塔里木盆地阿北、顺北区块古生界碳、氧同位素特征及其环境意义.pdf

1 塔里木盆地阿北 顺北区块古生界碳 氧同位素特征 及其环境意义 塔里木盆地阿北 顺北区块古生界碳 氧同位素特征 及其环境意义 李彬 李谦 中国地质大学 北京 能源学院 北京 100083 摘摘 要 要 主要介绍了碳 氧同位素的分析原理和其在沉积环境方面的意义 分析了塔里木盆 地阿北 顺北区块古生界样品的测试数据 得到以下认识 古生界该区块沉积水体相对封闭 碳 氧同位素比值的变化与沉积环境的变化有较好的相关性 运用计算 Z 值判断该区块古 生界主要为海相沉积 利用碳 氧同位素的变化对海平面变化的响应 研究了区块古生代海 平面的变化 关键词 关键词 塔里木盆地 古生界 碳 氧同位素 沉积环境 海平面变化 稳定同位素地球化学是根据相同元素的同位素之间具备稍有差异的热力学和物理学性 质而建立的一门科学 Urey 1947 这些同位素在化学和物理反应中的行为略有差异 当 它们或者含有它们的化合物参加反应或经历变化时 同位素就会被分离或分馏 引起同位素 相对丰度的变化 1 60 年代以来 对影响水体碳酸盐沉淀物中氧 碳同位素组成的因素及原始同位素的保 存条件等有了深入的认识与了解 研究表明 碳酸盐中稳定同位素组成对古气候和古环境的 变化反应灵敏 这对于化石群落保存较少或不易全面观察的碳酸盐岩油气勘探区尤为有意 义 1 稳定同位素分析原理稳定同位素分析原理 稳定同位素的丰度通常用两种物质同位素的比值来表示 国际上通用的标准为 1000 SSAA RRR A 为处于 A 相的重同位素与轻同位素的比值 S R 为标准物质的重轻同位素的比值 碳酸岩中的碳和氧的同位素通常以 PDB Pee Dee belemnite 标准给出 硫同位素通常以 CDT Conyond Diablo Toilette 标准给出 3 氧有三种稳定同位素 丰度分别为 16O 99 762 17O 0 038 和 18O 0 200 Tuli 1985 由于 18O 与 16O 质量差异明显且丰度值大 因此用 18O 16O 值来表示氧同位素组 成 自然界碳主要有两个储库 有机碳和碳酸盐 其碳同位素组成差别较大 前者轻 13C 25 后者重 13C 0 实验分析成果表明 控制和影响盆地沉积物碳 氧同位素组成的因素主要有以下几个方面 1 1 温度的影响温度的影响 当温度升高时 由于同位素交换反应形成的矿物相对富 16O 而温度低时则相反 因 此 可以通过沉积物的 18O 来确定古温度和推断古气候 温度也影响着碳同位素的分馏 1 2 盆地水体的扩张程度盆地水体的扩张程度 从湖盆相对萎缩 水域面积较小的低位期 到湖泊扩张的湖侵期 18O 和 13C 值会发 生一系列的变化 水体萎缩期的蒸发作用导致氧 碳同位素的分馏作用 使得富含重同位素 碳酸盐岩的沉淀 碳酸盐岩中重 13C 较为富集 水体扩张期 水生生物繁盛 18O 和 13C 值明显变低 粘土矿物以碎屑粘土矿物为主 据研究 18O 和 13C 值之间明显的一致变化 2 是封闭湖泊中所形成的碳酸盐岩的重要特征 而开放湖泊中碳酸盐岩的碳 氧同位素变化间 的相关性不大 4 1 3 不同来源的矿物的影响不同来源的矿物的影响 不同的碳酸盐矿物 碳同位素组成具有明显的差异 在相同的温度条件下 其沉淀的文 石和方解石 方解石和白云石 镁方解石和纯方解石等都会具有不同的同位素组成 这是因 为不同矿物化学成分不同 晶体结构不同 一般来说晶体结构有序度越高或堆积越紧密就富 集重同位素 与氧键结合的阳离子 电价越高 原子量越小 富集 18O 的能力越强 碳酸 盐矿物从方解石 磷锰矿 磷锶矿直至毒重石 18O 值逐渐减少 这样由于物源供给的不 同来源造成盆地沉积物的碳酸盐矿物组成的差异 必然造成碳 氧同位素的差异变化 1 4 成岩作用成岩作用 海水中氧的同位素 18O 和碳的同位素 13C 都比淡水中要高 沉积物中的自生矿物 碳 酸钙 碳酸铁等 能反映这一差别 从而成为利用稳定同位素作古环境指标的根据 试验证 明 碳酸钙和它的沉积介质之间存在着同位素平衡 即进入自生碳酸钙中去的稳定同位素 18O 13C 与水中的含量成比例关系 淡水环境中形成的碳酸钙 比起同一温度下从海水中 沉积出来的碳酸钙来 13C 和 18O 的含量都较少 2 研究区域稳定同位素分析研究区域稳定同位素分析 阿北 顺北区块于塔里木盆地东北坳陷区西部 主要包括阿瓦提断陷 顺托果勒低隆 满 西地区 和沙雅隆起一部分 西大致以阿参 2 井区 阿瓦提县西一线为界 东至羊屋 1 井 哈得6井区 南到巴楚隆起 卡塔克隆起北缘 北以阿克苏市 沙雅县为界 面积约30000km2 样品主要来自印干村 小海子 唐王城等野外露头剖面 对不同层位的 25 个样品进行了 13 C 18 O 测定 样品处理采用磷酸法 在 MAT251 质谱仪上进行测定 测定精度为 1 所 有样品的碳氧同位素以 PDB 标准给出 两北地区碳 氧同位素组合特征 根据碳 氧同位素的测试结果绘制了各层段的同位素变化曲线 图 1 从 13C 18O 的变化及组合特征来分析有如下特征 18O 的变化比 13C 大 说明氧同位素对于水体的变 化比碳同位素反映更灵敏 从它们的变化趋势来看 两北区块古生界 13C 18O 变化特征 基本一致 说明水体相对封闭 13C 18O 在该地区与沉积环境有较好的对应关系 在依 木干他组 印干组 变化幅度较大 反映沉积体系有一定范围内的差异 在东河塘组 克兹尔 塔格组 基本上没有变化 反映此时期一种稳定的沉积特征 在阿卡群组 巴楚组 波动的 最大 反映其各地层的沉积体系有较大差异 Keith 和 Weber 1964 对侏罗纪以来 299 个样品的碳氧同位素进行了分析 提出了 Z 值 计算公式 Z 2 048 13C 50 0 498 18O 50 他们认为 Z 值可有效地区分侏罗纪以来的海相和淡水相灰岩 并认为 Z 值大于 120 为海相 小于 120 为淡水相 Z 等于 120 时的沉积环境不好确定 2 从两北地区的碳 氧同 位素资料来看 图 2 其 Z 值大多超过了 120 占测试样品 72 只有 28 的测试样品 小于 120 根据 Keith 和 Webber 的研究成果 说明两北地区可能主要是一套海相沉积 3 图 1 两北区块古生界 13C 18O 变化特征 图 2 两北区块古生界各层段 Z 值分布图 碳 氧同位素受到温度的影响 盐度 盆地水体的扩张程度 不同来源的矿物的影响和 成岩作用的影响 这些因素都与水平面变化相关 这里以沉积水平面变化为主要因素 根据 碳 氧同位素含量变化分析沉积水平面变化 为两北区块沉积相及沉积体系研究提供依据 根据我们测数据分析 碳同位素 13C 含量均在 20 1 3 之间 平均为 1 6625 氧 同位素 18 PDB 含量均在 31 5 0 平均为 8 116 我们暂且以此为标准 对应两北 地区古生界平均海平面值 即如样品超过此值则代表沉积时的洋面降低至平均海平面以下 而低于此值则认为其海平面升高至平均海平面以上 据此 根据采样测试碳 氧同位素值分 布特征对海平面升降变化趋势进行分析 从碳 氧同位素随地层深度的分布特征可知 13C 18 的分布具有较好的一致性 即在相同层段 两者与标准值的比较呈现相同趋势 表明用碳 氧含量来分析沉积海平面变 化是可取的 在印干组所分析的样品中 13C 18 PDB 均大于平均值 这说明此时期沉积时 期水平面低于平均海平面 根据奥陶系样品测试分析 其 13C 18 PDB 含量均大于平均值 13C 为 2 左 右 18 PDB 为 5 左右 说明均在早奥陶世 两北地区海域具有相对较高的古盐度 海水比较闭塞 海平面较低 在中上奥陶统 各测试样品同位素含量普遍降低 说明中晚奥 35 30 25 20 15 10 5 0 5 阿恰群组 小海子组 卡拉沙依组 巴楚组 巴楚组 东河塘组 东河塘组 东河塘组 克兹尔塔格组 依木干他乌组 依木干他乌组 依木干他乌组 依木干他乌组 塔塔埃尔塔格组 塔塔埃尔塔格组 柯坪塔格组 柯平塔格组 土木休克组 一间房组 一间房组 一间房组 一间房组 一间房组 一间房组 印干组 13CV PDB 18OV PDB 0 20 40 60 80 100 120 140 阿恰群组 小海子组 卡拉沙依组 巴楚组 巴楚组 东河塘组 东河塘组 东河塘组 克兹尔塔格组 依木干他乌组 依木干他乌组 依木干他乌组 依木干他乌组 塔塔埃尔塔格组 塔塔埃尔塔格组 柯坪塔格组 柯平塔格组 土木休克组 一间房组 一间房组 一间房组 一间房组 一间房组 一间房组 印干组 4 陶世两北地区沉积海水古盐度有所下降 海平面有一定的上升 在志留 泥盆系所分析测试的样品中 除了上志留统的两个测试数据小于平均值外 其 余均大于平均值 说明在该沉积时期 海平面经历两次较大的升降 总体上表现为海平面低 于平均海平面 其中在上志留统沉积海平面有所下降 至泥盆系海平面开始上升 根据石炭系测试的样品分析可知 由于所选用的样品较少 不能的准期推断出此时期的 沉积海平面变化 但从所测试的样品来看 基本上石炭系的沉积海平面是逐渐上升的 高于 平均海平面 结合钻井 区域沉积资料等推断工区石炭系沉积受海岸波浪的影响较大 沉积 物相对较粗 对二叠系阿恰群组样品的分析可知 其同位素 13C 18 是大于平均值的 但是略小 石炭系地层同位素含量 说明此此时期沉积海平面较石炭系低 但总体是高于平均海平面的 3 结论结论 1 分析湖沉积物中稳定同位素的组成是解读沉积环境的一种非常有效的手段 两北 区块古生界地层各层段碳氧同位素变化特征的一致性 说明该时期水体相对封闭 碳氧同位 素与沉积环境较好的对应关系 根据 Keith 和 Weber 的公式计算 Z 值大都超过 120 说明该 区块主要为海相沉积 2 碳氧同位素的变化可以作为研究海平面升降变化趋势的依据 两北区块古生界海 平面变化有如下特点 早奥陶世 海水比较闭塞 海平面较低 中晚奥陶世海平面有一定的 上升 志留 泥盆纪总体呈上升趋势 中间经历了两次较大的升降 石炭纪海平面逐渐上升 到二叠纪 海平面略有下降 5 参考文献参考文献 1 D Emery it can be conclude