豫西登封地區(qū)寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組古氣候演變記錄*

樊鈺超 齊永安 代明月 慶國(guó)帥 劉炳辰 白萬(wàn)備

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

1 概述

朱砂洞組源于馮景蘭和張爾道于1950年在河南平頂山市朱砂洞村創(chuàng)建的“朱砂洞石灰?guī)r系”(劉群等，1994)，該組分布于華北地臺(tái)南緣、西南緣和東北緣，為辛集組碎屑巖之上、饅頭組碎屑巖之下的一套灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖。馮增昭等(2002)在研究華北早古生代地臺(tái)巖相古地理時(shí)，將朱砂洞組整體劃入辛集組，并提出辛集期的古地理格局為：古陸在西北部，海洋在華北地臺(tái)南部和東北部，主要以潮坪環(huán)境為主，受古地形影響在河南境內(nèi)出現(xiàn)有局限海沉積，地臺(tái)南緣為開(kāi)闊海沉積；同時(shí)認(rèn)為寒武紀(jì)以后出現(xiàn)的白云巖基本上都是準(zhǔn)同生白云巖或者是準(zhǔn)同生后白云巖，而辛集組晚期(朱砂洞沉積期)的白云巖具有準(zhǔn)同生白云巖的特征。劉群等(1994)在研究華北地臺(tái)早寒武世朱砂洞組形成條件時(shí)，提出膏溶白云巖代表炎熱環(huán)境，灰?guī)r、豹斑灰?guī)r代表溫暖、濕潤(rùn)環(huán)境。陳松等(2013)和吳燦燦等(2018)對(duì)安徽地區(qū)寒武紀(jì)地層進(jìn)行研究，提出該地區(qū)早寒武世海水組成與新元古代略有差異，與正常海水特征一致；同時(shí)認(rèn)為朱砂洞組豹斑灰?guī)r形成于局限碳酸鹽巖臺(tái)地環(huán)境。齊永安等(2014)通過(guò)對(duì)河南登封地區(qū)朱砂洞組豹斑構(gòu)造中白云石及方解石含量分析，并將其分別命名，同時(shí)提出豹斑構(gòu)造是Thalassinoides造跡生物對(duì)沉積物改造后，經(jīng)成巖期白云巖化形成的。Zhang 等(2017)認(rèn)為豫西朱砂洞組以Thalassinoides為代表的深層生物擾動(dòng)者能夠自下向上將潛穴內(nèi)溶質(zhì)運(yùn)移到層面上，也可以通過(guò)增加沉積物—水界面的面積將海水帶入沉積物中，促進(jìn)海水與沉積物之間的物質(zhì)交換。

關(guān)于朱砂洞組的古氣候研究，王德有等(1992)在開(kāi)展河南省早寒武世巖相古地理及鉛鋅礦控礦環(huán)境研究時(shí)，將河南省朱砂洞組下段定為濱岸潮坪緩坡相潮上—潮間蒸發(fā)坪亞相，反映了朱砂洞組沉積早期氣候炎熱干旱，海水咸度偏高導(dǎo)致了膏溶灰?guī)r和石膏巖的沉積。劉群等(1994)在研究華北地臺(tái)早寒武世朱砂洞組成鹽條件時(shí)，提出膏溶白云巖代表炎熱環(huán)境，灰?guī)r、豹斑灰?guī)r代表溫暖、濕潤(rùn)環(huán)境。常玉光等(2012)在豫西朱砂洞組下段的白云巖中發(fā)現(xiàn)有小叢狀疊層石，通過(guò)顯微鏡鑒定發(fā)現(xiàn)其圍巖中可見(jiàn)石鹽、石膏假晶等淺水蒸發(fā)環(huán)境的產(chǎn)物，將其生活環(huán)境定為潮間藻云坪環(huán)境。盡管前人依據(jù)朱砂洞組下段發(fā)育的膏鹽沉積，將其認(rèn)定為形成于炎熱干旱的古氣候條件，但綜合巖石學(xué)、沉積學(xué)、地球化學(xué)和古生物學(xué)標(biāo)志來(lái)闡明該組的古氣候及其演變特征未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。研究區(qū)朱砂洞組既發(fā)育有膏溶灰?guī)r(白云巖)和石膏巖，也發(fā)育有微晶、泥晶灰?guī)r和白云巖；既發(fā)育有微生物成因的疊層石，也發(fā)育有后生動(dòng)物擾動(dòng)留下的豹斑灰?guī)r(白云巖)，對(duì)其古氣候及其演變展開(kāi)詳細(xì)的研究有助于了解華北地臺(tái)寒武紀(jì)早期古氣候特征，闡明顯生宙早期微生物、后生動(dòng)物及其與古氣候、古環(huán)境之間的關(guān)系具有重要的意義。因此，本文試圖通過(guò)對(duì)河南登封地區(qū)下寒武統(tǒng)朱砂洞組碳酸鹽巖的巖石學(xué)特征、主量和微量元素分析結(jié)合物理、化學(xué)和生物成因標(biāo)志來(lái)揭示朱砂洞組沉積期的古氣候及其演變特征。

圖 1 河南登封地區(qū)寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組關(guān)口剖面位置Fig.1 Location of Guankou section of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Dengfeng area，Henan Province

2 地層特征

關(guān)口剖面位于河南省西部登封市境內(nèi)(圖 1)，該剖面由老到新依次發(fā)育了寒武系第二統(tǒng)辛集組、朱砂洞組、饅頭組一段，苗嶺統(tǒng)饅頭組二、三段和張夏組，以及芙蓉統(tǒng)三山子組。其中第二統(tǒng)辛集組海侵初期的碎屑巖，朱砂洞組為濱—淺海相的碳酸鹽巖，饅頭組一段為潮坪相的碎屑巖夾碳酸鹽巖，苗嶺統(tǒng)饅頭組二、三段為潮坪和淺海相的碎屑巖夾碳酸鹽巖，張夏組為濱—淺海相的碳酸鹽巖，芙蓉統(tǒng)三山子組為潮坪相的碳酸鹽巖(裴放等，2008)。

關(guān)口剖面朱砂洞組總計(jì)厚度23.05im，底部以大套碳酸鹽巖與下伏辛集組土黃色砂巖整合接觸；頂部以大套碳酸鹽巖消失與上覆饅頭組一段紫紅色泥巖整合接觸(圖 2)。根據(jù)巖石類型及其生物成因標(biāo)志，關(guān)口剖面朱砂洞組具有以下沉積特征：

圖 2 河南登封關(guān)口剖面寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組沉積特征Fig.2 Sedimentary characteristics of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Guankou section in Dengfeng area，Henan Province

下部為深灰色—灰色巨厚層含燧石團(tuán)塊紋層狀白云巖、灰白色厚層含疊層石白云巖、膏溶白云巖，發(fā)育水平層理，局部發(fā)育包卷層理，厚6.9im(圖 2，Ⅰ段)；宏觀上，紋層狀白云巖多呈中—厚層狀，以發(fā)育水平層理為主，具有少量波狀層理和包卷層理(圖 3-A)，巖石表面有溶孔順層發(fā)育；可見(jiàn)小叢狀疊層石，局部發(fā)育燧石團(tuán)塊。顯微鏡下，紋層狀白云巖主要礦物成分為白云石，含少量方解石和石膏；白云石晶體呈自形—半自形，泥晶—微晶結(jié)構(gòu)(圖 3-B)。

上部為灰黑色—灰色中—厚層生物擾動(dòng)灰?guī)r，厚12.15im(圖 2，Ⅱ段)。豹斑灰?guī)r呈中厚至巨厚層狀，在野外露頭上十分容易識(shí)別；其中豹斑呈灰黑色—深灰色，主要成分為白云石，晶體呈菱形，風(fēng)化后凸出于層面之上；基質(zhì)顏色較淺，呈淺灰色—灰白色，主要成分為微晶(泥晶)方解石，風(fēng)化后凹入層面，兩者由于差異風(fēng)化導(dǎo)致巖石表面出現(xiàn)斑駁的特征，界限十分清晰(圖 3-C)。當(dāng)豹斑豐度高時(shí)，白云石的含量較高，方解石含量降低，豹斑灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)楸甙自茙r(圖 3-D)。豹斑為T(mén)halassinoides造跡動(dòng)物擾動(dòng)所致，并自下而上從條帶狀、花斑狀演變成為網(wǎng)格狀，揭示了當(dāng)時(shí)水動(dòng)力的逐漸變?nèi)酰鴿撗ㄏ到y(tǒng)也趨于復(fù)雜化、生物擾動(dòng)強(qiáng)度變大。

A—紋層狀白云巖，朱砂洞組下部(第2層)，發(fā)育紋層；B—紋層狀白云巖，朱砂洞組下部(第2層)，可見(jiàn)石膏，單偏光；C—豹斑灰?guī)r，朱砂洞組上部(第5層)；D—豹斑灰?guī)r，朱砂洞組上部(第5層)，發(fā)育Thalassinoides；E—紋層狀白云巖，朱砂洞組上部(第12層)，局部富集燧石團(tuán)塊；F—紋層狀白云巖，朱砂洞組上部(第12層)，可見(jiàn)石膏，單偏光圖 3 河南登封關(guān)口剖面寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組巖性特征Fig.3 Lithological features of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Guankou section in Dengfeng area，Henan Province

頂部為灰色—深灰色巨厚層紋層狀白云巖， 局部富集燧石團(tuán)塊，厚4.0im(圖 2， Ⅲ 段； 圖 3-E)； 紋層狀白云巖主要為泥—微晶結(jié)構(gòu)(圖 3-F)， 與第 Ⅰ 段紋層狀白云巖特征相似。 朱砂洞組古生物化石稀少， 頂部白云巖產(chǎn)三葉蟲(chóng)化石Redlichiachinensis(裴放等，2008)， 年代地層屬于為寒武系第二統(tǒng)第 4 階。

3 研究材料與方法

對(duì)河南登封地區(qū)關(guān)口剖面下寒武統(tǒng)朱砂洞組進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量和高密度的樣品采集，樣品間隔通常為0.5～2im，共采集22塊樣品，每塊重10～30ig。同時(shí)，所有用于主量、微量元素分析的樣品均來(lái)自新鮮、相對(duì)未風(fēng)化的細(xì)粒碳酸鹽巖。在取樣過(guò)程中避免碳酸鹽結(jié)核和不規(guī)則薄層或透鏡體，并從辛集組頂部至饅頭組底部連續(xù)取樣，確保研究對(duì)象朱砂洞組樣品連續(xù)完整。

用于本次研究的主量、微量元素樣品選取沒(méi)有遭受風(fēng)化剝蝕的巖石樣品，采集樣品時(shí)選取沒(méi)有方解石脈且新鮮的樣品，隨后用去離子水清洗之后使用瑪瑙碾缽將其粉碎，使用200目的篩子選取巖石粉末裝入牛皮紙袋，送往澳實(shí)分析檢測(cè)(廣州)公司使用Agilent 7700e ICP MS測(cè)試完成。微量元素濃度的分析精度優(yōu)于5%，大多數(shù)情況下檢測(cè)限小于或等于2 μg/g。Ba、Cr、Rb、Sr和V的檢測(cè)限為5 μg/g。

4 地球化學(xué)特征

4.1 成巖蝕變?cè)u(píng)估

表 1 河南登封關(guān)口剖面寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組地球化學(xué)特征Table1 Geochemical characteristics of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Guankou section in Dengfeng area，Henan Province

4.2 主量元素特征

關(guān)口剖面朱砂洞組巖石樣品的主量元素含量見(jiàn)表 1，所采樣品中的CaO(平均39.95%)和MgO(平均12.735%)具有較高的含量，同時(shí)MnO(平均0.02%)和SiO2(平均2.23%)的含量相對(duì)略低，而代表陸源組分的氧化物，如Al2O3、TFe2O3、K2O和Ti2O等的平均含量特別低(分別為0.26%、0.23%、0.13%和0.01%)，說(shuō)明沉積時(shí)陸源物質(zhì)對(duì)關(guān)口剖面朱砂洞組影響很小，沉積環(huán)境為沒(méi)有陸源物質(zhì)影響的海相環(huán)境。

4.3 微量元素特征

圖 4 河南登封關(guān)口剖面寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組微量元素UCC標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖Fig.4 Spidergrams of UCC-normalized trace elements of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Guankou section in Dengfeng area，Henan Province

5 討論

5.1 研究區(qū)朱砂洞組古氣候演變

5.1.1 古氣候的巖石學(xué)、沉積學(xué)與古生物學(xué)證據(jù)

現(xiàn)代蒸發(fā)巖研究表明，石膏是通過(guò)蒸發(fā)作用產(chǎn)生的化學(xué)沉積而形成的礦物(趙錫文，1992；劉群等，1994)?，F(xiàn)代巖鹽和石膏往往是在干旱炎熱的低緯度地區(qū)發(fā)育沉積，主要是介于緯度10°～45°之間，當(dāng)溫度在30i℃左右，海水鹽度提高，碳酸鹽轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，這時(shí)石膏就開(kāi)始沉積(張國(guó)仁，1997)。根據(jù)古地磁記錄，寒武紀(jì)華北地臺(tái)處于赤道附近(Zhaoetal.， 1992;Huangetal.， 2000;Yangetal.， 2002)，屬于熱帶—亞熱帶氣候。此外，研究區(qū)朱砂洞組紋層狀白云巖段常見(jiàn)膏溶灰?guī)r或膏溶角礫巖、含石膏或石鹽假晶的碳酸鹽巖，其沉淀階段為碳酸鹽巖—石膏階段，局部還可能發(fā)展到石鹽階段，常見(jiàn)的礦物為石膏和硬石膏(王德有等，1992)，也常見(jiàn)有順層溶孔、石鹽假晶和燧石團(tuán)塊，反映出沉積期的古氣候炎熱干旱。

而豹斑灰?guī)r段以發(fā)育Thalassinoides形成的復(fù)雜潛穴系統(tǒng)為特征。這些潛穴系統(tǒng)與現(xiàn)代潮濕氣候條件下泥質(zhì)潮間和潮下環(huán)境中掘穴生物Callianassasubterranea建造的潛穴系統(tǒng)最為相近(Stamhuisetal.， 1997)。它們的造跡活動(dòng)導(dǎo)致海水中溶解的氧和營(yíng)養(yǎng)物能夠被有效地運(yùn)移至潛穴，提升潛穴及擾動(dòng)沉積物中溶解的氧和營(yíng)養(yǎng)物含量，促進(jìn)了海水與沉積物的生物地球化學(xué)循環(huán)，表明只有在潮濕氣候條件下才會(huì)有大量后生動(dòng)物在此造跡。同時(shí)，沉積物中未見(jiàn)溶孔和鳥(niǎo)眼構(gòu)造，顯微鏡下灰?guī)r或白云巖中也未發(fā)現(xiàn)在紋層狀白云巖段常見(jiàn)的石膏和硬石膏，反映了溫暖潮濕的氣候條件。

5.1.2 古氣候的地球化學(xué)證據(jù)

微量元素的組成、豐度及其比值都會(huì)受到沉積環(huán)境、氣候背景的影響。而這些復(fù)雜的地球化學(xué)平衡，就為利用微量元素變化重建古氣候提供了科學(xué)依據(jù)(顏佳新和伍明，2006)。利用對(duì)古氣候變化反映比較靈敏，且沉積后相對(duì)穩(wěn)定、以自生為主的多個(gè)微量元素及相關(guān)比值相互佐證，并且與區(qū)域巖石學(xué)特征相結(jié)合，可以很好地還原地質(zhì)時(shí)期的古氣候特征及其演化過(guò)程。

圖 5 河南登封關(guān)口剖面寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組古氣候演化記錄Fig.5 Paleoclimatic variation records of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Guankou section in Dengfeng area，Henan Province

由于海水和海相沉積物都普遍具有較低含量的Cu，而Sr卻相對(duì)比較豐富(鄧宏文和錢(qián)凱，1993；謝尚克等，2010；梁文君等，2015)，沉積物中Sr/Cu值和Rb/Sr值具有高度的正相關(guān)性，可以用于分析古氣候的演變(Caoetal.， 2015)。也就是說(shuō)，沉積物的Sr/Cu值較高、Rb/Sr值較低指示溫暖濕潤(rùn)的氣候條件；反之則指示炎熱干旱的氣候背景。研究區(qū)朱砂洞組Rb/Sr值為 0.01～0.16，平均值0.04，Sr/Cu值為21.08～102.94，平均值58.16，且具有較好的負(fù)相關(guān)性(圖 5)。在朱砂洞組下部紋層狀白云巖段，Sr/Cu值存在明顯低值，而Rb/Sr值存在明顯的高值，說(shuō)明在當(dāng)時(shí)氣候炎熱干旱，此時(shí)紋層狀白云巖正是在這種炎熱干旱的氣候條件下沉積的；而在上部豹斑灰?guī)r段，Sr/Cu值開(kāi)始升高，而Rb/Sr值則表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，這就暗示了該階段為干熱的半濕潤(rùn)氣候；到朱砂洞組頂部紋層狀白云巖段，Rb/Sr值和Sr/Cu值出現(xiàn)與朱砂洞組底部紋層狀白云巖相同的變化趨勢(shì)，所以該階段也具有炎熱干旱的氣候背景(圖 5)。

從上述巖石學(xué)、沉積學(xué)和化學(xué)元素含量分析，研究區(qū)朱砂洞組從下部紋層狀白云巖段，到上部豹斑灰?guī)r段，再到頂部紋層狀白云巖段，構(gòu)成了一個(gè)海進(jìn)—海退序列，古氣候從下部紋層狀白云巖段的炎熱干旱，到上部豹斑灰?guī)r段的溫暖潮濕，再到頂部紋層狀白云巖段的炎熱干旱，具有明顯的階段性變化(圖 2，圖 5)。

表 2 華北地區(qū)滄浪鋪期到龍王廟早期地層對(duì)比及古氣候演變Table 2 Stratigraphic correlation and paleoclimatic evolution of the Canglangpu to Early Longwangmiao Periods in North China

5.2 華北地區(qū)朱砂洞組沉積期古氣候演變對(duì)比分析

寒武紀(jì)華北地臺(tái)構(gòu)造穩(wěn)定，沒(méi)有經(jīng)歷強(qiáng)烈的升降運(yùn)動(dòng)(陳榮坤和孟祥化，1993)。寒武紀(jì)早期整個(gè)華北地臺(tái)被長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕，因此沒(méi)有梅樹(shù)村—筇竹寺期沉積記錄，到滄浪鋪期華北地臺(tái)廣泛接受海侵。在滄浪鋪期早期，華北地層區(qū)的遼吉小區(qū)大林子組(黑溝組)、蘇皖小區(qū)溝后組以及魯西小區(qū)李官組上部均發(fā)育大套的蒸發(fā)巖，富含石鹽假晶，含石膏及膏溶角礫巖，缺少生物化石，說(shuō)明當(dāng)時(shí)的氣候?yàn)檠谉岣珊登覐?qiáng)蒸發(fā)的環(huán)境，可與研究區(qū)朱砂洞組下部紋層狀白云巖段相對(duì)應(yīng)。研究區(qū)朱砂洞組下部紋層狀白云巖段大量的石膏礦物以及燧石團(tuán)塊，也缺乏生物化石，在河南辛集地區(qū)朱砂洞組下部發(fā)現(xiàn)有石膏礦(溫同想和徐松綠，1997)。到了滄浪鋪晚期，由于進(jìn)一步海侵，遼吉小區(qū)燕山地區(qū)、遼西和遼東的堿廠組發(fā)育豹斑灰?guī)r，并且發(fā)現(xiàn)三葉蟲(chóng)等化石，尤其在遼南地區(qū)發(fā)現(xiàn)有古杯類造礁生物發(fā)育(洪作民等，1990)。蘇皖小區(qū)猴家山組和魯西小區(qū)朱砂洞組均發(fā)現(xiàn)有三葉蟲(chóng)Megapalaeolenus(張國(guó)仁，1997)，這與研究區(qū)朱砂洞組上部發(fā)育豹斑灰?guī)r一致，說(shuō)明當(dāng)時(shí)氣候開(kāi)始變得相對(duì)溫暖潮濕，適合后生動(dòng)物生活。而到了龍王廟早期，氣候再一次轉(zhuǎn)變?yōu)檠谉岣珊担|南饅頭組大后海段、山東沂水的朱砂洞組余糧村段廣泛發(fā)育了1套紫紅色鈣泥質(zhì)沉積(張國(guó)仁等，1996)，而且在華北很多地區(qū)也發(fā)現(xiàn)有石鹽假晶，如遼西、冀東、魯南、太行山東等，這與研究區(qū)朱砂洞組頂部紋層狀白云巖段發(fā)現(xiàn)有石膏礦物以及局部富集燧石團(tuán)塊相一致。從上述特征可知，整個(gè)華北地區(qū)寒武紀(jì)滄浪鋪期到龍王廟早期(華北地區(qū)寒武紀(jì)第1次碳酸鹽沉積期)具有相似的古氣候演變特征，即從炎熱干旱到溫暖潮濕再到炎熱干旱的變化(表 2)。

6 結(jié)論

1)根據(jù)巖石類型及其組合關(guān)系，結(jié)合生物成因標(biāo)志、沉積構(gòu)造特征，研究區(qū)朱砂洞組可分為下部的紋層狀白云巖段、上部的豹斑灰?guī)r段和頂部的紋層狀白云巖段3個(gè)巖性段，構(gòu)成了一個(gè)海進(jìn)—海退序列。紋層狀白云巖段發(fā)育順層溶孔、燧石團(tuán)塊，白云巖中可見(jiàn)石膏，反映了炎熱干旱的氣候條件。

2)Mn含量、Sr/Cu值、Rb/Sr值、MgO/CaO值均反映出研究區(qū)朱砂洞組古氣候從下部紋層狀白云巖段的炎熱干旱，到上部豹斑灰?guī)r段的溫暖潮濕，再到頂部紋層狀白云巖段的炎熱干旱，具有明顯的階段性變化。

3)在華北其他地區(qū)，與研究區(qū)朱砂洞組紋層狀白云巖段同期沉積物中發(fā)育有大套蒸發(fā)巖、膏溶角礫巖、石鹽假晶、燧石團(tuán)塊，顯示了同樣的炎熱干旱氣候；與豹斑灰?guī)r段同期沉積物中發(fā)育有三葉蟲(chóng)和古杯類造礁生物等化石，反映了相同的溫暖潮濕氣候，表明研究區(qū)朱砂洞組的古氣候變化在整個(gè)華北地區(qū)具有可對(duì)比性。