川東南-湘西志留系砂巖膠結物碳、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

（東華理工大學地球科學學院，江西南昌 330013）

測試分析結果表明：川東南-湘西地區氧穩定同位素相對較輕，而碳同位素變化相較于氧同位素變化大，這種變化與水介質性質、古氣候及沉積有機質來源量有關；研究區志留系小河壩組砂巖形成膠結物的孔隙流體與海相環境中保存下來的底水密切相關；碳酸鹽膠結物中的碳來源于與甲烷細菌作用生成生物氣有關的碳酸鹽。

志留系；小河壩組；膠結物；碳氧同位素

砂巖儲層中碳酸鹽膠結和溶解是影響儲集層物性的重要因素之一。碳酸鹽膠結物在碎屑巖儲層中既是最常見的成巖產物，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。不同期次的碳酸鹽膠結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，尤其是膠結物中碳穩定同位素組成可以用來指示成巖流體中碳的來源，而氧穩定同位素可以用來估算其結晶時的溫度和流體成分。碳酸鹽膠結物中碳氧穩定同位素組成可以為判斷其形成時的物質來源和地球化學特征等提供重要信息，進而有利于闡明成巖過程中孔隙流體演化史、次生孔隙形成機理和流體-巖石相互作用機制等基本的地質問題。因此，通過運用巖石學、礦物學和地球化學等多學科交叉滲透的方法來分析砂巖儲集層中碳酸鹽膠結物的氧、碳同位素組成特征，對研究碳酸鹽膠結物的來源和成因具有一定的理論意義和實踐意義，進而正確的評價砂巖儲層的儲集性能。本文對川東南-湘西志留系小河壩組砂巖中碳酸鹽膠結物的碳、氧同位素特征進行研究，來探討其形成環境及碳的來源。

1 地質背景

川東南-湘西地區主要位于四川盆地東南部油氣地質條件優越的有利天然氣富集帶上（圖1）。縱向上有上三疊統-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、兩個勘探領域存在。長期以來，該地區的勘探工作重點放在二疊系、三疊系時代，并取得了顯著成效。研究區小河壩組砂巖標準出露于南川縣龍骨溪小河壩，連續厚度為158.8m，其余主要分布與湘西、川東及川東南地區。小河壩組砂巖的下伏是早志留紀龍馬溪組黑色筆石泥、頁巖作為優質烴源巖，上覆有巨厚的韓家店組泥、頁巖作為良好的蓋層，小河壩組本身具有優越的油氣地質條件。因此，下古生界志留系作為上揚子地區重要的烴源巖，具有良好的生儲蓋組合條件，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為缺氧的滯流淺海沉積環境，而靠近雪峰山隆起的龍山縣地區表現為貧氧環境，同時其源區的沉積構造背景具有活動大陸島弧、大陸邊緣和被動大陸邊緣的性質。結合前人的研究成果[7,8,10]認為，川東南地區志留系小河壩組砂巖的物源來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；而湘西地區的物源來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。

本文通過對川東南-湘西地區志留系小河壩組砂巖中碳酸鹽膠結物的碳、氧同位素地球化學特征進行研究，結合區域地質背景資料和前人研究成果，分析其碳來源及形成環境。

2 樣品采集與測試

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）進行了碳、氧同位素地球化學分析。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，與磷酸反應平衡1個小時后，利用MAT-253質譜儀測試所得。所測得碳、氧同位素值均以VPDB為標準給出，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、氧同位素測試是由東華理工大學核資源與環境教育部重點實驗室完成。

表1 樣品碳氧同位素測試數據

3 碳酸鹽膠結物的碳、氧同位素特征

研究區志留系小河壩組砂巖的碳酸鹽膠結物的碳、氧同位素數據分析結果具體有如下特征：

1）川東南地區δ13C值介于-1.90‰ ~ 4.78‰之間，多數為正值，僅有4個為負值，平均值為1.42‰；湘西地區δ13C值介于-2.67‰~4.95‰之間，只有1個為負值，平均值為1.99‰。

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

3）川東南-湘西地區氧穩定同位素相對較輕，而碳同位素變化相較于氧同位素變化大，這種變化與水介質性質、古氣候及沉積有機質來源量有關。

4 鹽度計算

前人研究指出[2、9]，原則上來說，碳酸鹽巖的δ18O值和δ13C值可以作為沉積環境判別的標志，同樣也適用于研究成巖流體。本次研究結合前人運用了2種方法對研究區砂巖的碳酸鹽膠結物的形成鹽度進行判斷。

1）根據Degens等總結出的不同沉積環境中碳酸鹽礦物δ13C值分布特征圖（圖3）進行判斷[17]。從圖3可以看出，隨著水介質鹽度的增加，沉積環境中的碳酸鹽礦物的δ13C值也不斷增大。研究區川東南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主要形成于海相環境。

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

式中δ13C和δ18O值均用VPDB標準計算，利用該公式對研究區的水介質的性質進行判別[6]。當Z＞120‰時，水介質為海水來源；Z＜120‰時，則為陸相淡水來源[11、14]。從計算結果（表1）可以看出：川東南地區Z值介于112.17‰~132.38‰之間，平均值為122.02‰，其中僅4個值小于120‰；湘西地區Z值介于116.28‰~131.15‰之間，平均值為125.64‰，僅1個值小于120‰，說明研究區志留系小河壩組砂巖形成膠結物的孔隙流體與海相環境中保存下來的底水密切相關，碳酸鹽膠結物均形成于海相環境，印證了上述第一種判別方法的判斷結果。

5 碳來源

根據研究區砂巖中碳酸鹽膠結物的碳、氧同位素組成相關圖（圖4）可以看出，川東南和湘西地區志留系小河壩組砂巖中碳酸鹽膠結物除個別點的氧、碳同位素值存在異常，相關性差，可能是由于碳酸鹽膠結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關系（鄒明亮等，2008）。

根據自然界中碳同位素的分餾機理[4]，正常的海相碳酸鹽巖和碳酸鹽膠結物的δ13C值分布在-4.0‰~+4.0‰之間[1、12]，屬于無機碳源，說明膠結物的形成與有機質的脫羧作用關系不大，而與沉積時的堿性環境有關。川東南-湘西地區的δ13C值范圍除四個數據點落在Ⅲ區有機脫羧作用范圍內，其余數據點恰好表明了碳酸鹽膠結物中的碳[3、13]來源于與甲烷細菌作用生成生物氣有關的碳酸鹽（圖5）。

6 結論

1）川東南-湘西地區氧穩定同位素相對較輕，而碳同位素變化相較于氧同位素變化大，這種變化與水介質性質、古氣候及沉積有機質來源量有關。其中川東南地區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δ13C值在-2.67‰~4.95‰范圍內，平均值為1.99‰，δ18O值在-12.96‰~-10.14‰范圍內，平均值為-11.54‰。

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

[1] 董福湘, 劉立, 馬艷萍. 2004.大港灘海地區沙一段下部砂巖儲層中方解石膠結物碳、氧同位素研究[J]. 石油實驗地質, 26（6）:590~593.

[2] 傅啟龍. 庫車盆地西北緣下第三系碳、氧同位素特征及成巖環境[J]. 地層學雜志, 1996，20（4）: 280~283.

[3] 郭宏莉, 王大銳. 塔里木油氣區砂巖儲集層碳酸鹽膠結物的同位素組成與成因分析[J]. 石油勘探與開發, 1999，26（3）:31~32.

[4] HUDSON J D. Stable isotopes limestone lithification [J]. Journal of Geological Society, 1977, 133（4）:637~660.

[5] Kelts K,Talbot M R.1990.Lacustrine carbonates as geochemical archives of environmental change and biotic /abiotic interactions.In: Tilzer MM,Ser-ruya C,eds.Ecological structure and Function in Large Lakes-Madison,Wis [M].Science Technology, 290~317.

[6] 呂成福, 李曉燕, 陳國俊. 酒東坳陷下白堊統砂巖中碳酸鹽膠結物特征與儲層物性[J]. 沉積學報, 2011.29（6）:1138~1144.

[7] 劉鐘偉. 湖南前寒武紀火山巖地球化學特征及產出構造環境[J]. 湖南地質, 1994.13（3）:137~146.

[8] 邱元禧, 張玉昌, 馬文璞, 等. 雪峰山的構造性質與演化[M]. 北京: 地質出版社，1999.

[9] 邵龍義, 張鵬飛. 桂中合山組碳酸鹽巖的氧、碳穩定同位素組成及古鹽度和古溫度[J]. 中國煤田地質. 1991, 3（1）:21~26.

[10] 王國茹, 陳洪德, 朱志軍. 川東南-湘西地區志留系小河壩組砂巖稀土元素特征及其地質意義[J]. 石油實驗地質, 2010.32（5）:487~495.

[11] 王琪, 郝樂偉, 陳國俊. 白云凹陷珠海組砂巖中碳酸鹽膠結物的形成機理[J]. 石油學報. 2010, 31（4）:553~558.

[12] 王琪, 禚喜準, 陳國俊. 延長組砂巖中碳酸鹽膠結物氧碳同位素組成特征[J]. 天然氣工程. 2007, 28~32.

[13] 袁珍, 李文厚.鄂爾多斯盆地東南緣上三疊統延長組砂巖方解石膠結物成因[J]. 吉林大學學報, 2011.41（1）:17~23.

[14] 姚涇利, 王琪, 張瑞. 鄂爾多斯盆地中部延長組砂巖中碳酸鹽膠結物成因與分布規律研究[J]. 天然氣地球科學, 2011, 22（6）:943~950.

[15] 張敏強,黃思靜, 等. 東海盆地麗水凹陷古近系儲層砂巖中碳酸鹽膠結物及形成機制[J]. 成都理工大學學報, 34（3）: 2007.259~266.

[16] 鄒明亮, 黃思靜, 胡作維. 西湖凹陷平湖組砂巖中碳酸鹽膠結物形成機制及其對儲層質量的影響[J]. 巖性油氣藏. 2008, 20（1）: 47~52.

[17] 張秀蓮. 碳酸鹽巖中氧、碳穩定同位素與古鹽度、古水溫的關系[J]. 沉積學報, 1985, 3（4）:17~19.

[18] 朱志軍. 川東南地區志留系小河壩組沉積體系及物質分布規律研究[M]. 成都理工大學. 2010.

[19] 朱志軍, 陳洪德, 林良彪. 川東南-湘西地區志留系小河壩組砂巖微量元素地球化學特征及意義[J]. 地質科學情報, 2010.29（2）:24~30.

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

國家自然科學基金項目（41362008）和江西省教育廳科技項目（GJJ14475）聯合資助

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

朱志軍（1976－），男，博士，主要從事沉積學研究工作