C和O穩(wěn)定同位素在礦層沉積環(huán)境分析方面的應(yīng)用

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

對(duì)于研究某地區(qū)礦層的沉積環(huán)境，運(yùn)用的常規(guī)方法有：沉積地質(zhì)礦物的原生沉積構(gòu)造、構(gòu)造、古生物化石的分析、巖芯的觀測(cè)和測(cè)井曲線等，但對(duì)于各個(gè)層段相似的沖積相特色，不便觀察。

伴隨著地球化學(xué)學(xué)科的不斷發(fā)展與擴(kuò)充，可以了解到在追蹤古氣候和古環(huán)境的研究中，我們可以通過(guò)沉積礦物在形成過(guò)程中所含要素及同位素遷移、堆積與散布規(guī)律來(lái)進(jìn)行相關(guān)研究，同時(shí)這方面研究也廣泛運(yùn)用在恢復(fù)水體的古溫度，鹽度和堆積物成礦作用方面，最為特別的就是對(duì)沉積礦物中C和O同位素的分析研究。本文主要是歸納和總結(jié)前人在運(yùn)用C和O穩(wěn)定同位素進(jìn)行古沉積環(huán)境的研究及運(yùn)用的研究成果。

1 研究方法

不同元素的同位素在自然界中的組成相對(duì)豐度有著很大的差別，這也使得我們無(wú)法較為直觀地觀察到同位素組成的變化。所以在實(shí)際的研究工作中，我們通常采用相對(duì)測(cè)量的方法進(jìn)行研究工作，即將各樣品的同位素比值與已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品的比值之間的差異即可，采用千分率‰來(lái)表示。

δ（‰）=（R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)-1)×1000

在自然界中碳有13C和12C這兩種相對(duì)穩(wěn)定的同位素，其豐度存在較大差異，為98.89%和1.11%，我們采用13C/12C表示同位素組成。C同位素在自然界中的分布是有規(guī)律可尋的。在相碳元素分餾機(jī)制的相關(guān)研究中，我們通常采用碳同位素動(dòng)力學(xué)分餾和平衡分餾兩種機(jī)制。

在礦層元素研究中，氧最為豐度最高的元素。其占比高達(dá)46.6%，同時(shí)存在的形式也是十分對(duì)樣的，有固態(tài)，液態(tài)，氣態(tài)三種形式。自然界中氧3種穩(wěn)定同位素16O、17O和18O，其豐度分別為99.763%、0.0375%和0.1995%，采用18O/16O值表示同位素組成[1]。自然界中的沉積巖、變質(zhì)巖、花崗巖、玄武巖、地球以外物質(zhì)都分布有不同含量的碳同位素。在氧同位素分餾機(jī)制的研究過(guò)程中，我們總結(jié)了以下四種分餾機(jī)制：液體水與水蒸氣之間的同位素分餾、水-巖相互作用中的同位素分餾、共生礦物之間的同位素分餾和生物化學(xué)作用[2]。

2 C和O同位素在礦層沉積環(huán)境的運(yùn)用

在對(duì)礦石中C和O穩(wěn)定同位素地球化學(xué)的研究上，李心清等人總結(jié)了近40年來(lái)的研究成果：C和O定同位素組成在不同地質(zhì)時(shí)代是存在明顯的變化的，其中最為明顯的是在石炭紀(jì)時(shí)期δ18O和δ13C的值的變化[3,4]。

在對(duì)西秦嶺寒武系金礦床中的硅巖的而研究過(guò)程中，劉家軍等人對(duì)研究區(qū)的不同硅質(zhì)巖氧同位素進(jìn)行一系列的數(shù)值測(cè)量，得出δ18O在17.60‰～23.24‰在這一范圍內(nèi)變化，這一數(shù)值變化范圍與海底噴流成因硅質(zhì)巖相近，從而表明了西秦嶺寒武系金礦床中的硅巖受到噴流熱水沉積作用的影響。

彭蘇萍等人在研究塔里木盆地的礦層中C和O同位素組成時(shí)，也對(duì)C和O同位素的值進(jìn)行了一系列的測(cè)定，雖然從而得出O同位素的值明顯偏向負(fù)值。這反映了本區(qū)的礦層形成過(guò)程中的水分發(fā)生了氧同位素分餾，而C元素基本不受到影響，當(dāng)時(shí)本區(qū)處于環(huán)境。

李春榮等人在對(duì)礦層沉積環(huán)境中C和O同位素的研究時(shí)，展開(kāi)了不一樣的研究思路，他們對(duì)不同層序的水進(jìn)體系域的C和O同位素特征進(jìn)行了相關(guān)分析，得出了水體經(jīng)歷了兩個(gè)周期性變化，第一個(gè)為高鹽度濃縮期，第二個(gè)時(shí)期為相對(duì)淡化期。把潭25井和王新7-3井的C和O同位素變化值曲線進(jìn)行對(duì)比得出，兩個(gè)曲線十分相近，變化特征也存在相似，所以說(shuō)兩者具有相似性，從而得出沉積環(huán)境的變化對(duì)碳氧同位素的高低變化存在這一定的影響，兩者具有較好的相關(guān)性。

王強(qiáng)等在研究恰什古伊地區(qū)時(shí)，采集該區(qū)的Cha–21井巖芯中41個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)定碳氧同位素的值，結(jié)果表明，他們的O同位素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍有50%的與之前報(bào)道的數(shù)據(jù)范圍一樣，這就表明O同位素受到成巖作用的影響十分明顯；同時(shí)對(duì)C同位素的數(shù)據(jù)研究得出，除屑微晶灰?guī)r的值與之前的報(bào)道數(shù)據(jù)相比較小，其他的都和之前報(bào)道的數(shù)據(jù)一樣，所以我得出在同位素地層和古環(huán)境分析的研究工作中，運(yùn)用C同位素的數(shù)據(jù)也是合理有效的，為相關(guān)的研究開(kāi)辟了新的思路和方法[5]。

在鄂爾多斯盆地礦物儲(chǔ)層物成分組成與C和O同位素特征研究一文中，王釗等人通過(guò)磷酸法對(duì)C和O同位素值進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明：C同位素在-14.8‰～-1.5‰這一范圍內(nèi)分布變化，O同位素的變化范圍相對(duì)于C同位素變化范圍較大，為-25.7‰～-9.9‰這一變化分布范圍。從而推斷出有機(jī)質(zhì)在同位素壓實(shí)作用下推斷同位素因壓實(shí)作用下由高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，在化學(xué)變化后發(fā)生膠結(jié)作用才使得有C和O被捕捉而成[6]。

在對(duì)揚(yáng)子克拉通北緣神農(nóng)架群C和O同位素特征及其對(duì)古環(huán)境和沉積時(shí)代的制約的研究的工作中，田輝等人對(duì)該地地質(zhì)礦物的C和O同位素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，測(cè)定后得出了900多組C、O同位素有效數(shù)據(jù)。

神農(nóng)架群的δ13C和δ13O數(shù)據(jù)變化范圍與前人的數(shù)據(jù)范圍相近，這寫(xiě)數(shù)據(jù)沉積環(huán)境有著較好的指導(dǎo)意見(jiàn)，從而推算出當(dāng)時(shí)該地的沉積環(huán)境[7]。該文通過(guò)查找全球相關(guān)地層，拿神農(nóng)架群下亞群的碳同位素演化曲線與之進(jìn)行對(duì)比，從而得出結(jié)果表明神農(nóng)架群下亞群最大沉積時(shí)限應(yīng)該不大于1350Ma。對(duì)比北美Bylot軼群、西非Atar軼群可知，神農(nóng)架群上軼群的δ13C在變化范圍和趨勢(shì)存在相似特征，C同位素的值總體向負(fù)偏，這也顯示出當(dāng)時(shí)的Rodinia超大陸匯聚事件[8-10]。

在米倉(cāng)山-漢南隆起牛蹄塘組地層C和O同位素組成及其意義這篇文章中，田濤等人對(duì)該區(qū)的礦物樣品的C和O同位素(δ13Corg)進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)據(jù)測(cè)定，獲得的數(shù)據(jù)具有良好的原始性，從而可以分析該區(qū)的沉積環(huán)境與礦物有機(jī)質(zhì)之間的關(guān)系。結(jié)果顯示出，δ13Corg在-34.032‰～-29.537‰這一范圍內(nèi)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的負(fù)異常。

3 研究展望

（1）在沉積礦物中C主要以有機(jī)形式存在，C在各種形式下都處在一個(gè)平衡的狀態(tài)，并且在不同的溫度下，C元素的同位素也會(huì)不同。得出O元素主要的賦存物質(zhì)有水和沉積礦物。

（2）對(duì)于C和O同位素的研究表明，其與沉積環(huán)境具有一定的相關(guān)性，從而在示蹤沉積環(huán)境的變化過(guò)程的研究時(shí)，可以以此為研究思路和方法。