Carbon Isotope Trend across the Base of Furongian Series of Cambrian, Northern Henan, North China
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摘要: 为了确定我国华北寒武系苗岭统鼓山阶和芙蓉统排碧阶的底界，对豫北沙滩剖面碳酸盐岩碳同位素组成演化趋势进行了研究.结果表明寒武系δ13C演化表现出3次正漂移和2次负漂移，正漂移分布于张夏组下部、中部和炒米店组上部，δ13C分别达到最大值2.0‰、1.0‰和3.0‰；负漂移分布于张夏组底部和中下部，δ13C分别降到最低值-3.4‰和-1.0‰.炒米店组上部的δ13C正漂移起始于三叶虫Chuangia带底部，相当于美国、澳大利亚、西伯利亚及我国华南地区的芙蓉统排碧阶的SPICE正漂移.张夏组底部的δ13C负漂移对应于三叶虫Bailiella-Lioparia带，相当于鼓山阶底部的DICE负漂移.这2次δ13C漂移事件不仅可作为区域地层对比的依据，还可作为我国华北寒武系苗岭统鼓山阶和芙蓉统排碧阶底界确定的标志.寒武纪δ13C漂移事件与海平面变化、古生态环境演化密切相关，因海侵作用导致的古生态环境扩大及海洋初始生产力的繁盛可能是海相碳酸盐岩δ13C正漂移演化的主要原因.Abstract: In order to define the base of the Drumian Stage and the base of the Paibian Stage of Cambrian in North China, carbon isotope trend is studied on the Shatan section, northern Henan. Data of carbon isotope suggest that three positive excursions and two negative excursions have been examined within the measured stratigraphical interval. Positive carbon isotope excursions occur separately in the lower part and the middle part of the Changhia Formation and in the upper part of the Chaumitien Formation, maximum δ13C values of these positive excursions reach to 2.0‰, 1.0‰ and 3.0‰ respectively. Negative δ13C excursions occur in the basal and the lower-middle part of the Changhia Formation with the minimum values of -3.4‰ and -1.0‰ respectively. Especially, the remarkable positive excursion examined in the upper part of the Chaumitien Formation commences on the base of the trilobite Chuangia zone, which corresponds to the base of the Paibian Stage in South China and is equivalent to the SPICE excursion detected in the Paibian Stage in USA, Australia, and Kazakhstan. The negative excursion examined in the basal part of the Changhia Formation is equivalent to the DICE excursion. Both the two carbon isotope excursions are not only used as tools for the regional stratigraphical classification and correlation, but also used as key indicators in defining the Drumian Stage and the Paibian Stage in North China. In addition, carbon isotope excursions are interpreted to be associated with global scale sea-level fluctuations, paleoecological environmental changes. Seawater transgression together with enlargement of paleoecological environment played an important role in positive carbon isotope excursions during the Late Miaolingian to the Early Furongian.
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Key words:
- carbon isotope /
- base of Furongian Series /
- Cambrian /
- northern Henan /
- North China Platform /
- stratigraphy
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全球寒武系年代地层新系统（Babcock et al., 2007；Peng et al., 2011；彭善池和赵元龙，2018）将寒武系划分为4个统和10个阶，第一统（纽芬兰统）和第二统（暂用名，目前还没有正式命名）相当于传统寒武系的下寒武统，分别包括2个阶；第三统（苗岭统）相当于传统寒武系的中寒武统，包括乌溜阶、鼓山阶和古丈阶3个阶；第四统（芙蓉统）相当于传统寒武系的上寒武统，包括排碧阶、江山阶和第十阶（暂用名）3个阶.全球寒武系芙蓉统排碧阶的标准层型剖面和点位建立在我国华南湘西的花垣县排碧村，以球接子三叶虫Glyptagnostus reticulatus的首现位置来定义.化学地层研究表明，在北美、澳大利亚及我国华南等地寒武系芙蓉统排碧阶的碳同位素组成演化表现为正漂移演化现象（Saltzman et al., 1998, 2000, 2004；左景勋等，2008；Howley and Jiang, 2010；Zuo et al., 2018），这种正漂移成为全球寒武系排碧阶地层划分与对比的标志，尤其对于化石稀少以白云岩为主的地层，其地层学意义更为重要.目前，我国华北地区寒武系年代地层研究仍基于传统的划分方案，如何精准地与国际寒武系地层对接成为一个新的研究课题.我国华北地区寒武纪生物地层研究虽然取得了丰富的成果（张梅生和彭向东，1998；袁金良等，2000；杜圣贤等，2007），但与我国华南地区的寒武纪生物地层进行严格对比仍存在一定的难度；初步研究结果显示我国华北及朝鲜等地寒武系排碧阶碳同位素组成演化趋势与我国华南、北美、澳大利亚等地具有相似的正漂移演化趋势（Ng et al., 2014；金明哲等，2018），其可作为寒武系地层对比的标志.本文以豫北沙滩剖面为研究对象，针对芙蓉统底部附近的碳同位素组成特征开展研究，并对其地层学意义和古生态环境演化意义进行讨论.
1. 地质背景
1.1 古地理背景
寒武纪早期（纽芬兰世、第二世早期），华北地台呈腹地高隆、为外倾缓坡围绕的古地理地势，主体以风化剥蚀作用为主，台缘谷地接收寒武纪早期碎屑岩沉积.早寒武世晚期（第二世晚期），随着海平面上升海水逐渐向华北地台腹地侵入，受潮汐作用影响，华北地台大部形成以陆源碎屑为主夹碳酸盐岩的潮坪相沉积物组合；华北地台外侧沉积的厚层状、块状豹皮灰岩（昌坪组、朱砂洞组）向华北地台腹地呈变薄或尖灭趋势.中寒武世（苗岭世）时期，随着大规模海侵，华北地台除西部鄂尔多斯外几乎全部沦为陆表海环境，开阔碳酸盐岩台地相、鲕粒滩相、微生物岩相、浅海陆棚相沉积物发育（史晓颖等，1997；梅冥相等，2011）.晚寒武世（芙蓉世）时期，华北地台（图 1）全部沦为局限碳酸盐岩台地（冯增昭等，2002）.
图 1 华北地台寒武纪芙蓉世古地理概况据冯增昭等（2002）修编.1.古陆；2.潮坪相；3.鲕粒滩；4.风暴砾屑灰岩；5.残余洋盆(造山带)；6.深水盆地相；7.浅水碳酸盐岩台地相；8.豫北卫辉沙滩剖面Fig. 1. Paleogeographical map of North China Platform during the Furongian Epoch of Cambrian1.2 岩石地层
河南地处华北地台南部，寒武系分布较广.由于早期基底古地势的差异及晚期板块运动的影响，豫西南地区主要发育寒武系第二统及苗岭统，豫北地区则主要发育寒武系苗岭统和芙蓉统.卫辉沙滩剖面是豫北地区经典的寒武系地层剖面，地层出露较好，自下而上划分为馒头组、张夏组、崮山组、炒米店组和三山子组.寒武系与下伏中元古界汝阳群、上覆奥陶系之间均呈平行不整合接触，缺失寒武系底部地层，各组岩性特征如下：
馒头组自下而上划分为3个岩性段.馒头组一段厚22 m，为灰白色中层状钙质砂岩、薄层状含膏白云岩、青灰色中层状砂质灰岩、灰黄色薄层状砂质、泥质白云岩.馒头组二段厚105 m左右，下部为灰红色中层状钙质泥岩夹灰红色钙质砂岩、泥质灰岩透镜体；中部为灰红色钙质泥岩、粉砂质泥岩夹灰色中层微晶灰岩、泥灰岩、核形石藻灰岩，粉砂岩中发育楔状交错层理；上部为灰色中层状微晶灰岩、叠层石灰岩、砂质灰岩、生物扰动灰岩、鲕粒灰岩.生物扰动灰岩风化面呈豹皮状，指示水体能量较小，生物繁盛.馒头组三段厚90 m，下部为紫红色中层状粉砂质泥岩夹灰岩透镜体；中部为灰红色中层状粉砂质泥岩夹灰色中-厚层状灰岩（双向交错层理发育）、生物扰动灰岩（豹皮状）、丘状叠层石灰岩、灰色中层状鲕粒灰岩等，灰岩层面遗迹化石分布较多，反映水动力较小；上部为灰色厚层状、块状灰岩、鲕粒灰岩，底部夹灰色中层状竹叶状砾屑灰岩、藻灰岩、泥质灰岩条带或薄层.砾屑灰岩中砾屑多呈长条状，不具红色氧化边，灰质基质支撑，排列略具方向性.
张夏组厚140 m，底部为灰色泥岩夹灰色中-薄层状泥灰岩、生物屑灰岩、薄层状泥晶灰岩，泥岩中产三叶虫化石，微晶灰岩产大量三叶虫化石碎片，种类比较单调，多为毕雷氏虫的头盖.下部为灰色薄板状泥晶灰岩夹砾屑灰岩、藻凝块灰岩；中部为灰色薄层状生物扰动灰岩，风化面呈豹皮状；上部为灰色块状鲕粒灰岩，局部夹生物扰动灰岩、叠层石灰岩.
崮山组厚10 m左右，岩性为灰色微层状泥灰岩、薄层状泥晶灰岩夹竹叶状砾屑灰岩、鲕粒灰岩，砾屑灰岩具正粒序递变层理，砾屑长度一般在5~ 3 cm，磨圆度较好，成分为灰岩，不具红色氧化边，为灰泥质支撑式胶结，反映水体深度较大.
炒米店组厚36 m，下部为灰色中-厚层状泥质条带灰岩、灰岩夹藻灰岩；上部为灰色中层状生物扰动灰岩，生物潜穴呈直立管状，管体长度大于30 cm，直径为2~3 cm，层面上生物潜穴呈深浅不同的色斑，浅色斑为生物潜穴改造后的充填物，深色斑为原始沉积物.
三山子组厚148 m，为浅灰色厚层状、块状细晶白云岩与团块状、渣状燧石白云岩组成大的韵律，局部白云岩中发育生物扰动构造、藻叠层石.燧石分布不均匀，局部呈层状；生物扰动白云岩呈豹皮状、花斑状.生物扰动构造、藻叠层石指示部分白云岩为次生成因.奥陶系底部为灰黄色中层状含砾砂岩，层厚40 cm左右，沿走向厚度变化较大，其中含棱角状或次棱角状石英岩细砾石，但砂岩产状与下覆地层一致，说明寒武系三山子组白云岩顶部为一侵蚀面，其与奥陶系之间为平行不整合接触关系，反映寒武纪末期发生海退.
1.3 生物地层
华北寒武系研究历史悠久，传统寒武系张夏阶（相当于全球寒武系鼓山阶-古丈阶）产丰富的三叶虫化石，自下而上划分为Eosoptychparia- Manchuriella带、Crepicephalina带、Amphoton带、Taitzuia- Poshania带、Redlichaspis带和Liaopeishania带（张梅生和彭向东，1998）；张夏阶顶部至长山阶底部（相当于苗岭统古丈阶-芙蓉统排碧阶）划分为Damesella带、Blackwelderia带、Neodrepanura带和Chuangia带（朱兆玲等，2005）.长山阶（相当于江山阶）自下而上划分为Changshania带、Eochuangia带、Maladioidella带和Kaolishania带（张梅生和彭向东，1998）.在过去的10多年中，我国华南地区寒武系年代地层研究取得了重要的进展，全球寒武系苗岭统乌溜阶、古丈阶，芙蓉统排碧阶、江山阶标准层型剖面和点位“金钉子”相继建立，成为国际寒武系地层划分与对比的依据.在我国华北与华南寒武系地层对比时，有学者将华北地区传统寒武系张夏阶底界对比为华南地区寒武系鼓山阶底界，将张夏阶Liaopeishania带对比为苗岭统古丈阶Legopyge laevigata带下部，将Damesella带对比为苗岭统古丈阶Legopyge laevigata带上部和Glyptagnostus stolidotus带下部，将崮山阶的Blackwelderia带和Neodrepanura带对比为苗岭统古丈阶的Glyptagnostus stolidotus带上部（袁金良等，2000）.而球接子Legopyge laevigata带是确定寒武系苗岭统古丈阶底界的关键化石（Peng et al., 2011），因此，上述对比方案指出华北地区寒武系古丈阶的底界位于张夏阶的中部.豫北地处华北地台南部，其寒武系生物地层与鲁西地区大同小异；裴放（2000）在综合研究前人资料的基础上，将河南寒武系张夏组至炒米店组下部层位的三叶虫化石带划分为Bailiella- Lioparia带、Crepicephalina-Megagraulos带、Taizuia-Poshania带、Blackwelderia带、Neodrepanura带、Chuangia带和Changshania带.豫北地区寒武系生物化石丰富，笔者在沙滩剖面采到较多三叶虫化石（图 2），馒头组上部及张夏组底部产大量Bailiella头盖和尾节，个别保存相当完好，并能清晰看到头鞍两侧发育完好的神经结及神经网络；尤为重要的是在炒米店组下部采到三叶虫Chuangia tolli，它比较接近寒武系芙蓉统排碧阶底界，这为华北地区寒武系苗岭统和芙蓉统界线的研究提供了重要依据.
图 2 采自豫北沙滩剖面寒武系地层中的三叶虫化石a~c.Chuangia tolli Resser & Endo, 1937;产于寒武系炒米店组下部. d. Pagodia sp.; e. Stephanocare richthofeni Monke, 1903; f. Eosoptychoparia sp.; g. Pseudosolenopleura pustulosa Qian, 1994. h. Sunaspis laevis Lu, 1953;产于寒武系馒头组. i~l. Bailiella lantenoisi (Mansuy, 1916)，产于寒武系张夏组底部的页岩中Fig. 2. Trilobite fossils collected from the Shatan section, northern Henan2. 样品与分析方法
豫北卫辉沙滩剖面寒武系露头连续，层序清楚，岩石无变形变质迹像，原始沉积特征保存完好.野外按2 m的样品间距在新鲜露头上采取岩石碎片，并进行连续编号，用于碳酸盐岩碳、氧同位素样品分析.对于砾屑夹层较多的碳酸盐岩，采样时避开砾质灰岩层，在薄层泥晶灰岩中采取岩块样品.室内用直径为1 mm的微细研磨钻头在均质新鲜岩块断口上钻取碳酸盐岩粉末，粉末粒度为200目.在制取CO2气体时，取碳酸盐岩粉未85~110 µg，烘干去除水分，在温度72 ℃、真空条件下让碳酸盐岩粉未与105%的过磷酸反应；并在真空条件下收集CO2气体，用液氮冷阱过滤纯化CO2，在MAT-253上测试并自动换算成δ13C、δ18O.为了监测样品的测试精度，在CO2样品制备与测试过程中，加入国家标准样品TB-1（δ13C=1.61‰，δ18O=-11.59‰）、TB-2（δ13C=-6.06‰，δ18O=-24.12‰）和实验室内部标准样品ISTB-1（δ13C=-10.63‰，δ18O= -18.63‰）；标准样品用量50~70 mg，采用VPDB标准，测试精度为0.02%.测试结果见表 1.
表 1 豫北沙滩剖面寒武系碳、氧同位素组分析结果(VPDB标准，‰）Table Supplementary Table Data of δ13C (‰) and δ18O (‰) from the Cambrian Shatan section, northern Henan样品位置(m) δ18O δ13C 岩性 436 -8.4 -1.6 白云岩 434 -8.9 -1.5 白云岩 432 -6.3 -0.4 白云岩 430 -7.2 0.0 白云岩 428 -8.0 -0.2 白云岩 426 -7.1 -0.4 白云岩 424 -7.8 -0.3 白云岩 422 -7.2 -0.4 白云岩 420 -7.7 -0.3 白云岩 418 -7.5 -0.2 白云岩 416 -7.6 -0.3 白云岩 414 -7.7 -0.4 白云岩 412 -9.2 -0.3 白云岩 410 -7.1 -0.2 白云岩 408 -6.9 -0.3 白云质灰岩 406 -8.0 -0.4 白云质灰岩 404 -7.9 -0.1 灰岩 402 -7.6 1.7 灰岩 400 -8.5 0.2 灰岩 398 -9.6 0.0 灰岩 396 -10.1 0.8 灰岩 394 -9.9 2.0 灰岩 392 -10.4 1.2 灰岩 390 -7.5 3.0 灰岩 388 -8.1 -0.1 灰岩 386 -9.6 0.0 灰岩 384 -10.2 -0.2 灰岩 382 -8.8 0.1 灰岩 380 -7.8 0.4 灰岩 378 -8.7 -0.2 灰岩 376 -7.2 0.6 灰岩 374 -7.9 0.1 灰岩 372 -8.8 -0.3 灰岩 370 -8.7 -0.4 灰岩 368 -8.6 -0.2 灰岩 366 -8.4 0.0 灰岩 364 -9.1 -0.3 灰岩 362 -8.5 0.4 灰岩 360 -8.7 0.1 灰岩 358 -9.3 0.4 灰岩 356 -8.8 0.1 灰岩 354 -9.5 0.3 灰岩 352 -9.9 0.2 灰岩 350 -8.2 0.4 灰岩 348 -7.2 0.3 灰岩 346 -7.1 0.1 灰岩 344 -7.3 0.1 灰岩 342 -7.2 0.1 灰岩 340 -7.4 0.2 灰岩 338 -7.8 0.3 灰岩 336 -7.9 0.5 灰岩 334 -8.2 0.6 灰岩 332 -8.2 0.6 灰岩 330 -9.1 0.1 灰岩 328 -9.9 0.7 灰岩 326 -9.0 0.6 灰岩 324 -9.9 -0.2 灰岩 322 -10.3 0.5 灰岩 320 -10.2 0.5 灰岩 318 -8.8 0.8 灰岩 316 -8.9 1.0 灰岩 314 -9.0 0.9 灰岩 312 -10.6 0.0 灰岩 310 -10.0 -0.8 灰岩 308 -9.2 -0.6 灰岩 306 -8.8 -0.6 灰岩 304 -8.9 -1.0 灰岩 302 -9.4 -0.5 灰岩 300 -9.7 -0.9 灰岩 298 -8.6 -0.2 灰岩 296 -8.9 -0.5 灰岩 294 -9.5 -0.5 灰岩 292 -9.7 -0.4 灰岩 290 -8.8 -0.4 灰岩 288 -10.1 -0.4 灰岩 286 -9.0 -0.2 灰岩 284 -8.6 -0.3 灰岩 282 -11.4 -0.4 灰岩 280 -10.0 -0.9 灰岩 278 -9.1 -0.5 灰岩 276 -9.4 -0.1 灰岩 274 -9.9 -0.4 灰岩 272 -9.3 0.4 灰岩 270 -10.1 -0.1 灰岩 268 -9.5 -0.3 灰岩 266 -11.3 -0.8 灰岩 264 -10.1 -0.2 灰岩 262 -9.8 -0.7 灰岩 260 -9.0 0.0 灰岩 258 -9.7 -0.1 灰岩 256 -9.3 -0.3 灰岩 254 -9.2 0.5 灰岩 252 -9.9 0.1 灰岩 250 -9.4 0.1 灰岩 248 -8.7 0.5 灰岩 246 -9.5 -0.1 灰岩 244 -9.1 -0.1 灰岩 242 -9.0 -0.3 灰岩 240 -10.9 0.6 灰岩 238 -9.0 1.8 灰岩 236 -9.7 2.0 灰岩 234 -8.7 1.1 灰岩 232 -9.1 0.7 灰岩 230 -8.8 1.1 灰岩 228 -8.4 1.3 灰岩 226 -8.7 1.4 灰岩 224 -9.2 1.0 灰岩 222 -9.5 1.3 灰岩 218 -11.6 0.8 灰岩 216 -11.8 -0.5 灰岩 214 -11.8 0.6 灰岩 211.4 -11.8 -0.1 灰岩 210 -11.5 -1.5 灰岩 208 -9.5 -3.4 灰岩 206 -10.2 -1.0 灰岩 204 -11.4 -1.2 灰岩 202 -10.3 -1.6 灰岩 200 -11.1 -1.6 灰岩 198 -9.4 -1.2 灰岩 196 -9.5 -0.8 灰岩 3. 分析结果
海相碳酸盐岩的碳、氧同位素组成遭受强烈的后期成岩作用特别是大气淡水参与的成岩作用影响后，原始海水沉积时的信息遭到较大幅度的改变或不能保留.因此，岩石孔隙发育程度、变形变质、后期蚀变、岩石风化程度等均能影响海相碳酸盐岩的碳、氧同位素组成原始信息的保留，尤其是氧同位素组成极易发生分馏作用.研究表明，海相碳酸盐岩的碳同位素组成在一定范围内相对稳定（Maloof et al., 2005），其演化趋势具有地层属性特征，可用于岩石地层对比、古沉积环境研究.判断海相碳酸盐岩是否经受较强的后期成岩作用影响，除观察宏观地质特征外还可根据碳酸盐岩的δ13C与δ18O值的协变关系（Banner and Hanson, 1990；Jacobson and Kaufman, 1999）、碳酸盐岩的δ18O值是否低于-10‰（Derry et al., 1992；Kaufman et al., 1993；Ngia et al., 2019）来判断.沙滩剖面寒武系的δ13C分布于2.0‰~-2.0‰、δ18O主要分布于-7.0‰~-10.0‰之间，但有少量样品的测试结果低于-10.0‰，可能是后期作用过程中由于淡水的加入造成，或者是早期海侵过程中大量淡水与正常海水的交换作用形成.δ18O值低于-10.0‰的样品主要采自张夏组底部泥岩中的灰岩夹层，为最大海泛期的沉积物，大量淡水向海盆的输入导致海平面快速上升；同时由于淡水的δ18O值较低，分馏的结果导致碳酸盐岩的δ18O值低于-10.0‰.总体来看，沙滩剖面δ13C、δ18O数据点分布比较离散（图 3），不具显著的相关性；其碳同位素组成仍具有规律性的演化趋势，说明碳同位素组成仍可用于寒武系地层对比研究.
图 3 豫北沙滩剖面寒武系碳氧同位素组成分布特征Fig. 3. Relationship between δ13C and δ18O from the measured Cambrian Shatan section, northern Henan4. 讨论
4.1 碳同位素组成演化趋势
豫北寒武系张夏组、崮山组、炒米店组的δ13C演化表现出显著的规律性（图 4）.张夏组底部的δ13C为-3.4‰（A点），表现为显著的负漂移演化趋势，极低值处的岩性为灰色泥岩夹灰色薄层状生物碎屑灰岩（单层厚15 cm），对应于三叶虫Bailiella- Lioparia带.据袁金良等（2000）的华北、华南寒武系年代地层对比结果，本负漂移应该与鼓山阶底部的负漂移（DICE）对应，具有全球可对比性.随后δ13C表现为急剧上升趋势，δ13C由-3.4‰（A点）上升至2.0‰（B点），上升幅度达5.5‰，表现出显著的正漂移演化趋势；上升到最大值后，δ13C开始呈缓慢波动性下降趋势，经过三叶虫Crepicephallina- Megagraulos带和Amphoton带，δ13C下降至最小值-1.0‰（C点），并显示出一定程度的负漂移演化趋势.在三叶虫Taitzuia-Poshania带下部，δ13C表现出快速上升趋势，δ13C由-1.0‰（C点）上升至1.0‰（D点），表现出快速正漂移演化趋势；在张夏组顶部的Damesella带，δ13C表现出慢速下降趋势，至崮山组的Blackwelderia带顶部δ13C下降至-0.4‰（E点）.由崮山组上部的Neodrepanura带至炒米店组Chuangia带底部（F点），δ13C值在0上下波动.
图 4 豫北沙滩剖面寒武系排碧阶底界附近的碳、氧同位素组成演化曲线1.白云岩；2.粗晶白云岩；3.白云质灰岩；4.生物潜穴灰岩；5.生物扰动灰岩；6.鲕粒灰岩；7.叠层石灰岩；8.条带状灰岩；9.豹皮状灰岩；10.生物碎屑灰岩；11.竹叶状灰岩；12.灰岩；13.页岩；14.“2”型层序界面；15.最大海泛面；16.高水位体系域；17.三级层序及编号；18.发生在鼓山阶底部的碳同位素组成的负漂移；19.发生在芙蓉统排碧阶的碳同位素组成的负漂移；20.碳、氧同位素样品取样位置Fig. 4. Trends of carbon-oxygen isotopes around the base of the Paibian Stage in the Shatan section, northern Henan炒米店组上部δ13C表现为显著的正漂移演化趋势，所跨地层厚18 m，δ13C漂移幅度达3.0‰，正漂移的起点与三叶虫Chuangia带的底部基本吻合.在三叶虫Chuangia带内，δ13C由-0.1‰（F点）快速上升至3.0‰（G点），随后又呈快速波动性下降趋势；至三叶虫Chuangia带上部，δ13C由3.0‰（G点）下降至0（H点），而后又回升至1.7‰（I点）；在三叶虫Changshania带底部，δ13C再跌落至-0.4‰（J点），并稳定在-0.3‰左右，这种趋势一直持续至三叶虫Ptychaspis-Tsinania带下部（K点）.鲁西地区生物地层研究成果显示三叶虫Chuangia带的底部接近寒武系芙蓉统排碧阶的底界（Ng et al., 2014），因此，豫北沙滩剖面寒武系炒米店组上部的δ13C正漂移对比为SPICE正漂移，这次正漂移在世界各地寒武系芙蓉统排碧阶均为显著，具有全球可对比性.
4.2 地层学意义
豫北沙滩剖面寒武系张夏组、崮山组、炒米店组发育3次δ13C正漂移和2次显著δ13C负漂移，δ13C正漂移分布于张夏组下部、中部和炒米店组上部，δ13C达到的最大值分别为2.0‰、1.0‰、3.0‰；以炒米店组上部的正漂移幅度最大，分布于三叶虫Chuangia带中.δ13C负漂移分别分布于张夏组底部、中下部，δ13C的最低值分别为-3.4‰、-1.0‰，前者对应于三叶虫Bailiella-Lioparia带，层位上相当于鼓山阶底部的δ13C负漂移（DICE）.豫北沙滩剖面张夏组下部δ13C正漂移演化趋势见于湘西王村剖面花桥组下部、浙西碓边A剖面杨柳岗组下部、黔西北金沙岩孔剖面娄山关组下部，这次正漂移发生在苗岭统鼓山阶下部，可作为我国华南、华北地区寒武系鼓山阶下部地层对比的标志（左景勋等，2008；Zuo et al., 2018）.豫北沙滩剖面炒米店组上部的δ13C正漂移也见于华北地台东部山东黄羊山剖面炒米店组下部（图 5），相当于湘西王村剖面花桥组中上部、浙西碓边A剖面华严寺组中部、黔西北金沙岩孔剖面娄山关组上部的δ13C正漂移.豫北沙滩剖面芙蓉世早期δ13C正漂移演化趋势可与我国鲁西、湘西、浙西、黔西等地（Bagnoli et al., 2014；Ng et al., 2014；Zuo et al., 2018）寒武系芙蓉统底部的δ13C正漂移对比，也可与北美、哈萨克斯坦、澳大利亚等地寒武系芙蓉统下部的δ13C正漂移（SPICE）（Saltzman et al., 1998, 2000, 2004；Montañez et al., 2000；Dilliard et al., 2007；Glumac, 2007）对比（图 6）；说明发生在寒武系芙蓉统底部的正漂移具有全球等时，虽然其漂移幅度、所跨地层厚度不如北美、哈萨克斯坦、澳大利亚及我国华南等地，但δ13C正漂移发生的时间均为寒武纪芙蓉世排碧期，可作为我国华北地区寒武系芙蓉统排碧阶层位确定的依据.
图 5 豫北-山东寒武系芙蓉统排碧阶碳同位素组成演化趋势对比a.河南卫辉沙滩剖面；b.山东莱坞黄羊山剖面，据Ng et al.（2014）修改.1.白云岩；2.白云质灰岩；3.生物潜穴灰岩；4.生物扰动灰岩；5.鲕粒灰岩；6.叠层石灰岩；7.条带状灰岩；8.砾屑灰岩；9.灰岩；10.页岩; 11.覆盖Fig. 5. Correlation of carbon isotope trend of the Paibian Stage between northern Henan and western Shadong
图 6 世界各地寒武系芙蓉统排碧阶碳同位素组成演化趋势对比哈萨克斯坦、澳大利亚和美国内华达据Saltzman et al.（2000）修改；中国浙西和中国湘西据Zuo et al.（2018）修改Fig. 6. Correlation of carbon isotope trend of the Paibian Stage of Furongian Series worldwide4.3 古生态环境意义
影响海相碳酸盐岩碳同素组成的因素较多，如海洋初级生产力、生物绝灭事件、海平面升降变化导致的有机质埋藏-氧化作用等（Surge et al., 1997；Stephens and Sumner, 2003；Açıkalın et al., 2016；宋虎跃等, 2018），其中初级生产力的变化起着决定性作用.海洋初级生产力主要是指海洋浮游植物和单细胞藻类，占海洋初级生产力的99%以上，通过光合作用合成大量有机质，对海洋后生动物的生存和发展起着关键作用（Chavez et al., 2011）.因此，海洋浮游植物的繁盛程度决定了海洋的有机碳循环，同时也决定了海相碳酸盐岩无机碳同位素比值的高低.宏观藻类虽然也能进行光合作用生产有机质，但其对海洋有机质产量的贡献比较小，它的生长受古地理环境和海水深度（透光性）的控制，藻丘、叠层石或凝块石多以鲕粒灰岩、砾屑灰岩为附着基础，生长在水体深度相对较小、透光性比较好的潮下高能环境，在水体深度较大、透光性较差的潮下低能还原环境中一般没有藻类生长；而单细胞藻类、海洋浮游植物生活的海域范围更广，不只是在浅海区分布，在远洋海域也有分布，只要海水温度适宜、有较好的透光性便能生存，不需要附着物，可在广海中生长和繁殖；而底栖的海洋后生动物则喜爱定居在能量较低的海洋环境中，可在海底沉积物表面或沉积物内部觅食，在能量较高的环境中为了避免被强动荡的海水卷走，后生动物则采取穴居方式.
豫北卫辉沙滩剖面寒武系地层中的宏观藻类如叠层石和微生物岩分布于张夏组下部及中部、崮山组顶部和炒米店组上部等层位中，其生长环境多为潮下高能环境，在潮下低能环境中有时也能见到经风暴搬运沉积的藻凝块岩.寒武系张夏组中部、崮山组下部及炒米店组中的遗迹化石指示海洋后生动物主要生活在能量较低的潮下环境中，依靠觅食泥灰质沉积物中的有机物生存.豫北寒武系张夏组-炒米店组的碳同位素组成演化趋势主要受海洋初始生产力的繁盛程度控制，发生在华北地区苗岭世鼓山期初期的海侵（相当于张夏组沉积的早期），海水以较快的速度向华北地台之上超覆，而当时的华北地台是比较开阔的缓坡台地（梅冥相等，2017），海域面积的突然增大势必扩大了海洋生物的生存空间，导致单细胞藻类和浮游植物的大量繁殖，生产更多的有机质，造成此时沉积的海相碳酸盐岩具有较高的δ13C值.对于地域面积广大的缓坡型碳酸盐岩台地来说，海平面升降变化导致海洋初始生产力变化的效应比较显著，反映在缓坡台地碳酸盐岩的碳同位素组成上，如张夏组下部和中部的δ13C分别达到最大值2.0‰和1.0‰.另外，豫北沙滩剖面寒武系张夏组和崮山组的分界是以页片状灰岩的出现为标志，其代表着华北地台寒武纪苗岭世古丈期末期的大规模快速海侵；这次海侵造成除了西部鄂尔多斯中央隆起区小面积没有被海水覆盖之外，其余的华北地区全部为海水淹没，华北地台之上的海域面积达到最大（Chen et al., 2012），海侵周期从苗岭世古丈期至芙蓉世排碧期，排碧期晚期华北地区海平面大幅度下降，出现白云岩沉积.据前人研究，寒武纪芙蓉世早期全球出现静海环境，海平面上升到最高，全球气候温暖，表现出温室效应（Elrick et al., 2011；Gill et al., 2011），海相碳酸盐岩的碳同位素组成表现为全球性正漂移演化趋势.豫北沙滩剖面寒武系炒米店组上部的正漂移（δ13C达到最大值3.0‰）是此次全球性碳同位素组成演化事件在我国华北地区的具体表现.
5. 结论
（1）豫北沙滩剖面寒武系张夏组、崮山组、炒米店组发育3次正漂移和2次负漂移，正漂移分布于张夏组下部、中上部和炒米店组上部，δ13C最大值分别为2.0‰、1.0‰和3.0‰.负漂移分布于张夏组底部及中部，δ13C最低值分别为-3.4‰、-1.0‰.
（2）豫北沙滩剖面寒武系芙蓉统炒米店组上部的正漂移，δ13C上升到3.0‰，起始位置为三叶虫Chuangia带底部，对应于我国华南地区寒武系芙蓉统排碧阶的正漂移，相当于北美、西伯利亚、澳大利亚寒武系芙蓉统下部的碳同位素组成的SPICE正漂移.豫北沙滩剖面张夏组底部的碳同位素组成演化的负漂移与我国华南地区、世界各地寒武系苗岭统鼓山阶底部的负漂移（DICE）对应.因此，这2次显著的碳同位素组成演化的漂移事件不仅可作为区域地层划分与对比的工具，亦可作为我国华北地区寒武系苗岭统鼓山阶、芙蓉统排碧阶层位确定的标志.
（3）豫北沙滩剖面海相碳酸盐岩的碳同位素组成漂移事件与区域性海平面变化、全球性海平面变化、海洋古生态环境演化及初始生产力的繁盛密切相关，海侵作用引起的海平面大幅度上升造成了海洋生态环境的迅速扩大，适宜的温度条件使海洋初始生产力迅猛繁盛导致了海相碳酸盐岩碳同位素组成的正漂移演化趋势.
致谢: 在野外剖面调研和资料整理过程中得到河南省国土资源厅王志宏教授级高级工程师和河南省地质调查院杜凤军、白国典教授级高级工程师的指导，野外剖面测制、碳酸盐岩碳氧同位素样品、化石标本采集得到河南省地质调查院王玺工程师、琚根社工程师和河南省地质科学研究所焦冰军工程师的帮助，在此向以上专家同行深表感谢.另外，对本文审稿专家和编辑表示诚挚的谢意！ -
图 1 华北地台寒武纪芙蓉世古地理概况
据冯增昭等（2002）修编.1.古陆；2.潮坪相；3.鲕粒滩；4.风暴砾屑灰岩；5.残余洋盆(造山带)；6.深水盆地相；7.浅水碳酸盐岩台地相；8.豫北卫辉沙滩剖面
Fig. 1. Paleogeographical map of North China Platform during the Furongian Epoch of Cambrian
图 2 采自豫北沙滩剖面寒武系地层中的三叶虫化石
a~c.Chuangia tolli Resser & Endo, 1937;产于寒武系炒米店组下部. d. Pagodia sp.; e. Stephanocare richthofeni Monke, 1903; f. Eosoptychoparia sp.; g. Pseudosolenopleura pustulosa Qian, 1994. h. Sunaspis laevis Lu, 1953;产于寒武系馒头组. i~l. Bailiella lantenoisi (Mansuy, 1916)，产于寒武系张夏组底部的页岩中
Fig. 2. Trilobite fossils collected from the Shatan section, northern Henan
图 3 豫北沙滩剖面寒武系碳氧同位素组成分布特征
Fig. 3. Relationship between δ13C and δ18O from the measured Cambrian Shatan section, northern Henan
图 4 豫北沙滩剖面寒武系排碧阶底界附近的碳、氧同位素组成演化曲线
1.白云岩；2.粗晶白云岩；3.白云质灰岩；4.生物潜穴灰岩；5.生物扰动灰岩；6.鲕粒灰岩；7.叠层石灰岩；8.条带状灰岩；9.豹皮状灰岩；10.生物碎屑灰岩；11.竹叶状灰岩；12.灰岩；13.页岩；14.“2”型层序界面；15.最大海泛面；16.高水位体系域；17.三级层序及编号；18.发生在鼓山阶底部的碳同位素组成的负漂移；19.发生在芙蓉统排碧阶的碳同位素组成的负漂移；20.碳、氧同位素样品取样位置
Fig. 4. Trends of carbon-oxygen isotopes around the base of the Paibian Stage in the Shatan section, northern Henan
图 5 豫北-山东寒武系芙蓉统排碧阶碳同位素组成演化趋势对比
a.河南卫辉沙滩剖面；b.山东莱坞黄羊山剖面，据Ng et al.（2014）修改.1.白云岩；2.白云质灰岩；3.生物潜穴灰岩；4.生物扰动灰岩；5.鲕粒灰岩；6.叠层石灰岩；7.条带状灰岩；8.砾屑灰岩；9.灰岩；10.页岩; 11.覆盖
Fig. 5. Correlation of carbon isotope trend of the Paibian Stage between northern Henan and western Shadong
图 6 世界各地寒武系芙蓉统排碧阶碳同位素组成演化趋势对比
哈萨克斯坦、澳大利亚和美国内华达据Saltzman et al.（2000）修改；中国浙西和中国湘西据Zuo et al.（2018）修改
Fig. 6. Correlation of carbon isotope trend of the Paibian Stage of Furongian Series worldwide
表 1 豫北沙滩剖面寒武系碳、氧同位素组分析结果(VPDB标准，‰）
Table 1. Data of δ13C (‰) and δ18O (‰) from the Cambrian Shatan section, northern Henan
样品位置(m) δ18O δ13C 岩性 436 -8.4 -1.6 白云岩 434 -8.9 -1.5 白云岩 432 -6.3 -0.4 白云岩 430 -7.2 0.0 白云岩 428 -8.0 -0.2 白云岩 426 -7.1 -0.4 白云岩 424 -7.8 -0.3 白云岩 422 -7.2 -0.4 白云岩 420 -7.7 -0.3 白云岩 418 -7.5 -0.2 白云岩 416 -7.6 -0.3 白云岩 414 -7.7 -0.4 白云岩 412 -9.2 -0.3 白云岩 410 -7.1 -0.2 白云岩 408 -6.9 -0.3 白云质灰岩 406 -8.0 -0.4 白云质灰岩 404 -7.9 -0.1 灰岩 402 -7.6 1.7 灰岩 400 -8.5 0.2 灰岩 398 -9.6 0.0 灰岩 396 -10.1 0.8 灰岩 394 -9.9 2.0 灰岩 392 -10.4 1.2 灰岩 390 -7.5 3.0 灰岩 388 -8.1 -0.1 灰岩 386 -9.6 0.0 灰岩 384 -10.2 -0.2 灰岩 382 -8.8 0.1 灰岩 380 -7.8 0.4 灰岩 378 -8.7 -0.2 灰岩 376 -7.2 0.6 灰岩 374 -7.9 0.1 灰岩 372 -8.8 -0.3 灰岩 370 -8.7 -0.4 灰岩 368 -8.6 -0.2 灰岩 366 -8.4 0.0 灰岩 364 -9.1 -0.3 灰岩 362 -8.5 0.4 灰岩 360 -8.7 0.1 灰岩 358 -9.3 0.4 灰岩 356 -8.8 0.1 灰岩 354 -9.5 0.3 灰岩 352 -9.9 0.2 灰岩 350 -8.2 0.4 灰岩 348 -7.2 0.3 灰岩 346 -7.1 0.1 灰岩 344 -7.3 0.1 灰岩 342 -7.2 0.1 灰岩 340 -7.4 0.2 灰岩 338 -7.8 0.3 灰岩 336 -7.9 0.5 灰岩 334 -8.2 0.6 灰岩 332 -8.2 0.6 灰岩 330 -9.1 0.1 灰岩 328 -9.9 0.7 灰岩 326 -9.0 0.6 灰岩 324 -9.9 -0.2 灰岩 322 -10.3 0.5 灰岩 320 -10.2 0.5 灰岩 318 -8.8 0.8 灰岩 316 -8.9 1.0 灰岩 314 -9.0 0.9 灰岩 312 -10.6 0.0 灰岩 310 -10.0 -0.8 灰岩 308 -9.2 -0.6 灰岩 306 -8.8 -0.6 灰岩 304 -8.9 -1.0 灰岩 302 -9.4 -0.5 灰岩 300 -9.7 -0.9 灰岩 298 -8.6 -0.2 灰岩 296 -8.9 -0.5 灰岩 294 -9.5 -0.5 灰岩 292 -9.7 -0.4 灰岩 290 -8.8 -0.4 灰岩 288 -10.1 -0.4 灰岩 286 -9.0 -0.2 灰岩 284 -8.6 -0.3 灰岩 282 -11.4 -0.4 灰岩 280 -10.0 -0.9 灰岩 278 -9.1 -0.5 灰岩 276 -9.4 -0.1 灰岩 274 -9.9 -0.4 灰岩 272 -9.3 0.4 灰岩 270 -10.1 -0.1 灰岩 268 -9.5 -0.3 灰岩 266 -11.3 -0.8 灰岩 264 -10.1 -0.2 灰岩 262 -9.8 -0.7 灰岩 260 -9.0 0.0 灰岩 258 -9.7 -0.1 灰岩 256 -9.3 -0.3 灰岩 254 -9.2 0.5 灰岩 252 -9.9 0.1 灰岩 250 -9.4 0.1 灰岩 248 -8.7 0.5 灰岩 246 -9.5 -0.1 灰岩 244 -9.1 -0.1 灰岩 242 -9.0 -0.3 灰岩 240 -10.9 0.6 灰岩 238 -9.0 1.8 灰岩 236 -9.7 2.0 灰岩 234 -8.7 1.1 灰岩 232 -9.1 0.7 灰岩 230 -8.8 1.1 灰岩 228 -8.4 1.3 灰岩 226 -8.7 1.4 灰岩 224 -9.2 1.0 灰岩 222 -9.5 1.3 灰岩 218 -11.6 0.8 灰岩 216 -11.8 -0.5 灰岩 214 -11.8 0.6 灰岩 211.4 -11.8 -0.1 灰岩 210 -11.5 -1.5 灰岩 208 -9.5 -3.4 灰岩 206 -10.2 -1.0 灰岩 204 -11.4 -1.2 灰岩 202 -10.3 -1.6 灰岩 200 -11.1 -1.6 灰岩 198 -9.4 -1.2 灰岩 196 -9.5 -0.8 灰岩 
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