C和O穩定同位素在礦層沉積環境分析方面的應用

（東華理工大學地球科學學院，江西 南昌 330013）

對于研究某地區礦層的沉積環境，運用的常規方法有：沉積地質礦物的原生沉積構造、構造、古生物化石的分析、巖芯的觀測和測井曲線等，但對于各個層段相似的沖積相特色，不便觀察。

伴隨著地球化學學科的不斷發展與擴充，可以了解到在追蹤古氣候和古環境的研究中，我們可以通過沉積礦物在形成過程中所含要素及同位素遷移、堆積與散布規律來進行相關研究，同時這方面研究也廣泛運用在恢復水體的古溫度，鹽度和堆積物成礦作用方面，最為特別的就是對沉積礦物中C和O同位素的分析研究。本文主要是歸納和總結前人在運用C和O穩定同位素進行古沉積環境的研究及運用的研究成果。

1 研究方法

不同元素的同位素在自然界中的組成相對豐度有著很大的差別，這也使得我們無法較為直觀地觀察到同位素組成的變化。所以在實際的研究工作中，我們通常采用相對測量的方法進行研究工作，即將各樣品的同位素比值與已知的標準樣品的比值之間的差異即可，采用千分率‰來表示。

δ（‰）=（R樣品/R標準-1)×1000

在自然界中碳有13C和12C這兩種相對穩定的同位素，其豐度存在較大差異，為98.89%和1.11%，我們采用13C/12C表示同位素組成。C同位素在自然界中的分布是有規律可尋的。在相碳元素分餾機制的相關研究中，我們通常采用碳同位素動力學分餾和平衡分餾兩種機制。

在礦層元素研究中，氧最為豐度最高的元素。其占比高達46.6%，同時存在的形式也是十分對樣的，有固態，液態，氣態三種形式。自然界中氧3種穩定同位素16O、17O和18O，其豐度分別為99.763%、0.0375%和0.1995%，采用18O/16O值表示同位素組成[1]。自然界中的沉積巖、變質巖、花崗巖、玄武巖、地球以外物質都分布有不同含量的碳同位素。在氧同位素分餾機制的研究過程中，我們總結了以下四種分餾機制：液體水與水蒸氣之間的同位素分餾、水-巖相互作用中的同位素分餾、共生礦物之間的同位素分餾和生物化學作用[2]。

2 C和O同位素在礦層沉積環境的運用

在對礦石中C和O穩定同位素地球化學的研究上，李心清等人總結了近40年來的研究成果：C和O定同位素組成在不同地質時代是存在明顯的變化的，其中最為明顯的是在石炭紀時期δ18O和δ13C的值的變化[3,4]。

在對西秦嶺寒武系金礦床中的硅巖的而研究過程中，劉家軍等人對研究區的不同硅質巖氧同位素進行一系列的數值測量，得出δ18O在17.60‰～23.24‰在這一范圍內變化，這一數值變化范圍與海底噴流成因硅質巖相近，從而表明了西秦嶺寒武系金礦床中的硅巖受到噴流熱水沉積作用的影響。

彭蘇萍等人在研究塔里木盆地的礦層中C和O同位素組成時，也對C和O同位素的值進行了一系列的測定，雖然從而得出O同位素的值明顯偏向負值。這反映了本區的礦層形成過程中的水分發生了氧同位素分餾，而C元素基本不受到影響，當時本區處于環境。

李春榮等人在對礦層沉積環境中C和O同位素的研究時，展開了不一樣的研究思路，他們對不同層序的水進體系域的C和O同位素特征進行了相關分析，得出了水體經歷了兩個周期性變化，第一個為高鹽度濃縮期，第二個時期為相對淡化期。把潭25井和王新7-3井的C和O同位素變化值曲線進行對比得出，兩個曲線十分相近，變化特征也存在相似，所以說兩者具有相似性，從而得出沉積環境的變化對碳氧同位素的高低變化存在這一定的影響，兩者具有較好的相關性。

王強等在研究恰什古伊地區時，采集該區的Cha–21井巖芯中41個樣品進行測定碳氧同位素的值，結果表明，他們的O同位素實驗數據范圍有50%的與之前報道的數據范圍一樣，這就表明O同位素受到成巖作用的影響十分明顯；同時對C同位素的數據研究得出，除屑微晶灰巖的值與之前的報道數據相比較小，其他的都和之前報道的數據一樣，所以我得出在同位素地層和古環境分析的研究工作中，運用C同位素的數據也是合理有效的，為相關的研究開辟了新的思路和方法[5]。

在鄂爾多斯盆地礦物儲層物成分組成與C和O同位素特征研究一文中，王釗等人通過磷酸法對C和O同位素值進行了測定，結果表明：C同位素在-14.8‰～-1.5‰這一范圍內分布變化，O同位素的變化范圍相對于C同位素變化范圍較大，為-25.7‰～-9.9‰這一變化分布范圍。從而推斷出有機質在同位素壓實作用下推斷同位素因壓實作用下由高勢區向低勢區進行轉移，在化學變化后發生膠結作用才使得有C和O被捕捉而成[6]。

在對揚子克拉通北緣神農架群C和O同位素特征及其對古環境和沉積時代的制約的研究的工作中，田輝等人對該地地質礦物的C和O同位素進行了系統的研究，測定后得出了900多組C、O同位素有效數據。

神農架群的δ13C和δ13O數據變化范圍與前人的數據范圍相近，這寫數據沉積環境有著較好的指導意見，從而推算出當時該地的沉積環境[7]。該文通過查找全球相關地層，拿神農架群下亞群的碳同位素演化曲線與之進行對比，從而得出結果表明神農架群下亞群最大沉積時限應該不大于1350Ma。對比北美Bylot軼群、西非Atar軼群可知，神農架群上軼群的δ13C在變化范圍和趨勢存在相似特征，C同位素的值總體向負偏，這也顯示出當時的Rodinia超大陸匯聚事件[8-10]。

在米倉山-漢南隆起牛蹄塘組地層C和O同位素組成及其意義這篇文章中，田濤等人對該區的礦物樣品的C和O同位素(δ13Corg)進行了相關的數據測定，獲得的數據具有良好的原始性，從而可以分析該區的沉積環境與礦物有機質之間的關系。結果顯示出，δ13Corg在-34.032‰～-29.537‰這一范圍內，表現出強烈的負異常。

3 研究展望

（1）在沉積礦物中C主要以有機形式存在，C在各種形式下都處在一個平衡的狀態，并且在不同的溫度下，C元素的同位素也會不同。得出O元素主要的賦存物質有水和沉積礦物。

（2）對于C和O同位素的研究表明，其與沉積環境具有一定的相關性，從而在示蹤沉積環境的變化過程的研究時，可以以此為研究思路和方法。