焦作地區(qū)太原組灰?guī)r碳氧同位素對(duì)淡水注入的指示

郭山奇 宋猛飛

摘要：對(duì)焦作地區(qū)太原組灰?guī)r碳氧同位素的分析，灰?guī)r中碳氧同位素的分布呈值隨著年代由老到新逐漸增高，逐漸減小，L2-L4灰?guī)r段為低負(fù)值或近于零的正值，為較高負(fù)值，該灰?guī)r段為海水成巖環(huán)境；頂部為高負(fù)值，z值近120，為混合水成巖環(huán)境。同時(shí)將焦作地區(qū)太原組與二疊紀(jì)棲霞組和湘中下石炭統(tǒng)相比較，更加證實(shí)了同時(shí)期的焦作地區(qū)太原組灰?guī)r受到淡水注入的影響，焦作地區(qū)太原組灰?guī)r的碳氧同位素表現(xiàn)為異常值。

關(guān)鍵詞：焦作地區(qū)；太原組；碳氧同位素；淡水注入

前言：自從上世紀(jì)五十年代前后提出氧同位素古溫度計(jì)理論以來，沉積物碳酸鹽巖碳、氧同位素已經(jīng)大量地應(yīng)用在古氣候、古環(huán)境研究中。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，沉積物碳酸鹽巖同位素研究已經(jīng)取得了很多豐碩的成果。碳酸鹽巖記錄了沉積水體與沉積環(huán)境的很多信息，內(nèi)部含有的穩(wěn)定同位素可以區(qū)分海水，淡水成因和混合沉積環(huán)境等信息。這是由于淡水環(huán)境下的碳氧同位素較海水成因輕，這是因?yàn)榈械奶纪凰匾资艿街参镒饔煤透癄€的有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的CO2的影響，碳同位素偏輕；由于水的蒸發(fā)過程，160在水的氣態(tài)中富集，因此，同緯度下的淡水較海水氧同位素偏輕。

1地質(zhì)概況、采樣與方法

研究區(qū)位于華北陸塊南部，如圖1。焦作地區(qū)太原組地層經(jīng)歷海退海進(jìn)，沉積了主要的7層灰?guī)r段，巖性分別為泥晶生物屑灰?guī)r、粉晶生物屑灰?guī)r、團(tuán)粒生物屑粉晶灰?guī)r，泥晶灰?guī)r，其中夾雜其他沉積巖如石英砂巖、粉砂質(zhì)粘土巖、高嶺石粘土巖、炭質(zhì)粘土巖、硅質(zhì)巖和煤線（煤層）等?；?guī)r與硅質(zhì)粘土巖中海相化石豐富，主要有蜓、有孔蟲、腕足類，珊瑚、雙殼、介形類、棘皮類、腹足類、藻類、牙形石、海綿類、頭足類等。屬淺海陸棚-開闊臺(tái)地生物灘及濱岸海灣一淡化瀉湖沉積環(huán)境。

2結(jié)果

全巖碳氧同位素分析結(jié)果如表1，焦作地區(qū)太原組L2-L4層灰?guī)r中813c值在-0.64-1.05‰之間，且呈現(xiàn)隨著年代由老到新逐漸變大，頂部灰?guī)r中的813c值為一1.15‰，與L2-L4層灰?guī)r相比813c值突然出現(xiàn)負(fù)高值。L2-L4層灰?guī)r中8180值為-9.24 9.43‰之間，變化范圍很小，僅相差0.19‰，但是頂部灰?guī)r中8180值為一11.78‰，與L2-L4層灰?guī)r相比8180值突然出現(xiàn)負(fù)高值。

將以上樣品中的813c值和8180值投在坐標(biāo)系中，以813c值為縱坐標(biāo)，以8180值為橫坐標(biāo)（如圖2），并從該圖中看到焦作地區(qū)太原組灰?guī)r中813c值和8180值并不存在相關(guān)性，且1311-8樣品表現(xiàn)出明顯的特殊性。

3討論

3.1海水鹽度的影響

Keith和webe r（1964）把813c、8180兩者結(jié)合起來用來指示古鹽度，他們推導(dǎo)出以下方程式以區(qū)分侏羅紀(jì)和時(shí)代更新的的海相石灰?guī)r和淡水石灰?guī)r：

Z=2.048×（813c+50>}0.498×（8180+50）（8的標(biāo)準(zhǔn)為PDB）（2）

z>120時(shí)為海相石灰?guī)r

Z=120時(shí)為未定型石灰?guī)r

z<120時(shí)為淡水石灰?guī)r

而根據(jù)表1，焦作地區(qū)太原組灰?guī)r除頂部灰?guī)rz值小于120，其他層位中灰?guī)rz值都高于120，但是普遍都接近于120。陳榮坤對(duì)不同成因環(huán)境下的碳酸鹽巖進(jìn)行碳氧同位素的測(cè)試數(shù)據(jù)總結(jié)分析，將碳酸鹽巖沉積環(huán)境分為大氣淡水成巖環(huán)境、混合水成巖環(huán)境、正常海水成巖環(huán)境和淺一深埋藏成巖環(huán)境，并指出混合水成巖環(huán)境具體表現(xiàn)為8180值小于零，而813c則大于零。同時(shí)，現(xiàn)代碳酸鹽巖沉積理論認(rèn)為，現(xiàn)代半咸水灰?guī)rz值（90-120）的比擬，屬于半咸水環(huán)境。-

綜合以上理論，頂部太原組屬于半咸水環(huán)境。太原組灰?guī)r由下至上由海相向淡水相灰?guī)r過渡，即太原組沉積由海侵向海退過渡。同時(shí)也說明正常海相灰?guī)r向半咸水灰?guī)r逐漸過渡，說明上述灰?guī)r在形成過程中由于后期海退常有短暫的暴露或淡水淋濾的經(jīng)歷。

3.2淡水注入對(duì)灰?guī)r的影響

一般認(rèn)為石炭一二疊紀(jì)時(shí)的海相灰?guī)r的818O值為-58‰，本區(qū)太原組海相灰?guī)r的8180值為9.24--9-43‰之間：許多學(xué)者認(rèn)為古生代以來各地質(zhì)時(shí)代的海相碳酸鹽巖813c值很穩(wěn)定，變化范圍在+2.2-3.0‰以內(nèi)。而淡水碳酸鹽813c變化范圍很大，可從-2.0‰變化到-8.0‰，而本區(qū)海相石灰?guī)r的813c值在-0.64-1.05‰，淡水灰?guī)r的813c值為-1.15‰，無論海相灰?guī)r還是淡水灰?guī)r都比上述的813c值偏低，推測(cè)可能本區(qū)太原組灰?guī)r沉積受到淡水的影響。

3.3淡水影響的混合機(jī)理

焦作地區(qū)太原組灰?guī)rL2-L4、頂部灰?guī)r段均屬于淺海相帶，海水不深，淡水主要來自大氣降水和地表徑流的影響。淡水中相對(duì)于海水富集輕元素，即淡水中相對(duì)富集12C和160，由于淡水的注入造成焦作地區(qū)碳氧同位素分餾。在同位素分餾作用的影響下，焦作地區(qū)太原組灰?guī)r818O值和813c值相對(duì)偏低。

隨著地層的由老到新，8180值逐漸降低，該區(qū)灰?guī)r受到淡水的影響逐漸加深，頂部灰?guī)r的8180值達(dá)到最小值，說明頂部灰?guī)r受到的淡水影響最大；L2-L4層灰?guī)r中813c值由下至上逐漸升高，推測(cè)這主要是生物碎屑含量逐漸減少的原因，因?yàn)樯锼樾枷鄬?duì)方解石富含12C，而頂部灰?guī)r813c值出現(xiàn)負(fù)高值，這是由于頂部灰?guī)r沉積環(huán)境為半咸水環(huán)境，陸生植物比海生植物富含12C，淡水中又含有較多的有機(jī)成因的CO2，所以淡水形成的碳酸鹽同位素比L2-L4層形成的碳酸鹽輕。

4結(jié)論

結(jié)合焦作地區(qū)太原組的沉積地層和沉積環(huán)境，并對(duì)焦作地區(qū)太原組灰?guī)r中碳氧同位素的分布規(guī)律及其控制因素，得出以下結(jié)論：

1.焦作地區(qū)太原組中L2-L4層灰?guī)r中813e值隨著年代由老到新逐漸變大，但頂部灰?guī)r中8”c值出現(xiàn)高負(fù)值；8180隨著年代由老到新逐漸變小。

2.焦作地區(qū)太原組灰?guī)r中813c和8180比較低，主要受淡水注入的影響，且頂部灰?guī)r影響較大。