西沙群岛晚第四纪碳酸盐岩淡水成岩作用——来自永兴岛SSZK1钻孔的地球化学响应证据

基于西沙永兴岛上最新钻孔(SSZK1)取得的55.92 m岩芯的U-Th定年、矿物、薄片、主微量元素及碳氧稳定同位素等资料,开展了西沙群岛晚第四纪碳酸盐岩沉积相和淡水成岩作用的研究。根据不同的矿物组成特征,可将SSZK1钻孔岩芯分为上、中、下三段:下段(33.89~55.92 m,主要为低镁方解石)、中段(18.39~33.89 m,主要为文石和低镁方解石)、上段(0~18.39 m,主要为文石、高镁方解石和低镁方解石)。由于下段碳酸盐岩几乎全为稳定的低镁方解石组成,碳氧同位素值的严重负偏和小幅度变化,可推断其经历了程度较大的淡水成岩作用。中段和上段还存在不稳定的文石和高镁方解石,碳氧同位素值相对下段正偏和高幅高频变化,推测其淡水成岩作用的程度比下段要小。中段碳氧同位素值高幅高频变化同时也说明该段的矿物纵向变化较复杂。这种矿物组成的复杂变化可能是由于晚第四纪海平面频繁变化,该段被大气水渗流带和潜流带交替占据引起的。主微量元素的变化同时受到淡水成岩作用和沉积环境的影响。在中段、下段中可识别出sq1、sq2、sq3、sq4四个完整的相旋回。Na2O,S,Sr和碳氧同位素受到的淡水成岩作用而被消耗和负偏,且由于老一期的旋回经历了更长时间的淡水成岩作用,新、老旋回间的Na2O,S,Sr含量值和碳氧同位素值有明显差异。利用新、老时期形成的旋回间淡水成岩作用剩余Na2O,S,Sr含量和碳氧同位素值的差别可以将新、老两个旋回区分开来。

西沙石岛风成碳酸盐沉积的早期成岩作用

西沙石岛风成碳酸盐沉积形成于晚更新世,正处于早期成岩阶段。通过薄片、扫描电镜、稳定碳、氧同位素、常量元素和微量元素分析,对石岛风成碳酸盐岩的早期大气淡水成岩作用进行了研究。发现石岛风成碳酸盐沉积的早期成岩固结主要在大气淡水作用下完成,其中蒸发成岩作用在初始固结中可能起着主要作用;在大气淡水作用影响下,部分碎屑颗粒发生溶蚀和新生变形,新生的微亮晶低镁方解石(5～15μm)镶边胶结在颗粒及孔隙周围,并成为主要的胶结物;而作为大气渗流带和潜流带典型产物的亮晶胶结物则很少占据主导地位。海水成岩作用主要表现为对早期成岩作用的改造,会造成锶、镁含量的增高,但影响范围仅止于浅表层,而且对δ13C和δ18O值的影响微弱。生物化学作用可能参与了古土壤中灰质壳与根管石的形成,但在风成碳酸盐沉积的整体成岩上不具意义。大气淡水成岩作用会造成石岛风成碳酸盐岩δ13C和δ18O值的降低,并使碎屑发生新生变形而导致锶、镁的淋溶。成壤风化作用会导致Al、Fe、Mn、Y、Cr元素在古土壤中明显富集,其中Al、Fe、Mn的富集与成壤风化作用有关,而Y、Cr元素则可能源于长期暴露引起的风尘或火山灰的相对富集。