滇黔北五峰組—龍馬溪組頁巖沉積環(huán)境和古氣候地球化學特征

王躍，桂和榮，蘇尚國，周奇明，李俊，張雅楠

1.中國地質大學（北京）地球科學與資源學院，北京 100083

2.國家煤礦水害防治工程技術研究中心（宿州學院），安徽宿州 234000

3.中國有色桂林礦產地質研究院，廣西桂林 541004

4.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，合肥 230009

0 引言

在奧陶紀—志留紀時期，地球經歷了廣泛的冰川事件、海平面升降、碳同位素的大幅度波動、廣泛的火山活動、大洋缺氧事件和富有機質泥頁巖的廣泛沉積等[1]。奧陶紀大滅絕事件是五大滅絕事件最古老的一個，此次大滅絕事件使得海洋中約50%的屬和85%的種消亡[2-6]。目前，主要認為奧陶紀末期的冰期事件是此次滅絕事件的原因。然而，在關于奧陶紀末期的冰期事件與生物滅絕事件之間的聯(lián)系存在諸多爭議[7]。由于奧陶紀—志留紀之交是生物滅絕和生態(tài)環(huán)境突變的重要轉折期，同時也是全球重要的頁巖廣泛發(fā)育時期，這為研究奧陶紀大滅絕問題提供了良好的契機。黑色頁巖的發(fā)育受許多因素控制，例如古海洋的初級生產力、海水的氧化還原狀態(tài)和大陸風化作用的強弱等。因此，了解古海洋生產力和古氧化還原狀態(tài)對于探索古地史時期大洋地球化學特征和古海洋的環(huán)境演化有重要意義[8-14]。在奧陶紀—志留紀時期，揚子板塊及其周緣地區(qū)廣泛發(fā)育有五峰組—龍馬溪組黑色頁巖，與同一時期其他地區(qū)的頁巖相比，北美Vinini頁巖和Moffett頁巖具有較大的厚度和較早的形成特征，這表明不同地區(qū)之間的沉積環(huán)境也存在很大差異[15-16]。因此，本研究通過滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖的總有機碳（TOC）、主量元素、微量元素和碳同位素地球化學分析，揭示滇黔北地區(qū)奧陶紀—志留紀時期古海洋地球化學特征，并嘗試探討奧陶紀末期大滅絕的成因。

1 地質背景

滇黔北地區(qū)位于上揚子臺地的西部，所處大地構造位置東南部為揚子板塊、北面為黔中隆起[17-21]（圖1）。自奧陶紀早期以來，揚子地區(qū)大量接受碳酸鹽沉積，受廣西運動的影響，板塊的拼貼作用得到加強，黔中隆起、雪峰隆起、江南隆起與華夏古陸連為一體，該時期東南部成為大陸風化主要的物源區(qū)。同時，西部康滇古陸和川中古隆起繼續(xù)擴大，被動大陸邊緣開始轉變?yōu)榍瓣懪璧?。早期的碳酸鹽巖平臺被后期水體的加深而淹沒，低能、欠補償?shù)某练e盆地在區(qū)域上廣泛發(fā)育，巖相特征開始從碳酸鹽巖沉積物逐漸轉變?yōu)殛懴嗨樾汲练e物[22-24]。

區(qū)域地層主要發(fā)育從新元古代—侏羅紀的沉積巖為主，其中碎屑巖主要發(fā)育于下寒武統(tǒng)、志留系和上三疊統(tǒng)，除此外各系主要發(fā)育碳酸鹽巖。研究區(qū)域內五峰組—龍馬溪組除了在局部地段缺失外，其余地段分布較好，五峰組—龍馬溪組主要巖性為黑色硅質泥巖或碳質泥巖，富含筆石化石，在沉積演化上，從下至上漸變?yōu)榛液凇疑凵百|泥巖、含鈣泥質粉砂巖夾泥灰?guī)r。

2 樣品與分析方法

研究樣品采自于貴州省遵義市習水縣騎龍村附近五峰—龍馬溪組剖面（圖1b）。總有機碳（TOC）分析，所用儀器為Flash 2000 HT進行測試，分析精度優(yōu)于0.02%。主量元素所用儀器為X熒光光譜儀（島津XRF-1800）測試，測試元素為Si，Al，Na，K，P，Ca。微量元素測試所用儀器為電感耦合等離子質譜儀（ICP-MS），分析靈敏度小于0.5×10-9，測試精度優(yōu)于5%。取樣過程嚴格根據(jù)野外巖石分層，以便對地層地球化學進行有效控制。以上實驗均在北京科繪測試有限公司完成。

圖1 （a）奧陶紀晚期的全球古地理（450 Ma）；（b）奧陶紀晚期至志留紀早期揚子板塊古地理圖（據(jù)戎嘉余等[20]；馮增昭等[21]）Fig.1 (a) Global paleogeography of the Upper Ordovician (450 Ma);(b) locations of study area（after Rong et al.[20]; Feng et al.[21]）

為了準確評估U 和Mo 元素相對于平均海相頁巖的必要富集程度，一般采取用已知元素與平均頁巖的Al 含量進行均一化，進而可以比較所研究元素來源于陸相和海相的相對權重[25]。本文采用下面公式計算某一元素的富集系數(shù)（EF 元素）評價。具體如下：

其中元素和鋁分別代表樣品中某種元素和鋁的含量。樣品標準化采用PAAS（后Archean 澳大利亞頁巖）標準化數(shù)據(jù)。如果富集系數(shù)大于1，則表示該元素相對富集海相頁巖端元，反之為虧損。

3 結果

滇黔北五峰組—龍馬溪組頁巖地球化學數(shù)據(jù)及地球化學參數(shù)見表1，下面從有機碳含量、營養(yǎng)元素、微量元素指標和化學風化強度四個方面來描述。

3.1 有機碳含量

滇黔北地區(qū)龍馬溪、觀音橋組和五峰組的TOC含量分別為3.02%~9.02%，1.04%~1.23%，2.95%~4.21%，平均值分別為5.82%，1.35%和3.37%。TOC含量五峰組自下而上數(shù)值有所減小，觀音橋組最低，至龍馬溪組向上增加至最大然后降低。五峰組和龍馬溪的有機碳同位素（δ13Corg）值均在29.84%~30.98%之間，觀音橋地區(qū)δ13Corg 的正偏差達到其峰值-29‰（圖2）。

3.2 營養(yǎng)元素

從五峰組到龍馬溪組，Ba/Al 值和Ni/Al 值表現(xiàn)出明顯的變化。由于海洋沉積物中Ba 的主要載體是重晶石，且按來源而言，Ba 的儲庫可以可分為陸源、生物成因和海洋生產力有關的生物成因的重晶石，因此研究海洋中的Ba 分布模式可以有效的對古海洋生物生產進行反演[26-29]。五峰組Ba/Al 值為148~264，平均為187，Ni/Al 值為23~44，平均31，觀音橋組Ba/Al 值為187~267，平均值為226，Ni/Al 值為20~51，平均值為41。龍馬溪組Ba/Al值值為194~387，平均為266，Ni/Al 值為23~88，其中，平均值為48（圖2）。

3.3 微量元素指標

氧化還原敏感金屬（V，Cr，U，Th，Ni）的含量通常用于指示海水的古氧逸度。滇黔北地區(qū)，五峰組V/Cr值為1.14~5，平均為3.28，U/Th值為0.44~2.1，平均值為1.33。觀音橋組V/Cr值為0.8~2.11，平均值為1.37，U/Th 值為0.36~0.86，平均數(shù)為0.55。龍馬溪組V/Cr值為3.65~28.41，平均值為6.06，U/Th值為3.10~7.55，平均值為4.32。總體來說，五峰組和龍馬溪組中的微量元素較富集，觀音橋組微量元素含量相對較虧損（圖2）。

圖2 滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖TOC 等地球化學指標在垂向上的變化Fig.2 Stratigraphic variation of the geochemical properties of TOC and other geochemical indicators in shale from the Wufeng Formation￣Longmaxi Formation in northern Yunan￣Guizhou area

3.4 化學風化強度

在評價沉積物特征與古氣候關系上，化學風化指數(shù)（CIA）可以很好的約束沉積物源區(qū)的化學風化強度[26]，即化學風化指數(shù)（CIA）可以很好的反演沉積源區(qū)的古氣候演化。

由于巖石遭受化學風化的時候，K，Na，Ca 等堿金屬元素容易造成流失，從而造成風化產物中Al2O3與（CaO＋Na2O＋K2O）比值的增加，下面用CIA 指標對化學風化強度進行計算：

式中：所有化學式計算均采用摩爾數(shù)，CaO*表示硅酸鹽中的CaO 摩爾數(shù)，由于形成沉積巖中的CaO 的來源有大陸地殼風化來源同時也有海水沉積，即全巖中的CaO 扣除掉化學沉積的CaO。對于CaO*的計算和校正，一般采用McLennanet al.[27]提出的公式：CaO*=CaO-（10/3×P2O5），當校正后的CaO 摩爾數(shù)小于Na2O 摩爾數(shù)，則采用校正后的CaO 摩爾數(shù)作為CaO*摩爾數(shù)；相反，則采用Na2O 摩爾數(shù)作為CaO*摩爾數(shù)代入計算。同樣，由于在硅酸鹽礦物風化時形成的黏土礦物對K進行吸附，所以在計算時，也必須對外來代入的K進行校正：

式中：K2O校正代表校正后的鉀含量，m=K2O/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）為母巖元素組分，最終可得到校正后的數(shù)值，即化學風化指數(shù)CIA 值。計算結果表明，龍馬溪組樣品化學風化指數(shù)（CIA）為57.98~67.46，平均值為62.76。觀音橋組樣品化學風化指數(shù)（CIA）為50.86~57.46，平均值為54.86。五峰組樣品化學風化指數(shù)（CIA）為58.81~74.90，平均值為60.87。

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4 討論

4.1 古生產力

從五峰組沉積時期到龍馬溪組沉積時期，Ba/Al和Ni/Al 表現(xiàn)出明顯的變化。理論研究表明，海洋中溶解的Ba 的分布與表層海水的生物生產有關[27-28]，Ba 主要以重晶石（BaSO4）的形式保存并輸入給沉積物[28]。對于Ni 元素與海洋古生產力關系而言，Ni 與Cu、Zn等微量元素是衡量海洋初級生產力有效指標，研究表明Ni 可能參與光合自養(yǎng)生產的酶相關，即表明Ni是衡量大洋沉積物有機通量或原始葉綠素通量的可靠指標[29]。滇黔北地區(qū)Ba/Al 和Ni/Al 值的變化表明，海洋古生產力從五峰組時期至觀音橋組時期再到龍馬溪組時期表現(xiàn)為相對穩(wěn)定至逐漸增加再到逐漸下降并穩(wěn)定的變化過程，可以看出，奧陶紀末至志留紀初的時間轉折處，華南地區(qū)的海洋生產力存在很大的波動，特別是在赫南特階時期的冰川期觀音橋段，古海洋生產力出現(xiàn)了跳躍性的波動，即表明在該時期古海水性質存在重大轉變。同樣，從Ba 和Ni 等元素指示的海洋營養(yǎng)元素含量變化來看，經歷了生物滅絕的海洋仍然具有較高的初級生產力。盡管奧陶紀晚期生物滅絕時的海洋初級生產力依然比較大，但是海洋初級生產力在短時間的波動對整個生態(tài)系統(tǒng)來說是一個致命的事件[30-37]。

4.2 古海水氧化還原條件與滯留程度

沉積巖中的V，Cr，Th，U，Mo，U/Th 和V/Cr 等地球化學指標已被用于反演沉積環(huán)境中古氧化還原條件[38-39]。V在氧化水體和還原水體中地球化學特征具有本質性的差別。已有研究表明，V在氧化水體中其存在形式為釩酸氫根（HVO2?4、H2VO?4），同理其價態(tài)也以高價的V5+存在，即在氧化水體中V 以高價釩酸氫根（HVO2?4、H2VO?4）的形式存在不易發(fā)生沉淀。還原條件下V以+4價的VO2+離子存在，這種條件下V4+傾向于被有機質顆粒和有機顆粒絡合而吸附，即在還原條件下，大量的V4+被吸附在有機質顆粒表面進而沉積下來。同樣，在大洋深海環(huán)境中，V易被Mn或Fe 的氫氧化物細顆粒吸附發(fā)生遷移[40]，而在硫化環(huán)境中，V可以近一步被還原成V3+，此時V以固態(tài)氧化物V2O3或氫氧化物V（OH）3的形式存在[41]。同理，Cr元素在高氧逸度條件下以+6價的CrO2?4形式存在，高氧逸度條件下不發(fā)生沉淀，在低氧逸度或硫還原條件下Cr 以+3 價的Cr（OH）2+等形式存在，由于Cr（OH）2+具有膠體聚沉現(xiàn)象，此時在沉積物中Cr（OH）2+容易被鐵或錳的氫氧化物吸附而發(fā)生沉淀。在陸源沉積物中Cr 能類質同象黏土礦物中的Al，而與陸源碎屑相結合[42]。據(jù)上所知，由于V 與Cr 在地球化學過程中隨著氧逸度的變化且能夠以不同的存在形式存在，所以V/Cr 比值可以用來反演古水體含氧量指標，同樣，U也具有類似地球化學特征。Th元素不受氧化還原條件的影響并且始終保持不相容性，因此，U/Th比值可以用于識別沉積環(huán)境的古氧化還原狀態(tài)[38]。理論研究表明，V/Cr<2，U/Th<0.75解釋為貧氧環(huán)境條件，24.25，U/Th>1.25 解釋為厭氧環(huán)境條件。滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖Vr/Cr比值和U/Th 比值總體上顯示出缺氧環(huán)境，具體為五峰組表現(xiàn)為缺氧條件，觀音橋組表現(xiàn)為厭氧條件，龍馬溪組表現(xiàn)為缺氧條件。

在氧化條件下，Mo 或者鉬的礦物與氧氣和水接觸時可以形成鉬氧離子（MoO2?4）形式而存在，在還原條件下，Mo 會被還原為+4 價時而進入沉積物。因此，氧化水體中Mo 以穩(wěn)定的鉬氧離子（MoO2?4）穩(wěn)定存在。而在低氧逸度或硫還原環(huán)境中，由于硫化物會與Mo 形成絡合物，從而有利于Mo 的富集。除此外，在厭氧環(huán)境中，由于水體的還原性強，不僅有利于硫酸鹽的還原而且更有利于有機質的保存，進而有利于Mo元素在沉積物中的富集。所以，若沉積環(huán)境為滯留的厭氧海盆，Mo元素的補給途徑為欠補償，即Mo 進入沉積物的速率大于外界海水對該厭氧海盆的補償能力，則造成海水中的Mo 濃度較虧損，同理沉積物的Mo/TOC比值也會很低（如黑海）。相反，在一個開放體系且海水流通順暢的厭氧盆地中，海水中的Mo 濃度較高，Mo/TOC 比值也較高。故Mo/TOC 比值可用來評估厭氧海盆的水體滯留情況[27,43-45]。

五峰組樣品形成于貧氧—厭氧環(huán)境，具體表現(xiàn)為TOC含量不高，Mo含量較低，Mo/TOC比值為4.03~16.03，平均為10，其沉積環(huán)境類似于黑海[25,44]（圖3），因此滇黔北地區(qū)五峰組處于強滯留海盆。同樣，在Mo-U 協(xié)變關系圖解中，五峰組樣品表現(xiàn)為在貧氧—缺氧條件，U和Mo富集系數(shù)都低，Mo/U比值也較低，低于非滯留海盆中貧氧—缺氧環(huán)境中的Mo/U 比值。同時，隨著還原程度的增加，五峰組頁巖的Mo/U 比值從0.1×SW變化到接近于1×SW。在缺氧—靜海相環(huán)境中樣品未表現(xiàn)出隨著富集系數(shù)增大，即表現(xiàn)為Mo/U比值隨之增大的趨勢，且Mo/U比值低于正常開放海洋環(huán)境中海水的比值，這種特征與黑海這樣的強滯留環(huán)境的U-Mo 變化模式相似[25,44]（圖4）。結合前文討論的Mo/TOC比值，認為五峰組沉積時期四川盆地屬于強滯留海盆。

圖3 滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組Mo/TOC 協(xié)變關系與現(xiàn)代厭氧海盆的對比圖點線代表4個現(xiàn)代海盆的Mo/TOC比值（據(jù)Tribovillard et al.[25]；Rowe et al.[44]）Fig.3 Comparison of the Mo/TOC covariant relationship between Wufeng Formation￣Longmaxi Formation in northern Yunan￣Guizhou area and modern anaerobic basins Broken lines=Mo￣TOC regression of four modern basins(after Tribovillard et al.[25];Rowe et al.[44])

圖4 滇黔北五峰組—龍馬溪組f(Mo)與f(U)協(xié)變圖表海水中的Mo/U 摩爾濃度比值(SW=7.9)。3 條虛線分別代表Mo/U 比值是海水的0.3倍、1倍和3倍。遞變顏色區(qū)域代表正常開放海洋環(huán)境中U￣Mo 協(xié)變模式。綠色區(qū)域代表在金屬顆粒載體的作用下的U￣Mo 協(xié)變模式（據(jù)Tribovillard et al.[25]；Rowe et al.[44]）Fig.4 f(Mo) vs. f(U) covariation for Wufeng Formation￣Longmaxi Formation shales in northern Yunan￣Guizhou area Solid line=Mo/U ratios for seawater;broken lines=multiples(0.3×,1×and 3×)for present￣day seawater.Graded colored area=unrestricted marine (UM)trend.Green field=particulate shuttle(PS)trend(after Tribovillard et al.[25];Rowe et al.[44])

觀音橋組樣品，TOC 含量低，Mo/TOC 值也較低，為2.45~5.16，平均值為3.52，由于該組樣品Mo 含量過低，Mo含量過低不能排除是Mo輸入量過低還是在氧化條件下Mo不容易沉淀，即這些樣品不能用來判別滯留程度。

龍馬溪組Mo/TOC 值在0.68~20.42，平均為14，該參數(shù)與屬于半滯留環(huán)境的阿巴拉契亞中部盆地的頁巖比值接近，因此，本文認為滇黔北地區(qū)龍馬溪組沉積時期屬于半滯留海盆。但隨著TOC 含量的增大，水體還原程度變強，Mo 和U 富集系數(shù)都增大，且在Mo 與U 的富集系數(shù)變化上，Mo 元素富集略低于U，即表現(xiàn)為Mo 元素輸入不足，龍馬溪組樣品表現(xiàn)出這種U-Mo 協(xié)變模式可能的解釋是，滇黔北地區(qū)龍馬溪組沉積時期為一個半滯留海盆，半滯留條件造成海盆中Mo 元素的供給不足，從而約束了Mo/U 比值像非滯留海盆那樣持續(xù)增加，又不完全隔離的海盆又使海水能得到一定的U、Mo 補給，但又不像強滯留環(huán)境那樣，海水中的Mo 沉淀后又得不到補充，使Mo/U 比值降低。Algeoet al.[46-47]也報道了這種U-Mo 變化模式屬于中等滯留環(huán)境下（半滯留）的判斷。因此，本文認為龍馬溪組富有機質頁巖形成于半滯留海盆，該認識與Mo/TOC 的論證得出的結論相支持。

4.3 化學風化對古氣候的制約

風化作用的強弱嚴格的受溫度和濕度控制，如在赤道地區(qū)的巖石受到化學風化較強，在極地地區(qū)巖石受控于物理風化作用[26,48]。通常情況下，炎熱潮濕的氣候化學風化程度高，化學風化指數(shù)（CIA）值在80以上。當化學風化指數(shù)（CIA）值介于70~80時，指示溫暖濕潤的氣候，寒冷干旱氣候的化學風化指數(shù)（CIA）值在50~70之間。在進行化學風化指數(shù)（CIA）計算時，由于在硅酸鹽礦物風化時形成的黏土礦物時容易對K進行吸附，所以在計算時，也必須對外來代入的K 進行校正[49]，同樣，在A-CN-K 圖解中，由于鉀的交代作用影響，數(shù)據(jù)演化表現(xiàn)為偏離A-CN平行的趨勢演化（圖5）。經過校正后，計算結果表明，龍馬溪組樣品化學風化指數(shù)（CIA）為57.98~67.46，平均值為62.76，觀音橋組樣品化學風化指數(shù)（CIA）為50.86~57.46，平均值為54.86，五峰組樣品化學風化指數(shù)（CIA）為58.81~74.90，平均值為60.87?；瘜W風化指數(shù)（CIA）說明滇黔北地區(qū)氣溫在五峰組早期就開始緩慢下降，觀音橋時期區(qū)域溫度降至冰期，龍馬溪組早期又漸漸恢復，從波動期情況來看，龍馬溪組時期、觀音橋時期組至五峰組時期氣候處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)。相比前人在揚子區(qū)域研究的成果而言[50-51]，均較好的約束了五峰組—龍馬溪組時期氣候處于波動狀態(tài)。

圖5 滇黔北五峰組—龍馬溪組A￣CN￣K 圖解A代表Al2O3；CN代表CaO+Na2O；K代表K2OFig.5 A￣CN￣K diagram of the Wufeng Formation￣Longmaxi Formation in northern Yunan￣Guizhou area

4.4 晚奧陶生物滅絕事件

已有研究表明，奧陶紀—志留紀的氣候變化指示該時期的全球碳循環(huán)受到很大擾動，特別該時期的海相碳酸鹽巖保存了全球碳循環(huán)擾動的記錄，表現(xiàn)為13Ccarb和13Corg的正向漂移[9,37,52-80]，也稱為HICE（郝南特階碳同位素曲線漂移）事件。例如波羅的海地區(qū)，南非，華南，北美，西伯利亞等[55-60]。滇黔北地區(qū)有機碳同位素δ13Corg曲線具有與全球奧陶紀末期其他地區(qū)相似的特征，具體表現(xiàn)為郝南特階時期δ13Corg的正漂，但是，不同地區(qū)碳同位素變化曲線的峰值并不等時，即表明在晚奧陶至志留紀時期生產力及有機碳埋藏在區(qū)域上有著很大的不同[55,63,79-80]（圖6），在該點上也與奧陶紀—志留紀時期的古生產力變化一致。在古生物方面，已有研究報道，奧陶紀大滅絕前的腕足動物大都棲息于溫室效應的暖水環(huán)境中[60-63]，而全球氣候變冷后，暖水生物遭受重創(chuàng)而大量死亡，相反冷水的郝南特階動物群[29,56]、正常的筆石動物群[57-58]和三葉蟲組合[59-60]于大滅絕后在全球范圍內大規(guī)模發(fā)育。在C 同位素和S 同位素關系上，δ13Ccarb和δ13Corg同位素從凱迪階時期最晚期或郝南特階最早期開始均出現(xiàn)明顯的正漂移，幅度分別達到~6‰和~3‰[61-62]，相伴隨的δ34S 同位素也存在明顯的正漂移[59]。同樣，在氧同位素上，牙形類化石氧同位素研究表明在凱迪階的晚期到郝南特階的早期海水表面溫度有6 ℃~8 ℃的降低[64-65]，除此外，在關于奧陶紀末期生物滅絕與洋流脈沖事件方面，在高緯度地區(qū)，如中歐和非洲地區(qū)經歷了兩次寒流的脈沖事情和對應的兩次腕足動物的滅絕，在赤道低緯度地區(qū)，如華南、北歐和阿瓦隆尼亞陸塊只經歷了郝南特階時期寒流脈沖事件和生物滅絕事件[60]。到目前為止，國內外眾多學者分別從氣候變化、有機碳埋藏和碳酸鹽巖風化三個角度對郝南特階冰期成因提出假說[41,55,66-69]。但是越來越多的證據(jù)顯示，三種假說的可靠性需要進一步的驗證[8,11-12,55,60,62,70-76]。

圖6 華南，波羅的和勞倫西亞地區(qū)在郝南特階時期δ13Ccrab 的對比(據(jù)LaPorte et al.[55]; Grojan et al.[63]; Zhang et al.[79]; Bergstr?m et al.[80])Fig.6 Comparison of Hirnantian in δ13Ccrab from representative section in South China, Baltica and Laurentia(after LaPorte et al.[55]; Grojan et al.[63]; Zhang et al.[79]; Bergstr?m et al.[80])

五峰組沉積時期由于岡瓦納大陸冰川的形成導致全球海平面廣泛海退，在該時期華南地區(qū)域因加里東構造運動，盆地演化經歷了被動大陸邊緣到前陸盆構造旋回[17-24]，滇黔北地區(qū)水體相對變淺，與大洋水體的交換受到阻礙，即五峰組時期滇黔北地區(qū)海水滯留程度較強。進入志留紀，由于古氣候迅速轉暖，位于岡瓦納大陸的冰蓋快速消融，冰川的大量融化造成大規(guī)模的海侵。這次海侵階段華南地區(qū)與全球性志留紀初的海侵界限一致[20,43]，即表明在奧陶紀—志留紀時期全球經歷了海退—海進的演化序列。全球海退的原因除了有局部構造引起的抬升外，特別是奧陶紀時期南極地區(qū)冰川急劇發(fā)育而導致海退[67]，冰期主控的全球海平面大幅度下降剝奪了原本生活在大陸架和淺海動物群的棲息地[68]，同時由于南極岡瓦納地區(qū)冰川的發(fā)育改變了全球大洋的洋流循環(huán)模式、強度和大洋水體理化性質[68]，已有研究報道，郝南特階時期內華達地區(qū)方解石氧同位素突變是由于區(qū)域內洋流循環(huán)模式的突變而改變[75]，南極冰蓋大規(guī)模發(fā)育時期即冰盛時期大洋深部水體被缺氧的硫化層所占據(jù)，導致水底棲息生物和自游等生物滅絕[70]，同時在區(qū)域上升流以及大陸風化的共同作用下，大量磷的輸入和區(qū)域磷的大量富集進一步使得該時期海底普遍缺氧和有機碳的大量保存[73]。在海侵階段，由于冰川消融，海平面快速上升，洋流循環(huán)停滯，喜歡冷水的郝南特階動物群消亡[76-84]，即出現(xiàn)溫室的狀態(tài)，由于海平面的上升早期的滯留盆地變變?yōu)榘霚襞璧?，水體變深且缺氧，氧化敏感（U、Mo）元素大量富集，這也為海侵后大洋表層生物的繁盛提供物質來源。

4.5 洋流模式與奧陶紀生命大滅絕的聯(lián)系

已有研究表明，奧陶紀時期的古地理與其他地質時代有著顯著不同[82]：陸地上基本沒有植被，大氣中的氧氣含量高于現(xiàn)代水平（PAL）[83-86]，全球發(fā)生大規(guī)模海侵[20,43,83-84]，較高的pCO2（8~18PAL）水平維持了溫室的氣候條件[85-89]。在奧陶紀晚期，華南地區(qū)的氣候類型仍屬于典型的暖干的赤道類型[90-91]（圖7b），特別是在全球的氣候模式上，同時由于該時期海陸破碎的分布模式使得季風氣候十分發(fā)育[92]。已有的模型表明，重大的極端氣候變化可能是由于大洋和大陸在時空上的重新分布造成的，特別是當板塊構造重建時近赤道洋流存在時，溫室出現(xiàn)很普遍[93]。通常，熱帶東太平洋表面赤道附近表層海水溫度是以東冷西暖為特征（圖7a），即在赤道東太平洋存在一個冷水區(qū)，該冷水區(qū)被稱為“赤道東太平洋冷舌”，在現(xiàn)代海洋中，“赤道東太平洋附近冷舍”對全球CO2循環(huán)、全球氣候的有規(guī)律的變化有重要影響。在古生物、沉積學和地球化學的證據(jù)表明，奧陶紀末期位于赤道附近的華南板塊受到來自岡瓦納大陸西岸寒流的影響[93]。在海陸分布與洋流分布模式方面，奧陶紀時期，岡瓦納大陸主要集中在南極附近，向北延伸穿過赤道到達北半球中緯度地區(qū)，即奧陶紀時期岡瓦納大陸在經度上有很大展布，這種海陸分布模式更加有利于高緯度極地地區(qū)冷的海水和冷的空氣與低緯度赤道地區(qū)的高溫海水與高溫空氣交換[94]。在海陸分布上，奧陶紀時期的華南地區(qū)位于岡瓦納大陸西側且位于來自與極地寒流的要沖位置，該種地理格局的分布同現(xiàn)代南美洲地區(qū)的加拉帕戈斯群島和秘魯寒流的關系類似[90-94]，因此，本文認為奧陶紀末期生物大滅絕可能是在海陸分布格局下洋流作用導致。

圖7 奧陶紀晚期的古地理（450 Ma）顯示出位于赤道位置華南板塊與現(xiàn)代位于赤道位置的加拉帕戈斯群島相似海洋表面溫度圖來自美國國家海洋和大氣管理局(http://www.ospo.noaa.gov/Products/ocean/sst.html)，奧陶紀晚期（450 Ma）古地理圖來源于美國科羅拉多高原地學系統(tǒng)網(wǎng)站(http://jan.ucc.nau.edu/rcb7/index.html)，氣候分界線引自Pohl et al.[90]；Boucot et al.[91]Fig.7 Upper Ordovician paleogeography, showing similarity between equatorial positions of South China Plate and modern Galápagos Islands Sea￣surface temperature map from the U.S. National Oceanic and Atmospheric Ad￣ministration . Paleogeographic map from Colorado Plateau Geosystems .Climatic boundary after Pohl et al.[90];Boucot et al.[91]

5 結論

（1）滇黔北地區(qū)Ba/Al和Ni/Al值的變化表明，五峰組海洋生產力相對穩(wěn)定，從五峰組開始逐漸增加，直到觀音橋組達到頂峰隨之然下降，在龍馬溪組段又開始上升，隨后逐漸減小并穩(wěn)定下來，特別在赫爾南特階時期的觀音橋組，生產力出現(xiàn)了跳躍性的波動，即表明奧陶紀末期古海水性質存在重大轉變。

（2）滇黔北的Vr/Cr 比值和U/Th 比值總體上顯示出，五峰組表現(xiàn)為缺氧環(huán)境，觀音橋組表現(xiàn)為厭氧環(huán)境，龍馬溪組表現(xiàn)為缺氧環(huán)境，U-Mo協(xié)變模式表明滇黔北地區(qū)五峰組時期為強滯留海盆，龍馬溪組時期屬于半滯留海盆。化學風化值指數(shù)（CIA）表明滇黔北地區(qū)氣溫在五峰組早期就開始緩慢下降,觀音橋時期區(qū)域溫度降至冰期，龍馬溪組早期又漸漸恢復，但從龍馬溪組到觀音橋組至五峰組時期氣候處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)。

（3）奧陶紀末期生命大滅絕是在極地冰川發(fā)育條件的背景下，洋流模式、強度和海水的理化性質的改變導致，兩者受海陸分布格局控制。