早-中二叠世火山灰锆石U-Pb测年及其年代地层学意义

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瓜德鲁普世是地质历史时期极为关键的转折时期。该时期发生了Pangea联合古陆从聚合向裂解转变、蛾眉山大火成岩省喷发、气候变暖、地球磁场频繁倒转、大规模海平面下降、海水87Sr/86Sr比值下降至整个古生代最低值等一系列影响深刻的全球重大地质事件,并导致当时地球生物和环境发生重大转变。深入研究这些事件发生的时空规律和发生机制需要有高精度的年代地层框架。目前古生代年代地层框架的建立主要依靠有生物地层控制的火山灰锆石U-Pb同位素年龄,但早二叠世晚期至中二叠世的年代地层框架至今仍缺乏系统研究。  华北二叠纪陆相和海陆交互相地层的时代归属及其与海相地层的对比问题还未有定论。华北地区在二叠纪时期发育含煤的海陆交互相和陆相沉积,地层中保存了丰富的植物大化石和孢粉化石。对含有可采煤层的太原组和山西组进行详细研究具有一定的经济价值。此外,二叠系所记录的晚古生代大冰期向温室期转变的过程与现今的全球变暖有很多相似处,深入研究这段时期地球植物面貌的变化对现今地球环境变化有重要的启示意义。精确限定保德地区二叠系的沉积时代是研究该时期植物演化与环境变化相互关系的基础。虽然前人对山西地区二叠系的植物大化石、孢粉组合带、磁性地层和碎屑锆石年龄等进行了研究,但由于缺乏海相化石的佐证,各研究者之间的结论分歧明显。  为给早-中二叠世年代地层框架补充同位素年龄数据,给华北山西保德地区二叠系时代划分提供依据,本论文对华南地区4个剖面和华北山西保德地区2个剖面中的火山灰锆石进行了U-Pb测年工作。在南京龙潭正盘山剖面孤峰组底部获得一个SIMS锆石U-Pb年龄272.2±2.2 Ma(n=20,MSWD=1.3)。在安徽巢湖平顶山剖面孤峰组底部获得三个SIMS锆石U-Pb年龄,自下而上分别是269.0±1.4 Ma(n=31, MSWD=1.03)、266.3±2.2 Ma(n=29, MSWD=2.2)和262.2±1.7Ma(n=20,MSWD=1.0)。并对其中两层火山灰进行了CA-ID-TIMS锆石U-Pb测年,结果分别为272.95±0.11/0.17/0.34 Ma(n=7,MSWD=1.9)和271.038±0.097/0.16/0.33 Ma(n=8,MSWD=2.2)。对比巢湖剖面中同一样品的SIMS和CA-ID-TIMS年龄,表明SIMS年龄偏年轻可能是由于锆石Pb丢失,而化学剥蚀可以有效减少锆石Pb丢失的影响,CA-ID-TIMS锆石年龄可以反映火山灰的真实沉积年龄。对贵州罗甸纳水剖面四大寨组底部火山灰进行SIMS锆石定年,获得两个年龄峰值分别约为279 Ma和292 Ma。在山西保德扒楼沟剖面和桥头剖面获得6个SIMS锆石U-Pb年龄,自下而上分别是位于太原组中部的299.8±2.1Ma(n=17,MSWD=1.14)和299.7±2.7 Ma(n=16,MSWD=1.30),太原组顶部的297.7±1.9 Ma(n=21,MSWD=0.49),山西组顶部的297.6±1.9Ma(n=21,MSWD=0.91)和293.3±1.8 Ma(n=31,MSWD=1.20)和上石盒子组顶部的281.6±1.5 Ma(n=30,MSWD=0.59)。  结合前人的生物地层资料,安徽巢湖地区瓜德鲁普统底界位置应当位于孤峰组和栖霞组的岩性界面附近,瓜德鲁普统的底界年龄为272.95±0.11 Ma,根据瓜德鲁普统顶界的CA-ID-TIMS锆石年龄259.1±0.5 Ma,将瓜德鲁普统时间跨度修订为13.85±0.51 myr(百万年)。贵州罗甸纳水剖面的火山灰位于牙形类化石Neostreptognathodus pnevi的首现层位之上约8m处,该层火山灰的年龄约为279Ma,对该层火山灰进一步研究或可精确测定华南空谷阶底界的年龄。  根据太原组中部两个火山灰年龄及其上下灰岩夹层中的海相化石资料,保德地区石炭-二叠系界线层位可能位于该火山灰层位附近。由太原组顶部和山西组中部两个火山灰年龄推测山西保德地区的山西组时代应属于阿瑟尔晚期至萨克马尔期。上石盒子组顶部火山灰年龄表明该层位时代应当属于空谷期早期,而非前人认为的二叠纪晚期(乐平世),因此上覆的孙家沟组年龄也可能比先前认为的老得多。前人的化石资料表明二叠-三叠系界线位于孙家沟组顶部附近,因此上石盒子组顶部至孙家沟组的沉积时代可能为早二叠世空谷期至晚二叠世长兴期,但不排除上石盒子组顶部至孙家沟组中存在沉积间断的可能。根据上述对该地区二叠系的时代划分,山西保德地区的气候自萨克马尔晚期至亚丁斯克早期开始表现出干旱化趋势,其变化趋势基本与同时期欧美地区一致或短暂滞后,并非前人认为的存在气候变干的明显滞后。
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