科学前沿

二叠纪—三叠纪之交发生了显生宙以来最大的一次生物灭绝事件。期间,海洋和陆地都经历了生物、环境和气候的重大转折。近年来,二叠纪—三叠纪之交海相生物灭绝的模式、原因以及灭绝机制和与之伴随的环境变化等都达到了高精度研究水平;相反地,该时期陆地生物灭绝和古气候研究仍处于初级探索阶段。晚二叠世—早三叠世陆相生态系统演变及极端环境事件探索将有助于更全面地理解该重大地质突变期的生物演化,验证灾难性气候变化的全球影响力和揭秘海、陆相生物灭绝的时空联系。因此,晚二叠世—早三叠世陆地生物与环境研究亟待被开展。我国华北地区发育有良好的晚二叠世—早三叠世地层,剖面出露连续,提供了开展相关地质学研究的先决条件。二叠纪—三叠纪之交,华北地区位于中低纬度古特提斯洋东部的北侧,特殊的古地理位置和地理格局有助于填补对赤道附近古湖泊—河流体系下的生态系统和环境研究空白。但是,由于华北地区该时期地质记录的已有研究十分有限,因此,初步探索华北大区域沉积格局和环境变化就尤为重要。本论文利用传统基础沉积学研究方法探索华北晚二叠世—早三叠世陆相沉积环境横向和纵向演变、异常沉积记录及古气候干湿变化,同时利用层序地层学初步建立了华北盆地的地层时间格架。除区域大地构造运动因素外,陆相沉积特征的演变常与古植被分布和古环境波动息息相关,是开展大区域调查的重要内容。基于南非卡鲁(Karoo)盆地研究的传统观点认为:在二叠纪—三叠纪之交,陆相沉积学变化模式是以曲流河为主的沉积体系突变为辫状河为主的沉积体系,并伴随明显的干旱程度增加。该观点后续得到了俄罗斯通古斯(Kuznetsk)盆地和澳大利亚博文(Bowen)盆地研究的支持。然而,本文通过对华北地区河南、陕西和山西省共11条剖面的系统沉积学研究后发现:晚二叠世末生物大灭绝前后该区域的沉积模式并未发生明显变化,其主要的沉积格局突变发生在早三叠世早期刘家沟组底界。本文认为,不同沉积盆地的差异既与区域构造和区域气候有关,也与前人研究中缺乏精确的时间框架有关,即,二叠系—三叠系界线位置不确定而得出不同结论。华北盆地的具体沉积格局变化与岩石地层组的变化基本一致:(1)跨越二叠系—三叠系界线的孙家沟组在远源区域主要为三段式沉积特征:下部为灰绿色细砂岩—暗紫红色薄层泥岩为主的中段终点扇相;中部为巨厚层砂岩与巨厚层紫红色含钙结核的泥质粉砂岩互层,含单向水流特征的低弯曲度河流砂坝体和洪泛平原相;上段由多个薄层钙质砂岩或泥灰岩与暗紫红色粉砂岩或泥质粉砂岩的旋回组成,常保存有双壳类、腹足类和腕足类等海相化石,是典型的浅湖—滨海相。而在北部近源地区,孙家沟组仅发育前两者沉积体系,缺乏浅湖—海相沉积。因此,在华北地区二叠纪—三叠纪之交生物灭绝前后时段,沉积环境为低弯曲度河流—中段终点扇—泥质滨海平原相,河流类型没有发生显著改变。(2)早三叠世早期刘家沟组沉积特征突变为多层的中厚层含单向水流标志的河道砂体为主,局部夹有厚层的河漫滩和含浪成波痕的滨浅湖/三角洲沉积体,是典型的辫状河—三角洲—滨浅湖相。前人报道在刘家沟组保存有风成沉积记录,但是在本研究中并未发现,可能原因是广泛盛行的河流-湖泊相难以与大规模的风成沉积系统共存。另外,前人报道的风成沉积记录剖面位置处于更深远的北部内陆区域,或许近源区存在更多相变。(3)早三叠世晚期和尚沟组为暗紫红色含古土壤钙结核的粉砂岩与中薄层砂岩互层,局部发育有植物化石,具典型的洪泛平原—浅湖相沉积特征。古土壤剖面的保存表明湖泊具有季节性或年际性干旱暴露特征,是典型的干湖相。因此,和尚沟组总体为浅湖—干湖—冲积平原相。通过对华北早三叠世刘家沟组砂岩和砾岩层中多样化沉积构造的系统分类,本文发现在刘家沟组滨浅湖—三角洲相沉积段广泛保存有风暴沉积构造和显著奇特的砂质砾岩层。其中典型的风暴成因沉积构造包括具有渠模的侵蚀面、丘状交错层理和洼状交错层理、加积波痕和扁平状砾石等。砾岩层由大小不一的、多种多样的内生砂质砾石组成,局部也含有较多的大型泥砾。砾岩层中常常出现反粒序。鳞栉状排列扁平砾石常保存在砾岩层的下部,而倒“小”字、放射状组合和高角度直立状态保存的扁平状砾石常位于同砾岩层的中上部,大型的复合砾石团块保存在砾岩层的中部。砾石包含具方解石胶结—再造作用成因的内碎屑颗粒和具同心环状纹层的结核。同心环状结核表现出多期次的生长—再改造作用历史,本文认为这与高温气候下湖泊砂床基底快速胶结有关。砾石的特征反映了一种经常性、高水动能事件的发生。这种能量大到足以破坏成岩化的湖床基底,并且能够在波浪影响的碎屑流中搬运大型砾石。最初,强有力的震荡流将湖床破碎并角砾岩化,随后,协助湍流将砾石进行侧向短距离迁移。风暴可能起源于温暖的古特提斯洋,然后借助华北地区高温湖泊的潜热能供给登陆后继续北上,从而影响到了内陆盆地深部。故此推论,华北刘家沟组陆相湖泊风暴成因沉积构造及内生砾岩可能是早三叠世全球高温在陆相地层中保存的实物证据。在长尺度古气候研究方面,本文将以古土壤发育类型和河道年径流量作为古环境干湿变化判断标志。虽然华北的古土壤保存记录不连续,但仍可在晚二叠世—早三叠世期间划分出4个典型区间:(1)晚二叠世孙家沟组中部,主要类型为包含有丰富大型钙结核的旱成土,代表了相对干旱的气候。(2)近二叠纪—三叠纪之交的孙家沟组中上部,是以发育更多的岩石滑擦面,缺乏钙结核的变性土或潜育变性土为主,代表季节性降水开始增多。(3)早三叠世早期刘家沟组中古土壤发育稀少,仅极少地层中可见,古土壤钙结核稀疏,侧向发育不均,成熟度低,潜育化强,归类为始成土。虽然始成土不足以作为古气候干湿变化的重要依据,但是根据辫状河的沉积背景,河道砂体具平直底界,古土壤的潜育化广泛等特征,可判断该时期地下水位高,河流的年际径流量变化较小,是相对湿润的古环境特征。(4)早三叠世晚期和尚沟组,古土壤剖面大量发育且分布广泛。古土壤具钙结核中等偏小,岩石滑擦面局部发育且各地区发育丰富度差异大,潜育化明显,成熟度低等特征。古土壤主要类型为潜育化旱成土、变性土和始成土,近北部物源区多为潜育旱成土,盆地中心(西南部)处则多发育始成土。和尚沟组的气候应比孙家沟组湿润但比刘家沟组干旱,具有季节性或年际性降水特征。综上,华北盆地晚二叠世普遍干旱,在二叠纪最末期降水量开始有所增加,早三叠世早期刘家沟组气候最为湿润,早三叠世晚期和尚沟组气候湿润程度有所下降,但仍受季节性或年际性降水支配。晚二叠世生物大灭绝及灾后所对应的气候事件在海相和陆相是否同时性发生是当前研究的重点问题。海陆同时性的研究首先要确立陆地等时时间格架并找到与海相等时时间格架所连接的桥梁。而目前陆相等时时间格架建立面临化石保存稀缺,火山灰层保存有限,很难获得精确的生物地层时间格架和足够的绝对年龄值,而层序地层学分析可提供基于沉积学基础的盆地内的等时时间格架。本文主要基于华北大雨淋、柳林和石川河三条主干剖面划分出了三个三级层序。第一个层序底界并未出现在研究剖面所涉及的选段中,初始洪泛面主要标志为孙家沟组中部紫灰色古土壤的出现,最大洪泛面位于海相层顶部,顶界(第二层序的层序界面)位于刘家沟组底部。第二个层序划分相对困难,主要是因为砂岩发育较多,相变大,盆地侧向对比难度较大,但是仍旧可以判断出其顶界(第三层序的层序界面)在刘家沟组古土壤发育层位或和尚沟组底部古土壤发育层位。第三个层序包括了整个和尚沟组,局部地区包含了刘家沟组顶部地层,最大洪泛面位于浅湖相结束层位,顶界位于二马营组底部,显示出典型的河流回春现象。与三个层序相对应的是地层记录的缺失:第一次沉积间断或缺失是在孙家沟组与刘家沟组界线处,迪纳尔亚期未有保存记录,第二个沉积间断或缺失跨斯密斯亚期晚期到斯帕斯亚期早期,而第三个沉积间断或缺失发生在中三叠世安尼期的开始。综上所述,本论文通过对华北陆相晚二叠世—早三叠世沉积学研究,复原了华北盆地由跨二叠纪—三叠纪界线的“低弯曲度河流—滨海平原相”至早三叠世早期“辫状河三角洲相”再至早三叠世晚期“浅湖—干湖相”的沉积格局的演化模式。其次,该研究基于沉积构造特征和古土壤发育特点定性地恢复了华北盆地由晚二叠世的“干旱”逐渐变为二叠纪—三叠纪之交的“季节性降水增强”,再到早三叠世早期的“相对湿润”,最后在早三叠世晚期为“干旱程度增加,但仍受季节性或年际性降水影响”的古干湿气候变化趋势。另外,通过对风暴沉积构造和内生砾岩的研究,找到了早三叠世全球变暖在陆相地层的实体证据。最后,通过对华北盆地晚二叠世—早三叠世层序地层的划分,建立了盆地内基于沉积学的等时时间格架,有望实现与同时期海相地层的等时对比研究。