|
| |
| 地学前缘EARTH SCIENCE FRONTIERS2000 Vol.7 No.2 P.339-344
贵州紫云剖面P/T界面附近碳氧同位素
的变化及生物绝灭事件
王国庆 夏文臣
摘 要：贵州南部紫云剖面由上二叠统长兴组的碳酸盐台地边缘沉积体系、下三叠统罗楼组的碳酸盐浅海陆棚沉积体系、以及下三叠统紫云组的半深海深海沉积体系组成。在前两种沉积体系中选取18块样品进行碳、氧同位素测试。测试的结果表明：上二叠统长兴组δ13C平均值为2.48‰，保持了较高的正值，δ18O平均值为-4.19‰；在P/T界面附近，δ13C，δ18O值都有显著的降低，δ13C值由2.71‰陡降至-0.90‰，变化幅度达3.61‰，δ18O值由-5.03‰降为-9.46‰，变化幅度可达4.43‰；下三叠统罗楼组下部，δ13C值为负值及低正值，出现明显的δ13C值低异常，而δ18O值则比较稳定，介于-4.66‰和-5.62‰之间，平均值为-5.28‰。罗楼组上部，δ13C值有回升的趋势。由于生物对轻碳具有重要的分馏作用，因此，P/T界面附近δ13C值的显著变化反映了一次生物大量绝灭的过程。由δ18O值的变化反映出的生物绝灭的外因主要有温度和盐度两方面。从δ18O值可计算出在P/T界面处古温度有4～5 ℃的升降，这势必影响到狭温生物的生存；从δ18O值计算出的Z值来看，古盐度也有小幅度的变化，加速了狭盐度生物的绝灭。事实上，生物的绝灭可能是海平面变化、火山事件、温度变化及盐度变化多种因素的综合作用结果。
关键词：P/T界面；碳氧同位素；生物绝灭事件；紫云剖面
中图分类号：P539.6 文献标识码：A 文章编号：1005-2321(2000)02-0339-06
THE VARIATION OF ISOTOPES(C,O) AND THE ORGANISM EXTINCTION EVENT
ACROSS THE P/T BOUNDARY IN ZIYUN SECTION,GUIZHOU PROVINCE
WANG Guo-qing XIA Wen-chen
（Faculty of Earth Science, China University of
Geoscience, Wuhan 430074，China）
Abstract:The Ziyun section, located in the south of Guizhou province, is composed of
the carbonate reef depositional system, the carbonate muddy shelf depositional system, and
the bathyal depositional system.The above three kinds of depositional systems belong to
the Changxing Formation of Upper Permian, the Luolou Formation of Lower Triassic, and the
Ziyun Formation of Lower Triassic, respectively. Eighteen samples from the former two
systems were selected for carbon and oxygen isotope analysing. The analysing results show
that in the Changxing Formation of Upper Permian, the average value of δ13C is 2.48‰, and
that of δ18O is -4.19‰. There are distinct decrease of δ13C and δ18O
crossing the P/T boundary as follows:δ13C
changes from 2.71‰ in Changxing Formation to -0.90‰
in Ziyun Formation;δ18O
from -5.03‰ in Changxing Formation to -9.46‰
in Ziyun Formation. In the lower part of Luolou Formation of
Lower Triassic, δ13C ranges from negative
values to small positive values, and δ18O
from -4.66‰ to -5.62‰. The variation of δ13C
value reflects a dramatic organism extinction because the organism absorb the carbon-12
firstly. The main factors that resulted in the organism extinction may be the changes of
paleotemperature and paleosalinity. The variation of paleotemperature was between 4 and 5
degrees centigrade, which resulted in the extinction of narrow temperature organism. The
paleosalinity had a small variation crossing the P/T boundary, which accelerated the
extinction process of narrow salinity organism. In general, the integration of the
eustasy, the volcanism and the changes of paleotemperature and paleosalinity resulted in
the organism extinction during the transition from Permian to Triassic.
Key words:P/T boundary;carbon and oxygen
isotope;organism extinction event; Ziyun section
P/T界面是全球地学界研究的热点，前人曾做过大量的工作［1～3］，论证了P/T界面处广泛的海侵和重要的生物绝灭事件的存在。碳氧同位素方面，陈锦石、黄思静等作过上扬子P/T海相碳酸盐岩的碳同位素组成研究［4，5］，发现P/T界面附近δ13C有明显的负值，提出晚二叠世碳平衡失调造成的广泛缺氧事件与生物的绝灭有密切的关系。
这些研究主要集中在浙江长兴层型剖面附近。本文选择了贵州紫云碳酸盐岩泥岩剖面，进行了系统的采样和碳氧同位素分析。试图对这一地区的同位素演化及其对生物绝灭事件的影响进行探讨。前人也未从碳、氧同位素地球化学方面对贵州二叠系的碳酸盐礁体系作过研究。通过本次研究，希望能填补这方面的空白。
1 区域地质背景
剖面所处的黔南地区，二叠系下统岩性主要为碳酸盐岩，岩相及生物相呈近东西向分布；上统则主要为碎屑岩和灰岩，相带分布呈近南北向［6］。三叠系岩性主要为深水陆源碎屑浊积岩和钙屑重力流沉积，生物以特提斯型菊石和浮游型双壳为主［6］。
剖面上出露的地层有上二叠统长兴组、下三叠统罗楼组和紫云组。长兴组为一套碳酸盐台地边缘礁沉积；罗楼组为灰、泥岩互层；紫云组以泥岩为主，下部夹灰岩薄层。 |
图1 贵州紫云剖面层序划分及碳氧同位素特征
Fig.1 The sequence stratigraphy analysis and character of δ13C and δ18O
of Ziyun section,Guizhou Province
通过对剖面进行沉积学和层序地层学的研究，在剖面上共划分出了8个Ⅲ级层序，它们分别形成于碳酸盐台地边缘沉积体系、碳酸盐浅海陆棚沉积体系、半深海深海沉积体系（图1）。这三种沉积体系自下而上依次叠覆，反映了海平面逐渐上升的过程。在P/T界面处，沉积相和沉积体系的突变反映了一次较大规模的海侵过程。
2 样品采集、处理、分析
为了研究本剖面穿越P/T界面碳氧同位素值的变化，在剖面上共选定18个层位，将其手标本除去风化面后，从不同部位共选取约10 g新鲜样品，以减小因样品的不均匀性造成的误差。在P/T界面附近连续逐层选样，其它层位选样时，一方面考虑到样品在时间间隔上尽量相等，另一方面也兼顾到岩石类型的一致性。二叠系长兴组尽量在礁层序的前礁泥粒粒泥灰岩中选样。三叠系样品以灰泥岩为主。
样品碳、氧同位素测定采用中国地质大学（武汉）测试中心的Mat251型质谱仪进行。方法为常规的磷酸分析法，每测试9个样品夹测一个标准样品。所得数值的千分偏差以PDB标准进行计算，测试结果误差对δ13C和δ18O不超过±0.1‰。
3 测试结果及数据分析
测试结果如表1所示。从表中数据可以看出，二叠系长兴组δ13C值保持较高的正值，平均为2.48‰，最高值为3.61‰，最低值为1.53‰。到P/T界面附近，δ13C值发生明显变化，由界面下2.71‰陡降至界面上-0.90‰，变化幅度达3.61‰。界面之上的下三叠统罗楼组下部，δ13C值为负值及低正值，出现明显的δ13C值低异常。罗楼组上部，δ13C值有回升的趋势。
δ13C值的陡降，反映了生物的绝灭过程。这是因为当地球化学环境适宜时，表层水的营养成份充足，那些营光合作用的藻类大量繁殖，它们吸收CO2，并从中优先吸收轻同位素12C，使水体中重同位素13C的组分含量相对增加，使钙质沉积物主要与水体中富集的13C结合，形成富13C的碳酸盐岩沉积，即生物大量繁盛时，形成的沉积物δ13C值大（一般为正值）。若环境恶化，对生物生产能力造成巨大影响，导致大量生物死亡或绝灭时，海洋生物对轻碳的分馏就急剧减少或中止，使海水中的12C富集，13C相对贫化。反映在沉积物中，必然会出现δ13C突然反转向负向偏移［5］。
表1 紫云剖面P/T界面附近的δ13C,
δ18O,古水温及古盐度值
Table 1 The values of δ13C, δ18O, paleotemperature and
paleosalinity crossing P/T boundary of the Ziyun section |
| 组 |
标本号 |
δ13C/‰
(PDB) |
δ18O/‰
(PDB) |
古水温
t/℃ |
古盐度
Z值 |
| 罗 楼 组 |
Z82 |
1.06 |
-4.66 |
45 |
127.15 |
| Z76 |
-0.59 |
-5.26 |
48 |
123.47 |
| Z73 |
-0.30 |
-5.44 |
49 |
123.98 |
| Z69 |
0.30 |
-5.62 |
50 |
125.12 |
| Z66 |
0.78 |
-5.12 |
47 |
126.35 |
| Z65 |
-0.27 |
-5.47 |
50 |
124.02 |
| Z64 |
-0.90 |
-5.39 |
49 |
122.77 |
| 长 兴 组 |
Z62 |
1.88 |
-5.93 |
52 |
128.20 |
| Z61 |
2.71 |
-4.08 |
42 |
130.82 |
| Z60 |
1.9 |
-9.46 |
75 |
126.25 |
| Z59 |
2.50 |
-5.03 |
64 |
129.92 |
| Z56 |
2.90 |
-5.05 |
64 |
130.72 |
| Z53 |
2.64 |
-4.85 |
46 |
130.29 |
| Z50 |
2.75 |
-3.99 |
41 |
130.94 |
| Z38 |
1.53 |
-4.12 |
42 |
128.38 |
| Z33 |
3.61 |
-3.41 |
38 |
133.00 |
| Z19 |
2.57 |
-3.01 |
36 |
131.06 |
| Z6 |
2.44 |
-4.08 |
42 |
130.27 |
说明：t=16.9-4.2(δ18Oc-δ18Ow)+0.13(δ18Oc-δ18Ow)2，t为当时海洋水温度，δ18Oc为岩样的δ18O值，δ18Ow
为碳酸盐沉淀时海水δ18O值，δ18Oc和δ18Ow均采用PDB标准，据Epstein（1953）［7］；Z=2.048(δ13C
+50)+0.498(δ18O+50)，δ13C和δ18O为岩样碳氧同位素测试值，据Keith和Weber（1964）［8］。 与δ13C值的变化相比，δ18O值变化相对较缓。上二叠统长兴组中下部，δ18O值介于-5.03‰与-3.01‰之间，平均值为-4.19‰，最大变幅为2.02‰。长兴组顶部，δ18O值发生较大波动，由-5.03‰突降为-9.46‰，变化幅度达4.43‰。但随后便恢复到-4.08‰，到P/T界面上时，已恢复到下、中长兴组时的水平。下三叠统罗楼组，δ18O值比较稳定。介于-4.66‰和-5.62‰之间，平均值为-5.28‰，最大变幅只有0.96‰。
在古温度计算公式中，δ18Ow值无法获得，据现代海水δ18O值，假设二叠系、三叠系之交时的δ18Ow为1
（PDB）［1］。计算出的海水古温度均偏高，这是因为成岩作用中的白云岩化、淡化淋滤等作用都使原始沉积物中的δ18O值发生改变，尤其是成岩温度对原始沉积物δ18O有直接影响。虽然所得的古温度值有较大的扭曲，但一般而言，在成岩过程中很少有足够大的化学驱动力以致完全破坏原始沉积物中氧稳定同位素的平衡，因此，尽管受到扭曲，但从计算的古温度值可以大致的估计出当时海洋温度的变化情况。许靖华等（1982）曾根据K/T界面处的δ18O变化值估算出其古温度变化为5 ℃［9］，张克信等（1987）估算华南P/T界面处古温度变化为2～6 ℃［1］。通过对比本剖面及他们所测剖面上的δ18O值，可得出本剖面上，P/T界面之下海洋的古温度先是升高4～5 ℃，但又迅速回升，到P/T界面处时，又上升了约4～5 ℃，恢复到长兴组下部的正常值。此值持续到罗楼组，未发生大的波动。
由δ18O值计算出的Z值均大于120，即碳酸盐岩均为海相成因。从其反映的古盐度变化来看，P/T界面处由130.82变为122.77，显然为值降低的过程，即海水稍有淡化。
4 与生物绝灭事件的关系
众所周知，二叠系/三叠系之交存在着一次重大的生物绝灭事件，并且具有全球一致性。对本剖面中生物类型及组合的统计表明，P/T界面附近存在着一次生物绝灭事件。绝灭的生物以三叶虫、 、放射虫、海绵、腕足类为主。海平面的升降造成的生态环境的变化，对生物的绝灭起着最重要的影响，但生物的绝灭通常是多种因素综合作用的结果。剖面上碳氧同位素的变化所反映的绝灭原因主要有以下两个方面：
(1) 温度升降事件：前已述及，P/T界面之下，海水的温度高于正常海水4～5 ℃，界面之后恢复到正常的水温。其温度变化的原因可能是因为二叠纪末的海退和泛大陆的形成使陆地面积增加，大陆性气候加重，使气温变得干热。现代的生物学研究表明，生物能承受的高温极限变化范围为1～5 ℃之间，温度大幅度的改变必然会影响到一批狭温生物的生存。二叠纪绝灭的生物中，大多数是狭温生物，如有孔虫（含）、三叶虫、腕足类等。
(2) 盐度波动事件：从由δ18O计算出的古盐度Z值的变化趋势来看，二叠纪末海水的盐度较高，到三叠纪初，盐度下降，海水有淡化的趋势。受这一盐度变化影响最大的是狭盐性生物，如、腕足类等，而双壳类、腹足类等广盐度生物受影响较小。可见二叠系/三叠系之交的盐度变化事件对当时生物的集群绝灭至少起了一定的加速作用。
在剖面上同时也可以见到火山事件的证据。在二叠纪晚期灰岩基质及三叠纪早期的泥灰岩中，均可见到具有溶蚀边的柱状长石和粒状石英，为火山成因。火山作用最重要的生态效应是由于CO2喷气造成大气中p(CO2)的升高。其结果是游离氧相对含量进一步降低和生态环境的进一步恶化，从而加剧了生物的衰亡和绝灭。
5 结论
(1)上二叠统长兴阶δ13C值保持较高的正值，反映了生物繁盛过程；下三叠统下部（罗楼组）δ13C值为负值到低正值，反映了二叠系—三叠系转换期的一次较大的生物绝灭事件。
(2)由δ18O值所反映的古温度来看，P/T界面之下海洋的温度曾有过4～5 ℃的升降，导致一批狭温生物的绝灭；由其反映的Z值来看，P/T界面处有盐度降低的趋势，对生物的绝灭起到了一定的加速作用。
(3)从晚二叠世晚期到早三叠世早期，古生物群经历了由繁盛到绝灭再到复苏的演化过程。其绝灭的原因是海平面变化、火山作用、以及古温度和古盐度变化等多种事件共同作用的结果。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（49672121）
作者简介：王国庆(1976— )，男，硕士研究生，矿物学、岩石学、矿床学专业，主要从事沉积地质学及地球化学研究工作。
王国庆（中国地质大学 地球科学学院，武汉 430074）
夏文臣（中国地质大学 地球科学学院，武汉 430074）
参考文献：
［1］ 杨遵仪，殷鸿福，吴顺宝，等.华南二叠—三叠纪过渡期地质事件［M］.北京：地质出版社，1987.1～379.
［2］ 杨万容,江纳言.浙江长兴长兴组和二叠—三叠界面的沉积特征及微相［J］.中国科学院南京古生物研究所丛刊，1981，2:113～138.
［3］ Yoshitaka Kakuwa.Permian-Triassic mass extinction event recorded in bedded
chert sequence in southwest Japan［J］.Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology，1996，121:35～51.
［4］ 陈锦石，邵茂茸，霍卫国，等.浙江长兴二叠系与三叠系界面地层的碳同位素［J］.地质科学，1984,1:88～93.
［5］ 黄思静.上扬子二叠/三叠系初海相碳酸盐岩的碳同位素组成与生物绝灭事件［J］.地球化学，1994,23(1):60～67.
［6］ 贵州省地质矿产局.贵州省区域地质志［M］.北京：地质出版社，1987.164～608.
［7］ 陈好寿.同位素地球化学研究［M］.杭州：浙江大学出版社，1994.330～333.
［8］ G.福尔著.同位素地质学原理［M］.潘曙兰,乔广生译.北京：科学出版社，1983.269～273.
［9］ 许靖华，何起祥，McKenzie J A,等.白垩纪末期生物大批死亡引起的环境变化及其演化意义［J］.长春地质学院学报，1982，1:1～14.
收稿日期：1999-07-12；修订日期：2000-1101-03 |
|
