翟大興, 張永生, 田樹剛, 邢恩袁, 吳非蒙, 朱常偉, 蔣蘇揚

1)中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部鹽湖資源與環(huán)境重點實驗室, 北京 100037; 2)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083;　3)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京 100037; 4)長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 湖北武漢 430100

興蒙地區(qū)晚二疊世林西組灰?guī)r微量元素與碳、氧同位素特征及沉積環(huán)境討論

翟大興1,2), 張永生1)*, 田樹剛3), 邢恩袁1), 吳非蒙1,4), 朱常偉1,4), 蔣蘇揚1,4)

1)中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部鹽湖資源與環(huán)境重點實驗室, 北京 100037; 2)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083;3)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京 100037; 4)長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 湖北武漢 430100

興蒙地區(qū)晚二疊世林西組沉積環(huán)境爭議較大, 多數(shù)學(xué)者認為其為陸相沉積, 少數(shù)學(xué)者則認為早中期為封閉海盆, 晚期轉(zhuǎn)化為陸相湖盆。在對林西官地林西組剖面實測時, 于其上部發(fā)現(xiàn)大量灰?guī)r透鏡體, 內(nèi)含鈣藻和苔蘚蟲等海相化石。對系統(tǒng)采集的灰?guī)r透鏡體進行微量元素及碳、氧同位素組成分析, 結(jié)果顯示灰?guī)r中輕稀土略虧損, Eu正異常明顯, La、Ce具有輕微的正異常, Gd、Y/Ho基本無異常; SiO2含量較高、且Zr與REE具有良好正相關(guān)性, 表明其沉積環(huán)境為海相近岸帶, 水體可能有正常海水、河水或大氣降水和熱液三個來源。剖面沉積特征、化石組合及灰?guī)r中碳、氧同位素組成也為近岸帶環(huán)境提供了進一步支持。這說明晚二疊世興蒙—吉林一帶仍存在狹長海盆, 海盆內(nèi)部仍存在熱液活動, 在近岸地區(qū), 海水循環(huán)可能受阻, 使得短期內(nèi)以蒸發(fā)作用或河水注入占主要地位, 造成碳同位素大幅漂移, 而氧同位素漂移主要由成巖作用引起。

林西組; 晚二疊世; 碳氧同位素; 微量元素; 沉積環(huán)境

內(nèi)源碳酸鹽巖記錄了沉積水體與環(huán)境特征的許多信息, 其元素及穩(wěn)定同位素組成被廣泛地應(yīng)用于古環(huán)境重建以及物質(zhì)地球化學(xué)循環(huán)追蹤。稀土元素和釔等對水體鹽度、氧化還原條件反應(yīng)敏感程度不一, 因而, 其分布模式可用來區(qū)分沉積水體的類型(Zhang et al., 1996; Bolhar et al., 2004, 2007; Frimmel, 2009)。同樣, 碳、氧同位素也可區(qū)分海水、淡水以及混合環(huán)境等信息(Keith et al., 1964)。一般來說, 淡水成因碳酸鹽巖中的碳、氧同位素組成較輕而海水成因較重。這是由于淡水中溶解無機碳(DIC)受到植物光合作用/呼吸作用和腐爛有機質(zhì)所產(chǎn)生CO2的影響, 使碳同位素偏輕; 由于在水的蒸發(fā)、凝聚過程中,16O在氣相中優(yōu)先富集, 因此, 同緯度的淡水較海水氧同位素偏輕。

興蒙地區(qū)晚二疊世處于古亞洲洋關(guān)閉、中朝板塊與西伯利亞板塊碰撞的關(guān)鍵時期, 林西組為該時期的沉積地層, 其沉積環(huán)境爭議較大。大部分學(xué)者認為其為陸相沉積(黃本宏, 1982; 內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1991), 少部分學(xué)者(和政軍等, 1997)則依據(jù)淡咸水雙殼混生、林二段濁流沉積以及林二段上部和林三段下部碳氧同位素特征, 認為本區(qū)早中期為封閉海盆, 晚期演變?yōu)殛懴嗪?。最? 張永生等依據(jù)在林西組上部發(fā)現(xiàn)的苔蘚蟲、海綿骨針等典型海相化石, 提出了林西組晚期為海相的新認識(張永生等, 2013; Zhang et al., 2014)。筆者在野外工作時, 發(fā)現(xiàn)了林西組上部四段、五段存在大量灰?guī)r透鏡體(層), 這些灰?guī)r透鏡體(層)記錄了沉積時水體的地球化學(xué)信息, 可為進一步判斷沉積環(huán)境提供有力證據(jù)。

稀土元素和釔是近年發(fā)展起來判斷沉積環(huán)境的有效指示劑, 在揭示灰?guī)r和其它自生礦物沉積水體來源, 尤其在判斷海、陸相環(huán)境方面顯現(xiàn)出巨大潛力(Van Kranendonk et al., 2003; Bolhar et al., 2004, 2007; Frimmel, 2009; Zhao, 2009)。稀土元素一般形成配合物吸附于懸浮顆粒物表面而從水中去除, 但程度有別。Gd的配合物穩(wěn)定性較Tb、Dy等元素差,易滯留于海水中而呈正異常(De Baar et al., 1985)。海水中重稀土易于與碳酸根、La易于與溶解性Si形成易溶配位體而滯留于水體而呈正異常(Lee et al., 1993; Zhang et al., 1996)。Y與Ho化學(xué)性質(zhì)十分相近, 但由于其配位體溶解性和比表面積的影響,使得Y在海水中駐留時間較Ho長近一倍, 從而使得海水中Y/Ho值大于河水和其它水體。Ce異常受到氧化還原條件控制, 氧化條件下, Ce以更難溶的Ce4+存在, 從而自水體中去除而造成Ce負異常。因而, 現(xiàn)代開闊海水具有La正異常, Ce負異常, 略具Gd的正異常, Y/Ho正異常和輕稀土和中稀土相對于重稀土的虧損為特征(Bolhar et al., 2004), 這些異?？梢苑从车絻?nèi)源灰?guī)r中(Van Kranendonk et al., 2003; Bolhar et al., 2004; Frimmel, 2009)。

圖1　林西縣官地剖面位置及二疊紀地層分布情況Fig. 1　Sketch map showing the location of Guandi section and the distribution of Permian strata in Linxi

1　地質(zhì)概況、采樣與方法

研究區(qū)位于興蒙造山帶東部, 西拉木淪河斷裂以北, 屬中朝板塊與西伯利亞板塊結(jié)合部位。林西組主要分布于林西縣、克什克騰旗、索倫鎮(zhèn)等地, 官地剖面為建組剖面(圖1); 下伏為中二疊統(tǒng)吳家屯組(或哲斯組), 上覆下三疊統(tǒng)幸福之路組; 巖性主要為砂、泥巖互層(圖2), 部分層段含大套頁巖; 含葉肢介、雙殼類化石和植物碎片。各段均發(fā)育薄中層灰?guī)r透鏡體或透鏡層, 主要賦存于粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖層之中, 內(nèi)含苔蘚蟲、海綿及鈣藻化石。

對林西組灰?guī)r透鏡體進行系統(tǒng)采樣, 樣品位置見圖2。測試分析了樣品中的主量元素、稀土等微量元素含量以及C、O同位素組成(表1)。常量元素由X射線熒光光譜儀(PW4400)分析、微量和稀土元素由等離子質(zhì)譜儀(Excel)分析; 所執(zhí)行標準及測試依據(jù)分別為DZ/T0223-2001、GB/T14506.28-2010; 由中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實驗測試中心完成。碳酸鹽碳、氧同位素用MAT-252測定, 精度±0.2‰, 由中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所同位素研究室完成。

圖2　林西官地剖面林西組綜合柱狀圖及樣品采集位置Fig. 2　Composite stratigraphic section and sample location of Linxi Formation in Linxi of Xingmeng area

灰?guī)r及水體中稀土元素用澳大利亞后太古宙頁巖均值(PAAS)標準化。La、Ce等元素異常計算方法參照Bolhar等(2004)、Frimmel(2009)等人, 即假設(shè)相鄰元素之間的差值為常數(shù), 則標準化后稀土元素異常的線性表示方法為: La/La*= La/(3Pr-2Nd)PAAS或La/(2Ce-Pr)PAAS; Ce/Ce*= Ce/(2Pr-Nd)PAAS或Ce/(0.5La+0.5Pr)PAAS; Eu/Eu*= Eu/(0.67Sm+0.33Tb)PAAS或Eu/(0.5Sm+0.5Gd)PAAS; Gd/Ga*=Gd/(2Tb–Dy)PAAS。氧同位素PDB標準和SMOW標準轉(zhuǎn)化公式(Coplen et al., 1983): δ18OPDB(‰)=0.97001δ18OSMOW–29.98。

2　結(jié)果

本剖面灰?guī)r稀土總含量介于11.30×10-6至91.22×10-6之間。圖3為用PAAS標準化的REE+Y分布模式。從總體上來看, 本區(qū)灰?guī)r以具有輕稀土的略虧損(Pr/YbPAAS=0.67±0.14; Pr/SmPAAS= 0.68±0.08; Sm/YbPAAS=0.99±0.18)、明顯的Eu的正異常(Eu/Eu*PAAS=1.85±0.73)為特征; La、Ce具有輕微的正異常(La/La*PAAS=1.19±0.17; Ce/Ce*PAAS= 1.11±0.15); Gd基本無異常(Gd/Gd*PAAS= 0.98±0.07); Y/Ho=27.6±2.23。

全巖C、O同位素分析結(jié)果見表1(文中若無說明, C、O同位素均用PDB標準)。結(jié)果表明, δ13C值為–4.2‰～+2.4‰、δ18O值為–7.9‰ ～ –31.3‰, 碳同位素變化范圍為6.6‰, 氧同位素則為23.4‰。

圖3　林西組灰?guī)rPAAS標準化REE+Y分布型式圖Fig. 3　PAAS-normalized REE+Y patterns for limestones from Linxi Formation

3　討論

3.1成巖作用影響

成巖過程碳酸鹽巖中元素和同位素組成可能發(fā)生變化。一般來說, 該過程對多數(shù)REE和Y元素影響較小, 即使經(jīng)歷較強蝕變, 碳酸鹽巖中REE+Y也十分穩(wěn)定。這是由于REE+Y替代了方解石晶體中Ca2+的位置, 且孔隙流體中其濃度很低。然而, 稀土中的Eu和Ce受到氧化還原電位的影響, 改變價態(tài)而與其它稀土元素發(fā)生分異, 在空隙流體存在的情況下, 可形成異常。林西組灰?guī)r中[Eu/Eu*]PAAS同[Pr/Yb]PAAS與[Pr/Sm]PAAS呈正相關(guān)(圖4a), [Ce/Ce*]PAAS同[Pr/Yb]PAAS與[Pr/Sm]PAAS呈負相關(guān)(圖4b), 表明Eu、Ce并未發(fā)生明顯分異, 指示成巖過程中稀土元素未遭受明顯蝕變。

與稀土元素不同, 碳、氧同位素在碳酸鹽沉積后可能發(fā)生改變。濱、淺海及臺地碳酸鹽成巖過程中, 易受大氣降水影響。與海水相比, 大氣降水富集Mn2+、Fe2+而貧Sr2+、Na+、Mg2+, 碳酸鹽巖若受到大氣降水影響則前者含量升高而后者降低(Derry et al., 1992)。因而, 利用Mn/Sr、Fe/Sr等比值可判定碳酸鹽巖在成巖過程中的改變程度。Jacobsen等(1999)認為Mn/Sr＞2時, 碳酸鹽巖中同位素組成一般會受到成巖作用影響。本剖面部分樣品Mn/Sr值大于2或接近于2, 碳同位素組成同Mn/Sr負相關(guān)(圖4c), 表明其同位素組成在成巖過程中可能受到影響。氧同位素同Mn/Sr相關(guān)性不顯著(圖4d), 可能為氧同位素受干擾過大所致, 這是因為氧為空隙流體中主要元素, 其同位素對成巖作用反應(yīng)的靈敏度高于Mn/Sr值, 即使Mn/Sr無太大變化, 氧同位素比值亦會發(fā)生變化。

圖4　林西組灰?guī)r中[Ce/Ce＊]PAAS(a)、[Eu/Eu＊]PAAS(b)同[Pr/Yb]PAAS、[Pr/Sm]PAAS以及δ13C(c)、δ18O(d)同Mn/Sr之間的關(guān)系Fig. 4　Plot of [Ce/Ce＊]PAAS(a), [Eu/Eu＊]PAAS(b) versus [Pr/Yb]PAAS, [Pr/Sm]PAASand δ13C(c), δ18O(d) versus Mn/Sr for limestones of Linxi Formation in Xingmeng area

3.2稀土元素

用PAAS標準化現(xiàn)代海水等水體的REE+Y分布模式見圖5。正常海水具有La正異常, Ce負異常,略具Gd的正異常, Y/Ho正異常和輕稀土和中稀土相對于重稀土的虧損(圖5a)。熱液(圖5d)以強烈的正Eu異常、河水和其他淡水以較平緩的稀土配分模式為特征(圖5e, f)。

研究區(qū)灰?guī)r具輕稀土虧損、La和Ce弱正異常、Gd無異常, Y/Ho值在24.88～32.17之間。對照圖3與圖5, 其稀土分布模式與正常海水(圖5a)區(qū)別顯著, 與海相灰?guī)r(圖5h)具有一定區(qū)別, 與湖泊淡水(圖5f)和湖泊灰?guī)r(圖5g)的平坦分布模式也不相同,但與河口、海灣和濱岸區(qū)(圖5c)具有一定類似性。這是由于濱岸及河口區(qū)水體動蕩, 懸浮物較多, 稀土元素易于吸附而形成沉淀, 難以形成正常海相條件下灰?guī)r中元素異常; 其次, 灰?guī)r受到碎屑物質(zhì)混入影響, 異常被淡化。Ce異常在開闊大洋(5a)較局限海(圖5b)和河口區(qū)(圖5c)更為明顯, 而在潮間帶(圖5c)則基本無異常, 這可能因為潮間帶受到水體動蕩影響或濱岸淡水(圖5e)補給影響。

La和Ce為相鄰元素, 其異常受彼此影響較大,用普通異常計算方法可能會出現(xiàn)判斷偏差。Ce/Ce*-Pr/Pr*可用來區(qū)分La、Ce異常(Van Kranendonk et al., 2003; Zhao et al., 2009), 圖6a所示,林西灰?guī)r中無La正異?；蚵跃週a正異常, 部分樣品存在明顯的Ce正異常, 這與正常海相(Van Kranendonk et al., 2003)存在差異, 與非海相(瀉湖)灰?guī)r相似(Bolhar et al., 2007)。

表1　林西組灰?guī)r主量、微量元素含量及碳、氧同位素值Table1 Major,trace element concentrations and carbon,oxygen isotope valuer of carbonate rocks in Linxi Formation

圖5　各種水體(×106)和巖石礦物中REE+Y的PAAS標準化圖Fig. 5　PAAS-normalized REE+Y patterns for different waters (×106) and rocksa-現(xiàn)代海水(西南太平洋, Zhang et al., 1996); b-現(xiàn)代缺氧海水(黑海, German et al., 1991); c-河口(湄南河, Nozaki et al., 2000)及海灣地區(qū)(渤海潮間帶, 梁濤等, 2005)海水; d-洋底高溫和低溫?zé)嵋?大西洋中脊, Bau et al., 1999); e-河流(烏江, Han et al., 2007; 湄南河, Nozaki et al., 2000; 亞馬遜河, Gaillardet et al., 1997); f-現(xiàn)代湖泊(奈瓦夏湖, Ojiambo et al., 2003; 巢湖, 朱兆洲等, 2006); g-非典型海相碳酸鹽巖(Bolhar et al., 2007); h-海相沉積碳酸鹽巖和礦物(Van Kranendonk et al., 2003)a-modern seawater (Southwest Pacific, after Zhang et al., 1996); b-modern anoxic seawater (Black Sea, after German et al., 1991); c-Estuary(Chao Phraya River, after Nozaki et al., 2000) and gulf area (intertidal belt of Bohai Sea, after LIANG et al., 2005) seawater; d-high-T and low-T marine hydrothermal fluids (mid-Atlantic ridge, after Bau et al., 1999); e-river water ( Wujiang River, after Han et al., 2007; Chao Phraya River, after Nozaki et al., 2000; Amazon River, after Gaillardet et al., 1997); f-modern lake water (Lake Naivasha, after Ojiambo et al., 2003; Lake Chaohu, after ZHU et al., 2006); g-atypical marine carbonate(after Bolhar et al., 2007); h-marine depositional carbonate rocks and minerals (after Van Kranendonk et al., 2003)

圖6　林西組灰?guī)r異常特征及與正常海相灰?guī)r比較Fig. 6　Plot of [Ce/Ce＊]PAASversus [Pr/Pr＊]PAASto show La and Ce anomalies and [Gd/Gd＊]PAASversus Y/Ho to compare limestone of Linxi Formation with open marine limestonea-用[Ce/Ce*]PAAS與[Pr/Pr*]PAAS表示La和Ce異常; b-[Gd/Gd*]PAAS與Y/Ho之間關(guān)系; 非海相灰?guī)r數(shù)據(jù)據(jù)Bolhar等(2007), 海相灰?guī)r數(shù)據(jù)據(jù)Van Kranendonk等(2003)a-[Ce/Ce*]PAASversus [Pr/Pr*]PAASto show La and Ce anomalies; b-[Gd/Gd*]PAASversus Y/Ho; non-marine limestone(after Bolhar et al., 2007), and marine limestone (after Van Kranendonk et al., 2003)

圖7　林西組灰?guī)r與海相灰?guī)r、淡水灰?guī)r碳氧同位素比較Fig. 7　The comparison of carbon and oxygen isotopes between Linxi Formation limestone and marine and lacustrine limestone長興階海相灰?guī)r(浙江長興煤山, 李玉成, 1998); 下三疊統(tǒng)幸福之路組淡水灰?guī)r(內(nèi)蒙古巴林右旗, 和政軍等, 1997)Marine limestone of Changhsingian Stage (Meishan section in Changxing, Zhejiang Province, after LI et al., 1998); lacustrine limestone of Lower Triassic Xingfuzhilu Formation in Bairin Right Banner, Inner Mongolia, after HE et al., 1997)

研究區(qū)灰?guī)r中具有較強的Eu的正異常。Eu異常由于Eu3+被還原為Eu2+而與其它稀土元素發(fā)生分異, Eu2+更易替換Ca2+而進入碳酸鹽晶格。造成Eu正異常可能有如下原因: 高溫?zé)嵋旱幕烊?Bau et al., 1999; 圖5d)、流域近源富Eu巖層風(fēng)化淋濾水體的混入、與Fe氫氧化物的結(jié)合(Van Kranendonk et al., 2003)。本剖面Eu正異常與Fe氫氧化物無關(guān), 原因如下: 灰?guī)r中Eu正異常與Fe氫氧化物無明顯相關(guān)性;本區(qū)泥頁巖中具有更高的Fe氫氧化物含量, 且與Eu含量具有較好相關(guān)性, 但泥頁巖中并無Eu正異常。同時, 碎屑巖是對物源的重要指示, 其并無Eu正異常, 因而本區(qū)Eu異常也并非由富Eu巖層引起。因而, 灰?guī)rEu正異常與熱液混入沉積水體有關(guān): 晚二疊世, 本區(qū)構(gòu)造活動強烈, 火山活動頻繁(楊岳淸等, 2013), 林西組內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)多層凝灰?guī)r夾層, 存在熱液混入沉積水體的物質(zhì)條件。另外, 菱鐵礦(多與熱液活動有關(guān), 圖5h)可以使Eu富集; 本區(qū)灰?guī)r中FeO和Eu無顯著相關(guān)性且相關(guān)系數(shù)為負, 灰?guī)r可能不含菱鐵礦或含量較低, 對Eu的富集影響較小。

3.3C、O同位素

3.3.1對海、陸相的指示

碳氧同位素組成廣泛的應(yīng)用于判別沉積環(huán)境。Keith等(1964)提出了利用碳、氧同位素區(qū)分白堊紀以后海相灰?guī)r和淡水灰?guī)r的公式: Z=2.048× (δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)。其中Z值大于120時為海相灰?guī)r, 小于120為淡水灰?guī)r; δ13C、δ18O均采用PDB標準。由于碳同位素在成巖過程較穩(wěn)定, 式中可以看出, Z值主要取決于碳同位素。林西組灰?guī)rZ值一般介于110～123之間, 具有淡水、海水雙重特征, 考慮到成巖改造使碳、氧同位素降低(Jocobsen, 1999; 3.3.3節(jié)討論), 若未受影響情況下,灰?guī)rZ值應(yīng)高于上述值。

圖7展示了林西組灰?guī)r與長興煤山海相灰?guī)r和本區(qū)早三疊世幸福之路組陸相灰?guī)r的比較特征, 林西組灰?guī)r與典型海相和陸相灰?guī)r區(qū)別明顯。與海相灰?guī)r相比, 林西組灰?guī)r氧同位素明顯偏低, 部分碳同位素值低于海相灰?guī)r。與淡水灰?guī)r相比, 其碳同位素明顯高于淡水灰?guī)r, 兩者區(qū)別明顯。

本區(qū)灰?guī)r碳同位素組成–4.2‰～+2.4‰。碳同位素不易受到成巖作用的影響, 對中生代之前巖層的沉積環(huán)境指示更為有效。內(nèi)源沉積碳酸鹽巖碳同位素的組成受水體中溶解無機碳(DIC)同位素組成和分餾效應(yīng)控制。植物光合/呼吸作用以及腐爛有機質(zhì)所產(chǎn)生的虧損13C(一般約–25‰)的CO2的影響, 可使碳同位素變得較輕。本區(qū)泥頁巖中富含植物碎屑及各種蟲孔構(gòu)造, 反映當(dāng)時生物量充足, 生物呼吸作用和有機質(zhì)的氧化所產(chǎn)生的富含12C的DIC可能進入碳酸鹽巖, 使得碳同位素值偏低。從沉積環(huán)境上來看, 灰?guī)r賦存層位為濱、淺海和三角洲前緣環(huán)境, 具有接受含較低碳同位素組成的淡水補給條件。因而, 本區(qū)灰?guī)r應(yīng)處于濱海近岸環(huán)境, 同時受到淡水及生物活動影響。

3.3.2其它影響因素

地球表層存在碳的兩大儲庫, 即無機碳庫和有機碳庫, 無機碳庫主要賦存于碳酸鹽巖, 有機碳庫主要賦存于有機沉積物(巖)和生物體中。碳酸鹽巖中碳同位素組成平均0‰左右, 有機沉積物和生物體中平均則–25‰左右(Hoefs, 2009)。大規(guī)模火山作用、大量有機質(zhì)的掩埋和巖石風(fēng)化能力的增強, 會改變大氣中CO2的碳同位素組成, 進而改變碳酸鹽巖的碳同位素組成。

圖8　林西組灰?guī)r在不同溫度條件下碳、氧同位素組成與水/巖比、流體中初始濃度的關(guān)系Fig. 8　Calculation of altered calcite δ13C, δ18O values relative to varying ratios of water to rock, the initial concentration of carbon at different temperaturesa-方解石中δ13C初始值+2.4‰, 成巖流體中有機來源的DIC濃度為0.05％(δ13C= –25‰), 且水/巖比≥1時, 隨著反應(yīng)進行濃度保持不變; b-30,℃ 在流體中含不同濃度的有機來源DIC(δ13C= –25‰)條件下, 方解石中碳同位素組成與水/巖比的關(guān)系, 方解石中δ13C初始值+2.4‰; c-方解石中δ18O初始值為–7.9‰(V-PDB), 流體中氧同位素初始值為–1.0‰(V-SMOW); d-方解石中δ18O初始值為–7.9‰(V-PDB), 流體中氧同位素初始值為–10‰(V-SMOW)。方解石和CO2之間碳同位素分餾方程來自Romanek等(1992); 方解石和水之間氧同位素分餾方程來自O(shè)’Neil等(1969)a-an initial δ13C value for carbonate is +2.4‰, the DIC concentration in water with organic original is 0.05％(δ13C= –25‰), and DIC concentration keeps constant with the continual of the reaction when the water/rock ratio is lager than 1; b-the relations between carbon isotope of calcite and the water/rock ratio at 30℃, under the conditions that the water has different DIC concentrations of organic source, an initial δ13C value for carbonate is +2.4‰; c-an initial δ18O value for calcite takes the highest value of –7.9‰ (V-PDB) in limestone of Linxi Formation, and initial δ18O value is –1‰ (V-SMOW) for water; d-an initial δ18O value for calcite takes the highest value of –7.9‰(V-PDB) in limestone of Linxi Formation, and initial δ18O value is –10‰ (V-SMOW) for water. The fractionation equation of carbon isotope between calcite and CO2after Romanek et al. (1992); the fractionation equation of oxygen isotope between calcite and water after O’Neil et al. (1969)

火山作用所產(chǎn)生CO2的碳同位素組成可認為與地幔一致, 一般–5‰左右(Hoefs, 2009)。本區(qū)晚二疊世構(gòu)造作用強烈, 火山活動頻繁, 野外工作過程中,于林西官地, 克什克騰旗北大山、劉家營子等林西組地層發(fā)現(xiàn)多層安山巖或凝灰?guī)r夾層, 因而, 它可能是引起本區(qū)灰?guī)rδ13C較低的重要原因之一。同時,灰?guī)r中Eu元素異常也可提供火山熱液進入海水的重要證據(jù)。

3.3.3成巖作用影響估算

欲利用C、O同位素恢復(fù)本區(qū)沉積環(huán)境, 需估算其在成巖過程所受影響。故本文引入Jocobsen等(1999)所提出的公式:

計算開放或封閉體系下, 不同水巖比和溫度下蝕變方解石的碳、氧同位素比值(圖8)。不同埋藏階段, 由于物理化學(xué)條件不同, 對碳氧同位素影響各異。為便于討論, 將成巖階段劃分為淺埋藏和深埋藏階段。淺埋藏階段以低溫、高水巖比和體系較開放為特征; 深埋藏階段以高溫、低水巖比和體系相對較封閉為特征。灰?guī)rδ18O＞–10.0‰時未受到顯著蝕變(Jocobsen, 1999), 根據(jù)李玉成(1998)所提供的浙江煤山剖面長興階海相灰?guī)r, 計算得δ18O＞ –10.0‰灰?guī)r的碳、氧同位素均值: δ13C=+2.4‰、δ18O= –7.2‰, 考慮到古緯度影響, 以本區(qū)灰?guī)r氧同位素最高值δ18O=–7.9‰計算是合理的。計算蝕變巖石碳、氧同位素時,做如下假設(shè): (1)初始沉積時碳、氧同位素值分別為δ13C=+2.4‰、δ18O= –7.9‰; (2)淺埋藏階段, 成巖流體可能為再循環(huán)海水(如現(xiàn)代海水δ18O= –1.0‰, V-SMOW)、大氣降水(如我國較高緯度地區(qū)大氣降水δ18O= –10‰, V-SMOW); (3)碳酸鹽巖與流體同位素達到平衡; (4)深埋藏過程中, 流體中氧原子與巖石中氧原子之比為1或者略大。

成巖流體中一般碳含量很低, 主要為溶解性無機碳(DIC)和溶解性有機碳(DOC), 對碳酸鹽巖碳同位素產(chǎn)生影響的主要為由有機碳氧化轉(zhuǎn)化而來的DIC。在氧化為CO2時碳同位素基本不發(fā)生分餾, 而CO2溶解于水形成DIC時分餾較大(Hoefs, 2009)。Romanek等(1992)給出了方解石和二氧化碳之間氧同位素分餾方程: 1000lnα=11.98–0.12T(℃)。假設(shè)占巖石質(zhì)量0.05％的有機碳氧化轉(zhuǎn)化為流體中的DIC, 由于本區(qū)灰?guī)r呈透鏡狀或透鏡層狀賦存, 因而, 可假定水巖比大于1時, 流體中有機來源的DIC保持不變, 巖石中碳同位素改變。圖8a為有機來源DIC濃度為0.05％條件下(δ13C= –25‰), 不同溫度、不同水巖比蝕變方解石中碳同位素含量, 圖8b中為30℃條件下, 不同濃度和不同水巖比下蝕變方解石中碳同位素含量。

從圖中可以看出, 淺埋藏階段, 水巖比和成巖流體中有機來源DIC的濃度為影響方解石中碳同位素組成的主控因素。溫度對碳同位素影響依賴于DIC的濃度, 高濃度時, 溫度變化對方解石中碳同位素組成改變較大。50℃時, 假定方解石中初始碳同位素為2.4‰, 水巖比為100以及成巖流體中有機來源DIC濃度保持為0.05％的情況下, 則方解石中碳同位素組成最多可有4.5‰的變化。一般來說, 巖石埋藏過程中, 很難達到上述條件; 也就是說, 淺成巖階段難以造成碳同位素4.5‰的變化。深埋藏階段, 由于壓實過程中水已經(jīng)去除, 水巖比較小, 游離氧消耗殆盡, 有機碳難以轉(zhuǎn)化為DIC在流體中遷移, 因而對灰?guī)r碳同位素組成造成的影響基本可以忽略。剖面上碳同位素至少存在6.6‰的漂移, 因而,沉積水體中碳同位素組成較低是引起剖面上碳同位素值偏低的重要原因之一。

氧在成巖流體和碳酸鹽巖中均為主要成分。O’Neil等(1969)給出了方解石和水之間氧同位素分餾方程: 1000lnα=2.72(106T-2)–3.39。淺埋藏階段, 氧同位素初始值為–7.9‰, 當(dāng)水體中氧同位素介于–1.0‰ ～ –10.0‰(V-SMOW)時, 方解石和水之間的平衡溫度介于50～10℃, 近于淺埋藏條件。通過計算, 在淺埋藏條件下(≤50℃), 即使流體受到大氣降水或河水的嚴重混染(δ18O= –10‰, V-SMOW), 灰?guī)r中氧同位素值應(yīng)≥ –16‰(圖8c, d), 這與剖面大多數(shù)灰?guī)r氧同位素組成并不吻合。因而, 氧同位素組成必定受到深埋藏過程影響。

沉積灰?guī)r成巖流體溫度一般不超過200℃(Zhao et al., 2010; 于凱等, 2014), 這是深埋藏溫度上限。在水巖比≤10的情況下, 200℃以內(nèi), 若成巖流體來源主要為再循環(huán)海水, 灰?guī)r中氧同位素組成≥ –21.2‰, 這可以包含林西組大多數(shù)灰?guī)r氧同位素分布范圍; 若流體來源主要為大氣降水或河水的情況下, 則氧同位素組成≥ –29‰, 基本涵蓋林西組灰?guī)r中氧同位素分布范圍。樣品LG51-2為疊層石灰?guī)r(δ18O= –27.6‰), 是一種淺水相沉積, 受淡水影響較大。樣品LG15-1為鮞?；?guī)r(δ18O= –31.3‰),氧同位素極端負值可能由于較高溫度條件下, 較高水巖比且成巖流體氧同位素組成偏低(δ18O≤ –12‰, V-SMOW)造成的(經(jīng)計算, 表生過程中雨水與碳酸鹽巖中氧同位素交換, 一般難以造成氧同位素值≤–20‰)。以上分析表明對于大多數(shù)灰?guī)r樣品而言,成巖流體可能為海水, 少數(shù)樣品如LG51-2、LG15-1,受到淡水影響; 成巖流體的混合特征代表本區(qū)灰?guī)r形成于濱海近岸帶環(huán)境。

3.4對沉積環(huán)境的指示

林西組灰?guī)r稀土元素表明其沉積環(huán)境為濱海近岸帶和非海相(湖相); 但兩種沉積環(huán)境的水動力及物理化學(xué)條件存在較大差異性, 可利用地球化學(xué)指標進行區(qū)分。Frimmel等(2009)的工作表明, 非海相(湖相)灰?guī)r具有高的Sr含量(1078×10-6～2483× 10-6), 低Mn/Sr、Fe/Sr值; 低的SiO2((0.4～3.1)wt％)、Y(≤2×10-6)、Zr(≤16×10-6)和Rb(≤5×10-6)含量, 因而基本未受陸源碎屑影響。相反, 濱海近岸帶灰?guī)r動蕩水體條件導(dǎo)致碎屑物質(zhì)混入, 具有高的Y、Zr、Rb含量(Frimmel, 2009)。研究區(qū)灰?guī)r中SiO2含量在3.11％～27.71％之間, 均值13.81％; 同樣灰?guī)r中Y含量介于2.8×10-6～20.6×10-6, 平均值10.4×10-6; Zr含量介于8.55×10-6～113×10-6, 平均值37.7×10-6; Rb含量介于3.08×10-6～41.7×10-6, 平均值17.9× 10-6(表1), 具有較高高值, 表明灰?guī)r受到陸源碎屑影響較大, 因而, 更近于濱海近岸帶環(huán)境。

筆者認為, 近岸沉積環(huán)境是造成林西組灰?guī)r碳同位素漂移的重要原因。從現(xiàn)今資料來看, 至少在晚二疊世晚期, 興蒙—吉林一帶仍存在狹長海盆,海盆內(nèi)部仍存在熱液活動, 形成了本區(qū)碳酸鹽巖的高Eu異常; 局部時段, 尤其在近岸地區(qū), 海水循環(huán)可能受阻(剖面上發(fā)育近岸砂壩, 局部含紫紅色巖層, 存在局部受阻可能), 蒸發(fā)作用較強時形成高鹽度區(qū), 使得碳同位素組成較高(Frimmel et al., 2009)。而部分區(qū)域或時段, 則由于河水注入的影響,形成低的碳同位素組成。Alibo等(1999)認為海水中碳的平均駐留時間甚至低于大部分稀土元素(Ce除外, Pr和Eu也可能除外), 因而近岸帶碳酸鹽巖中碳同位素組成波動較大, 難以代表海洋中碳同位素組成。但碳的快速沉積與同位素組成的快速變化,無疑為本區(qū)碳酸鹽巖近岸沉積提供了重要證據(jù)。

本區(qū)灰?guī)r沉積水體可能有三個來源, 即正常海水、河水或大氣降水和熱液。若忽略熱液影響, 假設(shè)河水中有機物平均δ13C值為–25‰, 則氧化后形成DIC的δ13C值約–15‰(20℃), 海水中DIC的δ13C值約為0‰, 若剖面上δ18O值高于–15.6‰的灰?guī)r中碳同位素基本未發(fā)生改變, 則要求河水貢獻率在0％～28％, 平均約18％。從沉積巖相上來看, 灰?guī)r多賦存于濱淺海粉砂質(zhì)泥巖中, 部分位于三角洲前緣透鏡狀砂體之上; 從古生物角度來看, 本區(qū)發(fā)育有古無齒蚌-古米臺蚌動物群(和政軍等, 1997), 指示半咸水環(huán)境; 同時, 灰?guī)r中含鈣藻、苔蘚蟲和海綿骨針化石(張永生等, 2013; Zhang et al., 2014), 指示海相環(huán)境; 指示環(huán)境與海相近岸帶相吻合。

4　結(jié)論

林西組灰?guī)r形成環(huán)境為海相近岸帶, 沉積水體可能有三個來源, 即正常海水、河水或大氣降水和熱液?；?guī)r稀土分布型式, 輕稀土相對于中稀土和重稀土略虧損、明顯的正Eu異常為特征, La、Ce具有輕微的正異常, Gd基本無異常, Y/Ho基本無異常; 指示近岸帶或湖相特征?；?guī)r中SiO2含量較高以及Zr與REE的良好正相關(guān)性表明, 灰?guī)r受到陸源碎屑物質(zhì)污染, 其稀土分布型式受控于陸源碎屑物質(zhì); 為近岸帶灰?guī)r特征, 與湖相灰?guī)r區(qū)別明顯。正Eu異常則表明受到熱液影響。

本區(qū)灰?guī)r中碳、氧同位素組成有較大范圍漂移,一方面由于成巖作用影響, 另一方面由其初始沉積環(huán)境決定。成巖過程中一般難以引起灰?guī)r中碳同位素值n‰的變化; 而≤ –20‰的氧同位素值幾乎均為成巖作用結(jié)果。晚二疊世, 興蒙—吉林一帶仍存在狹長海盆, 海盆內(nèi)部存在熱液活動, 局部時段, 尤其在近岸地區(qū), 海水循環(huán)可能受阻, 使得短期內(nèi)蒸發(fā)作用或河水注入占主要地位, 從而造成碳同位素大幅漂移。

致謝: 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)楊忠芳教授對論文提出了中肯的修改意見和幫助, 中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實驗測試中心完成了主、微量元素測試, 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所同位素研究室完成了碳、氧同位素測試工作, 在此表示感謝。

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The Late Permian Sedimentary Environments of Linxi Formation in Xingmeng Area: Constraints from Carbon and Oxygen Isotopes and Trace Elements

ZHAI Da-xing1,2), ZHANG Yong-sheng1)*, TIAN Shu-gang3), XING En-yuan1), WU Fei-meng1,4), ZHU Chang-wei1,4), JIANG Su-yang1,4)
1) MLR Key Laboratory of Saline Lake Resources and Environments, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) School of Earth Science and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 3) Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 4) School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan, Hubei 430100

The Late Permian sedimentary environment in Xingmeng area has long been a topic of controversy. Most researchers believe it is continental deposit, while a few people hold that it had been a closed marine basin at the early stage, and then changed into a lacustrine basin. In order to settle down this dispute, the authors measured the section of Guandi in Linxi area and discovered large quantities of limestone lenses containing calcium algae, bryozoans and some other marine fossils. Limestone lenses were collected systemically, and their elements and carbon and oxygen isotopic compositions were analyzed. The results show that the limestone lenses are characterized by depletion of LREE relative to MREE and HREE, obvious positive Eu anomalies, minor positive La, Ce anomalies and lack of Gd and Y/Ho anomalies. SiO2values are high, and Zr and REE have obvious positive correlation, suggesting a near-coastal deposition environment. The depositional water was derived from threesources, i.e., normal seawater, river or atmospheric precipitation and hydrothermal solution. The sedimentary sequence, the assemblages of fossils in the section and the composition of carbon and oxygen isotope in limestone also provide further support for the near-shore environment. In Late Permian, there was still a narrow marine basin with hydrothermal activity in the Xingmeng-Jilin area. The sea water circulation was probably blocked in the coastal area, which caused the domination of evaporation or river discharge in a short period, thus resulting in a substantial shift of carbon isotopes. However, the oxygen isotope excursion was caused mainly by diagenesis.

Linxi Formation; Late Permian; carbonate and oxygen isotope; trace elements; deposition environment

P534.46; P597.2; 595

A

10.3975/cagsb.2015.03.08

本文由中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“烏拉特-赤峰盆地群頁巖氣資源綜合調(diào)查”(編號: 1212011120972)資助。

2014-09-07; 改回日期: 2014-12-10。責(zé)任編輯: 閆立娟。

翟大興, 男, 1983年生。博士研究生。礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)。E-mail: weinyuan@163.com。

張永生, 男, 1963年生。研究員, 博士生導(dǎo)師。主要從事鹽湖學(xué)和沉積學(xué)研究。E-mail: zys_601@126.com。