶺石002),采用參數(shù)分別為1、4、2 (圖2)。伊利石化學指數(shù)為5?/10?的峰面積比,伊利石結晶度為10?半峰寬。

4 結果與討論

4.1 浙江西南地區(qū)

如圖3所示,浙江西南白堊紀早-中期黏土礦物的基本組成特點是:1)伊利石相對含量占絕對優(yōu)勢,平均86.5%,其中,有兩件樣品(lz2-02和zc-26)只含有伊利石,分別出現(xiàn)在館頭組第7層中部(距底部150 m)和橫山組下部;2)綠泥石含量平均4.0%;3)蒙脫石介于0.4%～49%不等,最大值出現(xiàn)在橫山組底部(zc-28),在金華組的中部(gx-03)和壽昌組的上部(zc-22)蒙脫石也出現(xiàn)兩個較高值,分別為37%和48%;4)高嶺石介于0.2%～37.9%之間,平均含量為4.1%,最大值位于龍游剖面衢縣組(cl-02)的中部;5)伊利石結晶度平均值為0.56,最小值0.29,位于金華組的中部(gx-03);6)化學指數(shù)介于0.09～ 0.73之間,平均值0.29,最大值位于金華組的中部(gx-03)。

圖2 典型樣品的X射線衍射譜(樣品lc-04)Fig.2 X-ray powder diffraction pattern of a typical claymineral specimen(sample lc-04)

根據(jù)上述黏土礦物組成特征、化學指數(shù)推測認為,浙西乃至到中部地區(qū)白堊紀早中期氣候十分干燥,多屬于中、低緯度地區(qū)的亞熱帶干旱-半干旱氣候。這期間,氣候有短期波動(圖3),即具體表現(xiàn)為: 1)在壽昌組上部高嶺石含量達到17%,衢縣組中部高嶺石達30%～38%。無論這些高嶺石是物源區(qū)原地的,還是沉積后暴露在洪泛環(huán)境下由伊利石轉化而來,都說明研究區(qū)阿普特初期、賽諾曼早期部分時期處于相對濕熱氣候狀態(tài)。這是因為研究區(qū)沉積盆地小,物源區(qū)離沉積盆地近,物源區(qū)和沉積盆地的氣候特征基本相同。2)在壽昌組頂部-橫山組下部蒙脫石相對含量高達49%,金華組中部和衢縣組上部也都超過10%,高可達37%,表明這些時期(阿普特早期、阿爾布晚期、賽諾曼中期)不僅干燥,而且較冷。

然而,伊利石的結晶度相對較高平均0.5～0.6,化學指數(shù)較低平均0.2～0.3,指示陸地物源區(qū)水解作用相對較強。這與黏土礦物相對含量變化特征所指示的氣候似乎矛盾。一般認為,干冷條件下形成的伊利石礦物晶格破壞程度不高,而濕熱條件下形成的伊利石晶格破壞程度大,化學指數(shù)較高,褪變程度高,結晶度降低[42]。伊利石結晶度較高而化學指數(shù)較低一定程度上說明研究區(qū)出現(xiàn)過短暫的降水和較高的溫度,使得氣候以半干旱型為主。

4.2 閩西地區(qū)

閩西地區(qū)白堊紀黏土礦物的組成特征與浙西地區(qū)相似(圖3),體現(xiàn)為:1)伊利石相對含量占絕對優(yōu)勢,平均87%,部分樣品相對含量甚至可超過90%; 2)綠泥石含量平均5.0%,部分層位如均口組頂、底(sx-01)最高達24%,沙縣組中上部超過10%;3)蒙脫石平均值5.0%,但以坂頭組居高,一般大于10%,最大36%(ya-03);4)高嶺石相對含量較低,平均值3%,最大值在沙縣組中部(lt-04)為8%;5)伊利石結晶度較高,介于0.25～0.65,平均0.53;6)伊利石化學指數(shù)較低,一般小于0.26,平均0.29,表明主要為富Fe-Mg伊利石。

上述黏土礦物相對含量特征顯示,閩西地區(qū)的氣候在早白堊世總體來說處于干旱氣候狀態(tài),可能屬于熱帶-亞熱帶干燥氣候帶。與浙西地區(qū)相似,存在氣候波動:1)均口組大部和沙縣組局部層位綠泥石相對含量較高,表明阿爾布期、土侖期、賽諾曼期部分時期尤為干燥,可能屬于干旱氣候時期;2)坂頭組中下部蒙脫石較高且同期幾乎不含綠泥石和較少的高嶺石,說明凡蘭吟期氣候處于寒冷狀態(tài)。

閩西伊利石結晶度和化學指數(shù)特征與浙西南相似,說明存在較為強烈的水解作用,暗示一定程有間斷降雨過程,反映了總體上的半干旱氣候特點。

4.3 氣候變化成因與對比

如上,浙西、閩西地區(qū)白堊紀早中期總體而言以熱帶-亞熱帶干旱-半干旱氣候為特征,這與全國存在大量同期陸相紅層建造顯示的結果一致,也符合全球白堊紀溫室氣候條件。然而,值得注意的是期間出現(xiàn)了干冷和溫濕氣候間斷變化。

浙西阿普特初期(壽昌組上部)、賽諾曼早期(衢縣組中部)時期的相對濕熱氣候狀態(tài)間斷印證了近期的古土壤研究和古生物方面的成果,表現(xiàn)為裸子植物花粉含量高[43,44],產(chǎn)有較為豐富的介形蟲和昆蟲類化石;由于生物活動頻繁,在古土壤層中出現(xiàn)大量的潛穴和根跡[18]。浙西在古氣候分帶上比福建更北,為什么會存在這兩期濕熱的間斷看來從古氣候分帶上解釋較為困難。我們認為,局部古地理區(qū)域古植物相對繁盛,加之有較大的湖水面(湖相分布),可能是造成這一濕熱氣候間斷的主要原因。

對于閩西凡蘭吟期,浙西阿普特早期、阿爾布晚期、賽諾曼中期的相對干冷氣候間斷,目前尚無其它方面的證據(jù)予以證實。問題在于:1)這幾個時期大致對應于白堊紀全球幾次大洋缺氧事件結束后的一段時間,其間是否存在必然聯(lián)系有待進一步研究;2)浙西和閩西地理位置較近,二者的氣候間斷變冷時間上卻不匹配。對于第1)個問題“其與缺氧事件是否存在必然聯(lián)系”本文暫無法做出回答。對于第2)個方面問題,我們注意到中生代時期是西太平洋-亞洲地區(qū)板塊構造演化的重要變換期[45],浙閩地區(qū)處于隆升狀態(tài),晚侏羅世-早白堊世形成隆起,白堊紀中期出現(xiàn)地塹,因此,這幾次間斷變冷似乎與區(qū)域構造隆升事件有關。至于陳丕基[46]推測在浙閩東部晚白堊世存在一個高達3 500～4 000 m的海岸山脈,與本次觀察研究的結果在時間上明顯錯位,或許二者本身就沒有必然的聯(lián)系。

對比分析結果顯示,東南地區(qū)與全國同期其它地區(qū)的古氣候變化存在一定差異,表現(xiàn)為中國東北東南地區(qū)、華北中東部大部地區(qū)的主體處于干冷氣候、局部屬于干熱氣候[6],四川盆地同期以干冷和干濕交替為特征[41]。本文認為,導致這種差異的原因,一方面由于白堊紀的氣候本身具有非均一性[47],更為重要的是這三個地區(qū)的古緯度、古地貌存在不同,特別是東北南部和華北晚侏羅世-早白堊世期間的東部高原存在[48]可能是根本原因。

5 小結

根據(jù)以上黏土礦物組成及變化的分析結果本文做如下總結:

(1)浙江西南和福建西部地區(qū)的陸相白堊系中、下部沉積中伊利石是最常見、最典型的碎屑黏土礦物,平均超過80%,總體顯示熱帶-亞熱帶半干旱氣候特征。

(2)浙西南地區(qū)白堊紀中期的阿普特初期(壽昌組上部)、賽諾曼早期(衢縣組中部)時期黏土礦物組合發(fā)生了較為明顯的變化,即高嶺石相對含量快速增加,超過10%,最高到38%,指示出現(xiàn)濕熱間斷氣候,可能與局部古地理古植物相對繁盛、古湖泊面積相對較大有關。

圖3 浙閩地區(qū)白堊紀黏土礦物特征綜合對比圖Fig.3 Diagram showing the changes of the Cretaceous clayminerals in Zhejiang and Fujian

(3)閩西凡蘭吟期(坂頭組),浙西阿普特早期、阿爾布晚期、賽諾曼中期部分時期(壽昌組頂部-橫山組下部、金華組中部、衢縣組上部)在伊利石為主的背景下,蒙脫石含量較大幅度增加,最高可達49%,顯示了相對干冷氣候的間斷,盡管大致對應于白堊紀幾次全球性大洋缺氧事件結束后的一段時間,但更可能與區(qū)域隆升事件有關。

(4)浙閩地區(qū)與華北、西南地區(qū)的同類沉積研究指示的古氣候有一定差別,原因可能是古氣候帶位置不同,但晚侏羅世-早白堊世的東部高原可能是控制這些氣候格局的主要地貌。

致謝 潘宇觀老師在實驗過程中給了大量幫助,蔡元峰教授、李響博士對黏土礦物數(shù)據(jù)結果含量轉換給予了幫助和建議,王永棟研究員,研究生季燕南和羅來等參加了野外工作,在此一并感謝!

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The Early-M id Cretaceous Changes of Clay M ineral Composition from Zhejiang and Fujian Provinces,SE China:Indications to paleoclimate changes

LIU Ling1,2LIXiang-hui1WANG Yin1ZHOU Yong2CAO Ke3
(1.State Key Laboratory of M ineral Deposit Research,School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093; 2.East China M ineral Exploration and Development Bureau,Nanjing 210007; 3.402th Geological Survey,Sichuan Bureau of Geology and M ineral Resources,Chengdu 610213; 4.Qingdao Institute of Marine Geology,Qingdao,Shandong 200092)

Components of the claymineral illite,smectite,kaolinite,and chlorite weremeasured and analyzed at eleven horizons from eleven observed sections to interpret the Early-Mid Cretaceous paleoclimate in western Zhejiang and Fujian provinces,SE China.The results show that in total the relative content of illite is over 80%in average in most of the Lower-Mid Cretaceous;abundant smectite is presented in the Bantou Formation ofwestern Fujian and the upper Shouchang Formation,lower Hengshan Formation,middle Jinhua Formation,and upper Quxian Formation of west Zhejiang,in which the highest value is 49%;kaolinite is few,only high values(up to 38%)ocurring in the middle Quxian Formation in western Zhejiang and upper Shouchang Formation.It is proposed that itwas arid-semiarid climate of tropic-subtropic in the Early-Mid Cretaceous in SE China,corresponded to thewhole greenhouse(continental)climate in the world;there could be an interruption of hot-humid climate in the early-Aptian and early Cenomanian in western Zhejiang that could be attributed to relatively developed vegetation and larger lacustrine area;and short durations of dry-cold climate could have happened in the Valanginian in western Fujian and in the early Aptian, late Albian,middle Cenomanian in western Zhejiang,which is corresponding to those of the Cretaceous oceanic anoxic events,and is supposed to be caused by regional tectonic uplifts in SE China.

clay mineral;paleoclimate;Cretaceous;Zhejiang;Fujian

劉玲 女 1985年出生 工程碩士 沉積學

李祥輝 E-mail:seanlee@nju.edu.cn

P512.2

A

1000-0550(2012)01-0120-08

①國家重大基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目(973)“晚中生代溫室氣候-氣候演變”之課題“晚中生代東西地區(qū)古氣候重建”(2006CB701401)資助成果。

2010-12-20;收修改稿日期:2011-02-21