滇東南晚寒武世-早奧陶世唐家壩組-博菜田組碳酸鹽巖碳氧同位素特征及意義

王春林，李小軍

滇東南晚寒武世-早奧陶世唐家壩組-博菜田組碳酸鹽巖碳氧同位素特征及意義

王春林1，李小軍2

（1 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇三地質(zhì)隊(duì)，四川 峨眉山 614200；2 云南省地質(zhì)調(diào)查院，昆明 650216）

滇東南晚寒武世-早奧陶世為一套碳酸鹽巖夾陸源碎屑巖沉積建造，沉積相為開闊臺(tái)地相向淺海陸棚相過渡特征，沉積水體從早到晚表現(xiàn)出動(dòng)蕩變深特征，巖石組合表現(xiàn)出多個(gè)下粗上細(xì)沉積韻律特征，為退積型沉積序列。筆者對(duì)該套地層碳氧同位素研究工作，結(jié)果顯示：δ13C測(cè)試值介于-0.96‰～3.21‰，平均0.41‰；δ18O測(cè)試值介于-11.48‰～-9.35‰，平均-10.12‰。碳酸鹽巖樣品δ13C、δ18O值受后期成巖作用影響較小，基本保留了原始沉積環(huán)境碳氧同位素組成特征。碳同位素值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，局部有波動(dòng)特征，共出現(xiàn)2次正漂移事件和2次負(fù)漂移事件。其中P1正漂移事件與寒武紀(jì)全球性正漂移事件SPICE基本相符，與寒武紀(jì)生物多樣性恢復(fù)有關(guān)；其余碳同位素漂移事件可能是因沉積環(huán)境（巖相古地理、古鹽度和古溫度）局部變化引起。利用碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)對(duì)古環(huán)境恢復(fù)結(jié)果表明：晚寒武世-早奧陶世研究區(qū)處于海相沉積環(huán)境，古海洋鹽度值從早到晚呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，古海水溫度介于21.55℃～31.41℃，平均25.02℃。說明當(dāng)時(shí)處于溫暖或炎熱的亞熱帶氣候。

碳氧同位素；古鹽度；晚寒武世；早奧陶世；碳酸鹽巖；滇東南

1 概述

滇東南位于揚(yáng)子板塊西南緣，為一套碳酸鹽巖夾陸源碎屑巖沉積建造。不少學(xué)者對(duì)揚(yáng)子板塊西南緣寒武系巖石地層進(jìn)行過大量研究工作，累積了大量地層層序、巖相古地理及古環(huán)境等方面科研成果[5,10,16,18-20,32]。未受到后期成巖作用影響的碳酸鹽巖穩(wěn)定同位素組成信息基本能夠代表古代海水穩(wěn)定同位素組成特征，可為判斷古海洋沉積環(huán)境提供有力證據(jù)[30-31]。近年來不少學(xué)者利用碳氧同位素對(duì)古海洋鹽度、溫度及古海平面變化方面的研究取得較大成果[1,7-8,15,24-25,28]。筆者對(duì)研究區(qū)晚寒武世-早奧陶世唐家壩組-博菜田組碳酸鹽巖地層系統(tǒng)采樣，通過碳氧穩(wěn)定同位素測(cè)試工作，分析該地區(qū)碳酸鹽巖地層碳氧同位素的組成和變化規(guī)律，并對(duì)該時(shí)期古氣候、古海洋環(huán)境進(jìn)行解釋，借以探討及恢復(fù)該段地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)研究區(qū)所處古地理環(huán)境。

圖1 研究區(qū)晚寒武世-早奧陶世巖相古地理圖[18]

2 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于揚(yáng)子板塊西南緣，康滇古陸東部。在晚寒武世-早奧陶世時(shí)區(qū)內(nèi)沉積了一套碳酸鹽巖夾陸源碎屑巖沉積建造，馬永生等[18]認(rèn)為其形成于開闊臺(tái)地相古地理環(huán)境（圖1）。本次工作將區(qū)域內(nèi)晚寒武世-早奧陶世地層劃分為寒武系上統(tǒng)唐家壩組和寒武系-奧陶系博菜田組（圖2）。

唐家壩組可分兩段，第一段巖性為中薄層泥巖、薄層泥質(zhì)粉砂巖和鈣質(zhì)粉砂巖，水平紋層發(fā)育，產(chǎn)三葉蟲和腕足等狹鹽度動(dòng)物化石；二段總體為一套碳酸鹽巖沉積夾薄層狀泥質(zhì)粉砂巖，碳酸鹽巖中含三葉蟲化石及生物碎屑；博菜田組為碳酸鹽巖和陸源碎屑巖組成的多個(gè)韻律沉積層，巖石層理較發(fā)育，產(chǎn)三葉蟲、腕足類化石及生物碎屑。區(qū)內(nèi)上寒武統(tǒng)-下奧陶統(tǒng)地層巖石總體呈現(xiàn)多個(gè)下粗上細(xì)韻律特征，主體為退積型沉積序列。

3 樣品采集和分析方法

本次研究所采集樣品均來自唐家壩組和博菜田組地層中碳酸鹽巖。同位素樣品主要選取新鮮巖樣，采樣時(shí)盡量避免方解石脈及重結(jié)晶作用發(fā)育部位和風(fēng)化作用影響強(qiáng)烈部位，所選樣品盡量避免成巖作用對(duì)穩(wěn)定同位素組成特征的影響，盡可能保證能反映原始沉積環(huán)境穩(wěn)定同位素組成特征。本次共采集測(cè)試巖樣25塊，樣品加工和測(cè)試工作由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心同位素地球化學(xué)研究室完成。樣品碳氧同位素組成采用GasBenchⅡ和質(zhì)譜儀MAT253聯(lián)機(jī)分析完成。將裝有適量樣品瓶置于GasBenchⅡ恒溫槽中，He氣吹掃完空氣后加入6滴磷酸，恒溫反應(yīng)至少4小時(shí)后，將反應(yīng)生成的CO2通過氦氣經(jīng)70℃的色譜柱分離后進(jìn)入質(zhì)譜儀MAT253測(cè)定碳氧同位素值。碳氧同位素測(cè)定值測(cè)量精度均為0.01‰。

圖2 地質(zhì)簡(jiǎn)圖及剖面位置

4 測(cè)試結(jié)果

表1列出本次25塊碳酸鹽巖樣品碳氧同位素測(cè)定值，統(tǒng)計(jì)表明：滇東南晚寒武世-早奧陶世地層碳酸鹽巖δ13C測(cè)試值介于-0.96‰～3.21‰，平均值0.41‰，大部分碳酸鹽巖樣品δ13C測(cè)試值介于-1‰～2‰，與正常海相碳酸鹽巖[31]0‰～2‰的δ13C值基本相符。δ18O測(cè)試值介于-11.48‰～-9.35‰，平均值-10.12‰。碳酸鹽巖碳氧同位素組成因受后期成巖作用影響，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試值無法完整和真實(shí)地反映碳酸鹽巖是否遭受后期成巖蝕變作用影響[6，27]，氧同位素值受沉積期后熱水流體、大氣降水及同位素分餾及交換作用等因素影響會(huì)發(fā)生明顯變化。因此氧同位素值在判斷巖石是否遭受沉積期后變化方面應(yīng)用廣泛。利用碳氧同位素相關(guān)性特征來判斷樣品是否遭受成巖作用影響的方法基本可行[37，39]，認(rèn)為碳氧同位素不具有明顯相關(guān)性即可判斷碳酸鹽巖樣品基本未遭受沉積期后變化影響，樣品基本保存了原始沉積環(huán)境的碳氧同位素組成信息。同時(shí)也有少數(shù)學(xué)者[2,34-35]認(rèn)為碳酸鹽巖氧同位素值大于-10‰可作為碳酸鹽巖受沉積期后影響較弱的判斷標(biāo)志。本文所獲取25件碳氧同位素測(cè)試值相關(guān)性系數(shù)為0.256（圖3），表明二者具有弱相關(guān)關(guān)系，同時(shí)氧同位素測(cè)試值多接近-10‰，因此可以認(rèn)為本次所選測(cè)試樣品穩(wěn)定同位素測(cè)試值受后期成巖作用影響較弱，可信度較好，可用于古環(huán)境研究。

表1 滇東南晚寒武世碳酸鹽巖碳、氧同位素測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試單位：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心同位素地球化學(xué)研究室，測(cè)試時(shí)間：2016.10

圖3 滇東南晚寒武世-早奧陶世碳酸鹽巖碳、氧同位素關(guān)系圖

圖4 滇東南晚寒武世-早奧陶世碳酸鹽巖碳、氧同位素特征與古環(huán)境特征

5 碳同位素特征

一般來說碳酸鹽巖碳同位素受沉積介質(zhì)中有機(jī)碳含量、有機(jī)碳埋藏速率和形成碳酸鹽巖的氧化-還原條件等因素影響較大[11]。氧化環(huán)境下形成的碳酸鹽巖具貧δ13C富δ12C特征，還原環(huán)境下則表現(xiàn)相反特征。因有機(jī)碳通常富12C，所以當(dāng)有機(jī)碳埋藏速率較快時(shí)，會(huì)導(dǎo)致自然界碳庫(kù)和水中無機(jī)碳相對(duì)富集13C，此時(shí)沉積的碳酸鹽巖13C值就偏高[23]。而海洋有機(jī)碳埋藏速率受生物繁盛情況、全球氣候冷暖變化以及海平面變化控制。當(dāng)海水清澈，陽(yáng)光充足，海洋生物大量繁殖，會(huì)吸收水體中的12C，從而使得水體13C含量增加；而生物大量死亡，生物生產(chǎn)力急劇降低，會(huì)使得沉積介質(zhì)中富含12C而貧13C[11,26]；溫度大幅度變化會(huì)導(dǎo)致狹溫度生物大量死亡，海洋生產(chǎn)力也隨之急劇下降，會(huì)使得沉積介質(zhì)中富含12C而貧13C；同時(shí)水體表層溫度變化會(huì)導(dǎo)致水體溶解大氣中CO2的能力變化，當(dāng)水體表層溫度下降時(shí)，CO2溶解度增大，與之對(duì)應(yīng)時(shí)期內(nèi)沉積的碳酸鹽巖表現(xiàn)出13C下降趨勢(shì)[27]；海平面上升時(shí)，有機(jī)碳埋藏速率增大，同時(shí)古陸剝蝕面積減小，進(jìn)入到海洋的有機(jī)碳減少，此時(shí)沉積的碳酸鹽巖13C含量增加[21]。海相碳酸鹽巖的δ13C含量增多，表明該段地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)海洋生產(chǎn)力高，反之亦然。有研究表明同位素分餾和交換作用對(duì)δ13C值影響微弱[11,32]，地質(zhì)年代對(duì)海相碳酸鹽巖的δ13C值影響是一個(gè)長(zhǎng)期變化的過程，被稱作“年代效應(yīng)”，這種變化趨勢(shì)基本不受沉積作用和沉積相變控制[11]。

本次晚寒武世-早奧陶世地層剖面中碳酸鹽巖δ13C測(cè)試值介于-0.96‰～3.21‰，平均0.41‰，大部分碳酸鹽巖樣品δ13C測(cè)試值介于-1‰～2‰之間，與正常海相碳酸鹽巖[31]0‰～2‰的δ13C值基本相當(dāng)。根據(jù)碳同位素演化趨勢(shì)（圖4），本地區(qū)共出現(xiàn)2次明顯的正漂移事件（P1、P2）和2次負(fù)漂移事件（N1、N2）。P1正漂移事件位于唐家壩組中下部巖石樣品中，δ13C測(cè)試值3.21‰，發(fā)生明顯正漂移，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)該正漂移事件可能與寒武紀(jì)全球性δ13C正漂移事件SPICE相關(guān)[38]，分析可能是因?yàn)樵摱螘r(shí)期內(nèi)本地區(qū)海洋環(huán)境為溫暖清澈環(huán)境，海洋生物多樣性恢復(fù)，海洋生產(chǎn)力迅速升高，導(dǎo)致有機(jī)碳中12C富集，從而引起δ13C明顯變高；P2正漂移事件位于博菜田組中部巖石樣品中，該事件為局部海洋沉積環(huán)境變化導(dǎo)致，不具備全球?qū)Ρ刃再|(zhì)，分析可能是受沉積介質(zhì)溫度及鹽度的影響，生物活動(dòng)性局部增強(qiáng)，海洋生產(chǎn)力局部變化原因所致。N1負(fù)漂移事件位于唐家壩組與博菜田組交接部位，與全球性寒武紀(jì)δ13C負(fù)漂移TOCE事件發(fā)生部位相當(dāng)，但有學(xué)者[3]認(rèn)為該TOCE事件不具備全球性。筆者認(rèn)為該段沉積時(shí)期內(nèi)沉積介質(zhì)溫度穩(wěn)定，鹽度變化不大，沉積水體波動(dòng)性較小，且負(fù)漂移程度相對(duì)不明顯，因此認(rèn)為該負(fù)漂移事件是由局部海洋沉積環(huán)境變化導(dǎo)致，與全球性寒武紀(jì)δ13C負(fù)漂移TOCE事件無關(guān)；N2負(fù)漂移事件位于博菜田組中上部，該事件明顯受沉積介質(zhì)溫度和鹽度變化影響，該套地層中采集大量三葉蟲及腕足類化石。因此本次負(fù)漂移事件可能是海水動(dòng)蕩引起大量底棲生物死亡從而導(dǎo)致海洋生產(chǎn)力急速下降所致。

6 氧同位素特征

古老巖石樣品中氧同位素對(duì)環(huán)境的指示意義較差，容易受介質(zhì)溫度和濃度影響[11]。后期成巖作用中重結(jié)晶作用、白云巖化作用、同位素分餾作用、交換作用以及淡水淋濾作用均會(huì)對(duì)原始碳酸鹽巖沉積物中氧同位素產(chǎn)生較大影響[4,12]。因此少有學(xué)者單獨(dú)使用氧穩(wěn)定同位素來分析古環(huán)境，而是綜合碳氧穩(wěn)定同位素及其他同位素結(jié)合的方法來進(jìn)行古環(huán)境分析。滇東南晚寒武世-早奧陶世地層碳酸鹽巖樣品氧同位素測(cè)試值介于-11.48‰～-9.35‰，平均值-10.21‰?？傮w來看，唐家壩組和博菜田組底部碳酸鹽巖氧同位素組成較穩(wěn)定，波動(dòng)幅度較小，博菜田下部及中上部碳酸鹽巖氧穩(wěn)定同位素波動(dòng)較大（圖4）。

7 沉積環(huán)境分析

7.1 古海洋鹽度

表2 滇東南晚寒武世-早奧陶世沉積環(huán)境古溫度、古鹽度數(shù)據(jù)

研究表明，碳氧同位素值與古海洋鹽度有較大關(guān)聯(lián)，且二者一般存在正相關(guān)關(guān)系，即碳氧同位素值越大，與之對(duì)應(yīng)沉積環(huán)境的海水鹽度值就越大，碳酸鹽巖沉積環(huán)境中鹽度變化時(shí)，巖石中碳同位素值也隨之發(fā)生變化[33]?，F(xiàn)代研究中多采用Z值大小來定性判斷沉積環(huán)境水體鹽度，一般采用Z值等于120來區(qū)分淡水相和海相沉積環(huán)境，當(dāng)Z值小于120時(shí)，認(rèn)為其形成于淡水沉積環(huán)境，當(dāng)Z值大于120時(shí)，則表示其形成于海相沉積環(huán)境[29,36]，而Z值的絕對(duì)大小則可表示沉積水體鹽度相對(duì)高低。利用Keith[36]對(duì)Z值的計(jì)算公式計(jì)算得出25塊滇東南晚寒武世-早奧陶世地層碳酸鹽巖樣品Z值（表2），可以看出除TY21樣品Z值接近120之外，其余樣品Z值均大于120，說明當(dāng)時(shí)整體處于海相沉積環(huán)境，低值樣品可能是因?yàn)闃悠凡杉蛘邩悠肥艽髿獾蜿懺春恿餮a(bǔ)給影響的環(huán)境中[9,13,28]?？傮w而言，研究區(qū)晚寒武世-早奧陶世沉積水體鹽度分布較穩(wěn)定，早期唐家壩組時(shí)水體鹽度相對(duì)較高，隨著時(shí)間推移沉積水體鹽度值有逐漸降低趨勢(shì)（圖4），博菜田組中部出現(xiàn)一次水體鹽度值波動(dòng)情況，可能與古海平面變化和陸源淡水補(bǔ)充流量下降有關(guān)。

7.2 古海水溫度

古老巖石樣品中氧同位素對(duì)環(huán)境的指示意義較差，沉積介質(zhì)溫度和濃度的變化以及后期成巖作用中的重結(jié)晶作用、白云巖化作用、同位素交換和分餾作用以及淡水淋濾作用均會(huì)對(duì)巖石中氧穩(wěn)定同位素組成特征產(chǎn)生明顯影響。因此在使用氧同位素時(shí)必須考慮其“年代效應(yīng)”。目前采用第四紀(jì)海相碳酸鹽巖氧同位素平均值-1.2‰為年代效應(yīng)校正標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛應(yīng)用[22]，采用這一標(biāo)準(zhǔn)校正后的氧同位素值計(jì)算成巖介質(zhì)溫度時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)果多數(shù)在40℃到65℃之間，這顯然不能真正代表當(dāng)時(shí)成巖介質(zhì)溫度。有學(xué)者[17]提出寒武紀(jì)海水氧同位素值為-8.0‰，采用這一標(biāo)準(zhǔn)校正本次測(cè)試樣品的氧同位素值，經(jīng)校正后計(jì)算本次樣品成巖介質(zhì)溫度介于21.55℃～31.41℃，平均值25.02℃（表2）。而古地磁學(xué)的研究成果表明在寒武紀(jì)時(shí)研究區(qū)位于北緯30°，東經(jīng)105°[14]。說明當(dāng)時(shí)處于一個(gè)溫暖或者炎熱的亞熱帶氣候。

8 結(jié)論

1）研究區(qū)在晚寒武世-早奧陶世時(shí)處于海相沉積環(huán)境，沉積相為開闊臺(tái)地相向淺海陸棚相過渡，沉積水體從早到晚表現(xiàn)出動(dòng)蕩變深，表現(xiàn)出多個(gè)下粗上細(xì)沉積韻律特征，主體為退積型沉積序列。

2）研究區(qū)碳酸鹽巖碳同位素值介于-0.96‰～3.21‰，平均值0.41‰；氧同位素值介于-11.48‰～-9.35‰，平均值-10.12‰。碳同位素值總體呈下降趨勢(shì)，局部相對(duì)波動(dòng)，出現(xiàn)2次正漂移和2次負(fù)漂移事件，P1正漂移事件可能與寒武紀(jì)生命多樣性恢復(fù)有關(guān)，其他漂移事件可能與沉積環(huán)境（巖相古地理、溫度和鹽度）局部變化有關(guān)。經(jīng)計(jì)算得出該段地質(zhì)歷史時(shí)期古海水溫度介于21.55℃～31.41℃，屬一個(gè)相對(duì)溫暖或者炎熱的亞熱帶氣候。

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δ13C and δ18O Values and Their Significances for the Upper Cambrian-Lower Ordovician Tangjiaba Formation-Bocaitian Formation in Southeast Yunnan

WANG Chun-lin1LI Xiao-jun2

(1-No. 403 Geological Team, BGEEMRSP, Emeishan, Sichuan 614200; 2-Yunnan Institute of Geological Survey, Kunming 650216)

The UpperCambrian-LowerOrdovician in southeast Yunnan is a set of sedimentary formation of carbonate rocks intercalated with terrigenous clastic rocks. The sedimentary facies is open platform facies transitioning to shallow sea shelf facies. The Rock associationis characterized by multiple lower coarse to upper fine sedimentary rhythms characteristic of retrograding sequence. δ13C values of carbonate rock samples range from -0.96‰ to3.21‰ with theaverage of 0.41‰ and δ18O values change from -11.48‰to-9.35‰ with the average of -10.12‰ which indicates thatthe characteristics of carbon and oxygen isotopic composition in the original sedimentary environment are basically preserved. The δ13C valuesindicate a general decreasing trend with local fluctuation, showing two positive drift events and two negative drift events. Results ofpaleoenvironment restoration by δ13Cand δ18O valuesindicate that the research area during Late Cambrian-Early Ordovician was in a marine sedimentary environment with agradually decreased paleo-ocean salinity and palaeo-sea temperature of 21.55-31.41℃, representing a warm or hot subtropical climate.

δ13Cand δ18O values; paleo-ocean salinity; Late Cambrian; Early Ordovician; carbonate rock; southeast Yunnan

2019-12-01

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目（12120114072701,12120100000150008-04）

王春林（1989.03-），男，四川武勝縣，工程師，研究方向：礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)及同位素地球化學(xué)

P597.2

A

1006-0995（2020）04-0680-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.032