干酪根 碳同位素 δ13c 的影响因素及意义

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1、干酪根 碳同位素 13C 的影响因素及意义干酪根的13C值的影响因素及意义提要干酪根是指保存在沉积岩中无固定结构和组成的难溶于一般有机溶剂的有机质。干酪根的13C值的影响因素是多方面，主要有沉积岩的变质的作用，以及:生物的演变;气候的变化;原始沉积及保存环境;地质历史上的地质旋回和海平的升降。研究干酪根的13C值可以提供一些有用的信息:生物的演变;气候的变化;原始沉积及保存环境;地质历史上的地质旋回和海平的升降。干酪根是指保存在沉积岩中无固定结构和组成的难溶于一般有机溶剂的有机质。干酪根是地球上有机碳的重要存在形式，分布广泛，是石油的重要母质来源。由于干酪根是结构复杂，无固定组成，加上热演化和

2、生物、物理化学的氧化作用，对干酪根的母质来源的认识一直发展比较缓慢。通常认为干酪根的母质来源是水生浮游植物，其次是浮游动物，然后才是细菌。浮游动物是以浮游植物为营养来源，因此它们之间的13C很接近。整体上浮游动物相对浮游植物最多富集113C，个体组织最多富集213C，而极个别的情况不会超过313C1。根据不同的干酪根中所含的13C值的差别，通常把干酪根分成三种类型，即型、型、型。对石油有重要意义的是型、型干酪根。型干酪根13C的变化区间是:-28.1-31.9;型干酪根:-27.9-31.22。一般认为陆相干酪根13C的变化区间是:-25-35，而海相干酪根13C的变化区间则是:-19-25。

3、稳定碳同位素是解释干酪根母质来源的重要途径。这主要是由于在原始母质进入沉积环境中后，在沉积岩发生变质前，不论是早期的成岩作用还是之后的热成熟演化，其13C值都能很好的继承母质的13C值并保持稳定。但如果沉积岩发生变质作用，那么海相沉积形成的干酪根的13C可能会接近陆相沉积形成的干酪根典型的13C值。因此单靠13C值来确定干酪根是海相的还是陆相的是不稳定的。应结合其它诸如地质条件、古生物学等手段来进一步加以确认。假如后期的变质作用对所有成因的13C值都产生了相同的作用，那么我们就可以根据干酪根的13C值对原始母质的一些参数作一些大致的推测。而在这之前，我们必须先了解是什么因素影响了干酪根的13C

4、值的分布。原始母质;大气中的二氧化碳;选择性保存;二氧化碳的来源3。1.原始母质的影响既然干酪根具有继承其先质碳同位素组成的能力，那么我们当然认为生物可能是影响干酪根的13C的重要因素。我们很容易想到海相成因的干酪根和其陆相成因的干酪根的13C值区间与其相对应的原始母质的13C值区间具有惊人的相近性。如海相干酪根的13C值区间是:-19-25，而海水中的浮游植物13C值区间是:-18-24。这似乎使我们更加信心百倍。然而在对引起这种13C值变动(如海水中的浮游植物13C:-18-24)的因素有足够的了解之前，我们仍需谨慎从事。单靠温度的作用显然是不足以引起如此广泛的同位素分馏。尽管有研究认为在

5、15以下，某些特殊的物种会富集12C。如一些硅藻特别是名为SkeletonemaCostatum，在冷水中能明显富集12C4。但其它的研究并未找到温度直接对同位素分馏产生影响的证据5。如果温度对同位素分馏有影响的话，那么很可能是通过物种的改变间接作用的。Gearing的研究表明温度对水生浮游植物的影响几乎没有或者不超过1(13C)6。既然温度不是引起水生浮游植物同位素分馏的主要影响因素，那么另一种考虑可能是生物物种的差别的影响。Wong和Sackett(1978)对海相的17种浮游植物进行研究后，发现17种浮游植物中13C值最低可至-35.5，表现出对12C明显的富集;而最高的可至22.1，对

6、二氧化碳的分馏极小4。并得出发生这种对二氧化碳不同的分馏水平是由于不同的浮游植物物种不同的生长速度，认为在生物固碳机理相同的情况下，快度生长的物种比生长缓慢的物种富集12C能力更弱一点。物种又可能因环境的变化而发生变异、进化，或者物种组成发生变化，因此可以推测同一地区的干酪根可能会有几套不同的13C值区间。2.大气中CO2的浓度植物对稳定碳同位素的分馏程度与大气中的CO2的浓度成正相关。地质历史上大气中CO2的浓度曾是现在的10倍左右。Degens(1968)的研究表明当时的水生浮游植物会比现在的水生浮游植物多富集9的12C7。Arthur(1985)等在比较了白垩纪岩石的13C值和现代海洋沉

7、积中13C值之后，认为白垩纪岩石中的13C值低于现代海洋沉积中的值部分是由于当时大气中的CO2的浓度高于现今大气中的浓度8。腐煤的13C值能反映维管植物对大气中CO2的浓度的变化做出的反映。Park和Epsten(1960)的实验证实在大气中的CO2的浓度高于现今9倍的情况下，陆生维管植物能富集4的12C9。但随后Degens(1968)对显生宙沉积岩中的腐煤和植物碎屑的13C值测定结果表明当时的维管植物并不没有像今天的C3维管植物那样富集13C7。因此，大气中的CO2的浓度可能不是影响干酪根13C值的主要因素。3.选择性保存一般认为浮游植物和动物以及细菌主要由三种物质构成，即蛋白质、碳水化合

8、物、和脂类物质。这三类物质在氧化环境中极有可能被细菌降解。相对而言，脂类物质抵抗降解的能力比较强2。因此，认为干酪根是脂类物质选择性保存的结果。Degens(1968)通过对海相浮游植物的13C值研究，认为相比于碳水化合物和蛋白质，脂质能相对富集12C达8到107。尽管如此，Spiker(1986)证实即使是在最优的厌氧条件下，藻类的残体也仅仅能富集412C10。还有一点需要考虑的是，碳水化合物和蛋白质在沉积环境中可能因而聚合成复杂的化合物，从而有利于保存，并随后和保存下来的脂质形成干酪根。在此种条件下，碳水化合物和蛋白质的13C值显然会影响到随后生成的干酪根中的13C值。4.二氧化碳的来源浮

9、游植物所利用的溶解的CO2的来源的13C值对其13C值具有直接的影响。在现代海洋中，和大气中的CO2的碳同位素保持平衡的溶解的CO2是浮游植物的主要碳来源。尽管上述平衡过程是深海(500m)中的浮游植物的主要的碳来源，但是对地质历史上出现过的相对静止的浅海(200m)环境，沉积物中的有机质的厌氧降解产生的CO2可能成为浮游植物的主要碳来源。这种生物成因的CO2相对富集12C。Deuser(1970)对黑海的研究证实，在海面以下靠近海底的水位上，其中溶解的CO2可相对富集高达712C11。而且这种富集作用甚至可以向上延伸达2000多米。Mckenzie(1982)对成层湖相的研究也表明在光合作用

10、带的CO2相对富集7-13的12C，而浮游生物体内的中13C值落至-35.512。由于干酪根大都形成于静水环境中，所以可推测的是浅水形成的干酪根的13C值要低于深水形成的干酪根的13C值。这也可以用来解释为什么陆相形成的干酪根的13C值会低于海相形成的干酪根的13C值。同样，由于地质历史上曾经出现过构造旋回，海平面时而深时而浅，因此，海相干酪根的13C值也有可能在没有发生变质作用的条件下和陆相的干酪根的13C值相近。经过分析，可以得到以下一些推论，即分析干酪根的13C值可以考察:生物的演变;气候的变化;原始沉积及保存环境;地质历史上的地质旋回和海平的升降。参考文献1DeniroM.J.andE

11、pstinS.(1978)Influenceofdietonthedistributionofcarbonisotopesinanimals.Geochim.Cosmochim.Acta42,495-506.2王大锐.油气同位素地球化学.石油工业出版社.3M.D.Lewan(1986)StablecarbonisotopesofamorphouskerogensfromPhanerozoicsedimentaryrocks.Geochim.Cosmochim.Acta50,1583-1591.4WongW.W.andSackettW.M(1978)Fractionofstablecarboni

12、sotopesbymarinephytoplankton.Geochim.Cosmochim.Acta42,1809-1815.5GalderJ.A.andParkerP.L.(1973)Geochemicalimplicationofinducedchangesin13Cfractionbyblue-greenalage.Geochim.Cosmochim.Acta37,133-140.6GearingJ.N.etal(1984)Isotopicvariabilityoforganiccarboninaphytoplankton-based,temperateestuary.Geochim.

13、Cosmochim.Acta48,1089-1098.7DegensE.T.etal(1968)Metabolicfractionofcarbonisotopesinmarineplankton-.Temperatureandrespirationexperiments.Deep-SeaRes.15,1-19.8ArthurM.A.etal(1985)Anomalous13Cenrichmentinmodernmarineorganiccarbon.Nature315,216-218.9ParkR.andEpstenS.(1960)Carbonisotopefractionduringphot

14、osynthesis.Geochim.Cosmochim.Acta21,110-126.10SpikerE.C.etal(1986)Lossof13C-enrichedlabileorganicmatterduringearlydiagenesis.191stAmer.Chem.Soc.Nat.Meeting.Div.Geochem.Abst.No21,NewYork.11DeuserW.G.(1970)Carbon13inBlackSeawatersandimplicationsfortheoriginofhydrogensulfide.Science168,1575-1577.12MckenzieF.T.etal(1982)Carbon-13cycleinLakeGreifen:Amodelforrestrictedoceanbasin.InNatureandOriginofCretaceous,145-175,AcademicPress,London.原发于:空间完美搬家到新浪博客!