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华北地区寒武纪第二世及其以前基底处于隆起状态,主体遭受风化剥蚀作用,外围接收陆源碎屑沉积[20];寒武纪第二世晚期,随着海平面上升,古隆起边坡地带逐渐为海水淹没,受潮汐作用的影响,形成以陆源碎屑为主夹碳酸盐岩的潮坪相沉积组合。寒武纪苗岭世时期,大规模的海侵使华北地台除西部鄂尔多斯外几乎全部沦为陆表海环境,潮坪、鲕粒滩、开阔碳酸盐岩台地、微生物岩(礁)、浅海陆棚等沉积环境分异形成[21-22]。寒武纪芙蓉世早期,区域性隆升作用导致华北地台南部碳酸盐岩台地[23]海水变浅(图1),沉积了以白云岩为主的岩性,不同于其北部和东部地区的沉积组合[24-25];寒武纪晚期,华北地台南缘由于扬子板块向华北板块的深俯冲隆升加剧,发生了区域白云岩化作用或造成局部沉积缺失。
Figure 1. Paleogeographical map of northern China in the Cambrian Furongian Epoch (revised after reference [23])
鲁西地区唐王寨剖面为华北寒武系崮山组和崮山阶的标准剖面。剖面上寒武系张夏组三段、崮山组、炒米店组出露较好。寒武系张夏组明显地划分为三个岩性段,一段为中厚层状鲕粒灰岩夹藻灰岩,二段为黄绿色页岩夹薄层状灰岩,三段为中厚层状藻灰岩、鲕粒灰岩。张夏组三段由两个大的沉积韵律构成,韵律下部为鲕粒灰岩,上部为藻灰岩[26]。崮山组下部以灰色页岩为主,夹灰色透镜状泥晶灰岩、生物屑灰岩、竹叶状砾屑灰岩;上部以灰色薄层状泥晶灰岩为主夹深灰色页岩、竹叶状砾屑灰岩、生物屑灰岩;炒米店组下部为中、厚层状竹叶状砾屑灰岩与薄层状泥晶灰岩组成的韵律层;中部为竹叶状砾屑灰岩与泥灰岩、竹叶状砾屑灰岩与叠层石灰岩组成韵律层;上部为泥晶灰岩夹板片状砾屑灰岩。这种沉积组合反映在寒武纪苗岭世和芙蓉世早期鲁西地区古地理位置比较接近外海,海水深度较大,并频繁遭受风暴潮汐作用的影响。
豫北地区寒武纪苗岭世、芙蓉世时期靠近华北地台腹地,海水深度较小。与鲁西地区寒武系相比,岩性差异稍大,表现在张夏组中部为中薄层状生物扰动灰岩,上部为鲕粒灰岩夹叠层石灰岩;崮山组厚度极小,底部为页岩,中部为砾屑灰岩,上部为叠层石灰岩;炒米店组下部为灰色薄层状灰岩,中部为生物扰动灰岩,上部为白云岩。与鲁西唐王寨剖面相比,豫北地区崮山组、炒米店组微生物灰岩、风暴砾屑灰岩的夹层较薄、较少,页岩较少,白云岩较多,反映其沉积环境、水动力能量有着较大的差别。
华北寒武系产丰富的三叶虫化石,鲁西张夏阶包括Eosoptychparia⁃Manchuriella带、Crepicephalina带、Amphoton带、Taitzuia⁃Poshania带、Redlichaspis带,Liaopeishania带和Damesella paronai带[27];崮山阶包括Blackwelderia paronai带和Neodrepanura premesnili带[28];长山阶包括Prochuangia-Paracoosia带、Chuangia带、Changshania带、Eochuangia带、Maladioidella带、Kaolishania带[29]。寒武系张夏阶底界与国际寒武系苗岭统鼓山阶底界基本一致,Damesella带相当于苗岭统古丈阶Lejopyge laevigata带上部层位[30](表1)。
华北寒武系 全球寒武系 寒武系 上寒武统 凤山组 MictosaukiaSaukiaQuadraticephalusPtychaspisTsinania 炒米店组 凤山阶 芙蓉统 第十阶 长山组 TaishaniaKaolishaniaChangshaniaChuangiaProchungia-Paracoosia 长山阶 江山阶 排碧阶 崮山组 LiostracinaNeodrepanura premesniliBlackwelderia paronaiYabeia 崮山组 崮山阶 苗岭统 古丈阶 中寒武统 张夏组上部 Damesella paronaiLiaopeishaniaRedlichaspisTaitzuia⁃PoshaniaAmphotonCrepicephalinaEosoptychparia⁃Manchuriella 张夏组上部 张夏阶 鼓山阶 最新研究指出,鲁西地区崮山阶含牙形石Westergaardodina orygma带、Westergaardodina matsush itai带和Muellerodus? erectus带,而Muellerodus? erectus带对应于全球寒武系芙蓉统排碧阶[31]。由于古地理位置的微小差异,豫北地区三叶虫化石带与鲁西地区稍有不同,张夏阶包括三叶虫Crepicephalina⁃Megagraulos带,Taizuia⁃Poshania带,崮山阶包括Blackwelderia带,Neodrepanura带,长山阶包括Chuangia带,Changshania带,Kaolishania带,凤山阶包括三叶虫Ptychaspis⁃Tsinania带,Quadraticephalus带和Mictosaukia 带[32]。上述寒武系三叶虫化石带为豫北、鲁西地区寒武纪苗岭世至芙蓉世过渡时期碳同位素组成演化及生态环境变化对比研究提供了地层格架。
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鲁西唐王寨剖面寒武系张夏组三段、崮山组、炒米店组露头连续,层序清楚,岩石无变质变形迹象,原始沉积构造保存完好,指示碳酸盐岩后期成岩作用十分微弱。对于此剖面的碳同位素组成演化趋势,前人曾做过研究[33]。为了深入研究碳同位素组成的演化趋势与海平面变化、古生态环境演化之间的关系,野外按2 m间距采取新鲜的碳酸盐岩小标本,并进行连续编号。对于以页岩为主的崮山组,采取其中的泥晶灰岩透镜体、或泥晶灰岩薄层。对于砾屑夹层较多的炒米店组,在薄层泥晶灰岩中采样;室内在均质新鲜岩块断口上用直径为1 mm的微细研磨钻头钻取碳酸盐岩粉末,粉末粒度为200目。在制取二氧化碳气体样品时,取碳酸盐岩粉末85~110 μg,烘干去除水分。在温度72 ℃、真空条件下,让碳酸盐岩粉末与105%的过磷酸反应,并在真空条件下收集CO2气体并纯化,在MAT-253上测试并自动换算成δ13C、δ18O。为了监测样品的测试精度,在CO2样品制备与测试过程中,加入2件国家标准样品TB-1(δ13C=1.61‰,δ18O=-11.59‰)、TB-2(δ13C=-6.06‰,δ18O=-24.12‰)和1件实验室内部标准样品ISTB-1(δ13C= -10.63‰,δ18O=-18.63‰),标准样品用量50~70 mg,采用VPDB标准,测试精度为0.02%。测试结果见表2。
样品编号 δ13C δ18O 距底位置 岩性 样品编号 δ13C δ18O 距底位置 岩性 TW-121 0.51 -7.93 240 薄层灰岩 TW-087 0.35 -7.82 170 薄层灰岩 TW-120 0.55 -8.31 238 薄层灰岩 TW-086 -0.29 -7.92 167 薄层灰岩 TW-119 0.51 -8.2 236 薄层灰岩 TW-085 0.06 -8.12 166 薄层灰岩 TW-118 0.75 -8.09 234 薄层灰岩 TW-084 0.18 -7.41 164 薄层灰岩 TW-117 -0.2 -8.33 232 薄层灰岩 TW-083 -0.99 -8.08 162 薄层灰岩 TW-116 1.67 -7.75 230 薄层灰岩 TW-082 0.15 -7.84 161 薄层灰岩 TW-115 -1.26 -8.4 227 薄层灰岩 TW-081 0.52 -7.78 158 薄层灰岩 TW-114 0.01 -8.84 225 薄层灰岩 TW-080 0.83 -7.98 154 薄层灰岩 TW-113 1.02 -7.86 223 薄层灰岩 TW-079 0.74 -7.59 152 薄层灰岩 TW-112 1.56 -8.02 221 薄层灰岩 TW-078 0.91 -7.95 148 薄层灰岩 TW-111 0.91 -8.2 219 薄层灰岩 TW-076 1.09 -7.7 146 薄层灰岩 TW-110 0.85 -8.08 217 薄层灰岩 TW-077 1.27 -7.86 146 薄层灰岩 TW-109 0.06 -8.39 215 薄层灰岩 TW-075 0.62 -7.66 144 薄层灰岩 TW-108 0.39 -8.26 212 薄层灰岩 TW-074 1.68 -7.86 142 薄层灰岩 TW-107 0.44 -8.47 210 薄层灰岩 TW-073 0.5 -7.63 140 薄层灰岩 TW-106 -0.01 -8.26 208 薄层灰岩 TW-072 0.76 -7.7 138 薄层灰岩 TW-105 -0.55 -8.44 206 鲕粒灰岩 TW-071 0.46 -7.59 136 薄层灰岩 TW-104 0.1 -8.17 204 中层状灰岩 TW-070 0.24 -7.76 134 薄层灰岩 TW-103 0.44 -8.09 202 藻凝块灰岩 TW-069 0.24 -7.55 132 薄层灰岩 TW-102 0.38 -8.15 200 藻凝块灰岩 TW-068 0.08 -7.67 131 薄层灰岩 TW-101 0.5 -8.19 198 藻凝块灰岩 TW-067 -0.19 -7.69 128 薄层灰岩 TW-100 0.47 -8.13 196 叠层石灰岩 TW-066 0.19 -7.81 126 薄层灰岩 TW-099 0.51 -8.21 194 叠层石灰岩 TW-065 0.18 -7.83 124 薄层灰岩 TW-098 0.02 -7.94 192 薄层灰岩 TW-064 0 -7.88 122 薄层灰岩 TW-097 0.44 -8.37 191 薄层灰岩 TW-063 0.14 -7.89 120 薄层灰岩 TW-096 0.3 -7.78 189 薄层灰岩 TW-062 -0.07 -7.85 118 薄层灰岩 TW-095 0.32 -8.08 187 薄层灰岩 TW-061 -0.09 -8.04 116 薄层灰岩 TW-094 0.53 -7.86 183 薄层灰岩 TW-060 -0.06 -7.81 114 薄层灰岩 TW-093 0.75 -8.07 182 薄层灰岩 TW-059 -0.04 -7.81 112 薄层灰岩 TW-092 0.8 -7.57 179 薄层灰岩 TW-058 -0.07 -7.75 110 薄层灰岩 TW-091 0.24 -7.75 178 薄层灰岩 TW-057 -0.11 -7.78 108 薄层灰岩 TW-090 -0.02 -7.82 176 藻凝块灰岩 TW-056 -0.21 -7.65 106 薄层灰岩 TW-089 0.04 -7.92 174 藻凝块灰岩 TW-055 -0.4 -7.81 104 薄层灰岩 TW-088 0.01 -8.04 172 薄层灰岩 TW-054 -0.51 -7.55 102 薄层灰岩 碳酸盐岩的后期成岩作用对原始海相碳酸盐岩碳、氧同位素组成会产生一定程度的影响,尤其是有大气淡水参与的成岩作用,碳酸盐岩的氧同位素组成的分馏现象会更显著。相比而言,碳酸盐岩的碳同位素组成比较稳定[34-35]。根据碳酸盐岩的δ13C、δ18O值的相关性以及碳酸盐岩的δ18O值高低,可判断海相碳酸盐岩的碳、氧同位素组成是否遭受强烈的后期成岩作用影响。鲁西地区张夏组碳酸盐岩的成岩系统有海水、大气淡水、封存压实卤水和温压水系统[36],其中淡水成岩作用的结果是常出现孔洞、裂隙充填物,因此,在碳酸盐岩样品采集和样品加工过程中避免采取含方解石脉及孔洞充填物的岩块。分析结果显示,唐王寨剖面的δ13C分布于1.8‰~-1.5‰之间、δ18O分布于-7.0‰~-8.5‰之间,δ13C和δ18O的相关系数为0.18,数据点分布比较离散,二者相关性较小(图2),指示碳酸盐岩的成岩作用微弱。
Figure 2. Relationship between δ13C and δ18O from upper Miaolingian⁃lower Furongian series in Cambrian, Tangwangzhai section, western Shandong
(续表2)
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鲁西唐王寨剖面寒武系的δ13C演化表现出明显的规律性(图3)。张夏组三段δ13C呈下降趋势,即由Amphoton⁃Taitzuia组合带至Damesella paronai带顶部,δ13C由1.62‰缓慢下降到0附近。进入崮山组Blackwelderia带,δ13C分布于低值-0.51‰~0.16‰之间,在Blackwelderia带上部,δ13C下降到最低值-0.51‰;在Neodrepanura premeslini带内,δ13C基本上稳定在0‰附近;在Diceratocephalus armatus带,δ13C呈波动性上升趋势,至三叶虫Chuangia带底部,δ13C达到0.5‰左右,Chuangia带中部δ13C上升至最大值1.68‰,表现出正漂移演化趋势,随后δ13C快速下降,至三叶虫Changshania带底部,δ13C下降到0.83‰,至Changshania⁃Irvingella带下部δ13C快速下降到-0.99‰,尔后开始跳跃性回升至0.80‰,至Kaolishania带底部δ13C回落至0.50‰,Kaolishania带内部δ13C稳定在0.50‰左右。
Figure 3. Carbon and oxygen isotopic trends from upper Miaolingian⁃lower Furongian series in Cambrian, Tangwangzhai section, western Shandong (biostratigraphy revised after references [15,27⁃29])
样品编号 δ13C δ18O 距底位置 岩性 样品编号 δ13C δ18O 距底位置 岩性 TW-053 -0.43 -8.05 100 薄层灰岩 TW-026 0.42 -7.38 50 鲕粒灰岩 TW-052 -0.32 -7.84 98 薄层灰岩 TW-025 0.36 -8.09 48 鲕粒灰岩 TW-051 -0.34 -7.66 96 薄层灰岩 TW-024 0.31 -7.58 46 鲕粒灰岩 TW-050 -0.14 -7.69 94 薄层灰岩 TW-023 0.42 -7.6 44 鲕粒灰岩 TW-049 0.03 -7.58 92 薄层灰岩 TW-022 0.49 -8.4 42 鲕粒灰岩 TW-048 -0.39 -8 90 薄层灰岩 TW-021 0.42 -7.67 40 鲕粒灰岩 TW-047 -0.32 -8.05 88 薄层灰岩 TW-020 0.44 -7.86 38 鲕粒灰岩 TW-046 -0.14 -8.02 87 薄层灰岩 TW-019 0.48 -7.61 36 鲕粒灰岩 TW-045 -0.08 -8.36 86 薄层灰岩 TW-018 0.5 -7.49 34 藻凝块灰岩 TW-044 -0.38 -7.86 85 薄层灰岩 TW-017 0.22 -7.72 32 藻凝块灰岩 TW-043 -0.15 -7.64 84 薄层灰岩 TW-016 0.63 -7.22 30 藻凝块灰岩 TW-042 0 -7.69 82 鲕粒灰岩 TW-015 0.55 -7.35 28 藻凝块灰岩 TW-041 0.08 -7.81 80 藻凝块灰岩 TW-014 0.28 -7.64 26 藻凝块灰岩 TW-040 0.12 -7.52 78 藻凝块灰岩 TW-013 0.69 -7.3 24 藻凝块灰岩 TW-039 0.11 -7.9 76 藻凝块灰岩 TW-012 0.55 -7.6 22 藻凝块灰岩 TW-038 0.27 -7.56 74 藻凝块灰岩 TW-011 0.56 -9.16 20 藻凝块灰岩 TW-037 0.11 -9.55 72 藻凝块灰岩 TW-010 0.78 -7.22 18 藻凝块灰岩 TW-036 0.1 -7.94 70 藻凝块灰岩 TW-009 0.59 -8.05 16 藻凝块灰岩 TW-035 0.13 -7.68 68 藻凝块灰岩 TW-008 0.66 -7.71 14 藻凝块灰岩 TW-034 0.23 -7.5 66 藻凝块灰岩 TW-007 0.66 -7.57 12 藻凝块灰岩 TW-033 0.02 -8.38 64 藻凝块灰岩 TW-006 0.67 -7.44 10 鲕粒灰岩 TW-032 0.19 -7.56 62 藻凝块灰岩 TW-005 1.22 -7.75 8 鲕粒灰岩 TW-031 0.29 -7.61 60 藻凝块灰岩 TW-004 1.14 -7.52 6 鲕粒灰岩 TW-030 0.2 -7.96 58 藻凝块灰岩 TW-003 1.62 -7.46 4 鲕粒灰岩 TW-029 0.16 -7.31 56 藻凝块灰岩 TW-002 1.52 -7.61 2 鲕粒灰岩 TW-028 0.15 -7.56 54 鲕粒灰岩 TW-001 1.27 -7.85 0 鲕粒灰岩 TW-027 0.13 -8.2 52 鲕粒灰岩 在Ptychaspis⁃Tsinania带下部,δ13C首先由0.50‰下降到-0.55‰,然后又快速回升至1.56‰,随后δ13C快速下降至-1.26‰又折返回升至1.67‰,最后稳定在0.50‰左右。豫北寒武系张夏组、崮山组、炒米店组的δ13C演化表现为显著的规律性[37]。由张夏组—崮山组—炒米店组下部,δ13C表现为3个高值区和2个低值区,δ13C高值区分布于张夏组下部、上部和炒米店组上部,δ13C达到的最大值分别为2.0‰、1.0‰、3.0‰;以炒米店组上部的δ13C最大,显现出正漂移演化趋势,对应于三叶虫Chuangia带。δ13C低值区分别分布于张夏组中部和崮山组,δ13C的最低值分别为-1.0‰和-0.5‰。
鲁西唐王寨剖面寒武系δ13C的高值区分别分布在张夏组上部的Amphoton⁃Taitzuia组合带、炒米店组下部Chuangia带、炒米店组中部的Ptychaspis⁃Tsinania带,δ13C最大值分别达到1.62‰、1.68‰和1.56‰;以炒米店组下部Chuangia带的δ13C值最大(1.68‰),表现出正漂移演化趋势,可与豫北沙滩剖面炒米店组上部的正漂移对比(图4)。豫北沙滩剖面δ13C最大正漂移出现在炒米店组上部,而鲁西唐王寨剖面δ13C正漂移出现在炒米店组下部,碳同位素组成演化的等时性特点指出鲁西炒米店组下部地层和豫北炒米店组上部地层为同期沉积。鲁西唐王寨剖面δ13C的低值区分布于三叶虫Blackwelderia带,δ13C最小值为-0.38‰。豫北沙滩剖面δ13C的低值区也分布于Blackwelderia带内,δ13C最小值为-0.30‰。华北传统寒武系长山阶以三叶虫Chuangia的出现为底界,接近于国际寒武系芙蓉统排碧阶底界。因此,华北寒武系长山阶下部的δ13C正漂移可与华南地区寒武系排碧阶的δ13C正漂移对比,也可与澳大利亚、美国西部、哈萨克斯坦、澳大利亚等地寒武系排碧阶的δ13C正漂移[8]对比,说明这次δ13C正漂移演化具有全球性特点。