综述：蒸发岩的硫同位素（δ34S）地层学：在英国三叠纪的应用

本文聚焦英国三叠纪蒸发岩，通过分析硫同位素（δ34Sevap）剖面，为地层年代学提供新依据，解决了沉积环境争议。研究发现不同盆地蒸发岩受海洋影响程度各异，为理解盆地沉积动力学提供了关键信息，对古环境研究意义重大。

　　

1. 引言

欧洲二叠纪 - 三叠纪的沉积环境呈现季节性、半干旱至干旱的大陆特征，且有间歇性海洋影响，这使得蒸发岩广泛沉积。三叠纪期间，全球硫循环存在多次重大扰动，可通过蒸发岩硫酸盐的硫同位素组成（δ³⁴S_evap）变化记录下来。英国三叠纪蒸发岩丰富，但缺乏生物地层学约束，利用 δ³⁴S_evap地层学有助于解决这一问题，并明确 Mercia 泥岩组（MMG）沉积时的海洋影响程度，从而化解长期以来关于英国三叠纪蒸发岩海洋或大陆起源的争议。

2. 背景

2.1 硫同位素地层学

硫酸根（SO₄^2-）是现代海水中第二丰富的阴离子，其硫同位素组成（δ³⁴S）在地质历史时期有所波动，主要受进出海洋硫通量的同位素组成和相对大小控制。在显生宙的大部分时间里，海水硫酸盐的硫同位素被认为具有均一性，因此同期海洋沉积硫酸盐的 δ³⁴S 组成相似，可用于地层对比。硫同位素地层学已广泛应用于海洋蒸发岩、重晶石和碳酸盐相关硫酸盐的地层对比，但不同类型的硫酸盐在应用中存在各自的问题。蒸发岩的 δ³⁴S_evap记录存在时间覆盖不连续的问题，不过欧洲三叠纪蒸发岩能较好地保存原始 δ³⁴S 海水信号，有助于构建高分辨率的 δ³⁴S_evap年龄曲线，用于欧洲二叠纪 - 三叠纪的高分辨率对比。

3. 地质背景

在晚石炭世的华力西造山运动后，盘古大陆形成。随后，盘古大陆开始裂解，在二叠纪和三叠纪期间，挪威 - 格陵兰裂谷向南北方向扩展，形成了一系列裂谷盆地，为沉积物堆积和海水间歇性侵入提供了空间。英国在三叠纪时位于盘古大陆中部，气候温暖干旱至半干旱，沉积环境多样。沉积过程从晚二叠世 - 早三叠世的 Sherwood 砂岩组（SSG）的河流 / 风成相，逐渐过渡到中 - 晚三叠世的 Mercia 泥岩组（MMG）的蒸发盐滩泥岩相。MMG 中的蒸发岩主要为层状岩盐、结核状石膏和硬石膏，在不同盆地的分布和特征有所差异。

3.1 生物地层学

英国三叠纪 MMG 普遍缺乏年代诊断化石，生物地层学校准不足。在不同盆地中，SSG 和 MMG 的生物地层学特征存在差异，且相关年龄界定存在争议。例如，SSG - MMG 边界的年龄在不同地区有所不同，部分地区的生物地层学数据表明该边界可能是穿时的。此外，不同盆地的 MMG 中，生物地层学约束也存在局限性，部分地区主要依靠孢粉组合等进行年龄推断，但这些数据的分辨率和准确性有限。

4. 研究方法

4.1 采样

本研究对英国多个盆地的钻井岩芯和钻屑进行了硫同位素分析，采样地点包括拉恩盆地（Larne Basin）、东爱尔兰海盆地（EISB）和萨默塞特盆地（Somerset Basin）。采样遵循特定方法，避免采集与成岩次生沉淀相关的纤维状石膏，对不同类型的蒸发岩进行了系统采样，以确保获得具有代表性的样品。

4.2 岩石学

选取伯顿罗（Burton Row）钻孔岩芯的部分样品进行岩石学观察，包括矿物成分、颜色、沉积纹理和结构、成岩特征、化石及显著接触关系等，以了解样品的岩石学特征，为后续分析提供基础。

4.3 硫酸盐的硫同位素分析

对石膏、硬石膏和岩盐进行硫同位素分析。对于石膏和硬石膏，通过牙医钻制成细粉即可进行分析；而岩盐中的硫酸盐需先通过重晶石（BaSO₄）沉淀进行浓缩。样品经过一系列处理后，在稳定同位素生物地球化学实验室（SIBL）使用特定仪器进行分析，硫同位素比率以相对于维也纳峡谷迪亚布洛三叠纪（VCDT）的标准 δ（‰）表示，并通过与国际标准校准进行归一化处理。

5. 研究结果

5.1 岩石学

伯顿罗样品的岩石学分析表明，其主要为结核状硬石膏质泥岩 / 粉砂岩相，硬石膏结核与周围基质的边界多为漫散和不规则的，结核内部晶体常见毡状、束状和粒状等多种结构，晶体取向也有一定特征。

5.2 硫同位素数据

• 拉恩盆地：GT - 01 Kilroot 的 δ³⁴S_evap剖面显示，从下 SSG 到 Craiganee 组，δ³⁴S_evap值呈现出一定的变化趋势。Cairncastle - 2 的 δ³⁴S_evap数据主要来自跨越 SSG - MMG 边界的结核状硫酸钙，与全球复合曲线对比，可对该地区地层年代进行一定的约束。Carnduff - 02 的 δ³⁴S_evap剖面从 Glenstaghey 组延伸到 Knocksoghey 组，其数据特征反映了该地区沉积环境的一些信息。
• 东爱尔兰海盆地：110/13 - 8 的 δ³⁴S_evap剖面从 Leyland 组延伸到 Warton Halite 组，整体呈现下降趋势，通过与全球复合曲线对比，可对该盆地不同地层的年龄进行推断，但部分数据存在一定的变异性和不确定性。
• 萨默塞特盆地：伯顿罗钻孔的 δ³⁴S_evap剖面覆盖了从 SSG 到 Blue Anchor 组的地层，各层的 δ³⁴S_evap值变化较大，与全球复合曲线对比，可探讨该地区沉积过程中海洋影响的变化情况。

6. 原生 δ³⁴S_evap信号的保存

石膏沉淀过程中的硫同位素分馏较小，通常认为海洋硫酸钙和岩盐的 δ³⁴S 能指示其沉淀海水卤水的 δ³⁴S。虽然钙硫酸盐在埋藏和抬升过程中会经历成岩作用，但现有研究表明，成岩作用对蒸发岩硫酸盐同位素组成的影响较小。此外，蒸发岩可形成于陆地和海洋环境，不同环境下的 δ³⁴S_evap信号有所不同，海洋蒸发岩的 δ³⁴S_evap信号也可能受到多种因素的影响。通过对比不同地区的 δ³⁴S_evap记录与全球复合曲线，发现部分地区的 δ³⁴S_evap记录具有较好的可重复性，这表明其可能反映了全球原生海水信号。

7. δ³⁴S_evap剖面在英国三叠纪地层对比中的应用

7.1 拉恩盆地

Cairncastle - 2 和 GT - 01 Kilroot 的 δ³⁴S_evap剖面为拉恩盆地 SSG - MMG 边界提供了年代约束。通过与全球复合曲线对比，发现其数据在一定程度上支持了该地区地层的现有年龄划分，但也存在一些争议，如关于 SSG - MMG 边界是否存在不整合面的问题，需要进一步研究确认。

7.2 东爱尔兰海盆地

110/13 - 8 的 δ³⁴S_evap剖面扩展了对东爱尔兰海盆地蒸发岩的研究。通过与全球复合曲线对比，并结合生物地层学数据，对该盆地不同地层的年龄进行了推断，解决了部分生物地层学数据的争议，但仍存在一些不确定性，如 Dowbridge Mudstone 组和 Warton Halite 组的年龄界定还需进一步研究。

8. Sherwood 砂岩组沉积过程中的海洋影响

SSG 通常被认为是陆地河流 - 风成沉积系统，但该组中蒸发岩的 δ³⁴S_evap值却显示出与全球复合曲线的一致性，这表明可能存在海洋影响。古生物学和沉积学证据也支持至少存在间歇性海洋影响，但由于 SSG 的沉积环境以陆地为主，因此在解释 δ³⁴S_evap数据时需要谨慎，还需更多地球化学数据来确定蒸发岩卤水的来源。

9. Mercia 泥岩组沉积过程中的海洋影响

MMG 的起源和沉积环境存在广泛争议，其沉积过程中海洋和陆地影响的程度难以确定。不同地区的生物地层学和地球化学数据存在矛盾，需要综合多种方法进行研究。

9.1 拉恩盆地

Carnduff - 02 的 δ³⁴S_evap剖面与全球复合曲线存在偏移，表明其可能受到陆地硫酸盐的影响，沉积环境可能以陆地为主，但也不排除间歇性海洋淹没的可能。海洋微化石的存在可能是由于风成搬运或间歇性海洋入侵，而上部 Knocksoghey 组 δ³⁴S_evap值的增加可能与海洋淹没或微生物硫酸盐还原有关。

9.2 萨默塞特盆地

伯顿罗的 δ³⁴S_evap剖面与全球复合曲线缺乏可比趋势，反映了该地区蒸发岩与海水硫酸盐储层可能存在脱节。大部分地层的 δ³⁴S_evap值较轻，可能受到陆地硫酸盐的影响，但 Somerset Halite 组的情况较为复杂，其 δ³⁴S_evap值变化较大，可能存在多种硫酸盐输入通量，海洋影响的程度难以确定。Blue Anchor 组的 δ³⁴S_evap值存在异常，可能与微生物介导的硫循环有关。

9.3 东爱尔兰海盆地

110/13 - 8 的 δ³⁴S_evap剖面与全球复合曲线趋势较为一致，表明该地区存在相对一致的海水 δ³⁴S 信号，海洋影响较为持久。但部分地层的 δ³⁴S_evap数据存在变异性，可能与成岩作用、局部沉积因素或洞穴作用有关。该盆地不同时期的海洋影响可能来自不同的海洋入侵途径。

9.4 区域意义

综合不同盆地的 δ³⁴S_evap数据，发现英国 MMG 沉积过程中海洋影响存在空间和可能的时间变异性。拉恩盆地和萨默塞特盆地的部分地区可能与海水存在水文隔离，而其他地区则显示出与全球复合曲线的一致性，表明其蒸发岩卤水可能主要来自海洋。这有助于解决不同数据集之间的矛盾，为蒸发岩沉积系统的整体沉积模式提供更清晰的认识。

10. 研究结论

蒸发岩硫同位素地层学在英国三叠纪地层研究中具有重要应用价值，通过对比 δ³⁴S_evap剖面与全球复合年龄曲线，结合生物地层学数据，为 MMG 的多个细分地层提供了更精确的年龄约束。研究发现，SSG 中蒸发岩的 δ³⁴S_evap数据可能表明其低 ermost 部分为晚二叠世年龄，但海洋影响的程度仍需进一步研究。MMG 沉积过程中，不同盆地受海洋影响的程度存在差异，δ³⁴S_evap数据有助于解决生物地层学和沉积学数据之间的矛盾，明确蒸发岩系统的沉积模式。

10.1 未来研究方向

未来应进一步应用蒸发岩硫同位素地层学研究英国三叠纪地层，提高 δ³⁴S_evap剖面的可重复性，扩大地理覆盖范围。同时，结合其他地层学方法，如生物地层学、有机碳同位素地层学和磁性地层学等，提高年代约束的精度。此外，还需进一步研究 SSG 中蒸发岩的 δ³⁴S_evap信号来源，应用更多地球化学指标，如 Cl/Br、δ¹⁸O_evap和有机地球化学指标等，以更准确地确定 MMG 沉积过程中海洋影响的程度，但需注意锶同位素在英国三叠纪研究中的适用性问题。