南華北早二疊世泥巖沉積與深時陸地古溫度重建

楊江海,王圓,劉佳,馬睿,杜遠(yuǎn)生,劉超,余文超

1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室，武漢 430074

2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074

0 引言

氣候是影響人類生存發(fā)展的重要自然因素，與社會經(jīng)濟(jì)生活息息相關(guān)。人類與氣候的關(guān)系經(jīng)歷了從早期的忍耐抗?fàn)帲胶髞淼捻槕?yīng)利用，再到現(xiàn)在的保護(hù)維系，而未來社會的發(fā)展與氣候變化的聯(lián)系將更加緊密。為準(zhǔn)確預(yù)測未來氣候變化，迫切需要對地球過去的氣候歷史，包括變化事件及其控制機(jī)制進(jìn)行更為系統(tǒng)的理解和認(rèn)識[1-3]。美國國家研究理事會在2011年發(fā)布了名為“Understanding Earth′s deep past:lessons for our climate future”的調(diào)研報告[4]，美國國家自然科學(xué)基金委在2017年啟動了“Paleo Perspectives on Climate Change(P2C2)”研究計劃，并在2020年發(fā)布了地球科學(xué)未來十年的戰(zhàn)略報告，提出了12個優(yōu)先科學(xué)問題，其中第8個問題即為“地球的過去揭示了什么樣的氣候系統(tǒng)和動力機(jī)制”。我國學(xué)者也較早注意到深時研究的重要性[2,5-6]，2016年由中國科學(xué)院地學(xué)部和國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合資助的“中國沉積學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略”調(diào)研將“深時氣候?qū)W”列為10個調(diào)研主題之一。2019年啟動的深時數(shù)字地球(DDE)國際大科學(xué)計劃也將深時古氣候演化作為主要的研究目標(biāo)。

地球自新元古代以來經(jīng)歷了大幅度的氣候變化，發(fā)生了多次的冰室—溫室氣候轉(zhuǎn)換和極端氣候事件[2-4]，后者包括晚新元古代的雪球地球[7]、晚白堊世的溫室最暖期[8]、古新世—始新世極熱期[9-10]等等，前者包括古新世—漸新世從溫室到冰室的轉(zhuǎn)變[11-12]、二疊紀(jì)從冰室到溫室的轉(zhuǎn)變[13]等等。二疊紀(jì)是晚古生代冰期到中生代溫室轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期，高緯岡瓦納地區(qū)出現(xiàn)階段性冰川活動且冰川規(guī)模和強(qiáng)度減弱，氣候整體變暖，大氣CO2濃度從約300 mL/m3上升到大于1 000 mL/m3，代表了地球有陸地植被以來唯一一次冰室—溫室氣候轉(zhuǎn)換[1,14-15]，是認(rèn)識地球大幅度氣候變化、理解氣候—冰川—大氣CO2—火山活動相互聯(lián)系的重要窗口[16-19]。通過二疊紀(jì)中—高緯地區(qū)冰川沉積記錄，前人確定了早二疊世早期的大規(guī)模冰川活動和隨后東澳大利亞的三次區(qū)域/山岳型冰川活動[14-15,20-24(]早二疊世晚期、中二疊世中期和晚二疊世早期四次冰川活動)，通過海相生物殼氧同位素組成重建了中—低緯地區(qū)的海水古溫度變化趨勢[25-31]，但是對陸地古氣候的定量研究較少[32]，對氣候冷暖演變的機(jī)制及其與火山活動、化學(xué)風(fēng)化和構(gòu)造運動的內(nèi)在聯(lián)系還存在較大爭議[17,19,33]。我們對華北南部晚石炭—早二疊世的泥巖沉積序列開展了詳細(xì)的年代地層學(xué)和沉積風(fēng)化地球化學(xué)研究，提出了定量估算陸地古溫度的新方法，識別出早二疊世Asselian早期和Sakmarian晚期的兩次變暖事件[34-37]。本文將華北南緣石炭紀(jì)末—早二疊世地層的年齡和組成數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，定量重建了華北南部約300 Ma至286 Ma間的陸地古溫度變化曲線。

1 地質(zhì)背景和采樣剖面

在晚石炭—早二疊世時期，華北位于低緯近赤道地區(qū)，與Pangea泛大陸之間為特提斯洋所分隔，向東與泛大洋相接[38-42(]圖1)。華北的晚石炭—早二疊世地層平行不整合覆蓋在寒武—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖之上，是一套以細(xì)碎屑巖為主夾灰?guī)r和砂巖的含煤巖系，自下而上包括本溪組、太原組和山西組[43-45]。前人對華北太原組的灰?guī)r開展了大量的生物地層學(xué)研究，約束其時代為石炭紀(jì)末—早二疊世，且具有穿時特征，而最大海泛面出現(xiàn)在太原組底部[46-48]，形成泛華北的陸表海沉積。在沉積環(huán)境上，本溪組、太原組和山西組整體上具有從陸表海到三角洲轉(zhuǎn)變的特征[45,49-50]，且華北南北兩側(cè)毗鄰秦嶺—大別造山帶和興蒙造山帶及隆起區(qū)，構(gòu)成了晚古生代沉積盆地的主要沉積物源區(qū)[51-53]。在華北晚石炭—早二疊世地層中夾有多層凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)沉積巖和火山黏土沉積，多為中酸性，是區(qū)域地層對比的重要標(biāo)志層[50,54-55]。

圖1 早二疊世早期的全球海陸分布圖，紅方框指示南華北采樣點位置(永城盆地)Fig.1 Reconstruction of early Permian global paleogeography showing the position of sampled successions in southern North China(red solid square,Yongcheng Basin)

研究樣品采集于華北東南緣豫東永城地區(qū)的兩個鉆孔剖面，即鉆孔ZK1401和ZK0901[35]。ZK0901剖面的采樣層位為本溪組、太原組和山西組下部，ZK1401剖面的采樣層位為山西組中上部和下石盒子組。在采樣剖面上，本溪組為灰色—灰白色均質(zhì)層理泥巖，太原組為生物碎屑灰?guī)r、泥巖和砂巖夾煤層，山西組和下石盒子組為含煤的砂巖和泥巖(圖2)。對兩個巖芯剖面進(jìn)行了系統(tǒng)的泥巖樣品采集，在顯微觀察分析基礎(chǔ)上開展了XRD(X射線衍射)礦物學(xué)、XRF(X熒光光譜)主量元素和ICPMS(電感耦合等離子質(zhì)譜)微量元素分析；同時，對采集的火山黏土巖、凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)砂巖開展了LA-ICPMS(激光剝蝕電感耦合等離子質(zhì)譜)和CA-TIMS(化學(xué)剝蝕熱電離質(zhì)譜)鋯石U-Pb定年。詳細(xì)的樣品描述、分析方法和分析結(jié)果已有專門文章[34-35,37]予以報道。本文將對兩個剖面的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，建立統(tǒng)一的高精年代地層格架，重建華北南部早二疊世的大陸風(fēng)化趨勢和古氣候變化。

圖2 鉆孔ZK0901和ZK1401采樣柱狀圖Fig.2 Sampled successions of two core sections of ZK0901 and ZK1401

2 華北早二疊世沉積序列的高精年代地層格架

前人通過牙形石、?類等海相生物化石對華北的石炭—二疊系進(jìn)行了生物地層學(xué)研究[46-47,56-58]，然而由于海相灰?guī)r層發(fā)育的不連續(xù)性和關(guān)鍵化石種屬的缺乏，華北的石炭—二疊系仍缺少精確的時代約束[59]。為進(jìn)一步確定華北石炭—二疊系的沉積時代，我們對鉆孔ZK1401山西組上部的凝灰質(zhì)砂巖開展了LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡分析，獲得的主要年齡組的加權(quán)平均年齡為293±2.5 Ma，代表了該凝灰質(zhì)巖層的沉積時代[34]，對鉆孔ZK0901本溪組頂部的凝灰質(zhì)黏土巖和太原組中部的凝灰?guī)r及頂部的凝灰質(zhì)砂巖開展了CA-TIMS鋯石U-Pb定年工作，獲得了(301.13±0.21)Ma、(299.32±0.35)Ma和(295.65±0.14)Ma三個高精度地層年齡，將太原組的沉積時代約束在晚石炭世Gzhelian晚期到早二疊世Asselian晚期[37]。根據(jù)所獲得的三個CA-TIMS高精度地層時代和定年樣品間的地層厚度，我們獲得了3個在誤差范圍內(nèi)一致的平均沉積速率，即(17.7±2.2)m/Myr、(16.9±0.7)m/Myr和(16.5±0.6)m/Myr。我們選定(16.9±0.7)m/Myr來代表從本溪組到下石盒子組的整個含煤巖系的平均沉積速率，可以將山西組與下石盒子組的地層界線約束在約291 Ma,這與鉆孔ZK1401山西組上部凝灰質(zhì)砂巖獲得的(293±2.5)Ma的鋯石年齡，在誤差范圍內(nèi)是一致的。因此，利用獲得的高精度鋯石年齡和(16.9±0.7)m/Myr的平均沉積速率，采用內(nèi)插法對兩個鉆孔剖面進(jìn)行地層時代對比，并建立高精年代地層格架是完全可行的。根據(jù)所建立的統(tǒng)一年代地層格架，可將ZK1401和ZK0901兩個剖面的采樣層位精確限定在約302 Ma至286 Ma之間(圖3)。

需要指出，由于從本溪組到下石盒子組發(fā)生了從海相到陸相沉積的演化和巖性的變化，因此采用線性內(nèi)插法來計算地層時代會存在許多誤差。盡管如此，在沒有更多的高精度同位素年齡和高分辨生物地層學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，我們建立的從本溪組到下石盒子組的年代地層格架可以作為區(qū)域地層對比、古氣候和古地理研究的重要基礎(chǔ)。

3 華北早二疊世泥巖沉積與大陸風(fēng)化趨勢

砂巖和泥巖作為最常見的陸源碎屑沉積巖，是陸地表層巖石風(fēng)化剝蝕和源—匯沉積過程的重要信息載體[6,60-64]。其中，砂巖主要源自陸地巖石的物理侵蝕作用[65-66]，而泥巖則主要為陸地巖石化學(xué)風(fēng)化的產(chǎn)物(如黏土礦物)和泥級碎屑顆粒物質(zhì)，其礦物和化學(xué)組成與源區(qū)巖石的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度具有密切聯(lián)系[65-66]。前人提出了多種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)來衡量泥巖源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，并指出成巖作用、源巖組成、沉積再旋回、水力分選和物理侵蝕等因素會影響泥巖風(fēng)化地球化學(xué)分析的可靠性[63-70]。我們通過綜合分析泥巖的礦物學(xué)和元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)，識別出受碳酸鹽化等成巖作用、水力分選作用等強(qiáng)烈影響的樣品，結(jié)合區(qū)域沉積古地理確定了具有華北南緣大陸地殼屬性的平均源巖組成，排除了源區(qū)物理侵蝕速率對泥巖物質(zhì)組成變化的影響。為獲得可靠的泥巖源區(qū)風(fēng)化趨勢，我們采用了多個化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)來約束源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，如Q/F(石英/長石)比值、Clay/F(黏土礦物/長石)比值、化學(xué)蝕變指數(shù)[71(]CIA)、Park風(fēng)化指數(shù)[72(]WIP)、Na風(fēng)化指數(shù)[66,73(]αNa,αAlNa)、K風(fēng)化指數(shù)[66,73(]αK,αAlK)和Na虧損指數(shù)[74(]τNa)等。選用多指標(biāo)的優(yōu)勢在于：1)不同指標(biāo)的計算方法不一樣，可以降低單指標(biāo)分析的不確定性；2)不同指標(biāo)涉及到不同的元素，可以避免因特定元素含量變化引起的化學(xué)風(fēng)化分析偏差；3)不同指標(biāo)對風(fēng)化的敏感性不一樣，綜合使用多指標(biāo)可增強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度分析的有效性[36]。

圖3 采樣層位的高精年代地層格架平均沉積速率是根據(jù)3個CA-TIMS高精度鋯石U-Pb年齡[37]計算的，推測的山西組頂部的模式年齡與已有的LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡[34]一致Fig.3 High-precision chronostratigraphic framework of the sampled successionsAverage depositional rates obtained from three high-precision CA-TIMS zircon U-Pb ages[37].The modeled age for the top Shanxi Formation is consistent with LAICPMS zircon U-Pb ages reported for the upper Shanxi Formation[34]

Yanget al.[34-35,37]對這兩個剖面的泥巖礦物、地球化學(xué)組成進(jìn)行了系統(tǒng)分析，初步確定了石炭紀(jì)末—早二疊世的大陸風(fēng)化趨勢，識別出了早二疊世Asselian早期和Sakmarian晚期的兩次化學(xué)風(fēng)化增強(qiáng)事件。在此基礎(chǔ)上，本文利用CIA和τNa兩個化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)建立了一個基于高精年代地層格架的華北南緣大陸風(fēng)化趨勢。局部加權(quán)回歸(LOESS)擬合的化學(xué)風(fēng)化趨勢顯示，源區(qū)化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度在約300～298 Ma發(fā)生快速升高而后在約298～296.5 Ma又快速降低，隨后保持較低的水平，直到約292～290 Ma發(fā)生第二次大幅度升高而后在約290～288 Ma又快速降低，分別在～298 Ma和～290 Ma形成兩個高化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的峰值(圖4)。

4 討論

早二疊世是地球氣候快速波動的時期，重要氣候事件包括Pangea低緯地區(qū)的普遍干旱化[32,75-78]、岡瓦納地區(qū)的冰川大規(guī)模消融和階段性冰川擴(kuò)張[14-15,24]、大氣CO2濃度的大幅度波動[1]、古海水溫度的升高和降低[27-29]等。近年來，岡瓦納大陸石炭紀(jì)末—早二疊世冰川沉積的地層時代已有較好的約束。Stollhofenet al.[79]總結(jié)了南非冰川石炭—二疊紀(jì)冰川沉積地層(Dwyka群)和冰后期地層(Ecca群)的凝灰?guī)r鋯石U-Pb年齡，獲得了Hardap Shale頂部和Ecca群底部的時代分別為297.1±1.8 Ma和290.9±1.7 Ma兩個年齡，約束了早二疊世Asselian初期和Sakmarian晚期的兩次大規(guī)模冰川消融事件。在Dwyka群的冰川沉積序列中，Hardap Shale代表了第三個冰川消融沉積旋回的上部序列，其頂部最新的高精度鋯石U-Pb年齡為～296.5 Ma[80]。通過對南美洲Paraná盆地冰后期Guatá群底部凝灰?guī)r進(jìn)行CA-TIMS鋯石U-Pb定年，Griffiset al.[81]獲得了一組～298 Ma的高精度地層年齡，將Itararé群頂部(Taciba組)冰川大規(guī)模消融的時間約束在為石炭紀(jì)末—二疊紀(jì)初。Griffiset al.[80]認(rèn)為，南非Dwyka群的Hardap Shale對應(yīng)于南美冰后期Rio Bonito組的中部泥巖。但南非的Hardap Shale與南美的Taciba組上部具有一致的海相生物化石組合[82]，且～297 Ma的鋯石U-Pb年齡僅限定了Hardap Shale的頂部時代，其底部可能延伸至石炭—二疊紀(jì)界線[79]。因此，Hardap Shale很可能對應(yīng)于Taciba組上部—Rio Bonito組下部，共同代表石炭—二疊紀(jì)界線附近的大規(guī)模冰川消融和海平面上升事件[37]。Garbelliet al.[21]測定了澳大利亞東部悉尼盆地早二疊世冰川沉積序列中腕足殼的87Sr/86Sr比值，利用與海水Sr同位素曲線對比的方法，確定了Wasp Head組上部地層時代為約(289.6±1.5)Ma，代表了早二疊世P1與P2冰川活動期[14]之間冰川消融事件的晚期年齡。

圖4 化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIA)和Na虧損指數(shù)(τNa)隨時間的變化，指示了南華北在石炭紀(jì)末—早二疊世的大陸化學(xué)風(fēng)化趨勢，黃色陰影區(qū)指示了早二疊世的兩次強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化時期Fig.4 Temporal variations in CIA andτNa values,indicating continental chemical weathering trends of southern North China in the End Carboniferous-Early Permian Period

本文建立了華北南部早二疊世高精年代地層格架和高分辨率大陸風(fēng)化趨勢，與高緯岡瓦納地區(qū)的冰川型沉積記錄具有很好的對比關(guān)系(圖5)。其中，最為顯著的是：1)華北大陸化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度在約300～298 Ma顯著升高，對應(yīng)于南美和南非地區(qū)記錄的石炭紀(jì)末—二疊紀(jì)初的大規(guī)模冰川消融；2)華北大陸風(fēng)化強(qiáng)度在約298～297 Ma快速降低，并在約296.5 Ma達(dá)到最低值，對應(yīng)于南非和東澳地區(qū)Asselian冰川沉積的重新啟動；3)華北大陸風(fēng)化強(qiáng)度在約296.5～292 Ma整體保持低值，對應(yīng)于岡瓦納大陸Asselian期—Sakmarian早期的大規(guī)模冰川活動；4)華北大陸化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度在約292～290 Ma顯著升高，對應(yīng)于岡瓦納大陸在Skamarian晚期的大規(guī)模冰川消融；5)華北大陸風(fēng)化強(qiáng)度后在Artinskian早期又快速降低至Asselian冰川期的低值水平，對應(yīng)于東澳大利亞P2冰川沉積的啟動。這一耦合關(guān)系表明，華北的大陸化學(xué)風(fēng)化趨勢反應(yīng)了全球氣候的冷、暖變化，而沒有受到構(gòu)造活動和物理侵蝕速率變化的影響。對現(xiàn)代關(guān)鍵帶的化學(xué)風(fēng)化研究指出，在供應(yīng)限制型風(fēng)化機(jī)制下，巖石化學(xué)風(fēng)化速率與物理侵蝕速率成正比，而化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度則主要與氣候條件有關(guān)[6,83-84]。Yanget al.[35]收集整理了現(xiàn)代中—低緯地區(qū)花崗質(zhì)基巖的化學(xué)風(fēng)化數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在年降雨量>400 mm的中—低等物理侵蝕(物理侵蝕速率小于100 m/Myr)地區(qū)，其表層土壤的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度τNa與陸地溫度MAT成正相關(guān)關(guān)系，即MAT=-24.2×τNa-0.9?？紤]到我們研究的華北南部石炭紀(jì)末—早二疊世的泥巖均沉積于濱海—三角洲環(huán)境，其物質(zhì)組成反應(yīng)了物源區(qū)表層土壤化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的平均值，因此可作為大區(qū)域陸地表層古溫度的定量指標(biāo)。利用MAT-τNa轉(zhuǎn)換方程和計算獲得的泥巖τNa值，我們定量重建了華北南部石炭紀(jì)末—早二疊世早期(約300～286 Ma)的陸地表層古溫度，其變化范圍為18.5°C～23°C(圖5)。

圖5 南華北石炭紀(jì)末—早二疊世化學(xué)風(fēng)化趨勢和陸地表層古溫度變化與高緯岡瓦納冰川型沉積記錄對比圖，黃色陰影區(qū)指示了早二疊世的兩次強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化時期，黃色短線指示地層年齡誤差Fig.5 Correlations of the End Carboniferous-Early Permian chemical weathering trends and land surface paleotemperatures in southern North China,with time-equivalent glacial-deglacial sedimentary records in high-latitude Gondwana continents

根據(jù)這一陸地古溫度變化曲線和岡瓦納冰川型沉積序列，地球在～298 Ma和～290 Ma形成兩個持續(xù)時間為約1～2 Ma的、與冰川消融相對應(yīng)的氣候暖期。與溫室氣候條件下的極熱事件不同[8-10]，～298 Ma和～290 Ma的氣候暖期代表了冰室氣候期的快速變暖事件，對認(rèn)識地球氣候系統(tǒng)演化、理解氣候變化—冰川活動—火山噴發(fā)的內(nèi)在聯(lián)系具有重要意義。Yanget al.[37]認(rèn)為～298 Ma的氣候暖期與Skagerrak大火成巖省快速CO2溫室氣體釋放有關(guān)，但～290 Ma氣候暖期及之后氣候變冷和冰川活動的形成機(jī)制仍未有深入研究，可能與同時期的塔里木大火成巖省[85-86]和Panjal大火成巖省[87-88]等大規(guī)模火山活動有關(guān)。

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)總結(jié)了華北南部從本溪組、太原組、山西組到下石盒子組的同位素時代和泥巖風(fēng)化地球化學(xué)數(shù)據(jù)，建立了石炭紀(jì)末—早二疊世(～302～286 Ma)的高精度年代地層格架，揭示了這一時期華北南緣陸地表層的化學(xué)風(fēng)化趨勢。華北南部石炭紀(jì)末—早二疊世濱海泥巖記錄的陸地化學(xué)風(fēng)化趨勢與高緯岡瓦納冰川型沉積序列具有很好的對比關(guān)系，即化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的升高和降低分別對應(yīng)于冰川的消融和擴(kuò)張。利用前人提出的MAT(陸地表層溫度)-τN(a化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度)轉(zhuǎn)換方程，我們定量重建了華北南部在約300～286 Ma的陸地表層溫度變化曲線，揭示早二疊世低緯地區(qū)陸地古溫度對兩次冰川消融和冰川擴(kuò)張事件的響應(yīng)。