前寒武紀(jì)中國前寒武紀(jì)寒武紀(jì)過渡期海水Sm-Nd同位素特征及其意義

前寒武紀(jì)中國前寒武紀(jì)寒武紀(jì)過渡期海水Sm-Nd同位素特征及其意義

生物和沉積物中的硫酸鹽含量是確定古生代海洋sm-nd含量最合適的樣品。shaw和skeersburg首次使用這些樣品測定了古代太平洋和古代大西洋的nd（t）值。然后，keto和jacoben測量了北美、歐洲和美國東南部的牙齒、手腕和足部樣本。研究結(jié)果表明，早古生代磺i和古代大西洋（t）的含量為10-20，古代大西洋（t）的含量為5-9。他們的研究表明，不同的古陸地水域可以根據(jù)不同的nd（t）值來區(qū)分，這表明sm-nd-w水平在古代海洋地質(zhì)勘重建中的重要意義。但是目前所發(fā)表的數(shù)據(jù)還比較少,而且主要局限于北美和歐洲地區(qū),因此遠(yuǎn)不足以準(zhǔn)確描述顯生宙期間全球主要海洋的面貌.另一個不足之處是,特別缺乏一些重要界線時期的數(shù)據(jù),例如前寒武紀(jì)—寒武紀(jì)界線時期的數(shù)據(jù)一個也還沒有.筆者曾報道過對中國吉林大陽岔寒武系—奧陶系界線剖面中化石的Sm-Nd同位素測定結(jié)果.本文報道中國3個重要的前寒武系—寒武系界線剖面中的磷質(zhì)化石和膠磷礦的Sm-Nd同位素測定結(jié)果,討論中國古海水在晚前寒武紀(jì)到寒武紀(jì)期間εNd(T)值的變化情況及其在古海洋地理研究方面的意義.1梅樹村階地層格架及其地層序列本次測定的樣品分別采自云南晉寧梅樹村剖面、四川峨嵋麥地坪剖面和新疆柯坪烏什剖面.它們都是中國3個重要的前寒武系—寒武系界線剖面(圖1).梅樹村剖面位于云南省昆陽磷礦.其中屬于前寒武紀(jì)—寒武紀(jì)過渡期的梅樹村階地層包括漁戶村組上部的小歪頭山段碳酸鹽巖、中誼村段磷酸鹽巖和大海段碳酸鹽巖,以及筇竹寺組下部的八道灣段黑色頁巖和粉砂巖.根據(jù)小殼化石,梅樹村階自下而上可分為3個化石帶:Ⅰ.Anabarites-Protohertzina帶;Ⅱ.Paragloborilus-Siphogonuchites帶;Ⅲ.Sinosachites-Lapworthella帶.與西伯利亞地臺區(qū)的剖面相比,梅樹村階的第I化石帶相當(dāng)于Manykayn階或Nemakit-Daldin層;梅樹村階的第Ⅱ和Ⅲ化石帶則與Tommotian階大體相當(dāng)。在其之上的筇竹寺階(包括第Ⅳ和Ⅴ化石帶),以最古老的三葉蟲化石出現(xiàn)為特征,屬于Atdabanian階,梅樹村剖面中有4個可供選擇的界線參考點(diǎn),其中A點(diǎn)位于歪頭山段的近底部,即第Ⅰ化石帶開始出現(xiàn)的層位;B點(diǎn)位于中誼村段上部,剖面第7層底部,即第I和第Ⅱ化石帶分界處.盡管層型剖面和層型點(diǎn)的選擇還沒有最后確定,國內(nèi)外大多數(shù)專家目前傾向于以B點(diǎn)作為界線層型點(diǎn).筆者曾采用Sm-Nd等時線方法測定了梅樹村剖面中誼村段磷塊巖中的磷質(zhì)化石和膠磷礦樣品,測得中誼村段的沉積年代約為距今562Ma.麥地坪剖面位于四川峨嵋山下,與梅樹村剖面同處在揚(yáng)子地臺西部邊緣,它們相似的巖石地層序列和化石組合特征為地層對比提供了有利條件.在麥地坪剖面中,梅樹村階地層自下而上包括洪椿坪組的貓兒崗段頂部和麥地坪段,以及九老洞組的中、下段,其中貓兒崗段頂部相當(dāng)于小歪頭山段,麥地坪段相當(dāng)于中誼村段及大海段,九老洞組的中、下段相當(dāng)于八道灣段.麥地坪段以白云巖和含磷白云巖為主,夾硅質(zhì)層和磷礦層,富含小殼化石.本次測定的膠磷礦樣品MD32和磷質(zhì)化石樣品MD37和38,分別采自屬于麥地坪段的第32,37和38層.烏什剖面位于新疆塔里木盆地西緣上的柯坪地區(qū)烏什縣烏什磷礦.在烏什剖面中,梅樹村階地層僅由厚約8m的玉爾吐斯組為代表.玉爾吐斯組底部與奇格布拉克組白云巖之間為平行不整合接觸,頂部與含筇竹寺階晚期三葉蟲化石的肖爾布拉克組灰?guī)r之間為連續(xù)過渡.玉爾吐斯組底部厚約1.4m的硅質(zhì)磷塊巖和白云巖透鏡體中含有屬于梅樹村階第I化石帶的小殼化石Anabarites,Parotohertzina等;中、上部白云巖和白云質(zhì)磷塊巖中含有的小殼化石則屬于梅樹村階第Ⅱ,Ⅲ化石帶.本次測定的膠磷礦樣品為Nj93和Nj99,分別采自玉爾吐斯組的底部和中下部.2b,sr元素小殼化石從經(jīng)過冰乙酸處理后的磷塊巖樣品中挑選出來,然后用超純鹽酸和超純水反復(fù)清洗,最后用雙目顯微鏡精心挑選出不粘雜質(zhì)的化石樣品.膠磷礦樣品粉碎研磨至小于200目,置于超純鹽酸中一晝夜,溶液經(jīng)離心后去除不溶殘?jiān)?化學(xué)分離流程采用兩套陽離子交換柱,第一套交換柱分離和收集總稀土及Rb,Sr元素;第二套交換柱分離和收集Sm和Nd元素,Nd和Sm的含量采用質(zhì)譜同位素稀釋法測定,樣品的Nd同位素比值是用未加稀釋劑的一份樣品單獨(dú)測定得到.實(shí)驗(yàn)室全流程空白是60pg,對標(biāo)準(zhǔn)樣BCR-1的Nd同位素比值測定為0.511860±8(標(biāo)準(zhǔn)化值146Nd/142Nd=0.636151).樣品的處理和同位素實(shí)驗(yàn)方法已有詳述.對3個地區(qū)的前寒武系一寒武系界線剖面地層中總共11個磷質(zhì)化石和膠磷礦樣品的Sm-Nd同位素測定結(jié)果列于表1.11個樣品的fSm/Nd值均為負(fù)值,反映了古代海水也如現(xiàn)代海水一樣,其Sm和Nd主要是來自于輕稀土富集的陸源區(qū).11個樣品的fSm/Nd值平均值為—0.4,與陸殼平均值(—0.4)一致.樣品的fSm/Nd值之間有明顯差異,但它們的εNd(T)值卻相似,在—6.1到—7.1之間,最大值和最小值之間僅相差1,該差別已接近實(shí)驗(yàn)誤差的大小,因此,可以認(rèn)為所有被測樣品的εNd(T)值是基本一致的.3古海水磷質(zhì)成分測定結(jié)果本次測定的樣品均為海洋自生礦物樣品(小殼化石和膠磷礦樣品),它們均采自同一時代而地區(qū)不同的3個界線剖面地層中,測定的εNd(T)值基本一致,則必須應(yīng)滿足以下兩個基本條件:(1)被測樣品記錄了當(dāng)時古海水的Sm-Nd同位素特征,并保持至今;(2)在當(dāng)時,3個地區(qū)的古海水具有均一的Sm-Nd同位素組成.因此,由本次實(shí)驗(yàn)獲得了在前寒武紀(jì)一寒武紀(jì)過渡期中國海水的εNd(T)值,為-6.6±0.5.3個地區(qū)界線地層的磷質(zhì)樣品的εNd(T)值相差很小,其差別小于現(xiàn)代海洋同一洋盆中海水的εNd值的差別.現(xiàn)代太平洋的εNd(T)值在—1到—4之間,印度洋的值在—7到—10之間,大西洋的值在—8到—15之間.這表明在前寒武紀(jì)一寒武紀(jì)過渡時期,中國這3個地區(qū)的海水是同處于一個洋盆.雖然有資料表明,梅樹村剖面和麥地坪剖面所處的揚(yáng)子地臺與烏什剖面所處的塔里木地臺,在前寒武紀(jì)一寒武紀(jì)過渡期很可能是相互分離的,然而小殼化石組合和早寒武世三葉蟲化石組合表明,它們是屬于同一個大的生物地理區(qū).這一點(diǎn)由本次對古海水的Sm-Nd同位素測定中得到進(jìn)一步證實(shí),表明它們是共洋的.4全球生物區(qū)的劃分表2中列出本次測定結(jié)果和已發(fā)表的中國古海水的Sm-Nd同位素值圖2顯示本次研究的地點(diǎn)在早寒武世全球生物地理分區(qū)圖中的位置.田表2中可以看出,在晚前寒武紀(jì)到寒武紀(jì)期間,中國海水的εNd(T)值變化不大,落在—5.7到—6.6之間.這表明中國海水在當(dāng)時具有較穩(wěn)定的Sm和Nd的陸源區(qū),即相對穩(wěn)定的海洋幾何形狀及周邊大陸.依據(jù)以三葉蟲為代表的動物群特征,早寒武世全球可分為兩大生物分區(qū):(1)Olenellian(小油櫛蟲)生物區(qū),主要包括歐美地區(qū)和西伯利亞;(2)Redlichian(萊德利基蟲)生物區(qū),主要包括中國在內(nèi)的亞洲大部和大洋洲.在中、晚寒武世,全球出現(xiàn)了三大生物區(qū):(1)大西洋生物區(qū),主要包括歐洲大部、西伯利亞、北美東部和南美西南部;(2)東太平洋生物區(qū),主要包括北美大部和格陵蘭島;(3)西太平洋生物區(qū),范圍與早寒武世的萊德利基蟲生物區(qū)大致相同.由此可見,位于現(xiàn)代太平洋西側(cè)的亞澳區(qū)與太平洋東側(cè)的北美區(qū)在寒武紀(jì)是明顯有別的.Keto和Jacobsen對北美和歐洲的生物磷酸鹽樣品測定中得出,在早古生代古太平洋的εNd(T)值在—10到—20之間.該值遠(yuǎn)低于表2中的中國古海水的值,表明在當(dāng)時中國古海水與北美和歐洲的古海水(它屬于Keto和Jacobsen所稱的古太平洋)很可能并不共洋,這與上面所述,在當(dāng)時中國和北美、歐洲分屬不同的生物區(qū),具有不同的生態(tài)環(huán)境的結(jié)論是一致的.實(shí)際上,Keto和Jacobsen所稱的在早古生代存在的泛大洋——古太平洋,很可能只包括生物地理區(qū)劃中的東太平洋生物區(qū),而西太平洋生物區(qū)代表另一大洋,我們可稱之為“古亞澳洋”.在當(dāng)時,它是與古太平洋和古大西洋并列的大洋.在Keto和Jacobsen繪制的古太平洋的εNd(T)時間(T)的圖上,在晚前寒武紀(jì)到寒武紀(jì)期間的曲線中,他們將北美的數(shù)據(jù)與Shaw和Wasserburg測定的中國貴州和巴基斯坦的兩個數(shù)據(jù)混在一起,這顯然是有問題的,因?yàn)樵诋?dāng)時相當(dāng)于現(xiàn)今的中國貴州和巴基斯坦地區(qū)并不屬于Keto和Jacobsen所稱的古太平洋,而是屬于古亞澳洋.對于早古生代期間的古大西洋,Keto和Jacobsen認(rèn)為其面積較小,εND(T)值在—5到—9之間.但是對于從晚前寒武紀(jì)到寒武紀(jì)期間古大西洋的數(shù)據(jù),他們只列出了一個(IB7,528Ma),其值為—5.3±0.5.由于數(shù)據(jù)太少,尚不可能進(jìn)行可靠的比較和討論,有待更多的數(shù)據(jù)的驗(yàn)證.5中美雙方沉積年齡的對比對于碎屑沉積物,通常使用相對于虧損地幔(DM)的模式年齡來估計(jì)其陸源區(qū)的平均年齡,公式為對于海洋自生礦物不能采用以上的單階段Sm-Nd模式年齡公式,而應(yīng)采用二階段模式年齡公式來反映其Sm-Nd源區(qū)陸殼的平均年齡,因?yàn)檫@些樣品在沉積時相對于它們的陸源區(qū)一般會發(fā)生分異.的計(jì)算公式如下:fSm/Nd((147Sm/144Nd)meas/0.1967)-l,典型的陸殼fSm/Nd值(fCC)為-0.4,虧損地幔的fSm/Nd值(fDM)為0.08592,TSTRAT代表樣品所在地層的沉積年齡.本次測定樣品的值列于表1,約為1.8Ga.該值與對澳大利亞頁巖、現(xiàn)代海洋和大河沉積物樣品測定中得到的Sm-Nd模式年齡(～1.8Ga)一致.由此可以認(rèn)為,中國海水周圍陸殼的平均年齡約為1.8Ga,而且在顯生宙以前陸殼已基本形成,其后陸殼的運(yùn)動以水平方向的板塊間的運(yùn)動為主,幔源物質(zhì)進(jìn)入陸殼的比例相對的少.本次測定的樣品的模式年齡值小于Keto和Jacobsen對北美樣品測定出的模式年齡值(1.9到2.8Ga),這與本次測定樣品的εNdt(T)值高于北美樣品的εNd(T)值的結(jié)果是相吻合的。這反映了Keto和Jacobsen所稱的古太平洋的Sm-Nd源區(qū)陸殼的平均年齡,要老于中國海水Sm-Nd源區(qū)陸殼的平均年齡.這意味著,類似于現(xiàn)今大西洋,在當(dāng)時,古老陸殼的地體包圍Keto和Jacobsen所稱古太平洋的周邊;而古亞澳洋的物源區(qū)則主要是來自于年輕的造山成因的、火山的或島弧的地體,這又類似于現(xiàn)今的太平洋或印度洋.6新冠肺炎