川東南-湘西志留系砂巖膠結(jié)物碳、氧同位素特征

安倩，黃迪，朱志軍，賈永斌，魏志崇，方鴻飛

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川東南-湘西志留系砂巖膠結(jié)物碳、氧同位素特征

安倩，黃迪，朱志軍，賈永斌，魏志崇，方鴻飛

（東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西南昌 330013）

測(cè)試分析結(jié)果表明：川東南-湘西地區(qū)氧穩(wěn)定同位素相對(duì)較輕，而碳同位素變化相較于氧同位素變化大，這種變化與水介質(zhì)性質(zhì)、古氣候及沉積有機(jī)質(zhì)來(lái)源量有關(guān)；研究區(qū)志留系小河壩組砂巖形成膠結(jié)物的孔隙流體與海相環(huán)境中保存下來(lái)的底水密切相關(guān)；碳酸鹽膠結(jié)物中的碳來(lái)源于與甲烷細(xì)菌作用生成生物氣有關(guān)的碳酸鹽。

志留系；小河壩組；膠結(jié)物；碳氧同位素

砂巖儲(chǔ)層中碳酸鹽膠結(jié)和溶解是影響儲(chǔ)集層物性的重要因素之一。碳酸鹽膠結(jié)物在碎屑巖儲(chǔ)層中既是最常見的成巖產(chǎn)物，又是重要的自生礦物，具有成因多樣性、分布普遍性、形成多期性等重要特點(diǎn)。不同期次的碳酸鹽膠結(jié)物的形成可以有效的記錄流體組分特征在成巖過程中的變化，尤其是膠結(jié)物中碳穩(wěn)定同位素組成可以用來(lái)指示成巖流體中碳的來(lái)源，而氧穩(wěn)定同位素可以用來(lái)估算其結(jié)晶時(shí)的溫度和流體成分。碳酸鹽膠結(jié)物中碳氧穩(wěn)定同位素組成可以為判斷其形成時(shí)的物質(zhì)來(lái)源和地球化學(xué)特征等提供重要信息，進(jìn)而有利于闡明成巖過程中孔隙流體演化史、次生孔隙形成機(jī)理和流體-巖石相互作用機(jī)制等基本的地質(zhì)問題。因此，通過運(yùn)用巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)等多學(xué)科交叉滲透的方法來(lái)分析砂巖儲(chǔ)集層中碳酸鹽膠結(jié)物的氧、碳同位素組成特征，對(duì)研究碳酸鹽膠結(jié)物的來(lái)源和成因具有一定的理論意義和實(shí)踐意義，進(jìn)而正確的評(píng)價(jià)砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能。本文對(duì)川東南-湘西志留系小河壩組砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的碳、氧同位素特征進(jìn)行研究，來(lái)探討其形成環(huán)境及碳的來(lái)源。

1 地質(zhì)背景

川東南-湘西地區(qū)主要位于四川盆地東南部油氣地質(zhì)條件優(yōu)越的有利天然氣富集帶上（圖1）?？v向上有上三疊統(tǒng)-侏羅系碎屑巖、石炭系-三疊碳酸鹽巖和震旦系-志留系三大勘探層系、兩個(gè)勘探領(lǐng)域存在。長(zhǎng)期以來(lái)，該地區(qū)的勘探工作重點(diǎn)放在二疊系、三疊系時(shí)代，并取得了顯著成效。研究區(qū)小河壩組砂巖標(biāo)準(zhǔn)出露于南川縣龍骨溪小河壩，連續(xù)厚度為158.8m，其余主要分布與湘西、川東及川東南地區(qū)。小河壩組砂巖的下伏是早志留紀(jì)龍馬溪組黑色筆石泥、頁(yè)巖作為優(yōu)質(zhì)烴源巖，上覆有巨厚的韓家店組泥、頁(yè)巖作為良好的蓋層，小河壩組本身具有優(yōu)越的油氣地質(zhì)條件。因此，下古生界志留系作為上揚(yáng)子地區(qū)重要的烴源巖，具有良好的生儲(chǔ)蓋組合條件，是很有勘探潛力的目的層系。

朱志軍等（2010）[19]指出川東南-湘西志留系小河壩組總體表現(xiàn)為缺氧的滯流淺海沉積環(huán)境，而靠近雪峰山隆起的龍山縣地區(qū)表現(xiàn)為貧氧環(huán)境，同時(shí)其源區(qū)的沉積構(gòu)造背景具有活動(dòng)大陸島弧、大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣的性質(zhì)。結(jié)合前人的研究成果[7,8,10]認(rèn)為，川東南地區(qū)志留系小河壩組砂巖的物源來(lái)源于雪峰山隆起南西段的芷江、古丈、懷化、沅陵及通道一帶的新元古界板溪群及其侵入板溪群中的基性、超基性巖體及中基性噴出巖；而湘西地區(qū)的物源來(lái)源于雪峰山隆起的北東段安化、常德、桃源一帶的新元古界板溪群的夾少量中基性噴出巖。

本文通過對(duì)川東南-湘西地區(qū)志留系小河壩組砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的碳、氧同位素地球化學(xué)特征進(jìn)行研究，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景資料和前人研究成果，分析其碳來(lái)源及形成環(huán)境。

2 樣品采集與測(cè)試

本次研究分別在川東南的巴漁、漆遼、江口、三泉、小河壩；及湘西的板寮和卡棚采集了22件志留系小河壩組砂巖樣品（圖2，表1）進(jìn)行了碳、氧同位素地球化學(xué)分析。碳、氧同位素分析處理主要采用磷酸鹽法。樣品在72℃的恒溫槽中，與磷酸反應(yīng)平衡1個(gè)小時(shí)后，利用MAT-253質(zhì)譜儀測(cè)試所得。所測(cè)得碳、氧同位素值均以VPDB為標(biāo)準(zhǔn)給出，同位素分析精度為δ18C ≤ 0.2‰，δ18O ≤ 0.2‰（絕大部分樣品精度≤ 0.1‰）。樣品碳、氧同位素測(cè)試是由東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

表1 樣品碳氧同位素測(cè)試數(shù)據(jù)

3 碳酸鹽膠結(jié)物的碳、氧同位素特征

研究區(qū)志留系小河壩組砂巖的碳酸鹽膠結(jié)物的碳、氧同位素?cái)?shù)據(jù)分析結(jié)果具體有如下特征：

1）川東南地區(qū)δ13C值介于-1.90‰ ~ 4.78‰之間，多數(shù)為正值，僅有4個(gè)為負(fù)值，平均值為1.42‰；湘西地區(qū)δ13C值介于-2.67‰~4.95‰之間，只有1個(gè)為負(fù)值，平均值為1.99‰。

2）川東南-湘西地區(qū)δ18O值均為負(fù)值，其中川東南地區(qū)δ18O值介于-13.115‰~-9.45‰之間，平均值為-11.41‰；湘西地區(qū)δ18O介于-12.96‰~-10.14‰之間，平均值為-11.54‰。

3）川東南-湘西地區(qū)氧穩(wěn)定同位素相對(duì)較輕，而碳同位素變化相較于氧同位素變化大，這種變化與水介質(zhì)性質(zhì)、古氣候及沉積有機(jī)質(zhì)來(lái)源量有關(guān)。

4 鹽度計(jì)算

前人研究指出[2、9]，原則上來(lái)說(shuō)，碳酸鹽巖的δ18O值和δ13C值可以作為沉積環(huán)境判別的標(biāo)志，同樣也適用于研究成巖流體。本次研究結(jié)合前人運(yùn)用了2種方法對(duì)研究區(qū)砂巖的碳酸鹽膠結(jié)物的形成鹽度進(jìn)行判斷。

1）根據(jù)Degens等總結(jié)出的不同沉積環(huán)境中碳酸鹽礦物δ13C值分布特征圖（圖3）進(jìn)行判斷[17]。從圖3可以看出，隨著水介質(zhì)鹽度的增加，沉積環(huán)境中的碳酸鹽礦物的δ13C值也不斷增大。研究區(qū)川東南δ13C值介于-1.90‰ ~ 4.78‰之間，平均值為1.42‰，湘西δ13C值介于-2.67‰~4.95‰之間，平均值1.99‰（表1）。因此，基本可以確定川東南與湘西地區(qū)主要形成于海相環(huán)境。

2）根據(jù)Keith和Weber（1964）提出的碳酸巖古鹽度恢復(fù)公式，該公式為：Z=2.048 （δ13CPDB+50） + 0.498 （δ18OPDB+50）

式中δ13C和δ18O值均用VPDB標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，利用該公式對(duì)研究區(qū)的水介質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行判別[6]。當(dāng)Z＞120‰時(shí)，水介質(zhì)為海水來(lái)源；Z＜120‰時(shí)，則為陸相淡水來(lái)源[11、14]。從計(jì)算結(jié)果（表1）可以看出：川東南地區(qū)Z值介于112.17‰~132.38‰之間，平均值為122.02‰，其中僅4個(gè)值小于120‰；湘西地區(qū)Z值介于116.28‰~131.15‰之間，平均值為125.64‰，僅1個(gè)值小于120‰，說(shuō)明研究區(qū)志留系小河壩組砂巖形成膠結(jié)物的孔隙流體與海相環(huán)境中保存下來(lái)的底水密切相關(guān)，碳酸鹽膠結(jié)物均形成于海相環(huán)境，印證了上述第一種判別方法的判斷結(jié)果。

5 碳來(lái)源

根據(jù)研究區(qū)砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的碳、氧同位素組成相關(guān)圖（圖4）可以看出，川東南和湘西地區(qū)志留系小河壩組砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物除個(gè)別點(diǎn)的氧、碳同位素值存在異常，相關(guān)性差，可能是由于碳酸鹽膠結(jié)后同位素分餾效益造成的，其余同位素值總體上存在正相關(guān)關(guān)系（鄒明亮等，2008）。

根據(jù)自然界中碳同位素的分餾機(jī)理[4]，正常的海相碳酸鹽巖和碳酸鹽膠結(jié)物的δ13C值分布在-4.0‰~+4.0‰之間[1、12]，屬于無(wú)機(jī)碳源，說(shuō)明膠結(jié)物的形成與有機(jī)質(zhì)的脫羧作用關(guān)系不大，而與沉積時(shí)的堿性環(huán)境有關(guān)。川東南-湘西地區(qū)的δ13C值范圍除四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)落在Ⅲ區(qū)有機(jī)脫羧作用范圍內(nèi)，其余數(shù)據(jù)點(diǎn)恰好表明了碳酸鹽膠結(jié)物中的碳[3、13]來(lái)源于與甲烷細(xì)菌作用生成生物氣有關(guān)的碳酸鹽（圖5）。

6 結(jié)論

1）川東南-湘西地區(qū)氧穩(wěn)定同位素相對(duì)較輕，而碳同位素變化相較于氧同位素變化大，這種變化與水介質(zhì)性質(zhì)、古氣候及沉積有機(jī)質(zhì)來(lái)源量有關(guān)。其中川東南地區(qū)δ13C值介于-1.90‰~4.78‰之間，平均值為1.42‰，δ18O值介于-13.11‰~-9.45‰之間，平均值為-11.41‰；湘西地區(qū)δ13C值在-2.67‰~4.95‰范圍內(nèi)，平均值為1.99‰，δ18O值在-12.96‰~-10.14‰范圍內(nèi)，平均值為-11.54‰。

2）川東南-湘西地區(qū)Z值分析表明，志留系小河壩組砂巖形成膠結(jié)物的孔隙流體與海相環(huán)境中保存下來(lái)的底水密切相關(guān)；δ13C值與δ18O值之間呈正相關(guān)關(guān)系，且碳酸鹽膠結(jié)物中的碳來(lái)源于與甲烷細(xì)菌作用生成生物氣有關(guān)的碳酸鹽。

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Carbon and Oxygen Isotope Geochemistry for Carbonate Cement of the Lower Silurian Xiaoheba Formation Sandstone in Southeast Sichuan-West Hunan

AN Qian HUANG Di ZHU Zhi-jun JIA Yong-bin WEI Zhi-chong FANG Hong-fei

(College of Earth Science, East China Institute of Technology, Nanchang 330013)

22 sandstone samples from the Silurian Xiaoheba Formation in southeast Sichuan and west Hunan are sampled. δ13C values for carbonate cement of sandstone in southeast Sichuan vary from -1.90‰ to 4.78‰ with average value of 1.42‰, while δ13C values in west Hunan vary from -2.67‰ to 4.95‰ with average value of 1.99‰. δ18O values for all the 22 samples are negative: δ18O values for those in southeast Sichuan range between -13.115‰ and -9.45‰ with average value of -11.41‰, while δ18O values for those in southeast Sichuan and west Hunan range between -12.96‰ and -10.14‰ with average value of -11.54‰. These values indicate that carbon of the carbonate cement was derived from bacterium-derived methane.

Silurian; Xiaoheba Formation; sandstone; cement; δ13C value; δ18O value

P597

A

1006-0995（2015）01-0157-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.037

2014-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41362008）和江西省教育廳科技項(xiàng)目（GJJ14475）聯(lián)合資助

安倩（1990－），女，江西九江人，碩士研究生，主要從事沉積地球化學(xué)研究工作

朱志軍（1976－），男，博士，主要從事沉積學(xué)研究工作