銅仁地區(qū)陡山沱期蓋帽碳酸鹽巖地質(zhì)地球化學(xué)特征及其成因

何金先，張曉麗，王兆奪，段 毅

（1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049；3.甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，蘭州 730000）

0 引言

蓋帽碳酸鹽巖（cap carbonates）是指沉積于新元古代冰磧巖之上，主要由微晶方解石和白云石等組成的相對(duì)均質(zhì)的薄層狀碳酸鹽巖地層［1－2］。蓋帽碳酸鹽巖具有獨(dú)特的巖石學(xué)和地球化學(xué)特征，代表著溫暖的形成環(huán)境，在全球各地廣泛分布，其成因與新元古代晚期Marinoan冰期的終結(jié)密切相關(guān)，因此一直受到許多學(xué)者的關(guān)注［3－4］。

關(guān)于蓋帽碳酸鹽巖的成因，目前尚未達(dá)成共識(shí)，仍具有很大的爭(zhēng)議性，較有代表性的“雪球地球”、“上升流模式”、“淡水分層”、“甲烷滲漏”［3－4］等成因假說(shuō)都有各自的科學(xué)依據(jù)，但又都存在一些自身不能解釋的問(wèn)題［3－4］。

前人對(duì)貴州地區(qū)（包括銅仁地區(qū)）新元古代蓋帽碳酸鹽巖的地質(zhì)地球化學(xué)特征已做了一定程度的研究工作［2－10］，但對(duì)其成因討論偏少，僅有少數(shù)學(xué)者明確提出其成因觀點(diǎn)［4，10］。

圖1 貴州新元古代陡山沱期巖相古地理圖（據(jù)文獻(xiàn)［7］）Fig.1 Lithofacies paleogeography map of the Neoproterozoic Doushantuo Formation in Guizhou Province

貴州銅仁市壩黃鎮(zhèn)的壩黃剖面和江口縣的桃映剖面，其蓋帽碳酸鹽巖出露均比較完好，觀測(cè)和采樣方便，是較理想的研究地點(diǎn)。本文主要研究這兩個(gè)剖面蓋帽碳酸鹽巖的地質(zhì)與地球化學(xué)特征，分析其成因。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)所處的貴州東北部，在新元古代陡山沱期屬上揚(yáng)子臺(tái)地東南緣開闊臺(tái)地－臺(tái)緣斜坡相區(qū)［5－7］（圖1），東鄰芷江—懷化殘余古隆起［8］。陡山沱早期以臺(tái)地碳酸鹽巖沉積為主，晚期則沉積陸源碎屑。蓋帽碳酸鹽巖發(fā)育在陡山沱組的底部，厚4～6m。陡山沱組下伏地層為南沱組冰磧礫巖，上覆地層為留茶坡組硅質(zhì)巖。

2 研究剖面地質(zhì)特征

壩黃剖面位于銅仁市壩黃鎮(zhèn)龍井村至路家村一帶，蓋帽碳酸鹽巖出露完好，剖面涉及地層有南沱組、陡山沱組、留茶坡組（圖2a）。南沱組冰磧礫巖厚度＞60m，未見底。陡山沱組蓋帽碳酸鹽巖與南沱組冰磧礫巖的交界線明顯；其沉積厚度約6m，下部厚約1.2m的厚層狀白云巖中發(fā)育有較多特殊沉積構(gòu)造，上部中－薄層狀白云巖紋層普遍發(fā)育；蓋帽碳酸鹽巖上方為泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r。陡山沱組之上為留茶坡組硅質(zhì)巖、硅質(zhì)泥巖，厚約20m。

桃映剖面位于江口縣桃映鄉(xiāng)以東約6km的翁稿至翁會(huì)村一帶，出露地層有南沱組、陡山沱組、留茶坡組（圖2b）。南沱組冰磧礫巖厚度較大，未見底。南沱組之上為陡山沱組底部的蓋帽碳酸鹽巖，兩者之間界線清晰；蓋帽碳酸鹽巖厚約6m，其下部厚約1.1m的層位發(fā)育特殊沉積構(gòu)造，而上部白云巖無(wú)特殊沉積構(gòu)造，但紋層卻普遍發(fā)育；蓋帽碳酸鹽巖往上為陡山沱組碎屑巖沉積，主要為黑色富有機(jī)質(zhì)泥巖，含大量黃鐵礦，夾有數(shù)層白云巖。陡山沱組之上為留茶坡組黑色硅質(zhì)巖。

3 蓋帽碳酸鹽巖地質(zhì)特征

圖2 銅仁地區(qū)地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column profile in Tongren Region

根據(jù)沉積構(gòu)造特征，研究區(qū)的蓋帽碳酸鹽巖可分為上、下兩部分。上部以中層、薄層狀白云巖為主，下部以厚層狀白云巖為主。厚層白云巖厚度橫向上變化大，在研究區(qū)分布廣泛，其底部為含大量黃鐵礦的淺灰白色厚層狀白云巖，普遍發(fā)育特殊沉積構(gòu)造，可識(shí)別出的有晶洞構(gòu)造（圖3a）、帳篷狀構(gòu)造（圖3b）、層狀裂隙（圖3c）、包卷狀構(gòu)造。

研究區(qū)蓋帽碳酸鹽巖中普遍發(fā)育重晶石，主要為孔洞充填重晶石和層狀重晶石沉積，野外可觀察到重晶石呈晶洞充填（圖3a）、層狀析出（圖3c）、強(qiáng)烈褶皺脈狀（圖3d）產(chǎn)出。鏡下觀察巖石薄片發(fā)現(xiàn)，在蓋帽碳酸鹽巖各個(gè)層位上普遍發(fā)育有黃鐵礦晶粒且均有可能出現(xiàn)局部富集（圖3e），但在底層黃鐵礦含量相對(duì)較高。某些薄片可清楚地觀察到黃鐵礦晶粒中的鐵質(zhì)將其周圍白云石浸染，圍繞黃鐵礦晶粒出現(xiàn)呈褐紅色的浸染圈帶（圖3f）。黃鐵礦晶粒發(fā)育較好，形態(tài)各異。

圖3 銅仁地區(qū)蓋帽碳酸鹽巖特殊沉積構(gòu)造與鏡下顯微照片F(xiàn)ig.3 Special sedimentary structures and micrograph of cap carbonates in Tongren Region

4 蓋帽碳酸鹽巖碳、氧同位素地球化學(xué)特征

為從橫向和縱向上研究蓋帽碳酸鹽巖的碳、氧同位素及微量元素特征，分別從壩黃龍井剖面和位于銅仁地區(qū)印江縣梵凈山西北部剖面，以及蓋帽碳酸鹽巖下伏的南沱組冰磧礫巖和上覆的陡山沱組鈣質(zhì)泥巖、白云巖中采集蓋帽碳酸鹽巖樣品，進(jìn)行碳、氧同位素及微量元素?cái)?shù)據(jù)對(duì)比研究（表1，表2）。

表1 壩黃龍井剖面碳、氧同位素及微量元素測(cè)試結(jié)果［9］Table 1 Analysis of carbon，oxygen isotopes and trace elements of cap carbonates in Ba Huang section

表2 梵凈山西北部剖面碳氧同位素及微量元素測(cè)試結(jié)果［10］Table 2 Analysis of carbon，oxygen isotopes and trace elementsof cap carbonates along Fanjingshan section

圖4 研究區(qū)蓋帽碳酸鹽巖地層中δ（13CPDB）變化趨勢(shì)圖Fig.4 Trend charts ofδ（13 CPDB）values and microscopic photo of the cap carbonates

從表1、表2可以看出，銅仁壩黃剖面與梵凈山西北部剖面的蓋帽碳酸鹽巖δ（13CPDB）與全球其他地區(qū)Marinoan期冰川雜礫巖之上的碳酸鹽巖帽的δ（13CPDB）一樣，均發(fā)生明顯負(fù)偏差。壩黃剖面蓋帽碳酸鹽巖δ（13CPDB）＝－3.03×10－3～－7.06×10－3，平均－4.73×10－3；梵凈山西北部剖面蓋帽碳酸鹽巖δ（13CPDB）＝－1.4×10－3～8.52×10－3，平均－4.52×10－3。壩黃剖面除5號(hào)、6號(hào)樣品和梵凈山西北部剖面除17號(hào)、18號(hào)樣品數(shù)據(jù)之外，兩個(gè)剖面δ（13CPDB）均大體表現(xiàn)為隨剖面向上升高的趨勢(shì)（圖4），與全球Marinoan冰期后碳酸鹽巖帽δ（13CPDB）變化一致［2，9－10］。壩黃剖面除2號(hào)、5號(hào)樣品和梵凈山西北部剖面除17號(hào)、18號(hào)樣品之外，白云巖樣品具M(jìn)n／Sr＜10，δ（18OPDB）＞－10×10－3的特征，即兩剖面δ（13CPDB）和δ（18OPDB）均呈弱正相關(guān)性（圖5），表明兩剖面蓋帽碳酸鹽巖中的白云巖曾受一定程度的成巖作用［11－13］，但未遭受強(qiáng)烈蝕變，其中的δ（13CPDB）還基本能代表原始海洋的碳同位素組成。

圖5 研究剖面中δ（13CPDB）與δ（18 O）交會(huì)圖Fig.5 Cross plots ofδ（13 CPDB）andδ（18 O）values of cap carbonates along section concerned

圖6 帳篷構(gòu)造形成模式示意圖Fig.6 Sketch models of tepee－like structure in cap carbonates

5 蓋帽碳酸鹽巖成因討論

蓋帽碳酸鹽巖成因目前尚未達(dá)成共識(shí)。具有代表性的4種成因模式［3－4］為“缺氧海水上升流”模式［14－15］、“雪球地球”假說(shuō)［1，16］、“淡水分層”假說(shuō)［18］和“甲烷滲漏”假說(shuō)［3，17］。以下主要依據(jù)野外地質(zhì)觀察和巖石薄片顯微鏡觀察，并充分考慮前人的研究成果，討論研究區(qū)蓋帽碳酸鹽巖的成因。

5.1 特殊沉積構(gòu)造成因解釋

研究區(qū)蓋帽碳酸鹽巖底部1.1～1.2m厚層位中，特殊沉積構(gòu)造普遍發(fā)育，其中可識(shí)別的有晶洞構(gòu)造、帳篷構(gòu)造、層狀裂隙、包卷狀構(gòu)造等4種。這4種沉積構(gòu)造的成因都被認(rèn)為與蓋帽碳酸鹽巖的成因密切相關(guān)。晶洞構(gòu)造中充填礦物主要為已硅化、白云石化的方解石、文石、重晶石等；層狀裂隙中充填礦物主要為白云石、方解石和石英等；帳篷構(gòu)造的軸部已經(jīng)角礫化，兩側(cè)與層狀裂隙相連，橫向上呈過(guò)渡關(guān)系；包卷狀構(gòu)造卷曲較緩和，彎曲形狀不規(guī)則。

蓋帽碳酸鹽巖的局部作為下部甲烷氣體向上運(yùn)移的通道，當(dāng)甲烷氣體在通道中向上運(yùn)移受到阻礙時(shí)，會(huì)發(fā)生順層流動(dòng)形成層間裂隙；而甲烷氣體聚集膨脹擠壓形成晶洞構(gòu)造，后期碳酸鹽飽和流體在晶洞內(nèi)快速結(jié)晶，形成葡萄狀或不規(guī)則狀碳酸鹽沉淀［4］。層間裂隙的層理在某一處突然中斷，該處就形成了帳篷構(gòu)造的核部，同時(shí)核部的兩側(cè)形成角礫化，這便成為帳篷構(gòu)造［17］（圖6）。而包卷狀構(gòu)造，則可能是蓋帽碳酸鹽巖中，由于藻類微生物形成的藻紋層在尚未固結(jié)成巖時(shí)，在震蕩水體的作用下形成包卷波曲狀的形態(tài)。

5.2 重晶石廣泛發(fā)育成因解釋

研究區(qū)蓋帽碳酸鹽巖中重晶石分布非常廣泛，主要以孔洞充填重晶石和層狀重晶石沉積的形式產(chǎn)出。

形成重晶石的硫酸根離子主要來(lái)自進(jìn)入海洋的陸殼風(fēng)化物質(zhì)，快速的化學(xué)風(fēng)化作用為海水提供了大量的硫酸鹽，一部分硫酸根在缺氧條件下與甲烷反應(yīng)生成硫化氫根，其他則與海水中的鋇離子反應(yīng)形成重晶石沉積（Ba2＋＋SO2－4—→BaSO4）。

蓋帽碳酸鹽巖中的重晶石分布非常廣泛，因此要求在短時(shí)間內(nèi)有大量的Ba2＋供應(yīng)到海水中。前人研究表明［19－21］，蓋帽碳酸鹽巖中重晶石沉積與甲烷釋放事件具有密切聯(lián)系，因?yàn)椤凹淄闈B漏”釋放出的大量甲烷能夠短期內(nèi)為海水提供大量的Ba2＋，導(dǎo)致了廣泛的重晶石沉積。

5.3 黃鐵礦普遍發(fā)育成因解釋

研究區(qū)蓋帽碳酸鹽巖各個(gè)層位普遍發(fā)育黃鐵礦，下部含量較高，局部富集，反映了蓋帽碳酸鹽巖沉積形成于較強(qiáng)的還原環(huán)境。黃鐵礦可以通過(guò)甲烷的厭氧氧化作用形成：甲烷滲漏所釋放的大量甲烷，在海洋缺氧條件下與硫酸鹽反應(yīng)，反應(yīng)式為CH4＋SO24－—→HCO3－＋HS－＋H2O［22］，當(dāng)HS－達(dá)到過(guò)飽和時(shí)，便與海水中的鐵離子反應(yīng)，生成黃鐵礦沉積，常以草莓狀形式存在。

5.4 δ（13C）值普遍負(fù)偏特征解釋

研究區(qū)蓋帽碳酸鹽巖普遍具有δ（13CPDB）顯著負(fù)偏的特征。壩黃剖面δ（13CPDB）＝－3.03×10－3～－7.06×10－3，平均－4.73×10－3；梵凈山西北部剖面δ（13CPDB）＝－1.4×10－3～－8.52×10－3，平均－4.52×10－3。δ（13C）顯著負(fù)偏的特征是“甲烷滲漏”成因模式強(qiáng)有力的證據(jù)［4］。

甲烷是自然界中δ（13C）最低的物質(zhì)，平均約為－60×10－3［23］。Jiang等［3］對(duì)中國(guó)三峽地區(qū)蓋帽碳酸鹽巖δ（13C）測(cè)試的最低值達(dá)到－41×10－3，雖然有機(jī)質(zhì)的氧化也可以提供負(fù)的δ（13C），但蓋帽碳酸鹽巖中的碳除來(lái)源于甲烷，沒有其他來(lái)源能獲得如此低的δ（13C）。正常海水中δ（13C）值一般為0，在考慮平衡效應(yīng)的條件下，在海水中加入10%源于甲烷的CO2或HCO－3（δ（13C）≈－60×10－3）后，海水的δ（13C）將會(huì)降低約6×10－3，即δ（13C）約為－6×10－3［4］，這與壩黃龍井剖面和梵凈山西北部剖面的平均值（分別為－4.73×10－3，－4.52×10－3）很接近（表1，表2），而在現(xiàn)代和古代甲烷滲漏形成的冷泉碳酸鹽巖的δ（13C）變化范圍很大（－5×10－3～－46×10－3）［4］。因此，有氧甲烷氧化產(chǎn)生的 CO2和缺氧甲烷氧化產(chǎn)生的碳酸鹽巖都普遍具δ（13C）顯著負(fù)偏的特征。

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)陡山沱期蓋帽碳酸鹽巖具有特殊的地質(zhì)地球化學(xué)特征。蓋帽碳酸鹽巖發(fā)育厚度平均約6m，不同地方厚度略有變化，下部1.1～1.2m層位普遍發(fā)育晶洞構(gòu)造、帳篷構(gòu)造、層狀裂隙及包卷狀構(gòu)造等特殊沉積構(gòu)造，上部則普遍發(fā)育紋層狀構(gòu)造。重晶石廣泛發(fā)育于晶洞構(gòu)造及層狀裂隙的充填物之中。黃鐵礦晶粒廣泛發(fā)育于蓋帽碳酸鹽巖的各個(gè)層位，其中下部含量較高，局部有富集現(xiàn)象。研究區(qū)蓋帽碳酸鹽巖中普遍具有δ（13C）顯著負(fù)偏（壩黃龍井剖面和梵凈山西北部剖面平均值分別為－4.73×10－3，－4.52×10－3）的特征。

（2）“甲烷滲漏”成因假說(shuō)能夠較合理地解釋研究區(qū)蓋帽碳酸鹽巖的地質(zhì)地球化學(xué)特征，據(jù)此筆者認(rèn)為銅仁地區(qū)蓋帽碳酸鹽巖的成因?yàn)椤凹淄闈B漏”模式。目前蓋帽碳酸鹽巖的成因認(rèn)識(shí)尚有較大爭(zhēng)議，因此研究區(qū)內(nèi)蓋帽碳酸鹽巖的成因有待以后進(jìn)行更深入的研究。

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