華山下四川盆地東部海相下中三疊統(tǒng)界線的鍶同位素年齡標(biāo)定

華山下四川盆地東部海相下中三疊統(tǒng)界線的鍶同位素年齡標(biāo)定

例如，耀縣等人（1997年第97屆）；雅加爾和al.（1997年；azye和al.，1997；azry等人），1999年；mclartal.，2000年；夸耀性和al.（2002）。這表明，原則上，歐洲歷史學(xué)家wickman（1968）提出了這一問題。由于殼干物質(zhì)的殘留時間（106a）明顯長于海水的混合時間（103a），因此在整個時代，全球范圍內(nèi)的硫酸鈉元素是均勻的，地質(zhì)歷史上的87sr86sr值是時間函數(shù)。隨著人們對海相內(nèi)源沉積物成巖蝕變理解的深入、儀器的分析與測量精度的提高、以及數(shù)據(jù)的逐漸積累,鍶同位素地層學(xué)在80年代后期逐漸進入實用階段,并逐漸成為海相地層年齡測定的有效工具之一,已有不少學(xué)者在這方面作了很多有益的工作:如楊杰東等(2001)利用鍶(也包括碳)同位素對蘇皖北部上前寒武系的時代作了界定;潘家華等(2002)根據(jù)太平洋海山磷酸鹽的鍶同位素組成確定了其形成年代;黃思靜等(2002)利用鍶同位素確定了四川龍門山泥盆系剖面Frasnian—Famennian階和泥盆系—石炭系的界線;黃思靜等(2004,2005),Huang等(2005)利用鍶同位素標(biāo)定了西藏南部崗巴剖面Campanian—Santonian階和Maastrichtian—Campanian階界線,同時也對該剖面中厚殼蛤化石的鍶同位素年齡進行了標(biāo)定。利用海相內(nèi)源沉積物的鍶同位素組成確定沉積巖的年齡涉及到:①鍶同位素的分析精度,②對成巖蝕變的認識,③數(shù)據(jù)的積累程度。目前,國際上已建立了供年齡標(biāo)定使用的全球鍶同位素—年齡數(shù)據(jù)庫(Howarthetal.,1997;McArthuretal.,2001),并已有大量成功進行年齡標(biāo)定的實例(McArthuretal.,1994;Dingleetal.,1997;Denisonetal.,1998;Walteretal.,2000;Melezhiketal.,2001;Gleasonetal.,2002;Rayetal.,2003)。傳統(tǒng)上,我國西南地區(qū)海相下—中三疊統(tǒng)以夾于碳酸鹽巖(或蒸發(fā)巖)之間的火山碎屑巖(俗稱綠豆巖)為界(關(guān)建哲等,1990),四川和重慶地區(qū)已普遍蝕變成水云母粘土巖。由于火山噴發(fā)作用的等時性,該界線已成為華南海相下—中三疊統(tǒng)對比的重要直觀標(biāo)志。有關(guān)該界線的古生物地層學(xué)的合理性尚有不同意見:姚建新等(2004)對貴州望謨甘河橋剖面所進行的研究,識別出了連續(xù)的牙形石帶,表明該火山碎屑巖之下0.5m處為牙形石Chiosellatimorensis的首現(xiàn)層位,如果將Chiosellatimorensis帶作為安尼階的第一個牙形石帶(Nicora,1977),則該火山碎屑巖已十分接近下—中三疊統(tǒng)界線的位置,從而為該火山碎屑巖作為下—中三疊統(tǒng)界線的合理性提供了重要的古生物學(xué)依據(jù)。近年來,對該火山碎屑巖的放射性年齡研究也有了重要進展,王彥斌等(2004)利用高精度高靈敏度的二次離子探針質(zhì)譜(SHRIMP)對作為貴州望謨甘河橋剖面下—中三疊統(tǒng)界線的火山碎屑巖中的鋯石進行了U-Pb年代學(xué)分析,結(jié)果為239.0±2.9Ma(2σ),從而又將我國華南地區(qū)海相三疊紀的年代地層學(xué)研究向前推進了一步,并逐步與國際相應(yīng)研究接軌。然而,在四川和重慶地區(qū),由于早三疊世晚期和中三疊世早期是高度咸化的局限海環(huán)境,該火山碎屑巖夾于石膏等蒸發(fā)巖地層中(地表則因大氣水的溶解作用而成為鹽溶角礫巖),人們很難在這些蒸發(fā)巖中找到可供對比的化石帶,也沒有對火山碎屑巖中的有關(guān)礦物進行相應(yīng)的放射性年代測定。川、渝地區(qū)火山碎屑巖是否與華南其他地區(qū)火山碎屑巖同時噴發(fā)沉積,火山碎屑巖(及上下的相鄰蒸發(fā)巖)的年齡是多少,該年齡值是否和全球下—中三疊統(tǒng)界線(即安尼階的底界)一致,這顯然也是三疊紀年代地層學(xué)的一個重大問題之一,同時也是建立和完善三疊系地層年表的重要工作之一。筆者等在四川東部華鎣山地區(qū)采集了作為火山碎屑巖蝕變產(chǎn)物的水云母粘土巖上、下的蒸發(fā)巖樣品,在對這些樣品進行化學(xué)成分、礦物成分分析和對海水代表性評估的基礎(chǔ)上,分析了樣品的鍶同位素比值,根據(jù)鍶同位素地層學(xué)的基本原理和國際上已有鍶同位素—年齡數(shù)據(jù)庫,標(biāo)定了水云母粘土巖上、下地層的年齡,為中國華南地區(qū)海相下—中三疊統(tǒng)界線提供了一個新的年齡值,也為海相內(nèi)源沉積物樣品年齡的標(biāo)定提供了一個新的研究途徑。1樣品化學(xué)組成及測定樣品采自位于四川盆地東部的渠縣農(nóng)樂石膏礦(圖1a)的井下坑道中,該石膏礦位于華鎣山背斜中段西翼,地表出露的最老地層為中三疊統(tǒng)雷口坡組(圖1b),井下已掘進至下三疊統(tǒng)嘉陵江組,主要開采嘉陵江組第四、第五段和雷口坡組第一段的石膏或硬石膏礦,因而很容易找到作為下三疊統(tǒng)嘉陵江組和中三疊統(tǒng)雷口坡組界線的水云母粘土巖(圖2)。所采集的5個樣品中有兩個直接靠近水云母粘土巖的底板和頂板,其余3個樣品逐漸遠離水云母粘土巖(圖2,表1)。在對采集的5個樣品進行薄片鑒定的基礎(chǔ)上,借助雙目鏡對用于鍶同位素分析的樣品進行了細致的分揀,盡可能回避了后期的方解石脈,樣品經(jīng)挑選后粉碎至200目,縮分成四份,一份留作備用,另外三份分別用于化學(xué)成分(Si、Ca、Mg、Mn、Sr和SO42-)分析、X射線衍射分析和87Sr/86Sr比值測試。鍶同位素分析由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成,具體分析方法如下:取70mg左右粉碎至200目的樣品,用2.5mol/L的HCl于Teflon杯中溶樣,離心后的清液通過AG50W×12陽離子交換柱分離;Sr同位素在MAT262同位素質(zhì)譜計上測定,同位素分餾用87Sr/86Sr=0.1194校正,實驗室對Sr標(biāo)樣NBS987分析結(jié)果為0.710226±12(n=8);全流程空白本底約為2×10-10～5×10-10g,誤差以2σ(±)表示。SiO2、CaO、MgO、SO2-4和Mn、Sr含量分析由四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局華陽地礦檢測中心完成。SiO2、CaO、MgO和SO2-4含量由常規(guī)化學(xué)分析方法測試,檢測限1%;Mn、Sr含量由原子吸收光度法測試,檢測限分別為5×10-6和42×10-6。5個樣品的X射線衍射分析曲線如圖3所示,顯示樣品A、B基本上全由石膏組成;樣品E存在一定數(shù)量的硬石膏(0.35nm左右反射的存在);樣品C和樣品D含有石英(0.33nm左右反射的存在),與這兩個樣品化學(xué)成分中有較高的SiO2含量是一致的(表1),這兩個樣品也正好是緊靠水云母粘土巖的樣品,顯然是該火山碎屑巖中的石英混入了樣品中。5個樣品都含有少量白云石(0.288nm左右反射的存在),以樣品D的白云石含量較高,化學(xué)分析中該樣品也具有最高的MgO含量(表1)。由于溶樣采用的是用2.5mol/L的HCl,石英在這樣的條件下是穩(wěn)定的,我們可以認為所分析的Sr主要來源于石膏(或硬石膏),少量來源于白云石,由于這些白云石均為泥晶級,它們應(yīng)是在海水中沉淀的或在是準(zhǔn)同生階段由交代作用形成的(劉寶王君,1980),其化學(xué)組成對海水的代表性仍然是可信的(黃思靜等,2003)。2樣品的年齡分布在三疊紀全球海水的鍶同位素組成—年齡曲線中,早、中三疊世之交的時間段附近正好處于全球海水87Sr/86Sr比值由上升到下降的轉(zhuǎn)折階段,海水87Sr/86Sr比值在界線附近達到最大值(圖4a)(Veizeretal.,1999),因而下—中三疊統(tǒng)界線附近內(nèi)源沉積物樣品的87Sr/86Sr比值基本上沒有年齡多解性,我們可以方便地利用已有的87Sr/86Sr比值—年齡數(shù)據(jù)庫來標(biāo)定下—中三疊統(tǒng)界線附近樣品的年齡。5個樣品的87Sr/86Sr比值變化在0.708243～0.708391之間,緊靠下—中三疊統(tǒng)界線(水云母粘土巖)的兩個樣品具有最高的87Sr/86Sr比值(圖5),遠離界線(無論向中三疊統(tǒng)雷口坡組還是向下三疊統(tǒng)嘉陵江組)樣品的87Sr/86Sr比值呈現(xiàn)降低趨勢,但向雷口坡組方向降低的幅度顯著小于向嘉陵江組方向的降低幅度(圖4),這些都表明樣品采集點下—中三疊統(tǒng)界線附近石膏、硬石膏87Sr/86Sr組成的變化趨勢與Veizer等(1999)利用全球鍶同位素數(shù)據(jù)庫建立的87Sr/86Sr比值—年齡曲線的下—中三疊統(tǒng)界線附近鍶同位素隨時間的變化趨勢是一致的(圖4a)。將5個樣品投在Veizer等(1999)提供的全球87Sr/86Sr比值—年齡曲線上(圖4),按邊界年齡值(即樣品87Sr/86Sr比值與已有樣品(87Sr/86Sr比值—年齡數(shù)據(jù)庫中的樣品)分布范圍邊界交點處的年齡值),則5個樣品87Sr/86Sr比值所分布范圍對應(yīng)的年齡值變化在240.5～242.5Ma的范圍內(nèi),其中240.5Ma的樣品的采樣位置已距作為下—中三疊統(tǒng)界線的水云母粘土巖頂界2m(表1,圖2),如果不考慮這個樣品,則其余4個樣品(在距水云母粘土巖底界和頂界0.3～0.5m的范圍內(nèi))年齡的分布范圍變化在240.8～242.5Ma的范圍內(nèi);如果按中心線年齡值(即樣品87Sr/86Sr比值與已有樣品(87Sr/86Sr比值—年齡數(shù)據(jù)庫中的樣品)分布中心線交點處的年齡值),則5個樣品87Sr/86Sr比值所分布范圍對應(yīng)的年齡值變化在240.9～242.1Ma的范圍內(nèi),距水云母粘土巖底界和頂界0.3～0.5m范圍內(nèi)4個樣品對應(yīng)的年齡值變化在241.2～242.1Ma之間;兩個緊靠水云母粘土巖頂板和底板樣品的年齡值在241.9～242.2Ma的范圍內(nèi)。因此,我們可以認為:四川盆地東部華鎣山中、下三疊統(tǒng)界線處火山碎屑巖的鍶同位素年齡被限定在242Ma左右?？梢钥闯鰜?所采用的投點方式對所獲得年齡值的影響是很小的,造成的誤差對地質(zhì)年齡的精度沒有實質(zhì)性的影響。3對海水的年齡和組成的評價海相碳酸鹽樣品鍶同位素年齡測定的可靠性主要取決于所利用的87Sr/86Sr值—年齡數(shù)據(jù)庫的可靠性以及樣品鍶同位素組成對海水的代表性兩個因素,我們對此作如下評述。3.1疊紀數(shù)據(jù)量最大的數(shù)據(jù)庫halrofnat我們所利用的數(shù)據(jù)庫是Veizer等(1999)通過互聯(lián)網(wǎng)提供的鍶同位素數(shù)據(jù)—年齡數(shù)據(jù)庫,就已公布的全球海相地層鍶同位素數(shù)據(jù)庫而言,這仍然是三疊系數(shù)據(jù)量最大的數(shù)據(jù)庫,值得注意的是,該數(shù)據(jù)庫采用的是Harland等(1990)的地質(zhì)年代表,在該年代表中,下—中三疊統(tǒng)界線的年齡值為241.1Ma,而國際地層學(xué)委員會2004年公布的國際地層表(Gradsteinetal.,2004)的下—中三疊統(tǒng)界線的年齡值為245.0Ma(±1.5Ma),由于目前還沒有與該地層表年齡值一致的鍶同位素數(shù)據(jù)—年齡數(shù)據(jù)庫,因而兩者之間顯然存在年齡換算問題。3.2樣品的mn/sr比對我國氫氧同位素地層學(xué)的影響樣品的成巖蝕變性是影響其鍶同位素組成對海水代表性以及相應(yīng)年齡標(biāo)定可靠性的另一重要因素,前人已有大量研究討論海相碳酸鹽的成巖蝕變問題(黃思靜,1990,1992;黃思靜等,2003),但對海相硫酸鹽(主要是石膏和硬石膏)的成巖蝕變性討論很少,也找不到相應(yīng)的判斷海相硫酸鹽成巖蝕變的標(biāo)準(zhǔn)。我們可以認為:海水和成巖孔隙水(包括影響成巖作用的大氣水)Mn、Sr含量的差別以及沉積過程中礦物沉淀速度與成巖過程礦物重結(jié)晶速度(或新生礦物沉淀速度)的差別(主要影響Mn、Sr在礦物中的分配系數(shù)(黃思靜,1990)對碳酸鹽的影響和對硫酸鹽的影響是類似的,因而Mn、Sr含量和Mn/Sr比值仍然可以作為評價硫酸鹽成巖蝕變的指標(biāo)。Kaufman等(1992,1993)曾建議:海相碳酸鹽鍶同位素地層學(xué)研究樣品的Mn/Sr比值小于2～3時,其對海水的代表性基本上能滿足鍶同位素地層學(xué)的要求。本研究的5個樣品的Mn/Sr比值的最大值為2.733,除樣品A(Mn/Sr=2.733)以外,其余4個樣品的Mn/Sr比值都在0.4以下,平均值為0.65,按Kaufman等(1992,1993)的建議,本研究的樣品對海水的代表性基本上能滿足鍶同位素地層學(xué)的要求;然而,Korte等(2003)在研究歐洲阿爾卑斯地區(qū)三疊系海相碳酸鹽鍶同位素組成時,將Mn含量小于250×10-6的樣品視為鍶同位素地層學(xué)研究的好樣品,按此標(biāo)準(zhǔn),樣品A(Mn含量為604×10-6)不是鍶同位素地層研究的好樣品。因此,除位于下—中疊統(tǒng)界線之上2m處的樣品A以外,本研究的其余4個樣品的鍶同位素組成可用于鍶同位素地層學(xué)研究。另外,樣品的87Sr/86Sr比值與Mn含量和Mn/Sr比值的投點圖并沒有表現(xiàn)出其87Sr/86Sr比值隨Mn含量或Mn/Sr比值的增加而增加的趨勢(圖6a、b),個別(樣品A)Mn含量或Mn/Sr比值較高的樣品也并不具有顯著較高的87Sr/86Sr比值(由于成巖蝕變引入的基本上均為殼源鍶),說明其對海水仍具代表性。值得注意的是,樣品的SiO2含量與其87Sr/86Sr比值之間在一定程度上顯示出正相關(guān)關(guān)系,兩個在X射線衍射曲線(圖3)上有石英存在的樣品(樣品C和D,其化學(xué)組成中的SiO2含量也很高(表1)都具有較高的87Sr/86Sr比值,尤其是SiO2含量最高的(33.29%)的樣品C,其87Sr/86Sr比值達到0.708391(圖6d),造成這兩個樣品高87Sr/86Sr比值可能有如下兩個原因:(1)從這兩個樣品所處的年代位置來說,它們最靠近作為下—中三疊統(tǒng)界線的水云母粘土巖,它們也應(yīng)具有最高的87Sr/86Sr比值,因而年代效應(yīng)是這兩個樣品具有很高87Sr/86Sr比值的主要原因。(2)樣品中部分石英溶解提供的殼源鍶(源自石英中Rb的衰變)可能是這兩個樣品具有很高87Sr/86Sr比值的另一原因,實驗過程采用的是2.5mol/L的HCl,雖然酸性條件下石英是穩(wěn)定的(這不同于長石等鋁硅酸鹽礦物和一些粘土礦物),但我們不能斷言實驗過程中石英完全沒有溶解。(3)石英含量最高的樣品C和樣品D都具有非常高的Sr含量(4723×10-6和3561×10-6),高的Sr含量表明了樣品在鍶同位素組成上對海水的代表性(黃思靜,1990;Kaufmanetal.,1992,1993;K-orteetal.,2003),假定這些樣品的石英中含有100×10-6的Rb(Rb更多的應(yīng)存在于長石類鋁硅酸鹽礦物中),這兩個樣品的87Sr/86Sr比值可分別校正到0.708323和0.708351(取時間為241Ma),從圖4可以看出,這對樣品的年齡標(biāo)定沒有