晋西挠褶带北部奥陶系古海水盐度与温度研究

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【摘要】通过对晋西挠褶带北部奥陶系露头碳酸盐岩的系统采样，全面分析了该地区奥陶系碳酸盐岩的碳、氧同位素特征，进而探讨了该地区海相碳酸盐岩形成时古海水盐度与温度特征。Z值越小，δ13C越偏向负值，反映碳酸盐岩受到后期成岩作用、淡水淋滤作用的影响越强烈。通过碳氧同位素值定量计算得到成岩温度，从而定性判别在埋藏环境下的相对埋深大小、成岩作用的强弱。

【关键词】古海水盐度与温度；碳酸盐岩；奥陶系；晋西挠褶带

1、研究区地质概况

晋西挠褶带作为鄂尔多斯盆地的东部边缘，是燕山运动使吕梁山上升并向西推挤，并加上基底断裂的影响，所形成的南北走向的构造带。研究区位于晋西挠褶带北部，地理位置在晋陕交界的黄河以东，吕梁山脉以西，东起离石，西至柳林，南抵中阳，北达兴县。该区广泛出露下古生界奥陶系碳酸盐岩露头。受华北海、秦祁海和中央古隆起的影响，晋西挠褶带主要发育下奥陶统冶里组、亮甲山组和马家沟组，主要为浅水碳酸盐岩台地相沉积。

2、盐度与温度研究

通过对晋西挠褶带北部奥陶系露头碳酸盐岩的系统采样，进一步分析了碳酸盐岩碳氧同位素的组成特征，定性或定量研究了其形成时古海水的盐度、温度等性质。

2.1盐度与Z值

开阔大洋中，盐度基本保持一致，δ13C、δ18O值受盐度变化影响较小。但是，海水因大气降水、陆源淡水及冰川融水的注入使其盐度降低，从而δ13C、δ18O值降低；因蒸发作用使其盐度升高，从而δ13C、δ18O值升高，因而不同环境下形成的海相碳酸盐岩其δ13C、δ18O值存在差异。

Keith和Weber通过研究提出了区分侏罗纪及时代更新的海相灰岩和淡水相灰岩的盐度公式：

Z=2.048（δ13CPDB+50）+0.498（δ18OPDB+50） （1）

Z值可以作为判别海陆环境的参考标志，当Z>120时为海相，Z

研究区在早奥陶世为碳酸盐台地，是一个典型的浅水的、局限的、低能、基底起伏小、蒸发作用强的克拉通内的陆表海，所采集的马家沟组碳酸盐岩样品均形成于上述陆表海环境。通过对碳氧同位素特征研究发现，虽氧同位素组成因成岩作用影响可能稍有改变，但碳同位素因沉积后的同位素置换作用相对较弱，能相对稳定地保持了原始同位素组成，因此该公式在本文研究中仍具一定判别意义。

利用公式（1）对样品沉积环境Z值进行了计算。对于Z值大于120的样品，表明它们受后期成岩作用的影响较弱，能较好反映海水成岩环境；但是部分样品由于受到后期成岩作用、淡水淋滤作用的影响，致使Z值小于120，从而显示海水成岩环境较弱。进一步研究发现，Z≤120的样品δ13C值为-6.18～-0.76，Z>120的样品δ13C值为-1.4～0.24，说明δ13C值越偏向负值，反映碳酸盐岩受到后期成岩作用、淡水淋滤作用的影响越强烈，而δ13C值越指向较高值，则反映碳酸盐岩受到后期成岩作用、淡水淋滤作用的影响较弱。碳同位素组成与Z值关系见图1所示。

2.2温度

在物质和能量的自然体系中，温度是同位素分馏的主控因素，温度测定的基本原理是两种物质或两种物相之间达到或接近同位素平衡的条件下，同位素平衡分馏与温度存在直接的函数关系，因此可以用同位素平衡分馏来确定平衡时所处的温度[1]。

Gasse等人基于前人的研究，提出了目前广泛应用的古温度计算公式：

t=16.9-4.38（δ18OC-δ18OW+0.27）+0.10（δ18OC-δ18OW+0.27）2 （2）

公式表明，在同位素平衡条件下，从海水中析出的碳酸盐的δ18O与其宿生水体之间的δ18O之差是温度的函数。

通过公式（2）计算成岩温度变化范围是64.61℃～116.90℃，其中灰岩变化范围是71.49℃～116.90℃，平均成岩温度88.86℃；含云灰岩及云质灰岩变化范围是64.61℃～100.83℃，平均成岩温度79.21℃；云岩变化范围是66.39℃～108.00℃，平均成岩温度87.21℃。当碳酸盐沉积物埋深至一定值时，必然会发生重结晶作用，这种粒度变化的最直接原因是温度的增加[2]。

通过研究发现，研究区不同岩性碳酸盐岩样品的成岩温度存在差异（如表1），晶粒碳酸盐岩的平均成岩温度要高于泥晶碳酸盐岩的平均成岩温度，很好地揭示了碳酸盐沉积物在埋藏成岩过程中随埋深的增加，温度升高，受重结晶作用的影响增强。因此，利用稳定碳氧同位素值定量计算成岩温度，可以定性判别在埋藏环境下的相对埋深大小、成岩作用（重结晶作用）的强弱。

3、结论

（1）不同岩性碳酸盐岩样品的成岩温度存在差异。利用稳定碳氧同位素值定量计算得出的成岩温度，可以定性判别在埋藏环境下的相对埋深大小、成岩作用（重结晶作用）的强弱。

（2）Z值越小，显示海水成岩环境较弱，δ13C值越偏向负值，反映出碳酸盐岩受到后期成岩作用、淡水淋滤作用的影响越强烈。

参考文献

[1]陈道公，支霞臣，杨海涛.地球化学（第2版）[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009：310～348.

[2]陈荣坤.稳定碳同位素在碳酸盐岩成岩环境研究中的应用[J].沉积学报，1994，12（4）：11～21.

作者简介

王帅，26岁，男，在读硕士研究生，研究方向为储层地质学。