贾鹏, 李伟, 李明, 邓胜徽, 卢远征, 李鑫, 樊如, 刘鑫. (2017)四川盆地东部地区寒武系洗象池群碳酸盐岩碳、氧同位素特征及其意义* [J]. 古地理学报, 19(3): 503-512
Jia Peng, Li Wei, Li Ming, Deng Shenghui, Lu Yuanzheng, Li Xin, Fan Ru, Liu Xin. (2017)Characteristics of carbon and oxygen isotopes and their significance of the Cambrian Xixiangchi Group carbonate rocks in eastern Sichuan Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 19(3): 503-512. DOI:10.7605/gdlxb.2017.03.039  
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四川盆地东部地区寒武系洗象池群碳酸盐岩碳、氧同位素特征及其意义*
贾鹏1, 李伟1, 李明1, 邓胜徽1, 卢远征1, 李鑫1, 樊如1, 刘鑫2
1 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
2 中国石油西南油气田公司,四川成都 610000

第一作者简介 贾鹏,男,1987年生,博士,主要从事沉积学研究。E-mail: jiapeng7819@163.com。

收稿日期:2016-06-12
基金:*国家科技重大专项(编号: 2011ZX05004-001)资助
摘要

四川盆地东部地区寒武系洗象池群碳酸盐岩的碳、氧同位素组成受后期成岩作用影响较小,基本保留了原始海洋的同位素组成,笔者根据采集的 111个碳、氧同位素数据,研究、讨论了盆地东部地区中上寒武统碳酸盐岩碳、氧同位素组成、演化及地质意义。研究表明,δ 13C值变化介于 -3.36‰~2.65‰之间,均值为 -1.027‰,绝大多数的样品都分布在 -2‰~2‰的区间,δ 18O值分布于 -11.1‰~-6.01‰之间,均值为 -7.991‰,在 -10‰~-6‰的范围内波动。通过对碳、氧同位素数据分析研究,认为四川盆地东部地区洗象池群主要发育在盐度较高、温暖—炎热的近岸海相沉积环境;洗象池群沉积早期和中期经历了短暂而快速的海侵后进入缓慢的海退,在晚期缓慢海侵后的快速海退,碳同位素组成反映的海平面变化趋势与沉积相演化一致。洗象池群沉积中期显著的碳同位素正向漂移,标志着较高的生产力和有机碳埋藏率,具有重要的石油地质学意义。

关键词: 四川盆地东部; 洗象池群; 碳、氧同位素; 古环境; 地质意义
中图分类号:P597 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2017)03-0503-10
Characteristics of carbon and oxygen isotopes and their significance of the Cambrian Xixiangchi Group carbonate rocks in eastern Sichuan Basin
Jia Peng1, Li Wei1, Li Ming1, Deng Shenghui1, Lu Yuanzheng1, Li Xin1, Fan Ru1, Liu Xin2
1 Research Institute of Petroleum Exploration & Development,PetroChina,Beijing 100083
2 Southwest Oil & Gas Field Company,PetroChina,Chengdu 610000,Sichuan

About the first author Jia Peng,born in 1987,is a Ph.D. candidate. His research interest is in sedimentology. E-mail: jiapeng7819@163.com.

Fund:[Financially supported by National Science and Technology Major Project of China (No.2011ZX05004-001)]
Abstract

The carbon and oxygen isotopes of the Cambrian Xixiangchi Group carbonate rocks in eastern Sichuan Basin are less affected by post-depositional diagenesis,and thus provide helpful insights into the original ocean. Based on the C and O isotopic profile of 111 analytic results obtained by the standard method of phosphorolysis,we have discussed the composition and evolution of δ13C and δ18O recorded in the Middle-Upper Cambrian carbonate rocks in eastern Sichuan Basin,as well as their geological implication. The research shows the values of δ13C range from-3.36‰ to 2.65‰ with mean value of-1.027‰,most of which are in the range of-2‰~2‰;and the values of δ18O range from-11.1‰ to-6.01‰, most range in of-10‰~-6‰, with average value of-7.991‰. Carbon and oxygen isotope analysis illustrates that the Xixiangchi Group was formed in a warm to hot onshore marine sedimentary environment with a high salinity. The δ13C analysis suggests there were a slow regression after a rapid and short transgression at the early-middle depositional stage,as well as a rapid regression after a slow transgression at the late depositienal stage of Xixiangchi Group. Sea level changes reflected by carbon isotope distribution are consistent with the evolution of sedimentary facies.The positive excursion of carbon isotopes in the Middle Xixiangchi Group in Sichuan Basin indicates relative high productivity and burial rate of organic carbon,which is of great petroleum geological significances.

Key words: eastern Sichuan Basin; Xixiangchi Group; carbon and oxygen isotopes; palaeoenvironment; geological significance

四川盆地东部地区西北以北北东向的华蓥山断裂为界与川中隆起地区相邻, 北至南大巴断裂带, 南至重庆— 南川— 武隆(乐光禹, 1998), 其范围大致相当于四川省区域地质志(四川油气区石油地质志编写组, 1989)的叙永— 酉阳小区。地面构造为中国最典型的隔挡式褶皱发育区, 背斜窄长而高陡, 向斜宽阔而平坦; 以北东向、北北东向构造为主, 是多期构造活动复合、联合与叠加的结果(蒋炳锉, 1984; 赵从俊等, 1989; 胡光灿和谢姚祥, 1997; 图1)。自显生宙以来四川盆地经历了震旦纪— 中三叠世的海相碳酸盐岩台地、晚三叠世— 始新世的陆相碎屑盆地和渐新世以来的构造盆地3大演化阶段(刘树根等, 2011)。其中洗象池群是典型的陆表海台地模式背景下的局限— 半局限台地相沉积, 多发育水体较浅的大套泥晶、粉晶白云岩。前人曾对盆地内的古生物、地层层序及岩相古地理等方面进行过研究与探讨(梅冥相等, 2006; 杨冥相, 2007; 马永生等, 2009; 张满郎等, 2010; 冯增昭等, 2013; 李伟等, 2015), 但是针对稳定同位素的研究开展较少。古代海相碳酸盐岩中稳定同位素组成能够近似地反映古代海洋稳定同位素的组成, 从而进一步反映古气候和古环境。海平面升降和古沉积环境决定了海相沉积物类型及分布特点。笔者系统采集了川东地区2口井1个野外剖面的碳酸盐岩样品, 进行了碳、氧同位素测定。在此文中讨论这套地层的碳氧同位素演化特征, 并综合运用海相沉积物的沉积特征及化石族群等资料恢复古环境信息。

图1 四川盆地东部地区构造及剖面、钻井位置Fig.1 Tectonic setting of eastern Sichuan Basin and locations of profile and wells

1 样品采集和测试

研究样品采自川东地区寒武系的野外剖面及岩屑样品, 采样位置如图1所示。同位素样品主要选取未经蚀变的新鲜岩样, 为降低后期成岩蚀变作用对碳、氧同位素原始组成信息的影响, 尽可能避免方解石脉、重结晶及岩石后期风化等发育部位, 所选样品尽量反映原始沉积特征。

实验样品共111块, 采自太和1井、五科1井岩屑及贵州沿河野外剖面样品。选取未经蚀变的细粒碳酸盐岩全岩试样, 经切片观察后取新鲜部分, 无污染磨制成200目以下粉末, 后装入试管并在烘箱中烘干, 再置于真空中与100%的无水正磷酸反应24 h(25, ℃)制备出CO2气体, 在Thermo Scientific MAT253稳定同位素质谱仪上进行测试, 并以VPDB标准(Vienna Pee Dee Belemnite)给出测试结果。δ 13C和 δ 18O 值测量精度为0.1‰ 。

2 测试结果

测试结果(表 1)统计表明: 四川盆地东部地区寒武系洗象池群碳酸盐岩δ 13C值变化于-3.36‰ ~2.65‰ 之间, 均值为-1.027‰ , 绝大多数的样品都在-2‰ ~2‰ 的范围内, 与正常海相碳酸盐岩0± 2‰ 的范围基本一致。δ 18O值分布于-11.51‰ ~-6.01‰ 之间, 均值为-7.991‰ , 主要集中在-10‰ ~-6‰ 的范围内。海相碳酸盐岩在成岩过程中, 碳酸盐岩中碳、氧同位素组分与流经岩石孔隙介质中的碳、氧同位素组分发生分馏作用, 特别是氧同位素更易遭受后期蚀变作用影响, 有研究(王大锐和冯晓杰, 2002; 樊如等, 2010)表明, 碳酸盐岩遭受成岩作用后其δ 13C、δ 18O呈正相关关系。如果二者之间的相关性很小, 说明受成岩作用影响较小。另外, 碳酸盐岩的δ 18O> -10.0‰ 或> -11.0‰ (樊如等, 2010)也可作为判断碳酸盐岩成岩较弱的标志。同时, 如果多条海相地层剖面相同时期的δ 13C演化趋势越相似说明原始同位素组成信息保留得越好(左景勋等, 2008)。获得的五科1井、太和1井的 δ 18O 值主要分布在-9‰ ~-4‰ 之间, 沿河剖面的 δ 18O 值主要在-11‰ ~-8‰ 之间, 整体上δ 13C与 δ 18O 不具有明显的相关性; 且3条剖面δ 13C演化趋势很相似, 所以可以认为具有原始沉积时期稳定同位素组成特点, 具有较高的可信度。

3 碳氧同位素演化特征

从柱状剖面图上可以看出, 四川盆地东部地区寒武系洗象池群碳酸盐岩同位素组成具明显的变化规律(图 2):存在1个明显正漂移、2个弱正漂移与3个弱负漂移。洗象池群下部, 太和1井和五科1井δ 13C值由-2‰ ~-1‰ 之间小幅度抬升至-1‰ ~0之间, 后缓慢降低, 而在沿河剖面早期δ 13C值抬升幅度较大, 由-2.3‰ 升高至0.61‰ 附近, 后期的降低幅度较大, 基本上δ 13C值都是早期短暂的正向漂移到缓慢降低的一个过程; 洗象池群中下部的δ 13C数值整体小幅度波动, 在沉积早期有小幅度的抬升; 洗象池群中上部出现了显著的δ 13C正漂移事件, 异常幅度可达4‰ , 该事件在全盆地具有很强的可对比性, 均表现为δ 13C值快速增加, 达峰值后再缓慢降低; 洗象池群上部δ 13C值的特征为震荡中抬升, 末期又迅速降低。氧同位素组成在洗象池群整体层段有小幅度增加的趋势, 但是变化幅度不大, 涨幅约1‰ 。

图2 四川盆地东部地区寒武系洗象池群碳、氧同位素组成特征及海平面变化Fig. 2 Compositiion of carbon and oxygen isotopes and sea-level changes of the Cambrian Xixiangchi Group in esatern Sichuan Basin

表2 四川盆地东部地区沿河剖面及太和1井的灰岩碳、氧同位素测试及分析结果 Table2 Test and analysis results of carbon and oxygen isotopes of limestones of Yanhe section and Well Taihe1 in eastern Sichuan Basin
4 古盐度与古气候

生物体内碳氧同位素组成受生命活动时期海水盐度、温度及气候等作用的控制, 因此碳、氧同位素的变化可以作为反映古盐度、古气候等的可靠且常用的指标。

在古盐度方面, Epstein、Clayton等许多学者(Epstein et al., 1962; 卢武长, 1986; 冯洪真等, 2000; 游海涛等, 2002)证实了盐度和碳、氧同位素丰度的正相关关系, 所以本次研究对碳酸盐岩样品进行碳、氧同位素分析。Keith和 Weber(1964)把δ 13C和 δ 18O 二者结合起来用以指示古盐度, 其公式:

Z=2.048(δ 13C+50)+0.498(δ 18O+50) (1)

其中Z值是指示古盐度的参数, 与含盐度表现为正相关关系。当Z> 120时为海相(或陆相湖泊咸水)灰(云)岩, Z< 120时为淡水灰(云)岩(湖相碳酸盐岩); Z=120时为未定型的石灰岩(卢武长, 1986; 冯增昭等, 1998; 冯洪真等, 2000)。当盐度升高时, 古海洋中易形成盐水层, 导致底部水体缺氧, 有机质埋藏量增加, 从而使得碳酸盐岩中的碳、氧同位素数值升高。参照公式(1)对采集的碳酸盐岩样品的碳、氧同位素数据进行分析(表 2), 可以明显看出洗象池群样品Z值均大于120, 均值约为122, 说明洗象池群沉积期间为盐度较高且变化不大的海相沉积。

Urey(1947)最早发现碳酸盐岩从水中沉淀时的温度变化导致碳酸盐岩δ 13C/δ 18O比值的变化, 提出通过测定碳酸盐岩 δ 18O 含量确定古海洋温度的可能性。最常见的运用氧同位素计算古气候的关系式是Urey提出, 由Craig(1965)进一步修改的经验公式, 其中, T为沉积时海水古温度, δ18Oc为样品实测值, δ18Ow为沉积时海水值(SMOW标准)。根据Keith和Weber(1964)通过实验提出的寒武纪 δ 18O 样品校正值为Δ δ 18O=2.6‰ ; 利用公式(2)对研究区碳酸盐岩样品的碳、氧同位素数据进行计算分析(表 2), 古温度范围在23.9, ℃~32.7, ℃, 平均温度为26.2, ℃。

T=16.9-4.2(δ 18Oc-δ 18Ow)+0.13(δ 18Oc -δ 18Ow)2 (2)

根据上述数据分析, 认为研究区在这一时期为温暖— 炎热的海洋性气候下盐度较高且变化不大的海相沉积。

5 海平面变化的讨论

海相碳酸盐岩碳、氧同位素组成的演化受多种因素影响, 如沉积盆地类型、海水的氧化— 还原特性、古地理环境、海平面的升降变化、生物灭绝与复苏、蒸发作用、火山活动、天然气水合物释放、全球气候变化及成岩作用(Holser et al., 1989; Dikens et al., 1995; Kaufman and Knoll, 1995; Hoffman et al., 1998; 李任伟等, 1999; Hesselbo et al., 2000)。寒武纪碳同位素组成演化主要受全球海平面升降因素的影响。

寒武纪期间大规模海退事件频繁发生, 由于海平面大幅度快速下降、陆架曝露、三叶虫灭绝、有机质氧化等综合因素的影响, 此时沉积的碳酸盐岩δ 13C值较低, 碳同位素组成表现为负漂移演化趋势, 寒武纪内大多碳同位素组成负漂移事件可能由这些因素耦合而成(杨家騄等, 1995, 1997; Saltzman et al., 1998, 2000, 2004; Saltzman, 2002)。另外, 在海平面缓慢下降时期, 生物繁盛, 大量有机质快速埋藏, 从而造成海水中13C浓度的增加, 此时沉积的碳酸盐岩具有较高的δ 13C值, 芙蓉世早期碳同位素组成的正漂移事件(SPICE正漂移)可能由此造成(左景勋等, 2008)。

洗象池群下部, 太和1井及五科1井因距广海最远或因障壁阻隔, 故其海水循环不畅、水动力强度低, 可形成滞留、低能环境。主要发育大套白云岩, 如含膏云岩和砂屑云岩。该层段的伽马曲线由底部箱型变为高值伽马, 向上再变为指状低值伽马。在沿河剖面野外观察中发现较为明显的岩相变化, 由底部的含膏云岩向上演变为白云质灰岩再到顶部演变为泥晶云岩。太和1井及五科1井的δ 13C值相对稳定, 由-1.5‰ 左右快速升至-0.5‰ 再降至-1.2‰ , 整体在-2‰ ~-1‰ 之间低幅波动, 沿河剖面δ 13C值由-2‰ 升至1.2‰ , 再逐渐降低, 此段虽然δ 13C曲线形态特征有些区别, 但是趋势相似, 均表明海平面由初期快速而短暂的上升、水体能量回升, 到振荡中下降的过程。

洗象池群中下部, 伽马特征整体表现为底部箱型、中部附近的高峰伽马及中上部低幅微齿状。岩石类型由砂屑云岩、泥晶白云岩夹少量含泥云岩向上变为浅灰色云质泥岩、具深灰色泥质条带或纹层的粉晶云岩再到砂屑、砂质云岩, 此段δ 13C值整体变化幅度维持1‰ 左右, 表明水体海平面整体变化幅度不大, 早期小幅度的水体加深后缓慢海退, 末期有抬升趋势。

洗象池群中上部出现了显著的δ 13C正漂移事件(SPICE事件), 幅度可达4‰ 。该事件的演化过程在全盆地具有很高的可对比性, 都是δ 13C值快速增加, 达峰值后再振荡中逐渐降低, 伽马曲线底界为高缓的齿状高峰, 向上由多个高陡尖峰与平缓伽马相间组成多个大小不一的箱型; 岩性上多为砂屑云岩与细晶云岩, 底部的灰色粉细晶云岩夹砂砾屑云岩演变为灰白色砂屑粉屑云岩, 含膏云岩的出现为重要特征。表明此阶段海平面在早期快速而短暂的上升后逐渐降低, 整体较为动荡。

洗象池群上部δ 13C值再次表现为由底部的负值逐渐升至0附近, 而后在与奥陶系的界面附近快速降低, 形成1次负向偏移。此段伽马曲线中部为高峰值, 顶底平缓; 主要岩性为浅灰色、灰白色泥晶云岩和灰白色团块状泥晶云岩, 夹砾屑、砂质云岩沉积, 含有藻纹层、叠层石等。此时海平面特征是先缓慢升高, 保持平稳, 末期又迅速降低, 形成1次海退事件。

整体而言, 碳、氧稳定同位素曲线都表现出了与沉积特征较为一致的海平面变化趋势, 即洗象池群经历早期的短暂而快速的海侵后进入缓慢的海退, 中期再次经历1次快速而短暂的海侵后震荡海退, 中后期海平面震荡中缓慢抬升, 末期又快速降低, 形成1次大的海退事件。

6 碳、氧同位素组成、演化与初级生产力、沉积环境变化的关系

氧化碳储库和还原碳储库之间相对组成不同比例而导致沉积岩中碳同位素变化, 也就是说, 沉积物沉积时有机碳被氧化的量和相对埋藏量对沉积岩中碳同位素组成、分析及其地质意义解释具有很重要的意义(Yan et al., 2005)。若是生物大量繁殖, 就对应着沉积物中δ 13C值偏高; 生物大量减少或灭绝对应着δ 13C值的偏低(Knoll and Swett, 1990)。

因此, 根据海相碳酸盐岩碳同位素组成变化, 就可判断古海洋生产力变化。从图2中可以看出, 在洗象池群沉积初期(下部)δ 13C值由1‰ 逐渐降低至-2‰ , 该环境下的有机质分解会消耗掉大量的氧, 导致大量的有机碳被分解形成CO2, 海水中12C增加; 同时由于生物生产率降低, 海洋生物对12C的分馏急剧减少甚至中止, 使得海水中的12C富集, 此时沉积的碳酸盐岩具有较低的δ 13C值; 生物量的减少使埋藏有机碳量也相应减少, 从而也会导致当时沉积的碳酸盐岩中δ 13C值降低。而后(中下部)早期抬升后缓慢降低但整体趋于稳定, 该环境下, 生物较为繁盛, 海洋无机碳酸盐中的δ 13C值上升, 使得沉积的碳酸盐岩具有较高的δ 13C值。中后期(中上部)具备较高的13C值, 海平面快速而短暂抬升后进入高位域, 海平面开始缓慢下降时期, 生物繁盛, 导致12C大量消耗, 大量有机质快速埋藏, 从而造成海水中13C浓度的增加。到后期(上部)δ 13C值先缓慢升高, 再保持相对稳定, 至顶部又迅速降低, 表明海平面缓慢抬升的过程中, 生物较为繁盛, 但是后期沉积的碳酸盐岩δ 13C值较低且呈现负漂移的演化趋势, 表明海平面大幅度快速下降、有机质遭到氧化。根据整体δ 13C值的变化趋势推断洗象池群沉积时期生产力, 按照沉积初期(下部)— 沉积前中期(中下部)— 沉积中后期(中上部)— 沉积后期(上部)的顺序依次升高。

洗象池群底部到顶部的沉积环境经历了潮间带— 潮上带— 潮间带— 潮上带— 潮间带的沉积演化序列, 相对应这种沉积环境演化的碳、氧同位素特征也相应表现出中等— 低— 高— 低— 中等的演化过程。以贵州沿河剖面为例, 洗象池群下部层段为灰色砂屑白云岩为主的云坪微相, 向上变为微晶云岩和含膏云岩为主的藻云坪及膏云坪微相(图 3-a至3-c), 在这种相对闭塞的环境中, 仅有少量的生物存在, 与12C的交换能力差, 使海水中富含12C, 相应的δ 13C值由-1‰ 降低至-2.3‰ 。中下部层段δ 13C值早期抬升, 之后稳定降低, 整体为潮上带环境。顶部δ 13C值有抬升趋势形成潮上、潮间环境, 包含有云坪和灰坪2个微相带, 叠层石发育, 岩性以泥晶白云岩、砂屑云岩为主, 发育叠层石白云岩(图 3-d至3-f)。中下部层段与中上部层段界限处, δ 13C值发生正漂达到最高值, 这是由于沉积环境随海平面上升从潮间带演化为潮下带, 而后海平面缓慢下降, 使得生物生产率大大提高。中上部层段发育灰坪、膏云坪和砂屑滩3个微相带, 底部以灰岩为主, 中部以膏云岩、含膏云岩为主, 夹鲕粒云岩(图 3-g至3-i), 上部以砂屑云岩为主, 局部发育含膏云岩(图 3-j至3-l), 期间水体变浅, 蒸发较强, 海水盐度升高, 导致生物较少存在, 导致δ 13C值振荡中下降到-2‰ 左右。上部层段δ 13C值在-2‰ 至0间振荡中升高, 发育以灰岩、生物灰岩、鲕粒灰岩、白云质灰岩为主要特征的灰坪、砂屑云灰坪和云灰坪3个微相带, 生物灰岩的存在表明生物生产率较高, 所以δ 13C值由下向上呈增大的趋势。

图3 四川盆地东部地区沿河野外剖面寒武系洗象池群岩性特征
下部: a— 砂屑灰岩, b— 藻纹层灰岩, c— 泥晶云岩; 中下部: d— 砂屑云岩, e— 叠层石, f— 顶部大套灰岩; 中上部:g— 豹皮状灰岩, h— 细晶云岩, i— 膏模孔云岩; 上部: j— 灰岩及云质灰岩互层, k— 生物灰岩, l— 鲕粒灰岩Fig.3 Lithological characteristics of the Cambrian Xixiangchi Group in Yanhe section in eastern Sichuan Basin

7 结论

1)碳、氧同位素古盐度与古温度的分析表明, 寒武系洗象池群沉积时期四川盆地东部地区为温暖— 炎热、盐度较高的浅海相环境。

2)洗象池群沉积期间, 古海平面变化表现为: 早期出现短暂而快速的海侵, 之后进入缓慢的海退期; 中期经历1次快速而短暂的海侵后震荡海退; 中后期海平面动荡中抬高, 末期又快速降低, 形成1次大的海退事件。其中碳同位素反映的海平面变化趋势与沉积相演化较为一致。

3)碳同位素的正漂移区多半为潮间带或潮下带沉积环境, 与海平面抬升、海水变淡及生物产率升高相关, 其中δ 13C值最显著的1次正漂移发生在洗象池群沉积中期(中上部的底); 碳同位素的低值区多为潮间— 潮上沉积环境, 与海平面的下降、海水盐度增高及生物产率降低有关。洗象池群沉积时期生产力, 按照沉积初期(下部)— 沉积前中期(中下部)— 沉积中后期(中上部)— 沉积后期(上部)的顺序依次升高。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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