Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopeneigenschaften von Karbonatgesteinen im mesoproterozoischen Jixian-System des Ordos-Beckens und ihre Auswirkungen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 14082 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Paläoumgebung von Jixian-Karbonatgesteinen im mesoproterozoischen Ordos-Becken wird durch Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenanalysen, diagenetische Umgebungsanalysen und die Wiederherstellung von Paläosalinität und Paläotemperatur untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Karbonatgesteine ​​des Jixian-Systems immer in einer oberflächennahen Umgebung befanden und nicht tief vergraben waren. Die Variationsbereiche von δ13CPDB und δ18OPDB sind relativ eng und reichen von – 5,75 bis 1,41 ‰ bzw. – 8,88 bis – 4,01 ‰, was mit der stabilen Wattsedimentumgebung während des Mesoproterozoikums im Untersuchungsgebiet übereinstimmt. Die Paläosalinitätswerte (Z) liegen zwischen 111,7 und 127,1 und die Paläotemperaturwerte (T) zwischen 32,7 und 57,33 °C, was auf eine relativ warme paläoklimatische Umgebung während des Mesoproterozoikums im Untersuchungsgebiet hinweist. Die Analyse zeigt, dass in einer warmen paläoklimatischen Umgebung die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope Z und T zwar gewisse Schwankungen aufweisen, ihre Bereiche jedoch relativ klein sind, was in gewissem Maße die stabile tektonische Umgebung des Untersuchungsgebiets während des Mesoproterozoikums widerspiegelt. Umfassende Untersuchungen zeigen, dass das Ordos-Becken im Mesoproterozoikum ein warmes Klima und eine stabile tektonische Umgebung hatte, was eine gute Reaktion auf die Lage des North China Blocks in Äquatornähe und die kontinuierliche thermische Absenkung im Mesoproterozoikum sein könnte.

Das Mesoproterozoikum ist ein wichtiges Stadium in der geologischen Geschichte der Konvergenz und Fragmentierung von Superkontinenten, in dem ein globales tektonisches Ereignis stattfand, und die Analysemethode, die durch Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope dargestellt wird, liefert eine vernünftigere Analyse1,2,3,4,5. Am Ende des 20. Jahrhunderts wurden Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenmethoden häufig zur Untersuchung der Aggregation und Fragmentierung mehrerer Superkontinente und der Schneeballerde im Proterozoikum eingesetzt, mit zufriedenstellenden Ergebnissen6,7,8,9,10. Karbonatgesteine ​​enthalten viele Informationen über die Eigenschaften sedimentärer Umgebungen, unter anderem können Sauerstoffisotope die Temperatur und den Salzgehalt des alten Meerwassers bestimmen11; Die Kohlenstoffisotopenzusammensetzung erfasst die Wechselwirkung zwischen dem globalen Kohlenstoffkreislauf und der Atmosphäre-Ozean-Biosphäre12 und kann in großem Umfang für stratigraphische Korrelationen auf globaler oder regionaler Ebene verwendet werden13; Gleichzeitig können Kohlenstoffisotope Ozeanzyklen, Ozeanproduktivität, die Versorgung mit terrestrischem Müll usw. widerspiegeln und so die Möglichkeit bieten, die antike Meeresumwelt zu untersuchen. Bisher wurden Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope von Karbonatgesteinen häufig für die globale stratigraphische Aufteilung und Korrelation sowie für die Rekonstruktion von Paläotemperatur, Paläoumwelt und Paläoklima verwendet.

Wissenschaftler haben umfangreiche Untersuchungen zur Verwendung von Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen in Karbonatgesteinen des Proterozoikums durchgeführt. Li et al.14 schlugen durch Isotopenanalyse von organischem Material aus dem Proterozoikum und paragenetischen Karbonatgesteinen im Yanshan-Becken vor, dass Kohlenstoffisotope eine gute Aufzeichnung der Veränderungen der biologischen Gemeinschaft mit dem Anstieg und Abfall des Meerwassers sein können. Chu et al.15 führten eine systematische Analyse der Kohlenstoffisotopeneigenschaften der proterozoischen Karbonatgesteine ​​im Jixian-System durch und schlugen vor, dass die hohen Kohlenstoffisotopenwerte während zweier Zeiträume im Profil Reaktionen auf zwei tektonische Ereignisse weltweit sein könnten. Luo et al.16 untersuchten die mesoproterozoischen Schichten im Kuancheng-Gebiet und zeigten, dass Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope eng mit Algenblüten und Meeresspiegelschwankungen zusammenhängen. Die erfolgreiche Anwendung von Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenmethoden in Proterozoikum und anderen antiken Schichten sowie die Analyse von marinen Karbonatgesteinen unterschiedlichen Alters durch Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenanalysemethoden zeigen, dass sie ein wirksames Mittel zur Wiederherstellung der antiken Umwelt sein können17,18,19, 20,21.

Aufgrund regionaler und entwicklungsbedingter Unterschiede konzentriert sich die Forschung zu den Karbonatgesteinen im Ordos-Becken hauptsächlich auf ordovizische Schichten22,23,24. Mit der kontinuierlichen Intensivierung der Forschung sind auch die mesoproterozoischen Karbonatgesteine ​​im südlichen Teil des Beckens in den Fokus der Menschen geraten25,26. Die Schichten des mesoproterozoischen Jixian-Systems sind am südwestlichen Rand des Ordos-Beckens weit verbreitet, und es ist eine große Anzahl von Karbonatgesteinen vorhanden, was gute Bedingungen für die Untersuchung der paläoklimatischen Umgebung des mesoproterozoischen Jixian-Systems bietet. Stabile Isotope, die in marinen Karbonatgesteinen konserviert sind, können die ursprünglichen Informationen sedimentärer Umgebungen effektiv darstellen. Durch das Sammeln von Karbonatgesteinen des Jixian-Systems und die Analyse ihrer Spurenelemente sowie Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope kann diese Studie den Mangel an mesoproterozoischen geochemischen Daten in diesem Gebiet bis zu einem gewissen Grad ausgleichen, was für die Untersuchung der Eigenschaften des Paläoklimas und der Umwelt von großer Bedeutung ist am südwestlichen Rand des Ordos-Beckens.

Während des Mesoproterozoikums wurden im südwestlichen Teil des Nordchinesischen Blocks auf der Grundlage des Qin-Qi-Kontinentalgrabens die Aulakogentröge Helan und Qinjin entwickelt27. Der Ordos-Block wird durch die kontinuierlichen Risse und Vertiefungen im Qinjin-Aulakogen und im Inneren des Blocks beeinflusst, was zu einer kontinuierlichen Vertiefung des Wasserkörpers führt (mit einer relativ kleinen Amplitude)28,29,30. In diesem Zusammenhang wurde eine Reihe dicker mesoproterozoischer Karbonatgesteine ​​des Jixian-Systems am südwestlichen Rand des Ordos-Beckens abgelagert, mit einer allmählich zunehmenden Sedimentdicke vom Rand des Blocks (mehr als 225 m) bis zum Inneren des Blocks (mehr). als 616 m)31,32. Das Jixian-System ist ein emporgehobenes antikes Land im nordöstlichen Teil des Ordos-Blocks und ein sedimentäres Senkengebiet am südwestlichen Rand. Es entwickelten sich klastische und karbonathaltige Gesteinsablagerungen im Flachwasserschelf, die das Jixian-System bildeten. diese Gesteine ​​werden durch die Wangquankou-Gruppe am westlichen Rand des Beckens und die Luonan-Gruppe am südlichen Rand repräsentiert; Sie sind hauptsächlich im Grenzgebiet zwischen Shaanxi Gansu und Nord-Ningxia verbreitet (Abb. 133), das sich etwa im mittleren Abschnitt des südwestlichen Randes des Nordchina-Blocks befindet34.

Karte der präkambrischen Paläogeologie im Ordos-Becken33,34.

Das Untersuchungsgebiet liegt in der Nähe des Landkreises Qishan am südwestlichen Rand des Ordos-Beckens. Die maximale freiliegende Mächtigkeit des mesoproterozoischen Karbonatgesteins in diesem Gebiet beträgt mehr als 1350 m. Bei der Lithologie handelt es sich hauptsächlich um Wattdolomit mit kieselsäurehaltigen Bändern und Algenlaminaten (Abb. 2), der reichlich Stromatolithen enthält. Es handelt sich um eine Reihe gut erhaltener und im Wesentlichen unveränderter Sedimentgesteinsreihen. Diese Ablagerungsperiode war der Höhepunkt der Stromatolithentwicklung33,35.

Stratigraphische und mikroskopische Eigenschaften mesoproterozoischer Karbonatgesteine ​​(a Karbonatgesteine, die Algenlaminat enthalten; b kristalliner Dolomit).

Die experimentellen Proben wurden aus dem mesoproterozoischen Karbonatgesteinsfeldaufschluss am südwestlichen Rand des Ordos-Beckens entnommen. Bei der Probenahme wurden Proben mit frischen Abschnitten ausgewählt und Teile, die beispielsweise durch spätere Verwitterung und Calcit-Adern beeinträchtigt wurden, wurden so weit wie möglich vermieden, um die Genauigkeit der Testergebnisse sicherzustellen. Insgesamt wurden 46 Dünnschnittproben und 30 Proben für Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenanalysen für die mikroskopische Identifizierung im Dünnschnitt bzw. für Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenanalysen gesammelt. Karbonatgesteine ​​haben einen guten Rekristallisationsgrad, eine gute Kristallform und große Körner, die von Pulverkristallen bis hin zu groben Kristallen reichen. Pulverkristalliner und feinkristalliner Dolomit sind relativ dicht, enthalten teilweise Algen oder Schlamm, sind meist halb- bis selbstgeformt und weisen eine sichtbare „nebliger Kern-helle Kante“-Struktur auf; der fein- bis mittelkristalline Dolomit weist meist heteromorphe Kristalle auf, die flächig oder eingelegt miteinander in Kontakt stehen; Der mittel- bis grobkristalline Dolomit hat relativ gerade Kristallkanten und die Kristalle sind meist selbstgeformt.

Die für diese Studie gesammelten Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenproben bestanden ausschließlich aus Dolomit, und der Probenahmehorizont war das mesoproterozoische Jixian-System. Die Proben wurden im Open Research Laboratory of Mineralization and Kinetics des Ministeriums für Land und Ressourcen der Chang'an-Universität vorbehandelt. Die Proben wurden zur anschließenden geochemischen Untersuchung mit dem Backenbrecher JC6 und dem Vibrationsscheibenbrecher von Beijing Greiman Instrument Equipment Co., Ltd. auf eine Maschenweite von 200 Mesh (0,074 mm) zerkleinert. Die Prüfung und Analyse von Spuren- und Hauptelementen wurde vom Open Research Laboratory of Mineralization and Dynamics des Ministeriums für Land und Ressourcen der Chang'an-Universität durchgeführt. Insgesamt wurden 0,1000 ± 0,0002 g Probe abgewogen und in einen 30-ml-Polytetrafluorethylen-Tiegel gegeben. Anschließend wurden 10 ml gemischte Säure aus HNO3 + HCIO4 + HF (2:2:1) zugegeben, abgedeckt und die Probe auf einer temperaturgesteuerten elektrischen Heizplatte gelöst. Nach dem Räuchern wurden die Proben 3 Stunden lang bei 100 °C gehalten. Nach dem Trocknen wurden 5 ml Königswasser (1:1) zugegeben und heiß extrahiert. Nach dem Abkühlen wurde die Mischung in einen 50-ml-Messkolben überführt, mit destilliertem Wasser verdünnt, gut geschüttelt und beiseite gestellt. Hauptelemente wurden mittels ICP-OES analysiert, während Spurenelemente mittels ICP-MS analysiert wurden. Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope wurden von Beijing Kehui Testing Technology Co., Ltd. bestimmt. Anschließend wurden 0,5 mg der Probe abgewogen und in das automatische Probenahmesystem Gas-Bench gegeben, hochreines He-Gas zur Reinigung hinzugefügt und gelöst bei einer konstanten Temperatur von 70 °C für 2 Stunden bei 100 % H3PO4. Das Testgerät war ein Thermo Fisher Scientific MAT235 Isotopen-Massenspektrometer; Als Standardprobe wurde Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB) verwendet, der Testfehler betrug ± 0,02 ‰.

Die alten marinen Karbonatgesteine ​​neigen während der späteren Diagenese zu Veränderungen und verlieren ihre ursprünglichen Sedimentinformationen. Daher ist vor der Untersuchung der Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope eine erste Bewertung erforderlich36,37. Bei den in dieser Studie gesammelten Proben handelt es sich ausschließlich um mikritischen Dolomit mit einer Partikelgröße von weniger als 5 μm, und ihr Modifikationsgrad während der Diagenese ist relativ gering38. Untersuchungen haben gezeigt, dass Karbonatgesteine ​​nach der Sedimentation, insbesondere unter dem Einfluss der atmosphärischen Wasserzirkulation, einen Verlust von Sr und die Zugabe von Mn39 erfahren. Daher kann das Mn/Sr-Verhältnis verwendet werden, um festzustellen, ob sich die Kohlenstoffisotopenzusammensetzung verändert hat. Kaufman et al.40 schlugen vor, dass Karbonatgesteine ​​mit Mn/Sr < 10 normalerweise ihre ursprüngliche Kohlenstoffisotopenzusammensetzung beibehalten können. Die Analyseergebnisse in Tabelle 1 zeigen, dass die Mn/Sr-Werte in den Proben alle unter 10 liegen, was darauf hindeutet, dass die ursprüngliche Kohlenstoffisotopenzusammensetzung der Proben erhalten geblieben ist. Sauerstoffisotope reagieren empfindlich auf Veränderungen in der postdiagenetischen Umgebung. Es wird allgemein angenommen, dass die Diagenese einen großen Einfluss auf Gesteine ​​hat, wenn δ18OPDB < − 10‰ ist und sich Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope stark ändern; Wenn δ18OPDB < − 5‰, wird das Gestein von der Diagenese beeinflusst, aber die Zusammensetzung und der Gehalt an Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen ändern sich geringfügig40,41. Die Testdaten zeigen, dass mit Ausnahme der KH-05-Probe alle anderen Proben größer als – 10‰ sind, was darauf hinweist, dass die Daten allgemein verfügbar sind. Um die Zuverlässigkeit der Analyse sicherzustellen, wurden KH-05- und KH-09-Proben aus der nachfolgenden Analyse entfernt. Gleichzeitig nutzen viele Wissenschaftler die fehlende Korrelation zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen als Grundlage, um die Originalität von Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen in Gesteinen zu bestimmen42,43. Die Korrelation zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopengehalten ist in dieser Studie schlecht (die Anpassungsgleichung lautet y = 0,191x − 5,9173 und der Korrelationskoeffizient beträgt 0,0601) und zeigt insgesamt ein diskretes Merkmal (Abb. 3). Daher sind die in dieser Studie verwendeten Proben weniger von der Diagenese betroffen und behalten im Wesentlichen die Eigenschaften des ursprünglichen Sediments bei, was die Anforderungen der Paläoumweltanalyse erfüllen kann.

δ13C–δ18O-Beziehung mittelproterozoischer Karbonatgesteine ​​im Ordos-Becken.

Kohlenstoffisotope weisen eine hohe Stabilität auf und können die ursprünglichen Sedimenteigenschaften besser bewahren. Im Allgemeinen sind nach der Bildung von Karbonatgesteinen die Auswirkungen der späteren Umwandlung auf sie relativ gering. Normale marine Karbonatgesteine ​​haben im Allgemeinen δ13C-Werte von 0 ~ ± 2‰44,45. Allerdings reagieren Sauerstoffisotope empfindlicher auf Veränderungen in späteren Sedimentationsstadien. Wenn Sauerstoffisotopenaustausch mit atmosphärischen Niederschlägen oder heißen unterirdischen Flüssigkeiten stattfindet, sinken die δ18O-Werte deutlich41,46. In dieser Studie wurden zwei Datenpunkte mit geringer Zuverlässigkeit entfernt, und der Bereich der Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenänderungen im mesoproterozoischen Jixian-System war relativ schmal. Die Werte von δ13C reichen von −5,75 bis 1,41‰, mit einem Durchschnitt von 0,16‰, und die Werte konzentrieren sich größtenteils zwischen −1 und 1‰, während die Werte von δ18O von −8,88 bis −4,01‰ reichen, mit einem Durchschnitt von − 5,95‰, und die Werte konzentrieren sich meist auf − 7 bis − 4‰. Die Ergebnisse stimmen mit Hudsons47 Verteilungsmuster von Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen in marinen Karbonatgesteinen überein; Dieses Muster stimmt auch mit den Merkmalen der Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenstatistik in der Region von Liu48 und Song49 überein, was indirekt bestätigt, dass sich die Region während des Mesoproterozoikums in einer langfristig stabilen Wattumgebung befand.

Die diagenetische Umgebung von Karbonatgesteinen ist die Summe verschiedener Umweltfaktoren wie Salzgehalt, Temperatur und Redoxeigenschaften50. Der Meeresspiegel beeinflusst die Diagenese, indem er den Bewegungszustand der unterirdischen Flüssigkeit steuert und so die diagenetische Umgebung und den diagenetischen Prozess bestimmt51. Die Umgebung bestimmt die Struktur der Materie, und unterschiedliche diagenetische Umgebungen führen zwangsläufig zu Unterschieden in den Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopeneigenschaften in ihren Sedimenten45. Die Analyse der diagenetischen Umgebung ist zu einem Schlüsselelement in der Karbonatgesteinsforschung geworden, und die Identifizierung der diagenetischen Umgebung durch die Verbindung von Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen ist zu einer wirksamen Methode geworden52,53. Jiang54 unterteilte die diagenetischen Umgebungen von Karbonatgesteinen in Meerwasserumgebungen, atmosphärische Süßwasserumgebungen, Mischwasserumgebungen, Bestattungsumgebungen und epigenetische Umgebungen. Huang55 unterteilte die diagenetischen Umgebungen von Karbonatgesteinen in frühe oberflächennahe, epigenetische atmosphärische Süßwasserumgebungen, späte mitteltiefe Bestattungsumgebungen und hydrothermale diagenetische Umgebungen. Die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope der Karbonatgesteine ​​in dieser Studie bewegen sich hauptsächlich zwischen der oberflächennahen diagenetischen Umgebung und den mitteltiefen vergrabenen und thermischen nächtlichen diagenetischen Umgebungen (Abb. 4), was darauf hindeutet, dass sich die Karbonatgesteine ​​im Untersuchungsgebiet befanden eine Watt-Sedimentumgebung während des Mesoproterozoikums und später bis zu einer bestimmten Tiefe vergraben; Allerdings war die Versenkungstiefe relativ gering und die Gesteine ​​befanden sich immer in einer oberflächennahen Umgebung, was mit den Ergebnissen übereinstimmt, dass es in dem Gebiet keine Rekristallisation der Karbonatgesteine ​​gab. Gleichzeitig weist die Diagenese aufgrund der Einschränkungen der Diagenese durch die flache diagenetische Bestattungsumgebung einen schwachen Umwandlungsgrad mesoproterozoischer Karbonatgesteinsproben auf, und es ist möglich, die Paläosalinität und Paläotemperatur durch Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope wiederherzustellen.

Schnittdiagramm der Karbonatgesteinswerte von δ13C–δ18O52,56.

Im Allgemeinen steigen die Sauerstoffisotopenwerte in Meeressedimenten mit zunehmendem Paläosalinitätsgehalt57, da während des Verdunstungsprozesses 16O zunächst durch atmosphärische Niederschläge transportiert wird, was zur Anreicherung von 18O im verdunsteten Meerwasser führt58. Keith et al.59 schlugen eine klassische Salzgehaltsformel zur Unterscheidung von Meereskalk von Süßwasserkalk während der Jurazeit und darüber hinaus vor, basierend auf der Analyse und Zusammenfassung einer großen Menge an Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopendaten: Z = 2,048 × (δ13CPDB + 50) + 0,498 × (δ18OPDB + 50). Es wird angenommen, dass Karbonatgestein bei einem Wert von Z > 120 durch Meeressedimentation entstanden ist und bei Z < 120 durch Süßwassersedimentation entstanden ist. Diese Formel wurde in verschiedenen geologischen historischen Perioden häufig zur Wiederherstellung des Paläosalinitätsgehalts karbonatischer Sedimentumgebungen verwendet16,48,49. In dieser Studie weisen die meisten Proben Z-Werte über 120 auf, mit Ausnahme von KH-13 und KH-15 (deren Werte unter 120, aber nahe daran liegen), was darauf hindeutet, dass die Karbonatgesteine ​​in der Region in einem Stall entstanden sind Meeresumwelt; Dies steht im Einklang mit den Forschungsergebnissen von Liu et al.56 und auch mit der sedimentären Umgebung dieser Zeit29. Im Hinblick auf die Gesamtergebnisse ist der Bereich der Z-Wert-Variation nicht signifikant, was auf eine relativ geringe Klimaveränderung und eine stabile tektonische Umgebung während des Mesoproterozoikums hinweist. Es bedarf jedoch weiterer Überprüfungen, um festzustellen, ob der Z-Wert als quantitativer Indikator zur Charakterisierung von Paläosalinitätsänderungen im Untersuchungsgebiet dienen kann. Die Korrelationskoeffizientenanalyse wurde für Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope und Z-Werte durchgeführt, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Anpassungsgleichung zwischen δ13C- und Z-Werten lautete y = 0,4527x − 56,294 mit einem Korrelationskoeffizienten von 0,9701. Die Anpassungsgleichung zwischen δ18O- und Z-Werten war y = 0,1465x − 24,116, mit einem Korrelationskoeffizienten von 0,1673. Die Ergebnisse zeigen, dass die Korrelation zwischen δ18O- und Z-Werten stark ist, während der Korrelationskoeffizient zwischen δ13C- und Z-Werten schwach ist, was möglicherweise eng mit dem Algenwachstum und dem Anstieg und Abfall des Meeresspiegels zusammenhängt14,16.

Zusammenhang zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen und dem Z-Wert.

Bei der Bildung von Karbonatgesteinen ist die Temperatur der wichtigste bestimmende Faktor für den Gehalt an Sauerstoffisotopen60. Obwohl die Methode zur quantitativen Berechnung der Paläotemperatur mithilfe von Sauerstoffisotopen immer noch viele Mängel aufweist, können die Änderungen ihres Gehalts qualitativ die Änderungen der Paläotemperatur in der diagenetischen Umgebung widerspiegeln57. Frühere Forscher in der Region verwendeten empirische Formeln für die Spurenelemente Sr und T, um zu bestimmen, dass die Paläotemperatur des Meerwassers während der Ablagerung von Karbonatgesteinen im Mesoproterozoikum 31,1 °C betrug32,61. Als meeresfreundliches Element verfügt Sr jedoch über eine starke Migrationsfähigkeit und geht im Laufe der Zeit weiterhin verloren, was zu einem Rückgang des Sr-Gehalts im Sediment führt62. Daher ist die mit dieser Methode ermittelte Temperatur nicht sehr genau. Yu63 schlug eine Methode zur Wiederherstellung der diagenetischen Temperatur von Karbonatgesteinen mithilfe von Sauerstoffisotopen vor: T = 13,85–4,54δ18OPDB + 0,04(δ18OPDB)2. Mit dieser Methode wurde festgestellt, dass die diagenetische Temperatur der Karbonatgesteine ​​in diesem Untersuchungsgebiet relativ konzentriert war und durchschnittlich 42,32 °C betrug, was deutlich von der berechneten T der Spurenelement-Sr-Isotope abweicht. Wenn außerdem die aktuelle Oberflächentemperatur des Ordos-Beckens 20 °C beträgt und der normale geothermische Gradient 3 °C/100 m64 beträgt, betrugen die Versenkungstiefen der mesoproterozoischen Karbonatgesteine ​​im Untersuchungsgebiet etwa 500–700 m im Einklang mit der zuvor erwähnten Analyse des diagenetischen Umfelds.

Kohlenstoffisotope haben eine gute Aussagekraft. Während der Diagenese war die 13C-Zusammensetzung der alten Karbonatgesteine ​​sehr stabil und nahezu unverändert, sodass die Eigenschaften der ursprünglichen Sedimentumgebung gut erhalten sind65. Kohlenstoff besteht in der Natur aus anorganischem Kohlenstoff und organischem Kohlenstoff. Anorganischer Kohlenstoff ist relativ reich an dem schweren Isotop 13C, während organischer Kohlenstoff relativ reich an dem leichten Isotop 12C ist. Die relative Zusammensetzung der beiden im Ozean bestimmt den relativen Gehalt mariner Karbonatgesteine ​​und die Zusammensetzung von δ13C66. Wenn die anfängliche Produktivität des Ozeans hoch ist, erhöht sich die relative Einlagerungsrate von organischem Kohlenstoff im Meerwasser, und der relative Anstieg von 13C im Meerwasser führt zur Bildung von Karbonatgesteinen mit einer positiven δ13C-Auslenkung, während ein warmes Klima zu einem Anstieg des Meeresspiegels führt und gedeihende Organismen erhöhen alle die relative Einlagerungsrate von organischem Kohlenstoff im Meerwasser, was zu einem deutlichen Anstieg des Meerwassers δ13C führt. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Entwicklung der Kohlenstoffisotopenzusammensetzung im Proterozoikum hauptsächlich von globalen Meeresspiegelschwankungen beeinflusst wird67; Daher können die Änderungen von δ13C die Änderungen des Paläo-Meeresspiegels während der Sedimentperiode widerspiegeln.

Das Forschungsgebiet befand sich während des Mesoproterozoikums56 in der Nähe des Äquators und die Wattumgebung während der Ablagerung von Karbonatgestein im Ordos-Becken wies einen hohen Salzgehalt und eine hohe Temperatur auf. Dies kann auf die Lage in Äquatornähe, hohe Temperaturen, relativ warmes und feuchtes Klima, anhaltende thermische Absenkung und den Anstieg des Meeresspiegels im Zuge der Ausdehnung des Qinqi-Trogs29 zurückzuführen sein, was zu einem Anstieg der Meerwassertemperatur führt. Darüber hinaus hängen Kohlenstoffisotopenänderungen im Allgemeinen eng mit der biologischen Produktivität zusammen16. In dieser Studie besteht ein positiver Zusammenhang zwischen den Eigenschaften von Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenänderungen. In Kombination mit der flachen diagenetischen Vergrabungsumgebung hat das Jixian-System eine schwache Diagenese durchlaufen, und frühere Studien68 deuten darauf hin, dass bei relativ konstanten biologischen Erträgen und höheren Temperaturen der Isotopenfraktionierungskoeffizient zwischen Karbonatgestein und Meerwasser abnimmt, was im Allgemeinen zu weniger Kohlenstoff und Sauerstoff führt Isotopenwerte und konsistente Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenänderungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Analyse der Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopeneigenschaften, der Paläosalinität und der Paläotemperatur darauf hindeutet, dass die Umgebung und der Meeresspiegel des Ordos-Beckens während des mittleren Proterozoikums schwankten, die Gesamtamplitude verschiedener Parameter sich jedoch relativ wenig veränderte die Stabilität seiner tektonischen Umgebung und seines Paläoklimas.

Die Schichten des mesoproterozoischen Jixian-Systems im Ordos-Becken wurden in einer oberflächennahen Umgebung ohne tiefe Verschüttung abgelagert, und die Diagenese war schwach. Die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope behalten im Wesentlichen die ursprünglichen geochemischen Eigenschaften bei.

In den Karbonatgesteinen des mesoproterozoischen Jixian-Systems im Ordos-Becken sind die Variationsbereiche von δ13CPDB und δ18OPDB relativ eng und reichen von −5,75 bis 1,41‰ bzw. −8,88 bis −4,01‰, was bestätigt, dass das Untersuchungsgebiet in einem Gebiet lag stabile Wattsedimentumgebung während des Mesoproterozoikums. Die Paläosalinitäts-Z-Werte liegen zwischen 111,7 und 127,1 und die Paläotemperaturwerte zwischen 32,71 und 57,33 °C, was die warme paläoklimatische Umgebung im Mesoproterozoikum im Untersuchungsgebiet widerspiegelt.

Die Merkmale der Veränderungen der Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope, der Paläosalinität (Z), der Paläotemperatur (T) und eines warmen Klimas in einem kleinen Bereich könnten eine gute Reaktion auf die Lage des North China Blocks in der Nähe des Äquators und sein anhaltendes thermisches Absinken während dieser Zeit sein das Mesoproterozoikum.

Daten sind auf begründete Anfrage verfügbar; Bitte wenden Sie sich an den entsprechenden Autor.

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Diese Forschung wurde vom China Geological Survey „Pilot zur geologischen Kartierung im Abdeckungsbereich der gelben Karte“ (17CNIC036473-19) und vom vom Shaanxi Provincial Key Laboratory of Land Consolidation finanzierten Projekt „Bodenverschmutzungsforschung in typischen Bergbaugebieten im Norden von Shaanxi“ (2019-19) unterstützt. ZY01).

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Liang Jiwei

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Guo Xiaodan

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XL, ZH und JL hatten die Ideen; XL, XG und XX führten die Experimente durch; XL, XG und SL verarbeiteten die Daten; XL hat den Entwurf vorbereitet, überprüft und bearbeitet. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Hong Zenglin.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Xiaofeng, L., Zenglin, H., Jiwei, L. et al. Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopeneigenschaften von Karbonatgesteinen im mesoproterozoischen Jixian-System des Ordos-Beckens und ihre Auswirkungen. Sci Rep 13, 14082 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41297-w

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Eingegangen: 31. Mai 2023

Angenommen: 24. August 2023

Veröffentlicht: 28. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41297-w

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