奥陶系中统灰岩原始 矿物成分的地球化学证据

第14卷　第3期山　西　矿　业　学　院　学　报V o l114　N o13 1996年9月SHAN X IM I N I N G I N ST ITU T E L EA RN ED JOU RNAL Sep.1996奥陶系中统灰岩原始矿物成分的地球化学证据王　飞①(山西省煤炭地质公司) 摘　要　通过对太原西山奥陶系中统灰岩氧碳同位素和微量元素的测定分析,认为灰岩的原始矿物成分是以文石为主,而不是以方解石为主。

关键词　奥陶系中统;地球化学;灰岩中图分类号　P5881245;P595;P597・・0　前　言碳酸盐矿物的形成与海水的温度密切相关,在热带地区海水中沉淀的碳酸盐矿物是以文石为主(M illi m an,1974),而在温带地区海水中沉淀的碳酸盐矿物是以方解石为主(R ao, 1981,N elson,1988)。

最近的实验表明从海水中沉淀的碳酸盐矿物与海水的温度密切相关,其结论和在自然界的分布是一致的(B u rton等,1987)。

然而,关于奥陶系碳酸盐岩原始矿物成分的性质仍有争议。

一些地学工作者认为其原始矿物成分是以方解石为主而不是以文石为主(Sandberg,1975;T ucker,1984)。

本文将通过对奥陶系中统灰岩的地球化学特征和现代碳酸盐地球化学特征进行对比,来探讨灰岩的原始矿物成分。

1　地质概况研究剖面位于太原西山地区,太原市西南50km处(见图1),奥陶系中统碳酸盐岩整合于寒武系和早奥陶碳酸盐岩之上,平行不整合于石炭系海陆交互相煤系地层之下。

其灰岩的岩石类型是以泥晶灰岩为主,生物化石有棘皮类,海百合茎、介形虫、腹足类等,为正常海水组合(见图2)。

①本文作者:王飞,男,39岁,山西省煤炭地质公司,副总工程师,030045 文稿收到日期:1996—04—26 图1　采样位置图 图2　研究剖面柱状图2　采样及分析结果在野外对奥陶系炭岩进行了系统采样,在室内进行了显微镜下观察和染色法研究。

然后对泥晶灰岩和含生物碎屑泥晶灰岩中的方解石基质做了氧碳同位素和微量元素测定,同时对于成岩作用后期形成的脉状方解石也进行了同位素及微量元素测定。

氧碳同位素是由中科院地质研究所完成的,其微量元素(Sr ,N a ,Fe 和M n )是由冶金工业部第三地质中心试验室利用原子吸收光谱进行测定的。

其测定结果见表1.表1　中奥陶统灰岩氧碳同位素及微量元素分析结果样号∆18O (‰PDB )∆13C (‰PDB )Sr (ppm )N a (ppm )Fe (ppm )M n (ppm )O 218-9180-4173175541224131O 221-8168-11651252343758O 223-9131-316517528220397O 225-8162-21131675673439O 235-9129-11672755156958O 241-7161-01343963734148O 242-7134-01453543736729O 245-8122-01012133745568O 252-10116-11154174978760O 254-8116-311825037997112脉状方解石-16104-1102288914691369662山西矿业学院学报 第14卷3　氧碳同位素特征碳酸盐岩的氧碳同位素值通常是随着成岩作用强度的增加而逐步降低的(Jam es 等,1984;Choquette 等,1987;M eyers 等,1985)。

通过对奥陶系中统灰岩的氧碳同位素值分析,图3　奥陶系中统氧碳同位素值分布图发现可以划分为三个组(见图3)。

A 组为氧碳同位数值最高的一组灰岩样品,其∆18O 和∆13C 值和未经成岩作用改造的中奥陶统海相方解石氧碳同位素值最接近(Ro ss 等,1975;Popp 等,1986)。

所以这一组样品可以看作是成岩作用改造最弱的,或者是几乎未经后期成岩作用改造的样品。

B 组样品是“倒J ”型趋势的样品,其氧碳同位素的分布与A 组组合成“倒J ”型,且氧碳同位素值比A 组轻。

这种趋势的同位素分布被认为是以大气水成岩作用为主造成的(M eyers 等,1985;L ohm ann 等,1988)。

碳同位素值降低的原因是由于大气水和有机质分解作用造成的,而氧同位素值固定在一个相对稳定的范围内(-8‰～-10‰)是由于在一个固定的地区其大气水的∆18O 成分是相对固定的,在奥陶纪时华北板块处于低纬度地区(武守诚,1988)。

低纬度地区的大气水∆18O 值比正常海水低2‰～4‰(A nderson 等,1983)。

C 组样品则属于埋藏成岩作用造成的,其特点是碳同位素值相对于海相碳酸盐来说变化较小,相对稳定,而氧同位素数值则大幅度地变轻(Choquette 等,1987)。

这一类样品是脉状方解石。

4　微量元素特征及对比由于以文石为主的碳酸盐沉积物其微量元素(Sr ,N a ,Fe 和M n )的分布与以方解石为主沉积物相比差别很大(M illi m an ,1974;R ao ,1981,1990).当碳酸盐岩的原始矿物成分是以方解石为主时,那些未经受成岩作用改造的或者是受成岩作用改造极弱的样品往往保持其原有的地球化学特征,对于古代高纬度地区形成灰岩研究表明,其微量元素的含量与现代高纬度地区形成的以方解石为主的碳酸岩很相近(R ao ,1981)。

由于文石在自然界是极不稳定的,因此若古代碳酸盐岩的原始矿物成分以文石为主时,所有的文石首先都要转化为方解石,然后再经受进一步的成岩作用改造。

对这一类碳酸盐岩来说,那些保存最好的灰岩或者是受成岩作用改造极弱的灰岩也只能是那些由文石转化而来的方解石,但是这些方解石未经受进一步的成岩作用改造。

这样就可以看出,最佳的办法是查明那些保存最好的或经受成岩作用最弱的样品的地球化学特征并进行对比。

因为经历的成岩作用愈多,其微量元素的分布就愈复杂,难以区分各种因素的影响程度。

762第3期 王　飞:奥陶系中统灰岩原始矿物成分的地球化学证据图4　奥陶系中统炭岩的缌纳值分布由文石转化为方解石的过程通常是在有微量大气水的作用下进行的(P lumm er ,1975,W ali 等,1994),因此由文石转化而来的方解石表现在氧碳同位素值上的特点是,其∆18O 和∆13C 略低于或相当于原始文石的相应值,而其锶钠的含量则低于原始文石的含量,铁锰则高于原始文石的含量,这就是那些保存最好或受成岩作用改造极弱的以文石为主的古代碳酸盐岩特征。

现代以文石为主的碳酸盐沉积物其微量元素的分布特点是铁锰含量低(<20ppm ),钠为2500ppm ,而锶的含量高(约10000ppm ).而以方解石为主的碳酸盐沉积物其微量元素的分布特点是铁锰含量高(M n 约150ppm ;Fe 约1000ppm ),钠为5000ppm 左右,锶含量低(约3000ppm )。

这样,以方解石为主的碳酸盐沉积物其特征是铁锰含量高,锶钠比值(Sr N a )低,通常小于1.而以文石为主的碳酸盐沉积物其特征是铁锰含量低,锶钠比值(Sr N a )高,通常大于3(M illi m an ,1974;R ao ,1990)。

在由文石转变为方解石的过程中,由于钠属于一价离子,所以比锶更容易从晶格中离去,结果会造成锶钠比值(Sr N a )的进一步增高,也就是说对那些原始矿物成分以文石为主时,受成岩作用改造极弱的样品往往具有较高的锶钠比值(Sr N a ).对于奥陶系中统灰岩来说,受成岩作用改造最弱的或保存最好的样品(O 242,O 241,O 245),其微量元素的分布特征是锰含量为29ppm ～68ppm ,比文石为主的碳酸盐略高一些,是在文石转化为方解石时受微量大气水作用的结果,但是明显地低于以方解石为主的碳酸盐沉积物(150ppm ).其铁的含量为341ppm ～455ppm ,高于文石而低于方解石为主的碳酸盐沉积物。

同时从表1中可以看出经受成岩作用改造较强的部分样品其铁的含量已超过1000ppm ,且锰的含量也高达131ppm .另外奥陶系中统灰岩的锶钠比值明显地大于3(见图4)。

而保存最好或经受成岩作用最弱的样品中为5176～10170,这是由于文石在转化为方解石时,钠的贫化速度比锶快造成的(A l 2A as m 等,1986;卢武长,1994).从以上特征可以看出:奥陶系中统灰岩的原始矿物成分很可能是以文石为主,而不是以方解石为主,其特征对比见表2.表2　不同类型灰岩的微量元素特征原始矿物Fe ppmM n ppmSr N a以方解石为主约1000约150约110以文石为主<20<20>3奥陶系中统灰岩341～45529～685176～10170862山西矿业学院学报 第14卷参　考　文　献1　A l2A as m,I.S.and V eizer,J.Journal of Sedi m entary Petro logy.1986,56:138～1522　Burton,E.A.and W alter,L.K.Geo logy.1987,15:111～1143　Choquette,P.W and Jam es,N.P.Geo science Canada.1987,14:3～354　M eyers,W.J.and L ohm ann,K.C.SEPM Special Publicati on.1985,36:223～2405　M illi m an.Sp ringer2V erlag.1974,3756　R ao.C.P.Journal of Sedi m entary Petro logy.1981,51:491～5067　T ucker,M.E.Sedi m ento logy.1984,31:627～644Geochem ica l ev idence for or ig i na lm i nerology of m iddle Ordov ic i an l i m estonesW ang Fe i(S hanx i Coa l Geolg ica l Co m p any)AbstractO n the basis of trace elem en ts and oxygen and carbon iso top es,it is concluded that the o riginal m inero logy of the li m estones w as aragon ite2dom inated,no t calcite2 di m inated.A nd the geochm istry of least altered li m estones are p resen ted and com2 p ared w ith that of m odern carbonate sedi m en ts.KEY WORD S　m iddle Ordov ic i an;geoche m istry;l i m estone 962第3期 王　飞:奥陶系中统灰岩原始矿物成分的地球化学证据。