高林志, 王自强, 张传恒. (2010)华北块体南缘上元古界氧碳同位素特征及其沉积环境意义* [J]. 古地理学报, 12(6): 639-654
Gao Linzhi, Wang Ziqiang, Zhang Chuanheng. (2010)Geochemical character of C/O isotope of the Upper Proterozoic fromsouthern margin of North China Block andimplication for its depositional environment[J]. Journal Of Palaeogeography, 12(6): 639-654. DOI:  
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华北块体南缘上元古界氧碳同位素特征及其沉积环境意义*
高林志1, 王自强2, 张传恒2
1 中国地质科学院地质研究所,北京 100037
2 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

第一作者简介:高林志,男,1955年生,研究员,从事生物地层,层序地层,灾变事件地层研究.E-mail: gaolzh@cags.net.cn.

收稿日期:2010-03-12
基金:*中国地质调查局重大项目"中国中新元古代地层年代学标定"(编号:1212010911071)资助
摘要

完善中国晚前寒武纪地层的标准剖面,使其成为国际地层对比的参考标准,是中国地质学家的追求.华北蓟县剖面和扬子块体三峡剖面一直被视为中国的标准剖面,多学科的研究,特别是生物地层和雪球事件地层学的研究取得了突破性进展.笔者试图通过化学地层学研究手段,对华北块体南缘豫西地区中--新元古代地层中碳酸盐岩进行氧碳同位素地球化学研究,试图建立新的扬子块体与华北块体震旦纪地层对比桥梁.同时,对华北南缘新元古代碳酸盐岩地层的形成环境进行了分析,解释了华北新元古代冰碛岩的时空关系.

关键词: 华北块体; 豫西; 同位素地球化学; 新元古代
中图分类号:P597+1 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2010)06-0639-16
Geochemical character of C/O isotope of the Upper Proterozoic fromsouthern margin of North China Block andimplication for its depositional environment
Gao Linzhi1, Wang Ziqiang2, Zhang Chuanheng2
1 Institute of Geology,CAGS,Beijing 100037
2 School of the Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083;

About the first author:Gao Linzhi, born in 1955,is a senior researcher,and is mainly engaged in study of biostratigraphy,sequence stratigraphy and events stratigraphy.E-mail: gaolzh@cags.net.cn.

Abstract

The Jixian section in the North China Block and the Yangtze Gorge section in the Yangtze Block are as stratotype sections.The comprehensive research has been achieved,specially,in biostratigraphy and glacial-stratigraphy.The authors try to use geochemical method to study the geochemical stable isotope in the Neoproterozoic carbonate rocks in southern margin of western Henan Province in the North China Block and try to set up a correlation bridge between the Yangtze Block and the North China Block.However,according to the analysis of C/O isotope in the Neoproterozoic carbonate rocks,the litho-genesis environments of those carbonate rocks in southern margin of western Henan in the North China Block were discussed. The C/O isotopic data in different areas were discussed and the space-time glaciations in the Neoproterozoic in North China were explained.

Key words: North China Block; western Henan Province; isotope geochemistry; Neoproterozoic

近年来, 随着锆石SHRIMP年龄测定技术在中国前寒武纪地层研究中广泛应用, 在几个关键层位定年研究中取得了实质性进展, 即:峡东地区震旦系顶界GSSP年龄(542, Ma)和底界线年龄(635, Ma, Condon et al., 2005; Yin et al., 2005)及南华系底界年龄(780± 10, Ma, 尹崇玉等, 2007)的确定.华北块体原新元古界下马岭组中下部斑脱岩中获得SHRIMP U-Pb锆石年龄(1368± 12, Ma, 高林志等, 2007), 使得下马岭组这个青白口群的关键地层单位划归为中元古界.此SHRIMP测年结果使华北块体中--新元古界年代地层划分与全球对比有了可靠的年龄"锚点", 有利于准确厘定华北地区中, 新元古界的内涵.但是, 下马岭组下移到中元古界后, 蓟县标准剖面上出现了两个令人不解的问题:① 青白口系的另外两个岩组(骆驼岭组和景儿峪组)在地层柱中的定位; ② 在该地层柱中的缺失地层(1.3--1.0 Ga)在哪里?如何填补地层柱中的地层?目前, 根据生物演化的特征, 最有可能该段地层发育在华北块体南缘的豫西地区, 即:汝阳群及以上的地层最有可能填补该段地层; 同时特别应引起地质学家关注的罗圈冰期在地层柱中的定位, 它的地位意味着中国3大块体新元古代地层对比的重大问题.由于华北蓟县中, 新元古界剖面是中国晚前寒武纪地层的标准剖面, 因此上述年代地层框架的优化对于中国精确地质填图和精确地层对比有着重要的促进作用; 同时, 意味着中国前寒武纪生物演化, 特别是宏观藻类演化时限有着重要的标定意义(图 1).

扬子块体南华系和震旦系的重新厘定使中国前寒武纪研究进入了一个新阶段, 华北块体上南华纪地层研究的重要性, 迫切性凸显出来.关于华北南缘地区罗圈组的层位及其时代归属, 至今依然争论不休(曹瑞骥, 2000; 薛耀松等, 2001; 高林志等, 2002); 罗圈组的层位及其时代归属是涉及中国扬子块体, 华北块体和塔里木块体上震旦系对比的重要问题, 所以出现3大块体(扬子块体, 华北块体和塔里木块体)南华系--震旦系的对比问题, 关键是至今未找到一条可以建立对比联系的线索.

1 化学地层研究背景

通过化学地层研究, 将其成为华北块体南缘与其他块体新元古代(南华纪--震旦纪)地层对比的桥梁.20世纪90年代, 众多学者通过化学地层学的探索, 发现碳, 氧及锶同位素比值在海洋中都具有相对的稳定性, 即:在同期海相沉积物中亦可大体保持着当时海洋中的稳定同位素组成, 尤其是δ 13C和Sr随着时间的推移或古气候的重大变化, 而会出现不同期次规律性的变化(Kaufman et al., 1991, 1992; Hoffman and Schrap, 2002).因此, 在前寒武纪海相碳酸盐岩研究中有了比较成功的范例, 通过对碳和锶同位素比值及其变化轨迹特征的研究, 来填补晚前寒武纪地层由于缺少化石和年龄测试对象而导致难以划分和对比困难的空白(Kaufman et al., 1993, 1997, 2006, 2007; Kaufman and Knoll, 1995; Jacobsen and Kaufman, 1999; Knoll, 2000; Knoll et al., 2004, 2006).

图1 中国中, 新元古代综合地层柱Fig.1 The Meso-and Neoproterozoic comprehensive stratigraphic column in China

对于沉积岩地层来讲, 中外学者认为作为同位素化学地层研究的主要对象, 海相碳酸盐岩具有绝对优势, 碳酸盐岩在形成时更能保存大量的, 同期的原始海洋的化学信息.

对前寒武纪地层, 采样要选择那些极少受到成岩作用改造或未受改造的灰岩或白云岩(Knoll et al., 1986; Tucker, 1985; Faichild et al., 1987; Kaufman et al., 1991).

新元古代海相原生白云岩通常是碳和锶同位素的最佳保存载体, 这已成为许多学者的共识(Faichild et al., 1987; Lambert et al., 1987; Burdett et al., 1990; Kaufman et al., 1991, 1994; Kirschy ink, 1992; Narbonne et al., 1994; Kennedy et al., 1996, 1998, 2001a, 2001b; Prave, 1999; Yang et al., 2000; Melezhik et al., 2001, 2009; 王自强等, 2002; 王伟等, 2002; Shen 2002; 张同钢, 2003a, 2003b, 2004; Bowring et al., 2003, 2007; Chu et al., 2003, 2004; Jiang et al., 2003a, 2003b, 2006, 2007, 2008; Halverson et al., 2004, 2005; Macouin et al., 2004; Porter et al., 2004; Shen et al., 2005; Fike, 2006; Le et al., 2006a, 2006b; Pokrovskii et al., 2006; Guo et al., 2007; Kouchinsky, et al.2007; Ling et al., 2007; Misi et al., 2007; Rieu et al., 2007; Zhou and Xiao, 2007; 蒋干清等, 2008; Bristow and Kennedy, 2008; Giddings and Wallace, 2009; MacDonald et al., 2009; Prave et al., 2009).然而, 化学地层研究的关键在于白云岩中碳同位素和氧同位素组成确属海洋中的原始组成, 而未受陆源物质加入和后期成岩改造的影响(Rottman et al., 2003).为确保样品原始含量的可信度, 地球化学专家们提出一系列相应的检验方法和标准:

1)合适的岩性, 以泥晶白云岩为主, 其次为纹层白云岩和含少量硅质条带的白云岩.样品经薄片染色法鉴定或阴极发光检查, 确定是否为原生白云岩.

2)微量元素分析和检验, 其中最主要的微量元素是Mn和Sr.Mn/Sr比值是筛选样品的重要标准.当Mn/Sr比值小于10时, 白云岩保留的才是近原始的碳同位素组成(Derry, 1992; Kaufman et al., 1992, 1993, 1997).

3)鉴于氧同位素的稳定性较差, 在沉积和成岩过程中都容易被置换.一般认为当δ 18O< -10‰ (相对PDB)时, 样品中δ 13C即已受到置换.δ 18O值在-5‰ ~-10‰ 之间, 虽仍可能被轻微置换, 但不足以改变碳同位素的成分和含量(Derry et al., 1994).也就是说只有δ 18O> -10‰ 的样品, δ 13C含量才代表原始海洋的碳同位素含量.

4)海相碳酸盐岩中Sr同位素含量在无陆源物质注入情况下才代表原始海洋沉积的Sr, 但在成岩过程中仍可能有所丢失.因此, 样品中Sr含量越高, 就表示越接近某一地质时期海水中的原始Sr含量(Clauer, 1979).Burns 和 Matte(1993)提出前寒武纪成岩作用后, 白云岩Sr元素以50μ g/g为典型的最低含量, 灰岩为350 μ g/g.同时Kaufman和Knoll(1993, 1997)提出当Mn/Sr比值小于4时, 样品中的Sr才代表海水中原始Sr含量, 这种样品的 87Sr/86Sr值才具可信度.

2 同位素化学地层
2.1 豫西地质背景

笔者选择了华北块体南缘新元古界的5条碳酸盐岩剖面(图 2), 即:(1)山西永济水幽剖面的洛峪口组和黄连垛组; (2)河南鲁山九女洞剖面的洛峪口组, 黄连垛组和董家组; (3)河南方城小顶山剖面的黄连垛组; (4)陕西洛南的桑坪河向城坡--姚家沟剖面的石北沟组; (5)陕西洛华公路剖面的杜关组, 冯家湾组和洛华上张湾剖面的上张湾组, 罗圈组.对上述地层中的灰岩或白云岩开展了较为系统的碳, 氧同位素化学地层研究.

图2 华北块体南缘新元古代地层分布Fig.2 Stratigraphic distribution of the Neoproterozoic in southern margin of North China Block

关于华北地块南缘震旦系的划分和对比历来存在不同认识.关保德等(1988)依据微古植物, 地层顺序及其接触关系, 辅以少量年龄数据(海绿石年龄), 提出黄连垛组, 董家组, 罗圈组和东坡组归入震旦系(包括南华系和震旦系).目前, 在豫西中--新元古代地层中开展了大量的生物地层研究(邢裕盛等, 1989, 1999; 闫玉忠和朱世兴, 1992; Xiao et al., 1997; 尹崇玉和高林志, 1997, 1999; 尹磊明等, 2003a, 2003b; 尹磊明和袁训来, 2003), 并进行了"相"分析和层序地层划分(崔新省等, 1996; 董文明等, 1999; 周洪瑞等, 1999; 高林志等, 2002), 而年代学研究仅见碎屑锆石年龄(高林志等, 2006), 使豫西中--新元古代地层在地层柱中的确切年代位置一直是个"谜".同时, 关于罗圈组冰碛岩与华南地区的南沱组(冰碛岩)对比(曹瑞骥等, 1988; 薛耀松等, 2001)一直没有更多的证据.然而, 随着国际地质年表的新划分和中国震旦系研究的深入和突破性进展, 全国地层委员会于2000年的第三届全国地层会议新的震旦系划分方案(全国地层委员会, 2001), 即将扬子块体原震旦系下统(莲沱组, 古城组, 大塘坡组和南沱组)新建为南华系(Nh); 同时, 将原震旦系上统(陡山沱组和灯影组)限定为震旦系(Z).因此, 华北块体南缘所发育的罗圈组在地层柱中的层位归属问题, 就需要进行新的厘定.笔者在此背景下, 选择了陕西洛南桑坪地区的石北沟组和洛华公路上张湾地区的罗圈组进行碳, 氧同位素化学地层研究, 并通过与华北块体东缘的辽东半岛和淮南地区以及扬子地块的宜昌峡东震旦系碳, 氧同位素地球化学分布特征进行了化学地层对比, 探讨了罗圈组的层位, 时代归属及华北块体南缘震旦系的构成.

2.2 研究方法

作者所进行碳同位素测定的样品主要取自研究剖面中的细晶, 泥晶白云岩, 硅质白云岩, 藻白云岩和砂质, 泥质白云岩.样品经薄片鉴定后, 为保证样品的新鲜和清洁, 于岩石的新鲜切面处用细钻取样(范围小于1 cm2).全部样品由中国科学院高能物理所进行中子活化微量元素测定, 然后经过Mn/Sr比值计算和Sr含量的筛选, 将合格样品由中国地质科学院矿床所同位素实验室MAT261固体质谱仪进行碳, 氧同位素测定, 再次选取δ 18O比值小于-5‰ 或接近-5‰ 之样品的δ 13C组成作为进行化学地层研究的最终可选样品.

2.3 陕西洛南地区石北沟组和罗圈组的同位素地球化学特征

作者所采集样品的岩性, 基本限定在细晶白云岩, 泥晶白云岩, 少量含石英砂白云岩及罗圈组冰碛砾岩的碳酸盐胶结物等.经岩石薄片染色鉴定表明, 上述采集样品仅受到轻微的成岩作用影响和改造, 但不影响进行同位素化学地层研究的质量, 基本符合进一步测试的要求.其测试结果如下(表 1):

表1 陕西洛南地区石北沟组和罗圈组氧碳同位素测量结果 Table1 Carbon and oxygen isotopes in the Shibeigou and Luoquan Formations in Luonan area, Shaanxi Province

根据表1中的部分数据及岩石地层柱状图标绘了δ 13C含量分布曲线(图 3), 可以看出石北沟组的δ 13C含量的分布特征.该组主要发育两层白云岩, 底部白云岩δ 13C含量从+1.0‰ 开始, 到+0.6‰ , 再上至该组中下部白云岩层, δ 13C含量为+2.0‰ 回落, 并逐渐变轻为+0.1‰ ~0.6‰ .由于本组中--上部的岩性为黑色硅质页岩夹少量薄层白云岩, 鉴于岩性不适合进行化学地层研究, 故未能获得δ 13C含量值.该组顶部与上覆罗圈组砾岩呈平行不整合接触.

陕西洛南地区上张湾剖面罗圈组与上张湾组为连续沉积, 罗圈组砾岩上部的碳酸盐胶结物的δ 13C含量为-5.9‰ , 砾岩顶部一层厚仅1, m白云岩(碳酸盐岩帽?), 其δ 13C含量降至-5.2‰ , 在桑坪河剖面迅速变轻, 降到-6.6‰ 和-8.1‰ .向上为上张湾组, 该组下部偏上亦见有约5, m厚的细--泥晶白云岩, 其δ 13C含量变重, 分别为+2.2‰ 和 +2.1‰ , 由下向上又出现逐渐变轻的趋势.上张湾剖面上张湾组顶部为砂质白云岩, 再上为寒武系辛集组覆盖, 砂质白云岩中δ 13C含量再度变轻, 自下而上分别为-2.1‰ , -2.2‰ , -1.2‰ , -0.5‰ .从图3中可以看出从罗圈组--上张湾组直至寒武系底界共出现2个δ 13C含量的负值, 中间摆动为正值.这个δ 13C含量变化曲线的轨迹和形态特征与峡东震旦系上部的δ 13C含量变化曲线的形态特征十分相似, 二者可以对比.不同之处是震旦系之下为南沱组冰成砾岩, 其上覆陡山沱组底部的"盖帽白云岩"之δ 13C含量为高负值.第2个高负值区出现在陡山沱组顶部与灯影组分界处, 但未见冰成沉积.第3个δ 13C变轻趋势点是灯影组顶部, 其上即为寒武系水井沱组.而洛南地区δ 13C含量的第1个负值区是罗圈组上部, 相当于峡东地区震旦系的陡山沱组与灯影组之间的负值.洛南地区第2个负值区亦在寒武系底界之下.通过上述对比, 笔者认为罗圈组层位归属应对应于陡山沱组顶部的δ 13C含量的负值区.加以碳同位素变化曲线特征的对比分析, 认为将罗圈组与南沱组对比似为不妥.当前的重要任务是在罗圈组或上张湾组中寻找可测年的对象(斑脱岩中的锆石)加以验证其年龄或补充87Sr/86Sr比值的测定资料, 以便进行更完善的地层对比.目前, 在华北南缘东部地区与此期相当的地层还有董家组, 罗圈组和东坡组.上述各组即构成华北地块南缘的震旦系.

图3 陕西洛南晚新元古代地层碳同位素组成Fig.3 δ 13C of the Late Neoproterozoic in Luonan, Shaanxi Province

2.4 河南鲁山, 方城及山西永济地区晚新元古代地层的碳同位素组成特征

笔者分别于鲁山下汤九女洞剖面的洛峪口组, 黄连垛组及董家组, 方城马库庄剖面的黄连垛组和永济水幽沟剖面的洛峪口组, 黄连垛组进行了碳同位素组成及其分布特征的研究测定结果列于表2, 表3和表4.

表2 河南鲁山九女洞剖面碳, 氧同位素测定结果 Table2 Carbon and oxygen isotopes in Jiunü dong section of Lushan, Henan Province

表2的数据表明, 鲁山洛峪口组的δ 13C组成摆动在-0.7‰ ~-0.9‰ 之间.黄连垛组的δ 13C组成, 虽有变化但仍然较轻, 组成摆动在-0.3‰ ~-0.9‰ 之间.向上进入罗圈组δ 13C组成变重, 分别为0.3‰ 和1.7‰ .从该剖面的δ 13C组成分布曲线(图 4)可以看出, 洛峪口组和黄连垛组均为 δ 13C 组成较轻的范围, 但黄连垛组上部δ 13C组成开始出现加重的趋势, 董家组δ 13C组成则为正值.显然洛峪口组和黄连垛组就构成了华北南缘寒武系之下的第2个δ 13C的负组成单元.

图4 河南鲁山下汤九女洞洛峪口组和黄连垛组δ 13C组成及分布曲线Fig.4 Characteristic curve of δ 13C in the Luoyukou and Huanglianduo Formations in Jiunü dong section of Lushan, Henan Provinc

为进一步检验上述成果的可信度和进行地层对比, 笔者分别对河南方城马库庄的黄连垛组(图 5)和山西省永济县水幽沟的洛峪口组, 黄连垛组(图 6)的碳同位素组成特征加以研究.其测定结果分别见表3和表4.

表3 河南方城马库庄--前庄黄连垛组碳, 氧同位素测定结果 Table3 Carbon and oxygen isotopes in the Huanglianduo Formation in Makuzhuang-Qianzhuang of Fangcheng, Henan Province
表4 山西永济水幽沟洛峪口组和黄连垛组碳, 氧同位素测定结果 Table4 Carbon and oxygen isotopes in the Luoyukou and Huanglianduo Formations in Shuiyougou of Yongji, Shanxi Province

图5 河南方城马库庄--前庄黄连垛组δ 13C组成及分布曲线Fig.5 Characteristic curve of δ 13C in the Huanglianduo Formation in Makuzhuang-Qianzhuang section of Fangcheng, Henan Province

上述测定结果表明, 马库庄的黄连垛组δ 13C组成除个别样品(Sr201026-1)由于硅质偏高导致出现0.2‰ 的正组成外, 所有样品基本偏轻, 摆动在0~-1.0‰ 之间.这种δ 13C组成的变化促使分布曲线发生跳动, 而这种个别的瞬时跳动并非代表着气候环境的重大改变(图 5).

永济水幽沟剖面底层不够完整, 如三教堂组和董家组均已缺失, 甚至黄连垛组顶部亦难保完整.表4的数据表明, 本剖面洛峪口组和黄连垛组的δ 13C组成除一个样品(Sr201019-8-14)为0.4‰ 外, 全部偏轻为负组成, 与九女洞和马库庄两剖面的δ 13C组成基本相似(图 6), 由于顶部地层可能难以完整保存的缘故, δ 13C组成向上加重的趋势亦未能出现.

图6 山西永济水幽沟洛峪口组和黄连垛组δ 13C组成分布曲线Fig.6 Characteristic curve of δ 13C of the Huanglianduo Formation in Shuiyougou section of Yongji, Shanxi Province

鲁山九女洞, 方城马库庄和永济水幽沟3个剖面的洛峪口组和黄连垛组的δ 13C组成的分布特征虽然不尽相同, 但是全部偏轻为负组成并构成华北南缘寒武系之下的第2个δ 13C负组成单元, 这一点是相同的.

2.5 关于罗圈组层位确定及华北块体南缘新元古界中上部地层划分和对比的讨论

罗圈组作为华北南缘唯一的冰成沉积岩层, 分布广泛, 层位稳定.但是其层位归属多年来未获统一认识.大体有3种意见:一是将其置于寒武系底部; 二是与华南的南沱"冰碛岩"层相当; 三是高于陡山沱组或震旦系顶部.随着"冰球"理论的提出(Hoffman et al., 1998), 本世纪以来国内外对新元古代"冰期"和"冰成岩"的研究进入了一个新的阶段.

肖书海等(Xiao et al., 1997)在研究中国北方元古代地层时提出华北的罗圈组和新疆库鲁克塔格的汉格尔乔克组可能为"后Marinoan"的冰成沉积物.王自强等(2002, 2006)在进行宜昌峡东震旦系化学地层特征研究时, 提出陡山沱组上部出现的δ 13C负组成(-5.3‰ ~-8.7‰ )可能预示了南沱组(Marinoan)之后一个新寒冷气候期的存在.冯连君等(2003)研究了湖南石门杨家坪剖面的渫水河组和东山峰组的化学蚀变指数特征, 提出上述2组均为干燥寒冷低化学风化环境的沉积物.同年, 高振家和陈克强(2003)首次强调库鲁克塔格地区存在4套冰成沉积物的地层序列.McGabhann(2005)归纳了国际上新元古代冰成沉积物的层位分布, 提出由老至新包括Kaigas(770--735, Ma), Sturtian(715--680, Ma), Marinoan(660--635, Ma)和Gaskieys(584--582, Ma)冰期.随后, 王自强等(2006, 2009) 在峡东地区的莲沱组和南沱组, 黔桂交界地区的长安组, 富禄组及南沱组进行了化学蚀变指数特征的研究, 蚀变指数资料表明中国南华系不论是否存在典型的冰成混积岩, 都现实存在有3套干燥寒冷气候环境的沉积物, 即"原长安组"下部的冰海沉积组, 古城组(东山峰组)和南沱组.南华系之上的震旦系中部(陡山沱组上部)的碳同位素负组成则代表了新元古代的第4套寒冷气候的沉积物.刘兵等(2007)在库鲁格塔格化学蚀变指数的研究结果亦得出相似的结论.2004--2009年许多学者对华南的南华系和震旦系, 新疆库鲁克塔格的新元古界进行了大量的SHRIMP 测年研究, 获得了一系列可靠的U-Pb年龄数据, 南华系底界年龄为780± 10 Ma(尹崇玉等, 2007), 古城组(东山峰组)底界年龄724± 12 Ma(高维和张传恒, 2009), 大塘坡组(富禄组)底界年龄669± 13 Ma(Yin et al., 2008), 上部年龄663± 4.3 Ma(Zhou et al., 2004), 南沱组底部年龄654.5± 3.8 Ma(Zhang et al., 2008), 震旦系底界年龄635± 0.57 Ma(Condon et al., 2005), 陡山沱组顶部年龄551± 0.7 Ma(Condon et al., 2005).同期, 多位学者在新疆库鲁克塔格也进行了SHRIMP测年研究, 获得贝义西组下部768± 13 Ma(尹崇玉等, 2007)和755± 15 Ma(Xu et al., 2005; 该数据2009年徐备校正为740± 7, Ma)以及贝义西组中下部739± 6 Ma(高林志等, 2009), 贝义西组上部725± 10 Ma(Xu et al., 2009), 特瑞爱肯顶部705± 10 Ma(高林志等, 2009), 扎摩克提组上部615± 6 Ma(Xu et al., 2009)等重要的年龄数据, 为确定中国新元古代地层划分及国内, 外的地层对比建立了坚实的基础.

华北南缘的罗圈组, 库鲁克塔格地区的汉格尔乔克组与中国南方震旦系陡山沱组顶部的δ 13C负值组成都体现了是寒武纪之前的最后一次寒冷气候期(相当Gaskieys"冰期")的沉积产物, 特别是库鲁克塔格地区扎摩克提组上部获得615± 6, Ma的 U-Pb 年龄, 更加有力地证实了这一认识.再早的一次寒冷气候期(相当Marinoan"冰期")的沉积产物, 即中国南方为南沱组, 新疆库鲁克塔格为扎摩克提组之下的特瑞爱肯组等冰成砾岩.而华北南缘则出现为δ 13C负组成的碳酸盐岩, 如杜关组, 黄连垛组及洛峪口组等.当然, 由于华北南缘目前没有过硬的测年资料, 这一认识尚需进一步研究.基于前述资料, 笔者提出华北块体南缘新元古界划分, 对比意见如表5.

表5 华北块体南缘震旦系和南华系地层对比 Table5 Stratigraphic composition of the Sinian and Nanhua Systems in North China Block
3 豫西地区碳酸盐岩形成环境及对比

豫西地区的碳酸盐岩碳--氧同位素分布图反映了该地区的碳酸盐岩形成在含膏盐潟湖成岩区(图 7), 虽然时代不全, 但总体沉积环境基本相似, 说明该地区的盆地演化填充过程中, 每一期碳酸盐岩都形成于碎屑岩垫板之上的最后阶段, 反映出碎屑岩盆地内碎屑开始, 至碳酸盐岩潟湖出现而结束的演化规律.洛南地区的杜关组, 冯家湾组的碳--氧同位素分布基本落在海水成岩区, 而陕西洛南地区石北沟组及上张湾组, 除与冰期有关层位外, 其余的样品均落在原生海水埋藏成岩胶结区和潟湖区(图 7).

图7 河南鲁西--陕西洛南新元古界碳酸盐岩碳--氧同位素分布Fig.7 δ 13C-δ 18O isotopic diagram of the Neoproterozoic carbonates in Luxi of Henan Province and Luonan of Shaanxi Province

扬子块体的碳--氧同位素研究开展较早, 而且相当系统(王自强等, 2002; 柳永清等, 2003).尤其是峡东和皖南等地区的陡山沱组底部, 南沱组顶部的冰碛岩帽碳酸盐岩, 由于碳酸盐岩形成时冰水融化, 淡水的注入, 其碳--氧同位素分布均落在淡水区(冰水区); 而峡东震旦系的碳酸盐岩的碳--氧同位素分布基本落在海水成岩区, 属正常海相沉积环境的产物(图 8).

图8 扬子块体震旦系碳酸盐岩碳--氧同位素分布(据王自强等, 2002; 柳永清等, 2003)Fig.8 δ 13C-δ 18O isotopic diagram of the Sinian carbonates in Yangtze Block(after Wang et al., 2002; Liu et al., 2003)

华北块体东缘的碳酸盐岩碳--氧同位素分布各具特征, 在胶辽徐淮区, 辽东地区碳酸盐岩碳--氧同位素分布规律较为具有特色(图 9), 突出的特点是马家屯组碳同位素值落在具有淡水注入的冰水区, 其他组碳同位素值落在原生海水埋藏成岩交结区.崔家屯组和寒武系大林子组及碱厂组碳同位素值落在含膏岩潟湖成岩区.

图9 辽东地区新元古界碳酸盐岩碳--氧同位素分布Fig.9 δ 13C-δ 18O isotopic diagram of the Neoproterozoic carbonates in Liaodong area

在胶辽徐淮区, 淮南和淮北新元古代地层中碳酸盐岩碳--氧同位素数据较少, 但其分布基本上落在原生海水埋藏成岩胶结区, 显示与辽东地区的碳--氧同位素有相似性, 均为原生海水埋藏成岩胶结区的产物(图 10); 华北块体南缘与胶辽徐淮地区和扬子块体的碳酸盐岩形成不同的沉积环境, 而徐淮地区与扬子块体的碳酸盐岩形成环境有近似性.

图10 徐淮地区新元古界碳酸盐岩碳--氧同位素分布(数据据杨杰东等, 2001)Fig.10 δ 13C-δ 18O isotopic diagram of the Neoproterozoic carbonates in Xu-Huai area(data after Yang Jiedong et al., 2001)

对比新疆塔里木块体的新元古代地层碳酸盐岩碳--氧同位素分布特征, 南华系贝义西组年代地层SHRIMP U-Pb 年龄为768± 13 Ma至725± 10, Ma之间(尹崇玉等, 2007; Xu et al., 2005, 2009; 高林志等, 2010), 贝义西组的化学指数标在了原生海水埋藏成岩胶结区(图 11), 阿勒通沟组为膏盐相潟湖成岩区.但是, 特瑞爱肯组之后的几个组都反映出与淡水注入有关的沉积环境, 而明显具冰碛砾石沉积的只有特瑞爱肯组, 该组可以与扬子块体的南沱冰碛岩对比.库鲁克塔格地区震旦系汉格尔乔克组可以与华北块体上罗圈组(正目观组)对比.关于扎莫克提组, 育肯沟组和水泉组碳--氧同位素反映的沉积环境值得进一步探讨.

图11 塔里木块体新元古界碳酸盐岩碳--氧同位素分布(数据见Xiao 等, 2004)Fig.11 δ 13C-δ 18O isotopic diagram of the Neoproterozoic carbonates in Tarim Block(data from Xiao et al., 2004)

4 结论

1)通过研究豫西地区洛峪口群和罗圈组的氧碳同位素的变化, 探讨了黄连垛组和罗圈组的碳同位素负漂移的特征以及可能与新元古界南华系和震旦系冰期的关系.

2)豫西地区的碳酸盐岩碳--氧同位素分布图反映了该地区的碳酸盐岩形成在含膏盐潟湖成岩区, 虽然时代不全, 但总体沉积环境基本相似, 说明该地区的盆地演化填充过程中, 每一期碳酸盐岩都形成于碎屑岩垫板之上的最后阶段, 反映出碎屑岩盆地内碎屑开始至碳酸盐潟湖出现而结束的演化的规律.为此, 可探讨与扬子块体和塔里木块体新元古代地层的碳--氧同位素分布的关系.

3)碳同位素及氧同位素含量在海洋中都具有相对稳定性, 在同期海相沉积物中亦可大体保持着当时海洋中的同位素组成, 尤其是δ 13C会随着时间的推移或古气候的重大变化而出现规律性变化.因此, 在前寒武纪海相碳酸盐岩研究中有了比较成功的范例, 通过对碳同位素含量及其变化轨迹特征的研究, 来填补空白, 即晚前寒武纪地层由于缺少化石和年龄测试对象而导致难以划分和对比困难.

致谢 感谢中国地质科学院地质研究所郭宪璞和丁孝忠研究员在成稿过程中有益的讨论和启迪.感谢中国科学院储雪蕾研究员与北京大学刘建波教授中肯和细致的审稿意见.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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