华北北部中上元古界岩样干酪根碳同位素组成特征

华北北部中上元古界岩样干酪根碳同位素组成特征

0干结构碳同位素组成nie和guurbers（1936）首次研究了海相石灰岩的碳化合物组成，craig（1953）首先总结了当时的碳构成。之后,Degens(1969)、Vinogradov和Galimov(1980)、Stahl(1971,1978)都对干酪根碳同位素进行过研究。经过数十年的发展,应用干酪根碳同位素研究的范围已扩展至烃源岩的生烃母质、烃源岩的沉积环境、油气源对比等许多方面。所以,干酪根碳同位素组成特征是油气地球化学研究的重要内容。干酪根的碳同位素组成既继承了生物母质的碳同位素组成特征,又受成岩作用和生成作用的影响。海相源岩中干酪根碳同位素组成分布范围较宽,在-50‰～-10‰(差值达40‰),多数在-26‰±7‰。干酪根相对于其生物母质而言,经历了成岩作用和热成熟作用后,碳同位素组成不会发生明显的变化。故干酪根碳同位素组成主要受其母质类型的影响。Golyshev等(1991)认为腐泥型氯仿沥青碳同位素组成比同源的干酪根稍微轻或者几乎相等,腐殖型氯仿沥青的碳同位素组成和同源的干酪根只相差2‰～3‰。同时,源岩中的可溶有机质占总有机质的比例很小,约在1%以下,所以,源岩中总有机质的碳同位素组成与其干酪根的碳同位素组成几乎一致。故把源岩的总有机质的碳同位素组成看成其干酪根的碳同位素组成,探讨其干酪根的母质类型以及干酪根碳同位素组成特征及其地质意义。1干u、红色系碳系在北京十三陵地区及河北的宽城、平泉、张家口下花园地区等地区(图1)共采样83个。样品层位分别为长城系的串岭沟组、团山子组、大红峪组及高于庄组;蓟县系的杨庄组、雾迷山组、洪水庄组、铁岭组;青白口系的下马岭组。岩性分别为泥质岩、碳酸盐岩,还有许多硅质条带(表1)。干酪根碳同位素分析测试由MAT-252同位素质谱仪完成。将样品粉碎至100目左右,然后用10%的盐酸除去碳酸盐,然后将样品燃烧转化成CO2气体进行分析测试,所有样品采用PDB标准,测量误差为±0.2‰。2结果与讨论2.1碳同位素组成华北北部中、上元古界可能烃源岩有机质碳同位素组成在-26‰～-29‰之间占样品总数的10.1%(图2),碳同位素组成小于-29‰占样品总数的89.9%,表现出源岩有机质非常富集轻碳同位素。2.2有机质碳同位素组成华北北部中、上元古界泥质岩有机碳同位素组成分布特征为在-27.5‰～-29‰之间占泥质岩的3.3%,在-29‰～-33.5‰范围内占其总数的86.6%,小于-33.5‰的样品数占10%(图3)。华北北部中、上元古界泥质岩碳同位素组成小于-29‰占泥质岩总数的96.6%。对于碳酸盐岩有机质碳同位素组成(图4),有机质碳同位素组成在-26‰～-29‰之间占碳酸盐岩样品总数的11.3%,在-29‰～-33.5‰范围内占其总数86.8%,小于-33.5‰的样品数占1.9%。碳酸盐岩有机质碳同位素组成小于-29‰的占其样品总数的88.7%。通过对泥质岩和碳酸盐岩有机质碳同位素组成的对比研究,发现泥质岩有机碳同位素组成没有分布在-26‰～-27.5‰范围内的,除了在-29‰～-30.5‰范围内,在小于-30.5‰同一个范围段内,泥质岩在该范围内所占样品总数的比例要比碳酸盐岩大。另外,华北北部中、上元古界碳酸盐岩有机碳同位素组成分布在-29‰～-33.5‰之间的样品数占碳酸盐岩样品总数的88.7%,而泥质岩碳同位素组成分布在-29‰～-33.5‰之间的占泥质岩样品总数的96.7%,说明中、上元古界泥质岩要比碳酸盐岩更富集轻碳同位素。其中原因可能是在海相环境中,形成泥质岩的沉积环境有利于有机质的保存,而华北中、上元古界碳酸盐岩多形成于浅水台地相,水体充氧而水动力条件强,保存条件差,12C优先被移去,使得有机质δ13C偏正。所以,华北北部中、上元古界泥质岩有机碳同位素组成比碳酸盐岩的要轻。2.3不同层位的有机碳同位素组成对华北北部中、上元古界不同层段的有机碳同位素组成研究表明(图5):下马岭组、铁岭组和洪水庄组样品的有机质都比较富集轻碳同位素,其碳同位素组成都轻于-29‰,其中下马岭组样品碳同位素组成在-33.5‰～-35‰之间占样品总数的4.8%,而其他层位样品的碳同位素组成没有分布在-33.5‰～-35‰之间的,说明青白口系下马岭组样品的有机碳同位素组成比其他层位样品更轻。2.4干结构比及碳同位素组成Marais(1997)研究认为地史时间在2.1Ga以上元古代的干酪根碳同位素组成的分布范围较宽,在-65‰～-10‰之间,大多数值在-35‰以下,但地史时间小于2.0Ga的干酪根δ13C值分布范围较窄,在-25‰～-35‰之间,几乎没有小于-36‰的。所测样品来自中、上元古界地层,地史时间都小于2.0Ga,所采集样品的干酪根碳同位素组成正好落在上述范围内。Golyshev等对西伯利亚侏罗纪及晚古生代源岩中干酪根碳同位素的研究认为腐泥型干酪根具有较轻的碳同位素组成,δ13C在-27.5‰至-32.2‰,平均为-31.8‰,腐殖型干酪根碳同位素组成较重,δ13C在-23‰至-28‰,平均为-27.5‰,混合型干酪根碳同位素组成介于-24‰～-30‰之间。Tissot等(1978)研究认为I型干酪根的δ13C值为-28.1‰～-31.9‰,Ⅱ型干酪根δ13C值为-27.9‰～-31.2‰,Ⅲ型干酪根的δ13C值为-25.4‰～-26.6‰。3种不同类型干酪根δ13C值可能会发生重叠。上述83个干酪根样品碳同位素组成非常富集轻碳同位素,其碳同位素组成为-26.8‰～-34.4‰,其平均值为-30.76‰,大多数值分布在-29‰～-33.5‰之间(图2),这恰好落在当时海洋环境浮游生物的碳同位素组成范围内,当时的海洋浮游生物(藻类)为-20‰～-35‰,显示出有机质来源于海相藻类为主的生物组合,由此可以看出其干酪根类型为Ⅰ型和ⅡA型,即为腐泥型和腐殖-腐泥型干酪根。2.5干结构碳同位素组成变化的地质原因Stahl经过多年研究认为干酪根碳同位素组成随地质时代变老显示出轻碳同位素富集的总趋势。刘志礼等也认为随地质年代由老到新,δ13C值逐渐变大。从图6可看出长城系从串岭沟组、团山子组到大红峪组,随着地质时代由老到新,其干酪根碳同位素组成有变重的趋势,这与地质时代总的变化趋势是相符的。但到了高于庄组,碳同位素组成变轻,其碳同位素组成最轻达到-32‰。从高于庄组到蓟县系雾迷山组其干酪根碳同位素组成又变重。从蓟县系雾迷山组到青白口系下马岭组干酪根碳同位素组成,随着地史的发展,有变轻的反常趋势。从蓟县系雾迷山组到以上地层的干酪根碳同位素组成,随着地质时代由老到新,表现出变轻的反常趋势。其中原因可能是,在中上元古代,特别是在上元古代,大气圈由弱还原状态转变为弱氧化状态,大气圈O2含量的迅速增加,而CO2含量不断减少,大气的氧分压有了很大的提高,CO2的减少增加大气层的透光性,海水也由还原性转变为氧化性,促使海相浮游生物爆发式的发展,生物量剧增,同时,埋藏生物量也很大,死亡生物量的沉积速率远大于氧化速率(当时还处于弱氧化状态),故生物沉积速率过快造成缺氧环境,使海洋浮游生物内的富含12C的组分得以保存,使沉积物中的生物体富集轻碳同位素。这恰好说明了随着地质时代的发展,蓟县纪有机质碳同位素组成变轻,与地质时代碳同位素组成变化的总趋势相反的原因。另外,据Galimov(1996)研究前寒武纪氧气缺乏,在相对缺氧环境下,轻碳同位素在化学合成的微生物群中的富集程度比光合作用产生的生物大。Ruby和Jannasch等(1987)研究认为在含水地层和在还原状态,微生物活动比较活跃,同位素效应在化学合成条件下比在光合作用条件下大4‰～6‰。也有的研究者认为干酪根的生物母质是由甲烷菌直接消耗甲烷或甲烷氧化的轻碳同位素CO2的自养固碳作用形成的,由于中、上元古代生物有机质沉积环境为还原环境,生成甲烷作用比有机质厌氧分解更重要,本文认为在缺氧环境下,微生物活动比较活跃,这可能也是造成碳同位素变轻的原因。3有机碳同位素组成特征3.1中、上元古界干酪根碳同位素组成为-26.8‰～-34.4‰,大多数值分布在-29‰～-33.5‰之间,显示出有机质来源于海相藻类为主的生物组合,其干酪根类型为腐泥型和腐殖-腐泥型。3.2源岩有机质非常富集轻碳同位素,而且泥质岩要比碳酸盐岩更富集轻碳同位素。下马岭组、铁岭组和洪水庄组有机质都比较富集轻碳同位素,其碳同位素组成都