豫西宜阳地区上二叠统孙家沟组上段钙质结核成因及其对古气候的指示意义

郑德顺,祁帅帅,杨文涛,王艳鹏,李雨

(河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

晚二叠世-早三叠世全球古气候发生剧烈转变，如表现为该时期温度升高(利用牙形石中氧同位素证明)[1]、全球煤沉积间断[2]、大量红层出现[3]和陆表风化作用增强[4-5]等。目前人们对该时期古环境和古气候变化的研究主要集中在海相地层，而对同时期陆相地层的研究则相对不足[6]。陆相地层对古气候和古环境的转变更加敏感，揭示二叠纪末期陆相气候环境变化是目前亟需解决的问题之一。

陆相沉积地层中沉积记录的物理化学特征与它们形成时期的气候和环境具有紧密的联系。钙质结核是沉积地层中以碳酸盐为主的结核状沉积物，其作为沉积地层中重要的组成部分，在华北地区上二叠统孙家沟组沉积地层中广泛分布[7-8]。钙质结核本身蕴含了丰富的古环境和古气候信息，是二叠纪末期古气候变化的灵敏记录之一[9]。

前人对宜阳地区晚二叠世末期-早三叠世初期的地层研究主要集中在古生物和遗迹[10-11]、沉积环境分析[12]以及构造演化[13]等方面，但对孙家沟组上段泥岩中钙质结核成因的研究较浅。本次研究选取上二叠统孙家沟组上段泥岩中钙质结核作为研究对象，通过利用岩石学以及地球化学等方法，对孙家沟组上段沉积时期的古湖泊封闭性、古盐度和古气候等方面进行分析，旨在揭示钙质结核形成机理，并进一步探讨二叠纪末期陆地古气候特征。

1 地质背景

晚二叠世，柴达木、塔里木板块与西伯利亚-蒙古板块相互连接碰撞，华北板块整体抬升[14]。由于北方抬升剧烈，地势北高南低，海水向南退去；晚二叠世晚期，海水完全退出，盆地进入陆相沉积发展阶段，发育一套以紫红、灰紫色为主的泥砂岩层，具有河流-湖泊相沉积特征[10]。

二叠纪-三叠纪之交连续的陆相地层在豫西宜阳地区大雨淋剖面中具有完整出露，孙家沟组属于上二叠统(图1(a)，(b))。大雨淋剖面中的孙家沟组厚96 m，与下伏二叠系石盒子组平顶山砂岩段呈整合接触，与上覆三叠系刘家沟组紫红色石英砂岩呈整合接触(图1(c))。下伏地层石盒子组岩性以灰黄色厚层-巨厚层中粗粒长石石英砂岩为主，底部含有细砾；上覆刘家沟组的岩性单一，以块状紫红色中细粒石英砂岩为主，夹有少量粉砂岩和泥岩，底部含磨圆度较好的砾石，层位稳定。

孙家沟组地层出露较为完整，根据岩性组合特征分为上下两段。下段发育一套土黄色、灰白色的粉砂岩夹薄层灰绿色、灰白色泥岩，土黄色中厚层砂岩中发育交错层理。上段下部主要为厚层-巨厚层紫红色泥岩夹一厚层粗砂岩，砂岩中发育大型楔状交错层理，中上部发育紫红色泥岩夹数层钙质结核，顶部为厚层泥岩夹数层细粒砂岩薄层，整体属于滨-浅湖沉积环境[11-12]。

2 钙质结核特征

本文所研究的钙质结核位于孙家沟组上段的紫红色泥岩中。按钙质结核的岩石学特征可分为Ⅰ类(B019、B041、B042)和Ⅱ类(B023～B040)。Ⅰ类为上段底部和顶部出现的钙质结核；底部结核呈紫红色、灰白色，颜色分布不均，含有较多的粉砂和黏土物质，遇稀盐酸剧烈起泡，形状主要为团块状，通常被泥岩包裹，直径1～5 cm，呈层状分布于泥岩中，垂直发育较厚，横向发育不稳定(图2(a)，(b))；顶部泥岩中发育有土黄色姜结状结核，大小不均，零星分布于泥岩中，结核表面有明显的裂缝和后期风化作用的痕迹(图2(c))。Ⅱ类为分布于中上部以椭球状为主的钙质结核，呈顺层状分布，受后期挤压变形明显(图2(d)，(e))；该处结核表面呈灰黄色，新鲜面呈土黄色、部分灰白色，被紫红色泥岩包裹(图2(e))；结核与泥岩之间具有明显界限，部分切穿层理，且椭球钙质结核内部含有同心纹理，说明此处结核为沉积期的产物(图2(e)，(f))；结核大小变化较大，直径5～15 cm，孤立或呈群簇状分布。

(a)研究区位置图；(b)宜阳地区区域地质图(据文献[10]修改)；(c)孙家沟组综合柱状图图1 豫西宜阳地区孙家沟组剖面位置及地层综合柱状图Fig.1 Section position and stratigraphic comprehensive histogram of the Sunjiagou formation in Yiyang area，western Henan province

将钙质结核磨制薄片观察，具有以下特征：Ⅰ类姜结状结核主要由微晶方解石组成，含量约50%；颜色较暗，含有少量的泥质及陆源碎屑物质，具交代残留结构，石英颗粒存在不同程度的溶蚀现象(图3(a))；方解石围绕碎屑石英等矿物呈栉壳状生长(图3(b)，(c))，该类结核明显遭受成岩作用影响。Ⅱ类钙质结核主要由亮晶方解石组成，方解石多呈块状和连生式充填胶结分布，质量分数为40%～60%(图3(d)，(e)，(f))；钙质结核中还含较多碎屑物质，成分主要为黏土矿物和以细-粉砂级次棱角状碎屑石英颗粒(图3(e)，(f))；该类结核中的碎屑物质自中心向边缘呈现逐渐增多的趋势。

3 地球化学特征

3.1 样品测试

测试样品为宜阳县大雨淋剖面孙家沟组上段泥岩中的钙质结核。考虑到干扰因素对测试的影响，样品采集过程中避开了风化和有明显后期蚀变现象的地段，以确保测试结果的准确性。样品经后期处理后，粉碎至200目左右，装入封口袋备用。碳、氧同位素的测定主要利用磷酸盐法；由碳酸盐样品与磷酸反应产生CO2气体，用高纯氦气将产生的CO2气体带入MAT253质谱仪，测试碳、氧同位素组成；测试结果以白垩系皮狄组箭石(PDB)为标准，测试误差一般小于0.01‰。碳、氧同位素测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。

(a)，(b)上段底部紫红色泥岩中发育钙质结核；(c)孙家沟组顶部发育姜结状钙质结核；(d)上段中上部Ⅱ类结核宏观赋存层位状态；(e)上段中上部发育Ⅱ类椭球状钙质结核；(f)椭球状钙质结核内部含有同心纹理图2 宜阳地区孙家沟组上段钙质结核野外宏观分布照片Fig.2 Visual distribution photographs of the carbonate concretes in the upper part of the Sunjiagou formation in Yiyang area，western Henan province

(a)结核中石英颗粒具有不同程度的溶蚀和交代现象(正交光，×100)；(b)，(c)姜结状结核中方解石围绕矿物呈栉壳状生长，含有少量的泥质物和石英(单偏光，×100)；(d)，(e)椭球状结核主要矿物为方解石，碎屑物质较少(单偏光，×100)；(f)方解石含量较高，碎屑矿物主要以石英和泥质物为主(正交光，×100)；Cal：方解石；m-Cal：微晶方解石；Qz：石英碎屑图3 钙质结核的镜下显微特征Fig.3 Microscopic characteristics of calcareous concretion

3.2 测试结果与检验

测试结果如表1所示，剖面中钙质结核的碳同位素含量介于-8.53‰～-0.29‰，平均为-3.54‰；氧同位素含量介于-12.45‰～-2.75‰，平均为-6.22‰。孙家沟组上段Ⅰ类钙质结核的碳同位素整体变化不明显，而氧同位素变化较大，呈现明显的负偏；Ⅱ类椭球状结核的碳、氧同位素变化较平缓，整体处于稳定态势。

表1 宜阳地区孙家沟组上段样品的碳、氧同位素及微量元素测试结果Tab.1 Analytical data of carbon，oxygen isotope and trace elemental from upper part of the Sunjiagou formation in Yiyang area

利用碳、氧同位素进行湖泊古环境研究时，选取保存有原始碳、氧同位素的样品对研究结果具有重要的影响[15]。对样品数据是否为原始沉积进行检验的方法主要为氧同位素指标[16]，其对后期成岩作用比较敏感，前人研究认为，当样品中的w(δ18O)<-10‰，表明发生明显后期成岩作用，不能代表原始沉积时的地质信息[17-18]。本次研究选取11个结核样品进行测试。测试结果表明，Ⅰ类钙质结核3组样品的w(δ18O)<-10‰，在分析沉积古环境、古气候时应剔除。Ⅱ类钙质结核中8组样品中除1组(B025)数据异常外，其余7组氧同位素含量为-4.77‰～-2.75‰，平均值为-3.42‰；该类结核的宏观和微观特征均未发现任何蚀变现象，表明样品没有受到成岩作用影响，能够保存沉积时原始环境碳、氧同位素特征。

4 讨 论

4.1 古湖泊封闭性

通过对湖相原生碳酸盐岩中碳、氧同位素的相关性分析，进而确定古湖泊的封闭性已成为一种重要手段[18]。开放型湖泊水体更新速度快，湖水中的碳、氧同位素缺少时间演化，水体中碳、氧同位素组成基本反映注入水的同位素特征，且二者之间的相关性弱或无相关性；现代湖泊中碳酸盐岩碳、氧同位素的研究结果显示，在以w(δ18O)为横坐标、w(δ13C)为纵坐标的坐标系中(图4)，其投点基本上落在第三象限，如瑞士Greifensee、美国Henderson和以色列Huleh等[19]的研究。封闭性较好、水体长时间处于滞留型湖泊，水体性质较为稳定，其碳、氧同位素含量主要受降水量与蒸发量的控制；随蒸发作用的持续进行，较轻的16O和12C优先排出，造成水体中较重的18O和13C含量相对富集，二者具有同步性，相关系数平方值R2>0.5，封闭性强度与相关系数呈正相关关系；现代封闭型湖泊中氧同位素值正负均有，碳同位素值基本为正值，其投点多落在一、二象限为，如美国Great Salt Lack、Turkala和Natron-Magadi等[20-21]的研究。

宜阳盆地孙家沟组上段钙质结核中未受后期成岩作用影响的碳、氧同位数据点分布情况如图4所示。钙质结核中的碳、氧同位素落在第三象限内，靠近原点，具较好的相关性，相关系数的平方值R2=0.56。钙质结核中的碳、氧同位素变化及相关性反映孙家沟组上段结核形成时期沉积古湖泊为封闭型。

4.2 古盐度

湖相沉积中，利用碳酸盐岩中碳、氧同位素的含量能够反映湖水的盐度特征，且盐度与碳、氧同位素之间呈正相关关系[22]。M.L.Keith等[23]提出利用碳酸盐矿物的碳、氧同位素组成来区分碳酸盐岩沉积环境的经验公式Z=2.048×(δ13CV-PDB+50)+0.498×(δ18OV-PDB+50)，式中δ13C和δ18O均用PDB作标准。当Z>120时，为咸水沉积；当Z<120时，为淡水沉积；当Z=120时，说明水体还未定型[24]。通过对现代陆相盐湖研究，如对中国的青海湖和美国西部地区的咸水湖泊中碳酸盐岩的碳、氧同位素研究，发现它们的Z值都大于120[19]，表明利用Z值区分湖泊是否为咸水环境是可行的。

图4 宜阳地区孙家沟组上段碳、氧同位素组成及沉积环境分析(据文献[20，24]修改)Fig.4 Diagram showing carbon and oxygen isotope compositions and analytical results of sedimentary environment from the upper part of the Sunjiagou formation in Yiyang area

孙家沟组上段Z值计算结果如表1所示，Z值的变化范围为114.45～122.62，平均值为118.60。由Z值的变化特征可得，孙家沟组上段结核形成期的古湖泊环境为半咸水-咸水。此外，在封闭型湖泊水体中盐度主要受蒸发量和降水量的控制；利用氧同位素的变化特征也能够推断古盐度的变化趋势，蒸发作用越强，氧同位素值越大[18]。利用盐度计算公式S=δ18O+21.2/0.61可计算沉积物沉积时的湖泊水体盐度大小。孙镇城等[25]利用盐度值(S)把湖泊含盐度划分为：淡水湖泊(0～0.5‰)，半咸水湖泊(0.6‰～35‰)，咸水湖泊(36‰～50‰)，盐水湖(>51‰)。通过计算得出孙家沟组上段古盐度变化范围，为29.98‰～32‰，平均值为31.32‰，从而得出孙家沟组上段钙质结核沉积时为半咸水湖泊。综合Z值和S值的分析表明，孙家沟组上段Ⅱ类结核形成时期应该为半咸水-咸水沉积。

4.3 古气候

湖泊中原生碳酸盐岩的碳、氧同位素含量变化是研究古气候的重要指标[15]。封闭型湖泊中，受外来径流和大气降水携带的大量16O，12C影响，碳、氧同位素会明显降低；相反，当干旱气候持续，湖泊的蒸发量远大于降水量时，较轻的16O，12C会从水体逸出，湖水所含的碳、氧同位素发生富集，使原生碳酸盐中的同位素含量增加[18，20，24]。

通过对孙家沟组上段封闭型半咸水-咸水湖泊沉积钙质结核中的碳、氧同位素的变化趋势和盐度分析(图5)，认为沉积早期可能受降水或地表径流注入的影响，碳、氧同位素含量同时降低，这一时期的蒸发量小于降水量；随着蒸发作用增强，湖水水位持续下降，湖泊中碳、氧同位素呈现逐渐增加的趋势，湖水的盐度升高，表明此时干旱气候的持续；当碳、氧同位素的值达到最大时，蒸发作用最强，湖水水位下降到最低，湖水盐度达到最高，成为咸水湖泊，说明此时干旱最为强烈。

通过钙质结核的碳、氧同位素含量分析，可以推断出，孙家沟组上段钙质结核形成时的古气候主要以干热型为主；野外观察发现Ⅱ类结核与泥岩层呈韵律性分布，推断该时期在干热的气候环境中可能也会存在一定的降水过程。

图5 宜阳地区孙家沟组上段沉积时期的古湖泊特征Fig.5 Paleo-lacustrine characteristics during the deposition of the upper part of the Sunjiagou formation in Yiyang area

4.4 钙质结核成因

Ⅱ类结核的厚度较薄呈层状分布，与围岩层具有明显的界线；碳、氧同位素数据以及镜下观察显示其未受成岩作用影响，此处结核应为同生期或准同生期的产物。蒸发作用的持续进行使封闭型古湖泊中碳酸盐产生富集，当碳酸盐含量达到一定的量后会饱和析出并在胶结作用下发生沉淀。由于下部存在早期沉积形成的泥岩层，较重的碳酸盐在泥岩层上部沉淀，且随着蒸发作用持续进行，碳酸盐饱和析出量逐渐增多，结核初级形态开始形成(图6-Ⅱ-a)；在炎热干旱的气候背景下，随着碳酸盐不断地析出与胶结作用的持续进行，促进钙质结核不断生长(图6-Ⅱ-ⅰ)，早期形成的结核在未完全固结的状态下形成包壳或结核层[28]；同时新的结核也在不断地生成(图6-Ⅱ-ⅱ、ⅲ)。Ⅱ类结核内部存在同心圆纹理(图2(f))，表明其由内向外生长[30]。此外，后期沉积的泥质岩层覆盖在未固结的结核层之上，随着上覆沉积物的增加以及该时期干旱气候的影响，使结核受到挤压-固结成型，最终形成沉积地层中发育的各种形态的钙质结核。

Ⅰ类：成岩期形成的结核；Ⅱ类：同生期形成的结核，ⅰ、ⅱ、ⅲ代表Ⅱ类结核的形成期次图6 钙质结核成因模式Fig.6 Conceptual model illustrating mechanism of calcareous concretion

4.5 对气候的指示意义

二叠纪末期发生了一系列重大的地质事件，如生物灭绝事件、全球煤沉积间断以及全球升温事件等，这些事件的发生往往与古气候的变化存在紧密联系[31]。根据牙形石中氧同位素恢复表层海水温度变化，指明二叠纪-三叠纪之交海水温度至少升高4 ℃，总体处于32 ℃以上[32]；通过对中国西北部博格达山古土壤风化指数(CIA-K)建立的古降水量，显示二叠纪末期年均降水量从1 100 mL突降至230 mL[33]。这些特征表明晚二叠世末期-早三叠世初期全球温度具有明显升高，湿度 减小的趋势。研究区所处的华北南缘在二叠纪整体为一套含煤沉积建造，山西组和石盒子组沉积期间形成的含煤地层分布广泛，表明当时处于温暖潮湿的气候环境；自晚二叠世孙家沟组沉积时期开始，含煤地层间断，表明气候发生明显改变；该时期形成的大量红色陆源碎屑岩层被认为是炎热干旱气候环境的标志[34-35]。谭聪[36]通过对邻近鄂尔多斯地区上二叠统-下三叠统的研究发现，该套红层为原始沉积，化石含量少，以及指示干旱气候的坡缕石的出现，都表明该套地层在炎热干旱的环境下形成。

晚二叠世晚期在宜阳地区孙家沟组上段泥岩层中发育大量钙质结核，通过对其所含碳、氧同位素与微量元素的变化分析得出，该段整体处于干旱-半干旱的气候状态，蒸发量远大于降水量。该种气候的影响表现为：降水量和地表径流的减少，使封闭型湖泊水面降低，湖水中所含碳酸盐产生富集且含量逐渐增加，最终饱和并胶结析出，聚集成核并在蒸发作用下不断生长，在成岩早期形成以层状分布的Ⅱ类结核；由于干旱气候的持续和加强，湖水退却，早期沉积地层暴露地表，其中所蕴含的方解石由不饱和状态迅速演变为饱和或过饱和状态，产生大量钙质沉淀，在后期成岩作用过程中形成大量Ⅰ类结核。Ⅱ类钙质结核层与泥岩层呈韵律层分布，且结核形成时期的古盐度更高，也能够反映古湖泊较久远的水体盐度变化，揭示了钙质结核形成时的古气候蒸发强度与泥质岩沉积时相比更加强烈。晚二叠世早期到晚期宜阳地区孙家沟组上下两段的岩性组合和颜色变化同样能够显示古气候发生变化(图1)，即由相对湿润向炎热半干旱-干旱转变[12]。

利用钙质结核所揭示的宜阳地区上二叠统孙家沟上段的古气候特征，与曹莹[8]对华北南缘石川河与义马剖面孙家沟组风化指标的研究所得出的气候向干热型转变的结论，以及谭聪[36]利用地球化学特征与黏土矿物对邻近鄂尔多斯地区孙家沟组的古气候的研究所得出的结论相吻合。由此可得，钙质结核作为沉积记录之一，其本身所蕴含的沉积环境信息能够指示古气候的变化。

5 结 论

(1)通过对孙家沟组上段地层中钙质结核宏观和微观特征分析，可以把其分为Ⅰ类和Ⅱ类。Ⅰ类结核呈团块和姜结状，存在明显的溶蚀、交代现象，方解石绕矿物聚集生长，表明其形成于成岩期，受成岩作用的影响；Ⅱ类结核具有同心圆纹理，与围岩具有明显的界线，主要在沉积过程中由碳酸盐胶结析出凝聚成核，且由内向外生长，表明其为同生期的产物。

(2)根据钙质结核中碳、氧同位素相关性、盐度指标“Z”值与“S”值的大小，得出孙家沟组上段钙质结核形成时期以封闭型咸水-半咸水湖泊沉积为主；基于碳、氧同位素的变化得出孙家沟组上段以炎热干旱气候为主，蒸发作用强烈。

(3)通过对钙质结核进行研究，得出豫西宜阳地区上二叠统孙家沟组上段的古气候主要干热型为主。该结论与前人研究所得华北其他地区上二叠统孙家沟组的古气候特征相吻合，表明利用钙质结核对古气候进行解释是可行的。