陜南西鄉(xiāng)寒武紀(jì)梅樹村期微古生物群產(chǎn)出層位的地球化學(xué)特征及古環(huán)境和古氣候條件研究

劉陽，邵鐵全 ，劉云煥，趙雨豪，張亞楠，秦嘉琛，王琪，李林璐，周星宇，劉明金

1) 長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，西安，710054；2) 陜西省早期生命與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安，710069

內(nèi)容提要: 陜南西鄉(xiāng)微體化石對(duì)于研究寒武紀(jì)大爆發(fā)具有非常重要的意義，前人研究大都局限于微體古生物的研究，而化石的成巖背景以及古環(huán)境研究尚屬空白。因此本文通過測(cè)試主微量稀土元素及氧同位素來分析研究區(qū)的古沉積環(huán)境，在一定程度上填補(bǔ)了這一區(qū)域的空白。研究手段雖然在地化領(lǐng)域比較常見，但具有重要的參考價(jià)值。本文通過對(duì)富含小殼化石的“寬川鋪段”及其上、下地層的微量元素Sr/Ba、Ni/Co、Sr/Cu、Rb/Sr、Mn/Fe等比值及主量元素、稀土元素含量、氧同位素特征的綜合研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)燈影組頂部環(huán)境為缺氧狀態(tài)到寬川鋪段弱氧化狀態(tài)再到郭家壩組底部缺氧狀態(tài)的海相沉積環(huán)境；水動(dòng)力條件較弱，水體先上升后下降；上白云巖段、寬川鋪段是較為溫暖的氣候，且比郭家壩組底部氣候干旱。這對(duì)于研究該區(qū)寒武紀(jì)梅樹村期的古環(huán)境和古氣候變化具有重要的理論意義。

陜南西鄉(xiāng)微古生物群是一個(gè)特異保存的微骨骼化石群，其化石賦存于陜南西鄉(xiāng)境內(nèi)寒武系底部燈影組寬川鋪段含磷巖系中，化石組合面貌可與寒武紀(jì)梅樹村期微骨骼化石對(duì)比，時(shí)代為寒武紀(jì)梅樹村期，巖性主要為灰?guī)r。朱茂炎(2010)將陜西南部西鄉(xiāng)地區(qū)閻王碥組中的化石組合稱為西鄉(xiāng)生物群，因此秦嘉琛等(2019)將此地區(qū)稱為西鄉(xiāng)化石庫。本文將陜南西鄉(xiāng)張家溝剖面寬川鋪段中的小殼化石組合稱西鄉(xiāng)微古生物群。西鄉(xiāng)微古生物群位于陜西南部漢南地層地區(qū)，其北部為秦嶺造山帶，南部為四川盆地。學(xué)者們對(duì)華南地區(qū)，如川東南、川南及陜南等地區(qū)的燈影組進(jìn)行了較為深入的沉積學(xué)研究，分析了白云巖的特征及形成環(huán)境(王鵬萬等，2011；陳寶赟等，2014；周吉羚等，2015；陳雅麗等，2015；鄭德順等，2018)。近年來，人們對(duì)西鄉(xiāng)微古生物群的研究主要集中在小殼動(dòng)物化石方面(李忠平，1984，1988；鄭亞娟，2012；劉云煥等，2013a，b，c，2014；邵鐵全等，2015a，b，c；張亞楠等，2017；張虎，2019；秦嘉琛等，2019)，而對(duì)其產(chǎn)出層位的地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境方面的研究較為薄弱(王琪，2017；張亞楠，2018；張虎，2019)，且應(yīng)用地球化學(xué)方法對(duì)此區(qū)域古環(huán)境的研究尚未見到。因此，本文以西鄉(xiāng)微古生物群產(chǎn)出層位的巖石特征、生物特征和巖石樣品的主、微量元素、氧同位素測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，選用對(duì)沉積環(huán)境敏感度高的元素，分析研究區(qū)元素含量及其比值與沉積介質(zhì)環(huán)境之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而探討西鄉(xiāng)微古生物群產(chǎn)出層位的地球化學(xué)特征，恢復(fù)該區(qū)早寒武世梅樹村期的古環(huán)境和古氣候。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況(修改自陳相霖等，2019)Fig. 1 Regional geology of the study area (modified from Chen Xianglin et al., 2019&)

1 地質(zhì)概況及樣品采集

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)域位于陜西省西鄉(xiāng)縣城西南方向約30 km處，米倉山北部，地理坐標(biāo)為北緯32°40′00"～32°44′00"，東經(jīng)107°20′00"～107°25′00"，面積約70 km2(圖1)。地處大巴山腹地，地形以山地為主，平均海拔為980 m。氣候?qū)賮啛釒夂颉?/p>

西鄉(xiāng)微古生物群產(chǎn)出的位置在大地構(gòu)造上屬于揚(yáng)子板塊北緣，地層區(qū)劃屬于揚(yáng)子地層區(qū)，大巴山地層分區(qū)，米倉山地層小區(qū)，漢南地層地區(qū)(李耀西等，1975)。涉及的地層主要是新元古代—早寒武世燈影組上白云巖段和寬川鋪段(富含小殼化石)及早寒武世郭家壩組。地層產(chǎn)狀平緩，略向西傾斜，沿溝谷出露較好，地層連續(xù)，為研究提供了較好的自然和地質(zhì)條件。

1.2 樣品采集及分析方法

本研究的主微量稀土元素樣品采自于陜南張家溝剖面中燈影組的上白云巖段、寬川鋪段(富含小殼化石)和郭家壩組。所采樣品均為實(shí)測(cè)剖面上的新鮮巖石，未經(jīng)蝕變、礦化和次生風(fēng)化作用。此次共采11個(gè)樣品進(jìn)行主、微量元素測(cè)試。將這11個(gè)巖石樣品洗凈、晾干并研磨成200目粉末送至長(zhǎng)安大學(xué)成礦作用及其動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。

主量元素測(cè)試采用X射線熒光光譜儀(XRF-1800型)。測(cè)試過程如下：精確稱取0.5 g樣品、5 g無水四硼酸鋰、0.3 g NH4NO3氧化劑，充分混合，加入2滴Li2B4O7助容物，放置在自動(dòng)熔煉儀中，在1000℃以上熔融；將熔融物倒入鉑金模子形成扁平玻璃片；處理好的樣品在X射線熒光光譜儀上完成主量元素測(cè)定，分析相對(duì)誤差小于5%。

微量元素測(cè)試采用離子體質(zhì)譜儀(Thermo Fischer X-7)。測(cè)試過程如下：精確稱取40 mg樣品粉末置于Teflon溶樣罐中，加入0.5 mL的8 mol/L HNO3、1 mL濃HF后，加蓋超聲振蕩15 min；放置在130～150 ℃的電熱板上蒸至近干；加入0.5 mL的8 mol/L HNO3、0.5 mL濃HClO4，置于200 ℃的電熱板上蒸至近干；加入0.5 mL的8 mol/L HNO3、1 mL濃HF于200℃保溫5 d；蒸至近干，加入2 mL的8 mol/L HNO3加蓋于150 ℃保溫5 h；再次蒸至近干，加入2 mL的8 mol/L HNO3加蓋于150 ℃保溫5 h；將溶液轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶中，加入1 mL的500×10-9In內(nèi)標(biāo)，用1% HNO3稀釋至刻度。處理好的樣品溶液在Finnigan MAT產(chǎn)的ICP-MS上完成微量、稀土元素測(cè)定，分析相對(duì)誤差小于5%。

本次用于氧同位素分析的碳酸鹽巖樣品采自張家溝實(shí)測(cè)剖面，共計(jì)6件(表1)，樣品的氧同位素組成由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院實(shí)驗(yàn)室完成。氧同位素樣品制備采用100%磷酸法，巖石樣品粉碎成 200 目后在烘箱中烘干；在25℃恒溫真空條件下與100%的正磷酸反應(yīng)；用液氮提純、收集反應(yīng)生成的CO2氣體通過MAT-251型質(zhì)譜儀中進(jìn)行氧同位素分析，分析結(jié)果δ18O以V-SMOW和V-PDB為標(biāo)準(zhǔn)，分析精度為0.2‰(2σ)。

表1 陜南西鄉(xiāng)微古生物群地區(qū)碳酸鹽巖氧同位素分析數(shù)據(jù)Table 1 Oxygen isotope analysis data of carbonate rocks in Xixiang micropaleontological biota, southern Shaanxi

2 主要巖石特征

2.1 剖面列述

剖面位于西鄉(xiāng)縣大河鎮(zhèn)河西鄉(xiāng)窩壩村附近，揚(yáng)子地臺(tái)的北緣。

上覆地層下寒武統(tǒng)郭家壩組

7.80m

8. 褐黑色中薄層炭質(zhì)頁巖，含鈣質(zhì)結(jié)核

7.80 m

— — — — — —平行不整合— — — — — —

燈影組寬川鋪段

33.59m

7. 深灰色中厚層灰?guī)r。產(chǎn)豐富的早期骨骼化石，計(jì)有鰓曳動(dòng)物(Priapulida)、動(dòng)吻動(dòng)物(Kinorhyncha)、軟舌螺類(Hyoliths)、olivooids、阿納巴管類(Anabaritids)、棘盔類(Acanthocassis)、單板類(Monoplacophora)、棱管殼類(Siphogonuchitids)、六方錐石類(Hexangulaconulariids)、錐石類(carinachitiids)、骨狀殼類(Carinachitids)、近骨狀殼(Paracarinachitids)、開腔骨類(Chancellorids)、原牙形類(Protoconodonts)、寒武釘類(Cambroclavids)、寒武松藻(Cambricodium)、螺旋狀藻類(Spirelluscolumnaris)等及許多形態(tài)特異的疑難化石。

7.30 m

6. 灰白色巨厚層塊狀?yuàn)A白云巖條帶灰?guī)r

3.30 m

5. 灰白色厚層塊狀灰?guī)r

12.70 m

4. 淺灰色中厚層含燧石條帶灰?guī)r

1.50 m

3. 灰白色厚層塊狀灰?guī)r

6.25 m

2. 灰白—灰黑色中厚層含瀝青質(zhì)生物碎屑灰?guī)r。計(jì)有鰓曳動(dòng)物(Priapulida)、動(dòng)吻動(dòng)物(Kinorhyncha)、軟舌螺類(Hyoliths)、olivooids、阿納巴管類(Anabaritids)、棘盔類(Acanthocassis)、單板類(Monoplacophora)、棱管殼類(Siphogonuchitids)、六方錐石類(Hexangulacomulariids)、錐石類(carinachitiids)、骨狀殼類(Carinachitids)、近骨狀殼(Paracarinachitids)、開腔骨類(Chancellorids)、原牙形類(Protoconodonts)、寒武釘類(Cambroclavids)、寒武松藻(Cambricodium)、螺旋狀藻類(Spirelluscolunnaris)等及許多形態(tài)特異的疑難化石

2.54 m

------------整合------------

震旦系燈影組上白云巖段

1.灰白色中薄層狀白云巖，條帶狀

1.60 m

2.2 地層及巖石特征

在地層劃分上西鄉(xiāng)微古生物群產(chǎn)出層位隸屬于燈影組寬川鋪段。燈影組是跨時(shí)代的，在本區(qū)自下而上為上白云巖段、寬川鋪段，其中上白云巖段屬于晚震旦世，寬川鋪段屬于早寒武世梅樹村期(張虎，2019)。

燈影組上白云巖段：該段與上覆地層為連續(xù)沉積，主要巖性為灰白色中—薄層狀白云巖，巖石呈粉晶結(jié)構(gòu)，整體致密，主要由白云石晶體組成，白云石晶體間充填部分為褐色的泥質(zhì)和褐黑色的瀝青質(zhì)。粉晶白云巖水平層理發(fā)育，暴露標(biāo)志不發(fā)育，不含鳥眼和帳篷構(gòu)造，缺石鹽假晶。

燈影組寬川鋪段：該段與下伏燈影組上白云巖段為連續(xù)沉積，與上覆郭家壩組呈平行不整合接觸。主要巖性為含瀝青質(zhì)灰?guī)r及厚層塊狀灰?guī)r，富含豐富的小殼化石。寬川鋪段根據(jù)巖性及小殼化石含量可進(jìn)一步劃分為3層。

第1層：在剖面上為第2層，富含多門類的小殼化石，巖性為灰白色—灰黑色含瀝青質(zhì)生物碎屑灰?guī)r，巖石呈粉晶結(jié)構(gòu)及泥粉晶結(jié)構(gòu)，含生物碎屑，大量褐黑色的瀝青質(zhì)充填于方解石晶體之間和晶間微裂細(xì)縫中。

第2層：在剖面上為3～6層，地層中不含化石。巖性為灰色厚層塊狀灰?guī)r，巖石呈粉晶結(jié)構(gòu)，主要由粉晶方解石組成，部分方解石呈細(xì)晶結(jié)構(gòu)。

第3層：在剖面上為第7層，含多門類小殼化石，但與第1層相比小殼化石的豐度降低。巖性為灰白色灰?guī)r，巖石呈泥粉晶結(jié)構(gòu)，主要由粉晶方解石晶體組成，部分方解石呈泥晶結(jié)構(gòu)。

郭家壩組：與下伏地層呈平行不整合接觸(圖2)。巖性主要為褐黑色炭質(zhì)頁巖，含鈣質(zhì)結(jié)核，結(jié)核顏色為灰黑色。巖石主要由粉砂級(jí)石英碎屑顆粒組成，見部分長(zhǎng)石、云母及各類巖屑組成，碎屑顆粒間為點(diǎn)—線接觸，孔隙式膠結(jié)，碎屑顆粒磨圓度以次棱狀為主，分選較好。

圖2 陜南西鄉(xiāng)微古生物群地區(qū)巖石特征及平行不整合接觸: (a)燈影組寬川鋪段含生物碎屑灰?guī)r；(b)燈影組寬川鋪段塊狀灰?guī)r；(c)郭家壩組炭質(zhì)頁巖；(d)寬川鋪段與郭家壩組平行不整合界線Fig. 2 Rock characteristics and parallel unconformity contacts in the Xixiang micropaleontological biota area in southern Shaanxi: (a)bioclastic limestone in the Kuanchuanpu Member of the Dengying Formation;(b)block limestone in the Kuanchuanpu Member of the Dengying Formation;(c)carbonaceous shale of the Guojiaba Formation; (d)parallel unconformity boundary between the Kuanchuanpu Formation and the Guojiaba Formation

圖3 陜南西鄉(xiāng)微古生物群地區(qū)巖石顯微特征: (a)、(b)第1層粉晶白云巖(燈影組上白云巖段)；(c)、(d)第2層粉晶白云巖(燈影組寬川鋪段)；(e)第7層泥粉晶灰?guī)r(燈影組寬川鋪段)；(f)第8層炭質(zhì)頁巖(郭家壩組)Fig. 3 Microscopic characteristics of rocks in Xixiang micropaleontological biota area in southern Shaanxi: (a), (b)the 1st layer of powdery crystal dolostone(the Upper Dolostone Member of the Dengying Formation);(c), (d)the 2nd layer of powdery crystal dolostone(the Kuanchuanpu Member of the Dengying Formation);(e)the 7th layer of micrite limestone(the Kuanchuanpu Member of the Dengying Formation);(f)the 8th layer carbonaceous shale(the Guojiaba Formation) Dol—白云石; Cal—方解石Dol—dolomite; Cal—calcite

3 巖石地球化學(xué)特征

3.1 數(shù)據(jù)可靠性分析

在使用樣品的主、微量元素及氧同位素之前，需分析數(shù)據(jù)的可靠性。碳酸鹽巖在成巖過程中易受到陸源碎屑物質(zhì)的混染，使其原始元素特征被掩蓋，因此要分析數(shù)據(jù)的可靠性。主量元素TiO2、Al2O3、TFe2O3及K2O為陸源組分的代表，研究區(qū)碳酸鹽巖的主量元素TiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O含量均在0.7%以下；微量元素Sc<1.02×10-6，Th<0.92×10-6，Hf<0.26×10-6，Zr<9.60×10-6，均小于上地殼的元素含量(Sc為14.90×10-6，Th為2.30×10-6，Hf為5.80×10-6，Zr為240×10-6)(陳寶斌等，2014)；稀土元素∑REE+Y的均值為11.08，小于100 μg/g(江文劍等，2016)，表明樣品不受陸源碎屑物質(zhì)的影響，可用于重建古氣候、恢復(fù)古環(huán)境。在成巖過程中，原巖中的δ18O值會(huì)因?yàn)樗?巖的交換作用而明顯較低。當(dāng)δ18O值低于-10‰時(shí)，表明樣品的氧同位素與原始組成相比可能發(fā)生顯著的變化；當(dāng)δ18O值為-10‰～-5‰時(shí)，表明其氧同位素較原來組成可能發(fā)生輕微變化( Kaufman and Knoll, 1995；羅順社和汪凱明，2010)。樣品中δ18O值為-8.8‰～-6.8‰，平均值為-7.9‰，表明樣品中同位素發(fā)生微弱改變，可以反映原始沉積信息。

3.2 主量元素特征

研究區(qū)碳酸鹽巖中CaO的含量介于27.02%～55.34%之間，平均值為41.23%；SiO2含量介于0.01%～12.47%之間，平均值為3.36%；MgO含量介于0.50%～20.25%之間，平均值為10.44%；Fe2O3含量介于0.03%～0.69%之間，平均值為0.295%；Al2O3含量介于0.01%～0.65%之間，平均值為0.25%；K2O含量介于0.01%～0.22%之間，平均值為0.084%；TiO2、MnO、Na2O的含量較低。西鄉(xiāng)微古生物群產(chǎn)出地層的碳酸鹽巖主量元素含量從高到低依次為：CaO>MgO>SiO2>Fe2O3>Al2O3>K2O>MnO>Na2O>TiO2。燈影組上白云巖段中白云巖的CaO含量介于27.02%～30.73%之間，平均值為29.04%，接近純白云巖的含量(CaO為30.4%)(陳寶斌等，2014)；燈影組寬川鋪段中灰?guī)r的CaO含量介于30.01%～55.34%之間，平均值為48.55%，接近純灰?guī)r的含量(CaO為56%)(潘明等，2017)。郭家壩組頁巖中CaO的含量介于0.07%～1.20%之間，平均值為0.52%；SiO2含量介于61.34%～67.49%之間，平均值為65.08%；MgO含量介于1.06%～1.65%之間，平均值為1.28%；Fe2O3含量介于3.38%～5.86%之間，平均值為4.27%；Al2O3含量介于13.96%～15.55%之間，平均值為14.81%；K2O含量介于3.21%～4.02%之間，平均值為3.63%。頁巖的主量元素含量從高到低依次為：SiO2>Al2O3>Fe2O3>K2O>Na2O>MgO>TiO2>CaO>MnO。碳酸鹽巖樣品呈Mg相對(duì)富集、Al相對(duì)虧損的特征，表明具有親海性。頁巖樣品呈Al相對(duì)富集、Mg相對(duì)虧損的特征，表明具有親陸性(表2)(李曼潔等，2020)。

3.3 微量元素特征

碳酸鹽巖樣品中Sr含量介于42.36～292.79 μg/g之間，范圍波動(dòng)較大，平均值為152.51 μg/g；Ba含量介于28.23～349.79 μg/g之間，平均值為80.12 μg/g；V含量介于2.01～9.61 μg/g之間，平均值為6.29 μg/g；Ni含量介于23.06～121.60 μg/g之間，平均值為45.75 μg/g；Cr含量介于1.30～11.18 μg/g之間，平均值為3.67 μg/g；Cu含量介于0.43～5.11 μg/g之間，平均值為2.19 μg/g；Co含量介于2.93～5.60 μg/g之間，平均值為4.09 μg/g。郭家壩組頁巖樣品中Sr含量介于68.31～95.61 μg/g之間，平均值為82.05 μg/g；Ba含量介于793.10～876.40 μg/g之間，平均值為844.62 μg/g；V含量介于163.10～319.68 μg/g之間，平均值為240.87 μg/g；Ni含量介于67.15～112.43 μg/g之間，平均值為88.47 μg/g；Cr含量介于101.28～104.79 μg/g之間，平均值為102.88 μg/g；Cu含量介于11.75～41.8 μg/g之間，平均值為25.53 μg/g；Co含量介于4.18～18.96 μg/g之間，平均值為9.15 μg/g。對(duì)比現(xiàn)代海水中的碳酸鹽巖沉積物Sr的含量，研究區(qū)Sr含量偏低(Baker and Brun, 1985；田洋等，2014)。Mn/Sr的值能反映海水的性質(zhì)，樣品的Mn/Sr值低表明受成蝕變影響較低，能代表原始海水的性質(zhì)。一般來說Mn/Sr>2說明海水的代表性較差，反映其在成巖過程中受到大氣淡水的作用(朱勇超，2014；任影等，2018；袁桃等，2018；劉志波等，2021)。本次實(shí)驗(yàn)過程中Mn/Sr值均小于0.01，表明本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可靠性，并且不受大氣淡水的影響。因此，導(dǎo)致碳酸鹽巖Sr含量偏低的原因可能是成巖過程中的重結(jié)晶作用導(dǎo)致的(郭曉強(qiáng)等，2020；任影等，2018)。圖4表明研究區(qū)巖石樣品具有較好的均一性，元素含量變化趨勢(shì)基本一致，通過對(duì)表2及圖4的分析可知，Ba、U、Ta元素富集，Th、Nb、Ti元素虧損，綜合分析微量元素?cái)?shù)據(jù)可得，碳酸鹽巖樣品中喜干性元素Ta、U、Ba、Sr相對(duì)富集，喜濕性元素Hf、Th相對(duì)虧損，指示相對(duì)干旱氣候；郭家壩組頁巖樣品中Hf、Th元素相對(duì)富集，Ba、Sr元素相對(duì)虧損，指示相對(duì)潮濕氣候(李曼潔等，2020)。

表2 陜南西鄉(xiāng)微古生物群地區(qū)主、微量元素測(cè)定結(jié)果Table 2 Determination results of major and trace elements in Xixiang micropaleontological biota area in southern Shaanxi

圖4 微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖Fig. 4 Primitive mantle-normalized trace element spider diagram

表3 陜南西鄉(xiāng)微古生物群地區(qū)稀土元素測(cè)定結(jié)果Table 3 Determination results of rare earth elements in Xixiang micropaleontological biota area in southern Shaanxi

3.4 稀土元素特征

海水中稀土元素總量較低，虧損輕稀土，具La輕微正異常、Ce負(fù)異常；陸源物質(zhì)稀土元素總量較高，富集輕稀土或中稀土，無明顯元素異常。研究區(qū)碳酸鹽巖的稀土元素總含量(∑REE)介于4.72×10-6～11.37×10-6μg/g之間，平均值為7.825×10-6μg/g，低于典型海相灰?guī)r值28×10-6μg/g(Bellanca et al., 1997)，遠(yuǎn)低于北美頁巖組合樣173.2×10-6μg/g(Gromet et al., 1984)，表明灰?guī)r沉積時(shí)受陸源物質(zhì)的影響微弱。郭家壩組頁巖的稀土元素總量介于155.67×10-6～186.75×10-6μg/g之間，平均值為175.91×10-6μg/g(表3)，表明郭家壩組的頁巖源于陸源碎屑巖。

圖5 陜南西鄉(xiāng)微古生物群地區(qū)北美頁巖均一化稀土配分圖(標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)：McLennen，1989)Fig. 5 REE distribution pattern normalized by North American shale in Xixiang micropaleontological biota area in southern Shaanxi (standardized data: Mclennen, 1989)

LaN/YbN的值反映輕、重稀土元素的富集程度，比值越大，則表明輕稀土元素越富集(李曼潔等，2020)。研究區(qū)碳酸鹽巖樣品的LaN/YbN值介于0.59～1.33 μg/g之間，平均值為0.89 μg/g；Ce/Ce*值介于0.58～0.99 μg/g之間，均值為0.81 μg/g，呈現(xiàn)出輕微負(fù)異常；圖5指示碳酸鹽巖稀土元素的含量總體變化微弱，呈較弱的輕稀土虧損，表明其為海相沉積。郭家壩組頁巖則表現(xiàn)中稀土元素富集，Eu和Gd正異常，輕稀土和重稀土含量較為相似，表明郭家壩組頁巖為陸源碎屑巖。

4 沉積環(huán)境分析

4.1 巖石特征與沉積環(huán)境

根據(jù)結(jié)構(gòu)、成因?qū)⒈緟^(qū)巖石分為粉晶白云巖、生物碎屑灰?guī)r、粉晶灰?guī)r、泥粉晶灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖。燈影組白云巖主要分布于上白云巖段，呈條帶狀產(chǎn)出，白云巖以粉晶結(jié)構(gòu)為主，伴生水平層理指示較低能的沉積環(huán)境。生物碎屑灰?guī)r分布于燈影組寬川鋪段底部，生屑體積分?jǐn)?shù)高，為60%～80%，基質(zhì)以粉晶方解石為主，指示水體較淺、水流順暢的沉積環(huán)境；粉晶灰?guī)r主要分布于寬川鋪段中部，發(fā)育水平層理，呈中—厚層狀產(chǎn)出，不含生物碎屑，基質(zhì)為粉晶方解石，指示能量較低、水體較深的沉積環(huán)境；炭質(zhì)頁巖分布于郭家壩組，以泥質(zhì)和粉砂質(zhì)為主，呈褐黑色，碎屑顆粒磨圓度以次棱狀為主、分選較好，指示水動(dòng)力條件較弱的還原環(huán)境。

4.2 地球化學(xué)特征與沉積環(huán)境

碳酸鹽巖與頁巖一樣，微量元素Ni、Co等氧化還原敏感元素的比值，可以判斷古海水的氧化還原環(huán)境(陳寶赟等，2018)。Ni/Co<5為富氧環(huán)境，7>Ni/Co>5為弱氧化環(huán)境，Ni/Co>7為還原環(huán)境(Rimmer, 2004; 周長(zhǎng)勇等，2014；Yandoka et al., 2015; 趙巖等，2016；王峰等，2017；陳寶赟等，2018)。研究區(qū)上白云巖段Ni/Co值介于10.46～41.50之間，平均值為23.52，指示缺氧環(huán)境。寬川鋪段Ni/Co值介于4.92～8.75之間，僅有一件樣品值低于5，平均值為6.45，指示弱氧化環(huán)境。郭家壩組Ni/Co值介于4.53～26.15之間，平均值為15.58，指示缺氧環(huán)境。表明燈影組頂部為缺氧—弱氧化環(huán)境，郭家壩組底部為缺氧環(huán)境。

Sr為喜干型元素，Cu為喜濕型元素，通常Sr/Cu值介于1.3～5.0之間指示潮濕氣候，而大于5.0則指示干旱氣候(許中杰等，2012；Ma Lin et al., 2015; Moradi et al., 2016; 王琳霖等，2018；吳燦燦等，2018; Song Jian et al., 2018)。Rb/Sr值指示古氣候，在不同的氣候條件下，Sr置換Ca2+的程度不同。干旱氣候環(huán)境中CaO的含量高，Sr置換Ca2+的程度高，使得巖石中Sr含量增大。由于放射性母體87Rb半衰期很長(zhǎng)(4.88×1010a)，而且在海洋中Rb/Sr含量很低，使得Sr在海洋中存留時(shí)，由銣衰變產(chǎn)生的87Rb是微乎其微的，甚至可以忽略不計(jì)(金章東和張恩樓，2002；高林志等，2004；王濤等，2005)。因此，Rb/Sr高值指示氣候潮濕(Ma Lin et al., 2015; Bai Yueyue et al., 2015; Moradi et al., 2016; 王琳霖等，2018；郭曉強(qiáng)等，2020)。碳酸鹽巖主量元素MgO/CaO值也同樣可以指示古氣候，Mg2+在成巖過程中只有一小部分參與到碳酸鹽沉淀中，因此水中的Mg2+含量要遠(yuǎn)大于Ca2+含量(孟昊等，2016；王琳霖等，2018；張妮等，2012；陳林等，2021)。研究區(qū)上白云巖段Sr/Cu值介于8.29～49.84之間，平均值為26.41；Rb/Sr值介于0.02～0.09之間，平均值為0.07；MgO/CaO值介于0.59～0.68之間，平均值為0.65，指示干旱氣候。寬川鋪段Sr/Cu值介于22.36～574.098之間，平均值為295.80；Rb/Sr值介于0.001～0.088之間，平均值為0.024；MgO/CaO值介于0.01～0.67之間，平均值為0.16，指示相對(duì)干旱氣候。郭家壩組Sr/Cu值介于2.29～5.81之間，平均值為3.89；Rb/Sr值介于0.69～1.34之間，平均值為0.92；MgO/CaO值介于1.38～16.29之間，平均值為7.11，指示相對(duì)潮濕氣候。

水體溫度是控制碳酸鹽巖穩(wěn)定同位素組分的重要因素之一，溫度對(duì)δ18O值影響較大，而對(duì)δ13C值的影響甚微。因此，利用δ18O值可以有效的測(cè)定古海水的溫度(任影等，2016)。研究區(qū)剖面δ18O的平均值為-7.87‰，由于中生代以前的樣品會(huì)受到較強(qiáng)烈的蝕變作用，使得原始沉積物中δ18O值發(fā)生改變，從而降低δ18O指示古水溫的可靠性。因此，需要對(duì)δ18O進(jìn)行年代校正(Keith and Weber，1964)，研究區(qū)碳酸鹽巖δ18O的平均值為-7.87‰，第四紀(jì)海相碳酸鹽巖的δ18O平均值為-1.2‰，二者差值為-6.67‰，以此進(jìn)行年代校正，得到δ18O校正值。根據(jù)Graig(1961)計(jì)算古水溫的經(jīng)驗(yàn)公式：t=16.9-4.2(δ18O校正+0.22)+0.13(δ18O校正+0.22)2(張秀蓮，1985；任影等，2016；童樂等，2019；Zhang Lan et al., 2020)。根據(jù)這一公式對(duì)研究區(qū)進(jìn)行古水溫計(jì)算，得出上白云巖段沉積時(shí)期古溫度大致為24.00℃，寬川鋪段古溫度介于16.52～25.40 ℃之間。說明當(dāng)時(shí)該區(qū)主要為相對(duì)溫暖的溫度。

圖6 西鄉(xiāng)地區(qū)微量元素趨勢(shì)圖Fig. 6 Trend map of trace elements in Xixiang area

沉積環(huán)境中微量元素在縱向上的變化可以反映沉積時(shí)水體深度的變化。一般而言，Sr/Ba值隨水體深度的增大而增大，Ba與Sr相比，Ba的溶解度要低，容易形成難溶的BaSO4，多數(shù)Ba在近岸富集，Sr的遷移能力要高于Ba的遷移能力，可遷移至大海深處(潘明等，2015)。Mn/Fe值恢復(fù)古水深，F(xiàn)e易氧化，多在離岸近的地方富集，Mn相對(duì)Fe較穩(wěn)定，能在離岸遠(yuǎn)的地方富集，因此Mn/Fe值從海岸到深海不斷增加(熊小輝等，2011；潘明等，2015)。研究區(qū)上白云巖段Sr/Ba的平均值為0.87，Mn/Fe的平均值為0.29。寬川鋪段Sr/Ba的平均值為4.89，Mn/Fe的平均值為0.31。郭家壩組Sr/Ba的平均值為0.10，Mn/Fe的平均值為0.003。圖6可以看出西鄉(xiāng)微古生物群地區(qū)水深總體上是先增大后減小，指示上白云段到寬川鋪段水體加深，寬川鋪段到郭家壩組水深減小。

5 結(jié)論

(1)碳酸鹽巖樣品中Mg相對(duì)富集、Al相對(duì)虧損；輕稀土虧損，具La輕微正異常、Ce負(fù)異常；Ta、U、Ba、Sr元素相對(duì)富集，指示氣候?yàn)橄鄬?duì)干旱的海相環(huán)境。郭家壩組頁巖樣品中Al相對(duì)富集、Mg相對(duì)虧損；中稀土元素富集，Eu和Gd呈正異常；Hf、Th元素相對(duì)富集，指示其為陸源碎屑物質(zhì)，氣候較為濕潤(rùn)，說明寬川鋪段到郭家壩組之間發(fā)生地殼抬升，導(dǎo)致更多陸源碎屑物質(zhì)進(jìn)入到海相環(huán)境中。

(2)西鄉(xiāng)微古生物群地區(qū)的巖性主要為粉晶白云巖、粉晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r及炭質(zhì)頁巖；根據(jù)主、微量元素、氧同位素及稀土元素特征分析，研究區(qū)Ni/Co、Sr/Cu、Rb/Sr、MgO/CaO的值綜合指示上白云巖段、寬川鋪段為較為溫暖的氣候，且比郭家壩組底部氣候干旱。

(3)Mn/Fe、Sr/Ba的值變化指示西鄉(xiāng)微古生物群地區(qū)整體水深從上云巖段到寬川鋪段水體相對(duì)上升，到郭家壩組水體相對(duì)下降；Ni/Co值指示燈影組上白云巖段為缺氧環(huán)境，燈影組寬川鋪段為弱氧化環(huán)境，郭家壩組底部為缺氧環(huán)境。從而說明燈影組上白云段到寬川鋪段地殼下沉，海平面上升，發(fā)生海侵，到郭家壩組底部時(shí)地殼上升，海平面下降，發(fā)生海退。