化学地层学.pdf

1 综合地层学结业论文综合地层学结业论文 题题目目 化学地层学原理与方法化学地层学原理与方法 指导老师指导老师 肖传桃肖传桃 学生姓名 学生姓名 张张 鹏鹏 所属院系 所属院系 地球科学学院地球科学学院 专专业 业 矿物学 岩石学 矿床学矿物学 岩石学 矿床学 学学号号 201371037201371037 完成日期完成日期 20132013 年年 1111 月月 2222 日日 1 化学地层学原理与方法化学地层学原理与方法 张 鹏 摘摘 要要 随着地质学研究的领域和时间跨度增大 在进行不同沉积相区之间地层划分 与对比时 尤其在进行油气勘探初期 钻井地层学 研究时 传统的岩石与生 物地层学的应用受到了极大的限制 根据物质的物理与化学性质的规律性变化来 研 究 地 层 的 一 些 边 缘 性 地 层 学 研 究 方 法 应 运 而 生 化 学 地 层 学 chemostratlgraphy 就是其中一种 化学地层学是上世纪末兴起的一门将地层 学 地球化学 数学地质融为一体的边缘分支学科 本文着重从化学地层学的发 展进程 原理与方法及其应用等方面介绍化学地层学 关键词 关键词 化学地层学 发展进程 原理 方法 应用 abstract with the geology research field and time span increases in the stratigraphic classification and correlation between different sedimentary facies zones especially in oil and gas exploration stage drilling stratigraphy research application of rock and biostratigraphy is not suitable for use some marginal stratigraphy research methods which based on the physical and chemical properties of the material to study the formation regularity of change emerge as the times require chemical stratigraphy is one of them chemical stratigraphy is marginal branch disciplines which appeared at the end of last century and itintegrateddisciplines such as stratigraphy geochemistry and mathematical geology and this paper will introduce the chemical stratigraphy from the aspects of the development process the chemical stratigraphy principle and method and its applications keywords chemostratigraphydevelopment processprinciplemethods applications 2 1 引言引言 化学地层学是地层学研究领域中一个新兴的将传统地层学与地球化学相结 合的边缘学科 是通过研究化学元素和稳定同位素在地层中的赋存 迁移 富集 的规律性变化和岩层重要边界突变的地球化学行为 探讨化学元素和稳定同位素 在时间和空间的变化并将其作为地层划分 对比依据的学科 是开启事件地层学 奥秘之门的一把金钥匙 尤其在界线附近所发挥的重要作用日益为地层学家们所 关注 在生物地层学和其他地层学方法的分辨率都有限的地区 化学地层学利用 生物地层格架划分对比地层 可以极大地提高划分和对比的精度 人们利用元素的活动与集结来说明地层的自然条件和历史发展很早就开始 了 上世纪40 至50 年代 国外a b ronov等 已注意到了不同时代沉积物中元 素含量变化规律 70至80年代 j veizer w compston j c van moort 等 人也分别就世界各地前寒武纪微量元素 稀土元素 稳定同位素随时代的演化规 律进行了研究 1980年 1984年在第26和27届国际地质大会上均使用了 ghemostratigraphy这一概念 我国早在上世纪50年代 侯德封 1959 就提出化学地理及化学地史概念 叶 连俊 1964 陈晋镳 1980 等人都发表过与化学地层有关的论著 1982年黄汲 清在中国地质学会60周年纪念会上着重谈了化学地层工作的重要性 20世纪90 年代是稳定同位素化学地层学研究快速发展时期kirschvink和hoffman等推出 雪球 理论之后 稳定同位素化学地层学研究被广泛应用于晚前寒武纪年代地 层学领域 化学地层学的研究内容 主要分为元素化学地层学和稳定同位素化学地层学 两部分 元素化学地层学的研究对象为常量元素 微量元素 稀土元素及有机化 学元素等 稳定同位素化学地层学则是研究氧 碳 硫和银等同位素 属于地球 化学学科的研究范围 主要研究化学元素稳定同位素在地层单元中的赋存迁移富 集及岩层体边界变异的地球化学行为 进而探讨化学元素和稳定同位素在时间演 化及空间分布中的规律 化学地层学可作为地层划分和对比 恢复古气候 古环 境 论证生命的起源与演化以及自然系统的演化规律的一种新手段 2基本原理基本原理 化学地层学的基本原理是研究岩层中化学元素 常置元素 微量元素 稀土 元素 稳定同位素 有机元素 随时间的演变进而探讨元素演化的化学历史 所 以 化学地层学是以地层体为对象 以地球化学为主要内容和理论依据 以周期 3 表中的化学元素为其研究内容 借助数理统计及电子计算机来研究元素在时间域 和空间域中的演变规律 例如 碳 氧和银同位素在海洋中含量具有稳定性 在 同期海洋沉积物中基本保留当时海洋中的同位素组成 特别是 13c和sr同位素 大气中co2和o2的变化会导致的重大气候变化 因此 稳定同位素也会随时间的推 移而呈现规律性变化 1 研究对象 地层体 沉积作用是主宰元素迁移 聚集的外因 能直接体现沉 积作用的是地层体中的物质 包括 岩石 沉积岩 变沉积岩 火山岩 沉积 建造 环境指标 古盐度 古温度 古气候 eh ph值 氧逸度 硫逸度等 另 外还包括指示沉积环境的指相矿物 标型矿物及元素 2 研究内容 主族元素 常以氧化物形式 cao mgo si02 k2o na2o fe0 fe2o3等十余种 痕迹元素 微量元素如 v ni go cr ba b sr zr u ub zn au ag等二十余个 稀土元素 主要借助于稀土参数 ree la eu gd lu eu ce la yb等 及球粒陨石标准化图谱 以进行地层沉积特征 区 域地层对比 沉积物来源等研究 古宙轻重稀土分馏极弱 元古宙分馏显著 稳定同位素 在地层研究中 主要使用s c o sr四种 a 氧同位素 对于沉积碳酸 盐岩中 18o值的 年代效应 以及在地层划分 对比上的作用有待进一步探索 b 碳同位素 近年地质学家对碳同位素给以极大重视 无论是事件地层学 有机 地球化学均使用 13c值了解地质时期重大事件发生前后的变化状态 了解生物的 兴旺与绝灭时 l3c的变化 c 锶同位素 在确定沉积岩的物源类型和新老归属 锶同位素是较灵敏的指示剂之一 d 硫同位素 在地质历史中硫同位素的演化与 全球构造过程有关的规律 即随地层年龄的减小 层状硫化物的 31s 可由负值 向正值演化 其值并具增加趋势 故可将硫同位素作为地层对比的工具 有机物质 包括有机炭 氨基酸 烃类等 当今 生物成磷作用 生物礁的控 矿作用 菌藻类生物对砂金及层控矿床形成的控制等专题正为地质学家重视 人 们已发现一些贱金属元素的赋存及富集与地层岩石中有机质含敏有明显依赖关 系 如蓟县中上元古界 有机炭含量高的层位包括雾迷山组 高于庄组 串岭沟 组 其含量介于0 17 0 34 现已发现 在沥青质白云岩中 主要是裂隙及晶洞 有固体沥青及油气苗 此外 在前述各地层中也均有规模不等的油气苗 前苏联 及澳大利亚早在50 60年代就发现在元古宙越层中存在工业油气 为此 在我国 能源紧张状况下 地质学家提出开展我国中 上元古界碳酸盐岩中油气的寻找是 十分重要的 3研究方法研究方法 4 由于化学地层学兴起于上世纪末 在国外尚未达到综合上升阶段 完整的化 学地层学研究体系尚未形成 我国学者秦正永等 积多年从事化学地层的实践 于上世纪八十年代末提出了 中国元古宙化学地层模式 初拟了该学科的研究 内容 手段及方法 并确定了它的限度 这个模式目前已被国内一些地质工作者 采用 表1 表1化学地层学研究方法模式 据秦正永等 1991 由表中可以看出 该化学地层学研究方法模式是化学 数学 地质等方法相 互配合相互印证的一种综合方法 4化学地层学应用化学地层学应用 化学地层学虽然出现时间不长 但是已经应用于地层划分 对比 识别岩性 沉积环境 及古气候 古环境等方面 并取得了一定的成果 4 1划分地层划分地层 燕山地区中 新元古代有关化学层序地层学的研究主要集中在蓟县剖面 而其他剖面鲜有系统的化学层序地层学研究 随着蓟县及燕山地区中 新元古界 5 元素分析资料的日益丰富 化学地层学与数学地质相结合 地质家们开始利用这 些新的学科来进行地层划分与对比的研究 90 年代以来 稳定同位素的研究取 得了一定进展 为燕山冀北剖面的化学层序地层学研究奠定了基础 通过对宽城 一凌源的中 新元古界地层剖面及延庆一赤城剖面 怀来下花园赵家山剖面进行 了 c o sr 同位素及常量 微量元素 x 衍射的系统测试分析 通过对这些化 学测试数据的分析 为准确划分层序及其边界提供了新的证据 图 2 图 2宽城尖山子村杨庄组微量元素分布与地层层序的关系 据旷红伟等 2010 从图 2 中可以看出通过测试各微量元素随层序厚度的变化关系 并把个测试 结果进行分析 可以把各微量元素都发生急剧的位置进行对比 从而划分出各层 序的边界 4 2对比地层对比地层 在塔里木盆地的油气勘探中 泥盆系与石炭系界线的划分长期存在争议 其 原因是缺乏化石证据 鉴于华南地区化学 生物地层学研究得较为详细 因此把 贵州省长顺县睦化剖面 盆地相 和湖南省祁阳县黎家坪剖面 台地相 与塔中剖面 进行对比研究 虽然塔里木与华南两大区域因沉积环境不完全相同而导致它们的 化学地层学曲线不完全相似 但依然可以明显地看出 在 3 条剖面上都出现了 2 个显著的 sr 元素含量异常 华南剖面的 2 个异常分别出现在 sulcata 带 下异常 6 和 crenulata 带 上异常 这两个异常出现在塔中剖面东河塘组顶面之上 51 5m 和 55 6m 处 见图 3 图 3塔中剖面与华南剖面生物 化学地层学对比图 据王大锐等 1999 根据上述对比 塔中地区的泥盆系与石炭系界线可定在东河塘组顶面之上 51 5m 处 4 3识别岩性及沉积环境识别岩性及沉积环境 地层中元素的含量 一般随岩性变化而不同 砂岩易于赋存 zr ti cr fe 等 泥岩易于富集 zr ga ca v ni mg rb ge be 等 碳酸盐岩则富含 有 ba mn sr cu n i al si 等 而含富有有机质的粘土岩 则富含有 ag as mo ni u be b se p 等 在地球化学研究中 元素对比值清楚地反映元素之间的相关性 推论沉积环 境 研究元素在地史中的演化规律 如 sr ba 在一定程度上可指示古水体中的盐 度高低 fe 2 fe3 常用以反映氧化还原指标 k na 可反映古盐度及海水深度 ca mg 可反映地史中 ca mg 浓度的强化规律 7 4 4古气候 古环境研究中的应用古气候 古环境研究中的应用 全球变化研究现已成为未来世界地质前沿 在这种背景下 开展古气候的研 究 将今论古 以古推今 对预测未来气候变化非常有帮助 而且 地层中的 各类化学信号是在特定的物理 化学 生物条件和特定环境下形成的 因此它们 本身也代表了一定的环境意义 化学地层学可以通过研究地层中化石钙质壳体或骨骼的微量元素和碳 氧同 位素成分的分布来恢复地质时期的古温度等古气候特征 在气候 生物等因素的 影响下 碳 氧同位素在自然环境中具有分馏作用 化石中碳酸钙的氧同位素比 可能代表古水温的变化 大陆冰盖体积的变化 蒸发和淡水注入和沉积变化 以 及生物的溶解和生理作用变化等 碳同位素的变化也可作为古海洋温度计 碳同 位素比的变化也可能代表如下环境意义 1 表层水和深层水中的 13c 富集程度相 对变化 说明海水的养分含量和分层化程度 有机物的碳含 12c 较多 2 碳酸盐 和碳进入或退出海洋一大气系统的比例 3 深海水循环的变化 即古海水含 12c 较多 4 生物的生理活动差异 5 季节变化 6 溶解作用 7 火山活动等 而 且 利用地层 13c 有机 13c 无机数据还可推算出当时大气中 co 2的浓度 20 世纪 50 年代以来 化石骨骼氧 碳同位素比测定和深海钻探连续岩芯研究 揭 示了古气候变化的详细过程 5结论结论 化学地层学是是地层学迅猛发展的一个重要分支 是开启事件地层学奥秘之 门的一把金钥匙 尤其在界线附近所发挥的重要作用日益为地层学家们所关注 并凭借着自身的优势确立了其在综合地层研究中不可或缺的地位 但是 研究环 节众多 学科涵盖广泛等交叉学科特点以及高昂的研究成本使得化学地层学对研 究者的知识结构 科研素养等综合素质有着很高的要求 其研究对象又是经历过 漫长地质作用的复杂性地质体 因此 任何一个环节的疏漏都将影响到最终结果 的正确性 因此 在从事化学地层学的研究时不仅要清楚的认识到其中仍存在着 的若干薄弱环节 主动规避学术风险 积极提高研究水平 还必需要配合生物地 层 年代地层 磁性地层等资料研究 因为当前没有任何一种方法能真正揭示地 层学的真缔 为使化学地层研究方法规范化 化学地层还应注意下列外