滇东南晚寒武世-早奥陶世唐家坝组-博菜田组碳酸盐岩碳氧同位素特征及意义

王春林，李小军

滇东南晚寒武世-早奥陶世唐家坝组-博菜田组碳酸盐岩碳氧同位素特征及意义

王春林1，李小军2

（1 四川省地质矿产勘查开发局四〇三地质队，四川 峨眉山 614200；2 云南省地质调查院，昆明 650216）

滇东南晚寒武世-早奥陶世为一套碳酸盐岩夹陆源碎屑岩沉积建造，沉积相为开阔台地相向浅海陆棚相过渡特征，沉积水体从早到晚表现出动荡变深特征，岩石组合表现出多个下粗上细沉积韵律特征，为退积型沉积序列。笔者对该套地层碳氧同位素研究工作，结果显示：δ13C测试值介于-0.96‰～3.21‰，平均0.41‰；δ18O测试值介于-11.48‰～-9.35‰，平均-10.12‰。碳酸盐岩样品δ13C、δ18O值受后期成岩作用影响较小，基本保留了原始沉积环境碳氧同位素组成特征。碳同位素值总体呈现下降趋势，局部有波动特征，共出现2次正漂移事件和2次负漂移事件。其中P1正漂移事件与寒武纪全球性正漂移事件SPICE基本相符，与寒武纪生物多样性恢复有关；其余碳同位素漂移事件可能是因沉积环境（岩相古地理、古盐度和古温度）局部变化引起。利用碳氧同位素数据对古环境恢复结果表明：晚寒武世-早奥陶世研究区处于海相沉积环境，古海洋盐度值从早到晚呈现逐渐降低趋势，古海水温度介于21.55℃～31.41℃，平均25.02℃。说明当时处于温暖或炎热的亚热带气候。

碳氧同位素；古盐度；晚寒武世；早奥陶世；碳酸盐岩；滇东南

1 概述

滇东南位于扬子板块西南缘，为一套碳酸盐岩夹陆源碎屑岩沉积建造。不少学者对扬子板块西南缘寒武系岩石地层进行过大量研究工作，累积了大量地层层序、岩相古地理及古环境等方面科研成果[5,10,16,18-20,32]。未受到后期成岩作用影响的碳酸盐岩稳定同位素组成信息基本能够代表古代海水稳定同位素组成特征，可为判断古海洋沉积环境提供有力证据[30-31]。近年来不少学者利用碳氧同位素对古海洋盐度、温度及古海平面变化方面的研究取得较大成果[1,7-8,15,24-25,28]。笔者对研究区晚寒武世-早奥陶世唐家坝组-博菜田组碳酸盐岩地层系统采样，通过碳氧稳定同位素测试工作，分析该地区碳酸盐岩地层碳氧同位素的组成和变化规律，并对该时期古气候、古海洋环境进行解释，借以探讨及恢复该段地质历史时期内研究区所处古地理环境。

图1 研究区晚寒武世-早奥陶世岩相古地理图[18]

2 地质背景

研究区位于扬子板块西南缘，康滇古陆东部。在晚寒武世-早奥陶世时区内沉积了一套碳酸盐岩夹陆源碎屑岩沉积建造，马永生等[18]认为其形成于开阔台地相古地理环境（图1）。本次工作将区域内晚寒武世-早奥陶世地层划分为寒武系上统唐家坝组和寒武系-奥陶系博菜田组（图2）。

唐家坝组可分两段，第一段岩性为中薄层泥岩、薄层泥质粉砂岩和钙质粉砂岩，水平纹层发育，产三叶虫和腕足等狭盐度动物化石；二段总体为一套碳酸盐岩沉积夹薄层状泥质粉砂岩，碳酸盐岩中含三叶虫化石及生物碎屑；博菜田组为碳酸盐岩和陆源碎屑岩组成的多个韵律沉积层，岩石层理较发育，产三叶虫、腕足类化石及生物碎屑。区内上寒武统-下奥陶统地层岩石总体呈现多个下粗上细韵律特征，主体为退积型沉积序列。

3 样品采集和分析方法

本次研究所采集样品均来自唐家坝组和博菜田组地层中碳酸盐岩。同位素样品主要选取新鲜岩样，采样时尽量避免方解石脉及重结晶作用发育部位和风化作用影响强烈部位，所选样品尽量避免成岩作用对稳定同位素组成特征的影响，尽可能保证能反映原始沉积环境稳定同位素组成特征。本次共采集测试岩样25块，样品加工和测试工作由中国地质调查局武汉地质调查中心同位素地球化学研究室完成。样品碳氧同位素组成采用GasBenchⅡ和质谱仪MAT253联机分析完成。将装有适量样品瓶置于GasBenchⅡ恒温槽中，He气吹扫完空气后加入6滴磷酸，恒温反应至少4小时后，将反应生成的CO2通过氦气经70℃的色谱柱分离后进入质谱仪MAT253测定碳氧同位素值。碳氧同位素测定值测量精度均为0.01‰。

图2 地质简图及剖面位置

4 测试结果

表1列出本次25块碳酸盐岩样品碳氧同位素测定值，统计表明：滇东南晚寒武世-早奥陶世地层碳酸盐岩δ13C测试值介于-0.96‰～3.21‰，平均值0.41‰，大部分碳酸盐岩样品δ13C测试值介于-1‰～2‰，与正常海相碳酸盐岩[31]0‰～2‰的δ13C值基本相符。δ18O测试值介于-11.48‰～-9.35‰，平均值-10.12‰。碳酸盐岩碳氧同位素组成因受后期成岩作用影响，会导致测试值无法完整和真实地反映碳酸盐岩是否遭受后期成岩蚀变作用影响[6，27]，氧同位素值受沉积期后热水流体、大气降水及同位素分馏及交换作用等因素影响会发生明显变化。因此氧同位素值在判断岩石是否遭受沉积期后变化方面应用广泛。利用碳氧同位素相关性特征来判断样品是否遭受成岩作用影响的方法基本可行[37，39]，认为碳氧同位素不具有明显相关性即可判断碳酸盐岩样品基本未遭受沉积期后变化影响，样品基本保存了原始沉积环境的碳氧同位素组成信息。同时也有少数学者[2,34-35]认为碳酸盐岩氧同位素值大于-10‰可作为碳酸盐岩受沉积期后影响较弱的判断标志。本文所获取25件碳氧同位素测试值相关性系数为0.256（图3），表明二者具有弱相关关系，同时氧同位素测试值多接近-10‰，因此可以认为本次所选测试样品稳定同位素测试值受后期成岩作用影响较弱，可信度较好，可用于古环境研究。

表1 滇东南晚寒武世碳酸盐岩碳、氧同位素测试数据

测试单位：中国地质调查局武汉地质调查中心同位素地球化学研究室，测试时间：2016.10

图3 滇东南晚寒武世-早奥陶世碳酸盐岩碳、氧同位素关系图

图4 滇东南晚寒武世-早奥陶世碳酸盐岩碳、氧同位素特征与古环境特征

5 碳同位素特征

一般来说碳酸盐岩碳同位素受沉积介质中有机碳含量、有机碳埋藏速率和形成碳酸盐岩的氧化-还原条件等因素影响较大[11]。氧化环境下形成的碳酸盐岩具贫δ13C富δ12C特征，还原环境下则表现相反特征。因有机碳通常富12C，所以当有机碳埋藏速率较快时，会导致自然界碳库和水中无机碳相对富集13C，此时沉积的碳酸盐岩13C值就偏高[23]。而海洋有机碳埋藏速率受生物繁盛情况、全球气候冷暖变化以及海平面变化控制。当海水清澈，阳光充足，海洋生物大量繁殖，会吸收水体中的12C，从而使得水体13C含量增加；而生物大量死亡，生物生产力急剧降低，会使得沉积介质中富含12C而贫13C[11,26]；温度大幅度变化会导致狭温度生物大量死亡，海洋生产力也随之急剧下降，会使得沉积介质中富含12C而贫13C；同时水体表层温度变化会导致水体溶解大气中CO2的能力变化，当水体表层温度下降时，CO2溶解度增大，与之对应时期内沉积的碳酸盐岩表现出13C下降趋势[27]；海平面上升时，有机碳埋藏速率增大，同时古陆剥蚀面积减小，进入到海洋的有机碳减少，此时沉积的碳酸盐岩13C含量增加[21]。海相碳酸盐岩的δ13C含量增多，表明该段地质历史时期内海洋生产力高，反之亦然。有研究表明同位素分馏和交换作用对δ13C值影响微弱[11,32]，地质年代对海相碳酸盐岩的δ13C值影响是一个长期变化的过程，被称作“年代效应”，这种变化趋势基本不受沉积作用和沉积相变控制[11]。

本次晚寒武世-早奥陶世地层剖面中碳酸盐岩δ13C测试值介于-0.96‰～3.21‰，平均0.41‰，大部分碳酸盐岩样品δ13C测试值介于-1‰～2‰之间，与正常海相碳酸盐岩[31]0‰～2‰的δ13C值基本相当。根据碳同位素演化趋势（图4），本地区共出现2次明显的正漂移事件（P1、P2）和2次负漂移事件（N1、N2）。P1正漂移事件位于唐家坝组中下部岩石样品中，δ13C测试值3.21‰，发生明显正漂移，经对比发现该正漂移事件可能与寒武纪全球性δ13C正漂移事件SPICE相关[38]，分析可能是因为该段时期内本地区海洋环境为温暖清澈环境，海洋生物多样性恢复，海洋生产力迅速升高，导致有机碳中12C富集，从而引起δ13C明显变高；P2正漂移事件位于博菜田组中部岩石样品中，该事件为局部海洋沉积环境变化导致，不具备全球对比性质，分析可能是受沉积介质温度及盐度的影响，生物活动性局部增强，海洋生产力局部变化原因所致。N1负漂移事件位于唐家坝组与博菜田组交接部位，与全球性寒武纪δ13C负漂移TOCE事件发生部位相当，但有学者[3]认为该TOCE事件不具备全球性。笔者认为该段沉积时期内沉积介质温度稳定，盐度变化不大，沉积水体波动性较小，且负漂移程度相对不明显，因此认为该负漂移事件是由局部海洋沉积环境变化导致，与全球性寒武纪δ13C负漂移TOCE事件无关；N2负漂移事件位于博菜田组中上部，该事件明显受沉积介质温度和盐度变化影响，该套地层中采集大量三叶虫及腕足类化石。因此本次负漂移事件可能是海水动荡引起大量底栖生物死亡从而导致海洋生产力急速下降所致。

6 氧同位素特征

古老岩石样品中氧同位素对环境的指示意义较差，容易受介质温度和浓度影响[11]。后期成岩作用中重结晶作用、白云岩化作用、同位素分馏作用、交换作用以及淡水淋滤作用均会对原始碳酸盐岩沉积物中氧同位素产生较大影响[4,12]。因此少有学者单独使用氧稳定同位素来分析古环境，而是综合碳氧稳定同位素及其他同位素结合的方法来进行古环境分析。滇东南晚寒武世-早奥陶世地层碳酸盐岩样品氧同位素测试值介于-11.48‰～-9.35‰，平均值-10.21‰。总体来看，唐家坝组和博菜田组底部碳酸盐岩氧同位素组成较稳定，波动幅度较小，博菜田下部及中上部碳酸盐岩氧稳定同位素波动较大（图4）。

7 沉积环境分析

7.1 古海洋盐度

表2 滇东南晚寒武世-早奥陶世沉积环境古温度、古盐度数据

研究表明，碳氧同位素值与古海洋盐度有较大关联，且二者一般存在正相关关系，即碳氧同位素值越大，与之对应沉积环境的海水盐度值就越大，碳酸盐岩沉积环境中盐度变化时，岩石中碳同位素值也随之发生变化[33]。现代研究中多采用Z值大小来定性判断沉积环境水体盐度，一般采用Z值等于120来区分淡水相和海相沉积环境，当Z值小于120时，认为其形成于淡水沉积环境，当Z值大于120时，则表示其形成于海相沉积环境[29,36]，而Z值的绝对大小则可表示沉积水体盐度相对高低。利用Keith[36]对Z值的计算公式计算得出25块滇东南晚寒武世-早奥陶世地层碳酸盐岩样品Z值（表2），可以看出除TY21样品Z值接近120之外，其余样品Z值均大于120，说明当时整体处于海相沉积环境，低值样品可能是因为样品采集或者样品受大气淡水或陆源河流补给影响的环境中[9,13,28]。总体而言，研究区晚寒武世-早奥陶世沉积水体盐度分布较稳定，早期唐家坝组时水体盐度相对较高，随着时间推移沉积水体盐度值有逐渐降低趋势（图4），博菜田组中部出现一次水体盐度值波动情况，可能与古海平面变化和陆源淡水补充流量下降有关。

7.2 古海水温度

古老岩石样品中氧同位素对环境的指示意义较差，沉积介质温度和浓度的变化以及后期成岩作用中的重结晶作用、白云岩化作用、同位素交换和分馏作用以及淡水淋滤作用均会对岩石中氧稳定同位素组成特征产生明显影响。因此在使用氧同位素时必须考虑其“年代效应”。目前采用第四纪海相碳酸盐岩氧同位素平均值-1.2‰为年代效应校正标准得到广泛应用[22]，采用这一标准校正后的氧同位素值计算成岩介质温度时发现结果多数在40℃到65℃之间，这显然不能真正代表当时成岩介质温度。有学者[17]提出寒武纪海水氧同位素值为-8.0‰，采用这一标准校正本次测试样品的氧同位素值，经校正后计算本次样品成岩介质温度介于21.55℃～31.41℃，平均值25.02℃（表2）。而古地磁学的研究成果表明在寒武纪时研究区位于北纬30°，东经105°[14]。说明当时处于一个温暖或者炎热的亚热带气候。

8 结论

1）研究区在晚寒武世-早奥陶世时处于海相沉积环境，沉积相为开阔台地相向浅海陆棚相过渡，沉积水体从早到晚表现出动荡变深，表现出多个下粗上细沉积韵律特征，主体为退积型沉积序列。

2）研究区碳酸盐岩碳同位素值介于-0.96‰～3.21‰，平均值0.41‰；氧同位素值介于-11.48‰～-9.35‰，平均值-10.12‰。碳同位素值总体呈下降趋势，局部相对波动，出现2次正漂移和2次负漂移事件，P1正漂移事件可能与寒武纪生命多样性恢复有关，其他漂移事件可能与沉积环境（岩相古地理、温度和盐度）局部变化有关。经计算得出该段地质历史时期古海水温度介于21.55℃～31.41℃，属一个相对温暖或者炎热的亚热带气候。

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δ13C and δ18O Values and Their Significances for the Upper Cambrian-Lower Ordovician Tangjiaba Formation-Bocaitian Formation in Southeast Yunnan

WANG Chun-lin1LI Xiao-jun2

(1-No. 403 Geological Team, BGEEMRSP, Emeishan, Sichuan 614200; 2-Yunnan Institute of Geological Survey, Kunming 650216)

The UpperCambrian-LowerOrdovician in southeast Yunnan is a set of sedimentary formation of carbonate rocks intercalated with terrigenous clastic rocks. The sedimentary facies is open platform facies transitioning to shallow sea shelf facies. The Rock associationis characterized by multiple lower coarse to upper fine sedimentary rhythms characteristic of retrograding sequence. δ13C values of carbonate rock samples range from -0.96‰ to3.21‰ with theaverage of 0.41‰ and δ18O values change from -11.48‰to-9.35‰ with the average of -10.12‰ which indicates thatthe characteristics of carbon and oxygen isotopic composition in the original sedimentary environment are basically preserved. The δ13C valuesindicate a general decreasing trend with local fluctuation, showing two positive drift events and two negative drift events. Results ofpaleoenvironment restoration by δ13Cand δ18O valuesindicate that the research area during Late Cambrian-Early Ordovician was in a marine sedimentary environment with agradually decreased paleo-ocean salinity and palaeo-sea temperature of 21.55-31.41℃, representing a warm or hot subtropical climate.

δ13Cand δ18O values; paleo-ocean salinity; Late Cambrian; Early Ordovician; carbonate rock; southeast Yunnan

2019-12-01

中国地质调查局项目（12120114072701,12120100000150008-04）

王春林（1989.03-），男，四川武胜县，工程师，研究方向：矿物学、岩石学、矿床学及同位素地球化学

P597.2

A

1006-0995（2020）04-0680-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.032