運(yùn)用元素地球化學(xué)進(jìn)行地層劃分與對(duì)比

(長(zhǎng)江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 湖北 武漢 430100)

一、放射性同位素

本世紀(jì)初，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)放射性元素都具有以自動(dòng)的、恒定的速率逐漸衰變?yōu)榉欠派湫缘淖油凰兀⑨尫懦瞿芰康男再|(zhì)。30年代，地質(zhì)學(xué)家開始利用放射性元素的蛻變現(xiàn)象來測(cè)定礦物和巖石的年齡，進(jìn)而推斷巖石或地層形成的年齡。目前，這種方法已經(jīng)成為地質(zhì)界普遍采用的方法，并發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科，稱為地質(zhì)測(cè)年學(xué)或紀(jì)年學(xué)。常用的手段有鈾鉛法、銣鍶法和鉀氬法等。該方法自提出以來，已廣泛應(yīng)用于絕對(duì)地質(zhì)年齡的確定和地層對(duì)比等領(lǐng)域。迄今為止，這一方法仍然是測(cè)定巖層絕對(duì)年齡、建立年代地層框架的唯一方法。

二、穩(wěn)定同位素

利用穩(wěn)定同位素組成在地層中的變化特征進(jìn)行地層的劃分對(duì)比，可以確定地層的相對(duì)年代，并探討地質(zhì)歷史中發(fā)生的重大事件的化學(xué)地層學(xué)方法。其研究對(duì)象是地層中的穩(wěn)定同位素，目前主要研究的是氧、硫、碳和鍶的穩(wěn)定同位素。

(一)氧同位素

將氧同位素用于地層劃分是Emiliani(1955)首先提出的，他在世界上率先對(duì)加勒比海和北大西洋第四紀(jì)深海沉積物(其地質(zhì)年齡為0～600ka)中有孔蟲殼的氧同位素進(jìn)行分析研究，并發(fā)現(xiàn)這些氧同位素組成的變化具有一定的規(guī)律性，根據(jù)這些規(guī)律性，Emiliani(1955)將深海沉積地層劃分為若干階段。此后，Be& Duplessy(1976)、Shackleton &Opdyke(1976)以及Cita(1977)又分別發(fā)現(xiàn)印度洋、地中海和太平洋的同時(shí)代或相近時(shí)代深海沉積物中有孔蟲殼的氧同位素組成亦具有一定規(guī)律性變化，其變化情況與Emiliani(1955)在加勒比海和北大西洋所發(fā)現(xiàn)的情況幾乎完全一致。這表明，深海沉積物中有孔蟲殼的氧同位素組成的變化完全可以作為劃分對(duì)比地層的一種標(biāo)志(陳錦石，1989)。

(二)碳同位素

對(duì)于海相碳酸鹽中的碳同位素早在30年代就有人進(jìn)行過研究，但都是對(duì)零散樣品進(jìn)行分析，其目的只是確定海水鹽度和碳酸鹽巖的早期成巖作用。直到70年代人們才懂得，對(duì)海相碳酸鹽的碳同位素研究必須系統(tǒng)進(jìn)行，就像地層學(xué)研究那樣，在一個(gè)剖面或一套鉆孔巖心上系統(tǒng)地采集樣品，進(jìn)行同位素分析。

(三)硫同位素

硫同位素用于地層劃分研究是以Ault & Kulp(1959)的工作揭開序幕的。他們首先以較高的精度分析了大西洋、太平洋和墨西哥灣等地區(qū)不同深度的海洋硫酸鹽中的硫同位素組成，隨后，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者先后研究了世界各地不同地質(zhì)時(shí)期海相石膏層中的硫同位素，獲得了數(shù)以千計(jì)的數(shù)據(jù)，并匯編成一條顯生宙海相硫酸鹽巖中硫同位素組成的變化曲線(陳錦石，1989)。這條曲線的建立，使得利用地層中所有含的硫同位素組成來確定地層時(shí)代和進(jìn)行地層對(duì)比成為可能。

三、分子化學(xué)

沉積巖中有大量的有機(jī)化合物以化學(xué)化石的形式存在，這些復(fù)雜的化合物具有特定的來源、廣泛的分布而且在地史時(shí)期中相當(dāng)穩(wěn)定。有些有機(jī)化合物，如甾族、類脂和酮等能夠提供有關(guān)地層記錄以及盆地中有機(jī)組分的成因和成巖史的有關(guān)信息。例如，類脂的化學(xué)習(xí)性可能與沉積過程中有氧或缺氧條件有關(guān)。分子化學(xué)地層學(xué)就是根據(jù)地層記錄中的有機(jī)分子(化學(xué)化石)的分布與變化來進(jìn)行地層學(xué)研究的，根據(jù)其采用的有機(jī)分子可以分為許多種類型，烯酮的不飽和指數(shù)就是其中之一。長(zhǎng)鏈烯酮是海洋浮游植物，尤其是顆石藻的特定組分，其不飽和程度

與溫度有關(guān)(Brassell等，1986)。Brassell等(1986)對(duì)采自北大西洋的深海巖心進(jìn)行了烯酮不飽和指數(shù)(U37)和D13O分析，結(jié)果表明，這兩個(gè)指標(biāo)的垂向變化可以進(jìn)行對(duì)比；而且譜分析表明二者的垂向變化均具有米蘭柯維奇軌道變化周期。這說明有機(jī)分子的分布與變化有可能提供地層對(duì)比的信息。

四、結(jié)論

地層記錄中化學(xué)信號(hào)能為地層劃分和對(duì)比提供必要的信息。現(xiàn)有研究表明化學(xué)地層學(xué)所提供的地層和年代分辨率經(jīng)常高于某些生物地層和地震地層框架所能提供的分辨率；絕對(duì)年代框架中的化學(xué)地層信號(hào)也能為盆地中沉積過程和沉積后過程(成巖過程)的數(shù)值模擬提供必要的信息。