Question

华南Triticites带高频冰川型海平面变化和碳同位素演化特征

Answer 1

刘本培

（中国地质大学地球科学系，北京　100083）

李儒峰

（石油大学盆地与油藏研究中心，北京昌平　102200）

摘要　对华南独山地区晚石炭世麦粒

（Triticites）带地层进行了详细的沉积层序分析和系统的碳同位素测定，识别出2个三级沉积层序和17个准层序，其可与北美中大陆同期地层中发现的2个三级沉积层序和17个亚层序对比，是晚石炭世Gzhelian期存在全球沉积记录同时性的佐证。探讨了碳同位素演化与全球海平面变化之间的内在联系，总结出了沉积层序内碳同位素演化规律，认为碳同位素在碳酸盐岩层序地层中的演化规律主要受不同周期的全球冰川型海平面变化控制。

关键词　层序地层　冰川海平面变化　Triticites带　碳同位素演化　华南

1　引言

晚石炭世是全球冰室效应发生阶段。华南独山地区（贵州）是中国石炭系经典剖面所在地，代表了石炭纪扬子板块的沉积演化史。扬子板块晚石炭世由于板内微型裂陷作用减弱，进入了构造稳定状态。

据国际流行划分方案，Gzhelian包括广义的Triticites带（Motiparaus带和Triticites带）、该带之下的Fusulinlla-Fusulina带和之上的Pseudoschwagerina-Sphaeroschwagerina带。研究区相当Gzhelian期地层为Triticites带。年代区间为295～290Ma^[4]（图1）。

鉴于研究区岩性为单一碳酸盐岩的特点，在层序地层分析时，笔者从微相和沉积旋回分析入手，通过暴露面^[9]、海进侵蚀面和海泛面识别层序和准层序，进而根据准层序的叠置形式识别沉积体系域^[6,7]，据此，在研究区Triticites带内识别出2个三级沉积层序和17个准层序（图1）。本文将论述Triticites带内沉积旋回与冰川型全球海平面变化、碳同位素组成特征之间内在联系。

图1　研究区Triticites带层序地层和δ¹³C演化关系SQ—层序；SB1—1型层序界面；PSQ—准层序；TR—Triticites；PS—Pseudoschwagerina；F.-F.—Fusu-linella-Fusulina；PSQS—准层序界面；ES—暴露面；TSE—海进侵蚀面；TST—海进体系域；HST—高水位体系域；EHST—早期高水位体系域；LHST—晚期高水位体系域；三角表示TR（PS）出现；五星表示TR富集；CS—凝缩段；负号和正号分别表示相对海平面的变化

2　Triticites带高频冰川型全球海平面变化

2.1　准层序的微相特征

研究区Triticites带准层序具旋回性沉积特征，其组成自下而上依次为：含少量生物屑泥晶灰岩、含单体珊瑚生物屑亮晶灰岩、含

生物屑亮晶灰岩、具鸟眼构造藻纹层泥晶灰岩，代表由开阔台地潮下向潮坪环境的演变过程。研究区Triticites带准层序均具间断加积旋回性质^[3]，表现为以底部海泛面开始海水突然加深，向上逐渐变浅，最后出现潮上暴露标志（图2），这种快速海进和缓慢海退特征与大陆冰川消长周期中快速融化和缓慢增长的机制吻合。

图2　Triticites带准层序特征

PAC—间断加积旋回，其它符号意义与图1相同

2.2　沉积体系域和层序界面类型

分析研究区Triticites带2个三级沉积层序中准层序组叠置型式与沉积体系域关系有下述规律：①TST内准层序向上呈变厚趋势，且潮下相泥晶灰岩比例高于潮坪相藻纹层泥晶灰岩，准层序组呈退积型叠置型式，反映了海平面上升可容纳空间逐渐增加的过程（准层序1～3，11～13）；②HST在碳酸盐台地（缓坡）背景下较为发育，根据准层序组叠置型式可分为早期高水位（EHST）和晚期高水位（LHST）两个阶段。EHST仍以厚层潮下泥晶灰岩为主，但可容纳空间已不再增加（准层序5～6）。LHST则表现为可容纳空间减小准层序厚度明显变薄，潮坪相藻纹层泥晶灰岩比例超过潮下相泥晶灰岩（准层序7～10）；③碳酸盐岩台地内及缓坡沉积环境下LST不发育，三级沉积层序仅由TST和HST两部分构成。

研究区Triticities带下部I型层序界面表现为层序1底部中厚层灰岩（TST）向东上超在达拉组顶部（Fusulinella-Fusulina带）巨厚层白云质灰岩（下伏层序的HST）之上。笔者认为该上超面是冈瓦纳大陆冰川事件引起海平面下降和再次上升阶段的产物，层序1顶界面是准层序10的顶，由具藻纹层泥晶灰岩构成，具潮上暴露标志，碳同位素呈明显的负异常。层序2底界以具棱角砾屑灰岩（准层11底部）为代表，是快速海平面上升期海水侵蚀下伏层序顶部（准层序10）形成的潮下滞留底砾岩层，层序顶界由缺失代表潮坪相具鸟眼构造藻纹层泥晶灰岩的准层序17构成（图1）。

2.3　沉积层序形成机制和对比范围

笔者对扬子板块和北美中大陆Triticities带内沉积层序进行了追踪对比，得出两点结论：一是二者Triticites带内均包括2个三级沉积层序^[2,7]，二是华南与北美中大陆Triticites带均包括17个四级海进－海退旋回，并且它们均具快速海进、缓慢海退的PAC性质，Trit-icites带最顶部沉积作用中均缺乏海退期沉积记录^[1,7]，因此，华南与北美中大陆Triticities带17个沉积旋回是可以进行对比的。

导致上述沉积旋回一致性的原因是：晚石炭世（Gzhelian）构造相对稳定的泛大陆（Pangea）已具雏型，上述各板块都处于大致相同的古纬度——热带和亚热带区内，冈瓦纳大陆冰川消长引起全球海平面变化对它们影响是相同的，因此，造成它们在Triticities带内均具2个三级沉积层序以及华南和北美中大陆均具17个四级沉积旋回，是全球沉积记录同时性的表现。但由于不同板块间构造环境和沉积速率等差异，相同级别海平面变化旋回形成沉积层序的地质记录内容并不一定相同，以华南和北美中大陆Triticities带的17个沉积旋回为例：北美中大陆位于阿巴拉契亚山前盆地附近^[5]，较大的沉降幅度和丰富的陆源碎屑供应，致使一次四级海平面升降（≥60m）过程形成亚层序级沉积记录；而华南独山地区晚石炭世（Gzhelian）处于构造稳定的清水碳酸盐岩台地环境，岩石类型单调，厚度很小，一次四级海平面升降过程仅形成准层序级别沉积记录。

3　Triticites带沉积层序内碳同位素演化

笔者在研究区晚石炭世Triticites带的2个层序和17准层序内系统采集了58件碳酸盐岩全岩样品进行碳同位素测定分析。分析结果见图1。

3.1　准层序内δ¹³C演化

研究区Triticites带的准层序中δ¹³C具明显演化规律。一般准层序底部δ¹³C值相对较高，向上逐渐减小，顶部δ¹³C值相对最小（图1）。研究证明，沉积环境的氧化－还原条件、有机碳（生物屑）埋藏速率和海水深度是控制δ¹³C分布的三个主要参数，而在清水碳酸盐沉积环境中前两个因素也主要受海水深度控制，因此，δ¹³C值能够反映海平面的变化。原因是：准层序均形成于海平面快速上升后又缓慢下降过程中，由于准层序底部形成时海水较深，有机碳埋藏速率高，且为还原条件，故δ¹³C值相对较高。随着海平面下降，海水逐渐变浅，有机碳埋藏速率降低，且与氧化环境接触机会增大，使有机碳氧化分解产生CO₂，它与沉积碳酸盐之间发生碳同位素交换，导致δ¹³C值变小。

3.2　沉积体系域内δ¹³C演化

联接每个准层序δ¹³C演化趋势线与准层序界面交点，发现TST内δ¹³C演化趋势线斜率大于90°，说明δ¹³C向上富集，反映海平面上升的过程。而HST内δ¹³C演化趋势线斜率小于90°，说明13C向上亏损，反映海平面下降的过程（图3）。

图3碳酸盐岩层序地层中δ¹³C演化规律

3.3　层序界面δ¹³C特征

研究区Triticites带内层序1顶界由准层序10的具鸟眼、晶洞构造的藻纹层泥晶灰岩构成，属潮间带上部至潮上带沉积环境，层序界面处δ¹³C均表现为负异常。层序2顶界由缺失藻纹层泥晶灰岩层的准层序17构成，层序界面处δ¹³C负异常虽不如层序1明显，但与上覆准层序18底的δ¹³C值（﹣0.36‰）相比变化幅度仍然较大，笔者认为海进侵蚀造成的地层缺失是导致层序2顶界δ¹³C负异常减弱的主要原因（图1）。

4　结论

华南独山地区晚石炭世Triticites带内识别出的2个三级沉积层序和17个准层序完全可与北美中大陆同期地层中发现的2个三级沉积层序和17个亚层序对比，为冰川型全球海平面变化所致，是晚石炭世Gzhelian期存在全球沉积记录同时性的佐证^[2,8]。同时表明：在构造相对稳定的以冰川型海平面变化为主的条件下，三级沉积层序乃至四级等高频沉积层序都可进行全球对比。但沉积记录具体内容仍受到多种因素叠加影响。

海相碳酸盐岩地层中碳同位素演化与全球海平面变化之间确实存在内在联系，因此，系统的碳同位素研究是碳酸盐岩层序地层分析中的有效工具。

致谢　本项研究是国家科委“八五”攀登（附加）项目《中国古大陆及其边缘层序地层和海平面变化研究》的部分成果。感谢薛叔浩教授和史晓颖教授对本文的详细审阅。

参考文献

[1]D.R.Boardman Ⅱ et al..Glacial-eustacy of theUpper Carboniferous-Lower Permian boundary strata in the North American Midcontinent.In:B.Beauchamp，A.Embry eds.Carboniferous to Jurassic Pangea，Program＆.Abstracts.Canadian Society of Petroleum Geologists，1993，28.

[2]R.M.Busch and H.B.Rollins.Correlation of Carboniferous strata using a hierarchy of transgressive-regressive units.Geology，1984，12，471～474.

[3]P.W.Goodwin and E.J.Anderson.Punctuated aggradational cycles:a general hypothesis of episodic stratigraphic accumulation.Journal of GeoIogy.1985，93，515～553.

[4]W.B.Harland et al..A geologic time scale.London，Cambridge University Press，1982，19～23.

[5]P.H.Heckel.Sea-level curve for Pennsylvanian eustatic marine transgressive-regressive depositional cycles along Midcontinent outcrop belt，North America.Geology，1986，14，330～334.

[6]李儒峰，刘本培.碳、氧同位素演化与碳酸盐岩层序地层学关系研究：以黔南马平组为例.地球科学——中国地质大学学报，1996，21（3），261～266.

[7]刘本培，李儒峰.黔南独山石炭系层序地层及麦粒

带冰川型海平面变化·地球科学——中国地质大学学报，1994，19（5），553～564.

[8]C.A.Ross and J.R.Ross.Late Paleozoic sea level and depositional sequences.Cushman Foundation for Foraminiferal Research，Special PubIication 24，1987.

[9]R.J.Weimer.Relation of unformities，and sea level changes，Ccretaceous of Westen Interior，USA.In:J.S.Schlee，ed.Interregional uniformities and hydrocarbon accoumulation.AAPG Memoir 36，1984，7～35.