劉沛顯 關(guān) 平 馮 帆 賈文博 張 巍 鄧世彪 金亦秋

(1.北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點實驗室 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院 北京 100871；2.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院 北京 100083)

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塔西臺地寒武紀(jì)沉積環(huán)境演化與海陸耦合

劉沛顯1關(guān) 平1馮 帆1賈文博1張 巍1鄧世彪1金亦秋2

(1.北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點實驗室 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院 北京 100871；2.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院 北京 100083)

碳酸鹽巖臺地作為陸地與深海間的過渡帶，其沉積記錄了海洋和鄰近陸地的演化。結(jié)合已有的沉積學(xué)工作，對塔里木盆地西部臺地寒武系碳酸鹽巖進(jìn)行全巖及酸不溶物地球化學(xué)研究。塔西臺地寒武紀(jì)主要發(fā)育局限臺地、局限—蒸發(fā)臺地或蒸發(fā)臺地相沉積。碳酸鹽巖的地球化學(xué)特征主要受沉積環(huán)境和成巖作用影響，對研究區(qū)寒武系白云巖來說，其元素組成極易受沉積微相的控制，氧同位素組成則很可能已被成巖作用改造，僅原生、準(zhǔn)同生白云巖的Sr/Ba、Fe/Mn和C同位素可反映沉積相演化對應(yīng)的古鹽度、離岸距離等沉積環(huán)境特征的變化，酸不溶物化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA值)則指示鄰近陸地的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度與氣候特征。寒武紀(jì)時期，塔西臺地在相對海平面較高時發(fā)育局限臺地相沉積，以水體鹽度較低、沉積環(huán)境離岸較遠(yuǎn)和生物活動相對較弱為特征，陸地化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度適中，氣候溫暖濕潤；在相對海平面較低時發(fā)育蒸發(fā)臺地相沉積，具有水體鹽度較高、沉積環(huán)境離岸較近和生物活動相對較強(qiáng)等特點，陸地化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)烈，氣候炎熱極端；在相對海平面適中時發(fā)育局限—蒸發(fā)臺地，沉積環(huán)境和鄰近陸地的特征介于前述二者之間。沉積相演化對應(yīng)的較長周期的海陸演化可能主要受全球海平面升降及宏觀氣候變化控制，具體表現(xiàn)為相對海平面升降所導(dǎo)致的海相沉積環(huán)境的變化，以及氣候變化引起的陸地化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的變化。寒武紀(jì)塔西臺地所處區(qū)域的海洋—陸地演化具有高度耦合的特征。

塔西臺地 寒武系白云巖 沉積環(huán)境 酸不溶物CIA 海陸耦合

0 引言

碳酸鹽巖臺地(Carbonate Platform)泛指一切以發(fā)育碳酸鹽沉積物為主的淺水環(huán)境[1]。作為陸地和深海盆地之間的過渡帶，其沉積特征主要受相對海平面變化和沉積作用控制，同時也記錄了陸地對沉積環(huán)境的影響，因此可以利用碳酸鹽巖間接恢復(fù)海相沉積環(huán)境及鄰近陸地的特征與演化。自Rubey[2]首先系統(tǒng)關(guān)注地質(zhì)歷史上海洋的演化以來，利用碳酸鹽巖的地球化學(xué)特征研究沉積水體化學(xué)性質(zhì)[3-4]、地質(zhì)歷史上的重大事件[5-7]和地球外部圈層中元素的循環(huán)[8-9]已成為地球科學(xué)重要的研究方向。但目前為止，除了用以研究地表風(fēng)化作用以外[10]，很少有人關(guān)注海相碳酸鹽巖中含量甚少的非碳酸鹽組分所攜帶的古環(huán)境、古氣候信息*Feng F, Guan P, Liu W H， et al. Geochemistry of Altungol cap dolostones from the Tarim Basin, NW China[J]. Arabian Journal of Geosciences, Accepted.。

寒武紀(jì)時期，塔里木地塊整體處于被動陸緣拉張構(gòu)造背景下[11]，區(qū)內(nèi)發(fā)育塔西、羅西和庫魯克塔格3個孤立碳酸鹽臺地，其中以位于現(xiàn)今盆地中西部的塔西臺地面積最大[12]，發(fā)育一套千余米厚的以白云巖為主的地層[13]。前人在寒武紀(jì)塔西臺地的構(gòu)造背景[11,14-16]、沉積相特征及組合[17-18]、層序劃分與對比[17,19-20]、古地理重建[12,21]等方面已做過許多卓有成效的工作，為之后的地球化學(xué)研究打下堅實的基礎(chǔ)。陳永權(quán)等[22-23]和鄭劍鋒等[24]根據(jù)巖石學(xué)和地球化學(xué)特征劃分出不同類型的白云巖，并總結(jié)出相應(yīng)的成因機(jī)制。沉積環(huán)境對于碳酸鹽巖的化學(xué)組成有較明顯的影響[25]，因此可以利用塔西臺地寒武系白云巖的地球化學(xué)特征反演其沉積環(huán)境的演化[26-27]，并間接指示海平面變化[28-30]。但是，目前對反映塔西臺地寒武紀(jì)沉積環(huán)境演化的有效地球化學(xué)指標(biāo)缺乏分析與評估，對沉積記錄所攜帶的臺地周緣陸地化學(xué)風(fēng)化背景的信息尚未進(jìn)行挖掘，對海洋與陸地演化的關(guān)系及控制因素也有待關(guān)注與探討。

結(jié)合沉積學(xué)研究，通過分析塔西臺地寒武系白云巖沉積相、沉積微相對元素組成的影響，以及成巖作用對同位素組成可能造成的干擾，總結(jié)出能夠反映與沉積相演化對應(yīng)的沉積環(huán)境變化的地球化學(xué)指標(biāo)。利用元素、同位素特征指示沉積環(huán)境演變及相對海平面變化，利用酸不溶物化學(xué)蝕變指數(shù)(chemical index of alteration，CIA值)指示臺地鄰近陸地的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度和氣候特征，由此出發(fā)，討論寒武紀(jì)塔西臺地海洋—陸地演化間的聯(lián)系及其控制因素。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

塔里木盆地位于中國西北的新疆維吾爾自治區(qū)，南、北分別被西昆侖—阿爾金山和天山所環(huán)繞，是中國最大的含油氣沉積盆地(5.6×105km)[16]。盆地以太古宇—中元古界結(jié)晶巖系為基底，震旦系及之上沉積為蓋層，是一個由古生代克拉通盆地和中新生代前陸盆地疊加而成的多旋回復(fù)合盆地[11,15]。寒武紀(jì)時期，塔里木地塊處于南半球較低緯度，是岡瓦納大陸的周緣塊體[31-32]，總體處于拉張構(gòu)造背景下，大致可分為西部克拉通內(nèi)坳陷和東部克拉通邊緣坳陷兩部分，整體具有 “西高東低”的沉積格局[15]，盆地內(nèi)發(fā)育塔西、羅西及庫魯克塔格3個孤立碳酸鹽巖臺地，臺地間發(fā)育斜坡相和深水盆地相沉積[12]。

研究的樣品主要來自塔北西部柯坪斷隆上的肖爾布拉克東溝剖面與塔中隆起ZS1井的寒武系地層(圖1)。寒武紀(jì)時期，采樣點均位于塔西臺地內(nèi)部[12,21]。塔西臺地寒武系為一套千余米厚的海相碳酸鹽巖為主的地層，垂向上主要表現(xiàn)為：底部為硅質(zhì)巖、含磷硅質(zhì)巖，白云巖，中部為膏質(zhì)、含膏白云巖夾白云巖、灰?guī)r、膏巖，上部為白云巖。地層概況如圖2所示。

圖1 塔里木盆地構(gòu)造區(qū)劃及樣品采集位置(據(jù)文獻(xiàn)[14]，有改動)Fig.1 Tectonic sketch map of Tarim Basin and sample locations (modified from [14])

圖2 塔西臺地寒武系地層格架及巖性描述(據(jù)文獻(xiàn)[13]，有改動)Fig.2 Cambrian stratigraphic framework and lithological description of the western Tarim platfrom(modified from [13])

2 分析測試方法

樣品的采集和處理盡可能避免了次生裂隙、脈體以及溶蝕孔、晶洞等后期作用改造的影響，選取新鮮的白云巖進(jìn)行分析測試。

對ZS1井的樣品，在巖石薄片觀察的基礎(chǔ)上，利用微鉆(型號SDE-H37L1 MARATHON，鉆頭直徑0.2～1 mm)鉆取樣品的新鮮部分(避開裂隙、脈體、溶蝕孔、晶洞)，對鉆取的粉末進(jìn)行元素、碳氧同位素分析。

提取肖爾布拉克東溝剖面樣品的酸不溶物，進(jìn)行常量、微量元素的分析測試。碳酸鹽巖酸不溶物的提取參考了SY/T 5516—2000標(biāo)準(zhǔn)《碳酸鹽巖化學(xué)分析方法》[33]和王世杰等[10]的方法，具體步驟如下：取0.5～1 kg原巖樣品，無污染粗碎為0.5 cm左右的碎塊，挑選其中不含裂隙、脈體、溶孔或晶洞的碎塊約100 g，放入500 mL的大燒杯中，加入適量的1 mol/L鹽酸，連續(xù)攪拌15 min，靜止沉淀至不冒氣泡為止(用pH試紙檢測，上層清液為中性)；抽濾上層清液，將濾出的殘渣沖入燒杯，繼續(xù)加入適量1 mol/L的鹽酸，重復(fù)上述步驟，直至加入的鹽酸不反應(yīng)(用pH試紙檢測，此時的淋濾液pH≤4)；單個樣品的提取時間約需24～48 h；把溶解殘余的樣品用去離子水反復(fù)清洗，用pH試紙檢測至清洗液呈中性為止，轉(zhuǎn)入蒸發(fā)皿中，放入烘箱烘干，裝入潔凈的樣品袋中待測。碳酸鹽巖樣品與鹽酸反應(yīng)后，其中的碳酸鹽礦物全部被分解為金屬離子和CO2氣體，石膏等蒸發(fā)鹽類礦物溶解于液相中，不溶物包括石英、黏土礦物等。對酸不溶物進(jìn)行常量和微量元素分析。

樣品分析測試均在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成，其中，常量元素和微量元素測試分別使用PW2404型X射線熒光光譜儀和ELEMENT XR型等離子質(zhì)譜儀，碳氧同位素測試使用標(biāo)準(zhǔn)的無水磷酸消解法，在MAT 253型穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀上完成。測試結(jié)果見表1、2和3。

表1 ZS1井中上寒武統(tǒng)白云巖δ13CPDB、δ18OPDB分析測試結(jié)果

3 塔西臺地寒武系沉積相模式與沉積相演化

構(gòu)造運動、海平面變化和沉積作用三者共同影響碳酸鹽巖臺地沉積相的演化[1]，臺地內(nèi)古地貌則控制著沉積亞相、微相的展布[34]。寒武紀(jì)時塔西臺地為典型的孤立臺地，根據(jù)其巖相特征與巖石組合，可大致劃分出蒸發(fā)臺地、局限臺地、開闊臺地、臺地邊緣淺灘、臺地邊緣礁、臺地邊緣斜坡、淺水陸棚、深水陸棚和盆地等9個沉積相，并可進(jìn)一步劃分出潮坪、瀉湖、臺內(nèi)灘和灘間海等沉積亞相以及云坪、膏云坪和泥云坪等沉積微相。本研究所涉及的ZS1井和肖爾布拉克東溝剖面均位于臺地內(nèi)部[12]，主要發(fā)育蒸發(fā)臺地、蒸發(fā)—局限臺地或局限臺地相沉積，沉積相劃分及對應(yīng)的巖性特征(表4、圖3)。

塔西臺地寒武系自下而上可分為下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組、肖爾布拉克組和吾松格爾組，中寒武統(tǒng)沙依里克組、阿瓦塔格組和上寒武統(tǒng)下丘里塔格組。整個寒武系大體可劃分為6個三級層序(圖4)：早寒武世早期，發(fā)生的一次“海進(jìn)”，形成了玉爾吐斯組淺水陸棚相泥巖、硅質(zhì)巖和磷塊巖(∈SQⅠ)；之后發(fā)生了較為持續(xù)的“海退”，發(fā)育局限臺地乃至局限—蒸發(fā)臺地，沉積了肖爾布拉克組、吾松格爾組和沙依里克組下部潮間、潮下帶白云巖(∈SQⅡ—∈SQⅢ)；中寒武統(tǒng)沙依里克組上部發(fā)育局限臺地相沉積，代表一次“海進(jìn)”，隨后出現(xiàn)寒武紀(jì)最大規(guī)?！昂Ｍ恕保纬闪税⑼咚窠M蒸發(fā)臺地相含膏、鹽碳酸鹽巖夾鈣質(zhì)泥巖，組成了∈SQⅣ；晚寒武世下丘里塔格組主要為局限臺地相白云巖、藻白云巖，相比阿瓦塔格期水體變深，總體為持續(xù)的“海進(jìn)”過程(∈SQⅤ—∈SQⅥ)。

4 塔西臺地寒武系沉積環(huán)境特征與海陸演化

4.1 樣品成巖作用評價

海相碳酸鹽巖的地球化學(xué)組成兼受沉積環(huán)境和成巖作用影響。利用其地球化學(xué)特征恢復(fù)沉積環(huán)境，需要首先評估成巖作用對巖石化學(xué)組成的影響。本研究中，對樣品進(jìn)行地球化學(xué)分析時，以薄片觀察結(jié)果為指導(dǎo)，用微鉆(鉆頭直徑0.2～1 mm)鉆取未受裂隙、脈體、溶蝕孔或晶洞等次生作用改造的，巖性為泥粉晶白云巖、泥晶顆粒白云巖或含膏泥晶白云巖(如圖3)的樣品進(jìn)行分析測試，巖石學(xué)特征反映其未受成巖作用過程中流體(包括熱液)的明顯改造。

表2 ZS1井中下寒武統(tǒng)碳酸鹽巖樣品沉積相及化學(xué)組成

表3 肖爾布拉克東溝中上寒武統(tǒng)碳酸鹽巖酸不溶物化學(xué)組成及CIA值

注：表中厚度以肖爾布拉克東溝剖面寒武系底界為0 m；酸不溶物質(zhì)量<1 g的樣品無法進(jìn)行常量元素測試，因此無法測定其CIA值。

理想狀況下，無雜質(zhì)的沉積白云巖接近化學(xué)計量組成(CaO(wt) =30.4%，MgO(wt) =21.7%，Ca/Mg(mol/mol)=1∶1)[35]，但白云巖沉積時Sr2+、Ba2+、Mn2+等離子常會占據(jù)晶格中的陽離子位置，使巖石中CaO與MgO含量同時降低，但Ca/Mg比值仍保持恒定，因此沉積白云巖的CaO和MgO含量呈線性正相關(guān)，在CaO(wt)-MgO(wt)關(guān)系圖解中均落在沉積線上(如圖5)；而交代白云石是以Mg2+替換方解石晶格中的Ca2+形成的，隨著白云巖化作用的不斷深入， CaO含量不斷降低，MgO含量不斷升高，因此交代白云巖的CaO和MgO含量具有線性負(fù)相關(guān)關(guān)系[23,36]，在CaO(wt)-MgO(wt)關(guān)系圖解中落在交代線附近。ZS1井中下寒武統(tǒng)的白云巖樣品中，下寒武統(tǒng)和中寒武統(tǒng)沙依里克組的樣品均落在沉積線附近；中寒武統(tǒng)阿瓦塔格組的樣品點雖落在沉積線以下，但并不與交代線平行，可能指示了該組樣品中有少量的含Ca物質(zhì)混入，鏡下觀察發(fā)現(xiàn)阿瓦塔格組樣品中均含有一定量的石膏(圖3e)，可能是造成該組樣品點偏離沉積線的原因。綜上，樣品的CaO(wt)-MgO(wt)關(guān)系反映其未受明顯的交代作用。

碳酸鹽巖中Ba與Mn的相對含量也可指示碳酸鹽巖受成巖作用改造的程度。由于Ba2+(0.135 nm)的離子半徑遠(yuǎn)大于Mn2+(0.067 nm)，因此Mn2+較Ba2+更易進(jìn)入晶格，若無高Ba、低Mn的流體交代，隨著成巖作用的增強(qiáng)，巖石中Ba含量會不斷減少，Mn含量則不斷增加，Ba/Mn值將會不斷減小。前人對塔西臺地下古生界白云巖的研究表明，除經(jīng)二疊系巖漿熱液(173℃～200℃)改造形成的中粗晶鞍狀白云石具有高Ba(>1 000×10-6)、低Mn(<100×10-6)的特點外，其余各期成巖作用改造的白云石的Ba含量均較低(<30×10-6)[13, 37-38]。本研究中樣品具有Ba含量高(928～4 578)×10-6、Mn含量相對較低(38～317)×10-6的特征，且所選取的樣品均為泥粉晶白云巖，CaO(wt)-MgO(wt)關(guān)系圖也反映樣品并未經(jīng)較強(qiáng)的交代作用影響。因此樣品的原始元素組成特征應(yīng)當(dāng)未經(jīng)歷成巖作用明顯改造。

表4 塔西臺地寒武系碳酸鹽巖沉積相劃分

圖3 ZS1井中下寒武統(tǒng)巖性特征a. ZS1-38，6 781 m，肖爾布拉克組局限臺地相云坪微相泥粉晶白云巖，單偏光，10×；b. ZS1-33，6 771 m，吾松格爾組局限—蒸發(fā)臺地相膏泥云坪微相含石英泥粉晶白云巖，單偏光，10×；c. ZS1-28，6761 m，吾松格爾組局限—蒸發(fā)臺地相瀉湖微相泥粉晶白云巖，單偏光，10×；d. ZS1-16，6 528 m，沙依里克組局限臺地相云坪微相泥粉晶白云巖，單偏光，5×；e. ZS1-11，6 482 m，阿瓦塔格組蒸發(fā)臺地相膏泥云坪微相含石英膏質(zhì)泥晶白云巖，正交光，10×；f. ZS1-7，6 451 m，阿瓦塔格組蒸發(fā)臺地相膏云坪微相含膏泥晶白云巖，正交光，10×。Fig.3 Lithologic features of samples in Well ZS1

圖4 ZS1井沉積儲層綜合柱狀圖(1∶3 000)Fig.4 Synthetic histogram of Well ZS1

圖5 ZS1井中下寒武統(tǒng)碳酸鹽巖樣品CaO(wt%)-MgO(wt%)關(guān)系Fig.5 CaO(wt%)-MgO(wt%) relations of Lower-Middle Cambrian carbonates in Well ZS1

綜合以上證據(jù)，可以認(rèn)為樣品保留了原始的元素地球化學(xué)特征，可用以研究其沉積環(huán)境的特征與演化。

4.2 海洋沉積環(huán)境的演化

4.2.1 沉積水體古鹽度變化

圖6 ZS1井中下寒武統(tǒng)碳酸鹽巖樣品Sr/Ba變化及沉積相演化Fig.6 Viration of Sr/Ba and sedimentary facies of Lower-Middle Cambrian carbonates in Well ZS1

4.2.2 沉積環(huán)境離岸距離與相對海平面變化

Cr元素在正常海水中多以Cr3+離子的形式出現(xiàn)，通常較為穩(wěn)定的存在于溶液中，趨向于聚集并沉淀在水深較大的地方，與其他元素相比，會相對富集在離岸較遠(yuǎn)的沉積環(huán)境中[25,40]。因此，可利用海相沉積巖中Cr的含量指示沉積環(huán)境的離岸距離，并間接反映古水深(相對海平面變化)[25,40]。Mn與Cr的行為相似，趨向于沉淀在離岸較遠(yuǎn)、水深較大的沉積環(huán)境中[28]。Fe3+在海水中的性質(zhì)與Mn2+和Cr3+恰好相反，與其他元素相比更傾向于沉淀在離岸較近、水體較淺的地方。因此，通常情況下，碳酸鹽巖中的Fe(Ⅲ)的含量也可指示沉積環(huán)境的離岸距離，并且與Mn的趨勢相反，而Fe/Mn可更加明顯的反映出沉積環(huán)境離岸距離的變化，間接指示相對海平面的變化。

如圖7a所示，ZS1井中下寒武統(tǒng)樣品的Mn、Cr和Fe的含量受沉積微相控制明顯。在瀉湖、膏—泥云坪微相的樣品中表現(xiàn)為富集，而在膏云坪、云坪等微相的樣品中則含量較低，其原因可能與不同微相沉積物組成的差異有關(guān)。瀉湖、膏泥云坪微相下沉積物中陸源硅酸鹽的含量較高(圖10)，K、Al、Si含量的高度一致性表明碳酸鹽巖樣品中所含的陸源硅酸鹽以黏土礦物和長石為主，這兩種礦物本身較碳酸鹽礦物具有更高的Mn、Cr和Fe含量，且黏土礦物的吸附作用會使這些元素更加富集。因此使得這些元素的絕對含量主要受沉積物組成、即沉積微相控制。進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，沉積微相一致時，Mn、Cr的含量會隨著沉積環(huán)境離岸距離的增大而升高，例如，同為膏泥云坪微相，局限—蒸發(fā)臺地相(離岸較遠(yuǎn)，相對海平面較高)的ZS1-31～ZS1-36中Mn、Cr含量較高，蒸發(fā)臺地相(離岸最近，相對海平面最低)的ZS1-9、ZS1-11則相對較低。以上分析表明，盡管單個元素的含量可能會隨離岸距離的變化而表現(xiàn)出一定的趨勢，但其更多地受到沉積物組成即沉積微相的影響，難以直觀反映沉積相演化對應(yīng)的離岸距離、相對海平面的變化。

選擇沉積趨向性相反的元素進(jìn)行對比，可以在一定程度上排除沉積微相的干擾。對比不同沉積相Fe和Mn的含量可發(fā)現(xiàn)(圖7a)：局限臺地(離岸最遠(yuǎn)，相對海平面最高)和局限—蒸發(fā)臺地相(離岸較遠(yuǎn)，相對海平面較高)樣品中Mn較Fe更富集，而在蒸發(fā)臺地相(離岸較近，相對海平面較低)中，F(xiàn)e相對于Mn更富集。樣品的Fe/Mn值可以更直觀地反映出不同沉積的離岸距離的變化，間接指示相對海平面變化(圖7b)，F(xiàn)e/Mn值的總體特點為蒸發(fā)臺地相(離岸最近，相對海平面最低)>局限—蒸發(fā)臺地相(離岸較遠(yuǎn)，相對海平面較高)>局限臺地相(離岸最遠(yuǎn)，相對海平面最高)。與單個元素相比，利用Fe/Mn等元素比值指示沉積環(huán)境的離岸距離不易受到其他因素干擾，能較好的指示相對海平面的變化。Fe/Mn值反映的沉積環(huán)境離岸距離和間接指示的相對海平面變化與沉積相演化具有高度一致性，說明寒武紀(jì)時期塔西臺地沉積相的發(fā)育和演化主要受相對海平面變化控制。

4.2.3 碳氧同位素指示的沉積環(huán)境變化

碳氧同位素常可以反映碳酸鹽巖沉積環(huán)境的特征。但與碳同位素相比，氧同位素更易受到成巖作用的改造，原因有二：①隨著埋藏加深、成巖環(huán)境溫度升高，氧同位素分餾效應(yīng)減弱，白云巖的δ18O會不斷偏負(fù)[41-43]；②成巖作用中，碳酸鹽巖會與大氣水、熱液等流體發(fā)生水巖反應(yīng)，使巖石的δ18O不斷負(fù)偏[44]。研究表明，塔西臺地寒武系—奧陶系白云巖δ18O的范圍為-10‰至-5‰時，表明白云巖的δ18O受到了埋藏成巖作用的改造，已不能反映原始的沉積環(huán)境[24]。前人的研究也證明塔西臺地阿瓦塔格組的白云巖已受到成巖作用改造，樣品的δ18O較其原始值偏負(fù)[20]。

圖7 ZS1井中下寒武統(tǒng)白云巖MnO(wt%)、Cr(×10-6)、Fe2O3(wt%)和Fe/Mn變化及沉積相演化Fig.7 Viration of MnO(wt%), Cr(×10-6), Fe2O3(wt%), Fe/Mn ratios and sedimentary facies of Lower-Middle Cambrian carbonates in Well ZS1

在ZS1井中寒武統(tǒng)沙依里克組—阿瓦塔格組界限附近選取泥粉晶白云巖樣品進(jìn)行碳氧同位素分析。其中，沙依里克組的10個樣品的δ13C介于-2.5‰～0.5‰，平均值為-0.25‰；δ18O變化范圍為-6.4‰～-5.8‰，平均值為-6.18‰。阿瓦塔格組21個樣品的δ13C范圍為-1.2‰至2.6‰，平均值為0.8‰，較沙依里克組明顯偏正，但二者的變化幅度大致相同；δ18O變化范圍為-8.1‰～-4.9‰，平均值為-6.36‰，較沙依里克組稍偏負(fù)，變化幅度則遠(yuǎn)大于沙依里克組，有6個樣品的δ18O值小于-7‰(圖8)。結(jié)合前人研究[20,24-45]，ZS1井中寒武統(tǒng)尤其是阿瓦塔格組白云巖的δ18O特征很可能已部分被改造，可能無法反映其沉積環(huán)境的特征。

圖8顯示ZS1井中寒武統(tǒng)白云巖樣品的δ13C與δ18O之間并不存在線性關(guān)系(R2=0.023)，且樣品的δ13C多在0附近，大多落在-2‰～2‰?yún)^(qū)間內(nèi)，沙依里克組和阿瓦塔格組δ13C的變化幅度也大致相當(dāng)。這些證據(jù)顯示ZS1井中寒武統(tǒng)碳酸鹽巖有較大可能保留了原始沉積的碳同位素特征。自下部的沙依里克組到上部的阿瓦塔格組，δ13C表現(xiàn)出總體不斷偏正的趨勢(圖9)，可能指示了從沙依里克組到阿瓦塔格組水體局限程度不斷增加，水體可能更為溫暖和富營養(yǎng)化(鹽度較高)，微生物呼吸作用也更加強(qiáng)烈，導(dǎo)致有機(jī)碳大量埋藏，沉積環(huán)境水體的δ13C不斷偏正，同時期沉積的碳酸鹽巖δ13C也不斷偏正。

圖8 ZS1井中寒武統(tǒng)白云巖δ13CPDB(‰)-δ18OPDB(‰)散點圖Fig.8 δ13CPDB(‰)-δ18OPDB(‰) relations of Middle Cambrian carbonates in Well ZS1

圖9 ZS1井中寒武統(tǒng)白云巖δ13CPDB(‰)、δ18OPDB(‰)曲線Fig.9 Stable carbon and oxygen isotope trends of Middle Cambrian carbonates in Well ZS1

4.2.4 陸地對沉積環(huán)境的影響

碳酸鹽巖以富Ca、Mg、Sr、Ba、Mn，貧Si、Al、K為特征，而陸源碎屑具有富Si、Al、K的特點，因此碳酸鹽巖中Si、Al和K的含量反映了沉積物中陸源物質(zhì)的含量變化，也在一定程度上反映相鄰陸地對海相沉積環(huán)境的影響。ZS1井中下寒武統(tǒng)碳酸鹽巖樣品的Si、Al、K含量受沉積微相控制明顯，在泥質(zhì)含量較高的瀉湖、膏—泥云坪等微相沉積物中含量較高(圖10)，說明在考慮陸地對于海相沉積環(huán)境的影響時，要考慮局部沉積環(huán)境(沉積微相)的影響。相同沉積微相下，Si、Al和K在離岸較近、相對海平面較低的沉積環(huán)境中比離岸較遠(yuǎn)、相對海平面較高的沉積環(huán)境中更富集，例如同為膏—泥云坪微相的沉積，阿瓦塔格組上部樣品(蒸發(fā)臺地相)中的Si、Al和K較肖爾布拉克組上部和吾松格爾組樣品(局限—蒸發(fā)臺地相)中更為富集，表明相鄰陸地對海相沉積環(huán)境的影響程度隨著相對海平面的降低和離岸距離的減小而增大。此外，樣品中Si、Al和K整體較高的含量表明在寒武紀(jì)時期，塔西臺地受鄰近陸地的影響較大。

4.3 大陸的化學(xué)風(fēng)化與氣候變化

Nesbittetal.[46]在研究加拿大下元古界Huronian超群的碎屑巖時提出：上地殼遭受化學(xué)風(fēng)化時，長石等主要硅酸鹽礦物中Na、K、Ca等易遷移元素會隨流體大量流失；而Al的性質(zhì)較為穩(wěn)定，更傾向于留在風(fēng)化產(chǎn)物中。隨著化學(xué)風(fēng)化作用的增強(qiáng)，風(fēng)化產(chǎn)物中主成分Al2O3的摩爾分?jǐn)?shù)將不斷增大。CIA(chemical index of alteration，化學(xué)蝕變指數(shù))作為一個反映碎屑沉積物源區(qū)風(fēng)化程度的指標(biāo)被提出：

圖10 ZS1井中下寒武統(tǒng)白云巖SiO2(wt%)、Al2O3(wt%)和K2O(wt%)的變化及沉積相演化Fig.10 Viration of SiO2(wt%), Al2O3(wt%), K2O(wt%) and sedimentary facies of Lower-Middle Cambrian carbonates in Well ZS1

CIA=[m(Al2O3)/m(Al2O3)+m(CaO*)+m(Na2O)+m(K2O)]×100

式中，m為各種氧化物在陸源碎屑沉積物中所占的摩爾分?jǐn)?shù)，CaO*指陸源硅酸鹽碎屑中的CaO，即全巖的CaO扣除掉海水中化學(xué)沉積的CaO后剩余的CaO所占的摩爾分?jǐn)?shù)。CIA是一個無量綱的數(shù)值，CIA越高，指示沉積物源區(qū)所經(jīng)受的化學(xué)風(fēng)化程度越高[46-48]，并可根據(jù)大陸的化學(xué)風(fēng)化背景間接指示古氣候：CIA值介于50～65，反映寒冷、干燥的氣候條件下低等的化學(xué)風(fēng)化程度；CIA值介于65～85，反映溫暖、濕潤條件下中等的化學(xué)風(fēng)化程度；CIA值介于85～100，反映炎熱、潮濕的熱帶亞熱帶條件下的強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化程度[47]。地球上一些反映典型氣候的現(xiàn)代沉積物的CIA值大致如圖11所示。

圖11 肖爾布拉克東溝中上寒武統(tǒng)碳酸鹽巖酸不溶物及部分反映典型氣候的現(xiàn)代沉積物的CIA值Fig.11 Values of CIA for Middle-Upper Cambrian carbonates and various other rocks and sediments reflecting typical climates

海相沉積的碳酸鹽巖一般含有5%以內(nèi)的陸源碎屑。這些陸源碎屑的物源通常為沉積環(huán)境周圍的陸地，其CIA值代表了沉積時沉積環(huán)境附近陸地的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，而化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度主要受氣候控制，因此CIA值的變化也間接指示區(qū)域氣候的特征。古老地層所經(jīng)歷的成巖作用乃至更深埋藏導(dǎo)致的中低級變質(zhì)作用對于CIA的影響很小[46]，為利用CIA研究深時(Deep Time)氣候變化提供了可能。碳酸鹽巖臺地中沉積的陸源碎屑普遍為經(jīng)長距離搬運的細(xì)粒沉積物(粒度普遍小于0.1 mm)，以黏土礦物和石英為主，其物源區(qū)主要為臺地附近暴露并接受剝蝕的陸地。因此，碳酸鹽巖酸不溶物的CIA值往往反映了臺地所在區(qū)域內(nèi)陸地的整體化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。

圖11為肖爾布拉克東溝剖面中上寒武統(tǒng)白云巖酸不溶物及部分反映典型氣候的現(xiàn)代沉積物的CIA值。中寒武統(tǒng)沙依里克組和上寒武統(tǒng)下丘里塔格組CIA的平均值分別為75.71和76.86，反映了中等程度的源區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度，間接指示溫暖濕潤的氣候特征，中寒武統(tǒng)阿瓦塔格組CIA的平均值為88.4，指示強(qiáng)烈的源區(qū)化學(xué)風(fēng)化，說明阿瓦塔格期氣候具有炎熱潮濕的特點。表明與中寒武世早期(沙依里克期)相比，中寒武世晚期(阿瓦塔格期)塔西臺地所在區(qū)域的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度更大，氣候可能也更為炎熱極端，晚寒武世(下丘里塔格期)化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度有所減弱，中寒武世晚期的炎熱、極端氣候也變的相對溫和。酸不溶物所反映的陸地化學(xué)風(fēng)化及氣候演化與沉積學(xué)、全巖地球化學(xué)反映的海相沉積環(huán)境的演化相匹配，表明中晚寒武世塔西臺地所在區(qū)域的海洋和陸地間存在著高度的協(xié)同演化。

4.4 海陸演化的關(guān)系和控制因素

綜合沉積相演化序列，ZS1井碳酸鹽巖Sr/Ba反映的沉積水體古鹽度變化，F(xiàn)e/Mn指示離岸距離及相對海平面變化，C同位素反映的沉積環(huán)境演變以及酸不溶物CIA代表的大陸化學(xué)風(fēng)化和氣候的演化序列，可總結(jié)塔西臺地寒武紀(jì)的沉積相、海相沉積環(huán)境、大陸化學(xué)風(fēng)化及氣候演化序列如下(圖12)：①早寒武世中期(肖爾布拉克期)在早寒武世早期(玉爾吐斯期)陸棚相沉積的基礎(chǔ)上發(fā)生海退，發(fā)育局限臺地相沉積，Sr/Ba反映的海水古鹽度較低，F(xiàn)e/Mn反映沉積環(huán)境離岸較遠(yuǎn)，相對海平面處于較高位置，陸源碎屑的注入相對較少，對海相沉積環(huán)境的影響較??；②早寒武世晚期(吾松格爾期)持續(xù)海退，形成局限—蒸發(fā)臺地相沉積，沉積水體古鹽度較高，沉積環(huán)境離岸較近，相對海平面處于較低位置，陸源碎屑的注入相對較多，陸地對海相沉積環(huán)境的影響較大；③中寒武世早期(沙依里克期)發(fā)生海侵，發(fā)育局限臺地相沉積，海水古鹽度再次降低，沉積環(huán)境離岸距離增大，相對海平面較高，陸源碎屑注入減少，對沉積環(huán)境的影響減弱，酸不溶物CIA值反應(yīng)臺地鄰近陸地的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度中等，區(qū)域氣候溫暖濕潤；④中寒武世晚期(阿瓦塔格期)發(fā)生寒武紀(jì)最大規(guī)模海退，形成蒸發(fā)臺地相沉積，臺地內(nèi)海水古鹽度為寒武紀(jì)最高，沉積環(huán)境離岸最近，相對海平面最低，這一時期較沙依里克期生物活動更為強(qiáng)烈，有機(jī)質(zhì)大量埋藏，沉積物中陸源物質(zhì)含量最高，陸地對于海洋的影響最大，臺地鄰近陸地經(jīng)歷強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化，區(qū)域氣候具有炎熱、極端、并可能潮濕的特征；⑤晚寒武世(下丘里塔格期)大規(guī)模持續(xù)海侵，形成局限臺地—開闊臺地相沉積，沉積環(huán)境可能具有較低的水體鹽度、較遠(yuǎn)的離岸距離、較低的相對海平面和較弱的陸源影響，臺地鄰近陸地經(jīng)歷中等強(qiáng)度的化學(xué)風(fēng)化作用，氣候溫暖濕潤，與中寒武世早期(沙依里克期)相當(dāng)。總體而言，寒武紀(jì)時期，塔西臺地的沉積同時受海洋和陸地的影響，塔西臺地所在區(qū)域的海洋和陸地的環(huán)境演化存在高度的耦合性，海洋—陸地—氣候變化存在協(xié)同關(guān)系。

圖12 寒武紀(jì)塔西臺地海洋—陸地—氣候演化的協(xié)同性Fig.12 Ocean-land-climate coupling in the western Tarim area during Cambrian

肖爾布拉克東溝中上寒武統(tǒng)白云巖樣品酸不溶物的CIA值多數(shù)(除沙依里克組下部的一個樣品外)處于73～91的區(qū)間內(nèi)(圖11)。其中，中寒武統(tǒng)沙依里克組和上寒武統(tǒng)下丘里塔格組樣品的CIA值介于平均頁巖和亞熱帶地區(qū)沉積的亞馬遜泥巖之間，表明中寒武世早期和晚寒武世塔里木地塊所在區(qū)域的氣候特征類似于現(xiàn)今地球的亞熱帶—溫帶氣候帶；而中寒武統(tǒng)阿瓦塔格組樣品的CIA值則介于亞馬遜泥巖和殘留黏土之間，表明中寒武世晚期(阿瓦塔格期)塔里木地塊的氣候特征類似于現(xiàn)今地球的亞熱帶—熱帶氣候帶。本研究中樣品整體較高的CIA值表明中晚寒武世塔里木地塊整體處于較低緯度地區(qū)，與古板塊位置重建的結(jié)果相符合[32]。而從沙依里克組到阿瓦塔格組CIA值升高，至下丘里塔格組CIA值又降低，有兩種可能的解釋：①板塊運動。塔里木地塊在中寒武世由溫帶—亞熱帶地區(qū)漂移到更低緯度的亞熱帶—熱帶地區(qū)帶，在晚寒武世又重新遷移到溫帶—亞熱帶地區(qū)；②塔里木地塊在中晚寒武世所經(jīng)歷的氣候演變可能不是板塊遷移所導(dǎo)致的，而是受宏觀氣候變化的影響。

對于前一種解釋，以目前地球的氣候帶為參考，從溫帶—亞熱帶地區(qū)到亞熱帶—熱帶地區(qū)要跨越的維度大致為15°，若塔西臺地中上寒武統(tǒng)所記錄的氣候變化是由于板塊運動所導(dǎo)致的，則塔里木地塊在中晚寒武世要經(jīng)歷較低緯度—低緯度—較低緯度的遷移過程，大致跨越30°的維度范圍。已有的研究顯示中晚寒武世期間塔里木地塊并未發(fā)生如此大的遷移[31-32]；再者，以當(dāng)前地球上板塊運動速率大致為2～8 cm·yr-1[49]計算，若板塊垂直于緯線遷移，則跨越30°的維度范圍所需要的時間大致為175～50 Ma，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中晚寒武世的時間范圍(～22 Ma)，即使寒武紀(jì)的洋殼擴(kuò)張速率比現(xiàn)在略高[50]，要使板塊在中晚寒武世跨越如此大的緯度范圍，且其遷移方向發(fā)生中緯度—低緯度—中緯度的逆向折返的可能性仍然很小。因此，宏觀氣候的變化成為可能性更大的因素，與阿瓦塔格組大致同時期發(fā)育的華南中寒武統(tǒng)覃家廟群上部發(fā)育蒸發(fā)環(huán)境下形成的紅層沉積[51]，而同時期華北地區(qū)張夏組也以鮞?；?guī)r的大量發(fā)育標(biāo)志著該時期是整個中晚寒武世華北地臺相對海平面最低的時期[52]，表明中晚寒武世塔西臺地的演化可能主要受全球氣候的宏觀變化控制。結(jié)合塔西臺地寒武紀(jì)整體較為穩(wěn)定的拉張構(gòu)造背景[11,15-16]，寒武紀(jì)塔西臺地所處區(qū)域海洋及陸地較長周期的演化可能主要受宏觀氣候變化和海平面升降的控制，具體表現(xiàn)為相對海平面變化導(dǎo)致的海相沉積環(huán)境水體鹽度、離岸距離的變化，以及氣候控制的陸地化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的演化，且二者具有高度耦合的特征。

5 結(jié)論

通過巖石學(xué)、沉積學(xué)和地球化學(xué)手段，研究塔西臺地寒武系的沉積環(huán)境特征及其演化，并與鄰近陸地的化學(xué)風(fēng)化背景和氣候變化相結(jié)合，探討海洋—陸地—氣候演化的聯(lián)系與機(jī)理，主要獲得以下認(rèn)識：

(1) 利用地球化學(xué)手段研究碳酸鹽巖的沉積環(huán)境，首先需要評估地球化學(xué)數(shù)據(jù)的原始性：CaO-MgO關(guān)系落在沉積線附近、具有高Ba低Mn特征的泥粉晶白云巖通常保留了原始的地球化學(xué)特征。與單個元素的含量和O同位素相比，元素比值和C同位素更易排除干擾，反映沉積相演化和相對海平面升降的信息。碳酸鹽巖中的非碳酸鹽組分則可用以指示鄰近陸地的化學(xué)風(fēng)化背景和氣候特征。

(2) 結(jié)合沉積相分析、Sr/Ba、Fe/Mn、Si-Al-K含量、C同位素特征和酸不溶物地球化學(xué)研究，寒武紀(jì)塔西臺地發(fā)育局限臺地、局限臺地或蒸發(fā)臺地沉積。相對海平面較高時發(fā)育局限臺地，沉積環(huán)境以離岸較遠(yuǎn)、水體鹽度較低、陸源影響較弱為特征，臺地鄰近陸地化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度適中，氣候溫暖濕潤；相對海平面較低時發(fā)育蒸發(fā)臺地，沉積環(huán)境具有離岸較近、水體鹽度較高、陸源影響較高的特征，鄰近陸地化學(xué)風(fēng)化作用較強(qiáng)，氣候炎熱極端。相對海平面適中時則發(fā)育局限—蒸發(fā)臺地，沉積環(huán)境、鄰近陸地和氣候特征介于上述兩者之間。

(3) 塔西臺地寒武系沉積同時受海洋和陸地的影響，海相沉積環(huán)境和鄰近陸地的演化存在高度的一致性，臺地較長周期的演化主要受宏觀氣候變化及全球相對海平面升降控制，具體表現(xiàn)在相對海平面升降控制了海相沉積環(huán)境的變化，氣候變化則導(dǎo)致陸地化學(xué)風(fēng)化背景的變化。寒武紀(jì)時期，塔西臺地所處區(qū)域的海洋—陸地—氣候變化具有高度耦合的特征。

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Evolution of Cambrian Sedimentary Environment and Ocean-Land Coupling of the Western Tarim Carbonate Platfrom

LIU PeiXian1GUAN Ping1FENG Fan1JIA WenBo1ZHANG Wei1DENG ShiBiao1JIN YiQiu2

(1. MOE Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, CNPC, Beijing 100083, China)

As the transition zone between terrestrial and marine environment, carbonate platform sediments record information both from ocean and land. Some geochemical research are carried on Cambrian carbonates and their acid-insoluble residua based on sedimentary facies analysis, focused on development of sedimentary environment, change of paleosalinity, sea level fluctuations, evolution of terrestrial chemical weathering intensity and climate change. Lithological and sedimentological research show that sedimentary facies of the Western Tarim Carbonate Platform in Cambrian was mainly restricted platform, restricted-evaporite platform or evaporite platform. Geochemical characteristics of carbonates is usually generated by sedimentation and reformed by diagenesis. The elemental composition and O isotope of our samples are respectively affected by sedimentary micro-facies and water-rock interaction, only Sr/Ba, Fe/Mn and C isotope of primary or penecontemporaneous dolomite can be used to indicate paleosalinity, offshore distance and other characteristics of sedimentary environment. Evolution of terrestrial chemical weathering intensity and climate change can be reflected by CIA(chemical index of alteration) of the carbonates’ acid-insoluble residua. In Cambrian, restricted platform was developed in western Tarim when the RSL(relative sea level) is at high position, sedimentary environment was characterized by relatively low salinity, far offshore distance and weak biological activity, with moderate terrestrial chemical weathering and mild climate. On the contrary, when the RSL is relatively low, evaporite platform is developed and with sedimentary environment characterized by high salinity, near offshore distance and strong biological activity, the terrestrial chemical weathering is intense, indicating hot or possibly humid climate. The situation when restricted-evaporite platform developed is between the two forementioned. Relatively long-period evolution of the Western Tarim Carbonate Platform corresponding to facies’ development may be controlled by global climate change and sea level fluctuations. Concretely, the evolution of marine sedimentary environment is mostly controlled by RSL change, and the change of terrestrial chemical weathering flux is mainly controlled by climate change. High consistency can be found among sedimentary facies sequences, evolution of marine sedimentary environment, change of terrestrial chemical weathering intensity, relative sea level change and climate change. Therefore, it represent a close ocean-land-climate coupling of the western Tarim Carbonate Platform in Cambrian.

western Tarim Platform; Cambrian dolomite; sedimentary environment; CIA of acid-insoluble residua; ocean-continent coupling

1000-0550(2016)06-1092-16

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.06.008

2015-09-06； 收修改稿日期： 2016-03-28

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2012CB214801)；國家科技重大專項(2011ZX05009-002-403， 2011ZX05004-004-005)[Foundation：National Key Basic Research Program of China(973 Program)，No.2012CB214801； National Science and Technology Major Project，No.2011ZX05009-002-403, 2011ZX05004-004-005]

劉沛顯 男 1993年出生 博士研究生 沉積學(xué)與沉積地球化學(xué) E-mail：liupeixian@pku.edu.cn

關(guān) 平 男 教授 E-mail：pguanl@pku.edu.cn

P534.41

A