揚子地區(qū)早志留世古環(huán)境、古氣候綜述

羅瑞

成都理工大學沉積地質(zhì)研究院 四川 成都 610059

志留紀早期全球氣候變化顯著的一個時期，發(fā)生了氣候變暖，冰川融化、海平面上升、火山活動等一系列密切相關(guān)的氣候事件，其古氣候和古環(huán)境研究對于理解全球氣候、環(huán)境演化具有重要意義。隨著上揚子地區(qū)早志留世龍馬溪組油氣勘探取得重大突破，眾多學者對揚子地區(qū)這一時期的古氣候、古環(huán)境如何促進有機質(zhì)富集展開了詳細的研究，獲得了大量龍馬溪組時期的古氣候、古環(huán)境信息，極大的推動了這一領(lǐng)域的發(fā)展，真實的還原了當時的古氣候和古環(huán)境條件。

目前存在多種衡量古氣候、古環(huán)境的指標，大致可以劃分為古生物學、沉積學、礦物學、地球化學等四類。古生物往往生長于特定的環(huán)境中，利用古生物可以還原同期的環(huán)境，吉中地區(qū)晚志留世-早泥盆世廣泛發(fā)育名為Retziella的暖水動物群，分布于熱帶、亞熱帶。早二疊世開始發(fā)育涼水動物群，古生物群落的轉(zhuǎn)變明顯是受卡魯冰期的控制作用[1]。上揚子黔北和渝南一帶的珊瑚礁反映了當時溫暖的氣候[2]。根據(jù)風暴沉積特征，揚子地區(qū)當時處于赤道附近，溫度的上升導(dǎo)致溫差變大，促進風暴的形成并留下沉積記錄[3-4]。在礦物學方面，石英和黏土礦物相對含量真實的反映了風化程度，一定程度上反映了氣候的條件，溫暖濕潤的氣候有助于風化作用[5]。研究最為詳盡的當屬地球化學指標，得益于科學技術(shù)的迅速發(fā)展，高精度的地球化學分析手段廣泛應(yīng)用于地質(zhì)研究中，多種指標的運用已經(jīng)十分成熟，形成嚴格精確的體系，基于地球化學的指標可以恢復(fù)古溫度、古鹽度、古水深、氧化還原條件、干濕條件等多個維度的氣候與環(huán)境信息。

揚子地區(qū)早志留世的古氣候與古環(huán)境研究已經(jīng)取得了顯著的進展，考慮到可對比性和資料的豐富程度，本文收集了研究區(qū)過去一段時間內(nèi)的地球化學數(shù)據(jù)，旨在綜合對比早志留世的氣候環(huán)境記錄，重建揚子地區(qū)早志留古氣候、古環(huán)境，更全面地認識地球演化過程。

1 地質(zhì)概況

揚子地區(qū)分為上、中、下三個部分，包括四川盆地、秭歸盆地、蘇北-南黃海盆地及其周緣地區(qū)。志留紀時期在加里東運動的影響下，揚子陸塊與華夏陸塊發(fā)生碰撞，揚子地區(qū)普遍抬升，沉積環(huán)境改變，造成了上志留統(tǒng)地層的大面積缺失[6]。

2 古氣候、古環(huán)境指標

巖石中的地球化學元素根據(jù)其含量和特征可以劃分為主量元素、微量元素、稀土元素三類。不同的沉積環(huán)境中，巖石所含元素的含量會發(fā)生變化，K、Na、Ca、Mg等元素在風化作用較強的環(huán)境中容易流失，而Al、Si、Ti、Zr等元素抗風化能力強，不易受溫度和氧化還原條件影響，可以穩(wěn)定的保存在巖石中，從而富集。因此根據(jù)元素的物理化學特性，可以賽選出一系列反應(yīng)沉積環(huán)境的元素，作為可靠的古氣候、古環(huán)境指標[7]。

2.1 古氣候指標

（1）氣候指數(shù)C

在潮濕條件下，過渡金屬元素Fe、Mn、Cr、V等容易富集，在干旱條件下，Ca、Mg、Na、Sr等元素容易富集?？梢杂脷夂蛑笖?shù)C來表示這類元素的特征，計算公式為C=Σ[ω（Fe）+ω（Mn）+ω（Cr）+ω（Ni）+ω（V）+ω（Co）]/Σ[ω（Ca）+ω（Mg）+ω（Sr）+ω（Ba）+ω（K）+ω（Na）][8]，氣候指數(shù)0～0.2指示干旱氣候，0.2～0.4指示半干旱氣候，0.6～0.8指示潮濕氣候。計算得出川西南地區(qū)的氣候指數(shù)C值為0.03～0.26，平均值0.11，表明早志留時期為干旱-半干旱氣候，并在早志留末期有向潮濕轉(zhuǎn)變的趨勢[9]。

（2）CIA

CIA（化學蝕變指數(shù)）是衡量物源區(qū)化學風化程度的重要參數(shù)，其計算公式為：CIA=[Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）]×100，CaO*指代硅酸鹽礦物中的CaO，不包括碳酸鹽以及磷灰石中的CaO。通常情況下，CIA為50～65表示物源風化程度低，65～85表示中等風化，85～100表示強風化作用[10]。在上揚子地區(qū)，下志留統(tǒng)CIA值為57～81，平均值70左右[11-13]；中揚子地區(qū)下志留統(tǒng)CIA為54～81，平均值介于67～78[14-16]。下?lián)P子地區(qū)CIA為63～71，平均值68左右[17]?？傮w上，自下而上呈上升趨勢。

（3）CIW

CIW（化學風化指數(shù)）也是判斷化學風化程度的重要指數(shù)，相較于CIA指數(shù)，CIW不計算K2O，可以排除成巖過程中鉀交代作用對CIA指數(shù)的影響，其計算公式為CIW=100×[Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O）]。顯生宙頁巖的CIW值為85，當測試值大于85，對應(yīng)的值越高，風化作用越強烈，反映源區(qū)氣候條件越趨近于溫暖濕潤[18]。揚子地區(qū)下志留統(tǒng)化學風化指數(shù)大多介于50～80，僅下志留統(tǒng)上部出現(xiàn)大于85的值，最高達91。風化程度自下而上呈現(xiàn)低等至中等逐漸增強的趨勢[16，19-22]。

（4）PIA

PIA為斜長石蝕變指數(shù)，僅表示斜長石的風化程度，其計算公式為PIA=100×（Al2O3+K2O）/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O），由于CIW忽略了鉀長石中的鋁，導(dǎo)致數(shù)值偏大，PIA指數(shù)可以去除鉀長石中的鋁含量，從而獲得更精確的結(jié)果[23]。新鮮巖石的PIA值為50，高嶺石、伊利石、蒙脫石等黏土礦物的PIA則接近100。揚子地區(qū)下志留統(tǒng)下部，PIA值為40～75，上部增大，介于75～85，指示低等風化程度向中等風化程度的過渡[13，19，21]。

（5）Sr/Cu

Sr為喜干型元素，在干燥條件下隨著蒸發(fā)作用加強而大量析出賦存于水底，繼而保存在沉積巖中。Cu為喜濕型元素，在潮濕的條件下更容易富集。因此，可以通過Sr/Cu比值來識別氣候。當Sr/Cu＜1.3時，指示潮濕氣候；Sr/Cu值為1.3～5時，指示溫暖濕潤的氣候；Sr/Cu值為＞5時，指示炎熱干旱的氣候[24]。揚子地區(qū)下志留統(tǒng)Sr/Cu比值大多介于1.3～5，少數(shù)小于1.3或大于5，這一時期氣候以溫暖濕潤為主[7，25，26]。在下志留頂部比值增大達20，指示向干旱氣候轉(zhuǎn)變的趨勢[9，27]。

2.2 沉積環(huán)境指標

2.2.1 氧化還原條件

（1）U/Th

U和Th在還原條件下均不易溶解，在氧化條件下有明顯的差異性，氧化條件下Th僅以+4價存在且不易溶解，U在氧化條件下易溶而造成虧損。當U/Th＜0.75時，指示氧化環(huán)境；U/Th值介于0.75～1.25時 指示貧氧環(huán)境；U/Th＞1.25時，指示強烈缺氧環(huán)境[28]。揚子地區(qū)下志留統(tǒng)下部U/Th基本大于1.25，為厭氧環(huán)境；上部U/Th值逐漸降低，比值介于0.3～0.6，為氧化環(huán)境[9，22，26]。

（2）V/Cr

V/Cr是識別古環(huán)境的有效標志，V在還原條件下易溶解而氧化條件下易沉淀，Cr的特征與V相反。研究表明，V/Cr＜2 時為氧化環(huán)境，V/Cr為 2.00～4.25 時為貧氧環(huán)境，V/Cr＞4.25 時為缺氧環(huán)境[28]。揚子地區(qū)下志留統(tǒng)底部V/Cr＞4.25，中上部＜2，由下到上沉積環(huán)境發(fā)生了貧氧到有氧的轉(zhuǎn)變[20，29，30]。

（3）V/（V+Ni）

V/（V+Ni）比值也常作為古氧相的判別指標，V/（V+Ni）＜0.45時，指示氧化環(huán)境；0.45＜V/（V+Ni）＜0.5時，指示貧氧環(huán)境；V/（V+Ni）＞0.5時，指示強烈缺氧環(huán)境[31]。下?lián)P子地區(qū)下志留統(tǒng)樣品V/（V+Ni）大多為0.6～0.8，僅上部存在部分樣品為0.45～0.5。

（4）Ni/Co

Ni在氧化條件下易溶解而還原條件下易沉淀，Co與之相反，在氧化條件下易于沉淀，根據(jù)兩種元素對氧化還原條件的敏感性，可以用Ni/Co可以指示沉積時的氧化還原條件。Ni/Co＜5時，為氧化環(huán)境；介于5～7時，為貧氧環(huán)境；Ni/Co＞7時，為厭氧環(huán)境[28]。揚子地區(qū)下志留統(tǒng)下部Ni/Co為7～15，為厭氧條件；中上部逐漸降低，向貧氧至氧化條件過渡，上部比值最低接近3。

2.2.2 古鹽度

（1）Sr/Ba

Sr和Ba兩種元素在不同的鹽度條件下，表現(xiàn)出的不同的性質(zhì)。當處于較低鹽度時，水體兩者都能溶解在水體中，隨著鹽度增加，Ba會先發(fā)生沉淀，只有水體鹽度達到較高的值后，Sr才會從水中沉淀出來。因此，可用Sr/Ba比值來指示古鹽度。Sr/Ba＞1為海相咸水，0.5～1為海陸過渡，Sr/Ba＜0.5為陸相淡水。下?lián)P子地區(qū)下志留統(tǒng)Sr/Ba為0.1～0.4，自下而上比值逐漸減小，鹽度增大，總體上屬于淡水沉積。

3 結(jié)論

上述多種古氣候與古環(huán)境指標總體上呈現(xiàn)一致的規(guī)律性，且符合全球早志留世間冰期的特征。揚子地區(qū)早志留世早期為溫暖濕潤氣候，水體相對較深，鹽度較小，處于還原環(huán)境，物源區(qū)風化程度高。早志留世的中晚期氣候穩(wěn)定且緩慢過渡為干旱氣候，水體變淺，鹽度增大，轉(zhuǎn)變?yōu)榇窝趸?氧化環(huán)境，物源區(qū)風化程度。