构造-冰川驱动的早中二叠世之交华北盆地海退与沉积环境变化^*

Tectonic-glacially driven regression and sedimentary environment changes at the transition of Early and Middle Permian in North China Basin

摘要

早、中二叠世之交(山西组与下石盒子组沉积过渡期)华北盆地经历了一次盆地范围的海退,并伴随着沉积环境由过渡相(三角洲、潮坪和潟湖等)向陆相(河流—湖泊)的演变,以及聚煤作用向南华北迁移。为了揭示该次海退和沉积环境变化的驱动机制,以华北盆地东北缘柳江煤田山西组—下石盒子组为对象,利用构造指数(L/Q值和TiO₂含量)和气候指标(CIA)研究该段地层沉积期物源区(内蒙古隆起)构造活动、古气候变化与海退(沉积环境变化)之间的关系。结果表明: (1)早、中二叠世之交,柳江煤田山西组—下石盒子组物源区构造活动经历了稳定→活动→稳定3个阶段,该结果与前人利用构造变形数据与碎屑锆石年龄恢复的古亚洲洋向南俯冲历史相吻合; (2)古气候经历了相对暖干与热湿交替的3个阶段,与同时期高纬度地区的冰期—间冰期旋回有较好的对应关系; (3)柳江煤田早中二叠世之交的海退(沉积环境变化)与物源区构造活动增强、间冰期水循环加强和全球海平面(基准面)开始下降相伴生,说明该海退为强制性海退,是盆地增强的沉积物供应速率与下降的全球海平面共同驱动的结果,且增强的源区构造活动和加强的间冰期水循环是沉积物供应速率(产生和搬运速率)增加的主控因素。

Abstract

During the transition from the Early to Middle Permian (corresponding to the depositional shift between Shanxi and Lower Shihhotse Formations),the North China Basin underwent a basin-scale regression,characterized by a change in depositional environments from transitional facies(such as deltas,tidal flats,and lagoon)to terrestrial facies(fluvial-lacustrine systems),along with a southward migration of coal accumulation zones. In order to reveal the driving mechanisms behind this regression and associated changes in depositional environment,this paper focuses on the Shanxi and Lower Shihhotse Formation(referred to as the study stratum)in the Liujiang Coalfield,located at the northeastern margin of the North China Basin by using tectonic proxies(L/Q and TiO₂)and climatic indicators(CIA). The results show that: (1)The source area during the depositional period of the study stratum experienced three tectonic stages of stability-activity-stability. It is consistent with the history of southward subduction of the Paleo-Asian Ocean,which was recovered by the previous researchers using the tectonic deformation data and detrital zircon ages. (2)The palaeoclimate experienced three stages of alternating relatively warm-dry and hot-wet,which correspond well with the glacial-interglacial cycles at high latitudes in the same period. (3)The regression at the transition of Early and Middle Permian(change in depositional environment)in the study area was accompanied by enhanced tectonic activity in source area,intensified water circulation in interglacier,and the onset of declining global relative sea level(datum),suggesting that it was a forced regression driven by the enhanced sediment supply rate of the basin and declining global relative sea level. The enhanced tectonic activity and the intensified water circulation were the dominant controlling factors for the increase in sediment supply rates(production and transport rates).

Graphical abstract

关键词

华北 / 柳江煤田 / 二叠纪 / 沉积环境 / 冰期 / 构造活动 / 驱动机制

Key words

North China / Liujiang Coalfield / Permian / sedimentary environment / glacier / tectonic activity / driving mechanism

0 引言

全球变化正在以前所未有的速度重塑地球表层系统,迫使人类亟须从地质历史中探寻环境演化对生态系统的影响(仲钰天等,2023)。二叠纪具有大气二氧化碳浓度低、全球海平面高度与新近纪相似以及陆地主要环境为森林等特征,是揭示盆地内环境转化的最好时期(Frank et al., 2015; Lu et al., 2021a,2022)。

二叠纪发生了显生宙最极端的气候转变。早二叠世全球海平面持续上升,早二叠世晚期之后海平面开始下降,发生一次较大的海退事件(Haq and Schutter, 2008)。该时期联合古陆面积增大,揭开了北美、欧洲及冈瓦纳大陆晚古生代二级周期海退历程的序幕,华南川滇、江南与云开古陆等构造活动导致的古地理格局巨变都对其产生贡献。早二叠世华北盆地发育平缓、宽广的陆表海,微小的海平面起伏可导致大范围的暴露与淹没(陈洪德等,2011),致使海相与陆相地层互为夹层,并且海相夹层较薄且缺乏明显的环境指标。海侵—海退频率不一、生物演化不连续和古盐度环境指标灵敏度下降(范炳恒等,2000),导致对早中二叠世海平面变化的研究十分困难。同时,早、中二叠世之交,华北多地发现了由含煤砂岩向厚层砾岩再向大陆红层的岩性转变(尚冠雄,1997;Song et al., 2023),华北盆地整体由过渡相(三角洲、潮坪和潟湖等)向陆相(河流—湖泊)环境转化,聚煤中心向盆地南部(如两淮、平顶山等地区)迁移(尚冠雄,1997;邵龙义等,2014)。因此,对早、中二叠世之交华北盆地海退(沉积环境变化)的研究,不仅对揭示环境变化有重要意义(Zhang et al., 2022),还能为山西组煤层发育的终结以及晚二叠世—早三叠世红层的出现提供重要资料(Zhang et al., 2023)。

关于早、中二叠世之交海退事件的驱动机制,目前存在很多观点。传统观点认为,高纬度冰川生长与消融导致的海平面降低与升高,对低纬度陆地沉积环境造成了显著的影响(Montañez and Poulsen, 2013),即在晚古生代冰期,冈瓦纳大陆冰川起始、进退和消融引起的冰川性全球海平面变化,在低纬度地区很多海相、海陆交互相沉积序列中均有响应。也有学者进一步提出,海相和陆相交替出现的沉积序列是由米兰科维奇天文旋回引发的冰川进退所导致的全球海平面变化形成的(Ross and Ross,1985;仲钰天等,2023)。但是冰川运动是否能直接控制海平面变化,目前仍存在一些争议。前人依据澳大利亚东部地层的一系列地球化学和沉积学指标对早中二叠世冰川活动进行了较为完整的恢复,认为P2冰期指示广泛但不太强烈的冰川事件,P3冰期冰川发育程度更弱,可能指示高山冰川(Frank et al., 2015)。澳大利亚东部地层数据特征明显、连续性好,对冈瓦纳冰川活动有良好的响应,选用该地层数据恢复的冰川活动时间进一步指向早中二叠世。晚古生代的冰川型沉积记录显示,该时期高纬度冰川活动以多中心、多期次、不连续为特征,基本没有形成统一的冰盖,冰川总量相对较小,可能不足以造成超过50 m的海平面波动(Montañez and Poulsen, 2013)。也有学者认为,晚古生代的一些旋回和海退事件受区域构造运动影响,并非由冰川引起的全球海平面控制(Saltzman et al., 2000;仲钰天等,2023)。根据对二叠纪华北盆地物源的研究,有学者提出晚古生代华北盆地北缘沉积环境受古亚洲洋向南俯冲引起的内蒙古隆起影响强烈(张拴宏等,2007),其中早二叠世内蒙古隆升幅度较小,中晚二叠世发生了强烈隆升并伴随火山活动,使得物源供给量增加(马收先等,2014)。也有区域构造与气候(冰川活动)共同影响海平面变化的观点被提出,如有学者发现阿拉伯半岛近海地区环境受被动大陆边缘沉降与南半球冰川作用共同影响,使得早、中二叠世之交海平面呈现下降的趋势(Haq and Al-Qahtani, 2005)。因此,冰盖的增减不能被认为是古生代海平面波动的唯一原因,海平面短期变化可能还存在其他非气候因素控制(Haq and Schutter, 2008)。

针对早、中二叠世之交海退(沉积环境变化)与同时代高纬度冰期—间冰期旋回和古亚洲洋向南俯冲引起的盆地物源区隆升关系尚不清楚。本次研究以华北盆地柳江煤田山西组—下石盒子组为研究对象,根据前人建立的生物地层与年代地层格架,利用碎屑颗粒含量计算构造活动指数表征构造活动变化,使用化学风化指数恢复气候演化过程,建立和恢复山西组—下石盒子组沉积时期构造强弱与气候变化曲线。通过研究区构造、气候变化曲线与沉积环境的对比,揭示物源区构造作用和高纬度冰川活动对研究区沉积环境演化的影响。

1 地质背景

柳江煤田位于华北板块东北缘,晚石炭世—中二叠世(320—260 Ma)沉积物来自于北部的内蒙古隆起(张拴宏等, 2007)。华北盆地山西组主要为海陆过渡相沉积,煤层普遍发育,其中柳江煤田主要发育三角洲沉积(图 1-a;尚冠雄,1997);下石盒子组沉积期海域基本退出华北(图 1-b;李维波等,2015;李文厚等,2021),发育陆相沉积,研究区为河流沉积环境(尚冠雄,1997)。目标地层山西组—下石盒子组自下而上共发育2层煤(#2、#1)和3层黏土岩(#C,#B,#A)。山西组由黄褐色细砂岩、灰绿色粉砂质泥岩、绿色泥岩及碳质泥岩夹煤线组成,为三角洲与沼泽沉积,与下伏和上覆地层均呈整合接触。下石盒子组由中—粗石英砂岩、黄白色细砂岩和粉砂岩、紫色泥岩、黄绿色钙质泥岩及杂色泥岩夹铝土质泥岩组成,为河流沉积,与下伏和上覆地层呈整合接触。

依据锆石颗粒定年结果及其孢粉组合特征(图 1-c;Wang,2010;王野,2023;Wang et al., 2023;C: 290.1±3.0 Ma;B: 282.9±3.4 Ma;A: 268.6±3.3 Ma),山西组大致对应于萨克马尔晚期—空谷期,下石盒子组大致对应于罗德期—卡匹敦早期。依据赤峰及其周边地区二叠纪锆石U-Pb年龄与构造变形数据恢复的区域构造演化历史,山西组—下石盒子组沉积期经历了板块俯冲和碰撞缩短2期构造活动(图 1-c;Yang et al., 2024)。结合华北和邻区构造演化特征,对二叠纪华北盆地构造格局进行了恢复(图 1-d;Zhu et al., 2014;赵越等,2017)。新南威尔士、昆士兰及东澳大利亚等地区发现的冰碛物限定了高纬度冰川主要持续时间,其在早中二叠世共记录了3次冰期(图 1-c;P1: 295—289 Ma;P2: 288—275 Ma;P3: 270—266 Ma)和2次相对温暖的间冰期(Fielding et al., 2023)。另外,全球海平面持续上升到宾夕法尼亚末期,早二叠世早期(阿瑟尔期)略有下降,之后变得稳定;而海平面急剧下降的趋势始于二叠纪中期(罗德期),在晚二叠世早期(吴家坪期)达到古生代海平面的最低点(图 1-c;Haq and Schutter, 2008)。

2 材料及方法

从柳江煤田石门寨剖面及周边钻孔共采集山西组和下石盒子组新鲜砂岩样品56件、砾石样品40件和泥质岩样品35件,采样位置如图 2所示(红色代表砂岩与砾岩,黑色代表泥质岩)。针对砂岩和砾岩样品进行了岩石薄片制作和岩矿鉴定,选取其中23件砂岩样品进行了粒度统计分析; 针对泥质岩样品,先将其破碎至200目并缩分为2份,再在煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室进行常微量元素分析。碎屑岩样品制作参照行业标准(SY/T 5368-2003,SY/T 5368-2016)。在显微镜下对砂岩样品进行碎屑颗粒组成鉴定并统计相对含量(仪器型号LEICA DM4500P LED),根据行业标准(SY/T 5434-2018)采用薄片粒度图像分析法对其进行统计,即选取300个最大视直径大于30 μm的颗粒进行测量,通过计算得到其伍登—温特华斯粒级值,对颗粒粒径进行筛析校正并计算平均粒径。常量元素使用熔片X射线荧光光谱法(荧光光谱仪型号为PW2404)依照国家标准(GB/T 14506.14-2010和GB/T 14506.28-2010)进行测试。微量元素分析时,首先将泥岩样品用酸溶解,然后使用电感耦合等离子体质谱仪测量(型号Finmigan-MAT,相对分析误差±5%)。

本次研究利用构造活动指数(L/Q值,岩屑与石英的比值)恢复物源区的构造活动变化趋势(曹珂等,2008;Lu et al., 2020),并使用TiO₂含量作为陆源碎屑输入速率的指标(Zhao et al., 2016)。在陆源碎屑输入稳定、沉积速率较为平缓的条件下,对粒径不同的砂岩进行碎屑颗粒分级统计,从而排除水动力差异与搬运过程对其造成的影响。对不同层位相似粒径的岩石L/Q值进行对比,由于构造活动增强会导致搬运距离缩短、岩屑含量损失减少,而石英抗风化能力强,因此岩屑含量高表明构造活动强烈,岩屑含量低表明构造活动相对稳定,即L/Q值越大构造活动越强烈,L/Q值越小则构造活动越弱(Lu et al., 2020)。TiO₂主要来源于黏土矿物,风化、成岩作用期间化学性质稳定,因而被广泛用作陆源碎屑输入的指标(Tribovillard et al., 2006),一般来说,高TiO₂含量表明陆源碎屑的输入更多、沉积速率更快(Ma et al., 2022)。

此外,依据化学蚀变指数(CIA)判断物源区的风化程度,恢复源区古气候变化(McLennan, 1993)。利用Th/U<6排除再旋回作用的影响(Bhatia and Taylor, 1981),依据A-CN-K三角图判断是否受到钾交代作用的影响,并通过CIA_corr计算公式校正得到最终CIA值(黄云飞等,2017;徐小涛等,2018)。CIA值为50~65,表示弱化学风化作用,气候寒冷干燥; CIA值为65~85,指示中等化学风化作用,气候温暖湿润; CIA值为85~100,表示强烈化学风化作用,气候炎热潮湿(Nesbitt and Young, 1989)。针对所有泥岩样品进行了校正,CIA_corr值的校正公式为:

(1)$\mathit{　}\mathrm{C}\mathrm{I}{\mathrm{A}}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{r}}=\frac{\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}}{\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}+\mathrm{C}\mathrm{a}{\mathrm{O}}^{\mathrm{*}}+\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{2}\mathrm{O}+{\mathrm{K}}_{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{r}}}\times 100$

(2)$\mathrm{　}{\mathrm{K}}_{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{r}}=\mathrm{m}\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}+\frac{\mathrm{m}}{1-\mathrm{m}}\times (\mathrm{C}\mathrm{a}{\mathrm{O}}^{\mathrm{*}}+\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{2}\mathrm{O})$

(3)$\mathrm{m}=\frac{{\mathrm{K}}_{2}\mathrm{O}}{\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}+\mathrm{C}\mathrm{a}{\mathrm{O}}^{\mathrm{*}}+\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{2}\mathrm{O}+{\mathrm{K}}_{2}\mathrm{O}}$

3 结果与分析

3.1 物源区构造活动

砂岩样品骨架颗粒成分主要为石英、长石和岩屑(图 2),各成分相对含量如图 3所示。在研究区目标地层中,石英含量最高,为79.7%~98.4%,包括单晶石英、多晶石英和燧石,母岩主要来自于变质岩与火成岩(图 2-a,2-b,2-c)。岩屑含量在0.3%~19.6%之间,主要为砂岩、泥岩与千枚岩岩屑(图 2-d,2-e,2-f)。

22个砂岩样品粒径统计表明,其粒径在0.13~0.33 mm之间变化,平均0.21 mm,以跳跃方式进行搬运,属于细砂岩与中砂岩,仅有3个样品为中砂岩,分别对应罗德早期与沃德早期。岩屑含量可能受到碎屑颗粒大小的影响(Lu et al., 2020),本次研究将平均粒径与L/Q值进行对比(图 3),发现两者之间不存在明显的线性相关,说明L/Q值不受粒径大小的控制。选取6个粒径平均值为0.24 mm的样品代表粒径较大的碎屑颗粒(图 3颗粒大小—粒径列中的红色圆圈),选取7个粒径平均值为0.19 mm的样品代表粒径较小的碎屑颗粒(图 3颗粒大小—粒径列中的绿色圆圈),以表征不同水动力条件下样品L/Q值的变化趋势。结果表明,大颗粒L/Q值呈增加→平缓→增加→减弱趋势,小颗粒L/Q值呈持续增加→减弱→平缓趋势,说明两者的L/Q值在亚丁斯克期—罗德晚期呈持续增加的趋势,在罗德晚期—沃德期呈下降趋势,水动力作用在搬运碎屑物质的过程中没有对数据结果产生过强的干扰。陆源碎屑输入速率整体与L/Q值变化趋势相似,说明L/Q值可以表征物源构造活动对沉积环境变化的影响(Lu et al., 2020)。

构造活动指数L/Q值整体在0.3%~24.4%之间变化,平均9.2%;TiO₂含量整体为0.8%~6.1%,平均1.8%(图 3)。萨克马尔—亚丁斯克期,L/Q值为1.3%~11.5%,平均6.1%,大、小粒径砂岩L/Q值均呈增加趋势;TiO₂含量为1.3%~1.8%,平均1.4%,大、小粒径砂岩均呈小幅波动,具平缓→增加→下降→增加的趋势; L/Q值升高,TiO₂含量先增加后减少,仅在亚丁斯克晚期出现小幅升高,说明亚丁斯克期物源区构造活动整体有增强趋势,陆源碎屑输入速率不稳定。空谷期,L/Q值为7.0%~11.3%,平均9.6%,大、小粒径砂岩L/Q值呈小幅增加的趋势;TiO₂含量为0.8%~2.0%,平均1.1%,整体呈平缓变化; L/Q值持续小幅变大,同时TiO₂含量整体呈低值,表明相较亚丁斯克期,空谷期物源区构造活动进一步整体增强,但整体构造活动强度水平较弱且变化不大,陆源碎屑输入速率一直处于低值。罗德期,L/Q值为10.3%~14.4%,平均11.6%,大、小粒径砂岩L/Q值仍呈小幅增加趋势;TiO₂含量为2.0%~6.1%,平均3.6%,整体呈上升趋势; L/Q值逐渐增加,陆源碎屑输入速率快速上升,说明构造活动与陆源碎屑输入速率持续加强。沃德期,L/Q值为0.3%~24.4%,平均9.2%,大、小粒径砂岩L/Q值呈先缓慢增加后迅速下降趋势;TiO₂含量为1.3%~1.8%,平均1.4%,整体呈下降→平缓→上升趋势; L/Q值持续上升后突然变低,TiO₂含量先下降后增加,说明沃德期物源区构造活动由剧烈变得相对稳定。

综上,柳江煤田山西组—下石盒子组物源区构造发展过程可分为3个阶段: 晚萨克马尔—中亚丁斯克期为构造稳定阶段; 晚亚丁斯克—中沃德期为构造活动阶段; 中晚沃德期为稳定阶段。

3.2 化学蚀变指数CIA和气候变化

根据微量元素测试与计算,研究区早中二叠世泥质岩样品中仅LJ198、LJ199、LJ208、LJ211、LJ219这5个样品的Th/U值大于6,推测其可能受到再旋回作用的影响(Bhatia and Taylor, 1981),CIA值相对较大。依据A-CN-K三角图(图 4),研究地层均有部分样品存在钾交代作用,故需要对CIA数据进行校正。

根据校正后的结果并去除黏土岩样品数据后,发现研究地层CIA_corr值在76.7%~98.9%之间变化,平均85.0%(图 3)。总体上,校正后的CIA_corr值相较于原始CIA值的趋势无明显变化,呈现出2次显著的波动。第1次波动出现在亚丁斯克中—晚期,CIA_corr值从83.3%增加到89.6%,随后下降到81.7%,第2次波动出现在罗德中期,CIA_corr值从92.1%增加到98.9%,随后降低到81.2%,说明亚丁斯克中晚期和罗德中期化学风化强度出现2次明显的增强。萨克马尔—亚丁斯克期,CIA_corr值为76.7%~88.5%,平均82.5%,整体呈现先上升后下降最后再增加的变化趋势,表明气候由相对暖干转变为相对热湿后又转变回来。空谷期,CIA_corr值为80.4%~82.9%,平均81.8%,整体变化幅度较小,呈现先下降后上升的变化趋势,处于持续低值,说明气候持续处于相对暖干的状态。罗德期—中沃德期,CIA_corr值为81.2%~98.9%,平均89.4%,整体呈现先上升后下降的趋势,出现第2次CIA_corr值显著升高。中晚沃德期,CIA_corr值为79.9%~82.7%,平均81.2%,整体变化不大。中罗德期—中沃德期,构造活动比较强烈,而影响CIA_corr的因素不只是单一的气候,虽然也可以认为与冰期—间冰期旋回无直接关系或存在间接关系,但气候变化与构造活动对CIA_corr值影响的程度目前无法定量分析,因此认为该时期CIA_corr值不能直接表征气候的变化。中晚沃德期,泥岩样品Th/U值均大于6,推测其可能受沉积再旋回影响,故也无法直接准确表征气候的变化。

综上,柳江煤田山西组—下石盒子组沉积期古气候经历了相对暖干(晚萨克马尔期—早亚丁斯克期)、相对热湿(早中亚丁斯克期)、相对暖干(晚亚丁斯克期—晚空谷期)与无法表征(中罗德期—沃德期)4个阶段。

4 讨论

柳江煤田构造活动指数和TiO₂含量记录了华北盆地物源区(内蒙古隆起)先增强后减弱的构造活动历史,且构造活动增强时期和早、中二叠世之交的海退时间吻合,说明物源区增强的构造活动是沉积环境变化的驱动力之一。从亚丁斯克中期到罗德中期研究区构造活动整体加强,与Yang等(2024)所恢复的赤峰及其邻区的锆石年龄分布与构造事件(古亚洲洋俯冲过程)有较好的对应。与前人恢复的由过渡相(滨岸—远滨和三角洲)向陆相(河流相)转变相似,研究地层垂向上为进积序列,物源供给量增加,表明物源区内蒙古隆起发生了隆升(马收先等,2014)。同时,山西组的三角洲前缘—平原沉积旋回序列,指示古亚洲洋闭合期间的复杂构造阶段; 下石盒子沉积期进入陆-陆碰撞阶段,构造活动逐渐加剧,海侵范围逐渐萎缩,形成自北向南推进的河流沉积体系(马帅等,2023)。物源快速隆升、盆地沉降幅度加大导致的陆源碎屑供给充足,迫使海岸线向东南方向迁移,从而引发了早二叠世末的海退。剧烈隆升造成的愈发倾斜的地势增强了海退的趋势(尚冠雄,1997),这一变化与前人恢复的华北与全球海平面变化(图 5,覃建雄等,1998;Boulila et al.,2021)相一致。海平面急剧下降始于二叠纪中期(罗德期),最终在晚二叠世早期(吴家坪期)达到晚古生代海平面的最低点(Haq and Schutter, 2008),因此研究区山西组沉积期向下石盒子组沉积期的沉积环境变化是由物源区构造活动所驱动的。

研究区气候指标(CIA)记录了早亚丁斯克期华北盆地气候向相对热湿的转变,并且此次气候变热与间冰期有较好的对应(图 5,Frank et al., 2015;Garbelli et al., 2019;Fielding et al., 2023)。前人根据陕西镇安西口高岭石含量变化对该时期气候进行了恢复(曹婷丽等,2017),罗德期气候变得湿热与Garbelli等(2019)恢复的间冰期对应性较好,但与研究区CIA_corr值恢复的气候变化趋势出现偏差,进一步说明构造活动对环境变化产生了一定影响,即早中二叠世内蒙古隆升引发了雨影效应,导致华北气候变暖(Tao et al., 2025),且不同区域气候变化同步,但与全球气候对应性相对较差。同时,亚丁斯克晚期—空谷早期,松柏类植物丰度出现的明显波动(Montañez et al., 2007)与P2冰期对应性较好,但之后植物丰度逐渐稳定并保持高值,与P3冰期对应性较差,也说明其他地区也存在对P3冰期响应较差的现象。综上,研究区恢复的气候变化可能受区域构造运动影响,与全球气候变化存在不一致。

综合分析华北盆地整体的构造与气候背景,研究区海退前的沉积环境主要受全球气候控制与影响,而海退后的沉积环境主要受区域构造运动控制。首先,P3冰期相比P2冰期程度更弱,可能代表高山冰川(Frank et al., 2015),而当冰川局限于极地圈时,海平面变化和天文轨道周期为控制热带区域降雨的主要因素,且大气温室气体浓度上升导致全球降雨量整体增加(Schneider et al., 2014;仲钰天等,2023),这使得P3冰期对华北的整体影响比P2冰期更弱。同时,受天文轨道周期、板块漂移导致气候带迁移等多因素控制,晚古生代热带地区降雨特征可能因冰期—间冰期转变而造成水循环增强(Lu et al., 2021b; Gao et al., 2022;仲钰天等,2023)。苏维等(2007)通过识别济宁大庆源-汇系统中锆石年龄的比例呈下降趋势而卵石的平均粒径则增加的现象,推测古亚洲洋的俯冲诱发华北不断隆升,形成类似安第斯高原的山地高原,使得海退后进入物源区抬升(沉积物供给增加)与水循环增强(沉积物搬运加强)的构造活动主导时期。这与华夏植物群由发生、发展到繁盛再到衰退的过程也有较好的对应,对比早二叠聚煤作用发展时期与晚二叠红层的逐渐发育(尚冠雄,1997),也有较好的对应性,并且促进了沉积物从过渡相向陆相的转变(Song et al., 2023;Wang et al., 2024)。

综上所述,柳江煤田早二叠世末的海退(沉积环境变化)与增强的物源区构造活动、间冰期降雨加强和开始下降的全球海平面(基准面)伴生,说明该海退为强制性海退。其是盆地中增强的沉积物供应速率与下降的全球海平面共同驱动的结果,而增强的源区构造活动和间冰期水循环加强是沉积物供应速率(产生和搬运速率)增加的主控因素。

5 结论

1)柳江煤田山西组—下石盒子组沉积期物源区(内蒙古隆起)经历了稳定(晚萨克马尔—中亚丁斯克期)→活动(晚亚丁斯克—中沃德期)→稳定(中晚沃德期)3个阶段,该结果与前人利用构造变形数据与锆石年龄恢复的古亚洲洋向南俯冲历史相吻合,说明研究区构造活动指数(L/Q值)和TiO₂含量较好记录了物源区构造隆升历史。

2)柳江煤田山西组—下石盒子组沉积期古气候经历了相对暖干(晚萨克马尔期—早亚丁斯克期)、相对热湿(早中亚丁斯克期)、相对暖干(晚亚丁斯克—晚空谷期)与无法表征(罗德—沃德期)4个阶段,该结果与前人恢复的同时期高纬度地区的冰期-间冰期旋回有较好的对应,说明研究区构造活动相对稳定时期的气候指标(CIA)较好地记录了盆地气候变化特征。

3)柳江煤田早二叠世末的海退为强制性海退,受盆地中增强的沉积物供应速率与下降的全球海平面双重控制,而物源区构造活动增强和间冰期水循环加强是沉积物供应速率(产生和搬运速率)增加的主控因素。

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基金资助

*国家重点研发计划(2022YFF0800200)

国家自然科学基金项目(42172196)

国家自然科学基金项目(42472227)

国家自然科学基金项目(42402179)

柳江盆地地质遗迹保护项目(Z1303002403442001)