铜仁地区陡山沱期盖帽碳酸盐岩地质地球化学特征及其成因

何金先，张晓丽，王兆夺，段 毅

（1.中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究重点实验室，兰州 730000；2.中国科学院研究生院，北京 100049；3.甘肃省地质调查院，兰州 730000）

0 引言

盖帽碳酸盐岩（cap carbonates）是指沉积于新元古代冰碛岩之上，主要由微晶方解石和白云石等组成的相对均质的薄层状碳酸盐岩地层［1－2］。盖帽碳酸盐岩具有独特的岩石学和地球化学特征，代表着温暖的形成环境，在全球各地广泛分布，其成因与新元古代晚期Marinoan冰期的终结密切相关，因此一直受到许多学者的关注［3－4］。

关于盖帽碳酸盐岩的成因，目前尚未达成共识，仍具有很大的争议性，较有代表性的“雪球地球”、“上升流模式”、“淡水分层”、“甲烷渗漏”［3－4］等成因假说都有各自的科学依据，但又都存在一些自身不能解释的问题［3－4］。

前人对贵州地区（包括铜仁地区）新元古代盖帽碳酸盐岩的地质地球化学特征已做了一定程度的研究工作［2－10］，但对其成因讨论偏少，仅有少数学者明确提出其成因观点［4，10］。

图1 贵州新元古代陡山沱期岩相古地理图（据文献［7］）Fig.1 Lithofacies paleogeography map of the Neoproterozoic Doushantuo Formation in Guizhou Province

贵州铜仁市坝黄镇的坝黄剖面和江口县的桃映剖面，其盖帽碳酸盐岩出露均比较完好，观测和采样方便，是较理想的研究地点。本文主要研究这两个剖面盖帽碳酸盐岩的地质与地球化学特征，分析其成因。

1 研究区地质背景

研究区所处的贵州东北部，在新元古代陡山沱期属上扬子台地东南缘开阔台地－台缘斜坡相区［5－7］（图1），东邻芷江—怀化残余古隆起［8］。陡山沱早期以台地碳酸盐岩沉积为主，晚期则沉积陆源碎屑。盖帽碳酸盐岩发育在陡山沱组的底部，厚4～6m。陡山沱组下伏地层为南沱组冰碛砾岩，上覆地层为留茶坡组硅质岩。

2 研究剖面地质特征

坝黄剖面位于铜仁市坝黄镇龙井村至路家村一带，盖帽碳酸盐岩出露完好，剖面涉及地层有南沱组、陡山沱组、留茶坡组（图2a）。南沱组冰碛砾岩厚度＞60m，未见底。陡山沱组盖帽碳酸盐岩与南沱组冰碛砾岩的交界线明显；其沉积厚度约6m，下部厚约1.2m的厚层状白云岩中发育有较多特殊沉积构造，上部中－薄层状白云岩纹层普遍发育；盖帽碳酸盐岩上方为泥岩、泥质灰岩。陡山沱组之上为留茶坡组硅质岩、硅质泥岩，厚约20m。

桃映剖面位于江口县桃映乡以东约6km的翁稿至翁会村一带，出露地层有南沱组、陡山沱组、留茶坡组（图2b）。南沱组冰碛砾岩厚度较大，未见底。南沱组之上为陡山沱组底部的盖帽碳酸盐岩，两者之间界线清晰；盖帽碳酸盐岩厚约6m，其下部厚约1.1m的层位发育特殊沉积构造，而上部白云岩无特殊沉积构造，但纹层却普遍发育；盖帽碳酸盐岩往上为陡山沱组碎屑岩沉积，主要为黑色富有机质泥岩，含大量黄铁矿，夹有数层白云岩。陡山沱组之上为留茶坡组黑色硅质岩。

3 盖帽碳酸盐岩地质特征

图2 铜仁地区地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column profile in Tongren Region

根据沉积构造特征，研究区的盖帽碳酸盐岩可分为上、下两部分。上部以中层、薄层状白云岩为主，下部以厚层状白云岩为主。厚层白云岩厚度横向上变化大，在研究区分布广泛，其底部为含大量黄铁矿的浅灰白色厚层状白云岩，普遍发育特殊沉积构造，可识别出的有晶洞构造（图3a）、帐篷状构造（图3b）、层状裂隙（图3c）、包卷状构造。

研究区盖帽碳酸盐岩中普遍发育重晶石，主要为孔洞充填重晶石和层状重晶石沉积，野外可观察到重晶石呈晶洞充填（图3a）、层状析出（图3c）、强烈褶皱脉状（图3d）产出。镜下观察岩石薄片发现，在盖帽碳酸盐岩各个层位上普遍发育有黄铁矿晶粒且均有可能出现局部富集（图3e），但在底层黄铁矿含量相对较高。某些薄片可清楚地观察到黄铁矿晶粒中的铁质将其周围白云石浸染，围绕黄铁矿晶粒出现呈褐红色的浸染圈带（图3f）。黄铁矿晶粒发育较好，形态各异。

图3 铜仁地区盖帽碳酸盐岩特殊沉积构造与镜下显微照片Fig.3 Special sedimentary structures and micrograph of cap carbonates in Tongren Region

4 盖帽碳酸盐岩碳、氧同位素地球化学特征

为从横向和纵向上研究盖帽碳酸盐岩的碳、氧同位素及微量元素特征，分别从坝黄龙井剖面和位于铜仁地区印江县梵净山西北部剖面，以及盖帽碳酸盐岩下伏的南沱组冰碛砾岩和上覆的陡山沱组钙质泥岩、白云岩中采集盖帽碳酸盐岩样品，进行碳、氧同位素及微量元素数据对比研究（表1，表2）。

表1 坝黄龙井剖面碳、氧同位素及微量元素测试结果［9］Table 1 Analysis of carbon，oxygen isotopes and trace elements of cap carbonates in Ba Huang section

表2 梵净山西北部剖面碳氧同位素及微量元素测试结果［10］Table 2 Analysis of carbon，oxygen isotopes and trace elementsof cap carbonates along Fanjingshan section

图4 研究区盖帽碳酸盐岩地层中δ（13CPDB）变化趋势图Fig.4 Trend charts ofδ（13 CPDB）values and microscopic photo of the cap carbonates

从表1、表2可以看出，铜仁坝黄剖面与梵净山西北部剖面的盖帽碳酸盐岩δ（13CPDB）与全球其他地区Marinoan期冰川杂砾岩之上的碳酸盐岩帽的δ（13CPDB）一样，均发生明显负偏差。坝黄剖面盖帽碳酸盐岩δ（13CPDB）＝－3.03×10－3～－7.06×10－3，平均－4.73×10－3；梵净山西北部剖面盖帽碳酸盐岩δ（13CPDB）＝－1.4×10－3～8.52×10－3，平均－4.52×10－3。坝黄剖面除5号、6号样品和梵净山西北部剖面除17号、18号样品数据之外，两个剖面δ（13CPDB）均大体表现为随剖面向上升高的趋势（图4），与全球Marinoan冰期后碳酸盐岩帽δ（13CPDB）变化一致［2，9－10］。坝黄剖面除2号、5号样品和梵净山西北部剖面除17号、18号样品之外，白云岩样品具Mn／Sr＜10，δ（18OPDB）＞－10×10－3的特征，即两剖面δ（13CPDB）和δ（18OPDB）均呈弱正相关性（图5），表明两剖面盖帽碳酸盐岩中的白云岩曾受一定程度的成岩作用［11－13］，但未遭受强烈蚀变，其中的δ（13CPDB）还基本能代表原始海洋的碳同位素组成。

图5 研究剖面中δ（13CPDB）与δ（18 O）交会图Fig.5 Cross plots ofδ（13 CPDB）andδ（18 O）values of cap carbonates along section concerned

图6 帐篷构造形成模式示意图Fig.6 Sketch models of tepee－like structure in cap carbonates

5 盖帽碳酸盐岩成因讨论

盖帽碳酸盐岩成因目前尚未达成共识。具有代表性的4种成因模式［3－4］为“缺氧海水上升流”模式［14－15］、“雪球地球”假说［1，16］、“淡水分层”假说［18］和“甲烷渗漏”假说［3，17］。以下主要依据野外地质观察和岩石薄片显微镜观察，并充分考虑前人的研究成果，讨论研究区盖帽碳酸盐岩的成因。

5.1 特殊沉积构造成因解释

研究区盖帽碳酸盐岩底部1.1～1.2m厚层位中，特殊沉积构造普遍发育，其中可识别的有晶洞构造、帐篷构造、层状裂隙、包卷状构造等4种。这4种沉积构造的成因都被认为与盖帽碳酸盐岩的成因密切相关。晶洞构造中充填矿物主要为已硅化、白云石化的方解石、文石、重晶石等；层状裂隙中充填矿物主要为白云石、方解石和石英等；帐篷构造的轴部已经角砾化，两侧与层状裂隙相连，横向上呈过渡关系；包卷状构造卷曲较缓和，弯曲形状不规则。

盖帽碳酸盐岩的局部作为下部甲烷气体向上运移的通道，当甲烷气体在通道中向上运移受到阻碍时，会发生顺层流动形成层间裂隙；而甲烷气体聚集膨胀挤压形成晶洞构造，后期碳酸盐饱和流体在晶洞内快速结晶，形成葡萄状或不规则状碳酸盐沉淀［4］。层间裂隙的层理在某一处突然中断，该处就形成了帐篷构造的核部，同时核部的两侧形成角砾化，这便成为帐篷构造［17］（图6）。而包卷状构造，则可能是盖帽碳酸盐岩中，由于藻类微生物形成的藻纹层在尚未固结成岩时，在震荡水体的作用下形成包卷波曲状的形态。

5.2 重晶石广泛发育成因解释

研究区盖帽碳酸盐岩中重晶石分布非常广泛，主要以孔洞充填重晶石和层状重晶石沉积的形式产出。

形成重晶石的硫酸根离子主要来自进入海洋的陆壳风化物质，快速的化学风化作用为海水提供了大量的硫酸盐，一部分硫酸根在缺氧条件下与甲烷反应生成硫化氢根，其他则与海水中的钡离子反应形成重晶石沉积（Ba2＋＋SO2－4—→BaSO4）。

盖帽碳酸盐岩中的重晶石分布非常广泛，因此要求在短时间内有大量的Ba2＋供应到海水中。前人研究表明［19－21］，盖帽碳酸盐岩中重晶石沉积与甲烷释放事件具有密切联系，因为“甲烷渗漏”释放出的大量甲烷能够短期内为海水提供大量的Ba2＋，导致了广泛的重晶石沉积。

5.3 黄铁矿普遍发育成因解释

研究区盖帽碳酸盐岩各个层位普遍发育黄铁矿，下部含量较高，局部富集，反映了盖帽碳酸盐岩沉积形成于较强的还原环境。黄铁矿可以通过甲烷的厌氧氧化作用形成：甲烷渗漏所释放的大量甲烷，在海洋缺氧条件下与硫酸盐反应，反应式为CH4＋SO24－—→HCO3－＋HS－＋H2O［22］，当HS－达到过饱和时，便与海水中的铁离子反应，生成黄铁矿沉积，常以草莓状形式存在。

5.4 δ（13C）值普遍负偏特征解释

研究区盖帽碳酸盐岩普遍具有δ（13CPDB）显著负偏的特征。坝黄剖面δ（13CPDB）＝－3.03×10－3～－7.06×10－3，平均－4.73×10－3；梵净山西北部剖面δ（13CPDB）＝－1.4×10－3～－8.52×10－3，平均－4.52×10－3。δ（13C）显著负偏的特征是“甲烷渗漏”成因模式强有力的证据［4］。

甲烷是自然界中δ（13C）最低的物质，平均约为－60×10－3［23］。Jiang等［3］对中国三峡地区盖帽碳酸盐岩δ（13C）测试的最低值达到－41×10－3，虽然有机质的氧化也可以提供负的δ（13C），但盖帽碳酸盐岩中的碳除来源于甲烷，没有其他来源能获得如此低的δ（13C）。正常海水中δ（13C）值一般为0，在考虑平衡效应的条件下，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）将会降低约6×10－3，即δ（13C）约为－6×10－3［4］，这与坝黄龙井剖面和梵净山西北部剖面的平均值（分别为－4.73×10－3，－4.52×10－3）很接近（表1，表2），而在现代和古代甲烷渗漏形成的冷泉碳酸盐岩的δ（13C）变化范围很大（－5×10－3～－46×10－3）［4］。因此，有氧甲烷氧化产生的 CO2和缺氧甲烷氧化产生的碳酸盐岩都普遍具δ（13C）显著负偏的特征。

6 结论

（1）研究区陡山沱期盖帽碳酸盐岩具有特殊的地质地球化学特征。盖帽碳酸盐岩发育厚度平均约6m，不同地方厚度略有变化，下部1.1～1.2m层位普遍发育晶洞构造、帐篷构造、层状裂隙及包卷状构造等特殊沉积构造，上部则普遍发育纹层状构造。重晶石广泛发育于晶洞构造及层状裂隙的充填物之中。黄铁矿晶粒广泛发育于盖帽碳酸盐岩的各个层位，其中下部含量较高，局部有富集现象。研究区盖帽碳酸盐岩中普遍具有δ（13C）显著负偏（坝黄龙井剖面和梵净山西北部剖面平均值分别为－4.73×10－3，－4.52×10－3）的特征。

（2）“甲烷渗漏”成因假说能够较合理地解释研究区盖帽碳酸盐岩的地质地球化学特征，据此笔者认为铜仁地区盖帽碳酸盐岩的成因为“甲烷渗漏”模式。目前盖帽碳酸盐岩的成因认识尚有较大争议，因此研究区内盖帽碳酸盐岩的成因有待以后进行更深入的研究。

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