信江盆地白堊紀周田組碳、氧同位素特征及意義

曹姝璐，朱志軍，劉騰，劉遠超，饒強

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信江盆地白堊紀周田組碳、氧同位素特征及意義

曹姝璐1，朱志軍1，2，劉騰1，劉遠超1，饒強1

（1. 東華理工大學地球科學學院，南昌 330013；2. 東華理工大學省部共建核資源與環(huán)境國家重點實驗室培育基地，南昌 330013）

碳、氧同位素特征能夠清楚的反映湖相盆地的沉積環(huán)境，采用磷酸鹽法對信江盆地周田組的鈣質結核樣品進行碳、氧同位素的測試和分析。結果表明：鈣質結核的δ13CV-PDB值分布范圍為-7.2‰～3.1‰，平均為-5.8‰；δ18OV-PDB值的分布范圍為-9.8‰～8.6‰，平均為-9.1‰，反映了信江盆地周田組為鹽度較低的淡水沉積環(huán)境，且這一時期的湖泊初級生產力呈增強到減弱再增強的一種變化趨勢；這一時期周田組的植被以C4植物類型為主。

碳、氧同位素；白堊紀周田組；鈣質結核；信江盆地

碳、氧同位素分析已廣泛應用于第四紀古湖泊學研究，通過碳、氧同位素之間的相關性可以判斷湖泊的古鹽度、封閉程度、古生產力的變化趨勢及古植被的類型。這種方法也已成功地應用在前第四紀湖相盆地研究之中[1]。

信江盆地是一個同時具有礦產資源和地貌景觀資源的湖相盆地，長期以來吸引了大批的地質學家在此開展研究工作。在上世紀大規(guī)模的區(qū)域地質調查的基礎上，張利民[2]、許玩宏[3-4]、巫建華[5-6]等從古生物地層及同位素年齡的方面對信江盆地白堊紀地層進行了研究，巫建華[7]、謝愛珍[8]、劉行軍[9-10]、李曉勇[11]等對盆地白堊系沉積相及沉積環(huán)境進行了論述。隨后，郭福生、朱志軍等[12-13]對該地區(qū)丹霞地貌特征與沉積體系的關系展開了研究。但該地區(qū)還未見有公開發(fā)表的關于碳氧同位素特征及古環(huán)境的文獻，本文通過對研究區(qū)的碳氧同位素地球化學特征的研究，進一步探討了信江盆地古環(huán)境，將有助于加深對白堊紀古氣候變化的陸地沉積響應的理解，為該區(qū)陸相白堊系研究提供實際資料。

圖1 江西信江盆地地質簡圖（據劉行軍圖）[14]

1 區(qū)域地質概況

信江盆地是一個具有復雜演化歷史和復式結構的中生代陸相盆地，也是中國大陸重要的丹霞地貌遺產地，盆地位于揚子地塊與華夏地塊結合帶，近東西向東鄉(xiāng)—廣豐深斷裂帶南側，面積約400km2（圖1）。通過野外地質調查和室內綜合研究，周田組主要由細砂巖、粉砂巖，泥巖、礫巖及石膏層組成，部分含有鈣質結核，偶見生物鉆孔，發(fā)育大型交錯層理，為河湖相沉積[15]。其中，鈣質結核呈灰白色的小疙瘩或紅色的生姜狀（風化后呈圓的礫石狀），遇稀鹽酸劇烈氣泡。

圖2 周田組鈣質結核

1.1 樣品采集

研究樣品主要采自信江盆地周田組的8個樣品（表1），考慮到干擾因素對測試結果的影響，在采集樣品的過程中需要盡量避開風化和有明顯后期方解石脈及溶孔，并盡量排除結晶程度較高的巖石樣品，只采取沒有后期蝕變、沒有方解石脈充填、沒有破碎現象的新鮮巖石，以確保測試結果的準確性。

碳、氧同位素測試由東華理工大學核資源與環(huán)境教育部重點實驗室完成。碳、氧同位素分析處理主要采用磷酸鹽法。樣品在72℃的恒溫槽中，與磷酸反應平衡1個小時后，用MAT-253質譜儀測試所得。精度為δ13CV-PDB≤ 0.2‰，δ18OV-PDB≤ 0.2‰（絕大部分樣品精度≤0.1‰）。其中碳、氧同位素值均以PDB為標準。

1.2 原始數據分析

分析可知信江盆地白堊紀周田組碳、氧同位素具有以下特點：

1）δ13CV-PDB值的分布范圍為-7.2‰~-3.1‰，平均值為-5.8‰；δ18OV-PDB值的分布范圍為-9.8‰~-8.6‰，平均值為-9.1‰。

2）前人研究表明，在以PDB為標準的許多測試結果中，湖相碳酸鹽巖δ13CV-PDB值的平均值為-7.68‰~-2.18‰[16]，研究區(qū)內樣品的δ13CV-PDB值與湖相碳酸鹽δ13CV-PDB值相差不大。

2 碳、氧同位素特征及意義

2.1 古鹽度

碳氧穩(wěn)定同位素能反映沉積環(huán)境的變化特征。但是，由于氧同位素受成巖作用影響較明顯，一般很難反映出原始的沉積環(huán)境，而碳同位素則受成巖作用影響相對較小，可以反映出沉積環(huán)境的變化。一般來說δ13CV-PDB值和δ18OV-PDB值均隨介質鹽度的升高而升高，其中δ13CV-PDB值與古鹽度關系最為密切，且受溫度影響較小。

表1 樣品碳氧同位素測試數據

M.L.Keith和J.N.Weber（1964）[16]提出利用碳酸鹽巖石的碳、氧氣、同位素組成來區(qū)分侏羅紀以來碳酸鹽沉積環(huán)境的經驗公式：

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

式中δ13C和δ18O均用PDB作標準。當Z＞120時為海相沉積環(huán)境，Z＜120時為淡水（陸相）沉積環(huán)境[18]。由于古代碳酸鹽巖形成后，其碳同位素交換難度較大而使其δ13CV-PDB值保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，并且Z值主要取決于δ13CV-PDB，所以還是可以用Z值的變化來大致判斷樣品形成時的介質鹽度的相對變化[19]。δ13CV-PDB值和Z值越大，反映其沉積介質鹽度越高。本文應用以上公式對研究區(qū)樣品沉積環(huán)境Z值進行了計算，計算結果見表1。

圖3 樣品δ13CV-PDB和δ18OVPDB與Z值相關關系

結果顯示，研究區(qū)的Z值的變化圍在107.97‰~116.07‰之間，平均值為110.92‰，小于120‰，所以可得出結論，信江盆地白堊紀周田組為鹽度較低的淡水沉積環(huán)境。

本次研究中，從Z值分別與δ13CVPDB和δ18OVPDB的相關性分析（圖3）可以看出，Z值與δ13CVPDB值具有較高的相關性，同時與δ18OVPDB不具有明顯的相關性，表明研究區(qū)樣品Z值能夠反映碳、氧同位素組成。因此，本次研究能應用Z值作為定量指標來解釋古鹽度的相對變化。

2.2 湖泊的封閉與開放性

無機化學地層學是判斷沉積環(huán)境的重要手段之一，不同的碳酸鹽巖碳、氧同位素反映了不同的沉積環(huán)境[20-21]，不同沉積背景下碳酸鹽巖碳、氧穩(wěn)定同位素值域范圍已在圖4中標明，以便與文中的測試結果相比較。

湖泊同位素演化差異的影響因素造成開放、封閉兩類湖泊中碳酸鹽的碳、氧同位素組成的變化。不同類型的湖泊沉積的碳酸鹽巖的碳、氧穩(wěn)定同位素具有不同的相關性[1]：在開放型淡水湖泊中，湖水同位素的演化程度低，碳、氧同位素組成與注入水相差很小，原生碳酸鹽巖碳、氧同位素13C和18O之間不相關或微相關，并且13C和18O都是負值，在以δ13CV-PDB值為縱坐標、δ18OV-PDB值為橫坐標、0為原點的坐標系中，其投點落在坐標軸的第Ⅲ象限；在封閉型咸水、半咸水湖泊中，湖水同位素的演化程度相對較高，蒸發(fā)作用強并明顯控制碳、氧同位素組成的變化。隨著蒸發(fā)作用的增強，較輕的12C和16O優(yōu)先逸出，湖水中13C和18O含量也相對增加，δ18OV-PDB值和δ13CV-PDB值相對注入水明顯偏大，且13C和18O之間呈現明顯的相關性，封閉性越強，相關系數越大。13C基本為正值，18O則可能是正值也可能是負值，其投點大多落在坐標軸的Ⅰ、Ⅳ象限。根據碳酸鹽巖碳氧穩(wěn)定同位素之間的相關性可判斷出古湖泊的水體開放類型。

圖4 陸相和海相碳酸鹽巖碳氧同位素值對比（底圖據Milliman）[22]圖

圖5 周田組剖面綜合柱狀圖

研究區(qū)碳氧同位素，δ13CV-PDB值和δ18OV-PDB值均明顯偏向負值，在以δ18OV-PDB為橫座標、以δ13CV-PDB為縱座標的散點圖中分布在第Ⅲ象限，因此，該研究區(qū)的湖相碳酸鹽巖的碳、氧同位素特征表明這一時期的湖泊為一個開放性的淡水湖泊。

2.3 古生產力變化

湖相自生碳酸鹽巖的碳同位素組成與碳酸鹽巖沉積時湖水中溶解無機碳的碳同位素組成的變化是一致的，而湖水溶解無機碳碳同位素組分之所以會發(fā)生變化是因為受到湖泊的生產力的影響。當湖泊生產力高時，浮游植物生長繁盛，浮游植物通過光合作用吸收較多的12C，使表層水體中溶解無機碳儲庫中13C含量相對增加，從而使形成的原生碳酸鹽巖的δ13CV-PDB值偏高。因此，根據湖相碳酸鹽巖碳同位素組分的變化可以恢復古湖泊生產力的變化[23-24]。

湖泊初級生產力是指綠色植物通過光合作用，把無機碳轉化為有機碳的能力。甲烷細菌對有機質的分解很大程度上的影響碳同位素，一般認為會使δ13CV-PDB值大于4 ‰[25]。而周田組碳酸鹽巖碳同位素值均為負值，所以周田組碳酸鹽巖碳同位素值主要受湖泊初級生產力的影響。當湖泊初級生產力高，即植物光合作用強，12C被植物大量吸收，使表層水中溶解無機碳碳同位素中13C含量也相對增加，從而使形成于表層水中的自生碳酸鹽巖中13C含量也相對增加，即湖泊生產力的變化趨勢與δ13CV-PDB值的變化趨勢保持一致。因此，根據湖相自生碳酸鹽巖碳同位素組成變化可反演湖泊初級生產力的變化。從周田組δ13CV-PDB值的變化趨勢（圖5）可以看出周田組底部（1層）到頂部（7層）的湖泊初級生產力呈增強到減弱再增強的變化趨勢。

2.4 古植被指示意義

陸生植物按不同光合作用的類型可分為為三種：C3植物、C4植物和CAM植物[26]。其中，δ13CV-PDB值的變化范圍在-35‰~ -20‰ ，平均值約為-27‰，陸生高等植物中，所有的喬木以及絕大多數的灌木、草本植物都屬于C3植物，；而δ13CV-PDB值的變化范圍在-19‰~-6‰之間，平均值約為-13‰，一般C4植物只出現少數灌木（大戟科和藜科）以及在溫暖季節(jié)里生長的草中；CAM植物包括仙人掌和一些絲蘭等肉質植物，δ13CV-PDB值變化范圍較寬，約在-38‰~-13‰之間，平均-17‰，CAM植物在大多數生態(tài)系統(tǒng)中所占比例很小。

經測試分析，周田組中鈣質結核樣品的δ13CV-PDB值為-7.2‰~-3.1‰與C4植物的平均值接近，并且基本上都在C4植物的δ13CV-PDB值的變化范圍之內，但其平均值為-5.8‰相對于純C4植物土壤的CO2的δ13CV-PDB值正偏，這可能是由于受來自大氣CO2的影響[27]，可以得出結論，周田組這一時期的植被以C4植物為主。

3 結論

研究區(qū)樣品中18O在成巖過程中沒有經歷蝕變作用，具參考意義，同時δ13CV-PDB和δ18OV-PDB數值不具有明顯的相關性，故研究區(qū)碳、氧同位素基本保存了成巖過程中的原始同位素信息和組成，能夠反映樣品的原始沉積特征。Z值及碳、氧同位素地球化學特征反映了該區(qū)晚白堊為一個開放性的淡水湖泊沉積環(huán)境。

湖相自生碳酸鹽巖的碳同位素組成主要受湖泊初級生產力的影響，與碳酸鹽巖沉積時湖水中溶解無機碳的碳同位素組成的變化是一致的，從周田組δ13CV-PDB值的變化趨勢可以看出周田組底部（1層）到頂部（7層）的湖泊初級生產力呈增強到減弱再增強的一種變化趨勢，在第4層達到最弱。

周田組鈣質結核的δ13CV-PDB值表明信江盆地周田組這一時期的植被以C4植物類型為主。

參考文獻:

[1] 劉傳聯(lián)，趙泉鴻，汪品先. 湖相碳酸鹽氧碳同位素的相關性與生油古湖泊類型[J]. 地球化學，2001，30（4）:363～367

[2] 張利民. 從信江盆地新資料論侏羅-白堊系的界線[J]. 地質論評，1991，37（4）:310～318

[3] 許玩宏. 江西信江盆地周家店組的介形類化石[J]. 微體古生物學報，1993，10（3）:337～344

[4] 許玩宏，張利民，曹雙林. 江西信江盆地石溪組生物群及其時代[J]. 地層學雜志，1994，18（3）:181～188

[5] 巫建華. 贛東北中生代晚期盆地特征及地層劃分[J]. 華東地質學院學報，1995，18（2）:143～151

[6] 巫建華. 江西信江盆地早白堊世晚期輪藻及其地層意義[J]. 微體古生物學報，2006，12（1）:79～87

[7] 巫建華. 贛東北白堊紀沉積相及其構造意義[J]. 華東地質學院學報，1994，17（4）:313～319

[8] 謝愛珍. 信江盆地晚白堊世沉積體系特征與圭峰群地層劃分的討論[J]. 華東地質學院學報，2001，24（1）:5～10

[9] 劉行軍，巫建華，王正其. 江西貴溪盆地羅塘群沉積體系特征及其地質意義[J]. 東華理工學院學報（自然科學版），2005，28（3）:206～215

[10] 劉行軍，董業(yè)才. 江西貴溪盆地羅塘群沉積相特征[J]. 江蘇地質，2006，30（2）:94～101

[11] 李曉勇，江西信江盆地演化及重要地質事件與證據[J]，東華理工大學學報，2009，32（4）.

[12] 郭福生，朱志軍，黃寶華，姜勇彪. 江西信江盆地白堊系沉積體系及其與丹霞地貌的關系[J]，沉積學報，2013，31（6）

[13] 郭福生，姜勇彪，胡中華, 等. 龍虎山世界地質公園丹霞地貌成景系統(tǒng)特征及其演化[J]. 山地學報，2011，29（2）:195～201

[14] 劉行軍，巫建華，董業(yè)才，江西貴溪盆地周田組膏鹽特征及成因分析[J].東華理工學院學報（自然科學版），2015，38（3）:292-294.

[15] 姜勇彪，郭福生，劉林清, 等. 江西信江盆地丹霞地貌形成機制分析，熱帶地理，2011，31（2）

[16] Kerth ML，Weber JN.Isotopic composition and environmental classification of selected limestones and fossils[J].Geoch.Et Cosmoch.Acta，1964，23:1786-1816.

[17] 周傳明，張俊明，李國祥, 等. 云南永善肖灘旱寒武世早期碳氧同位素記錄[J]. 礦物巖石，2006，26，87～91

[18] 劉德良，孫先如，李振生, 等. 鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖碳氧同位素分析[J]. 石油實驗地質，2006，2（28）.

[19] 張秀蓮. 碳酸鹽巖中氧、碳穩(wěn)定同位素與古鹽度、古水溫的關系[J]. 沉積學報，1985，3（4）:7～29

[20] 張葳，李智武，馮逢，等. 川中東北部中-下侏羅統(tǒng)湖相碳酸鹽巖碳氧同位素特征及其古環(huán)境意義[J]. 古地理學報，2013，15（2）:247～259

[21] 周學海，劉樹根，李智武，等. 青藏高原東緣馬拉墩組碳氧同位素特征及意義[J].天然氣技術與經濟，2015，2（9）

[22] MillimanJD.RecentSedimentaryCarbonates:Marine Carbonates.NewYork:Springer，1974.

[23] MckenzieJA.Carbon isotopes and productivity in lacustrineandenvironment[M]，StummW Chemical Processes in Lakes，New York，Wiley，1985:99-118.

[24] 王全偉，梁斌，等. 四川盆地下侏羅統(tǒng)自流井組湖相碳酸鹽巖的碳、氧同位素特征及其古湖泊學意義[J]，礦物巖石，2006，26（2）:87～91

[25] Carmala.N，Garzione，David L.Carbonate oxygen isotope paleoaltimetry:Evalusting the effect of diagenesison paleoelevation estimate for the Tibetan plateau[J].Palaeogeography，Palaeoclomatogy，Palaroc-ology，2004（212）:119-14.

[26] 梁斌，王全偉，闞澤忠，四川盆地中侏羅統(tǒng)沙溪廟組鈣質結核的碳、氧同位素特征[J]. 礦物巖石，2007，27（2）:55～58

[27] Cerling T E.The stable isotopic composition of modern soil carbonate and its relationship to climate[J].Earth planet science letter，1984，71，229~240

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

國家自然科學基金項目（41362008、U0933605）和江西省教育廳科技項目（GJJ14475）聯(lián)合資助。

曹姝璐（1992－），女，江西九江人，碩士研究生，主要從事沉積地球化學研究工作。