C和O稳定同位素在矿层沉积环境分析方面的应用

（东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013）

对于研究某地区矿层的沉积环境，运用的常规方法有：沉积地质矿物的原生沉积构造、构造、古生物化石的分析、岩芯的观测和测井曲线等，但对于各个层段相似的冲积相特色，不便观察。

伴随着地球化学学科的不断发展与扩充，可以了解到在追踪古气候和古环境的研究中，我们可以通过沉积矿物在形成过程中所含要素及同位素迁移、堆积与散布规律来进行相关研究，同时这方面研究也广泛运用在恢复水体的古温度，盐度和堆积物成矿作用方面，最为特别的就是对沉积矿物中C和O同位素的分析研究。本文主要是归纳和总结前人在运用C和O稳定同位素进行古沉积环境的研究及运用的研究成果。

1 研究方法

不同元素的同位素在自然界中的组成相对丰度有着很大的差别，这也使得我们无法较为直观地观察到同位素组成的变化。所以在实际的研究工作中，我们通常采用相对测量的方法进行研究工作，即将各样品的同位素比值与已知的标准样品的比值之间的差异即可，采用千分率‰来表示。

δ（‰）=（R样品/R标准-1)×1000

在自然界中碳有13C和12C这两种相对稳定的同位素，其丰度存在较大差异，为98.89%和1.11%，我们采用13C/12C表示同位素组成。C同位素在自然界中的分布是有规律可寻的。在相碳元素分馏机制的相关研究中，我们通常采用碳同位素动力学分馏和平衡分馏两种机制。

在矿层元素研究中，氧最为丰度最高的元素。其占比高达46.6%，同时存在的形式也是十分对样的，有固态，液态，气态三种形式。自然界中氧3种稳定同位素16O、17O和18O，其丰度分别为99.763%、0.0375%和0.1995%，采用18O/16O值表示同位素组成[1]。自然界中的沉积岩、变质岩、花岗岩、玄武岩、地球以外物质都分布有不同含量的碳同位素。在氧同位素分馏机制的研究过程中，我们总结了以下四种分馏机制：液体水与水蒸气之间的同位素分馏、水-岩相互作用中的同位素分馏、共生矿物之间的同位素分馏和生物化学作用[2]。

2 C和O同位素在矿层沉积环境的运用

在对矿石中C和O稳定同位素地球化学的研究上，李心清等人总结了近40年来的研究成果：C和O定同位素组成在不同地质时代是存在明显的变化的，其中最为明显的是在石炭纪时期δ18O和δ13C的值的变化[3,4]。

在对西秦岭寒武系金矿床中的硅岩的而研究过程中，刘家军等人对研究区的不同硅质岩氧同位素进行一系列的数值测量，得出δ18O在17.60‰～23.24‰在这一范围内变化，这一数值变化范围与海底喷流成因硅质岩相近，从而表明了西秦岭寒武系金矿床中的硅岩受到喷流热水沉积作用的影响。

彭苏萍等人在研究塔里木盆地的矿层中C和O同位素组成时，也对C和O同位素的值进行了一系列的测定，虽然从而得出O同位素的值明显偏向负值。这反映了本区的矿层形成过程中的水分发生了氧同位素分馏，而C元素基本不受到影响，当时本区处于环境。

李春荣等人在对矿层沉积环境中C和O同位素的研究时，展开了不一样的研究思路，他们对不同层序的水进体系域的C和O同位素特征进行了相关分析，得出了水体经历了两个周期性变化，第一个为高盐度浓缩期，第二个时期为相对淡化期。把潭25井和王新7-3井的C和O同位素变化值曲线进行对比得出，两个曲线十分相近，变化特征也存在相似，所以说两者具有相似性，从而得出沉积环境的变化对碳氧同位素的高低变化存在这一定的影响，两者具有较好的相关性。

王强等在研究恰什古伊地区时，采集该区的Cha–21井岩芯中41个样品进行测定碳氧同位素的值，结果表明，他们的O同位素实验数据范围有50%的与之前报道的数据范围一样，这就表明O同位素受到成岩作用的影响十分明显；同时对C同位素的数据研究得出，除屑微晶灰岩的值与之前的报道数据相比较小，其他的都和之前报道的数据一样，所以我得出在同位素地层和古环境分析的研究工作中，运用C同位素的数据也是合理有效的，为相关的研究开辟了新的思路和方法[5]。

在鄂尔多斯盆地矿物储层物成分组成与C和O同位素特征研究一文中，王钊等人通过磷酸法对C和O同位素值进行了测定，结果表明：C同位素在-14.8‰～-1.5‰这一范围内分布变化，O同位素的变化范围相对于C同位素变化范围较大，为-25.7‰～-9.9‰这一变化分布范围。从而推断出有机质在同位素压实作用下推断同位素因压实作用下由高势区向低势区进行转移，在化学变化后发生胶结作用才使得有C和O被捕捉而成[6]。

在对扬子克拉通北缘神农架群C和O同位素特征及其对古环境和沉积时代的制约的研究的工作中，田辉等人对该地地质矿物的C和O同位素进行了系统的研究，测定后得出了900多组C、O同位素有效数据。

神农架群的δ13C和δ13O数据变化范围与前人的数据范围相近，这写数据沉积环境有着较好的指导意见，从而推算出当时该地的沉积环境[7]。该文通过查找全球相关地层，拿神农架群下亚群的碳同位素演化曲线与之进行对比，从而得出结果表明神农架群下亚群最大沉积时限应该不大于1350Ma。对比北美Bylot轶群、西非Atar轶群可知，神农架群上轶群的δ13C在变化范围和趋势存在相似特征，C同位素的值总体向负偏，这也显示出当时的Rodinia超大陆汇聚事件[8-10]。

在米仓山-汉南隆起牛蹄塘组地层C和O同位素组成及其意义这篇文章中，田涛等人对该区的矿物样品的C和O同位素(δ13Corg)进行了相关的数据测定，获得的数据具有良好的原始性，从而可以分析该区的沉积环境与矿物有机质之间的关系。结果显示出，δ13Corg在-34.032‰～-29.537‰这一范围内，表现出强烈的负异常。

3 研究展望

（1）在沉积矿物中C主要以有机形式存在，C在各种形式下都处在一个平衡的状态，并且在不同的温度下，C元素的同位素也会不同。得出O元素主要的赋存物质有水和沉积矿物。

（2）对于C和O同位素的研究表明，其与沉积环境具有一定的相关性，从而在示踪沉积环境的变化过程的研究时，可以以此为研究思路和方法。