塔里木盆地奥陶纪碳同位素波动特征与对比

刘存革, 刘永立 , 罗明霞, 邵小明, 罗　鹏, 张智礼

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学), 成都 610059;

2.中国石油化工股份有限公司 西北油田分公司,乌鲁木齐 830011;

3.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院,北京 100083)



塔里木盆地奥陶纪碳同位素波动特征与对比

刘存革1,2, 刘永立2, 罗明霞2, 邵小明2, 罗鹏2, 张智礼3

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学), 成都 610059;

2.中国石油化工股份有限公司 西北油田分公司,乌鲁木齐 830011;

3.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院,北京 100083)

[摘要]在牙形石生物地层的基础上，利用塔里木盆地塔北隆起钻井全岩碳同位素数据，结合其他学者公布的碳同位素曲线，探讨了塔里木盆地奥陶纪碳同位素波动特征，并与世界其他地区进行对比。塔里木盆地奥陶纪特马豆克阶-达瑞威尔阶早期碳同位素波动较弱，缺乏可全球对比的波动标志。达瑞威尔阶中期和凯迪阶早期发育明显的碳同位素正漂移，分别对应于国际上的中达瑞威尔阶碳同位素正漂移(MDICE)和加顿伯格碳同位素正漂移(GICE)，能够进行全球对比。桑比阶早期牙形石Pygodus anserinus带内发育波动幅度达1.4‰的正漂移，其可能仅在部分地区分布，暂时命名为早桑比阶碳同位素正漂移(ESICE)。凯迪阶中后期碳同位素波动特征目前还不清楚，晚奥陶世赫南特阶碳同位素正漂移(HICE)在塔里木盆地也未见报道。MDICE和GICE可作为塔里木盆地中上奥陶统的等时对比标志。

[关键词]塔里木盆地；奥陶纪；碳同位素正漂移；达瑞威尔阶；桑比阶；凯迪阶

在过去十余年中，由于海相碳酸盐岩稳定碳同位素(δ13Ccarb)证明具有保持原始海水同位素组成的能力[1-3]，碳同位素波动被认为是环境变化的指标[2]，稳定碳同位素广泛应用于区域、全球性碳酸盐岩地层对比、气候变化研究中[2,4,5]。

目前，奥陶纪能够全球对比的3个短期碳同位素正漂移均发育在达瑞威尔阶-赫南特阶[4,6]，分别为中奥陶统达瑞威尔阶碳同位素正漂移(MDICE)、上奥陶统凯迪阶早期古登伯格碳同位素正漂移(GICE)和上奥陶统赫南特阶碳同位素正漂移(HICE)。而且其他学者在波罗的海、北美和南美等地区的桑比阶和凯迪阶中晚期分别识别出4个碳同位素正漂移[2,6,7]，但这些正漂移分布可能是局部的，能否进行全球对比存在疑问。

塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩是重要的含油气领域，其碳同位素地层学研究主要在柯坪、巴楚露头开展[8-12]，盆地内因埋深大、岩心资料少，研究程度较低[13-15]。本文在牙形石生物地层的基础上，以塔北隆起塔河地区奥陶系岩心全岩碳同位素数据为基础，结合前人公布的岩心和柯坪露头碳同位素曲线，探讨塔里木盆地奥陶纪碳同位素波动特征，并与世界其他地区进行对比，以期对塔里木盆地奥陶系沉积环境、加里东中期古喀斯特作用和烃源岩研究提供借鉴。

1地质背景

1.1构造和沉积背景

塔里木板块在早-中奥陶世作为独立的板块位于赤道附近[16,17]，邻近冈瓦纳大陆西北缘。板块东部满加尔-库鲁克塔格地区为盆地相沉积，西部发育了大型碳酸盐岩台地[14,18]。中奥陶世晚期塔里木板块抬升，巴楚-塔中隆起抬升幅度较大，隆起上中奥陶统一间房组被完全剥蚀，中下奥陶统鹰山组也遭受不同程度的剥蚀。塔北隆起抬升幅度较低，一间房组剥蚀程度弱[19]。

中奥陶世末期-晚奥陶世早期全球发生海泛事件[10]，塔北浅水碳酸盐岩台地转变为深水的淹没台地，地层发育较为齐全，而巴楚-塔中隆起部分地区缺失该时期的地层。晚奥陶世良里塔格组沉积时期，塔里木板块已经离开赤道向北漂移[17]，发育多个小型碳酸盐岩台地。塔北隆起发育碳酸盐岩缓坡，内缓坡沉积厚度为80~120 m，T901井厚度为102 m(图1和图2)。而巴楚-塔中隆起为强镶边台地[20]，厚度较大，顺4井厚度>300 m。2个台地之间为阿瓦提-满加尔沉积凹陷，良里塔格组为外缓坡-盆地相，厚度普遍在10~20 m；S112-1井厚度为12.5 m，而S114井厚度仅为9.5 m(图1和图2)。良里塔格组沉积末期，塔里木板块再次抬升，2个碳酸盐岩台地均遭受不同程度的剥蚀[20,21]。晚奥陶世桑塔木组的海泛事件，使奥陶纪碳酸盐岩台地彻底消亡。

1.2牙形石生物地层

多年来，众多学者对塔里木盆地奥陶系牙形石生物地层开展了露头和井下研究工作[10,22-27]，分地区建立了牙形石生物地层。台盆区下奥陶统蓬莱坝组为泛球型牙形石分子，生物古地理分区特征不明显。鹰山组—一间房组和上奥陶统恰尔巴克组顶部—桑塔木组多见北美中大陆型分子(图2)，具有浅水、暖水、丰度低、种属演化慢的特征[22,25,27]。中奥陶统顶部—恰尔巴克组上部牙形石多见北大西洋型分子，具有深水、冷水、丰度高、种属较多的特征[22,25,27]。东部满加尔拗陷盆地相区和西部柯坪露头晚奥陶世深水沉积中，多发育北大西洋型分子[22,25]。台盆区下奥陶统—一间房组井下能够鉴定出来的牙形石数量和种属均较少，横向对比较为困难[24]。

图1　塔里木盆地构造单元划分与研究钻井分布图Fig.1　Map showing tectonic units and distribution of studied drilling wells in Tarim Basin

图2　塔北隆起中上奥陶统地层对比与牙形石分布图Fig.2　Stratigraphic correlation and conodont distribution of Middle-Upper Ordovician in Tabei uplift

目前，国际上以笔石Nemagraptusgracilis带底界作为中/上奥陶统的界线，该界线上下对应的牙形石带分别为Pygodusanserinus带和Pygodusserra带。在柯坪大湾沟露头剖面上笔石带的底界要比上奥陶统底部牙形石Pygodusanserinus带底界略高[26]。牙形石带Pygodusserra带和Pygodusanserinus带在塔里木盆地露头和井下普遍被鉴定出来，为地层的划分对比奠定了基础，塔北隆起上S112-1井恰尔巴克组下部含泥灰岩段应部分归于中奥陶统(图2)。

上奥陶统中典型的Belodinaconpressa带、Belodinaconfluens带和Yaoxianognathusneimengguensis带等牙形石带跨组发育现象普遍(图2)，Belodinaconpressa带多发育在恰尔巴克组顶部至良里塔格组，Belodinaconfluens带常见于良里塔格组和桑塔木组[22]，而Yaoxianognathusneimengguensis带在良里塔格组顶部出现，多见于桑塔木组底部[10]。

塔里木盆地中奥陶统顶部牙形石Pygodusserra带、上奥陶统牙形石Pygodusanserinus带、Belodinaconpressa带和Belodinaconfluens带能够与美国俄克拉荷马州和弗吉尼亚州[28]、辛辛那提地区[29]、阿根廷前科迪勒拉地区[6,30,31]和波罗的海[2]等地区牙形石带进行对比，为碳同位素正漂移进行区域或全球对比提供了生物地层学的依据。

2方 法

2.1样品采集与分析

本次研究分析的样品来自塔北隆起塔河地区S112-1井、S114井和T901 井的岩心(图1和图2)。S114井样品于2006年采样，T901井样品于2006年和2010年2次取样，S112-1井于2010年取样。采样时尽量避免了成岩作用较强、泥质含量高和生物较多的岩心，选择致密微晶灰岩取样，含泥灰岩和泥灰岩选择灰质含量高的条带、团块取样。2006年样品由国土资源部同位素实验室MAT251质谱仪测试，2010年样品由核工业北京地质研究院分析测试研究中心MAT253质谱仪测试。样品测试均采用磷酸盐法，分析流程见前人文献[32]，碳同位素精度优于±0.1‰，氧同位素精度优于±0.2‰。根据岩心与常规测井、成像测井的对比分析，样品深度均做了归位处理。

S112-1井和S114井相距12 km，奥陶系沉积环境相似，取心分别侧重于上奥陶统和中奥陶统。因此，以一间房组顶面为界限，将这2口井的碳氧同位素曲线拼接起来，可以作为良里塔格组外缓坡沉积相区的中上奥陶统碳氧同位素曲线(图3)。

图3　塔里木盆地钻井奥陶纪δ13C和δ18O曲线Fig.3　δ13C and δ18O curves of Ordovician from studied drilling wells in Tarim Basin

2.2成岩蚀变分析

大气淡水成岩作用对碳酸盐岩中碳氧同位素组成有较强烈的影响[5,33]，使δ13C和δ18O数值明显降低。塔里木盆地一间房组沉积末期和良里塔格组沉积末期存在短期暴露，T901井区均受到这两幕古喀斯特作用的影响，而S112-1和S114井区中上奥陶统为连续沉积[19]。T901井良里塔格组顶部有3个样品距良里塔格组顶面0.6~6.38 m，其δ13C与下部样品相比存在明显负漂移(图3)；但δ18O为正漂移，与典型大气淡水影响机理存在差异，表明样品受大气淡水的影响较小。S114井一间房组上部也存在δ13C和δ18O不协调的现象，同样反映样品受大气淡水的影响较小。

与碳同位素相比，氧同位素更易受成岩作用的影响[5,33]。目前认为δ18O数值<-10‰时[34]，δ13C的原始组成可能发生了改变。从图3可以看出，T901井、S112-1井和S114井的δ18O数值皆大于-9‰，反映3口井样品的δ13C和δ18O受成岩作用的影响较弱。但这3口井在一间房组顶部-恰尔巴克组中部、恰尔巴克组顶部-良里塔格组下部和良里塔格组中上部δ13C和δ18O均存在明显的协同变化特征，但与发育深度关系不紧密(图3)，而与层位密切相关。中晚奥陶世δ13C和δ18O协同变化的现象在南美等地区也广泛存在[6,35]，其形成原因被认为是古气候变化和有机质大量埋藏。因此，这种相关性可能反映特殊沉积背景下碳氧同位素的协同变化关系，能够代表原始海水的碳氧同位素组成。

3碳同位素波动特征与对比

为较全面地反映塔里木盆地奥陶系碳同位素波动特征，并与世界其他地区对比，本文引用了前人公布的塔中隆起顺4井弗洛阶-大坪阶和凯迪阶早期[15]、柯坪露头特马豆克阶-凯迪阶早期[12]和全球奥陶纪[31]的碳同位素曲线(图3和图4)。全球奥陶纪碳同位素曲线由Bergström等综合了前人的研究成果而形成[36]，Albanesi等在此基础上增加了桑比阶晚期的SAICE正漂移[31]。

3.1特马豆克阶-达瑞威尔阶早期碳同位素波动与对比

图4　塔北隆起、柯坪露头和全球奥陶纪碳同位素曲线对比Fig.4　Comparison of δ13C curves of global Ordovician with that of Tabei uplift and Kalpin outcrops

根据塔里木盆地柯坪露头和塔中、塔北奥陶纪碳同位素曲线(图3和图4)，特马豆克阶-达瑞威尔阶早期波动较弱，δ13C数值整体偏负，与全球的碳同位素曲线基本一致，缺乏可全球对比的波动标志。柯坪露头可能因数据点不足造成特马豆克阶-弗洛阶曲线较为平直(图4)。顺4井在大坪阶早期存在一个幅度较小的碳同位素负漂移(图3)，可以与全球奥陶纪和柯坪露头碳同位素曲线对比(图4)。但该负漂移在世界部分地区表现不明显，如阿根廷和加拿大纽芬兰在大坪阶晚期出现明显的负漂移特征[37]，美国内华达州大盆地大坪阶中晚期出现明显的负漂移特征[30]。

3.2达瑞威尔阶中期-凯迪阶早期碳同位素波动与对比

塔里木盆地达瑞威尔阶中期-凯迪阶早期的碳同位素曲线波动相对剧烈(图3和图4)，δ13C数值整体正向漂移特征明显。在牙形石生物地层的基础上，塔北隆起塔河地区一间房组碳同位素正漂移对应于中国南方、北美、南美和欧洲的MDICE(图3和图4)，碳同位素最大值普遍小于2‰，在柯坪露头奥陶纪碳同位素曲线上，也存在明显的正漂移特征(图4)。

塔里木盆地在桑比阶早期还发育了一个明显的碳同位素正漂移(图3)，出现在牙形石Pygodusanserinus带内，碳同位素最大值为1.5‰，漂移幅度为1.4‰。其波动特征大于全球奥陶纪碳同位素曲线(图4)，在柯坪露头剖面上没有检测出该正漂移(可能因为采样点较为稀疏)。目前，该正漂移在国际上没有正式的命名，本文暂且称为ESICE(early Sandin carbon isotopic excursion)。图4中紧邻GICE发育在桑比阶内的SAICE是否能够全球对比，目前仍存在争议[6,7]，塔里木盆地目前还未发现此正漂移的特征。

塔里木盆地在塔北、塔中和柯坪露头的恰尔巴克组顶部-良里塔格组下部发育的正漂移对应于GICE(图3和图4)，其漂移幅度普遍小于3‰，在美国宾夕法尼亚州[38]、弗吉尼亚州[28]略大于3‰。此外，在桑比阶顶部开始或发育在桑比阶的GICE的地区还有阿根廷前科迪勒拉地区[6]和美国俄克拉荷马州[35]。

由于塔里木盆地凯迪阶中后期和赫南特阶发育的是桑塔木组泥岩、泥灰岩以及柯坪塔格组砂泥岩沉积，碳同位素地层工作开展较少，凯迪阶GICE以后的碳同位素波动特征不是很清楚，晚奥陶世赫南特阶HICE的特征仍未发现，推测其发育在柯坪塔格组[39]。目前普遍认为赫南特阶冰期和生物大灭绝事件与HICE的形成关系密切[4,37]，造成HICE波动幅度远大于GICE和MDICE(图4)。

4结 论

a.塔里木盆地奥陶纪特马豆克阶-达瑞威尔阶早期碳同位素波动较弱，δ13C数值整体偏负，缺乏可全球对比的波动特征；而达瑞威尔阶中部-凯迪阶早期的碳同位素曲线波动较为剧烈，δ13C数值整体正漂移特征明显。

b.塔里木盆地在奥陶纪达瑞威尔阶中期和凯迪阶早期发育明显的碳同位素正漂移，分别对应于国际上的MDICE和GICE，能够进行全球对比，可作为塔里木盆地不同地区中上奥陶统的等时对比标志。

c.桑比阶早期牙形石Pygodusanserinus带内发育明显的正漂移，波动幅度达1.4‰，其可能在部分地区发育，暂时命名为ESICE。

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Fluctuation characteristics and correlation of carbon isotope in Ordovician, Tarim Basin, China

LIU Cun-ge1,2, LIU Yong-li2, LUO Ming-xia2,SHAO Xiao-ming2, LUO Peng2,ZHANG Zhi-li3

1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;2.Northwest Oilfield Company, SINOPEC, Urumq 830011, China;3.Institute of Petroleum Exploration and Development, SINOPEC, Beijing 100083, China

Abstract:Based on conodont biostratigraphy, the whole-rock carbon isotope data from drilling core in Tabei uplift, combined with published carbon isotope curves, are used to investigate the carbon isotope fluctuation characteristics of Ordovician in Tarim Basin, and to correlate them with other regions of the world. It shows that Carbon isotope fluctuations from Tremadocian to early Darriwilian in Tarim Basin are weak, and can be correlated globally. However, carbon isotope positive excursions clearly develop in middle Darriwilian and early Kaitian, corresponding to middle Darriwilian carbon isotope excursion(MDICE) and Guttenberg carbon isotope excursion(GICE) respectively, also correlating globally. Carbon isotope positive excursions within conodont Pygodus anserinus zone develop in early Sandbian and the range of δ13C are fluctuate up to 1.4‰. This positive excursion may regionally distribute, and can be named early Sandbian carbon isotope excursion (ESICE). The fluctuation characteristics of carbon isotope in middle-late Katian are unclear so far, and the Hirnantian carbon isotope excursion (HICE) of late Ordovician is also not reported in Tarim Basin. MDICE and GICE can be used as isochronous correlation markers of Middle-Upper Ordovician in Tarim Basin.

Key words:Tarim Basin; Ordovician; positive carbon isotope excursion; Darriwilian; Sandbian; Katian

[文献标志码][分类号] P597 A

[基金项目]国家科技重大专项(2011ZX05005-004, 2016ZX05005-002);国家重点基础研究发展计划(973)项目(2012CB214806)。

[收稿日期]2015-05-27。

[文章编号]1671-9727(2016)02-0241-08

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.02.11

[第一作者] 刘存革(1976-),男，博士，高级工程师，研究方向：碳酸盐岩沉积与储层，E-mail：liucunge@163.com。