樊鈺超 齊永安 代明月 慶國帥 劉炳辰 白萬備

河南理工大學資源環(huán)境學院，河南焦作 454000

1 概述

朱砂洞組源于馮景蘭和張爾道于1950年在河南平頂山市朱砂洞村創(chuàng)建的“朱砂洞石灰?guī)r系”(劉群等，1994)，該組分布于華北地臺南緣、西南緣和東北緣，為辛集組碎屑巖之上、饅頭組碎屑巖之下的一套灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖。馮增昭等(2002)在研究華北早古生代地臺巖相古地理時，將朱砂洞組整體劃入辛集組，并提出辛集期的古地理格局為：古陸在西北部，海洋在華北地臺南部和東北部，主要以潮坪環(huán)境為主，受古地形影響在河南境內(nèi)出現(xiàn)有局限海沉積，地臺南緣為開闊海沉積；同時認為寒武紀以后出現(xiàn)的白云巖基本上都是準同生白云巖或者是準同生后白云巖，而辛集組晚期(朱砂洞沉積期)的白云巖具有準同生白云巖的特征。劉群等(1994)在研究華北地臺早寒武世朱砂洞組形成條件時，提出膏溶白云巖代表炎熱環(huán)境，灰?guī)r、豹斑灰?guī)r代表溫暖、濕潤環(huán)境。陳松等(2013)和吳燦燦等(2018)對安徽地區(qū)寒武紀地層進行研究，提出該地區(qū)早寒武世海水組成與新元古代略有差異，與正常海水特征一致；同時認為朱砂洞組豹斑灰?guī)r形成于局限碳酸鹽巖臺地環(huán)境。齊永安等(2014)通過對河南登封地區(qū)朱砂洞組豹斑構(gòu)造中白云石及方解石含量分析，并將其分別命名，同時提出豹斑構(gòu)造是Thalassinoides造跡生物對沉積物改造后，經(jīng)成巖期白云巖化形成的。Zhang 等(2017)認為豫西朱砂洞組以Thalassinoides為代表的深層生物擾動者能夠自下向上將潛穴內(nèi)溶質(zhì)運移到層面上，也可以通過增加沉積物—水界面的面積將海水帶入沉積物中，促進海水與沉積物之間的物質(zhì)交換。

關于朱砂洞組的古氣候研究，王德有等(1992)在開展河南省早寒武世巖相古地理及鉛鋅礦控礦環(huán)境研究時，將河南省朱砂洞組下段定為濱岸潮坪緩坡相潮上—潮間蒸發(fā)坪亞相，反映了朱砂洞組沉積早期氣候炎熱干旱，海水咸度偏高導致了膏溶灰?guī)r和石膏巖的沉積。劉群等(1994)在研究華北地臺早寒武世朱砂洞組成鹽條件時，提出膏溶白云巖代表炎熱環(huán)境，灰?guī)r、豹斑灰?guī)r代表溫暖、濕潤環(huán)境。常玉光等(2012)在豫西朱砂洞組下段的白云巖中發(fā)現(xiàn)有小叢狀疊層石，通過顯微鏡鑒定發(fā)現(xiàn)其圍巖中可見石鹽、石膏假晶等淺水蒸發(fā)環(huán)境的產(chǎn)物，將其生活環(huán)境定為潮間藻云坪環(huán)境。盡管前人依據(jù)朱砂洞組下段發(fā)育的膏鹽沉積，將其認定為形成于炎熱干旱的古氣候條件，但綜合巖石學、沉積學、地球化學和古生物學標志來闡明該組的古氣候及其演變特征未見詳細報道。研究區(qū)朱砂洞組既發(fā)育有膏溶灰?guī)r(白云巖)和石膏巖，也發(fā)育有微晶、泥晶灰?guī)r和白云巖；既發(fā)育有微生物成因的疊層石，也發(fā)育有后生動物擾動留下的豹斑灰?guī)r(白云巖)，對其古氣候及其演變展開詳細的研究有助于了解華北地臺寒武紀早期古氣候特征，闡明顯生宙早期微生物、后生動物及其與古氣候、古環(huán)境之間的關系具有重要的意義。因此，本文試圖通過對河南登封地區(qū)下寒武統(tǒng)朱砂洞組碳酸鹽巖的巖石學特征、主量和微量元素分析結(jié)合物理、化學和生物成因標志來揭示朱砂洞組沉積期的古氣候及其演變特征。

圖 1 河南登封地區(qū)寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組關口剖面位置Fig.1 Location of Guankou section of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Dengfeng area，Henan Province

2 地層特征

關口剖面位于河南省西部登封市境內(nèi)(圖 1)，該剖面由老到新依次發(fā)育了寒武系第二統(tǒng)辛集組、朱砂洞組、饅頭組一段，苗嶺統(tǒng)饅頭組二、三段和張夏組，以及芙蓉統(tǒng)三山子組。其中第二統(tǒng)辛集組海侵初期的碎屑巖，朱砂洞組為濱—淺海相的碳酸鹽巖，饅頭組一段為潮坪相的碎屑巖夾碳酸鹽巖，苗嶺統(tǒng)饅頭組二、三段為潮坪和淺海相的碎屑巖夾碳酸鹽巖，張夏組為濱—淺海相的碳酸鹽巖，芙蓉統(tǒng)三山子組為潮坪相的碳酸鹽巖(裴放等，2008)。

關口剖面朱砂洞組總計厚度23.05im，底部以大套碳酸鹽巖與下伏辛集組土黃色砂巖整合接觸；頂部以大套碳酸鹽巖消失與上覆饅頭組一段紫紅色泥巖整合接觸(圖 2)。根據(jù)巖石類型及其生物成因標志，關口剖面朱砂洞組具有以下沉積特征：

圖 2 河南登封關口剖面寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組沉積特征Fig.2 Sedimentary characteristics of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Guankou section in Dengfeng area，Henan Province

下部為深灰色—灰色巨厚層含燧石團塊紋層狀白云巖、灰白色厚層含疊層石白云巖、膏溶白云巖，發(fā)育水平層理，局部發(fā)育包卷層理，厚6.9im(圖 2，Ⅰ段)；宏觀上，紋層狀白云巖多呈中—厚層狀，以發(fā)育水平層理為主，具有少量波狀層理和包卷層理(圖 3-A)，巖石表面有溶孔順層發(fā)育；可見小叢狀疊層石，局部發(fā)育燧石團塊。顯微鏡下，紋層狀白云巖主要礦物成分為白云石，含少量方解石和石膏；白云石晶體呈自形—半自形，泥晶—微晶結(jié)構(gòu)(圖 3-B)。

上部為灰黑色—灰色中—厚層生物擾動灰?guī)r，厚12.15im(圖 2，Ⅱ段)。豹斑灰?guī)r呈中厚至巨厚層狀，在野外露頭上十分容易識別；其中豹斑呈灰黑色—深灰色，主要成分為白云石，晶體呈菱形，風化后凸出于層面之上；基質(zhì)顏色較淺，呈淺灰色—灰白色，主要成分為微晶(泥晶)方解石，風化后凹入層面，兩者由于差異風化導致巖石表面出現(xiàn)斑駁的特征，界限十分清晰(圖 3-C)。當豹斑豐度高時，白云石的含量較高，方解石含量降低，豹斑灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)楸甙自茙r(圖 3-D)。豹斑為Thalassinoides造跡動物擾動所致，并自下而上從條帶狀、花斑狀演變成為網(wǎng)格狀，揭示了當時水動力的逐漸變?nèi)?，而潛穴系統(tǒng)也趨于復雜化、生物擾動強度變大。

A—紋層狀白云巖，朱砂洞組下部(第2層)，發(fā)育紋層；B—紋層狀白云巖，朱砂洞組下部(第2層)，可見石膏，單偏光；C—豹斑灰?guī)r，朱砂洞組上部(第5層)；D—豹斑灰?guī)r，朱砂洞組上部(第5層)，發(fā)育Thalassinoides；E—紋層狀白云巖，朱砂洞組上部(第12層)，局部富集燧石團塊；F—紋層狀白云巖，朱砂洞組上部(第12層)，可見石膏，單偏光圖 3 河南登封關口剖面寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組巖性特征Fig.3 Lithological features of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Guankou section in Dengfeng area，Henan Province

頂部為灰色—深灰色巨厚層紋層狀白云巖， 局部富集燧石團塊，厚4.0im(圖 2， Ⅲ 段； 圖 3-E)； 紋層狀白云巖主要為泥—微晶結(jié)構(gòu)(圖 3-F)， 與第 Ⅰ 段紋層狀白云巖特征相似。 朱砂洞組古生物化石稀少， 頂部白云巖產(chǎn)三葉蟲化石Redlichiachinensis(裴放等，2008)， 年代地層屬于為寒武系第二統(tǒng)第 4 階。

3 研究材料與方法

對河南登封地區(qū)關口剖面下寒武統(tǒng)朱砂洞組進行了詳細測量和高密度的樣品采集，樣品間隔通常為0.5～2im，共采集22塊樣品，每塊重10～30ig。同時，所有用于主量、微量元素分析的樣品均來自新鮮、相對未風化的細粒碳酸鹽巖。在取樣過程中避免碳酸鹽結(jié)核和不規(guī)則薄層或透鏡體，并從辛集組頂部至饅頭組底部連續(xù)取樣，確保研究對象朱砂洞組樣品連續(xù)完整。

用于本次研究的主量、微量元素樣品選取沒有遭受風化剝蝕的巖石樣品，采集樣品時選取沒有方解石脈且新鮮的樣品，隨后用去離子水清洗之后使用瑪瑙碾缽將其粉碎，使用200目的篩子選取巖石粉末裝入牛皮紙袋，送往澳實分析檢測(廣州)公司使用Agilent 7700e ICP MS測試完成。微量元素濃度的分析精度優(yōu)于5%，大多數(shù)情況下檢測限小于或等于2 μg/g。Ba、Cr、Rb、Sr和V的檢測限為5 μg/g。

4 地球化學特征

4.1 成巖蝕變評估

表 1 河南登封關口剖面寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組地球化學特征Table1 Geochemical characteristics of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Guankou section in Dengfeng area，Henan Province

4.2 主量元素特征

關口剖面朱砂洞組巖石樣品的主量元素含量見表 1，所采樣品中的CaO(平均39.95%)和MgO(平均12.735%)具有較高的含量，同時MnO(平均0.02%)和SiO2(平均2.23%)的含量相對略低，而代表陸源組分的氧化物，如Al2O3、TFe2O3、K2O和Ti2O等的平均含量特別低(分別為0.26%、0.23%、0.13%和0.01%)，說明沉積時陸源物質(zhì)對關口剖面朱砂洞組影響很小，沉積環(huán)境為沒有陸源物質(zhì)影響的海相環(huán)境。

4.3 微量元素特征

圖 4 河南登封關口剖面寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組微量元素UCC標準化蛛網(wǎng)圖Fig.4 Spidergrams of UCC-normalized trace elements of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Guankou section in Dengfeng area，Henan Province

5 討論

5.1 研究區(qū)朱砂洞組古氣候演變

5.1.1 古氣候的巖石學、沉積學與古生物學證據(jù)

現(xiàn)代蒸發(fā)巖研究表明，石膏是通過蒸發(fā)作用產(chǎn)生的化學沉積而形成的礦物(趙錫文，1992；劉群等，1994)?，F(xiàn)代巖鹽和石膏往往是在干旱炎熱的低緯度地區(qū)發(fā)育沉積，主要是介于緯度10°～45°之間，當溫度在30i℃左右，海水鹽度提高，碳酸鹽轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，這時石膏就開始沉積(張國仁，1997)。根據(jù)古地磁記錄，寒武紀華北地臺處于赤道附近(Zhaoetal.， 1992;Huangetal.， 2000;Yangetal.， 2002)，屬于熱帶—亞熱帶氣候。此外，研究區(qū)朱砂洞組紋層狀白云巖段常見膏溶灰?guī)r或膏溶角礫巖、含石膏或石鹽假晶的碳酸鹽巖，其沉淀階段為碳酸鹽巖—石膏階段，局部還可能發(fā)展到石鹽階段，常見的礦物為石膏和硬石膏(王德有等，1992)，也常見有順層溶孔、石鹽假晶和燧石團塊，反映出沉積期的古氣候炎熱干旱。

而豹斑灰?guī)r段以發(fā)育Thalassinoides形成的復雜潛穴系統(tǒng)為特征。這些潛穴系統(tǒng)與現(xiàn)代潮濕氣候條件下泥質(zhì)潮間和潮下環(huán)境中掘穴生物Callianassasubterranea建造的潛穴系統(tǒng)最為相近(Stamhuisetal.， 1997)。它們的造跡活動導致海水中溶解的氧和營養(yǎng)物能夠被有效地運移至潛穴，提升潛穴及擾動沉積物中溶解的氧和營養(yǎng)物含量，促進了海水與沉積物的生物地球化學循環(huán)，表明只有在潮濕氣候條件下才會有大量后生動物在此造跡。同時，沉積物中未見溶孔和鳥眼構(gòu)造，顯微鏡下灰?guī)r或白云巖中也未發(fā)現(xiàn)在紋層狀白云巖段常見的石膏和硬石膏，反映了溫暖潮濕的氣候條件。

5.1.2 古氣候的地球化學證據(jù)

微量元素的組成、豐度及其比值都會受到沉積環(huán)境、氣候背景的影響。而這些復雜的地球化學平衡，就為利用微量元素變化重建古氣候提供了科學依據(jù)(顏佳新和伍明，2006)。利用對古氣候變化反映比較靈敏，且沉積后相對穩(wěn)定、以自生為主的多個微量元素及相關比值相互佐證，并且與區(qū)域巖石學特征相結(jié)合，可以很好地還原地質(zhì)時期的古氣候特征及其演化過程。

圖 5 河南登封關口剖面寒武系第二統(tǒng)朱砂洞組古氣候演化記錄Fig.5 Paleoclimatic variation records of the Cambrian Epoch 2 Zhushadong Formation in Guankou section in Dengfeng area，Henan Province

由于海水和海相沉積物都普遍具有較低含量的Cu，而Sr卻相對比較豐富(鄧宏文和錢凱，1993；謝尚克等，2010；梁文君等，2015)，沉積物中Sr/Cu值和Rb/Sr值具有高度的正相關性，可以用于分析古氣候的演變(Caoetal.， 2015)。也就是說，沉積物的Sr/Cu值較高、Rb/Sr值較低指示溫暖濕潤的氣候條件；反之則指示炎熱干旱的氣候背景。研究區(qū)朱砂洞組Rb/Sr值為 0.01～0.16，平均值0.04，Sr/Cu值為21.08～102.94，平均值58.16，且具有較好的負相關性(圖 5)。在朱砂洞組下部紋層狀白云巖段，Sr/Cu值存在明顯低值，而Rb/Sr值存在明顯的高值，說明在當時氣候炎熱干旱，此時紋層狀白云巖正是在這種炎熱干旱的氣候條件下沉積的；而在上部豹斑灰?guī)r段，Sr/Cu值開始升高，而Rb/Sr值則表現(xiàn)出降低的趨勢，這就暗示了該階段為干熱的半濕潤氣候；到朱砂洞組頂部紋層狀白云巖段，Rb/Sr值和Sr/Cu值出現(xiàn)與朱砂洞組底部紋層狀白云巖相同的變化趨勢，所以該階段也具有炎熱干旱的氣候背景(圖 5)。

從上述巖石學、沉積學和化學元素含量分析，研究區(qū)朱砂洞組從下部紋層狀白云巖段，到上部豹斑灰?guī)r段，再到頂部紋層狀白云巖段，構(gòu)成了一個海進—海退序列，古氣候從下部紋層狀白云巖段的炎熱干旱，到上部豹斑灰?guī)r段的溫暖潮濕，再到頂部紋層狀白云巖段的炎熱干旱，具有明顯的階段性變化(圖 2，圖 5)。

表 2 華北地區(qū)滄浪鋪期到龍王廟早期地層對比及古氣候演變Table 2 Stratigraphic correlation and paleoclimatic evolution of the Canglangpu to Early Longwangmiao Periods in North China

5.2 華北地區(qū)朱砂洞組沉積期古氣候演變對比分析

寒武紀華北地臺構(gòu)造穩(wěn)定，沒有經(jīng)歷強烈的升降運動(陳榮坤和孟祥化，1993)。寒武紀早期整個華北地臺被長期風化剝蝕，因此沒有梅樹村—筇竹寺期沉積記錄，到滄浪鋪期華北地臺廣泛接受海侵。在滄浪鋪期早期，華北地層區(qū)的遼吉小區(qū)大林子組(黑溝組)、蘇皖小區(qū)溝后組以及魯西小區(qū)李官組上部均發(fā)育大套的蒸發(fā)巖，富含石鹽假晶，含石膏及膏溶角礫巖，缺少生物化石，說明當時的氣候為炎熱干旱且強蒸發(fā)的環(huán)境，可與研究區(qū)朱砂洞組下部紋層狀白云巖段相對應。研究區(qū)朱砂洞組下部紋層狀白云巖段大量的石膏礦物以及燧石團塊，也缺乏生物化石，在河南辛集地區(qū)朱砂洞組下部發(fā)現(xiàn)有石膏礦(溫同想和徐松綠，1997)。到了滄浪鋪晚期，由于進一步海侵，遼吉小區(qū)燕山地區(qū)、遼西和遼東的堿廠組發(fā)育豹斑灰?guī)r，并且發(fā)現(xiàn)三葉蟲等化石，尤其在遼南地區(qū)發(fā)現(xiàn)有古杯類造礁生物發(fā)育(洪作民等，1990)。蘇皖小區(qū)猴家山組和魯西小區(qū)朱砂洞組均發(fā)現(xiàn)有三葉蟲Megapalaeolenus(張國仁，1997)，這與研究區(qū)朱砂洞組上部發(fā)育豹斑灰?guī)r一致，說明當時氣候開始變得相對溫暖潮濕，適合后生動物生活。而到了龍王廟早期，氣候再一次轉(zhuǎn)變?yōu)檠谉岣珊?，遼南饅頭組大后海段、山東沂水的朱砂洞組余糧村段廣泛發(fā)育了1套紫紅色鈣泥質(zhì)沉積(張國仁等，1996)，而且在華北很多地區(qū)也發(fā)現(xiàn)有石鹽假晶，如遼西、冀東、魯南、太行山東等，這與研究區(qū)朱砂洞組頂部紋層狀白云巖段發(fā)現(xiàn)有石膏礦物以及局部富集燧石團塊相一致。從上述特征可知，整個華北地區(qū)寒武紀滄浪鋪期到龍王廟早期(華北地區(qū)寒武紀第1次碳酸鹽沉積期)具有相似的古氣候演變特征，即從炎熱干旱到溫暖潮濕再到炎熱干旱的變化(表 2)。

6 結(jié)論

1)根據(jù)巖石類型及其組合關系，結(jié)合生物成因標志、沉積構(gòu)造特征，研究區(qū)朱砂洞組可分為下部的紋層狀白云巖段、上部的豹斑灰?guī)r段和頂部的紋層狀白云巖段3個巖性段，構(gòu)成了一個海進—海退序列。紋層狀白云巖段發(fā)育順層溶孔、燧石團塊，白云巖中可見石膏，反映了炎熱干旱的氣候條件。

2)Mn含量、Sr/Cu值、Rb/Sr值、MgO/CaO值均反映出研究區(qū)朱砂洞組古氣候從下部紋層狀白云巖段的炎熱干旱，到上部豹斑灰?guī)r段的溫暖潮濕，再到頂部紋層狀白云巖段的炎熱干旱，具有明顯的階段性變化。

3)在華北其他地區(qū)，與研究區(qū)朱砂洞組紋層狀白云巖段同期沉積物中發(fā)育有大套蒸發(fā)巖、膏溶角礫巖、石鹽假晶、燧石團塊，顯示了同樣的炎熱干旱氣候；與豹斑灰?guī)r段同期沉積物中發(fā)育有三葉蟲和古杯類造礁生物等化石，反映了相同的溫暖潮濕氣候，表明研究區(qū)朱砂洞組的古氣候變化在整個華北地區(qū)具有可對比性。