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浙江江山宁国组热水沉积事件的岩石地球化学及碳氧同位素证据

杨庆坤 刘勇 张小亮 李海龙

杨庆坤,刘勇,张小亮,等. 浙江江山宁国组热水沉积事件的岩石地球化学及碳氧同位素证据[J]. 海洋地质前沿,2022,38(1):24-32 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.197
引用本文: 杨庆坤,刘勇,张小亮,等. 浙江江山宁国组热水沉积事件的岩石地球化学及碳氧同位素证据[J]. 海洋地质前沿,2022,38(1):24-32 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.197
YANG Qingkun, LIU Yong, ZHANG Xiaoliang, et al. Hydrothermal sedimentary origin of the Ningguo Formation in Jiangshan, Zhejiang Province: evidence of elemental geochemistry and C-O isotopes[J]. Marine Geology Frontiers, 2022, 38(1): 24-32 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.197
Citation: YANG Qingkun, LIU Yong, ZHANG Xiaoliang, et al. Hydrothermal sedimentary origin of the Ningguo Formation in Jiangshan, Zhejiang Province: evidence of elemental geochemistry and C-O isotopes[J]. Marine Geology Frontiers, 2022, 38(1): 24-32 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.197

浙江江山宁国组热水沉积事件的岩石地球化学及碳氧同位素证据

doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.197
基金项目: 江西省软科学研究培育基地东华理工大学资源与环境战略研究中心开放基金“精准扶贫视域下地质文化村的建设思路研究——以江西黄石镇大洲塘村为例”(20RJC02);东华理工大学专业学位研究生实践基地建设项目“资源与环境硕士专业学位研究生实践基地”(yjsjd2202004);中国地质调查局项目“全国地质遗迹立典调查与评价”(DD20190074)
详细信息
    作者简介:

    杨庆坤(1984—),男,博士,副教授,主要从事区域成矿学及区域地质调查方面的研究工作. E-mail:2212615468@qq.com

  • 中图分类号: P67;P595

Hydrothermal sedimentary origin of the Ningguo Formation in Jiangshan, Zhejiang Province: evidence of elemental geochemistry and C-O isotopes

  • 摘要: 近年,在江南地层区奥陶系宁国组下段陆续发现了多处透镜状灰岩及菱铁矿等碳酸盐岩夹层,前人对其岩相学特征的研究多限于定性描述,缺乏系统的成因分析。通过对其开展岩石地球化学和碳氧同位素研究,探讨了其形成与热水作用之间的关系,结果表明:样品Σ(CaO+MgO+LOI)为95.67%~89.89%,分布范围较窄,反映了相对稳定的沉积环境;SiO2和TFe2O3与Σ(CaO+MgO+LOI)呈负相关关系,Al2O3、MnO、P2O5、TiO2与Σ(CaO+MgO+LOI)不具有明显相关性;Co/Ni值为0.24~0.28(<1.0),Mn/Sr值为0.14~0.33(<10);ΣREE为(13.89~40.73)×10−6,远低于上地壳平均值,略高于球粒陨石;在Al-Fe-Mn、(Cu+Co+Ni)×10-Fe-Mn、Ni-Co-Zn三角图和lgU-lgTh关系图中,样品全部落入热水沉积碳酸盐岩区域;δ13CV-PDB为0.33‰~0.67‰,δ18OV-PDB为-9.76‰~-10.1‰,δ18OSMOW为12.56‰~12.9‰,与正常海相或湖相碳酸盐岩的灰岩碳氧同位素组成差异明显,碳氧同位素分布图指示其形成所需热水主要来自岩浆热液与加热海水的混合。丰富的断裂系统为海水下渗和热液混合提供了运移通道,海水与热液的对流活动为海盆持续输入热量并提供成岩所需物质。
  • 图  1  江南地层区宁国组地层柱状图

    Figure  1.  The stratigraphic column of Ningguo Formation in the stratigraphic area of Jiangnan

    图  2  浙江江山地区地质概图[5]

    Figure  2.  Geological and tectonic sketch map of Jiangshan area, Zhejiang[5]

    图  3  浙江江山上横塘剖面宁国组底部灰岩

    Figure  3.  Limestone on the bottom of Ningguo Formation in Shanghengtang section, Jiangshan, Zhejiang

    图  4  宁国组底部灰岩稀土元素配分图

    Figure  4.  REE distribution of limestones on the bottom of Ningguo Formation

    图  5  宁国组底部灰岩微量元素蛛网图

    Figure  5.  Spiderweb diagram of trace elements of the limestones on the bottom of Ningguo Formation

    图  6  宁国组底部灰岩微量元素含量相关图

    Figure  6.  Correlation diagram of trace elements of limestones at the bottom of Ningguo Formation

    图  7  宁国组底部灰岩热水沉积三角图

    Figure  7.  Diagram of hydrothermal sediments of limestones at the bottom of Ningguo Formation

    图  8  宁国组灰岩U-Th 关系图

    底图据BOSTROM[8]

    Figure  8.  U vs. Th plots of limestones at the bottom of Ningguo Formation

    图  9  宁国组灰岩δ18OV-PDB13CV-PDB关系图

    底图据SCOTCHMAN[24]

    Figure  9.  Diagram of δ18OV-PDB13CV-PDB of limestones at the bottom of Ningguo Formation

    图  10  宁国组灰岩V/(V+Ni)-V/Cr和V/(V+Ni)-Ni/Co关系图

    底图据JONES和MANNING[25]

    Figure  10.  Diagram of V/(V+Ni) vs. V/Cr and V/(V+Ni) vs.Ni/Co of limestones at the bottom of Ningguo Formation

    图  11  宁国组灰岩碳氧同位素分布图[29]

    Figure  11.  C vs. O isotopic distribution map of the limestones at the bottom of Ningguo Formation[29]

    表  1  浙江江山宁国组底部灰岩主量元素数据

    Table  1.   Major elements of the limestones at the bottom of Ningguo Formation, in Jiangshan, Zhejiang

    %
    样品名称SiO2TiO2Al2O3TFe2O3FeOMnOMgOCaONa2OK2OP2O5LOISUM
    NG20-15.020.0230.400.570.240.1010.8450.650.0130.110.02041.5399.28
    NG20-22.500.0330.580.360.260.1390.6452.450.0080.160.01642.5999.47
    NG20-33.370.0230.330.400.200.1030.7552.090.0010.090.01442.3599.51
    NG20-47.850.0290.581.050.660.0921.1348.670.0220.150.04840.1099.71
    NG20-52.540.0320.490.300.200.1740.6252.570.0040.110.02142.6699.52
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    表  2  浙江江山宁国组底部灰岩微量元素数据

    Table  2.   Trace elements of the limestones on the bottom of Ningguo Formation, in Jiangshan, Zhejiang

    ×10−6
    样品名称LiBeScVCrCoNiCuZnGaRbSrYZrNbSn
    NG20-11.260.210.803.273.125.419.51.3321.10.73.764616.574.370.630.086
    NG20-28.180.180.984.154.005.8520.61.065.020.995.643342.745.540.720.13
    NG20-32.090.230.742.692.595.1420.61.049.610.473.24533.923.250.390.093
    NG20-42.080.211.234.213.565.3920.31.747.940.915.2545912.34.880.510.11
    NG20-57.200.251.113.263.534.5319.20.673.970.744.043714.264.770.510.11
    样品名称CsBaLaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu
    NG20-10.1625.94.939.370.993.960.750.20.980.140.850.170.480.0750.490.068
    NG20-20.3324.13.095.530.662.520.430.10.450.0670.40.0880.240.0350.240.036
    NG20-30.1437.13.767.140.783.050.570.130.630.0870.550.110.320.0470.30.046
    NG20-40.251576.6315.51.847.891.830.661.920.311.730.370.990.130.850.13
    NG20-50.2231.94.518.591.024.090.80.170.760.120.690.140.360.0520.340.048
    样品名称HfTaTlPbThUΣREELREEHREELREE/HREELaN/YbNδEuδCeNi/ColgThlgU
    NG20-10.120.0360.0353.240.740.6923.4520.193.266.27.180.721.043.61−0.133−0.158
    NG20-20.170.0460.0241.921.040.4413.8912.331.567.919.280.720.953.520.018−0.361
    NG20-30.0790.0310.0252.770.640.6417.5315.442.097.48.920.651.024.01−0.193−0.197
    NG20-40.150.0440.0493.090.951.0140.7334.316.435.345.621.071.083.77−0.0210.003
    NG20-50.160.0350.0191.991.030.421.6819.182.57.669.610.680.984.240.012−0.397
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    表  3  浙江江山宁国组底部灰岩碳氧同位素数据

    Table  3.   Carbon and oxygen isotope data of limestones at the bottom of Ningguo Formation, in Jiangshan, Zhejiang

    样品号δ13CV-PDBδ18OV-PDBδ18OSMOW
    NG20-10.33−10.112.56
    NG20-20.53−9.7712.89
    NG20-30.45−9.8612.8
    NG20-40.41−9.7912.87
    NG20-50.67−9.7612.9
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    [20] 黄诚, 傅恒, 汪瑞良.  珠江口盆地(东部)新近系珠江组碳酸盐岩沉积相及沉积模式 . 海洋地质前沿, 2011, 27(9): 18-25.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-28
  • 录用日期:  2021-11-12
  • 网络出版日期:  2021-12-21
  • 刊出日期:  2022-01-24

浙江江山宁国组热水沉积事件的岩石地球化学及碳氧同位素证据

doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.197
    基金项目:  江西省软科学研究培育基地东华理工大学资源与环境战略研究中心开放基金“精准扶贫视域下地质文化村的建设思路研究——以江西黄石镇大洲塘村为例”(20RJC02);东华理工大学专业学位研究生实践基地建设项目“资源与环境硕士专业学位研究生实践基地”(yjsjd2202004);中国地质调查局项目“全国地质遗迹立典调查与评价”(DD20190074)
    作者简介:

    杨庆坤(1984—),男,博士,副教授,主要从事区域成矿学及区域地质调查方面的研究工作. E-mail:2212615468@qq.com

  • 中图分类号: P67;P595

摘要: 近年,在江南地层区奥陶系宁国组下段陆续发现了多处透镜状灰岩及菱铁矿等碳酸盐岩夹层,前人对其岩相学特征的研究多限于定性描述,缺乏系统的成因分析。通过对其开展岩石地球化学和碳氧同位素研究,探讨了其形成与热水作用之间的关系,结果表明:样品Σ(CaO+MgO+LOI)为95.67%~89.89%,分布范围较窄,反映了相对稳定的沉积环境;SiO2和TFe2O3与Σ(CaO+MgO+LOI)呈负相关关系,Al2O3、MnO、P2O5、TiO2与Σ(CaO+MgO+LOI)不具有明显相关性;Co/Ni值为0.24~0.28(<1.0),Mn/Sr值为0.14~0.33(<10);ΣREE为(13.89~40.73)×10−6,远低于上地壳平均值,略高于球粒陨石;在Al-Fe-Mn、(Cu+Co+Ni)×10-Fe-Mn、Ni-Co-Zn三角图和lgU-lgTh关系图中,样品全部落入热水沉积碳酸盐岩区域;δ13CV-PDB为0.33‰~0.67‰,δ18OV-PDB为-9.76‰~-10.1‰,δ18OSMOW为12.56‰~12.9‰,与正常海相或湖相碳酸盐岩的灰岩碳氧同位素组成差异明显,碳氧同位素分布图指示其形成所需热水主要来自岩浆热液与加热海水的混合。丰富的断裂系统为海水下渗和热液混合提供了运移通道,海水与热液的对流活动为海盆持续输入热量并提供成岩所需物质。

English Abstract

杨庆坤,刘勇,张小亮,等. 浙江江山宁国组热水沉积事件的岩石地球化学及碳氧同位素证据[J]. 海洋地质前沿,2022,38(1):24-32 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.197
引用本文: 杨庆坤,刘勇,张小亮,等. 浙江江山宁国组热水沉积事件的岩石地球化学及碳氧同位素证据[J]. 海洋地质前沿,2022,38(1):24-32 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.197
YANG Qingkun, LIU Yong, ZHANG Xiaoliang, et al. Hydrothermal sedimentary origin of the Ningguo Formation in Jiangshan, Zhejiang Province: evidence of elemental geochemistry and C-O isotopes[J]. Marine Geology Frontiers, 2022, 38(1): 24-32 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.197
Citation: YANG Qingkun, LIU Yong, ZHANG Xiaoliang, et al. Hydrothermal sedimentary origin of the Ningguo Formation in Jiangshan, Zhejiang Province: evidence of elemental geochemistry and C-O isotopes[J]. Marine Geology Frontiers, 2022, 38(1): 24-32 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.197
    • 皖南、赣北、浙西地区奥陶系属江南地层区,下奥陶统宁国组在区域内广泛出露,富含笔石化石,其岩性可分2段:下段以灰黄、灰绿色页岩夹粉砂质页岩为主,上段以灰黑、暗灰色硅质页岩、碳硅质页岩为主[1],主要为深海-次深海盆地沉积[2]。近些年,在江西玉山、浙江常山和江山地区的宁国组陆续发现有灰岩和菱铁矿夹层出露,灰岩层厚度较薄且极不稳定,多呈透镜状(图1)。针对深水盆地相的宁国组页岩层中为何会局部突然出现透镜状的灰岩层这一问题,越来越多的学者注意到了古代海洋或湖泊基底通过热水沉积作用所形成的各类碳酸盐岩、硅质岩等[3],并建立了一系列可以用于判别热水沉积事件标志的地球化学判别图解、岩石组构特征标志等。针对宁国组中的灰岩夹层是否与洋底的热水沉积体系有关这一问题,笔者以浙江江山上横塘剖面为例,对宁国组灰岩开展矿相学、岩石地球化学以及碳氧同位素分析,并探讨其形成原因。

      图  1  江南地层区宁国组地层柱状图

      Figure 1.  The stratigraphic column of Ningguo Formation in the stratigraphic area of Jiangnan

    • 浙江江山位于扬子地台与华南褶皱系的交接部位,早古生代地层为扬子地台江南区的标准剖面之一[4]。浙皖裂陷盆地于震旦纪开启,寒武纪时期江山地区总体上处于较深水的停滞海盆环境,早寒武世末—早奥陶世初期形成了大面积深水沉积物。晚奥陶世晚期,地壳略有抬升,海水有所退却,区内仍处于深水陆棚边缘,相继形成了砚瓦山组、黄泥岗组的瘤状泥灰岩等。志留纪地壳变动剧烈,形成一套复理石-类复理石建造为主的碎屑岩。中三叠世时,由于地壳抬升导致泥盆系及下三叠统地层缺失。晚三叠世—早侏罗世发育一系列河湖相碎屑含煤建造。晚中生代构造活动十分强烈,形成丰富的火山-沉积岩石组合。新生代第四系广泛发育,以冲积-洪积相和海陆交互相沉积组合为主(图2)。

      图  2  浙江江山地区地质概图[5]

      Figure 2.  Geological and tectonic sketch map of Jiangshan area, Zhejiang[5]

    • 下奥陶统宁国组命名地点在安徽省宁国县胡乐镇皇墓-滥泥坞一带,原名宁国页岩。浙江江山宁国组在上横塘剖面、黄泥岗剖面、丰足坟头山剖面和拳头棚剖面出露较好,尤以上横塘剖面最为完整,以黑色笔石页岩为主,夹微薄层状粉砂岩、硅质岩,水平纹层发育,底部偶见透镜状微晶灰岩。本次样品主要采集于宁国组底部的灰岩(图3,采样坐标为:28°45'26"N,118°35'21"E)。岩石具有明显的显微鲕粒结构,鲕粒大小较为均匀,直径约0.1 mm,钙质胶结。

      图  3  浙江江山上横塘剖面宁国组底部灰岩

      Figure 3.  Limestone on the bottom of Ningguo Formation in Shanghengtang section, Jiangshan, Zhejiang

      本次碳氧同位素测试工作在核资源与环境国家重点实验室进行。首先,将样品研磨至200目后加入浓磷酸,在72 ℃下反应1 h析出CO2;然后通过离轴积分腔输出激光光谱仪(Los Gatos Research 908-0021)测定δ13C(RSD<0.05%,V-PDB标准化)和δ18O(RSD<0.05%,V-SMOW标准化)。δ18OPDB值根据公式δ18OPDB(‰)=0.970 01δ18OSMOW-29.99[6]计算得出。

      主量和微量元素样品测试工作在武汉上谱分析科技有限公司完成。主量元素由荷兰PANalytical生产的Axios仪器利用熔片X射线荧光光谱法(XRF)测定,并采用等离子光谱和化学法测定进行相互检测。微量元素和稀土元素采用美国Perkin Elmer公司生产的Elan9000型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定。主量元素分析精度和准确度优于5%,微量、稀土元素分析精度和准确度优于10%,具体测试过程参见郭宇飞等[7]

    • 江山宁国组底部灰岩主量及微量、稀土元素含量见表1表2。样品CaO为50.56%~52.57%,平均51.28%;MgO为0.62%~1.13%,平均0.79%;Σ(CaO+MgO+LOI)最大值为95.67%,最小值为89.89%,平均93.92%,三者分布范围较窄,反映了相对稳定的沉积环境。样品中陆源元素SiO2含量为2.54%~7.85%,平均4.26%;Al2O3为0.33%~0.58%,平均0.48%;TFe2O3含量为0.57%~1.05%,平均0.53%;MnO含量为0.092%~0.174%,平均0.122%;TiO2含量为0.023%~0.0324%,平均0.028%;P2O5含量为0.014%~0.048%,平均0.024%;SiO2和TFe2O3与Σ(CaO+MgO+LOI)呈负相关关系,Al2O3、MnO、P2O5、TiO2与Σ(CaO+MgO+LOI)不具有明显相关性。说明样品在沉积过程中未受陆源碎屑注入影响。

      表 1  浙江江山宁国组底部灰岩主量元素数据

      Table 1.  Major elements of the limestones at the bottom of Ningguo Formation, in Jiangshan, Zhejiang

      %
      样品名称SiO2TiO2Al2O3TFe2O3FeOMnOMgOCaONa2OK2OP2O5LOISUM
      NG20-15.020.0230.400.570.240.1010.8450.650.0130.110.02041.5399.28
      NG20-22.500.0330.580.360.260.1390.6452.450.0080.160.01642.5999.47
      NG20-33.370.0230.330.400.200.1030.7552.090.0010.090.01442.3599.51
      NG20-47.850.0290.581.050.660.0921.1348.670.0220.150.04840.1099.71
      NG20-52.540.0320.490.300.200.1740.6252.570.0040.110.02142.6699.52

      表 2  浙江江山宁国组底部灰岩微量元素数据

      Table 2.  Trace elements of the limestones on the bottom of Ningguo Formation, in Jiangshan, Zhejiang

      ×10−6
      样品名称LiBeScVCrCoNiCuZnGaRbSrYZrNbSn
      NG20-11.260.210.803.273.125.419.51.3321.10.73.764616.574.370.630.086
      NG20-28.180.180.984.154.005.8520.61.065.020.995.643342.745.540.720.13
      NG20-32.090.230.742.692.595.1420.61.049.610.473.24533.923.250.390.093
      NG20-42.080.211.234.213.565.3920.31.747.940.915.2545912.34.880.510.11
      NG20-57.200.251.113.263.534.5319.20.673.970.744.043714.264.770.510.11
      样品名称CsBaLaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu
      NG20-10.1625.94.939.370.993.960.750.20.980.140.850.170.480.0750.490.068
      NG20-20.3324.13.095.530.662.520.430.10.450.0670.40.0880.240.0350.240.036
      NG20-30.1437.13.767.140.783.050.570.130.630.0870.550.110.320.0470.30.046
      NG20-40.251576.6315.51.847.891.830.661.920.311.730.370.990.130.850.13
      NG20-50.2231.94.518.591.024.090.80.170.760.120.690.140.360.0520.340.048
      样品名称HfTaTlPbThUΣREELREEHREELREE/HREELaN/YbNδEuδCeNi/ColgThlgU
      NG20-10.120.0360.0353.240.740.6923.4520.193.266.27.180.721.043.61−0.133−0.158
      NG20-20.170.0460.0241.921.040.4413.8912.331.567.919.280.720.953.520.018−0.361
      NG20-30.0790.0310.0252.770.640.6417.5315.442.097.48.920.651.024.01−0.193−0.197
      NG20-40.150.0440.0493.090.951.0140.7334.316.435.345.621.071.083.77−0.0210.003
      NG20-50.160.0350.0191.991.030.421.6819.182.57.669.610.680.984.240.012−0.397

      BOSTROM[8]提出Fe/Ti、(Fe+Mn)/Ti及Al/(Al+Fe+Mn)值是衡量沉积岩(物)是否属于热水沉积产物的重要标志,当上述比值依次>20、20±5、<0.35时,一般认为属于热水沉积物。江山宁国组底部灰岩Fe/Ti、(Fe+Mn)/Ti及Al/(Al+Fe+Mn)值分别为12.08~45.96(平均25.11)、18.37~49.63(平均30.13)和0.29~0.45(平均0.35),反映宁国组底部灰岩具有典型的热水沉积特征。

    • 通过对比上地壳[9]和球粒陨石[10]中的微量元素丰度发现,研究区宁国组灰岩样品中微量元素含量均低于上地壳元素丰度,略高于球粒陨石中的元素丰度。Y/Ho值为30.43~38.65(平均33.82),与正常灰岩值(44) [11]稍有差距。潘家永等[12]认为Co/Ni值<1时,碳酸盐岩具有热水沉积特征,而本次测试样品的Co/Ni值为0.24~0.28(平均0.26)。样品的稀土总量较低,ΣREE变化范围为(13.89~40.73)×10−6,平均23.46×10−6,远低于平均上地壳ΣREE值(146.37×10−6),略高于球粒陨石ΣREE值(2.56×10−6)。具有明显的Eu负异常(δEu=0.65~1.07,平均0.77)和极弱的Ce正异常(δCe=0.95~1.08,平均1.01)特征,ΣLREE/ΣHREE为5.34~7.91。样品的球粒陨石标准化稀土元素配分模式图呈明显的右倾型(图4),轻稀土曲线陡峭、重稀土曲线平缓,与青藏高原北缘酒泉盆地青西凹陷白垩系湖相热水沉积原生白云岩的微量元素蛛网图(图5)和稀土配分模式图(图4)有较高的一致性[13]

      图  4  宁国组底部灰岩稀土元素配分图

      Figure 4.  REE distribution of limestones on the bottom of Ningguo Formation

      图  5  宁国组底部灰岩微量元素蛛网图

      Figure 5.  Spiderweb diagram of trace elements of the limestones on the bottom of Ningguo Formation

    • KAUFMAN等[14]认为Mn/Sr比值能够间接反映岩石的碳氧同位素组成是否受到后期成岩作用的影响,Mn/Sr<10代表样品的碳氧同位素组成可以反应沉积期的原始地球化学特征。宁国组底部灰岩的Mn/Sr比值为0.14~0.33,说明研究区样品未受到成岩作用改造。本次碳氧同位素测试结果见表3,δ13CV-PDB介于0.33‰~0.67‰,平均为0.48‰;δ18OV-PDB介于−9.76‰~−10.1‰,平均为−9.86‰;δ18OSMOW介于12.56‰~12.9‰,平均为12.8‰。典型湖盆碳酸盐岩的δ13CV-PDB变化范围为−2‰~6‰,δ18OV-PDB为−4‰~−8‰[15],正常海相碳酸盐岩的δ13CV-PDB介于−4‰~4‰,δ18OSMOW 介于20‰~24‰[16]。相比而言,宁国组底部灰岩的碳氧同位素组成与正常海相或湖相碳酸盐岩均有一定的差异。

      表 3  浙江江山宁国组底部灰岩碳氧同位素数据

      Table 3.  Carbon and oxygen isotope data of limestones at the bottom of Ningguo Formation, in Jiangshan, Zhejiang

      样品号δ13CV-PDBδ18OV-PDBδ18OSMOW
      NG20-10.33−10.112.56
      NG20-20.53−9.7712.89
      NG20-30.45−9.8612.8
      NG20-40.41−9.7912.87
      NG20-50.67−9.7612.9
    • 受陆源物质影响时,海相碳酸盐岩常表现为Zr、Th元素的富集,以及元素Zr和ΣREE具有较好的相关性[17]。宁国组底部灰岩中微量元素含量均较低且Zr和ΣREE亦未呈现良好的相关性(图6a)。正常海水中的Er/Nd值约为0.27,在受到陆源物质的混染或后期成岩作用等影响下,数值会下降,甚至<0.1,同时Er和Nd具有一定的相关性[18]。研究区样品的Er/Nd值为0.09~0.13(平均为0.11),并具有正相关关系(图6b)。刘士林等[19]认为成岩作用的影响会使δCe与δEu、ΣREE具有正相关关系,而样品δCe与ΣREE和δEu的正相关性较弱(图6c、d)。同时,正常海水沉积中常会呈现不同程度的Ce负异常[20],而研究区样品的δCe为0.95~1.08,平均为1.01,而且,Mn/Sr<10。总体上看,岩石形成过程中并未受到陆源物质混染或成岩作用等的影响,但与正常海水的微量元素特征却有一定的差异性。

      图  6  宁国组底部灰岩微量元素含量相关图

      Figure 6.  Correlation diagram of trace elements of limestones at the bottom of Ningguo Formation

      沉积岩中Ti、Fe、Mn、Ni、Co、Zn等元素含量变化及其比值对岩石形成时的沉积环境具有极好的指示意义。因此,BOSTROM[8]、CHOI和HARIYA[21]、CRERAR等[22]利用Al-Fe-Mn,(Cu+Co+Ni)×10-Fe-Mn和Ni-Co-Zn三角图以及lgU-lgTh关系图等建立了判别现代或地质历史时期沉积物热水沉积或非热水沉积作用的重要手段。宁国组底部灰岩样品在该判别图上的投影点均落于热水成因区域(图78)。地质历史中,奥陶纪海水较为稳定,其δ18OV-PDB介于−6.6‰~−4.0‰,δ13CV-PDB介于−2.0‰~0.5‰[23],在碳酸盐岩碳氧同位素组成图解(图9)中投点,样品全部落入热水沉积碳酸盐岩区域,未有样品落入正常海相沉积碳酸盐岩区域,说明江山宁国组灰岩形成于非正常沉积的海相环境,推测深部有热水的加入[24]

      图  7  宁国组底部灰岩热水沉积三角图

      Figure 7.  Diagram of hydrothermal sediments of limestones at the bottom of Ningguo Formation

      图  8  宁国组灰岩U-Th 关系图

      Figure 8.  U vs. Th plots of limestones at the bottom of Ningguo Formation

      图  9  宁国组灰岩δ18OV-PDB13CV-PDB关系图

      Figure 9.  Diagram of δ18OV-PDB13CV-PDB of limestones at the bottom of Ningguo Formation

      JONES和MANNING[25]认为,V/Cr、Ni/Co和V/(V+Ni)是用来判别沉积水体氧化还原环境的重要指标。V/Cr、Ni/Co和V/(V+Ni)比值在缺氧、贫氧、富氧环境下分别为>4.25、7.00和0.60,2.00~4.25、0.45~0.60和0.46~0.60,<2.00、5.00和0.46。研究区样品V/Cr、Ni/Co和V/(V+Ni)变化范围分别为0.92~1.18(平均1.05)、3.52~4.25(平均3.88)和0.12~0.18(平均0.15),反映当时的沉积环境为富氧环境(图10)。董轶婷等[26]通过对安徽省南部宁国将军岭剖面的早—中奥陶系的TOC与TS测试发现华南板块江南斜坡具有贫氧环境特征,未达到缺氧甚至硫化的程度,说明研究区的富氧环境仅出现于局部。现代海底“烟囱”口喷出的热液,温度一般为200~400 ℃[27]。通过普通地热增温活动所形成的热水流体多为中低温热液,形成温度<250 ℃[28]。通过图11可以看出宁国组碳酸盐岩碳氧同位素组成更靠近与花岗岩岩浆热液有关的分布区域,说明研究区的热水应该来自岩浆晚期分异热液,其在运移过程中又与加热的海水发生了一定的混合作用,其形成温度也应该高于与普通地热增温活动有关的热水流体。

      图  10  宁国组灰岩V/(V+Ni)-V/Cr和V/(V+Ni)-Ni/Co关系图

      Figure 10.  Diagram of V/(V+Ni) vs. V/Cr and V/(V+Ni) vs.Ni/Co of limestones at the bottom of Ningguo Formation

      图  11  宁国组灰岩碳氧同位素分布图[29]

      Figure 11.  C vs. O isotopic distribution map of the limestones at the bottom of Ningguo Formation[29]

      综上所示,研究区宁国组碳酸盐岩可能是区域伸展背景下海盆中岩浆热液与海水混合作用的产物。基底断裂为海盆内流体运移通道,盆地海水沿着断裂下渗至深部与岩浆热液混合,在热能和流体势能的驱动下,沿着断层重新排泄至海盆。这种海水与热液的对流循环可以为海盆提供热源和成岩离子。当热卤水的Fe、Ca等元素达到过饱和时,析出中低温热水矿物(如方解石、菱铁矿等)并沉淀。

    • (1)浙江江山江南地层区奥陶系宁国组下段透镜状灰岩样品Σ(CaO+MgO+LOI)的分布范围较窄,反映了相对稳定的沉积环境。陆源元素与Σ(CaO+MgO+LOI)多不具有明显相关性,说明在沉积过程中研究区未受陆源碎屑注入影响。

      (2)宁国组底部灰岩的微量元素含量远低于上地壳平均值,而略高于球粒陨石。与青藏高原北缘酒泉盆地青西凹陷白垩系湖相热水沉积原生白云岩的微量元素蛛网图和稀土配分模式图有着较高的一致性,其岩石地球化学特征反映了沉积期热水体系下的局部富氧环境。

      (3)宁国组底部灰岩的碳氧同位素特征与正常海相或湖相碳酸盐岩的灰岩碳氧同位素组成差异明显。在Al-Fe-Mn、(Cu+Co+Ni)×10-Fe-Mn、Ni-Co-Zn三角图和lgU-lgTh关系图中,样品全部落入热水沉积碳酸盐岩区域。通过碳氧同位素分布图,指示了研究区所需热水主要来自岩浆热液与加热海水的混合。

参考文献 (29)

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