前寒武纪中国前寒武纪寒武纪过渡期海水Sm-Nd同位素特征及其意义

前寒武纪中国前寒武纪寒武纪过渡期海水Sm-Nd同位素特征及其意义

生物和沉积物中的硫酸盐含量是确定古生代海洋sm-nd含量最合适的样品。shaw和skeersburg首次使用这些样品测定了古代太平洋和古代大西洋的nd（t）值。然后，keto和jacoben测量了北美、欧洲和美国东南部的牙齿、手腕和足部样本。研究结果表明，早古生代磺i和古代大西洋（t）的含量为10-20，古代大西洋（t）的含量为5-9。他们的研究表明，不同的古陆地水域可以根据不同的nd（t）值来区分，这表明sm-nd-w水平在古代海洋地质勘重建中的重要意义。但是目前所发表的数据还比较少,而且主要局限于北美和欧洲地区,因此远不足以准确描述显生宙期间全球主要海洋的面貌.另一个不足之处是,特别缺乏一些重要界线时期的数据,例如前寒武纪—寒武纪界线时期的数据一个也还没有.笔者曾报道过对中国吉林大阳岔寒武系—奥陶系界线剖面中化石的Sm-Nd同位素测定结果.本文报道中国3个重要的前寒武系—寒武系界线剖面中的磷质化石和胶磷矿的Sm-Nd同位素测定结果,讨论中国古海水在晚前寒武纪到寒武纪期间εNd(T)值的变化情况及其在古海洋地理研究方面的意义.1梅树村阶地层格架及其地层序列本次测定的样品分别采自云南晋宁梅树村剖面、四川峨嵋麦地坪剖面和新疆柯坪乌什剖面.它们都是中国3个重要的前寒武系—寒武系界线剖面(图1).梅树村剖面位于云南省昆阳磷矿.其中属于前寒武纪—寒武纪过渡期的梅树村阶地层包括渔户村组上部的小歪头山段碳酸盐岩、中谊村段磷酸盐岩和大海段碳酸盐岩,以及筇竹寺组下部的八道湾段黑色页岩和粉砂岩.根据小壳化石,梅树村阶自下而上可分为3个化石带:Ⅰ.Anabarites-Protohertzina带;Ⅱ.Paragloborilus-Siphogonuchites带;Ⅲ.Sinosachites-Lapworthella带.与西伯利亚地台区的剖面相比,梅树村阶的第I化石带相当于Manykayn阶或Nemakit-Daldin层;梅树村阶的第Ⅱ和Ⅲ化石带则与Tommotian阶大体相当。在其之上的筇竹寺阶(包括第Ⅳ和Ⅴ化石带),以最古老的三叶虫化石出现为特征,属于Atdabanian阶,梅树村剖面中有4个可供选择的界线参考点,其中A点位于歪头山段的近底部,即第Ⅰ化石带开始出现的层位;B点位于中谊村段上部,剖面第7层底部,即第I和第Ⅱ化石带分界处.尽管层型剖面和层型点的选择还没有最后确定,国内外大多数专家目前倾向于以B点作为界线层型点.笔者曾采用Sm-Nd等时线方法测定了梅树村剖面中谊村段磷块岩中的磷质化石和胶磷矿样品,测得中谊村段的沉积年代约为距今562Ma.麦地坪剖面位于四川峨嵋山下,与梅树村剖面同处在扬子地台西部边缘,它们相似的岩石地层序列和化石组合特征为地层对比提供了有利条件.在麦地坪剖面中,梅树村阶地层自下而上包括洪椿坪组的猫儿岗段顶部和麦地坪段,以及九老洞组的中、下段,其中猫儿岗段顶部相当于小歪头山段,麦地坪段相当于中谊村段及大海段,九老洞组的中、下段相当于八道湾段.麦地坪段以白云岩和含磷白云岩为主,夹硅质层和磷矿层,富含小壳化石.本次测定的胶磷矿样品MD32和磷质化石样品MD37和38,分别采自属于麦地坪段的第32,37和38层.乌什剖面位于新疆塔里木盆地西缘上的柯坪地区乌什县乌什磷矿.在乌什剖面中,梅树村阶地层仅由厚约8m的玉尔吐斯组为代表.玉尔吐斯组底部与奇格布拉克组白云岩之间为平行不整合接触,顶部与含筇竹寺阶晚期三叶虫化石的肖尔布拉克组灰岩之间为连续过渡.玉尔吐斯组底部厚约1.4m的硅质磷块岩和白云岩透镜体中含有属于梅树村阶第I化石带的小壳化石Anabarites,Parotohertzina等;中、上部白云岩和白云质磷块岩中含有的小壳化石则属于梅树村阶第Ⅱ,Ⅲ化石带.本次测定的胶磷矿样品为Nj93和Nj99,分别采自玉尔吐斯组的底部和中下部.2b,sr元素小壳化石从经过冰乙酸处理后的磷块岩样品中挑选出来,然后用超纯盐酸和超纯水反复清洗,最后用双目显微镜精心挑选出不粘杂质的化石样品.胶磷矿样品粉碎研磨至小于200目,置于超纯盐酸中一昼夜,溶液经离心后去除不溶残渣.化学分离流程采用两套阳离子交换柱,第一套交换柱分离和收集总稀土及Rb,Sr元素;第二套交换柱分离和收集Sm和Nd元素,Nd和Sm的含量采用质谱同位素稀释法测定,样品的Nd同位素比值是用未加稀释剂的一份样品单独测定得到.实验室全流程空白是60pg,对标准样BCR-1的Nd同位素比值测定为0.511860±8(标准化值146Nd/142Nd=0.636151).样品的处理和同位素实验方法已有详述.对3个地区的前寒武系一寒武系界线剖面地层中总共11个磷质化石和胶磷矿样品的Sm-Nd同位素测定结果列于表1.11个样品的fSm/Nd值均为负值,反映了古代海水也如现代海水一样,其Sm和Nd主要是来自于轻稀土富集的陆源区.11个样品的fSm/Nd值平均值为—0.4,与陆壳平均值(—0.4)一致.样品的fSm/Nd值之间有明显差异,但它们的εNd(T)值却相似,在—6.1到—7.1之间,最大值和最小值之间仅相差1,该差别已接近实验误差的大小,因此,可以认为所有被测样品的εNd(T)值是基本一致的.3古海水磷质成分测定结果本次测定的样品均为海洋自生矿物样品(小壳化石和胶磷矿样品),它们均采自同一时代而地区不同的3个界线剖面地层中,测定的εNd(T)值基本一致,则必须应满足以下两个基本条件:(1)被测样品记录了当时古海水的Sm-Nd同位素特征,并保持至今;(2)在当时,3个地区的古海水具有均一的Sm-Nd同位素组成.因此,由本次实验获得了在前寒武纪一寒武纪过渡期中国海水的εNd(T)值,为-6.6±0.5.3个地区界线地层的磷质样品的εNd(T)值相差很小,其差别小于现代海洋同一洋盆中海水的εNd值的差别.现代太平洋的εNd(T)值在—1到—4之间,印度洋的值在—7到—10之间,大西洋的值在—8到—15之间.这表明在前寒武纪一寒武纪过渡时期,中国这3个地区的海水是同处于一个洋盆.虽然有资料表明,梅树村剖面和麦地坪剖面所处的扬子地台与乌什剖面所处的塔里木地台,在前寒武纪一寒武纪过渡期很可能是相互分离的,然而小壳化石组合和早寒武世三叶虫化石组合表明,它们是属于同一个大的生物地理区.这一点由本次对古海水的Sm-Nd同位素测定中得到进一步证实,表明它们是共洋的.4全球生物区的划分表2中列出本次测定结果和已发表的中国古海水的Sm-Nd同位素值图2显示本次研究的地点在早寒武世全球生物地理分区图中的位置.田表2中可以看出,在晚前寒武纪到寒武纪期间,中国海水的εNd(T)值变化不大,落在—5.7到—6.6之间.这表明中国海水在当时具有较稳定的Sm和Nd的陆源区,即相对稳定的海洋几何形状及周边大陆.依据以三叶虫为代表的动物群特征,早寒武世全球可分为两大生物分区:(1)Olenellian(小油栉虫)生物区,主要包括欧美地区和西伯利亚;(2)Redlichian(莱德利基虫)生物区,主要包括中国在内的亚洲大部和大洋洲.在中、晚寒武世,全球出现了三大生物区:(1)大西洋生物区,主要包括欧洲大部、西伯利亚、北美东部和南美西南部;(2)东太平洋生物区,主要包括北美大部和格陵兰岛;(3)西太平洋生物区,范围与早寒武世的莱德利基虫生物区大致相同.由此可见,位于现代太平洋西侧的亚澳区与太平洋东侧的北美区在寒武纪是明显有别的.Keto和Jacobsen对北美和欧洲的生物磷酸盐样品测定中得出,在早古生代古太平洋的εNd(T)值在—10到—20之间.该值远低于表2中的中国古海水的值,表明在当时中国古海水与北美和欧洲的古海水(它属于Keto和Jacobsen所称的古太平洋)很可能并不共洋,这与上面所述,在当时中国和北美、欧洲分属不同的生物区,具有不同的生态环境的结论是一致的.实际上,Keto和Jacobsen所称的在早古生代存在的泛大洋——古太平洋,很可能只包括生物地理区划中的东太平洋生物区,而西太平洋生物区代表另一大洋,我们可称之为“古亚澳洋”.在当时,它是与古太平洋和古大西洋并列的大洋.在Keto和Jacobsen绘制的古太平洋的εNd(T)时间(T)的图上,在晚前寒武纪到寒武纪期间的曲线中,他们将北美的数据与Shaw和Wasserburg测定的中国贵州和巴基斯坦的两个数据混在一起,这显然是有问题的,因为在当时相当于现今的中国贵州和巴基斯坦地区并不属于Keto和Jacobsen所称的古太平洋,而是属于古亚澳洋.对于早古生代期间的古大西洋,Keto和Jacobsen认为其面积较小,εND(T)值在—5到—9之间.但是对于从晚前寒武纪到寒武纪期间古大西洋的数据,他们只列出了一个(IB7,528Ma),其值为—5.3±0.5.由于数据太少,尚不可能进行可靠的比较和讨论,有待更多的数据的验证.5中美双方沉积年龄的对比对于碎屑沉积物,通常使用相对于亏损地幔(DM)的模式年龄来估计其陆源区的平均年龄,公式为对于海洋自生矿物不能采用以上的单阶段Sm-Nd模式年龄公式,而应采用二阶段模式年龄公式来反映其Sm-Nd源区陆壳的平均年龄,因为这些样品在沉积时相对于它们的陆源区一般会发生分异.的计算公式如下:fSm/Nd((147Sm/144Nd)meas/0.1967)-l,典型的陆壳fSm/Nd值(fCC)为-0.4,亏损地幔的fSm/Nd值(fDM)为0.08592,TSTRAT代表样品所在地层的沉积年龄.本次测定样品的值列于表1,约为1.8Ga.该值与对澳大利亚页岩、现代海洋和大河沉积物样品测定中得到的Sm-Nd模式年龄(～1.8Ga)一致.由此可以认为,中国海水周围陆壳的平均年龄约为1.8Ga,而且在显生宙以前陆壳已基本形成,其后陆壳的运动以水平方向的板块间的运动为主,幔源物质进入陆壳的比例相对的少.本次测定的样品的模式年龄值小于Keto和Jacobsen对北美样品测定出的模式年龄值(1.9到2.8Ga),这与本次测定样品的εNdt(T)值高于北美样品的εNd(T)值的结果是相吻合的。这反映了Keto和Jacobsen所称的古太平洋的Sm-Nd源区陆壳的平均年龄,要老于中国海水Sm-Nd源区陆壳的平均年龄.这意味着,类似于现今大西洋,在当时,古老陆壳的地体包围Keto和Jacobsen所称古太平洋的周边;而古亚澳洋的物源区则主要是来自于年轻的造山成因的、火山的或岛弧的地体,这又类似于现今的太平洋或印度洋.6新冠肺炎