同位素组成

发布网友 发布时间：2022-05-30 19:40

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热心网友 时间：2023-11-06 15:32

由于一些元素的同位素组成是古环境、古气候全球变化的良好替代指标,因而可以利用它们的组成及其变化反演地质历史中古环境、古气候的全球变化,也可以利用它们的组成及其变化的全球等时性进行地层的全球对比。同时,一些元素的同位素组成及其变化也可以作为重要的地球物质组成与演化的良好示踪剂,因而也可以利用它们的组成及其变化来了解和揭示其所记录的成因信息与演化规律。

(1)锶同位素

碳酸盐的锶同位素组成是人们进行碳酸盐成岩作用研究的重要手段之一,这是因为锶同位素不像碳、氧同位素那样因温度、压力和微生物作用而发生分馏,可直接地反映流体的同位素组成而基本上不存在矿物和流体之间的同位素分馏,同时地质历史中海水的锶同位素组成具有独特的长期变化趋势。

二叠/三叠纪之交是生物集体绝灭之后地球系统的一个重要变革时期,并被认为是一个生态空白时期(黄思静,1994)。由于全球早三叠世缺乏煤的沉积,因而人们推断古陆缺乏植被的有效保护而侵蚀作用加剧导致地球上很多地方早三叠世都以巨厚的陆源碎屑沉积为主(Korte et al.,2003);与之对应的是早三叠世的碳酸盐沉积相对较少,相应的古海水信息的获取相对困难,因而早三叠世也是古海水锶同位素组成研究最为薄弱的地质时期。与中生代的其他时限以及古生代、甚至前寒武纪相比,已公布的早三叠世全球海水锶同位素数据十分有限,且缺乏良好的一致性(图4.9,图4.10),这一现状使得本书难以利用现有的早三叠世全球海水锶同位素数据库(实际上,后面讨论的碳同位素和氧同位素组成也同样存在类似的问题)。

图4.9 晚二叠世—三叠纪海水锶同位素组成的演化曲线

图4.10 晚二叠世—三叠纪海水的锶同位素组成

图4.11和图4.12分别是川东北地区邻水仰天窝剖面和重庆中梁山剖面三叠系飞仙关组(相当于印度阶;杨遵仪等,2000)海相碳酸盐的锶同位素演化曲线,图中原始数据见表4.1,对样品成岩蚀变性及其对海水代表性的评估按Mn/Sr比值≤2的标准,Mn/Sr比值>2的样品和白云岩样品也均在图中标出。从总体上看,川东北地区三叠系飞仙关组海相碳酸盐的锶同位素演化曲线与全球同期海水的锶同位素组成和演化趋势具有较好的一致性(图4.9～图4.12),显示全球事件对海水锶同位素组成的控制作用。

图4.11 邻水仰天窝剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的锶同位素演化图

图4.12 重庆中梁山剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的锶同位素演化图

早三叠世全球海水的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值持续上升(McArthur et al.,2001;Korte et al.,2003),上升速率超过0.001/Ma,居显生宙之首(图4.9,图4.10;黄思静等,2006c)。在二叠/三叠纪之交的全球生物绝灭事件之后的生态萧条时间间隔中,古陆缺乏植被的保护(Korte et al.,2003)、全球性酸雨加剧(周瑶琪等,1990)、侵蚀作用加强、陆地的潮湿气候带扩张所带来的放射性成因锶通量的增加(Korte et al.,2006)都是造成早三叠世全球海水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值在海平面上升背景下持续增加的原因。川东北地区邻水仰天窝剖面和重庆中梁山剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的锶同位素演化曲线也是总体呈现单调上升的趋势,显然这也是全球事件影响的结果。

值得注意的是,尽管川东北地区邻水仰天窝剖面、重庆中梁山剖面两条早三叠世飞仙关期海相碳酸盐的锶同位素演化曲线总体均呈现单调上升的趋势,但它们之间仍然存在较大差异:邻水仰天窝剖面早三叠世飞仙关期海水锶同位素组成在整个飞仙关期内,从0.7072附近增加到0.7073附近,基本上只净增加了0.0001(图4.11);相对而言,重庆中梁山剖面早三叠世飞仙关期海相碳酸盐锶同位素组成在整个飞仙关期内,从0.70715附近增加到0.7077附近,其净增加幅度高达0.00055(图4.12),远大于邻水仰天窝剖面同时期的0.0001。这一巨大差异的出现是与样品的成岩蚀变程度差异或者分离过程和分析仪器存在问题有关,还是样品本身所记录的锶同位素组成就是如此?由于样品分析是在同一单位使用同一分离程序和同一仪器进行的,故分离过程和分析仪器存在问题的可能性不大,因而目前本书倾向于样品成岩蚀变程度差异导致了上述差异的出现。

同时,单就样品的锶同位素组成而言,重庆中梁山剖面早三叠世飞仙关期海相碳酸盐锶同位素组成与同时期全球海水的锶同位素组成更加吻合(图4.10,图4.12),但邻水仰天窝剖面早三叠世飞仙关期海水锶同位素组成相对前者要小(平均小于前者约0.0003),且呈现平稳递增的变化趋势;这基本可以排除邻水仰天窝剖面样品遭受更大成岩蚀变程度的可能,因为更大成岩蚀变程度必然会导致更多放射性成因锶的进入,相应的锶同位素比值会更大。正如前面所述,国际上已公布的早三叠世海水锶同位素数据十分有限,且缺乏良好的一致性(图4.9,图4.10),因而本书两条剖面的数据中哪一条剖面的数据具有更高的可靠性仍然需要通过进一步的工作加以确定。

(2)碳同位素

与锶同位素的研究现状类似,三叠纪海水碳同位素组成的研究程度也是所有地层中最低的;Korte et al.(2005)公布的三叠纪碳酸盐的碳同位素演化曲线是目前数据量最多的(图4.13)。图4.14和图4.15分别是川东北地区邻水仰天窝剖面和重庆中梁山剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的碳同位素演化曲线,这两者也与同时期全球海水的碳同位素具有良好的一致性,显示海水碳同位素组成的全球一致性(图4.13～图4.15),显示全球事件对海水碳同位素组成的控制作用。

川东北地区邻水仰天窝剖面和重庆中梁山剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的碳同位素组成都在二叠/三叠系界线附近出现了δ¹³C极小值,而且重庆中梁山剖面的δ¹³C极小值出现了两次,而且第二个极小值小于第一个极小值。目前已有较多研究表明:二叠/三叠纪界线附近δ¹³C极小值与生物集体绝灭有关(如Magarita,1989;黄思静,1994),而且这个δ¹³C极小值的出现是全球性的,如在意大利(Magarita,1989)、伊朗(Holser et al.,1987)、浙江长兴(陈锦石等,1984)和四川广元上寺(黄思静,1994)等地方的二叠/三叠系界线附近也有出现。

图4.13 三叠纪海水的碳同位素组成及演化趋势（据Korte et al.,2005)

图4.14 邻水仰天窝剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的碳同位素演化图

图4.15 重庆中梁山剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的碳同位素演化图

在二叠/三叠纪界线附近生物大绝灭之后,适应环境的新种属生物在早三叠世早期开始出现和繁盛,其对有机碳的生产逐渐增加,相应的有机碳埋藏量也逐渐增加,因而川东北地区邻水仰天窝剖面和重庆中梁山剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的δ¹³C值也是呈现逐渐增加的趋势,大致变化在-1‰～3‰(PDB)之间(见图4.14,图4.15)。值得注意的是,这两条剖面的碳同位素组成之间也同样存在一定的差异:邻水仰天窝剖面飞仙关组1段δ¹³C值呈现逐渐增加的趋势,从-1‰(PDB)附近增加到3‰(PDB)附近,而重庆中梁山剖面飞仙关组1段δ¹³C值变化相对平稳,基本分布在-1‰(PDB)附近;同时与此相反的是,前一个剖面飞仙关组3段上部和4段的δ¹³C值明显小于后一个剖面同层段的δ¹³C值,后者的δ¹³C值可高达4‰(PDB)以上(图4.14,图4.15),这可能与不同样品之间的成岩蚀变程度差异有关。单就样品的碳同位素组成而言,邻水仰天窝剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的碳同位素组成与同时期全球海水的碳同位素组成更加吻合(见图4.13,图4.14)。

(3)氧同位素

在锶、碳、氧同位素中,碳酸盐氧同位素组成对海水信息的代表性最差,其原因与碳酸盐矿物中氧同位素组成很容易与孔隙流体(H₂O)发生交换以及对温度的敏感性有关。古代海相碳酸盐氧同位素组成是否可以代表地质历史海水的氧同位素组成一直受到人们的质疑,同时人们至今仍然不能很好解释显生宙以来海相碳酸盐δ¹³O值逐渐增加的总体趋势,是海水本身演化的固有特征,还是越老地层中碳酸盐成岩蚀变越深的结果?Korte et al.(2005)公布的三叠纪海相碳酸盐的氧同位素组成数据是目前最为完整的(图4.16)。

图4.16 三叠纪海相碳酸盐的氧同位素组成及演化趋势(据Kotre et al.,2005)

与前人建立的早三叠世海相碳酸盐氧同位素组成(如Korte et al.,2005)相比,川东北地区邻水仰天窝剖面和重庆中梁山剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的δ¹⁸O值数据并不离散(图4.16～图4.18),除少数Mn/Sr比值>2样品和个别其他样品的数据点以外,大多数的数据点分布集中,大致在-7‰～-5‰(PDB)之间变化,尤其是邻水仰天窝剖面的δ¹⁸O值数据更加相对集中,大致在-6‰～-5‰(PDB)之间变化。

图4.17 邻水仰天窝剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的氧同位素演化图所有样品均为灰岩(包含过渡岩石类型),实心圆形代表Mn/Sr比值≤2,空心圆形代表Mn/Sr比值>2

图4.18 重庆中梁山剖面三叠系飞仙关组海相碳酸盐的氧同位素演化图

尽管上述剖面的海相碳酸盐的δ¹⁸O值数据并不离散,但相对于Korte et al.(2005)公布的早三叠世早期海相碳酸盐氧同位素组成数据而言,上述剖面的海相碳酸盐的δ¹⁸O值(基本分布在-7‰～-5‰(PDB)之间)显著小于后者中被认为保存良好的海相碳酸盐的δ¹⁸O值(特提斯海腕足(低镁方解石)基本分布在-4‰～-0.6‰(PDB)之间;图4.16),也小于部分被认为保存较差的海相碳酸盐δ¹⁸O值(特提斯海腕足(低镁方解石)基本分布在-6‰～-4‰(PDB)之间;图4.16),并与被认为已经遭受了很大程度成岩蚀变影响的全岩碳酸盐数据点分布范围(主要分布在-8‰～-6‰(PDB)之间)有较大重合,因而可以认为川东北地区三叠系飞仙关组海相碳酸盐的氧同位素与大气淡水(或其他成岩流体)发生了交换,已经很难反映其原有的氧同位素组成。实际上,在锶、碳、氧同位素中,碳酸盐中的氧很容易与成岩流体发生同位素交换,而锶、碳与成岩流体之间的同位素交换则较少,可以更多地代表海水的信息(黄思静等,2006b)。