前寒武紀(jì)中國(guó)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(guó)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(cè)定了古代太平洋和古代大西洋的nd（t）值。然后，keto和jacoben測(cè)量了北美、歐洲和美國(guó)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(lái)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(gè)不足之處是,特別缺乏一些重要界線時(shí)期的數(shù)據(jù),例如前寒武紀(jì)—寒武紀(jì)界線時(shí)期的數(shù)據(jù)一個(gè)也還沒有.筆者曾報(bào)道過對(duì)中國(guó)吉林大陽(yáng)岔寒武系—奧陶系界線剖面中化石的Sm-Nd同位素測(cè)定結(jié)果.本文報(bào)道中國(guó)3個(gè)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(cè)定結(jié)果,討論中國(guó)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(cè)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(guó)3個(gè)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(yáng)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(yè)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(gè)化石帶:Ⅰ.Anabarites-Protohertzina帶;Ⅱ.Paragloborilus-Siphogonuchites帶;Ⅲ.Sinosachites-Lapworthella帶.與西伯利亞地臺(tái)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(gè)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(guó)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(shí)線方法測(cè)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(cè)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(tái)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(duì)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(cè)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(cè)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(lái),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(yáng)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(cè)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(cè)定得到.實(shí)驗(yàn)室全流程空白是60pg,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣BCR-1的Nd同位素比值測(cè)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(duì)3個(gè)地區(qū)的前寒武系一寒武系界線剖面地層中總共11個(gè)磷質(zhì)化石和膠磷礦樣品的Sm-Nd同位素測(cè)定結(jié)果列于表1.11個(gè)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(lái)自于輕稀土富集的陸源區(qū).11個(gè)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(cè)樣品的εNd(T)值是基本一致的.3古海水磷質(zhì)成分測(cè)定結(jié)果本次測(cè)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(shí)代而地區(qū)不同的3個(gè)界線剖面地層中,測(cè)定的εNd(T)值基本一致,則必須應(yīng)滿足以下兩個(gè)基本條件:(1)被測(cè)樣品記錄了當(dāng)時(shí)古海水的Sm-Nd同位素特征,并保持至今;(2)在當(dāng)時(shí),3個(gè)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(guó)海水的εNd(T)值,為-6.6±0.5.3個(gè)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(shí)期,中國(guó)這3個(gè)地區(qū)的海水是同處于一個(gè)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(tái)與烏什剖面所處的塔里木地臺(tái),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(gè)大的生物地理區(qū).這一點(diǎn)由本次對(duì)古海水的Sm-Nd同位素測(cè)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(cè)定結(jié)果和已發(fā)表的中國(guó)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(guó)海水的εNd(T)值變化不大,落在—5.7到—6.6之間.這表明中國(guó)海水在當(dāng)時(shí)具有較穩(wěn)定的Sm和Nd的陸源區(qū),即相對(duì)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(dòng)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(guó)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(duì)北美和歐洲的生物磷酸鹽樣品測(cè)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(guó)古海水的值,表明在當(dāng)時(shí)中國(guó)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(shí)中國(guó)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(shí),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(shí)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(cè)定的中國(guó)貴州和巴基斯坦的兩個(gè)數(shù)據(jù)混在一起,這顯然是有問題的,因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)相當(dāng)于現(xiàn)今的中國(guó)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(duì)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(duì)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(gè)(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(duì)比對(duì)于碎屑沉積物,通常使用相對(duì)于虧損地幔(DM)的模式年齡來(lái)估計(jì)其陸源區(qū)的平均年齡,公式為對(duì)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(lái)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(shí)相對(duì)于它們的陸源區(qū)一般會(huì)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(cè)定樣品的值列于表1,約為1.8Ga.該值與對(duì)澳大利亞頁(yè)巖、現(xiàn)代海洋和大河沉積物樣品測(cè)定中得到的Sm-Nd模式年齡(～1.8Ga)一致.由此可以認(rèn)為,中國(guó)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(dòng)以水平方向的板塊間的運(yùn)動(dòng)為主,幔源物質(zhì)進(jìn)入陸殼的比例相對(duì)的少.本次測(cè)定的樣品的模式年齡值小于Keto和Jacobsen對(duì)北美樣品測(cè)定出的模式年齡值(1.9到2.8Ga),這與本次測(cè)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(guó)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(shí),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(lái)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