碳、氧同位素測定及在碳酸鹽巖儲層分析中的應(yīng)用探討

喬羽(大慶油田勘探開發(fā)研究院有機(jī)地球化學(xué)研究室,黑龍江大慶163000)

碳、氧同位素測定及在碳酸鹽巖儲層分析中的應(yīng)用探討

喬羽(大慶油田勘探開發(fā)研究院有機(jī)地球化學(xué)研究室,黑龍江大慶163000)

碳酸鹽巖中的碳、氧同位素組成能夠揭示豐富的儲層地質(zhì)信息。文中介紹了碳酸鹽巖中碳、氧同位素的組成特征及測定方法，對碳、氧同位素在古溫度測定、碳酸鹽巖沉積環(huán)境及成巖環(huán)境分析方面的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

碳酸鹽巖；碳、氧同位素；特征；測定；應(yīng)用

近幾年來，大慶油田在塔里木東部地區(qū)開辟了油氣勘探的新戰(zhàn)場，塔東區(qū)塊地質(zhì)特征和油氣儲層條件與大慶區(qū)塊差別較大，有利的油氣儲層主要分布在寒武系碳酸鹽巖地層中，加強(qiáng)對碳酸鹽巖儲層地質(zhì)分析具有重要意義。碳酸鹽巖中碳、氧同位素的組成在古溫度測定、沉積環(huán)境及成巖環(huán)境分析方面具有一定的優(yōu)勢，熟練掌握相關(guān)技術(shù)具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 碳酸鹽巖中碳、氧同位素特征

碳酸鹽巖中的碳基本上是以無機(jī)碳(氧化碳)和有機(jī)碳(還原碳)的形式儲藏的,二者的δ13C平均值大約相差25‰左右。有機(jī)碳顯示出低的δ13C（-24‰PDB）,遠(yuǎn)低于氧化形式的CO2（-7‰）和海洋碳酸鹽巖的碳(0‰～4‰)。δ13C值的大小通常涉及到甲烷的產(chǎn)生，它們既可以在近地表通過生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生，也可以在大于100℃溫度的地下通過有機(jī)質(zhì)的熱化學(xué)還原作用（TSR）來產(chǎn)生[1]。從發(fā)酵作用中產(chǎn)生的甲烷會生產(chǎn)很低的δ13C值，但是殘余有機(jī)質(zhì)顯示出高的δ13C值，當(dāng)甲烷的氧化作用及隨后的膠結(jié)作用將造成含有很低δ13C值的膠結(jié)物。來自熱化學(xué)作用的甲烷不能直接導(dǎo)致會有很低的δ13C值的地下膠結(jié)物的沉淀。土壤風(fēng)化作用與海洋石灰?guī)r的溶解作用，及其后的滲流帶和淺的潛流帶方解石膠結(jié)物的沉淀通常將造成含有中等低的δ13C成分的膠結(jié)物和石灰?guī)r。δ13C如果來源于正常海相碳酸鹽巖的溶解，那么其產(chǎn)物形成的方解石膠結(jié)物就會具有與原始海相碳酸鹽巖相似的δ13C；來自風(fēng)化殼上有機(jī)質(zhì)氧化來源的13C加入時(shí),就會引起δ13C值的偏負(fù),δ13C偏負(fù)的程度決定于水巖反應(yīng)的強(qiáng)度,水巖反應(yīng)強(qiáng)度越大,那么來自圍巖的13C比重也就越多,導(dǎo)致方解石膠結(jié)物的δ13C偏負(fù)程度變小。與之相反,水巖反應(yīng)強(qiáng)度小時(shí)，δ13C偏負(fù)程度大。

氧同位素δ18O的組成影響因素較多,受介質(zhì)溫度和濃度的影響較大。地下流體有一個(gè)δ18O從-20‰到+12‰（SMOW）值的變化范圍，淺海水膠結(jié)物有一個(gè)相對高的氧同位素值，大氣水方解石膠結(jié)物傾向于反映出一種相對低的氧同位素比值。當(dāng)有不斷增高的溫度時(shí)，會降低方解石的δ18O值。地下方解石的沉淀，即使是在含有相對重的氧同位素成分的空隙流體中沉淀，也會出現(xiàn)相對低的δ18，它們通常為大氣水所覆蓋。大氣水嚴(yán)重貧δ18O,受其影響的碳酸鹽巖和方解石膠結(jié)物的δ18O值也會嚴(yán)重偏負(fù)。碳酸鹽巖沉積環(huán)境對氧同位素也起到一定的控制作用，沉積環(huán)境中水介質(zhì)蒸發(fā)作用加強(qiáng)，鹽度的增高，均會使碳酸鹽巖δ13O值明顯變大；陸源淡水和大氣降水的注入會引起水介質(zhì)鹽度的降低，從而使δ13O值變小。

2 碳酸鹽巖中碳、氧同位素測定

測定碳酸鹽巖中的碳、氧同位素，野外盡量采集新鮮的碳酸鹽巖樣品，避免因風(fēng)化作用影響同位素元素的組成。孔隙充填方解石及溶洞方解石用牙鉆挑選，避開雜質(zhì)礦物和圍巖混入，對于受到瀝青影響的碳酸鹽巖樣品，應(yīng)將瀝青清洗干凈，樣品需要粉碎，過200目篩。

碳、氧同位素一般采用磷酸法測定，樣品用量10～15 mg，使用電子天平稱量，精確到0.0001g，將樣品在110℃條件下烘干，與100%磷酸在25℃水浴中平衡反應(yīng)，收集CO2氣體，在MAT-251質(zhì)譜計(jì)上測定CO2氣體中碳、氧同位素值，分析精度＜0.1×10-3，δ(13C)，δ(18O)數(shù)據(jù)均為相對于PDB標(biāo)準(zhǔn)值。

3 碳、氧同位素在碳酸鹽巖儲層地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用

3.1 古溫度測定

研究表明，當(dāng)不同礦物之間或礦物與水之間同位素交換達(dá)到平衡時(shí)，同位素的分餾與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度越高，同位素分餾越小，環(huán)境溫度越低，分餾越大。根據(jù)同位素分餾與溫度的關(guān)系，可以使用巖石中兩種礦物的同位素組成差異來測定巖石形成的溫度。在碳酸鹽巖中，常使用兩種共生礦物中氧同位組成的差異作為地質(zhì)溫度計(jì)算依據(jù)，這種平衡溫度的計(jì)算方法被認(rèn)為是有效的。具體計(jì)算公式如下：

式中，同位素分餾系數(shù)a的自然對數(shù)與礦物形成的溫度的平方成反比，x、y代表兩種共生礦物（碳酸鹽巖中如方解石、白云石），A、B為常數(shù)，隨共生礦物組成不同而改變，當(dāng)共生礦物的δ18O差值小于10‰時(shí)，上式可以近似地表示為：

上式中，A、B值可以從有關(guān)的表中可以查到，在具體的計(jì)算時(shí)，只需要測定碳酸鹽巖中兩種共生礦物的同一種同位素組成（如δ18O），就可以使用上式求出礦物形成的古溫度。

3.2 沉積環(huán)境分析

碳酸鹽巖中碳、氧同位素組成與形成碳酸鹽巖的沉積介質(zhì)的同位素組成密切相關(guān)，因此，可以通過分析碳酸鹽巖中碳、氧同位素組成來分析碳酸鹽巖沉積環(huán)境。如海相碳酸鹽巖與陸相碳酸鹽巖的碳、氧同位素組成差異比較明顯，可以通過測定碳酸鹽巖中碳、氧同位素組成，使用以下海相和淡水相碳酸鹽巖劃分的經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行區(qū)分：

上述經(jīng)驗(yàn)公式中，a取值0.048，b取值0.489，δ13C、δ18O值均為PDB標(biāo)準(zhǔn)，通常認(rèn)為：Z 120的碳酸鹽巖沉積環(huán)境為海相，Z＜120的碳酸鹽巖沉積環(huán)境為淡水相。

3.3 同位素與碳酸鹽巖成巖環(huán)境

碳酸鹽巖中碳、氧同位素組成能夠反映成巖環(huán)境。海相碳酸鹽巖的碳同位素組成反映海水特征，δ13C同位素組成在0‰至4‰之間。碳酸鹽巖有來自風(fēng)化殼有機(jī)質(zhì)氧化來源的13C加入時(shí),就會引起δ13C值的偏負(fù)，如大氣水潛流帶和大氣水滲流帶膠結(jié)形成的碳酸鹽巖碳、氧同位素反映大氣淡水特征，較海水碳、氧同位素組成偏負(fù)。在深埋藏環(huán)境，有機(jī)質(zhì)在高溫（大于120℃）條件下與硫酸鹽反應(yīng)（TSR熱化學(xué)還原反應(yīng)）產(chǎn)生CO2、H2S和方解石等產(chǎn)物，形成的方解石中碳同位素嚴(yán)重偏負(fù)，接近有機(jī)質(zhì)的碳同位素（-24‰）?？傊?，不同成巖環(huán)境形成的碳酸鹽巖碳、氧同位素存在差異，反而言之，這種同位素組成的差異，可以作為識別成巖環(huán)境的標(biāo)志。

[1]強(qiáng)子同等著，碳酸鹽巖儲層地質(zhì)學(xué)[M]，山東東營：石油大學(xué)出版社，1998.