信江盆地白堊紀(jì)周田組碳、氧同位素特征及意義

曹姝璐，朱志軍，劉騰，劉遠(yuǎn)超，饒強(qiáng)

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信江盆地白堊紀(jì)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(yuǎn)超1，饒強(qiáng)1

（1. 東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013；2. 東華理工大學(xué)省部共建核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)信江盆地周田組的鈣質(zhì)結(jié)核樣品進(jìn)行碳、氧同位素的測(cè)試和分析。結(jié)果表明：鈣質(zhì)結(jié)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(shí)期的湖泊初級(jí)生產(chǎn)力呈增強(qiáng)到減弱再增強(qiáng)的一種變化趨勢(shì)；這一時(shí)期周田組的植被以C4植物類型為主。

碳、氧同位素；白堊紀(jì)周田組；鈣質(zhì)結(jié)核；信江盆地

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

信江盆地是一個(gè)同時(shí)具有礦產(chǎn)資源和地貌景觀資源的湖相盆地，長(zhǎng)期以來(lái)吸引了大批的地質(zhì)學(xué)家在此開(kāi)展研究工作。在上世紀(jì)大規(guī)模的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)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(duì)信江盆地白堊紀(jì)地層進(jìn)行了研究，巫建華[7]、謝愛(ài)珍[8]、劉行軍[9-10]、李曉勇[11]等對(duì)盆地白堊系沉積相及沉積環(huán)境進(jìn)行了論述。隨后，郭福生、朱志軍等[12-13]對(duì)該地區(qū)丹霞地貌特征與沉積體系的關(guān)系展開(kāi)了研究。但該地區(qū)還未見(jiàn)有公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于碳氧同位素特征及古環(huán)境的文獻(xiàn)，本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)的碳氧同位素地球化學(xué)特征的研究，進(jìn)一步探討了信江盆地古環(huán)境，將有助于加深對(duì)白堊紀(jì)古氣候變化的陸地沉積響應(yīng)的理解，為該區(qū)陸相白堊系研究提供實(shí)際資料。

圖1 江西信江盆地地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)劉行軍圖）[14]

1 區(qū)域地質(zhì)概況

信江盆地是一個(gè)具有復(fù)雜演化歷史和復(fù)式結(jié)構(gòu)的中生代陸相盆地，也是中國(guó)大陸重要的丹霞地貌遺產(chǎn)地，盆地位于揚(yáng)子地塊與華夏地塊結(jié)合帶，近東西向東鄉(xiāng)—廣豐深斷裂帶南側(cè)，面積約400km2（圖1）。通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)綜合研究，周田組主要由細(xì)砂巖、粉砂巖，泥巖、礫巖及石膏層組成，部分含有鈣質(zhì)結(jié)核，偶見(jiàn)生物鉆孔，發(fā)育大型交錯(cuò)層理，為河湖相沉積[15]。其中，鈣質(zhì)結(jié)核呈灰白色的小疙瘩或紅色的生姜狀（風(fēng)化后呈圓的礫石狀），遇稀鹽酸劇烈氣泡。

圖2 周田組鈣質(zhì)結(jié)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(gè)樣品（表1），考慮到干擾因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在采集樣品的過(guò)程中需要盡量避開(kāi)風(fēng)化和有明顯后期方解石脈及溶孔，并盡量排除結(jié)晶程度較高的巖石樣品，只采取沒(méi)有后期蝕變、沒(méi)有方解石脈充填、沒(méi)有破碎現(xiàn)象的新鮮巖石，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

碳、氧同位素測(cè)試由東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)平衡1個(gè)小時(shí)后，用MAT-253質(zhì)譜儀測(cè)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(biāo)準(zhǔn)。

1.2 原始數(shù)據(jù)分析

分析可知信江盆地白堊紀(jì)周田組碳、氧同位素具有以下特點(diǎn)：

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(biāo)準(zhǔn)的許多測(cè)試結(jié)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(nèi)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(duì)較小，可以反映出沉積環(huán)境的變化。一般來(lái)說(shuō)δ13CV-PDB值和δ18OV-PDB值均隨介質(zhì)鹽度的升高而升高，其中δ13CV-PDB值與古鹽度關(guān)系最為密切，且受溫度影響較小。

表1 樣品碳氧同位素測(cè)試數(shù)據(jù)

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(lái)區(qū)分侏羅紀(jì)以來(lái)碳酸鹽沉積環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)公式：

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

式中δ13C和δ18O均用PDB作標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)Z＞120時(shí)為海相沉積環(huán)境，Z＜120時(shí)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(duì)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(lái)大致判斷樣品形成時(shí)的介質(zhì)鹽度的相對(duì)變化[19]。δ13CV-PDB值和Z值越大，反映其沉積介質(zhì)鹽度越高。本文應(yīng)用以上公式對(duì)研究區(qū)樣品沉積環(huán)境Z值進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 樣品δ13CV-PDB和δ18OVPDB與Z值相關(guān)關(guān)系

結(jié)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(jié)論，信江盆地白堊紀(jì)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(guān)性分析（圖3）可以看出，Z值與δ13CVPDB值具有較高的相關(guān)性，同時(shí)與δ18OVPDB不具有明顯的相關(guān)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(yīng)用Z值作為定量指標(biāo)來(lái)解釋古鹽度的相對(duì)變化。

2.2 湖泊的封閉與開(kāi)放性

無(wú)機(jī)化學(xué)地層學(xué)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(biāo)明，以便與文中的測(cè)試結(jié)果相比較。

湖泊同位素演化差異的影響因素造成開(kāi)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(guān)性[1]：在開(kāi)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(guān)或微相關(guān)，并且13C和18O都是負(fù)值，在以δ13CV-PDB值為縱坐標(biāo)、δ18OV-PDB值為橫坐標(biāo)、0為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中，其投點(diǎn)落在坐標(biāo)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(duì)較高，蒸發(fā)作用強(qiáng)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(qiáng)，較輕的12C和16O優(yōu)先逸出，湖水中13C和18O含量也相對(duì)增加，δ18OV-PDB值和δ13CV-PDB值相對(duì)注入水明顯偏大，且13C和18O之間呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，封閉性越強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)越大。13C基本為正值，18O則可能是正值也可能是負(fù)值，其投點(diǎn)大多落在坐標(biāo)軸的Ⅰ、Ⅳ象限。根據(jù)碳酸鹽巖碳氧穩(wěn)定同位素之間的相關(guān)性可判斷出古湖泊的水體開(kāi)放類型。

圖4 陸相和海相碳酸鹽巖碳氧同位素值對(duì)比（底圖據(jù)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(fù)值，在以δ18OV-PDB為橫座標(biāo)、以δ13CV-PDB為縱座標(biāo)的散點(diǎn)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(shí)期的湖泊為一個(gè)開(kāi)放性的淡水湖泊。

2.3 古生產(chǎn)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(shí)湖水中溶解無(wú)機(jī)碳的碳同位素組成的變化是一致的，而湖水溶解無(wú)機(jī)碳碳同位素組分之所以會(huì)發(fā)生變化是因?yàn)槭艿胶吹纳a(chǎn)力的影響。當(dāng)湖泊生產(chǎn)力高時(shí)，浮游植物生長(zhǎng)繁盛，浮游植物通過(guò)光合作用吸收較多的12C，使表層水體中溶解無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)庫(kù)中13C含量相對(duì)增加，從而使形成的原生碳酸鹽巖的δ13CV-PDB值偏高。因此，根據(jù)湖相碳酸鹽巖碳同位素組分的變化可以恢復(fù)古湖泊生產(chǎn)力的變化[23-24]。

湖泊初級(jí)生產(chǎn)力是指綠色植物通過(guò)光合作用，把無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的能力。甲烷細(xì)菌對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解很大程度上的影響碳同位素，一般認(rèn)為會(huì)使δ13CV-PDB值大于4 ‰[25]。而周田組碳酸鹽巖碳同位素值均為負(fù)值，所以周田組碳酸鹽巖碳同位素值主要受湖泊初級(jí)生產(chǎn)力的影響。當(dāng)湖泊初級(jí)生產(chǎn)力高，即植物光合作用強(qiáng)，12C被植物大量吸收，使表層水中溶解無(wú)機(jī)碳碳同位素中13C含量也相對(duì)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(duì)增加，即湖泊生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)與δ13CV-PDB值的變化趨勢(shì)保持一致。因此，根據(jù)湖相自生碳酸鹽巖碳同位素組成變化可反演湖泊初級(jí)生產(chǎn)力的變化。從周田組δ13CV-PDB值的變化趨勢(shì)（圖5）可以看出周田組底部（1層）到頂部（7層）的湖泊初級(jí)生產(chǎn)力呈增強(qiáng)到減弱再增強(qiáng)的變化趨勢(shì)。

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(shù)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(xiàn)少數(shù)灌木（大戟科和藜科）以及在溫暖季節(jié)里生長(zhǎng)的草中；CAM植物包括仙人掌和一些絲蘭等肉質(zhì)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(shù)生態(tài)系統(tǒng)中所占比例很小。

經(jīng)測(cè)試分析，周田組中鈣質(zhì)結(jié)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(nèi)，但其平均值為-5.8‰相對(duì)于純C4植物土壤的CO2的δ13CV-PDB值正偏，這可能是由于受來(lái)自大氣CO2的影響[27]，可以得出結(jié)論，周田組這一時(shí)期的植被以C4植物為主。

3 結(jié)論

研究區(qū)樣品中18O在成巖過(guò)程中沒(méi)有經(jīng)歷蝕變作用，具參考意義，同時(shí)δ13CV-PDB和δ18OV-PDB數(shù)值不具有明顯的相關(guān)性，故研究區(qū)碳、氧同位素基本保存了成巖過(guò)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(xué)特征反映了該區(qū)晚白堊為一個(gè)開(kāi)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(jí)生產(chǎn)力的影響，與碳酸鹽巖沉積時(shí)湖水中溶解無(wú)機(jī)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(shì)可以看出周田組底部（1層）到頂部（7層）的湖泊初級(jí)生產(chǎn)力呈增強(qiáng)到減弱再增強(qiáng)的一種變化趨勢(shì)，在第4層達(dá)到最弱。

周田組鈣質(zhì)結(jié)核的δ13CV-PDB值表明信江盆地周田組這一時(shí)期的植被以C4植物類型為主。

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41362008、U0933605）和江西省教育廳科技項(xiàng)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(xué)研究工作。