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



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）

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。

志留系；小河坝组；胶结物；碳氧同位素

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集带上（图1）。纵向上有上三叠统-侏罗系碎屑岩、石炭系-三叠碳酸盐岩和震旦系-志留系三大勘探层系、两个勘探领域存在。长期以来，该地区的勘探工作重点放在二叠系、三叠系时代，并取得了显著成效。研究区小河坝组砂岩标准出露于南川县龙骨溪小河坝，连续厚度为158.8m，其余主要分布与湘西、川东及川东南地区。小河坝组砂岩的下伏是早志留纪龙马溪组黑色笔石泥、页岩作为优质烃源岩，上覆有巨厚的韩家店组泥、页岩作为良好的盖层，小河坝组本身具有优越的油气地质条件。因此，下古生界志留系作为上扬子地区重要的烃源岩，具有良好的生储盖组合条件，是很有勘探潜力的目的层系。

朱志军等（2010）[19]指出川东南-湘西志留系小河坝组总体表现为缺氧的滞流浅海沉积环境，而靠近雪峰山隆起的龙山县地区表现为贫氧环境，同时其源区的沉积构造背景具有活动大陆岛弧、大陆边缘和被动大陆边缘的性质。结合前人的研究成果[7,8,10]认为，川东南地区志留系小河坝组砂岩的物源来源于雪峰山隆起南西段的芷江、古丈、怀化、沅陵及通道一带的新元古界板溪群及其侵入板溪群中的基性、超基性岩体及中基性喷出岩；而湘西地区的物源来源于雪峰山隆起的北东段安化、常德、桃源一带的新元古界板溪群的夹少量中基性喷出岩。

本文通过对川东南-湘西地区志留系小河坝组砂岩中碳酸盐胶结物的碳、氧同位素地球化学特征进行研究，结合区域地质背景资料和前人研究成果，分析其碳来源及形成环境。

2 样品采集与测试

本次研究分别在川东南的巴渔、漆辽、江口、三泉、小河坝；及湘西的板寮和卡棚采集了22件志留系小河坝组砂岩样品（图2，表1）进行了碳、氧同位素地球化学分析。碳、氧同位素分析处理主要采用磷酸盐法。样品在72℃的恒温槽中，与磷酸反应平衡1个小时后，利用MAT-253质谱仪测试所得。所测得碳、氧同位素值均以VPDB为标准给出，同位素分析精度为δ18C ≤ 0.2‰，δ18O ≤ 0.2‰（绝大部分样品精度≤ 0.1‰）。样品碳、氧同位素测试是由东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室完成。

表1 样品碳氧同位素测试数据

3 碳酸盐胶结物的碳、氧同位素特征

研究区志留系小河坝组砂岩的碳酸盐胶结物的碳、氧同位素数据分析结果具体有如下特征：

1）川东南地区δ13C值介于-1.90‰ ~ 4.78‰之间，多数为正值，仅有4个为负值，平均值为1.42‰；湘西地区δ13C值介于-2.67‰~4.95‰之间，只有1个为负值，平均值为1.99‰。

2）川东南-湘西地区δ18O值均为负值，其中川东南地区δ18O值介于-13.115‰~-9.45‰之间，平均值为-11.41‰；湘西地区δ18O介于-12.96‰~-10.14‰之间，平均值为-11.54‰。

3）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。

4 盐度计算

前人研究指出[2、9]，原则上来说，碳酸盐岩的δ18O值和δ13C值可以作为沉积环境判别的标志，同样也适用于研究成岩流体。本次研究结合前人运用了2种方法对研究区砂岩的碳酸盐胶结物的形成盐度进行判断。

1）根据Degens等总结出的不同沉积环境中碳酸盐矿物δ13C值分布特征图（图3）进行判断[17]。从图3可以看出，随着水介质盐度的增加，沉积环境中的碳酸盐矿物的δ13C值也不断增大。研究区川东南δ13C值介于-1.90‰ ~ 4.78‰之间，平均值为1.42‰，湘西δ13C值介于-2.67‰~4.95‰之间，平均值1.99‰（表1）。因此，基本可以确定川东南与湘西地区主要形成于海相环境。

2）根据Keith和Weber（1964）提出的碳酸岩古盐度恢复公式，该公式为：Z=2.048 （δ13CPDB+50） + 0.498 （δ18OPDB+50）

式中δ13C和δ18O值均用VPDB标准计算，利用该公式对研究区的水介质的性质进行判别[6]。当Z＞120‰时，水介质为海水来源；Z＜120‰时，则为陆相淡水来源[11、14]。从计算结果（表1）可以看出：川东南地区Z值介于112.17‰~132.38‰之间，平均值为122.02‰，其中仅4个值小于120‰；湘西地区Z值介于116.28‰~131.15‰之间，平均值为125.64‰，仅1个值小于120‰，说明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，碳酸盐胶结物均形成于海相环境，印证了上述第一种判别方法的判断结果。

5 碳来源

根据研究区砂岩中碳酸盐胶结物的碳、氧同位素组成相关图（图4）可以看出，川东南和湘西地区志留系小河坝组砂岩中碳酸盐胶结物除个别点的氧、碳同位素值存在异常，相关性差，可能是由于碳酸盐胶结后同位素分馏效益造成的，其余同位素值总体上存在正相关关系（邹明亮等，2008）。

根据自然界中碳同位素的分馏机理[4]，正常的海相碳酸盐岩和碳酸盐胶结物的δ13C值分布在-4.0‰~+4.0‰之间[1、12]，属于无机碳源，说明胶结物的形成与有机质的脱羧作用关系不大，而与沉积时的碱性环境有关。川东南-湘西地区的δ13C值范围除四个数据点落在Ⅲ区有机脱羧作用范围内，其余数据点恰好表明了碳酸盐胶结物中的碳[3、13]来源于与甲烷细菌作用生成生物气有关的碳酸盐（图5）。

6 结论

1）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。其中川东南地区δ13C值介于-1.90‰~4.78‰之间，平均值为1.42‰，δ18O值介于-13.11‰~-9.45‰之间，平均值为-11.41‰；湘西地区δ13C值在-2.67‰~4.95‰范围内，平均值为1.99‰，δ18O值在-12.96‰~-10.14‰范围内，平均值为-11.54‰。

2）川东南-湘西地区Z值分析表明，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；δ13C值与δ18O值之间呈正相关关系，且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。

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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

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

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

朱志军（1976－），男，博士，主要从事沉积学研究工作