Carbon and oxygen isotopes across Devonian and Carboniferous boundary in the Funing area of Yunnan Province and the response to sea-level changes
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摘要:
右江盆地沉积连续的泥盆纪—石炭纪岩石地层，是中国泥盆纪与石炭纪之交Hangenberg生物大灭绝事件的重点研究区域。选取右江盆地西缘云南富宁地区晚泥盆世—早石炭世地层，在岩石地层学研究的基础上对碳酸盐岩进行系统的碳、氧同位素组成研究。富宁地区晚泥盆世—早石炭世地层存在不同幅度的δ13C、δ18O负向偏移，尤其在泥盆系—石炭系界线附近负偏移明显，δ13C、δ18O值偏移层位与层序地层学转换及古生物灭绝事件发生层位一致，反映了晚泥盆世法门期海平面下降和早石炭世的海侵事件。研究区泥盆系—石炭系界线附近δ13C值负偏趋势与右江盆地内δ13C值演化偏移相似，华南其他典型剖面δ13C值亦呈现不同幅度的负向偏移，泥盆纪与石炭纪之交的碳同位素演化序列与欧洲、北美地区δ13C值负向偏移反映的海平面下降事件一致，具全球性对比意义。
Abstract:Youjiang Basin in which continuous strata from Devonian to Carboniferous were deposited is the key area for the study of Hangenberg biological extinction event between Devonian and Carboniferous in China. The Upper Devonian to Lower Carboniferous strata of Funing area in the western margin of the Youjiang Basin were selected to systematically study carbon and oxygen isotopic compositions of carbonate rocks based on the litho-stratigraphic research. Negative shifts of δ13C and δ18O with different amplitudes exist in the Upper Devonian to Lower Carboniferous in the Funing area, especially near the Devonian-Carboniferous boundary. The layers in which δ13C and δ18O shifts are consistent with the sequence of stratigraphic transformation and paleontological extinction events, which reflected the decline of sea level during the Famennnian stage of the Late Devonian and the transgression events in the Early Carboniferous. The negative δ13C shift near the Devonian-Carboniferous boundary in the study area is similar to the evolutionary shift of δ13C values in Youjiang Basin. The δ13C values in other typical sections in South China all show negative shifts of different magnitudes. The evolutionary sequence of carbon isotopes near the Devonian-Carboniferous boundary is consistent with the sea-level decline events reflected by the offset of δ13C values in Europe and North America, which shows global correlation significance.
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古代海相碳酸盐岩碳、氧稳定同位素组成能近似地反映同时期古海洋同位素的组成，从而反映当时的古气候和古环境[1-2]。碳同位素不仅可以在缺少古生物地层时作为地层划分对比的可靠手段，更是研究古海洋、古气候变化的一种常规方法[3]。泥盆纪与石炭纪之交的Hangenberg生物大灭绝事件，是古环境、古生物过渡期的标志，大量研究表明其影响因素是多方面共同作用的结果，该危机从晚泥盆世黑色页岩一直延续到早石炭世。泥盆纪—石炭纪的转变也伴随着全球碳循环的明显扰动，碳同位素的偏移通常认为是有机碳的埋藏增强和大气二氧化碳的降低[4]。然而，受沉积环境、岩相变化的影响，不同地区的碳同位素偏移量和可对比性尚不清楚。
云南富宁地区地处右江盆地南西缘，前人已对盆地特征做过比较详细的研究，但主要集中于古生物学、传统地层学和古地理的研究[5-15]。化学地层学，特别是碳、氧同位素的研究较少，且主要集中在广西、贵州境内[4, 16-19]，云南富宁地区暂无相关报道。本文选取富宁地区的典型剖面，对泥盆系—石炭系界线地层碳酸盐岩样品进行系统采样，在野外详细的地层剖面测制、镜下薄片和牙形石采集、鉴定分析的基础上，完成了碳、氧同位素测定，分析泥盆系—石炭系界线附近碳、氧同位素的偏移和演化特征，探讨晚泥盆世—早石炭世碳、氧同位素演化特征及其所反映的古环境演化特征。
1. 地质背景
右江盆地位于滇东、黔南与桂西交接部位，大地构造上位于特提斯构造带东端，地处古特提斯构造域与环太平洋构造域复合部位(图 1-a)[20]，是在南华加里东造山带夷平的基础上发育起来的再生盆地[21-22]。早泥盆世晚期—石炭纪，伴随着古特提斯洋的开启和扩张，扬子板块南缘发生裂解作用并形成了初始的右江盆地，盆地内地层以连续完整出露的上古生界和中生界为主，多样化沉积建造明显。泥盆纪、石炭纪地层分布广泛，沉积类型多样，有浅水台地相、台地前缘斜坡相和深水盆地相，具有沉积类型齐全、化石丰富、地层出露良好等特点，是研究泥盆系—石炭系界线的理想地区，国际泥盆系—石炭系界线辅助层型剖面——广西桂林南边村剖面即位于盆地内。
富宁地区位于云南东南与广西西南部交界部位(图 1-b)[6]，广泛出露泥盆系—二叠系。晚泥盆世—石炭纪发育碳酸盐岩台地相、台地边缘相、台地边缘斜坡相、盆地相(台沟相)等多种沉积环境，并存在深水盆地沉积体系、台地前缘斜坡沉积体系和碳酸盐岩台地边缘沉积体系自下而上依次叠覆的现象。晚泥盆世区内深水盆地相榴江组主要沉积深灰色薄层硅质岩、硅质泥岩，产丰富的竹节石及少量的三叶虫，台地前缘斜坡相五指山组底部为灰、浅肉红色泥质条带微泥晶灰岩，向上泥质含量减少，主要为瘤状灰岩、条带状微泥晶灰岩、灰质白云岩等，台地边缘滩相革当组主要岩性为灰、浅灰色鲕粒灰岩、含鲕粒微泥晶灰岩。该时期碳酸盐岩碳、氧稳定同位素演化特征研究可为海平面升降变化研究提供证据。
2. 剖面岩石、古生物学特征
本文基于1：5万区域地质调查的最新研究成果①，以富宁地区蒋家湾剖面和小弄剖面晚泥盆世—早石炭世的碳酸盐岩作为研究对象，通过野外详细的地层剖面测制和系统采样，开展碳、氧同位素的研究。小弄剖面(起点：北纬23°40′8.04″、东经105°27′27.40″)，位于云南省广南县八宝镇小弄以西约200 m，临近广南县与富宁县交界，距323国道约6 km。剖面基本沿着乡村公路测制，露头良好、层序清楚、化石丰富。该剖面下部上泥盆统出露不全，笔者根据岩性组合及牙形石分布特征，将该剖面南东侧的蒋家湾剖面(起点：北纬23°39′56.04″、东经105°28′19.94″)作为补充，对上泥盆统进行了系统的样品采集和分析测试。两剖面相隔约1.2 km，其岩性组合在横向上变化不明显，垂向上各地层间接触关系清晰，蒋家湾剖面侧重晚泥盆世地层研究，而小弄剖面重点对其早石炭世地层进行研究，本文通过横向对比将2条剖面合二为一进行探讨，以下简称蒋家湾(小弄)剖面。
晚泥盆世—早石炭世地层自下而上依次为上泥盆统五指山组(D3w)、革当组(D3g)及石炭系黄龙组(C1-2h)。晚泥盆世台地前缘斜坡相的五指山组底部与下伏深海盆地(台沟)相榴江组灰色、深灰色薄层硅质岩、硅质泥岩整合接触，五指山组上覆革当组为台地边缘滩环境沉积。剖面中榴江组、五指山组与革当组自下而上依次叠覆产出，表现出晚泥盆世明显的海退过程。上泥盆统革当组与石炭系黄龙组直接接触，表现出明显的岩性突变，有利于地层横向对比。
五指山组总体岩性组合为灰色-浅肉红色纹层状、扁豆状、瘤状泥微晶灰岩(图版Ⅰ-a、b)、泥质条带灰岩、薄层泥晶灰岩夹灰质白云岩、条带状含白云石微-泥晶灰岩，上部偶见少量的条带状鲕粒灰岩。革当组为灰色鲕粒灰岩(图版Ⅰ-c)、泥微晶灰岩、含生物碎屑鲕粒灰岩、微-亮晶灰岩，缝合线构造发育。黄龙组为灰色-浅灰色厚层-块状生物碎屑灰岩(图版Ⅰ-d、e)、含砂屑生物碎屑灰岩、微晶生物碎屑灰岩，夹灰色薄层硅质海百合屑灰岩及燧石条带、透镜体，富含海百合茎、腕足化石，含少量的珊瑚、双壳、苔藓虫等。剖面泥盆系—石炭系界线位于小弄剖面第5层与6层之间，对应蒋家湾剖面第22层与23层之间，接触界面处均见厚度不等的灰色薄层硅质岩、钙质硅质岩及少量的硅质泥岩，其中，小弄剖面泥盆系—石炭系界线附近见厚约35 cm的深灰色薄层硅质岩夹硅质泥岩(图版Ⅰ-f)，其层位与黄茆剖面泥盆系—石炭系界线处发育的长顺页岩相当[19]。研究区发现的深灰色薄层硅质岩、硅质泥岩可能揭示了Hangenberg事件，是中国、欧洲和北美的许多地区沉积的灰色或黑色页岩[23]同时异相的沉积物。
剖面测制过程中采获丰富的牙形刺(待刊数据)，五指山组及革当组下部采获大量的泥盆纪法门早中期繁盛的Palmatolepis类[24]：Palmatolepis subperlobata Branson et Mehl，Palmatolepis delicatula clarki Ziegler，Palmatolepis sihongshanensis Wang，Palmatolepis aff.subrecta Miller et Youngquist，Palmatolepis marginifera marginifera Helms等，其中包含Palmatolepis marginifera带化石Palmatolepis marginifera marginifera Helms，革当组顶部采获始现于法门晚期泥盆系—石炭界线附近的Pseudopolygnathus和Bispathodus类[24]：Pseudopolygnathus marburgensis trigonicus Ziegler，Bispathodus aculeatus aculeatus Branson et Mehl，并在剖面最上部采获法门期最上部的Siphonodella praesulcata带化石Siphonodella cf.praesulcata Sandberg；在泥盆系—石炭系界线之上黄龙组底部采获石炭纪杜内期Gnathodus typicus带化石Gnathodus typicus Mophotype.1，Gnathodus punctatu stypicus Mophotype.2；中部采获维宪期Gnathodus bilineatus bilineatus带化石Gnathodus bilineatus bilineatus(Roudy)及Lochriea comutata带化石Lochriea comutata Branson et Mehl等。剖面中采获的牙形刺分子为研究提供了良好的年代和生物地层学基础，对开展碳、氧同位素研究及泥盆系—石炭系界线地层碳、氧同位素地层演化具有重要意义。
3. 样品采集、处理和测试
本次测试样品采集于蒋家湾(小弄)剖面。样品控制地层包括上泥盆统五指山组、革当组及石炭系黄龙组。样品主要通过野外剖面测制分层，不等距采集，在泥盆系—石炭系界线附近采样密度加大。采样时，考虑到干扰因素对测试结果的影响，只采取无后期蚀变、无方解石脉充填、无破碎现象的新鲜岩石。共采集31件测试样品。
所有测试样品均由中国地质调查局武汉地质调查中心同位素地球化学研究室完成。碳酸盐矿物和岩石的碳和氧同位素组成采用GasBenchⅡ和质谱MAT253联机分析完成：将装有适量样品的12 ml样品瓶置于GasBenchⅡ恒温槽中，氦气吹扫完空气后加入6滴100%磷酸，72℃恒温反应至少4 h后，将反应生成的CO2通过载气经70℃的色谱柱分离后进入MAT253测定碳和氧同位素组成。分析全过程采用国家和国际标样及重复样(数量为样品总数的30%)进行质量监控。①与样品同时测定的国家标准GBW04416的结果为δ13CVPDB=1.61±0.05‰，δ18OVPDB=-11.59±0.06‰，与其证书值(δ13CVPDB=1.61±0.03‰，δ18OVPDB=-11.59±0.11‰)完全一致；②国家标准GBW04406的结果为δ13CVPDB=-10.88±0.04‰，δ18OVPDB=-12.47±0.03‰，与其证书值(δ13CVPDB=-10.85±0.05‰，δ18OVPDB=-12.40±0.15‰)在误差范围内完全一致；③国际标准NBS19的结果为δ13CVPDB=1.96±0.05‰，δ18OVPDB=-2.15±0.06‰，与其证书值δ13CVPDB=1.95‰，δ18OVPDB=-2.2‰在误差范围内完全一致；④重复样测定结果在误差范围内完全一致。标样和重复样监控结果表明，样品的测定结果可信可靠。本文将样品的测试数据(PDB标准)按采样剖面及层位列于表 1。
表 1. 蒋家湾(小弄)剖面碳、氧同位素测试结果Table 1. δ13CVPDB and δ18OVPDB values of Jiangjiawan(Xiaonong)section统 组 样品编号 岩性 δ13CVPDB/‰ δ18OVPDB/‰ 古盐度Z 下石炭统 黄龙组 h-16 生物碎屑灰岩 4.96 -1.32 136.80 h-15 生物碎屑灰岩 5.00 -2.29 136.40 h-14 生物碎屑灰岩 4.73 -1.35 136.31 h-13 生物碎屑灰岩 4.76 -0.93 136.59 h-12 生物碎屑灰岩 4.85 0.82 137.64 h-11 生物碎屑灰岩 4.59 -1.61 135.90 h-10 生物碎屑灰岩 3.78 -1.27 134.41 h-9 生物碎屑灰岩 3.18 -1.11 133.26 h-8 生物碎屑灰岩 4.05 0.98 136.08 h-7 生物碎屑灰岩 4.00 0.37 135.68 h-6 生物碎屑灰岩 4.25 -0.03 135.99 h-5 生物碎屑灰岩 3.07 0.45 133.81 h-4 生物碎屑灰岩 3.80 0.02 135.09 h-3 生物碎屑灰岩 3.82 0.09 135.17 h-2 含生物碎屑微晶灰岩 1.14 -4.19 127.55 h-1 含生物碎屑微晶灰岩 0.68 -3.82 126.79 上泥盆统 革当组 g-8 微晶灰岩 1.70 -2.08 129.75 g-7 微泥晶灰岩 1.65 -3.04 129.17 g-6 含生物碎屑灰岩 1.75 -3.74 129.02 g-5 鲕粒灰岩 1.94 -3.24 129.66 g-4 生物碎屑灰岩 2.87 -3.19 131.59 g-3 鲕粒灰岩 3.05 -3.21 131.95 g-2 鲕粒灰岩 2.99 -2.94 131.96 g-1 鲕粒灰岩 2.73 -2.67 131.56 五指山组 w-7 微晶灰岩 3.30 -2.58 132.77 w-6 微晶灰岩 2.95 -2.92 131.89 w-5 微晶灰岩 2.19 -2.80 130.39 w-4 鲕粒灰岩 2.61 -3.16 131.07 w-3 微晶灰岩 1.58 -3.28 128.90 w-2 微晶灰岩 2.14 -2.68 130.35 w-1 泥微晶灰岩 3.05 -2.46 132.32 注：Z值据Keith等[25]公式：Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50) | Show Table
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4. 测试结果与分析
碳、氧稳定同位素测试结果(表 1)表明，δ13C值分布于+0.68‰~+5.00‰之间，平均值+3.13‰。上泥盆统法门阶五指山组下部δ13C由+3.05‰逐渐减少至+1.58‰，表现出明显的负向偏移，随后恢复至+2.61‰，经过一次较弱的负向偏移后，δ13C呈现出明显的正向偏移，达到峰值+3.30‰。革当组下部δ13C值较稳定，处于+2.73‰~+3.05‰之间，平均值为+2.91‰，微波状动荡起伏，中部发生一次较明显的负向偏移，δ13C值由+2.87‰降至+1.94‰，随后发生缓慢下降，泥盆系—石炭系界线之下δ13C值为+1.70‰。界线之上石炭系黄龙组δ13C值介于+0.68‰~+5.00‰之间，平均值为+3.79‰，峰值达+5.00‰。石炭系底部δ13C值最低，仅有+0.68‰，随后逐步回升，由+1.14‰上升至3.82‰，随后总体维持一较高的正值，局部发生微震荡，总体表现出明显的δ13C值正异常。泥盆系—石炭系界面处，δ13C发生明显负偏移，由界面下+1.70‰骤降至界面上+0.68‰，变化幅度达-1.02‰。
δ18O值分布于-4.19‰~+0.98‰之间，平均值为-1.91‰。五指山组δ18O值介于-3.28‰~-2.46‰之间，平均值为-2.84‰，下部出现一次明显的负偏，其步调与δ13C负向偏移基本一致，随后逐步恢复，并出现动荡起伏。与δ13C值不同的是，其峰值出现位置明显不同，表现出不协调性，五指山组顶部δ18O值恢复至-2.58‰。革当组下部再次出现缓慢的负向偏移，降至峰值-3.74‰，随后出现明显的回升，在革当组顶部达到-2.08‰。石炭系黄龙组，δ18O值为-4.19‰~+0.98‰，平均值为-0.95‰。石炭系黄龙组底部表现出明显的高δ18O负异常，为-4.19‰~-3.82‰，但其峰值出现的位置明显晚于δ13C峰值位置。随后出现明显的回升，达到+0.09‰，然后处于相对稳定的状态，仅发生微波状起伏。泥盆系—石炭系界线附近，δ18O值由-2.08‰骤降至-3.82‰，变化幅度达-1.74‰。
海相碳酸盐岩沉积物的碳、氧稳定同位素特征可能由于与成岩流体的相互作用而发生改变。成岩作用过程中，从氧化有机质中获得的富含12C的碳被添加到沉积孔隙水中，使已沉积碳酸盐岩析水，导致δ13C值明显降低，通常表现为暴露面附近的高振幅波动[4]。研究区晚泥盆世地层间叠置关系及岩性组合特征显示，区内晚泥盆世表现出较明显的海平面下降，因此碳酸盐岩容易受到淡水成岩作用的影响，对原始的稳定同位素信息造成影响[26]。而有研究者[27]认为，即使存在明显的淡水成岩作用，海相碳酸盐岩δ13C值仍可能在大范围的成岩蚀变中保存下来，因为沉积物中碳储存量远超过成岩流体中溶解的无机碳。碳、氧同位素的相关性模式可用于识别碳酸盐岩沉积物成岩作用的影响，δ13C与δ18O的正相关性常被认为受到淡水作用的影响，尽管这种关系可能是环境因素造成的[4]。
相比δ13C，原生海相碳酸盐岩的δ18O特征更敏感，可以被很小体积的大气降水掩盖[4]。显生宙海相碳酸盐岩δ18O值在0±5‰范围内波动较大，有学者建议δ18O < -5‰可以作为成岩蚀变的指示物，而那些δ18O < -10‰的样品不能用于碳同位素化学地层学的研究[28]。
表 1为蒋家湾(小弄)剖面泥盆系—石炭系界线附近碳、氧同位素测试结果。δ13C值变化范围在+0.68‰~+5.00‰之间，平均值为+3.13‰。本次采集的31个样品的δ13C值与地史中海相碳酸盐岩δ13C值(PDB标准)符合，δ18O值为-4.19‰~+0.98‰，平均值为-1.91‰。碳、氧同位素值均处于相对小的值域内，受到大气水和热水流体的影响较弱，本次样品基本保存了原始的碳、氧同位素组成。同时，从散点图(图 2)看出，蒋家湾(小弄)剖面碳、氧同位素分布较离散，整条剖面中相关系数为0.4974，两者之间正相关性分布并不显著，认为淡水成岩作用对碳同位素改造并不明显，其偏移能够反映海水溶解无机碳库原始碳同位素组成的变化。研究区采集样品未发现明显的重结晶作用，其埋藏成岩作用并不显著。综合以上可以推断，蒋家湾(小弄)剖面中的碳、氧同位素组成受到成岩作用的影响很小，基本上保持了原始形成时的状态，所分析的样品能基本上反映当时的成岩环境。
5. 碳同位素地层学意义
5.1 碳同位素组成特征与海平面变化
碳酸盐岩中无机碳同位素受多种因素影响，如生物生产率、有机碳埋藏量、氧化还原条件、生物发育程度等。在影响碳同位素分馏的各种因素中，有机碳埋藏量和生物生产率是最重要的[29-30]。海洋有机碳的埋藏速率明显受控于海平面的变化，海平面上升期，有机碳的埋藏速率增加，因古陆氧化面积减小，剥蚀带入海洋的有机碳也随之减少，导致沉积的无机碳酸盐的δ13C值相应增加。
富宁地区，晚泥盆世弗拉期末沿台间盆地或深海盆地内广泛分布包括深灰色薄层硅质岩、硅质泥岩在内的盆地相沉积，从法门期开始沉积物由盆地沉积区深灰色薄层硅质岩、硅质泥岩逐步向碳酸盐岩沉积区过渡。法门期，区内五指山组由底至顶岩性组合表现为灰色-浅肉红色纹层状、瘤状泥微晶灰岩、泥质条带灰岩→灰色薄层泥晶灰岩、瘤状灰岩夹灰质白云岩、条带状含白云石微-泥晶灰岩→灰色纹层状微泥晶灰岩夹少量的条带状鲕粒灰岩，总体表现为台地前缘斜坡-台地边缘相沉积，由底到顶形成一进积型沉积序列。五指山组上覆革当组总体岩性为灰色鲕粒灰岩、灰色微泥晶灰岩夹少量的含生物碎屑灰岩，顶部偶见具暴露标志的栉壳状灰岩。研究区晚泥盆世沉积演化表现为：台间盆地相榴江组深灰色薄层硅质岩、硅质泥岩→台地前缘斜坡相五指山组瘤状灰岩、灰色泥微晶灰岩→台地边缘滩相革当组灰色鲕粒灰岩垂向上依次叠覆的特征，呈现出海平面逐渐下降的过程。研究区晚泥盆世—早石炭世深海盆地硅质岩地球化学数据研究结果显示[6]，研究区晚泥盆世处于水体相对较浅的大陆边缘环境，早石炭世随着右江盆地的进一步拉张、裂陷，发生明显的海侵，已呈现出向远洋盆地发展的趋势。
本次研究发现，上泥盆统五指山组δ13C值介于+1.58‰~+3.30‰之间，除样品w-3处于较低值外，其余样品δ13C值均大于+2.14‰，平均值为+2.55‰，呈现出动荡起伏的特征；革当组δ13C值介于+1.65‰~+3.05‰之间，平均值为+2.34‰，总体表现为向上负偏的趋势；石炭系底部δ13C值最低，仅为+0.68‰，随后逐步回升，由+1.14‰上升至+3.82‰，随后总体维持一较高的正值，局部发生微震荡，表现出明显的δ13C值正异常。研究区晚泥盆世—早石炭世碳同位素演化曲线与海平面变化趋势对应，表现了晚泥盆世海平面动荡下降，早石炭世海平面上升的过程。
碳、氧同位素值与古海洋盐度有较大关联，且二者一般存在正相关关系，即碳、氧同位素值越大，与之对应的沉积环境的海水盐度值就越大，碳酸盐岩沉积环境中盐度变化时，岩石中碳同位素值也随之发生变化[31]。现代研究中多采用Z值大小来定性判断沉积环境水体盐度，一般采用Z值等于120区分淡水相和海相碳酸盐岩。当Z值小于120时，形成于淡水沉积环境，当Z值大于120时，则表示其形成于海相沉积环境[32-33]，Z值的绝对大小可表示沉积水体盐度相对高低。本次研究获得的31件样品的Z值分布范围在126.79~137.64之间(表 1)，样品值均大于120，说明研究区晚泥盆世—早石炭世均处于海相沉积环境，受大气淡水和陆源河流的影响不明显。上泥盆统五指山组及革当组下部Z值相对稳定，仅出现微波状起伏，靠近泥盆系—石炭系界线附近Z值逐渐减少，并在石炭系底部达到最低值。晚泥盆世法门晚期海水逐渐变浅，海水稍有淡化，至早石炭世早期海水盐度达到最低，随后回升至较稳定的水平内。
研究区晚泥盆世法门期—早石炭世杜内期古盐度的变化与柳江运动[34]的构造效应具有高度的一致性。晚泥盆世法门期末海平面下降，深海区进一步缩小，台地内部分区域暴露水面，结束沉积，形成了泥盆系—石炭系沉积间断面，早期的台地边缘向深海盆地方向扩展，发展成为开阔台地。研究区上泥盆统顶部局部形成岩溶角砾岩、古喀斯特或栉壳状灰岩，与天峨孤立台地内部下石炭统底部广泛存在的紫红色、深灰色钙泥质古风化壳[35]对应，表现出不同程度的沉积暴露或沉积间断。
5.2 碳同位素区域性与全球性对比意义
由于古地理和生物相的差异，全球性的生物带对比往往受到限制，而碳同位素的广泛应用为化学地层和古环境解释提供了可能[4]。海相碳酸盐岩的氧同位素容易与孔隙流体发生交换且对温度敏感，在成岩环境中容易发生变化。氧同位素在成岩过程中不仅受到成岩蚀变的影响，而且容易受到沉积环境的影响，因此氧同位素不宜进行全球性对比。本文以贵州其林寨剖面和比利时根德罗塞洛斯剖面为例，进行泥盆系—石炭系界线地层碳同位素演化特征对比(图 3)，探讨研究剖面碳同位素的区域性和全球性的对比意义。
图 3. 富宁地区、其林寨、比利时泥盆系—石炭系界线碳、氧同位素地层对比Figure 3. Correlation of the Carbon and Oxygen isotope of strata across Devonian and Carboniferous Boundary from Funing with Qilinzhai and Belgium研究区泥盆系—石炭系界线附近碳同位素演化曲线显示，革当组下部δ13C值总体处于较高的正值，靠近牙形石Siphonodella praesulcata带附近发生明显的负向偏移，在泥盆系—石炭系界线之下达到+1.70‰。而在界线之上最底部δ13C值达到极低峰值+0.68‰，随后δ13C值逐步回升，由+1.14‰增长至+3.82‰，处于较高的正值。在黔桂台地贵州其林寨剖面中[4, 36]，汤粑沟组牙形石上S.praesulcata带展现了δ13C值由高值(+4.0~+4.5‰)逐步下降的趋势，在泥盆系—石炭系界线处δ13C值降低至+2.6‰，随后回升到+2.9‰，泥盆系—石炭系界线处δ13C值亦出现了明显的负向偏移。比利时根德罗塞洛斯剖面中[37]，在泥盆系—石炭系界线处δ13C值发生较明显的负向偏移，从+3.7‰减少至+2.2‰，然后在界线之上哈斯蒂尔组下部增长至+3.1‰，该剖面中碳同位素的负向偏移是由于哈斯蒂尔组下部的沉积缺失所致[4, 36-37]，为泥盆纪与石炭纪之交海平面下降的直接证据。
右江盆地贵州长顺县格董关剖面、广西桂林南边村剖面、南宁台地广西隆安剖面、湘桂台地湖南新邵县马兰边剖面、广西武宣县黄茆剖面等华南地区典型剖面中也报道了泥盆系—石炭系界线附近的碳同位素偏移。
格董关剖面[4]中，五指山组上部的灰岩记录了牙形石S.praesulcata带δ13C值由+2.5‰降低至0‰，在S.duplicata带顶部恢复至+1.2‰。在隆安剖面[4]中，S.praesulcata带最上部δ13C值突然降至-0.3‰，在泥盆系—石炭系界线之上，S.sulcata带底部，δ13C值开始上升，在S.homosimplex带首现附近达到峰值+2.3‰；马兰边剖面[4]中，上泥盆统马兰边组下部δ13C值总体处于较高正值，剖面上部δ13C值表现出明显的负向偏移，在泥盆系—石炭系界线之下达到-0.2‰，在早杜内期δ13C值展示了短暂的正向偏移；较之其他剖面，黄茆剖面[16]中δ13C值偏移幅度更加明显，在页岩内部δ13C值从2.0‰降到-15.0‰左右，偏移幅度达17‰，随后逐步回升。南边村剖面中[19]，δ13C值在泥盆系—石炭系界线附近变化较小，但从变化趋势来看却是相似的，δ13C值在界线之下总体较高，界线下部出现了一次较明显的负向偏移；在欧洲[23]、北美[38]等地各种不同海洋沉积环境中，该界面附近也报道了明显的δ13C值负向偏移或沉积间断，反映了泥盆纪与石炭纪之交的海平面下降事件。
本次研究获得的碳同位素组成时空分布特征与华南地区泥盆系—石炭系界线附近的碳同位素组成均呈现出不同程度的负向偏移。虽然各个剖面δ13C值开始发生负向偏移的位置、偏移幅度存在差异，在界线附近达到极低峰值，早石炭世杜内早期δ13C值回升，发生正偏，逐渐回升到较高的正值。不同的剖面中δ13C值偏移幅度表现出差异，浅水环境的偏移幅度总体大于深水环境，呈现出泥盆纪与石炭纪之交碳循环对海洋表层水域的影响要比对深海的影响更大[4]。研究区晚泥盆世—早石炭世δ13C值偏移特征可与欧洲、北美[23, 38]等地建立的海相碳酸盐岩的δ13C值标准曲线反映的负向偏移对比，证实了该时期全球性的海平面下降事件。
6. 结论
云南富宁地区晚泥盆世—早石炭世地层存在明显的岩性突变，法门阶生物种类、丰富度均较下伏地层明显偏少，并出现与黑色页岩层位相当的深灰色薄层硅质岩、硅质泥岩，泥盆系—石炭系界线附近碳、氧同位素记录波动明显，δ13C、δ18O值发生不同程度的负向偏移，泥盆纪与石炭纪之交的δ13C、δ18O值偏移层位与层序地层学转换及古生物灭绝事件发生层位一致，为Hangenberg事件在研究区的表现。
泥盆系—石炭系界线附近，研究区碳同位素组成、演化特征与右江盆地其他剖面中碳同位素相似，均存在明显的负向偏移，该位置δ13C值的负向偏移在华南其他地区、欧洲、北美等地也得到了证实。尽管不同的剖面中δ13C值开始偏移的位置和偏移幅度表现出一定的差异，但无一例外均为该时期全球性的海平面下降的响应。
致谢
野外工作由项目组人员共同完成，感谢云南省地质调查院王伟高级工程师对牙形石鉴定的指导，感谢刘桂春高级工程师在行文过程中给予的指导和帮助，感谢审稿专家为本文提出的建议和意见。
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表 1 蒋家湾(小弄)剖面碳、氧同位素测试结果
Table 1. δ13CVPDB and δ18OVPDB values of Jiangjiawan(Xiaonong)section
统 组 样品编号 岩性 δ13CVPDB/‰ δ18OVPDB/‰ 古盐度Z 下石炭统 黄龙组 h-16 生物碎屑灰岩 4.96 -1.32 136.80 h-15 生物碎屑灰岩 5.00 -2.29 136.40 h-14 生物碎屑灰岩 4.73 -1.35 136.31 h-13 生物碎屑灰岩 4.76 -0.93 136.59 h-12 生物碎屑灰岩 4.85 0.82 137.64 h-11 生物碎屑灰岩 4.59 -1.61 135.90 h-10 生物碎屑灰岩 3.78 -1.27 134.41 h-9 生物碎屑灰岩 3.18 -1.11 133.26 h-8 生物碎屑灰岩 4.05 0.98 136.08 h-7 生物碎屑灰岩 4.00 0.37 135.68 h-6 生物碎屑灰岩 4.25 -0.03 135.99 h-5 生物碎屑灰岩 3.07 0.45 133.81 h-4 生物碎屑灰岩 3.80 0.02 135.09 h-3 生物碎屑灰岩 3.82 0.09 135.17 h-2 含生物碎屑微晶灰岩 1.14 -4.19 127.55 h-1 含生物碎屑微晶灰岩 0.68 -3.82 126.79 上泥盆统 革当组 g-8 微晶灰岩 1.70 -2.08 129.75 g-7 微泥晶灰岩 1.65 -3.04 129.17 g-6 含生物碎屑灰岩 1.75 -3.74 129.02 g-5 鲕粒灰岩 1.94 -3.24 129.66 g-4 生物碎屑灰岩 2.87 -3.19 131.59 g-3 鲕粒灰岩 3.05 -3.21 131.95 g-2 鲕粒灰岩 2.99 -2.94 131.96 g-1 鲕粒灰岩 2.73 -2.67 131.56 五指山组 w-7 微晶灰岩 3.30 -2.58 132.77 w-6 微晶灰岩 2.95 -2.92 131.89 w-5 微晶灰岩 2.19 -2.80 130.39 w-4 鲕粒灰岩 2.61 -3.16 131.07 w-3 微晶灰岩 1.58 -3.28 128.90 w-2 微晶灰岩 2.14 -2.68 130.35 w-1 泥微晶灰岩 3.05 -2.46 132.32 注：Z值据Keith等[25]公式：Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)
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① 云南省地质调查院. 云南1: 5万睦伦街、富宁县、木卓、郎恒幅区域地质矿产调查报告. 2017.
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图(4)
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