沁水盆地西緣寒武系-奧陶系三山子組白云巖碳氧同位素特征及其意義

郭曉強，李好斌，魏榮珠，董挨管，楊俊才，杜艷偉

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024；2.山西省地質調查院，山西 太原 030006)

0 引 言

自1791年法國學者Dolomieu首次描述白云巖以來已有200多年，大量學者對白云巖進行過系統(tǒng)研究，但關于白云巖的成因卻一直眾說紛紜，尚不能達成一致意見，至今仍然是沉積學中的一個未解之謎[1-2]。目前已經(jīng)提出的白云巖巖化機理模式有滲透回流模式、蒸發(fā)泵模式、調整模式、淡水模式、混合水模式、埋藏模式、熱液模式和微生物模式[1-7]。如此多種多樣的成因機理也從側面說明了白云巖成因的復雜性。目前，白云巖成因機理研究主要依靠地球化學手段，如碳氧穩(wěn)定同位素分析、稀土微量元素分析、陰極發(fā)光及包裹體測溫電子探針等，其中碳氧穩(wěn)定同位素和稀土微量元素分析法最常用[8]。

碳酸鹽巖的碳氧穩(wěn)定同位素分析技術幾十年來已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，逐漸趨于成熟。學者運用此方法在不同地區(qū)不同研究方向(包括地層劃分對比[9-10]、古海洋環(huán)境[11-13]、古海平面變化[11,13-14]和成巖流體示蹤[15-16]等)取得了許多成果。崔秉荃等[14]通過研究認為，碳同位素對海平面變化反應靈敏；陳榮坤[17]、余志偉[18]和張謙等[19]通過研究白云巖成巖環(huán)境和碳氧同位素組成關系，認為δ13C和δ18O值從近地表成巖環(huán)境到中—深埋藏成巖環(huán)境和熱液成巖環(huán)境再到表生淡水成巖環(huán)境依次降低。據(jù)此，對白云巖中碳氧穩(wěn)定同位素組成的研究可以恢復古海平面變化，約束成巖環(huán)境，進而查明白云巖的成因機理。

在山西中部沁水盆地西緣太岳山區(qū)的寒武系到奧陶系之交，發(fā)育一套厚度較大的三山子組白云巖地層，其研究程度較低。劉波等[20]曾對沁水盆地西緣中陽地區(qū)下古生界進行過層序地層學的研究，獲得了關于當?shù)睾Ｆ矫孀兓恼J識，并提出主要潛在儲集層為上寒武統(tǒng)長山組直至下奧陶統(tǒng)亮甲山組白云巖地層；之后魏欽廉等[21]又對中陽地區(qū)三山子組的風暴沉積巖進行研究，認為其沉積環(huán)境為開闊臺地-局限臺地。武鐵山等[22]根據(jù)山西省三山子組中保留了較多原始沉積構造的特征，認為其主要為后生白云巖；梅冥相[2]則認為像三山子組這樣厚度大的白云巖地層，其白云石化過程是多階段和多期次的。但是關于三山子組白云巖詳細成因模式機理方面卻少有學者涉及，相關論述少見，基本處于空白狀態(tài)。筆者通過在沁水盆地西緣太岳山區(qū)沁源縣王家灣村地區(qū)測制剖面，系統(tǒng)收集了三山子組白云巖的樣品，試圖通過巖石學和碳氧同位素組成分析，來約束該套白云巖成巖流體的性質和成巖環(huán)境，進而總結其成因模式機理，這對于華北板塊中部地區(qū)早古生代古氣候環(huán)境、古生物乃至古生態(tài)演化史的恢復和重建，對我國華北地區(qū)寒武系-奧陶系碳同位素組成演化特征等方面的研究都具有一定理論和實際意義，并希望對后續(xù)學者的進一步研究起到拋磚引玉的作用。

1 區(qū)域地質背景

沁水盆地從大地構造區(qū)劃上位于華北克拉通中部過渡帶[23]內，總體為一復向斜，自西翼向核部依次出露下古生界、上古生界和中生界(圖1(b))。新太古代末期，研究區(qū)抬升為古陸，接受剝蝕，這種狀態(tài)經(jīng)元古宙一直持續(xù)到寒武紀第二世末。苗嶺世初期，海水自南向北侵入，古陸區(qū)向西退至鄂爾多斯地區(qū)，沁水盆地被海水淹沒，沉積了以碳酸鹽巖為主的寒武系和奧陶系地層。在中生代以前，沁水盆地尚且屬于大華北克拉通盆地的一部分，中生代以后，受北側的西伯利亞板塊與南側的揚子板塊的俯沖碰撞及東側太平洋板塊俯沖的影響，華北板塊開始產(chǎn)生差異分化，沁水盆地開始獨立發(fā)展演化，西緣太岳山區(qū)隆升，使下古生界出露地表，接受剝蝕，并逐漸形成了現(xiàn)今的構造地貌[24-25]。王家灣剖面就位于沁水盆地西緣次級構造單元太岳山板隆區(qū)內，行政區(qū)劃上屬山西省長治市沁源縣(圖1(a)。剖面起點GPS地理坐標為36°44′37″89 N，112°04′49″19 E；剖面終點GPS地理坐標為36°43′58″29 N，112°06′09″84 E。

圖1 研究區(qū)地質概況((a)依據(jù)文獻[24]修改)

本次研究采用武鐵山等[22]厘定簡化的巖石地層單位系統(tǒng)，按巖石組合特征將研究區(qū)三山子組自下而上劃分出4個巖性段(圖1(c))：g段、c段、y段和l段，其中，每個巖性段在層位上分別對應于未白云巖化的巖石地層單位——崮山組中上部、炒米店組、冶里組和亮甲山組，跨越了上寒武統(tǒng)的崮山階中上部、長山階、鳳山階和下奧陶統(tǒng)新廠階、道保灣階等年代地層基本單位。因此不難看出，三山子組為一套穿時地質體，從華北板塊東北部向南部邊緣逐漸變老，頂?shù)捉缇€層位依次降低，跨越時代變長，厚度增大[22]。研究區(qū)三山子組王家灣實測地質剖面圖見圖2。

2 樣品采集與測試

在研究區(qū)王家灣剖面新鮮露頭從三山子組底部到頂部連續(xù)取樣，盡量避免了后期蝕變、風化強烈和擾動破碎的區(qū)域，遠離碳酸鹽脈、節(jié)理等干擾因素，共取得30件薄片樣品和19件碳氧同位素分析樣品，分別進行薄片鏡下鑒定和碳氧同位素測試分析。具體采樣層位見圖2。

圖2 沁水盆地西緣王家灣三山子組實測地質剖面圖

薄片制備在山西省國土資源部太原礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，在鏡下觀察并拍照。碳氧同位素樣品測試在湖北省武漢中地大環(huán)境地質研究院進行。測試步驟為：(1)去掉風化面和后期方解石脈；(2)將大塊樣品破碎成小塊，用瑪瑙碾缽磨成200目以下的粉末；(3)稱取以上方法制得的粉末樣品約60～100 μg，用Finnigan Kiel IV(100% H3PO4，70 ℃)裝置在線制取CO2氣體，與MAT-253質譜儀連接進行碳氧同位素組成的測試。參考標準為Vienna Pee Dee組的箭石(V-PDB)，δ13C的分析精度為±0.01%，δ18O的分析精度為±0.02%。

3 測試結果

3.1 巖石學特征

3.1.1 野外露頭宏觀特征

研究區(qū)內三山子組主要分布于西部張?zhí)m鎮(zhèn)-王陶鎮(zhèn)-聰子峪一帶。其下與寒武系崮山組呈整合接觸，其上被奧陶系馬家溝組平行不整合覆蓋，出露厚度239.68 m，為一大套白云巖地層(圖1(c)，圖3)。根據(jù)其巖石組合特征及產(chǎn)出層位可以劃分4個巖性段：(1)g段(∈3sg)：主要巖性為灰黃色、灰綠色灰白色細晶白云巖夾竹葉狀礫屑白云巖(圖3(a))，下部夾少量黃綠色頁巖；(2)c段(∈3sc)：巖性主要為灰白色、淺灰黃色厚—巨厚層狀細—粗晶白云巖，表面見刀砍紋(圖3(b))；(3)y段(O1sy)：巖性主要為淺灰黃色、淺灰色、黃綠色薄—中厚層狀泥質白云巖(圖3(c))、白云質泥頁巖夾粉—細晶白云巖、礫屑白云巖，向上燧石含量逐漸增多，溶蝕孔洞縫較多，局部見鳥眼構造；(4)l段(O1sl)：主要巖性為淺灰色、灰白色、灰黃色中—厚層含燧石結核(條帶)白云巖(圖3(d))，含大量燧石結核或條帶，局部地段夾少量泥(頁)巖，溶蝕孔洞縫發(fā)育。

圖3 研究區(qū)三山子組白云巖露頭宏觀特征

3.1.2 室內鏡下微觀特征

本次研究的樣品鏡下微觀特征見圖4，圖4中照片皆為單偏鏡10×2.5倍鏡下照片。

結合樣品的宏觀特征與鏡下微觀特征，可以看出，研究區(qū)三山子組主體為一大套局限臺地相的白云巖，白云石含量較高，體積分數(shù)基本大于90%，顯示白云石石化程度較高，白云石晶粒粒度變化范圍較大，在0.03～1.5 mm間，有粉晶(圖4(a)，圖3(h))、細晶(圖4(b)，圖3(e)和(f))和中晶(圖4(c)，圖3(g))，甚至粗晶(圖4(d))，垂向上，粒度大體經(jīng)歷了細→粗→細的變化過程。白云石自形程度從它形到自形皆有，晶粒間呈較平直或彎曲鑲嵌。l段部分細—中晶白云石具霧心亮邊結構(圖4(g))，這反映了一種變鹽(超咸水環(huán)境向淡化環(huán)境變化)環(huán)境形成的白云巖特點。部分顯示原巖具竹葉狀礫屑輪廓(圖4(f))。大多數(shù)白云石污濁，顯示由原富有機質藻泥白云石化形成，由于白云石交代不完全導致泥晶方解石殘余較多造成。燧石結核較發(fā)育，遂石結核的成因有沉積說和交代說[26-27]，前人研究表明，寒武紀—奧陶紀早期在淺水臺地或潮坪等環(huán)境中硅質可直接以化學沉淀的方式產(chǎn)出，從而出現(xiàn)燧石與碳酸鹽巖共同產(chǎn)出的現(xiàn)象[28-29]。三山子組垂向上從下到上逐漸增多，推測可能是由于海平面降低，水體變淺，陸源河流攜帶而來的硅質增多，導致表層海水硅質過飽和而沉淀出遂石。三山子組頂面呈凹凸不平狀，反映沉積后曾遭受過剝蝕，為一侵蝕面，上覆巖層為馬家溝組一段底部的灰黃色中薄層中細粒石英砂巖，上下地層產(chǎn)狀一致，故為一平行不整合面(圖3(d)中紅色虛線)。指示三山子組沉積末期發(fā)生海退，三山子組出露地表，導致了短暫的沉積間斷，遭受大氣淡水淋濾，溶蝕孔縫洞發(fā)育(圖3(c))，暗示可能有較好的油氣儲集潛力。該不整合面在研究區(qū)及鄰區(qū)范圍內延伸不是很穩(wěn)定，局部地段因暴露或間斷時間太短而很不明顯。據(jù)前人在中陽地區(qū)鄰區(qū)的研究表明，該不整合面對三山子組白云巖的形成及其淋濾孔隙的發(fā)育具有控制作用[20]。

3.2 碳氧同位素特征

本次研究樣品碳氧同位素測試結果見表1。研究區(qū)三山子組白云巖樣品的δ13C在-0.43%～0.12%間，為中負值到低正值，平均為-0.14%，變化幅度大(0.55%)，側面證明其成巖環(huán)境和成因模式的多樣性或不均一性。也指示了在白云石化過程中，除了受到海水介質影響外，應該還有其他來源的介質對原巖進行過改造。前人研究得出的正常海相碳酸鹽巖的δ13C變化范圍為0～±0.2%[30-31]，相較之而言，三山子組白云巖的δ13C偏負，并且小于-0.2%的樣品都位于三山子組上部，見圖3，推測造成δ13C偏負的原因可能是海平面下降導致成巖作用有富12C的大氣淡水參與，反映了大氣淡水引起的白云石化作用[32]。研究區(qū)三山子組白云巖樣品的δ18O介于-0.76%～-0.45%，均值為-0.64%，為中高負值，變化幅度較大，為0.31%。白云石與原始方解石之間在氧同位素上存在約0.25%的分餾[23]，可以得出三山子組沉積期原始方解石的δ18O均值為-0.89%，與前人在鄰區(qū)鄂爾多斯盆地所測下奧陶統(tǒng)海相石灰?guī)rδ18O相近[33]，從另一個方面說明了三山子組白云巖的白云化流體主要受到海水控制。一般地，隨著碳酸鹽巖地質年代的增加，δ18O會發(fā)生較大變化。時代越老、成巖作用時間越長，氧同位素交換愈強，δ18O就愈低，因此氧同位素的指相意義相比于碳同位素較差[34]。

4 地質意義

4.1 古海平面變化

碳同位素有良好的指相意義，古代碳酸鹽形成后，在成巖作用的過程中，13C組成很穩(wěn)定，幾乎不會改變，能夠很好地保存原始沉積環(huán)境的特征[30,35-36]。自然界的碳庫由無機碳(氧化碳)和有機碳(還原碳)組成，無機碳庫中相對富集重同位素13C，而有機碳庫中則相對富集輕同位素12C，兩者δ13C平均值相差2.5%右，所以兩者在海洋中的相對含量組成就決定了海相碳酸鹽巖δ13C的組成，而影響無機碳和有機碳的相對含量的最重要的因素是沉積時有機碳的氧化或相對埋藏量[37]。當海洋初始生產(chǎn)力較大時，海水中有機碳的相對埋藏速率增大，海水中13C相對增加，因此碳酸鹽巖的δ13C表現(xiàn)為正漂移，反之亦然。而氣候溫暖，海平面上升和生物繁盛都會加大海水中有機碳相對埋藏速率，導致海水δ13C升高。前人研究表明寒武紀碳同位素組成演化主要受全球海平面升降因素的影響[11]，故δ13C的變化可以反映沉積期古海平面的變化。

研究區(qū)三山子組白云巖的δ13C值從下到上總體呈現(xiàn)出波動狀降低的趨勢(圖5中紅色弧形箭頭)。前人經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，全球的寒武系芙蓉統(tǒng)排碧階底界普遍發(fā)生過一次顯著的δ13C正漂移事件(SPICE事件)，漂移幅度達0.3%～0.5%，在全球范圍內可對比性很高[9-11]。但本次研究并未見到該次事件，這是由于本次研究的白云巖分布于寒武系—奧陶系界線附近。盡管如此，研究區(qū)晚寒武世—早奧陶世δ13C值降低的趨勢仍然可以指示一個高級別的海退過程，這與巖石學特征反映出的海平面變化趨勢不謀而合。

圖5 研究區(qū)三山子組δ13C漂移與海平面升降變化

4.2 成巖環(huán)境

碳酸鹽巖的成巖環(huán)境是各種環(huán)境要素性質的總和，比如鹽度、溫度、酸堿度、氧化還原性和壓力等。海平面通過控制地下流體的性質和運動狀態(tài)而影響成巖作用，進而決定成巖環(huán)境性質及成巖過程[20]。姜在興將其劃分為5種類型：海水環(huán)境、大氣淡水環(huán)境、混合水環(huán)境、埋藏環(huán)境和表生環(huán)境[1]。黃思靜將其劃分為4種類型：早期近地表、表生期大氣淡水、晚期中—深埋藏和熱液成巖環(huán)境[38]。不同成巖環(huán)境下形成的碳酸鹽巖δ13C和δ18O也不相同，并呈現(xiàn)一定的趨勢和規(guī)律。一般情況下，近地表環(huán)境中的δ13C和δ18O較高，埋藏環(huán)境和熱液環(huán)境中δ13C和δ18O次之，大氣淡水環(huán)境的δ13C和δ18O通常較低[17-19]。筆者將測得的δ13C和δ18O在坐標系中進行投點，發(fā)現(xiàn)樣品主要落在3個區(qū)間內(圖6)。由此可將研究區(qū)三山子組白云巖分為3類：A類幾乎都落在第二象限之內，δ13C在-0.01%～0.12%間，平均0.05%，δ18O在-0.71%～-0.58%間，平均-0.63%，屬于近地表海底成巖環(huán)境，主要位于三山子組下部(圖5中藍色星標)，巖性為粉—細晶白云巖；B類落在第三象限上方，δ13C在-0.05%～-0.14%間，平均-0.10%，δ18O在-0.70%～-0.66%間，平均-0.68%屬于埋藏成巖環(huán)境，集中在三山子組中部(圖5中綠色星標)，巖性為細晶—中晶、局部為粗晶白云巖；C類落在第三象限下方，δ13C在-0.43%～-0.27%間，平均-0.34%，δ18O在-0.76%～-0.45%間，平均-0.61%，屬于大氣淡水環(huán)境，集中在三山子組上部(圖5中紅色星標)，巖性為泥粉晶—細晶白云巖。

圖6 研究區(qū)三山子組成巖環(huán)境判別圖(δ13C-δ18O)

4.3 白云巖成因模式

白云巖的成因問題是沉積學中的一個未解之謎，即著名的“白云巖問題”[1-2,5]。白云石化作用之所以能夠發(fā)生，重點是要有某種動力來驅使白云石化孔隙流體通過早期的碳酸鹽沉積物，而相對海平面的變化可以提供此驅動力。進一步而言，如果海平面變化持續(xù)時間足夠長，使白云石化流體能夠緩慢經(jīng)過碳酸鹽沉積物孔隙，二者就有充分的時間進行物質交換，最終導致白云石化作用大量發(fā)生。反之,當海平面變化速率過快時白云石化地層厚度與范圍就小得多。因此海平面變化的速度及幅度決定著白云石化的強度及影響范圍[20]。

研究區(qū)晚寒武世—早奧陶世期間海平面在次級小尺度上的反復緩慢升降，導致形成了厚度較大的三山子組白云巖地層。當這些白云巖進入埋藏環(huán)境，會發(fā)生進變新生變形作用，晶體粒度變粗，白云石化程度進一步增強。由此可見，白云巖化的范圍與海岸線位置有關，而不決定于層位，因此造成了三山子組白云巖的穿時特點[20]。綜合前述巖石學特征、古海平面變化、成巖環(huán)境、成巖流體性質分析以及前人的研究成果[1-2,20,22-21]，筆者認為研究區(qū)三山子組白云巖成因模式較復雜，其白云石化過程是多期次的，有3種不同模式白云石化作用共同參與——準同生交代白云石化、埋藏白云石化、混合水白云石化模式。

A類白云巖形成于海退早期的近地表海底環(huán)境，推測其成因模式主要為準同生交代模式。三山子組沉積早期處在高水位體系域的晚期，海平面緩慢下降，成巖流體鹽度高，交代結晶速度快，因此晶體粒度較細，晶面污濁，多形成粉晶、細晶白云巖(圖4(a)，3(b))。后期疊加了埋藏白云巖化作用，導致局部晶體發(fā)生進變新生變形而粒度變粗。

B類白云巖形成于埋藏環(huán)境，進一步推測其為埋藏白云巖化模式。白云石化流體為層間封存的海源性流體，鹽度較A類準同生白云巖低，反映其白云巖化流體的鎂離子質量濃度有所降低，交代速度較緩慢，所以在該模式下形成的白云巖晶粒大多較粗，呈中—粗晶(圖4(c)，圖3(d))，晶面較污濁，晶體自形程度較準同生白云巖高，多為半自形，頂部l段見霧心亮邊現(xiàn)象(圖4(g))，霧心部分系原先在咸水環(huán)境中快速結晶形成的有序性差、粒度細，表面污濁的準同生白云石，在埋藏成巖的過程中,進入淡水運移帶,巖石孔隙中的咸水與地下淡水混合,在稀釋的溶液中c(Mg2+)/c(Ca2+)保持較高的條件下,在原先霧心白云石晶核的周圍生長出明亮干凈的白云石附晶亮邊,形成了霧心亮邊結構。由此可見該種白云石是由不同成巖階段(準同生—成巖)和在不同成巖環(huán)境(咸水—混合水)疊加形成的[8,18]。

C類白云巖形成于海退晚期大氣淡水環(huán)境，推測其為混合水白云巖化模式。三山子組沉積后期隨著相對海平面的下降(圖4)，海岸線和淡水向海方向推進，早期碳酸鹽沉積物處于陸表海環(huán)潮坪潮上帶環(huán)境中，局部地區(qū)暴露地表，遭受侵蝕，形成不整合面(圖3(d))。由于遭受大氣淡水的淋濾、地下水徑流的補充和混合帶混合水的影響，使成巖流體鹽度下降，盡管Mg2+質量濃度較低，但由于缺乏競爭離子并且結晶速度慢，有利于有序度高的白云石結晶[1]，形成粒度細，自形程度較好的白云石(圖4(h))，反映了在混合水環(huán)境下形成的白云石的特征。隨著海平面的持續(xù)下降，該混合水白云石化作用在近乎水平層狀的碳酸鹽沉積物內大范圍、成片式的發(fā)生，之后又受到埋藏白云石化改造，造成局部晶粒變粗(圖4(g))。

5 結 論

(1)沁水盆地西緣太岳山區(qū)三山子組白云巖包括微粉晶、細晶和中晶和白云巖，局部為粗晶，垂向上粒度由細到粗再到細，粒度和自形程度變化大。

(2)碳同位素δ13C介于-0.43%～0.123%間，均值為-0.138%，變化幅度大(0.55%)，總體呈現(xiàn)降低的趨勢，反映1次高級別的海退作用；氧同位素δ18O介于-0.761%～-0.454%間，均值為-0.642%。

(3)研究區(qū)三山子組白云巖的形成受海平面變化控制，白云化過程具多期次，成巖環(huán)境和成因模式具多樣性與復雜性。有3種不同模式白云巖化作用共同參與——準同生交代、埋藏白云巖化、混合水白云巖化模式。具體可分為3類：A類集中于三山子組下部，巖性為粉—細晶白云巖，δ13C均值為0.05%，δ18O均值為-0.63%，形成于海退早期的近地表海底環(huán)境，屬準同生交代模式，后期疊加了埋藏白云石化改造；B類集中在三山子組中部，巖性為細晶—中晶白云巖、局部粗晶，δ13C均值為-0.1%，δ18O均值為-0.68%，形成于埋藏環(huán)境，屬埋藏白云石化模式；C類集中在三山子組上部，巖性為微粉晶—細晶白云巖，δ13C均值為-0.34%，δ18O均值為-0.61%，形成于海退晚期的大氣淡水環(huán)境，屬混合水白云石化模式，后期經(jīng)埋藏白云化作用改造。

致謝：感謝山西省地質調查院的工程師們在野外工作時的指導，感謝指導老師在工作過程中的點撥。同時也感謝審稿專家提出的許多建設性意見，這對本文的提高有很大的幫助。