焦作地区太原组灰岩碳氧同位素对淡水注入的指示

郭山奇 宋猛飞

摘要：对焦作地区太原组灰岩碳氧同位素的分析，灰岩中碳氧同位素的分布呈值随着年代由老到新逐渐增高，逐渐减小，L2-L4灰岩段为低负值或近于零的正值，为较高负值，该灰岩段为海水成岩环境；顶部为高负值，z值近120，为混合水成岩环境。同时将焦作地区太原组与二叠纪栖霞组和湘中下石炭统相比较，更加证实了同时期的焦作地区太原组灰岩受到淡水注入的影响，焦作地区太原组灰岩的碳氧同位素表现为异常值。

关键词：焦作地区；太原组；碳氧同位素；淡水注入

前言：自从上世纪五十年代前后提出氧同位素古温度计理论以来，沉积物碳酸盐岩碳、氧同位素已经大量地应用在古气候、古环境研究中。经过几十年的发展，沉积物碳酸盐岩同位素研究已经取得了很多丰硕的成果。碳酸盐岩记录了沉积水体与沉积环境的很多信息，内部含有的稳定同位素可以区分海水，淡水成因和混合沉积环境等信息。这是由于淡水环境下的碳氧同位素较海水成因轻，这是因为淡水中的碳同位素易受到植物作用和腐烂的有机质产生的CO2的影响，碳同位素偏轻；由于水的蒸发过程，160在水的气态中富集，因此，同纬度下的淡水较海水氧同位素偏轻。

1地质概况、采样与方法

研究区位于华北陆块南部，如图1。焦作地区太原组地层经历海退海进，沉积了主要的7层灰岩段，岩性分别为泥晶生物屑灰岩、粉晶生物屑灰岩、团粒生物屑粉晶灰岩，泥晶灰岩，其中夹杂其他沉积岩如石英砂岩、粉砂质粘土岩、高岭石粘土岩、炭质粘土岩、硅质岩和煤线（煤层）等。灰岩与硅质粘土岩中海相化石丰富，主要有蜓、有孔虫、腕足类，珊瑚、双壳、介形类、棘皮类、腹足类、藻类、牙形石、海绵类、头足类等。属浅海陆棚-开阔台地生物滩及滨岸海湾一淡化泻湖沉积环境。

2结果

全岩碳氧同位素分析结果如表1，焦作地区太原组L2-L4层灰岩中813c值在-0.64-1.05‰之间，且呈现随着年代由老到新逐渐变大，顶部灰岩中的813c值为一1.15‰，与L2-L4层灰岩相比813c值突然出现负高值。L2-L4层灰岩中8180值为-9.24 9.43‰之间，变化范围很小，仅相差0.19‰，但是顶部灰岩中8180值为一11.78‰，与L2-L4层灰岩相比8180值突然出现负高值。

将以上样品中的813c值和8180值投在坐标系中，以813c值为纵坐标，以8180值为横坐标（如图2），并从该图中看到焦作地区太原组灰岩中813c值和8180值并不存在相关性，且1311-8样品表现出明显的特殊性。

3讨论

3.1海水盐度的影响

Keith和webe r（1964）把813c、8180两者结合起来用来指示古盐度，他们推导出以下方程式以区分侏罗纪和时代更新的的海相石灰岩和淡水石灰岩：

Z=2.048×（813c+50>}0.498×（8180+50）（8的标准为PDB）（2）

z>120时为海相石灰岩

Z=120时为未定型石灰岩

z<120时为淡水石灰岩

而根据表1，焦作地区太原组灰岩除顶部灰岩z值小于120，其他层位中灰岩z值都高于120，但是普遍都接近于120。陈荣坤对不同成因环境下的碳酸盐岩进行碳氧同位素的测试数据总结分析，将碳酸盐岩沉积环境分为大气淡水成岩环境、混合水成岩环境、正常海水成岩环境和浅一深埋藏成岩环境，并指出混合水成岩环境具体表现为8180值小于零，而813c则大于零。同时，现代碳酸盐岩沉积理论认为，现代半咸水灰岩z值（90-120）的比拟，属于半咸水环境。-

综合以上理论，顶部太原组属于半咸水环境。太原组灰岩由下至上由海相向淡水相灰岩过渡，即太原组沉积由海侵向海退过渡。同时也说明正常海相灰岩向半咸水灰岩逐渐过渡，说明上述灰岩在形成过程中由于后期海退常有短暂的暴露或淡水淋滤的经历。

3.2淡水注入对灰岩的影响

一般认为石炭一二叠纪时的海相灰岩的818O值为-58‰，本区太原组海相灰岩的8180值为9.24--9-43‰之间：许多学者认为古生代以来各地质时代的海相碳酸盐岩813c值很稳定，变化范围在+2.2-3.0‰以内。而淡水碳酸盐813c变化范围很大，可从-2.0‰变化到-8.0‰，而本区海相石灰岩的813c值在-0.64-1.05‰，淡水灰岩的813c值为-1.15‰，无论海相灰岩还是淡水灰岩都比上述的813c值偏低，推测可能本区太原组灰岩沉积受到淡水的影响。

3.3淡水影响的混合机理

焦作地区太原组灰岩L2-L4、顶部灰岩段均属于浅海相带，海水不深，淡水主要来自大气降水和地表径流的影响。淡水中相对于海水富集轻元素，即淡水中相对富集12C和160，由于淡水的注入造成焦作地区碳氧同位素分馏。在同位素分馏作用的影响下，焦作地区太原组灰岩818O值和813c值相对偏低。

随着地层的由老到新，8180值逐渐降低，该区灰岩受到淡水的影响逐渐加深，顶部灰岩的8180值达到最小值，说明顶部灰岩受到的淡水影响最大；L2-L4层灰岩中813c值由下至上逐渐升高，推测这主要是生物碎屑含量逐渐减少的原因，因为生物碎屑相对方解石富含12C，而顶部灰岩813c值出现负高值，这是由于顶部灰岩沉积环境为半咸水环境，陆生植物比海生植物富含12C，淡水中又含有较多的有机成因的CO2，所以淡水形成的碳酸盐同位素比L2-L4层形成的碳酸盐轻。

4结论

结合焦作地区太原组的沉积地层和沉积环境，并对焦作地区太原组灰岩中碳氧同位素的分布规律及其控制因素，得出以下结论：

1.焦作地区太原组中L2-L4层灰岩中813e值随着年代由老到新逐渐变大，但顶部灰岩中8”c值出现高负值；8180随着年代由老到新逐渐变小。

2.焦作地区太原组灰岩中813c和8180比较低，主要受淡水注入的影響，且顶部灰岩影响较大。