鄭偉，劉云龍，齊永安，邢智峰，李妲，付玉鑫，李婉穎，許欣

1.河南理工大學資源環(huán)境學院，河南焦作 454003

2.河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室，河南焦作 454003

3.中原經(jīng)濟區(qū)煤層氣與頁巖氣協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作 454003

0 引言

二疊紀—三疊紀之交發(fā)生的顯生宙最大的生物滅絕事件，致使海洋和陸地均發(fā)生了嚴重的生物危機[1]。這一事件造就了早中三疊世特殊的生物類群結構和生態(tài)格局，持續(xù)波動的異常環(huán)境條件致使二疊紀—三疊紀之交這一時期成為古、中生代之交突變生命期和環(huán)境的關鍵[2-3]。許多學者對此開展大量的研究，取得了眾多研究成果[4]。但是，目前對大滅絕事件的研究大多是基于海相地層開展的，且多是基于早三疊世生物復蘇、微生物相關的沉積構造以及二疊系—三疊系界線等方面的研究，而對這一特殊時期古氣候、古環(huán)境和古地理變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響方面的研究相對不多[5-6]，特別是這一時期古氣候變化對陸地的影響的相關研究還較少。豫西滎陽地區(qū)孫家溝組保存的二疊紀—三疊紀轉(zhuǎn)折時期的陸相沉積記錄[7]，有助于探究二疊紀末生物大滅絕事件前后陸相沉積環(huán)境和古氣候的變化規(guī)律，對分析二疊紀—三疊紀之交華北陸塊南緣古氣候的演化及其對二疊紀末生物大滅絕事件的影響具有重要意義。

本文通過對滎陽地區(qū)孫家溝組巖相特征、粒度特征和微量元素地球化學特征等方面的研究，進行沉積環(huán)境和古氣候變化分析，試尋求研究區(qū)孫家溝組沉積環(huán)境和古氣候演變特征，為二疊紀—三疊紀之交陸相古氣候變化研究提供資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

滎陽萬山地區(qū)屬于華北地層大區(qū)之晉冀魯豫地層區(qū)嵩山小區(qū)，位于華北板塊板內(nèi)區(qū)嵩箕構造區(qū)之嵩箕斷隆內(nèi)，主要出露地層為上二疊統(tǒng)孫家溝組和下三疊統(tǒng)劉家溝組。晚二疊世孫家溝組沉積期華北板塊海水退出，南部隆起，并轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)陸湖盆[8]。豫西地區(qū)發(fā)育了一套由細粒砂巖、粉砂巖和泥巖組合而成以紅色碎屑巖建造為特征的沉積，整體上屬于河流—湖泊相[9]。

研究區(qū)位于河南省滎陽市萬山地區(qū)，其孫家溝組出露良好、界線清楚、沉積較為連續(xù)，與下伏平頂山砂巖段、上覆劉家溝組均呈整合接觸，下部主要以紫紅色泥巖和細砂巖為主，中部主要為灰綠色、灰黃色泥巖，夾薄層鈣質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r或灰?guī)r透鏡體，上部為灰黃色厚層中細粒長石石英砂巖，夾包殼礫巖及暗紫紅色泥巖（圖1）。孫家溝組的年代歸屬問題有了較長時間的爭論，在基于植物、動物區(qū)系和沉積層序等的相關性上，王仁農(nóng)[10]認為華北孫家溝組是一個穿時的巖石地層單位，在海退較早的斷塊內(nèi)部它屬于晚二疊世晚期，在海退較晚的斷塊邊緣，它（或它的中上部）屬于早三疊世早期，并且為平頂山砂巖段的地質(zhì)時代提供了較為詳細的古生物資料，以大量的確切佐證說明其地質(zhì)時代為晚二疊世晚期。張抗[11]認為河南的孫家溝組是一個跨紀的巖石地層單元，它的上界具有穿時性，其中上部為早三疊世早期的沉積。也有學者根據(jù)渭北地區(qū)海相化石的證據(jù)認為整個孫家溝組應屬于早三疊世[12]。我們根據(jù)楚道亮等人研究發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)在豫西宜陽孫家溝組的典型的晚二疊世Ullmannia植物化石和在孫家溝組頂部下約20 m處的Lundbladispora?Aratrisporites?Taeniaesporite孢粉集合（該孢粉集合體被廣泛的認為具有三疊紀早期植物特征）[13]，認為孫家溝組時代是從晚二疊世晚期到早三疊世早期。

圖1 河南古生代地層分區(qū)與滎陽地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖（a）河南省古生代地層分區(qū)圖；（b）滎陽區(qū)域地質(zhì)圖；（c）研究區(qū)剖面圖Fig.1 (a)Paleozoic stratigraphic division of Henan province;(b)regional geological map in Xingyang area,western Henan province;(c)study area profile map

2 孫家溝組沉積環(huán)境分析

2.1 孫家溝組巖石學特征

孫家溝組總厚度約235 m，由下而上分為上下兩部分，共六段（圖2）。

圖2 萬山地區(qū)孫家溝組巖性柱狀圖Fig.2 Lithological column of the Sunjiagou Formation,Wanshan area

孫家溝組下部可劃分為4段。第一段（1～6層）主要為厚層紫紅色、暗紫紅色泥巖，球狀風化強烈，含有較多的鈣質(zhì)小球，夾有淺灰色薄層粉砂巖和中層細粒石英砂巖，砂巖節(jié)理發(fā)育，層理不明顯。第二段（7～11層）出現(xiàn)3層中厚層淺灰色細粒長石石英砂巖夾兩層暗紫紅色泥巖沉積。第二段下部的砂巖中出現(xiàn)單向斜交錯層理。孫家溝組下部第三段（12～15層）以泥巖為主，顏色上顯示紫紅色—灰綠色、灰黃色—淺紅色—淺紫紅色的變化，該段的下部出現(xiàn)鈣質(zhì)粉砂巖以及鈣質(zhì)小球，上部出現(xiàn)有薄層含礫砂巖和薄層灰?guī)r及透鏡體，頂層砂巖表面發(fā)育有微生物成因沉積構造（Microbially Induced Sedimentary Structures，MISS）[5]。第四段（16～20層）為厚層中細粒長石石英砂巖，該段下部為較厚的砂巖層，上部為砂泥巖互層，泥巖層較少且較薄，砂泥巖比較大，并且中間發(fā)育有包殼礫巖層。第17層下部砂巖中層理發(fā)育，主要為板狀和楔狀交錯層理，節(jié)理發(fā)育。第19層砂巖中下部發(fā)育有水平層理，向上有楔狀交錯層理和雙向交錯層理。在該段最上部紫紅色泥巖中發(fā)現(xiàn)包卷層理。

孫家溝組上部，第五段（21～29層）巖石類型較多，有礫巖、粗砂、細砂巖、泥巖和頁巖。砂巖為灰色、淺褐紅色、灰黃—灰綠色，泥巖為灰綠色或紫紅色，出現(xiàn)5個旋回，含有較薄的礫巖層，厚約0.5 m。砂巖中發(fā)育板狀、楔狀交錯層理和平行層理，粉砂巖中發(fā)育小板狀交錯層理。該段沉積中22、23、24層中發(fā)育MISS。第六段（30～32層）為厚層細粒長石石英砂巖，其成分及結構成熟度較高。主要發(fā)育板狀交錯層理，并且發(fā)育交錯層理中夾有一礫巖層。下部厚層砂巖中也發(fā)育平行層理。孫家溝組晚期沉積中，形成了由礫、砂、泥組成的沉積旋回，共出現(xiàn)了6層沉積礫巖。

2.2 孫家溝組砂巖粒度特征分析

沉積物顆粒粒度主要受搬運介質(zhì)、搬運方式、沉積環(huán)境等因素的控制，粒度分布及分選性是衡量沉積介質(zhì)能量的度量尺度[14]，對沉積物顆粒粒度參數(shù)特征的研究可了解沉積物所處的沉積環(huán)境及水動力條件的變化。

在研究區(qū)孫家溝組中選取了20塊砂巖樣品進行粒度分析，按照ST/T 5434—2009《碎屑巖粒度分析方法》中6.5圖像法步驟，每個薄片統(tǒng)計300個粒徑，數(shù)據(jù)分析所用粒級標準采用伍登—溫特華斯的粒級劃分方案。

2.2.1 粒度參數(shù)特征

采用Folk和Word公式提出的4中參數(shù)，即平均粒徑（Mz）、標準偏差（σ1）、偏度（Sk）、峰度（Kg）[14]。經(jīng)圖解法計算得出相應的粒度參數(shù)，結果見表1。

由表1、圖3可知，孫家溝組樣品的平均粒徑（?值）介于1.78～4.13，平均粒徑平均值（?值）為3.2。1層（平頂山砂巖）樣品平均粒徑最大，?值為1.78，17層樣品的平均粒徑最小，?值為4.13。剖面下部樣品平均粒徑變化為由小到大，粒度存在從粗到細的變化，即早期孫家溝組沉積物接受河流的作用，隨著水體加深，水動力條件呈逐步降低的趨勢，較細的沉積物逐漸沉積；上部樣品粒度緩慢變粗但增幅很小，應該是平均水動力緩慢增強的結果。

圖3 砂巖粒度參數(shù)變化Fig.3 Variation of sandstone grain size

表1 砂巖粒度參數(shù)Table 1 Grain sizes of sandstone

研究區(qū)孫家溝組樣品標準偏差σ1范圍在0.43～0.94，總體上是從分選極好逐漸變?yōu)榉诌x中等。其中，第1層到17層分選極好或好，上部其他樣品分選為較好，但是分選程度在逐漸變差。碎屑物質(zhì)的分選程度與沉積環(huán)境的水動力條件和自然地理條件有著密切的關系。下部分選極好或較好的沉積物應該是經(jīng)歷了河流長期的搬運、漂洗，最終沉降，或是水體加深時，形成的河漫湖泊沉積；上部分選較好的沉積物應是三角洲平原相的分流河道或三角洲前緣的水下分流河道的沉積物。標椎偏差所代表的分選性的變化也可體現(xiàn)出水動力條件變化為先變?nèi)踉僮儚?，與沉積物的平均粒徑變化規(guī)律基本一致。

偏度（Sk）和峰度（Kg）：研究區(qū)20個樣品偏度值范圍為-0.17～0.25，表現(xiàn)為由正偏態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨撈珣B(tài)再變?yōu)榻茖ΨQ，第1層樣品至第17層樣品為雙峰，上部其余樣品為單峰；峰度值為0.84～1.5，峰度多為中等，少數(shù)尖銳。結合偏度和峰度特征分布規(guī)律，推測出孫家溝組早期隨著水體加深，水動力減弱，河流沉積物出現(xiàn)以粗組分為主向以細組分為主的轉(zhuǎn)變，直到后期出現(xiàn)分流河道和水下分流河道，形成三角洲相沉積。

2.2.2 概率累積曲線特征

根據(jù)碎屑沉積物搬運方式的不同，可劃分出滾動、跳躍和懸浮三種粗細不同的粒度組分，在概率值累積曲線上產(chǎn)生不同的沉積響應，可反映出不同的沉積水動力條件，對沉積環(huán)境的解釋具有一定的地質(zhì)意義[15-17]。本次研究選取5個樣品對其概率累積曲線進行分析（圖4）。

圖4 萬山地區(qū)孫家溝組概率值累計曲線Fig.4 Probability accumulation curves for the Sunjiagou Formation in the Wanshan area

第3層、17層中和17層上樣品的概率值累積曲線呈兩段式，這種曲線由跳躍搬運總體和懸浮搬運總體組成，懸浮總體比較發(fā)育，第3層和第17層中懸浮總體含量可達40%，懸浮總體與跳躍總體之間的細截點在（2.75～3.00）?內(nèi)，第22層樣品懸浮總體含量達10%以上，懸浮總體與跳躍總體之間的細截點在3.50?左右，可以看出水動力條件呈減弱的趨勢。三條曲線跳躍總體含量較高，并分選較好，其斜率多在60°以上，不存在滾動組分，為典型的河流沉積的粒度概率圖，并識別出樣品第3層和第17層屬于河道沉積，第17層上部屬于邊灘沉積。22層樣品的概率累積曲線表現(xiàn)為臺階狀三段式，滾動總體占5%左右，以跳躍總體和懸浮總體為主，懸浮總體含量約占25%，懸浮與跳躍兩總體間的叫切點?值為3.2左右。其中滾動組分含量極少，該曲線與河流沉積相似，推測為三角洲相的分流河道微相。第34層樣品為一跳一懸夾過渡式，是具有跳躍和懸浮總體間過渡段的兩段式。跳躍總體含量占45%以上，斜率為60°左右，過渡段約為50%，斜率為40°，與跳躍總體間的交切點?值為2，與懸浮總體間的交切點?值為3.5，懸浮總體含量較22層變少，反映水流進入湖盆后能量降低的水動力特征，判斷為三角洲前緣亞相的水下分流河道沉積。

2.3 孫家溝組沉積相分析

晚二疊世，華北地臺周緣除秦嶺洋外，均以閉合隆升，海水徹底退出華北地臺區(qū)，沉積體系轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部盆地沉積[18]。因而研究區(qū)在二疊紀末形成了以陸相為主的沉積環(huán)境。

2.3.1 孫家溝組下部沉積相分析

第一段（1～6層）沉積中第一層為灰綠色砂巖（圖5a），向上主要以紫紅色泥巖為主，夾有薄層粉砂巖和細砂巖（圖5b），巖石顆粒較細，為典型的淺水發(fā)育特征。泥巖中發(fā)育滑塌構造（圖5c）和水平層理（圖5d），含有較多鈣質(zhì)結核（圖5e）且風化較強烈，可推測氣候較干旱。砂巖中有小板狀交錯層理發(fā)育，綜合巖性特征、沉積構造特征，識別出一種沉積微相，為河漫亞相的河漫湖泊微相。

第二段（7～11層）厚層細粒長石石英砂巖與泥巖交替出現(xiàn)（圖5f），構成沉積旋回，下部砂巖中發(fā)育典型的板狀交錯層理（圖5g），頂部砂巖見平行層理和板狀交錯層理。根據(jù)綜合巖性特征、沉積構造特征及相序的變化規(guī)律，該段出現(xiàn)粒度向上變細的韻律，識別為天然堤+河漫灘沉積。

圖5 萬山地區(qū)孫家溝組1?2段沉積構造類型（a）砂巖（第1層）；（b）泥巖與粉砂巖互層（第2層）；（c）滑塌構造（第2層）；（d）水平層理（第3層）；（e）鈣質(zhì)結核（第4層）；（f）砂泥互層；（g）板狀交錯層理（第7層）；（地質(zhì)錘：30 cm）Fig.5 Sedimentary structural types in the 1?2 member of the Sunjiagou Formation in the Wanshan area(a)sandstone(1st layer);(b)interbedded mudstone and siltstone(2nd layer);(c)slump structure;(d)horizontal bedding(3rd layer);(e)calcareous concretions(4th layer);(f)sand?mud interbedding;(g)tabular cross-bedding(7th layer)(geological hammer length 30 cm)

第三段（12～15層）為泥巖夾薄層粉砂巖和5～6層的含礫砂巖（圖6a），礫石較少且沿層面分布。下部紫紅色泥巖中夾有鈣質(zhì)薄層和姜狀鈣質(zhì)結核，鈣質(zhì)層和鈣質(zhì)結核的出現(xiàn)是可能由于干旱氣候下水面下降，表面急速蒸發(fā)形成的，在15層中出現(xiàn)較多的波痕（圖6b）與MISS（圖6c～e）共生的現(xiàn)象，MISS多形成于間歇性暴露的環(huán)境[4]。紫紅色泥巖可以指示水體較淺，因此下部紫紅泥巖段為濱湖相。在灰綠色泥巖中也有水平層理和板狀交錯層理，并夾有灰?guī)r透鏡體，指示較深水環(huán)境，該段頂部的砂巖及粉砂巖中也發(fā)育較多的MISS，顯示水體變淺。可推斷該段整體經(jīng)歷了水淺—深—淺的局部變化。綜合巖性特征、沉積構造特征及相序的變化規(guī)律，該段為河漫湖泊相。

第四段（16～20層）底部厚層砂巖上部發(fā)育楔狀交錯層理（圖6f）和包殼礫巖層（圖6g，h），包殼礫巖層中夾有較多的礫石，礫石磨圓度較好。包殼礫巖多形成在水流動力較強的環(huán)境下，在水流來回動蕩翻滾形成。該段沉積為旋回性沉積，即“邊灘+河漫灘沉積”。綜合巖性特征、沉積構造特征和包殼礫巖的特點及相序的變化規(guī)律，該段沉積環(huán)境為邊灘+河漫灘沉積。

圖6 萬山地區(qū)孫家溝組3-4段沉積構造類型（a）礫石（第14層）；（b）單向流水波痕（第15層）；（c，d）MISS（第15層）；（e）波痕與MISS（皺飾構造）（第15層）；（f）楔狀交錯層理（第16層）；（g，h）包殼礫巖（第17層）；（地質(zhì)錘：30 cm；中性筆：15 cm；5角硬幣：2 cm）Fig.6 Sedimentary structural types in the 3?4 member of the Sunjiagou Formation in the Wanshan area(a)rudite(14th layer);(b)unidirectional current ripple(15th layer);(c,d)MISS(15th layer);(e)ripple and MISS(15th layer);(f)wedge cross?bedding(16th layer);(g,h)coated conglomerates(17th layer);(geological hammer,30 cm;pen,15 cm;coin,2 cm diameter)

孫家溝組下部沉積主要為一套較為典型的河流沉積，出現(xiàn)了“河漫+堤岸”和“河漫+堤岸+河床”兩個旋回。局部水體位較淺時為河道沉積為主；水體變深，則形成河漫湖泊沉積（圖7）。

圖7 孫家溝組下段沉積特征Fig.7 Sedimentary characteristics of the lower member of the Sunjiagou Formation

2.3.2 孫家溝組上部沉積相分析

第五段（21～29層）沉積中有多個沉積旋回，礫巖和砂巖及泥巖共存（圖8a）。該段底部發(fā)育似包卷層理（圖8b）和橢圓狀砂球（圖8c），向上發(fā)育有水平層理（圖8d），表明原來較弱的水動力突然急劇增強，后又迅速減弱，24層發(fā)現(xiàn)波狀交錯層理（圖8e，f），且第21、22、24層中發(fā)育MISS，其中有MISS與泥裂共生。巖石粒度向上變細，為典型的河床亞相+天然堤亞相+河漫亞相。并且該段以河床亞相+天然堤亞相+河漫亞相重復出現(xiàn)，出現(xiàn)5個旋回。綜合巖性特征、沉積構造特征及相序的變化規(guī)律，該段沉積環(huán)境為三角洲平原亞相。

圖8 萬山地區(qū)孫家溝組5-6段沉積構造類型（a）砂巖夾礫巖；（b）似包卷層理（第21層中部）；（c）橢圓狀砂球（第21層中部）；（d）水平層理（第21層上部）；（e，f）波狀交錯層理（第24層）（地質(zhì)錘：30 cm；中性筆：15 cm）Fig.8 Sedimentary structural type of 5?6 member,Sunjiagou Formation in Wanshan area(a)sandstone with conglomerate;(b)quasi?convolute bedding(mid?21st layer);(c)elliptical sand ball(mid?21st layer);(d)parallel bedding(upper 21st layer);(e,f)wavy cross?bedding(24th layer);(geological hammer,30 cm;pen,15 cm)

第六段（30～32層）主要為厚層細砂巖，整合接觸在下部三角洲平原沉積之上，其沉積物粒度較細，發(fā)育交錯層理，其中夾有一礫巖層，綜合巖性特征、沉積構造特征及相序的變化規(guī)律，該段為三角洲前緣沉積的水下分支河道微相。該段與上覆劉家溝組的淺紅色厚層中細粒長石石英砂巖（33、34層）整合接觸，同為三角洲前緣沉積。

孫家溝組上部沉積中，出現(xiàn)了序列較為明顯的“河床滯留+邊灘+河漫灘”的三角洲平原沉積，這時期形成了礫、砂、泥形成的沉積旋回，共出現(xiàn)了6層沉積礫巖，代表了水體逐漸變深，最后以三角洲前緣砂質(zhì)沉積結束。該時期以水下分流河道的砂及粉砂沉積為主。所以孫家溝組上部是由早中期的河流相過渡為三角洲平原亞相和三角洲前緣亞相（圖9）。

圖9 孫家溝組上段沉積特征Fig.9 Sedimentary characteristics of the upper section of the Sunjiagou Formation

3 孫家溝組地球化學分析

本次研究在對研究區(qū)孫家溝組實測的基礎上，根據(jù)野外分層情況自下而上盡可能的采集新鮮樣品，選取其中36件新鮮巖樣進行微量元素測試，微量元素測試工作由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室完成，測試是在室溫22℃，35%相對濕度的環(huán)境條件下，采用GB/T 14506.30—2010檢測方法，使用X Serise 2等離子體質(zhì)譜儀檢測微量元素Li-U等28種元素，泥質(zhì)巖樣品微量元素分析結果見表2。

表2 萬山地區(qū)孫家溝組泥巖微量元素測試結果（μg/g）Table 2 Trace element data of Sunjiagou Formation in Wanshan area (μg/g)

3.1 古氧相分析

沉積物中存在一些對氧化還原敏感的微量元素，這些元素在沉積物中的含量和含量上的波動可以一定程度上指示沉積時的含氧情況及變化。本文采用Ni/Co、U/Th、V/Cr和V/（V+Ni）等4個微量元素比值（表3）作為氧化還原的指標來分析古沉積環(huán)境的含氧條件[19-21]。

表3 古氧相微量元素地球化學指標[19]Table 3 Oxygen in trace element geochemical indicators[19]

研究區(qū)采的36個樣品中Ni/Co比值在1～5之間，均值為2.67。Joneset al.[19]對挪威北海地區(qū)富有機質(zhì)泥巖的古沉積水體含氧性的劃分標準，Ni/Co大于7為貧氧—厭氧環(huán)境，介于7～5為貧氧環(huán)境，小于5為氧化環(huán)境。研究區(qū)樣品Ni/Co比值均小于5，可以判斷孫家溝整體為富氧環(huán)境。U、Th是地球化學性質(zhì)比較相似的元素對。在還原條件下，U6+還原成U4+形成不溶化合物沉淀，使沉積中U/Th值增加，而在氧化條件下U/Th值則降低。因此，沉積剖面中U/Th值的系統(tǒng)變化可以反映環(huán)境的氧化還原特征。U/Th比值大于1.25為缺氧環(huán)境，介于0.75～1.25為貧氧環(huán)境，小于0.75為氧化環(huán)境[22]。研究區(qū)U/Th值大約在0.1～0.3，均值為0.20。研究區(qū)的U/Th比值都遠小于0.75，孫家溝組沉積期水體呈氧化環(huán)境，孫家溝組水體的氧化性較強。古氧相也經(jīng)常使用V/Cr的比值來判斷，V/Cr值大于2代表缺氧環(huán)境，V/Cr值小于2代表沉積環(huán)境的含氧量高，為氧化條件[17]。該比值可能會受到粒度或碳酸鹽的含量影響。研究區(qū)孫家溝組樣品V/Cr值范圍在0.9～2.2，均值為1.42；絕大多數(shù)樣品的V/Cr值小于2，僅有下部一個樣品為2.13，可能是因為粒度影響，推斷該組水體含氧量相對較高。w（V）/w（V+Ni）也可作為沉積古氧相判別條件的指標，當w（V）/w（V+Ni）>1.5時指示地層水體富含H2S，接近硫化水體；w（V）/w（V+Ni）比值介于1.0～1.5時指示一種水體分層不強的貧氧環(huán)境；當w（V）/w（V+Ni）<1.0時表明水體為氧化環(huán)境[23]。研究區(qū)w（V）/w（V+Ni）值分布在0.6～0.82，均值為0.72，基本上為水體分層不強的富氧環(huán)境。

研究區(qū)孫家溝組36個樣品中Ni/Co、U/Th、V/Cr和V/(V+Ni)等4種微量元素的比值（圖10）分析表明孫家溝組沉積期水體整體上呈氧化環(huán)境，且氧化性較強。

3.2 古鹽度分析

古鹽度在恢復古氣候特征方面具有重要意義。Sr/Ba值分析古鹽度屬于比較常用的恢復古鹽度的方法[24]。根據(jù)統(tǒng)計分析認為Sr/Ba大于1為咸水，0.6～1為半咸水，小于0.6為陸相環(huán)境（表4）[25]。孫家溝組樣品的Sr/Ba值分布在0.10～0.48，均值為0.17，遠小于0.6，可認為孫家溝組沉積期為淡水環(huán)境。Th/U也是判定古鹽度的方法之一，Th容易被黏土礦物吸附，而U則容易淋失或者氧化，所以海相沉積物中Th/U比值小于2，而陸相沉積環(huán)境中的沉積物Th/U比值相對高（表4）[26]。研究區(qū)孫家溝組樣品Th/U比值范圍在3.41～7.98，均值為5.27，皆大于2，判斷為陸相環(huán)境。

表4 古鹽度微量元素地球化學指標[21]Table 4 Paleosalinity in trace element geochemical indicators[21]

根據(jù)Sr/Ba和Th/U兩個古鹽度地球化學指標分析，孫家溝組沉積期為陸相淡水環(huán)境。

3.3 古氣候分析

沉積區(qū)的古氣候條件直接影響各種地質(zhì)作用，古氣候是沉積相和古地理分析的重要條件。本文采用Sr/Cu值作為古氣候的識別指標。干旱氣候條件下，水體介質(zhì)會趨于堿性，Sr、Cu等元素從水體中析出，富集于巖石中。Sr/Cu比值介于1～10指示溫暖濕潤氣候，而大于10指示干熱氣候[27]。研究區(qū)Sr/Cu值出現(xiàn)5次大于10的層位，分別在第3層，5層，13層，17層，21層，并且第30層Sr/Cu值為9.56，其他層位變化范圍不大，在0～7，平均值為3.87，在1層到13層Sr/Cu值不超過3.5，從13層到32層Sr/Cu值呈現(xiàn)升高—降低—再升高的趨勢，且在孫家溝組中部的降低沒有恢復到最初的程度。根據(jù)古鹽度的分析，孫家溝組為陸相淡水沉積，古鹽度與古氣候密切相關[24]，從圖10可以看出，Sr/Ba與Sr/Cu呈正相關關系，二者相關性較高，即在溫暖濕潤的氣候條件下，古鹽度值比較低。根據(jù)對Sr/Cu比值和Sr/Ba與Sr/Cu的相關性分析可以得出研究區(qū)孫家溝組沉積時期整體為溫暖濕潤氣候，早期出現(xiàn)過幾次炎熱干旱氣候，在第2次干旱氣候出現(xiàn)以后，古氣候的溫濕程度出現(xiàn)了降低—升高—再降低的變化。

3.4 物理化學風化強度分析

Rb/Sr比的變化可以作為反映流域物理化學風化強度的指標，隨著風化程度的增強，風化殘留中Rb/Sr值明顯增加，并且Rb/Sr比值大小與風化程度之間呈正相關關系[28]。從圖10可以看出，研究區(qū)總體上風化作用強烈。前中后期各有較大的峰值，后期有所減弱。

風化作用可以導致U的氧化淋失，Th/U值隨著風化作用的增強而增加[29]，當其值>4時與風化作用有關[30]。研究區(qū)內(nèi)Th/U值為3.41～7.98，平均為5.27，在圖10中可以看出，絕大部分高于上地殼Th/U值（3.8）[31]，大氣淡水淋濾等風化作用對孫家溝組的破壞程度較大，孫家溝組基本上均遭受到中等強度風化作用。

圖10 萬山地區(qū)孫家溝組微量元素地球化學分析Fig.10 Analysis of trace element geochemistry of the Sunjiagou Formation in the Wanshan area

4 討論

4.1 滎陽地區(qū)孫家溝組的沉積環(huán)境變化

二疊紀末期，華北地臺南緣整體抬升，海水逐步退出，地臺內(nèi)盆地進入陸相沉積環(huán)境發(fā)展階段。晚二疊世晚期，華北地塊南緣全區(qū)演化為河流—湖泊體系沉積，此時的湖盆發(fā)育在鄭州以東地區(qū)，主要是淺湖—較深湖相沉積，以巨厚暗紫紅色細粒砂巖和泥巖為主。華北地塊南部晚古生代至三疊紀沉積盆地的形成演化與其南側(cè)秦嶺造山帶的造山作用密切相關，尤其是北秦嶺—北淮陽構造帶的發(fā)展演化過程具有直接控制作用。并且北秦嶺—北淮陽構造帶造山隆升具有階段性，早二疊世早期和晚二疊世晚期造山帶隆升速度較快，而早二疊世晚期至晚二疊世早期山帶相對較慢[9]。構造造山運動控制了研究區(qū)的沉積環(huán)境，晚二疊世孫家溝組沉積期華北區(qū)海水退出，南部隆起，轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)陸湖盆的時期。滎陽地區(qū)在未完全擺脫海水影響的古地理背景下，形成以陸相為主的沉積環(huán)境。因此，研究區(qū)沉積環(huán)境由晚二疊世河流—三角洲平原沉積過渡到早三疊世的三角洲前緣沉積，其構造控制是中、晚二疊世北秦嶺—北淮陽構造帶隆起造成的，后由于東部地區(qū)抬升造成湖水加深形成以三角洲前緣相至湖泊相的沉積環(huán)境。

滎陽萬山地區(qū)孫家溝組下段主要為紫紅色、灰黃色泥巖和淺灰色、灰黃色細粒長石石英砂巖。在第一段和第三段的砂巖中發(fā)育有許多板狀和楔狀交錯層理，第15層砂巖中發(fā)育較多的波痕與MISS共生的現(xiàn)象，波痕常出現(xiàn)在湖泊環(huán)境中，MISS多形成與間歇性暴露的環(huán)境。孫家溝組下段的泥巖應是河漫湖泊環(huán)境沉積，有紫紅色泥巖中夾有鈣質(zhì)薄層或鈣質(zhì)結核，加上MISS的發(fā)育，可以指示由干旱氣候?qū)е滤嫦陆档臏\水沉積。與紫紅色泥巖比較，灰黃色泥巖應該是在氣候相對濕潤、水體較深的環(huán)境中沉積的。第二段和第四段出現(xiàn)的砂泥互層，構成“天然堤+河漫灘、邊灘+河漫灘”的沉積旋回，體現(xiàn)河流的“二元結構”。砂巖中發(fā)育有板狀和楔狀交錯層理，并且出現(xiàn)有包殼礫巖和磨圓較好的礫石，都表現(xiàn)出較強的水動力條件。

孫家溝組砂巖樣品粒度分析表明，下段砂巖的平均粒徑存在從粗變細的趨勢，并且根據(jù)偏度和峰度也表示由以粗組分為主向以細組分為主的轉(zhuǎn)變，可以得出孫家溝組下部沉積從下往上，水動力條件在逐漸降低。根據(jù)第3層和第17層的概率累積曲線判斷該層沉積為河流相沉積。因此推斷孫家溝組早期為河流相沉積，水體出現(xiàn)“深—淺—深—淺”的變化。

第五段中礫巖、砂巖和泥巖共存，出現(xiàn)5個沉積旋回，21層、22層、24層發(fā)育有MISS和泥裂，砂巖中出現(xiàn)有板狀、楔狀交錯層理和平行層理，細砂巖中也有小板狀交錯層理發(fā)育。根據(jù)粒度分析得出較上段粒度變粗、分選變差。第五段沉積特征與河流體系的河床沉積類似，判斷為三角洲平原亞相。第六段主要為厚層細粒長石石英砂巖，主要發(fā)育有板狀交錯層理。該段整合接觸在三角洲平原河漫灘沉積之上，并且夾有一層礫巖，判斷為三角洲前緣的水下分支河道微相。

滎陽萬山地區(qū)孫家溝組整體上受華北地臺南隆影響，形成河流沉積，水進形成湖相的三角洲平原沉積和三角洲前緣沉積，應該是華北地塊南緣河流相向湖泊相演化階段，萬山地區(qū)正處于河流進入湖盆形成三角洲的位置。

4.2 滎陽地區(qū)孫家溝組古氣候和古環(huán)境特征

二疊紀末期陸地風化作用先減弱然后快速增強，且該時期陸地風化強度始終處于較高水平，陸表氣候較溫暖并在一段時期內(nèi)保持穩(wěn)定[1]。華北地區(qū)的孫家溝組記錄了古氣候由溫濕氣候向干熱氣候的轉(zhuǎn)換[32]。孫家溝組的紅色沉積和鈣質(zhì)結核都是干旱氣候的產(chǎn)物，例如豫西宜陽地區(qū)孫家溝組整體為陸相淡水環(huán)境沉積環(huán)境，上段大量鈣質(zhì)結核的出現(xiàn)預示古氣候由溫暖潮濕向炎熱干旱環(huán)境的轉(zhuǎn)變，水體古氧相為氧化環(huán)境[33]。但是局部地區(qū)也會出現(xiàn)差異，例如濟源盆地孫家溝組前期和后期均為強烈風化作用的長時間暴露的三角洲平原相，并且炎熱多雨，中期則水平面上升，水下三角洲前緣以砂質(zhì)沉積為主[28]。

根據(jù)Ni/Co、U/Th、V/Cr和V/（V+Ni）等4個古氧相判定指標來看，萬山孫家溝組的樣品均是在富氧的水體環(huán)境中沉積的。樣品中的Sr/Ba值在0.10～0.48，處于淡水環(huán)境的范圍內(nèi)（小于0.6），Th/U值在3.41～7.98，也是在陸相淡水環(huán)境沉積的（大于2），并且Th/U值隨著風化作用的增強而增加，絕大部分高于上地殼Th/U值（3.8），推斷可能是因為大氣淡水的作用對孫家溝組的破壞程度較大，孫家溝組受到了較強的風化作用。根據(jù)Sr/Ba和Sr/Cu比值曲線得出孫家溝組沉積時期整體為溫暖濕潤氣候，之間出現(xiàn)過幾次炎熱干旱氣候，主要分布在下段，分別位于第3層，5層，13層，17層，21層。在第5層和13層中都出現(xiàn)有鈣質(zhì)薄層和鈣質(zhì)結核，17層出現(xiàn)有MISS和灰?guī)r，21層出現(xiàn)MISS和泥裂共生，風化較嚴重的礫巖。根據(jù)對微量元素Sr/Ba和Sr/Cu比值的數(shù)據(jù)分析和鈣質(zhì)結核的出現(xiàn)都指示在孫家溝組沉積期是在溫濕氣候的背景下，前期有炎熱干旱與溫濕氣候交替出現(xiàn)的現(xiàn)象。

研究區(qū)的孫家溝組中紅色沉積主要出現(xiàn)在下段，并且伴隨有鈣質(zhì)薄層和鈣質(zhì)結核的出現(xiàn)，上段開始以灰黃灰綠色沉積為主，這就說明了在滎陽的孫家溝組沉積晚期的氣候與華北其他地區(qū)發(fā)育的大套紅層有所不同。研究區(qū)該時期地層中元素微量元素發(fā)生了明顯的變化，特別是從10層開始到15層之間，古環(huán)境和古氣候等幾個地化指標發(fā)生的變化較為明顯，古氣候呈炎熱干旱，且有風化強度加強的趨勢。整體上滎陽孫家溝組的古氣候主要為前期濕潤與炎熱干旱氣候交替出現(xiàn)，后期轉(zhuǎn)變?yōu)闇嘏睗竦臍夂?，并且?5層處出現(xiàn)MISS以及多層礫巖，說明此時生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，水土流失嚴重，微生物群落開始大量發(fā)育。

5 結論

（1）研究區(qū)孫家溝期早期水動力條件較強，主要以“河漫+堤岸+河床”兩旋回形成的河流相沉積為主，隨著水動力的降低，后期逐漸過渡為三角洲平原和三角洲前緣沉積，水體逐漸加深。

（2）研究區(qū)孫家溝期為陸相淡水的沉積環(huán)境，基本上沒有受到海的影響，整體為氧化環(huán)境。整個孫家溝組沉積期主要為溫暖濕潤的氣候，物理化學風化強度較大，之間出現(xiàn)過幾次干旱的氣候，主要集中在孫家溝組沉積期前期，干旱氣候?qū)е滤嫦陆?，變?yōu)殚g歇性暴露的淺水沉積。

致謝 感謝審稿專家與編輯老師提出的寶貴意見，在此表示誠摯謝意！