李朋威, 吴夏, 白晓, 颜佳新, 王欢, 黄俊华. (2010)四川广元上寺剖面二叠系栖霞组沉积碳库与有机碳埋藏[J]. 古地理学报, 12(3): 301-306
Li Pengwei, Wu Xia, Bai Xiao, Yan Jiaxin, Wang Huan, Huang Junhua. (2010)Sediment carbon pool and organic carbon burial in the PermianQixia Formation at Shangsi section in Guangyuan,Sichuan Province[J]. Journal Of Palaeogeography, 12(3): 301-306.   
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四川广元上寺剖面二叠系栖霞组沉积碳库与有机碳埋藏
李朋威1,2, 吴夏1,2, 白晓1,2, 颜佳新2, 王欢1,2, 黄俊华1,2
1 中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室,湖北武汉 430074
2 中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质教育部重点实验室,湖北武汉 430074

第一作者简介：李朋威,男,1983年生,中国地质大学(武汉)在读硕士生,主要从事稳定同位素研究.通讯地址:湖北武汉鲁磨路388号中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室;邮编:430074.电话:027-67885096;E-mail:lpwei@126.com.

通讯作者简介： 黄俊华,教授,主要从事稳定同位素地球化学研究.通讯地址:湖北武汉鲁磨路388号中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室. E-mail:jhhuang@cug.edu.cn.

收稿日期:2009-10-28
摘要

通过比对四川广元上寺剖面二叠系栖霞组碳同位素值变化,探讨了该区烃源岩发育的古生态环境.由于二叠纪高 CO2浓度背景使得古海洋海水中相对富集 13C,因此二叠纪海相沉积的四川广元上寺剖面栖霞组碳酸盐岩碳同位素均为正值.广元上寺剖面从栖霞组底部向上碳酸盐岩碳同位素逐渐正偏,显示从栖霞组底部沉积时期开始海平面逐渐上升,向相对缺氧沉积环境过渡.栖霞组中部古海洋生产力增高,使得总有机碳同位素正偏.受总有机碳同位素波动的影响,碳同位素分馏值(∈ TOC)在整个栖霞组波动频繁.根据平衡状态下碳循环有机碳埋藏分数模型,计算了整个栖霞组有机碳埋藏分数,结果显示有机碳埋藏分数(f org)在整个栖霞组都较高,符合二叠纪的碳埋藏在整个显生宙处于最高阶段的地质背景.栖霞组中部高 TOC含量层位对应f org逐渐增高,反映f org与有机碳沉积的保存环境密切相关,说明利用古海洋生产力和f org的变化,可在一定程度上指示原始碳埋藏量的变化.

关键词: 碳酸盐岩碳同位素; 总有机质碳同位素; 有机碳埋藏; 二叠系; 栖霞组
中图分类号:TE122.1 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2010)03-0301-06
Sediment carbon pool and organic carbon burial in the PermianQixia Formation at Shangsi section in Guangyuan,Sichuan Province
Li Pengwei1,2, Wu Xia1,2, Bai Xiao1,2, Yan Jiaxin2, Wang Huan1,2, Huang Junhua1,2
1 State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, Hubei
2 Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology of Ministry of Education,China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, Hubei;

About the first author Li Pengwei, born in 1983, is a candidate for master degree in China University of Geosciences(Wuhan).He is mainly engaged in researches of steady isotope geochemistry. Tel.: 027-67885096; E-mai:cuwuxia@126.com.

About the corresponding author Huang Junhua is a professor and is mainly engaged in steady isotope geochemistry.Correspondence adress:State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources of China University of Geosciences (Wuhan). E-mail: jhhuang@cug.edu.cn.

Abstract

By comparing the change of carbon isotope,the paleoecological environment of source rocks at Shangsi section in southern China was discussed. Paleo-ocean was enriched with13C due to high CO2 concentration during the Permian. All of the δ13Ccarb values were greater than 0 at Shangsi section during the Permian. A positive excursion in carbonate isotope from the bottom to top of the Qixia Formation showed sea-level rising. It formed an anoxic sedimentary environment. Paleoproductivity increasing led to a positive excursion in total organic carbon isotope records in the middle part of Qixia Formation. Affected by organic carbon isotope variation, the carbon isotope fractionation between inorganic and organic carbon varied frequently in the Qixia Formation. Using the mass-balance model carbon cycle, the fraction of organic carbon burial( forg) was calculated. In this section, the results show that high forg value accorded with the high value forg during the whole Permian. The gradually increasing value of forg corresponded with high TOC content in the middle part of Qixia Formation. It indicates that the forg is related to the redox conditions, and using changes of paleo-ocean productivity and forg, the variation of original carbon burial quantity can be estimated.

Key words: carbonate carbon isotope; total organic carbon isotope; organic carbon burial; Permian; Qixia Formation
1 前言

华南地区二叠系栖霞组是在石炭纪到二叠纪海侵条件下形成的一套特殊碳酸盐岩.由于其特殊的环境而存在大量的天青石和海泡石(颜佳新, 2004).该层段的缺氧沉积环境导致其相对富含有机质.海相沉积岩中的地球化学信息被用来指示地质历史时期全球古海洋环境的变化(腾格尔等, 2004; 黄俊华等, 2007).因此可提取栖霞组的碳同位素信息来重塑该层位有机质沉积环境和有机碳埋藏的变化.在海相沉积岩中, 稳定碳同位素主要以两种形式保存:氧化态(无机碳)和还原态(有机碳), 无机碳主要保存于碳酸盐岩中, 有机碳则主要赋存于生物体和沉积有机质内.古海洋生态环境变化(Young et al., 2008)和生物集群绝灭事件(Riccardi et al., 2007; Xie et al., 2007)都会在碳同位素中存储原始信息, 外界环境因素变化都会导致在整个碳循环中沉积有机质的量或者保存效率发生重大改变(Berner, 1994; Bai et al., 2008).全球碳循环及保存的改变, 使得海洋碳库中所保存的两种形态的碳库发生变化(Kump, 1991), 并且会导致大气中CO2浓度发生变化(Berner, 2003).

海相烃源岩主要受高古海洋生产力和良好的保存条件的影响, 所以烃源岩形成的主要决定因素是生烃母质的生成环境和有机质的保存环境.在海相沉积岩中, δ 13Ccarb和δ 13Corg是外界生态环境变化的综合响应, 在外界多种环境变化的协同影响下, 13Ccarb 和δ 13Corg中单独一个指标很难详细指示环境的变化.所以文中力图通过碳酸盐岩碳同位素及总有机质碳同位素的同步分析, 利用有机碳和无机碳库之间的分馏值(∈ TOC)和有机碳埋藏分数(forg), 来反映四川广元上寺剖面栖霞组的古生态环境及有机碳埋藏.

2 样品采集和分析
2.1 样品采集地点概述

作者选定四川广元上寺剖面二叠系栖霞组为研究对象.四川省位于中国西南地区, 广元上寺剖面位于四川北部边缘(图1), 该剖面是作为全球二叠系--三叠系之交的典型备选剖面之一.广元上寺剖面是一个连续沉积的海相地层剖面.栖霞组是全球石炭纪--二叠纪冰期极地冰盖逐渐消融, 全球大规模海侵背景下形成的一套特殊的碳酸盐岩地层.栖霞组底部, 中部样品以泥质灰岩为主, 部分层位夹杂湿沥青, 顶部主要是灰色灰岩.从该剖面共采集了53个样品, 进行了碳酸盐岩碳同位素和总有机质碳同位素分析.

图1 四川广元上寺剖面的地理位置Fig.1 Map showing location of Shangsi section in Guangyuan of Sichuan Province

2.2 样品分析

2.2.1 样品碳酸盐岩碳同位素的制备与测试

样品中碳酸盐岩的CO2制备采用饱和磷酸法(McCrea, 1950). 将全岩样品在高真空装状态下, 与100%的磷酸在25℃ 的恒温水域中充分反应24h.将反应生成的CO2气体纯化后, 在MAT-251同位素质谱仪中分析其碳同位素.在实验制备过程中每10个样品中加入一个国家标准(GBW-04416 δ 13C=1.61‰ ).

2.2.2 总有机质碳同位素样品的制备与测试

将样品粉碎至100目以上, 在室温下加入6mol/L盐酸充分反应24h.加入蒸馏水在高速离心后去除表层液体, 直至pH值等于7.除尽残余盐酸后将样品在60℃ 下烘干.烘干的样品放入850℃ 高真空装置进行灼烧, 将反应产生的CO2在MAT-251同位素质谱仪中分析.其碳同位素, 每5个样品加入1个国家标准(GBW-04407 δ 13C=-22.43‰ ; GBW-04408 δ 13C=-36.91‰ ).δ 13C的分析值按下式计算:

δ 13C(‰ )=[(13C/12C)样品/(13C/12C)标准-1]× 1000‰

样品碳同位素测试结果均为相对于V-PDB标准, 所有样品碳同位素分析精度不大于0.1‰ . 样品做5%~10%重复样, 以保证数据的精确性.所有样品均由中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室测定, 测定结果如表1所示.

表1 四川广元上寺剖面栖霞组δ 13Ccarb, δ 18O 和δ 13Corg分析数据 Table 1 δ 13Corg, δ 18O and δ 13Ccarb data of samples from the Qixia Formation of Shangsi section in Sichuan Province
3 实验结果及讨论

四川广元上寺剖面栖霞组δ 13Ccarb值分布范围从1.8‰ 到4.8‰ , 所有样品δ 13Ccarb值均大于0, 符合二叠纪全球海洋相对富集13C的地质背景(Veizer, 1980).δ 18O值均大于-10‰ , 并且δ 13Ccarb与δ 18O两者具有很小的相关性(R2=0.019)(图2), 表明该时期是开放的沉积环境, 并且岩石样品受后期成岩和风化作用影响相对较小(Meyers and Lohmann, 1985).在早二叠纪全球大范围海侵开始, 海平面不断升高的背景下, 上寺剖面栖霞组底部δ 13Ccarb由2.42‰ 逐渐正偏到4.13‰ (图3), 由于δ 13Ccarb的变化可指示海平面相对变化(Compton et al., 1990), 因此δ 13Ccarb数值升高指示了栖霞组底部海平面相对上升; 在栖霞组中部生境型从Ⅲ 2--Ⅲ 1--Ⅳ 1过渡时, δ 13Ccarb由1.8‰ 逐渐升高到4.48‰ ; 在栖霞组顶部δ 13Ccarb由4.1‰ 逐渐升高到4.8‰ .在整个栖霞组δ 13Ccarb的变化显示从底部开始经历了3个正偏阶段, 指示了海平面相对升高的3个阶段.栖霞组δ 13Corg分布范围从-25.57‰ 到 -31.99‰ , 由于受到二叠纪高CO2浓度的影响(Rothman, 2001; Berner, 2003), 栖霞组底部和顶部δ 13Corg波动频繁, 栖霞组中部古海洋生产力升高(Ma et al., 2008), 海水中相对亏损12C, 使得δ 13Corg逐渐升高(图3).

图2 δ 13Ccarb 和δ 18O之间的相关性Fig.2 Correlation between δ 13Ccarb and δ 18O

图3 栖霞组岩性和δ 13Ccarb, δ 13Corg, ∈ TOC及forg变化之间的关系Fig.3 Diagram showing relation betwecn lithology and variation of δ 13Ccarb, δ 13Corg, ∈ TOC and forg of the Qixia Formation

Kump和Arthur(1999)考虑碳同位素保存形式的变化和海洋碳循环中碳同位素受到火山作用和风化作用的影响, 建立了有机碳埋藏分数(forg)半定量计算模型:forg=(δ ww-δ carb)/(δ 13Corg-δ 13Ccarb), δ 代表风化作用和火山作用的碳同位素值.在稳定态模型下计算的有机碳埋藏分数是碳同位素值和保存形态等多个因子之间的协同变化关系(Bartley et al., 2004).通过对比从古生代到新生代的forg(Hayes et al., 1999)与有机碳的埋藏总量(Berner, 2003), 揭示了在地质历史时期碳同位素与有机碳埋藏的耦合性(图4).广元上寺剖面栖霞组的forg分布范围在0.19到0.31, 平均值为0.27, 符合地质历史时期全球的forg变化范围.虽然古生代到中生代碳埋藏量逐渐减少, 但是该时期仍处于整个显生宙中碳埋藏量的最高阶段, 说明栖霞组有机碳原始埋藏量处于较高阶段.由于栖霞组沉积时期海平面相对上升, 导致生物相对繁盛和输入的有机碳量增多, 沉积下来的有机碳量逐渐增多, 故形成一个适合有机碳保存的缺氧环境(颜佳新和刘新宁, 2007).在栖霞组中部和顶部forg逐渐正偏(图3), forg值越大则指示越适合烃源岩形成和保存.从古生代到新生代的forg(Hayes et al., 1999)与有机碳的埋藏总量(Berner, 2003)对应关系看(图4), forg在全球范围内可以定性指示原始碳埋藏量的变化.有机碳埋藏分数forg与Xie等(2008)测试的该剖面残余TOC之间不耦合, 是因为残余TOC还与古海洋生产力的输入量有关(黄俊华等, 2007).因此可以考虑利用古海洋生产力和forg来反映原始碳埋藏量的变化.

图4 碳埋藏量和forg变化的关系(据Hayes等, 1999; Berner, 2003, 有修改)Fig.4 Relationship between variation of carbon burial and forg(modified from Hayes et al., 1999; Berner, 2003)

Hayes等(1999)利用海相沉积岩中两种碳库之间的碳同位素分馏值(∈ TOC)建立了整个显生宙碳同位素分馏值的变化.在地质历史中, 海洋碳循环中两大碳库之间的同位素分馏值可以粗略指示大气CO2浓度的变化(Rothman, 2001; Berner, 2003).∈ TOC作为指示大气中CO2浓度变化的指标, 并不直接指示初级光合作用所产生的同位素分馏.因为在浮游植物中, 初级光合作用不仅受到CO2浓度, 还受到温度和生长率的影响(Popp et al., 1998; Kump and Arthur, 1999).Rothman(2001)考虑碳同位素次级生物学过程, 利用生长率和CO2渗透率与∈ TOC之间的关系建立的模型来指示大气CO2浓度的变化.在整个碳循环过程中, 为了具体研究碳同位素的变化, 栖霞组碳同位素分馏值分布范围从26.01‰ 到36.71‰ , ∈ TOC值由于受到δ 13Corg影响, 波动较大.

四川广元上寺剖面δ 13Ccarb正偏, 显示在栖霞组沉积时期发生海平面相对升高, 形成一个相对缺氧环境, 有利于有机碳保存, 这与利用碳循环公式计算出来的有机碳埋藏分数forg的变化趋势是吻合的.由此可见, forg与沉积环境的氧化--还原条件密切相关.受到δ 13Corg频繁波动的影响, ∈ TOC在整个栖霞组变化明显.通过对比, 上寺剖面栖霞组古海洋生产力(Ma et al., 2008)的输入和forg所指示的沉积环境与该剖面残余TOC具有较好的对应关系.

4 结论

由于二叠纪高CO2浓度使得海水中相对富集13C, 在该背景下, 四川广元上寺剖面栖霞组 δ 13Ccarb 值均为正值.δ 13Ccarb在上寺剖面栖霞组的3个升高阶段指示了海平面相对上升的过程.栖霞组中部古海洋生产力和残余TOC含量高的层位表明有机碳埋藏量增加, 使得海水中相对更富集13C, 所以在栖霞组中部δ 13Ccarb和δ 13Corg同步升高.由于受δ 13Corg变化的影响, 整个栖霞组∈ TOC波动较大.通过海洋中平衡态碳循环模型计算了有机碳埋藏分数forg, 结果显示其在栖霞组中部和顶部两阶段正偏, 分别对应了两次海侵所形成的缺氧环境, 并导致有机碳埋藏量增加.因此揭示了forg与有机质保存的环境相关.传统烃源岩评价体系中容易忽视残余TOC值较低的层位.由于残余TOC受到生产力高低和沉积环境的共同制约, 可以利用古海洋生产力和forg来反映原始碳埋藏量, 通过原始碳埋藏量, 利用该模型就可以预测最大的生烃能力, 为碳酸盐岩烃源岩评价提供依据.

The authors have declared that no competing interests exist.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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