云南蘭坪盆地古近系云龍組上段沉積環(huán)境研究
——來自碳、氧同位素的證據(jù)

沈立建, 劉成林, 王立成

中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京 100037

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云南蘭坪盆地古近系云龍組上段沉積環(huán)境研究
——來自碳、氧同位素的證據(jù)

沈立建, 劉成林*, 王立成

中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京 100037

摘 要:云南蘭坪盆地古近系云龍組地層記錄了盆地由淡水湖泊→鹽湖、干鹽湖→淡水湖泊沉積的一個完整的Ⅰ級韻律。在云龍組上段沉積了一套灰?guī)r地層, 上覆于云龍組上段含鹽層之上, 對此套灰?guī)r共取樣25 個, 測試結(jié)果顯示, δ13C和δ18O均為負值, δ13C介于–13.13‰ ～ –6.67‰之間, 均值為–11.57‰, δ18O介于–15.55‰ ～ –13.90‰之間, 均值為–15.02‰, δ13C和δ18O具有較小相關(guān)性(0.57), 表明當時湖泊封閉性較差。根據(jù)Z值和δ13C表明, 當時為陸相淡水或微咸水湖泊沉積, 含鹽度較低。根據(jù)經(jīng)驗公式計算所得溫度為35.5～44.3℃ , 平均為41.4℃。相對于現(xiàn)代湖水溫度, 當時水體溫度較高, 可能與PETM事件有關(guān)。因此, 整個云龍組沉積時期氣候炎熱干旱, 造成蒸發(fā)巖沉積中斷的主要原因為湖泊的封閉性降低。

關(guān)鍵詞:蘭坪盆地; 云龍組; 碳、氧同位素; 沉積環(huán)境; PETM

本文由國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(編號: 2011CB403007)資助。

在陸相湖泊沉積物中, 原生碳酸鹽中的碳、氧同位素組成是研究當時沉積環(huán)境的重要指標(Arenas et al., 1997; Leng and Marshall, 2004; 戚幫申等, 2015)。一般認為, 中生代以來的碳酸鹽穩(wěn)定同位素受成巖作用的影響較弱(張秀蓮, 1985)。此外成巖作用對碳酸鹽穩(wěn)定同位素尤其是碳同位素的影響與巖石中的碳酸鹽含量有關(guān), 當碳酸鹽含量小于10%時, 成巖作用的影響顯著, 而碳酸鹽含量較高時, 成巖作用對穩(wěn)定同位素的組成影響較小, 只要未經(jīng)過強烈的變質(zhì)或其他變化, 是可以代表碳酸鹽沉積時的原始同位素變化的(Knoll et al., 1986)。因此, 通過云龍組上段碳酸鹽巖中穩(wěn)定碳、氧同位素組成, 可以初步判斷當時湖泊的封閉性、古水溫、古鹽度等沉積環(huán)境, 重建古氣候和古環(huán)境(王春連等, 2013)。

滇西蘭坪盆地位于青藏高原東南緣、瀾滄江斷裂帶和金沙江斷裂帶之間, 是三江特提斯構(gòu)造帶的一部分, 屬于中新生代構(gòu)造沉積盆地(圖1), 南北長約270 km, 東西寬約70 km, 面積近2 000 km2(薛春紀等, 2002)。盆地形成后依次經(jīng)歷了印支期的裂谷(斷陷)作用、燕山期的坳陷作用和喜馬拉雅期的推覆—走滑—拉分作用為主的3個不同演化階段(牟傳龍等, 1999)。中生代以后, 統(tǒng)一的蘭坪盆地分化解體為兩個相對的小盆地: 蘭坪—云龍盆地和彌沙井—喬后盆地, 中間由雪邦山分隔(陶曉風(fēng)等, 2002)。

盆地內(nèi)古近系較為發(fā)育, 由老到新分別為云龍組(E1y)、果郎組(E2g)、寶相寺組(E2b)及漸新統(tǒng)(E3？), 新近系分布相對局限, 局部出露有上新統(tǒng)劍川組(N2j)。云龍組是區(qū)域含鹽層位, 與下伏的白堊系虎頭寺組呈假整合接觸, 可分為上下兩段: 下段主要為灰紫色鈣質(zhì)粉砂巖夾泥晶白云巖; 上段主要巖性為紫色、灰紫色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾灰綠色泥巖條帶及灰礫, 有蒸發(fā)巖沉積, 主要為石鹽(牟傳龍等, 1999)。

在蘭坪—思茅盆地, 主要的含鹽層系為思茅盆地的勐野井組和蘭坪盆地的云龍組, 并在思茅盆地發(fā)現(xiàn)中國唯一古代固體鉀鹽礦床, 蘭坪盆地含鹽系地層也有鉀礦化。眾所周知, 對于鉀鹽的形成, 需要水分劇烈蒸發(fā), 要求氣候持續(xù)干燥, 并且形成于封閉-半封閉的沉積盆地(錢自強等, 1994)。對于成鹽期的古氣候, 很多學(xué)者已經(jīng)進行了詳細的研究,袁秦等(2013)通過勐野井組孢粉組合反映了當時為干旱的熱帶亞熱帶氣候; 時林等(2011)利用蘭坪—思茅盆地含鹽系地層中黏土礦物的種類及含量, 認為成鹽階段古氣候較為干旱且具當時水體有較高的古鹽度。但對于成鹽期后的古氣候研究甚少, 成鹽期后的碎屑巖沉積是因為氣候由炎熱干旱變?yōu)闇嘏瘽駶? 還是盆地的封閉性發(fā)生變化還沒有定論, 本文試通過成鹽期后云龍組上段沉積的碳酸鹽巖碳、氧同位素來分析當時的沉積環(huán)境及盆地封閉性等關(guān)鍵問題。

圖1　蘭坪—思茅中新生代盆地地質(zhì)與構(gòu)造簡圖(據(jù)薛春紀等, 2002修改)Fig. 1 Sketch geological and tectonic map of Lanping–Simao Mesozoic–Cenozoic basin(modified after XUE et al., 2002)

1 研究方法

所采灰?guī)r樣品位于蘭坪盆地東北部, 采樣層位為云龍組上段與果郎組交界處: 云龍組頂部沉積的灰綠色泥質(zhì)灰?guī)r與上覆的果郎組灰紫色、紫紅色粉砂巖、泥巖呈整合接觸, 可與區(qū)域上對比(牟傳龍等, 1999)。共采樣25個, 灰?guī)r主體為灰綠、灰白色, 多呈薄層狀, 單層厚度以4～6 cm居多, 最厚可達10 cm。因為碳酸鹽含量的差異, 各層呈不同的顏色,碳酸鹽含量高的薄層顏色較輕, 碳酸鹽含量少的薄層顏色較深(圖2a), 碳酸鹽含量由底到頂具有降低的趨勢(圖2c)。

測試之前, 樣品經(jīng)去離子水清洗、60℃烘干、研磨至80目。碳酸鹽巖的碳、氧同位素分析采用100%磷酸法: 先將樣品和飽和磷酸分別裝進樣品管和樣品管支管, 抽真空后將酸和樣品混合反應(yīng), 在90℃以上水浴中加熱半小時, 充分反應(yīng)后, 用液氮冷井(約–196℃)收集二氧化碳氣體, 利用液氮冷井(約–196℃)和乙醇-液氮冷井(約–60℃)抽去雜氣純化后上儀器測試。儀器型號為德國Finnigan公司MAT252質(zhì)譜儀。樣品由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心地球化學(xué)測試部測試。部分樣品進行了XRD分析, 使用儀器為日本Rigaku公司生產(chǎn)的D/maxrA12KW旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀, 轉(zhuǎn)靶為Cu靶, 掃描角度2θ為3°～70°, 掃描步長為8°/min。

圖2　蘭坪盆地云龍組上段碳酸鹽巖特征及取樣層位(據(jù)曲一華等, 1998修改)Fig. 2 Sampling horizon and characteristics of carbonates from upper Yunlong Formation, Lanping basin(modified after QU et al., 1998)

2 測試結(jié)果及有效性

測試結(jié)果(表1)顯示, 云龍組上段碳酸鹽巖δ13C和δ18O均為負值, δ13C在–13.13‰ ～ –6.67‰之間, 均值為–11.57‰; δ18O在–15.55‰ ～ –13.90‰之間, 均值為–15.02‰。利用XRD對碳酸鹽巖樣品進行半定量分析, 結(jié)果顯示樣品碳酸鹽含量為50%～80%。

沉積期后, 碳酸鹽巖容易受到大氣水的影響,從而發(fā)生Sr的丟失和Mn的富集, Kaufman和Knoll(1995)將Mn/Sr<10作為碳酸鹽巖是否保留原始同位素的標準。本次研究的25個碳酸鹽巖樣品Mn/Sr比值介于1.28～11.37之間(沈立建等, 2015),只有一個樣品Mn/Sr比值>10(11.37), 均值為4.13,遠小于10; 所有樣品碳、氧同位素相關(guān)系數(shù)為0.57,相關(guān)性較差; 且碳酸鹽巖鏡下可觀察到方解石顆粒較細, 晶形幾乎不可見(圖2b)。這些均表明碳酸鹽巖樣品未受到或很少受到后期改造的影響, 能代表其原生碳、氧同位素組成。

3 沉積環(huán)境

Keith和Weber(1964)通過對灰?guī)r和含鈣化石的碳、氧同位素組成的研究, 認為對于侏羅紀以及年代更新的樣品, 可以應(yīng)用下面的公式(1)來判別海相碳酸鹽巖和淡水碳酸鹽巖:

式(1)中δ13C和δ18O均用PDB標準。Z值大于120, 被認定為海相碳酸鹽巖; Z值小于120, 被認定為淡水碳酸鹽巖(翟大興等, 2015), 云龍組上段碳酸鹽巖Z值計算結(jié)果如表1所示, Z值處于92～107之間, 全部小于120, 這說明當時為陸相淡水或微咸水湖泊沉積, 含鹽度較低。沉積物中的氧同位素組成會因沉積后的同位素交換作用而發(fā)生顯著變化,而這種作用對于碳同位素來說比較微弱。由于同位素交換作用, 使湖相淡水碳酸鹽巖與海相碳酸鹽巖中的δ18O值十分相似, 而δ13C值則表現(xiàn)出了明顯的差異, 所以, 利用δ13C來指示古鹽度是比較準確和可靠的(張秀蓮, 1985)。云龍組上段碳酸鹽巖δ13C在–13.13‰ ～ –6.67‰之間, 根據(jù)圖3可以看出, 屬于淡水碳酸鹽類, 也表明當時的湖水的含鹽度較低。

圖3　碳同位素在各種碳酸鹽巖和有關(guān)物質(zhì)中的分布(Schopf據(jù)Degens資料編繪, 1980修改)Fig. 3 The distribution of C isotope in carbonate and other related materials (data compilation by Schopf according to Degens, 1980)

表1　蘭坪盆地云龍組上段碳酸鹽巖碳、氧穩(wěn)定同位素組成(‰, PDB)Table 1 Carbon and oxygen isotopic compositions of the carbonate in upper Yunlong Formation, Lanping basin (‰, PDB)

介質(zhì)溫度對δ18O的影響遠大于對δ13C的影響,因此, 碳酸鹽巖氧同位素可以用來研究古水溫(張秀蓮, 1985)。雖然應(yīng)用在湖相碳酸鹽有一定的局限性, 但近年來, 該方法被很好地應(yīng)用到湖泊領(lǐng)域(張彭熹等, 1994; Leng and Marshall, 2004), 用來實現(xiàn)對湖泊古水溫的定量研究。Epstein于1953年首次建立了古溫度和δ18O的經(jīng)驗公式, 后經(jīng)校正和改進(Shackleton et al., 1973; Fontes et al., 1993), 計算公式表達為:

其中, t代表古溫度、δ18Oc代表25℃時樣品與磷酸反應(yīng)獲得的CO2測得的氧同位素值(PDB), δ18Ow代表25℃時CO2與當時水體平衡時氧同位素值(SMOW)。

水體表面蒸發(fā)時, 由于H216O的水蒸氣壓比H218O的高, 因此, 水蒸氣中富集16O, 虧損18O, 已知大氣降水的δ18O值在赤道附近接近于零, 向高緯度逐漸減小, 這就是所謂的“緯度效應(yīng)”(陳登輝等, 2011)。蘭坪盆地是印支地塊的北部延伸, 在古近紀沿紅河大斷裂走滑千余公里, 并伴隨著15°～20°的順時針旋轉(zhuǎn), 蘭坪—思茅盆地從中新世以來相對華南地塊向南偏轉(zhuǎn)或移動了300～500 km(曲一華等, 1998)。從將今論古的角度分析, 認為古近紀當時湖水的δ18O值為–10‰(SMOW)(羅維均等, 2008)。且所有樣品Sr/Ba比值＜0.75, 表明當時為淡水沉積(沈立建等, 2015), 鹽度較低, 對碳酸鹽巖碳、氧同位素影響較小。采用(2)式計算古水溫, 結(jié)果如表1所示, 計算所得的溫度為35.5～44.3℃ , 平均為41.4℃ , 但是對于利用氧同位素來計算古溫度時,沉積物與沉積水體是否達到同位素分餾平衡、古緯度等有關(guān)(Leng and Marshall, 2004), 所以這個結(jié)果存在誤差, 數(shù)值可能偏高, 但仍可表明當時沉積水體溫度較高。

δ13C和δ18O的相關(guān)系數(shù)為0.57, 小于0.7, 相關(guān)性較差, 一般認為屬于開放的古湖泊類型, 說明當時的湖泊處于一個比較開放型的環(huán)境中。而碳氧同位素的變化較小, 指示湖水的成分比較固定、湖面變化溫度變化較小、蒸發(fā)-輸入量相對平衡(Talbot, 1990)。

4 討論及結(jié)論

在云龍組蒸發(fā)巖沉積階段, 湖水蒸發(fā)濃縮、含鹽度較大, 發(fā)展為鹽湖沉積, 從而析出蒸發(fā)巖礦物如石鹽、鉀石鹽等。從δ13C及Z值來看, 蒸發(fā)巖析出之后, 湖水變淡, 轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴嗟蛭⑾趟闯练e, 含鹽度較低, 沉積了碳酸鹽巖。

云南地區(qū)湖泊水溫在21.7～27.3℃之間, 而蘭坪地區(qū)海拔較高, 湖水溫度略低于平均溫度(王蘇民和竇鴻身, 1998)。由經(jīng)驗公式(2)計算得出的當時古湖水溫度(35.5～44.3℃, 平均為41.4℃)明顯高于現(xiàn)代湖水溫度, 聯(lián)系到云龍組的形成時代, 我們有理由懷疑在碳酸鹽巖沉積時期, 盆地處于古新世和始新世界面的極熱氣候(PETM)中。在這一時期, 溫室氣體增加、全球氣溫升高、短期內(nèi)極端干旱、碳酸鹽碳同位素發(fā)生負漂移、水體生產(chǎn)力增強和方解石的補償深度降低等(Kraus and Riggins, 2007; Tipple et al., 2011; Yamaguchi et al., 2012)。而關(guān)于云龍組的形成時代歷來爭議很多, 多數(shù)學(xué)者認為蘭坪盆地的云龍組跟思茅盆地的勐野井組屬于同一形成時代, 屬古近紀古新世(帥開業(yè), 1987; 曲一華等, 1998), 也有人認為云龍組和勐野井組并不能進行很好的對比(李代蕓, 1987), 但勐野井組本身也具有很大的爭議, 根據(jù)介形類化石組合及孢粉等化石組合將勐野井組劃為古新統(tǒng)(曲一華等, 1998), 袁秦等(2013)和Wang等(2015)分別利用勐野井組含鹽系地層中孢粉組合和勐野井地層中凝灰?guī)r鋯石定年將勐野井組地層劃分為中—晚白堊世。而中國唯一固體鉀鹽礦床——勐野井鉀鹽礦床(劉成林等, 2006)形成于高溫干旱的氣候條件下。若想確認云龍組上段形成時是否處于PETM事件期間, 還需要對云龍組進行其他氣候指標和精細的年代學(xué)研究, 并對云龍組和勐野井組進行詳細的對比。因此, 云龍組上段沉積時期湖水含鹽度較低, 湖水溫度較高, 氣候炎熱。

根據(jù)碳、氧同位素的相關(guān)性(0.57)表明, 當時的湖泊封閉性較差, 而由成鹽期至成鹽期后的碎屑巖沉積階段, 氣候干旱炎熱, 因此, 成鹽期后較差的湖泊封閉性是造成蒸發(fā)巖未能沉積的主要原因。

致謝： 野外工作得到了中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所范建福博士和王笛同學(xué)的大力支持, 測試工作由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心地球化學(xué)測試部王艷老師完成, XRD分析由中國地質(zhì)大學(xué)(北京)碩士研究生劉寶坤分析,在此一并表示衷心的感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by National Program on Key Basic Research Project (No. 2011CB403007).

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A Study of the Sedimentary Environment of the Upper Member of the Paleogene Yunlong Formation in Lanping Basin, Yunnan Province: Evidence from Carbon and Oxygen Stable Isotopes

SHEN Li-jian, LIU Cheng-lin*, WANG Li-cheng MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037

Abstract:Yunlong salt-bearing Formation in Lanping basin was formed in a strong arid environment in Paleogene. Yunlong Formation archived an entire first-class circle in the lake evolution, i.e., a fresh lake became a salt lake, then evolved into a playa and finally turned back to be a fresh lake again. Limestone strata were deposited in the upper Yunlong Formation. The authors collected 25 limestone samples in the upper Yunlong Formation, and the analysis of these samples shows that the δ13C and δ18O values range from –13.13‰ to –6.67‰ and from –15.55‰ to –13.90‰ respectively, with the average value of δ13C being –11.57‰, and that of δ18O being –15.02‰, and the correlation coefficient of δ13C and δ18O values is 0.57. According to Z values of all samples (ranging from 92 to 107, all lower than 120) and the composition of carbon isotopes, the lake was likely a continental fresh or brackish lake at that time, with relatively low water salinity. According to the empirical equation of paleotemperature calculation, the temperatures range from 35.5℃ to 44.3℃ , averagely 41.4℃ . The paleotemperature is relatively high, and might be correlated with M. Therefore, the paleoclimate was dry and hot during the generation of Yunlong Formation, and the termination of evaporite deposition was mainly caused by an open lake environment.

Key words:Lanping basin; Yunlong Formation; carbon and oxygen isotopic composition; paleoenvironment; PETM

中圖分類號:P597.2; P532

文獻標志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.06

收稿日期:2015-10-25; 改回日期: 2016-02-23。責(zé)任編輯: 張改俠。

第一作者簡介:沈立建, 男, 1986年生。博士研究生。主要從事礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)研究。E-mail: shenlijian1019@126.com。*通訊作者: 劉成林, 男, 1963年生。研究員, 博士生導(dǎo)師。主要從事鹽湖與鉀鹽礦床研究。E-mail: liuchengl@263.net。