焦作地區太原組灰巖碳氧同位素對淡水注入的指示

郭山奇 宋猛飛

摘要：對焦作地區太原組灰巖碳氧同位素的分析，灰巖中碳氧同位素的分布呈值隨著年代由老到新逐漸增高，逐漸減小，L2-L4灰巖段為低負值或近于零的正值，為較高負值，該灰巖段為海水成巖環境；頂部為高負值，z值近120，為混合水成巖環境。同時將焦作地區太原組與二疊紀棲霞組和湘中下石炭統相比較，更加證實了同時期的焦作地區太原組灰巖受到淡水注入的影響，焦作地區太原組灰巖的碳氧同位素表現為異常值。

關鍵詞：焦作地區；太原組；碳氧同位素；淡水注入

前言：自從上世紀五十年代前后提出氧同位素古溫度計理論以來，沉積物碳酸鹽巖碳、氧同位素已經大量地應用在古氣候、古環境研究中。經過幾十年的發展，沉積物碳酸鹽巖同位素研究已經取得了很多豐碩的成果。碳酸鹽巖記錄了沉積水體與沉積環境的很多信息，內部含有的穩定同位素可以區分海水，淡水成因和混合沉積環境等信息。這是由于淡水環境下的碳氧同位素較海水成因輕，這是因為淡水中的碳同位素易受到植物作用和腐爛的有機質產生的CO2的影響，碳同位素偏輕；由于水的蒸發過程，160在水的氣態中富集，因此，同緯度下的淡水較海水氧同位素偏輕。

1地質概況、采樣與方法

研究區位于華北陸塊南部，如圖1。焦作地區太原組地層經歷海退海進，沉積了主要的7層灰巖段，巖性分別為泥晶生物屑灰巖、粉晶生物屑灰巖、團粒生物屑粉晶灰巖，泥晶灰巖，其中夾雜其他沉積巖如石英砂巖、粉砂質粘土巖、高嶺石粘土巖、炭質粘土巖、硅質巖和煤線（煤層）等。灰巖與硅質粘土巖中海相化石豐富，主要有蜓、有孔蟲、腕足類，珊瑚、雙殼、介形類、棘皮類、腹足類、藻類、牙形石、海綿類、頭足類等。屬淺海陸棚-開闊臺地生物灘及濱岸海灣一淡化瀉湖沉積環境。

2結果

全巖碳氧同位素分析結果如表1，焦作地區太原組L2-L4層灰巖中813c值在-0.64-1.05‰之間，且呈現隨著年代由老到新逐漸變大，頂部灰巖中的813c值為一1.15‰，與L2-L4層灰巖相比813c值突然出現負高值。L2-L4層灰巖中8180值為-9.24 9.43‰之間，變化范圍很小，僅相差0.19‰，但是頂部灰巖中8180值為一11.78‰，與L2-L4層灰巖相比8180值突然出現負高值。

將以上樣品中的813c值和8180值投在坐標系中，以813c值為縱坐標，以8180值為橫坐標（如圖2），并從該圖中看到焦作地區太原組灰巖中813c值和8180值并不存在相關性，且1311-8樣品表現出明顯的特殊性。

3討論

3.1海水鹽度的影響

Keith和webe r（1964）把813c、8180兩者結合起來用來指示古鹽度，他們推導出以下方程式以區分侏羅紀和時代更新的的海相石灰巖和淡水石灰巖：

Z=2.048×（813c+50>}0.498×（8180+50）（8的標準為PDB）（2）

z>120時為海相石灰巖

Z=120時為未定型石灰巖

z<120時為淡水石灰巖

而根據表1，焦作地區太原組灰巖除頂部灰巖z值小于120，其他層位中灰巖z值都高于120，但是普遍都接近于120。陳榮坤對不同成因環境下的碳酸鹽巖進行碳氧同位素的測試數據總結分析，將碳酸鹽巖沉積環境分為大氣淡水成巖環境、混合水成巖環境、正常海水成巖環境和淺一深埋藏成巖環境，并指出混合水成巖環境具體表現為8180值小于零，而813c則大于零。同時，現代碳酸鹽巖沉積理論認為，現代半咸水灰巖z值（90-120）的比擬，屬于半咸水環境。-

綜合以上理論，頂部太原組屬于半咸水環境。太原組灰巖由下至上由海相向淡水相灰巖過渡，即太原組沉積由海侵向海退過渡。同時也說明正常海相灰巖向半咸水灰巖逐漸過渡，說明上述灰巖在形成過程中由于后期海退常有短暫的暴露或淡水淋濾的經歷。

3.2淡水注入對灰巖的影響

一般認為石炭一二疊紀時的海相灰巖的818O值為-58‰，本區太原組海相灰巖的8180值為9.24--9-43‰之間：許多學者認為古生代以來各地質時代的海相碳酸鹽巖813c值很穩定，變化范圍在+2.2-3.0‰以內。而淡水碳酸鹽813c變化范圍很大，可從-2.0‰變化到-8.0‰，而本區海相石灰巖的813c值在-0.64-1.05‰，淡水灰巖的813c值為-1.15‰，無論海相灰巖還是淡水灰巖都比上述的813c值偏低，推測可能本區太原組灰巖沉積受到淡水的影響。

3.3淡水影響的混合機理

焦作地區太原組灰巖L2-L4、頂部灰巖段均屬于淺海相帶，海水不深，淡水主要來自大氣降水和地表徑流的影響。淡水中相對于海水富集輕元素，即淡水中相對富集12C和160，由于淡水的注入造成焦作地區碳氧同位素分餾。在同位素分餾作用的影響下，焦作地區太原組灰巖818O值和813c值相對偏低。

隨著地層的由老到新，8180值逐漸降低，該區灰巖受到淡水的影響逐漸加深，頂部灰巖的8180值達到最小值，說明頂部灰巖受到的淡水影響最大；L2-L4層灰巖中813c值由下至上逐漸升高，推測這主要是生物碎屑含量逐漸減少的原因，因為生物碎屑相對方解石富含12C，而頂部灰巖813c值出現負高值，這是由于頂部灰巖沉積環境為半咸水環境，陸生植物比海生植物富含12C，淡水中又含有較多的有機成因的CO2，所以淡水形成的碳酸鹽同位素比L2-L4層形成的碳酸鹽輕。

4結論

結合焦作地區太原組的沉積地層和沉積環境，并對焦作地區太原組灰巖中碳氧同位素的分布規律及其控制因素，得出以下結論：

1.焦作地區太原組中L2-L4層灰巖中813e值隨著年代由老到新逐漸變大，但頂部灰巖中8”c值出現高負值；8180隨著年代由老到新逐漸變小。

2.焦作地區太原組灰巖中813c和8180比較低，主要受淡水注入的影響，且頂部灰巖影響較大。