塔里木盆地奥陶系古岩溶充填物碳、氧同位素特征

2025-02-15 16:18:01

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回答1：

（一）轮古地区奥陶系古岩溶充填物碳、氧同位素特征

本次研究分层采集了轮古地区奥陶系古岩溶缝洞系统充填物（钙泥质、方解石）样品共76件，并进行了碳氧同位素测试分析（表5-3）。分析结果显示，充填矿物的碳－氧稳定同位素明显反映出次生矿物的同位素丰度特点。

表5-3 轮古地区奥陶系古岩溶缝洞系统充填物同位素特征

1.轮古西地区古岩溶缝洞充填物中的碳氧同位素特征

轮古西地区奥陶系碳酸盐岩缝洞充填物δ¹³C和δ¹⁸O值的变化范围较大，δ¹³C值为－0.70‰～－6.50‰，平均值－1.76‰；δ¹O值为－3.75‰～－17.10‰，平均值－9.42%。。

以PDB为标准的测试结果表明，大多数现代海相无机碳酸盐岩的δ¹³3值近于0,δ¹⁸O值也近于0。但轮古西地区碳酸盐岩的δ¹³C和δ¹⁸O值明显偏离这一数值，而且与泥盆系至寒武系海相碳酸盐岩原始氧同位素的均值（－4‰～－5‰）也有明显差别，尤其是δ¹⁸O值明显偏向负值。

2.BG17井以东地区古岩溶缝洞充填物中的碳氧同位素特征

从测试结果可见（表5-3），BG17井以东地区奥陶系碳酸盐岩古岩溶缝洞系统充填物的δ¹³C和δ¹⁸O值的变化范围较大，δ¹³C值为6.03‰～－8.69‰；δ¹⁸O值为－5.78‰～－17.28‰。古岩溶缝洞系统（溶洞、溶蚀裂缝、构造裂缝）充填物（钙泥质、方解石）的δ¹³C和δ¹⁸O分布也具有一定的差异，但δ¹⁸O值均具有明显偏负特征，表明古岩溶缝洞系统充填物形成过程中受到大气成因的淡水影响，反映了当时的风化壳岩溶沉积环境（图5-23）；而充填物的δ¹³C值的偏负程度较高，其物源可能来自石炭系—二叠系。

从δ¹³C－δ¹⁸O关系图（图5-23A）可见，岩溶充填物中碳酸盐矿物的形成至少有4种不同的环境条件：第Ⅰ类为风化壳岩溶期机械充填过程形成，充填物为富含泥质的钙泥质沉积充填，是流水作用下伴随机械充填形成的碳酸盐沉积，处于相对较干热条件，δ¹⁸O、δ¹³C较高，δ¹⁸O为－9.87‰～－5.78‰、δ¹³C为－4.01‰～2.16‰；第Ⅱ类为较晚期形成的化学淀积充填，方解石δ¹⁸O值明显偏负，反映方解石充填物的形成与热液作用具有明显的关系，而钙泥质物δ¹⁸O值明显偏负，反映早期充填的泥质后期受热液作用而钙质胶结，δ¹⁸O为－17.28‰～－10.16‰、δ¹³C为－4.78‰～一1.20‰，主要充填于溶洞、岩溶裂隙或溶蚀构造缝中，充填过程缓慢，持续较长，可见多层状，表现为同期多次性；第Ⅲ类为埋藏期岩溶改造充填，充填物的δ¹⁸O值一般处于－5.0‰～－10.0‰范围，表明古岩溶缝洞系统充填物形成过程中受到大气成因的淡水影响，δ¹³C值的偏负程度较高，反映物源可能来自石炭系—二叠系，δ¹⁸O为－11.39‰～－7.51‰、δ¹³C为－3.82‰～－8.69‰；第Ⅳ类为早期的充填方解石或钙质，大部分无明显的重结晶，主要反映较早期充填环境的同位素特征，δ¹⁸O为－17.74‰～－12.40‰、δ¹³C为5.82‰～6.03‰。

图5-23 轮古地区奥陶系古岩溶缝洞系统充填物同位素特征

第Ⅰ类、第Ⅱ类岩溶充填物中碳酸盐矿物的形成环境在轮古地区较为普遍，分别属古岩溶缝洞系统充填、改造过程的主要时期；第Ⅲ类主要分布于区域较高部位，如BN112、BN141、BN14、BN18等井区；第Ⅳ类主要分布于埋藏型岩溶区。

溶洞、溶蚀裂缝充填物的形成具有3种环境条件，以第Ⅰ类、第Ⅱ类为主（图5-23B、C）；而构造裂缝充填的方解石与热液作用具有明显的关系（图5-23D）。

3.轮古地区碳、氧同位素所指示的环境意义

（1）氧同位素环境意义

轮古地区古岩溶缝洞系统的方解石和钙泥质充填物的δ¹⁸O值明显偏向负值，这一变化特征表明，在碳酸盐岩古岩溶缝洞系统的充填物形成明显受到大气成因的淡水影响，反映了当时的风化壳岩溶成岩环境。一方面碳酸盐岩富¹⁸O，而大气成因水严重贫¹⁸O；另一方面大气成因水与碳酸盐岩间的氧同位素交换明显依赖于温度的变化，即随温度升高，交换作用向古岩溶缝洞系统充填物贫¹⁸O而大气水则向富¹⁸O的方向进行，同时后期上覆层厚度增大增温也有利于这一作用进行。因此，在长达几亿年的大气成因水（风化壳岩溶作用）和深埋藏热水的改造过程中，δ¹⁸O值产生明显的降低，且δ¹⁸O有随溶蚀强度加大同步朝低、负值方向迁移的规律，说明溶蚀过程中存在由弱到强的同位素分馏效应。

（2）碳同位素环境意义

由于大气成因的水碳含量低，碳酸盐岩中碳的体积远远大于成岩作用过程中与其发生反应的孔隙水中的碳，且孔隙水与碳酸盐岩间的碳同位素交换不受温度变化的影响，故碳酸盐岩基质和方解石胶结物中的δ¹³C自形成以来，其组成变化不明显，虽总体偏负，但仍接近其原始值。而古岩溶缝洞系统充填物的δ¹³C值的偏负程度较高，这是由于在风化壳岩溶作用时期（加里东—海西早期、海西晚期），充填物的物源主要来自石炭系—二叠系被剥蚀地层，与奥陶系碳酸盐岩基质形成时的环境相比，两个外来碳储库——氧化碳储库和还原碳储库之间相对比例发生了变化。氧化碳储库主要是碳酸盐沉积物，它以富¹³C为特征；还原碳储库为有机碳，以富¹²C为特征。轮南—东河塘地区石炭系δ¹³C平均值－3.17‰，与轮古7井区以东奥陶系古岩溶充填物的δ¹³C值与此十分相近。因此，轮古7井区以东奥陶系古岩溶充填物的物源来自石炭系一二叠系。显然，石炭系—二叠系中的有机碳含量高于奥陶系。因此，轮古7井区以东溶洞中沉积的充填物的δ¹³C值较轮古西地区碳酸盐岩基质低。这也从另一方面佐证了古岩溶作用发生的时期和古岩溶缝洞系统充填物的物质来源。

（二）塔北露头区奥陶系古岩溶充填物碳、氧同位素特征

塔北露头区奥陶系古岩溶充填矿物的碳、氧稳定同位素明显反映出次生矿物的同位素丰度特点（表5-4）。与海相碳酸盐岩的同位素丰度相比[δ¹³C（PDB）一般为－1‰～2‰、变幅3‰～5‰]，塔北露头区奥陶系古岩溶缝洞充填物中δ¹³C多数小于－1.0‰，变幅达7.28‰，较低的δ¹³C值表明充填矿物形成于地下浅部，矿物形成时受地表下渗水带入的有机质氧化产物影响。

一般情况下，海相碳酸盐的δ¹⁸O值为－1.5‰～－10‰、淡水碳酸盐为－5‰～－10‰。塔北露头区碳酸盐充填物的δ¹⁸O值为－6.46‰～－14.54‰，显著低于基岩，显示了岩溶充填物的形成环境更为复杂，部分受热液或同位素交代作用使¹⁸O含量减少。

从δ¹³C－δ¹⁸O关系图（图5-24）分析得出，区内古岩溶充填矿物的形成于5种不同的环境条件：第一类为富含泥质的钙泥沉积充填，是流水作用下伴随机械充填形成的碳酸盐沉积，为相对较干热条件下形成，δ¹⁸O为－8.99‰～－6.63‰、δ¹³C为－0.19‰～1.29‰；第二类为较早期的充填方解石，野外观察见有岩浆岩脉侵入的烘烤边，δ¹⁸O为－13.32‰～－11.46‰、δ¹³C为－1.24‰～－0.49‰；第三类为较晚期形成的化学淀积充填，主要充填于岩溶裂隙或溶蚀构造缝中，充填过程缓慢，持续时间长，呈多层状；第四类亦为较晚期形成的化学淀积充填，主要见于溶洞洞壁，与石膏共生；第五类为早期古岩溶充填物后又经过了重结晶过程，δ¹⁸O为－15.86‰～－15.05‰，δ¹³C为－4.33‰～－3.23‰，明显比其他类型低。

表5-4 塔里木盆地北缘古岩溶充填矿物碳、氧稳定同位素测试结果

图5-24 塔里木盆地北缘古岩溶充填矿物δ¹³C－δ¹⁸O关系图

（三）塔河地区奥陶系古岩溶充填物碳氧同位素特征

从测试结果可见（表5-5），塔河地区奥陶系碳酸盐岩古岩溶缝洞系统充填物的δ¹³C和δ¹⁸O值的变化范围较大，δ¹³C值为1.70‰～－6.67‰，δ¹⁸O值为－6.60‰～－12.27‰。古岩溶缝洞系统的充填物的δ¹⁸O值均具有明显偏负特征，表明古岩溶缝洞系统充填物形成过程中受到大气成因的淡水影响，反映了当时的风化壳岩溶沉积环境。

从δ¹³C－δ¹⁸O关系图（图5-25）可见，岩溶充填物中碳酸盐矿物的形成主要有2种不同的环境条件：第Ⅰ类为风化壳岩溶期机械充填过程形成，充填物为富含泥质的钙泥质沉积充填，是流水作用下伴随机械充填形成的碳酸盐沉积，处于相对较干热条件，δ¹⁸O、δ¹³C较高，δ¹⁸O为－9.88‰～－6.60‰，δ¹³C为－0.74‰～－2.05‰。第Ⅱ类为较晚期形成的化学淀积充填，方解石δ¹⁸O值明显偏负，反映方解石充填物的形成与热液作用具有明显的关系；钙泥质物δ¹⁸O值亦偏负，反映早期充填的泥质后期受热液作用而钙质胶结，δ¹⁸O为－12.27‰～－10.17‰，主要充填于溶洞、岩溶裂隙或溶蚀构造缝中，充填过程缓慢，持续较长，可见多层状，表现为同期多次性。

Ⅰ类、Ⅱ类岩溶充填物中碳酸盐矿物的形成环境在塔河地区较为普遍，分别属古岩溶缝洞系统充填、改造过程的主要时期。

总体而言，淡水淋滤、溶滤作用和有机酸介入的岩溶作用过程中所产生的淀积充填物的碳、氧同位素值明显偏负。其中，早表生和裸露环境下产生的岩溶充填物中氧同位素较富集，δ¹⁸O值明显偏负，δ¹³C值变化较小；埋藏环境压释水中有机酸介入水岩作用后产生的沉淀物中CO₂含量较高，δ¹³C明显偏负，δ¹⁸O值也较低；热水作用下有机质分解及甲烷化，水中重同位素富集，产生的沉淀物δ¹³C较高，部分出现较高的正值。

图5-25 塔河地区古岩溶缝洞系统充填物碳、氧同位素关系图

表5-5 塔河地区古岩溶缝洞系统充填物碳氧同位素特征表

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