船山组和栖霞组碳氧同位素特征

3.6.1 数据来源

样品全部采自江山石头山剖面船山组和栖霞组，该剖面位于江山市西郊，离市区约2 km处。该剖面地层露头连续，岩石新鲜，沿剖面连续采集了42个石灰岩样品。碳氧同位素和Mr、Sr分析结果列于表3-11。首先对碳氧同位素数据进行原始性检验，以判断测试数据的可用性。表3-11中所有样品的Mn/Sr比值都小于1，说明它们保留了原始碳同位素组成。在42个样品中，只有8个样品的δ¹⁸O略小于-10‰，总体上为可用数据。从散点图（图3-12）上看，碳氧同位素组成十分离散，两者不存在线性关系。根据实际数据计算得到碳、氧同位素的相关系数R＝-0.1567，取α＝0.1，n＝42，查表得检验临界值Rα＝0.2515，｜ R｜ ＜Rα，也表明两者之间不存在线性相关性。可见，样品的δ¹³C值不随δ¹⁸O值的变化而变化，可视为原始碳同位素组成。

表3-11 江山石头山剖面石炭系—二叠系碳酸盐岩碳氧同位素和Mn、Sr含量分析数据

注：同位素测试单位为南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，由黄耀生测试；微量元素测试单位为地矿部江西省中心实验室，由侯婷测试。

图3-12 江山地区石炭系—二叠系碳酸盐岩δ¹⁸O与δ¹³C 值相关图

1—船山组；2—栖霞组

3.6.2 碳氧同位素组成特征

江山石炭系—二叠系碳酸盐岩δ¹³C值变化于-5.4‰～4.4‰范围内，均值为0.5‰。正常海相石灰岩的δ¹³C值为0 ± 2‰。本区碳同位素异常发生在船山组下部（＜-3‰）、上部（＞3‰）、栖霞组（＞2‰）（图3-13）。船山组和栖霞组δ¹³C分布特征有较大差异。船山组平均值-0.3‰，有正漂移和负漂移，从老到新逐渐增大。栖霞组δ¹³C平均值2.5‰，近似一平稳直线。在石炭系—二叠系分界线处出现一δ¹³C低值样品，由于分界线附近采样间距为4～5 m，平均采样间距为4.5 m，因此分界线附近的δ¹³C是否确实存在负漂移，有待于增加样品密度，作进一步研究。本区晚石炭世晚期—早二叠世早期碳同位素演化曲线与Veizer J et al.（1986）的碳同位素年代演化曲线（图3-11之B）相比，变化范围较宽，均值明显偏低，后者给出的变化范围和均值分别为2‰～3‰和2.5‰（Veizer et al.，1986）。本区δ¹³C曲线从老到新慢慢增大，最后再略为下降，而Veizer J et al.（1986）的曲线为高—低—高构成一波谷，演化趋势刚好相反。

δ¹⁸O变化范围为-12.2‰～-5.6‰，平均-8.4‰。氧同位素地层曲线有频繁但小幅度的波动，以均值为基准，负漂移波峰高而尖，正漂移宽而平。石炭纪—二叠纪分界线是一宽缓正漂移的极高点。但从整个剖面来看，没有大幅度的波动，总体上比较均匀分布。与Veizer et al.（1986）的氧同位素年代演化曲线（图3-11）相比，形状吻合，但均值大大低于Veizer et al.（1986）的0‰～-3‰。

图3-13 江山石头山剖面石炭系—二叠系碳酸盐岩沉积相序及碳氧同位素演化曲线

1—颗粒石灰岩；2—泥粒石灰岩；3—粒泥石灰岩、灰泥石灰岩；4—白云岩；5—燧石团块或条带

前已述及，碳酸盐岩氧同位素组成对沉积期后的变化比较灵敏，δ¹⁸O值随成岩后生变化将明显变小从而降低其指相意义。δ¹⁸O被认为与古盐度有关（冯洪真等，2000；王大锐等，2002），该剖面所得δ¹⁸O数据微有波动但变化规律不明显，可能反映了沉积期海水盐度变化不大，抑或是受成岩作用影响所致。下面仅讨论碳同位素漂移的影响因素。

3.6.3 碳同位素演化与海平面变化

如前所述，在影响海相碳酸盐岩碳同位素的众多因素中，有机碳氧化与相对埋藏量被认为是最重要的，海洋有机碳的埋藏速率明显受海平面变化的控制，海平面上升时，有机碳埋藏速率大，δ¹³C相应增加（李玉成，1998；彭苏萍等，2002）。本区船山组和栖霞组碳同位素地层曲线与根据沉积微相推断的海平面变化曲线吻合性较好（图3-13）。根据岩石显微结构、生物碎屑、微量元素特征及沉积序列分析，本区石炭系—二叠系碳酸盐岩可划分出3种微相（郭福生，1991，1993）。在石头山剖面，从船山组的台滩、台坪、台洼到栖霞组的台坪，海水变化规律是浅-中等-较深-中等，相应的δ¹³C演化曲线表现为波谷段-具次级起伏的相对平缓段-波峰段-平缓段。栖霞组台坪相平缓段的平均值（2.5‰）大于船山组台坪（-0.3‰），而且较平直，反映海水较深且环境较稳定。

在船山组下部岩石样品中，出现较多的δ¹³C负值。这些较为特殊的数据大多出现在台滩相岩石样品中。从区域海平面变化趋势来看，低δ¹³C值与该相带水体较浅相吻合；另一方面可能与早期成岩阶段缺氧环境有关。在缺氧海洋环境中，细菌还原硫酸盐作用不仅发生在海水-沉积物界面附近，而且还可发生在沉积层的空隙水中。该过程可用化学反应式表达如下（Berner et al.，1984；Raiwell et al.，1986；Lyons et al.，1997；Weber et al.，2001；Neretin et al.，2001；Froelich et al.，1979）：

Vail（1977）的全球海平面变化曲线反映石炭纪末为大规模海退（Vail et al.，1974，1977；丁孝忠等，2000），本区从晚石炭世晚期—早二叠世早期整个碳酸盐岩发育阶段来看，海侵持续稳定，总体上海水在加深，进入早二叠世晚期丁家山组台盆相，海水进一步变深。可见本区海平面升降与全球海平面升降不一致（梁鼎新等，1990）。地层记录中的海平面变化历史，实际上是全球海平面变化与区域构造升降相互作用的总效应（江茂生等，1996）。本区区域海平面变化的特殊性可能主要与区域性地壳差异升降有关。此时浙皖海盆发生过整体沉降，其速率大于全球海平面下降速率，形成该区持续的开阔台地环境。这一区域性差异也可在碳同位素记录中得到印证。Veizer et al.（1986）给出的碳同位素年代演化曲线在石炭系—二叠系界线处为δ¹³C极低值，构成一大波谷（图3-11），而本区石炭系—二叠系界线附近δ¹³C值较高，无明显起伏变化，两者演化趋势刚好相反。可见碳同位素演化在一定程度上能反映区域地壳变化状况。