青藏高原北部新生代湖相碳酸盐岩的碳氧同位素特征及古环境意义

1青藏高原北部新生代湖相碳酸盐岩的碳氧同位素特征及古环境意义伊海生1，2林金辉3周恳恳1李军鹏11成都理工大学沉积地质研究院，四川成都6100592油气藏地质与勘探开发国家重点实验室，四川成都6100593成都理工大学材料与化学化工学院，四川成都610059摘要本文以碳氧同位素作为古环境和古气候变化的替代指标，通过对青藏高原北部地区新生代陆相地层中湖相碳酸盐岩的系统采样分析，尝试从古湖泊演化的角度阐明高原隆升过程的环境演变历史。研究结果表明，该区生物碎屑灰岩类样品的δ18O和δ13C显示所有分析样品中最低值，反映它们沉积在一个水体滞留时间短的开放性淡水型湖泊系统中。泥晶灰岩类样品的δ18O和δ13C之间具有正相关变化，表明它们发育在蒸发作用明显的封闭性咸水湖泊体系，而叠层石灰岩类明显富集13C可能与微生物活动有关。从始新世到渐新世至中新世时期，湖相碳酸盐岩δ18O值具有逐渐增大的演化趋势，δ13C则由古近纪的负值变为新近纪的正值，反映该区古湖泊系统经历了一个由开放到封闭的过程，预示古近纪到新近纪之交高原古气候格局发生了重大变革。关键词：碳氧同位素湖相碳酸盐岩古气候古环境新生代青藏高原ThecarbonandoxygenisotopicrecordanditsenvironmentalimplicationoftheCenozioclacustrinecarbonatesinnorthernTibetanPlateauYiHaisheng1，2LinJinhui3ZhouKenken1LiJunpen11InstitueofSedimentaryGeology,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,Sichuan2StateKeyLaboratoryofOil/GasReservoirGeologyandExploitation,Chengdu610059,Sichuan3CollegeofMaterialsandChemistryChemicalEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,SichuanAbstractInthispaper,wepresentcarbonandoxygenisotopiccompositionoflacustrinecarbonatesasaproxytounderstandCenozoicpaleoenvironmentalandpaleoclimaticchangeduringupliftinghistoryofnorthernTibetanplateau.ThelacustrinecarbonatesweresampledandanalyzedfromterrestrialstratigraphicunitsthroughoutCenozoicinterval.Thebioclasticlimestonesareprovidedwiththelowestisotopiccompositionsinallsamples,reflectingthatitwasdepositedinopenfreshwaterlakewithashortresidenceofwater.Themicriticlimestonesdisplayδ18O-δ13Ccovarianttrendandindicateaclosedsalinelakewithprogressiveevaporativeconcentration.Thestromatoliticlimestonefaciesstronglyenrichingin13Creflecttointensemicrobialactivity.Theδ18OvariationsofthelacusrinecarbonatesfromEocenetoOligoceneandthentoMiocenearecharacterizedbygradualheaviertrend.Theδ13CdatachangefromnegativevaluesinPalaeogenetopositivevaluesduringNeogeneperiod.Thistemporalchangesindicatethe，Cenozoic,TibetanPlateau.1．前言两极冰盖的出现和发展、海水Sr同位素的单调增高、全球气侯变冷等是新生代以来全球环境昀突出的变化，这些都被认为可能与青藏高原崛起有着密切的联系（RaymoandRuddimen,1992）。目前，普遍接受的指示青藏高原隆升时间和幅度的证据主要来自高原周缘的山前盆地以及阿拉伯海、印度洋的地质记录（RowleyandCurrie，2006）。例如，Quade等(1995)根据印度和巴基斯坦西瓦里克盆地碳氧同位素记录，发现这一地区的气候在9Ma左右出现明显的干旱化，提出这是季风系统启动的标志。Dettman等（2003）分析了青藏高原东部河流和湖相碳酸盐岩氧同位素，也认为距今12Ma青藏高原就已经达到临界高度，它阻隔了印度洋和南太平洋的湿润空气进入，造成我国西部和中亚地区的干旱气候。但是，有关高原内部新生代早期气候变化的研究明显不足。本文的目的，是通过对青藏高原北部地区陆相地层中湖相碳酸盐岩的系统采样分析，以碳氧同位素作为古环境变化的替代指标，尝试从古湖泊系统演化的角度，阐明高原新生代早期环境演变历史和过程。2．地质背景青藏高原北部地区新生代地层的分布，一般受东西向主干断裂控制，走向上成行排列，具有窄长的外形，多属于挤压断陷成因的山间盆地，其中以风火山盆地和沱沱河盆地规模昀大(伊海生等,2002，2004)。综合1：20万区域地质调查和青海省地层资料，该区新生代地层包括三个岩石地层单元，从下向上依次为风火山群、雅西措群和五道梁群（图1）。风火山群是这一地区分布昀广的地层单元，厚度约5000m，岩性主要为一套紫红色冲积扇相－河流相砂泥岩组合，间夹含铜砂岩和湖相灰岩，局部见透镜状砾岩；雅西措群典型剖面见于沱沱河盆地，岩性组合以灰色、紫红色泥岩与粉砂岩、砂岩为主，以发育湖相灰岩和含膏泥岩为特征，厚度变化于500－1500m之间。五道梁群分布广泛，在可可西里盆地和沱沱河盆地都有出现，由灰白色、浅灰色藻叠层石灰岩和白云岩组成，与紫红色泥岩、泥质粉砂岩呈韵律互层，厚度较薄，一般为100－400m。研究区地层简表表（年龄数据据Liuetal（2003）、伊海生等（2004）刘志飞等（2005）磁性地层资料修改编绘）Fig.1Briefstratigraphicgraphofthestudyarea(AgedatamodifieldafterLiuetal.,2003;YiHaishengetal.,2004;LiuZifeietal.,2005)该区新生代地层序列中，昀下部的风火山群呈角度不整合叠置在三叠纪巴彦喀喇群浅变质的砂板岩和结扎群含煤碎屑岩系之上。雅西措群与下伏风火山群的接触关系，由于岩性相似且分界标志层不明显，产状关系难于直接观察，一般认为二者之间存在沉积间断。五道梁群底部与雅西措群和风火山群呈明显的角度不整合接触，在局部地区五道梁群底部不整合面上还发现有底砾岩和风化壳古土壤层(Yietal.，2000)。根据Liuetal.(2003)、伊海生等(2004)和刘志飞等(2005)在该区先后进行的磁性地层、放射性同位素测年研究以及所采集的轮藻、介形虫和腹足类化石鉴定结果，目前确认风火山群时代为始新世，雅西措群沉积的时代属渐新世，五道梁群通常被置于中新世。因此，该区以古近纪陆相红层和新近纪湖相碳酸盐岩为代表的新生代沉积历史为我们追踪高原演化历史和环境变化过程提供了理想材料。3．样品采集和实验方法3．1采样位置实验室进行碳氧同位素分析的样品分别采自五道梁群、雅西措群和风火山群3个地层单元，其中五道梁群和雅西措群湖相灰岩样品采自通天河WD和YP剖面，这是目前青藏高原北部地区所发现的昀完整的渐新世至中新世地层剖面。为了对比研究，在二道沟和五道梁二地分别采集了风火山群生物碎屑灰岩和五道梁群叠层石灰岩样品,采样点编号FPL和WDL。剖面采样点位置如图2所示。．2分析方法与结果薄片和扫描电镜观察表明，研究区湖相碳酸盐岩样品碳酸盐矿物颗粒细小，晶粒粒径一般小于5µm，方解石晶体呈凝胶状外貌，没有发现明显的重结晶现象，而且生物骨骼纤细的结构以及原生纹层状沉积构造和叠层石形态保存完好，具有原生沉积的特点，这些样品的同位素成分被认为能够反映古湖泊系统的原始信号（刘传联.1993;黄志诚等，1999）。选择16件代表性样品进行了X射线衍射分析，分别测定了样品中的方解石和白云石相对含量，计算了白云石的有序度。根据X射线衍射图谱中2个晶面衍射峰（015）和（110）的强度比I015/I110，求得白云石的有序度为0.39～0.77。同时，采用方解石和白云石昀强衍射峰（104）的峰高比I方解石（104）/I白云石(104)，分别测定了全岩样品中方解石和白云石矿物的相对含量。分析结果表明，大部分样品主要由方解石组成，仅在8件叠层石灰岩和具有纹层状构造的泥晶灰岩样品中发现有一定量的白云石，但白云石有序度比较低，接近原生白云石的晶体结构特点，进一步说明样品的成岩强度极为微弱，对原始同位素的信号不会造成太大的畸变和歪曲。研究工作中精细挑选35件全岩样品按照常规分析流程进行了碳氧同位素检测，采用Finnigan公司的MAT252气体同位素质谱仪检测，分析结果以δ‰单位表示，采用PDB标准，测试精度δ0.1‰，分析结果如表1所示。为了系统认识该区新生代湖相碳酸盐岩同位素成分变化，文中引用了Cyr等（2005）采自二道沟地区风火山群灰岩样品的部分分析数据。表1湖相碳酸盐岩全岩样品碳氧同位素分析测试结果Table.1AnalysisDataofcarbonandoxygenisotopicvaluesofbulklacustrinecarbonatesamples4．控制湖相碳酸盐岩碳氧同位素变化的因素在陆相湖泊沉积物中，原生碳酸盐岩的碳氧同位素是研究古环境和古气候变化的重要指标(Drummondetal.,1995；Arenasetal.,1997；LengandMarshall，2004)。湖泊碳酸盐沉积物中碳同位素比值的变化受湖水中溶解无机碳同位素成分以及溶解无机碳（TDIC）与碳酸盐沉淀矿物之间分馏效应的控制。湖水中溶解无机碳的δ13C变化范围与碳的来源有关，而CO2与溶解碳之间的分馏效应则是温度的函数。在停滞水体中，当大气CO2与湖水中溶解碳之间达到平衡时，气相CO2的δ13C为-7‰～-8‰,湖水的δ13C约为+2‰,自生沉淀方解石的δ13C为+4‰～+5‰。湖泊流域古老碳酸盐岩溶解产生的碳偏重，δ13C值在1－2‰之间。如果湖水中溶解碳主要来源于有机质氧化解体产生的CO2，则水体中δ13C可能降低到地层单元样品类型样品数量δ18O‰平均值（PDB）δ18O‰变化范围（PDB）