Comparative Study of Famennian Carbon Isotope Characteristics of Junggar, Xinjiang and Central Hunan, South China

ZONG Pu1, MA Xueping2,†, ZHANG Meiqiong2, ZHANG Yubo2, LÜ Dan2

1. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; † Corresponding author, E-mail: maxp@pku.edu.cn

Abstract In order to clarify the position of the Frasnian/famennian (F/F) boundary in the Lower Member of the Hongguleleng Formation of northwestern Junggar Basin, Xinjiang, carbon isotope characters were comparatively studied for the carbonates from the Lower Member of this formation in the Bulongguoer section of Junggar and the interval (lower-middle Famennian of the Upper Devonian) at the Xikuangshan section of central Hunan. The age of the Lower Member of the Hongguleleng Formation is re-investigated, on the basis of its integrative biostratigraphical evidence, carbon isotope features, and a comparison with carbon isotope data from the Xikuangshan section. The carbon isotopic trend from the Lower Member of the Hongguleleng Formation does not show any prominent positive excursion and is distinctly different from the δ13c oscillation pattern across the F/F boundary recorded in several typical sections around the world; the δ13c values at Bulongguoer vary from 0 to 1‰, which is lower in amplitude than the currently known positive shift (2‰3‰) across the F/F boundary in the world. The Lower Member of the Hongguleleng Formation probably may not contain Frasnian deposits, or even lacks the basal part of the Famennian (Pa. triangularis conodont Zone). For the early-middle Famennian interval of the studied sections, the carbon isotope trend seems to be well comparable; and this trend can be divided into three phases: two positive-negative oscillation cycles, followed by a weak positive excursion. The characteristics of major elements

indicate that the lower part of Unit 3-1 in the Bulongguoer section was affected by terrigenous supply, which is inferred to probably be related to strong regional tectonic activities. Key words Junggar; central Hunan; Late Devonian; Famennian; carbon isotope

新疆准噶尔盆地西北缘的洪古勒楞组是我国北方晚泥盆世法门期的代表性地层, 前人已从生物地层学、腕足动物组合、遗迹化石和地球化学等方面开展大量研究。例如, Suttner 等[1]综合研究了布龙果尔剖面洪古勒楞组的岩性、沉积相、牙形石生物地层及地球化学特征, 并获得碳酸盐岩 δ13c 的变化曲线; Zong 等[2]研究了洪古勒楞组及上覆黑山头组的 5 个腕足动物组合带; Fan 等[3]建立了布龙果尔‒法剖面的遗迹化石相。

Suttner 等[1]认为洪古勒楞组底部存在弗拉门阶界线, 界线附近的碳酸盐岩 δ13c 表现为幅度达

[4] 6‰的正偏移。Carmichael 等 详细分析了该剖面朱鲁木特组顶部及洪古勒楞组底部的地球化学指‒标, 认为 δ13c 在洪古勒楞组底部灰岩层中表现为“约 2‰的正偏移”, 代表弗拉 法门期之交的事件(简称 F/F 界线或 F/F 事件)。上述研究对地层时代的认识与许多前人的观点存在较大分歧。例如, 赵治信等[5]认为洪古勒楞组下段的时代相当于法门期早中期, 即牙形石 Palmatolepis crepida 带至 Pa. marginifera 带; 夏凤生[6]则认为洪古勒楞组下段大致相当于弗拉阶 Upper Pa. rhenana 带至法门阶

[7] [5] Upper Pa. crepida 带; 马学平等 沿用赵治信等的观点, 认为这与底栖生物的分布比较一致, 因为F/F 界线发生了地质历史中五大绝灭事件之一, 界线上下的底栖生物面貌有巨大差别[8], 而洪古勒楞组下段的珊瑚及腕足类面貌与法门期一致。此外,在距离布龙果尔剖面以西约 100 km 的乌兰柯顺地区, Wang 等[9]研究了洪古勒楞组下段碳酸盐岩 δ13c的变化趋势, 认为与 Suttner 等[1]和 Carmichael 等[4]揭示的变化趋势极为相似, 但是依据 Wang 等[9]建立的 polygnathid 牙形石带, 洪古勒楞组底部(第18 层)大致对应 Neopolygnathus huijunae 带至 Neo. communis communis 带底部, 并可与标准牙形石 Pa. triangularis 带及 Pa. crepida 带的中下部对比[9], 因此难以确定洪古勒楞组底部是否存在 F/F 界线。上述研究中还存在以下问题: 由于洪古勒楞组下段的地质时代存在争议, δ13c 的变化曲线无法建立在确切的生物地层框架上, 所以区内 δ13c 在横向不

同剖面间的对比也无法解决 F/F 界线的位置。鉴于此, 洪古勒楞组下段的 δ13c 不仅要与 F/F 界线附近的地层进行对比, 还要与法门期 Pa. crepida 带至 Pa. marginifera 带进行对比, 通过与不同时间段同位素特征的比较, 才能更客观地得出最合理的对应层段。

湖南中部晚泥盆世地层发育良好, 是研究上泥盆统的首选之地。其中, 锡矿山剖面是华南晚泥盆世法门期浅水相区的典型剖面。经前人长期深入研究, 该剖面生物地层划分比较清楚, 可为其他地区的地层对比提供一定的依据。锡矿山剖面的 F/F 界线位于老江冲组与长龙界组之间, F/F 之交碳酸盐岩的 δ13c 表现为约 4‰的正偏移[10]。然而, F/F 界期早‒中期主体部分的碳同位素特征还未研究。线之上的地层序列(长龙界组、锡矿山组), 即法门

本文在文献[11]的基础上, 首次对锡矿山剖面的碳、氧同位素数据进行研究。准噶尔盆地西北缘的布龙果尔剖面在晚泥盆世位于哈萨克板块的东延部分[12], 锡矿山剖面位于华南板块中部[2,13], 沉积相区属于潮下带混积岩相区。对比研究这两个剖面法门期的地球化学特征, 有助于比较当时位于不同板块的两个地区稳定同位素的变化趋势。

1 地质背景、剖面与地层

本文研究的布龙果尔剖面位于新疆和布克赛尔蒙古自治县和什托洛盖镇以北约 30 km的布龙果尔水库以北, 地理位置见图 1(a)。该剖面晚泥盆世地层连续, 出露良好。Hou 等[14]将该剖面的洪古勒楞组划分为下、中、上三段, 分别以碳酸盐岩、杂色碎屑岩、黄/灰色钙质泥质粉砂岩为特征。Ma 等[15]将该剖面分为 16 层, 第 1 层为朱鲁木特组顶部(目前属于哈尔段, 详见文献[16]), 2~9a 层为洪古勒楞组, 其上的 9b~15 层为黑山头组。本文着重研究洪古勒楞组下段(第 2~3 层)。其中, 第 2 层(厚 17 m)为薄层生屑灰岩夹薄层灰绿色钙质泥页岩、介壳泥灰岩, 向上介壳泥灰岩逐渐增多。根据岩性的差异,第 3 层(厚 71.8 m)可分为下、中、上及顶部: 下部(3-1 层)为泥页岩夹灰岩; 中部(3-2 层)以粉砂岩、