滇東南晚寒武世-早奧陶世唐家壩組-博菜田組碳酸鹽巖碳氧同位素特征及意義

王春林，李小軍

滇東南晚寒武世-早奧陶世唐家壩組-博菜田組碳酸鹽巖碳氧同位素特征及意義

王春林1，李小軍2

（1 四川省地質礦產勘查開發局四〇三地質隊，四川 峨眉山 614200；2 云南省地質調查院，昆明 650216）

滇東南晚寒武世-早奧陶世為一套碳酸鹽巖夾陸源碎屑巖沉積建造，沉積相為開闊臺地相向淺海陸棚相過渡特征，沉積水體從早到晚表現出動蕩變深特征，巖石組合表現出多個下粗上細沉積韻律特征，為退積型沉積序列。筆者對該套地層碳氧同位素研究工作，結果顯示：δ13C測試值介于-0.96‰～3.21‰，平均0.41‰；δ18O測試值介于-11.48‰～-9.35‰，平均-10.12‰。碳酸鹽巖樣品δ13C、δ18O值受后期成巖作用影響較小，基本保留了原始沉積環境碳氧同位素組成特征。碳同位素值總體呈現下降趨勢，局部有波動特征，共出現2次正漂移事件和2次負漂移事件。其中P1正漂移事件與寒武紀全球性正漂移事件SPICE基本相符，與寒武紀生物多樣性恢復有關；其余碳同位素漂移事件可能是因沉積環境（巖相古地理、古鹽度和古溫度）局部變化引起。利用碳氧同位素數據對古環境恢復結果表明：晚寒武世-早奧陶世研究區處于海相沉積環境，古海洋鹽度值從早到晚呈現逐漸降低趨勢，古海水溫度介于21.55℃～31.41℃，平均25.02℃。說明當時處于溫暖或炎熱的亞熱帶氣候。

碳氧同位素；古鹽度；晚寒武世；早奧陶世；碳酸鹽巖；滇東南

1 概述

滇東南位于揚子板塊西南緣，為一套碳酸鹽巖夾陸源碎屑巖沉積建造。不少學者對揚子板塊西南緣寒武系巖石地層進行過大量研究工作，累積了大量地層層序、巖相古地理及古環境等方面科研成果[5,10,16,18-20,32]。未受到后期成巖作用影響的碳酸鹽巖穩定同位素組成信息基本能夠代表古代海水穩定同位素組成特征，可為判斷古海洋沉積環境提供有力證據[30-31]。近年來不少學者利用碳氧同位素對古海洋鹽度、溫度及古海平面變化方面的研究取得較大成果[1,7-8,15,24-25,28]。筆者對研究區晚寒武世-早奧陶世唐家壩組-博菜田組碳酸鹽巖地層系統采樣，通過碳氧穩定同位素測試工作，分析該地區碳酸鹽巖地層碳氧同位素的組成和變化規律，并對該時期古氣候、古海洋環境進行解釋，借以探討及恢復該段地質歷史時期內研究區所處古地理環境。

圖1 研究區晚寒武世-早奧陶世巖相古地理圖[18]

2 地質背景

研究區位于揚子板塊西南緣，康滇古陸東部。在晚寒武世-早奧陶世時區內沉積了一套碳酸鹽巖夾陸源碎屑巖沉積建造，馬永生等[18]認為其形成于開闊臺地相古地理環境（圖1）。本次工作將區域內晚寒武世-早奧陶世地層劃分為寒武系上統唐家壩組和寒武系-奧陶系博菜田組（圖2）。

唐家壩組可分兩段，第一段巖性為中薄層泥巖、薄層泥質粉砂巖和鈣質粉砂巖，水平紋層發育，產三葉蟲和腕足等狹鹽度動物化石；二段總體為一套碳酸鹽巖沉積夾薄層狀泥質粉砂巖，碳酸鹽巖中含三葉蟲化石及生物碎屑；博菜田組為碳酸鹽巖和陸源碎屑巖組成的多個韻律沉積層，巖石層理較發育，產三葉蟲、腕足類化石及生物碎屑。區內上寒武統-下奧陶統地層巖石總體呈現多個下粗上細韻律特征，主體為退積型沉積序列。

3 樣品采集和分析方法

本次研究所采集樣品均來自唐家壩組和博菜田組地層中碳酸鹽巖。同位素樣品主要選取新鮮巖樣，采樣時盡量避免方解石脈及重結晶作用發育部位和風化作用影響強烈部位，所選樣品盡量避免成巖作用對穩定同位素組成特征的影響，盡可能保證能反映原始沉積環境穩定同位素組成特征。本次共采集測試巖樣25塊，樣品加工和測試工作由中國地質調查局武漢地質調查中心同位素地球化學研究室完成。樣品碳氧同位素組成采用GasBenchⅡ和質譜儀MAT253聯機分析完成。將裝有適量樣品瓶置于GasBenchⅡ恒溫槽中，He氣吹掃完空氣后加入6滴磷酸，恒溫反應至少4小時后，將反應生成的CO2通過氦氣經70℃的色譜柱分離后進入質譜儀MAT253測定碳氧同位素值。碳氧同位素測定值測量精度均為0.01‰。

圖2 地質簡圖及剖面位置

4 測試結果

表1列出本次25塊碳酸鹽巖樣品碳氧同位素測定值，統計表明：滇東南晚寒武世-早奧陶世地層碳酸鹽巖δ13C測試值介于-0.96‰～3.21‰，平均值0.41‰，大部分碳酸鹽巖樣品δ13C測試值介于-1‰～2‰，與正常海相碳酸鹽巖[31]0‰～2‰的δ13C值基本相符。δ18O測試值介于-11.48‰～-9.35‰，平均值-10.12‰。碳酸鹽巖碳氧同位素組成因受后期成巖作用影響，會導致測試值無法完整和真實地反映碳酸鹽巖是否遭受后期成巖蝕變作用影響[6，27]，氧同位素值受沉積期后熱水流體、大氣降水及同位素分餾及交換作用等因素影響會發生明顯變化。因此氧同位素值在判斷巖石是否遭受沉積期后變化方面應用廣泛。利用碳氧同位素相關性特征來判斷樣品是否遭受成巖作用影響的方法基本可行[37，39]，認為碳氧同位素不具有明顯相關性即可判斷碳酸鹽巖樣品基本未遭受沉積期后變化影響，樣品基本保存了原始沉積環境的碳氧同位素組成信息。同時也有少數學者[2,34-35]認為碳酸鹽巖氧同位素值大于-10‰可作為碳酸鹽巖受沉積期后影響較弱的判斷標志。本文所獲取25件碳氧同位素測試值相關性系數為0.256（圖3），表明二者具有弱相關關系，同時氧同位素測試值多接近-10‰，因此可以認為本次所選測試樣品穩定同位素測試值受后期成巖作用影響較弱，可信度較好，可用于古環境研究。

表1 滇東南晚寒武世碳酸鹽巖碳、氧同位素測試數據

測試單位：中國地質調查局武漢地質調查中心同位素地球化學研究室，測試時間：2016.10

圖3 滇東南晚寒武世-早奧陶世碳酸鹽巖碳、氧同位素關系圖

圖4 滇東南晚寒武世-早奧陶世碳酸鹽巖碳、氧同位素特征與古環境特征

5 碳同位素特征

一般來說碳酸鹽巖碳同位素受沉積介質中有機碳含量、有機碳埋藏速率和形成碳酸鹽巖的氧化-還原條件等因素影響較大[11]。氧化環境下形成的碳酸鹽巖具貧δ13C富δ12C特征，還原環境下則表現相反特征。因有機碳通常富12C，所以當有機碳埋藏速率較快時，會導致自然界碳庫和水中無機碳相對富集13C，此時沉積的碳酸鹽巖13C值就偏高[23]。而海洋有機碳埋藏速率受生物繁盛情況、全球氣候冷暖變化以及海平面變化控制。當海水清澈，陽光充足，海洋生物大量繁殖，會吸收水體中的12C，從而使得水體13C含量增加；而生物大量死亡，生物生產力急劇降低，會使得沉積介質中富含12C而貧13C[11,26]；溫度大幅度變化會導致狹溫度生物大量死亡，海洋生產力也隨之急劇下降，會使得沉積介質中富含12C而貧13C；同時水體表層溫度變化會導致水體溶解大氣中CO2的能力變化，當水體表層溫度下降時，CO2溶解度增大，與之對應時期內沉積的碳酸鹽巖表現出13C下降趨勢[27]；海平面上升時，有機碳埋藏速率增大，同時古陸剝蝕面積減小，進入到海洋的有機碳減少，此時沉積的碳酸鹽巖13C含量增加[21]。海相碳酸鹽巖的δ13C含量增多，表明該段地質歷史時期內海洋生產力高，反之亦然。有研究表明同位素分餾和交換作用對δ13C值影響微弱[11,32]，地質年代對海相碳酸鹽巖的δ13C值影響是一個長期變化的過程，被稱作“年代效應”，這種變化趨勢基本不受沉積作用和沉積相變控制[11]。

本次晚寒武世-早奧陶世地層剖面中碳酸鹽巖δ13C測試值介于-0.96‰～3.21‰，平均0.41‰，大部分碳酸鹽巖樣品δ13C測試值介于-1‰～2‰之間，與正常海相碳酸鹽巖[31]0‰～2‰的δ13C值基本相當。根據碳同位素演化趨勢（圖4），本地區共出現2次明顯的正漂移事件（P1、P2）和2次負漂移事件（N1、N2）。P1正漂移事件位于唐家壩組中下部巖石樣品中，δ13C測試值3.21‰，發生明顯正漂移，經對比發現該正漂移事件可能與寒武紀全球性δ13C正漂移事件SPICE相關[38]，分析可能是因為該段時期內本地區海洋環境為溫暖清澈環境，海洋生物多樣性恢復，海洋生產力迅速升高，導致有機碳中12C富集，從而引起δ13C明顯變高；P2正漂移事件位于博菜田組中部巖石樣品中，該事件為局部海洋沉積環境變化導致，不具備全球對比性質，分析可能是受沉積介質溫度及鹽度的影響，生物活動性局部增強，海洋生產力局部變化原因所致。N1負漂移事件位于唐家壩組與博菜田組交接部位，與全球性寒武紀δ13C負漂移TOCE事件發生部位相當，但有學者[3]認為該TOCE事件不具備全球性。筆者認為該段沉積時期內沉積介質溫度穩定，鹽度變化不大，沉積水體波動性較小，且負漂移程度相對不明顯，因此認為該負漂移事件是由局部海洋沉積環境變化導致，與全球性寒武紀δ13C負漂移TOCE事件無關；N2負漂移事件位于博菜田組中上部，該事件明顯受沉積介質溫度和鹽度變化影響，該套地層中采集大量三葉蟲及腕足類化石。因此本次負漂移事件可能是海水動蕩引起大量底棲生物死亡從而導致海洋生產力急速下降所致。

6 氧同位素特征

古老巖石樣品中氧同位素對環境的指示意義較差，容易受介質溫度和濃度影響[11]。后期成巖作用中重結晶作用、白云巖化作用、同位素分餾作用、交換作用以及淡水淋濾作用均會對原始碳酸鹽巖沉積物中氧同位素產生較大影響[4,12]。因此少有學者單獨使用氧穩定同位素來分析古環境，而是綜合碳氧穩定同位素及其他同位素結合的方法來進行古環境分析。滇東南晚寒武世-早奧陶世地層碳酸鹽巖樣品氧同位素測試值介于-11.48‰～-9.35‰，平均值-10.21‰。總體來看，唐家壩組和博菜田組底部碳酸鹽巖氧同位素組成較穩定，波動幅度較小，博菜田下部及中上部碳酸鹽巖氧穩定同位素波動較大（圖4）。

7 沉積環境分析

7.1 古海洋鹽度

表2 滇東南晚寒武世-早奧陶世沉積環境古溫度、古鹽度數據

研究表明，碳氧同位素值與古海洋鹽度有較大關聯，且二者一般存在正相關關系，即碳氧同位素值越大，與之對應沉積環境的海水鹽度值就越大，碳酸鹽巖沉積環境中鹽度變化時，巖石中碳同位素值也隨之發生變化[33]。現代研究中多采用Z值大小來定性判斷沉積環境水體鹽度，一般采用Z值等于120來區分淡水相和海相沉積環境，當Z值小于120時，認為其形成于淡水沉積環境，當Z值大于120時，則表示其形成于海相沉積環境[29,36]，而Z值的絕對大小則可表示沉積水體鹽度相對高低。利用Keith[36]對Z值的計算公式計算得出25塊滇東南晚寒武世-早奧陶世地層碳酸鹽巖樣品Z值（表2），可以看出除TY21樣品Z值接近120之外，其余樣品Z值均大于120，說明當時整體處于海相沉積環境，低值樣品可能是因為樣品采集或者樣品受大氣淡水或陸源河流補給影響的環境中[9,13,28]。總體而言，研究區晚寒武世-早奧陶世沉積水體鹽度分布較穩定，早期唐家壩組時水體鹽度相對較高，隨著時間推移沉積水體鹽度值有逐漸降低趨勢（圖4），博菜田組中部出現一次水體鹽度值波動情況，可能與古海平面變化和陸源淡水補充流量下降有關。

7.2 古海水溫度

古老巖石樣品中氧同位素對環境的指示意義較差，沉積介質溫度和濃度的變化以及后期成巖作用中的重結晶作用、白云巖化作用、同位素交換和分餾作用以及淡水淋濾作用均會對巖石中氧穩定同位素組成特征產生明顯影響。因此在使用氧同位素時必須考慮其“年代效應”。目前采用第四紀海相碳酸鹽巖氧同位素平均值-1.2‰為年代效應校正標準得到廣泛應用[22]，采用這一標準校正后的氧同位素值計算成巖介質溫度時發現結果多數在40℃到65℃之間，這顯然不能真正代表當時成巖介質溫度。有學者[17]提出寒武紀海水氧同位素值為-8.0‰，采用這一標準校正本次測試樣品的氧同位素值，經校正后計算本次樣品成巖介質溫度介于21.55℃～31.41℃，平均值25.02℃（表2）。而古地磁學的研究成果表明在寒武紀時研究區位于北緯30°，東經105°[14]。說明當時處于一個溫暖或者炎熱的亞熱帶氣候。

8 結論

1）研究區在晚寒武世-早奧陶世時處于海相沉積環境，沉積相為開闊臺地相向淺海陸棚相過渡，沉積水體從早到晚表現出動蕩變深，表現出多個下粗上細沉積韻律特征，主體為退積型沉積序列。

2）研究區碳酸鹽巖碳同位素值介于-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‰。碳同位素值總體呈下降趨勢，局部相對波動，出現2次正漂移和2次負漂移事件，P1正漂移事件可能與寒武紀生命多樣性恢復有關，其他漂移事件可能與沉積環境（巖相古地理、溫度和鹽度）局部變化有關。經計算得出該段地質歷史時期古海水溫度介于21.55℃～31.41℃，屬一個相對溫暖或者炎熱的亞熱帶氣候。

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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

中國地質調查局項目（12120114072701,12120100000150008-04）

王春林（1989.03-），男，四川武勝縣，工程師，研究方向：礦物學、巖石學、礦床學及同位素地球化學

P597.2

A

1006-0995（2020）04-0680-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.032