米倉山-漢南隆起牛蹄塘組頁巖穩(wěn)定碳同位素組成及其意義

田 濤, 周世新, 付德亮, 楊 甫, 段中會, 李 靖

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西西安 710021; 2.陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司,陜西西安 710021;3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心,甘肅蘭州 730000)

埃迪卡拉紀(jì)至早寒武世早期(約635～509 Ma)是地球演化史上的關(guān)鍵時期,發(fā)生了一系列重要的表生環(huán)境波動和生物演化事件[1-2],對全球地層沉積系統(tǒng)及其保存的有機質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。碳、氧等同位素地球化學(xué)是研究沉積物來源,推斷沉積環(huán)境的有效手段,促進了古海洋環(huán)境的定量化、微觀化發(fā)展[3-6]。華南揚子地臺是埃迪卡拉系—下寒武統(tǒng)發(fā)育最好的地區(qū)之一,是該時期古海洋環(huán)境演化、碳循環(huán)的重要場所,在該區(qū)開展了主要集中于埃迪卡拉系—寒武系界線附近的碳、氧同位素研究[7-10],而針對寒武系梅樹村階—滄浪鋪階的研究較少。已有研究認(rèn)為沉積有機質(zhì)來源于光合作用的水生浮游生物,其碳同位素組成由浮游生物所吸收的無機碳源形式和光合作用機制綜合作用形成[11-13]。然而碳循環(huán)的復(fù)雜性,致使不同區(qū)域δ13C具有多樣性,對全球性數(shù)據(jù)及變化特征的合理解釋模型還存在一定的爭議[14-15]。中國南方廣泛分布下古生界富有機質(zhì)黑色頁巖,形成于這個特殊的地質(zhì)歷史階段,頁巖中富集的微量元素、稀土元素、穩(wěn)定碳氧同位素等記錄了該時期的古海洋沉積環(huán)境。隨著中國南方海相頁巖氣勘探工作的不斷深入,四川盆地及其周緣下古生界頁巖尤其是下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖成為中國海相頁巖氣突破的重要層系[16-17],而頁巖沉積過程所處的古海洋環(huán)境,是其形成發(fā)育質(zhì)量的重要影響因素[18-20]。近年來,諸多學(xué)者通過微量元素、稀土元素等手段揭示了四川盆地下古生界沉積區(qū)黑色頁巖古沉積環(huán)境,尤其針對龍馬溪組頁巖開展了較多的研究工作,并討論了古沉積環(huán)境與有機質(zhì)富集之間的關(guān)系,普遍認(rèn)為該套黑色富有機質(zhì)頁巖的保存受益于高有機質(zhì)產(chǎn)率、快速埋藏、缺氧的沉積環(huán)境[21-23],對有機質(zhì)生產(chǎn)方式及海洋環(huán)境模式闡述不詳。深水被動大陸邊緣是油氣勘探新趨勢[24],米倉山-漢南隆起區(qū)早寒武世具被動大陸邊緣性質(zhì),是中國南方復(fù)雜地質(zhì)區(qū)海相頁巖氣調(diào)查評價新區(qū),缺乏穩(wěn)定碳氧同位素數(shù)據(jù)在古海洋沉積環(huán)境及其與頁巖有機質(zhì)形成關(guān)系上的證據(jù)。筆者沿早寒武世海水侵入方向,選取寧強鐵鎖關(guān)、南鄭西河鄉(xiāng)、法鎮(zhèn)兩河村剖面進行較為系統(tǒng)的牛蹄塘組黑色頁巖碳氧同位素樣品的采集和測試,以期通過其保存的原始同位素地質(zhì)信息,了解古海洋碳氧同位素組成、演化模式及其對牛蹄塘組頁巖有機質(zhì)形成的影響,同時也進一步豐富中國早寒武世早期的穩(wěn)定碳氧同位素數(shù)據(jù)資料。

1 地質(zhì)概況

米倉山-漢南隆起位于上揚子西北緣,地處于四川盆地與秦嶺造山帶之間的構(gòu)造耦合部位,其西鄰龍門山構(gòu)造帶,東抵大巴山弧形褶皺帶,北接勉略縫合帶,南鄰四川盆地。早寒武世,研究區(qū)長期處于構(gòu)造拉張背景,具被動大陸邊緣性質(zhì),海水沿川滇古陸東側(cè)龍門山海槽向東北方向侵入寧強、南鄭一帶[25],并受古構(gòu)造背景的制約,形成比較紛雜的沉積相態(tài)。加里東期以來在多期次構(gòu)造運動改造下,逆沖斷層、走滑斷層等普遍發(fā)育,主要構(gòu)造線在區(qū)內(nèi)呈北東向展布,在與南秦嶺的交匯處表現(xiàn)為強烈的弧形逆沖帶,軸向近南北的寬緩復(fù)背向斜。區(qū)內(nèi)中部隆起區(qū)廣泛出露太古代—早元古代(Ar-Pt1)花崗質(zhì)基底巖石及少量基性侵入巖;西側(cè)寧強拗陷廣泛出露震旦紀(jì)—寒武紀(jì)(Z-∈)下古生界海相沉積,包括大量下寒武統(tǒng)牛蹄塘組(∈1n)呈條帶狀、片狀或不規(guī)則狀出露;東部鎮(zhèn)巴拗陷和南部前陸盆地區(qū)則主要出露二疊系—白堊系(P-K)沉積巖(圖1(a))。以寧強拗陷鐵鎖關(guān)剖面為例(圖1(b)),地層由老到新分別為上震旦統(tǒng)燈影組、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、石牌組、滄浪鋪組、下奧陶統(tǒng)趙家壩組。牛蹄塘組不整合于燈影組灰白色細晶白云巖之上,石牌組灰綠色、黃綠色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖之下,巖性中上部主要為灰黑色—黑色粉砂質(zhì)頁巖、灰黑色泥頁巖頁巖,底部多見黑色炭質(zhì)頁巖等,黃鐵礦含量較高,為陸棚沉積環(huán)境,北部寧強鐵鎖關(guān)剖面代表相對淺水的沉積環(huán)境,南部西河鄉(xiāng)剖面可能過渡到深水陸棚相沉積。區(qū)域內(nèi)牛蹄塘組沉積厚度大,頁巖氣調(diào)查井揭露區(qū)內(nèi)牛蹄塘組頁巖厚度85～283 m,露頭剖面實測厚度普遍超過100 m。

圖1 米倉山-漢南隆起區(qū)地質(zhì)略圖及采樣點Fig.1 Geological sketch map of Micangshan-Hannan Uplift and sampling points

2 樣品概況與測試方法

圖2 早寒武世早期巖相古地理圖與采樣位置Fig.2 Lithofacies palaeogeography of Early Cambrian and sampling location

穩(wěn)定碳同位素測試在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心完成。有機碳同位素測定時,將粒徑為0.075 mm的粉末樣品用50%鹽酸和氫氟酸浸泡24 h,除去其中的碳酸鹽和硅酸鹽等無機礦物,然后用去離子水清洗至中性,重復(fù)以上步驟直至無機礦物完全去除為止,低溫烘干之后,將樣品裝入石英舟內(nèi),送入裝有氧化銅的真空高溫反應(yīng)爐中,875 ℃條件下通入高純O2充分燃燒,將有機碳轉(zhuǎn)化為CO2,連接美國賽飛默公司制造的Finnigan-MAT253型同位素質(zhì)譜儀測定。無機碳同位素測定時,將粒徑為0.075 mm的粉末樣品稱量、烘干,真空條件下與純磷酸放入恒溫25 ℃震蕩器內(nèi)混合,恒溫震蕩超過10 h,運用液氮將反應(yīng)所產(chǎn)生的CO2轉(zhuǎn)移到氣樣管中,然后連接MAT-251穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測試,δ13C分析結(jié)果參照國際 PDB標(biāo)準(zhǔn)。由于研究區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖中可溶性有機質(zhì)含量非常低,巖石熱解溶解烴(S1)非常低,處于0.02～0.05 mg/g,所得有機質(zhì)可認(rèn)為是干酪根組分,所測結(jié)果可認(rèn)為是干酪根δ13C。

3 實驗結(jié)果

對采于各個剖面的樣品均進行配套的有機碳同位素(δ13Corg)、無機碳同位素(δ13Ccarb)和氧同位素(δ18O)分析以及相關(guān)微量元素分析,結(jié)果見表1(氧同位素主要用于同位素原始性檢驗)。結(jié)果表明,研究區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖δ13Corg組成變化較大,顯示強烈的負(fù)異常,分布在-34.032‰～-29.537‰,與陳蘭等[26]獲取的湘黔地區(qū)牛蹄塘組頁巖δ13Corg(-34.41‰～29.49‰)和李仁偉等[27]獲取的早寒武世黑色頁巖δ13Corg(-34.4‰～27.1‰)極為接近。Lewan[12]曾經(jīng)對顯生宙時期沉積巖中無定形干酪根的碳同位素組成進行過系統(tǒng)的研究,將其歸納成兩個類型,即相對富輕碳同位素(12C)的L-型(-26‰<δ13Corg<-35 ‰)和相對富重碳同位素(13C)的H-型無定形干酪根(-24‰<δ13Corg<-20 ‰)。研究區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖有機質(zhì)δ13Corg均低于-26‰,屬于L-型無定形有機質(zhì),且普遍低于-30‰,相對L-型有機質(zhì)更富集12C。碳酸鹽δ13Ccarb明顯富集13C,分布在-1.21‰～3.64‰之間。古鹽度(Z)[28]較高,分布在121.06～132.02。氧同位素δ18O分布在-8.94‰～-3.5‰。

表1 樣品測試結(jié)果

注:δ13Ccarb-org=δ13Ccarb-δ13Corg[27];Z=2.048×(δ13Ccarb+50)+0.498×(δ18O+50)[28]; F為兩河村地區(qū);Q為寧強鐵鎖關(guān)地區(qū);

N為南鄭西河鄉(xiāng)地區(qū)。

寧強鐵鎖關(guān)剖面總有機碳含量(TOC)為0.12%～1.77%,平均值為0.42%,13δCorg為-33.732‰～-30.34‰,平均值為-31.51‰,由底到頂13δCorg處于穩(wěn)定增大趨勢,隨之而變的是頁巖顏色變淺,泥質(zhì)含量減少,粉砂質(zhì)成分增加;δ13Ccarb為1.47‰～3.64‰,明顯正異常,富13C,呈先增大后減小趨勢,數(shù)值趨勢轉(zhuǎn)變之處也是巖性由暗色泥頁巖轉(zhuǎn)為粉砂質(zhì)巖的界面;δ18O為-8.9‰～-3.5‰(圖3(a))?；剀妷蜗蛐北币淼膬珊哟迤拭鎀OC為0.22%～2.95%,平均值為1.68%,13δCorg為-31.414‰～-29.537‰,平均值為-30.54%,由底至80 m處相對穩(wěn)定,繼續(xù)往上隨著巖性變化13δCorg波動明顯;δ13Ccarb為1.78‰～3.50‰,明顯正異常,富重碳,變化趨勢與13δCorg相反;δ18O為-7.08‰～-3.85‰(圖3(b))?；剀妷蜗蛐蹦弦淼哪相嵨骱余l(xiāng)剖面TOC為0.29%-3.0%,平均值為1.61%,13δCorg為-31.68‰～-34.03‰,平均值為-31.68%,強烈負(fù)異常,由底到頂13δCorg波動顯著;δ13Ccarb為-1.21‰～0.84‰,明顯不同于寧強鐵鎖關(guān)和法鎮(zhèn)兩河村剖面δ13Ccarb測值,偏負(fù)異常,可能指示著沉積環(huán)境的特殊性;δ18O為-7.72‰～-4.7‰(圖3(c))。

圖3 采樣剖面碳氧同位素縱向組成Fig.3 Vertical distribution characteristics of C—O isotope in sampling section

4 討 論

4.1 同位素原始性檢驗

圖4 牛蹄塘組頁巖δ13Ccarb與δ18O和Z交會圖Fig.4 Cross-plot of δ13Ccarb,δ18O and Z of shale in Niutitang Formation

在討論米倉山-漢南隆起區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖碳同位素組成和地質(zhì)意義之前,必須首先檢驗分析結(jié)果的真實性,即它們是否真正記錄了沉積時同位素組成的原始信息。可通過巖石學(xué)特征、微量元素組成特征、氧同位素組成特征等多種標(biāo)準(zhǔn)來驗證碳酸鹽穩(wěn)定碳、氧同位素的原始性[29-31]。通常情況下,當(dāng)Mn/Sr<10,尤其是比值處于2～3時,表明碳同位素記錄了碳酸鹽原始碳同位信息,δ18O處于-5‰～-10‰的樣品則記錄了原始氧同位素信息[32-34]。還有學(xué)者用δ18O與δ13C數(shù)據(jù)的離散性來推斷巖石碳氧同位素組成是否受到成巖作用影響[14,35-36]。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖Mn/Sr為0.98～6.3,集中分布在2～4,δ18O為-8.9‰～-3.5‰(表1),且δ18O與δ13C分布離散,不存在明顯共變關(guān)系,R2=0.025(圖4)。此外,δ13Ccarb作為推斷海洋古鹽度的重要指標(biāo)之一,其數(shù)值易受海水鹽度的影響,δ13Ccarb與古鹽度Z呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,R2=0.96(圖4)。沉積巖有機碳同位素組成在成巖作用過程中發(fā)生的變化可以通過干酪根H/C原子比進行檢驗[37-38],通常要求H/C原子比大于0.2。本文中雖未開展H/C原子分析,但同一沉積巖或?qū)游幌噜?、具有相似沉積和成巖作用環(huán)境的兩套黑色頁巖之間的碳酸鹽和有機碳同位素的差值(δ13Ccarb-org)具一致性[27]或δ13Corg與TOC之間沒有明顯相關(guān)性[39]時,亦能體現(xiàn)同位素數(shù)據(jù)的原始性。本文中δ13Ccarb-org具有良好的一致性,分布在30.2‰～35.0‰且δ13Corg與TOC沒有明顯相關(guān)性(圖5)。此外,獲取的δ13Corg還與前人[26-27]在揚子區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖獲取的δ13Corg非常接近,進一步說明表1中所列數(shù)據(jù)的真實可靠性。

圖5 牛蹄塘組頁巖δ13Corg與TOC交會圖Fig.5 Cross-plot of δ13Corgand TOC of shale in Niutitang Formation

4.2 同位素組成空間分布

通過系統(tǒng)測試獲取了米倉山-漢南隆起區(qū)寧強-南鄭地區(qū)的下寒武統(tǒng)牛蹄塘組原始δ13Corg、δ13Ccarb、δ18O同位素數(shù)據(jù),并建立了各同位素變化趨勢。所測同位素數(shù)據(jù)顯示,研究區(qū)牛蹄塘組頁巖中均具有較負(fù)的δ13Corg,且小于現(xiàn)代海洋原地沉積有機物δ13Corg。不同之處在于區(qū)域北部的寧強鐵鎖關(guān)和法鎮(zhèn)兩河村地區(qū)具偏正的δ13Ccarb和高的δ13Ccarb-org,δ13Ccarb與δ13Corg呈明顯的解耦關(guān)系,與δ13Ccarb-org線性相關(guān);而區(qū)域南部的西河鄉(xiāng)地區(qū)則為相對較小的δ13Ccarb-org和部分偏負(fù)的δ13Ccarb,δ13Corg較北部更負(fù),δ13Ccarb與δ13Corg具良好的相關(guān)性,與δ13Ccarb-org強烈解耦(圖6)。

圖6 δ13Ccarb與δ13Corg和δ13Ccarb-org的關(guān)系Fig.6 Relationships between δ13Ccarb and δ13Corg or δ13Ccarb-org

基于深海巨大溶解有機碳庫(DOC)理論[5,40-41],深海中存在大量的有機碳可供碳同位素在地質(zhì)歷史時期進行分餾與重分配,且已有研究表明,較高的δ13Corg(大于-30‰)和較低的δ13Ccarb-org(小于32‰),可能是由光合作用產(chǎn)生的同位素分餾導(dǎo)致,與之相比較負(fù)的δ13Corg和明顯偏正的δ13Ccarb,則可能是由于化能自養(yǎng)微生物和甲烷氧化菌產(chǎn)生了更輕的δ13Corg所致[14,42-43]。李仁偉等[27]提出了一個由上升洋流所造成的、在碳同位素組成上具有分層結(jié)構(gòu)的古海洋模式,來解釋揚子臺地晚震旦世至早寒武世黑色頁巖有機碳同位素的組成特征。研究區(qū)北部兩河村剖面在早寒武世為緊鄰漢南古陸的濱岸相;南部西河鄉(xiāng)剖面為淺海陸棚相的(較)深水陸棚相。據(jù)李仁偉等[27]提出的古海洋模式,兩河村地區(qū)表層海的光合作用不受深海低氧帶的影響,上升洋流帶來大量營養(yǎng)物質(zhì)而具有高的有機產(chǎn)率,浮游生物在大量繁殖的過程中通過光合作用從海水中選擇性地汲取輕碳同位素(12C)而引起表層海洋無機碳庫δ13Ccarb的上升,出現(xiàn)較負(fù)的δ13Corg和偏正的δ13Ccarb;西河鄉(xiāng)地區(qū)表層海光合作用所需的CO2相當(dāng)部分來自低氧帶有機質(zhì)分解的富12C的CO2,理應(yīng)出現(xiàn)更負(fù)的δ13Corg和偏負(fù)的δ13Ccarb,數(shù)值變化趨勢上與實際測試結(jié)果相符,但基于光合作用的有機質(zhì)產(chǎn)物δ13Corg一般大于-30‰,而本測試普遍小于-30‰;另一方面,光合作用一般會優(yōu)先吸收大氣中的CO2,對表層海洋無機碳庫δ13Ccarb影響有限。為了更加準(zhǔn)確解釋研究區(qū)同位素測試結(jié)果,筆者結(jié)合DOC及古海洋分層理論,建立與古海洋生物種屬密切相關(guān)的古海洋分層模式(圖7),各區(qū)古海洋生物種屬分布或活動強度不同,產(chǎn)生了不同的碳同位素分餾效應(yīng)。氧化帶主要進行藻類等浮游植物的光合作用、甲烷氧化菌和化能自養(yǎng)微生物的氧化作用,產(chǎn)生的有機質(zhì)均富12C,光合作用的有機產(chǎn)物δ13C一般大于-30‰,氧化作用的有機產(chǎn)物δ13C普遍小于-30‰,且產(chǎn)生的CO2富13C;還原帶主要進行反硫化細菌的還原作用,將上升洋流攜帶而來的大量有機物質(zhì)分解,產(chǎn)生富12C的CO2,CO2的δ13C大于-25‰;發(fā)酵帶為深海缺氧環(huán)境,甲烷細菌分解有機質(zhì)產(chǎn)生富13C的CO2和極貧13C的CH4,δ13C小于15‰,進入上層分帶,再次參與碳循環(huán);原始海底沉積層的熱解帶,主要進行古烴類在熱異常作用下發(fā)生熱解,產(chǎn)生富12C的CO2,δ13C大于-20‰?，F(xiàn)今牛蹄塘組碳酸鹽、有機質(zhì)中的δ13C是當(dāng)時碳循環(huán)不斷進行、重分配的一個綜合結(jié)果。

4.3 古海洋沉積與有機質(zhì)生產(chǎn)模式

不同古海域條件可導(dǎo)致古海洋微生物平面或垂向分布的多樣性[44],在古海洋沉積環(huán)境中,碳氧同位素組成不僅與海平面升降、有機質(zhì)產(chǎn)率、埋藏速率等有密切聯(lián)系[45],穩(wěn)定碳氧同位素空間分布特征在一定程度上揭示了古海洋微生物種屬在碳氧同位素分餾過程的重要地位?；谖⑸锓N屬的古海洋分層模式和碳氧同位素空間分布特征來描述早寒武世米倉山-漢南隆起區(qū)海侵與有機質(zhì)生產(chǎn)模式。

早寒武世早期海水侵入早期,西河鄉(xiāng)剖面位于研究區(qū)西南部,首先遭受海水侵入(圖8(a)),該區(qū)表層海水中自養(yǎng)細菌繁盛并生長部分藻類、浮游植物,化能自養(yǎng)和光合作用成為富12C有機質(zhì)產(chǎn)生的主要來源,δ13Corg偏負(fù),且產(chǎn)生的有機物質(zhì)使化能異養(yǎng)微生物得以繁殖,產(chǎn)生富12C的CO2而保存在碳酸鹽組分中(圖8(a));海水侵入中期,海侵面達到寧強鐵鎖關(guān)剖面和兩河村剖面(圖8(b)),由于海侵時間短,水深較淺,該區(qū)有機質(zhì)來源以表層海水浮游植物、藻類的光合作用為主,以化能自養(yǎng)微生物代謝為輔(圖8(b)),δ13Corg偏負(fù),產(chǎn)生富13C的CO2保存在碳酸鹽中,致使δ13Ccarb正異常(圖3(a)、(b));此時,西河鄉(xiāng)地區(qū)海水已較深,具備一定的缺氧條件,硫化細菌活躍,分解上升洋流攜帶上來的有機物質(zhì),生成富12C的CO2,致使該時期δ13Ccarb負(fù)異常(圖3(c)),氧化帶的光合作用、化能自養(yǎng)等仍繼續(xù)積累負(fù)的δ13Corg(圖8(c))。隨著海侵的進一步進行(圖8(c)),研究區(qū)基本形成較完整的海洋分層結(jié)構(gòu),寧強鐵鎖關(guān)、南鄭兩河村和西河鄉(xiāng)地區(qū)海底缺氧環(huán)境形成,甲烷細菌活動加強,分解早期積累的富含12C的有機質(zhì),產(chǎn)生極貧13C的甲烷和富13C的CO2,上升至氧化帶分別被甲烷氧化細菌和浮游植物吸收,產(chǎn)生極負(fù)δ13Corg有機質(zhì)和富13C的CO2,碳酸鹽δ13Ccarb偏正(圖8(d))。海侵導(dǎo)致摩天嶺、漢南古陸面積縮小,因剝蝕而帶入海洋的有機碳數(shù)量減少,碳酸鹽δ13C增高,且強鐵鎖關(guān)、兩河村地區(qū)古海洋還原帶的反硫化細菌活動強度低,富12C的CO2積累少,進一步加強該地區(qū)δ13Ccarb偏正。此時,在拉張伸展構(gòu)造背景下,西河鄉(xiāng)地區(qū)受到熱異常作用,來自DOC庫中的古老烴類熱解,產(chǎn)生了富12C的CO2,形成負(fù)值δ13Ccarb碳酸根離子沉積(圖8(e))。

在早寒武世牛蹄塘組沉積后期,陽平關(guān)-寧強地區(qū)隆起,摩天嶺古陸面積增大,碎屑物源豐富,氧化剝蝕進入海洋的有機質(zhì)增多,同時海洋中的有機質(zhì)埋藏速率降低,使得碳酸鹽δ13Ccarb逐漸降低,巖性也以粉砂質(zhì)為主(圖3(a))。隆升導(dǎo)致海水退出變淺,水底氧化-還原條件改變,甲烷菌活動減弱,CH4供應(yīng)不足致使表層海水甲烷氧化細菌活動減弱,有機質(zhì)產(chǎn)率降低,導(dǎo)致有機質(zhì)含量較低,富13C的CO2量大幅減少,碳酸鹽δ13Ccarb減小;西河鄉(xiāng)、兩河村地區(qū)海水持續(xù)侵入,甲烷菌和甲烷氧化菌始終保持供給關(guān)系,有機質(zhì)不斷產(chǎn)出和保存,致使西河鄉(xiāng)地區(qū)有機質(zhì)含量(TOC)較高(表1)。另外,Ba元素可在一定程度上反映沉積環(huán)境的古有機質(zhì)生產(chǎn)力,含量達到1 000～5 000 μg/g可表示較強的古生產(chǎn)力[46]。西河鄉(xiāng)、兩河村地區(qū)牛蹄塘組Ba含量平均值為1 095.5 μg/g,而寧強地區(qū)Ba含量平均值為727.94 μg/g(表1),進一步說明寧強地區(qū)古海洋微生物存在衰減過程,導(dǎo)致有機質(zhì)生產(chǎn)降低。

由于光合作用產(chǎn)生的有機質(zhì)相對于其他有機質(zhì)生產(chǎn)方式或來自碎屑和再循環(huán)的有機碳更容易被分解,且會對δ13Ccarb產(chǎn)生放大化的影響效應(yīng)[36],就整個牛蹄塘組沉積期而言,北部寧強鐵鎖關(guān)和兩河村地區(qū)有機質(zhì)主要來源于藻類光合作用,且后期隆升進入了一定量的碎屑有機物質(zhì),導(dǎo)致該地區(qū)δ13Corg與δ13Ccarb解耦現(xiàn)象明顯,大部分δ13Corg接近光合作用產(chǎn)物的有機碳同位素值(表1);南部西河鄉(xiāng)地區(qū)有機質(zhì)主要來源于甲烷氧化菌、自能化養(yǎng)等非光合作用且受陸源有機質(zhì)的影響較弱,δ13Corg與δ13Ccarb具線性關(guān)系(圖6(a)),δ13Corg偏低。甲烷氧化菌消耗的大量甲烷來自于深水厭氧甲烷細菌的生命代謝,也反映了研究區(qū)早寒武世早期海洋普遍為底水缺氧環(huán)境。因此,米倉山-漢南隆起區(qū)早寒武世碳同位素組成并非依賴于持續(xù)上升洋流和光合作用機制相結(jié)合的碳同位素分餾效應(yīng),而是更多地取決于特殊的古海洋微生物種屬分布或活動強度與上升洋流、海洋分層結(jié)構(gòu)的有機結(jié)合。

5 結(jié) 論

(1)米倉山-漢南隆起區(qū)牛蹄塘組頁巖中獲取的碳氧同位素具有良好的原始性,可有效指示該區(qū)古海洋環(huán)境與沉積模式。區(qū)內(nèi)δ13Corg組成變化較大,顯示強烈的負(fù)異常,分布在-34.032‰～-29.537‰,屬于L-型無定形有機質(zhì);δ13Ccarb明顯富集重碳同位素,分布在-1.21‰～3.64‰;氧同位素δ18O分布在-8.94～-3.5‰。

(2)研究區(qū)碳氧同位素空間分布具有一定的差異性,北部的寧強鐵鎖關(guān)和兩河村剖面具偏正的δ13Ccarb和高的δ13Ccarb-org,且δ13Ccarb與δ13Corg呈明顯的解耦關(guān)系,與δ13Ccarb-org線性相關(guān);而南部的西河鄉(xiāng)地區(qū)則為相對較小的δ13Ccarb-org,偏負(fù)的δ13Ccarb,δ13Corg較北部地區(qū)更負(fù),δ13Ccarb與δ13Corg線性相關(guān)而與δ13Ccarb-org強烈解耦。

(3)米倉山-漢南隆起區(qū)牛蹄塘組頁巖碳同位素空間組成是早寒武世早期海洋環(huán)境碳循環(huán)的綜合結(jié)果,空間分布差異指示著不同區(qū)域古海洋環(huán)境的不同。碳同位素組成和有機質(zhì)的形成,取決于該區(qū)海侵過程中藻類、化能自養(yǎng)細菌、甲烷細菌、甲烷氧化菌等特殊古海洋微生物種屬分布或活動強度與上升洋流、海洋分層結(jié)構(gòu)的有機結(jié)合。