寧秋實(shí)，喻美藝

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，貴州　貴陽(yáng)　550025)

貴州青巖地區(qū)中三疊統(tǒng)新苑組碳酸鹽巖碳氧同位素特征及古環(huán)境意義

寧秋實(shí)，喻美藝*

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

[摘要]對(duì)青巖地區(qū)中三疊統(tǒng)新苑組營(yíng)上坡段和雷打坡段碳酸鹽巖進(jìn)行了碳氧同位素分析。δ(13CPDB)值介于-0.65‰～3.65‰，均值為1.24‰；δ(18OPDB)值介于-5.50‰～-1.70‰，均值為-3.09‰。研究表明，營(yíng)上坡段沉積時(shí)期是海平面上升，還原性增強(qiáng)，具有海洋生產(chǎn)力高和生物量富集的特點(diǎn)，溫度先降低后升高、鹽度整體趨于增大。雷打坡段沉積時(shí)期為溫度逐漸升高、鹽度逐漸降低。在雷打坡下段和中段沉積時(shí)期海平面幾乎不變，海洋生產(chǎn)力較穩(wěn)定；上段沉積時(shí)期是海平面下降，氧化性增強(qiáng)，其海洋生產(chǎn)力較低、生物貧乏。

[關(guān)鍵詞]碳氧同位素；新苑組；古環(huán)境；貴州青巖[中圖分類號(hào)]P597+.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-5943(2016)01-0071-06

1前言

青巖地區(qū)位于貴陽(yáng)市南約25 km(圖1)，青巖鎮(zhèn)東北方向約1 km處的青巖剖面是原青巖組層型剖面。青巖組為安尼期地層，是青巖生物群的賦存層位，1997年貴州省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院清理地層工作時(shí)將“青巖組”歸入新苑組。前人在青巖剖面開展了大量的研究工作，其沉積環(huán)境處于碳酸鹽巖臺(tái)地與硅質(zhì)碎屑巖盆地的過(guò)渡區(qū)[1-7](圖1)；古生物研究始于德國(guó)人柯肯等[8-27]，對(duì)青巖生物群的組成進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，并體現(xiàn)了本區(qū)生命復(fù)蘇-輻射期的生物面貌。但本區(qū)地球化學(xué)方面的研究較少。

圖1研究區(qū)地質(zhì)交通圖(引自1∶20萬(wàn)貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖)

Fig.1Traffic geologic map of the research area

1—地質(zhì)界線；2—推測(cè)地質(zhì)界線；3—角礫巖楔/舌；4—石炭紀(jì)；5—改茶組；6—楊柳井組；7—新苑組；8—安順組；9—三橋組和二橋組井

層；10—侏羅紀(jì)；11—雷打坡和營(yíng)上坡；12—斷層；13—相變線；14—河流；15—二疊紀(jì)；16—壟頭組；17—關(guān)嶺組；18—羅樓組；19—大冶組

碳酸鹽巖碳氧同位素分析對(duì)古環(huán)境具有很好的指示作用，碳同位素分析能反應(yīng)古環(huán)境的海平面變化、海洋生產(chǎn)力大小、氧化-還原條件[28，29]；氧同位素分析能反應(yīng)沉積時(shí)期的溫度和鹽度的變化[30-32]。本文通過(guò)碳氧同位素特征分析，進(jìn)一步探討本區(qū)中三疊世古環(huán)境及古環(huán)境變化。

2碳氧同位素組成特征

青巖剖面的新苑組包括小山灰?guī)r段、馬蜂坡頁(yè)巖段、營(yíng)上坡灰?guī)r段、雷打坡頁(yè)巖段、漁慶泥灰?guī)r段，其中營(yíng)上坡灰?guī)r段和雷打坡頁(yè)巖段是青巖生物群的富集層位，地層出露較好，因此本次研究的對(duì)象為營(yíng)上坡灰?guī)r段和雷打坡頁(yè)巖段。其主要沉積巖性為碎屑流沉積的角礫灰?guī)r、顆粒流沉積的亮晶灰?guī)r、液化流沉積的泥?；?guī)r以及硅質(zhì)碎屑巖。

本次研究共采集了60塊避開重結(jié)晶或含方解石脈的新鮮碳酸鹽巖樣品，選取其中21塊樣品進(jìn)行碳氧同位素分析。碳氧同位素由中國(guó)科學(xué)院貴陽(yáng)地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。為了判斷樣品的碳氧同位素組成是否遭受過(guò)沉積期后的改造，在中國(guó)科學(xué)院貴陽(yáng)地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品進(jìn)行了Mn、Sr含量的測(cè)定。

所測(cè)樣品δ(13CPDB)值為-0.65‰～3.65‰，均值為1.24‰(表1)。營(yíng)上坡段碳酸鹽巖的δ(13CPDB)值總體上明顯正漂移，呈逐漸增大趨勢(shì)(圖2)，在營(yíng)上坡段中部δ(13CPDB)值出現(xiàn)局部波動(dòng)性變化。雷打坡段下部和中部δ(13CPDB)值總體上明顯正漂移，并保持在略微波動(dòng)的水平，直至雷打坡段底部之上約30 m位置，δ(13CPDB)為一次較明顯的負(fù)漂移。縱向上，營(yíng)上坡段δ(13CPDB)值明顯大于雷打坡段δ(13CPDB)值(圖2)。

圖2　青巖地區(qū)中三疊世雷打坡和營(yíng)上坡剖面地層柱狀圖及碳氧同位素和Z、T值的特征

所測(cè)樣品δ(18OPDB)值為-5.50‰～-1.70‰，均值為-3.09‰(表1)。營(yíng)上坡段碳酸鹽巖的δ(18OPDB)值總體上明顯負(fù)漂移，呈緩慢增大后期又逐漸減小趨勢(shì)。在營(yíng)上坡段中部，與δ(13CPDB)局部波動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)性很好，δ(18OPDB)同樣出現(xiàn)局部波動(dòng)。雷打坡段δ(18OPDB)值總體上明顯負(fù)漂移并逐漸減小，在中部δ(18OPDB)值明顯波動(dòng)。由營(yíng)上坡段到雷打坡段δ(18OPDB)值降低(圖2)。

所測(cè)樣品Mn值為511×10-6～1 950×10-6、Sr值為55.3×10-6～675×10-6、w(Mn)/w(Sr)在0.032～0.517之間(表1)。

表1　青巖地區(qū)中三疊統(tǒng)新苑組碳酸鹽巖碳氧同位素和Mn，Sr的含量及Z，T值的分析數(shù)據(jù)

目前，碳酸鹽巖同位素值能否代表原始碳氧同位素組成主要有三個(gè)判別標(biāo)準(zhǔn)：(1)樣品的δ(18OPDB)最小值為-5.50‰，大于-10×10-3，表明樣品的同位素組成保持了其原始沉積特點(diǎn)[33](表1)；(2)碳氧同位素組成分布較離散，兩者間不存在明顯的線性關(guān)系(圖3)，表明樣品的碳氧同位素組成受到成巖作用影響較小，基本保持原始形成時(shí)的狀態(tài)[34]；(3)對(duì)采集的21塊樣品進(jìn)行了w(Mn)/w(Sr)的計(jì)算，得出最大值為0.517，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2-3的范圍(表1)，表示其原始碳氧同位素的組成被很好地保存下來(lái)[35]。綜上可得，樣品所測(cè)數(shù)據(jù)均為可用數(shù)據(jù)。

圖3　青巖地區(qū)中三疊統(tǒng)δ(13CPDB)與

3碳氧同位素的古環(huán)境意義

3.1碳同位素的古環(huán)境意義

對(duì)于碳同位素而言，自然界中的碳分為無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳，兩者的δ13C平均值大約相差25×10-3[36]。有機(jī)碳的氧化量和相對(duì)埋藏量是影響海相碳酸鹽巖中碳同位素的最重要的因素[37]。當(dāng)有機(jī)碳的氧化量小于相對(duì)埋藏量時(shí)，即有較多的12C轉(zhuǎn)化成有機(jī)碳，使同期海相碳酸鹽巖的δ13C值增加，反之則減少[38]。此外生物發(fā)育、死亡并快速埋藏會(huì)使碳酸鹽巖的δ13C值升高；相反，如果生物貧乏，海水中有機(jī)質(zhì)的埋藏速率降低，會(huì)使碳酸鹽巖中12C增加而δ13C值減小[39]。海平面的變化影響海洋有機(jī)碳的埋藏速率[40]，當(dāng)海平面上升時(shí)，有機(jī)碳埋藏速率增加，使得δ13C相應(yīng)增加[28]。δ13C值升高說(shuō)明該沉積時(shí)期的海洋生產(chǎn)力高；反之，δ13C值降低說(shuō)明該沉積時(shí)期的海洋生產(chǎn)力低。深水區(qū)域的還原性增強(qiáng)，有機(jī)碳被較好的埋藏，所以沉積的無(wú)機(jī)碳酸鹽巖的δ13C值相應(yīng)較高；而淺水區(qū)的氧化性較強(qiáng)，有機(jī)碳被氧化，δ13C值相對(duì)較低[29]。

營(yíng)上坡段δ(13CPDB)值呈正漂移，總體上逐漸增大，表明該沉積時(shí)期為海平面上升(圖2)，還原性增強(qiáng)，表現(xiàn)為海洋生產(chǎn)力增高和生物大量增加的特征。雷打坡段底部和中部δ(13CPDB)值波動(dòng)不大，表明該沉積時(shí)期海平面幾乎不變，海洋生產(chǎn)力較穩(wěn)定。其上部δ(13CPDB)負(fù)偏移，并逐漸減小，該沉積時(shí)期為海平面下降(圖2)，氧化性增強(qiáng)，表現(xiàn)為海洋生產(chǎn)力較低和生物貧乏的特征。雷打坡段所含碳酸鹽巖由中部厚層含生物碎屑泥?；?guī)r到上部碳酸鹽內(nèi)碎屑粒度變粗，為海水變淺時(shí)的重力流沉積，對(duì)應(yīng)上部δ(13CPDB)值逐漸變小。

3.2氧同位素的古環(huán)境意義

碳酸鹽巖原始氧同位素組成主要受古溫度和古鹽度的影響。δ(18OPDB)值對(duì)測(cè)定古海水溫度來(lái)說(shuō)是一個(gè)可靠的指標(biāo)[41]。余志偉利用T值：T=13.85-4.54δ(18OPDB)+ 0.04 δ(18OPDB)2表示碳酸鹽巖成巖的古溫度[42]。溫度變化趨勢(shì)與氧同位素變化趨勢(shì)呈反相關(guān)，溫度升高，δ18O值降低；溫度降低，δ18O值升高。成巖作用中的重結(jié)晶作用、白云石化作用、淡水淋濾作用都會(huì)使原始沉積物中的δ18O值發(fā)生較大的變化，隨著成巖程度的加大，巖石的δ18O值越來(lái)越小，如果以PDB為標(biāo)準(zhǔn)則δ18O出現(xiàn)了高負(fù)值[30]。沉積環(huán)境中水介質(zhì)鹽度的增高，蒸發(fā)作用加強(qiáng)，氧同位素首先進(jìn)入到大氣降水中，使得蒸發(fā)后碳酸鹽巖δ18O值明顯變大[31，32]；陸源淡水和大氣降水的加入使得水介質(zhì)鹽度降低，從而使δ18O值變小。因此，在海水中δ18O高值對(duì)應(yīng)鹽度的高值，δ18O低值對(duì)應(yīng)鹽度的低值。

營(yíng)上坡段沉積時(shí)期溫度處于21.68～31.49℃之間，均值為24.27℃，其δ(18OPDB)值總體上逐漸增加到后期逐漸減少，反應(yīng)營(yíng)上坡段沉積時(shí)期是一個(gè)溫度降低后期緩慢升高、鹽度整體趨于增大中部略有波動(dòng)的過(guò)程(圖2)。雷打坡段沉積時(shí)期溫度處于24.03～40.03℃之間，均值為33.67℃，其δ(18OPDB)值總體上逐漸減少，中部略微波動(dòng)，表現(xiàn)為突然增大后再減少，反應(yīng)地史時(shí)期該地區(qū)溫度逐漸升高、鹽度逐漸降低，中部溫度和鹽度略有波動(dòng)的過(guò)程(圖2)。營(yíng)上坡段δ(18OPDB)均值為-2.25‰，雷打坡段δ(18OPDB)均值為-4.22‰，說(shuō)明營(yíng)上坡段比雷打坡段成巖作用弱。從營(yíng)上坡段到雷打坡段沉積時(shí)期溫度升高，鹽度降低。

Keith等綜合利用δ(13CPDB)值和δ(18OPDB)值建立了海相灰?guī)r和淡水灰?guī)r的古鹽度公式：Z=2.048×(δ(13CPDB)+50)+0.498×(δ(18OPDB)+50)，并將Z>120界定為海相石灰?guī)r，Z<120界定為淡水石灰?guī)r[33]，且Z值的變化隨鹽度的增加而增大。所得Z值為123.23～133.82，營(yíng)上坡段的Z值總體上逐漸增大，雷打坡段的Z值總體上逐漸減小(圖2)，反映出營(yíng)上坡段沉積時(shí)期鹽度逐漸增大、雷打坡段沉積時(shí)期鹽度逐漸減小的過(guò)程，與氧同位素所反應(yīng)的古鹽度變化一致。

4結(jié)論

研究剖面δ(13CPDB)值為-0.65‰～3.65‰，均值為1.24‰；δ(18OPDB)值為-5.50‰～-1.70‰，均值為-3.09‰。通過(guò)w(Mn)/w(Sr)最大值僅為0.517，遠(yuǎn)小于2～3的范圍；δ(18OPDB)最小值為-5.50‰，大于-10‰；碳、氧同位素組成分布較離散，不具有明顯的相關(guān)性。說(shuō)明營(yíng)上坡段和雷打坡段碳酸鹽巖基本保持了原始的碳、氧同位素組成。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)碳酸鹽巖碳同位素研究，營(yíng)上坡段沉積時(shí)期為海平面上升，水體加深，還原性增強(qiáng)，海洋生產(chǎn)力高，生物大量增加，是一個(gè)海侵過(guò)程。雷打坡段底部和中部沉積時(shí)期海平面幾乎不變，海洋生產(chǎn)力較穩(wěn)定；其上部沉積時(shí)期為海平面下降，水體變淺，氧化性增強(qiáng)，海洋生產(chǎn)力較低，生物貧乏，為海退過(guò)程。從營(yíng)上坡段到雷打坡段的沉積時(shí)期最高海平面處于營(yíng)上坡段沉積的近末期，營(yíng)上坡段海平面上升的幅度及速率小于雷打坡段海平面下降的幅度及速率。

研究剖面沉積時(shí)期的溫度處于21.68～40.03℃之間。營(yíng)上坡段沉積時(shí)期是一個(gè)溫度降低后來(lái)緩慢升高、鹽度整體趨于增大中部略有波動(dòng)的過(guò)程。雷打坡段沉積時(shí)期溫度逐漸升高、鹽度逐漸降低，中部溫度和鹽度略有波動(dòng)的過(guò)程。營(yíng)上坡段碳酸鹽巖沉積時(shí)的環(huán)境溫度要低于雷打坡段碳酸鹽巖沉積時(shí)的環(huán)境溫度，鹽度高于雷打坡段碳酸鹽巖沉積時(shí)環(huán)境的鹽度，成巖作用低于雷打坡段。

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The C and O Isotopic Characteristics and Paleoenvironmental Significance of Carbonate Rocks of Middle Triassic Xinyuan Formation of Qingyan,Guizhou

NING Qiu-shi，YU Mei-yi*

(College of Resources and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China)

[Abstract]In this paper，carbon and oxygen isotope of carbonate rocks samples collected from middle triassic Yingshangpo and Leidapo segment at Qingyan was analysed.The δ(13CPDB) is between -0.65‰ to 3.65‰，and the average is 1.24‰.The δ(18OPDB) is between -5.50‰ to -1.70‰，and the average is 3.09‰. The researches show that the sea level rised with strong reducible,the marine productivity and the biomass is high at Yingshangpo sedimentation period. In this area，the temperature decreased first and then raised,the salinity tended to increase. The temperature gradually raised and the salinity was decreased at Leidapo sedimentation period.The sea level was almost the same and the marine productivity was stable at middle and lower segment of Leidapo sedimentation period. The sea level and marine productivity dropped and lacked of organisms，the oxidation increased at the upper segment of Leidapo sedimentation period.

[Key words]Carbon and oxygen isotopes；Xinyuan formation；Palaeo environment；Qingyan of Guizhou

[收稿日期]2015-12-25

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.40830211)：中生代初的生物環(huán)境事件與海洋生態(tài)系的重建。

[作者簡(jiǎn)介]寧秋實(shí)(1987—)，男，在讀碩士，研究方向：沉積地質(zhì)學(xué)。 [通訊作者]喻美藝(1964—)，男，副教授，研究方向：沉積地質(zhì)學(xué)。