从地球化学角度看微亮晶臼齿碳酸盐岩形成的环境条件DD以吉辽地重点.docx
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从地球化学角度看微亮晶臼齿碳酸盐岩形成的环境条件DD以吉辽地重点
文章编号:
167221926(20040220150206
收稿日期:
2004202202;修回日期:
20042032021基金项目:
国际地质对比计划项目(编号:
SCGEO
546447,国家自然科学基金项目(编号:
40172043,科技部国家重点基础项目(编号:
001CB711002资助1
作者简介:
旷红伟(19692,女,湖南湘乡人,副教授,博士,主要从事储层沉积学和层序地层学的教学和研究工作1
环境条件—旷红伟1,金广春2,,44
(1.,.长江大学地球化学系,地球化学
中国地质科学院地质所,北京100037;
北京100083
摘 要:
中晚元古代地层的一种被称为“臼齿碳酸盐岩[MolarTooth(简称MTCarbonates]”或“微亮晶碳酸盐岩”或“臼齿构造(MolarToothStructure,简称MTS”的沉积现象受到了国际地学界的重视。
臼齿碳酸盐岩特指由微亮晶方解石组成、具肠状褶皱席(Ptygmaticallyfoldedsheets构造的元古代碳酸盐岩。
臼齿碳酸盐岩在地质历史中扮演着重要的角色,其似乎成了早元古代火山喷发热水沉淀碳酸盐与显生宙带壳化石碳酸盐沉积之间的桥梁,更重要的是在地球生命演化中起着重要的作用。
利用现代测试手段和方法对吉辽地区新元古代含臼齿碳酸盐岩地层剖面砂岩的氧化物含量、稀土元素和臼齿碳酸盐岩的碳同位素、氧同位素、锶同位素、生物标志物、能谱进行了分析,从地球化学角度揭示了臼齿碳酸盐岩形成的构造背景、古温度场、形成时限、物质组分和沉积环境特征等,从而印证了沉积学研究成果:
吉辽地区的臼齿碳酸盐岩主要发育在新元古代地层中,大约在750~900Ma左右;MT形成于华北地台稳定构造背景之下低纬度、古水温一般在50℃左右的热带气候条件下的内缓坡环境中;MT由微亮晶方解石和基质两部分组成。
关键词:
微亮晶碳酸盐岩;地球化学;吉辽地区;新元古代中图分类号:
P588.24 文献标识码:
A 自从Bauerman[1]在研究(美国蒙大拿州中元古代Belt超群的地层时描述了类似“大象臼齿(Mo2
larTooth”
的这种沉积构造后,100多年以来,臼齿构造已在全世界许多国家(如加拿大、北美、西非、澳大利亚、俄罗斯、印度、中国等近40多个地层剖面的中元古代和新元古代地层中被识别,其中包括我国吉林浑江地区、辽宁本溪、金州、复州和北京燕山以及山东、安徽、苏北、河南等地中、新元古代的这类臼齿构造。
通过对全世界40多个有关含有臼齿构造地层文献的考证和我们的研究,发现臼齿构造是有时限的[2]。
在大多数早元古代地层中臼齿很少出现或不存在,在显生宙地层中也没有臼齿出现。
全球范围内多
数臼齿构造都出现于中元古代和新元古代早期的浅
水碳酸盐岩中(1700~650Ma
。
在600Ma以前的VarangerMarinoan全球冰川作用期间,臼齿构造突然衰退[3,4],据此认为臼齿构造是限定在晚前寒武纪。
更进一步的研究证明了这种构造是中—晚元古代(1700~650Ma的标志,在较老或较新地层中是极为罕见的。
本文研究区包括辽东半岛及吉南地区万隆组的的新元古代碳酸盐岩地层剖面和富集层位(表1。
笔者试图从地化角度来揭示MT形成的条件。
1 臼齿碳酸盐岩形成的构造背景
对氧化物含量及稀土配分模式分析表明,吉辽
第15卷第2期
天然气地球科学
Vol.15No.2
表1 吉辽地区臼齿构造发育程度
地层剖面微旋回数
占地层总旋回数(%
二道江万隆组
1919.59老岭万隆组4418.41大连泡崖南关岭组4237.50棋盘磨营城子组6936.70金石滩兴民村组
30
61.22
地区新元古代地层中的臼齿碳酸盐岩发育于稳定大陆边缘。
(1连复州三台的钓鱼台组组23(调队提供与B[]比较表明(表2,各项参数均落于被动陆缘环境,说明该区新元古代处于被动大陆边缘。
表2 各类大地构造环境[5]与辽东测区砂岩化学
成分比较
氧化物及有关参数
大洋
岛弧
大陆岛弧
活动大陆边缘被动大陆边缘大连复州
SiO258.8370.6973.8681.9588.9TiO21.060.640.460.490.27Al2O317.1114.0412.898.414.83Fe2O31.951.431.301.321.34FeO5.523.051.581.760.88MnO0.150.100.100.050.04MgO3.651.971.231.390.29CaO5.832.682.481.890.56Na2O4.103.122.771.070.29K2O1.601.892.901.711.49P2O50.260.160.090.120.05TF2O3+MgO11.736.794.632.891.63Al2O3SiO2
0.290.200.180.100.05K2ONa2O
0.390.610.991.605.1423
(+21.72
2.42
2.56
4.15
5.68
(2稀土元素与构造环境。
被动大陆边缘沉积
物稀土元素的特征是:
富集轻稀土元素,重稀土元素配分模式平坦,并普遍存在Eu负异常。
活动边缘构造环境下形成的沉积物的稀土元素组成特点是:
轻稀土元素富集程度可变,重稀土元素丰度中等,并普遍存在Eu负异常,变化范围为0.6~1.0[6]
。
在辽东大连震旦系,不管是碳酸盐岩、砂岩还是页岩都属Eu负异常的轻稀土富集型岩石。
该轻稀土经历了中—强的分馏作用(重稀土分馏作用较弱,与被动大陆边缘沉积物稀土元素的特征相似(图1。
氧化物含量及稀土配分模式所反映的MT的
图1 辽东大连震旦系稀土元素配分模式
构造背景与世界其它地区臼齿构造发育的背景相似,比如澳大利亚弗林得斯山晚元古代的浅海斜坡盆地,西非稳定的克拉通盆地,俄罗斯地台和东欧北部大陆晚元古代演变的古克拉通沉积以及北美和加拿大所发育的臼齿构造的地层(如Belt超群,普遍被认为是被动陆缘浅海克拉通盆地[2,7]。
2 吉辽地区臼齿碳酸盐岩的发育时限
用不同方法测出的中国元古代地层年龄值常常相差数十到数百百万年。
例如,
相同的元古代地层,20世纪70~80年代用海绿石测出的小于500Ma,
甚至小于400Ma。
这种偏差可能是海绿石后期蚀变造成的[8]。
90年代后,用PbPb同位素法测出新元古代兴民村组和万隆组的年龄为600~700Ma或670±50Ma。
Sr、C同位素是近年来才运用到前寒
武纪地层测年的一种新方法。
一般认为在一个地质时期内,全球海水中Sr元素的比值是不变的,而不
No.2 旷红伟等:
从地球化学角度看微亮晶(臼齿碳酸盐岩形成的环境条件
同时期海水的Sr同位素比值不同。
而C同位素地层学依赖的是这样一个事实,即随时间的迁移,海水C同位素比值主要反映有机质的纯埋葬速率。
对世界各地的上前寒武系研究证明,Sr同位素地层学和C同位素地层学相结合是全球前寒武系地层对比的有力工具。
近几年,世界各国地学工作者测定了大量的晚前寒武纪碳酸盐岩样品,建立了较为可信的晚前寒武纪海水Sr、C同位素组成变化曲线,为应用Sr、C奠定了基础。
郑文武[9]、杨杰东等[10,11]Sr、C,、。
本Sr、C
同位素值,将87Sr86
同位素测出的万隆组、
八道江组和青沟子组等的年龄值与Grahamshields[3]的同位素年龄曲线相比较均表明,其年龄值大于700~850Ma。
因此,吉辽地区的臼齿碳酸盐岩大约形成于750~900Ma之间(图2。
3 吉辽地区臼齿碳酸盐岩形成时的古
温度场
从碳氧同位素分析可见,吉南万隆组沉积时期
▲辽南[9] ●吉南(本文,
①~⑥第2落点样品编号
图2 新元古代—寒武纪海水Sr、C同位素组成演变[3]
和辽东营城子组、兴民村组沉积时期,都处于热带气
候,古水温一般都在50℃左右(表3。
由于海相碳酸盐岩的碳同位素组成在其沉积后的一系列过程中可能遭到改变,一般情况下大多数研究者都利用一些经验性的指标来确定海相碳酸盐沉积物埋藏后同位素组成是否发生了大的变化[12]。
一般认为如果氧同位素值小于-10‰(PDB,则样品不可取[13]。
本文进行碳、氧同位素分析的碳酸盐岩样品,岩性均为新
表3 臼齿碳酸盐岩形成时的古盐度和古水温
样品号
取样地和地层岩性
∆13C(‰
∆18O(‰
Z
T(℃
KQ20030221吉南大阳叉万隆组
泥晶灰岩(基质3.30-6.80130.6752.51KQ20030222吉南大阳叉万隆组MT灰岩(微亮晶2.80-5.30130.4043.21KQ20030223吉林通化二道江万隆组泥晶灰岩(基质3.20-8.20129.7761.85KQ20030226吉林通化二道江万隆组MT灰岩(微亮晶3.40-6.50131.0350.60KQ20030225
吉林通化二道江万隆组MT灰岩(微亮晶
3.60-7.10131.1454.46L263
大连棋盘磨营城子组
泥晶灰岩
4.74
-6.80
133.63
52.48
3样品L26数据由郑文武提供,其它样品由中国地质科学院国家实验测试中心测试
鲜的微晶灰岩,无后期脉及重结晶现象。
从表3中可以看出,样品氧同位素值均大于-10%(PDB,因此测试结果是可信的。
表中Z值表示了臼齿形成时的古盐度。
由于古代碳酸盐岩形成以后,其碳同位素难以交换而∆13C较为稳定,且Z值主要决定于∆13C,故仍可用该式来表示新元古代样品形成时介质盐度的变化[14]。
Z=2.048×(∆13C+50+0.498×(∆18O+50式中:
∆13C,∆18O用PDB标准,当Z>120
时为海相灰岩,Z<120时为淡水灰岩。
计算结果表明,臼齿灰岩形成时海水处于正常盐度。
郑文武[15]在测定淮南群形成的古水温后认为,淮南群形成的古水温为40℃左右,而淮南群形成的
时期也正是胶辽徐淮地区臼齿构造大量发育时期。
这从另一个侧面说明了MT形成时处于热带气候条件下。
前人也认为燕山盆地晚元古代的古温度或古纬度是随时间而变化的[16]。
在新元古代,吉南台块处于北半球的低纬度区,从中发现的万隆期和八道江期的大量藻类都应出现于热带[17],故此时辽东半岛新元古代地层也应处于低纬度区[18]。
4 含MT构造碳酸盐岩的物质组分
特征及其所揭示的沉积环境
4.1 能谱分析
能谱分析表明,MT主要由微亮晶方解石组成,MT组构的化学元素组成中CaO占绝对优势
(表4,最低含量不低于97%,另含少量Sn,万隆组
和南关岭组个别样品中含少量SbO和MgO,老岭
万隆组和营城子组样品中含少量FeO。
同MT相比,基质化学组分中的Ca、Al、Si、K、Fe等峰值均明显突出(表5。
从二道江万隆组到兴民村组,随着沉积水体由浅到深的变化,基质中的各种组分出现了有规律地
表4 研究区各剖面MT能谱成分对比①
剖面MgOSiO2
CaO
FeO
SnOSbO样品数
老岭万隆组0.79
1.7697.591.10
1.643.5714二道江万隆组98.252.073.42
13营城子组99.201.131.7114花沟南关岭组0.80981.732.8712兴民村组
1.87
11
表5①
剖面岩性沉积微相
Na2O
M3O2K2OCaOTi2OFeOSnO样品数
二道江万隆组粉屑MT灰岩中-.828..46.910.70
3.4624.580.803.801.867老岭万隆组MT泥晶灰岩595.6234.90
1.8151.950.88
2.161.939花沟南关岭组M1.012.388.53 1.5481.55 1.062.917营城子组 0.801.915.83
1.0487.12 1.642.569兴民村组
中缓坡 11.57
3.08
16.91
0.81
1.31
63.84
1.44
2.22
9
变化,如Ca的含量由低到高再降低,Si的含量由高到低再变高,镁的含量由高到低又变高。
总体说来,吉辽地区新元古代沉积时期,吉南万隆组基质中SiO2、Al2O3等陆源组分含量高,FeO含量也较高,说明其形成的环境离物源区近,沉积时的水体较深,加之大量递变层和大型风暴交错层理的发育,更能说明其沉积于风暴作用下的中—深缓坡环境。
相比之下,大连地区的沉积物陆源组分的含量就要低得多,黄铁矿的含量也要少一些(以小型的丘状交错层理为主,说明沉积时的水体相对较浅,离物源区相对较远,好天气的沉积相对多一些。
辽东的南关岭组沉积时水体最浅,以浅、中缓坡沉积为主,所有MT化学成分的97%以上为亮晶方解石。
4.2 电子探针分析
为了进一步揭示含臼齿碳酸盐岩的物质组分特征,选取了棋盘磨营城子组含臼齿粉屑灰岩和兴民村组含MT泥灰岩进行测试。
从测试结果看(表4,与泥灰基质相比,兴民村组臼齿微亮晶所含化学组分缺少Mn和K,其它组分相似,但Mg、Al和Si的含量大大减少;M
T的化学组成为Sr200×10-6,Fe(600~1200×10-6,Mn200×10-6,S(200~600×10-6,Mg、Al、Si均为(1900~7600×10-6。
由于岩石暴露、淋滤,营城子组的样品可能受到了后期成岩作用的影响,使MT微亮晶与基质粉屑的差别不明显,但仍可反映出岩石沉积时的介质条件:
镁钙比低,含有一定量的粘土矿物和含少量黄铁矿,表明该组处于较还原的环境。
Bourrouilh2LeJanFG等②曾对大连新元古代地层中基质、MT和构造裂缝进行电子探针测试。
本次测试结果与Bourrouilh2LeJanFG等人的测试
结果基本一致,与能谱分析所反映的组分变化趋势
一致。
MT具有独特的地化环境。
营城子组的MT方解石所含化学组分与Helena组相近,但同兴民村组不太相似。
化学组分的不同反映了MT发育的环境不是一成不变的,有一定的适应范围。
尽管其它地层中MT的形成环境与营城子组的不尽相同,但都在适宜MT形成的环境条件之下。
这一时期正是地球演化比较稳定的时期,原先形成的大陆尚未解体,古地磁表明臼齿碳酸盐岩发育的地方纬度较低,气候温暧,浅海面积加大,适宜于大量藻类或疑源类植物生长,为臼齿碳酸盐岩的发育创造了条件。
413 生物标志物所反映的MT的形成环境生物标志物的研究结果表明,万隆期和兴民村时期含臼齿构造的碳酸盐岩中生物种类异常丰富,既有原核生物门的喜光(氧及厌光(氧的细菌、蓝细菌,原核浮游植物等,也有真核生物门藻类(绿藻、红藻、真菌类等(表6。
万隆组PrPh为0.77~0199,反映出弱还原的正常海水环境。
兴民村组Pr
Ph为0.94
~1.13,反映弱还原—弱氧化的正常海水环境,这与前文沉积学的研究结果是一致的。
MT是菌、
藻类生物活动的结果。
这类生物是介于喜氧与厌氧菌藻之间,在弱氧化弱还原条件下的正常或偏咸的海水中能够大量繁殖,在某种机制的作用下,使海水的化学条件发生显著变化,从而迅速
No.2 旷红伟等:
从地球化学角度看微亮晶(臼齿碳酸盐岩形成的环境条件
①②Bourrouilh2LeJanFG,VasletD,LegendreOR,etal.Electron
MicroprobeAnalysisofMolarToothStructuresfromDalian,
LiaoningProvince,China.Mengxianghua,GeMing,CaiGuoyin,etal.NEWResearchoftheinternationalmeetingofIGCP447.2002.
样品由中国地质科学院国家实验测试中心测试1
沉淀出臼齿微亮晶,同时,也可能在硫酸盐还原菌等
厌氧细菌的作用下,使方解石快速沉淀形成微亮晶。
表6 震旦纪微亮晶(臼齿碳酸盐岩中生物标志物分布
编号
正构烷烃正烷烃主峰
PrPhCPI无环类异戊
二烯烷烃无环类异戊二
烯烷烃主峰
烷基环己烷烷基甲基环己烷1nC15
~nC36nC18,nC240.941.12iC16,iC18
~iC36iC19,iC27C15C33C15~C322nC14
~nC35nC17,nC25
1.131.12iC16,iC18
~iC36iC19,iC27
33C14~C333nC15
~nC33nC17iC18
~iC35i4nC15
~nC34nC18,nC230.771.14iC16,iC18
~iCiC19,27~C31C15~C335nC15
~nC34nC17,nC24
0.99
1.13
iC16,i18
C36iC,i27
C15
~C32C15
~C316
nC15
~nC33nC17
i18
iCiC20
5 结论
(1,形成于华北地台稳定构造背景下之低纬度和古水温一般在50℃左右之热带气候环境。
Sr同位素测试证明臼齿碳酸盐岩大约形成于750~900Ma。
(2含臼齿构造的岩石由两部分组成:
微亮晶
方解石和基质。
基质主要成分为泥晶、泥质、陆源粉砂及黄铁矿,有时含少量粉晶或砂屑。
微亮晶方解石绝大多数是单矿物的,由均一的、等轴的或多边形的、平面上有清晰边界的方解石微亮晶集合体组成。
能谱分析表明,微亮晶方解石与基质不同。
臼齿碳酸盐组构的化学元素组成仅保存了Ca峰值,其它组分如Sn等均微量。
基质化学组分中的Ca、Al、Si、K和Fe等峰值均明显突出。
从电子探针的结果看,与泥灰基质相比臼齿微亮晶化学组分中缺少Mn和K,Mg、Al和Si的含量大大减少。
臼齿碳酸盐的化
学组成为Sr200×10-6、Fe(600~1200×10-6
、
Mn200×10-6
、S(200~600×10-6和Mg、Al、Si均为(1900~7600×10-6。
(3生物标志物特征反映出臼齿碳酸盐是菌、
藻类生物活动的结果,其中含有多种生物标志物。
臼齿碳酸盐的形成环境主要位于潮下内缓坡风暴作用强烈的环境中,在弱氧化弱还原条件下的正常或偏咸的海水中,在某种机制的作用下快速沉淀形成的。
(4臼齿碳酸盐岩的研究对元古代古环境和古
气候的研究、年龄值的确定、地层划分和对比都具有重要的意义。
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