川东地区三叠系飞仙关组碳酸盐岩氧、碳同位素组成特征及成岩流体性质

【摘要】： 氧、碳同位素是碳酸盐岩的重要地球化学指标之一,是沉积和成岩流体信息的重要载体之一。本文在对川东地区三叠系飞仙关组碳酸盐岩的沉积相特征、矿物学以及岩石学研究的基础上,获得了飞仙关组碳酸盐岩的氧、碳同位素组成信息。并以中梁山凉风垭剖面成岩蚀变性较弱的灰岩样品为基础建立了飞仙关组灰岩氧、碳同位素演化曲线,尝试性讨论了飞仙关组灰岩氧同位素及同期海水碳同位素演化的控制因素。在此基础上将川东北井下飞仙关组白云岩的氧、碳同位素与同期灰岩(海水)特征进行了对比,得到了不同类型白云岩的氧、碳同位素组成特征,结合锶同位素以及锶、锰和铁微量元素特征反演了白云岩的成岩流体(白云化流体)性质,并尝试性对可能的白云化模式进行了推断。 中梁山凉风垭剖面飞仙关组的灰岩样品都具有较好的微晶结构或粒屑结构。对成岩蚀变性进行评估,剔除Mn/Sr2的样品后,剩余灰岩样品遭受成岩蚀变性相对较弱,对同期海水具有较好的代表性。剩余样品具有较高的锶含量,较低的锰含量,平均锶含量高达1166ppm,平均锰含量为330ppm。样品的δ18O值主要集中在-6.5‰左右,上下波动2‰,δ13C值波动较大,分布在-1.67~4.91‰之间。根据Mn/Sr2样品的δ18O值和δ13C值建立了飞仙关组灰岩氧同位素及同期海水碳同位素演化曲线,曲线具有较高的分辨率并且演化的总体趋势上与目前国际上公布的氧、碳同位素演化曲线具有较好的一致性,证明了所建立曲线的可靠性,同时也说明全球地质事件控制了这些样品的氧、碳同位素组成及演化。 早三叠世飞仙关组灰岩的δ18O值总体上呈上升趋势,在二叠纪—三叠纪界线后的短期内出现急剧升高,之后经历了小幅下降而后在飞仙关中、晚期一直保持小幅持续上升。认为界线附近的δ18O值短期急剧升高与二叠纪末期发生在四川盆地广大地区的火山喷发作用造成的高温海水的急剧冷却有关。早三叠世飞仙关期海水δ13C值存在较大的正漂移,在二叠纪—三叠纪界线附近出现了两次极小值,第二个极小值小于第一个极小值,然后经历多次增长旋回总体上呈上升趋势,认为界线附近的生物大灭绝事件及甲烷泄露事件是极小值出现的直接原因,事件之后环境改善生物复苏是δ13C值升高的主要原因。 川东北地区飞仙关组白云岩依据显微结构特征可分为三种主要类型:微晶白云岩、原始结构保存粒屑白云岩及结晶白云岩,且三种类型白云岩自上而下依次分布于向上变浅旋回剖面中。不同类型白云岩的δ18O值均不同程度高于同期灰岩值,δ13C值与海水值具有较好一致性,87Sr/86Sr也不同程度略高于同期海水,各种类型白云岩均具有很低的锰含量平均值和较低的铁含量平均值,平均锰含量在100ppm以下,铁含量在1000ppm以下。反映了飞仙关组白云岩的白云化流体具有高盐度、类似于海水性质的特征,然而不同类型白云岩的氧、碳同位素组成以及锶同位素组成和锰、铁元素含量又分别具有不同特征,反映在海源流体作为白云化流体的总体背景下不同类型白云岩具有不同的形成机制。 微晶白云岩的流体包裹体均一化温度较低,主要分布在40～42℃之间;原始结构保存粒屑白云岩缺乏可以测温的两相包裹体;结晶白云岩具有较高的流体包裹体均一化温度,最大频数分布在110~130℃之间,且白云石宿主矿物中的包裹体盐度高达13.52~15.96%(EqWt,NaCl),明显高于海水的盐度。通过矿物氧同位素组成及沉淀温度反演流体氧同位素组成结果显示,微晶白云岩及原始结构保存粒屑白云岩的白云化流体具有与灰岩类似的δ18O值以及与海水类似的盐度,而结晶白云岩的白云化流体具有显著高于灰岩的δ18O值以及显著高于同期海水的盐度。与海水非常相近的δ13C值反映从海水中沉积的方解石(或文石)中的碳是这些白云岩(石)主要的碳来源,大多数白云岩的碳继承了其先驱碳酸盐矿物中的碳。比较而言,微晶白云岩及原始结构保存粒屑白云岩具有相对较高的锰、铁含量,而结晶白云岩具有极低的锰、铁含量。飞仙关组白云岩的这些地球化学特征及其与同期灰岩或海水间的差异反映了,微晶白云岩及原始结构保存粒屑白云岩的白云化流体为相对开放系统中的同期海源流体;结晶白云岩的白云化流体的性质为埋藏条件相对封闭系统下的高温、高盐度近同期海源流体。 因此,综合考虑川东北地区飞仙关组不同类型白云岩的岩石学特征、沉积相以及氧、碳同位素等地球化学特征,分别用蒸发泵模式、渗透回流模式以及海源流体埋藏白云化作用来解释微晶、原始结构保存粒屑白云岩及结晶白云岩的白云化机制。