遼東太子河地區(qū)中寒武世古氣候特征

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(遼寧省地質(zhì)勘查院，遼寧大連116100)

遼東太子河地區(qū)中寒武世古氣候特征

吳子杰，潘玉啟，包洪偉，王海鵬，雷廣新，程培起

(遼寧省地質(zhì)勘查院，遼寧大連116100)

根據(jù)蒸發(fā)巖及伴生沉積構(gòu)造、沉積紅層、碳酸鹽巖及鮞粒沉積、古生物、古風(fēng)化殼類型、海綠石等沉積標(biāo)志，恢復(fù)中寒武世古氣候。以本溪地區(qū)為重點(diǎn)，結(jié)合太子河沉積區(qū)的特征，將該區(qū)中寒武世古氣候劃分為6個潮濕—干燥炎熱氣候變化周期，進(jìn)而確定研究區(qū)當(dāng)時屬于溫帶—亞熱帶半干旱氣候地區(qū)。

中寒武世；古氣候；識別標(biāo)志；變化周期；太子河；遼東

0 引 言

古生界寒武系在遼寧分布廣泛，且多呈大面積出露，其中的遼東太子河地區(qū)本溪—桓仁一帶是遼寧古生代寒武紀(jì)地層分布區(qū)，前人曾在此開展了大量的地質(zhì)研究工作，在巖石學(xué)、古生物學(xué)及巖石地層劃分等方面研究程度較高，但在古氣候方面研究尚屬首次。

20世紀(jì)80年代初期，根據(jù)古地磁資料和反映氣候的特殊沉積物，Bambach等(1980)和Ziegler等(1981)認(rèn)為我國寒武紀(jì)時期處于南北中緯度區(qū)，而Scotese于1986年又把我國華北、塔里木與華南分開，將其置于低緯度地區(qū)。崔克信1984年對我國寒武紀(jì)古氣候曾有過較為系統(tǒng)的論述，他認(rèn)為當(dāng)時應(yīng)屬于熱帶—亞熱帶氣候，地處北緯10°～50°之間(趙錫文，1992)。張國仁(1997)對山東沂水地區(qū)寒武紀(jì)地層古氣候的研究，估算出魯西東部中下寒武統(tǒng)的古水溫在28～35 ℃之間。

筆者主要采用地質(zhì)學(xué)方法，即根據(jù)生物生存條件、巖層和沉積礦床的形成、地層古生物化石及其沉降環(huán)境特性的分析，闡明地質(zhì)時期的氣候類型及其時空變化。

1 巖石地層劃分及主要巖性特征

研究區(qū)寒武系(圖1)中統(tǒng)包括堿廠組和饅頭組(饅頭組自下而上分為大后海段、石橋段、當(dāng)十段)，其中饅頭組當(dāng)十段屬寒武系上統(tǒng)(遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，1997)，在此不做討論，巖石地層劃分及巖性特征見表1。

圖1 遼寧及周邊地區(qū)中寒武統(tǒng)主要露頭分布區(qū)及地層分區(qū)圖(據(jù)劉群等，有改動)

表1 太子河地區(qū)寒武系中統(tǒng)地層劃分及巖石組合特征

2 古氣候特征的沉積記錄

沉積記錄反映出地質(zhì)時期的沉積條件，研究主要利用礦物-巖石學(xué)標(biāo)志、生物標(biāo)志、風(fēng)化作用標(biāo)志、沉積構(gòu)造標(biāo)志等來進(jìn)行古氣候的分析與恢復(fù)。特殊的礦物-巖石可作為查明古氣候的依據(jù)，是研究古氣候最基本的物質(zhì)依據(jù)。確定的礦物-巖石標(biāo)志有蒸發(fā)巖、碳酸鹽巖、沉積紅層、海綠石礦物等。

2.1 蒸發(fā)巖

一種化學(xué)沉積巖，由湖盆、海盆中的鹵水經(jīng)蒸發(fā)、濃縮，鹽類物質(zhì)依不同的溶解度結(jié)晶而成，以蒸發(fā)濃縮為基本形成機(jī)制決定了其只能產(chǎn)在蒸發(fā)量大于降水量的炎熱干旱地區(qū)(路鳳香等，2002)。區(qū)內(nèi)主要有石膏、巖鹽等，現(xiàn)代巖鹽和石膏的沉積作用出現(xiàn)在干燥帶內(nèi)，主要在10°～45°的緯度之間，它們形成于封閉、半封閉的環(huán)境中，在干旱炎熱的氣候條件下強(qiáng)烈蒸發(fā)而形成。因此，石膏、巖鹽的出現(xiàn)指示氣候由潮濕轉(zhuǎn)換為炎熱干燥。此外，大型磷礦的形成一般認(rèn)為是中、低緯度區(qū)較干旱氣候條件下洋流造成的，也是反映古氣候的重要標(biāo)志。

2.2 碳酸鹽巖

現(xiàn)代和古代碳酸鹽沉積，特別是灰?guī)r主要分布于南、北緯20 ℃左右、無河流注入的清澈而溫暖的淺海陸棚環(huán)境以及濱岸地區(qū)，所以把灰?guī)r視為溫暖的氣候標(biāo)志。

由于現(xiàn)代海水不能直接沉淀白云石，所以普遍認(rèn)為至少寒武紀(jì)以后的白云巖主要是碳酸鹽沉積物或石灰?guī)r的白云石化，而白云石化只能在高溫條件下受高鹽、高鎂鈣比和高pH值的濃縮作用中實(shí)現(xiàn)，因此認(rèn)為白云石指示干燥炎熱的氣候帶(路鳳香等，2002)。

碳酸鹽鮞粒多數(shù)形成于動蕩水體中，由于潮汐及風(fēng)暴水流和波痕作用而被搬運(yùn)?，F(xiàn)代鮞?；?guī)r帶主要分布于南、北緯20 ℃附近的岸灘、潟湖邊緣，通常認(rèn)為是溫暖潮濕氣候的標(biāo)志。

2.3 沉積紅層

沉積紅層是指在大陸環(huán)境下形成的紅色、紫紅色、褐紅色沉積物，通常為粉砂巖、泥巖、頁巖。這些顏色通常為自生色和繼承色，其構(gòu)成顏色的氧化物是風(fēng)化作用或成巖作用期間由鎂鐵質(zhì)礦物在原地形成的，紅層的形成要求炎熱、干旱的氣候，研究區(qū)出露的紅層常與蒸發(fā)巖伴生也證明此點(diǎn)。因此，紅層代表沉積時為氧化或強(qiáng)氧化環(huán)境的炎熱干燥氣候。

2.4 海綠石礦物

海綠石是一種在海底生成的含水的鉀、鐵、鋁硅酸鹽自生礦物，一般呈淺綠、黃綠或深綠色，是在還原狀態(tài)的淺海環(huán)境及緩慢的沉積作用之下形成的，所以一般認(rèn)為海綠石的出現(xiàn)代表溫暖潮濕的氣候。區(qū)內(nèi)主要巖石類型有含海綠石石英砂巖、頁巖及海綠石質(zhì)砂屑灰?guī)r。

2.5 沉積構(gòu)造標(biāo)志

研究區(qū)中寒武系可以作為古氣候識別標(biāo)志的沉積構(gòu)造有與蒸發(fā)巖相伴生的沉積構(gòu)造：干裂、帳篷、鳥眼、膏溶角礫、盤腸構(gòu)造、窗格構(gòu)造等，這些反映干燥炎熱的古氣候特點(diǎn)，而沖刷面、生物擾動等構(gòu)造則反映出溫暖潮濕的沉積環(huán)境。

3 古氣候特征的生物化石標(biāo)志

古生物對古氣候的研究具有重要意義，自進(jìn)入寒武紀(jì)以來，生物演化迅速，達(dá)到空前繁盛的狀態(tài)。目前認(rèn)為古杯類、節(jié)肢動物、三葉蟲和藻類對古氣候研究意義重大。

古杯是已絕滅的營底棲動物，它們適宜生活在氧氣和營養(yǎng)來源充足的淺海陸棚盆地帶，在海水鹽度與水溫適中時，古杯動物便能大量繁殖，形成生物礁。而在潟湖、半潟湖相和靠近古陸邊緣碎屑巖發(fā)育地區(qū)的海水中氧化鎂含量過高都不適宜于古杯的生長，因此古杯生活條件要求嚴(yán)格，是良好的指向化石，反映了熱帶、亞熱帶氣候(張國仁，1997)。

節(jié)肢動物也叫節(jié)足動物，本研究主要指海相類群，其比較常見，對生活條件要求較為寬泛，從赤道到高緯度的所有正常溫度的海洋中均可見到。

三葉蟲多為淺海底棲爬行或以半游泳生活方式存在，適宜的溫度和潮濕的環(huán)境是三葉蟲生存的必要條件，因此將三葉蟲視為溫暖潮濕氣候帶的指示生物。

疊層石和藻紋層使藍(lán)藻等低等微生物的生命活動產(chǎn)生了很多黏性分泌物，引起了圍巖基質(zhì)的沉淀、捕獲并膠結(jié)了沉積而形成的疊層狀的生物沉積構(gòu)造，其主要形成于熱帶、亞熱帶淺水中，指示溫暖潮濕氣候帶。

4 古氣候特征的古風(fēng)化殼標(biāo)志

研究區(qū)寒武系古風(fēng)化作用標(biāo)志主要為鈣質(zhì)風(fēng)化殼，已形成的風(fēng)化殼由于種種原因被后來的堆積物所掩蓋，避免了強(qiáng)烈的剝蝕作用，其被保留下來的部分是一種淺色固結(jié)-半固結(jié)的鈣質(zhì)——白云質(zhì)古土壤層。研究區(qū)所見鈣質(zhì)風(fēng)化殼以淺黃色、淺綠灰及灰白色最為典型，外貌多呈結(jié)核狀、渣狀，是干旱-半干旱氣候條件下形成的鈣質(zhì)風(fēng)化殼(張國仁，1997)。

5 古氣候特征

早震旦世晚期以后，華南普遍形成冰川堆積，塔里木盆地北緣及庫魯克塔格一帶均發(fā)現(xiàn)冰川堆積物，該類堆積物在全球許多地區(qū)均曾發(fā)現(xiàn)。雖然在遼東太子河地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)冰磧巖，但根據(jù)鄰區(qū)氣候特點(diǎn)也應(yīng)屬寒冷氣候。自晚震旦世末期以后進(jìn)入寒武紀(jì)，經(jīng)過漫長的時間，古氣候由寒冷逐漸轉(zhuǎn)為溫暖，進(jìn)入寒武紀(jì)再無冰期記錄。

太子河地區(qū)缺失早寒武世沉積，沒有該時期古氣候沉積記錄，因此僅對中寒武世古氣候進(jìn)行分析。

由于本溪和桓仁同處太子河古生代沉積盆地，主要根據(jù)遼寧平頂山等4幅1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查以及橋頭等4幅1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中得到的野外數(shù)據(jù)，結(jié)合巖石地層(表1)、古生物及古氣候沉積標(biāo)志的對比，對太子河地區(qū)進(jìn)行剖面分析與解剖，將其中寒武世古氣候變化初步劃分為6個潮濕—干旱周期，6個潮濕氣候、6個干旱氣候期(圖2)。進(jìn)而確定遼東太子河地區(qū)中寒武世時期，處于溫帶—亞熱帶半干旱氣候區(qū)。這一結(jié)論與華北地區(qū)該時期古氣候的變化是同步的，具有等時對比意義。

5.1 古氣候周期1(堿廠組下部)

早期氣候溫暖潮濕，形成了一套碎屑沙灘沉積，相當(dāng)于堿廠組底部。多處發(fā)現(xiàn)沖刷面沉積構(gòu)造，說明沉積環(huán)境潮濕。而在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)了三葉蟲化石，反映氣候?qū)儆谶m宜生物生長的溫暖潮濕氣候。晚期氣候干燥炎熱，相當(dāng)于堿廠組下部，見白云巖沉積，發(fā)育泥裂(圖3)等沉積構(gòu)造反映當(dāng)時氣候炎熱干燥。在遼陽及本溪境內(nèi)普遍賦存石膏層，同樣指示氣候由最初的潮濕轉(zhuǎn)為炎熱干燥。在本溪市桓仁縣小東溝—小磨子村深灰色中厚層泥質(zhì)花紋含生物碎屑、砂屑泥晶、粉晶灰?guī)r中見2 m厚淺灰色碳酸鹽質(zhì)渣狀層及鈣結(jié)殼(圖4)(遼寧省地質(zhì)勘查院，2012)，反映出干旱-半干旱氣候條件。由于氣候干燥炎熱，不利于生物生長，因此該時期未發(fā)現(xiàn)古生物跡象。在鄰區(qū)吉林渾江地區(qū)發(fā)現(xiàn)磷礦巖系，也反映了當(dāng)時氣候由溫暖突變至炎熱干燥，致使生物大量死亡而堆積形成磷礦床(遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局,1989)。

圖2 太子河地區(qū)中寒武世古氣候變化周期及主要判別標(biāo)志1-礫巖；2-硅質(zhì)鈣質(zhì)膠結(jié)石英砂巖；3-白云巖；4-瀝青質(zhì)砂屑灰?guī)r；5-泥晶灰?guī)r；6-瘤狀灰?guī)r；7-粉砂質(zhì)頁巖；8-含生物碎屑鮞粒灰?guī)r；9-粉砂巖；10-表示發(fā)育；11-泥裂；12-石膏假晶；13-生物擾動；14-沖刷面；15-鈣質(zhì)結(jié)殼；16-藻丘；17-三葉蟲；18-古杯；19-腕足類化石

圖3 白云巖中的泥裂構(gòu)造

圖4 碳酸鹽質(zhì)渣狀層及鈣結(jié)殼

5.2 古氣候周期2(堿廠組中上部—大后海段底部)

早期氣候轉(zhuǎn)為溫暖潮濕，海水快速入侵，形成薄—微薄層泥晶灰?guī)r，反映溫暖潮濕氣候條件，Ogawa(1905a,1905b)曾描述過在太子河凹陷賽馬地區(qū)發(fā)現(xiàn)古杯化石Cossinocyathuscf.billingsiwalcott和C.?sp.nov,在此次區(qū)調(diào)中也在多個灰?guī)r層位中發(fā)現(xiàn)三葉蟲化石，且在灰?guī)r中見海綠石礦物沉積，同樣證明當(dāng)時適宜古生物生存的溫暖潮濕環(huán)境。晚期氣候干燥炎熱，紫色粉砂質(zhì)頁巖反映出當(dāng)時強(qiáng)烈氧化的干燥環(huán)境，因此研究區(qū)為炎熱干旱或半干旱氣候。

5.3 古氣候周期3(大后海段中下部)

早期氣候溫暖潮濕，普遍發(fā)育灰?guī)r，相當(dāng)于大后海段下部的灰?guī)r沉積。晚期氣候干燥炎熱，相當(dāng)于大后海段中部的紫色粉砂質(zhì)頁巖的紅層沉積，而泥裂(圖5)構(gòu)造也反映出干燥的氣候條件，是一套干旱的強(qiáng)氧化環(huán)境。

圖5 紫色粉砂質(zhì)頁巖中的泥裂構(gòu)造

5.4 古氣候周期4(大后海段上部)

早期氣候溫暖潮濕，為一套灰?guī)r沉積。晚期氣候轉(zhuǎn)為干燥炎熱，發(fā)育白云巖沉積，反映出干燥炎熱的強(qiáng)蒸發(fā)氣候特點(diǎn)，而大后海段上部的紫色粉砂質(zhì)頁巖沉積，發(fā)育泥裂構(gòu)造，則更加證明此時干燥蒸發(fā)的暴露沉積環(huán)境。

5.5 古氣候周期5(大后海段頂部—石橋段中下部)

研究區(qū)早期均為碳酸鹽沉積，氣候潮濕。中期氣候變化緩慢，表現(xiàn)為多個低級別潮濕—干旱氣候周期。以淺灰色薄—中厚層含生物碎屑鮞?；?guī)r夾暗紫色云母質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖組成多個沉積旋回為沉積標(biāo)志，其中含生物碎屑鮞?；?guī)r反映當(dāng)時的溫暖潮濕氣候條件，而夾雜的暗紫色云母質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖，為干旱炎熱的氧化環(huán)境的沉積標(biāo)志。暗紫色頁巖的紅層中見有生物遺跡，也反映出當(dāng)時氣候的干旱—潮濕的多級別變化。晚期氣候轉(zhuǎn)為干燥炎熱，普遍為沉積紅層，頁巖中具有食鹽假象和發(fā)育泥裂，反映為干旱氣候。

5.6 古氣候周期6(石橋段上部)

早期氣候溫暖潮濕，巖性為含生物碎屑鮞粒灰?guī)r，為鮞粒灘沉積環(huán)境，在本溪市橋頭鎮(zhèn)金家堡子發(fā)現(xiàn)了三葉蟲和腕足類化石，見藻丘，說明此時為適應(yīng)古生物生長的溫暖潮濕環(huán)境。經(jīng)過短暫的潮濕氣候，氣溫迅速變?yōu)楦稍镅谉?，大量暗紫色粉砂云母質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖(圖6)等沉積紅層的出現(xiàn)，反映出當(dāng)時強(qiáng)烈的氧化環(huán)境。而頁巖中普遍發(fā)育泥裂的蒸發(fā)構(gòu)造，說明當(dāng)時干燥的氣候特點(diǎn)。

圖6 紫色粉砂質(zhì)云母質(zhì)頁巖

6 結(jié) 論

(1) 論證了古氣候特征的主要標(biāo)志，包括蒸發(fā)巖及伴生構(gòu)造、碳酸鹽類沉積、鮞粒、沉積紅層、古生物、海綠石、古風(fēng)化殼等。

(2) 遼東太子河地區(qū)中寒武世屬于溫帶—亞熱帶半干旱氣候，可劃分出6個溫暖潮濕—干旱炎熱交替變化周期。

(3) 古氣候與海平面升降以及沉積物特征、古水溫的變化具有一致性，其研究可以提高區(qū)域地層對比的精度。

(4) 古氣候?qū)W的研究對區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作意義重大，建議其他區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作也進(jìn)行古氣候研究。

7 致 謝

在選題及完成過程中，得到遼寧省地質(zhì)勘查院張國仁研究員級高級工程師的悉心指導(dǎo)，資料主要來源于1∶5萬橋頭等4幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作和1∶5萬平頂山等4幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作，為集體成果，在此一并致謝！

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路鳳香,桑隆康.2002.巖石學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社.遼寧省地質(zhì)勘查院.2012.中華人民共和國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告(1∶5萬):平頂山(K51E016020)、二戶來(K51E016021)、八里甸子(K51E017020)、普樂堡鎮(zhèn) (K51E017021)幅[R].遼寧大連:遼寧省地質(zhì)勘查院.遼寧省地質(zhì)勘查院.2013.中華人民共和國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告(1∶5萬):橋頭(K51E017015)、本溪 (K51E017016)、南芬(K51E018015)、鐵山街 (K51E018016)幅[R].遼寧大連:遼寧省地質(zhì)勘查院.

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Paleoclimate recognition in Middle Cambrian in Taizihe area of eastern Liaoning Province

WUZi-jie,PANYu-qi,BAOHong-wei,WANGHai-peng,LEIGuang-xin，CHENGPei-qi

(Liaoning Institute of Geological Exploration, Dalian 116100, Liaoning, China)

According to evaporate and associated sedimentary structure, sedimentary red sandstone, carbonate rock and oolitic sedimentary, paleontology, palaeo weathering crust type, glauconite sedimentary indicators, in Huanren area and Benxi area, the authors combined with the features of Taizihe area in Taizi River reaches, the Middle Cambrian ancient climate was divided into six wet-dry and hot climate change cycles, and then determined the area belonged to the temperate and tropical semi-arid climate region.

Middle Cambrian Epoch; Paleoclimate characteristics; Identification marks; Variation cycle; Taizihe; Eastern Liaoning Province

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.561

2014-01-23；

：2014-03-27；編輯：侯鵬飛

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“遼東—吉南成礦帶地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查遼寧1∶5萬橋頭幅(K51E017015)、本溪幅(K51E017016)、南芬幅(K51E018015)、鐵山街幅(K51E018016)區(qū)調(diào)”(1212011120734)

吳子杰(1987— )，男，助理工程師，地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及地層古生物研究，E-mail:midnight29@163.com

P534.41

：A

：1674-3636(2014)04-0561-06