川西北地区中泥盆统—下石炭统碳氧同位素特征及地质意义^*

Carbon and oxygen isotopic characteristics and geological implications of the Devonian-Carboniferous in northwestern Sichuan Basin

摘要

川西北地区(四川盆地西北部简称)是中国泥盆系研究的重要区域之一,但该地区的年代地层对比与古环境研究仍存在争议。本研究针对川西北地区中泥盆统观雾山组与下石炭统总长沟组系统开展野外露头剖面实测和薄片鉴定,并对其中210个碳酸盐岩样品开展碳、氧同位素分析。结果显示: 川西北地区观雾山组中部古盐度较高,水体较浅,是白云岩发育的有利层段,与上覆沙窝子组、下伏金宝石组呈整合接触; 泥盆系与石炭系之间为区域性不整合,表现为观雾山组上部与总长沟组下部缺失; 观雾山组δ¹³C分布在-3.72‰~3.19‰之间,平均为0.61‰,δ¹⁸O分布在-7.30‰~-1.11‰之间,平均为-4.49‰;总长沟组δ¹³C分布在-4.47‰~2.08‰之间,平均为-0.92‰,δ¹⁸O分布在-5.83‰~-0.64‰之间,平均为-3.52‰。古环境恢复表明,观雾山组与总长沟组均属于典型的海相沉积,观雾山组沉积期海水温度主要分布在15~40 ℃之间,平均25.32 ℃,属于亚热带—热带气候,而总长沟组海水温度主要介于15~34 ℃之间,平均23.71 ℃,属于温带—亚热带气候,也揭示了从泥盆纪到石炭纪存在降温事件。此外,δ¹³C的多期正—负漂移变化趋势受控于高频海平面波动及陆架周期性暴露,反映了古海洋的碳循环扰动。实测的研究区3个露头的碳同位素整体变化趋势基本一致,且与中国广西、法国和德国露头剖面的碳同位素变化趋势基本相同,故其可有效应用于泥盆系与石炭系的年代地层对比与划分。本研究揭示的川西北地区泥盆系—石炭系碳氧同位素地球化学特征,不仅为区域地层等时对比提供关键证据,而且重建的古水温演变及碳循环波动机制,有助于明确白云岩的有利发育时期,对认识特提斯东缘古环境演化及油气储层预测有重要意义。

Abstract

The Longmen Mountains region is one of the key areas for Devonian geological research in China. However,controversies persist concerning stratigraphic correlation and paleoenvironmental studies in this area. This study focuses on the Middle Devonian Guanwushan Formation and the Lower Carboniferous Zongchanggou Formation in the northwestern Sichuan Basin. Systematic field surveys of outcrop sections were conducted,complemented by thin-section petrographic analyses. A total of 210 carbonate rock samples were analyzed for carbon and oxygen isotope compositions. The results indicate that the middle part of the Guanwushan Formation in the northwestern Sichuan Basin was deposited under relatively higher paleosalinity and shallow-water conditions,representing a favorable stage for dolomite formation. The Guanwushan Formation exhibits conformable contacts with the overlying Shawozi Formation and the underlying Jinbaoshi Formation. The Devonian-Carboniferous boundary is marked by a regional unconformity,resulting in the absence of the upper Guanwushan Formation and the lower Zongchanggou Formation. Within the Guanwushan Formation,δ¹³C values range from -3.72‰ to 3.19‰(average: 0.61‰),while δ¹⁸O values vary between -7.30‰ to-1.11‰(average: -4.49‰). In the Zongchanggou Formation,δ¹³C values range from-4.47‰ to 2.08‰(average: -0.92‰),and δ¹⁸O values range from-5.83‰ to-0.64‰(average: -3.52‰). Paleoenvironmental reconstruction indicates that both the Guanwushan and Zongchanggou formations were deposited in typical marine settings. During deposition of the Guanwushan Formation,seawater temperatures ranged from 15 ℃ to 40 ℃,with an average of 25.32 ℃,suggesting a subtropical to tropical climate. In contrast,during deposition of the Zongchanggou Formation,seawater temperatures varied between 15 ℃ and 34 ℃,averaging 23.71 ℃,reflecting a temperate-tropical climate transition and revealing a cooling event across the Devonian-Carboniferous boundary. Furthermore,the multi-stage positive and negative excursions in δ¹³C were controlled by high-frequency sea-level fluctuations and periodic exposure of continental shelves,reflecting perturbations in the paleo-oceanic carbon cycle. The overall trends in carbon isotope variations across three measured outcrops in the study area show consistency and are broadly comparable to those documented in sections from Guangxi(China),France,and Germany,demonstrating their utility for global Devonian-Carboniferous stratigraphic correlation and subdivision. This study reveals the carbon isotope geochemical characteristics of the Devonian-Carboniferous strata in the northwestern Sichuan Basin,providing key evidence for regional isochronous stratigraphic correlation. It reconstructs the evolution of paleo-seawater temperatures and the mechanisms of carbon cycle fluctuations,identifies the favorable period for dolomite development,and holds significant implications for understanding paleoenvironmental evolution along the eastern Paleo-Tethyan margin and for hydrocarbon reservoir prediction.

Graphical abstract

关键词

碳同位素 / 氧同位素 / 古环境 / 泥盆系—石炭系界线 / 观雾山组 / 总长沟组 / 四川盆地

Key words

carbon isotope / oxygen isotope / paleoenvironment / Devonian-Carboniferous boundary / Guanwushan Formation / Zongchanggou Formation / Sichuan Basin

泥盆纪与石炭纪是显生宙较为重要的2个地质时期,其大地构造特征(Zhao et al., 2018;李文渊,2024;孟勇等,2025)、生物变迁(Sheng et al., 2018;Lu et al., 2023;Huang et al., 2024;Wang et al., 2025)、环境变化(Sahoo et al., 2023;高万里等,2024;Shen et al., 2024)和沉积演化(成晓雨等,2018;Yang et al., 2023)等方面一直是业内研究热点。碳氧同位素分析作为古环境研究的核心技术手段,在古温度重建、古盐度计算、全球地层划分与对比以及古气候演化研究中具有重要作用(李启来等,2017;王元青等,2019;Heath et al., 2021;Cannell et al., 2022;申博恒等,2022;Kabanov et al., 2023)。其中,碳同位素可有效示踪碳循环过程及大气圈-海洋-生物圈相互作用机制(Hu et al., 2021;Mitchell et al., 2023),同时反映海洋生产力水平与陆源物质输入特征,通常结合牙形石带和其他同位素曲线构建综合地层和时间框架(邓成龙等,2019;邓涛等,2019;朱茂炎等,2019;Wang et al., 2023;Yin et al., 2024;De Keyser et al., 2025;Jamart et al., 2025)。氧同位素则为重建古海洋温度和盐度提供关键地球化学指标(张竹桐和曾敏,2020)。

扬子板块位于特提斯东缘,泥盆系与石炭系发育较连续的海相地层,已有学者围绕青海、四川、云南、贵州等区域的地层开展碳氧同位素研究,取得了较好的研究成果(Qie et al., 2015,2023;Ma et al., 2017;Chen et al., 2024)。川西北地区受多期构造运动影响,泥盆系与石炭系剥蚀严重(梁瀚等,2022),前人利用野外露头、地震资料、沉积相、区域构造演化等多种资料,证实川西北地区存在泥盆系和石炭系的残余海相地层(刘殊等,2020)。目前,诸多学者已经对泥盆系观雾山组开展了大量的研究,沉积演化方面主要认为观雾山组沉积环境为台地边缘、局限台地和开阔台地(李凤杰等,2015,2017;熊连桥等,2017),古生物发育方面认为观雾山组包含牙形石、腕足类、珊瑚、植物和孢子生物化石(郄文昆等,2019,2024),储层特征方面主要认为观雾山组白云岩储集层的储集空间为孔洞和裂缝,溶蚀孔发育,为优质储集层(熊绍云等,2020,2021)。此外,关于川西北地区总长沟组研究的公开文献较少,仅有少量地层概况与生物特征研究成果(范影年,1980;惠博等,2009;廖卓庭等,2010)。

总体来说,目前川西北地区地球化学研究成果主要集中在甘溪地区(卢武长等,1994;程红光等,2009;郄文昆等,2024),全区研究成果相对较少,且缺少地质年代区域与全球对应关系研究,古环境特征尚不清晰,总长沟组研究尚处于早期阶段,仅有少量地层与生物研究成果。因此,作者聚焦川西北地区中泥盆统观雾山组与下石炭统总长沟组,针对川西北地区观雾山组与总长沟组的碳同位素演化是否与全球碳循环事件具有一致性等科学问题,系统开展野外露头剖面实测、薄片鉴定和碳、氧同位素测试分析,将碳同位素演化曲线与全球其他地区对比,识别出全球性碳同位素事件,以期完善全球泥盆系—石炭系碳同位素地层格架。此外,通过重建古温度和古盐度,明确川西北地区泥盆系—石炭系古环境演化特征,分析白云岩的优势发育时期,以进一步揭示特提斯东缘对全球环境演化的响应,同时为油气储集层有利相带预测提供理论依据。

1 区域地质概况

四川盆地位于中国西南部扬子板块西缘,为多旋回克拉通盆地(赵文智等,2012),其北接秦岭构造带,南连康滇构造带,西北缘的龙门山构造带呈NE-SW向展布,构成青藏高原与四川盆地的构造边界(图1-a)。龙门山北部泥盆系—石炭系受印支运动南东向挤压应力影响,发育一系列南东向逆冲断层,局部因构造抬升造成地层缺失,核部出露寒武系。喜马拉雅运动使早期逆冲断层再次活化,逆冲推覆前锋断层上盘的泥盆系—石炭系进一步冲断褶皱,形成紧闭倒转褶皱和次级逆断层(贾东等,2003;金文正等,2007;陈竹新等,2008,2019;汤良杰等,2008;王丽宁等,2014;梁瀚等,2022)。依据基底性质、地层演化、构造变形及活动特征等差异,该造山带以怀远—安县为界分为3段: 安县以北至广元为北段,怀远至安县为中段,怀远以南至雅安为南段(刘殊等,2020)。该区下古生界—中生界下部发育以海相碳酸盐岩为主体的生储盖组合,具备良好的区域石油地质基础。受构造层次与变形程度控制,研究区自北西向南东依次为松潘—甘孜褶皱带、龙门山前陆冲断带、川西前陆拗陷带和前缘隆起带4个构造单元(黄程等,2022)(图1-b)。

龙门山北部泥盆系自下而上分别为: (1)平驿铺组,发育河口湾、三角洲、滨岸和陆棚沉积体系(郑荣才等,1997),岩性以石英砂岩、泥质粉砂岩及部分杂砂岩为主; (2)甘溪组,为浅水陆棚沉积,可见近源砂质风暴沉积(许安涛等,2018);(3)养马坝组,发育混积滨岸—混积陆棚沉积(李佐强等,2020);(4)金宝石组,发育河流、碎屑滨岸、陆棚和碳酸盐岩缓坡沉积(李凤杰等,2023);(5)观雾山组,沉积环境为台地边缘、开阔台地和局限台地(熊绍云等,2020);(6)沙窝子组,属潮坪—潟湖沉积(鲜思远等,1995);(7)茅坝组,为浅滩与潟湖沉积(鲜思远等,1995)。石炭系自下而上为: (1)总长沟组,属高能浅滩相沉积(廖卓庭等,2010);(2)黄龙组,为潟湖—海湾沉积(方少仙等,2000);(3)船山组,属开阔台地—台地边缘浅滩沉积(徐锦龙等,2013)(图1-c)。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

本研究主要以川西北地区中泥盆统观雾山组与下石炭统总长沟组作为研究对象,系统开展野外剖面实测与样品采集工作。分别对马角坝、雁门坝及何家梁3条典型剖面进行样品采集,共计210个。马角坝剖面位于四川省江油市西北侧采石场,出露地层自下而上依次为金宝石组、观雾山组与总长沟组,该剖面采集碳酸盐岩样品66个; 雁门坝剖面位于四川省剑阁县城西北侧,主要由金宝石组和观雾山组构成,采集样品39个; 何家梁剖面位于剑阁县北侧,地层组合为金宝石组、观雾山组和总长沟组,系统采集样品105个。采样过程中严格遵循地质样品采集规范,优先采集断面新鲜露头样品,有效避让方解石脉体、次生裂隙及断层破碎带等次生改造区域,确保样品原始沉积特征的真实性。通过规避风化作用、重结晶作用等后期地质改造过程的影响,为后续地球化学分析获取具有原生沉积环境指示意义的可靠数据提供了基础保障。

2.2 实验方法

研究样品碳、氧同位素测试均由中国石油杭州地质研究院实验室完成。测试采用McCrea正磷酸法: 选取样品新鲜部位研磨至200目,然后使样品与无水磷酸在26 ℃水中反应2 h,之后充入高纯He清洗,再加入浓度100% 的H₃PO₄恒温70 ℃溶解2 h,湿度为60%RH。测试仪器为DELTA V Advantage SN09017D同位素质谱仪,测试方法依据《有机物和碳酸盐岩碳、氧同位素分析方法》SY/T 5238-2019,分析结果以δ(‰)单位表示,测试误差为±0.02‰。

3 岩石学特征

本研究系统采集210个碳酸盐岩样品,其中雁门坝剖面以泥盆系为主,马角坝与何家梁剖面涵盖泥盆系与石炭系。在观雾山组与总长沟组之间缺失上泥盆统,两者呈角度不整合接触。

综合马角坝、雁门坝和何家梁3条剖面岩性特征,认为川西北地区观雾山组底部以浅灰色薄层白云岩为主,夹一套灰白色—浅灰色中层泥晶灰岩、灰质泥岩和黑色页岩(图2-a,2-b);中下部为灰白色—浅灰色中层生屑泥晶灰岩、灰色细粉晶和细晶白云岩夹少量薄层泥岩,向上过渡为浅灰色中—厚层细晶白云岩,可见珊瑚化石(图2-c);中上部为浅灰色—灰色中层细晶白云岩夹薄层泥晶云岩,剖面中白云岩发育溶蚀孔与缝合线,可见平行层理(图2-d,2-e);上部为灰色中—厚层细晶—中晶白云岩,夹少量灰色粗晶白云岩、砂屑白云岩与砂屑灰岩,发育平行层理(图2-e,2-f)。在马角坝与何家梁剖面中,观雾山组与总长沟组呈不整合接触(图2-g),总长沟组下部为薄层泥岩,中下部为一套中层亮晶球粒白云岩和白云岩,中部发育一套薄层灰色泥岩(图2-h),上部为一套中—厚层生屑白云岩,向上过渡为铁质泥岩、铝土质泥岩夹生屑白云岩,与上覆梁山组呈平行不整合接触(图2-i)。

镜下观察表明,观雾山组岩石类型以白云岩为主,多为晶粒白云岩,粒级以细晶为主,缝合线发育,溶蚀孔多被沥青充填;灰岩为生屑泥晶灰岩和砂屑灰岩等,生物碎屑保存完整,以有孔虫、海百合茎为主,含少量介形虫、棘皮动物、腕足类和藻类等生物碎屑。具体岩性特征为: (1)砂屑白云质灰岩,含少量砾屑、似球粒,白云石颗粒呈现条带状分布,构造裂缝被亮晶方解石充填,小型溶蚀孔,多被沥青填充(图3-a);(2)粗晶白云岩,发育缝合线,缝合线两侧粒度变化明显,上部为粗晶颗粒,下部以中晶颗粒为主,含部分细晶颗粒(图3-b);(3)细晶白云岩,发育大型溶蚀孔,为有效孔隙,晶形为半自形和他形(图3-c),灰岩残余颗粒被中晶白云石颗粒充填,可见雾心亮边结构(图3-d),部分细晶白云岩为泥晶灰岩内重结晶形成,不具有原生沉积结构,白云石颗粒呈零散状分布,泥质含量较高(图3-e,3-f);(4)泥晶—粉晶白云岩,泥质含量较高,发育较多小型溶蚀孔,多被沥青填充,受渗透回流白云石化的非均质性影响,粒级呈现条带状变化(图3-e);(5)生屑泥晶灰岩,泥质含量较高,生物碎屑部分保存较好,框架多为亮晶方解石,主要含腕足类、有孔虫、介形虫、棘皮类等生物碎屑(图3-g,3-h,3-i)。

野外剖面特征与岩石薄片镜下观察表明,研究区观雾山组沉积时期海平面波动频繁,总体经历了海退→海侵→海退的变化过程,且由于海退阶段持续时间较长,该组岩性以细晶白云岩为主,仅底部和中下部短期海侵阶段发育少量薄层泥晶生屑灰岩、页岩和泥岩。总长沟组整体以白云岩为主,浅水环境占主体,其顶部的铝土质泥岩为暴露地表的标志,中部与上部发生2次海侵,分别沉积了一套泥岩和铁质泥岩,可见总长沟组主要经历了海退→海侵→海退多次旋回的变化。

4 碳氧同位素特征

4.1 马角坝剖面

马角坝剖面观雾山组碳酸盐岩的δ¹³C值分布在-4.47‰~1.83‰之间,平均值为-0.38‰。碳同位素曲线特征表现为: 整体为正值,仅底部、中部和顶部呈现波动幅度较小的负值(图4)。具体变化过程为: 样品MJB-4处为首次负漂移,幅度达2‰,在样品MJB-5处急速正漂移; 在样品MJB-8和MJB-9之间,δ¹³C发生第2次急速负漂移,幅度略小于第1次,为1.5‰,在样品MJB-9处迅速正偏,变为正值; δ¹³C值第3次正、负漂移分别出现在样品MJB-20处、MJB-22处,并在样品MJB-23处迅速完成负值与正值的转换,直至样品MJB-35处; ${{\delta }^{1}}^{3}$C值在样品MJB-36处逐渐降低,在样品MJB-41处达到观雾山组δ¹³C最低值; 在观雾山组与总长沟组界线处,δ¹³C值逐渐增大,处于负漂移向正漂移转折阶段(图4)。

马角坝剖面观雾山组碳酸盐岩的 δ¹⁸O 为-8.21‰~-1.11‰,平均值为-5.03‰。同位素曲线特征表现为仅在地层顶部较为平稳,维持在-0.5‰左右,其余位置 δ¹⁸O 值波动较大,发生多次正、负漂移(图4)。

4.2 雁门坝剖面

雁门坝剖面观雾山组碳酸盐岩的δ¹³C为0.31‰~3.19‰,平均值为1.49‰(图5)。相比马角坝剖面,其δ¹³C值较为稳定,漂移频次少,总体表现为δ¹³C均为正值,仅底部、中下部和顶部共发生3次正漂移,其余位置δ¹³C值较为稳定,无明显正、负漂移(图5)。具体表现为: 样品YMB-3处δ¹³C值首次发生正漂移,幅度为2‰,在样品YMB-4处急速负漂移,δ¹³C值稳定在0~0.5‰之间; 样品YMB-11与YMB-12之间δ¹³C值再次出现正漂移,幅度达3‰,在样品YMB-12处急速负漂移至0.5‰;δ¹³C值第3次正、负漂移分别出现在YMB-25、YMB-31处,并在观雾山组顶部趋于稳定。

雁门坝剖面观雾山组的 δ¹⁸O 值分布在-7.30‰~-1.20‰之间,平均值为-4.39‰。氧同位素组成变化总体表现为在地层顶部、中部、中下部和底部波动幅度大,仅上部波动幅度较小(图5)。当碳同位素曲线变化不明显时,可借助氧同位素曲线变化判断海平面变化,如图5所示,观雾山组 δ¹⁸O 值整体波动幅度大且岩石类型以细晶白云岩为主,仅在底部与中部沉积薄层泥岩、页岩和灰岩,可见该时期以浅水环境为主。

4.3 何家梁剖面

何家梁剖面是泥盆系与石炭系的界线,下伏地层为中泥盆统观雾山组,上覆地层为下石炭统总长沟组,中间缺失上泥盆统,为不整合接触(图6)。

该剖面观雾山组δ¹³C值介于-9.50‰~2.88‰之间,平均值为-0.45‰(图6),δ¹³C在地层顶部、底部总体为负值,变化幅度大,中部、中下部表现为正值,波动幅度较大。具体特征如下: 金宝石组与观雾山组界线至样品HJL-32处,碳同位素正、负漂移频繁交替,但δ¹³C总体为负值,在样品HJL-32处急速正漂移,碳同位素变为正值; 在样品HJL-41处再次发生负漂移,HJL-42处迅速正漂移,再次变为正值,直至样品HJL-46处; 在样品HJL-48至样品HJL-54之间,碳同位素曲线发生小幅波动,但均为正值; 样品HJL-55至观雾山组与总长沟组界线,δ¹³C值总体呈现逐渐增大的趋势,处于负漂移向正漂移转折期,仅在样品HJL-56处和样品HJL-58处发生正漂移,幅度分别为3‰和4.4‰。

何家梁剖面观雾山组碳酸盐岩的 δ¹⁸O 分布在-8.64‰~1.12‰之间,平均值为-4.41‰。该剖面氧同位素曲线波动幅度大,底部、顶部 δ¹⁸O 为负值,中部为正值(图6)。

何家梁剖面总长沟组碳酸盐岩的δ¹³C为-3.29‰~2.08‰,平均值为0.4‰。碳同位素曲线总体表现为顶部、底部为负值,波动幅度较大,中部为正值,总体较为平稳(图6)。具体变化特征如下: 总长沟组与观雾山组界线处,碳同位素处于负漂移向正漂移的转折期,δ¹³C值逐渐增大; 在样品HJL-69至样品HJL-74之间,δ¹³C值无明显漂移特征,在样品HJL-70处碳同位素发生小幅负漂移,变为负值,随后立即在样品HJL-74处正漂移,回归正值; δ¹³C的第2次正漂移出现在样品HJL-80处,幅度为3.9‰。

该剖面总长沟组碳酸盐岩的 δ¹⁸O 分布在-8.44‰~-0.64‰之间,平均值为-4.77‰。总长沟组氧同位素曲线与碳同位素曲线变化特征相似,总体表现为在地层顶部、底部波动幅度大,中部较为平稳,仅上部第2次负漂移处幅度大于碳同位素曲线。

5 讨论

5.1 数据有效性判别

碳氧同位素作为古环境重建的重要指标,能够有效记录碳酸盐岩沉积期的环境特征,但可能受到后期成岩影响发生蚀变,使得该信息无法反映古环境信息。为确保同位素数据的可靠性,需通过原始性评价排除成岩改造的影响。

目前常用的评价方法主要包括阈值法和相关性分析(Kaufman and Knoll,1995;李文正等,2019;刘安等,2021)。基于上述方法对所测210组数据进行筛选,剔除无效数据后,最终获得的有效数据见表1。3个剖面的δ¹³C分布于-6‰~4‰之间,δ¹⁸O分布于-9‰~2‰之间。表1中数据显示,仅1个样品的δ¹³C略低于-9‰,整体符合海相碳酸盐岩同位素组成的特征范围。

通过线性回归分析进一步发现,马角坝、雁门坝和何家梁3个剖面δ¹³C与 δ¹⁸O 的相关性分别为0.055、0.003和0.121,均未达到显著相关水平,缺乏明显线性关系(图7)。这表明在本次实测的3个剖面上,研究样品未遭受大规模成岩蚀变改造,原始同位素组成较好地保存了有效的古沉积环境信息,可以用于后续的地层对比和沉积环境分析。

5.2 古海洋盐度

前人的研究成果已经证实,δ¹³C和 δ¹⁸O 都与古海洋盐度呈正相关,且δ¹³C与古海洋盐度相关性更高,受温度影响较小(Clayton and Degens,1959)。随后,有学者结合δ¹³C和δ¹⁸O,提出了一个古海洋盐度公式(Keith and Weber,1964):

(1)Z=2.048*(δ¹³C+50)+0.498*(δ¹⁸O+50)

其中,Z为古盐度,δ¹³C、δ¹⁸O均采用PDB标准。在侏罗纪之前沉积的地层,¹³C和¹²C基本不发生交换,总体较为稳定,且寒武纪之后,δ¹³C变化并不明显(张秀莲,1985),所以该公式仍适用泥盆系与石炭系。通常认为,Z>120为海相灰岩,Z<120为淡水灰岩,目前该公式广泛应用于国内元古界、古生界等碳酸盐岩地层古盐度分析,并取得了较好的成果(孔为伦等,2011;李倩文等,2014;姬国锋等,2016)。

利用上述公式,分别求取马角坝、何家梁和雁门坝剖面已采集样品的有效Z值,得到古海洋盐度的演化结果。

1)马角坝剖面观雾山组Z值为119.39~130.16,平均值为125.30(表1)。仅有1个数据点低于120,说明这一时期观雾山组总体为稳定的海相沉积环境,中、下部盐度总体较高,岩性以细粉晶白云岩和细晶白云岩为主,顶部发育少量砂屑白云岩和砂屑灰岩,说明此时随着海水盐度下降,白云岩含量减少,反映同沉积白云石化作用减弱,可能受到少量陆源河流淡水的影响(图8)。总长沟组Z值介于115.95~119.92之间,平均值为118.52,盐度略低于观雾山组,但整体仍为高盐环境。

2)雁门坝剖面观雾山组Z值为125.00~132.63,平均128.16(表1)。底部沉积薄层泥岩与黑色页岩,相比马角坝剖面,雁门坝剖面由下至上古盐度变化较小,总体为稳定的高盐度的海相潮坪沉积环境,岩性以细晶白云岩为主(图8)。

3)何家梁剖面观雾山组Z值为116.86~131.41,平均值为125.19(表1)。该剖面与马角坝和雁门坝剖面观雾山组岩性相似,以细晶白云岩为主,夹少量细粉晶白云岩和薄层页岩,中部盐度更高,仅发育白云岩这一类岩性。总长沟组Z值范围为116.83~129.99,平均值126.52。虽然在总长沟组与观雾山组界线处发育薄层泥岩,但该时期为稳定的高盐度海相沉积环境,岩性仍以白云岩为主(图8)。

5.3 古海洋温度

碳酸盐岩的稳定同位素含量受水体温度控制(李倩文等,2014)。前人研究成果表示,当盐度不变时,水体温度与 δ¹⁸O 呈负相关,对δ¹³C几乎没有影响,因此,当盐度不变时,δ¹⁸O可作为反映古海洋温度的重要标志。由于成岩作用和年代效应的影响,较早沉积的碳酸盐岩 δ¹⁸O 值往往偏低,前人以第四纪碳酸盐岩中的 δ¹⁸O 平均值-1.2‰作为矫正基准(邵龙义等,1996;孟昊等,2016),取得了较好的成果(杨雪琪等,2017)。依据上述方法对本次 δ¹⁸O 进行矫正后,金宝石组、观雾山组和总长沟组 δ¹⁸O 平均值分别为-3.19‰、-3.66‰、-5.12‰,与第四系 δ¹⁸O 平均值相差1.99‰、2.46‰、3.92‰,基于上述差值校正本次 δ¹⁸O 值,并将Δδ¹⁸O代入相关经验公式求取古海洋温度:

(2)$\begin{array}{l}T\left(℃\right)=15.976{-}^{}4.2\mathrm{*}{\delta }^{18}{\mathrm{O}}_{\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{o}3}+\\ 0.13\mathrm{*}({\delta }^{18}{\mathrm{O}}_{\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{o}3}{+0.22)}^{2}\end{array}$

结果显示,观雾山组古温度分布在10.58~33.71 ℃之间,平均值为25.32 ℃,其中15~40 ℃占比约82.69%,说明研究区观雾山组沉积时期为亚热带—热带气候。总长沟组古水体温度分布在10.61~39.71 ℃之间,平均值为23.71 ℃,古水体温度15~34 ℃占比约95.74%,属于温带—热带气候。可见,在雾山组与总长沟组不整合处,水体温度显著降低,说明在进入石炭纪之后发生了显著的降温事件。

总体来看,观雾山组沉积时期古海洋温度由下至上呈现升高→降低→升高→降低→升高多次变化的特征,观雾山组中部沉积时期水体盐度高、温度适宜、海平面较浅,是白云岩发育的有利时期; 马角坝、雁门坝和何家梁剖面观雾山组中部岩性均以细粉晶和细晶白云岩为主,也从侧面证实了这一观点。总长沟组沉积初期水体温度较低,随后呈现上升并迅速下降的趋势。

5.4 碳同位素全球对比

前人针对华南地区中泥盆统吉维特阶碳酸盐岩的碳同位素开展了系统性研究,其δ¹³C主要分布于-2‰~+2.5‰之间(崔秉荃等,1993;Bai et al., 1994;王大锐和白志强,2002)。郄文昆等(2019)结合生物地层格架与碳同位素地层学,提出吉维特阶中期存在一次显著的δ¹³C正漂移事件,增幅超过3.5‰。该事件在欧洲同期地层中可广泛识别(Buggisch and Joachimski,2006;郄文昆等,2019)。相比之下,国内对石炭系碳同位素的研究较为薄弱。近年来,部分学者以华南、北美及欧洲等剖面为基础,逐步构建全球石炭系碳同位素完整演化曲线,推动了高精度对比框架的建立(王向东等,2019;Chen et al., 2022)。

本次共实测3条川西北地区野外剖面,三者间具有良好的区域对比性。为验证碳同位素事件的全球性意义,进一步选取法国、德国、北美等区域野外露头碳同位素进行对比。结果显示,雁门坝剖面中泥盆统吉维特阶可识别出Kaèáks、Lower pumilio和Upper pumilio正漂移事件(图9),马角坝和何家梁剖面仅可识别出Lower pumilio和Upper pumilio正漂移事件(Buggisch and Joachimski,2006)(图10)。

Kaèáks正漂移事件为全球海平面上升,欧洲地区多数野外剖面在该时期发育黑色页岩,δ¹³C值漂移幅度为2‰;Lower pumilio与Upper pumilio正漂移事件为海退,风化作用增强,使得有机碳含量变高,以暗色灰岩和页岩层为标志,碳同位素漂移幅度为2‰。Lower pumilio事件在部分深水环境的剖面中识别较差(Buggisch and Joachimski,2006)(图9;图10)。值得注意的是,Upper pumilio正漂移事件对应的牙形石带和海平面变化特征与Taghanic正漂移事件相同,可能为同一事件(郄文昆等,2019)。

马角坝、雁门坝和何家梁剖面吉维特阶δ¹³C主要分布在-2‰~4‰之间(图9;图10),整体呈现先递增后减小的特征,这与中泥盆统标准无机碳同位素曲线变化趋势一致,说明本次实测剖面具有区域及全球对比性,记录了该时期全球碳循环变化特征。该特征在四川龙门山(崔秉荃等,1993)、横县六景(刘疆和白志强,2009)、象州马鞍山、象州巴漆(王大锐和白志强,2002)、德国哈茨山脉及法国南部(Buggisch and Joachimski,2006)等地均可识别。虽然研究区内中泥盆统吉维特阶碳同位素与法国和德国地区碳同位素曲线在碳同位素漂移时间、次数与幅度等方面存在略微偏差,但在曲线总体变化趋势上具有一致性,故其可有效用于泥盆系地层的对比与划分。

马角坝和何家梁剖面在吉维特阶顶部发育明显的不整合界面,上覆地层为下石炭统总长沟组,下伏地层为中泥盆统观雾山组,缺失上泥盆统(图10)。北美地区碳同位素在牙形石带G.bollandensis内发生1次明显负漂移(Chen et al., 2022),δ¹³C由1.5‰迅速降低至0,在何家梁剖面碳同位素曲线上也可识别到这一变化(图10),但目前并未证实该现象为全球性事件。马角坝和何家梁剖面下石炭统碳同位素分布在-4‰~1‰之间,略低于全球下石炭统碳同位素,但其曲线变化趋势在华南(Buggisch et al., 2011;Liu et al., 2015;Qie et al., 2016)与欧洲(Buggisch et al., 2008)可得到较好识别,这表明马角坝和何家梁剖面下石炭统碳同位素曲线可有效用于泥盆系地层的对比与划分,也为完善全球泥盆系—石炭系碳同位素地层格架提供了资料补充。

6 结论

1)四川盆地西北部观雾山组上覆地层为沙窝子组,下伏地层为金宝石组,表现为整合接触。该地区泥盆系与石炭系之间表现为区域性不整合,不整合面之下为中泥盆统观雾山组,不整合面之上为下石炭统总长沟组,缺失上泥盆统。

2)泥盆系观雾山组105件有效样品的δ¹³C为-3.72‰~3.19‰,平均为0.61‰,δ¹⁸O分布在-7.30‰~-1.11‰,平均为-4.49‰;下石炭统总长沟组24件有效样品的δ¹³C为-4.47‰~2.08‰,平均为-0.92‰,δ¹⁸O分布在-5.83‰~-0.64‰ 之间,平均为-3.52‰。对观雾山组与总长沟组样品碳、氧同位素分析发现,观雾山组与总长沟组为海相沉积,观雾山组中部沉积时期海水盐度较高,水体较浅,为白云岩发育的有利阶段,顶部混杂少量陆源碎屑,偶见淡水沉积; 总长沟组水体盐度稳定维持在120~130之间,相比观雾山组盐度更高,顶部发育铝土质泥岩,表明其曾短暂暴露地表。观雾山组沉积时期水体温度分布在15~40 ℃之间,平均值为25.32 ℃,属亚热带—热带气候,总长沟组水体温度为15~34 ℃,平均值为23.71 ℃,这也揭示从泥盆纪到石炭纪存在降温事件,显示了特提斯东缘对全球环境演化响应的一致性。

3)川西北地区马角坝、雁门坝和何家梁(不整合面之下)3条实测剖面的观雾山组与法国、德国等地区碳同位素曲线变化趋势一致,由下至上可识别出Kaèáks、Lower pumilio和Upper pumilio正漂移事件地层。马角坝和何家梁剖面不整合面之上的总长沟组碳同位素与同时期北美地区曲线变化特征基本相同,在顶部还可识别出1次区域性负漂移事件。这显示了全球性碳同位素事件响应的一致性,也为全球泥盆系—石炭系碳同位素地层格架提供了资料补充。此外,3条实测剖面均发育1~2次负漂移,但漂移时间、幅度等方面有所偏差,可能与区域地质事件影响有关。

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基金资助

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