碳同位素组成特征

塔中地区晚寒武—奥陶世碳酸盐岩δ13C同位素组成特征朱金富于炳松黄文辉初广震吕国（中国地质大学北京100083）摘要通过研究、分析塔里木盆地塔中地区寒武系至奥陶系海相碳酸盐岩的碳、氧同位素组成特征，分析和探讨了影响塔中地区寒武系至奥陶系碳酸盐岩碳同位素变化的原因。

结果表明，寒武-奥陶系海相碳酸盐岩的碳同位素的变化可能与海平面变化有密切联系，在晚寒武世至早奥陶世晚期为一海退期，有机质产率及有机碳埋藏速率的下降导致了碳酸盐岩δ13C 值的降低；而在早奥陶晚期-中奥陶世为一海侵期，有机质产率及有机碳埋藏速率的增加导致了碳酸盐岩δ13C值的增高；晚寒武世至早奥陶世海水中的硫酸盐含量高,硫酸盐细菌的还原作用使有机质氧化,从而导致碳酸盐岩δ13C值降低。

关键词寒武-奥陶系碳酸盐岩碳同位素海平面变化硫酸盐第一作者简介：朱金富，男，1978年生，中国地质大学（北京）在读博士，研究方向：含油气盆地沉积学碳氧稳定同位素是解释碳酸盐岩成因的一种重要的地球化学标志。

同时，碳、氧同位素分析是古环境研究中常用的一种手段，它在恢复水体的古温度、古盐度和研究沉积物成岩作用等方面已得到了广泛的应用。

近年来，有关碳氧同位素与海平面变换的关系的研究备受关注（彭苏萍等，2002年；邵龙义，1999年；李儒峰,刘本培，1996年；刘传联，1998年等）。

本文通过对塔里木盆地塔中地区寒武系至奥陶系碳酸盐岩中碳同位素的分析，探讨了碳同位素与沉积环境、相对海平面变化及硫酸盐含量的关系。

塔中低凸起位于塔里木盆地中部，北与满加尔凹陷、南与塘古孜巴斯凹陷、西与巴楚低凸起、东与塔东低凸起相接。

东西长约300km，南北宽约160km，面积约4.8ⅹ104km2(图1所示)。

它分为塔中І号断裂构造带、塔中北坡及中央垄断垒带三个构造单元。

塔中地区地层发育比较齐全，除了缺失侏罗系和大面积缺失震旦系外，寒武系至古-新近系均有分布。

图1 塔里木盆地塔中地区构造位置塔中地区寒武系-奥陶系的岩石类型主要为石灰岩和白云岩两大类型；其次是这两类岩石之间的过度类型；其中寒武系主要以白云岩为主，而奥陶系主要是以石灰岩为主。

所采集的样品主要是区内几口钻井的寒武系-奥陶系的碳酸盐岩，并对不同层位的59个碳酸盐岩样品进行了δ18O和δ13C测定，样品处理主要是采用磷酸法，在DeltaS型质谱仪测定碳氧同位素组成。

所有样品的δ18O和δ13C均为PDB标准给出。

1碳、氧同位素组成特征从已有的样品分析结果来看，研究区四口井（中1、中3、中4、中12井）碳酸盐岩中的δ18O和δ13C具有如下特点（表1）：1）研究区碳酸盐岩的δ18O和δ13C值变化范围大，δ13C最小值为-3.253‰，的最大值为1.917‰，而δ18O的变化范围-8.223‰—-3.543‰ (均为PDB)。

正常海相碳酸盐岩的δ13C值变化范围-5‰—+5‰(Schopf,1980;VeizerJ, DemovicR,1974)，正常海相碳酸盐岩的δ18O值也近于文献[2](FaureG,1977)。

本区碳酸盐岩氧同位素则明显偏向负值,而碳同位素组成与正常海相碳酸盐岩同位素相近，这主要是因为在成岩作用过程中与孔隙水中的大量的氧同位素发生同位素分馏所致（邵龙义1994），碳酸盐岩中碳的体积远远大于成岩作用过程中与其发生反应的孔隙水中的碳，所以碳酸盐岩的碳同位素基本不受成岩作用孔隙水的影响，基本反映原始岩石的同位素。

2）白云岩的成因类型上，低温萨勃哈、潮上带、汇流渗透、混合水白云石，δ18O值在-6.5—9‰之间；高温埋藏白云石的δ18O为负值，约-5 0‰—-9 0‰(ＰＤＢ)（邵龙义等，2002）之间。

研究区白云岩的δ18O的变化特征如图2所示，δ18O的变化范围大都在-7—-5之间，由此分析可知研究区晚寒武系-奥陶系的白云岩几乎均经历了埋藏高温白云石化的改造。

图2 白云岩的δ18O的变化特征表1 研究区碳-氧同位素组成特征（中1井，中3井，中4井，中12井）2 碳同位素变化原因探讨2.1 碳氧同位素与古盐度的关系碳氧稳定同位素能反映沉积环境和时间地层界线。

但是，由于δ18O受成岩作用影响明显，一般很难反映原始沉积环境，而碳同位素则受成岩作用影响相对较小，所以可以反映沉积环境变化(彭苏萍等，2002年; 李玉成,1997; 李儒峰,刘本培,1996)。

一般来说,δ13C和δ18O均随介质盐度升高而升高,其中δ13C与古盐度关系最为密切，且受温度影响较小。

Keith和Weber(1964)提出利用石灰岩的δ13C,δ18O区分侏罗纪及时代更新的海相石灰岩和淡水相石灰岩的公式：Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)式中δ13C和δ18O均用PDB作标准。

当Z值大于120时为海相石灰岩，Z值小于120时为淡水石灰岩。

由于古代碳酸盐岩形成后，其碳同位素难以交换而使其δ13C值较为稳定，并且Z值主要取决于δ13C，所以仍可以用Z值来大致判断样品形成时的介质盐度的相对变化。

δ13C和Z值越大，反映其沉积介质盐度越高。

从表1可看出，塔中地区寒武系-奥陶系碳酸盐岩样品δ13C为-3.253‰-1.917‰之间，其Z除个别样品外,均大于120，反映了寒武系-奥陶系碳酸盐岩都是在稳定的海相环境中形成；这与本区碳酸盐岩中三叶虫、海百合等化石所指示的正常海相环境一致（如图3）。

图3 奥陶系古生物发育多样度2.2海平面变化对碳同位素的影响一般来说，地质历史中海洋碳酸盐的δ13C的变化与同期有机碳埋藏速率的变化密切相关，有机碳中往往富集较轻的碳同位素12C，因此当有大量有机碳快速埋藏时,这些有机碳会从自然界碳库中吸取过量的12C，使得自然界碳库中的13C相对富集，与之平衡的海水中的无机碳的13C也随之富集（邵龙义、JonesTP，1999）,相应的海水中沉淀出的碳酸盐岩，其13C 也相对富集，即δ13C相对升高。

因此, 海相碳酸盐岩δ13C出现的高值期往往是有机碳得以快速埋藏的时期。

而海洋中有机碳的埋藏速率明显受海平面变化的控制（田景春、曾允孚，1995；沈渭洲、方一亭等，1997），海平面上升期，一方面导致有机碳的埋藏速率增加，另一方面使得古陆氧化面积减小，因剥蚀而带入海洋的有机碳的量也随之减少，从而导致溶于海水中的CO2富13C，与之平衡的碳酸盐岩的δ13C值亦相应增高(李玉成,1998; 李儒峰、刘本培,1996)。

反之，在海平面下降期，大陆面积增大，由于氧化剥蚀进入海洋的有机碳的数量增加，同时，海洋中的有机质埋藏速率降低（BaudA、MagaritzM、HolserWT，1989），结果造成大量的12C进入海水，与碳酸盐发生分馏作用，使得海相碳酸盐的δ13C值降低。

从这一方面看,海相碳酸盐岩的δ13C演化与海平面升降亦有着密切的关系.通过对研究区碳酸盐岩样品的δ13C的变化特征进行分析,从晚寒武世至早奥陶世,区内碳酸盐岩的δ13C值由-1.229‰下降到-3.252‰(图5),平均值从-1.62‰变为-1.93‰(表2),而此期即为一海退期，沉积环境从早寒武世早期的以硅藻岩为代表的深水盆地、早寒武世中晚期局限台地云坪至晚寒武世蒸发盐台地膏盐泻湖；海平面下降期间，海洋生物因生存空间缩小而减少，有机质产率下降，大量富12C的CO2和HCO3-未被利用，同时有机质氧化速度因海平面下降而增加（BaudA，MagaritzM，HolserWT，1989），产生更多的富12C的碳酸盐组分，从而导致这一时期沉积的碳酸盐岩的δ13C值从高变低。

自早奥陶世晚期-晚奥陶世晚期，研究区δ13C逐渐回升, δ13C从-1.934‰至0.906‰，此期恰为一海侵期，早奥陶世晚期演变为开阔台地环境，局部发育台内浅滩环境，海平面上升时期，生物繁盛，生物因新陈代谢作用而不断从海水中提取12C，并以有机质形式保存在海底沉积物中，造成有机质产率增加，同时，由于海水加深，有机碳受氧化作用影响减少，从而导致此期形成的碳酸盐岩具有较高的δ13C值。

从研究区有限碳酸盐岩样品的δ13C变化特征分析，寒武—奥陶纪碳酸盐岩的δ13C演化与海平面的升降呈明显的正相关关系（如图4所示）.图4 中41井寒武至奥陶系碳酸盐岩δ13C值变化与海平面升降关系图表2 研究区碳酸盐岩δ13C统计结果2.3海水硫酸盐含量对碳同位素的影响研究区寒武系-奥陶系的大部分样品δ13C值均显示出明显的负偏移（如图5所示）,多分布在-0.027‰～-3.3‰,中奥陶世大部分样品的δ13C值均显示出明显的正偏移（如图6所示）。

对这些样品进行详细分析之后，认为碳酸盐岩的δ13C值除与海平面变化所引起的有机碳埋藏速率变化有关外，海水中的硫酸盐含量也是一个重要的因素（TalbotMR，KeltsK，1990；刘传联，1998），晚寒武世晚期和早奥陶世晚期沉积时期，海水硫酸盐含量高，硫酸盐细菌的还原作用使有机质氧化，将大量富12C的CO2和HCO3-释放于水中，致使非生物成因的碳酸盐富12C，δ13C值偏负。

例如塔中1井4150m-4222m，和4400m一4414m井段等，常有泥质沉积物和石膏伴生，说明了当时海水富含硫酸盐；中4井寒武系发育300m厚左右的浅灰色、灰白色、褐色云质膏岩，云膏岩，也充分说明了但是海水中富含硫酸盐。

图5 碳酸盐岩δ13C同位素数值的分布特征图6 中奥陶世δ13C同位素数值的分布特征3 结论1）塔中地区寒武-奥陶系碳酸盐岩样品δ13C值为-0.35%～+0.34%，δ18O值为-1.96%～-0.04%,其Z值除个别样品外，均大于120，反映出研究区寒武-奥陶系碳酸盐岩都是在海相环境中形成的。

2）海平面升降变化影响着δ13C值的变化，晚寒武世至早奥陶世为一海退期；早奥陶世晚期-中奥陶世晚期为一海侵期。

通过对δ13C变化特征分析，发现寒武—奥陶纪碳酸盐岩的δ13C演化与海平面的升降呈明显的正相关关系。

3）海水中的硫酸盐含量也是影响δ13C值的一个重要的因素。

海水硫酸盐含量高，硫酸盐细菌的还原作用使有机质氧化，将大量富含12C的CO2和HCO3-释放于水中,致使非生物成因的碳酸盐富12C,从而造成碳酸盐岩的δ13C过低.参考文献:[1] 彭苏萍等:塔里木盆地C--O碳酸盐岩碳同位素组成特征. 中国矿业大学学报,2002,31( 4):353-357.[2] 邵龙义,JonesTP.桂中晚二叠世碳酸盐岩碳同位素的地层学意义[J].沉积学报,1999(1):84-88.[3] 田景春,曾允孚.贵州二叠纪海相碳酸盐岩碳、氧同位素地球化学演化规律[J].成都理工学院学报,1995(1):78-82.[4] 沈渭洲,方一亭,倪琦生,等.中国东部寒武系与奥陶系界线地层的碳氧同位素研究[J].沉积学报,1997(4):38-42.[5] 李玉成.华南晚二叠世碳酸盐岩碳同位素旋回对海平面变化的响应[J].沉积学报,1998(3):52-57.[6] 李儒峰,刘本培.碳氧同位素与碳酸盐岩层序地层学关系研究——以黔南马平组为例[J].地球科学——中国地质大学学报,1996,31(3):261-266.[7] 刘传联.东营凹陷沙河街组湖相碳酸盐岩碳氧同位素组分及其古湖泊学意义[J].沉积学报,1998(3):109-114.[8] 黄思静.上扬子二叠系——三叠系初海相碳酸盐岩的碳同位素组成与生物绝灭事件[J].地球化学,1994(1):60-67.[9] 邵龙义.碳酸盐岩氧、碳同位素与古温度等的关系[J].中国矿业大学学报.1994,23(1):39-45[10] 刘克奇,刘玉魁等.里木盆地塔中地区古生界油气成藏体系. 新疆石油地质,2004,25(6):599-602[11] VeizerJ,DemovicR.Strontium as a tool for facies analysis[J]. Journal of SedimentaryPetrology,1974,44:93-115.[12] FaureG. Principles of isotope geology[M]. NewYork: John Wileyand Sons.1977,464.。