乔羽(大庆油田勘探开发研究院有机地球化学研究室,黑龙江大庆163000)

碳、氧同位素测定及在碳酸盐岩储层分析中的应用探讨

乔羽(大庆油田勘探开发研究院有机地球化学研究室,黑龙江大庆163000)

碳酸盐岩中的碳、氧同位素组成能够揭示丰富的储层地质信息。文中介绍了碳酸盐岩中碳、氧同位素的组成特征及测定方法，对碳、氧同位素在古温度测定、碳酸盐岩沉积环境及成岩环境分析方面的应用进行了探讨。

碳酸盐岩；碳、氧同位素；特征；测定；应用

近几年来，大庆油田在塔里木东部地区开辟了油气勘探的新战场，塔东区块地质特征和油气储层条件与大庆区块差别较大，有利的油气储层主要分布在寒武系碳酸盐岩地层中，加强对碳酸盐岩储层地质分析具有重要意义。碳酸盐岩中碳、氧同位素的组成在古温度测定、沉积环境及成岩环境分析方面具有一定的优势，熟练掌握相关技术具有一定现实意义。

1 碳酸盐岩中碳、氧同位素特征

碳酸盐岩中的碳基本上是以无机碳(氧化碳)和有机碳(还原碳)的形式储藏的,二者的δ13C平均值大约相差25‰左右。有机碳显示出低的δ13C（-24‰PDB）,远低于氧化形式的CO2（-7‰）和海洋碳酸盐岩的碳(0‰～4‰)。δ13C值的大小通常涉及到甲烷的产生，它们既可以在近地表通过生物的发酵作用产生，也可以在大于100℃温度的地下通过有机质的热化学还原作用（TSR）来产生[1]。从发酵作用中产生的甲烷会生产很低的δ13C值，但是残余有机质显示出高的δ13C值，当甲烷的氧化作用及随后的胶结作用将造成含有很低δ13C值的胶结物。来自热化学作用的甲烷不能直接导致会有很低的δ13C值的地下胶结物的沉淀。土壤风化作用与海洋石灰岩的溶解作用，及其后的渗流带和浅的潜流带方解石胶结物的沉淀通常将造成含有中等低的δ13C成分的胶结物和石灰岩。δ13C如果来源于正常海相碳酸盐岩的溶解，那么其产物形成的方解石胶结物就会具有与原始海相碳酸盐岩相似的δ13C；来自风化壳上有机质氧化来源的13C加入时,就会引起δ13C值的偏负,δ13C偏负的程度决定于水岩反应的强度,水岩反应强度越大,那么来自围岩的13C比重也就越多,导致方解石胶结物的δ13C偏负程度变小。与之相反,水岩反应强度小时，δ13C偏负程度大。

氧同位素δ18O的组成影响因素较多,受介质温度和浓度的影响较大。地下流体有一个δ18O从-20‰到+12‰（SMOW）值的变化范围，浅海水胶结物有一个相对高的氧同位素值，大气水方解石胶结物倾向于反映出一种相对低的氧同位素比值。当有不断增高的温度时，会降低方解石的δ18O值。地下方解石的沉淀，即使是在含有相对重的氧同位素成分的空隙流体中沉淀，也会出现相对低的δ18，它们通常为大气水所覆盖。大气水严重贫δ18O,受其影响的碳酸盐岩和方解石胶结物的δ18O值也会严重偏负。碳酸盐岩沉积环境对氧同位素也起到一定的控制作用，沉积环境中水介质蒸发作用加强，盐度的增高，均会使碳酸盐岩δ13O值明显变大；陆源淡水和大气降水的注入会引起水介质盐度的降低，从而使δ13O值变小。

2 碳酸盐岩中碳、氧同位素测定

测定碳酸盐岩中的碳、氧同位素，野外尽量采集新鲜的碳酸盐岩样品，避免因风化作用影响同位素元素的组成。孔隙充填方解石及溶洞方解石用牙钻挑选，避开杂质矿物和围岩混入，对于受到沥青影响的碳酸盐岩样品，应将沥青清洗干净，样品需要粉碎，过200目筛。

碳、氧同位素一般采用磷酸法测定，样品用量10～15 mg，使用电子天平称量，精确到0.0001g，将样品在110℃条件下烘干，与100%磷酸在25℃水浴中平衡反应，收集CO2气体，在MAT-251质谱计上测定CO2气体中碳、氧同位素值，分析精度＜0.1×10-3，δ(13C)，δ(18O)数据均为相对于PDB标准值。

3 碳、氧同位素在碳酸盐岩储层地质学中的应用

3.1 古温度测定

研究表明，当不同矿物之间或矿物与水之间同位素交换达到平衡时，同位素的分馏与环境温度有关，环境温度越高，同位素分馏越小，环境温度越低，分馏越大。根据同位素分馏与温度的关系，可以使用岩石中两种矿物的同位素组成差异来测定岩石形成的温度。在碳酸盐岩中，常使用两种共生矿物中氧同位组成的差异作为地质温度计算依据，这种平衡温度的计算方法被认为是有效的。具体计算公式如下：

式中，同位素分馏系数a的自然对数与矿物形成的温度的平方成反比，x、y代表两种共生矿物（碳酸盐岩中如方解石、白云石），A、B为常数，随共生矿物组成不同而改变，当共生矿物的δ18O差值小于10‰时，上式可以近似地表示为：

上式中，A、B值可以从有关的表中可以查到，在具体的计算时，只需要测定碳酸盐岩中两种共生矿物的同一种同位素组成（如δ18O），就可以使用上式求出矿物形成的古温度。

3.2 沉积环境分析

碳酸盐岩中碳、氧同位素组成与形成碳酸盐岩的沉积介质的同位素组成密切相关，因此，可以通过分析碳酸盐岩中碳、氧同位素组成来分析碳酸盐岩沉积环境。如海相碳酸盐岩与陆相碳酸盐岩的碳、氧同位素组成差异比较明显，可以通过测定碳酸盐岩中碳、氧同位素组成，使用以下海相和淡水相碳酸盐岩划分的经验公式来进行区分：

上述经验公式中，a取值0.048，b取值0.489，δ13C、δ18O值均为PDB标准，通常认为：Z 120的碳酸盐岩沉积环境为海相，Z＜120的碳酸盐岩沉积环境为淡水相。

3.3 同位素与碳酸盐岩成岩环境

碳酸盐岩中碳、氧同位素组成能够反映成岩环境。海相碳酸盐岩的碳同位素组成反映海水特征，δ13C同位素组成在0‰至4‰之间。碳酸盐岩有来自风化壳有机质氧化来源的13C加入时,就会引起δ13C值的偏负，如大气水潜流带和大气水渗流带胶结形成的碳酸盐岩碳、氧同位素反映大气淡水特征，较海水碳、氧同位素组成偏负。在深埋藏环境，有机质在高温（大于120℃）条件下与硫酸盐反应（TSR热化学还原反应）产生CO2、H2S和方解石等产物，形成的方解石中碳同位素严重偏负，接近有机质的碳同位素（-24‰）。总之，不同成岩环境形成的碳酸盐岩碳、氧同位素存在差异，反而言之，这种同位素组成的差异，可以作为识别成岩环境的标志。

[1]强子同等著，碳酸盐岩储层地质学[M]，山东东营：石油大学出版社，1998.