仲聰聰，王敏，李凱楠，樊鈺超，彭深遠(yuǎn)

(河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

地質(zhì)歷史時期重要地層界線附近的δ13C值均發(fā)生顯著漂移，各大陸同一時期碳同位素組成的漂移趨勢具有相似特點[1-2]。因此，碳同位素組成的演化趨勢可作為地層對比與劃分的重要標(biāo)志[3-4]。在全球寒武系年代地層的研究中，海相碳酸鹽巖的碳穩(wěn)定同位素組成演化趨勢在地層界線確定及地層對比中應(yīng)用很廣泛[5-9]，對華北板塊也做了很多相關(guān)的研究[10-12]，該技術(shù)運用已經(jīng)相當(dāng)成熟。把穩(wěn)定同位素組成的演化趨勢用于不同大陸、不同剖面間地層的對比，特別是生物化石比較稀少或地域性強的地層間，有著重要的作用[13]。

早古生代華北地臺廣泛發(fā)育陸表海碳酸鹽巖，尤其到了寒武紀(jì)張夏期，華北板塊基本為陸表海沉積環(huán)境[14-16]。三葉蟲是寒武紀(jì)的標(biāo)志性化石，華北地臺在寒武紀(jì)主要發(fā)育淺水生活的三葉蟲，而淺水臺地生活的蟲，有2個特點：地方性強和生物帶精度低，這極大地限制了以這類三葉蟲所建立的地層標(biāo)準(zhǔn)的對比性和使用價值，導(dǎo)致華北地臺三葉蟲化石帶與其他板塊對比不足[17]。所以，華北地區(qū)劃分的組、生物帶與國際地層寒武系四統(tǒng)十階的對應(yīng)關(guān)系比較模糊，給研究者帶來困擾。

張夏組歸于中寒武世中、晚期沉積，《中國地層表》(2014)將張夏組對應(yīng)在鼓山階和古丈階下部附近。在北京[18]、山東[19-21]、河南[22]等地的張夏組研究中，所采用的劃分方案有很大的不同?！吨袊貙颖怼?2014)把張夏組對應(yīng)鼓山階及古丈階的底部；北京采用把張夏組對應(yīng)到烏溜階頂部和鼓山階；山東采用把張夏組對應(yīng)到烏溜階上部、鼓山階及古丈階底部；河南則采用把張夏組對應(yīng)苗嶺統(tǒng)上部的方案。雖然都把張夏組對應(yīng)到苗嶺統(tǒng)(第三統(tǒng))，但對應(yīng)苗嶺統(tǒng)的位置有差異，對應(yīng)到階的層次比較模糊，關(guān)于在張夏組中鼓山階和古丈階分界面位置的研究不多。生物地層學(xué)方面，豫西張夏組生物化石種類繁多，見三葉蟲帶：Metagraulos-Inouyops-Poriagraulos帶、Bailiella-Lioparia帶、Crepicephalina-Megagraulos帶、Taitzuia-Poshania帶[23-24]。這4個生物化石組合帶，從性質(zhì)上而言在一個區(qū)域內(nèi)是穿時的，其底界并不是等時面，并且該段化石帶與鼓山階、古丈階的對應(yīng)并不明確[24]。有學(xué)者將華北地區(qū)傳統(tǒng)寒武系張夏階底界對比為華南地區(qū)寒武系鼓山階底界，將張夏階Liaopeishania帶對比為苗嶺統(tǒng)古丈階Legopygelaevigata帶下部，將Damesella帶對比為苗嶺統(tǒng)古丈階Legopygelaevigata帶上部和Glyptagnostusstolidotus帶下部，將崮山階的Blackwelderia帶和Neodrepanura帶對比為苗嶺統(tǒng)古丈階的Glyptagnostusstolidotus帶上部，再通過河南生物化石組合帶與華北生物帶的對應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為古丈階的底界位于張夏階的中部[23-24]，這一范圍仍然很大，并且存在一定的爭議。

本文以豫西登封王窯村剖面為例，研究張夏組地層的碳穩(wěn)定同位素組成的演化趨勢，并與其他大陸不同剖面同時期沉積地層的穩(wěn)定碳同位素進行對比，探討其與國際地層以及不同剖面沉積地層的對應(yīng)關(guān)系，確定鼓山階和古丈階的分界面在張夏組的大概位置，為豫西地區(qū)以及華北地區(qū)寒武系的研究提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

華北古陸在早、中寒武世為穩(wěn)定的克拉通盆地環(huán)境，從辛集組海侵開始到張夏組海侵最大，華北地區(qū)基本為陸表海，之后，海平面開始緩慢下降[22-23]。同時，該時期無論構(gòu)造演化還是氣候條件均較穩(wěn)定[25-26]。

登封位于華北板塊南部豫西地區(qū)的中部，在河南省的西北部以及鄭州的西西南方向(圖1(b))，采樣位置位于登封市西北方(圖1(c))。該地區(qū)寒武紀(jì)的沉積地層出露連續(xù)，從下往上依次發(fā)育辛集組、朱砂洞組、饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組及三山子組，其中辛集組發(fā)育砂巖，朱砂洞組發(fā)育斑狀白云質(zhì)灰?guī)r，饅頭組以泥質(zhì)頁巖為主，張夏組主要以鮞粒灰?guī)r為主，崮山組以白云巖為主，炒米店組以灰?guī)r為主，三山子組為發(fā)育多層疊層石的灰?guī)r(圖1(a))。張夏組地層發(fā)育較好，厚度為110～140 m，由底到頂可以劃分為4段(圖2(a)，(b))：一段薄板狀灰?guī)r段(圖2(c))，為薄板狀灰?guī)r夾薄層的頁巖，中間夾有數(shù)層竹葉狀灰?guī)r；二段微生物巖段(圖2(d))，為微生物巖(包括小塊狀、斑雜狀、漏斗狀凝塊石以及小柱狀的疊層石)與生物擾動灰?guī)r以及薄層的鮞?；?guī)r，中上部出現(xiàn)數(shù)層核形石灰?guī)r；三段模糊生物擾動灰?guī)r段(圖2(e))，鮞?；?guī)r與模糊生物擾動灰?guī)r交替出現(xiàn)，并且出現(xiàn)多種遺跡化石；四段鮞?；?guī)r段(圖2(f))，以厚層的鮞?；?guī)r為主，包括條帶狀、團塊狀、小礫石狀等鮞粒灰?guī)r，頂部有數(shù)層發(fā)育生物擾動的灰?guī)r與鮞?；?guī)r互層。

圖1 華北地區(qū)寒武系巖性柱狀圖及研究區(qū)區(qū)域地理位置和地質(zhì)圖Fig.1 Lithological column of Cambrian in north China,the location of research area and regional geological map

2 材料與方法

研究區(qū)張夏組的厚度約116 m，實際采樣28塊，依據(jù)每層的不同特征及其復(fù)雜程度分別規(guī)劃采樣。登封張夏組一段，巖性簡單，故在其上部板狀灰?guī)r中采集2個樣品；二段，分布4層微生物巖，依據(jù)微生物巖與夾層的關(guān)系采集樣品8個；三段，依據(jù)擾動灰?guī)r與夾層的分布特征采集樣品9個；四段下部巖性較為均一，采樣4個，上部根據(jù)生物擾動與夾層的分布采樣5個(圖3)。所有樣品均采自新鮮的巖石，遠(yuǎn)離裂隙，選擇致密的、結(jié)晶度低的巖石。

碳、氧同位素樣品使用牙鉆微區(qū)取樣，篩選小于200目的樣品，干燥24 h后，稱取20 mg樣品粉末，在室溫25℃下與適量無水磷酸充分接觸，反應(yīng)24 h產(chǎn)生CO2，然后進行測定。測試工作在中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室完成，使用的儀器為Fibbegan公司MAT253質(zhì)譜儀，分析結(jié)果均采用PDB標(biāo)準(zhǔn)，分析誤差小于0.1‰。

3 結(jié) 果

豫西登封地區(qū)王窯剖面張夏組碳酸鹽巖的δ13C值(表1)分布在-1.6‰～+1.0‰，平均值-0.35‰；δ18O值分布在-10‰～-7.0‰，平均值-8.52‰，接近于寒武紀(jì)的平均值[27]。該剖面張夏組碳同位素組成的變化特征見圖3：底部為正值，且變化幅度相對較大，出現(xiàn)最大值0.99‰；中部、上部為負(fù)值，波動較小，在62 m和94 m處分別達到-1.56‰和-1.44‰的最小值；頂部又向正方向漂移，到達0附近；總體呈現(xiàn)由正到負(fù)再到0附近的特征。氧同位素組成的總體變化特征見圖3：底部值較小，且由下而上有明顯增大趨勢；中上部δ18O值比較穩(wěn)定，沒有明顯的波動和變化；頂部δ18O值較大，且出現(xiàn)了波動。

圖2 登封張夏組野外照片F(xiàn)ig.2 Field photos of Zhangxia formation in Dengfeng

續(xù)表1

圖3 河南登封地區(qū)寒武系張夏組巖性柱狀圖及δ13C變化曲線Fig.3 Lithological column and δ13C curve of Zhangxia formation of Cambrian in Dengfeng area，Henan

4 討 論

4.1 碳同位素數(shù)據(jù)有效性分析

張夏組碳酸鹽巖巖石樣品δ13C值一般為-1.60‰～1.00‰，平均-0.35‰，δ18O值的變化區(qū)間為-9.91‰～-7.10‰，平均-8.52‰?？紤]到寒武系張夏組的碳酸鹽巖樣品形成至今已有超過5億a的歷史，大氣水及埋藏過程中的孔隙水等非海相因素對碳酸鹽巖的原始海水碳、氧同位素組成造成了一定的影響，因此,在使用這些數(shù)據(jù)之前，有必要對樣品的碳、氧同位素組成對海水的代表性進行評估。

前人研究發(fā)現(xiàn),δ18O值小于-5‰時，碳酸鹽巖已遭受成巖蝕變，但這個時候碳、氧同位素組成仍能在一定程度上代表當(dāng)時海水的組成；當(dāng)δ18O值小于-10‰時，樣品受到成巖蝕變的影響，數(shù)據(jù)已經(jīng)不能用于分析海水的環(huán)境[28]。另外，根據(jù)δ13C和δ18O的關(guān)系也可以判斷樣品是否受到成巖作用的影響，δ13C和δ18O的正相關(guān)性越強,巖層受到成巖作用的影響越大[29-30]。因此，經(jīng)常用樣品中氧同位素數(shù)據(jù)的大小及碳、氧同位素數(shù)據(jù)是否具有相關(guān)性判斷樣品是否有效保存了原始海水同位素信息[31]。

張夏組碳酸鹽巖樣品的δ18O值一般分布于-10‰～-5‰(表1，圖3)，說明碳酸鹽巖樣品已經(jīng)遭受成巖蝕變，但并沒有遭受強烈的成巖蝕變作用，仍具有研究意義。樣品δ13C值和δ18O值的散點分布如圖4所示，運用SPSS軟件，計算張夏組的樣品碳、氧同位素數(shù)據(jù)的pearson相關(guān)性：樣品δ13C和δ18O值的pearson相關(guān)系數(shù)r為-0.592，此時0.4≤|r|<0.7，為中度線性相關(guān)，但為負(fù)相關(guān)性。普遍認(rèn)為，當(dāng)碳、氧相關(guān)性為負(fù)時，可認(rèn)為與無任何相關(guān)性一樣，都表示樣品碳、氧同位素值可以代表原始同位素組成[30，32]。同時，如圖1所示，δ13C和δ18O的值和深度沒有明顯對應(yīng)關(guān)系。所以從δ18O值的大小和碳、氧同位素相關(guān)性方面考慮，本文獲得的張夏組碳、氧同位素數(shù)據(jù)真實可靠，能夠較好地反映張夏組沉積期登封地區(qū)碳同位素變化的特征。

圖4 河南登封地區(qū)寒武系張夏組碳酸鹽巖δ13C，δ18O分布Fig.4 Distribution of δ13 and δ18O values from Cambrian Zhangxia formation carbonate rocks in Dengfeng area，Henan

4.2 全球同時期碳同位素數(shù)據(jù)對比

全球范圍內(nèi)，鼓山期和古丈期地層的碳同位比較穩(wěn)定，特征為：δ13C值主要分布在-1.5‰～+1.5‰間，整體上碳同位素曲線比較穩(wěn)定，沒有較大波動，并且延續(xù)時間較長，只有鼓山階底部出現(xiàn)負(fù)漂移(-2‰)以及古丈階上部出現(xiàn)-1‰左右的負(fù)漂移[8](圖5)。

在中寒武世，華北板塊與華南板塊、西伯利亞、岡瓦那大陸北部(包括澳大利亞在內(nèi))及勞倫大陸中部等地具有相近的緯度，所處的海洋環(huán)境較為相似，從而具有較為相近的海洋碳同位素組成特征[1-2，33](圖6)，為這些地區(qū)剖面碳同位素的對比提供了條件。

圖5 豫西張夏組與全球碳同位素曲線對比Fig.5 Comparison of δ13C curve between the Zhangxia for- mation in western Henan and the global Cambrian δ13C curve

圖6 中寒武世(510 Ma)華北板塊及周邊古地理圖 (據(jù)文獻[33])Fig.6 Palaeogeographic map of north China and adjacent areas at 510 Ma(Middle Cambrian)(Ref.[33])

在浙江地區(qū)[34]，楊柳崗組對應(yīng)到烏溜階、鼓山階及古丈階的下部，碳同位素曲線在底部有一個明顯的-2.0‰左右的負(fù)漂移，在中部有一段很長的-1.0‰～0之間的弱負(fù)漂移，上部有一個明顯的正漂移(圖7(a))；在四川盆地東部地區(qū)[35-36]，洗象池群的中下部和下部對應(yīng)到苗嶺統(tǒng)的上部，該段碳同位素曲線同樣有一段長期弱負(fù)漂移，漂移的幅度約1.0‰，最小值為-2.0‰(圖7(b))；在湖南地區(qū)[37-38]，花橋組中介于DICE和SPICE事件之間有一段頻繁出現(xiàn)-0.5‰左右的碳同位素值弱負(fù)漂移，巖層厚度約100 m，弱負(fù)漂移段之后開始明顯正漂移，并且鼓山階與古丈階的分界面對應(yīng)在弱負(fù)漂移段最小值附近(圖7(c))；在美國大盆地地區(qū)[39]，在DICE和SPICE事件之間，有一段碳同位素值在-2.0‰附近的負(fù)漂移，并且這段負(fù)漂移對應(yīng)到鼓山階和古丈階之中(圖7(d))；在澳大利亞[40]，喬治娜盆地的Currant Bush灰?guī)r段中，底部對應(yīng)DICE事件，在該段灰?guī)r的中上部，存在一段碳同位素最小值達到-1.0‰附近的弱負(fù)漂移(圖7(e))；西伯利亞北部[41]，鼓山階和古丈階分界面附近，存在一個略小于0的相較于上下層弱負(fù)漂移段，持續(xù)的層位也比較長，而且與湖南王村剖面相似，鼓山階與古丈階的分界面對應(yīng)在弱負(fù)漂移段最小值附近(圖7(f))。通過以上地區(qū)諸多剖面可見，鼓山階和古丈階在諸多地區(qū)的碳同位素曲線都出現(xiàn)一個持續(xù)時間較長的弱負(fù)漂移段；從華南湖南王村剖面和西伯利亞北部的剖面看，鼓山階與古丈階的分界面在該弱負(fù)漂移段的δ13C值開始上升前的那個最小值附近。

圖7 中寒武世全球典型碳同位素剖面對比Fig.7 A correlation of the δ13C profiles among representative sections in the world in the middle Cambrian

左景勛等[42]在河南衛(wèi)輝地區(qū)研究的碳同位素曲線中，鼓山階上部和古丈階下部存在一個約-1.0‰的弱負(fù)漂移，持續(xù)的層厚大約50 m，弱負(fù)漂移之后為正漂移(圖7(g))。本文研究的登封地區(qū)的王窯剖面張夏組的碳同位素曲線出現(xiàn)δ13C值由1.0‰開始緩慢波動性下降，至-1.0‰附近，顯示出弱負(fù)漂移，之后開始由-1.0‰上升為正值的特征，同樣存在一個厚約50m的弱負(fù)漂移段(圖7(h))。衛(wèi)輝地區(qū)張夏組上部相當(dāng)于登封地區(qū)的三山子z段[24]，所以在王窯剖面沒有體現(xiàn)。王窯剖面張夏組碳同位素曲線接近最小的值有2個，但考慮到該最小值之后δ13C值開始變大，所以在登封地區(qū)，鼓山階與古丈階的分界面可能在第四段中的鮞?；?guī)r之中。

5 結(jié) 論

通過對河南登封王窯剖面寒武系苗嶺統(tǒng)張夏組進行的地球化學(xué)方面的測試，詳細(xì)研究了該剖面穩(wěn)定碳同位素的變化特征。依據(jù)碳同位素曲線的變化規(guī)律，并結(jié)合前人對該地區(qū)巖石地層學(xué)和生物地層學(xué)的研究結(jié)果，張夏組歸為中寒武世晚期的沉積地層，對應(yīng)寒武系苗嶺統(tǒng)鼓山階上部和古丈階下部。碳同位素變化特征為：碳同位素曲線存在-1.60‰的負(fù)漂移，與底部1‰的δ13C值形成較大落差，頂部δ13C值又朝正方向漂移，表現(xiàn)出一個明顯長期存在的弱負(fù)漂移。通過與其他板塊同時期地層碳同位素進行對比，登封張夏組碳同位素δ13C值為-1.0‰左右的弱負(fù)漂移特征，與河南與衛(wèi)輝剖面特征一致，且全球范圍內(nèi)在同時期緯度相近的諸多地層中都有體現(xiàn)，如赤道和南緯30°之間區(qū)域在苗嶺世沉積的地層對比特征很明顯，表明該負(fù)漂移具有較好的區(qū)域及全球地層對比意義。同時，對不同剖面間鼓山階和古丈階分界面附近碳同位素曲線特征對比，發(fā)現(xiàn)鼓山階與古丈階的分界面在登封張夏組的第四段鮞?；?guī)r之中。