晚古生代冰期(LPIA,~360-260Ma)的冰川发育是动态的,在间歇性变暖少冰或无冰的间冰期之间夹杂一系列的冰期,且在不同区域上表现出“异质性”的特征,所以导致晚古生代冰期气候剧烈变化的原因存在争议。目前一般认为p CO₂(大气二氧化碳分压)波动是气候变化的根本驱动因素,但导致p CO₂波动的原因存在不同的认识。对第四纪古气候的研究发现,冰期-间冰期气候变化会导致洋流上翻,从而影响浅海初级生产力水平,并对p CO₂起到重要的调控作用。但目前对晚古生代古海洋洋流的研究主要集中在宏观的全球洋流气候模型的建立上,在区域上针对晚古生代冰期上翻洋流存在的地质地球化学证据的研究仅有少量,而在扬子板块尚属于空白。本文对中国西南部贵州省安顺市紫云苗族布依族自治县宗地镇的一套以生物碎屑灰岩为主的连续沉积地层(威宁组地层)进行研究。本文在对紫云宗地威宁组碳酸盐岩地层进行野外观察研究的基础上,共采集110件样品制片,并在偏光显微镜下进行岩相学研究,从其中选取56件、61件、23件、4件样品(部分重复取样)分别进行微量地球化学分析、碳氧同位素分析,镉同位素分析及LA-ICP-MS微量成分分析。本文从沉积地球化学及晚石炭世古海洋生产力的角度论证上翻洋流存在的证据,并讨论其意义。 宗地剖面出露宾夕法尼亚系谢尔普霍夫阶到早二叠世阿瑟尔阶的威宁组连续沉积碳酸盐岩地层,野外见多处古风化壳等地表暴露标志,威宁组地层共记录了26次地表暴露事件。偏光显微镜下薄片中见大量叶状藻及(?)类化石,化石形态均较为完好,且见白云岩化灰岩及褐色悬垂式胶结等大气降水成岩作用标志,反映了这一时期频繁的海平面波动。56件碳酸盐岩样品经后太古代澳大利亚平均页岩(PAAS)标准化后的稀土元素配分曲线均表现为“左倾”型,轻稀土亏损,重稀土富集(Pr _N/Yb _N:0.16~0.68,平均值为0.36;Tb _N/Yb _N:0.51~1.28,平均值为0.90,n=56),具有显著的Ce负异常(0.15~0.70,平均值为0.34,n=56),无δEu异常(0.86~1.33,平均值为1.01,n=56),Y/Ho均大于45(47~71,平均值为60,n=56),表现为典型海水特征,且U/Th比值(0.88~46.82,平均值为10.33)仅存在两个数值处于0.75~1.25范围内,其他数据均大于1.25,指示氧化水体环境。Cd、Zn、Ba、Cu、Ni等类营养元素相对于平均页岩强富集(EF_Cd:1714;EF_Zn:144;EF_Ba:14;EF_Cu:36;EF_Ni:133),而相对于平均碳酸盐岩,仅Cd表现为强富集,且类营养元素富集因子均与陆源输入指标Ti、Zr相关性系数不大,反映了类营养物质来自深部海水。61件碳酸盐岩样品的δ¹³C_V-PDB与δ¹³O_V-PDB的值分别为-4.75‰~4.42‰(平均值为1.01‰,n=61)和-11.48‰~-1.07‰(-5.65‰),记录了莫斯科期至阿瑟尔期滇黔桂浅海台地相较高的初级生产力和有机碳埋藏比例,且与同期斜坡相纳庆剖面δ¹³C趋势一致。δ^114/110Cd的值在-0.29‰~0.55‰,平均值为0.1‰(2SD=0.08‰,n=23)。根据碳酸盐矿物与海水之间的Cd同位素分馏因子换算之后得到的晚石炭世古海水δ^114/110Cd _Seawater为-0.04‰~0.80‰,平均值为0.35‰,平均值接近现代海水底层水δ^114/110Cd _Seawater值。通过以上的野外调查研究及岩石地球化学分析结果,得到的主要结论如下: (1)贵州紫云宗地晚石炭世威宁组剖面大量浅海底栖(?)类等化石以及稀土元素地球化学证据表明其沉积时期古海洋为清洁、中等水动力强度的浅海强氧化环境; (2)宗地威宁组碳酸盐岩中Cd的主要来源是沉积物中有机质的再矿化分解,并在次氧化的硝酸盐还原孔隙水环境中富集导致碳酸盐岩中Cd的强富集,且EF_Cd(镉富集因子)可以作为海洋初级生产力的代用指标; (3)威宁组碳酸盐岩样品中类营养元素的富集,反映洋流的频繁上翻为碳酸盐岩台地海水带来了丰富的营养物质,促进叶状藻及其他浮游生物的繁盛,对p CO₂起到重要的调节作用; (4)威宁组碳酸盐岩样品碳氧同位素数据表明,该地层的大部分地质历史沉积时期古海洋forg(有机碳埋藏分数)与现代海洋差值不大,并非普遍认为的间冰期古海洋初级生产力高,而冰期的古海洋初级生产力低,与此同时证明作为浅海主要营养物质来源的上升洋流的长期存在。 (5)宗地威宁组剖面碳酸盐岩镉同位素表现为三个端元的混合成因,其贡献量为上升洋流>孔隙水>表层水,宗地剖面莫斯科期至格舍尔期古海洋发育的上翻洋流相较于巴什基尔期规模更大,持续性更长; (6)晚古生代冰期上翻洋流带来的营养物质促进海洋初级生产力的提高,可能会导致p CO₂的变化,进而影响这一时期冰川的进退,因此上翻洋流在晚古生代冰期气候波动中可能也发挥了重要作用,在后续的气候模拟研究中需要加以考虑。