渣爾泰山群及寶音圖群大理巖古沉積環(huán)境研究
——以內(nèi)蒙古霍各乞地區(qū)為例

趙偉光，夏楚林，陳磊

1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 102628

2.青海大學(xué)，西寧 810016

3.中國石油川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，西安 710018

0 引言

內(nèi)蒙古霍各乞位于狼山北側(cè)，區(qū)內(nèi)出露的元古界地層有渣爾泰山群和寶音圖群，這兩個巖群蘊(yùn)含豐富的地質(zhì)歷史演化信息，對于反演華北地臺北緣的古沉積環(huán)境和大地構(gòu)造演化過程具有重要的價值。中元古界渣爾泰山群記錄了自狼山—渣爾泰山裂陷槽裂解[1]以來的地質(zhì)歷史演化信息，是狼山造山帶內(nèi)非常重要的含礦地層。由于該巖群礦產(chǎn)資源儲量巨大，前人已對該地層進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要集中在地層層序劃分與對比、成巖年齡的限定、成礦條件分析、大地構(gòu)造演化的探討等多個方面[1-11]。這些研究成果在大的框架內(nèi)對渣爾泰山群的形成過程以及后期變化做出了表述，但對渣爾泰山群的沉積環(huán)境未做詳盡的報道，僅僅說明其形成于中元古代大陸邊緣裂谷環(huán)境，極少數(shù)學(xué)者對渣爾泰山群各個巖組的沉積環(huán)境進(jìn)行了探討[12]，但也只是泛泛而談。晚中元古界—早新元古界[13]寶音圖群研究較為貧乏，研究程度較低。前人對于寶音圖群的研究主要集中在兩方面，一是對于寶音圖群形成年代的限定，二是對于寶音圖群古構(gòu)造環(huán)境的示蹤，且這兩個研究方向大多以斜長角閃巖為研究對象[13-22]，卻鮮有關(guān)注與其密切共生的大理巖，而大理巖可以提供豐富的古環(huán)境信息。

內(nèi)蒙古渣爾泰山群和寶音圖群形成的具體沉積環(huán)境以及其沉積盆地的環(huán)境屬性特征還是一個亟待解決的問題?，F(xiàn)如今對于大理巖的研究技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，前人在大理巖的沉積環(huán)境研究方面已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗，主要的研究技術(shù)手段為地球化學(xué)分析，大理巖的C、O同位素可以有效地反映原始沉積環(huán)境的沉積相以及沉積相的屬性特征，同時還可以指示大理巖在成巖期后受到風(fēng)化作用、巖漿作用、變質(zhì)作用、構(gòu)造作用以及全球性地質(zhì)事件的影響程度。因此，鑒于渣爾泰山群和寶音圖群所蘊(yùn)含的科學(xué)價值以及大理巖C、O同位素特征對示蹤古沉積環(huán)境的有效性，筆者從渣爾泰山群和寶音圖群大理巖的C、O同位素特征入手探討了中新元古代時期華北地臺北緣的古沉積環(huán)境。

1 地質(zhì)背景

狼山造山帶位于華北地臺北緣西段（圖1a），構(gòu)造方向整體上呈NE—SW向。造山帶內(nèi)主要出露新太古界色爾騰山群、中元古界渣爾泰山群、中元古—新元古界寶音圖群以及少量上古生界石炭系—二疊系和中生界白堊系等地層。狼山地區(qū)經(jīng)歷了漫長的構(gòu)造演化歷史（新太古代狼山裂陷槽基底形成—古元古代狼山裂陷槽初步格架形成—中元古代狼山裂陷槽裂解—新元古到早古生代活動陸緣—晚古生代擠壓造山—中新生代進(jìn)一步擠壓造山）[4]，主體為一復(fù)背斜構(gòu)造，次級背斜和向斜構(gòu)造廣泛存在，在復(fù)背斜基礎(chǔ)上其間區(qū)域性規(guī)模的大斷裂以及次級同生斷裂發(fā)育。該地區(qū)巖漿作用強(qiáng)烈，大面積出露海西期的花崗巖以及花崗閃長巖，此外還有少量前寒武紀(jì)、燕山期以及第三紀(jì)的火成巖體出露（圖1b）。

渣爾泰山群是華北地臺北緣西段的重要含礦建造，該套地層呈近NE—SW向展布，在內(nèi)蒙古地區(qū)分布較廣，是較為發(fā)育的一套淺變質(zhì)—熱變質(zhì)沉積建造，主要巖性有板巖、片巖、石英巖、大理巖、千枚巖以及少量斜長角閃巖。由于該套地層經(jīng)歷了多次構(gòu)造變動和多期（次）巖體的侵入改造，巖石普遍變質(zhì)、變形，同時該套地層還含有硫、磷等沉積變質(zhì)礦產(chǎn)及鐵、銅、鉛、鋅等多金屬礦產(chǎn)，是狼山—渣爾泰山多金屬成礦帶中最重要的含礦巖系。1∶50 000居力格臺敖包幅①內(nèi)蒙古地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院. 內(nèi)蒙古自治區(qū)居力格臺幅地質(zhì)礦產(chǎn)圖. 2010.將霍各乞渣爾泰山群自下而上劃分為書記溝組、增隆昌組和阿古魯溝組?；舾髌虺雎兜脑鼱柼┥饺嚎傮w構(gòu)成了以霍各乞銅礦為核部的大型復(fù)式向斜構(gòu)造。寶音圖群主要分布在內(nèi)蒙古中西部狼山、霍各乞、寶音圖、圖古日格一帶（圖1b），由一套石英巖、云母片巖、綠泥片巖、二長片巖、云母石英片巖、大理巖，局部夾斜長角閃巖，中上部地層中出露變粒巖、淺粒巖等巖性組成。從巖石組合類型推測其應(yīng)為正常沉積的碎屑巖以及火山碎屑巖。該巖群在地表出露厚度大于7 664 m[15,25]。內(nèi)蒙古1∶25萬區(qū)巴音查干及烏拉特后旗幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查②河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所. 內(nèi)蒙古1∶250 000區(qū)巴音查干及烏拉特后旗幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告. 2012.將寶音圖群分為了一、二、三巖組。寶音圖群的變質(zhì)程度為高綠片巖相—低角閃巖相的遞增變質(zhì)序列。滕飛等[13]通過對霍各乞地區(qū)寶音圖群的年代學(xué)研究將寶音圖群的形成時代限定在晚中元古代—早新元古代時期（1 284.0~895.5 Ma）。

圖1 內(nèi)蒙古中西部區(qū)域地質(zhì)簡圖（a）內(nèi)蒙古構(gòu)造綱要圖（據(jù)文獻(xiàn)[23]修改）；（b）內(nèi)蒙古中西部區(qū)域地質(zhì)圖（據(jù)文獻(xiàn)[24]）Fig.1 Geological sketch map of northern Langshan area, Inner Mongolia(a) tectonic outline map of Inner Mongolia (modified from reference [23]); (b) geological map of central and western regions of Inner Mongolia (after reference [24])

2 大理巖特征與測試方法

2.1 大理巖特征

內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖在空間上呈星散狀分布，出露面積均小于5%，渣爾泰山群大理巖分布在增隆昌組和阿古魯溝組中，寶音圖群大理巖在一、二、三巖組中均有分布。兩巖群大理巖層總體呈NE向展布，延續(xù)性較差，產(chǎn)出狀態(tài)多為條帶狀、透鏡狀，出露厚度普遍為1~20 m，延伸長度約為10~200 m，部分大理巖條帶出露長度可達(dá)500 m以上，甚至1 000 m。就巖性共生關(guān)系而言，兩巖群大理巖與斜長角閃巖具有密切的共生關(guān)系，多呈整合狀產(chǎn)出（圖2a，e），局部地段呈互層狀產(chǎn)出，且大理巖在斜長角閃巖附近出現(xiàn)的幾率極高。渣爾泰山群大理巖總體結(jié)晶程度偏低，大多呈青灰色，刀砍紋發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，碎屑物質(zhì)含量高，甚至局部地段與硅質(zhì)條帶呈互層狀產(chǎn)出，鏡下呈細(xì)晶結(jié)構(gòu)或微晶結(jié)構(gòu)，主要礦物成分為方解石，半自形—它形粒狀結(jié)構(gòu)，大小一般為50~100 μm，部分具微晶結(jié)構(gòu)，晶粒粒度小于30 μm，含量約為70%~90%，次要礦物為石英、白云母、黑云母、長石等，另外個別樣品鏡下可見含碳質(zhì)（圖2b~d）；寶音圖群大理巖總體重結(jié)晶程度較高，變余層理發(fā)育，碎屑成分少，成分較純，呈灰白色，中粗粒狀結(jié)構(gòu)，自形—半自形晶，大小約為200 μm，含量一般大于90%，定向排列特征明顯（圖2f~h）。通過霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群1∶10 000地質(zhì)填圖和1∶2 000地質(zhì)剖面測量，在充分了解大理巖的分布狀況、產(chǎn)出狀態(tài)、共生關(guān)系等地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，選取典型、有代表性的層位進(jìn)行樣品采集。

圖2 內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖野外及鏡下特征（a~c）渣爾泰山群大理巖野外特征；（d）渣爾泰山群大理巖鏡下特征（正交偏光，×5）；（e~g）寶音圖群大理巖野外特征；（h）寶音圖群大理巖鏡下特征（正交偏光，×5）Fig.2 Field and microscopic features of marble in Huogeqi Zhaertai Group and Buyant Group, Inner Mongolia(a￣c) Zhaertai Group field appearance; (d) Zhaertai Group microscopic features (cross￣polarized light, ×5); (e￣g) Buyant Group field appearance; (h) Buyant Group microscopic features (cross-polarized light, ×5)

2.2 測試方法

大理巖C、O同位素分析測試于核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心，所依據(jù)的檢測方法為DZ/T0184.17—1997《碳酸鹽礦物或巖石中碳、氧同位素組成的磷酸法測定》[26]，使用儀器為MAT253型質(zhì)譜儀，測量結(jié)果均以VPDB為標(biāo)準(zhǔn)，記為δ13CV-PDB（精度優(yōu)于0.1‰），δ18OV-PDB（精度優(yōu)于0.2‰）。

大理巖X射線衍射分析（X-ray diffraction，XRD）完成于北京礦冶研究總院，使用儀器為日本理學(xué)（Rigaku）Ultima Ⅵ X射線衍射分析儀，X射線靶源為銅靶，工作電壓為40 kV，掃描范圍（2θ）為-3°~162°。

大理巖能譜分析完成于北京礦冶研究總院，使用儀器為FEI Quanta 600環(huán)境掃描電鏡搭載的EDAX Genesis 7000能譜儀，工作電壓為25 kV，束斑大小為4 μm。

3 大理巖碳氧同位素特征

內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群5件大理巖樣品的δ13CV-PDB值為-2.4‰~4.3‰，平均值為1.6‰；δ18OV-PDB值為-39.0‰~-15.3‰，平均值為-20.9‰；δ18OV-SMOW值為-8.2‰~15.2‰，平均值為9.7‰。由δ13CV-PDB和δ18OV-PDB計算所得的Z值為113~128，平均值為120。寶音圖群7件大理巖樣品的δ13CV-PDB值為-1.1‰~5.9‰，平均值為3.2‰；δ18OV-PDB值為-18.5‰~-7.8‰，平均值為-14.5‰；δ18OV-SMOW值為12.0‰~22.7‰，平均值為16.1‰。由δ13C和δ18O相關(guān)的鹽度公式Z=2.048×（δ13CV-PDB+50）+0.498×（δ18OV-PDB+50）[27]計算所得的Z值為117~135，平均值為127（表1）。

表1 內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖C、O同位素組成Table 1 C and O isotopes in marble from Huogeqi Zhaertai Group and Buyant Group, Inner Mongolia

4 沉積環(huán)境分析

4.1 沉積期

碳酸鹽巖的C同位素不僅可以很好地指示原巖的沉積環(huán)境還可以對原巖的沉積時代作出一定的限定。在地質(zhì)演化歷史上，海相碳酸鹽巖的C同位素一般位于0±2‰左右[28]，但是在古元古代時期（2.4~2.0 Ga）和新元古代時期（0.8~0.6 Ga）的一些地層中發(fā)生了非常顯著的漂移[29-32]。大理巖的C同位素值與高壓超高壓變質(zhì)條件之間沒有必然的聯(lián)系，而是反映了原始沉積盆地的環(huán)境屬性[33]。原始沉積環(huán)境的C、O同位素值可能保存在具有最高C、O同位素值的大理巖樣品中。

野外及手標(biāo)本上變質(zhì)成因的碳酸鹽巖和火成的碳酸巖在礦物組成和組構(gòu)特征上具有較大的相似性，但兩者的C同位素值具有明顯的差別。地幔碳酸鹽的δ13C值為-7‰~-3‰[34]，與沉積成因的碳酸鹽巖的δ13C值具有明顯差異。霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖的δ13C值基本都為正值，結(jié)合野外產(chǎn)出狀態(tài)顯示其為沉積變質(zhì)作用的產(chǎn)物。此外，內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖的δ13CV-PDB和δ18OV-SMOW與重要的地質(zhì)儲庫相比，其δ13CV-PDB值分布范圍與海相碳酸鹽巖的分布范圍相似，δ18OV-SMOW值分布范圍與海相碳酸鹽巖以及變質(zhì)巖的分布范圍相似，說明渣爾泰山群和寶音圖群大理巖原巖的沉積環(huán)境可能為海相環(huán)境（圖3）。

圖3 重要地質(zhì)儲庫及本文C、O同位素分布圖（據(jù)文獻(xiàn)[35]修改）Fig.3 C and O isotopes in important geological reservoirs and in this study (modified from reference [35])

前人研究認(rèn)為δ13C和δ18O值與水體的鹽度有關(guān)，一般水體的鹽度越大，δ13C和δ18O值就越大，因此提出了δ13C和δ18O相關(guān)的鹽度公式Z=2.048×（δ13CV-PDB+50）+0.498×（δ18OV-PDB+50），此公式被廣泛地應(yīng)用于沉積相的判斷：Z值大于120時為海相，Z值小于120時為淡水相[27]。內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群5件大理巖樣品的Z值為113~128，平均值為120，結(jié)合碳酸鹽巖的C、O同位素受后期成巖作用的影響會發(fā)生不同程度的降低，那么渣爾泰山群大理巖原巖在原始沉積時的Z值應(yīng)比由計算所得的Z值大，因此中元古界渣爾泰山群大理巖原巖的古沉積環(huán)境應(yīng)為海相環(huán)境。渣爾泰山群研究成果較為豐富，前人研究得出從1.8 Ga到新元古代，華北克拉通一直處于伸展構(gòu)造體制控制之下，經(jīng)歷了多期裂谷盆地事件[36]。中新元古代時期狼山—渣爾泰山地區(qū)為華北古陸北緣拉張條件下的裂谷構(gòu)造體制控制，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步拉張、沉陷形成了多個被動大陸邊緣的次級斷陷盆地。渣爾泰山群大理巖產(chǎn)出于增隆昌組和阿古魯溝組中，在這兩個巖組中碳質(zhì)千枚巖、碳質(zhì)板巖、碳質(zhì)石英巖等富含碳質(zhì)的巖性普遍發(fā)育，甚至在局部層位可見大理巖與碳質(zhì)千枚巖整合產(chǎn)出，說明原始沉積盆地普遍富含碳質(zhì)。一般碳酸鹽巖的沉積需要一個相對穩(wěn)定、陸源供給少的淺水環(huán)境，只有通過長期穩(wěn)定的沉積作用才能形成巨厚的沉積[30]。渣爾泰山群大理巖產(chǎn)出形式大都為細(xì)條帶狀、透鏡狀，無巨厚層的大理巖產(chǎn)出，加之碳酸鹽巖的沉積需要穩(wěn)定的水體環(huán)境且大理巖中石英、云母、長石類礦物含量豐富，甚至局部地段大理巖中產(chǎn)出大量硅質(zhì)條帶（圖2c，d），說明大理巖沉積時期陸緣碎屑物質(zhì)的輸入量較為豐富，且沉積環(huán)境較為動蕩，只有在間歇性的穩(wěn)定期才沉積了少量薄層的碳酸鹽巖。總之，內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群大理巖形成于華北地臺北緣裂谷構(gòu)造體制控制之下的缺氧的淺海相環(huán)境，沉積期水體環(huán)境不穩(wěn)定，有豐富的陸源碎屑物質(zhì)輸入。

內(nèi)蒙古霍各乞?qū)氁魣D群7件大理巖樣品的Z值為117~135，平均值為127，且結(jié)合碳酸鹽巖的δ13C和δ18O在沉積成巖過程中會有不同程度的降低，計算所得的寶音圖群大理巖的Z值應(yīng)高于其實(shí)際值，因此表明內(nèi)蒙古霍各乞?qū)氁魣D群大理巖原巖的沉積環(huán)境應(yīng)為海相環(huán)境且海水的鹽度較高?；舾髌?qū)氁魣D群大理巖野外透鏡狀、細(xì)條帶狀的產(chǎn)出形式顯示大理巖形成于淺海環(huán)境，但沉積時水體環(huán)境較為動蕩，僅在相對穩(wěn)定的時期沉積了薄層碳酸鹽巖，而且相對渣爾泰山群大理巖成分較純，表明在沉積過程中受陸源碎屑物質(zhì)的混染程度相對有限。此外，研究得出與大理巖密切共生的斜長角閃巖為大陸邊緣裂谷環(huán)境下產(chǎn)出的玄武巖[13]，這為寶音圖群的形成環(huán)境提供了佐證。總之，內(nèi)蒙古霍各乞?qū)氁魣D群形成于淺海相環(huán)境，沉積期水體環(huán)境不穩(wěn)定，受陸源碎屑物質(zhì)的影響相對較小。

4.2 沉積期后變化

內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖與斜長角閃巖具有密切的共生關(guān)系，且斜長角閃巖的原巖為幔源玄武巖[15,18,20,37]，玄武巖在大理巖的形成過程中起到了什么樣的作用以及大理巖的C、O同位素是否受其影響，鄭永飛等[38]通過對大別山與榴輝巖共生的大理巖C同位素的研究表明即使是經(jīng)歷超高壓變質(zhì)的大理巖在俯沖至地幔深度后，地幔巖石與大理巖之間的C同位素交換也非常微弱。此外，地幔玄武巖的δ13C值分布范圍大都在-4‰~-5‰之間[39]，而霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖的δ13C值分布范圍與地幔玄武巖的δ13C值分布范圍相差甚遠(yuǎn)，說明內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群中與大理巖密切共生的斜長角閃巖在成巖過程中對大理巖的C同位素值影響微弱。另外，霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖樣品的O同位素分布范圍與變質(zhì)巖的O同位素分布范圍一致，與玄武巖的O同位素分布范圍顯著不同（圖3），指示霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖的O同位素未受到變基性巖的改造。

根據(jù)碳酸鹽巖的C、O同位素值的相關(guān)性可以查看碳酸鹽巖經(jīng)受后期成巖作用的影響程度[40-41]。如果碳酸鹽巖的C、O同位素值呈正相關(guān)關(guān)系，則說明碳酸鹽巖的C、O同位素值遭受到了成巖作用的一致影響；如果碳酸鹽巖的C、O同位素值無明顯的正相關(guān)關(guān)系，則表明成巖作用對碳酸鹽巖的C、O同位素值未造成統(tǒng)一影響。內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群5件大理巖樣品和寶音圖群7件大理巖樣品的δ13CV-PDB和δ18OV-SMOW值經(jīng)線性擬合均表現(xiàn)出明顯的不相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.351 6和0.050 9，遠(yuǎn)小于1（圖4），說明霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖C、O同位素在成巖過程中未遭受一致性的改造。

此外，在沉積期后，若不考慮流體作用的影響，變質(zhì)過程中碳酸鹽巖的去氣作用會導(dǎo)致δ13C和δ18O值降低約1‰~2‰[34]。因此，內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖的δ13C和δ18O的最大值更接近于原始沉積時的C、O同位素組成特征，即渣爾泰山群和寶音圖群大理巖均具有明顯的碳同位素正漂移現(xiàn)象，且渣爾泰山群和寶音圖群大理巖樣品的原始C、O同位素組成分別保存在樣品Z1和B3中。

碳酸鹽巖的O同位素可以對后期的環(huán)境變化做出靈敏的反應(yīng)。一般情況下，灰?guī)r的δ18OV-SMOW初始值位于25‰~30‰之間，在其后的成巖作用和變質(zhì)作用中灰?guī)r的O同位素會發(fā)生明顯的降低，其分布范圍大致為18‰~25‰[34]。前人研究認(rèn)為碳酸鹽巖的δ18OV-PDB值小于-10‰時，指示其O同位素組成已經(jīng)受到了強(qiáng)烈的影響[41]，而δ18OV-PDB值在-5‰~-10‰之間時，說明O同位素值較之于初始值略有改變[42]。一般正常海相碳酸鹽巖的δ18OV-PDB值約為-10‰~-2‰[43]，在碳酸鹽巖的成巖過程中δ13C和δ18O均會有不同程度的降低，相較于C同位素的變化，O同位素的波動較大。內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群大理巖的δ18OV-PDB值為-39.0‰~-15.3‰，δ18OV-SMOW值為-8.2‰~15.2‰，寶音 圖 群 大 理 巖 的δ18OV-PDB值 為-18.5‰~-7.8‰，δ18OV-SMOW值為12.9‰~22.7‰，兩者與正常海相碳酸鹽的δ18O值相比強(qiáng)烈富集輕同位素，與前人研究成果相比較顯示兩巖群大理巖的O同位素組成已經(jīng)受到了強(qiáng)烈的影響。在C、O同位素協(xié)變圖解上，渣爾泰山群和寶音圖群大理巖樣品均表現(xiàn)出較差的相關(guān)性（圖4），說明δ18O值的降低可能與成巖期的流體交換作用有關(guān)。此外，在δ13C-δ18O圖解上（圖5），渣爾泰山群和寶音圖群大理巖的δ13C值仍分布于海相碳酸鹽巖的分布范疇內(nèi)，表明沉積期后的C同位素組成未受到明顯的影響，但δ18O值則遠(yuǎn)離海相碳酸鹽巖的δ18O值分布范圍且沿著碳酸鹽溶解作用的趨勢分布，表明渣爾泰山群和寶音圖群大理巖原巖在沉積期后發(fā)生了普遍性的溶解作用，這在一定程度上改變了原始沉積的O同位素組成，使得大理巖的O同位素組成發(fā)生了強(qiáng)烈的虧損。

圖4 內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖C、O同位素雙變量圖解Fig.4 Bivariate C and O isotope diagram for marble in Huogeqi Zhaertai Group and Buyant Group, Inner Mongolia

圖5 內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖δ13C￣δ18O圖解（據(jù)文獻(xiàn)[44]）Fig.5 δ13C￣δ18O diagram for marble from Huogeqi Zhaertai Group and Buyant Group, Inner Mongolia (after reference [44])

碳酸鹽溶解作用既可以發(fā)生在沉積成巖期間，也可以發(fā)生在成巖之后，對于大理巖來講即變質(zhì)作用期間。渣爾泰山群和寶音圖群雖經(jīng)歷了共同變質(zhì)，O同位素組成均發(fā)生了強(qiáng)烈的虧損，但渣爾泰山群大理巖的O同位素（排除一個極異常值Z2：δ18OV-PDB=-39.0‰，δ18OV-SMOW=-8.2‰）比寶音圖群大理巖的O同位素虧損程度更大。結(jié)合寶音圖群大理巖碎屑含量少而渣爾泰山群大理巖富含豐富的碎屑物質(zhì)甚至與硅質(zhì)條帶互層產(chǎn)出的地質(zhì)特征分析認(rèn)為，渣爾泰山群大理巖原巖較之于寶音圖群大理巖原巖沉積時期有較多的淡水流入且攜帶了豐富的陸源碎屑物質(zhì)進(jìn)入沉積盆地。這在一定程度上改變了沉積水體的物理化學(xué)性質(zhì)，加劇了碳酸鹽的溶解作用，致使渣爾泰山群大理巖具有更小的O同位素組成。

此外，渣爾泰山群大理巖樣品Z2具有極低的O同位素組成（δ18OV-PDB=-39.0‰，δ18OV-SMOW=-8.2‰），與其他樣品相比，指示其可能還遭受了其他地質(zhì)作用的影響。樣品Z2重結(jié)晶程度較低，粒度較小，光學(xué)顯微鏡下難以辨別除方解石以外的其他礦物種類，通過鏡下茜素紅染色發(fā)現(xiàn)該樣品含有較多未染色部分（白色）且呈雜亂交織狀分布（圖6），顯示該樣品除方解石以外還含有較多其他礦物成分。進(jìn)一步進(jìn)行X射線衍射和能譜分析得出該樣品的主要礦物組成為方解石，其次為透閃石，另外還含有極少量的鈣鋁榴石、鉀長石等礦物成分（圖7，8）。大理巖樣品Z2中透閃石、鈣鋁榴石、鉀長石等高溫?zé)嵋旱V物的存在指示該樣品遭受了高溫?zé)嵋何g變作用，致使其O同位素發(fā)生了強(qiáng)烈的虧損，形成了極低的氧同位素組成。

圖6 內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群大理巖樣品Z2茜素紅染色特征紅色部分.方解石（單偏光，×10）；白色部分.其他礦物（單偏光，×10）Fig.6 Alizarin￣red stained marble sample Z2 from Huogeqi Zhaertai Group, Inner Mongoliasingle polarized light, × 10; red. calcite; white. other minerals

圖7 內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群大理巖樣品Z2 XRD分析Fig.7 XRD analysis of marble sample Z2 in Huogeqi Zhaertai Group, Inner Mongolia

5 大理巖C同位素正漂移成因分析

5.1 渣爾泰山群大理巖C同位素正漂移成因分析

最新研究成果顯示內(nèi)蒙古渣爾泰山群的形成時代為中—新元古代（1 800~800 Ma）[3,45]，但狼山—渣爾泰山地區(qū)不同位置所得的地層年代具有差異性。應(yīng)迪先[46]報道狼山東升廟渣爾泰山群阿古魯溝組具有1 520~1 600 Ma的沉積年齡。狼山北側(cè)那仁寶力格、霍各乞、電視臺和后布敖包4地變基性巖的成巖年齡分布在1 486~1 606 Ma之間，Sm-Nd等時線年齡為1 491 Ma[47]。彭潤民等[10]報道內(nèi)蒙古東升廟地區(qū)渣爾泰山群的變質(zhì)火山巖具有1 805 Ma成巖年齡，指示其為中元古代的產(chǎn)物。彭潤民等[48]報道內(nèi)蒙古炭窯口渣爾泰山群（狼山群二組）中的變質(zhì)火山巖具有1 824 Ma的Sm-Nd等時線年齡。彭潤民等[45]報道內(nèi)蒙古狼山西南段變質(zhì)酸性火山巖具有約800 Ma的成巖年齡，表明其為新元古代的產(chǎn)物，指示中元古代裂陷槽可能在后續(xù)造山過程中再次發(fā)生裂解。公王斌等[2]研究認(rèn)為渣爾泰山地區(qū)渣爾泰山群的最大沉積時限小于1.8~1.9 Ga，表明沉積于中元古代早期。

根據(jù)以上渣爾泰山群不同部位的年代學(xué)數(shù)據(jù)，內(nèi)蒙古渣爾泰山群的形成年齡為1 800~800 Ma，為中—新元古代的產(chǎn)物，對應(yīng)于燕遼裂陷槽中的長城系、薊縣系、待建系和青白口系（1.8~0.8 Ga）[36,49-54]。然而，根據(jù)同位素年代學(xué)數(shù)據(jù)可知狼山—渣爾泰山裂陷槽的裂解時間是有先后次序的，不可一概而論，狼山地區(qū)狼山南側(cè)先發(fā)生裂解，狼山北側(cè)后發(fā)生裂解[5]，因此內(nèi)蒙古霍各乞地區(qū)的渣爾泰山群大理巖C同位素特征可與燕遼裂陷槽中的薊縣系（1 600~1 400 Ma）碳酸鹽巖的C同位素值作對比。

內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群大理巖的δ13C值為-2.4‰~4.3‰，具有4.3‰的δ13C正高值，C同位素正漂移特征顯著。然而，薊縣系由上至下分別為高于莊組、楊莊組、霧迷山組、洪水組和鐵嶺組，其δ13C值最大分布范圍為-3.80‰~1.61‰，整體在0‰附近波動，并且較為靠近負(fù)值，僅在霧迷山組可見1.61‰的δ13C正高值（表2），與霍各乞渣爾泰山群大理巖的δ13C值相比較其正異常程度較弱，說明狼山—渣爾泰山裂陷槽與燕遼裂陷槽雖均為裂谷構(gòu)造環(huán)境，但其具體的沉積環(huán)境卻具有顯著的差異。

表2 燕遼裂陷槽薊縣系碳酸鹽巖C同位素特征Table 2 C isotope characteristics of carbonate rocks in Jixian system of Yanliao rift

從1.8 Ga到新元古代，華北克拉通一直處于伸展構(gòu)造體制控制之下，經(jīng)歷了多期裂谷盆地事件[36]。狼山—渣爾泰山群裂陷槽的裂解過程具有不等時性以及次序性，狼山南側(cè)先裂解，且具有由西向東的先后次序，北部后裂解，霍各乞地區(qū)在1 486~1 606 Ma之間發(fā)生了裂解[5]。Hoffman[61]認(rèn)為裂解作用會增加大陸邊緣的面積，而大陸邊緣是生物生存和活動最為繁盛的場所，蘊(yùn)藏著大量的有機(jī)質(zhì)，因此大陸裂解會使得有機(jī)碳的埋藏量增大。古生物學(xué)研究顯示早在古元古代長城群底層的常州溝組（~1 800 Ma）中就發(fā)現(xiàn)了多細(xì)胞藻化石[62]，另外孫淑芬[63]報道在陰山北麓渣爾泰山群增隆昌組和阿古魯溝組中發(fā)現(xiàn)了大量微古植物化石，共計17個屬42個種，由此可見渣爾泰山群沉積時期生物作用繁盛，況且裂谷構(gòu)造下風(fēng)化作用強(qiáng)烈，風(fēng)化所帶來的營養(yǎng)物質(zhì)使得生物的初級生產(chǎn)力大大提升，這為有機(jī)質(zhì)的大量埋藏提供了可能。此外，霍各乞渣爾泰山群富有機(jī)質(zhì)不僅表現(xiàn)在大理巖出現(xiàn)明顯的C同位素正漂移，而且地層中富含碳質(zhì)，除大量出露的碳質(zhì)板巖、碳質(zhì)千枚巖以外，片巖類、石英巖類等巖石中均普遍含有碳質(zhì)?；舾髌蛟鼱柼┥饺捍罄韼rC同位素正異常以及普遍發(fā)育的富碳質(zhì)巖石是大陸邊緣裂解作用的產(chǎn)物。

5.2 寶音圖群大理巖C同位素正漂移成因分析

內(nèi)蒙古寶音圖群的成巖時代存在較大的爭議，部分學(xué)者認(rèn)為其形成于古元古代[15,17-18,20,22,64-65]，另一部分學(xué)者研究得出其為中新元古代的產(chǎn)物[13]。鑒于內(nèi)蒙古寶音圖群形成時代的爭議性，本文在此采用滕飛等[13]對內(nèi)蒙古霍各乞?qū)氁魣D群（與本文研究區(qū)一致）的年代學(xué)研究成果，即霍各乞地區(qū)的寶音圖群形成于1 284~895.5 Ma，對應(yīng)于燕遼裂陷槽中的待建系（1.4~1.0 Ga）和青白口系（1.0~0.8 Ga）。儲雪蕾等[66]報道天津薊縣剖面在青白口系景兒峪組出現(xiàn)了2±2‰的δ13C正異常值。曠紅偉等[56]報道燕山地區(qū)代建系下馬嶺組泥晶灰?guī)r的δ13C值為-1.86‰，青白口系長龍山組含海綠石泥晶灰?guī)r的δ13C值為3.19‰，景兒峪組泥晶灰?guī)r的δ13C值為-1.5‰。天津薊縣景兒峪組石灰?guī)r的δ13C值為0.91‰[57]?？偠灾?，燕遼裂陷槽待建系和青白口系僅在長龍山組和景兒峪組出現(xiàn)了明顯的C同位素正異常，δ13C最大值為3.19‰，但相較于霍各乞?qū)氁魣D群大理巖5.9‰的δ13C正高值，燕山裂陷槽待建系和青白口系沉積時期的C同位素埋藏速率低于霍各乞?qū)氁魣D群沉積時的C同位素埋藏速率，說明霍各乞?qū)氁魣D群沉積時期的古環(huán)境特征與燕遼裂陷槽待建系—青白口系沉積時期的克拉通內(nèi)裂谷環(huán)境具有較為顯著的差異。

圖8 內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群大理巖樣品Z2能譜分析Fig.8 Energy spectrum analysis of marble sample Z2 in Huogeqi Zhaertai Group, Inner Mongolia

Bartleyet al.[67]通過對西伯利亞南部Uchur￣Maya地區(qū)和西伯利亞西北部Turukhansk隆起地區(qū)碳酸鹽巖的研究得出：從早中元古代至1 300 Ma之后，碳酸鹽的δ13C由0‰附近升高至3.5‰。此外，在中元古代后半期全球不同地區(qū)也出現(xiàn)了約4‰的C同位素正漂移[68-70]，說明寶音圖群大理巖沉積時期C同位素正漂移具有廣泛性。鄭永飛等[28]通過研究大別地區(qū)大理巖認(rèn)為，西大別大理巖的δ13C為-2.6‰~0.1‰，接近現(xiàn)代大洋C同位素組成，表明其形成環(huán)境為寬闊海洋，而東大別大理巖的δ13C為0.5‰~5.7‰，指示其形成環(huán)境較為封閉，可能為大陸邊緣盆地。滕飛等[13]得出寶音圖群（1 284~895.5 Ma）斜長角閃巖形成于大陸邊緣裂谷環(huán)境，可能是對Rodinia超大陸裂解的響應(yīng)。彭潤民等[45]報道內(nèi)蒙古狼山西南段約800 Ma的酸性火山巖可能是Rodinia超大陸裂解的產(chǎn)物。因此，霍各乞?qū)氁魣D群大理巖的δ13C正高值（5.9‰）與東大別大理巖的δ13C正高值（5.7‰）基本一致，與西大別δ13C正高值（0.1‰）相差甚遠(yuǎn)，且西大別為寬闊海洋環(huán)境；而東大別為大陸邊緣盆地環(huán)境[28]，沉積盆地的封閉所導(dǎo)致的水體氧逸度降低可以增大C同位素的沉積速率[38]，指示寶音圖群大理巖C同位素正漂移與沉積盆地的閉塞性有關(guān)。沉積盆地的閉塞性是否受大陸邊緣裂谷構(gòu)造體制控制，以及這種全球普遍性的C同位素異常是否是對Rodinia超大陸裂解的響應(yīng)，目前由于缺乏充足的證據(jù)，還有待進(jìn)一步的研究。

6 結(jié)論

（1） 內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖C同位素均具有顯著的正異常特征，δ13CV-PDB正高值分別為4.3‰和5.9‰；O同位素組成均發(fā)生了強(qiáng)烈的虧損。

（2） 內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖原巖均形成于淺海相環(huán)境，渣爾泰山群沉積期接受了豐富的陸源碎屑物質(zhì)的混染，而寶音圖群受影響相對較小。此外，沉積期后兩巖群大理巖均發(fā)生了碳酸鹽溶解作用。

（3） 霍各乞渣爾泰山群大理巖C同位素正漂移與大陸邊緣裂解作用關(guān)系密切，寶音圖群大理巖C同位素正漂移與原始沉積盆地的閉塞性有關(guān)。

（4） 綜合地質(zhì)、地球化學(xué)特征對比分析，認(rèn)為內(nèi)蒙古霍各乞渣爾泰山群和寶音圖群大理巖原巖在古沉積環(huán)境方面具有較大的相似性。

致謝 衷心感謝各位評審專家在文章評審和修改過程中所提供的寶貴意見，感謝編輯部老師認(rèn)真細(xì)致的審查，感謝師兄陳軍林在野外采樣工作中的鼎力相助，感謝同事武若晨、趙明、田明君在論文完成過程中的幫助。