李欣尉,李超*,周利敏,趙鴻
(1.國家地質(zhì)實驗測試中心,北京 100037;2.中國地質(zhì)科學院Re-Os同位素地球化學重點實驗室,北京 100037)
奧陶紀末發(fā)生了地球歷史上第二大規(guī)模的生物絕滅事件,極大地促進了生物的演化,是地球歷史中重要的轉(zhuǎn)折時期。學者們對這一地質(zhì)時期的研究主要集中在兩個方面:一是地層年代學的研究,二是通過古環(huán)境反演探索生物絕滅的觸發(fā)機制。
在地層年代學研究中,主要采用生物地層學對奧陶系—志留系界線進行劃分和厘定。此外,由于奧陶紀—志留紀之交全球性的火山活動頻繁,鉀質(zhì)斑脫巖作為火山噴發(fā)的產(chǎn)物分布廣泛,因此國內(nèi)外學者普遍使用U-Pb同位素體系對鉀質(zhì)斑脫巖中的鋯石進行年齡測定。如Tucker等[1]通過鋯石U-Pb年齡限定了英國Dob’s Linn剖面奧陶系—志留系的界線年齡為445.7±2.4Ma。Ghavidel-Syooki等[2]通過鋯石U-Pb法限定了早志留世Soltan Maidan Formation的時代為434.4±6.4Ma,與孢粉學推測的年齡一致。Cramer等[3]通過早志留世鋯石U-Pb年齡與全球碳同位素擾動的耦合關(guān)系,限定了生物絕滅事件的發(fā)生時間在427~431Ma之間。Cooper等[4]通過生物地層和高精度鋯石U-Pb年齡限定了北愛爾蘭地區(qū)奧陶系火山活動的時代為473±0.8Ma。我國的相關(guān)研究主要集中于揚子及周緣地區(qū),通過對湖北宜昌王家灣[5-7]、湖北麻陽寨[8]、湖南郝坪[9]、大巴山奧陶系—志留系界線附近[10-11]、陜西鎮(zhèn)巴縣[12]、四川盆地周緣[13]等地區(qū)五峰組、龍馬溪組或觀音橋組斑脫巖進行鋯石U-Pb年齡測定,反映了我國上揚子地區(qū)火山活動的時代,同時限定了奧陶系—志留系界線年齡為440~450Ma,與國際地層委員會發(fā)布的GSSP年齡(443.7±1.5Ma)大體一致,為奧陶系—志留系界線年齡提供了參考依據(jù)。同時,依據(jù)斑脫巖中保存的原巖地球化學信息,推測出奧陶紀末生物大絕滅與冰期事件和火山活動關(guān)系密切。利用斑脫巖夾層中的鋯石進行U-Pb定年,可以間接對地層界線進行限定,但是受多期火山活動影響,其結(jié)果有時與實際地層年齡偏差較大,在厘定奧陶系—志留系界線年齡時不夠準確,而采用直接定年方法進行厘定并提供準確的地層年齡的研究仍較為匱乏。
在古環(huán)境反演的研究中,學者們通過多種地球化學手段,如:C、O和S同位素結(jié)合[14-17],有機碳含量變化[18],鐵物種分析[18],銥同位素變化[19],海洋生物遷移規(guī)律[20],沉積巖稀土元素地球化學特征對比差異[21-22],碎屑巖化學蝕變指數(shù)(CIA)[23],汞元素變化[24-25]等,研究該時期冰期事件導致的氣候變冷和全球海平面下降、古海洋環(huán)境變化、地外事件、火山活動等地質(zhì)事件與生物絕滅事件的耦合關(guān)系,對此次生物絕滅事件的觸發(fā)機制進行了深入探索,指出該時期出現(xiàn)的赫南特期冰川和岡瓦納冰川消融,造成了全球環(huán)境和氣候的突變,對晚奧陶世末的生物絕滅事件具有重大影響。
我國上揚子地臺地區(qū)在此時期廣泛發(fā)育厚度不等的深-淺海陸棚相五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)沉積巖,非常適宜采用Re-Os同位素體系對地層年代進行直接的、精確的厘定。同時,Os同位素特征能夠有效地對沉積時期物質(zhì)來源進行示蹤,精確反映沉積環(huán)境的變化,在研究奧陶系—志留系界線層附近富有機質(zhì)沉積巖的沉積環(huán)境變化方面具有獨特的優(yōu)勢,有利于探討該時期發(fā)生的重大地質(zhì)事件與環(huán)境、氣候變化及有機質(zhì)富集之間的關(guān)系。國外已經(jīng)開展了利用Re-Os同位素體系對奧陶紀—志留紀地層界線進行研究,如Finlay等[26]對蘇格蘭地區(qū)Dob’s Linn剖面奧陶系—志留系界線層附近的黑色頁巖和灰?guī)r進行Re-Os同位素研究,得到的界線層年齡為449±22Ma[(187Os/188Os)i= 0.69±0.26,MSWD=15],利用Os初始值與碳同位素、總有機碳(TOC)變化相結(jié)合,對赫南特期冰期作用示蹤。而我國利用Re-Os同位素體系對地層界線年齡的研究開展較晚、研究較少,尤其缺乏對奧陶系—志留系地層界線的Re-Os同位素體系研究,直接定年相關(guān)數(shù)據(jù)匱乏。
本文對貴州省正安縣班竹鎮(zhèn)班竹1井巖心樣品中的五峰組上部和龍馬溪組下部碳質(zhì)泥巖樣品開展精確的Re-Os同位素年代學研究,一方面對奧陶系—志留系地層界線年齡直接厘定,為系界線提供直接的、準確的年齡依據(jù)。同時,根據(jù)Re、Os含量,同位素比值和Os同位素特征變化,為古環(huán)境變遷提供新的方法和證據(jù)。另一方面,基于貴州北部具有豐富的頁巖氣資源,上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組是頁巖氣勘探的主要目標層,對該套富有機質(zhì)沉積巖所處的古地理環(huán)境、氣源巖地質(zhì)背景、成藏條件進行綜合研究,探討沉積環(huán)境對烴源巖品質(zhì)及有機質(zhì)特征的影響,擬為頁巖氣的勘探提供一定的科學依據(jù),具有重要意義。
本文研究對象為五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)沉積巖,采自貴州省正安縣班竹鎮(zhèn)下壩村(圖1),構(gòu)造位置位于班竹向斜,鉆井深度為1130.25m,開孔層位為上奧陶統(tǒng)寶塔組、五峰組,下志留統(tǒng)龍馬溪組、新灘組。五峰組下部與寶塔組整合接觸,龍馬溪組上部與新灘組整合接觸。龍馬溪組下部和五峰組碳質(zhì)泥巖為主要含氣段。采集的班竹1井巖心樣品總長度為65.8m。由黑色或黑灰色泥灰?guī)r、碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和黑色頁巖組成。巖心樣品連續(xù)且完整跨越奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組界線地層,界線位于1116.4m深處,在該深度附近共選取10件五峰組—龍馬溪組樣品(編號:16BZ-16~16BZ-25)作為沉積年齡的研究對象,每件樣品間隔30cm,共計3m,在1120.15m深度取一件五峰組碳質(zhì)泥巖樣品(16BZ-11),用于Os同位素特征研究。
圖1班竹1井巖心碳質(zhì)泥巖樣品采樣地點示意圖
Fig.1 Sampling position of Banzhu No.1 dirllhole carbonaceous mudstone
巖心樣品能夠有效避免Re、Os在沉積巖表面發(fā)生氧化或因風化或淋濾作用發(fā)生遷移,非常適宜沉積時代的精確厘定。用濾紙將巖心樣品包好,用干凈的地質(zhì)錘鑿碎,剔除巖心樣品與外圍金屬接觸的部分,挑選中間、新鮮的樣品。碎屑物質(zhì)也會導致Re-Os年齡不準確,因此在挑選樣品時應避免選取含有石英、硫化物的部分,以減少由于流體熱作用以及陸源碎屑物對Re-Os同位素體系的干擾[27]。最后,采用氧化鋯球磨罐將樣品碎至200目。
采用逆王水溶樣法溶樣:準確稱取待測樣品,通過細頸漏斗加入Carius管底部。在乙醇-液氮所保持的低溫環(huán)境中,使用3mL經(jīng)二次亞沸蒸餾純化的鹽酸轉(zhuǎn)移準確稱量的185Re和190Os混合稀釋劑至Carius管中,凍住之后加入5mL經(jīng)二次亞沸蒸餾純化的硝酸和1mL 30% MOS級過氧化氫。在此加入液氮,當Carius管凍實后用乙炔焰封好,恢復到室溫后置于不銹鋼套管內(nèi),逐漸升溫至220℃,保持12h,隨后升溫至230℃,保持12h。采用Carius管直接蒸餾和微蒸餾法富集純化Os[28],丙酮萃取法富集Re[29]。該方法全流程空白:Re為2pg左右,Os為0.2pg,可以滿足超低含量樣品Re-Os同位素測試要求。
將樣品點在已經(jīng)去氣的鉑帶上,加入發(fā)射劑,裝入樣品盤。采用陰離子熱電離質(zhì)譜(儀器型號Triton-plus,美國ThermoFisher公司)測定同位素比值。對Re采用晶態(tài)Faraday模式測定185ReO4、187ReO4;對Os采用CDD多接收模式測定186OsO3、187OsO3、188OsO3、190OsO3、192OsO3,同時測定185ReO3以扣除187ReO3對187OsO3的影響[29]。
11件奧陶系—志留系界線碳質(zhì)泥巖樣品Re-Os同位素測量結(jié)果見表1。樣品的Re含量為3.315~101.3ng/g,Os含量為0.1323~1.497ng/g,187Re/188Os值為122.2~509.6,187Os/188Os值為1.604~4.437。根據(jù)國際地層委員會公布的奧陶系—志留系界線年齡(t=443.7Ma)[30]計算得到每件樣品的Os初始比值為0.6563~0.7125,平均值為0.6936。
表1奧陶系—志留系界線碳質(zhì)泥巖Re-Os同位素結(jié)果
Table 1 Re-Os isotope data of carbonaceous mudstone in the Ordovician—Silurian boundary
碳質(zhì)泥巖樣品編號采樣深度(m)Re含量(ng/g)Os含量(ng/g)187Re/188Os187Os/188Os測定值不確定度測定值不確定度測定值不確定度測定值不確定度(187Os/188Os)i16BZ-111120.1543.760.320.71660.0054440.94.53.9500.0080.684616BZ-161118.2522.170.160.60840.0046227.62.32.3940.0040.705816BZ-171117.95101.30.71.4970.011509.65.24.4370.0070.656316BZ-181117.6549.120.360.86580.0065399.74.03.6680.0060.702716BZ-191117.3512.210.090.38540.0029192.01.92.1040.0040.679816BZ-201117.0512.360.090.35960.0027212.22.12.2810.0040.706116BZ-211116.7511.180.080.47730.0036136.41.41.7250.0030.712516BZ-221116.4511.650.090.40480.0031172.11.71.9790.0030.702616BZ-231116.153.3150.1960.15580.0012122.27.31.6040.0030.696516BZ-241115.853.8480.0280.13230.0010174.31.81.9880.0040.694716BZ-251115.554.3500.0320.17640.0013144.11.51.7580.0030.6884
注:(187Os/188Os)(i)=187Os/188Os-(et×10-5×1.666-1)×187Re/188Os;t=443.7Ma(據(jù)Jenkins et al.,2002[30])。
圖2 班竹1井奧陶系—志留系界線碳質(zhì)泥巖的Re-Os等時線年齡
為獲得更精準的等時線年齡,在作圖時剔除了Os初始比值偏低的16BZ-17和16BZ-19樣品、誤差較大的16BZ-23號樣品和遠離界線層的16BZ-11樣品,采用剩余7件樣品的Re-Os數(shù)據(jù)獲得等時線年齡為443.68±6.24Ma(2σ,n=7),(187Os/188Os)i= 0.699±0.019,MSWD=0.55(圖2)。與國際地層委員會發(fā)布的奧陶系—志留系界線年齡443.7±1.5Ma高度一致。通過Re-Os同位素定年法得到的界線年齡與前人通過鋯石U-Pb法(445.7±2.4Ma、445.1±3.5Ma、450.1±1.6Ma、450.0±3.6Ma)[1,8,10-11],角閃石K-Ar法(435~437Ma)[31]和火山巖Rb-Sr法(450±15Ma)[32]得到的奧陶系—志留系界線年齡相比,更為直接地實現(xiàn)了對奧陶系—志留系界線層年齡的厘定,避免了多期火山活動對地層年齡造成的影響。與利用Re-Os同位素定年結(jié)果(449±22Ma)[26]相比,Os初始比值與Finlay等[26]得到的結(jié)果一致,但所得MSWD(0.55)和年齡不確定度(6.24)均小于Finlay等[26]所得結(jié)果,表明本文方法對地層界線年齡限定更準確,為系界線年齡提供了參考。
巖心樣品能夠保證樣品中Re-Os體系不受后期風化作用干擾,避免使Re、Os丟失[33],保證了樣品具有良好的封閉性,是獲得精準Re-Os同位素等時線年齡的關(guān)鍵。此外,對采集的奧陶系—志留系界線層段樣品來說,龍馬溪組下部和五峰組上部為主要的含氣段,說明該段樣品曾經(jīng)發(fā)生了烴源巖的熟化過程。Creaser等[34]和李超等[35]研究了熟化作用對Re-Os同位素體系的影響,認為在油氣形成和運移之前,不同位置具有相同的Os同位素初始比值,即使在油氣形成之后只要油氣完全儲存在烴源巖中,熟化過程也不會造成Os同位素分餾,烴源巖所生成的油氣在小范圍內(nèi)具有相同的Re-Os同位素比值,烴類物質(zhì)的成熟過程不影響Re-Os體系的封閉性。本研究中采用Re-Os同位素體系獲得精準的奧陶系—志留系界線地層年齡,同樣證實了熟化對Re-Os體系的影響較小,通過Re-Os同位素體系仍能得到準確的、代表其沉積時代的沉積年齡。
獲得精準Re-Os同位素等時線年齡的另一個關(guān)鍵因素是合理取樣。采樣點應具有一定的距離才能夠保證樣品的Re、Os含量和同位素比值變化不會太小,避免出現(xiàn)Re-Os等時線年齡圖拉不開的現(xiàn)象。Kendall等[36]認為,對具有較低沉積速率(<2m/Ma)的富有機質(zhì)沉積巖樣品,較窄的取樣間隔和較大的取樣量可以保證樣品具有均一的Os初始值,避免了海水Os在短時間內(nèi)突然變化導致樣品中Os初始值的改變和失耦現(xiàn)象的發(fā)生,從而得到精準的Re-Os沉積年齡。五峰組頁巖的平均沉積速率為0.78~2.19m/Ma[37-38],在界線層共取10件樣品,每件樣品間隔30cm,質(zhì)量大于10g,即每件樣品時間間隔約為0.2~0.7Ma,3m巖心樣品總時間跨度為2~7Ma,可以保證樣品的初始Os比值比較一致,并且同位素比值在等時線上拉開,為獲得精準的Re-Os等時線年齡提供了保障。得到Re-Os同位素數(shù)據(jù)后,可以計算每件樣品的初始Os比值。剔除初始Os比值差異較大的樣品,避免由于樣品地質(zhì)原因影響等時線年齡,提高了等時線年齡的精度。
海相沉積物中Os主要來自于海水,而海水中的Os受陸源物質(zhì)(187Os/188Os值約為1.4)、洋中脊熱液(187Os/188Os值約為0.127)、宇宙塵埃(187Os/188Os值約為0.127)[39]的綜合影響,因此海相沉積物中Os的組成能夠有效地反映沉積時的物質(zhì)來源。所測定的11件巖心樣品的187Os/188Os初始值為0.6563~0.7125,平均值為0.6936,高于洋中脊熱液值及宇宙塵埃的Os同位素比值,小于現(xiàn)代海水的187Os/188Os初始值(1.05~1.06)[40]和陸源物質(zhì)的Os同位素比值,反映了沉積時陸源物質(zhì)對海水Os同位素組成的影響。Yan等[23]通過碎屑巖CIA值研究,同樣指示揚子地臺沉積物在奧陶紀—志留紀界線經(jīng)歷了非常強的化學風化作用,該時期強烈的風化作用使較多的陸源物質(zhì)輸入海洋,對碳質(zhì)泥巖的形成起到了關(guān)鍵作用。
Re、Os的富集主要受氧化還原作用的影響,在氧化環(huán)境下它們以活動性較強的離子狀態(tài)溶解于海水中,而在還原環(huán)境下則以高價態(tài)絡合物隨有機質(zhì)沉淀,因此海水還原度越高,海相沉積物中Re和Os越富集。此外,較之氧化環(huán)境,在還原環(huán)境下形成的海相沉積巖具有更高的187Re/188Os值[41]。從五峰組上部至龍馬溪組下部,Re和Os含量、187Re/188Os、187Os/188Os及187Os/188Os初始值均呈現(xiàn)先升高后逐漸降低的變化趨勢。Re-Os同位素體系的變化,可能與這一時期頻繁的火山噴發(fā)事件和赫南特期冰川事件具有一定的相關(guān)性。根據(jù)Re-Os同位素體系的變化,將這一時期環(huán)境變化分為三個階段(圖3)。
第一階段:晚奧陶紀末開始的赫南特期冰川事件導致氣候由溫暖急劇變?yōu)楹鋄42-44],海平面迅速下降,海水從缺氧環(huán)境變?yōu)楦谎醐h(huán)境,造成多門類暖水生物絕滅,這是生物大絕滅的第一階段[14,45]。此時,光合生物的有機質(zhì)制造能力極低,有機碳在氧化條件下被消耗,有機質(zhì)沉積速率降低,Re、Os在此條件下不易富集,呈現(xiàn)五峰組下段碳質(zhì)泥巖的Re和Os含量、187Re/188Os和187Os/188Os初始值較低。在冰期時,溫度較低,大陸主要以物理風化為主,化學風化程度降低,海水攜帶的陸源碎屑輸入減少,表現(xiàn)為187Os/188Os初始值較低。
第二階段:晚奧陶世—早志留世,全球性火山噴發(fā)事件導致全球氣候快速回暖,岡瓦納冰蓋消融,由冰期向后冰期或間冰期轉(zhuǎn)變[46-48],海平面迅速回升,受廣西運動影響,揚子地臺形成了半閉塞的滯留海盆環(huán)境[18],造成五峰組沉積環(huán)境由富氧轉(zhuǎn)為缺氧環(huán)境。涼水赫南特貝動物群無法適應環(huán)境變化而絕滅[14,49-50],這是第二階段的生物絕滅。冰期之后,溫暖濕潤氣候使化學風化作用大大加強,并將冰期時積累的大量陸源碎屑物質(zhì)和淡水注入海洋,海平面的升高攜帶大量具有較高187Os/188Os比值的陸源碎屑進入海洋,使海水的187Os/188Os比值升高[35],導致187Os/188Os初始值隨之升高。同時,較強的風化作用也將足夠的營養(yǎng)物質(zhì)通過上升洋流和陸源輸入持續(xù)地帶入古代海洋的表層水體,促進了海洋生物的繁榮。此時,有機質(zhì)氧化分解速率降低,使得有機質(zhì)具有高埋藏量和高保存率,提高了古陸棚地區(qū)的碳生產(chǎn)力。Re、Os在缺氧環(huán)境下以高價態(tài)絡合物隨有機質(zhì)沉淀大量富集,體現(xiàn)為Re和Os含量、187Re/188Os和187Os/188Os比值的升高,這種變化的巖心長度約為1m,與沉積環(huán)境從富氧到缺氧沉積環(huán)境的改變、冰期到間冰期或冰川消融期對應。
圖3班竹1井奧陶系—志留系界線碳質(zhì)泥巖Re-Os同位素變化與碳同位素、硫同位素、有機碳含量變化趨勢比較
Fig.3 Comparison of the variation of Re-Os isotope and carbon isotope, sulfur isotope and organic carbon content in the Ordovician—Silurian boundary
第三階段:大規(guī)模火山活動噴發(fā)出的火山灰遮蔽陽光,氣候加速變冷,海洋環(huán)境與冰期時相似[18],并一直持續(xù)到早志留世龍馬溪組碳質(zhì)泥巖沉積時期,Re和Os含量、187Re/188Os和187Os/188Os比值逐漸回歸冰期時的水平。同時,火山噴發(fā)出的具有低放射性成因的Os塵埃匯入海洋,導致187Os/188Os初始比值降低。而在晚奧陶世末187Os/188Os初始值出現(xiàn)兩次突然降低并呈現(xiàn)周期性波動,指示大規(guī)模的火山噴發(fā)事件至少為兩期。
本研究中將Re-Os體系的數(shù)據(jù)變化趨勢與上揚子地臺地區(qū)(如貴州興文縣、湖北王家灣等地區(qū)(圖3)碳和硫同位素、TOC含量[14-15,17]、Fe物種變化[18]、Hg異常值[24]先正向偏移,之后回歸冰期時水平的變化趨勢高度一致。碳同位素的正向偏移反映了冰期到冰期過后,海洋初級生產(chǎn)力的提升[7,45,51];Fe物種的變化和硫同位素的正向偏移,反映了沉積環(huán)境由富氧—缺氧—富氧的變化[14,18];Hg的異常富集來源于頻繁劇烈的火山活動[24-25]。此外,這種Re-Os體系的正向偏移同樣發(fā)生在蘇格蘭Dob’s Linn剖面[26]奧陶系—志留系界線附近(圖3)。碳同位素的正向偏移在蘇格蘭[26,52]、加拿大[53]、愛沙尼亞[54]、非洲北部[55]、波羅的海[56]和北美洲[57]均有表現(xiàn),表明火山活動和赫南特期冰川事件的發(fā)生是全球性的,由此導致的海洋環(huán)境變化也具有全球性。
Re-Os同位素體系反映出在晚奧陶紀末,五峰組碳質(zhì)泥巖沉積時海水經(jīng)過了富氧—缺氧—富氧環(huán)境的轉(zhuǎn)變,且富氧的沉積環(huán)境一直持續(xù)到早志留世龍馬溪組沉積時期,赫南特期冰期事件和火山噴發(fā)共同造成了生物大絕滅;有機質(zhì)的大量富集,是火山活動和岡瓦納冰川融化共同作用的結(jié)果。奧陶世末缺氧的沉積環(huán)境和大量的陸源物質(zhì)輸入為五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)沉積巖提供了較好的生烴潛力。Re-Os同位素體系與火山事件時間上的耦合、與多種地球化學手段所得結(jié)果的一致性,顯示出Re-Os同位素體系對大規(guī)模冰期、火山活動等地質(zhì)事件的良好記錄。同時,Re和Os含量、187Re/188Os比值與187Os/188Os初始值的變化可以有效反映沉積時期物質(zhì)來源、沉積環(huán)境、古生產(chǎn)力的變化,在古環(huán)境反演研究中具有重要的應用潛力。
對貴州省正安縣班竹1井巖心碳質(zhì)泥巖樣品連續(xù)采樣并進行Re-Os同位素研究,直接在揚子板塊上獲得的奧陶系—志留系界線地層Re-Os同位素年齡為443.68±6.24Ma(2σ,n=7),187Os/188Os初始值為0.699±0.019,MSWD=0.55,與國際地層線年齡高度一致,為奧陶系—志留系界線年齡提供了直接的、準確的Re-Os同位素年齡數(shù)據(jù)。
其次,根據(jù)連續(xù)地層樣品Re-Os數(shù)據(jù)變化,指示五峰組—龍馬溪組碳質(zhì)泥巖沉積成巖過程有大量的陸源碎屑輸入;上揚子地區(qū)發(fā)育多期火山活動;晚奧陶世五峰組碳質(zhì)泥巖段海水經(jīng)歷了富氧—缺氧—富氧環(huán)境的轉(zhuǎn)變并持續(xù)至早志留世龍馬溪組碳質(zhì)泥巖時期。Re-Os同位素體系反映了火山噴發(fā)事件、赫南特冰期事件與沉積環(huán)境變化、生物大絕滅事件的關(guān)系,顯現(xiàn)其在古環(huán)境反演中的重要應用潛力,不僅為奧陶系末生物大絕滅事件的觸發(fā)機制提供了新的理解,同時為貴州北部頁巖氣的生烴環(huán)境研究、頁巖氣的勘探提供了理論指導。