张 晶 晶

(西安石油大学， 西安 710065)



渭北西部中奥陶统碳酸盐岩地球化学特征及古环境恢复

张 晶 晶

(西安石油大学， 西安 710065)

摘要：通过对渭北西部中奥陶统马家沟组碳酸盐岩C、O同位素和微量元素的测试分析和对C、O同位素原始性的评估与校正，分析该地区马家沟期的古环境。对古沉积环境的盐度、温度、气候及氧化还原性进行了定性与定量分析。分别采用公式法与最小二乘法对古温度与古气候进行了定量分析，并比较其差异，研究认为综合这2种算法可有效反映古环境的气候与温度等信息。

关键词：C、O同位素； 微量元素； 古环境恢复； 马家沟组

渭北西部位于鄂尔多斯盆地南缘，而奥陶纪位于华北海西南部与秦祁海槽的过渡带，海相地层沉积厚度巨大，特别是奥陶系发育齐全，出露好(图1)。冯增昭等人曾对渭北西部奥陶系岩相古地理进行了系统研究，但很少涉及C、O同位素与微量元素对古环境及其演化的影响[1-2]。郭福生等人利用C、O同位素和微量元素研究碳酸盐岩古环境及其演化[3-4]，本次研究从C、O同位素及微量元素着手，根据不同沉积环境C、O同位素及微量元素(V、Ni、Cu、Sr、Ba、Th、U)赋存与迁移规律，揭示马家沟沉积期的古环境与古气候。

图1　研究区出露奥陶系地层与采样位置

1岩样采集与测试结果

本次样品采集避开后期风化、重结晶、方解石脉等部位,以降低后期成岩蚀变作用对稳定同位素δ原始组成的影响。样品共计20件，在中国科学院地球环境研究所MAT-252质谱仪对δ13C与δ18O进行测试，O、C同位素标准偏差分别为0.07‰和0.04‰。微量元素在同济大学海洋地质国家重点实验室利用Thermo fisherVG-X7型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测得，相对标准偏差RSD<2%。

1.1C、O同位素测试结果

对20件样品的δ13C与δ18O进行测试。测试结果表明：δ13C介于-7.00‰～3.51‰，集中分布在-2.00‰~2.00‰，均值为-0.37‰；δ18O值介于-15.50‰～-3.24‰，均值为-7.34‰(除去样品YRZK05和ZK301后均值为-6.53‰)，集中分布在-5.00‰~-10.00‰，测试结果见表1。

1.2微量元素测试结果

对20件样品中的微量元素进行测试，结果见表2。

2C、O同位素测试数据评估及校正

2.1C、O同位素测试数据原始性评估

评估δ13C和δ18O测试数据原始性的判别标准有：

(1)ωMnωSr，通常将ωMnωSr<10作为碳酸盐岩保留原始C、O同位素组成的判别标准；(2)δ18O，Derry认为δ18O>-10‰可作为碳酸盐岩强烈蚀变界线[5]；(3)δ13C和δ18O的相关性。

表1　渭北西部地区早中奥陶统碳酸盐岩C、O同位素、Z值与古温度的关系

表2　微量元素测试结果表

其中：ωVω(V+Ni)介于0.02~0.72，均值为0.25；ωSrωCu介于4.40~184.85，均值为62.20；ωSrωBa介于0.23~107.35，均值为25.1；ωThωU介于0.03~3.53，均值为1.14。

根据对渭北西部陇县、岐山、桃曲坡等地中上奥陶统资料统计分析知：ωMnωSr<2[6]；δ18O集中在-5‰~-10‰，个别样品δ18O<-10‰；δ13C和δ18O相关系数为0.20，但除去异常值后δ13C和δ18O相关系数为0.62。说明样品的δ13C和δ18O受到后期成岩作用影响，有必要进行原始性校正。

2.2C、O同位素测试数据校正

碳酸盐岩的δ13C和δ18O受到后期成岩的水岩交换作用而降低，其值随着地质年代而变化，即存在“年代效应”。δ18O对蚀变作用反应尤其灵敏，时代越老,δ18O越低[7]。对于存在“年代效应”的原因有2个[8]：(1)成岩的水岩交换作用；(2)海水同位素组成和或海水温度随地质历史的变化。Veizer等人[9]测试北美、西欧、苏联等地中奥陶世腕足类化石的δ18O为-4‰，δ13C介于-1‰~1‰。本次样品(除YRZK05和ZK301)δ18O均值为-6.53‰；δ13C均值为-0.87‰，因此利用δ18O与δ13C计算海水古温度时，只需对δ18O值进行校正，其校正值为2.53‰，而对于样品YRZK05和ZK301的δ18O校正值为11.04‰。

3古环境恢复

3.1古盐度分析

Keith等人用灰岩的δ13C、δ18O区分侏罗纪的海相石灰岩和淡水石灰岩，用Z值指示古盐度及环境：Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O校正值+50)。其中，古盐度Z值是判别海陆环境的参考标志。当Z>120时为海相石灰岩，当Z<120时为陆相(淡水)石灰岩，当Z=120时为未定型石灰岩。

对渭北西部地区马家沟组碳酸盐岩的Z值与δ18O和δ13C相关性进行分析，Z值分布在106.7~132.8，均值为122.9。总体显示该区具有正常海相沉积特征，但是个别Z值小于120，甚至低至106.7。Z值与δ18O校正值相关系数为0.94，与δ13C相关系数为0.72。ωV<86 μgg为海相，ωBa>10 μgg为正常碳酸盐岩沉积环境。V、Ba质量分数测试结果显示该区为正常浅海沉积，同时受到淡水作用的影响(表1)。

3.2古温度与古气候分析

水体温度对δ18O的影响远远超过盐度对其的影响，而δ13C随温度变化甚小，因此δ18O可用来做为测试古温度的可靠标志。通过实验,得出计算古水温的经验公式[10]。Craig把该经验公式校正后得:

t= 16.9-4.2(δ18O-δ18Ow)+

0.13(δ18Oc-δ18Ow)

(1)

式中：t—— 碳酸盐矿物沉淀时的水体温度，℃；

δ18Oc—— 由碳酸钙与100%正磷酸在25 ℃下作用生成的CO2气体所测得的δ18O；

δ18Ow—— 25 ℃时与水平衡的CO2的δ18O。

Gasse等人在前人研究的基础上给出了以下关系式:

t=16.9-4.38(δ18O-δ18Ow+0.27)+

0.1(δ18Oc-δ18Ow+0.27)

(2)

通常假设海水的O同位素组成保持不变，其δ18Ow为零[11]。通过式(1)与式(2)计算渭北西部地区中下奥陶世古温度分别介于17.6~69.1 ℃和18.8~69.2 ℃，平均为33.9，35.2 ℃。本次研究采用最小二乘法处理C、O同位素数据，并绘制于Mook提供的温度范围曲线图上[12],得渭北西部地区中奥陶统的温度介于21~23 ℃(图2)。这种方法是研究现代港湾软体动物贝壳C、O同位素与温度关系时提出的，对海相环境只能外推。δ18O与温度和盐度有关，而海相的盐度大于港湾的，所以计算值偏小。2种方法计算出来的古海水温度平均值分别为27.8，28.8 ℃。通常ωSrωCu>10表明为炎热气候[13]，而计算的值介于4.4~184.9，均值为62.2，揭示了渭北西部地区在中奥陶世为炎热亚热带气候。这与利用古地磁法分析认为华北板块奥陶纪处于南半球低纬度地区[14]以及根据马家沟组东部存在夹蒸发盐类沉积物和从奥陶纪生物大辐射得出的结论一致[15]。

图2　最小二乘法计算古温度图

在一定温度下，反应速度和氧化还原电位随氧化态和还原态浓度之比的改变而改变。用ωU、ωV、ωNi、ωCu及ωVω(V+Ni)、ωThωU指示氧化还原环境[16]。ωVω(V+Ni)>0.54，ωThωU>1.25为强还原环境；0.46<ωVω(V+Ni)<0.6，1.25>ωThωU>0.75，为弱还原环境；ωVω(V+Ni)<0.46，ωThωU<0.75，为氧化环境[17]。研究区ωVω(V+Ni)介于0.02~0.72，均值为0.25；ωThωU介于0.028~3.53，均值为1.14；总体显示具有弱还原-氧化环境特征，局部有强还原环境，说明水体整体浅，但局部可能有深水。这与0．88<δCe<1．04，水体为较浅的弱氧化-还原环境一致[18]。根据ωU与ωV、ωCu与ωV相关性分析知，ωU与ωV的相关系数为0.71，ωCu与ωV的相关系数为0.61，说明其质量含量主要受沉积环境的影响，后期成岩时的水岩交换作用影响较小。

4结语

(1)渭北隆起西部马家沟组碳酸盐岩δ13C在-7.00‰～3.51‰，主要分布在-2‰~2‰，均值为-0.4‰；δ18O在-15.50‰～-3.24‰，均值为-7.34‰，主要分布在-5‰~-10‰；(2)研究区中奥陶纪为正常海相沉积，马家沟组碳酸盐岩的ωSr、ωBa、ωSrωBa和δ18O，受淡水作用影响明显；ωU、ωV、ωCu等主要受古环境影响，而后期成岩作用对其影响较小；(3)中奥陶世渭北西部的平均海水温度为27.8 ℃~28.8 ℃，属亚热带炎热气候；(4)渭北西部地区马家沟期为强还原环境、弱还原环境、氧化环境并存。

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Geochemical Characteristics of Middle-ordovician Series Carbonatite and Restoration of Paleoenvironment in West Weibei

ZHANGJingjing

(Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

Abstract:This paper studied the paleoenvironment in the region of Majiagou, through the test analysis carbon-oxygen isotopes and microelements of middle-ordovician Majiagou carbonatite in west Weibei, as well as through the evaluation and adjustments towards the primitiveness of the carbon-oxygen isotopes. And the analysis was respectively done qualitatively and quantitatively on the salinity, temperature, climate and redox-property of the paleo-sedimentary environment. During quantitative analysis, formula method and least-squares method had been adopted, and their differences were compared. The results of the research based on the combination of these two methods can effectively reflect the information data of paleoenvironment, such as climate and temperature, etc.

Key words:carbon-oxygen isotopes; microelements; restoration of paleoenvironment; Majiagou formation

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)01-0008-04

中图分类号：P534

作者简介：张晶晶(1989 — )，男，西安石油大学在读硕士研究生，研究方向为沉积学。

基金项目：中石化集团公司科技部项目“鄂南奥陶系生物礁滩储层分布与成藏条件研究”(P15013)

收稿日期：2015-11-16