云南保山地塊香山組和丁家寨組沉積序列與碳同位素研究

羅亮，王冬兵，尹福光，廖世勇，任飛，寧括步，唐淵

1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都　610081 2.中國科學院紫金山天文臺，南京　210008

保山地塊石炭—二疊系及其生物群(牙形石、珊瑚、腕足動物群)、與之相關(guān)的冰磧巖等諸多問題，長期以來備受關(guān)注。前人對云南保山地塊石炭—二疊系年代學、生物地層學、古地理、古氣候等進行了大量的研究，已經(jīng)取得了較多的進展，主要包括以下幾方面：生物年代地層格架的建立[1-11]；古地理格局與演化[7,11,12-16]；重大突變期環(huán)境事件記錄[11, 17-18]。然而通過晚古生代碳同位素特征系統(tǒng)性研究本區(qū)沉積序列與構(gòu)造古地理演化還較少。

前人研究主要是通過古地磁和巖石年代學、地球化學資料，探討保山地塊從岡瓦納大陸北緣分離的時期與區(qū)域構(gòu)造響應，但從沉積序列變化及碳同位素響應特征上來反映這一重大事件的研究還較少。本文在對保山地塊北部地區(qū)晚古生代地層進行詳細地野外觀測與鉆孔編錄的基礎上，通過巖性巖相學和碳氧同位素特征變化的詳細研究，并結(jié)合前人的年代學和古地磁研究成果，探討該區(qū)石炭—二疊系沉積序列轉(zhuǎn)化和同位素變化的地層學意義，為進一步深入研究Submasu地塊石炭—二疊之交的古海洋、構(gòu)造古地理和氣候演化提供了新的資料。

1　地質(zhì)概況

保山地塊古生代—早中生代是一個相對穩(wěn)定的大陸地塊，沉積層序界面與沉積序列特征清晰，其中下石炭統(tǒng)香山組(碳質(zhì)灰?guī)r、燧石灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r)、下二疊統(tǒng)丁家寨組(含冰磧礫巖和特殊動物群)、下二疊統(tǒng)臥牛寺玄武巖分布廣泛。臥牛寺玄武巖系低鉀拉斑玄武巖，具有大陸溢流相噴發(fā)的特點[19-21]，與下二疊統(tǒng)丁家寨組關(guān)系復雜，從野外展布特征以及時代依據(jù)(古生物化石和鋯石U-Pb測年)均指示二者為近同期的產(chǎn)物，臥牛寺玄武巖內(nèi)部能少見丁家寨組灰?guī)r塊(圖1C)。因此加強丁家寨組沉積時限與臥牛寺玄武巖噴發(fā)時間的研究對保山地塊古地理恢復和構(gòu)造屬性具有重要意義。

保山地塊位于中國西南滇西地區(qū)，東以北瀾滄江斷裂至柯街—南汀河斷裂為界與昌寧—孟連帶相鄰，西以怒江斷裂為界與騰沖地塊相鄰(圖1A，B)。在保山地塊內(nèi)部根據(jù)地層發(fā)育情況，大體可將其分為三個小區(qū)：北部區(qū)、南部區(qū)及西南區(qū)(圖1B)[7,22]，本文選擇在地層發(fā)育最好且化石豐富的北部區(qū)開展研究工作，填補了前人在該區(qū)化學地層和沉積環(huán)境研究方面的空缺。近年來隨著保山市隆陽區(qū)西邑鄉(xiāng)鉛鋅礦的發(fā)現(xiàn)、大量生物化石的報道、古地磁的深入研究[13,15]，給進一步深入探討研究區(qū)石炭—二疊紀沉積序列、碳氧同位素演化、生物古地理和構(gòu)造屬性等科學問題帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。

圖1　云南保山地塊位置及交通圖A.保山地塊香山組、丁家寨組與臥牛寺玄武巖分布略圖；B.石炭系—下二疊統(tǒng)地層綜合柱狀圖(據(jù)文獻[21]修改)Fig.1　Geographic map and location of Baoshan Block in Yunnan

2　沉積特征

下石炭統(tǒng)香山組以含礁型復體珊瑚和高分異度的大型單體珊瑚及豐富有孔蟲化石的碳酸鹽巖沉積為主。對其時代前人研究較少，王增吉[23]將香山組分為上下兩段，建立了Rotiphyllumyudongense-Commutiacrassoseplata-Antikinkaidiatypica和Thurianthasinensis-Tachylasmashidianense組合帶，時代應對比于早石炭世杜內(nèi)—維憲期。本次工作亦在香山組中發(fā)現(xiàn)了DiphyphyllumhochangpingenseYü,SiphonophylliacylindricalverregularisSung,Siphonophylliacylindricalgamma(r) Vanghan,Siphonophylliacf.caninvides(Sibly)等珊瑚化石，綜合考慮其時代應總體屬早石炭世維憲期。

本文在大量鉆孔編錄之后發(fā)現(xiàn)香山組沉積在鉆孔間可精細對比，區(qū)內(nèi)橫向上分布穩(wěn)定，縱向上可細分為三個巖性段，自下向上海水深度逐步變淺局部有小幅震蕩(圖2)。

圖2　研究區(qū)何元寨組上部和香山組地層劃分對比柱狀圖A.碳質(zhì)灰?guī)r組成的加積型副層序組；B.碳質(zhì)灰?guī)r與泥晶灰?guī)r組成的退積型副層序組；C.碳質(zhì)灰?guī)r與燧石灰?guī)r組成進積型副層序組；D.燧石灰?guī)r與生物碎屑巖組成進積型副層序組；E.生物碎屑灰?guī)r與砂屑灰?guī)r組成退積型副層序組Fig.2　Correlation of the upper Heyuanzhai Formation and Xiangshan Formation in the study area

香山組一段(C1x1)為灰黑色含碳質(zhì)泥灰?guī)r局部夾少量泥晶灰?guī)r，鉆孔照片見圖3b,c，總厚度約15～40 m，滴5%的稀鹽酸強烈起泡。鏡下呈含生屑泥晶結(jié)構(gòu)，方解石含量50%～55%，呈它形粒狀，與粉砂、黏土質(zhì)混雜分布，局部因有磷質(zhì)混雜顯黃褐色。陸源砂含量約10%～15%，以粉砂為主，由石英、長石、巖屑、少量白云母等構(gòu)成，生屑可見海百合、腕足、介形蟲等，星散狀定向分布，多被方解石充填。主要由A型加積型副層序組構(gòu)成水體較深、沉積速率慢的凝縮段沉積，僅在ZK16-8中見少量B型退積型副層序組夾于A型副層序組之間，組成向上水體逐步變深的沉積序列。根據(jù)野外特征和鏡下特征認為該段水體深度總體較大，沉積環(huán)境應該位于臺前斜坡下部(圖2)，發(fā)育典型的滑塌變形層理(圖3a)。

香山組二段(C1x2)為灰色含燧石泥晶灰?guī)r，夾碳質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，厚約120～300 m，鉆孔和野外區(qū)分標志主要為燧石灰?guī)r(圖3f)。燧石團塊鏡下觀察呈隱晶狀結(jié)構(gòu)，硅質(zhì)含量約85%～90%，由隱晶—微粒狀玉髓構(gòu)成，粒徑一般<0.01 mm，多無明確的個體邊界。主要發(fā)育碳質(zhì)灰?guī)r與燧石灰?guī)r組成C型副層序組和生物碎屑灰?guī)r與燧石灰?guī)r組成的D型副層序組，形成向上水體逐步變淺的高水位體系域沉積。該段沉積水體深度較一段明顯要淺，沉積環(huán)境位于臺前斜坡上部(圖2)，可見滑塌角礫巖和滑塌變形層理(圖3d,e,g)。

香山組三段(C1x3)為灰色生物碎屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r，見珊瑚、腕足、有孔蟲等化石(圖3i～l)。含泥質(zhì)生屑泥晶結(jié)構(gòu)，方解石含量60%～65%，呈它形粒狀，主為粒徑<0.01 mm的泥晶，0.01～0.05 mm的粉晶少量。生屑含量約25%，可見海百合、腕足、介形蟲、藻類等(圖3m,n,o)，星散狀定向分布，被方解石充填。陸源砂含量約5%，由石英、長石、巖屑、少量白云母等構(gòu)成，主顯尖棱角狀、棱角狀，有的被方解石交代。該段主要由多個生物碎屑灰?guī)r夾砂屑灰?guī)r組成E型副層序組構(gòu)成，總體沉積環(huán)境應為碳酸鹽巖臺地，形成向上變細的沉積序列，體現(xiàn)了水體深度逐步變大的趨勢，為多個退積型副層序組構(gòu)成的海侵體系域沉積。

圖3　香山組野外和顯微鏡下照片a～c.香山組一段(a.滑塌變形層理；b，c.含碳質(zhì)灰?guī)r)；d～g.香山組二段(d.滑塌變形沉積；e, g.滑塌角礫；f.燧石灰?guī)r)；h.香山組鉛鋅礦；i～l.香山組珊瑚化石；m.香山組二段生屑灰?guī)r鏡下照片；n，o.香山組三段生屑灰?guī)r鏡下照片F(xiàn)ig.3　Field and microscopic images of the Xiangshan Formation

下二疊統(tǒng)丁家寨組根據(jù)野外剖面實測和路線地質(zhì)調(diào)查可知，其下部為一套灰色—深灰色厚塊狀冰磧含礫鈣質(zhì)雜砂巖(圖4a，b，c)，間夾少量生物碎屑灰?guī)r、碳質(zhì)板巖、泥巖、細砂巖等。冰磧鈣質(zhì)含礫雜砂巖野外特征為礫石含量約5%～15%，礫石主要成分為石英、石英砂巖、灰?guī)r、玄武巖等，呈次棱角—次圓狀，分選較差，粒徑0.2～35 cm不等，以0.3～1 cm居多。鏡下呈含細礫生屑結(jié)構(gòu)，生屑主要見海百合、腹足、苔蘚蟲等(圖4e，f，g)，個體多較粗大，直徑一般0.2～6.0 mm，具定向排列，被方解石充填。亮晶方解石呈它形粒狀，粒徑0.2～2.0 mm，充填于生屑之間。陸源砂礫含量45%～60%，主見石英，少見長石、巖屑等，多呈棱角狀、次棱角狀，大小以0.05～0.25 mm的細砂為主，滴5%的稀鹽酸強烈起泡。在編錄鉆孔時能見到冰磧礫石壓彎層理形成典型的落石構(gòu)造(圖4a)，綜上認為丁家寨組下—中部為濱岸冰水沉積環(huán)境。

3　碳同位素地層

本次采集的樣品均來自巖芯，在野外采樣和室內(nèi)利用牙鉆取粉末樣過程中盡可能避免次生裂隙、方解石脈以及后期次生作用改造的影響，共采集了下石炭統(tǒng)香山組和下二疊統(tǒng)丁家寨組的42塊樣品做碳氧同位素測試。碳氧同位素數(shù)據(jù)均在中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所國家重點實驗室測得，使用的儀器為同位素質(zhì)譜儀，主機：MAT-253，制樣系統(tǒng)：Kiel Ⅳ Carbonate Device，實驗室控制室溫：22 ℃±1 ℃；濕度：50%RH ± 5%。分析精度要求為：δ13CPDB標準偏差小于0.040‰；δ18OPDB測定值標準偏差小于0.080‰。并對其中δ13CPDB值迅速變化的樣品進行了二次測試，以保證數(shù)據(jù)的可靠性(測試數(shù)據(jù)見表1)。

圖4　丁家寨組鉆孔照片以及顯微鏡下照片a，b，c.丁家寨組(a：落石構(gòu)造—撞擊構(gòu)造，冰墜石壓彎層理；b，c.丁家寨組冰磧鈣質(zhì)含礫雜砂巖鉆孔和野外照片)；d，e，f.丁家寨組鈣質(zhì)含礫雜砂巖鏡下生屑照片F(xiàn)ig.4　Borehole photographs and microscopic images of Dingjiazhai Formation

巖石中碳酸鹽巖的氧同位素組成對沉積期后的變化最為靈敏，它們?nèi)襞c大氣和熱水發(fā)生同位素交換，其δ18O 數(shù)值將明顯減低，一般情況下當碳酸鹽巖的δ18O小于-5‰(VPDB)時表示已受蝕變作用影響，但不足以改變碳同位素的成分和含量，但當δ18O小于-10‰時巖石已發(fā)生強烈的蝕變，樣品的碳同位素可靠性較差[24-29]。而Kaufmanetal.[30]則認為應當將δ18O小于-11‰作為界值，此次42組數(shù)據(jù)中δ18O 值主要分布在-10‰～0，平均為-8.34‰，僅極少數(shù)樣品的δ18O 值小于-11‰，后面將其剔除不參與結(jié)果討論。一般認為，如果樣品的δ13C 和δ18O 值呈正相關(guān)，則表明可能受到成巖作用影響[26,31-33]。通過建立碳、氧同位素相關(guān)性散點圖(圖5)，可以看出碳、氧同位素數(shù)據(jù)線性相關(guān)性極差，且香山組幾乎所有樣品都投在原生海水埋藏成巖膠結(jié)區(qū)，但丁家寨組部分樣品既沒有落在原生海水埋藏成巖膠結(jié)區(qū)也沒在含膏鹽等潟湖成巖區(qū)，這可能與其屬冰期沉積物不無關(guān)系。

本文共獲測試數(shù)據(jù)42組，其中香山組19組，香山組下伏的何元寨組頂部3組，丁家寨組20組，測試數(shù)據(jù)見表1，根據(jù)鉆孔編錄和測試數(shù)據(jù)繪制了ZK320-2和Zk16-8的δ13C數(shù)值變化曲線(圖6)。

ZK16-8中香山組從一段到三段碳同位素變化具有很好的規(guī)律性，δ13C值自下向上總體呈上升趨勢，從最低的2.09‰上升到最高的5.52‰(圖6)。其下伏的何元寨組δ13C含量整體較低，從1.27‰到2.88‰，向上過渡到香山組一段，δ13C含量持續(xù)較低，從2.09‰到2.76‰。香山組組二段δ13C值相比香山組一段有所升高，整體較為穩(wěn)定，局部小幅震蕩，保持在3.06‰～3.36‰之間。香山組三段δ13C數(shù)值增大，表現(xiàn)為一個明顯正向偏移，最大值達5.52‰(圖6、表1)。但δ13C高值并未持續(xù)到香山組頂部，在三段上部出現(xiàn)了急劇下降，最低值到1.42。

ZK320-2中下部香山組頂部δ13C整體處于較低水平，局部波動較強，其值維持在0.36‰～3.06‰之間，主體位于1.51‰～1.99‰之間。與ZK16-8香山組三段上部δ13C值基本一致。丁家寨組δ13C變化呈現(xiàn)出極強的規(guī)律性，下部冰磧鈣質(zhì)含礫雜砂巖中δ13C值整體較穩(wěn)定，從最下部1.40‰緩慢增加到上部的2.0‰，其間有小幅波動。從ZK320-2-7-01到ZK320-2-6-05，δ13C值發(fā)生了明顯負偏，并且ZK320-2-6-05之上一直到丁家寨組中上部灰?guī)r中δ13C值波動較大，但持續(xù)較低，主體位于-2.0‰～-3.0‰之間。

表1　保山西邑地區(qū)香山組、丁家寨組碳氧同位素值測試結(jié)果Table 1　Carbon and oxygen isotope of the Xiangshan andDingjiazhai Formations in in Xiyi area, Baoshan Block

圖5　保山西邑香山組、丁家寨組碳酸鹽巖碳—氧同位素分布圖[34]Fig.5　Cross plot of the carbonate δ13C and δ18O in the Xiangshan and Dingjiazhai Formations in Xiyi area, Baoshan Block[34]

綜上所述，對香山組和丁家寨組中δ13C值變化趨勢進行總結(jié)后可以得到以下兩點規(guī)律和認識：1)香山組從下到上δ13C值有逐漸變大的趨勢，在香山組三段下部有一個1.60‰～5.52‰正向漂移。但到三段上部δ13C又快速回到較低水平。2)丁家寨組冰磧鈣質(zhì)含礫雜砂巖結(jié)束之后出現(xiàn)一個從2.0‰～-3.03‰的負漂移。本文對其中δ18O值小于-11‰的ZK320-2-1-01、ZK320-2-3-03、ZK320-2-4-02、ZK320-2-5-02、ZK16-8-6-02樣品測試結(jié)果進行了篩除。

4　討論

保山地塊石炭—二疊紀的生物地層、古構(gòu)造位置、晚古生代地層序列一直是地質(zhì)學研究的熱點問題。筆者在鉆孔巖芯編錄、野外剖面實測的基礎上結(jié)合前人研究報道認為保山地塊下石炭統(tǒng)和下二疊統(tǒng)發(fā)育較好，其間由于受到Namurian抬升運動的影響，缺失了晚石炭世沉積[7]。

部分學者認為保山地塊在石炭—二疊紀時為一個獨立的地塊。王訓練等[14]指出石炭紀到二疊紀時保山地塊作為一個中間地塊遠離岡瓦納大陸，只有晚石炭世冰川規(guī)模最大時二者才能相互影響。保山地塊的孢粉研究結(jié)果顯示，丁家寨組的孢粉植物群并非典型的岡瓦納孢粉植物群，而是一個具有較濃澳大利亞色彩的混生型微古植物群，或者說是具有一定北方色彩的親澳大利亞孢粉植物群[6]。

圖6　鉆孔Zk16-8、ZK320-2碳同位素變化曲線圖Fig.6　δ13C profiles of Borehole ZK16-8 and ZK320-2

另一方面，保山地塊在早二疊世及以前作為岡瓦納大陸的一部分已被廣泛報道，并取得了多方面的證據(jù)。黃汲清等[35]指出古特提斯在二疊紀時最寬，由于早二疊世和中二疊世岡瓦納北緣地塊迅速向北漂移，使楔形的古特提斯洋逐漸變窄，最后于晚二疊世消亡。保山地塊石炭—二疊紀的動物群較多地顯示了混合特點，故認為早二疊世研究區(qū)屬岡瓦納區(qū)，晚二疊世屬熱帶特提斯區(qū)系[12,35]。前人通過對保山地區(qū)下二疊統(tǒng)丁家寨組下部“雜礫巖”的沉積學研究和該區(qū)二疊紀早期的生物古地理研究，認為保山地塊在二疊紀可能為親岡瓦納地塊群，之后迅速北移，至晚二疊世進入赤道低緯度地區(qū)。丁家寨組上部碳酸鹽巖中廣義的苔蘚蟲—棘皮骨屑顆粒組合應為溫涼水沉積環(huán)境成因，它是保山地塊當時的構(gòu)造古地理位置(岡瓦納大陸北緣)以及冰川后期環(huán)境特征的反映[17]。本文在保山市隆陽區(qū)西邑鄉(xiāng)發(fā)現(xiàn)下二疊統(tǒng)丁家寨組僅下部出露冰磧鈣質(zhì)含礫雜砂巖其上部主體為碎屑巖，這與泰國西部和南部及澳大利亞悉尼盆地南部下二疊統(tǒng)下部特征基本相似，都反應出由岡瓦納相向特提斯相的轉(zhuǎn)變。

Wangetal.[36]亦在南亞和澳大利東北緣悉尼盆地的下二疊統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)具有典型特征的無隔壁有皺紋的珊瑚動物群。柱狀珊瑚動物群指示一種冷水或涼水的淺海環(huán)境，常被作為是一種冰海沉積或混生沉積的證據(jù)。Xuetal.[15]通過古地磁測試和分析前人報到的數(shù)據(jù)，認為保山地塊在早二疊世晚期古緯度位于38°S±3.7°，在與岡瓦納大陸進行對比分析后發(fā)現(xiàn)保山地塊位于印度北緣和澳大利亞西北緣的結(jié)合部位，在早二疊世之后從澳大利亞西緣肢解出來的。通過碎屑鋯石物源示蹤表明，羌塘—保山地塊南緣的海相冰磧雜巖由冰伐和海相沉積物再次搬運沉積而成，他們是石炭—二疊紀崗瓦納冰川作用的產(chǎn)物[16]。

碳同位素數(shù)據(jù)變化顯示下石炭統(tǒng)香山組從下至上δ13C值有逐漸增大的趨勢，一般解釋為有機質(zhì)埋藏增加，且香山組從下向上生物化石含量遞增，由此說明該時期保山地塊環(huán)境較穩(wěn)定，生物逐漸適應并發(fā)展壯大。晚石炭世地層缺失之后向上過渡到下二疊統(tǒng)丁家寨組，其δ13C值在ZK320-2-6-05樣品附近發(fā)生了明顯負偏，在該樣品之上δ13C持續(xù)較低，這與保山地塊當時處于岡瓦納大陸北緣經(jīng)受了長期的冰期氣候不無關(guān)系。地球上多次冰川發(fā)育之后，海洋中有機質(zhì)大幅降低，δ13C值出現(xiàn)普遍負偏：古元古代冰期[37]、大陸冰川Gaskiers冰期[38]、Marinoan冰期[39-42]、南沱冰期[43-44]。全球范圍內(nèi)幾乎所有的冰期均與沉積巖中碳同位素負異常存在某種聯(lián)系[45-47]。

5　結(jié)論

(1) 對保山地塊北部西邑地區(qū)下石炭統(tǒng)香山組和下二疊統(tǒng)丁家寨組進行詳細地野外觀測與鉆孔編錄的基礎上，結(jié)合碳氧同位素分析測試，發(fā)現(xiàn)香山組沉積環(huán)境自下向上可分為三個巖性段，共識別出碳酸鹽巖臺地、臺前斜坡上部、臺前斜坡下部等三個沉積環(huán)境。下二疊統(tǒng)丁家寨組為濱岸冰水沉積。

(2) 下石炭統(tǒng)δ13C值自下向上逐漸升高，同時香山組上部產(chǎn)出大量珊瑚、腕足、有孔蟲等化石，說明環(huán)境較穩(wěn)定，生物適應之后大量繁盛。綜合前人古地磁、生物區(qū)系等研究成果認為早石炭世時保山地塊較穩(wěn)定，仍屬岡瓦納大陸北緣。

(3) 丁家寨組冰磧含礫鈣質(zhì)雜砂巖δ13C值出現(xiàn)強烈負偏，與研究區(qū)冰期結(jié)束、早二疊世初次溫度上升、大量玄武巖噴發(fā)等時限一致，共同說明了保山地塊在早二疊紀開始從岡瓦納大陸北緣裂解出來，并開始向北漂移，該裂解過程很可能為保山西邑大型鉛鋅礦提供了熱液來源。

致謝云南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院孟付軍、周育鵬等在野外和鉆孔編錄時給予了很大幫助；中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所國家重點實驗室陳小明等在C、O同位素測試過程中付出了辛勤勞動，成都地質(zhì)調(diào)查中心范影年研究員在珊瑚化石鑒定上作出了較大貢獻；在文章構(gòu)思和成文過程中曾與成都調(diào)查中心的安顯銀工程師、中國地質(zhì)大學的徐國真博士等進行了有益探討；審稿人提出了較多中肯意見，修改之后使文章整體質(zhì)量有了很大的提高，在此一并致以衷心的感謝。

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