渭北西部中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖地球化學特征及古環(huán)境恢復

張 晶 晶

(西安石油大學， 西安 710065)

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渭北西部中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖地球化學特征及古環(huán)境恢復

張 晶 晶

(西安石油大學， 西安 710065)

摘要：通過對渭北西部中奧陶統(tǒng)馬家溝組碳酸鹽巖C、O同位素和微量元素的測試分析和對C、O同位素原始性的評估與校正，分析該地區(qū)馬家溝期的古環(huán)境。對古沉積環(huán)境的鹽度、溫度、氣候及氧化還原性進行了定性與定量分析。分別采用公式法與最小二乘法對古溫度與古氣候進行了定量分析，并比較其差異，研究認為綜合這2種算法可有效反映古環(huán)境的氣候與溫度等信息。

關鍵詞：C、O同位素； 微量元素； 古環(huán)境恢復； 馬家溝組

渭北西部位于鄂爾多斯盆地南緣，而奧陶紀位于華北海西南部與秦祁海槽的過渡帶，海相地層沉積厚度巨大，特別是奧陶系發(fā)育齊全，出露好(圖1)。馮增昭等人曾對渭北西部奧陶系巖相古地理進行了系統(tǒng)研究，但很少涉及C、O同位素與微量元素對古環(huán)境及其演化的影響[1-2]。郭福生等人利用C、O同位素和微量元素研究碳酸鹽巖古環(huán)境及其演化[3-4]，本次研究從C、O同位素及微量元素著手，根據(jù)不同沉積環(huán)境C、O同位素及微量元素(V、Ni、Cu、Sr、Ba、Th、U)賦存與遷移規(guī)律，揭示馬家溝沉積期的古環(huán)境與古氣候。

圖1　研究區(qū)出露奧陶系地層與采樣位置

1巖樣采集與測試結果

本次樣品采集避開后期風化、重結晶、方解石脈等部位,以降低后期成巖蝕變作用對穩(wěn)定同位素δ原始組成的影響。樣品共計20件，在中國科學院地球環(huán)境研究所MAT-252質譜儀對δ13C與δ18O進行測試，O、C同位素標準偏差分別為0.07‰和0.04‰。微量元素在同濟大學海洋地質國家重點實驗室利用Thermo fisherVG-X7型電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)測得，相對標準偏差RSD<2%。

1.1C、O同位素測試結果

對20件樣品的δ13C與δ18O進行測試。測試結果表明：δ13C介于-7.00‰～3.51‰，集中分布在-2.00‰~2.00‰，均值為-0.37‰；δ18O值介于-15.50‰～-3.24‰，均值為-7.34‰(除去樣品YRZK05和ZK301后均值為-6.53‰)，集中分布在-5.00‰~-10.00‰，測試結果見表1。

1.2微量元素測試結果

對20件樣品中的微量元素進行測試，結果見表2。

2C、O同位素測試數(shù)據(jù)評估及校正

2.1C、O同位素測試數(shù)據(jù)原始性評估

評估δ13C和δ18O測試數(shù)據(jù)原始性的判別標準有：

(1)ωMnωSr，通常將ωMnωSr<10作為碳酸鹽巖保留原始C、O同位素組成的判別標準；(2)δ18O，Derry認為δ18O>-10‰可作為碳酸鹽巖強烈蝕變界線[5]；(3)δ13C和δ18O的相關性。

表1　渭北西部地區(qū)早中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖C、O同位素、Z值與古溫度的關系

表2　微量元素測試結果表

其中：ωVω(V+Ni)介于0.02~0.72，均值為0.25；ωSrωCu介于4.40~184.85，均值為62.20；ωSrωBa介于0.23~107.35，均值為25.1；ωThωU介于0.03~3.53，均值為1.14。

根據(jù)對渭北西部隴縣、岐山、桃曲坡等地中上奧陶統(tǒng)資料統(tǒng)計分析知：ωMnωSr<2[6]；δ18O集中在-5‰~-10‰，個別樣品δ18O<-10‰；δ13C和δ18O相關系數(shù)為0.20，但除去異常值后δ13C和δ18O相關系數(shù)為0.62。說明樣品的δ13C和δ18O受到后期成巖作用影響，有必要進行原始性校正。

2.2C、O同位素測試數(shù)據(jù)校正

碳酸鹽巖的δ13C和δ18O受到后期成巖的水巖交換作用而降低，其值隨著地質年代而變化，即存在“年代效應”。δ18O對蝕變作用反應尤其靈敏，時代越老,δ18O越低[7]。對于存在“年代效應”的原因有2個[8]：(1)成巖的水巖交換作用；(2)海水同位素組成和或海水溫度隨地質歷史的變化。Veizer等人[9]測試北美、西歐、蘇聯(lián)等地中奧陶世腕足類化石的δ18O為-4‰，δ13C介于-1‰~1‰。本次樣品(除YRZK05和ZK301)δ18O均值為-6.53‰；δ13C均值為-0.87‰，因此利用δ18O與δ13C計算海水古溫度時，只需對δ18O值進行校正，其校正值為2.53‰，而對于樣品YRZK05和ZK301的δ18O校正值為11.04‰。

3古環(huán)境恢復

3.1古鹽度分析

Keith等人用灰?guī)r的δ13C、δ18O區(qū)分侏羅紀的海相石灰?guī)r和淡水石灰?guī)r，用Z值指示古鹽度及環(huán)境：Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O校正值+50)。其中，古鹽度Z值是判別海陸環(huán)境的參考標志。當Z>120時為海相石灰?guī)r，當Z<120時為陸相(淡水)石灰?guī)r，當Z=120時為未定型石灰?guī)r。

對渭北西部地區(qū)馬家溝組碳酸鹽巖的Z值與δ18O和δ13C相關性進行分析，Z值分布在106.7~132.8，均值為122.9。總體顯示該區(qū)具有正常海相沉積特征，但是個別Z值小于120，甚至低至106.7。Z值與δ18O校正值相關系數(shù)為0.94，與δ13C相關系數(shù)為0.72。ωV<86 μgg為海相，ωBa>10 μgg為正常碳酸鹽巖沉積環(huán)境。V、Ba質量分數(shù)測試結果顯示該區(qū)為正常淺海沉積，同時受到淡水作用的影響(表1)。

3.2古溫度與古氣候分析

水體溫度對δ18O的影響遠遠超過鹽度對其的影響，而δ13C隨溫度變化甚小，因此δ18O可用來做為測試古溫度的可靠標志。通過實驗,得出計算古水溫的經(jīng)驗公式[10]。Craig把該經(jīng)驗公式校正后得:

t= 16.9-4.2(δ18O-δ18Ow)+

0.13(δ18Oc-δ18Ow)

(1)

式中：t—— 碳酸鹽礦物沉淀時的水體溫度，℃；

δ18Oc—— 由碳酸鈣與100%正磷酸在25 ℃下作用生成的CO2氣體所測得的δ18O；

δ18Ow—— 25 ℃時與水平衡的CO2的δ18O。

Gasse等人在前人研究的基礎上給出了以下關系式:

t=16.9-4.38(δ18O-δ18Ow+0.27)+

0.1(δ18Oc-δ18Ow+0.27)

(2)

通常假設海水的O同位素組成保持不變，其δ18Ow為零[11]。通過式(1)與式(2)計算渭北西部地區(qū)中下奧陶世古溫度分別介于17.6~69.1 ℃和18.8~69.2 ℃，平均為33.9，35.2 ℃。本次研究采用最小二乘法處理C、O同位素數(shù)據(jù)，并繪制于Mook提供的溫度范圍曲線圖上[12],得渭北西部地區(qū)中奧陶統(tǒng)的溫度介于21~23 ℃(圖2)。這種方法是研究現(xiàn)代港灣軟體動物貝殼C、O同位素與溫度關系時提出的，對海相環(huán)境只能外推。δ18O與溫度和鹽度有關，而海相的鹽度大于港灣的，所以計算值偏小。2種方法計算出來的古海水溫度平均值分別為27.8，28.8 ℃。通常ωSrωCu>10表明為炎熱氣候[13]，而計算的值介于4.4~184.9，均值為62.2，揭示了渭北西部地區(qū)在中奧陶世為炎熱亞熱帶氣候。這與利用古地磁法分析認為華北板塊奧陶紀處于南半球低緯度地區(qū)[14]以及根據(jù)馬家溝組東部存在夾蒸發(fā)鹽類沉積物和從奧陶紀生物大輻射得出的結論一致[15]。

圖2　最小二乘法計算古溫度圖

在一定溫度下，反應速度和氧化還原電位隨氧化態(tài)和還原態(tài)濃度之比的改變而改變。用ωU、ωV、ωNi、ωCu及ωVω(V+Ni)、ωThωU指示氧化還原環(huán)境[16]。ωVω(V+Ni)>0.54，ωThωU>1.25為強還原環(huán)境；0.46<ωVω(V+Ni)<0.6，1.25>ωThωU>0.75，為弱還原環(huán)境；ωVω(V+Ni)<0.46，ωThωU<0.75，為氧化環(huán)境[17]。研究區(qū)ωVω(V+Ni)介于0.02~0.72，均值為0.25；ωThωU介于0.028~3.53，均值為1.14；總體顯示具有弱還原-氧化環(huán)境特征，局部有強還原環(huán)境，說明水體整體淺，但局部可能有深水。這與0．88<δCe<1．04，水體為較淺的弱氧化-還原環(huán)境一致[18]。根據(jù)ωU與ωV、ωCu與ωV相關性分析知，ωU與ωV的相關系數(shù)為0.71，ωCu與ωV的相關系數(shù)為0.61，說明其質量含量主要受沉積環(huán)境的影響，后期成巖時的水巖交換作用影響較小。

4結語

(1)渭北隆起西部馬家溝組碳酸鹽巖δ13C在-7.00‰～3.51‰，主要分布在-2‰~2‰，均值為-0.4‰；δ18O在-15.50‰～-3.24‰，均值為-7.34‰，主要分布在-5‰~-10‰；(2)研究區(qū)中奧陶紀為正常海相沉積，馬家溝組碳酸鹽巖的ωSr、ωBa、ωSrωBa和δ18O，受淡水作用影響明顯；ωU、ωV、ωCu等主要受古環(huán)境影響，而后期成巖作用對其影響較??；(3)中奧陶世渭北西部的平均海水溫度為27.8 ℃~28.8 ℃，屬亞熱帶炎熱氣候；(4)渭北西部地區(qū)馬家溝期為強還原環(huán)境、弱還原環(huán)境、氧化環(huán)境并存。

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Geochemical Characteristics of Middle-ordovician Series Carbonatite and Restoration of Paleoenvironment in West Weibei

ZHANGJingjing

(Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

Abstract:This paper studied the paleoenvironment in the region of Majiagou, through the test analysis carbon-oxygen isotopes and microelements of middle-ordovician Majiagou carbonatite in west Weibei, as well as through the evaluation and adjustments towards the primitiveness of the carbon-oxygen isotopes. And the analysis was respectively done qualitatively and quantitatively on the salinity, temperature, climate and redox-property of the paleo-sedimentary environment. During quantitative analysis, formula method and least-squares method had been adopted, and their differences were compared. The results of the research based on the combination of these two methods can effectively reflect the information data of paleoenvironment, such as climate and temperature, etc.

Key words:carbon-oxygen isotopes; microelements; restoration of paleoenvironment; Majiagou formation

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)01-0008-04

中圖分類號：P534

作者簡介：張晶晶(1989 — )，男，西安石油大學在讀碩士研究生，研究方向為沉積學。

基金項目：中石化集團公司科技部項目“鄂南奧陶系生物礁灘儲層分布與成藏條件研究”(P15013)

收稿日期：2015-11-16