信江盆地白垩纪周田组碳、氧同位素特征及意义

曹姝璐，朱志军，刘腾，刘远超，饶强



信江盆地白垩纪周田组碳、氧同位素特征及意义

曹姝璐1，朱志军1，2，刘腾1，刘远超1，饶强1

（1. 东华理工大学地球科学学院，南昌 330013；2. 东华理工大学省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地，南昌 330013）

碳、氧同位素特征能够清楚的反映湖相盆地的沉积环境，采用磷酸盐法对信江盆地周田组的钙质结核样品进行碳、氧同位素的测试和分析。结果表明：钙质结核的δ13CV-PDB值分布范围为-7.2‰～3.1‰，平均为-5.8‰；δ18OV-PDB值的分布范围为-9.8‰～8.6‰，平均为-9.1‰，反映了信江盆地周田组为盐度较低的淡水沉积环境，且这一时期的湖泊初级生产力呈增强到减弱再增强的一种变化趋势；这一时期周田组的植被以C4植物类型为主。

碳、氧同位素；白垩纪周田组；钙质结核；信江盆地

碳、氧同位素分析已广泛应用于第四纪古湖泊学研究，通过碳、氧同位素之间的相关性可以判断湖泊的古盐度、封闭程度、古生产力的变化趋势及古植被的类型。这种方法也已成功地应用在前第四纪湖相盆地研究之中[1]。

信江盆地是一个同时具有矿产资源和地貌景观资源的湖相盆地，长期以来吸引了大批的地质学家在此开展研究工作。在上世纪大规模的区域地质调查的基础上，张利民[2]、许玩宏[3-4]、巫建华[5-6]等从古生物地层及同位素年龄的方面对信江盆地白垩纪地层进行了研究，巫建华[7]、谢爱珍[8]、刘行军[9-10]、李晓勇[11]等对盆地白垩系沉积相及沉积环境进行了论述。随后，郭福生、朱志军等[12-13]对该地区丹霞地貌特征与沉积体系的关系展开了研究。但该地区还未见有公开发表的关于碳氧同位素特征及古环境的文献，本文通过对研究区的碳氧同位素地球化学特征的研究，进一步探讨了信江盆地古环境，将有助于加深对白垩纪古气候变化的陆地沉积响应的理解，为该区陆相白垩系研究提供实际资料。

图1 江西信江盆地地质简图（据刘行军图）[14]

1 区域地质概况

信江盆地是一个具有复杂演化历史和复式结构的中生代陆相盆地，也是中国大陆重要的丹霞地貌遗产地，盆地位于扬子地块与华夏地块结合带，近东西向东乡—广丰深断裂带南侧，面积约400km2（图1）。通过野外地质调查和室内综合研究，周田组主要由细砂岩、粉砂岩，泥岩、砾岩及石膏层组成，部分含有钙质结核，偶见生物钻孔，发育大型交错层理，为河湖相沉积[15]。其中，钙质结核呈灰白色的小疙瘩或红色的生姜状（风化后呈圆的砾石状），遇稀盐酸剧烈气泡。

图2 周田组钙质结核

1.1 样品采集

研究样品主要采自信江盆地周田组的8个样品（表1），考虑到干扰因素对测试结果的影响，在采集样品的过程中需要尽量避开风化和有明显后期方解石脉及溶孔，并尽量排除结晶程度较高的岩石样品，只采取没有后期蚀变、没有方解石脉充填、没有破碎现象的新鲜岩石，以确保测试结果的准确性。

碳、氧同位素测试由东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室完成。碳、氧同位素分析处理主要采用磷酸盐法。样品在72℃的恒温槽中，与磷酸反应平衡1个小时后，用MAT-253质谱仪测试所得。精度为δ13CV-PDB≤ 0.2‰，δ18OV-PDB≤ 0.2‰（绝大部分样品精度≤0.1‰）。其中碳、氧同位素值均以PDB为标准。

1.2 原始数据分析

分析可知信江盆地白垩纪周田组碳、氧同位素具有以下特点：

1）δ13CV-PDB值的分布范围为-7.2‰~-3.1‰，平均值为-5.8‰；δ18OV-PDB值的分布范围为-9.8‰~-8.6‰，平均值为-9.1‰。

2）前人研究表明，在以PDB为标准的许多测试结果中，湖相碳酸盐岩δ13CV-PDB值的平均值为-7.68‰~-2.18‰[16]，研究区内样品的δ13CV-PDB值与湖相碳酸盐δ13CV-PDB值相差不大。

2 碳、氧同位素特征及意义

2.1 古盐度

碳氧稳定同位素能反映沉积环境的变化特征。但是，由于氧同位素受成岩作用影响较明显，一般很难反映出原始的沉积环境，而碳同位素则受成岩作用影响相对较小，可以反映出沉积环境的变化。一般来说δ13CV-PDB值和δ18OV-PDB值均随介质盐度的升高而升高，其中δ13CV-PDB值与古盐度关系最为密切，且受温度影响较小。

表1 样品碳氧同位素测试数据

M.L.Keith和J.N.Weber（1964）[16]提出利用碳酸盐岩石的碳、氧气、同位素组成来区分侏罗纪以来碳酸盐沉积环境的经验公式：

Z=2.048×（δ13CV-PDB+50）+0.498×（δ18OV-PDB+50）。

式中δ13C和δ18O均用PDB作标准。当Z＞120时为海相沉积环境，Z＜120时为淡水（陆相）沉积环境[18]。由于古代碳酸盐岩形成后，其碳同位素交换难度较大而使其δ13CV-PDB值保持相对稳定的状态，并且Z值主要取决于δ13CV-PDB，所以还是可以用Z值的变化来大致判断样品形成时的介质盐度的相对变化[19]。δ13CV-PDB值和Z值越大，反映其沉积介质盐度越高。本文应用以上公式对研究区样品沉积环境Z值进行了计算，计算结果见表1。

图3 样品δ13CV-PDB和δ18OVPDB与Z值相关关系

结果显示，研究区的Z值的变化围在107.97‰~116.07‰之间，平均值为110.92‰，小于120‰，所以可得出结论，信江盆地白垩纪周田组为盐度较低的淡水沉积环境。

本次研究中，从Z值分别与δ13CVPDB和δ18OVPDB的相关性分析（图3）可以看出，Z值与δ13CVPDB值具有较高的相关性，同时与δ18OVPDB不具有明显的相关性，表明研究区样品Z值能够反映碳、氧同位素组成。因此，本次研究能应用Z值作为定量指标来解释古盐度的相对变化。

2.2 湖泊的封闭与开放性

无机化学地层学是判断沉积环境的重要手段之一，不同的碳酸盐岩碳、氧同位素反映了不同的沉积环境[20-21]，不同沉积背景下碳酸盐岩碳、氧稳定同位素值域范围已在图4中标明，以便与文中的测试结果相比较。

湖泊同位素演化差异的影响因素造成开放、封闭两类湖泊中碳酸盐的碳、氧同位素组成的变化。不同类型的湖泊沉积的碳酸盐岩的碳、氧稳定同位素具有不同的相关性[1]：在开放型淡水湖泊中，湖水同位素的演化程度低，碳、氧同位素组成与注入水相差很小，原生碳酸盐岩碳、氧同位素13C和18O之间不相关或微相关，并且13C和18O都是负值，在以δ13CV-PDB值为纵坐标、δ18OV-PDB值为横坐标、0为原点的坐标系中，其投点落在坐标轴的第Ⅲ象限；在封闭型咸水、半咸水湖泊中，湖水同位素的演化程度相对较高，蒸发作用强并明显控制碳、氧同位素组成的变化。随着蒸发作用的增强，较轻的12C和16O优先逸出，湖水中13C和18O含量也相对增加，δ18OV-PDB值和δ13CV-PDB值相对注入水明显偏大，且13C和18O之间呈现明显的相关性，封闭性越强，相关系数越大。13C基本为正值，18O则可能是正值也可能是负值，其投点大多落在坐标轴的Ⅰ、Ⅳ象限。根据碳酸盐岩碳氧稳定同位素之间的相关性可判断出古湖泊的水体开放类型。

图4 陆相和海相碳酸盐岩碳氧同位素值对比（底图据Milliman）[22]图

图5 周田组剖面综合柱状图

研究区碳氧同位素，δ13CV-PDB值和δ18OV-PDB值均明显偏向负值，在以δ18OV-PDB为横座标、以δ13CV-PDB为纵座标的散点图中分布在第Ⅲ象限，因此，该研究区的湖相碳酸盐岩的碳、氧同位素特征表明这一时期的湖泊为一个开放性的淡水湖泊。

2.3 古生产力变化

湖相自生碳酸盐岩的碳同位素组成与碳酸盐岩沉积时湖水中溶解无机碳的碳同位素组成的变化是一致的，而湖水溶解无机碳碳同位素组分之所以会发生变化是因为受到湖泊的生产力的影响。当湖泊生产力高时，浮游植物生长繁盛，浮游植物通过光合作用吸收较多的12C，使表层水体中溶解无机碳储库中13C含量相对增加，从而使形成的原生碳酸盐岩的δ13CV-PDB值偏高。因此，根据湖相碳酸盐岩碳同位素组分的变化可以恢复古湖泊生产力的变化[23-24]。

湖泊初级生产力是指绿色植物通过光合作用，把无机碳转化为有机碳的能力。甲烷细菌对有机质的分解很大程度上的影响碳同位素，一般认为会使δ13CV-PDB值大于4 ‰[25]。而周田组碳酸盐岩碳同位素值均为负值，所以周田组碳酸盐岩碳同位素值主要受湖泊初级生产力的影响。当湖泊初级生产力高，即植物光合作用强，12C被植物大量吸收，使表层水中溶解无机碳碳同位素中13C含量也相对增加，从而使形成于表层水中的自生碳酸盐岩中13C含量也相对增加，即湖泊生产力的变化趋势与δ13CV-PDB值的变化趋势保持一致。因此，根据湖相自生碳酸盐岩碳同位素组成变化可反演湖泊初级生产力的变化。从周田组δ13CV-PDB值的变化趋势（图5）可以看出周田组底部（1层）到顶部（7层）的湖泊初级生产力呈增强到减弱再增强的变化趋势。

2.4 古植被指示意义

陆生植物按不同光合作用的类型可分为为三种：C3植物、C4植物和CAM植物[26]。其中，δ13CV-PDB值的变化范围在-35‰~ -20‰ ，平均值约为-27‰，陆生高等植物中，所有的乔木以及绝大多数的灌木、草本植物都属于C3植物，；而δ13CV-PDB值的变化范围在-19‰~-6‰之间，平均值约为-13‰，一般C4植物只出现少数灌木（大戟科和藜科）以及在温暖季节里生长的草中；CAM植物包括仙人掌和一些丝兰等肉质植物，δ13CV-PDB值变化范围较宽，约在-38‰~-13‰之间，平均-17‰，CAM植物在大多数生态系统中所占比例很小。

经测试分析，周田组中钙质结核样品的δ13CV-PDB值为-7.2‰~-3.1‰与C4植物的平均值接近，并且基本上都在C4植物的δ13CV-PDB值的变化范围之内，但其平均值为-5.8‰相对于纯C4植物土壤的CO2的δ13CV-PDB值正偏，这可能是由于受来自大气CO2的影响[27]，可以得出结论，周田组这一时期的植被以C4植物为主。

3 结论

研究区样品中18O在成岩过程中没有经历蚀变作用，具参考意义，同时δ13CV-PDB和δ18OV-PDB数值不具有明显的相关性，故研究区碳、氧同位素基本保存了成岩过程中的原始同位素信息和组成，能够反映样品的原始沉积特征。Z值及碳、氧同位素地球化学特征反映了该区晚白垩为一个开放性的淡水湖泊沉积环境。

湖相自生碳酸盐岩的碳同位素组成主要受湖泊初级生产力的影响，与碳酸盐岩沉积时湖水中溶解无机碳的碳同位素组成的变化是一致的，从周田组δ13CV-PDB值的变化趋势可以看出周田组底部（1层）到顶部（7层）的湖泊初级生产力呈增强到减弱再增强的一种变化趋势，在第4层达到最弱。

周田组钙质结核的δ13CV-PDB值表明信江盆地周田组这一时期的植被以C4植物类型为主。

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Δ13C and δ18O Values of the Cretaceous Zhoutian Formationin the Xinjiang Basin

CAO Shu-lu1ZHU Zhi-jun1,2LIU Teng1LIU Yuan-chao1RAO Qiang1

（1- College of Earth Sciences, East China Institute of Technology, Nanchang 330013; 2- Province of state key laboratory cultivation base construction of Nuclear resources and environment, East China Institute of Technology, Nanchang 330013）

Δ13CV-PDBvalues for calcareous concretion from the Zhoutian Formation in the Xinjiang basin vary from -7.2‰ to 3.1‰ with average of -5.8‰ and δ18OV-PDBvalues range from -9.8‰ to 8.6‰ with average of -9.1‰ which suggests a fresh water sedimentary environment with low salinity and vegetation predominated by C4type plant during the Zhoutian age.

Δ13C value; δ18O value; Cretaceous Zhoutian Formation; calcareous concretion; Xinjiang basin

P632+.7

A

1006-0995（2016）03-0506-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2016.03.035

2016-2-24

国家自然科学基金项目（41362008、U0933605）和江西省教育厅科技项目（GJJ14475）联合资助。

曹姝璐（1992－），女，江西九江人，硕士研究生，主要从事沉积地球化学研究工作。