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二叠纪末的煤层顶板:一层白色黏土压住整片煤系

在贵州西部的煤矿井下,煤层的顶板常常不是砂岩,而是一层几厘米厚的白色软泥。矿工叫它白泥,地质上它是界线的落点,也是整片煤系结束的地方,往下再没有可采的煤,只有几十厘米厚的薄煤层与根土岩。

煤在界线附近尖灭,顶板换成炭质泥岩

华南上二叠统的龙潭煤系含煤十几层到三十层,到了顶部,煤层一层层变薄,最后被炭质泥岩与钙质泥岩取代。这个尖灭面在数百公里范围内都能追到,层位相当稳定,井下对比常以它为标志,附近钻孔都见得到。

早三叠世地层里几乎没有煤。这一现象在全球都有记录,被称为缺煤期,持续约 10 百万年。成煤植物没有立刻恢复,是煤层消失的直接原因,气候与埋藏条件也在变,泥炭堆积速率明显下降。

白色黏土是火山灰,锆石给出 252 百万年

这层黏土含大量蚀变的火山玻璃,还有锆石、磷灰石与 β-石英。锆石的铀铅年龄在 252.3 百万年左右,误差不到 0.1 百万年,与界线年龄一致,是华南少有的可靠定年点,附近还夹薄层凝灰岩。

火山灰的好处是同时性。灰落下来只用几天,横向上形成一层等时的薄毯,因此它能把不同剖面的界线对齐,比岩性可靠得多,也比单一化石带更容易在井下识别。

黏土层横向上能追几十公里

在浙江长兴煤山,界线附近有两层白色黏土,中间夹着 2–5 厘米的薄层灰岩。这两层在几公里内厚度稳定,到了盆地边缘才变薄消失,最薄处不足 1 厘米,井下靠它对比煤层顶板的位置。

同一层黏土在不同剖面上厚度不同,层序却不变。厚度变化反映的是距火山口的远近,不是时间差别,这一点常被误读成穿时,进而在对比时把层位错开;厚度不能当时间用,井下尤其容易忽略。

煤的消失是区域性的,不代表全球

华北与西北的同期地层以陆相红层为主,本来就不含煤,不能用煤层判断界线。海相剖面靠牙形石,陆相剖面靠孢粉与火山灰,两套标志各管一段,不能互相替代,界线位置要靠火山灰确认。

二叠纪末海生种消失约 81%–90%,陆生植物也发生大规模更替。煤层与孢粉的变化幅度接近,说明陆地与海洋的事件几乎同时,这一同步性是全球对比的基础,孢粉组合的变化也很明显。

关键数据

下列数字来自华南的矿井剖面与露头剖面,煤层厚度随产地变化较大。

  • 界线年龄约 252 百万年前
  • 火山灰锆石年龄 252.3 百万年
  • 界线黏土层厚 2–10 厘米
  • 缺煤期持续约 10 百万年
  • 海生种消失 81%–90%
  • 黏土层横向可追数十公里
  • 华南煤系含煤 10–30 层
  • 单层煤厚多在 0.5–3 米

煤层尖灭也可以由海侵造成

海水推进会把泥炭沼泽淹掉,煤层同样在横向上尖灭。区别在顶板:海侵的顶板是含海相化石的泥岩或灰岩,事件顶板是带火山灰的白色黏土,二者的化石内容完全不同。

另一个陷阱是冲刷。河流可以把煤层顶部的黏土冲掉,只留下凹凸的冲刷面,这时界线层缺失,年龄只能靠上下层位夹逼,误差可到几米,定年精度随之下滑。

参考文献

  • Shen, S. Z. et al. Calibrating the end-Permian mass extinction. Science, 2011, 334: 1367–1372.
  • Retallack, G. J., Veevers, J. J. & Morante, R. Global coal gap between Permian–Triassic extinction and Middle Triassic recovery of peat-forming plants. GSA Bulletin, 1996.
  • Erwin, D. H. Extinction: How Life on Earth Nearly Ended 250 Million Years Ago. Princeton University Press, 2006.
  • 全国地层委员会.《中国地层表(2014)》. 地质出版社, 2014.
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文章名称:二叠纪末的煤层顶板:一层白色黏土压住整片煤系
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