杨雪琪, 钟大康, 任影, 谢瑞, 姜杨锦丰, 蒲强, 钟泞聪, 唐自成. (2017)重庆东部地区寒武系龙王庙组碳、氧同位素特征及其意义[J]. 古地理学报, 19(5): 865-878
Yang Xueqi, Zhong Dakang, Ren Ying, Xie Rui, Jiang Yangjinfeng, Pu Qiang, Zhong Ningcong, Tang Zicheng. (2017)Characteristics and significance of carbon and oxygen isotopes of the Cambrian Longwangmiao Formation, eastern Chongqing[J]. Journal Of Palaeogeography, 19(5): 865-878.   
DOI:10.7605/gdlxb.2017.05.067
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重庆东部地区寒武系龙王庙组碳、氧同位素特征及其意义
杨雪琪1,2, 钟大康1,2, 任影1,2, 谢瑞1,2, 姜杨锦丰1,2, 蒲强1,2, 钟泞聪1,2, 唐自成1,2
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249

第一作者简介 杨雪琪,女, 1992年生,中国石油大学(北京)地球科学学院硕士研究生,主要从事沉积学与储层研究; E-mail: cugfry@163.com。


通讯作者简介 钟大康,男, 1961年生,博士,教授,现主要从事沉积学与储层研究。联系电话: 010-89733322; E-mail: cugfry@163.com。

收稿日期:2016-11-07
摘要

在野外露头和镜下薄片观察分析的基础上,对重庆东部地区下寒武统龙王庙组 83个碳酸盐岩样品的碳、氧同位素进行测试,并分析了其所保留的海水原始信息的有效性。结果表明,扣除无效数据后,重庆地区龙王庙组δ 13C值分布在 -4.300‰~2.694‰之间,平均值为 -0.031‰;δ 18O值分布在 -9.880‰~-0.100‰之间,平均值为 -7.396‰;纵向上,碳同位素值整体呈现先降低后升高的趋势,底部、中上部及顶部为正值且变化幅度小;中下部整体为负值且波动幅度大,正、负漂移事件频发。古环境恢复结果显示,龙王庙期重庆东部地区整体处于海相沉积环境,海水盐度在龙王庙组早期较低,晚期较高;海水温度主要介于 20~30, ℃之间,属温暖或炎热的亚热带气候;龙王庙期共经历 3期海退—海侵作用,海平面上升、海洋生产力增加、有机碳快速埋藏使得海洋中 13C含量升高,反之则使其降低。龙王庙组沉积中期与末期,δ 13C值负偏,水体较浅,盐度较高,是白云岩发育的最有利阶段。

关键词: 碳、氧同位素; 古海水温度和盐度; 地质意义; 龙王庙组; 重庆东部地区
中图分类号:P597 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2017)05-0865-14
Characteristics and significance of carbon and oxygen isotopes of the Cambrian Longwangmiao Formation, eastern Chongqing
Yang Xueqi1,2, Zhong Dakang1,2, Ren Ying1,2, Xie Rui1,2, Jiang Yangjinfeng1,2, Pu Qiang1,2, Zhong Ningcong1,2, Tang Zicheng1,2
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249;
Abstract

To eveluate the paleoceanographic information recorded in the stratigraphic record, carbon and oxygen isotope analyses were conducted for 83 carbonate rock samples from the Longwangmiao Formation of the Lower Cambrian along with outcrop study and thin section analysis. The results (excluding invalid samples)show that the δ13C values of carbonate rocks in Longwangmiao Formation vary from -4.300‰ to 2.694‰ with the mean value of -0.031‰ and the δ18O values vary between -9.880‰ and -0.100‰ with the average of -7.396‰. The vertical variation of δ13C shows a decrease trend followed by an increase trend from bottom to top of the studied interval. The carbon isotopic composition is characterized by negative values with frequent occurrences of positive or negative excursions at the lower to middle part of the formation and positive values with small fluctuation at the other parts. The reconstruction of palaeo-ocean environments shows that marine environment was developed around the eastern Chongqing area during the Lower Cambrian Longwangmiao stage. The salinity of seawater was low during the Early Longwangmiao stage and high during the later stage. Sea water temperature mainly ranged between 20,℃ and 30,℃,suggesting a warm to hot subtropical climate. Three stages of regression-transgression cycles through Longwangmiao stage were identified. When sea level rises,increased marine productivity and fast burial of organic carbon result in an increase of δ13C value. In the case of dropping sea level, the δ13C value decreases. During the middle to late Longwangmiao stage,the negative shift of δ13C value,low seawater level and the high salinity provide favorable conditions for the development of dolomites.

Key words: carbon and oxygen isotopes; temperature and salinity of palaeoseawater; geological significance; Longwangmiao Formation; eastern Chongqing
1 概述

古代海相碳酸盐岩稳定同位素的组成能够近似地反映同时期古海洋同位素的组成, 从而反映当时的古气候与古环境(张文淮, 1991)。前人在利用碳、氧同位素研究古盐度、古温度、古海平面变化等方面取得了一些进展(李任伟等, 1999; 腾格尔等, 2004; 高志前等, 2006; 刘德良等, 2006; 王坤等, 2011; 陈强等, 2012; 黄思静等, 2016)。重庆地区下寒武统龙王庙组发育一套海相碳酸盐岩沉积, 前人对重庆及周缘地区、乃至整个四川盆地龙王庙组古生物学、地层学、沉积相及储集层特征等方面做了大量的研究, 但在地球化学特征特别是碳、氧同位素方面研究成果很少。本文对重庆地区彭水县板凳沟剖面龙王庙组碳酸盐岩样品进行系统采样, 在野外露头和镜下薄片分析基础上, 完成了碳、氧同位素测定, 探讨该地区龙王庙组碳、氧同位素的赋存与迁移规律, 并对龙王庙期古气候、古海洋环境进行系统阐述, 对探讨该区地壳发展史和全球海平面对比都具有重要意义。

2 区域地质背景

研究区位于四川盆地东部地区, 构造上位于川东高陡构造带, 西以华蓥山为界, 东至七跃山, 北抵大巴山, 南至重庆以南石油沟一带, 发育自西向东的NE-NNE向隔挡式褶皱构造带(胡光灿和谢姚祥, 1997)。地理上跨越了重庆市境内的万州、开县、涪陵、南川等地(图1), 重庆地区寒武系出露较全, 基本发育海相碳酸盐岩, 龙王庙组在溶溪、太原剖面均有出露, 地层厚度为55~270, m, 总体上表现为自北西向南东增厚, 与上覆高台组(碎屑岩、碳酸盐岩和膏岩的混积岩层)和下伏沧浪铺组(细粒碎屑岩层)均呈整合接触。生物化石具多样性, 见三叶虫、腕足化石(Zhang et al., 2008)。岩石学特征方面, 龙王庙组底部以深灰色中厚层灰岩为主, 见泥质条带泥晶灰岩夹层; 中部主要为灰色、灰白色中薄层白云质灰岩、颗粒灰岩和白云岩, 部分白云岩发生石膏化; 顶部晶粒白云岩广泛发育, 颗粒白云岩发育程度相对较低(任影等, 2016)。世界范围内该套寒武系沉积的生物地层学、岩石地层学研究表明, 龙王庙组的沉积时间约为514~509, Ma(Wang et al., 2008; Ishikawa et al., 2014; Zhang et al., 2015)。

早寒武世筇竹寺期(521~518, Ma), 四川盆地为倾向南东的陆棚沉积, 物源主要来源于盆地西南部的康滇古陆、西北部的摩天岭和汉南古陆, 海水由南东方向侵入, 海平面在沧浪铺期(518~514, Ma)初期开始波动性下降; 到沧浪铺期晚期, 由于陆棚碎屑岩的填平补齐, 盆地地势趋于平坦, 总体表现为西北高、东南低的走势, 而伴随着海平面继续下降, 为碳酸盐岩台地的发育提供有利条件。龙王庙组沉积时期(514~509, Ma), 研究区整体地势平坦, 区内发生小幅度的差异性升降运动, 西北部以小幅度隆升为主, 东南部以小幅度下降为主, 形成西北高— 东南低、不对称半地堑与地垒相间的古地貌格局(黄富喜等, 2011; 任影等, 2015); 加之海平面持续下降, 海水明显变浅, 气候炎热, 研究区发育一套呈北东南西向展布的碳酸盐岩台地沉积, 自西向东依次发育有蒸发台地、局限台地和开阔台地相, 并以局限台地最为发育, 研究区以西发育混积潮坪相。

3 样品采集与测试

本次研究的样品全部采自重庆市彭水县板凳沟剖面(29° 43'N, 108° 12'E), 该剖面位于重庆东部地区(图 1), 龙王庙组地层厚度约90, m, 主要为局限台地内碳酸盐沉积(图 1), 板凳沟剖面地层露头连续, 采样时所有样品均取自新鲜露头, 并尽可能避免后期蚀变或风化作用的影响, 以免影响测试结果的准确性, 该剖面共采集碳酸盐岩样品83块(采样间隔为1~1.2, m)。

图1 重庆东部地区构造位置及寒武系龙王庙组岩相古地理(据任影等, 2016)Fig.1 Tectonic location of eastern Chongqing and lithofacies palaeogeography of the Cambrian Longwangmiao Formation (After Ren et al., 2016)

普通薄片的制备选取未经风化和蚀变的新鲜岩样, 经茜素红染色后制成0.03, mm厚的薄片, 在Olympus Microscope BH-2光学显微镜下观察并拍照; 碳、氧同位素测试采用McCrea正磷酸法, 样品经切片观察后, 选取新鲜部位, 并研磨至200目, 与无水磷酸在25, ℃水域中反应, 收集2, h内的气体, 其反应产物CO2主体来源于方解石部分, 在Finnigan-MAT 252型气体同位素质谱仪上分析样品的碳氧同位素值, 分析精度采用国家标样GBW04405, 标准偏差为0.1‰ , 分析结果采用PDB标准。上述样品的分析、测试均在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成。

4 岩石学特征

本次研究的83件龙王庙组岩石样品中, 包含碳酸盐岩类样品47件, 混积岩类样品36件。结合野外露头和镜下薄片观察分析, 可知重庆地区彭水县板凳沟剖面龙王庙组底部为灰色白云岩、灰质云岩(图 2-c, 2-d), 含石英泥质白云岩夹亮晶砂屑灰岩(图 2-a, 2-b); 中下部为深灰色、灰黑色泥晶灰岩(图 2-e, 2-f), 混积岩发育; 中部以浅灰色泥晶白云岩, 含长石云岩, 石英质白云岩为主, 夹有薄层云质灰岩、石英质灰岩(图2-g; 图3-a); 中上部为深灰色、灰色泥晶云质灰岩, 泥晶灰岩, 并含有砂屑(图3-e, 3-f)、生屑(图 3-c, 3-d)等颗粒; 顶部主要为灰色亮晶砂屑灰岩及白云岩(图 3-g, 3-h), 在垂向上自下而上构成3套白云岩— 灰岩的沉积旋回。

图2 重庆东部地区板凳沟剖面寒武系龙王庙组野外和镜下照片(一)
a— 灰色灰岩, 野外露头, TYL4; b— 亮晶砂屑灰岩, 染色薄片, 单偏光, TYL4; c— 灰色灰质白云岩, 野外露头, TYL12; d— 泥晶含灰石英质白云岩, 染色薄片, 单偏光, TYL12; e— 深灰色泥质条带灰岩, 野外露头, TYL18; f— 含石英灰岩, 染色薄片, 单偏光, TYL18; g— 浅灰色膏溶云质灰岩, 野外露头, TYL31; h— 泥晶石英质灰岩, 染色薄片, 单偏光, TYL31Fig.2 Field and microscopic photos of the Cambrian Longwangmiao Formation at Bandenggou section in eastern Chongqing(Ⅰ )

图3 重庆东部地区板凳沟剖面寒武系龙王庙组野外和镜下照片(二)
a— 薄层灰色灰岩, 野外露头, TYL40; b— 混积岩, 染色薄片, 单偏光, TYL40; c— 灰色中层灰岩, 野外露头, TYL51; d— 泥晶生屑灰岩, 染色薄片, 单偏光, TYL51; e— 灰色云质灰岩, 野外露头, TYL63; f— 砂屑云质灰岩, 染色薄片, 单偏光, TYL63; g— 灰色灰质云岩, 野外露头, TYL74; h— 亮晶砂屑灰质云岩, 染色薄片, 单偏光, TYL74Fig.3 Field and microscopic photos of the Cambrian Longwangmiao Formation at Bandenggou section in eastern Chongqing(Ⅱ )

镜下观察表明, 该剖面龙王庙组灰岩样品多为泥晶灰岩, 泥质含量较高, 少部分也可见亮晶颗粒灰岩, 颗粒多为鲕粒、砂屑和生屑, 部分颗粒发生白云石化(图 3-h), 当白云石化进行得比较完全的时候, 只残留轮廓边缘; 所采集到的白云岩样品, 质不纯, 多含方解石和碎屑矿物(图 2-h), 部分还含有石膏等蒸发盐类矿物, 孔隙类型主要有残余粒间孔、晶间孔及选择性溶蚀形成的粒内孔、铸模孔; 除较纯的碳酸盐岩, 还可在镜下观察到石英、长石以及微量的云母等碎屑矿物与方解石、白云石构成的混积岩类(图 2-d, 图2-h, 图3-b)。

分析表明, 该地区龙王庙组岩石学特征虽以碳酸盐岩为主, 但碎屑矿物含量整体较高。在垂向上, 剖面底部(图 2-b)、中下部(图 2-f)以及顶部碎屑矿物含量较高。相对较高的碎屑矿物含量指示了沉积过程中较为丰富的陆源碎屑供给, 尤其在该地区早寒武世龙王庙组沉积早— 中期, 水体较为动荡, 海平面波动频繁, 整体上经历了海退— 海侵— 海退的变化过程, 且由于海侵持续时间相对较短, 海退作用相对较长, 而持续的海平面下降引发的侵蚀作用导致大陆风化作用加剧, 陆源注入物增多, 是该时期碎屑矿物含量较高的主要原因; 在沉积中— 晚期, 该地区海平面相对稳定, 呈现长期缓慢上升的趋势, 陆源碎屑注入量随之降低(图 3-f, 图3-h)。

5 碳、氧同位素特征
5.1 数据有效性分析

古代海相碳酸盐岩往往受到不同程度的成岩作用改造, 导致其对海水信息保存的完整性受损。因此, 在运用碳酸盐岩的碳、氧同位素进行古环境研究之前, 必须对样品的成岩蚀变程度及其对海水原始信息保存的完整程度进行检验和评估。海相碳酸盐岩的成岩蚀变评估方法多样, 包括地球化学方法、阴极发光方法等(黄思静, 1997; 黄思静等, 2003)。碳酸盐岩的氧同位素组成对沉积期后的变化最为敏感, 原岩 δ 18O 值受沉积期后大气水和热水流体的影响会显著降低, 现今比较认同的标准是Kaufman和Knoll(1995)提出的“ 当δ 18O< -5‰ 时, 海相碳酸盐岩已经遭受沉积后蚀变, 但其碳、氧同位素组成仍具一定海水代表性; 当δ 18O< -10‰ 时, 数据已不能使用” 。还有一些学者用 δ 18O 与δ 13C是否具有正相关性来判断岩石是否受到成岩作用的影响(Williams, 1988; Qing and Veizer, 1994), 通常认为, 如果 δ 18O 值和δ 13C值不存在明显的相关性, 并且它们对应的地层曲线不具有正相关性, 则认为样品基本保存了原始的碳、氧同位素组成。

板凳沟剖面龙王庙组采集的83个样品中, 有20个样品 δ 18O 值小于-10‰ (图 4), 表明上述样品可能遭受了强烈的成岩蚀变, 其余63个样品 δ 18O 值大于-10‰ , 且与δ 13C值不具有明显的相关性(图 5)。以δ 18O> -10‰ 作为判别有效稳定同位素数据的标准, 故剔除样品 20个, 样品剔除率为24.1%, 除此以外, 作者还分析了与其相邻的沧浪铺组顶部和高台组底部的海相碎屑岩样品各2个, δ 18O值均大于-10‰ , 因此, 可以认为, 所选择的67个样品的碳、氧同位素基本保存了海水原始的同位素信息, 可以用于古环境的研究。

图4 重庆东部地区板凳沟剖面寒武系龙王庙组碳、氧同位素含量与古环境特征Fig.4 Carbon and oxygen isotopic contents and paleoenvironmental characteristics of Cambrian Longwangmiao Formation at Bandenggou section in eastern Chongqing

5.2 碳同位素特征

自然界的碳基本上储存于有机碳(还原碳)和无机碳(氧化碳)这两大碳库中, 两者的δ 13C平均值相差大约25× 10-3(陈锦石等, 1995)。前人研究表明, 影响海相碳酸盐岩碳同位素的众多因素中, 有机碳的氧化与相对埋藏量是最重要的(李忠雄和管士平, 2001)。当大量有机碳快速埋藏时, 由于有机碳通常富集12C, 从而使得自然界碳库和与之平衡的海水中的无机碳相对富集13C, 相应沉积的碳酸盐13C正偏(沈渭洲, 1987), 反之亦然。因此, 海洋碳酸盐岩的δ 13C值升高, 意味着该时期, 海洋生产力高; 海洋碳酸盐岩的δ 13C值降低, 则说明该时期海洋生产力低。而海洋有机碳的埋藏速率一般受3个因素的控制: (1)生物的大量繁殖或灭绝(减少), 在营养成分充足的环境下, 藻类大量繁殖, 并进行光合作用, 可以优先吸收轻同位素12C, 而使得水体中重同位素13C的含量增加。而恶劣的环境则导致大规模的生物减少或灭绝, 对生物生产力造成巨大的影响, 这使得海水中12C富集, 而贫13C; (2)全球气候的冷暖变化, 温度的大幅度变化会引起狭温生物的大量死亡, 海洋生产力随之降低, 从而使海水中的13C降低; 另一方面, 由于海水的表层温度下降, 海水表层溶解的大气CO2含量增加, 而大气中更富含12C, 对应沉积期内碳酸盐岩的13C也有所下降(严兆彬等, 2005); (3)海洋有机碳的埋藏速率明显受海平面变化的控制, 海平面上升时, 有机碳埋藏速率大, 另一方面古陆氧化面积减小, 因剥蚀而带入海洋的有机碳随之减少, 海洋碳酸盐岩的δ 13C值增加(李儒峰和刘本培, 1996; 王鸿祯, 2000; 彭苏萍等, 2002)。

板凳沟剖面龙王庙组δ 13C值分布在-4.300‰ ~2.694‰ 间, 平均值为-0.031‰ , 相邻地层沧浪铺组2个样品δ 13C值分别为-2.127‰ 、-1.533‰ , 平均值为-1.830‰ , 高台组2个样品δ 13C值分别为0.976‰ 、0.112‰ , 平均值为0.544‰ (表 1)。海水的δ 13C值接近于0, 正常海相碳酸盐的δ 13C值介于-1‰ ~2‰ 之间(郑永飞和陈江峰, 2000), 海水中的一些异常δ 13C数值代表了局部条件, 而另一些被认为代表全球的缺氧条件, 本地区碳同位素异常发生在龙王庙组底部(TYL02、TYL05)和中部(TYL39、TYL40、TYL42), 推测可能与寒武纪生物的爆发与灭绝有关(左景勋等, 2008)。

研究区碳同位素整体呈一个先降低、后升高的变化趋势, 底部、中上部以及顶部为正值且变化幅度小, 中下部整体为负值且波动幅度大, 具体来说分别发生了5次正漂移和5次负漂移事件(图6), 第1次正漂移(P1)事件发生在沧浪铺组与龙王庙组的交界处, 在TYL03样品处出现第1次负漂移(N1), 之后分别在TYL17(P2)、TYL18(N2)与TYL21(P3)、TYL27(N3)出现2次幅度较小的正负漂移, 在样品TYL38处突变为正值(P4)后立即再次负漂移(N4), 并在样品TYL40处达到龙王庙组δ 13C的最低值, 之后逐渐增大, 在样品TYL52处变为正值(P5), 在龙王庙组的中上部及顶部, δ 13C值仅在样品TYL63处为负值(N5), 其余均为正值; 龙王庙组与高台组的界线处, δ 13C值有负漂移的趋势。上述现象说明重庆地区龙王庙沉积早— 中期, 海洋环境的稳定性相对较差, 海平面波动频繁, 而δ 13C值长期的负漂移则反映了海洋原始生产力、有机碳埋藏量下降; 在沉积的中— 晚期, δ 13C值多表现为正值, 且有逐渐增高的趋势, 与海平面长时间的缓慢上升相对应, 反映了海洋原始生产力的增加, 有机碳快速埋藏, 海水中的无机碳相对富集13C, 这一变化趋势与同一时期川中— 川西南及周缘的湖南、贵州(Brasier et al., 1994; Li et al., 2007)都有较好的对应关系。

图5 重庆东部地区板凳沟剖面龙寒武系王庙组碳酸盐岩δ 13CPDB-δ 18OPDB交会图Fig.5 Cross plots of δ 13C-δ 18O of carbonate rocks in the Cambrian Longwangmiao Formation at Bandenggou section in eastern Chongqing

表1 重庆地区板凳沟剖面寒武系龙王庙组碳、氧同位素组成 Table 1 Contents of carbon and oxygen isotopes in the Cambrian Longwangmiao Formaiton at Bandenggou section in eastern Chongqing

图6 重庆东部地区板凳沟剖面寒武系龙王庙组碳酸盐岩碳、氧同位素组成及变化Fig.6 Carbon and oxygen isotopic composition and variation in carbonate rocks of the Cambrian Longwangmiao Formation at Bandenggou section in eastern Chongqing

5.3 氧同位素特征

海相碳酸盐岩氧同位素的组成对沉积期后的变化比较灵敏, 不但受深埋环境高温的影响, 成岩作用中的白云石化作用、重结晶作用和淡水淋滤作用等都会造成碳酸盐沉积物与大气和热水流体发生同位素交换, 使得 δ 18O 值明显变小, 故氧同位素难以成为可靠的古代海水指示剂(郭福生等, 2003)。尽管 δ 18O 能够在一定程度上反映大陆冰川的凝聚和消融(Mattews and Poore, 1980; Hoffman et al., 1991)、海底扩张和白云岩的沉积环境, 但前人很少单独对氧同位素进行分析, 多是结合碳、氧同位素来进行古环境的研究。

重庆地区太原乡板凳沟剖面龙王庙组 δ 18O 值分布在-9.880‰ ~-0.100‰ , 平均值为-7.396‰ ; 相邻地层沧浪铺组2个样品 δ 18O 值分别为-6.830‰ 、-6.016‰ , 平均值为-6.423‰ ; 高台组2个样品 δ 18O 值分别为-7.845‰ 、-7.061‰ , 平均值为-7.453‰ (表 1)。结合龙王庙组岩性特征来看, 白云石含量高的样品 δ 18O 值低于方解石含量高的样品, 表明受到白云岩化作用的 δ 18O 值有所降低。本地区氧同位素整体变化较大, 且没有明显的规律, 相对而言, 顶、底部地层波动幅度较大, 中部地层波动幅度较小。

6 古环境意义
6.1 古海洋盐度

前人研究表明, δ 13C、δ 18O值都与古海洋的盐度有关, 其中δ 13C与古盐度关系最为密切, 且受温度影响较小。早在1953年, Epstein等就建立了利用Z值计算古盐度的基本理论(Epstein et al., 1953), 他们假设某一个地区的温度不变, 那么盐度的变化就是由于 δ 18O 值的变化而引起的; 而Clayton和Degens研究表明, 碳酸盐岩中盐度变化时, 碳同位素也随之发生变化(Clayton and Degens, 1959), 研究人员判定碳氧同位素的数值大小与盐度的高低存在正相关的关系, 碳氧同位素数值越大, 盐度越高; 1964年, Keith和Weber(1964)把δ 13C和 δ 18O 两者结合起来, 用以区分侏罗纪以来的海相石灰岩和淡水石灰岩, 提出了一个古盐度计算公式(1):

Z=2.048×δ13C+50+0.498×δ18O+50(1)

式中, δ 13C和 δ 18O 的取值均采用PDB标准。对于侏罗纪以前的地层而言, 早期形成的碳酸盐岩中13C与12C之间难以发生交换, 比较稳定, 且自寒武系以来δ 13C值没有显著的变化, 所以这一公式仍然适用(张秀莲, 1985), 用Z值来判断沉积环境的一般标准为: 当Z值大于120时, 为海相石灰岩, Z值小于120时, 为淡水石灰岩。这一公式现已广泛的应用于中国元古界、古生界等碳酸盐岩地层的古盐度分析, 均取得了很好的效果(孔为伦等, 2011; 李倩文等, 2014; 姬国锋等, 2016)。

利用该公式求取本地区龙王庙组63个有效样品的Z值, 发现研究区龙王庙组Z值分布范围在114.262~131.681之间(表 2), 平均值为123.552, 且63个数据中只有4个样品Z值小于120, 其余都在120以上, 说明在龙王庙沉积期重庆地区大部分处于海相沉积环境, 偶有碳酸盐岩形成于暴露海面的大气淡水或受到陆源河流影响的环境中。整体上研究区龙王庙期海水盐度分布稳定, 相对而言, Z值在龙王庙组下部较低, 上部较高(图 4), 说明龙王庙组沉积初期水体盐度低, 随着时间的推移沉积介质盐度逐渐增大, 在顶部又有降低的趋势, 推测高台组的水体盐度会有所降低。

6.2 古海洋温度

碳酸盐岩稳定同位素的组成同时也受水体温度的控制(李倩文等, 2014), 据研究表明, 介质温度对 δ 18O 值的影响远超过盐度对它的影响, 而δ 13C值随温度变化甚小。因此, 在盐度不变的情况下, δ 18O值随温度的降低而升高, 可作为测定古温度的可靠标志。本文采用前人提出的古海水温度计算公式, 并校正(姬国锋等, 2016)成与本实验所用仪器及相关标准相对应的公式(2):

t(℃)=15.976-4.2δ18OCaCO3+0.13(δ18OCaCO3+0.22)22

但在全岩碳、氧同位素中使用这类公式, 计算出的结果偏差较大, 这主要是由于同位素年代效应、海水盐度的偏差及当时海水 δ 18O 值未知, 因此必须选用正常盐度下的样品和 δ 18O 校正值(孔为伦等, 2011)。一般来说, 年代校正是以第四纪海相碳酸盐岩的 δ 18O 平均值-1.2‰ 为标准(邵龙义等, 1996; 孟昊等, 2016), 本次研究过程中龙王庙组有效样品的 δ 18O 平均值为-7.396‰ , 两者相差6.196‰ , 因此用Δ δ 18O=6.196‰ 来校正龙王庙组有效样品的 δ 18O 值, 使其相当于第四纪样品的 δ 18O 值, 但有7个样品经校正后与第四纪样品的 δ 18O 值相差较远, 故舍弃, 对其余样品使用上述公式计算出重庆地区龙王庙组沉积期的古海水温度(表 2)。

表2 重庆东部地区板凳沟剖面寒武纪龙王庙期古温度、古盐度数据 Table2 Data of paleotemperature and paleosalinity of the Cambrian Longwangmiao Stage at Bandenggou section in eastern Chongqing

计算结果表明, 研究区龙王庙沉积期海水温度分布在10.536~33.009, ℃, 平均值为24.120, ℃, 海水温度主要分布在20~30, ℃, 约占总体的73.2%, 说明研究区龙王庙期为温暖或炎热的亚热带气候, 这一结论与古板块研究所揭示的四川盆地在寒武系处于北纬30° 、东经105° 的结论是一致的(李江海等, 2014)。具体来说, 龙王庙组早期水体温度较低, 然后升高, 后又降低, 呈现一个升高— 降低的波动性变化, 在龙王庙组顶部水体温度有所下降(图 3)。

6.3 地质意义

碳酸盐岩碳、氧同位素的赋存与变化规律, 不但反映了地层形成时的古气候和古海洋环境, 也为推断地质作用过程、分析沉积充填特征提供了地球化学依据(罗贝维等, 2013)。一般认为, 碳同位素值的升高和氧同位素值的下降可能反映全球温度升高、海水盐度降低、海平面(海水氧化还原界面)上升、海洋生产力增加及有机质产率增加等, 本文将通过碳、氧同位素的分析结果, 并结合构造背景, 阐述古环境与沉积充填特征之间的关系。

根据碳、氧同位素的特征可推断, 重庆地区龙王庙组沉积初期, δ 13C值波动性较强, 整体呈现降低— 升高— 降低的趋势, 这是该剖面经历的第1期海退— 海侵作用, 这一时期海平面波动较为频繁, 且持续时间较短, 当海平面处于较低位置时, 温度较高, 盐度也有所增大, 有利于白云岩的发育。在第2期海退作用时, 由于水体较浅, 离岸距离较近, 此时可能有陆源碎屑参与沉积作用, 发育石英质白云岩、含长石白云岩等混积岩类, 并发育颗粒滩, 之后δ 13C值较为稳定, 呈现缓慢上升的趋势, 这时温度较低, 发生第2期海侵作用, 持续时间较长, 多发育泥晶云质灰岩, 泥晶灰岩等方解石质碳酸盐岩沉积。到龙王庙组沉积末期, δ 13C值先降低后升高, 发生第3期海退— 海侵作用, 持续时间均较短, 此时盐度较大, 温度稳定, 水体较浅, 岩石类型主要为灰色亮晶砂屑灰岩及白云岩。

本次研究认为, 重庆地区龙王庙组沉积中期与末期, δ 13C值负偏, 水体较浅, 盐度较高, 是白云岩发育的最有利阶段, 与前人(金民东等, 2014; 李皎和何登发, 2014; 任影等, 2015)根据岩石学特征得出的结论较为一致, 而白云岩储集层是四川盆地龙王庙组油气资源最主要的储集层(黄文明等, 2009; 刘建清等, 2014; 刘树根等, 2014; 田艳红等, 2014), 因此重庆地区龙王庙组中部和顶部地层都可作为今后油气勘探的重点层位。

7 结论

1)重庆东部地区板凳沟剖面寒武系龙王庙组岩性在垂向上自下而上构成3套白云岩— 灰岩的沉积旋回。底部为白云岩、灰质云岩, 中下部为深灰色泥晶灰岩, 中部以浅灰色泥晶白云岩、混积岩为主, 中上部为灰色泥晶云质灰岩、泥晶灰岩, 并含有砂屑、生屑等颗粒, 顶部主要为灰色亮晶砂屑灰岩及白云岩。

2)重庆东部地区板凳沟剖面寒武系龙王庙组63个有效样品的δ 13C值分布在-4.300‰ ~2.694‰ 之间, 平均值为-0.031‰ ; δ 18O值分布在-9.880‰ ~-0.100‰ , 平均值为-7.396‰ ; 碳同位素值整体呈现先降低后升高的趋势, 底部、中上部以及顶部为正值且变化幅度小, 中下部整体为负值且波动幅度大, 共发生5次正漂移和5次负漂移事件。

3)寒武系龙王庙组沉积时期重庆地区整体处于海相环境; 海水温度主要介于20~30, ℃, 属温暖或炎热的亚热带气候; 龙王庙组共经历3次海退— 海侵作用, 除第2期海侵作用持续时间较长之外, 海侵、海退持续时间都较短, 海平面上升、海洋生产力的增加、有机碳快速埋藏使得δ 13C值升高, 反之则使其降低; 推测δ 13C值出现幅度较大的正漂移可能与寒武纪生命大爆发有关。

4)重庆地区龙王庙组沉积中期与末期, δ 13C值负偏, 水体较浅, 盐度较高, 是白云岩发育的最有利阶段, 与前人根据岩石学特征得出的结论相吻合。

The authors have declared that no competing interests exist.

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