碳酸盐团簇同位素在海相盆地热史研究中的进展

沉积盆地热史研究对于油气成藏分析至关重要,在油气勘探以及油气资源评价领域有着举足轻重的影响,而海相盆地碳酸盐岩层系由于缺乏有效古温标导致很难对其热史进行恢复。碳酸盐团簇同位素是能够指示碳酸盐岩形成温度的指标,它将温度信息记录在^(13)C—^(18)O配对的化学键中,并通过其丰度变化将温度信息反映出来,即碳酸盐团簇同位素的丰度(Δ_(47))与地层温度演化密切相关。从碳酸盐团簇同位素测温以及热史恢复的基本原理、方法出发,结合近年来其在国内外海相盆地热史恢复的研究实例,综述了碳酸盐团簇同位素古温标的应用情况,并探讨了其存在的问题和未来的发展方向。碳酸盐团簇同位素作为一种新兴的古温标,在碳酸盐岩地层热历史恢复中展现出了巨大的潜力。团簇同位素热史研究实例表明,美国箭峡Bird Spring组经历的最高古温度约为175℃,四川盆地二叠系茅口组最高埋藏温度在213~225℃,塔里木盆地奥陶系受二叠纪岩浆活动影响存在160℃以上的异常高温。团簇同位素由于受热演化模式不成熟,重结晶作用以及沉积埋藏温度变化的影响,使得其在热史恢复方面仍存在不足,并建议精确恢复碳酸盐岩地层热史的下一步发展方向是将碳酸盐团簇同位素和U-Pb定年以及其他古温标相联合。

碳酸盐岩团簇同位素约束下的川东地区二叠系热演化

有效古温标的缺乏制约了碳酸盐岩层系热史的研究,团簇同位素作为一种新兴古温标,对碳酸盐岩层系热史重建具有重要意义。四川盆地二叠系是天然气勘探开发的重点层系,本文通过对川东地区二叠系碳酸盐岩样品进行团簇同位素测试,联合镜质组反射率重建了二叠纪以来的热史,在此基础上明确了二叠系烃源岩的热演化,并讨论了峨眉山地幔柱对川东热体制的影响。川东地区碳酸盐岩的团簇同位素温度在101.7~178.7℃,利用交换/扩散模型进行热史模拟认为:川东地区晚白垩世古温度最高,最高古温度在213~225℃,古地温梯度在23~33℃/km;川东地区二叠纪古热流最高,最高古热流约为55~70 mW/m^(2),二叠纪之后热流逐渐降低至现今大地热流。烃源岩热演化分析认为:川东地区二叠系烃源岩热演化具有阶段性,热演化受控于构造运动,受印支期运动和燕山-喜马拉雅期运动影响存在两期热演化停滞,晚白垩世达到最高古温度后停止生烃,现今处于生气阶段。川东地区二叠纪热流值和烃源岩热演化主要受到地壳拉张减薄作用的影响,受峨眉山地幔柱的影响较小且具有局限性。

碳酸盐团簇同位素约束下塔中隆起奥陶系热历史

碳酸盐团簇同位素是近年来兴起的一种新型古温标,其有效地解决了碳酸盐岩沉积盆地缺乏常用古温标的现状,对于沉积盆地热史恢复具有重要意义.本文采集了塔中地区奥陶系碳酸盐岩钻井取芯样品,利用一阶近似模型模拟了塔中隆起碳酸盐团簇同位素温度(T_(Δ47))热演化路径,并结合等效镜质体反射率约束了塔中隆起的热历史.塔中隆起大地热流自奥陶纪到现今总体呈降低趋势,自60~70 mW·m^(-2)降低至40~50 mW·m^(-2),二叠纪由于火成岩入侵造成热流短暂升高至60~70 mW·m^(-2).模拟结果认为,北部斜坡带及潜山构造带受火成岩影响显著,北部斜坡带及潜山构造带在二叠纪最高温度分别达到160~170℃及180~190℃;而塔中南缘未受影响,中生代或者现今为最高温度130~140℃.总的来说,碳酸盐团簇同位素在热史领域的研究目前还处于探索阶段,未来有望在重排规律、T_(Δ47)影响因素以及模型理论方面有待进一步完善,团簇同位素也将在热史领域的研究中产生愈加重大的影响力.

甲烷团簇同位素研究进展及其在表层地球系统碳循环研究中的应用

团簇同位素是当今地球化学研究的前沿领域。有关团簇同位素技术原理、指示意义、模型校正等方面研究已取得初步成果,而在表层地球系统研究领域以及地理、环境和生态等领域的综合应用研究工作亟待加强。在表层地球系统中,碳循环过程涉及广泛且影响深远,而甲烷(CH_(4))作为碳循环中关键环节的重要物质组成,揭示其来源及地球化学过程具有重大意义。甲烷团簇同位素技术的引入将为开展相关研究提供有效工具,该技术在揭示时间-空间不同尺度碳循环研究等领域具有广阔的应用前景。本文综述了团簇同位素的理论基础、测试分析现状及国内外主要研究成果。重点讨论了CH_(4)团簇同位素研究现状、理论模型和同位素不平衡的影响因素,并论述了团簇同位素在天然气、大气和水体CH_(4)成因和转化的应用典型案例。最后提出对开展不同实验室间测试结果对比、测定自然丰度下环境样品、探索准平衡过程的展望,以期对未来应用甲烷及其他物质,如二氧化碳的团簇同位素开展表层地球系统碳循环研究起到一定的借鉴作用。

湖相碳酸盐碳、氧同位素与团簇同位素的研究进展

总结近年来传统碳、氧同位素及新兴团簇同位素在湖相碳酸盐中的研究进展,梳理湖相环境中碳酸盐同位素组成变化的影响因素及两种同位素方法在地质研究中的应用,探讨当前研究中存在的问题。湖相碳酸盐氧同位素组成受温度的影响较小,主要与湖盆水体的蒸发量和大气降水量有关,碳同位素组成则受湖水蒸发咸化作用以及湖泊有机质与无机质相互作用的共同控制;团簇同位素仅受温度单一因素的影响,是良好的碳酸盐温度计。指出湖相碳酸盐碳、氧同位素研究的两大方向:一是解决团簇同位素理论研究中存在的问题,尤其是埋藏改造过程中团簇同位素温度的重置机理;二是将传统的碳、氧同位素指标与新兴的团簇同位素指标相结合,进行多指标的地球化学综合分析,有效地避免二者在地质研究中的局限性。

团簇同位素的基本原理与地质应用

团簇同位素指的是含有2个及2个以上的重同位素结合在一起形成的同位素体。团簇同位素的数值定义为同位素体的相对丰度偏离随机分布状态的程度。测量该相对丰度较低的同位素体需要高精度的质谱仪,难点在于利用同位素组成已知的参考气体和不同同位素组成的加热气体,以获得绝对参考体系下的数值。团簇同位素体的相对丰度非常低,但是具有非常独特的物理和化学性质。比如碳酸盐矿物中^(13)C^(18)O^(16)O的丰度对温度具有敏感性,而与矿物的全岩同位素以及矿物形成时期的流体性质无关,因此可以利用测量的碳酸盐团簇同位素来获得矿物的生长温度,再利用矿物的氧同位素(δ^(18)O),根据传统的氧同位素温度计原理,可以进一步获得矿物的生长流体(水)的氧同位素。目前,团簇同位素温度计已经在古气候(温度)重建、古高度恢复、碳酸盐岩的成岩作用以及甲烷的成因分析等方面得到了广泛应用。评估深埋高温过程引起的C-O化学键重置对碳酸盐团簇同位素的影响、测试仪器产生对团簇同位素的非线性误差校正、以及其他丰度更低的团簇同位素体或大分子的团簇同位素的测量,是下一步的研究方向。

塔里木盆地塔中地区下奥陶统白云岩的成岩流体演化:来自团簇同位素的证据

基于碳酸根中13 C-18 O键的相对丰度与温度的关系,碳酸盐团簇同位素(Δ47)具有独特的温度指示特征,而且不受碳酸盐沉淀时流体的化学和同位素组成的影响,是成岩流体研究中很好的温度指标。应用该指标可以更好地解决与温度相关的成岩流体来源及演化的问题。论文主要针对塔里木盆地塔中地区下奥陶统鹰山组白云岩样品,在详细的岩矿观察基础上,选取了基质(孔隙发育处)、孔洞内充填物和裂缝内充填物进行了团簇同位素测试分析,解析了深层-超深层碳酸盐岩储层的流体性质、演化与其对储层发育的影响。测试结果表明,塔中地区下奥陶统鹰山组白云岩主要经历了3期成岩流体改造:第一期流体为浅-中埋藏,为粉晶-细晶结构,团簇同位素形成温度T(Δ47)分布范围为69~94℃,流体氧同位素值(δ18 O w,SMOW)分布范围为+1.81‰^+5.19‰,为奥陶系改造海水;第二期流体为晚期深埋藏卤水,多表现为细晶与中-粗晶结构,T(Δ47)为111~113℃,δ18 O w(SMOW)值为+8.46‰^+8.95‰,指示进一步增加的水-岩相互作用;第三期为热流体,T(Δ47)为130~147℃,δ18 O w(SMOW)值为+7.93‰^+9.42‰,矿物氧同位素较第二期明显偏负,且鞍状白云石发育。孔洞和裂缝内充填碳酸盐岩的碳、氧同位素分布范围较宽,δ18 O carb(VPDB)值为-17.38‰^-5.84‰,δ13 C carb(VPDB)值为-3.57‰^-1.33‰,也揭示了多期次流体活动的叠加改造。岩心和显微观测结果显示,白云岩具有很好的储集空间,埋藏溶蚀作用和断裂带附近的热流体活动叠加是鹰山组白云岩储层发育的主要建设性成岩作用。

团簇同位素在白云岩化流体恢复中的应用与局限性

碳酸盐的团簇同位素(Δ47)可以直接确定矿物的形成温度,结合矿物的氧同位素,还可以根据传统的氧同位素温度计确定矿物生长的流体(水)的氧同位素(δ18 O),提供了一种潜在的确定白云化流体的δ18 O、分析白云岩化流体来源的新方法。受白云岩化之后的重结晶作用和高温固态重置作用的影响,白云岩的团簇同位素温度(TΔ47)会比白云化作用实际发生时期的温度偏高,给直接利用TΔ47来恢复白云岩化流体的δ18 O造成了一定的局限性。为了分析四川盆地东北部地区长兴组-飞仙关组白云岩化流体的来源,开展了普光气田和元坝气田的白云岩团簇同位素研究。普光气田和元坝气田长兴组-飞仙关组白云岩的TΔ47在70~130℃,是重结晶作用和固态重置之后的白云岩视平衡温度。根据地层温度演化史和白云石的固态重置模型,固态重置作用导致川东北地区白云岩的平衡温度增高了30~35℃。经固态重置恢复之后确定的白云化流体的δ18 O(SMOW)在0~4‰,表明白云岩化流体来源于高盐度的蒸发流体。

近十年我国团簇同位素地球化学研究进展

团簇同位素是本世纪初发展起来的稳定同位素地球化学新的研究领域,是指自然丰度较低的重同位素相互成键(如13C-18O等)形成的同位素体。其内部同位素的键合主要受控于温度,通过测定团簇同位素组成可获得温度信息。目前研究程度较深的是碳酸盐的团簇同位素温度计,其独特优势在于它不受碳酸盐形成时流体同位素组成的影响,因而在地球科学的多个研究领域被广泛应用。本文总结了近十年来我国团簇同位素地球化学在理论计算、分析方法研究、实验模拟和应用研究等方面取得的进展,建议未来除了应用研究之外,还可以利用实验模拟方法从团簇同位素的平衡理论、生物碳酸盐生命效应的影响、埋藏成岩蚀变对团簇同位素的改造等方面开展工作。另外,超高分辨率稳定同位素质谱的引进有助于推动我国CH4、O2、N2和N2O等体系的团簇同位素研究。

碳酸盐团簇同位素在沉积盆地热演化中的应用——以塔里木盆地顺托果勒地区为例

塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩储层是近年来油气勘探的热点.然而,由于碳酸盐岩地层缺乏有效的古温标,极大的制约了热历史的研究.团簇同位素作为一种新的有效古温标,为碳酸盐岩地层的热历史恢复提供了可能.本文通过测试塔里木盆地顺托果勒地区奥陶系碳酸盐岩储层中不同结构组分的团簇同位素,利用固态重排模型重建了塔里木盆地顺托果勒地区不同构造单元的奥陶纪以来的热历史.塔里木盆地顺北、顺托和顺南地区泥晶基质的团簇同位素温度(TΔ47)平均值分别为92.34℃、124.35℃和170.27℃,除了顺南地区SN501井和SN4井外,其他的所有样品在最高埋藏温度下尚未达到完全热平衡,可用于热历史重建.通过对顺托果勒地区典型单井设置不同的热史路径,进而明确最高埋藏温度的上限为170~190℃.此外,二叠纪的异常高温可能是地层抬升剥蚀和岩浆活动热事件共同作用的结果,顺托果勒地区二叠纪地温梯度范围为26~46℃/km,呈现西北高东南低的趋势,地温梯度的空间变化表明可能与岩浆活动有关,且岩浆活动中心可能位于塔北地区附近,岩浆活动造成热响应可能在SN3井附近终止.

团簇同位素及特定位置同位素组成在天然气地球化学研究中的应用

随着天然气研究工作的深入,常规气体地球化学理论及指标已经无法满足研究的需求。随着分析测试技术水平的发展,出现了一批新的天然气地球化学分析测试技术,包括团簇同位素分析技术、特定位置同位素组成分析技术等,这些技术为天然气地质学及地球化学研究领域的前沿科学问题,包括天然气中烷烃气体的形成温度、形成路径以及形成机理的研究提供了大量信息。同时,上述测试技术的出现也为天然气勘探实践中的气源对比及天然气成因类型判识等应用研究从更微观的层面提供了解释。本文针对近些年出现的新型地球化学指标及相关测试技术从原理、测试方法及应用现状3方面进行系统的介绍,以期为今后气体地球化学理论的发展及天然气地球科学的研究提供帮助。

珊瑚碳酸盐团簇同位素研究进展

基于碳酸根离子内部重同位素(^13C和^18O)之间相互团簇成键的程度与温度的关系,珊瑚碳酸盐团簇同位素(以Δ47值量化)可以用来指示海水温度。然而受“生命效应”影响,多种浅水、深水珊瑚Δ47值与海温的关系显著偏离无机合成碳酸盐的Δ47-t校正曲线。解析珊瑚生命效应对Δ47值的影响机制是有效应用团簇同位素重建海温的重要前提。本文介绍了团簇同位素体系、珊瑚Δ47值的特征,综述了近期珊瑚碳酸盐同位素研究重要进展,从p H效应、CO2扩散、水合/羟基化,生物控制的方面对生命效应的分馏机制进行剖析。已有结果表明,尽管珊瑚Δ47值受生命效应影响,但依然具有显著的温度效应。未来研究需要在珊瑚钙化机制的视角下深入理解同位素分馏的各种影响因素。

碳酸盐成岩作用中的团簇同位素地球化学研究进展

碳酸盐团簇同位素作为一种广泛应用的新型古温度代用指标,在解决地球科学领域诸多与温度相关的科学问题上具有重要的应用价值。然而,团簇同位素容易遭受碳酸盐后期成岩作用改造的影响。因此,为了提高团簇同位素温度计的准确性,研究团簇同位素对成岩作用的分馏响应机理具有重要意义。本文综述了碳酸盐成岩作用中的团簇同位素地球化学研究近年来的进展,总结了影响团簇同位素分馏的重结晶和固态重排效应的研究方法,探讨了这两种效应背后的控制因素,展望了未来碳酸盐成岩作用中团簇同位素地球化学的研究方向。

基于U-Pb同位素年龄和团簇同位素(Δ_(47))温度约束的四川盆地震旦系灯影组构造-埋藏史重建

目的层系构造—埋藏史曲线对成烃、成储和成藏史的研究有着非常重要的作用。前人基于区域地质背景、地层剥蚀厚度、构造运动幕次等地质认识恢复的构造—埋藏史,因构造运动幕次认识的不同,地层剥蚀厚度难以恢复,存在不确定性,尤其是经历多旋回构造运动改造的中国海相碳酸盐岩构造—埋藏史的重建。通过四川盆地震旦系灯影组镜下多期次碳酸盐胶结物的识别和成岩序列的建立、碳酸盐矿物U-Pb同位素测年和团簇同位素(Δ_(47))测温两项技术的应用,取得两项成果认识:(1)建立了四川盆地震旦系灯影组基于同位素年龄和Δ_(47)温度约束的构造—埋藏史曲线,解决了前人基于区域地质背景、地层剥蚀厚度和构造运动幕次等地质认识约束的构造—埋藏史曲线不确定性的问题;(2)基于同位素年龄和Δ_(47)温度约束的构造—埋藏史曲线,重新认识了灯影组气藏的成烃、成储和成藏史,指出该气藏经历了志留纪石油聚集、二叠纪石油聚集、燕山—喜马拉雅期天然气持续聚集和调整3个阶段。该案例揭示基于同位素年龄和Δ_(47)温度约束的构造—埋藏史恢复方法不但适用于经历多旋回构造改造的深层碳酸盐岩构造—埋藏史重建,而且在成烃、成储和成藏研究中具重要的应用价值。

基于U-Pb同位素年龄和团簇同位素(Δ_(47))温度约束的构造-埋藏史重建——以塔里木盆地阿克苏地区震旦系奇格布拉克组为例

构造-埋藏史恢复是成烃、成储和成藏史研究的重要内容。通过塔里木盆地震旦系奇格布拉克组露头和镜下多期次碳酸盐胶结物的识别和成岩序列的建立,碳酸盐矿物U-Pb同位素测年和团簇同位素(Δ47)测温2项技术的应用,取得2项成果认识:(1)建立了塔里木盆地奇格布拉克组基于同位素年龄和Δ47温度约束的构造-埋藏史曲线,解决了前人基于地质认识的构造-埋藏史曲线不确定性的问题;(2)基于同位素年龄和Δ47温度约束的构造-埋藏史曲线,建立了储层成岩作用-成岩环境-地球化学特征和演化图谱及定时定量的成岩-孔隙演化史曲线,为理解区域构造地质背景控制下孔隙改造事件、成孔效应提供了基础,并指出储集空间主要形成于沉积和早表生环境,埋藏环境通过胶结作用逐渐减孔。

甲烷团簇同位素^(12)CH_(2)D_(2)测试方法优化研究

与传统稳定同位素技术相比,甲烷团簇同位素技术具有分辨率高、检出限低的优点,从而为甲烷产生机制和转化过程研究提供了新的视角。甲烷的两种团簇同位素体^(13)CH_(3)D和^(12)CH_(2)D_(2)具有独特的物理与化学性质,并可提供甲烷内部同位素平衡状态的重要信息。目前国内刚建立了对这两种团簇同位素体的测试方法,部分指标的测试精度有待于进一步提高。该文依托国内首台高分辨气体稳定同位素质谱仪(HR-IRMS),通过平衡仪器的分辨率和灵敏度,对甲烷团簇同位素^(12)CH_(2)D_(2)测试方法进行优化,在关闭Aperture选项条件下通过峰拖尾校正,可使[^(12)CH_(2)D_(2)+]信号得到有效提高,并通过[H_(2)O^(+)]峰模拟计算校正^(13)CH_(3)D峰与^(13)CH_(5)峰拖尾产生的空白。基于连续测试,成功地将测试精度提高到1.29‰,达到国际水平。

基于U—Pb定年和团簇同位素测定的古老碳酸盐岩地层热演化史恢复及成藏过程重建

团簇同位素作为一种新的地质温度计,在与U-Pb定年一起使用的情况下,能为古老碳酸盐岩地层热历史恢复提供时间和温度坐标。依据U-Pb定年实验的结果,得出不同产状白云岩的成岩时间,并利用团簇同位素固态重排模拟,恢复不同产状白云岩的成岩温度。结果表明:①依据围岩的Δ_(47)固态重排模拟过程,目的层所经历的最大埋深温度约为216.5±5℃;②利用不同产状白云岩的成岩时间和温度数据,对前人根据岩石热导率和地层剥蚀量所恢复出的热演化史进行限定,从而使研究区的热演化史恢复由定性转变为定量;③以恢复出的热演化史为基础,依据流体包裹体捕获的均一温度判断,共有3期油气充注:第一期油气充注时间约为255~240 Ma,第二期油气充注时间约为160~120 Ma,第三期油气充注时间约为80~40 Ma。

福建仙云洞现代次生碳酸盐团簇同位素特征与温度重建

碳酸盐团簇同位素(Δ47)是基于碳酸盐中13C-18O丰度相较于其随机分布状态的偏离程度对温度进行估算的新型测温技术。洞穴石笋沉积过程复杂,部分石笋受动力分馏作用影响导致其碳酸盐Δ47偏离平衡体系,这些因素增大了利用石笋碳酸盐Δ47定量重建古温度的难度。本研究以典型东亚夏季风影响区的福建仙云洞为研究对象,通过对该洞现代次生碳酸盐样品的采集和稳定同位素组成的测定,探讨研究区现代次生碳酸盐Δ47特征及其重建温度的可靠性。研究结果表明:1)仙云洞5个现代次生碳酸盐样品的Δ47和δ18O结果均较为集中,而δ13C差异较大,这种样品间差异与共性并存的特征表明本研究所选样品具有代表性;2)仙云洞5个现代次生碳酸盐样品的Δ47值在0.702‰~0.720‰范围内波动,实测温度与基于平衡体系下建立的团簇同位素温度转换方程计算的温度结果较为一致,揭示出该洞穴现代次生碳酸盐Δ47接近热力平衡,不存在显著的动力分馏;3)基于洞穴次生碳酸盐的团簇同位素温度和δ18O值,推算出对应的滴水δ18O值介于-8.0‰~-7.6‰之间,这与长期监测的仙云洞滴水δ18O结果较为吻合,表明仙云洞现代次生碳酸盐氧同位素接近同位素平衡。本文研究结果为重建区域古温度和古降水提供了证据支撑。

基于高分辨气体稳定同位素质谱仪的甲烷团簇同位素测定

甲烷团簇同位素中质量数为18的13CH3D和12CH2D22种同位素体具有独特的化学和物理性质,可以为甲烷成因的研究提供重要信息。依托国内高分辨气体稳定同位素质谱仪(HR-IRMS),调节分辨能和修正各种参数,在高分辨模式下优化测试时间及多种参数,建立了甲烷团簇同位素测试方法。基于该方法,连续分析δ13CH3D和δ12CH2D2的测试精度分别达到0.27‰和1.55‰。

利用团簇同位素恢复沉积盆地热历史的探索

海相碳酸盐岩层系由于缺乏有效的古温标,其热历史的恢复一直是困扰地球科学界的难题.碳酸盐团簇同位素(clumped isotope)作为一种新兴的古温标,在碳酸盐岩地层热历史研究中展现出了巨大的潜力.本文选取了塔里木盆地与四川盆地多口钻井受后期成岩作用影响较弱的碳酸盐岩样品进行团簇同位素古温标(Δ47)测试与分析,探讨了不同岩性的深层自然演化碳酸盐岩样品Δ47温度的意义、方解石团簇同位素^(13)C-^(18)O键固态重排规律以及沉积盆地热历史对不同岩性的团簇同位素的影响.塔里木盆地顺托果勒-卡塔克地区碳酸盐Δ47为0.443‰～0.634‰,计算团簇同位素温度为49.9～201.7℃,川中古隆起碳酸盐Δ47为0.423‰～0.537‰,计算团簇同位素温度为105.7～233.5℃.测得的团簇同位素温度远高于可能的成岩温度,表明上述研究区自然样品的碳酸盐团簇同位素受到了后期埋藏升温作用的影响,可能发生了^(13)C-^(18)O键的固态重排.根据塔里木盆地顺托果勒-卡塔克地区团簇同位素温度与钻孔温度关系推测自然样品方解石团簇同位素^(13)C-^(18)O键固态重排的"封闭温度"不高于120℃,热力学"平衡温度"不低于160℃,与国外实验室条件下得到的结果相一致.综合分析认为一阶近似模型能够较为准确地描述盆地热历史对方解石^(13)C-^(18)O键固态重排的影响;而盆地热历史对白云石团簇同位素影响的热演化模型还需要进一步研究.