晉西撓褶帶北部奧陶系古海水鹽度與溫度研究

【摘要】通過(guò)對(duì)晉西撓褶帶北部奧陶系露頭碳酸鹽巖的系統(tǒng)采樣，全面分析了該地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖的碳、氧同位素特征，進(jìn)而探討了該地區(qū)海相碳酸鹽巖形成時(shí)古海水鹽度與溫度特征。Z值越小，δ13C越偏向負(fù)值，反映碳酸鹽巖受到后期成巖作用、淡水淋濾作用的影響越強(qiáng)烈。通過(guò)碳氧同位素值定量計(jì)算得到成巖溫度，從而定性判別在埋藏環(huán)境下的相對(duì)埋深大小、成巖作用的強(qiáng)弱。

【關(guān)鍵詞】古海水鹽度與溫度；碳酸鹽巖；奧陶系；晉西撓褶帶

1、研究區(qū)地質(zhì)概況

晉西撓褶帶作為鄂爾多斯盆地的東部邊緣，是燕山運(yùn)動(dòng)使呂梁山上升并向西推擠，并加上基底斷裂的影響，所形成的南北走向的構(gòu)造帶。研究區(qū)位于晉西撓褶帶北部，地理位置在晉陜交界的黃河以東，呂梁山脈以西，東起離石，西至柳林，南抵中陽(yáng)，北達(dá)興縣。該區(qū)廣泛出露下古生界奧陶系碳酸鹽巖露頭。受華北海、秦祁海和中央古隆起的影響，晉西撓褶帶主要發(fā)育下奧陶統(tǒng)冶里組、亮甲山組和馬家溝組，主要為淺水碳酸鹽巖臺(tái)地相沉積。

2、鹽度與溫度研究

通過(guò)對(duì)晉西撓褶帶北部奧陶系露頭碳酸鹽巖的系統(tǒng)采樣，進(jìn)一步分析了碳酸鹽巖碳氧同位素的組成特征，定性或定量研究了其形成時(shí)古海水的鹽度、溫度等性質(zhì)。

2.1鹽度與Z值

開闊大洋中，鹽度基本保持一致，δ13C、δ18O值受鹽度變化影響較小。但是，海水因大氣降水、陸源淡水及冰川融水的注入使其鹽度降低，從而δ13C、δ18O值降低；因蒸發(fā)作用使其鹽度升高，從而δ13C、δ18O值升高，因而不同環(huán)境下形成的海相碳酸鹽巖其δ13C、δ18O值存在差異。

Keith和Weber通過(guò)研究提出了區(qū)分侏羅紀(jì)及時(shí)代更新的海相灰?guī)r和淡水相灰?guī)r的鹽度公式：

Z=2.048（δ13CPDB+50）+0.498（δ18OPDB+50） （1）

Z值可以作為判別海陸環(huán)境的參考標(biāo)志，當(dāng)Z>120時(shí)為海相，Z<120時(shí)為陸相。應(yīng)用此公式時(shí)，要考慮到任何一種巖石中碳酸鹽的同位素組成不僅取決于沉積時(shí)的環(huán)境，而且還取決于沉積后的同位素交換作用。

研究區(qū)在早奧陶世為碳酸鹽臺(tái)地，是一個(gè)典型的淺水的、局限的、低能、基底起伏小、蒸發(fā)作用強(qiáng)的克拉通內(nèi)的陸表海，所采集的馬家溝組碳酸鹽巖樣品均形成于上述陸表海環(huán)境。通過(guò)對(duì)碳氧同位素特征研究發(fā)現(xiàn)，雖氧同位素組成因成巖作用影響可能稍有改變，但碳同位素因沉積后的同位素置換作用相對(duì)較弱，能相對(duì)穩(wěn)定地保持了原始同位素組成，因此該公式在本文研究中仍具一定判別意義。

利用公式（1）對(duì)樣品沉積環(huán)境Z值進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)于Z值大于120的樣品，表明它們受后期成巖作用的影響較弱，能較好反映海水成巖環(huán)境；但是部分樣品由于受到后期成巖作用、淡水淋濾作用的影響，致使Z值小于120，從而顯示海水成巖環(huán)境較弱。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Z≤120的樣品δ13C值為-6.18～-0.76，Z>120的樣品δ13C值為-1.4～0.24，說(shuō)明δ13C值越偏向負(fù)值，反映碳酸鹽巖受到后期成巖作用、淡水淋濾作用的影響越強(qiáng)烈，而δ13C值越指向較高值，則反映碳酸鹽巖受到后期成巖作用、淡水淋濾作用的影響較弱。碳同位素組成與Z值關(guān)系見圖1所示。

2.2溫度

在物質(zhì)和能量的自然體系中，溫度是同位素分餾的主控因素，溫度測(cè)定的基本原理是兩種物質(zhì)或兩種物相之間達(dá)到或接近同位素平衡的條件下，同位素平衡分餾與溫度存在直接的函數(shù)關(guān)系，因此可以用同位素平衡分餾來(lái)確定平衡時(shí)所處的溫度[1]。

Gasse等人基于前人的研究，提出了目前廣泛應(yīng)用的古溫度計(jì)算公式：

t=16.9-4.38（δ18OC-δ18OW+0.27）+0.10（δ18OC-δ18OW+0.27）2 （2）

公式表明，在同位素平衡條件下，從海水中析出的碳酸鹽的δ18O與其宿生水體之間的δ18O之差是溫度的函數(shù)。

通過(guò)公式（2）計(jì)算成巖溫度變化范圍是64.61℃～116.90℃，其中灰?guī)r變化范圍是71.49℃～116.90℃，平均成巖溫度88.86℃；含云灰?guī)r及云質(zhì)灰?guī)r變化范圍是64.61℃～100.83℃，平均成巖溫度79.21℃；云巖變化范圍是66.39℃～108.00℃，平均成巖溫度87.21℃。當(dāng)碳酸鹽沉積物埋深至一定值時(shí)，必然會(huì)發(fā)生重結(jié)晶作用，這種粒度變化的最直接原因是溫度的增加[2]。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)不同巖性碳酸鹽巖樣品的成巖溫度存在差異（如表1），晶粒碳酸鹽巖的平均成巖溫度要高于泥晶碳酸鹽巖的平均成巖溫度，很好地揭示了碳酸鹽沉積物在埋藏成巖過(guò)程中隨埋深的增加，溫度升高，受重結(jié)晶作用的影響增強(qiáng)。因此，利用穩(wěn)定碳氧同位素值定量計(jì)算成巖溫度，可以定性判別在埋藏環(huán)境下的相對(duì)埋深大小、成巖作用（重結(jié)晶作用）的強(qiáng)弱。

3、結(jié)論

（1）不同巖性碳酸鹽巖樣品的成巖溫度存在差異。利用穩(wěn)定碳氧同位素值定量計(jì)算得出的成巖溫度，可以定性判別在埋藏環(huán)境下的相對(duì)埋深大小、成巖作用（重結(jié)晶作用）的強(qiáng)弱。

（2）Z值越小，顯示海水成巖環(huán)境較弱，δ13C值越偏向負(fù)值，反映出碳酸鹽巖受到后期成巖作用、淡水淋濾作用的影響越強(qiáng)烈。

參考文獻(xiàn)

[1]陳道公，支霞臣，楊海濤.地球化學(xué)（第2版）[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009：310～348.

[2]陳榮坤.穩(wěn)定碳同位素在碳酸鹽巖成巖環(huán)境研究中的應(yīng)用[J].沉積學(xué)報(bào)，1994，12（4）：11～21.

作者簡(jiǎn)介

王帥，26歲，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閮?chǔ)層地質(zhì)學(xué)。