三叠纪巨型季风在上扬子地区的沉积学记录

欧美研究者一系列的实验都显示三叠纪时期泛大陆存在巨型季风;三叠纪上扬子地区位于特提斯洋北缘,其是否存在巨型季风的影响以及其影响程度如何值得关注。一系列的沉积学记录显示上扬子地区在三叠纪亦受到巨型季风的强烈影响,这主要表现在:1)早三叠世飞仙关期纹层状沉积岩;2)早三叠世飞仙关期普遍存在的风暴岩;3)晚三叠世卡尼期碳酸盐生产力危机;4)晚三叠世须家河期明显的化石木年轮。上扬子地区沉积记录显示,早三叠世早期和晚三叠世卡尼期是三叠纪巨型季风最为剧烈的时期,本文认为P/T界限生物大灭绝引发的Gaia效应和卡尼期特提斯域强烈的构造活动极可能是这两次巨型季风极盛发育的主导因素。

龙门山前缘上三叠统卡尼阶特征及其古环境、古气候意义

在龙门山前缘地区的上三叠统卡尼阶为海相沉积,整体以下部浅灰色、灰色鲕粒灰岩、海绵礁障积灰岩向上部的深灰色、灰黑色泥页岩、泥质粉砂岩的岩性、颜色突变为显著特征。在安县雎水、绵竹汉旺一带,在卡尼阶碳酸盐沉积的上部,多见海绵生物灰岩,在地表形成带状分布的海绵点礁(丘)群。通过对雎水地区海绵生物礁和江油马鞍塘、广元上寺、绵竹汉旺等剖面对应层位的野外实地调查和显微薄片分析,认为龙门山前缘的卡尼阶海绵等生物,生长在古地形复杂、水体能量低的较深水区域,海绵礁被卡尼期晚期沉积的黑灰色泥(页)岩、泥质粉砂岩所覆盖,二者界限明显,这套深色岩石在全区分布稳定;在上覆的泥质粉砂岩中见植物茎干及植物叶片化石。结合区域地质资料和阿尔卑斯等地研究资料,认为雎水等地的海绵死亡反映了卡尼期洪水事件,与构造运动有关的陆源物质的大量供给和巨型季风气候对卡尼期海绵礁(丘)的死亡负有主要责任。

晚三叠世中卡尼期极端气候事件:研究进展及存在问题

作为三叠纪最显著的气候变化事件,全球性的卡尼期气候事件以幕次降雨量增多为特征,在西北特提斯洋地区表现较为明显,主要反映了从碳酸盐岩到黑色页岩的岩性变化,近年来这一地质事件在美国、中国、日本等地的卡尼阶地层中也有识别。其成因一直是学者研究的重点,有人认为是板块构造运动促使大气或大洋循环发生了变化,或是超级大陆聚合碰撞而触发大火成岩省喷发致使全球气候发生了紊乱,也有人认为是地球系统综合因素相互作用的结果。联系到中国西南部地区卡尼阶现状,认为超级季风、构造运动和卡尼期气候变化的关系值得深入研究,此外卡尼期气候事件过程中碳酸盐补偿深度上升问题、卡尼期黑色页岩事件反映的大洋生产力以及多幕卡尼期气候事件反映的气候波动事件等科学问题也是今后的研究中值得重视的。

晚三叠世卡尼期碳酸盐生产危机在东特提斯地区的地质记录

欧洲学者基于阿尔卑斯地区上三叠统卡尼阶地质研究提出卡尼期碳酸盐生产危机(carbonate productivity crisis)或者卡尼期洪水事件(Carnian Pluvial Event)的概念,其主要表现为黑色页岩(或绿色页岩、放射虫硅质岩)覆盖于特提斯范围的碳酸盐岩之上,反映了早、晚卡尼期界面处一次明显的碳酸盐沉积中止事件,之上沉积有厚度逐步增加的硅质碎屑岩;这一地质现象在东特提斯地区(中国)卡尼阶中亦有显现,但远未引起重视。实际野外地质调查与前人文献显示,与古特提斯西部、喜马拉雅等地卡尼阶类似,在中国西南部古特提斯范围内的四川盆地西缘、黔中、滇西北、金沙江沿岸等地,卡尼期碳酸盐岩沉积多被一套灰黑色、深灰色页岩(或深色板岩)及之上的陆源碎屑岩覆盖,显示该时期碳酸盐生产的突然中止和生物礁的突然死亡。卡尼期特提斯范围的构造变动很可能对晚三叠世巨型季风气候造成巨大影响,古太平洋暖流向特提斯地区水汽输入增强,相对干旱的气候向相对潮湿的气候转换,大陆风化速率增加,陆源硅质碎屑输入增多,造成了这一显著的地质事件。

广元上寺剖面下三叠统飞仙关组风暴岩:巨型季风体制下的极端气候事件?

早三叠世扬子地台位于特提斯东北缘,研究者根据大量地质证据和模拟实验证实该时期巨型季风强度最大,且控制了整个泛大陆和周边海域的气候循环。笔者于川西北广元上寺剖面下三叠统中发现一套保存完好的风暴岩,其发育于飞仙关组下部,风暴沉积特征明显,风暴侵蚀构造、风暴撕裂构造和层理构造发育;根据沉积构造、岩石性质等识别了Sa-Sb-Sc、Sb-Sd、Sa-Sc-Sd三种序列组合(Sa-滞留砾屑沉积,Sb-粒序层理,Sc-丘状交错层理,Sd-均质层理)。早三叠世研究区处于有利于保存风暴沉积的浅海环境,风暴岩的形成、发展与特征对古气候研究有重要意义。我们认为上寺地区(乃至扬子地区)的风暴沉积,可能是最强盛的季风循环影响的结果;而P/T界线生物大量灭绝后缺乏潜穴生物的背景使风暴岩得以保存。

中国西南部地区卡尼期危机及其成因探讨

卡尼期是全球古气候变化显著、特提斯域沉积发生突然转折的时期。欧洲学者基于阿尔卑斯地区(奥地利、意大利)卡尼阶岩性从碳酸盐岩到黑色页岩、碎屑岩的等时性变化,以及相应的碳酸盐台地古生物的死亡,提出了卡尼期危机、碳酸盐生产力危机、卡尼期多雨事件、Reingraben转换,以及黑色页岩事件等概念;这些现象在喜马拉雅Spiti盆地、伊朗、印度尼西亚等地亦有显示。在东特提斯(中国西南部)地区的卡尼阶中也表现为岩性和古生物的变化,但尚未引起国内研究者的重视。与古特提斯西部、印度喜马拉雅等地卡尼阶相似,中国西南部特提斯域所见的卡尼期碳酸盐岩沉积(如海绵礁灰岩)被灰黑色、深灰色页岩(或深色板岩)或中酸性火山岩覆盖,显示该时期碳酸盐生产的突然中止、生物礁的突然死亡和岩性的急剧变化。我们认为晚三叠世巨型季风和古特提斯周缘地区(尤其是中国南方地区)的造山运动及火山作用、变质作用,使大气CO2浓度增加、泛大洋东部海域(古太平洋)向特提斯海水汽输入增强,特提斯海沿岸地区相对干旱的气候向相对潮湿的气候变化,更潮湿的古气候与相对高浓度的大气CO2共同作用使大陆风化速率增高,陆源硅质碎屑输入增多,造成了卡尼期危机。

上扬子地区早三叠世异常碳酸盐岩的分类与特征

上扬子地区晚二叠世晚期及早三叠世早期异常碳酸盐岩可以按成因分为3大类:A类—生物成因的异常碳酸盐岩,B类—非生物成因(化学及水动力成因)的异常碳酸盐岩,C类—生物、水动力及化学等复合成因的异常碳酸盐岩;还可进一步识别出8个具体类别,包括微生物岩、角砾状灰岩、扁平砾屑灰岩、条带状灰岩、薄板状、纹层状泥质灰岩、鲕粒碳酸盐岩及a、b型蠕虫状灰岩。近乎极端的古海洋环境和古气候条件是P/T转换时期以错时相为主的异常碳酸盐岩得以发育并作为早三叠世重要沉积类型的基础;P/T生物大灭绝事件发生以后,底栖动物对海相沉积层表面的破坏几乎停止,海洋洋流近乎停滞,与此同时表层海水饱受季风与飓风风暴的侵扰,分布在生物礁或浅水碳酸盐岩台地之上的透光带菌藻生态系统生长为具有一定抗浪能力的微生物岩,频繁的风暴对海底的影响使得同生期弱固结的碳酸盐软泥被打碎而形成同生砾屑,一定的古地形坡度又加剧了风暴为诱因的碳酸盐沉积物重力流的发育;此外,碳酸钙过饱和的海水可以使得碳酸盐直接化学沉淀于海底,同时巨型季风带来的黏土和粉砂与碳酸盐化学沉积共生,这一系列的过程发生于早三叠世早期特殊的古环境中,造成了上扬子地区多种多样的异常碳酸盐岩沉积。

四川盆地西缘地区上三叠统须家河组化石木年轮的古气候意义

四川盆地西缘上三叠统须家河组植物化石丰富,在最近的地质调查中新发现保存完好、年轮清晰的化石木。通过对化石木年轮的研究分析,初步探讨了四川盆地西缘晚三叠世须家河组沉积期的古气候特征。研究表明:须家河组沉积时期气候温暖,化石木中明显的年轮表明大气降水呈季节性波动,这与盛行于二叠纪至三叠纪的巨型季风密切相关;化石木的平均敏感度小于0.3,说明植物生长过程中年水分供给均衡;化石木年轮的早材带与晚材带宽度变化大,显示植物的生长受到了晚三叠世巨型季风的强烈影响。

二叠纪—三叠纪古气候研究进展——泛大陆巨型季风气候:形成、发展与衰退

巨型季风是指二叠纪—三叠纪期间泛大陆上存在的强烈季节风,它的形成与泛大陆的形状、海陆分布及大陆的纬向分布密切相关。从晚石炭世泛大陆的聚合至晚侏罗世—早白垩世泛大陆裂解,巨型季风经历了形成、发展到衰退的过程。在三叠纪,泛大陆很大且几乎关于赤道对称,巨型季风达到最大强度。它对古气候、古环境、古生物及沉积等都产生了深刻的影响,使泛大陆低纬度地区呈现出干旱和潮湿交替的气候特征,蒸发岩和红层广泛分布;高纬度地区温暖潮湿,煤层大量分布;科罗拉多高原(美国西部)、西特提斯(欧洲)和东特提斯(中国)等地的二叠纪—三叠纪沉积地层也显示了受巨型季风影响的特征。

川西北地区晚三叠世卡尼期洪水事件沉积的碳、氧同位素记录

川西北地区绵竹和安县等地发育的下卡尼阶岩性以灰色鲕粒灰岩、海绵礁丘粘结及障积成因的凝块石灰岩为主,上卡尼阶岩性突变为灰黑色页岩、粉砂岩,这与西特提斯地区卡尼阶在岩性和颜色上有很大的相似性。本次研究用激光微区碳、氧同位素测试方法分析了川西北地区卡尼阶中有孔虫、双壳类及腕足类化石壳体和植物叶片化石的碳、氧同位素,结果显示上卡尼阶化石中氧同位素值较下卡尼阶略有变小,上卡尼阶泥质粉砂岩中化石的碳同位素较下卡尼阶灰岩明显变小,可能反映了淡水输入的影响。结合研究区卡尼阶的沉积学特征,笔者认为川西北地区同样受到卡尼期洪水事件的强烈影响,潮湿气候条件下的淡水输入是造成川西北地区海绵礁(丘)大量周期性死亡及最后消失的影响因素之一。

三叠纪巨型季风在澳大利亚西北大陆架North Carnarvon盆地的沉积记录

国内外众多学者多年来的研究和实验都显示全球三叠纪泛大陆受到巨型季风的影响。三叠纪澳大利亚西北大陆架North Carnarvon盆地位于特提斯洋南缘,是否受到季风的影响及影响程度如何值得探讨。North Carnarvon盆地三叠系一系列沉积记录表明其受到了明显的巨型季风影响,主要表现在:①三叠纪发育巨厚浅水辫状河三角洲;②薄煤层广泛分布,粗砂岩与富有机质泥岩频繁互层;③发育多期河道、多期冲刷面和水道滞留沉积;④高山植物孢粉与低地植物孢粉混合互层。上述沉积记录对研究同类盆地季风对沉积作用的影响有一定参考价值。

古生代-中生代之交的水循环演变及驱动机制

水循环是连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的重要物质循环过程.本文根据地质记录和深时气候模拟等数据总结了古生代-中生代之交的水循环演变.结果表明,水循环在晚古生代、早中生代发生了重大变化:(1)地质记录恢复的气候带显示,当时全球的干旱带发生了明显扩张,蒸发岩面积从中-晚二叠世开始扩张,到早三叠世达到顶峰,中三叠世恢复至中-晚二叠世的水平,晚三叠-早侏罗世继续收缩;(2)全球年平均降水量在晚石炭、早侏罗世较高,中-晚二叠世和早三叠世较低,呈现为“V”字形变化,显示出一次重大的波动;(3)全球大陆的聚合可能导致泛大陆巨型陆面风和特提斯区域跨赤道风的形成,进而构成全球性的超级季风;(4)热带辐合带摆动的纬度位置在志留纪-石炭纪以及侏罗纪-现代较低,在二叠纪-三叠纪时期向高纬度大幅度漂移.根据事件发生的时间,这些水循环的重大变化与泛大陆的聚合、华力西造山、晚古生代冰期的结束以及大量碳释放和升温事件吻合,这些因素与当时的大气环流和水循环的变化存在密切联系:泛大陆的聚合改变了当时水储量的空间分布,同时改变了大气环流和“季风”,进而导致中-晚二叠世干旱带开始扩张,降水量减少;晚古生代末期华力西造山运动的减弱增强了热带辐合带的摆动,促进了超级季风的发展;碳释放驱动的升温事件改变了能量传输,影响了大气环流;同时植物面貌的转变影响了碳释放,进而影响水循环.由此可见,古生代-中生代之交水循环的强烈波动可能是该重大地质历史转折期岩石圈(地球深部过程)、大气圈(大气过程)、水圈(水循环)及生物圈(生命活动)相互作用的重要体现.