辽东太子河地区中寒武世古气候特征

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(辽宁省地质勘查院，辽宁大连116100)

辽东太子河地区中寒武世古气候特征

吴子杰，潘玉啟，包洪伟，王海鹏，雷广新，程培起

(辽宁省地质勘查院，辽宁大连116100)

根据蒸发岩及伴生沉积构造、沉积红层、碳酸盐岩及鲕粒沉积、古生物、古风化壳类型、海绿石等沉积标志，恢复中寒武世古气候。以本溪地区为重点，结合太子河沉积区的特征，将该区中寒武世古气候划分为6个潮湿—干燥炎热气候变化周期，进而确定研究区当时属于温带—亚热带半干旱气候地区。

中寒武世；古气候；识别标志；变化周期；太子河；辽东

0 引 言

古生界寒武系在辽宁分布广泛，且多呈大面积出露，其中的辽东太子河地区本溪—桓仁一带是辽宁古生代寒武纪地层分布区，前人曾在此开展了大量的地质研究工作，在岩石学、古生物学及岩石地层划分等方面研究程度较高，但在古气候方面研究尚属首次。

20世纪80年代初期，根据古地磁资料和反映气候的特殊沉积物，Bambach等(1980)和Ziegler等(1981)认为我国寒武纪时期处于南北中纬度区，而Scotese于1986年又把我国华北、塔里木与华南分开，将其置于低纬度地区。崔克信1984年对我国寒武纪古气候曾有过较为系统的论述，他认为当时应属于热带—亚热带气候，地处北纬10°～50°之间(赵锡文，1992)。张国仁(1997)对山东沂水地区寒武纪地层古气候的研究，估算出鲁西东部中下寒武统的古水温在28～35 ℃之间。

笔者主要采用地质学方法，即根据生物生存条件、岩层和沉积矿床的形成、地层古生物化石及其沉降环境特性的分析，阐明地质时期的气候类型及其时空变化。

1 岩石地层划分及主要岩性特征

研究区寒武系(图1)中统包括碱厂组和馒头组(馒头组自下而上分为大后海段、石桥段、当十段)，其中馒头组当十段属寒武系上统(辽宁省地质矿产勘查开发局，1997)，在此不做讨论，岩石地层划分及岩性特征见表1。

图1 辽宁及周边地区中寒武统主要露头分布区及地层分区图(据刘群等，有改动)

表1 太子河地区寒武系中统地层划分及岩石组合特征

2 古气候特征的沉积记录

沉积记录反映出地质时期的沉积条件，研究主要利用矿物-岩石学标志、生物标志、风化作用标志、沉积构造标志等来进行古气候的分析与恢复。特殊的矿物-岩石可作为查明古气候的依据，是研究古气候最基本的物质依据。确定的矿物-岩石标志有蒸发岩、碳酸盐岩、沉积红层、海绿石矿物等。

2.1 蒸发岩

一种化学沉积岩，由湖盆、海盆中的卤水经蒸发、浓缩，盐类物质依不同的溶解度结晶而成，以蒸发浓缩为基本形成机制决定了其只能产在蒸发量大于降水量的炎热干旱地区(路凤香等，2002)。区内主要有石膏、岩盐等，现代岩盐和石膏的沉积作用出现在干燥带内，主要在10°～45°的纬度之间，它们形成于封闭、半封闭的环境中，在干旱炎热的气候条件下强烈蒸发而形成。因此，石膏、岩盐的出现指示气候由潮湿转换为炎热干燥。此外，大型磷矿的形成一般认为是中、低纬度区较干旱气候条件下洋流造成的，也是反映古气候的重要标志。

2.2 碳酸盐岩

现代和古代碳酸盐沉积，特别是灰岩主要分布于南、北纬20 ℃左右、无河流注入的清澈而温暖的浅海陆棚环境以及滨岸地区，所以把灰岩视为温暖的气候标志。

由于现代海水不能直接沉淀白云石，所以普遍认为至少寒武纪以后的白云岩主要是碳酸盐沉积物或石灰岩的白云石化，而白云石化只能在高温条件下受高盐、高镁钙比和高pH值的浓缩作用中实现，因此认为白云石指示干燥炎热的气候带(路凤香等，2002)。

碳酸盐鲕粒多数形成于动荡水体中，由于潮汐及风暴水流和波痕作用而被搬运。现代鲕粒灰岩带主要分布于南、北纬20 ℃附近的岸滩、潟湖边缘，通常认为是温暖潮湿气候的标志。

2.3 沉积红层

沉积红层是指在大陆环境下形成的红色、紫红色、褐红色沉积物，通常为粉砂岩、泥岩、页岩。这些颜色通常为自生色和继承色，其构成颜色的氧化物是风化作用或成岩作用期间由镁铁质矿物在原地形成的，红层的形成要求炎热、干旱的气候，研究区出露的红层常与蒸发岩伴生也证明此点。因此，红层代表沉积时为氧化或强氧化环境的炎热干燥气候。

2.4 海绿石矿物

海绿石是一种在海底生成的含水的钾、铁、铝硅酸盐自生矿物，一般呈浅绿、黄绿或深绿色，是在还原状态的浅海环境及缓慢的沉积作用之下形成的，所以一般认为海绿石的出现代表温暖潮湿的气候。区内主要岩石类型有含海绿石石英砂岩、页岩及海绿石质砂屑灰岩。

2.5 沉积构造标志

研究区中寒武系可以作为古气候识别标志的沉积构造有与蒸发岩相伴生的沉积构造：干裂、帐篷、鸟眼、膏溶角砾、盘肠构造、窗格构造等，这些反映干燥炎热的古气候特点，而冲刷面、生物扰动等构造则反映出温暖潮湿的沉积环境。

3 古气候特征的生物化石标志

古生物对古气候的研究具有重要意义，自进入寒武纪以来，生物演化迅速，达到空前繁盛的状态。目前认为古杯类、节肢动物、三叶虫和藻类对古气候研究意义重大。

古杯是已绝灭的营底栖动物，它们适宜生活在氧气和营养来源充足的浅海陆棚盆地带，在海水盐度与水温适中时，古杯动物便能大量繁殖，形成生物礁。而在潟湖、半潟湖相和靠近古陆边缘碎屑岩发育地区的海水中氧化镁含量过高都不适宜于古杯的生长，因此古杯生活条件要求严格，是良好的指向化石，反映了热带、亚热带气候(张国仁，1997)。

节肢动物也叫节足动物，本研究主要指海相类群，其比较常见，对生活条件要求较为宽泛，从赤道到高纬度的所有正常温度的海洋中均可见到。

三叶虫多为浅海底栖爬行或以半游泳生活方式存在，适宜的温度和潮湿的环境是三叶虫生存的必要条件，因此将三叶虫视为温暖潮湿气候带的指示生物。

叠层石和藻纹层使蓝藻等低等微生物的生命活动产生了很多黏性分泌物，引起了围岩基质的沉淀、捕获并胶结了沉积而形成的叠层状的生物沉积构造，其主要形成于热带、亚热带浅水中，指示温暖潮湿气候带。

4 古气候特征的古风化壳标志

研究区寒武系古风化作用标志主要为钙质风化壳，已形成的风化壳由于种种原因被后来的堆积物所掩盖，避免了强烈的剥蚀作用，其被保留下来的部分是一种浅色固结-半固结的钙质——白云质古土壤层。研究区所见钙质风化壳以浅黄色、浅绿灰及灰白色最为典型，外貌多呈结核状、渣状，是干旱-半干旱气候条件下形成的钙质风化壳(张国仁，1997)。

5 古气候特征

早震旦世晚期以后，华南普遍形成冰川堆积，塔里木盆地北缘及库鲁克塔格一带均发现冰川堆积物，该类堆积物在全球许多地区均曾发现。虽然在辽东太子河地区尚未发现冰碛岩，但根据邻区气候特点也应属寒冷气候。自晚震旦世末期以后进入寒武纪，经过漫长的时间，古气候由寒冷逐渐转为温暖，进入寒武纪再无冰期记录。

太子河地区缺失早寒武世沉积，没有该时期古气候沉积记录，因此仅对中寒武世古气候进行分析。

由于本溪和桓仁同处太子河古生代沉积盆地，主要根据辽宁平顶山等4幅1∶5万区域地质调查以及桥头等4幅1∶5万区域地质调查中得到的野外数据，结合岩石地层(表1)、古生物及古气候沉积标志的对比，对太子河地区进行剖面分析与解剖，将其中寒武世古气候变化初步划分为6个潮湿—干旱周期，6个潮湿气候、6个干旱气候期(图2)。进而确定辽东太子河地区中寒武世时期，处于温带—亚热带半干旱气候区。这一结论与华北地区该时期古气候的变化是同步的，具有等时对比意义。

5.1 古气候周期1(碱厂组下部)

早期气候温暖潮湿，形成了一套碎屑沙滩沉积，相当于碱厂组底部。多处发现冲刷面沉积构造，说明沉积环境潮湿。而在研究区发现了三叶虫化石，反映气候属于适宜生物生长的温暖潮湿气候。晚期气候干燥炎热，相当于碱厂组下部，见白云岩沉积，发育泥裂(图3)等沉积构造反映当时气候炎热干燥。在辽阳及本溪境内普遍赋存石膏层，同样指示气候由最初的潮湿转为炎热干燥。在本溪市桓仁县小东沟—小磨子村深灰色中厚层泥质花纹含生物碎屑、砂屑泥晶、粉晶灰岩中见2 m厚浅灰色碳酸盐质渣状层及钙结壳(图4)(辽宁省地质勘查院，2012)，反映出干旱-半干旱气候条件。由于气候干燥炎热，不利于生物生长，因此该时期未发现古生物迹象。在邻区吉林浑江地区发现磷矿岩系，也反映了当时气候由温暖突变至炎热干燥，致使生物大量死亡而堆积形成磷矿床(辽宁省地质矿产勘查局,1989)。

图2 太子河地区中寒武世古气候变化周期及主要判别标志1-砾岩；2-硅质钙质胶结石英砂岩；3-白云岩；4-沥青质砂屑灰岩；5-泥晶灰岩；6-瘤状灰岩；7-粉砂质页岩；8-含生物碎屑鲕粒灰岩；9-粉砂岩；10-表示发育；11-泥裂；12-石膏假晶；13-生物扰动；14-冲刷面；15-钙质结壳；16-藻丘；17-三叶虫；18-古杯；19-腕足类化石

图3 白云岩中的泥裂构造

图4 碳酸盐质渣状层及钙结壳

5.2 古气候周期2(碱厂组中上部—大后海段底部)

早期气候转为温暖潮湿，海水快速入侵，形成薄—微薄层泥晶灰岩，反映温暖潮湿气候条件，Ogawa(1905a,1905b)曾描述过在太子河凹陷赛马地区发现古杯化石Cossinocyathuscf.billingsiwalcott和C.?sp.nov,在此次区调中也在多个灰岩层位中发现三叶虫化石，且在灰岩中见海绿石矿物沉积，同样证明当时适宜古生物生存的温暖潮湿环境。晚期气候干燥炎热，紫色粉砂质页岩反映出当时强烈氧化的干燥环境，因此研究区为炎热干旱或半干旱气候。

5.3 古气候周期3(大后海段中下部)

早期气候温暖潮湿，普遍发育灰岩，相当于大后海段下部的灰岩沉积。晚期气候干燥炎热，相当于大后海段中部的紫色粉砂质页岩的红层沉积，而泥裂(图5)构造也反映出干燥的气候条件，是一套干旱的强氧化环境。

图5 紫色粉砂质页岩中的泥裂构造

5.4 古气候周期4(大后海段上部)

早期气候温暖潮湿，为一套灰岩沉积。晚期气候转为干燥炎热，发育白云岩沉积，反映出干燥炎热的强蒸发气候特点，而大后海段上部的紫色粉砂质页岩沉积，发育泥裂构造，则更加证明此时干燥蒸发的暴露沉积环境。

5.5 古气候周期5(大后海段顶部—石桥段中下部)

研究区早期均为碳酸盐沉积，气候潮湿。中期气候变化缓慢，表现为多个低级别潮湿—干旱气候周期。以浅灰色薄—中厚层含生物碎屑鲕粒灰岩夹暗紫色云母质粉砂质页岩组成多个沉积旋回为沉积标志，其中含生物碎屑鲕粒灰岩反映当时的温暖潮湿气候条件，而夹杂的暗紫色云母质粉砂质页岩，为干旱炎热的氧化环境的沉积标志。暗紫色页岩的红层中见有生物遗迹，也反映出当时气候的干旱—潮湿的多级别变化。晚期气候转为干燥炎热，普遍为沉积红层，页岩中具有食盐假象和发育泥裂，反映为干旱气候。

5.6 古气候周期6(石桥段上部)

早期气候温暖潮湿，岩性为含生物碎屑鲕粒灰岩，为鲕粒滩沉积环境，在本溪市桥头镇金家堡子发现了三叶虫和腕足类化石，见藻丘，说明此时为适应古生物生长的温暖潮湿环境。经过短暂的潮湿气候，气温迅速变为干燥炎热，大量暗紫色粉砂云母质粉砂质页岩(图6)等沉积红层的出现，反映出当时强烈的氧化环境。而页岩中普遍发育泥裂的蒸发构造，说明当时干燥的气候特点。

图6 紫色粉砂质云母质页岩

6 结 论

(1) 论证了古气候特征的主要标志，包括蒸发岩及伴生构造、碳酸盐类沉积、鲕粒、沉积红层、古生物、海绿石、古风化壳等。

(2) 辽东太子河地区中寒武世属于温带—亚热带半干旱气候，可划分出6个温暖潮湿—干旱炎热交替变化周期。

(3) 古气候与海平面升降以及沉积物特征、古水温的变化具有一致性，其研究可以提高区域地层对比的精度。

(4) 古气候学的研究对区域地质调查工作意义重大，建议其他区域地质调查工作也进行古气候研究。

7 致 谢

在选题及完成过程中，得到辽宁省地质勘查院张国仁研究员级高级工程师的悉心指导，资料主要来源于1∶5万桥头等4幅区域地质调查工作和1∶5万平顶山等4幅区域地质调查工作，为集体成果，在此一并致谢！

辽宁省地质矿产勘查局.1989.辽宁省区域地质志[M].北京:地质出版社.

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Paleoclimate recognition in Middle Cambrian in Taizihe area of eastern Liaoning Province

WUZi-jie,PANYu-qi,BAOHong-wei,WANGHai-peng,LEIGuang-xin，CHENGPei-qi

(Liaoning Institute of Geological Exploration, Dalian 116100, Liaoning, China)

According to evaporate and associated sedimentary structure, sedimentary red sandstone, carbonate rock and oolitic sedimentary, paleontology, palaeo weathering crust type, glauconite sedimentary indicators, in Huanren area and Benxi area, the authors combined with the features of Taizihe area in Taizi River reaches, the Middle Cambrian ancient climate was divided into six wet-dry and hot climate change cycles, and then determined the area belonged to the temperate and tropical semi-arid climate region.

Middle Cambrian Epoch; Paleoclimate characteristics; Identification marks; Variation cycle; Taizihe; Eastern Liaoning Province

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.561

2014-01-23；

：2014-03-27；编辑：侯鹏飞

中国地质调查局地质调查项目“辽东—吉南成矿带地质矿产调查辽宁1∶5万桥头幅(K51E017015)、本溪幅(K51E017016)、南芬幅(K51E018015)、铁山街幅(K51E018016)区调”(1212011120734)

吴子杰(1987— )，男，助理工程师，地质工程专业，主要从事区域地质调查及地层古生物研究，E-mail:midnight29@163.com

P534.41

：A

：1674-3636(2014)04-0561-06