湘中坳陷邵阳凹陷佘田桥组下...变迁及其对海洋碳循环的影响_陈林_.pdf
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1、湘中坳陷邵阳凹陷佘田桥组下段古气候变迁及其对海洋碳循环的影响陈林,刘安*,田巍,李海,张保民,陈孝红,吕嵘CHEN Lin,LIUAn*,TIAN Wei,LI Hai,ZHANG Bao-Min,CHEN Xiao-Hong,L Rong1.中国地质调查局武汉地质调查中心(中南地质科技创新中心),湖北 武汉 430205;2.中国地质调查局南方复杂构造区页岩气研究中心,湖北 武汉 4302051.Wuhan Center,China Geological Survey(Geosciences Innovation Center of Central South China),Wuhan 43
2、0205,Hubei,China;2.Shale Gas Research Center in Complex StructuralArea of South China,Wuhan 430205,Hubei,China摘要:湘中坳陷泥盆系发育多套富有机质页岩,是华南重要的页岩气勘探目标层系。为揭示该层系有机质富集及海洋碳汇演化过程,本研究主要应用地球化学方法对邵阳凹陷上泥盆统佘田桥组下段沉积时期古气候变迁及其对古海洋环境碳循环的影响进行分析。结果显示,Rb/Sr、Ln(Al2O3/Na2O)和C值等3个指标在佘田桥组下段下部发育共轭相对高值段,指示该段早期存在较明显的向相对温暖潮湿条件的气候
3、转化事件。化学风化作用指标 CIA(Chemical index of alteration)、CIW(Chemical Index ofWeathering)和PIA(Plagioclase Index of Alteration)在该段下部和上部呈现相对高值段,指示该段主要形成于干冷气候条件,其中早期和晚期属于两期温暖潮湿气候,而早期温湿事件更为显著。气候变化与TOC和碳同位素13C分布之间关系揭示了气候变迁驱动有机质的相对富集和13C的正偏,对海洋碳循环产生了广泛影响。关键词:佘田桥组下段;古气候;碳循环;邵阳凹陷;湘中坳陷中图分类号:P534.41;P618.130.2文献标识码:A文
4、章编号:2097-0013(2023)02-0309-11Chen L,Liu A,Tian W,Li H,Zhang B M,Chen X H and L R.2023.Paleoclimate Variations ofthe Lower Member of Shetianqiao Formation in Shaoyang Sag,Xiangzhong Depression andIts Influence on Marine Carbon Cycle.South China Geology,39(2):309-319.Abstract:The Devonian in the Xiang
5、zhong Depression is an important shale gas exploration target in SouthChina,with the development of multiple sets of organic-rich shales.In this study,the geochemical methodsare used to reconstruct the paleoclimate variations and the possible influence on carbon cycle during the depo-sition of the U
6、pper Devonian lower member of Shetianqiao Formation in Shaoyang Depression.This studywill help to reveal the accumulation of organic matter and the evolution process of marine carbon sinks.Theresults show relatively high values in Rb/Sr,Ln(Al2O3/Na2O)and C in the lower part of the lower member ofShe
7、tianqiao Formation,indicating an obvious transition of the climate to a relatively warm and humid state inthe early stage.Chemical weathering indexes CIA,CIW and PIA yielded relatively high values in the lower收稿日期:2023-4-18;修回日期:2023-5-22基金项目:湖北省自然科学基金项目(2021CFB293);中国地质调查局武汉地质调查中心潜龙计划青年人才项目(QL2022-
8、04);中国地质调查局地质调查项目(DD20190781、DD20221659)第一作者:陈林(1989),男,高级工程师,主要从事沉积学研究和页岩气地质调查工作,E-mail:通讯作者:刘安(1981),男,正高级工程师,主要从事沉积成因及油气保存方面研究,E-mail:第39卷 第2期2023年6月华 南 地 质South China GeologyVol.39,No.2,309-319Jun.,2023doi:10.3969/j.issn.2097-0013.2023.02.009华 南 地 质2023 年and upper parts,indicating that the lower
9、 member of Shetianqiao Formation was mainly formed in cold anddry climate conditions,with two stages of warm and humid climate conditions developing in the early andlate stages.In addition,the early event might be more significant.The relationship between climate changeand the distribution of TOC an
10、d carbon isotope 13C indicates that climate might have driven the accumula-tion of organic matter in the sediment and the development of a positive bias of 13C in the lower member ofShetianqiao Formation.Our study indicates the climate variations during that period had a wide impact on themarine car
11、bon cycle.Key words:Lower member of Shetianqiao Formation;paleoclimate;carbon cycle;Shaoyang sag;Xiang-zhong Depression湘中地区自晚古生代以来发育了多套黑色富有机质泥页岩层系,其中上泥盆统佘田桥组是区域上泥盆系最为重要的一套海相富有机质页岩,该套页岩形成于泥盆纪海侵最为广泛时期,具有分布广、厚度大等特征,是近年来湘中地区最重要的页岩气调查层系之一(陈洪德和曾允孚,1989;ChenL et al.,2021a;陈林等,2021;刘安等,2021)。近年来湘中地区上泥盆统页岩气调
12、查取得了重要发现,证实了该层系的页岩气资源潜力。由于大陆风化条件和气候条件对沉积盆地陆源碎屑输入、营养物质供给、水体分层等产生了重要影响,因此其对黑色泥页岩形成、有机质富集、海洋碳循环等具有一定程度的控制与驱动(Ma P F et al.,2015;Chen L et al.,2021b,2022;Xu C et al.,2021)。前人研究表明,大陆风化作用的增强能够导致沉积盆地营养物质通量增加从而造成水体初级生产力提高,进而促进有机质的埋藏与富集(张逊等,2018;周国晓等,2020;丁江辉等,2021);气候条件变冷能够导致海平面降低,造成水体氧化还原条件的变化,从而对有机质保存产生重要
13、影响(陆扬博等,2017;Lu Y B et al.,2019;拜文华等,2019;郑宇龙等,2019;Xiao B et al.,2021)。然而当前针对区域上佘田桥组的古气候研究及其海洋环境影响,尤其是富有机质页岩段研究较少(田巍等,2019;吕嵘等,2020),这制约了对该沉积时期海洋碳循环驱动机制的深入认识。因此,开展佘田桥组富有机质页岩段古海洋环境尤其是古气候特征及演化分析对揭示佘田桥组沉积成因及古海洋环境演化等具有重要意义。本次研究在系统地球化学采样测试基础上,开展邵阳凹陷佘田桥组古气候特征分析,进一步探讨其对海洋碳循环的影响,以期为湘中地区富有机质泥页岩成因及古海洋环境演化研究提
14、供一定的参考。1 区域地质概况湘中坳陷是一个主要以变质岩系为基底,在其上覆盖以上古生界-中三叠统的碳酸盐岩为主夹多套碎屑岩系的准地台型沉积坳陷,构造单元可进一步划分为零陵凹陷、邵阳凹陷、涟源凹陷、湘潭凹陷等多个内部凹陷(敬乐等,2012;罗小平等,2012;陈林等,2019)。其中邵阳凹陷主要出露中泥盆统-下三叠统。凹陷内发育一南北走向向西突出的祁阳弧弧形褶皱带,进一步依据构造样式和地层厚度差异划分为东部断块带、中部褶皱带和西部断褶带(柏道远等,2006)。本次研究的湘双地1井主要位于邵阳凹陷东部断块带(图1)。佘田桥组沉积时期邵阳凹陷主要受断裂控制,发育多个裂陷盆地,主要继承前期中泥盆世台间
15、盆地-台地相间古地理格局,发育区域上分布最为广泛的黑色富有机质泥页岩层系,其中佘田桥组下段泥页岩段地层厚 60350m,主要为一套深水台盆相深灰色、灰黑色薄层状硅质岩、钙泥质硅质岩、硅质页岩、页岩,夹透镜状或薄层状泥质灰岩、灰岩。其下部与中泥盆统棋梓桥组深灰色中层状泥晶灰岩、泥质灰岩整合接触,泥页岩段上部与上泥盆统佘田桥组中段深灰色-灰黄色薄至中层状泥灰岩整合接触。2 样品处理及实验方法本次研究的样品均采自于湖南邵阳湘双地1310第39卷 第2期井佘田桥组下段,共采集样品28件(表1、图2)。主要选择新鲜样品在无污染条件下磨碎至0.071 mm,用于元素含量测试及TOC测试。主量、微量元素测试
16、均在自然资源部中南矿产资源监督检测中心完成。主量元素含量分析采用玻璃熔片法,在X射线荧光光谱仪(XRF,型号:Axios MAX)上测定,XRF的分析精度优于5。微量元素主要采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,型号:X Series II)测定,分析精度优于5%。TOC主要采用碳硫分析仪(型号:LECO CS-600)进行测试,分析精度优于0.310-6。3 元素比值指示的古气候特征通常在化学风化过程中,岩石中的Rb在风化作用中相对较为稳定,其会被风化产物粘土矿物吸附而保留在原地,而Sr则对古气候变化较为敏感,会被溶解在地表水中而被淋滤,因此前人将Rb/Sr比值用作古风化强度的良好指代指
17、标(李志文等,2015;杨帅斌等,2017;傅寒晶等,2021)。其高值通常代表了相对温暖潮湿气候条件,并表现出具有较强化学风化的特征,低值常代表干冷气候条件,具有较弱的风化特征(Chen S Y et al.,2005;戴贤铎等,2018)。由于晶格参数的限制,Sr很容易进入碳酸盐矿物,而Rb则很难,因此针对泥岩、灰岩、泥灰岩等细粒沉积物较难开展岩性判断时,需分析其主要元素组成对Rb/Sr比值的影响,进而判断该指标的气候条件分析适用性。研究区样品SiO2、Al2O3和CaO等3种主量元素总和为61.04%81.93%,烧失量为 6.68%36.33%,因此 SiO2、Al2O3和 CaO 是
18、样品的主要元素组成。3种主量元素与Rb/Sr比值的相关系数R为0.54、0.69和-0.65(图3),R2均小于0.5,整体相关性较差,因此整体上区内细粒沉积岩性变化对Rb/Sr比值影响较小,可应用于气候条件分析。佘田桥组下段Rb/Sr主要为0.0060.823,平均为0.232(图2)。自下而上表现出先增大后减小,然后再增大的特征,相对高值段主要发育于下部和上部,指示气候在整体相对干冷背景下存在温湿气候条件。前人研究表明受风化作用影响,硅酸盐矿物中Na、K、Ca等离子会被淋滤而大量运移,而硅酸盐矿物中的Al会在风化产物中以粘土矿物的形式被大量保留在物源区(傅寒晶等,2021)。因此,图1 湘
19、中坳陷构造单元划分及泥盆系沉积充填演化Fig.1 Tectonic unit division and Devonian sedimentary filling evolution in Xiangzhong Depression陈林等:湘中坳陷邵阳凹陷佘田桥组下段古气候变迁及其对海洋碳循环的影响311华 南 地 质2023 年表1 湘双地1井主量元素、微量元素和总有机碳测试含量Table 1 Contents of major elements,trace elements,and total organic carbon in well Xiangshuangdi 1样品号SD1-1SD1
20、-2SD1-3SD1-4SD1-5SD1-6SD1-7SD1-8SD1-9SD1-10SD1-11SD1-12SD1-13SD1-14SD1-15SD1-16SD1-17SD1-18SD1-19SD1-20SD1-21SD1-22SD1-23SD1-24SD1-25SD1-26SD1-27SD1-28深度(m)1140.201148.601154.601159.901165.401171.001180.601187.201194.101203.101228.501235.101243.001250.401256.301264.301271.001275.401278.701284.801289
21、.301293.401297.601302.801312.701321.101329.101331.70SiO2(%)62.1656.7161.0258.4252.2055.4553.489.7713.5616.1518.2125.0038.8453.5647.4948.3841.3842.3239.0053.9441.8351.8640.2458.9234.8315.1817.698.80Al2O3(%)11.1111.5817.5416.6714.4314.5511.751.033.544.182.506.029.529.977.908.519.7410.848.9412.1212.881
22、2.5011.638.0311.081.403.060.87Fe2O3(%)0.780.541.241.791.001.321.110.210.520.130.270.501.580.921.081.931.251.010.922.553.780.561.851.573.391.091.490.43FeO(%)2.983.973.413.293.583.273.150.290.220.820.711.712.122.151.340.861.912.581.301.070.761.562.301.102.420.610.670.77CaO(%)7.399.702.374.449.687.9211
23、.7251.3246.4841.4143.2232.4119.7414.0019.6317.3719.7416.8623.3710.2614.0811.9617.8213.1115.9346.3042.7151.37MgO(%)1.711.821.791.841.861.941.680.780.922.261.272.373.101.591.501.312.193.401.601.913.622.683.381.206.611.030.900.90K2O(%)2.442.173.653.562.703.172.560.200.870.970.541.362.091.991.821.932.22
24、2.481.993.123.093.122.571.982.880.400.760.23Na2O(%)0.810.900.900.850.740.780.740.190.300.360.260.560.420.640.390.370.340.340.330.280.400.220.260.140.180.080.070.06TiO2(%)0.640.580.760.680.630.570.540.040.090.120.110.210.420.500.400.290.360.400.360.430.420.410.350.270.370.070.140.04P2O5(%)0.110.130.1
25、00.110.120.100.090.050.040.040.090.060.110.080.130.120.170.120.120.120.130.150.100.180.070.070.060.04MnO(%)0.080.140.040.060.110.090.100.040.020.020.040.030.160.040.030.050.140.190.220.030.040.020.030.030.050.020.010.02灼烧减量(%)9.3411.206.687.8012.4310.3312.5635.8533.2533.2732.6029.3821.5214.1918.0018
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