二叠纪—三叠纪之交全球海平面变化研究

2016-12-23黎虹玮谭秀成

沉积学报 2016年6期

黎虹玮李飞胡广谭秀成,3 李凌,3

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学成都 610500；2.四川省天然气地质重点实验室成都 610500；3.中国石油碳酸盐岩储层重点实验室—沉积与成藏分室西南石油大学成都 610500)

二叠纪—三叠纪之交全球海平面变化研究

黎虹玮1,2李飞1,2胡广1,2谭秀成1,2,3李凌1,2,3

二叠纪—三叠纪界线附近的全球海平面变化是当前沉积学研究的热点和难点问题，其与当时的显生宙最大规模生物灭绝事件存在一定关联，具有重要的研究意义。然而二叠纪—三叠纪界线附近的全球海平面变化存在较多争议，受单剖面或区域范围内相对海平面变化研究程度的制约，在缺乏从沉积学角度的综合对比研究的情况下，可能会影响对全球海平面变化过程与持续时间的判识。综述了二叠纪—三叠纪界线附近的海平面变化研究进展，整合了多位学者的研究剖面、主要观点及认识，梳理了全球海平面变化的主要观点(“上升论”和“下降—上升论”)，包括其各自的发展历程、代表剖面及海平面变化识别特征、海平面上升/下降的原因以及海平面变化与生物灭绝的关系等，并在此基础上，探讨了二叠纪—三叠纪全球海平面变化研究过程中产生争议的原因。本文旨在为二叠纪—三叠纪界线(PTB)附近海平面变化研究提供线索，同时为研究全球PTB地质事件发生的背景及差异性原因提供基础证据。

二叠纪—三叠纪界线全球海平面变化暴露标志生物灭绝事件

0 引言

二叠纪—三叠纪之交的生物大灭绝(约2.52亿年前)是地质历史上最为瞩目的地质事件，造成超过90%的海洋无脊椎动物灭绝[1]。关于这次事件的起因众说纷纭，目前认为可能与西伯利亚溢流玄武岩的喷发有密切关系[2]。对这段时期内包括高温[3-4]、缺氧[5-6]、海洋酸化[7-9]、强烈陆缘风化[10]等重大环境异常事件的研究已较为深入；二叠纪—三叠纪界线(PTB)附近的全球海平面变化可能与生物灭绝事件存在直接或间接关联，同样具有重要的研究意义。然而界线附近的全球海平面变化研究存在较多争议，受单剖面或小区域范围内海平面变化研究程度的制约可能是重要原因之一，因为区域性的海进和海退可能属于相对海平面变化，可能受盆地基底升降、沉积物供给速率、可容空间、气候等影响，不等同于全球(绝对)海平面变化，要提出全球海平面变化的观点，需要有全球范围内多个剖面的对比。在PTB海平面变化事件研究中，由于研究剖面位置分散，受海平面变化标志性证据多解性和古地貌差异影响，小区域范围的相对海平面变化存在差异，在缺乏从沉积学角度的综合对比研究的情况下，难以对全球海平面变化的过程与时限进行判识。因此，本文综述了全球二叠纪—三叠附近海平面变化的研究进展，整合了多位学者的研究位置、研究观点或认识，梳理了全球海平面变化的主要观点(“上升论”和“下降—上升论”)，包括其发展历程、代表剖面及海平面变化识别特征、海平面上升/海平面下降原因以及海平面变化与生物灭绝的关系等，在此基础上，分析了全球海平面变化研究过程中产生争议的原因，以期为PTB附近全球海平面变化研究提供线索，同时为研究全球PTB地质事件发生的背景及差异性提供基础证据。

1 二叠纪—三叠纪界线附近全球海平面变化的主要观点

上世纪60—80年代，Newell[11]首先提出海洋生物大灭绝与海平面下降存在关联，从定性的角度上认为海洋生物的锐减与陆缘海的减少有密切关系，Schopf[12]和Simberloff[13]则从定量的角度研究了二叠纪末大灭绝时生物种类与生存区域的关系，指出海平面下降导致的栖息地丧失增加了灭绝的可能性，他们的研究表明早二叠世浅海区生物栖息地约占43%，而到晚二叠世仅占13%，到三叠纪早期，全球浅海区生物栖息地又增加至34%。Holser[14]也认为大灭绝与大规模海平面下降有关，并指出当时海平面下降达280 m，速率为60 m/Ma。但通过仔细核对早期文献的生物地层工作，发现其二叠纪末最后一个地层年代为Djufian[12](对应华南板块吴家坪阶[15])，地层系统缺乏华南板块的长兴阶沉积，即90年代以前的学者所提出的海平面下降实际上指的是晚二叠世早期的吴家坪期海平面下降，而不是长兴阶末期的海平面下降(下文1.2.1将详述)。

真正关于二叠纪—三叠纪界线附近全球海平面变化的研究始于上世纪90年代，先后经历了“上升论”的盛行以及之后的“下降—上升论”观点的逐步确立。下文主要对这两个观点进行了总结梳理。

1.1 上升论

1.1.1 观点的发展历程及代表剖面

上世纪90年代，海平面下降导致物种栖息地丧失的观点受到以Wignall和Hallam等为代表的学者的质疑[16-19]。Twiitchett[19]指出物种—地域关系中，特定地点栖息环境的多样性比栖息地面积更重要，其次，全球变冷和冰川期造成的海平面下降(如奥陶纪末灭绝事件)，水温的下降比陆棚面积的丧失更可能是灭绝机制。Hallam[16]首次提出二叠纪末海平面上升过程中底层缺氧海水的上涌可能是造成生物灭绝的重要机制，之后，Wignall等发表了多篇文章[17-18,20-22]，主要涉及意大利、巴基斯坦盐岭地区、藏南、华南板块重庆地区的浅水相PTB剖面(图1、表1)，认为全球二叠纪末—早三叠世为连续的海平面上升，灭绝线和PTB都位于海侵层序中，灭绝事件与最大海泛面(MFS)紧密相关而不是与和层序界面(SB)相关，PTB在灭绝线之上或在灭绝段内。连续海平面上升观点得到了一些学者的支持[23-29](图1、表1)，该观点的提出主要基于如下两点：①识别出以暴露面或侵蚀面为特征的层序界面，但早期生物地层工作认为生物灭绝事件发生在层序界面之上的海侵沉积中，即层序界面所代表的海平面下降不能归属于PTB附近发生的事件，故未对该期海平面下降事件予以关注，并得出PTB附近为海平面上升的结论[17-18,21,30]；②未能在界线地层附近识别出近地表暴露证据或对近地表暴露的证据有其他解释，PTB附近多为海平面上升导致的岩性岩相突变区间[7,16,20,23-24,26,28-29,31-36]。总的来说，早期PTB附近海平面上升论观点的盛行主要是对层序界面附近地层的研究尚不深入，导致海平面下降事件未能引起重视。

1.1.2 海平面上升的原因

对于二叠纪末海平面上升的原因尚无定论，仅有少数学者提出了一些假说，假说主要包括： ①Hallametal.[30]认为二叠纪末泛大洋海底岩石圈超级地幔柱隆起会产生相对陆架边缘的海平面上升，但是二叠纪末的洋壳多由于俯冲下沉或大陆增生而消亡[38]，因此构造方面的假说难以得到验证；②Kidder等[27]基于全球温度上升观点(西伯利亚火山喷发释放大量二氧化碳、界线地层附近碳同位素负偏可能意味着海底天然气水合物中甲烷的释放、以及高纬度地区寒带煤系森林的快速灭亡等)，提出表层水与底层水升温导致了海洋热扩张，伴随陆地风化作用加强，森林蓄水层被破坏，冰川融化等，在联合大陆中纬度地区可能形成良好的海平面上升记录。

图1 晚二叠世—早三叠世全球古地理图(据Scotese[37]，有改动)及报道海平面上升观点的PTB地层剖面位置Fig.1 Late Permian to early Triassic global paleogeographic map (revised from Scotese[37])and PTB stratigraphic sections which have been reported sea level rise

序号剖面位置沉积相海平面上升证据资料出处1意大利,Dolomites地区浅水台地PTB附近为连续鲕粒灰岩沉积,内部未识别出沉积间断,鲕粒灰岩底部侵蚀面远低于PTB,不属于PTB事件Noé,1987;Baudetal.,1989;Hallam,1989;Wignall和Hal-lam,1992;Sholgeretal.,20002匈牙利,BükkMountains和theTransdanubianRange.斜坡界线黏土底部未见明显侵蚀,界线黏土富含黄铁矿Haasetal.,20073土耳其,Taşkent开阔台地①截断面之下为潮下环境而不是潮间带环境,没有向上变浅旋回;②等厚环边胶结物指示了海洋潜流带环境,未见指示大气淡水渗流带环境的新月形或重力悬垂胶结物;③截断面之下的生屑灰岩里的狭盐性动物的存在指示沉积环境为正常盐度的海洋环境;④碳同位素负偏都在截断面之上,而截断面之下没有显示反映大气淡水型负偏;故将截断面解释为海底侵蚀面。也有学者解释为缝合线Payneetal.,2007;Kershawetal.,2007;4伊朗南部SouthPars气田(现今波斯湾)浅水等斜缓坡PTB附近为连续向上变深旋回,未见明显层序界面Insalacoetal.,20065重庆:老龙洞,凉风垭,文兴场,斑竹园,涧水沟,东湾开阔台地,生物礁,礁间长兴阶顶部缺乏岩溶现象或古土壤,或者淡水组构,可能只是代表相的突变生屑灰岩或生物礁与上覆微生物岩为向上深序列,微生物岩内部见缝合线而非侵蚀面Wignalletal.,1996;Kershawetal.,1999;2002;20076贵州南盘江地区,躴排,大文,和平开阔浅潮下具体证据同土耳其,截断面为海底侵蚀面;或生屑灰岩与微生物岩以缝合线接触Payneetal.,2007;Kershawetal.,20077巴基斯坦盐岭地区斜坡PTB附近为连续沉积的、向上变深的Kathwai白云岩,没有证据显示海退。这段白云岩之下的Chhidru组顶部有干裂缝,但该海退事件不属于PTB附近事件Wignalletal.,20038印控克什米尔地区,Pahlgam和GuryulRavine开阔台地PTB之下由浅水碳酸盐岩砂沉积快速转变为深水陆棚的泥灰岩沉积,未见明显侵蚀Brookfieldetal.,2003;Algeoetal.,20079西藏Selong,Tulong,Qubu开阔台地Coralbed向上变深为较低能环境的叠层石层Wignalletal.,200310日本Takachiho浅海具体证据同土耳其,截断面为海底侵蚀面Payneetal.,2007

1.1.3 海平面上升与生物灭绝事件

“持续上升论”观点认为生物灭绝事件与海平面上升过程中的缺氧事件有关，缺氧事件开始于中二叠统末期的泛大洋和局部盆地，P-T之交时缺氧已经广泛分布，除巴基斯坦盐岭、西藏南部和马达加斯加岛以外的多个盆地、内斜坡和陆棚剖面都有显示[6]。缺氧事件得到了较多学者的支持[5,39-40]，但也有学者指出PTB附近的缺氧并不是主要灭绝机制[19,41-42]，虽然有的剖面观察到局部的动物群灭绝于缺氧事件，而物种多样性的快速下降总是在缺氧事件刚开始时期[2]，因此，缺氧事件可能主要与早三叠世初期第二幕生物灭绝有关(对应Isarcicellaisarcica牙形石带底)[2]，其可能在延缓三叠世生物复苏过程中扮演了更重要的角色[19, 41-42]。

1.2 下降—上升论

1.2.1 观点的发展历程与代表剖面

上世纪80年代后期至本世纪初，部分国外学者对PTB剖面进行了详细的岩石学与沉积学研究，报道了PTB附近海平面下降的证据[43-51]，但是这些报道都是基于单个剖面或者区域范围内几个剖面的研究，没有上升到全球海平面变化的讨论。早在1991年，杨遵仪[52]等便提出过华南地区存在海退，长兴末期经历了海平面下降—上升旋回，但没有给出海平面下降的明确证据，2003年，国内学者吴亚生等报道了贵州紫云地区长兴末期多个剖面生物礁的近地表暴露证据，并将贵州地区的海平面下降事件与意大利的PTB剖面和上扬子盆地的深水PTB沉积进行了类比论证，明确提出了晚二叠世末即长兴期末存在全球(绝对)海平面下降，并指出这可能是引发二叠纪末生物集群灭绝的因素之一[53]；同年，Wu和Fan根据潮坪白云岩和溶蚀证据，对彼此相隔较远的生物礁(贵州紫云和湖北利川)进行了海平面下降幅度的定量计算，结果表明不同地区海平面下降幅度相似，指出海平面变化是海平面绝对下降而不是相对下降，二叠纪末特提斯海域的海平面至少下降了89.3 m[54]。此后，世界范围内尤其是特提斯海域关于二叠纪—三叠纪界线附近的海平面下降的证据得到了广泛报道[35,55-88](图2、表2)，一些学者已对全球多条PTB剖面的海平面变化对比进行了精细研究[63,89-91]，二叠纪—三叠纪之交存在全球海平面下降已逐步成为主流观点。

二叠纪末期海平面下降事件形成了一个三级层序的Ⅱ型层序界面(SB2)[89]，即在浅水区以暴露剥蚀为特征，向深水方向过渡为假整合或整合接触，具体表现为：①浅水环境(开阔台地相、蒸发台地相、生物礁相、缓坡相)中识别出的PTB海平面下降证据，以向上变浅沉积序列、不整合界面及产物(侵蚀面、冲刷面、古土壤、风化壳、钙结壳)、渗流组构(重力悬垂胶结物、示顶底构造、渗流粉砂)、古岩溶现象(岩溶垮塌角砾岩、溶沟、溶蚀孔洞和洞穴堆积物、去白云石化作用)、潮坪白云岩及其伴随的藻纹层、鸟眼构造、帐篷构造、干裂缝、石膏假晶等潮上带构造为识别特征；②深水环境(深水台缘相、斜坡相和盆地相)则主要以沉积相的突然向上变浅为识别标志，具体包括深水动物群向浅水动物群的转变，富硅质沉积转变为碳酸盐岩沉积，或者富泥质沉积以及陆源碎屑在垂向上增加等。早期，Yinetal.[89]认为该Ⅱ型层序界面(SB2)代表的沉积间断位于Clarkinayini—C.meishanensis牙形石带之间，最新的资料来自Yinetal.[91]对华南板块20余条PTB剖面的高分辨率牙形石生物地层研究，其研究结果表明华南地区广泛存在海平面下降，扬子台地和湖南—贵州—广西盆地中的小型孤立台地经历了5～10万年的沉积间断，间断时间对应C.meishanensis至Hindeoduschangxingensis牙形石带(对应煤山剖面24e—26层顶)，并将全球海平面下降持续时间修订为与华南板块等时。由此，本文依据Yinetal.[91]的最新的牙形石分带及海平面下降导致的沉积间断时间，对表2中重要的PTB剖面校正后进行了对比(图3)。

实际上二叠纪末期海平面下降主要发育于特提斯地区[92]，特提斯海域存在一个独特的海水进退历史，该区域在长兴期总体为一个海平面上升过程，在长兴晚期经历了一个快速的海平面下降，层序界面之上是一很薄的(0.3～5.0 m)、以初始海泛面(TS)为顶界的陆棚边缘体系域(SMST)沉积，在个别地貌高地可能缺失SMST沉积，海侵体系域沉积(TST)直接覆盖在SB2之上，SMST和初始TST沉积以泥晶灰岩、粒泥灰岩、泥粒灰岩、鲕粒灰岩、微生物岩等低能或较低能环境沉积产物为特征，与SB2之下的高水位体系域(HST)的生屑云岩、鲕粒云岩、泥晶云岩等高能浅水环境沉积物形成明显的岩性转变(图3)，反映了层序界面之上的新一期海平面上升事件，SMST和初始TST沉积中常包含二叠型牙形石(H.changxingensis、C.taylorae)以及少量腕足类、蜓和有孔虫等[93]，而以牙形石H.parvus的首现确定的二叠纪—三叠纪年代地层界线(PTB)一般位于初始海泛面(TS)之上几厘米至几米处，因此，长兴末期即已发生海平面上升事件，特提斯海域在长兴期内部经历了海平面上升—下降—上升的旋回[52, 89, 94]。而现已查明西欧、北美、俄罗斯、冈瓦纳大陆及北部高纬度地区(Boreal 海域，加拿大北极区、格陵兰岛、西伯利亚等)(图2 A)在晚二叠世经历的海平面变化旋回为吴家坪期海平面下降—长兴末期海平面上升，不存在长兴期内部的海平面变化，海平面低潮期形成Ⅰ型层序界面(SB1)，直到晚长兴期才发生海平面上升，即SB1之下的HST沉积为吴家坪阶硅质岩和灰岩(含吴家坪阶古生物)，而SB1之上的低水位体系域(LST)沉积为晚长兴期页岩与粉砂岩，其上发育代表TST的黏土岩和粉砂岩，三叠纪标志牙形石H.parvus首现于TS之上数厘米，因此，只有SB1之上的地层可与特提斯海域进行对比[89]，在欧美等非海相沉积区，主要表现为对先期沉积间断面的叠加或改造[95]。

1.2.2 海平面下降—上升的原因

目前二叠纪末海平面下降的原因主要有两种观点：

(1) 泛大陆聚合导致的海平面下降

彭元桥等[97]和殷鸿福等[94]提出晚二叠世是泛大陆与泛大洋的全盛时期，这样一个高山深盆时期导致海水从大陆架回归盆内，形成了二叠纪末全球性海平面下降并影响气候[94]。在全球各大陆聚合的总背景下，特提斯海域内一系列的小板块从冈瓦纳古陆裂解，并向欧亚大陆靠拢，形成特提斯海多岛洋体系，这里可能不断有小型洋中脊产生，海水涌向大陆架，导致特提斯海域在晚二叠世发生海平面上升，直到长兴期晚期才发生海平面下降，由此构成了特提斯海域独特的海平面上升—下降旋回[97]。

(2)全球变冷，海水热收缩导致的海平面下降

Shenetal.[63]指出新特提斯海域发生灭绝事件之前的气候是寒冷的(冷水环境牙形石Vjalovognathussp. 和Merrillinasp.，冷水腕足)，Farabegoli和Perri[81]等在Shenetal.[63]观点的基础上提出全球变冷，热收缩导致了海平面下降。吴亚生等[76, 98]对华南板块多条浅水PTB剖面生物灭绝方式的研究表明，主灭绝事件中温暖环境的生物礁、蜓类、钙藻等突然灭绝，可能与全球变冷有关，并导致海洋总体积缩小，从而引发了海平面下降。田力[99]指出二叠纪末强烈的火山喷发产生的气候效应，即快速降温(“火山冬天”)与长期缓慢升温的过程，可以与海平面的快速下降(千年级别)与缓慢上升(百万年级别)对应。但由于降温时间太短很难留下地层记录，或者采样分辨率太低，亦或其他原因，目前该降温事件并没有得到牙形石氧同位素的数据支持。

图2 A.晚二叠世—早三叠世全球古地理图(据Scotese[37]，有改动)及报道海平面下降的PTB地层剖面位置；B.晚二叠世—早三叠世华南板块古地理图(据冯增昭等[96]，有改动)及重要的PTB地层剖面位置Fig.2 A. Late Permian to early Triassic global paleogeographic map (revised from Scotese[37]) and PTB stratigraphic sections which have been reported sea level fall; B. Late Permian to Early Triassic South China paleogeographic map (revised from Feng, et al.[96]) and important PTB stratigraphic sections

序号剖面位置沉积相海平面下降证据海平面下降次数资料出处1重庆土地垭生物礁生物礁顶部是潟湖相的藻屑沉积,其上为潮坪沉积,最顶部为一个喀斯特面(覆盖着复合多种矿物碎屑黏土层)1Reinhardt,1988;Flügel和Re-inhardt,19892重庆老龙洞生物礁之上的微生物岩侵蚀面,干裂缝,PTB上下0.4m2吴亚生等,2006b;姜红霞等,2007;刘丽静等,20143重庆涧水沟生物礁三个古暴露面(古岩溶面),一次位于PTB之下(主灭绝时期),两次在PTB之上(最后一次暴露面对应第二幕灭绝期)3周刚等,20124重庆盘龙洞生物礁暴露浅滩白云岩,并发生大气淡水溶蚀作用,见喀斯特角砾岩1马永生等,20055重庆二龙口开阔台地长兴组顶部风化壳,古岩溶(垂直溶沟、大型溶洞、顺层岩溶)1黎虹玮等,20156重庆偏岩子生物礁长兴组顶部礁盖发育顺层岩溶、垂直溶沟、岩溶角砾1黎虹玮等,20157重庆川东井区生物礁、礁间长兴组上部溶洞、溶沟、岩溶角砾、花斑状岩溶系统、铝土质泥岩1黎虹玮等,20158重庆蜀南井区开阔台地大量钻具放空现象,岩芯上见大量的溶沟、溶缝、溶洞及岩溶角砾,长兴组顶部古岩溶不整合1罗冰等,20109贵州罗甸沫阳生物礁、开阔台地非礁相发育不连续面(侵蚀面、缝合线)、生物礁见岩溶垮塌角砾岩、溶蚀孔洞、洞穴堆积物1李飞等,201210贵州罗甸大文开阔潮下冲刷面或剥蚀面1刘建波等,200711贵州紫云生物礁长兴阶末为HST的海平面快速下降期,有大量的次生孔隙1陆永潮等,199912贵州紫云:亘旦、谈陆寨、石头寨生物礁生物礁顶部发育蒸发潮坪白云岩,藻纹层、鸟眼构造、干裂缝、溶蚀崩塌角砾岩、石膏假晶等1吴亚生等,2003;Wuetal.,2003;Wuetal.,201013贵州躴排开阔浅潮下侵蚀面(或为水下溶蚀)1Kershawetal.,2007;Ezakietal.,2008;Collinetal.,200914贵州改貌开阔浅潮下长兴组生屑灰岩与大隆组硅质岩之间的风化壳1Yangetal.,201215贵州打讲开阔浅潮下喀斯特风化面1Jiangetal.,201416江西修水开阔台地碳酸盐颗粒表面形成褐铁矿,树枝状微生物岩顶部去白云石化灰岩,一次位于PTB之下(第一幕灭绝时期),一次在PTB之上2吴亚生等,2006a;Wuetal.,201417江西沿沟开阔台地不整合面1Sunetal.,201218湖北利川生物礁生物礁白云岩化1Wuetal.,200319湖北赤壁深水台缘早长兴期以黑色含放射虫的海绵骨针硅质岩沉积为主,晚期则相变为富含底栖有孔虫化石的硅质团块或硅质条带灰岩1邓宝柱等,201520浙江黄芝山开阔台地古剥蚀面(风化壳)1陈军等,2008;杜永灯等,200921浙江煤山斜坡层序界面波状起伏,低凹处充填薄的褐铁钙质泥岩和较多被磨蚀的生物屑,界面上下微相不连续,界面之下岩层具反粒序层理1张克信等,1996;Yinetal.,2007;曹长群等,200722湖南慈利深水盆地沉积环境由深水盆地突然转变为浅水台地,生物类群也由大隆组顶部的深水类群放射虫—海绵骨针组合变为大冶组底部的浅水类群棘皮类—双壳类—藻类组合1郑全峰等,201323广西东攀深水盆地陆源碎屑向上增加,硅质岩向上变为泥岩,深水盆地放射虫向上消失,大量腕足出现1张凡等,2006,2007;Fengetal.,2007;Yinetal.,200724克罗地亚Velebit地区开阔台地—蒸发台地侵蚀面,主量、微量、稀土元素在界面处高度富集,反映了陆源硅质碎屑的大量注入1Fioetal.,201025斯诺文尼亚Brsnina蒸发台地界线黏土,主、微量元素在界线之上的地层高度富集,反映了陆源硅质碎屑的大量注入,沉积环境由界线之下的缺氧(深灰色云岩)转换为界线之上的富氧(红色碎屑岩与云岩,Th/U值小于2)1Dolenecetal.,200526意大利Dolomites地区开阔台地不整合面,示顶底构造(一次对应煤山剖面24顶,一次对应煤山剖面26层)2Farabegoli和Perri,1998;Farabegolietal.,2007;FarabegoliandPerri,201227土耳其西Taurus山脉地区,CürükDagh开阔台地二叠系顶部发育鲕粒灰岩的变浅序列,顶部发育渗流成岩作用,鲕粒强烈重结晶1Baud和Cirrili,1997;Baudetal.,200528土耳其Taurides中部,开阔浅潮下二叠系顶部发育鲕粒灰岩的变浅旋回,最顶部鲕粒灰岩发生重结晶,P—T界线为不整合面1Ünaletal.,200329伊朗中部Abadeh深水盆地由二叠纪顶部的富氧深水沉积(红色结核状泥岩)变为三叠纪底部同沉积碳酸盐扇状胶结物层,其上为重结晶的鲕粒灰岩1Heydarietal.,2003

(续表)

序号剖面位置沉积相海平面下降证据海平面下降次数资料出处30伊朗南部SouthPars气田(现今波斯湾)浅水等斜缓坡不整合面,超盐环境、大气淡水环境胶结物、白云岩化、铸模孔。由界面之下的潮上带云岩转变为界面之上的潮下带颗粒岩多次Rahimpour-Bonabetal.,200931沙特阿拉伯中部缓坡界线黏土(古土壤),被侵蚀的植物碎片(陆源搬运)1Eltonetal.,201632阿曼WadiSahtan开阔台地红色界线页岩(发育帐篷构造、潮上带角砾)1Richozetal.,201033巴基斯坦盐岭地区开阔台地干裂缝、侵蚀面,沉积相向上变浅:浅潮下砂岩变为更开放的潮间砂屑碳酸盐岩,砂屑总量向上增加,化石含量向上减少,最顶部有淡水影响和潮坪沉积,陆源碎屑增加1Baud,1996;Mertmann,200434西藏Selong,Tulong,Qubu开阔台地钙结壳1Shenetal.,200635日本南部Takachiho浅海二叠系顶部颗粒灰岩和泥粒灰岩白云岩化,白云岩化程度向上增强1Sanoetal.,1997

图3 重要PTB剖面简化地层对比图Fig.3 Simplified correlation of important PTB stratigraphic sections

二叠纪末海平面上升的原因可能与1.2.2中所述类似，即可能是由于全球变暖导致的海洋热扩张所致。

1.2.3 海平面下降—上升旋回与生物灭绝事件

目前对特提斯海域的大部分剖面的研究表明，第一幕灭绝事件与二叠纪末全球海平面下降一致[45,50,81,84,89,98,100]，致使四射珊瑚、蜓、三叶虫、长身贝、石燕贝等灭绝[52,89,101]，海平面下降导致大量陆表海消失，导致许多底栖生物的栖息地消失，或使陆棚海地区被分割且面积缩小，造成生物群过分拥挤，生存竞争加剧首先导致了某些窄生境型生物的绝灭，生物链遭受重创，最终必然影响其他生物的生存与发展[97]。由于第一幕灭绝事件与二叠纪末全球海平面下降一致，因此可以认为二叠纪末海平面下降事件应归属PTB事件。但也有剖面显示灭绝事件发生在海平面下降界线之上的海侵体系域内，如Hallametal.[30]指出意大利Dolomite地区Siusi剖面的灭绝线位于不整合面之上的鲕粒层内，他还指出巴基斯坦盐岭地区的灭绝段在Baudetal.[45]所报道的侵蚀面之上的Kathwai白云岩段内；Shenetal.[63]指出西藏色龙、巴基斯坦盐岭、克什米尔灭绝段位于SB之上的TST段内。Yinetal.[89,102]的研究对上述两种灭绝情况作出了解释(图4)，指出第一幕灭绝事件与海平面低潮期(SB)一致(对应煤山剖面24e层底)，第二幕灭绝事件(主要是二叠纪孑遗生物的灭绝)发生于海平面上升期(TST)(对应煤山剖面28层顶)(图4)。

图4 两幕灭绝事件与SB及随后的TS的关系(修改自Yin，et al., 2007)PTB.二叠纪—三叠纪界线；SMST.陆棚边缘位体系域；LST.低水位体系域；TST.海平面上升体系域；HST—高水位体系域；TS.初始海泛面；MFS.最大海泛面； SB.层序界面；Time.时间进程Fig.4 Two extinctions in relation to the SB and the succeeding TS (revised from Yin， et al., 2007)

2 全球海平面变化差异分析

关于全球海平面变化出现较多争议的原因，相对海平面变化研究程度可能是一个重要因素，具体包括两个方面：①针对同一地区甚至同一剖面(如意大利、巴基斯坦、华南板块浅水碳酸盐岩台地、藏南、土耳其等，图2)的相对海平面变化研究常常得出相反的结论，这主要是不同学者对海平面变化标志性证据的解释有差异导致的，而多条剖面标志性证据的理解差异可能会影响对全球海平面变化的判识；②各个研究区位置分散，由于区域性古地貌(古海拔)差异，造成等时的全球海平面下降事件在不同剖面上的沉积记录不同，即不同剖面相对海平面变化存在差异，在缺乏从沉积学角度的综合对比研究的情况下，可能会影响对全球海平面变化过程持续时间的判识。

2.1 对海平面变化标志性证据的解释存在差异

对海平面变化标志性证据的理解存在差异是造成浅水相PTB剖面相对海平面变化存在争议的主要原因，即表现为对海平面下降论观点中的海平面下降标志的有其他解释，主要包括如下几点：

2.1.1 缝合线

在华南板块四川—重庆地区，PTB地层长兴组灰岩与微生物岩之间以及与微生物岩内部的地层接触关系形成了两类观点，有的学者认为其为侵蚀面[61,103]，另一些学者则认为这些都是缝合线[73]，Kershawetal.[104]指出多条PTB剖面(重庆华蓥、重庆东湾剖面、四川盆地西北鱼洞子剖面、贵州躴排剖面、土耳其Cürük Dag剖面等)发育多条缝合线，强调压溶的普遍存在，缝合线的发育影响了判断侵蚀面是海底溶蚀还是近地表侵蚀，使古环境研究受到阻碍，因此，在野外识别PTB附近侵蚀面时，应慎重恢复缝合线之前的接触情况或者寻找缝合线发育较弱的界线剖面。

2.1.2 海洋酸化导致的海底侵蚀

Payneetal.[7]对华南板块贵州、土耳其、日本三个地区的PTB剖面的沉积相、微观组构、C同位素、胶结物等综合分析认为，二叠纪顶部生屑灰岩侵蚀面为与海洋酸化有关的海底侵蚀面。这一观点提出后受到了诸多质疑[73,79,104-105]，这些学者认为从二叠纪末的超饱和到灭绝事件层的不饱和再到微生物岩的超饱和，如此短时间内碳酸盐饱和度的快速转换在岩石学和碳同位素曲线上尚未有明确的证据[73,79,106]；最新的研究基于地球化学分析从钙同位素[8]、硼同位素[9]等方面对二叠纪—三叠纪之交的海洋酸化进行了论证，很多学者在报道近地表侵蚀面时，也指出不排除水下溶蚀的可能[71,91]，如Farabegolietal.[81]认为意大利两处深潮下环境的PTB剖面中平行不整合面的形成可能与酸性大气淡水注入和酸雨直接入海有关。但Payneetal.[7]和Lehrmann[36]关于酸化海洋水下溶蚀的证据都是基于缺乏近地表暴露证据的反证，缺乏水下溶蚀的直接岩石学证据，目前这一理论还存在争议。

2.1.3 微生物岩

Reinhardtetal.[43]和吴亚生等[53]认为华南板块重庆地区生物礁顶部是潟湖相的藻屑沉积，其上为潮坪沉积，最后为喀斯特面(覆盖着复合多种矿物碎屑的黏土层)，代表晚二叠纪末期的海平面下降。但Wignalletal.[20]以及Kershawetal.[23-24]认为礁之上的潮坪白云岩可能是微生物岩，代表较深水、贫氧的环境，此层之上的薄层泥晶灰岩，含草莓状黄铁矿和贫氧动物群Claraia和Planolites，代表更加缺氧的环境，界线地层内不存在出露和喀斯特化的证据，并认为是海水加深和缺氧环境导致了生物集群绝灭。

此外，Wignalletal.[22]在西藏南部色龙PTB剖面中也描述了一层“叠层石”层，但Shenetal.[63]认为该层为纹层状钙结壳，其发育渗流特征，钙结壳从顶向下形成了钟乳石或微型钟乳石结构，钙结壳内的角砾为绿灰色粉砂质页岩碎屑，不是来自附近的层位，可能指示了LST时期阶段性小型海平面下降导致的暴露和再改造，因此钙结壳底部标志着层序界面，其上的Waagenites Bed至Otoceras Bed记录了岩相的快速向上变深，由Waagenites Bed的海百合茎颗粒岩向上变为Otoceras Bed的薄层、含压溶缝的泥粒岩，生物扰动向上变弱，黄铁矿向上变多，反映了PTB之下的初始海泛。

2.2 区域性古地貌(古海拔)差异

在全球海平面下降等时的背景下[81]，不同地区的沉积间断时间、海平面下降次数实际各不相同，这可能主要受区域性古地貌(古海拔)的影响[61,80](图5)，古地貌高的开阔台地礁、滩相区和台地边缘相区最先受到海平面下降影响[61]，地层暴露、地表被剥蚀，水体越浅沉积间断时间越长，或出现多次高频低幅海平面下降事件；而古地貌低的深水相的开阔台地潮下、斜坡和盆地等连续沉积区，可能表现为整合接触或假整合接触、沉积相的变浅或无变化、深水动物群转变为浅水动物群等，未见暴露证据或牙形石带间断[80-81,91,99]。

2.2.1 深水PTB剖面对海平面下降事件的响应

东特提斯海域华南板块深水相与浅水相PTB剖面同时存在(图2B)，为PTB海平面变化对比研究提供了良好的基础，海平面下降事件在浅水相表现为近地表暴露和沉积间断，而多数深水相剖面表现为PTB连续沉积(图2B，引自Yinetal.[91])。世界范围其他地区深水相PTB剖面的“海平面上升”现象，可能是受区域性构造沉降、沉积物供给、气候等影响导致的相对海平面上升，也可能是缺乏对二叠纪末海平面下降事件进行系统研究的结果。来自华南板块的深水相剖面(湖北赤壁剖面[87]、浙江煤山剖面[55,67,89]、湖南慈江垭剖面[84]、广西东攀剖面[62,64,68,89])报道了海平面下降的证据，因此，深水剖面对全球海平面下降可能也是有所响应的，其主要应通过沉积相、岩相的垂向变化及不同环境古生物组合的垂向变化综合分析识别。

2.2.2 浅水PTB剖面对海平面下降事件的响应

在全球海平面下降等时的背景下，受区域性古地貌(古海拔差异)，不同剖面沉积记录中的沉积间断时间存在差异。有的剖面在晚二叠世可能处于地貌高地，其沉积间断时间可以跨越1到3个牙形石带，如贵州罗甸大文剖面[65]和贵州打讲剖面[99]的沉积间断缺失多达三个牙形石带(C.meishanensis—C.taylorae带)。而有些浅水剖面可能由于不具有明显正地貌凸起，海平面下降造成的沉积—成岩响应较弱，沉积间断可能小于1个牙形石带[63,72]，由于研究精度较低或采用间距较宽导致的海平面下降事件未被识别常常是引起争议的又一重要原因之一，如意大利Dolomite山脉地区的PTB浅水台地剖面的两个不整合面的沉积间断时间均小于一个牙形石带[69,81]，早期研究在较低的研究精度下多未能识别[16-17,31-33,107]；此外，意大利附近的斯诺文尼亚PTB剖面也出现了类似现象[59]，其P-T岩石地层界线主要表现为1 cm厚的界线黏土，未见明显的侵蚀，Dolenecetal.[59]主要通过主、微量元素在界线之上的地层高度富集(反映了陆源硅质碎屑的大量注入)以及沉积环境由界线之下的缺氧环境(深灰色云岩)转换为界线之上的富氧环境(红色碎屑岩与云岩，Th/U值大于2)得出海平面发生下降的结论。

图5 打讲—沿沟—煤山—上寺PTB剖面简化地层对比图(修改自田力，2015)Fig.5 Simplified correlation of Dajiang-Yangou-Meishan-Shangsi PTB stratigraphic sections (revised from Tian, 2015)

3 结论

(1) Hallam在1989年首次提出二叠纪末海平面上升过程中底层缺氧海水的上涌可能是造成生物灭绝的重要机制后，以Wignall等学者为代表“上升论”得到了较多支持，该观点的提出主要是由于认为层序界面与围绕生物灭绝事件的相关PTB事件无关或在PTB附近未识别出层序界面，对层序界线附近地层缺乏深入研究导致海平面下降事件未能引起重视。

(2) 自吴亚生等在2003年提出二叠纪—三叠纪之交存在全球海平面下降后，多条剖面(主要在特提斯海域)PTB界线之下的海平面下降证据被广泛报道，二叠纪末存在海平面下降已成为主流观点。二叠纪末海平面下降形成了一个三级层序的Ⅱ型层序界面(SB2)，其常与第一幕生物灭绝界线一致，因此该海平面下降事件应归属于PTB事件。层序界面之上的陆棚边缘体系域(SMST)和初始海侵体系域(TST)沉积物中常包含二叠级孑遗生物，三叠纪标志牙形石一般出现在TST底界之上几厘米或数十厘米处，说明二叠纪末即已发生了海平面上升，由此构成了PTB附近的“下降—上升”旋回。

(3) 目前关于PTB附近海平面变化的原因尚无定论，海平面下降可能与泛大陆聚合有关，海平面上升则可能与全球变暖导致的海洋扩张有关。

(4) 全球PTB海平面变化研究过程中产生争议的原因，主要受单剖面或小区域范围内相对海平面变化研究进展制约，具体包括两个方面：①对海平面变化标志性证据的解释存在差异，导致同一地区甚至同一剖面的相对海平面变化得出相反的结论，多条剖面的标志性证据解释差异可能会影响对全球海平面变化的判识；②在全球海平面下降等时的背景下，由于研究区位置分散，区域性古地貌(古海拔)存在差异，造成海平面下降事件在不同剖面上的沉积记录不同，浅水相区以暴露剥蚀和表生岩溶作用广泛发育为主，形成的沉积间断时间较长，而深水相区为整合接触或假整合接触，未见暴露证据或牙形石带间断。

致谢中国科学院地质与地球物理研究所吴亚生老师以及三位评审专家对本文提出了宝贵的修改意见与建议，在此深表感谢。

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A Review of Studies on Global Changes of Sea Level Across the Permian Triassic Boundary

LI HongWei1,2LI Fei1,2HU Guang1,2TAN XiuCheng1,2,3LI Ling1,2,3

(1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Sichuan Key Laboratory of Gas Geology, Chengdu 610500, China) 3. Branch of Deposition and accumulation, Key Laboratory of Carbonate Reservoir, China National Petroleum Corporation, Chengdu 610500, China;

The issue on sea-level changes across the Permian-Triassic boundary (PTB) has been disputed by the sedimentologists for a long time. It may also have relation with the largest mass extinction event during the transition of Permian-Triassic. However, it is not quite clear about the process and mechanism of the change of sea level in light of previous studies from local- and small-scale materials. The lack of reliable evidence from integrated perspectives would go against the identification of the process and duration of global sea-level variation. In this study, we systematically reviewed the literatures on the issue of sea-level changes during the transitions of Permian-Triassic, and summarized the main views including: (1) successive transgression, and (2) regression and following quick transgression. This study also compiled the development processes of these two different views, sedimentary features in diagnostic sections, the possible reasons of sea-level rise/fall, as well as the relationship between mass extinction and sea-level changes. Meanwhile, the causes of dispute on sea-level changes in the PTB were discussed preliminarily from available evidence. The aim of this study is to provide some clues to further recognize the process of sea-level changes during the PTB, and to provide substantial evidence to understand the background of global sea-level changes during the Permian-Triassic transition.

Permian-Triassic boundary; sea-level change; sub-aerial exposure; mass extinction event

1000-0550(2016)06-1077-15

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.06.007

2016-06-13；收修改稿日期： 2016-08-30

国家科技重大专项项目(2016ZX05004002-001)；国家自然科学基金(41502115)[Foundation: National Science and Technology Major Projects, No.2016ZX05004002-001; National Natural Science Foundation of China, No.41502115]

黎虹玮女 1991年出生硕士研究生储层沉积学 E-mail: lihw1023@163.com

李飞男助理研究员 E-mail: feinan_li@163.com

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