第40卷 第4期
Vol.40, No.4, 351~362
2011年7月
GEOCHIMICA
July, 2011
收稿日期(Received): 2010-11-17; 改回日期(Revised): 2011-01-20; 接受日期(Accepted): 2011-04-07 基金项目: 中国石油天然气股份有限公司重点科技项目(2008D-0704-04) 作者简介: 王坤(1985–), 男, 硕士研究生, 石油地质专业。
* 通讯作者(Corresponding author): WANG Kun, E-mail: wangkuntoby@https://www.doczj.com/doc/e676760.html,, Tel: +86-10-83593384
川东地区石炭系碳酸盐岩碳、氧、锶同位素
特征及其成因分析
王 坤1*, 李 伟2, 陆 进1, 张朝军2
(1. 中国石油大学(北京) 地球科学学院, 北京 102249; 2. 中国石油勘探开发研究院 提高石油采收率国家重点实验室, 北京 100083)
摘 要: 利用微量元素和碳、氧同位素特征对样品有效性作出了检验。在证明样品未受明显蚀变的前提下对川东地区石炭系碳酸盐岩碳、氧、锶同位素进行了分析。在层序地层格架中对比不同体系域、不同岩性的碳、氧同位素特征, 87Sr/86Sr 比值特征, Z 值与古温度特征, 分析了碳酸盐岩的成岩环境。低位体系域以膏盐湖及萨巴哈环境为主, 炎热干旱, 陆源淡水对成岩作用影响有限, 去膏化、去白云岩化作用导致次生灰岩和“鸡笼铁丝”构造的发育。海侵体系域以半局限—局限陆棚环境为主, 锶同位素特征表明陆源淡水对成岩作用影响增强, 广泛沉积白云岩。高位体系域仍以陆棚环境为主, 沉积海相灰岩为主, 幔源锶含量增加, 表明海平面上升, 陆源锶的注入明显降低。白云岩碳、氧、锶同位素值差异较大, 主要存在4种沉积环境: (1) Z 值较低的淡水沉积环境; (2) 海相环境下的中—浅埋藏环境; (3) 海相环境, 潟温度较低的蒸发湖环境; (4) 温度最高的高温环境。结合
87
Sr/86Sr 比值特征与岩石学特征相, 认为川东地区主要存在淡水、埋藏、准同生、
热液等4种白云岩化作用。
关键词: 碳酸盐岩; 碳、氧、锶同位素; 样品有效性检验; 成岩环境; 白云岩化作用; 川东地区 中图分类号: P597.2 文献标识码: A 文章编号: 0379-1726(2011)04-0351-12
Carbon, oxygen, strontium isotope characteristics and cause analysis of
Carboniferous carbonate rocks in the eastern Sichuan Basin
WANG Kun 1*, LI Wei 2, LU Jin 1 and ZHANG Chao-jun 2
1. College of Geosiences , China University of Petroleum (Beijing ), Beijing 102249, China ;
2. State Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery , Research Institute of Petroleum Exploration and Development , PetroChina , Beijing 100083, China
Abstract: The validity of the samples was tested using trace elements and carbon and oxygen isotopes. Carbon, O and Sr isotope data of least altered Carboniferous carbonate rock in the eastern Sichuan Basin were processed. The C, O, and 87Sr/86Sr isotope characteristics, and paleosalinity and paleotemperature of different stratigraphic framework and different lithology were compared, aiming at better constraints on the diagenetic environment of carbonate rocks. The results suggest that it is mainly gypsic saline lake and sabkha environment when lowstand system tract (LST) deposited. The climate was hot and dry, terrestrial source fresh water was limited on impacting the diagenesis, anti-gypsumization and anti-dolomitization cause secondary limestone, with “wire cages” structures developed. When transgressive system tract (TST) deposited, it was mainly semi-limitated or limitated shelf environment. 87Sr/86Sr value suggests that the impact on diagenesis from terrestrial source freshwater was enhanced, with dolomite well developed. It was mainly shelf environment when highstand system tract (HST) deposited, sediments were marine limestone, with mantle source Sr increased, indicating sea level rise, with
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significantly reduced terrestrial source Sr. Dolomite C, O, and Sr isotopes show big differences indicating four kinds of sedimentary environments: (1) freshwater sedimentary environment with low salinity; (2) intermediate-shallow burial marine environment; (3) marine and low temperature evaporation lagoon environment;
(4) high-temperature environment with the highest temperature. Combined with 87Sr/86Sr and petrological characteristics, it is concluded that there are four kinds of dolomitizations: freshwater, buried, penecon- temporaneous, and hydrothermal dolomitizations in the eastern Sichuan Basin.
Key words: carbonate rocks; C, O, Sr isotopes; validity test; diagenetic environment; dolomitization; eastern Sichuan
0 引言
川东石炭系自1977年发现工业气流以来, 经过三十余年的勘探研究, 已成为四川盆地最主要的勘探层系[1]。近年来石油地质工作者对石炭系碳酸盐岩储层进行了较为深入的研究[2–7]。目前对川东石炭系沉积环境的认识主要存在潮坪沉积体系[8–9], 潟湖-海湾沉积体系[10], 浅海-陆棚沉积体系[11]等多种观点。对白云岩成因的解释, 目前主要存在准同生(蒸发泵)、渗透回流、混合水和埋藏白云岩化等成因模式。
川东石炭系岩性-构造复合圈闭成为当前勘探的热点之一, 对碳酸盐岩成岩环境及白云岩成因的研究显得愈发重要。目前对石炭系沉积环境的认识缺乏精确的层序格架及地球化学特征的制约, 特别是川东石炭系具有岩性复杂, 非均质性强等特征, 有必要对石炭系碳酸盐岩成岩环境展开精细研究。前人对白云岩成因的一些观点, 诸如混合水白云岩化作用模式, 在国际上已不再使用, 因此需要用新理论、新方法对白云岩成岩模式开展研究。本文旨在通过石炭系储层碳、氧、锶同位素的分析和研究, 结合岩性特征, 在层序地层格架内精确描述碳酸盐岩沉积环境, 并重新分析白云岩的成因模式。
1 川东地区区域地质概况
川东地区西以华蓥山为界, 东至方斗山, 北达城口-巫溪, 南至南川-武隆, 面积55000 km2, 以发育NNE向的高陡构造为特点, 发育多套的储盖组合, 油气资源丰富。加里东运动后川东地区整体抬升剥蚀, 缺失泥盆系, 下石炭统。早石炭世末发生海侵, 海水自鄂西向西侵入川东大部, 石炭纪末的云南运动使石炭系发生抬升, 并遭受剥蚀, 现今残留上统黄龙组是一套碳酸盐岩沉积, 厚度为20~70 m, 与上下地层均为不整合接触关系。本文认为川东地区石炭纪黄龙期为陆棚-海湾沉积体系[10–11]更为可信。根据岩性特征可将黄龙组分为三段: 黄龙组一段(C2hl1)以去膏化、去白云化次生灰岩、粉晶白云岩为主, 局部含石膏; 黄龙组二段(C2hl2)以粒屑云岩、泥粉晶云岩、角砾白云岩为主, 孔洞发育; 黄龙组三段(C2hl3)以粒屑灰岩、泥晶灰岩、岩溶角砾灰岩为主, 夹杂具粒屑结构白云岩[12]。
2 样品的采集与测试
研究样品主要为取自川东地区14口井的42块样品, 既有储层段取样, 也有非储层段取样, 岩性包括白云岩和石灰岩, 黄龙组一段、二段、三段均有样品采集。所采样品能够代表川东地区石炭系地层的总体特征。在采集样品的过程中, 保证所采集样品是断面新鲜、未受后期蚀变或变质作用影响的贫有机物样品, 以免影响测试结果的准确性。
按照国颁标准, 将样品粉碎、研磨至150目, 90 ℃条件下烘干10 h; 再置于300~350 ℃的真空中加热抽空2 h, 以便除去样品中赋存的有机质。
碳、氧同位素分析处理主要采用磷酸法。在高真空条件下与100%的磷酸进行恒温反应, 灰质部分在(25.0±0.1) ℃条件下, 经24 h将充分与磷酸反应; 白云质部分在(50.0±0.1) ℃条件下, 经72 h充分反应。此后, 将收集起来的CO2气体送入MAT-252稳定同位素气体质谱仪, 进行碳、氧同位素组成的测定, 测试精度Δδ< 0.01‰。
锶同位素分析测试仪器仍为MAT-252稳定同位素气体质谱仪; 实验条件为温度22 ,
℃湿度50%; 检测标准为美国国家标准局标准样品NBS987。
微量元素的检测分析采用Optima 2000DV电感耦合等离子体原子发射光谱仪(美国PerkinElmer公司); 实验条件为温度20 ,
℃湿度60%; 具有极高的谱线分辨能力, 200 nm处分辨率优于0.003 nm。
第4期 王 坤等: 川东地区石炭系碳酸盐岩碳、氧、锶同位素特征及其成因分析 353
3 石炭系碳酸盐岩碳、氧、锶同位素
研究
经分析测试后, 共获得42个实验样品的碳、氧同位素值和锶同位素比值数据(见表1)。3.1基本特征
3.1.1 碳、氧同位素特征
次生灰岩样品多以粉-细晶结构为主, 碳同位素值分布较宽, 分布范围为–2.92‰~2.74‰, 平均值为–0.44‰; 氧同位素值分布范围为–6.87‰~ –4.08‰, 平均值为–5.81‰。次生灰岩样品晶形的差异不大,
表1川东石炭系储层碳、氧、锶同位素测试数据
Table 1 C, O, and Sr isotope data of samples from Carboniferous reservoirs in the eastern Sichuan Basin
序号井号层位岩性δ13C PDB (‰)δ18O PDB (‰) 87Sr/86Sr
1 凉东1-1井C2hl1深灰色粉-细晶次生灰岩 1.08 –5.1
2 0.709031
2 乌1井C2hl1深灰色粉-细晶次生灰岩–0.80 –6.87 0.716584
3 垭角1井C2hl1深灰色粉-细晶次生灰岩 2.7
4 –4.08 0.709580
4 七里24井C2hl1浅灰色微-粉晶次生灰岩–0.62 –6.37 0.709240
5 七里25井C2hl1浅灰色微-粉晶次生灰岩–2.92 –5.9
6 0.706789
6 黄龙1井C2hl1深灰色粉晶次生灰岩–2.11 –6.43 0.711450
7 凉东1-1井C2hl3深灰色泥-微晶灰岩–1.85 –8.08 0.712430
8 七里24井C2hl3深灰色泥-微晶灰岩–0.088 –8.41 0.706967
9 七里25井C2hl3深灰色灰质角砾灰岩0.33 –9.05 0.709140
10 黄龙1井C2hl3深灰色微-粉晶灰岩–4.38 –7.79 0.707965
11 池61井C2hl2深灰色微晶白云岩–3.43 –6.59 0.717414
12 池61井C2hl2灰色粉晶白云岩 1.60 –2.95 0.715152
13 池61井C2hl2深灰色粉晶斑块状白云岩0.93 –5.67 0.714996
14 凉东1-1井C2hl2灰-深灰色砂屑虫屑白云岩 1.72 –4.14 0.709997
15 凉东1-1井C2hl2灰色粉晶针孔状白云岩 1.07 –3.07 0.714321
16 拔向1井C2hl2深灰色砂屑白云岩 3.51 –2.56 0.724843
17 乌1井C2hl2浅灰褐色溶孔状粉晶白云岩 2.67 –2.68 0.712953
18 洋渡3-1井C2hl2深灰色粉晶白云岩 1.77 –4.70 0.720930
19 洋渡3-1井C2hl3深灰色含生屑砂屑白云岩–1.49 –9.54 0.708977
20 云安12井C2hl2灰色微晶白云岩–1.77 –6.07 0.712952
21 云安12井C2hl2灰色粉晶白云岩–2.27 –6.83 0.714945
22 垭角1井C2hl2深灰色砂屑白云岩 1.68 –2.81 0.713086
23 垭角1井C2hl2深灰色粉-微晶白云岩 3.96 –1.48 0.709965
24 垭角1井C2hl2深灰色微晶白云岩0.43 –8.33 0.709443
25 天东14井C2hl2浅灰色砂糖状虫穴白云岩 2.60 –3.84 0.711934
26 天东14井C2hl2深灰色粉-细晶砂糖状白云岩 2.43 –4.14 0.714847
27 天东14井C2hl2灰色粉晶云质角砾岩 2.66 –2.86 0.714394
28 天东14井C2hl2灰色粉晶云质角砾岩 2.45 –3.44 0.714968
29 天东29井C2hl2灰色粉晶砂屑白云岩 2.79 –1.51 0.715750
30 天东29井C2hl2灰色微晶膏质白云岩–1.07 –4.56 0.715741
31 天东29井C2hl2粗晶白云岩0.36 –3.31 0.712118
32 天东2井C2hl2灰色粉晶白云岩0.20 –4.96 0.716997
33 七里24井C2hl2浅灰色粉晶颗粒白云岩 2.32 –1.32 0.713642
34 七里24井C2hl2灰色微-粉晶云质角砾岩 1.62 –2.44 0.708115
35 七里24井C2hl2灰色微-粉晶云质角砾岩 1.40 –3.32 0.709925
36 七里24井C2hl2灰色微晶白云岩 2.69 –3.80 0.711751
37 天东9井C2hl2深灰色微-粉晶白云岩0.91 –2.87 0.707473
38 天东9井C2hl2深灰色微晶白云岩 1.00 –3.47 0.708779
39 天东9井C2hl2浅灰色针孔状粉晶白云岩 1.13 –4.46 0.730989
40 七里25井C2hl2深灰色云质角砾白云岩 2.72 –3.80 0.709160
41 七里25井C2hl2深灰色云质角砾白云岩 2.79 –4.20 0.707633
42 七里25井C2hl2深灰色虫屑白云岩–1.52 –7.78 0.707525
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与碳、氧同位素值并无明显的相关性。
灰岩样品碳同位素值分布范围为–4.38‰~ 0.33‰, 平均值为–1.50‰; 氧同位素值分布范围为–9.05‰~ –7.79‰, 平均值为–8.33‰。按照结构不同, 泥-微晶灰岩的碳同位素值(–1.85‰~ –0.088‰)要高于微-粉晶灰岩(–4.38‰), 但泥-微晶灰岩的氧同位素值(–8.41‰~ –8.08‰)稍低于微-粉晶灰岩(–7.79‰)。
白云岩样品种类较多, 晶粒大小从微晶到粗晶白云岩均有分布, 碳同位素值分布范围为–3.43‰~3.96‰, 平均值为1.18‰; 氧同位素值分布范围为–9.54‰~ –1.32‰, 平均值为–4.22‰。按照白云岩晶粒大小的不同, 微晶白云岩碳同位素分布范围为–3.43‰~1.77‰, 平均值为0.17‰, 氧同位素值分布范围为–8.33‰~ –2.44‰, 平均值为–4.54‰; 粉—粗晶白云岩碳同位素值分布范围为0.2‰~2.79‰, 平均值为 1.51‰, 氧同位素值分布范围为–5.67‰~ –1.51‰, 平均值为–3.71‰。总体上, 粉—粗晶白云岩的碳、氧同位素值均大于微晶白云岩。
为了更直观地表现样品碳、氧同位素的分布特征, 现分岩性绘制碳同位素值与氧同位素值分布图, 如图1所示。
图1 不同岩性碳、氧同位素值分布图
Fig.1 Distribution of C and O isotope compositions of different rocks
从图中可以看出样品碳、氧同位素值具有一定的相关性, 尤其是同位素值较高时相关性好, 碳同位素值小于0的样品, 其碳、氧同位素相关性变差。白云岩具有较高的碳、氧同位素值, 正常灰岩的碳同位素普遍偏负, 氧同位素值分布较集中; 而次生灰岩的碳同位素值分布较宽, 氧同位素值比正常灰岩要高。
3.1.2 锶同位素特征
白云岩87Sr/86Sr 比值分布范围为0.707473~
0.730989, 平均值为0.713491; 次生灰岩87Sr/86Sr 比值分布范围为0.706789~0.716584, 平均值为0.710446; 正常灰岩
87
Sr/86Sr 比值分布范围为
0.706967~0.712430, 平均值为0.709126。
泥-微晶灰岩的锶同位素比值分布范围为0.706967~0.71243, 平均值为0.709121; 微晶白云岩的锶同位素比值分布范围为0.708779~0.715741, 平均值为0.712680。两者总的平均值为0.710987, 可代表川东地区黄龙组碳酸盐岩地层的
87
Sr/86Sr 背景
值。与早期取得的川东北地区黄龙组87Sr/86Sr 地层背景值(变化范围0.70960~0.70986, 平均值0.709732[4])基本一致, 明显高于Veizer et al .建立的全球晚石炭世海相灰岩0.70812~0.70857的变化范围值[13], 更高于同时期华南海相灰岩0.70732~ 0.70757的变化范围值[14]。此异常现象可被解释为“局限海湾环境下大量来自古陆的富
87
Sr 的陆壳锶随地表径流进入沉积
盆地, 由同位素质量平衡效应造成海水
87
Sr/86Sr 比
值大幅度升高并保留在海相碳酸盐岩地层中[15]”。进一步证明川东地区黄龙组碳酸盐岩地层的基质岩具有很高的87Sr/86Sr 背景值地球化学特征。 3.2 石炭系成岩环境分析
3.2.1 样品有效性分析
川东地区石炭系与上下地层均为不整合接触, 石炭纪末期的海退使得石炭系广泛遭受剥蚀, 岩石样品是否保留原始稳定同位素组成需要判别。利用稳定同位素和微量元素的判别方法主要有以下3种。
(1) Mn/Sr 比值。沉积期后, 特别是受大气水循环的影响, 碳酸盐岩将发生Sr 、Na 的损失和Fe 、Mn 的加入[16–20], 因此Mn/Sr 比值是判断海相碳酸盐成岩作用和蚀变程度的一个灵敏指标。人们常将Mn/Sr < 10作为碳酸盐岩保留了原始同位素的判别标志[21–26]。一般情况下, Mn/Sr < 10的碳酸盐岩未遭受强烈的蚀变, 其同位素组成可以代表原始沉积记录, Mn/Sr < 2~3表示样品很好地保持了原始海水的同位素组成[21]。
(2) 氧同位素组成特征。碳酸盐岩的氧同位素组成对蚀变作用灵敏, 原岩δ18O 值会因成岩后表生期的岩溶作用明显降低。一般情况下当碳酸盐岩的δ18O PDB < –5‰时表示已受蚀变作用影响, 当δ18O PDB < –10‰时岩石已发生了强烈的蚀变, 样品的氧、碳同位素数据已不能使用[27–28]。而Kaufman et al .则认为应当将δ18O PDB < –11‰作为界值[29]。本文将好的
第4期 王 坤等: 川东地区石炭系碳酸盐岩碳、氧、锶同位素特征及其成因分析 355
样品δ18O的标准确定为优于–5‰。
(3) δ13C与δ18O的相关性。主要表现在δ13C与δ18O值的离散性和δ13C和δ18O值的地层曲线的正相关性。通常认为, 如果δ13C和δ18O数值不具有明显的相关性(即离散), 则反映海相碳酸盐岩基本保存了原始的碳、氧同位素组成[30–34]。
在对样品进行同位素检测的同时, 笔者同时对每块样品的微量元素含量进行了检测, 结果见表2。
从表2可以看出, 42块样品的Mn/Sr比值除31号样品(Mn/Sr比值为10.71)外普遍小于10, 有27块样品的Mn/Sr比值小于3。从表1可以看出, 共有26块样品的氧同位素值大于–5‰, 这些样品能很好反映原始地层的同位素特征; 其余样品氧同位素值小于–5‰, 但均大于–10‰。图1显示出碳、氧同位素值呈现出一定的相关性, 尤其是同位素值较高时相关性好, 但碳同位素值小于0的样品, 其碳、氧同位素相关性相对较差。由上述分析可知石炭系碳酸盐岩沉积后虽遭受一定的蚀变作用, 但作为探讨岩石成岩环境及成因, 碳、氧、锶同位素特征仍具有一定参考价值。
3.2.2 成岩环境分析
碳酸盐岩碳、氧同位素值主要受介质的温度、Z 值影响。一般来说, Z值升高, δ13C、δ18O值增大; 温度升高, δ18O值变轻; 在成岩阶段, 淡水淋滤和生物降解均可使δ13C、δ18O值变轻。白云岩的碳、氧同位素组成取决于引起白云岩化介质的碳、氧同位素组成, 并主要受介质盐度和温度的控制[35]。锶同位素组成同样受到海(湖)水、流体流经岩石以及成岩流体的影响: 当海平面下降时, 陆地暴露面积增大, 由大陆风化作用进入海洋的陆源锶增加, 从而引起海水87Sr/86Sr比值的相对增高; 当海平面上升时, 一方面由于陆地面积减少, 由风化带入海水的陆源锶减少, 另一方面, 海平面上升期多对应海底扩张加速期, 此时海底热液活动剧烈, 由此进入海水的幔源锶增加, 使得海水的87Sr/86Sr比值相对变小。整体而言, 海平面变化和87Sr/86Sr值变化呈负相关关系[36–37]。
Keith et al.[38]提出的利用石灰岩的δ13C、δ18O 值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为:
Z = 2.048 (δ13C PDB + 50) + 0.498 (δ18O PDB + 50)
Z值可以作为判别海陆环境的参考标志。当Z > 120时为海相, Z < 120时为陆相。
上述公式是以原始沉积水体与碳酸盐之间同位素平衡为基础而建立的。碳酸盐岩中δ18O值随着地
表2川东石炭系储层微量元素测试数据
Table 2 Trace element characteristics of samples from Carboniferous reservoirs in the eastern Sichuan Basin
样号Mn (%) Sr (%) Mn/Sr 样号Mn (%) Sr (%) Mn/Sr
1 0.0120 0.0200 0.60 2
2 0.0098 0.0019 5.16
2 0.0096 0.0160 0.60 2
3 0.0092 0.0012 7.67
3 0.0310 0.0160 1.9
4 24 0.0140 0.0037 3.78
4 0.0270 0.0150 1.80 2
5 0.0170 0.0042 4.05
5 0.0190 0.0060 3.17 2
6 0.0099 0.0290 0.34
6 0.0200 0.0240 0.83 2
7 0.0120 0.0055 2.18
7 0.0081 0.0200 0.41 28 0.0120 0.0120 1.00
8 0.0063 0.0270 0.23 29 0.0190 0.0039 4.87
9 0.0032 0.0180 0.18 30 0.0290 0.0034 8.53
10 0.0057 0.0190 0.30 31 0.0300 0.0028 10.71
11 0.0260 0.0140 1.86 32 0.0170 0.0026 6.54
12 0.0089 0.0048 1.85 33 0.0210 0.0023 9.13
13 0.0150 0.0076 1.97 34 0.0140 0.0071 1.97
14 0.0260 0.0300 0.87 35 0.0140 0.0180 0.78
15 0.0290 0.0034 8.53 36 0.0066 0.0021 3.14
16 0.0095 0.0079 1.20 37 0.0084 0.0055 1.53
17 0.0060 0.0062 0.97 38 0.0100 0.0160 0.63
18 0.0180 0.0091 1.98 39 0.0120 0.0032 3.75
19 0.0034 0.0160 0.21 40 0.0034 0.0005 6.80
20 0.0057 0.0087 0.66 41 0.0039 0.0005 7.80
21 0.0084 0.0064 1.31 42 0.0064 0.0180 0.36
3562011年
质历史的变迁发生较大变化: 时代越老、成岩作用时间越长, 氧同位素交换愈强, δ18O值就愈低。所以上述方法的应用受到较大限制, 计算出来的温度已不代表原始沉积水体温度。虽然如此, 该方法仍具有一定参考价值, 具有定性意义。
余志伟[39]利用T值表示碳酸盐岩成岩的古温度, 计算公式如下:
T = 13.85 – 4.54 δ18O PDB + 0.04 (δ18O PDB)2
本文用上述两个公式对样品沉积环境Z值、成岩温度进行了计算, 计算结果见表3。
表3样品碳、氧同位素特征及沉积环境Z值、成岩温度计算结果
Table 3 Sample characteristics of C, O isotopes and calculation result of sedimentary environment salinity and diagenetic temperature
序号岩性δ13C PDB (‰) δ18O PDB (‰) Z (‰) 温度()
℃
1 深灰-黑灰色粉-细晶次生灰岩 1.08 –5.1
2 126.96 38.14
2 深灰色粉-细晶次生灰岩–0.80 –6.87 122.24 46.93
3 深灰色次生灰岩 2.7
4 –4.08 130.88 33.04
4 浅灰色微-粉晶次生灰岩–0.62 –6.37 122.86 44.39
5 浅灰色次生灰岩–2.92 –5.9
6 118.35 42.33
6 深灰色粉晶次生灰岩–2.11 –6.43 119.78 44.70
7 深灰色泥-微晶灰岩–1.85 –8.08 119.49 53.14
8 深灰色泥-微晶灰岩–0.088 –8.41 122.93 54.86
9 深灰色网缝状灰质岩溶角砾岩0.33 –9.05 123.47 58.21
10 深灰色微-粉晶灰岩–4.38 –7.79 114.45 51.64
11 深灰色微晶白云岩–3.43 –6.59 116.99 45.51
12 灰色粉晶白云岩 1.60 –2.95 129.11 27.59
13 深灰色粉晶斑块状白云岩0.93 –5.67 126.38 40.88
14 灰-深灰色砂屑虫屑白云岩 1.72 –4.14 128.76 33.33
15 灰色粉晶针孔状白云岩 1.07 –3.07 127.96 28.16
16 深灰色砂屑白云岩 3.51 –2.56 133.21 25.73
17 浅灰褐色溶孔状粉晶白云岩 2.67 –2.68 131.43 26.30
18 深灰色粉晶白云岩 1.77 –4.70 128.58 36.07
19 深灰色含生屑砂屑白云岩–1.49 –9.54 119.50 60.80
20 灰色微晶白云岩–1.77 –6.07 120.65 42.88
21 灰色粉晶白云岩–2.27 –6.83 119.25 46.72
22 深灰色砂屑白云岩 1.68 –2.81 129.34 26.92
23 深灰色粉-微晶白云岩 3.96 –1.48 134.67 20.66
24 深灰色微晶白云岩0.43 –8.33 124.03 54.44
25 浅灰色砂糖状虫穴白云岩 2.60 –3.84 130.71 31.87
26 深灰色粉-细晶砂糖状白云岩 2.43 –4.14 130.21 33.33
27 灰色粉晶云质岩溶角砾岩 2.66 –2.86 131.32 27.16
28 灰色粉晶云质岩溶角砾岩 2.45 –3.44 130.60 29.94
29 灰色粉晶砂屑白云岩 2.79 –1.51 132.26 20.80
30 灰色微晶膏质白云岩–1.07 –4.56 122.84 35.38
31 粗晶白云岩0.36 –3.31 126.39 29.32
32 灰色粉晶白云岩0.20 –4.96 125.24 37.35
33 浅灰色粉晶颗粒白云岩 2.32 –1.32 131.39 19.91
34 灰色微-粉晶云质岩溶角砾岩 1.62 –2.44 129.40 25.17
35 灰色微-粉晶云质岩溶角砾岩 1.40 –3.32 128.51 29.36
36 灰色微晶白云岩 2.69 –3.8 130.92 31.68
37 深灰色微-粉晶白云岩0.91 –2.87 127.73 27.21
38 深灰色微晶白云岩 1.00 –3.47 127.62 30.09
39 浅灰色针孔状粉晶白云岩 1.13 –4.46 127.39 34.89
40 深灰色云质角砾白云岩 2.72 –3.80 130.98 31.68
41 深灰色云质角砾白云岩 2.79 –4.20 130.92 33.62
42 深灰色虫屑白云岩–1.52 –7.78 120.31 51.59
第4期 王 坤等: 川东地区石炭系碳酸盐岩碳、氧、锶同位素特征及其成因分析 357
石炭系的底界为一不整合面, 其下伏层主要是
志留系的页岩, 其顶界是一侵蚀面, 以一薄的古土
壤层与上覆的下二叠统梁山组过渡。这两个Ⅰ型层
序界面限定了石炭系的三级层序。
以黄龙组二段(C2hl2)段底部为首次海泛面, 该
界面显著的识别标志有: (1) 界面上、下岩相突变,
其下为萨巴哈环境次生灰岩沉积, 其上为白云岩沉
积; (2) 界面上普遍发育厚0.1~0.3 m的含生物屑微
晶云岩, 生物屑以有孔虫为主,
少量海百合、腕足、
和红藻等, 为划分和对比C2hl1和C2hl2段的岩性标志, 属快速海侵沉积的产物[11], 此界面可将低位体系域与海侵体系域分开。在川东石炭系保存较好的岩芯剖面上最大海泛面为黄龙组二段(C2hl2)与黄龙组三段(C2hl3)的分界面, 在自然伽马曲线上为一高值层的底。该高自然伽马层代表了黄龙组三级层序的凝缩层, 为深灰、暗灰色薄层至纹层状的泥晶灰岩, 含少量生物碎屑, 该界面将海浸体系域和高水位体系域分开。低位体系域、海侵体系域、高位体系域分别相当于黄龙组一段(C2hl1)段、黄龙组二段(C2hl2)和黄龙组三段(C2hl3) (图2)。
低位体系域沉积时海平面较低,黄龙一段(C2hl1)以具白云石晶体残余结构的次生灰岩为主要
特征, 样品中所采集的次生灰岩样均来自于该段。
计算结果显示的次生灰岩样成岩环境Z值为118.35‰~130.88‰, 成岩温度为33.04~46.93 ,
℃
87Sr/86Sr比值为0.706789~0.716584, 平均0.710446,
与该地区的背景值非常接近。成岩温度说明黄龙组
一段沉积时环境温度较高, Z值表明次生灰岩以海
相环境为主, 锶同位素比值表明黄龙组一段次生灰
岩形成于海相环境, 由大陆河流排入海洋的陆源锶
较少。笔者同时注意到川东石炭系相当层位有较多
膏盐岩的存在, 存在明显的残余“鸡笼铁丝”状格架
的构造, 为成层分布或呈结核状或“鸡雏”状结构产
出的自生石膏硬石膏溶蚀后形成。综合以上分析后
认为黄龙一段碳酸盐岩主要为膏盐湖及潮上萨巴哈
沉积, 气候炎热干旱, 地表淡水河流注入较少。沉积
后经历了白云岩化、去白云岩化、石膏化、去石膏
化等多种成岩作用。通常认为去白云岩化、石膏化
与地下水的淋滤作用有关[2], 但本区锶同位素比值
显示富含陆源锶的地表淡水对该段成岩作用贡献不大, 故推断去膏化及“鸡笼铁丝”状构造的形成主要
为埋深期富含幔源锶的深部热液的作用。晚二叠世
图2 四川盆地石炭系黄龙组层序地层结构示意图(以梁3井为例, 据郑荣才等[4])
Fig.2 Schematic diagram of Carboniferous Huanglong Formation sequence stratigraphy structure, Sichuan Basin (Liang 3 well,
according to Zheng et al.[4])
358
2011年
“峨眉地裂运动”达到高潮, 上扬子地台西南缘发生大面积玄武岩喷发[40], 为该区“鸡笼铁丝”构造的形成提供了丰富的热液。
黄龙组二段(C 2hl 2)沉积白云岩为主, 海侵体系域沉积时海侵扩大, 可容空间的增加, 海水的作用范围增加。白云岩样品计算结果显示黄龙组二段沉积环境Z 值为116.99‰~134.67‰, 成岩温度20.80~ 60.80 , ℃87Sr/86Sr 比值范围0.706967~0.730989, 平均值为0.713491, 高于川东地区石炭系锶同位素背景值。白云岩成岩环境既有海相也有淡水环境, 锶同位素比值增加表明陆源锶注入较明显, 同时半局限-局限陆棚环境下与广海区海水交换不畅也会造成
87
Sr/86Sr 比值偏高。膏质白云岩的存在表明古隆
起及古陆边缘仍存在潮上潟湖环境。由于该段白云岩沉积时的环境Z 值及成岩温度变化范围较大, 加之白云岩结构晶形存在差异, 表明白云岩的成岩机理存在差别。
正常灰岩样品均来自黄龙组三段(C 2hl 3), 为高位体系域沉积。计算结果显示, 正常灰岩样品Z 值为114.45‰~123.47‰, 成岩温度为51.6~58.2 , ℃
87
Sr/86
Sr 比值为0.706967~0.712430, 平均值为
0.709126, 略低于背景值。高位体系域沉积的可容纳空间能够提供有效的灰岩沉积环境, Z 值反映出该段以海相沉积环境为主。当海平面较高时, 陆地面积减少, 陆源锶注入减少, 同时海平面高值期多对应海底的加速扩张, 此时海底热液活动剧烈, 由此进入海水的幔源锶增加, 使得海水的
87
Sr/86
Sr 比值相
对变小。成岩温度普遍大于50 ℃表明该段的成岩作用是在中—浅埋深下发生的。综上所述, 该段沉积期以陆棚海湾环境为主, 陆源锶对沉积环境影响减弱。前述碳、氧、锶同位素值有效性检验表明石炭纪末该段遭受过抬升剥蚀。 3.3 石炭系白云岩成因分析
由以上分析可知, 黄龙组二段沉积时川东地区并没有碳酸盐岩沉积的理想环境, 以沉积白云岩为主。计算所得的沉积环境Z 值普遍大于120‰, 但碳、氧同位素值分布范围较宽, 加之白云岩结构差异较大, 表明存在不同的白云岩化作用。对于川东石炭系黄龙组二段白云岩成岩机理, 就目前的研究成果看, 对不同结构的白云岩有不同的认识
[41–43]
。
32块白云岩样品碳、氧同位素特征分布如图3所示。按碳、氧同位素特征的不同, 可将白云岩样
品分为4类, 代表了不同的沉积环境: (Ⅰ) Z 值较低的淡水沉积环境; (Ⅱ) 海相沉积, 温度较高的中—浅埋藏环境; (Ⅲ) 海相沉积, 温度较低的蒸发潟湖环境; (Ⅳ) 温度最高的深埋藏高温环境。
图3 不同晶形白云岩碳、氧同位素特征
Fig.3 The C, O isotopes characteristics of dolomites with different
crystal forms
Ⅰ– 淡水环境; Ⅱ– 中—浅埋深环境; Ⅲ– 蒸发潟湖环境; Ⅳ– 高温环境。
Ⅰ– Freshwater environment; Ⅱ– intermediate-shallow burial environment; Ⅲ– evaporation lagoon environment; Ⅳ– high- temperature environment.
淡水环境下形成的白云石具泥粉晶结构, 沉积环境Z 值为116.99‰~122.84‰, 成岩温度为35.38~ 46.72 ℃。这类白云石主要存在于碳酸盐岩的孔隙、洞穴或裂缝中, 晶体呈半自形—自形晶菱面体, 成分单一, 结构均匀, 晶形良好, 泥晶白云石可重结晶为微粉晶白云石(图4a)。主要为黄龙组二段沉积期大气淡水的淋滤作用形成的淡水白云石沉淀。这类白云岩具有较高的87Sr/86Sr 比值, 分布范围为0.712952~0.717414, 平均值为0.715263, 明显大于白云岩的平均值, 表明这类白云岩受陆源淡水的影响明显, 也印证了白云岩的淡水环境。
中—浅埋藏环境下形成的白云岩以粉细晶结构为主, 夹少量泥微晶, 沉积环境Z 值为122.84‰~ 129.34‰, 成岩温度为26.92~40.88 ℃。这类白云岩显微镜下呈较脏的棕褐色, 白云石重结晶作用明显, 并以普遍具“雾心亮边”结构为其显著特征。而在白云石晶体中出现的中心不清楚(雾心)和边缘清楚(亮边)的现象, 是成岩孔隙流体与淡水混合作用的结果[44]
(图4b)。87Sr/86Sr 比值分布范围为0.730989~ 0.707473,
平均值为0.714268, 表明这类白云岩受陆壳淡水中陆源锶的影响。主要为早期海相环境中形成的具有结晶速度快、结晶差、不稳定的准同生白云岩在埋深成岩的过程中, 岩石孔隙中的咸水与地下淡水混
第4期 王 坤等: 川东地区石炭系碳酸盐岩碳、氧、锶同位素特征及其成因分析 359
合, 在原先白云石晶核的周围生长形成比较干净明亮的白云石附晶。水体Z值及成岩温度即反映了这种复杂环境(海水—混合水)和多成岩阶段(准同生—成岩)叠合形成白云岩的特点。
蒸发潟湖环境下形成的白云岩也仍以泥微晶为主, 沉积环境Z值为130.21‰~134.67‰, 成岩温度为19.91~33.62 ℃。这类白云岩常常含黏土等陆源物质或发育有藻纹层和残余藻屑纹层结构(图4c)。87Sr/86Sr比值范围为0.707633~0.724843, 平均值为0.713487, 与白云岩样品平均值(0.713535)相差不大, 仍高于川东地区黄龙组碳酸盐岩地层的87Sr/86Sr背景值。表明其成岩环境仍含有较高的陆源锶, 主要形成于古隆起及古陆边缘潮上带, 成岩温度低, 为典型的准同生白云岩。
高温环境下形成的白云岩主要指充填在溶蚀孔隙中的原生白云石, 具微晶结构, 沉积环境Z值为119.5‰~124.03‰, 成岩温度为51.59~60.8 ℃。这类白云石与淡水白云石结构类似, 但成岩温度却比淡水白云石高(图4d)。87Sr/86Sr比值范围为0.707525~ 0.709443, 平均值为0.708648, 要小于川东地区黄龙组碳酸盐岩地层的87Sr/86Sr背景值。表明这类白云岩受幔源锶影响较明显, 晚二叠世上扬子地台大面积玄武岩喷发引发的热液活动必然影响到石炭系地层, 为孔隙中形成原生白云石提供了热量来源, 也造成了87Sr/86Sr比值低于石炭系87Sr/86Sr 的背景值。综合以上分析认为这种白云岩为热液白云化成因。
图4 不同白云岩化作用形成的各类白云岩(石)
Fig.4 Different dolomites formed by different dolomitizations
(a) 表生期形成于白云质角砾间的淡水白云石, 拔向1井, C2hl2, 对角线长1.6 mm;
(b) 具“雾心亮边”结构的细晶埋藏白云岩, 天东14井, C2hl2, 对角线长4 mm;
(c) 纹层状泥晶准同生白云岩, 天东2井, C2hl2, 对角线长4 mm;
(d) 生屑砂屑白云岩, 粒间充填热液成因的微晶白云石, 洋渡3-1井, C2hl3, 放大倍数10×10(-)。
(a) Freshwater dolomite formed among dolomitic breccias during supergene stage, Baxiang Well 1, diagonal length: 1.6 mm;
(b) grain-refining buried dolomite with mist center and bright edge, Tiandong Well 14, diagonal length: 4 mm;
(c) laminated penecontemporaneous dolomite, Tiandong Well 2, diagonal length: 4 mm;
(d) bioclastic and sand dust dolomite, hydrothermal microcrystalline dolomite filling among grain, Yangdu Well 3-1, Magnification: 10×10(-).
3602011年
4 主要结论与认识
(1) 该区发育有正常灰岩, 去白云化灰岩(次生灰岩)和白云岩等不同类型的碳酸盐岩, 从碳、氧、锶同位素特征来看, 白云岩的碳、氧同位素值最高, 次生灰岩次之, 灰岩最低; 锶同位素比值也表现出相类似的特征, 白云岩87Sr/86Sr比值最高, 次生灰岩次之, 正常灰岩最低。
(2) 笔者在对采集的42块样品进行有效性的分析评价后认为, 石炭系碳酸盐岩沉积后虽遭受一定的蚀变作用, 但作为探讨岩石成岩环境及成因, 碳、氧、锶同位素特征仍具有一定的参考价值。
对黄龙组进行层序划分, 探讨了不同体系域的沉积环境。低位体系域以膏盐湖及萨巴哈环境为主, 气候炎热干燥, 降水较少, 富含陆源锶的地表淡水较少。海侵体系域川东主体以半局限—局限陆棚环境为主, 潟
古隆起及古陆边缘仍存在湖环境。锶同位素比值增加表明陆上河流发育, 陆源锶的注入较明显。该段白云岩沉积时的环境Z值及成岩温度变化范围较大。高位体系域以陆棚环境为主, 87Sr/86Sr 比值变小表明由风化带入海水的陆源锶减少, 同时海平面高值期多对应海底的加速扩张, 此时海底热液活动剧烈, 由此进入海水的幔源锶增加, 使得海水的87Sr/86Sr比值相对变小。
(3) 黄龙组二段(C2hl2)沉积时川东石炭纪发生海侵, 形成了区域性分布的白云岩。按照白云岩的碳、氧同位素特征, 可将白云岩的成岩环境划分为4种不同的类型: (Ⅰ) Z值较低的淡水沉积环境; (Ⅱ) 海相环境, 温度较高的中—浅埋藏环境; (Ⅲ) 海相环境, 温度较低的蒸发潟湖环境; (Ⅳ) 温度最高的高温环境。结合87Sr/86Sr值分析及沉积环境与岩石学特征分析, 笔者认为川东地区存在4种白云岩(或白云石)化作用: 淡水白云岩化作用; 埋藏白云岩化作用; 准同生白云岩化作用; 热液白云岩化作用。
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第22卷 第4期世 界 林 业 研 究Vol.22 No.4 2009年8月World Forestry Research Aug12009 氢氧碳稳定同位素在植物水分利用策略研究中的应用3 徐 庆1 冀春雷1 王海英1 李 旸2 (1中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京100091; 2中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091) 摘要:综述了氢氧碳稳定同位素的概念、示踪原理及其应用于定量确定植物水分来源、水分利用格局和水分利用效率等方面研究进展。同时展望了全球气候变化条件下,氢氧碳多种稳定同位素联合示踪先进技术在定量研究植物水分利用策略以及植被对全球气候变化的响应机制研究中的应用前景。 关键词:氢氧碳稳定同位素,植物水分来源,水分利用效率,水分利用策略 中图分类号:S718.51 文献标识码:A 文章编号:1001-4241(2009)04-0041-06 Use of St able Isotopes of Hydrogen,O xygen and Carbon to I den ti fy W a ter Use Stra tegy by Pl an ts Xu Q ing1 J i Chunlei1 W ang Haiying1 L i yang2 (1Research I nstitute of Forest Ecol ogy,Envir on ment and Pr otecti on,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China;2Research I nstitute of Wood I ndustry,Chinese Academy of Forestry,Beijing100091,China) Abstract:Stable is ot op ic technol ogy is a ne w method t o deter m ine s ources and utilizati on patterns of p lant water.The main advantage of this technol ogy is that it can p r ovide results of relatively high ac2 curacy and sensitivity.The pur pose of this paper is t o p resent an overvie w of the concep ts and theory of stable is ot ope tracing,and the methods of using stable is ot opes of hydr ogen,oxygen and carbon t o quantify s ources of p lant water and pattern and efficiency of p lant water use.This paper uses s ome exa mp les t o demonstrate how the stable is ot op ic technol ogy may be used t o address different issues re2 lated t o p lant water use strategies,and p r ovides s ome pers pectives on app licati ons of the advanced technol ogy of si m ultaneously tracing multi p le stable is ot opes(hydr ogen,oxygen and carbon)in stud2 ying mechanis m s of potential vegetati on res ponses t o gl obal cli m ate change. Key words:stable is ot opes of hydr ogen,oxygen and carbon,water s ource of p lant,water use effi2 ciency,water use strategy 水是植物生命活动中最活跃的成分之一,对植物生长发育、数量和分布具有显著影响,尤其在干旱和半干旱地区,水成为植物生长的主要限制因子[1]。全球气候变化的一个重要方面是区域降雨格局的变化[2],植物吸收和利用水分的模式一定程度上决定了生态系统对环境水分状况发生改变时的响应结果[3],因此,对植物水分利用策略及水分来源的了解,将有助于我们了解和预测降雨格局变化导致未来植被时空变化的规律[4],有助于林业科技人员根据生境选择合适的造林树种进行植被建设和恢复工作。氢氧碳稳定同位素示踪技术有较高的灵敏度与准确性,为定量研究植物水分来源,水分利用格局和水分利用效率等提供了新的技术手段。 3收稿日期:2009-04-30 基金项目:国家自然基金项目(30771712);“十一五”林业科技支撑项目(2006BAD03A04);948项目(2006-4-04) 作者简介:徐庆,女,中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所副研究员,博士,研究方向:稳定同位素生态学,E-mail:xu2 qing@https://www.doczj.com/doc/e676760.html,
碳稳定性同位素分析食物网中能量流动 YKK standardization office【 YKK5AB- YKK08- YKK2C- YKK18】
碳稳定性同位素分析食物网中能量流动 摘要：随着科学技术发展，稳定性同位素已经广泛应用在生态学研究的诸多领域。在研究食物网中能量流动关系时，稳定性同位素能提供更迅速、客观的分析。此次实验利用碳稳定性同位素技术对受到人类破坏或其他因素影响的选定区域分析其食物网中的能量流动，旨在研究该区域生物之间的能量流动关系，从而对该区域采取合理的保护措施。 关键词：碳稳定性同位素；食物网；能量流动；δ13C值 Carbon Stable Isotopeanalyzes Studies Energy Flux in Food Web ABSTRACT: Stable isotopehas been widely used in various fields in ecology studieswith the development of science and isotope can provide rapider and more objective analysis when researching energy flux relationship in the food web. In the process of this experiment, we analyze the energy flux relationship in the food web of the chosen areas that are destroyed by human beings or affected by other factors by means of carbon stable isotope technology, with the aim of researching the energy flux relationship among population in this area, consequently we can adopt reasonable protective measures in this areas. KEY WORDS: Carbon stable isotope；food web；energy flux；δ13C 一．研究背景 随着世界人口的持续增长和人类活动范围与强度的扩展和增加，地球上的生物多样性逐渐降低。例如，持续不断地砍伐树木已经导致世界上大量树木物种面临灭种的危险；环境污染使得动植物的栖息地环境遭到严重的破坏，致使物种数量锐减[1]。在某一区域中，动植物数量的减少还有一个很重要的原因，即某些因素（例如栖息地减少和改变、滥捕乱猎、外来物种的引入、污染等[2]）导致该区域部分动植物数量的减少，而这进一步通过该区域的食物网影响到区域中其他动植物的种类和数量，进而对整个区域各种生物体造成影响。 食物网是在生态系统中的生物成分之间通过能量传递关系存在着一种错综复杂的普遍联系，直接反映生态系统的结构和功能[3]。生产者制造有机物，各级消费者消耗这些有机物，生产者和消费者之间相互矛盾，又相互依存。不论是生产者还是消费者，其中某一种群数量突然发生变化，必然牵动整个食物网。食物网是生态系统长期发展的进化过程中形成的。人类活动使生态系统中某一生物体种群数量遭到破坏，将使生态平衡失调，甚至是生态系统崩溃[2]。因此，研究食物网中生物的能量流动关系，对于维持生态系统的稳定、利用动物间的相互制约来减缓人类活动对生态系统的破坏具有重要的意义。
第7卷 第2期2016年4月 地球环境学报 Journal of Earth Environment V ol.7 No.2Apr. 2016 doi:10.7515/JEE201602010 收稿日期：2015-11-17；录用日期：2015-12-07Received Date: 2015-11-17; Accepted Date: 2015-12-07基金项目：国家自然科学基金项目（41303010） Foundation Item: National Natural Science Foundation of China (41303010)通信作者：刘卫国，E-mail: liuwg@https://www.doczj.com/doc/e676760.html, Corresponding Author: LIU Weiguo, E-mail: liuwg@https://www.doczj.com/doc/e676760.html, 封管法制备有机碳稳定同位素样品 存在的问题和改进 曹蕴宁1，刘卫国1, 2 （1. 中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061； 2. 西安交通大学 人居环境与建筑工程学院，西安 710049） 摘?要：有机碳稳定同位素的高精度测定是利用地质样品有机碳同位素研究气候和植被变化等的基础。通过实验发现低有机碳含量样品同位素测定误差相对较大，其中样品收集过程是主要的影响因素之一。本文针对这个问题，主要从杂质气体干扰入手，在一步冷冻分离CO 2和H 2O ，或分步冷冻分离CO 2和H 2O 的收集方法，以及改变收样管体积三方面进行条件实验研究，讨论了封管法制备有机碳稳定同位素样品气体收集过程对有机碳稳定同位素组成的影响。结果表明：（1）CO 2气体的纯化收集是封管法制备有机碳稳定同位素样品的一个重要步骤，收集时杂质气体含量越高，对样品有机碳稳定同位素组成的影响越大；（2）在相同的杂质气体背景条件下，与一步冷冻分离CO 2和H 2O 的方法相比，分步冷冻CO 2和H 2O 的方法能够显著减小杂质气体对有机碳稳定同位素测定的影响；（3）小体积收样管能够显著提高有机碳稳定同位素样品的离子流强度，进而提高低有机碳含量样品的稳定碳同位素测定精度。关键词：有机碳稳定同位素；样品制备；封管法 Problems and improvements of preparing organic carbon stable isotope samples by sealing tube method CAO Yunning 1, LIU Weiguo 1, 2 （1. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences , Xi’an 710061, China; 2. School of Human Settlement and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China ） Abstract: Background, aim, and scope High precision measurement of organic carbon stable isotope (δ13C) is the basis for its application in the reconstruction of past changes in climate and vegetation types. It has been observed that the measurement error of δ13C for samples with low organic carbon content was relatively large, partly due to the problem in the CO 2 collecting process. To solve this problem, the effect of CO 2 gas collecting process on the δ13C of organic carbon was investigated from three aspects: impurity gas on the process of CO 2 freezing, freezing CO 2 and H 2O by one step and freezing CO 2 and H 2O step by step, and the effect of collection tubes with different volumes. Materials and methods The national standard material (GBW04407) and different types of natural samples were analyzed using sealed tube method to study the effect of CO 2 gas collecting process on the δ13C of
2015年3月第35卷第1期 四川地质学报 Vol.35 No.1 Mar.，2015 157 川东南-湘西志留系砂岩胶结物碳、氧同位素特征 安 倩，黄 迪，朱志军，贾永斌，魏志崇，方鸿飞 （东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013） 摘要：测试分析结果表明：川东南-湘西地区氧稳定同位素相对较轻，而碳同位素变化相较于氧同位素变化大，这种变化与水介质性质、古气候及沉积有机质来源量有关；研究区志留系小河坝组砂岩形成胶结物的孔隙流体与海相环境中保存下来的底水密切相关；碳酸盐胶结物中的碳来源于与甲烷细菌作用生成生物气有关的碳酸盐。 关键字：志留系；小河坝组；胶结物；碳氧同位素 中图分类号：P597 文献标识码：A 文章编号：1006-0995（2015）01-0157-04 DOI：10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.037 砂岩储层中碳酸盐胶结和溶解是影响储集层物性的重要因素之一。碳酸盐胶结物在碎屑岩储层中既是最常见的成岩产物，又是重要的自生矿物，具有成因多样性、分布普遍性、形成多期性等重要特点。不同期次的碳酸盐胶结物的形成可以有效的记录流体组分特征在成岩过程中的变化，尤其是胶结物中碳稳定同位素组成可以用来指示成岩流体中碳的来源，而氧稳定同位素可以用来估算其结晶时的温度和流体成分。碳酸盐胶结物中碳氧稳定同位素组成可以为判断其形成时的物质来源和地球化学特征等提供重要信息，进而有利于阐明成岩过程中孔隙流体演化史、次生孔隙形成机理和流体-岩石相互作用机制等基本的地质问题。因此，通过运用岩石学、矿物学和地球化学等多学科交叉渗透的方法来分析砂岩储集 层中碳酸盐胶结物的氧、碳同位素组成特 征，对研究碳酸盐胶结物的来源和成因具有一定的理论意义和实践意义，进而正确的评价砂岩储层的储集性能。本文对川东南-湘西志留系小河坝组砂岩中碳酸盐胶结物的碳、氧同位素特征进行研究，来探讨其形成环境及碳的来源。 1 地质背景 川东南-湘西地区主要位于四川盆地东南部油气地质条件优越的有利天然气富 收稿日期：2014-05-23 基金项目：国家自然科学基金项目（41362008）和江西省教育厅科技项目（GJJ14475）联合资助 作者简介: 安倩（1990－），女，江西九江人，硕士研究生，主要从事沉积地球化学研究工作 通讯作者：朱志军（1976－） ，男，博士，主要从事沉积学研究工作 图2 采样位置分布图 图1 研究区位置图(据王根海,2001）
第十讲 地质常用主要稳定同位素简介 18O Full atmospheric General Circulation Model (GCM) with water isotope fractionation included.
内容提要 ●基本特征●氢同位素●碳同位素●氧同位素●硫同位素
10.1. 传统稳定同位素基本特征 ?只有在自然过程中其同位素分馏变化为可测量范围的元素，才能应用于地质研究用途，这些元素的质量范围多<40； ?多为能形成固、气、液多相态物质的元素，其稳定同位素组成可发生较大程度变化。总体上，重同位素趋于在结合紧密的固相物质中富集；重同位素趋于在氧化价态最高的物相中富集； ?生物系统中的同位素变化常用动力效应来解释。在生物作用过程中(如光合作用、细菌反应及其它微生物过程)，相对于反应初始组成，轻同位素趋于在反应生成物中富集。
10.2. 氢(hydrogen) ?直到1930年代，人们才发现H不是由1 个同位素，而是由两个同位素组成： 1H：99.9844% 2H(D)：0.0156% ?在SMOW中D/H=155.8 10-6 ?氢还有一个同位素氚(3H)，但为放射性核素，半衰期仅为~12.5y。
10.2.1 氢同位素基本特征 ?与多数重元素的同位素组成不同，太阳系物质具有高度不均一的氢(氧)同位素组成，尤其是内地行星与彗星之间； ?1H与D同位素间质量相对差最大，在地球样品中表现出最大的稳定同位素变化(分馏)范围； ?从大气圈、水圈直至地球深部，氢总是以H O、OH-， 2 H2、CH4等形式存在，即在各种地质过程中起着重要作用； ?氢同位素以 D表示，其同位素测量精度通常为0.5‰至2‰(相对其它稳定同位素偏低)。
碳、氧同位素含量偏移的地质意义研究在学习地球化学之前，我曾加入一个科研立项小组的科研工作中。这个科研项目的主题是“晚泥盆世弗拉斯—法门期之交( Fr/ Fa 界线) 所发生的全球性生物大绝灭事件”，我们对此项工作主要从牙形石分带，微球粒的基础研究及对碳酸盐含量，碳、氧同位素的含量偏移等方向展开。在加入到这个工作开始到学习完地球化学这门课止，我阅读了关于“碳、氧同位素含量偏移在重大地质事件中的指示意义”这一知识点的文献约十余篇。这些文献除了有部分对F—F事件的碳、氧同位素的规律总结之外，更有一部分是对其他重大地质事件诸如中元古代海平面变化、河南地区震旦系碳酸盐沉积、早寒武世黑色页岩、奥陶系—三叠系古环境变化、白垩纪缺氧事件等的系统归纳。本文即是对这些重大地质事件运用同位素含量分析的方法，对以往做过此方面工作的文献进行一次系统的梳理。 碳酸盐和有机物碳同位素组成的分析已成为推断全球碳循环变化的有力工具，碳循环的变化通常与生物集群灭绝事件有关。碳同位素的正偏移，在一些地质学家看来被认为是有机碳埋藏速率增强的结果。而这种变化被许多科学家认为是由于海平面的变化或者海水温度的变化导致大量暖盐水体的形成，诱导海水缺氧，使得海水中有机物氧化速率降低，有机碳埋藏速率增加，导致CO2浓度降低，全球变冷，这一系列变化又导致了生物的大量灭绝。 在对北京十三陵地区中元古代雾迷山组海平面变化的分析中，李任伟等人对白云岩进行了取样，分析以及检验发现：北京十三陵地区雾迷山组(1310～1207 Ma) 白云岩的δ13C 数值范围-1.5 ‰～1. 5 ‰(PDB) ，δ18O 数值范围一般为- 4 ‰～- 5 ‰(PDB) 。它们碳同位素组成具有旋回性变化的特征。δ13C 从地层层序的边界发生正偏移，至1. 5 ‰(PDB) ，然后发生负偏移至- 1. 5 ‰(PDB) 。有时，在δ13C 为负值的层段δ18O 数值较高，约为- 4. 0 ‰(PDB) 。 中元古代雾迷山时期碳酸盐岩相对具有重碳同位素组成的层段与海侵相关。可以在新元古代，也可以在显生宙找到类似的例子。在白垩纪森诺曼阶-土仓阶、早侏罗世、中奥陶世晚期以及晚寒武世，人们都可以在海侵时期沉积的碳酸盐岩地层中发现δ13C数值的正偏移。原因在于此时的海洋有较高的有机产率和高的有机碳埋藏速率，由于沉积有机质从海洋中选择地吸收了轻碳同位素(12C)，结果造成海洋碳酸盐库对重碳同位素(13C) 的相对富集。雾迷山组这种碳、氧同位素组成特征可以反映海平面的变化。在海侵体系域时期海水有相对高的有机产率和有机碳埋藏速率，在高位体系域时期的碳酸盐台地可能为滞流和蒸发环境，海水中微生物因呼吸而消耗有机质的作用比较强烈。 河南汝州、鲁山一带罗圈组冰积层之上的东坡组以页岩、粉砂质页岩及粉砂岩为主。而在对河南汝州一鲁山一带震旦系东坡组碳酸盐沉积的研究中，杜远生及张良等人发现了白云岩透镜体及白云质粉砂岩、砂岩。白云质粉砂岩具有与东坡组页岩不协调的软沉积变形。白云岩透镜体和白云质粉砂岩具有明显的δ13C 负偏。白云岩透镜体的δ13C为一4．19‰～一6．18‰。白云质粉砂岩的占δ13C 大部分为一2‰～一4‰之间。因此认为，东坡组的白云岩透镜体及白云质粉砂岩、砂岩与华南震旦纪盖帽白云岩及南华纪Sturtian冰期冰积层之上的碳酸盐丘和菱锰矿类似，为冰积层中的天然气水合物泄漏释放的CO2和海水中的Mg+发生快速反应快速沉淀而成的，即东坡组的白云岩、白云质粉砂岩、砂岩为冷泉成因。 而陈兰等人对扬子地台湘黔地区旱寒武世黑色页岩有机碳同位素的组成变化进行野外地质观察与室内分析研究表明：研究区灯影组白云岩主要为碳酸盐台
单体烃稳定碳同位素在沉积和油气地质中的应用 摘要随着科学技术的进步，人们已不满足测定原油总体的δ13C值及原油族组分碳同位素值，而是着眼于研究原油中单体烃分子的碳同位素特征，以便获得更多、更详细烃分子系列碳同位素信息。因此，单体烃碳同位素分析技术应用而生，原油单体烃碳同位素分析技术主要用于油源对比。由于碳同位素仪比较复杂，包括的设备多，操作繁琐，国内同行业有这样大型仪器的单位不多，因而对此项技术的开发有很重要的意义。原油单体烃碳同位素分析技术在油源对比等地质应用方面具有可行性,同时体现出有效的实际应用价值。 关键词单体烃碳同位素油气地质原油分类油源对比 单体烃碳同位素能从分子级别反映单个化合物的来源，较之于全油和族组成分同位素，具有更明显的优越性，已广泛应用于油气成因类型、油源识别、混源定量等油气勘探实践中。其数据的精度在相当程度上取决于单体化合物分离的纯度、仪器检测的稳定性及标样的界定。原油单体烃碳同位素的分布形式主要取决于样品的性质，特别是母源岩原始沉积环境与生源输人，受成熟度等其他因素的影响相对较小。我国西部叠合盆地由于存在多套有效烃源岩，不同成因类型原油混源现象普遍，如塔里木盆地可能包含海相与陆相各自不同层位烃源岩，甚至海相与陆相成因原油的混源，因此单体烃碳同位素在油源识别中至关重要。为了更好地应用单体烃碳同位素技术，需要建立不同地质模式下不同成因类型原油的单体烃碳同位素模型，并对可能的影响因素进行评价。 1单体正构烷烃碳同位素的古植被与古气候意义 近年来,由于气相色谱-燃烧-同位素比质谱联用仪(GC/C/IRMS)新技术的成功运用,使得单体分子标志化合物碳同位素的研究已在生物源识别、C3与C4植被类型确定、全球碳循环等方面得到了应用。单体分子标志物碳同位素的研究使稳定同位素在古气候学中的应用达到分子级水平,不但为局部或全球古气候研究而且为控制全球碳循环的机制探讨提供了新的更加准确的证据。因而,分子标志物的分布与单体碳同位素组成特征的联合应用,可以大大增强追踪古环境中有机质来源和重建古生物地球化学过程及古环境的能力。 1.1 溯源 正构烷烃分子标志化合物在古气候研究中得到了广泛应用，但是它们本身存在一些不可避免的缺陷：一是不同类型生物体中可能存在相同或相似的正构烷烃组成，使来自众多生物源的正构烷烃混合输入难以区分；二是正构烷烃分子标志物在埋藏中可能会或多或少地受到降解演化的破坏，使得其相应的生物源辨认模糊。然而，单体正构烷烃的碳同位素
同位素地球化学
目录 一、碳的同位素组成及其特征 (1) 1.碳同位素组成 (1) Ⅰ、碳的同位素丰度 (1) Ⅱ、碳的同位素比值（R） (1) Ⅲ、δ值 (2) 2.碳同位素组成的特征 (2) Ⅰ.交换平衡分馏 (2) Ⅱ.动力分馏 (3) Ⅲ.地质体中碳同位素组成特征 (3) 二、碳同位素在地质科学研究中的应用 (8) 1. 碳同位素地温计 (8) 2．有机矿产的分类对比及其性质的确定 (9) Ⅰ.煤 (9) Ⅱ.石油 (9) Ⅲ. 天然气 (11)
碳同位素组成特征及其在地质科研中的应用 一、碳的同位素组成及其特征 1.碳同位素组成 碳在地球上是作为一种微量元素出现的，但分布广泛，在地质历史中有着重要作用。碳的原子序数为6 ，原子量为12.011，属元素周期表第二周期ⅣA族。碳在地壳中的丰度为2000×10-6，是一个比较次要的微量元素。在地球表面的大气圈、生物圈和水圈中，碳是最常见的元素之一，是地球上各种生命物质的基本成分馏。碳既可以呈固态形式存在，又能以液态和气态形式出现。它既广泛分馏布于地球表面的各层圈中，也能在地壳甚至地幔中存在。总之，碳可呈多种形式存在于自然界中。在有机物质和煤、石油中，以还原碳的形式存在，在二氧化碳气体和水溶液中，以氧化碳形式出现。碳还可呈自然元素形式出现在某些岩石中（如金刚石和石墨）。一般用同位素丰度、同位素比值和δ值来表示同位素的组成。 Ⅰ、碳的同位素丰度 同位素丰度指同位素原子在元素总原子数中所占的百分比，自然界中的碳有2个稳定同位素：12C和13C。习惯采用的平均丰度值分别为98.90%和1.10%。由此可见，在自然界中碳原子主要主要是以12C的形式存在。另外碳还有一个放射性同位素14C，半衰期为5730a。放射性14C的研究，目前已发展成为一种独立的同位素地质年代学测定方法，主要应用于考古学和近代沉积物的年龄测定。适合用于作碳稳定同位素分馏析的样品包括：石墨、金刚石等自然碳矿物，方解石、文石、白云石、菱铁矿、菱锰矿等碳酸盐矿物；石灰岩、白云岩、大理岩等全岩样品；各种矿物包裹体中的C O2和CH4气体以及石油、天然气及有机物质中的含碳组分馏等。 Ⅱ、碳的同位素比值（R） 同位素比值R=一种同位素丰度/另一种同位素丰度 对于非放射性成因稳定同位素比值： R=重同位素丰度/轻同位素丰度 由此可见，碳的同位素比值R=1.1%/98.9%=0.011
二里头遗址出土陶容器内残余物的碳同位素分析 赵春燕赵海涛陈国梁许宏 （北京，王府井大街27号，中国社会科学院考古研究所，100710） 摘要：考古出土陶容器内残余物的分析与鉴别对于探讨古代人类饮食结构、生存状况及周围环境等问题具有特别重要的意义.依据残余物的碳同位素分析可以区分食物的种类，因而碳同位素分析是最重要的方法之一. 对二里头遗址出土的11份陶容器内残余物进行的碳同位素分析结果表明，二里头遗址居民食物中兼具C3类和C4类植物，而且，C4类植物也就是粟的比例可能更高一些。 关键词：二里头遗址，残余物，碳同位素 考古出土陶容器内残物的分析与鉴别对于探讨古代人类饮食结构、生存状况及周围环境等问题具有特别重要的意义。人类在学会制作陶器以后,生活方式发生了质的改变。蒸煮等烹调方式的使用改善了古人类的生活,使得人类对动植物的利用更加充分,吸收更多的营养,身体更加健康。因而,了解古代人类烹饪方式的发生、发展的历史也就是了解人类自身文明发展的历史。一般而言,了解古代人类饮食结构及生存状况所涉及的研究对象主要可以分为两个方面：一是被研究的主体-人类本身，包括对人类骨骼和牙齿遗存的研究；二是人类食用的对象，包括考古遗址中发现的动植物的遗存研究等等。但出土器物中发现的残余物的分析研究，可以帮助考古学家获得更多的不可见的动植物利用信息。 残余物的分析方法比较多, 根据残余物的状态不同相应有不同的方法.其中,碳、氮同位素分析是最重要的方法之一。依据残余物的碳同位素分析可以区分食物的种类。其原理并不复杂: 植物是通过光合作用将空气中的二氧化碳转化为植物组织。到目前为止所发现的光合作用的途径主要三种。一是卡尔文途径。因为它的最初产物是3-磷酸酰甘油酸（3-PGA），这是一种含三个碳原子的化合物，所以又称为C3途径,遵循 C3光合作用途径的一类植物称为C3植物。温和湿润环境下生长的大部分植物都属于C3植物,例如各种乔木、灌木和大部分禾本科的植物。二是哈-斯途径。这种途径的最初产物是含四个碳原子的化合物-草酰乙酸,所以遵循哈-斯光合作用途径的一类植物称为C4植物。 C4植物包括玉米、粟、甘蔗等旱暖开放环境中生长的某些草类。三是少数多汁植物如菠箩、甜菜等所遵循的称为CAM的光合作用途径[1、2]。 自然界的植物因光合作用的途径不同，而导致了最初产物的不同。而不同的最初产物的植物间碳同位素组成是有差别的,可以用δ13C值定量表示。通过对自然界数百种不同科、属、种的植物的研究发现，C3类植物如稻米、小麦、豆类等，其δ13C值范围为 -23‰～-30‰，平均值为-26‰。C4类植物，如玉米、小米、高粱、甘蔗等，δ13C值范围为–8～-14‰，平均值为-11‰。CAM类植物如菠萝、甜菜等，δ13C值范围为–12‰～-23‰，平均值为-17‰。豆科植物可以直接从空气固氮，其δ15N值约为0~1‰；非豆科植物利用土壤中的氮，δ15N 值平均为3~4‰。这些研究结果给后来的研究提供了直接的对比标准。对于出土残余物而言，因炭化过的植物残骸不会再受土壤微生物的影响而改变，一般认为碳氮同位素不会发生分
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?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。
碳氮氢氧稳定同位素示踪技术在生态系统研究案例稳定同位素作为示踪剂广泛应用于生态循环和大气循环中的相关研究。研究人员通过测量空气、植物和土壤中的稳定性同位素组成，进而研究传统生态学无法解释的复杂生态学过程，例如：碳同位素用于分析生态系统CO2循环，区分碳通量研究中各组分的贡献率，确定不同物种对全球生产力的分配和贡献；氢氧同位素用于分析植物对土壤水分的利用效率，进而区分土壤水分的蒸腾与蒸散；氮同位素用于分析植物及生态系统的氮素循环，通过反硝化细菌转化成N2O，根据15N在N2O分子的不同位置，可以示踪N素循环的不同化学反应过程。在这些生态研究中，要求使用的设备同时具备高环境耐受性、高精度、高测量速度及宽量程等特点。 美国Los Gatos公司采用专利的OA-ICOS技术（第4代CRDS技术）设计的一系列稳定同位素分析仪，具有操作温度范围宽、量程宽、高速、高精度的优点。能够满足实验室野外多点长期同步监测、不同高度长期同步监测等研究的需要。其与其他传统测量方法相比，改进了对外界温度、压力变化比较敏感的缺陷，具备无法比拟的优势，适用范围也大大得到扩展。 一、测量原理 LGR：采用OA-ICOAS技术，符合Beer-Lambert定律，通过测量光损失来确定未知物质的浓度；通过改变入射激光的波长，一次扫描测量需要的全部光谱，每秒300次测量，做平均，从而保证了多点连续监测的同步性以及高精度性。 特点：1、测量速度非常快，每秒300次全光谱扫描取平均，测量速度及精度远超传统质谱仪； 2、一次扫描测量全光谱，实时显示光谱曲线，即使温度压力的变化引起峰漂移 也不会影响到峰面积的变化； 3、离轴的光腔设计，避免反射光与入射光直接的相互干扰，信噪比低； 4、通过峰面积来计算位置物质的浓度，所以测量范围很宽； 二、 试验方案 1、碳氧稳定同位素示踪设计方案 1.1土壤-植物根系呼吸的区分 利用土壤、植物根系呼吸产生的CO2中13C同位素信息，可以区分它们各自在总呼吸中所占的比例，同时对18O同位素进行监测，使得多混合源的同位素区分成为可能。
石笋记录 一、定义： 石笋（Stalagmite），为碳酸钙石灰岩，位于溶洞洞底的尖锥体，是喀斯特地形的一种自然现象。 二、石笋发育与形成： 饱含着碳酸钙的水通过洞顶的裂隙或从钟乳石上滴至洞底。一方面由于水分蒸发，另一方面，由于在洞穴里有时温度较高，水溶解二氧化碳的量减小，所以，钙质析出，沉积在洞底。自下向上生长的是石笋，从上往下生长的是石钟乳。 三、石笋记录用于气候、环境变化等研究的条件（原因）： 洞穴石笋是由滴水带来碳酸盐矿物沉积形成的，而洞穴滴水是雨水通过石灰岩从地表渗透下来的，必然经过土壤层。由于植物的根呼吸和微生物活动，土壤中的空气含有大量二氧化碳。一方面，土壤二氧化碳的多少受温度的控制；另一方面，土壤二氧化碳的多少又能决定岩石被溶解的多少:二氧化碳含量高，水的酸度就大，被溶蚀的石灰岩就多，沉积到洞里的物质也就多；反之也成立。由此可见，水不但是运输物质的载体，而且也是传递信号的媒介。在从地表向地下传递的过程中，水流不但带有大气温度或降水变化的信号，而且还加入了许多地质、土壤环境变化的信号。当水最后到达洞里，从滴水沉积出来的石笋也就成了一个环境气候变化的记录器。 四、石笋记录用于气候、环境变化等的优势 太阳辐射的变化、海平面的变化及气候系统内部循环的变化都是可能与影响季风的因素。黄土虽然可以清晰地反映季风的变化,但是古环境重建的分辨率难以提高。碳酸盐沉积物具有明显的优势,总结其优势如下：
1.石笋分辨率高，可以达到年际分辨率； 2.石笋代用指标丰富，Th/U比值适合与铀系精确定年，可以进行高精度采样分析； 3.石笋样品分别广泛且时间跨度较大 4.石笋受外界干扰较少，洞穴内部相对封闭的环境是石笋生长受到的影响较小，生长机制对环境敏感、记录比较连续完整； 这对古气候古环境的研究至关重要。因此石笋成为综合研究最近几十万年以来气候与生态环境变化的理想载体。 五、石笋古气候研究中常用代用指标 1.氧同位素 2.碳同位素 3.微量元素 4.灰度 5.微层厚度 6.有机物与分子化石 氧同位素记录 一、定义：自然界中氧以氧-16、氧-17、氧-18三种同位素的形式存在，相对丰度分别为99.756%、0.039%、0.205% ，天然物质的氧同位素组成通常用由18O/16O比值确定的δ(18O)来描述，一般采用标准平均海洋水(SMOW)作为标准品。 二、用途：氧同位素在地球科学中广泛用于确定成岩成矿物质来源及成岩成矿温度。在生物学和医学上有广泛应用前景。氧同位素在地理学中被用作年代确定的参考，常用于冰川的断代。 三、氧同位素的应用原理与部分应用领域
第四节稳定碳同位素 同位素：指元素周期表中原子序数相同，原子量不同的元素。 稳定同位素：指原子核的结构不会自发的发生改变的同位素。 稳定同位素有两个最显著的属性：1.稳定性：即经过复杂的化学反应之后，原子核结构不发生变化。2.分馏作用：指同位素在两种同位素比值不同的物质之间进行分配。 一、稳定同位素分馏机理 分馏作用是稳定同位素的属性之一，碳稳定同位素的分馏机理有： 1.同位素的交换反应：是化学物质间，不同相或单个分子发生的同位素重新分配。 12CO +13CH4=13CO2+12CH4 2 13CO +H12CO3-=12CO2+H13CO3- 2 2.光合作用的动力效应：植物在光合作用过程中，富集12C，而使13C 进一步减小。 3.热力和化学反应的动力效应： -C-C-键的稳定性顺序：-13C-13C>-13C-12C->12C-12C-。 在低温条件下，形成的烃类，富集12C；在高温条件下形成的烃类，富集13C。 4.同位素的物理化学效应： 蒸发：气相富集轻同位素12C，夜相富集13C；扩散：先扩散12C，残余13C。 二、稳定同位素在自然界的分布、比值符号和标准 同位素比值的测量和对比单位一般是用千分数（‰）表示。 式中：Rs :为样品的同位素比值；Rr：为标准的稳定同位素的比值。各国用各自的标准计算Rr ，再换算成PDB标准。 标准之间的换算公式： 式中：δ13CB：为求取对B标准的δ值； δ13CA：为测得对A标准的δ值； RAr、RBr：为A、B标准的13C/12C比值。 三、油气中碳同位素的组成特征 1、原油
δ13C一般为-22‰～-33‰，平均值为-25‰～-26‰。 ①海相原油δ13C值较高，为-27‰～-22‰；陆相原油δ13C值偏低，为-29‰～-33‰。 ②随组分分子量的增大,急剧增大烷烃<芳烃<胶质<沥青质，烷烃<环烷烃，正构烷烃<异构烷烃，芳烃随环数增加δ13C值增大，可溶沥青<干酪根。 2、天然气 δ13C随天然气成熟度的增大而增大， 生物成因气: ≤-60‰～-95‰低 热解成因气: -50‰～-20‰高 以上两种气的混合气: -50‰～-60‰ 天然气成份中：δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4，分子量增加，增大。
碳酸盐岩碳氧同位素与古气候古环境 在地球科學中碳氧同位素广泛应用于成岩成矿作用、古海洋、石油天然气成因研究。而碳氧同位素在反映古气候古环境中尚属比较新颖的应用，文章在阅读相关文章基础上，进一步阐明了不同环境下碳酸盐岩中的碳氧同位素反映古气候古环境的机理。 标签：碳酸盐岩；碳氧同位素；古气候；古环境 引言 过去的几十年里，碳酸盐岩中的碳氧同位素相关研究日益增加，因为通过对湖相碳酸盐岩中碳氧同位素的数据分析，在一定程度上重新构建过去时期的古气候和古环境方面的变化。文章以湖湘碳酸盐岩，石笋中的碳酸盐岩以及黄土中的碳酸盐岩为例，较为具体说明了三种碳酸盐岩中的碳氧同位素的含量变化对应着怎样的环境气候（温度，蒸发降水量，植物种类茂盛程度）变化。 1 湖相碳酸盐岩中的碳氧同位素 （1）在湖泊沉积中，碳酸盐岩中δ18OPDB与δ13CPDB间的相关性，反映着湖泊水文条件，若δ18OPDB和δ13CPDB之间是呈正相关关系，则反映为封闭性的湖泊，如果它们之间相关系数大于0.70，则湖泊的封闭性是比较好的。例如由于丹麦Bliden Lake沉积碳酸盐岩中δ18O和δ13C之间相关系数为0.4，因此Olsen等认为丹麦Bliden Lake是开放性的。 （2）湖泊中的碳酸盐岩（或泥灰岩）δ13C含量变化主要与气候，蒸发，湖泊生产力有关。对于封闭性较好的湖泊，湖泊生物生产力以及蒸发作用（通过大气中CO2与湖泊水体间的交换）影响着沉积碳酸盐δ13C值。在开放性湖泊中沉积碳酸盐的δ13C的影响因素较多且较复杂，主要与气候，蒸发，湖泊生产力有关。例如青海湖，由于湖中水量远大于入湖水量，而且湖中DIC含量远大于入湖淡水中的DIC含量，故青海湖可以看做封闭性湖泊；水生植物的光合作用和呼吸作用影响着δ13CDIC；蒸发作用下，湖泊水体急剧减小，湖泊深层水与表层水将会加速混合而影响δ13CDIC；由于水体中CO2和大气CO2交换导致湖水δ13CDIC的变化，反映着当时蒸发作用强弱（尤其当湖水CO2分压低于大气CO2分压时）。 （3）对于氧同位素组成的受控因素相关讨论比较少。在湖泊泥灰岩中，δ18O 值的影响因素应该是蒸发，气候，气温，湿度等因素综合作用。a. 降水蒸发：湖泊降雨量和蒸发量与δ18OPDB的值密切联系，当降水充足时，湖水会增加大量贫δ18O的水体，因此湖水δ18OPDB值就较低；相反，如果蒸发量大于降雨量，此时湖水的氧同位素会发生分馏，导致湖水δ18OPDB值增加。例如北京石花洞石笋相关研究表明，在分辨率<10a的时间尺度上，石笋中δ18O的记录主要反映了降雨量的变化，降雨量增加，则δ18O值相应偏低。b. 气温的影响：在较
國立臺灣師範大學地球科學系(所)通識課程綱要 科目代碼：ES C0123 科目名稱（中文）：穩定同位素地質學 科目名稱（英文）：Stable Isotope Geology 總學分數： 3 每週上課時數： 3 授課教師：米泓生 教師專長背景： 開課理由： 一、教學目標： 本課程主要介紹穩定同位素在全球變遷，環境地球化學，水文地質學，火成岩與變質岩地質學，碳酸岩地質學，古氣候學，海洋學與古海洋學，以及石油地球化學等研究上的應用。 二、教材內容： 第1週課程簡介 (講義；assigned readings) 第2週同位素的特性，歷史背景 第3週同位素的特性，歷史背景 第4週質譜分析，慣例，符號，和標準 第5週同位素分化作用的理論基礎(一) 第6週氧(18O/16O)和氫(2H/1H)同位素 在自然界的分佈；分化關係 自然界水中的追蹤劑：氧和氫同位素 第7週氧(18O/16O)和氫(2H/1H)同位素 火成岩與變質岩岩石學的應用 第8週氧(18O/16O) 同位素溫度和同位素地層 第9週期中考 第10週碳(13C/12C)同位素 碳循環與地球化學 碳同位素在自然界的變化；分化關係 第11週碳(13C/12C)同位素 有機物質 自然界水─碳循環 沉積碳酸岩─成岩作用，全球地球化學循環 第12週氮(15N/14N)同位素
氮循環和地球化學 第13週氮(15N/14N)同位素 有機物質；食物網 地下水 標本分析(F416R; Stable Isotope Lab) 第14週硫(34S/32S)同位素 硫循環和地球化學 硫同位素在自然界的變化；分化關係 第15週硫(34S/32S)同位素 地下水和孔隙水的硫循環 硫同位素曲線─全球變遷 第16週Student presentation 第17週Student presentation 第18週期末考; 繳交期末報告 三、實施方式： 期中考30%，期末考40%，期末報告20%，其他、作業10% 四、參考書目： 指定用書：1. Sharp, Z., 2007, Principles of stable isotope geochemistry: Pearson Prentice Hall, New Jersey, 344p. 參考書目： 1. Hoefs, J., 1987, Stable isotope geochemistry: Springer-Verlag, New York 2. Faure, G., 1986, Principles of isotope geology: John Wiley & Sons,New York 3. Anderson, T. F., and Arthur, M. A., 1983, Stable isotopes of oxygen and carbon and their application to sedimentologic and paleoenvironmental problems, in M. A., Arthur, eds., Stable isotopesin sedimentary geology: SEPM Short Course no. 10, p,1-151. 4. Mook, W.G. ed., 2001, Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle Principles and Applications: UNESCO/IAEA Series, https://www.doczj.com/doc/e676760.html,/programmes/ripc/ih/volumes/volumes.htm